基于雪崩性能选择肖特基二极管

汽车电子模块要求采取反向电池保护措施，以避免不良电池操作可能导致的损坏风险。肖特基二极管是这种应用的首选器件，因为它们具有很低的前向压降性能。

　　虽然肖特基二极管能够很好地满足上述要求，但它们必须支持ISO7637-2脉冲，因此通常选用具有高击穿电压的产品以便通过负脉冲1和脉冲3a测试--但这无助于取得最好的前向压降性能，因为肖特基二极管固有的折衷性能遵循这样的规则：击穿电压越高，前向压降就越大。

　　不过调和这两种状态是有可能的。事实上，肖特基二极管具有在反向状态下消耗一些功率的能力--这涉及到PARM参数(重复性峰值雪崩功率)。举例来说，一个击穿电压为100V的肖特基二极管一方面支持ISO7637-2标准中规定的负脉冲1和脉冲3a，另一方面由于具有非常低的压降因此可以提供非常好的前向工作性能。

　　本文讨论了如何选择汽车应用中的最佳肖特基二极管，才能既保留低前向压降性能又能通过ISO7637-2脉冲测试。

　　技术发展现状

　　ISO16750标准认为汽车电源轨可能会发生某种变化。由于错误维护造成的反向电池连接被描述为大风险项，电子模块供应商知道应该采取一定的措施来处理这个问题。因此他们增加了一个电池反向保护器件来保护他们的电子模块。

　　一般来说反向电池保护解决方案是由增加一个串联二极管组成的，当电池反向连接时这个二极管可以阻止反向电流流动。

　　图1：将肖特基二极管用于反向电池保护的有源汽车模块的典型原理图

　　这种解决方案的缺点之一是，二极管上会产生一定的压降，因此会消耗一定的功率。基于这个原因，肖特基二极管成为首选产品，因为它的前向压降要小于传统的双极二极管。

　　恶劣环境应用

　　汽车电子模块必须通过ISO7637-2中规定的数个正脉冲和负脉冲测试。

　　其中最严格的一些脉冲有：

　　脉冲1：“由于电源从感性负载断开而产生的瞬时脉冲”

　　图2：ISO7637-2脉冲1

　　脉冲2a：“由于线束电感致使与被测设备(DUT)并联的设备中的电流突然中断引起的瞬时脉冲"

　　图3：ISO7637-2脉冲2a

　　脉冲2b：“在点火回路切断后用作发电机的直流电机产生的瞬时脉冲”

　　图4：ISO7637-2脉冲2b

　　脉冲3a：“开关过程导致的瞬时脉冲(负脉冲)”

　　图5：ISO7637-2脉冲3a

　　脉冲3b：“开关过程产生的瞬时脉冲” (正脉冲)

　　图6：ISO7637-2脉冲3b

　　脉冲4：“由于给内燃机的启动电机加电导致的电压下降”。

　　图7：ISO7637-2脉冲4

　　脉冲5b："交流发电机正在产生充电电流、放过电的电池却被断开时发生的抛负载(load-dump)瞬时脉冲，前提是交流发电机具有自动保护功能"

　　图8：ISO7637-2脉冲5b“钳位的抛负载”。

　　事实上，最严格的正脉冲是脉冲5b，尖峰电压一般是+36V，持续时间是300ms，串联电阻是0.5Ω。最严格的负脉冲是脉冲1，它的峰值能达到-100V，持续时间为2ms，瞬时峰值电流为10A。

　　脉冲3a的指标是-150V、50Ω串联电阻和100ns的持续时间，其能量要比脉冲1小得多--意味着如果肖特基二极管指标符合脉冲1要求，那么脉冲3a一点问题也没有。

　　用于反向电池保护的肖特基二极管选择标准明确定义为既能满足电子模块的正常工作电流(图1中的If )，也能承受ISO7637-2脉冲。

　　图1：将肖特基二极管用作反向电池保护的有源汽车模块的典型原理图

　　下面让我们看一下STPS5H100肖特基二极管。这种器件的技术指标如表1所示。

　　表1：STPS5H100特性

　　脉冲5b浪涌测试(图8)是在使用具有自动保护功能的交流发电机场合最具能量的正浪涌脉冲，具有36V浪涌电压、0.5Ω串联电阻、300ms脉冲持续时间--我们可以评估浪涌发生期间STPS5H100上通过的最大电流。

　　图9：脉冲5b浪涌测试原理图

　　根据图9在测试平台上进行测量将产生以下曲线：

　　图10：瞬态抑制器侧的电流和电压

　　上图显示了流经反向电池保护电路的电流和瞬态抑制器上的电压。其中值得注意的是电流脉冲持续时间。为了确保这种电流浪涌兼容STPS5H100，有必要与表1给出的IFSM(浪涌非重复性前向电流)进行比较。这张表显示STPS5H100能够支持最大电流为75 ARMS、持续时间为10ms的正弦波信号。

　　这种17.2A、70ms指数式浪涌等效于17.2A、154ms的正弦波浪涌(参考AN316应用笔记)。正弦波的变化符合i2t = 常数这个规律。而19A、154ms的浪涌在能量上等效于67A、10ms的正弦波。这样，我们就可以将这个结果与75A、10ms的IFSM指标进行比较。因此我们可以看到STPS5H100能够顺利通过规定的脉冲5b测试。

　　如果我们看一下图11所示的脉冲1，事情就不一样了，因为肖特基二极管正在反向模式导通。

　　图11：脉冲1的应用案例

　　这个100V VRRM的二极管将激活成反向模式，因为在其端子上的电压是-113.5V(由于电容电荷的原因等于Vsurge + Vbat)。

　　根据图12(下面第一张图)所示原理图进行Pspice仿真结果可以显示SPTS5H100消耗的功率，如图13所示(下面第二张图)。

　　图12：脉冲1浪涌测试的Pspice模型

　　图13：Pspice仿真结果

　　从图13可以看出，峰值功率是118W的三角形状，持续时间约120μs。这种三角波等效于59W、持续时间为120μs的方形脉冲。

　　现在，为了确保这张图符合STPS5H100特性，我们必须仔细查看图14。

　　图14：归一化的雪崩功率降级与脉冲持续时间关系。(STPS5H100数据手册中的图3)

　　这个降级曲线表明，STPS5H100能够消耗的等效雪崩功率为0.035 * PARM = 252W。因此在这个例子中，STPS5H100符合ISO7637-2，可确保良好的反向电池保护功能。

　　本文小结

　　连接汽车电源轨的电子模块可能会受到由于不良电池操作引起的极性反转的影响。为了确保电路安全，模块制造商经常会增加一些反向电池保护器件如肖特基二极管，而不是双极型二极管，因为肖特基二极管具有良好的方向传导性能。模块制造商倾向于选择“高”击穿电压(150V)的肖特基管以便通过ISO7637-2脉冲1和脉冲3a测试及分别强加的-100V和-150V浪涌测试。因此方向传导性能没有最优化，因为击穿电压越高，前向压降就越大。

　　尽管如此，还是可以使用更低击穿电压的肖特基二极管，比如100V的肖特基二极管。如上所述，由于具有更低的压降、能够在ISO7637-2负浪涌测试期间工作在雪崩模式，所以肖特基二极管在方向性传导损耗方面会带来一些好处。