道路車輛電器及電子設(shè)備供電環(huán)境條件標(biāo)準(zhǔn)的拋負(fù)載試驗(yàn)剖析

文/盧兆明 許 毅

ISO 16750-2:2010 Ed3《道路車輛 電氣及電子設(shè)備的環(huán)境條件和試驗(yàn)第2部分：電氣負(fù)荷》對(duì)12 V/24 V供電系統(tǒng)的電器及電子設(shè)備增加了拋負(fù)載試驗(yàn)，包括了交流發(fā)電機(jī)有/無集中拋負(fù)載抑制兩種情況的試驗(yàn)和要求。ISO 21848:2005 Ed《道路車輛42 V供電電壓的電氣和電子設(shè)備電氣負(fù)荷》包括了交流發(fā)電機(jī)有集中拋負(fù)載抑制的試驗(yàn)和要求。2項(xiàng)ISO的國家標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化已由全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)電子與電磁兼容分技委（SAC/TC114/SC29/ISO/TC22/SC3）完成起草，2009年送報(bào)批。ISO 16750-2新版的翻譯和驗(yàn)證工作已經(jīng)完成。

2項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的拋負(fù)載試驗(yàn)引用了GB/T21437.2/ISO7637.2《道路車輛由傳導(dǎo)和耦合引起的電騷擾第2部分：沿電源線的電瞬態(tài)傳導(dǎo)》的試驗(yàn)脈沖5。盡管在示意圖和參數(shù)上有些許細(xì)小的差異，但試驗(yàn)的表述是相同的。由于GB/T 21437.2并不包括42 V系統(tǒng)，在ISO 21848轉(zhuǎn)化為國家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，還可以認(rèn)為拋負(fù)載試驗(yàn)歸于電磁兼容（EMC）范疇；現(xiàn)在ISO 16750-2也增加了拋負(fù)載試驗(yàn)，作為專業(yè)基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)的引用，而且給出了脈沖次數(shù)等細(xì)節(jié)。這里就對(duì)上述2項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的12 V/24 V系統(tǒng)和42 V系統(tǒng)的拋負(fù)載試驗(yàn)一起進(jìn)行討論。

一、拋負(fù)載的產(chǎn)生

拋負(fù)載（Load dump），是指發(fā)電機(jī)供/用電系統(tǒng)中，因瞬時(shí)卸載而在發(fā)電機(jī)端產(chǎn)生遠(yuǎn)高于供電電壓的瞬時(shí)脈沖。拋負(fù)載電壓主要是由汽車上廣泛采用的發(fā)電機(jī)在突然情況下斷開電阻性負(fù)載后引起的。發(fā)電機(jī)正常工作時(shí)，若負(fù)載突然減小或突然失去，將會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)輸出電流急劇減小，致使在發(fā)電機(jī)電樞繞組中產(chǎn)生瞬間過電壓，其峰值可達(dá)額定供電電壓的5～10倍。在汽車應(yīng)用領(lǐng)域，最嚴(yán)重的拋負(fù)載瞬間過電壓，一般發(fā)生在發(fā)電機(jī)滿載運(yùn)行狀態(tài)或充電狀態(tài)蓄電池的連線突然斷開產(chǎn)生拋負(fù)載現(xiàn)象。形成拋負(fù)載的電路示意簡圖可參見圖1。

圖1中：1為缺陷連接；2為交流發(fā)電機(jī)；3為被測設(shè)備（DUT），受試樣品，用電負(fù)載；4為蓄電池。

目前，汽車上較為普遍采用的是硅整流三相同步交流發(fā)電機(jī)。車載用電器的用電負(fù)荷一般比較小，當(dāng)蓄電池需要充電時(shí)，發(fā)電機(jī)就擔(dān)負(fù)了所有的供電，蓄電池充電無疑是最大的負(fù)載。

