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車載電子機器保護用

サージ吸収素子(TVS)

半導体

受動部品

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整流器

ショットキー (シングル、デュアル) 標準、高速、超高速リカバリー (シングル、デュアル) ブリッジ

スーパーレクティファイア(Superectifier®)

シンターグラスアバランシェダイオード

高出力ダイオード、サイリスタ

高出力、高速リカバリーダイオード

位相制御サイリスタ

高速サイリスタ

小信号ダイオード

ショットキー及びスイッチング

　 (シングル、デュアル) チューナー/コンデンサ (シングル、デュアル) バンドスイッチ

PIN

ツェナー、サージ吸収ダイオード

ツェナー (シングル, デュアル) TVS (TRANSZORB®、自動車、

　 ESD、アレイ)

FET 低電圧TrenchfET® パワーMOSFET 高電圧TrenchfET® パワーMOSFET 高電圧プレイナー型 MOSFET JfET

オプトエレクトロニクス

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赤外線データ送受信モジュール

カスタム製品

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モジュール

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抵抗製品

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酸化金属皮膜抵抗器

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Power Metal Strip® 抵抗器

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サーメット可変抵抗器

巻線型可変抵抗器

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ネットワーク/アレイ

非線形抵抗器

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PTC サーミスタ

バリスタ

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インダクタ

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コートチップタンタルコンデンサ

ソリッドスルーホールタンタルコンデンサ

ウェットタンタルコンデンサ

セラミックコンデンサ

積層チップコンデンサ

ディスクコンデンサ

フィルムコンデンサ

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大電流コンデンサ

アルミニウムコンデンサ

車載電子機器保護用サージ吸収素子(TVS)

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おける製品設計に関する諸条件については、ビシェイ担当者にお問い合わせください。本書に示された製品の名称、表示および登録商標はそれぞれの所有者に帰

属します。

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tVsの重要なパラメータ 4

• 定格電力 4

• ブレークダウン電圧 (Vbr) 4

• 最大ブレークダウン電圧 (Vc: クランプ電圧) 4

• スタンドオフ電圧 (Vwm : 作動スタンドオフ逆電圧) 4

車載電源供給ラインの一次保護 (ロードダンプ) 5

• ロードダンプとは何か 5

• ロードダンプテストの仕様と結果 5

• ロードダンプtVsの二つのグループ 8

車載電源ラインの二次保護 9

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目次

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TVSの重要なパラメータ自動車の設計における重要な課題の一つは、制御ユニットやセンサー、エンターテインメントシステムなどの電子 機器を、電力線上のサージ、過渡的な過電圧、ESD(Electrostatic Discharge)、ノイズなどから保護することです。 サージ吸収素子(TVS)は車載電子機器の保護に最適です。TVSデバイスには、定格電力、スタンドオフ電圧、最大ブレークダウン電圧などの重要なパラメータがあり、それぞれについて以下に説明します。

定格電力

TVSの定格電力は、特定のテストまたはアプリケーション条件下のサージ吸収能力を意味します。図1は、業界標準のテスト条件として用いられている10 /1000μsのパルス波形（Bellcore 1089仕様）を表しています。この条件は、図2に示す8/20μsのパルス波形のTVS ESDテスト条件とは異なります。

ブレークダウン電圧 (VBR)ブレークダウン電圧は、デバイスでアバランシェブレークダウンが発生する電圧で、データシート上の特定の電流で測定されます。

最大ブレークダウン電圧 (VC: クランプ電圧)クランプ電圧は、定格のピークパルス電流によって生じるブレークダウン電圧値です。TVSのブレークダウン電圧は1maや10maといった非常に小さい電流を用いて測定されるので、その値は、実際のアプリケーション条件下でのアバランシェ電圧とは異なります。そのため、半導体メーカーは、大電流を流した場合の標準または最大ブレークダウン電圧をクランプ電圧として示しています。

スタンドオフ電圧(VWM: 作動スタンドオフ逆電圧)スタンドオフ電圧は、TVSがブレークダウン状態に移行する直前の最大電圧であり、通常の状態では作動しない回路内の保護素子の重要なパラメータです。特に車載アプリケーションの場合には、「ジャンプスタート保護」により、電子機器の許容電圧範囲が決定されます。この条件下では、12V系の車載電子機器に 24 VDC を10分間供給したり、24V系の車載電子機器に 36 VDC を10分間供給したりしても、回路が破損/故障することはありません。つまりスタンドオフ電圧は、車載電子機器用のTVSにおいて非常に重要なパラメータの一つです。

