讓我們聊聊Load Dump

在汽車電子中，load dump指的是低壓電池在充電時與車輛的發電機突然斷開連接。由于電池的突然斷開，其余被接在發電機總線上的負載會承受非常大的浪涌電壓。這個浪涌電壓的峰值可能高達120V并且持續時間長達400ms才會衰減，這會對車載的低壓用電設備造成成噸的傷害。所以通常12V的系統需要鉗位到40V；24V的系統需要鉗位到60V，以保證其安全和可靠。

下面兩個圖示大概說明了一下load dump產生的原因。

為什么電池突然斷開會產生load dump？原理是什么？

發電機有非常大的電感量，電池又是很大的負載。所以當電池突然斷開時，對于發電機來說相當于電感上的電流發生了突變。根據楞次定律，此時電感會產生一個反向的感應電動勢E來阻止電流突變，這就是你看到的load dump波形。

OK，知道什么是load dump，讓我們再來看一下相關的標準。

1. 初始標準是ISO7637-2。在2010年時，用ISO16750-2替代了ISO7637-2，所以目前的load dump以ISO16750-2為標準。

2. 標準里定義了幾種脈沖電壓的波形，pulse 1,2a,2b,3a,3b,5a,5b，其中5a才是我們所說的load dump波形。

下面給出兩種標準的波形和參數，可以對比一下兩者之間的區別：

主要區別是以下三點：

ISO16750-2的測試次數是10次（間隔時間1分鐘）；ISO7637-2的測試次數是1次；

ISO16750-2的峰值電壓Us要高于ISO-7637-2；

ISO16750-2的US*電壓又明確定義；ISO7637-2的US*電壓允許用戶自定（這點和5b有關，這里先不做討論）。

基于以上三點，我們可以看出新的ISO16750-2要比之前的ISO7637-2更為嚴格。

OK，了解了測試標準后，那我們就需要選擇一顆合適的TVS來做保護了，跟著我來一步步計算下吧！

首先，選這顆TVS有兩個目標是一定需要滿足的：

1. TVS鉗位電壓需要小于后級元器件的最大耐壓，在12V系統中后級元器件的最大耐壓一般為40V，考慮一些余量，TVS鉗位電壓為35V比較合適。（24V系統的TVS鉗位電壓為65V比較合適）；

2. TVS需要能吸收load dump的能量并且不被損壞。

這里我們計算12V系統worst case時候的load dump來作為例子，參考ISO16750-2的標準。

列出以下的已知條件：

Vp(max)=101V;

Ri(min)=0.5ohm;

td(max)=400ms;

Vclamp=35V

1. 計算TVS承受的瞬時峰值功率Ppp

Ipeak=(Vp-Vclamp)/Ri=(101-35)/0.5=132A

Ppp=Ipeak x Vclamp=132x35=4.62kW

2. 計算峰值功率Ppp的持續時間T_conduct

解釋一下下面的圖，上圖是load dump的波形，下圖是TVS吸收的電流。在load dump的電壓＞Vclamp時，會有電流流過TVS，意味著TVS吸收了load dump的能量，所以要計算的就是這部分的時間T_conduct。（為了簡化計算，波形都近似成三角形）

slop of load dump=Vp/td=101/400=0.2525

T_conduct=(Vp-Vclamp)/slop=(101-35)/0.2525=261ms

3.最終結果

Ppp = 4.62kW @ T_conduct=261ms

Ppp = 4.62kW @ (?)T_conduct = 130.5ms（為了和TVS的規格書做比較，需要換算成1/2 T_conduct）

OK，計算結果有了，讓我們來找一份TVS的規格書看一下。

下圖是Littlefuse SLD8S系列的規格書，該系列是專門針對load dump應用而開發的TVS產品。

從下面這個圖中，我們可以得到該TVS的：

Ppp=2.2kW@td=130ms

顯然，單顆TVS是無法滿足要求的。考慮一些設計余量以及高溫derating的影響，這里我們需要選擇三顆TVS并聯的方案。

Ppp(3pcs in parallel)=3x2.2=6.6kW>Ppp(load dump)=4.62kW

TVS電壓的選擇，因為需要考慮jump start的要求，所以必須選擇24V以上的，一般30V或者33V的TVS是比較常見的選擇。

綜上所述三顆SLD8S30A或者SLD8S33A并聯是對策上述load dump測試較合適的選擇。

細心的同學可能已經發現了，上述兩顆TVS的Vclamp均大于40V(48.4V，53.3V)，但之前計算的時候不是說過Vclamp<35V才能有效地保護后級40V耐壓的器件嗎？這樣選型是否會無法保護后級的器件？

這樣的擔心不無道理，不過TVS的Vclamp和Ipp是成正比的，也就是說Ipp如果能減小的話Vclamp也是會減小的；三顆并聯的方案給Ppp留出了較大的余量，于此同時流過每顆TVS的Ipp也會相應的小于規格書中的值，所以實際的Vclamp應該會小于規格書中的標稱值。大概的計算如下：

Ipeak = 132A,So each TVS/SLD8S30A = 132/3 = 44A

Rd of SLD8S30A=(Vclamp-Vbr)/Ipp=(48.4-35.05)/144=0.093ohm

Vclamp_actual=Ipp_actualxRd+Vbr=44x0.093+35.05=39.142V

可以看到在三顆TVS并聯的方案下，Vclamp=39V<40V可以滿足需求。當然你也可以選擇更低電壓的TVS來進一步降低Vclamp，比如SLD8S28A等等。當然，這些都是論計算，需要通過實際的測試來做驗證。

最后，聊一個小問題，新能源汽車還需要考慮load dump嗎？請大家聊聊你的看法吧！