交流發(fā)電機(jī)正向蓄電池充電過程中，與蓄電池的接線突然脫落（脫落過程可以視為觸點(diǎn)斷開），或者在不帶蓄電池的情況下拋負(fù)載(負(fù)載電流突然到零)，瞬間的卸載造成交流發(fā)電機(jī)定子繞組中的電流突然減小，定子繞組中會(huì)感應(yīng)出不正常的高電壓，最嚴(yán)重情況就是拋負(fù)載瞬變電壓。

若在蓄電池?cái)嚅_情況下，假設(shè)某一時(shí)刻突然斷開負(fù)載，電流則將急劇下降。但定子繞組電感的電流不會(huì)發(fā)生跳躍變化，因?yàn)槎ㄗ永@組兩端所產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢正好與主電壓的極性一致，從而阻止電路中電流的變化。

理想的斷開情況下，即斷開時(shí)間為零時(shí)，理論上幅值電壓將趨向于無窮大。但實(shí)際上，開關(guān)觸點(diǎn)對(duì)拋負(fù)載電壓值影響非常大。在觸點(diǎn)剛斷開時(shí)，間隙為無限小，而電流大。因此，觸點(diǎn)之間產(chǎn)生電弧，其電壓隨間隙的增大而上升，電流則反之。當(dāng)電弧電流達(dá)到臨界值時(shí)，則電路完全斷開（電弧熄滅），同時(shí)出現(xiàn)峰值電壓。

峰值電壓值由定子繞組中的剩余能量來確定。由于交流發(fā)電機(jī)的激磁電流較大，拋除負(fù)載時(shí)，激磁繞組也將產(chǎn)生脈沖過電壓。因此，拋負(fù)載電壓是由定子繞組的脈沖過電壓和激磁繞組中的脈沖過電壓兩部分組成。

將圖2 a視為拋負(fù)載瞬變脈沖的示意圖，曲線可反映拋負(fù)載產(chǎn)生電壓值的上升和下降規(guī)律。從圖中容易看出，拋負(fù)載電壓脈沖曲線的上升沿為定子繞組引起的脈沖過電壓；下降沿為激磁繞組引起的脈沖過電壓。達(dá)到峰值后的時(shí)間段，拋負(fù)載電壓按指數(shù)規(guī)律衰減，衰減幅度由電路中的時(shí)間常數(shù)決定。斷開負(fù)載的速度越快（Δt越小）、負(fù)載越大（電流L越大）、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，拋負(fù)載產(chǎn)生的峰值電壓就越大。圖中曲線的各參數(shù)及相關(guān)界定可參見圖注。

二、拋負(fù)載的抑制

由于近代汽車設(shè)計(jì)與制造中，采用了大量電子設(shè)備以完成車輛行駛信息的采集、操作提示、控制指令的發(fā)生和具體操作的執(zhí)行等車輛的基本系列動(dòng)作，而拋負(fù)載的產(chǎn)生，部分影響了車輛的正常性能，有時(shí)甚至?xí)劤蓢?yán)重的后果。車輛生產(chǎn)商和電子部件的供應(yīng)商為此也作了很多研究和嘗試，積累了諸多有效抑制拋負(fù)載發(fā)生的技術(shù)措施。

ISO 16750-2將拋負(fù)載的抑制方法分為兩類，即無集中抑制（試驗(yàn)A適用）和有集中抑制（試驗(yàn)B適用）。

1.無集中抑制方案

裝用在無集中拋負(fù)載抑制功能車輛上的汽車電子系統(tǒng)/裝置必須采用本地抑制拋負(fù)載干擾信號(hào)。通常在遠(yuǎn)離連接器端，在電子控制單元（ECU）內(nèi)部增加保護(hù)電路。在整車上可能有較多的環(huán)節(jié)需要拋負(fù)載抑制單元。使用過多的抑制元件不僅導(dǎo)致漏電流總量上升，也會(huì)增加整體成本。但也不排除，對(duì)某個(gè)組件可以設(shè)計(jì)更好的拋負(fù)載抑制效果。無集中拋負(fù)載抑制的受試樣品須經(jīng)受規(guī)定的拋負(fù)載脈沖峰值電壓US。