図1. TVSのテスト波形

(20 µsec)

10 µsec

1.0

50

100 %

10/1000 µsec

2.0 mS

IPPM

2

IPPM

図2. TVS ESDのテスト波形

10

50

100 %

8/20 µsec

20 µsec

IPPM

2

IPPM

8 µsec

図3. 電圧と電流のパラメータ

ReverseCurrent

ForwardCurrent

ForwardVoltage

ReverseVoltage

VC

VBR

VWM

IR

IPP

VF

IF

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TVSの重要なパラメータ

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車載電源供給ラインの一次保護(ロードダンプ)電子制御ユニット、センサー、エンターテインメントシステムなどの 車載電子機器は、一つの電源供給 ラインに接続されます。これらの 電子機器の電源はバッテリーとオルタネータですが、いずれも出力電圧は不安定で、温度や動作状態、その他の条件に左右されます。その上、燃料噴射器やバルブ、モーター、電気やハイドロ制御など、ソレノイド負荷を利用する車載システムから伸びる電源/信号ラインには、ESDやスパイクノイズ、数種類の過渡電圧やサージ電圧などが加わります。

ロードダンプとは何か

サージ電圧の最悪のケースは、エンジンが作動中で、オルタネータが車の電源ラインに電流を供給中に、バッテリラインが断線した場合に発生します。この状態は「ロードダンプ」として知られ、ほとんどの自動車メーカーと業界団体が、この状態の最大電圧、ラインインピーダンス、および持続期間を規定しています（図5参照）。

ロードダンプの状態をシミュレートするテストとして、米国の ISO-7637-2 Pulse 5 と、日本の JASO A-1 (14 V パワートレイン用) および JASO D-1 (27 V パワートレイン用) がよく知られています。ここでは、TVS のアプリケーションで、 14 V パワートレイン用のロードダンプを検証します。

図5. ロードダンプ状態でのオルタネータの出力電圧

オルタネータの出力電圧

ロードダンプテストの仕様と結果

米国の ISO-7637-2 Pulse 5 テストと日本の JASO A-1 テスト (14 V パワートレイン用) の結果を表 1 に示します。

表1. 14 V パワートレイン用の主要なロードダンプテスト条件

V total (VP) (V)

Vs (V)

Va (V)

ri (Ω)

time (ms)

cycle time

JasO a-170 12.0 0.8 200 1

88 12.0 1.0 200 1

isO 7637-2 Pulse 5 78.5 ~ 100.5 65 ~ 87 13.5 0.5 ~ 4.0 400 1

図4. 標準的な車両電力バス

ESD or Lightning

High Voltage Inducedby Alternator

Reaction Transient from Motor and Spark Plugs

TCUA ECU

Air-BagABS

Car-Audio&...

Battery

Regulator

A

Output Voltage of Alternator

Battery Disconnected

Battery Connected

VP

VB

Load

A

Output Voltage of Alternator

Battery Disconnected

Battery Connected

VP

VB

Load

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車載電源供給ラインの一次保護（ロードダンプ）

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図 6. ISO-7637-2 テストの標準条件は、 65 V ～ 87 V のVS範囲と 0.5 Ω ～ 4 Ω のRi（ラインインピーダンス）範囲。

ISO-7637-2 Pulse 5 に基づくロードダンプテストに別の条件を適用している自動車メーカーもあります。 ロードダンプ TVS のピーククランプ電流は次の式で求められます。

ピーククランプ電流の計算 iPP = (Vin – Vc) ⁄ ri iPP: ピーククランプ電流 Vin: 入力電圧 Vc: クランプ電圧 ri: ラインインピーダンス

図7aは、Vsが87V、バッテリー電圧が13.5V、ラインインピーダンスが0.75Ω、および400ms パルス幅の条件下でISO-7637-2テストを行った場合のSM5S24a の電流波形と電圧波形を示しています。

図7a: ISO 7637-2テストでのSM5S24a のクランプ電圧とクランプ電流

200 300 400 ms1000

50

100

V

VS

VP

V (VB)

