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BMS上TVS管應(yīng)用的三個關(guān)鍵場合

2021/12/16
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一下子進(jìn)入十二月了,這一年真的快,等到月底做個年終總結(jié)哈,今年真的經(jīng)歷了太多事情。

 

之前有聊過BMS上面的穩(wěn)壓二極管應(yīng)用場合,這次轉(zhuǎn)向TVS管(Transient Voltage Suppressor瞬態(tài)電壓抑制器),看看BMS上面哪些地方會用到它。

首先看這樣的一個問題:ESD保護二極管、穩(wěn)壓二極管與TVS管三者之間的區(qū)別?

目前的理解是這樣的,但可能不全面:

  • ESD保護二極管也是一種TVS管,但是很多廠商把它單獨區(qū)分出來,因為ESD保護二極管功率比較小,而且二者測試的脈沖電流波形也不同,如下圖(來自威世官網(wǎng))。

  • 穩(wěn)壓二極管一般讓其工作在穩(wěn)態(tài),而TVS讓其工作在瞬態(tài),但內(nèi)部構(gòu)造是類似的;另外相比TVS的動作時間<1ns,穩(wěn)壓二極管規(guī)格書里幾乎沒有提及動作時間,較真的話,它的瞬態(tài)動作時間暫且認(rèn)為與TVS是一樣的(這里希望了解的同學(xué)來講一下)。

下面來介紹TVS在BMS里面的常見應(yīng)用。場景一:KL30電源端口防護使用應(yīng)用電路大概如下,TVS被放置在電源入口端,負(fù)載放置在其后端,這個應(yīng)用大家比較常見。

(圖片來源于網(wǎng)絡(luò))

 

大家熟悉的拋負(fù)載試驗如下圖所示:它模擬交流發(fā)電機電池充電時,如果意外造成電池斷開,那么交流發(fā)電機的輸出電壓會急劇上升,施加到產(chǎn)品供電處;上面的TVS就可以防護這個脈沖。

下圖為B公司BMS控制板的電源輸入電路,紅色方框中就是兩個TVS管,被布置在KL30電源的輸入端口處;比較常見的型號為VISHAY的SM8S22A,或者TSC的TLD8S22A等,此處選取的TVS管峰值功率很大,例如6600W。

這里再展開下,在下圖的場景中,KL30/KL31線上面掛了很多個ECU,每個ECU上面都有放置TVS管;假如選擇的TVS鉗位電壓不同,例如負(fù)載3選擇的是30V的鉗位電壓,那么實際在拋負(fù)載測試時能量可能只集中在負(fù)載3上面泄放,可能會造成TVS損壞。

還有就是為了提高功率,有時選擇兩個TVS串聯(lián)或并聯(lián)使用,大家可以對比一下二者的優(yōu)缺點。

場景二:采集板AFE的電源端口防護使用還有一種場景是在AFE供電端口處放置一個TVS做防護,如下圖所示,在這個TVS管的前面還串聯(lián)了一個100Ω的電阻,限流使用;因為AFE的最大供電電壓是一定的,但是母線中存在的浪涌電壓會超出這個值,所以需要放置TVS來做防護。

(來源于TI官網(wǎng))

 

例如下圖為C公司的采集板,在其AFE電路的供電處都有放置一個TVS管,一般選取SMBSMC封裝,峰值功率大概為600W~1500W,并且前面串連有限流電阻,這個是常用的方案。

另外,還發(fā)現(xiàn)在B公司某款BMS采集板上,AFE采取了兩級TVS防護,兩個TVS之間有限流電阻,當(dāng)然兩個TVS封裝與鉗位電壓是不同的,如下圖;這種兩級的泄放保護電路理論上效果更佳。

這里有一個地方需要再提一句,就是TVS的鉗位電壓選取,一般的選取規(guī)則大家都清楚,網(wǎng)上也有大量資料參考;在這里特殊之處在于AFE的工作電壓比較高,當(dāng)你選取了一個比較合適的Stand off電壓之后,卻發(fā)現(xiàn)此TVS的最大鉗位電壓可能超出了AFE的最大供電電壓,但實際確實很多都是這樣用的。

場景三:信號端口的ESD防護BMS控制板上面有很多對外的信號線,例如IO信號以及通信信號,這些信號都要考慮ESD防護問題;其中IO信號線比較多,所以為了降低成本的考慮,很多人選用電容來進(jìn)行ESD防護(因此出現(xiàn)了一種ESD電容),如下圖所示。

電容防護ESD的原理如下圖:這個圖片是ESD發(fā)生器的原理圖,其中電容Cx就相當(dāng)于IO端口的防靜電電容,所以靜電釋放的過程就相當(dāng)于C1上面的電荷對Cx充電,當(dāng)Cx容值選定后,可以計算出Cx充滿電后的電壓;所以,理論上Cx的容值選取越大,其兩端電壓就越小,對內(nèi)部IO的防護就越好。

但是針對通信線,例如CAN通信,因為電容會對通信造成插入損耗,就是說會造成通信波形失真,典型推薦值為小于100pF@500kbit/s,所以此時一般選用專用的ESD防護TVS管,如下圖所示。

實際中的例子很多,例如下圖中C公司某個BMS控制器的CAN通信電路。

具體地,實際看一下ESD保護二極管的具體參數(shù),以安世的PESD1IVN24舉例,最大鉗位電壓為42V,而寄生電容僅有十幾pF。

看一下其他非ESD專用的TVS管,如力特的1.5SMC系列TVS,其寄生電容大于100pF,將其用在通信電路上面就不太合適。

最后補充一點,雙向的ESD保護管除了提供兩個方向的保護外,其寄生電容也會更小。

總結(jié):這塊內(nèi)容還真挺多的,寫起來就停不下,重新梳理了一遍知識點,收獲很大;以上所有,僅供參考。

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公眾號“新能源BMS”主筆,從事新能源汽車電池系統(tǒng)設(shè)計工作,具體為BMS硬件設(shè)計工作將近10年,在幾個大的主機廠都工作過;希望通過文字,把一些設(shè)計經(jīng)驗和總結(jié)分享給大家,共同成長。