無集中拋負(fù)載抑制的受試樣品，其電路中必須自備拋負(fù)載抑制的功能電路和措施。大致有以下三種類型，各具特色。

① 采用開關(guān)器件或晶體管和可控硅組成的保護(hù)電路進(jìn)行分流調(diào)節(jié)是一種常用的拋負(fù)載抑制措施。雪崩擊穿二極管（TVS）、齊納TVS、可控硅型TVS和格式轉(zhuǎn)換器（MOV）是較為常用的自觸發(fā)器件。這種結(jié)構(gòu)較為簡單，但對(duì)器件要求具有較大的功率。優(yōu)點(diǎn)是能自啟和自恢復(fù)。

②有些電源管理專用集成電路，集成了拋負(fù)載抑制功能。并不需要處理大電流，但往往需要大容量電容器為負(fù)載提供能量存儲(chǔ)。

③線性穩(wěn)壓的拋負(fù)載抑制結(jié)構(gòu)在控制供電方面有良好的特性。缺點(diǎn)是需要大功率的晶體管用以消除輸出電壓間的壓差和器件本身的浪涌高壓。負(fù)載突降狀態(tài)下的自恢復(fù)截止和線性穩(wěn)壓器具有高阻抗，其時(shí)高能量會(huì)流向保護(hù)最差的器件。

可見，拋負(fù)載抑制的效果與結(jié)構(gòu)有關(guān)，其性能和可靠性又和元器件密不可分。

圖3 二極管橋

2.有集中抑制方案

集中拋負(fù)載抑制通常通過交流發(fā)電機(jī)內(nèi)部鉗位電路（二極管，二極管橋，參見圖3）來實(shí)現(xiàn)，用于吸收拋負(fù)載脈沖的能量。在啟動(dòng)時(shí)，由于發(fā)電機(jī)未工作，鉗位電路也要承受蓄電池的電壓。如果將鉗位電壓設(shè)置在最大啟動(dòng)電壓以上，將無法達(dá)到鉗位的目的。因此，集中拋負(fù)載抑制的拋負(fù)載脈沖高于發(fā)電機(jī)工作電壓UA的US*脈沖電壓值。ISO 21848中42 V系統(tǒng)的拋負(fù)載抑制只針對(duì)有集中抑制的情況進(jìn)行規(guī)定。

三、拋負(fù)載試驗(yàn)要求

1.12 V/24 V供電系統(tǒng)的電器及電子設(shè)備的拋負(fù)載試驗(yàn)

①根據(jù)ISO 16750-2，給出12 V/24 V供電系統(tǒng)拋負(fù)載的試驗(yàn)要求，試驗(yàn)曲線和相應(yīng)參數(shù)可分別參見圖2和表1。

表1 12 V/24 V供電系統(tǒng)拋負(fù)載試驗(yàn)脈沖參數(shù)

拋負(fù)載試驗(yàn)的脈沖發(fā)生器內(nèi)阻Ri，由下式可以獲得：

其中，Unom為交流發(fā)電機(jī)的額定工作電壓；Nact為交流發(fā)電機(jī)實(shí)際的轉(zhuǎn)速，即每分鐘的倒數(shù)；Irated為在交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為6 000 r.p.m時(shí)的規(guī)定電流，由ISO 8854《道路車輛 帶調(diào)節(jié)器交流發(fā)電機(jī)試驗(yàn)方法》給出。

ISO 8854:1988（由長沙汽車電器研究所主持國標(biāo)轉(zhuǎn)化，在報(bào)批階段）規(guī)定了詳細(xì)的檢測方法，測試框圖如圖4。整個(gè)試驗(yàn)過程，應(yīng)通過調(diào)節(jié)可變電阻R以保持試驗(yàn)電壓Ut不變[12 V系統(tǒng)Ut=（13.5±0.1）V，24V系統(tǒng)Ut=（27±0.2）V]。測試描述為，調(diào)整發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速nR＝6 000r/min時(shí)，記錄其輸出電流。

