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ISO 汽车电子电源测试的要求

摘要:  在汽车电子中,电源瞬态浪涌可能对电子设备造成永久的损坏。随着汽车上电子设备应用的逐年增多,各家汽车厂商在实践中积累了宝贵的经验,发现在某些特定场景下的电源瞬态变化更易对设备造成损坏。因此车厂都制定相关 ...

在汽车电子中,电源瞬态浪涌可能对电子设备造成永久的损坏。随着汽车上电子设备应用的逐年增多,各家汽车厂商在实践中积累了宝贵的经验,发现在某些特定场景下的电源瞬态变化更易对设备造成损坏。因此车厂都制定相关的测试规范,重点测试在这些电源瞬态下,电子设备的抗干扰能力,硬件设计中必须预留足够的防护手段以抑制这些电源极端情况的影响。表1列出在汽车电子系统中常见有害的电源瞬态情况。

表1. 汽车电子中常见有害的电源瞬态

各家厂商的测试标准也逐渐形成统一的国际标准,本文简要介绍 ISO 标准中对汽车电子设备电源测试的要求,具体包括 ISO 7637-2ISO 16750-2 中所阐述的汽车电源中可能遭遇的恶劣条件,如负载突变、电池反接和过压等场景下对应的电源测试要求。

ISO 7637-2
ISO 7637 全称 Road vehicles -- Electrical disturbances from conduction and coupling,是一项针对 EMC 的测试标准,标准分三大部分:
  • ISO 7637-1:2015    -Definitions and general considerations
  • ISO 7637-2:2011    -Electrical transient conduction along supply lines only
  • ISO 7637-3:2016    -Electrical transient transmission by capacitive and inductive coupling via lines other than supply lines
尽管是emc测试的标准,ISO 7637 也包含对电源测试的要求(ISO 7637-2)。在2011年,ISO 7637 将其中与 EMC 不相关的电源测试,例如 Load Dump 测试的 Pulse 5a, 5b 移到 ISO 16750-2,但标准中仍然保留着电源瞬态测试波形 Pulse 1, 2a, 2b, 3a 和 3b。

ISO 16750-2
ISO 16750 全称 Road vehicles -- Environmental conditions and testing for electrical and electronic equipment,是针对汽车电子设备环境应力测试的标准,标准分五大部分:
  • ISO 16750-1:2006    -General
  • ISO 16750-2:2012    -Electrical loads
  • ISO 16750-3:2012    -Mechanical loads
  • ISO 16750-4:2010    -Climatic loads
  • ISO 16750-5:2010    -Chemical loads
本文只关注此标准中有关电源测试部分,即 ISO 16750-2。ISO 7637-2 和 ISO 16750-2 针对 12V 和 24V 电源系统有不同的测试要求,本文仅讨论 12V 电源系统。表2列出的是ISO 16750-2标准中有关电源测试部分。

表2. 电源测试标准测试项目(ISO 16750-2)

下面先从电源瞬态变化“黑名单”中赫赫有名的 Load dump 说起,再逐步介绍两个标准中定义的其它测试要求。

Load Dump

Load dump,中文“抛负载”,是指断开电源与负载的瞬间,由于负载突变而引起电源电压急剧的变化,抛负载可能引起两类问题:
  • 对设备的供电失效
  • 感性发电机产生大电压尖峰
在汽车电子领域,Load dump是指在蓄电池充电时,断开发电机与蓄电池的连接而引起发电机输出大电压尖峰,从而使得其它连接到发电机电源的设备受到破坏的威胁。如下图1所示,在交流发电机内部包含感性线圈和整流器,在对蓄电池进行大电流充电时,这时如果突然断开蓄电池,由于感性器件的电流无法突变,将引起交流发电机输出电压急剧上升,此电压尖峰可能高达 120V,并需要持续 400ms 后消退(如图2)。

图1. 标准的3相定子绕组 + 6个整流二极管产生直流电配置

图2. Load Dump(Unclamped)

早期的交流发电机没有引入钳位设计,在Load dump的情况下,会产生高达100V的尖峰电压。如今的交流电机设计中会增加钳位设计(图3),在 12V 电源系统中,Load dump一般被钳位在 35V;而在 24V 电源系统中,Load dump一般被钳位在 60V。注意,虽然 ISO 16750-2 有规定包含钳位设计的交流电机输出电压会被钳位在35V,但各家车厂可能有自定义的最高电压标准。