ISO 7637VB + 10 % of VS

JASO A-136.8 % of VP

Line Impedance and Pulse WidthJASO A-1: 0.75 Ohm 200 msISO-7637: 0.5 Ohm min. (0.5 to 4 Ohm) 400 ms max. (40 to 400 ms)

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車載電源供給ラインの一次保護(ロードダンプ)

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図 7b は、Vsが87V、バッテリー電圧が13.5V、ラインインピーダンスが0.75Ω、および400ms パルス幅の条件下によるISO-7637-2 テストにフェイルしたロードダンプ TVSのクランプされた電圧と電流を示しています。 クランプされた電圧は 0V近くにまで下降し、デバイスを流れる電流は線路インピーダンスで許容される最大値まで上昇しました。

図 7b: ISO-7637-2 テストにフェイルしたロードダンプ TVSのクランプされた電圧と電流

図7cは、バッテリー電圧が13.5V、400ms パルス幅のISO-7637-2 Pulse 5テスト条件下での、ビシェイ社のロードダンプTVSの最大クランプ性能を示します。

図7c：ISO-7637-2テストにおけるビシェイ社のロードダンプTVSの最大クランプ性能

1.5065 76 87 V VS

1.25

1.00

0.75

0.5 Ohm

SM8S24A

SM8A27

SM6A27

SM5A276KA24

SM6S24A

SM5S24A

Ri

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ロードダンプ TVS の二つのグループ

車載電子機器の一次保護用に用いるTVSは、二種類のロードダンプ TVSがあります (EPI PAR TVS と非 EPI PAR TVS) 。両方の製品グループは、逆バイアスモードでの動作ブレークダウン特性が似ています。違いとしては、 EPI PaR TVS は順方向モードの Vf 特性が低いのに対して、非 EPI PAR TVS は同じ条件の Vf が比較的高いという点があります。この特徴は、電源ラインに逆電圧がかかる場合に重要になります。それはCMOS IC と LSI のほとんどは、逆電圧に非常に弱いからです。

MOSFET ゲートは、- 1 V 以下の逆電圧に耐えられません。逆電源入力モードでは、電源ラインの電圧が TVS 順電圧降下の電圧 (Vf) と同じになります。この逆バイアスモードでは、電子回路が故障する可能性があります。EPI PaR TVS の低順電圧降下がこの問題に対する良い解決策になります。別の方法としては、図 8に示すように、電源ラインに極性保護整流器を取り付けることにより、逆電源入力から回路を保護することもできます。逆接保護整流器は、十分な順方向電流定格、順方向サージ機能、および逆電圧機能を備えている必要があります。

図 8. 逆バイアス状態

ProtectedLoad

ReversePower Input

Current TVS

+

–

VF

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車載電源ラインの二次保護車載システム内の保護回路の主要なターゲットは高いサージ電圧ですが、クランプ後の電圧でさえも高すぎる場合があります。また、トラックやバンで見られるような24V系のパワートレインでは、主に使われるレギュレータICやDC/DCコンバータICの最大入力電圧が45V～60Vであることもあり、二次保護が必要になります。この種のアプリケーションでは、図 9 に示すような二次保護の使用を推奨します。

図 9. 二次保護回路

電源ラインに抵抗Rを追加することによって過渡電流が下がるため、より低い定格電力のTVSを二次保護として使用することができます。電子ユニット内のマイクロプロセッサや論理回路が必要な消費電流は150ma～300maです。 -18℃において、24Vバッテリーの最小出力電圧は14.4Vとなります。このような条件下において、負荷に必要な電流が300maであるとすると、負荷への電圧は抵抗Rが20Ωの場合で8.4V、10Ωでの場合で11.4Vとなります（以下参照）。

Vl = (Vmin ⁄ (Vmin ⁄ il)) × ((Vmin ⁄ il) – r) Vl: Voltage to load Vmin: minimum input voltage il: load current r: resistor value Power rating of r = i2r

この供給電圧は、ほとんどの電圧レギュレータ IC や DC/DCコンバータ IC の最小入力電圧よりも高めです。

TransientVoltage

ClampingVoltage Clamping

Voltage

Current Limiter

Power LinePrimary

ProtectionSecondaryProtection

R

Load

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車載電源ラインの二次保護

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