BMS上TVS管应用的三个关键场合

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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（图片来源于网络），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。


大家熟悉的抛负载试验如下图所示：它模拟交流发电机给电池充电时，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（来源于TI官网）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。


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SMB\SMC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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关于TVS管在BMS中的应用场合，主要有三个关键场合：电池管理系统的电源输入端保护、电池管理系统的信号传输线路保护和电池管理系统的其他脆弱点保护。这三个场合均需面对汽车工作环境的极端电压冲击、静电放电保护等问题，因此需要应用TVS管进行瞬态过电压保护。关于ESD保护二极管、稳压二极管与TVS管的区别，您的理解基本正确。三者虽然在某些特性和应用上有所重叠，但在功率大小、响应速度和工作状态上有明显区别。例如，TVS管更适合在瞬态过电压环境下工作，而稳压二极管则主要用于稳定电压。内部构造上，TVS管设计用于快速响应和处理瞬态过电压，其内部结构与稳压二极管有所不同。