图3. Load Dump(Clamped)

ISO 16750-2 中针对交流发电机输出是否包含钳位设计,定义了两种Load Dump电源测试波形,Test A 和 Test B,如图4所示:
  • Test A—without centralized load dump suppression
  • Test B—with centralized load dump suppression

图4.  Load Dump电源测试波形(ISO 16750-2)

在Load dump测试中,ISO 16750-2 与 ISO 7637-2 最显著的区别在于, ISO 16750-2要求在 10 分钟内,每隔 1 分钟对DUT打一次Load dump电源测试波形,而ISO 7637-2只要求测试一次。
在 ISO 7637-2 和 ISO 16750-2  中均定义了电机输出的内阻 Ri ,其值在 0.5Ω ~ 之间,Ri可以有效抑制输出到外部电路的最大能量,如图5所示。需要注意的是,Ri在有钳位保护功能电机中是位于钳位二极管之前,也就是说,如果采用 TVS 管作为电源入口的Load Dump保护,而且钳位电压小于电机输出的钳位电压(35V)的话,必须确保该TVS管具有足够的能力吸收Load Dump所有的能量。在有的设计中,也可能在TVS管前串接电阻(图中未标出)以辅助耗散Load Dump下的能量,但串阻不仅会引起电源线上的压降,而且在设备正常工作时,它也会产生一定的功耗。


图5. 电源接口TVS保护示意图

标准测试:ISO 7637-2

ISO 7637-2 中定义的电源瞬态测试包括:
  • PULSE 1
Pulse 1 定义与感性负载并联的电子设备在电源收到干扰时的浪涌波形。如图6所示,电源从正常工作电压降到 0V ,在 100us 之后施加衰退时间为 2ms ,尖峰值 -150V 的负脉冲,测试Setup中包括 10Ω 串阻以限制负脉冲的能量。

图6. ISO 7637-2 Pulse 1
  • PULSE 2A
Pulse 2A 定义电流瞬间注入待测电子设备引起正电压尖峰。当电子设备突然停止吸收电流时,存在线束中的电流由于感性不能突变,因此形成电压尖峰。如图7所示,电源从正常工作电压在 1us 内上升到 112V,持续 0.05ms ,测试Setup中包括 串阻以限制电压尖峰的能量。

图7. ISO 7637-2 Pulse 2A
  • PULSE 2B
Pulse 2B 定义关闭点火器,使用直流电机作为电源时发生的状况,例如汽车熄火后加热器仍在工作,在自身停止旋转前,鼓风机电机可以在短时间内为系统提供直流电源。如图8所示,电源从正常电压在 1ms 内降低到 0V ,持续 1ms 升高至 10V ,最终再缓慢下降到 0V

图8. ISO 7637-2 Pulse 2B
  • PULSE 3A & 3B
Pulse 3A 和 3B 定义开关和继电器在操作过程中电弧放电引起的正/负电压尖峰。如图9所示,测试Setup中包括 50Ω 串阻以限制电压尖峰的能量。

图9. ISO 7637-2 Pulse 3A & 3B
  • PULSE 5A & 5B
Pulse 5A 和 5B 即上文提及的 Load Dump 测试。如图10所示,对于 Pulse 5A,ISO 16750-2 定义的上升沿为 10% (US-UA)  到 90% (US-UA) ,而 ISO 7637-2 定义的是 10% US 到 90% US;对于 Pulse 5B ,ISO 16750-2 和 ISO 7637-2 在 US 和 US* 的上升时间 tr 有细微的差别(图4)。

图10. ISO 7637-2 Pulse 5A & 5B

表3列出的是 ISO 7637-2 和 ISO 16750-2 在 Load Dump 中测试参数的对比。

表3. Load Dump测试参数比较(ISO 16750-2 VS. ISO 7637-2)

在 ISO 7637-2 中有定义不同的测试等级(I - IV),其中 I 和 II 因为参数值设置较低,不符合实际情况,在改版的新标准中已删除,如表4所示。

表4. ISO 7637-2 测试等级(12V 电源系统)

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