48V/12V 新能源汽车 TVS 防护方案,解决电源浪涌击穿故障

去年底我们做的一个新能源车 BMS 辅助电源项目,48V 轻混系统里有个 12V 转 5V 的 DC-DC 模块,给 MCU 和 CAN 收发器供电。整机 EMC 摸底时,浪涌抗扰度测试(IEC 61000-4-5,1.2/50us-8/20us,2Ω 内阻)一直过不去,连续打坏三块板子,客户那边催得紧,当时真是头大。

问题现象

测试条件:对 5V 输出端口(VBUS)打差模浪涌,正负各 5 次,间隔 30 秒。打到 +40V 时,DMM 显示充电电流从正常的 0.01A 突然跳到 0.38A,后级 3.3V LDO 直接冒烟,MCU 也挂了。负向打到 -40V 时同样电流飙高,板子报废。

初步判断

很多人第一反应是 TVS 功率不够,换更大功率的型号。但拆下来测,原装 TVS(SOD523 封装,某品牌)万用表二极管档测下来没短路,后级电路却坏了。说明 TVS 本身没炸,但钳位电压太高,把后级芯片的耐压极限顶穿了。

48V/12V 新能源汽车 TVS 防护方案,解决电源浪涌击穿故障-有驾

排查过程

我们拆下原装 TVS,用示波器 + 浪涌发生器实测其钳位电压。在 +40V 浪涌注入时,TVS 两端峰值钳位电压高达 28V,而 5V 电源轨上的后级芯片(如 LDO 和 MCU)耐压通常只有 6V 左右,28V 直接击穿芯片内部的 ESD 结构。问题很清楚:原 TVS 虽然通流能力够,但钳位电压过大。

接着查原装 TVS 的 datasheet,标称 VRWM=5V,Vclamp 在 IPP=5A 时是 15V,但实际测试时 IPP 远大于 5A(40V/2Ω=20A),钳位电压飙升到 28V。这说明原 TVS 的动态电阻偏大,在大电流下钳位性能不行。

解决方案

需要找一颗同封装(SOD523)、VRWM=5V,但钳位电压更低、通流能力更大的 TVS。翻了一下供应商样品册,看到阿赛姆的 ESD5B350TA,参数:VRWM=5V,IPP=8A(8/20us),典型钳位电压在 IPP 下只有 12V,比原装低了 16V。而且结电容只有 30pF,不影响 5V 电源的稳定性。直接换上,重新测试。

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浪涌电压

充电电流

结果

+10V 0.01A OK

+20V 0.01A OK

+30V 0.01A OK

+40V 0.01A OK

+50V 0.01A OK

+60V 0.01A OK

+70V 0.01A OK

+80V 0.01A OK

-80V 0.38A NG(负向电流大,但正向已远超需求)

正向浪涌电压打到 +80V 时,电流才 0.01A,后级完好。负向 -80V 时电流变大,但我们的测试要求只需要 ±40V 通过,所以 OK 了。实际批量生产时,又在负向串了一个肖特基二极管做反向保护,彻底解决。

一点反思

选择 TVS 时不能只看 VRWM 和功率,钳位电压必须实测。 尤其是电源端口,后级芯片的耐压余量很小,钳位电压每高 1V 都可能炸机。
通流能力越大,动态电阻通常越小,钳位电压越低。 这次用的 ESD5B350TA 虽然标称 IPP 只有 8A,但实际测试在 20A 浪涌下钳位仍然很低,说明工艺控制不错。
TVS 位置要尽量靠近接口端。 我们之前放在电感后面,后来挪到最前端,浪涌能量直接被钳位,没有耦合到后级。
负向浪涌也要考虑。 很多电源端口只有单向 TVS,负向靠体二极管或并联肖特基,否则反向击穿也会损坏器件。

这个案例后来反馈给原厂(深圳阿赛姆),他们技术支持还帮我们复测了不同批次的一致性,确实没再出问题。踩过这个坑,后面再设计 48V/12V 系统的电源防护,我们都会先实测钳位电压再做定型。

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