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BMS上TVS管应用的三个关键场合

2021/12/16
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一下子进入十二月了,这一年真的快,等到月底做个年终总结哈,今年真的经历了太多事情。

 

之前有聊过BMS上面的稳压二极管应用场合,这次转向TVS管(Transient Voltage Suppressor瞬态电压抑制器),看看BMS上面哪些地方会用到它。

首先看这样的一个问题:ESD保护二极管、稳压二极管与TVS管三者之间的区别?

目前的理解是这样的,但可能不全面:

  • ESD保护二极管也是一种TVS管,但是很多厂商把它单独区分出来,因为ESD保护二极管功率比较小,而且二者测试的脉冲电流波形也不同,如下图(来自威世官网)。

  • 稳压二极管一般让其工作在稳态,而TVS让其工作在瞬态,但内部构造是类似的;另外相比TVS的动作时间<1ns,稳压二极管规格书里几乎没有提及动作时间,较真的话,它的瞬态动作时间暂且认为与TVS是一样的(这里希望了解的同学来讲一下)。

下面来介绍TVS在BMS里面的常见应用。场景一:KL30电源端口防护使用应用电路大概如下,TVS被放置在电源入口端,负载放置在其后端,这个应用大家比较常见。

(图片来源于网络)

 

大家熟悉的抛负载试验如下图所示:它模拟交流发电机电池充电时,如果意外造成电池断开,那么交流发电机的输出电压会急剧上升,施加到产品供电处;上面的TVS就可以防护这个脉冲。

下图为B公司BMS控制板的电源输入电路,红色方框中就是两个TVS管,被布置在KL30电源的输入端口处;比较常见的型号为VISHAY的SM8S22A,或者TSC的TLD8S22A等,此处选取的TVS管峰值功率很大,例如6600W。

这里再展开下,在下图的场景中,KL30/KL31线上面挂了很多个ECU,每个ECU上面都有放置TVS管;假如选择的TVS钳位电压不同,例如负载3选择的是30V的钳位电压,那么实际在抛负载测试时能量可能只集中在负载3上面泄放,可能会造成TVS损坏。

还有就是为了提高功率,有时选择两个TVS串联或并联使用,大家可以对比一下二者的优缺点。

场景二:采集板AFE的电源端口防护使用还有一种场景是在AFE供电端口处放置一个TVS做防护,如下图所示,在这个TVS管的前面还串联了一个100Ω的电阻,限流使用;因为AFE的最大供电电压是一定的,但是母线中存在的浪涌电压会超出这个值,所以需要放置TVS来做防护。

(来源于TI官网)

 

例如下图为C公司的采集板,在其AFE电路的供电处都有放置一个TVS管,一般选取SMBSMC封装,峰值功率大概为600W~1500W,并且前面串连有限流电阻,这个是常用的方案。

另外,还发现在B公司某款BMS采集板上,AFE采取了两级TVS防护,两个TVS之间有限流电阻,当然两个TVS封装与钳位电压是不同的,如下图;这种两级的泄放保护电路理论上效果更佳。

这里有一个地方需要再提一句,就是TVS的钳位电压选取,一般的选取规则大家都清楚,网上也有大量资料参考;在这里特殊之处在于AFE的工作电压比较高,当你选取了一个比较合适的Stand off电压之后,却发现此TVS的最大钳位电压可能超出了AFE的最大供电电压,但实际确实很多都是这样用的。

场景三:信号端口的ESD防护BMS控制板上面有很多对外的信号线,例如IO信号以及通信信号,这些信号都要考虑ESD防护问题;其中IO信号线比较多,所以为了降低成本的考虑,很多人选用电容来进行ESD防护(因此出现了一种ESD电容),如下图所示。

电容防护ESD的原理如下图:这个图片是ESD发生器的原理图,其中电容Cx就相当于IO端口的防静电电容,所以静电释放的过程就相当于C1上面的电荷对Cx充电,当Cx容值选定后,可以计算出Cx充满电后的电压;所以,理论上Cx的容值选取越大,其两端电压就越小,对内部IO的防护就越好。

但是针对通信线,例如CAN通信,因为电容会对通信造成插入损耗,就是说会造成通信波形失真,典型推荐值为小于100pF@500kbit/s,所以此时一般选用专用的ESD防护TVS管,如下图所示。

实际中的例子很多,例如下图中C公司某个BMS控制器的CAN通信电路。

具体地,实际看一下ESD保护二极管的具体参数,以安世的PESD1IVN24举例,最大钳位电压为42V,而寄生电容仅有十几pF。

看一下其他非ESD专用的TVS管,如力特的1.5SMC系列TVS,其寄生电容大于100pF,将其用在通信电路上面就不太合适。

最后补充一点,双向的ESD保护管除了提供两个方向的保护外,其寄生电容也会更小。

总结:这块内容还真挺多的,写起来就停不下,重新梳理了一遍知识点,收获很大;以上所有,仅供参考。

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公众号“新能源BMS”主笔,从事新能源汽车电池系统设计工作,具体为BMS硬件设计工作将近10年,在几个大的主机厂都工作过;希望通过文字,把一些设计经验和总结分享给大家,共同成长。