圖4 發(fā)電機(jī)測試電路圖

②對(duì)受試樣品要求

其功能狀態(tài)至少應(yīng)達(dá)到ISO 16750-1定義的C級(jí)，即試驗(yàn)中裝置/系統(tǒng)一個(gè)或多個(gè)功能不滿足設(shè)計(jì)要求，但試驗(yàn)后所有功能可自動(dòng)恢復(fù)到正常運(yùn)行。

2.42 V供電系統(tǒng)的電器及電子設(shè)備的拋負(fù)載試驗(yàn)

①根據(jù)ISO 21848，給出的42 V供電系統(tǒng)拋負(fù)載試驗(yàn)要求，試驗(yàn)曲線和相應(yīng)參數(shù)參見圖5。

42 V供電系統(tǒng)拋負(fù)載試驗(yàn)脈沖發(fā)生器的內(nèi)阻Ri應(yīng)為100 mΩ～500 mΩ；42 V供電系統(tǒng)拋負(fù)載試驗(yàn)，向受試樣品施加1個(gè)脈沖。

② 對(duì)受試樣品要求：其功能狀態(tài)至少應(yīng)達(dá)到ISO 16750-1定義的D級(jí)。即試驗(yàn)中裝置/系統(tǒng)一個(gè)或多個(gè)功能不滿足設(shè)計(jì)要求，且試驗(yàn)后不能自動(dòng)恢復(fù)到正常運(yùn)行，需要對(duì)裝置/系統(tǒng)通過簡單操作重新激活。特殊要求可以由車輛生產(chǎn)商和供應(yīng)商協(xié)商確定。

四、拋負(fù)載試驗(yàn)配備與設(shè)置

1.試驗(yàn)裝置

根據(jù)GB/T 21437.2，圖6給出典型脈沖注入裝置框圖。其中，使用的抑制二極管和抑制電平（鉗位電壓）是在零部件供應(yīng)商和汽車制造商間協(xié)議的，應(yīng)該屬于產(chǎn)品規(guī)范范疇。因此，制造商或試驗(yàn)委托方應(yīng)提供使用的二極管（或規(guī)格）和抑制鉗位電壓的信息。在二極管橋上，需要若干單二極管（見圖6c），串組成給定的鉗位電壓支持。

2.測量儀器

① 示波器/波型采集設(shè)備

應(yīng)使用數(shù)字示波器，最小單行程掃描采樣頻率為2 GHz/s，帶寬為400 MHz，輸入靈敏度至少為5 mV/刻度。也可以用能夠采集快速上升時(shí)間的瞬態(tài)波形設(shè)備。

② 電壓探頭

電壓探頭的要求為：

·衰減：100∶1；

·最大輸入電壓：1kV；

·頻率/輸入阻抗/電容：1 MHz/>40 kΩ/〈4 pF；10 MHz/>4 kΩ/〈4 pF；100 MHz/>0.4 kΩ/〈4 pF；

·電壓探頭電纜線最大長度：3 m;

·電壓探頭接地線最大長度：0.13 m。

在試驗(yàn)報(bào)告上應(yīng)記錄線纜的長度，該要素可以影響測量的結(jié)果。

圖6 瞬態(tài)抗擾性試驗(yàn)裝置框圖

3.拋負(fù)載試驗(yàn)脈沖發(fā)生器

可以采用拋負(fù)載試驗(yàn)脈沖發(fā)生器用于規(guī)定的脈沖試驗(yàn)。拋負(fù)載試驗(yàn)脈沖發(fā)生器應(yīng)能在|Us|為最大值時(shí)產(chǎn)生開路拋負(fù)載試驗(yàn)脈沖，Us應(yīng)在表1和上文四/2要求的限值內(nèi)可調(diào)。脈沖峰值電壓Us應(yīng)調(diào)至規(guī)定的電平，允許誤差除非另有規(guī)定，計(jì)時(shí)（t）和內(nèi)阻（Ri）的允許誤差應(yīng)為±20%。

為了確保在開路和負(fù)載狀態(tài)時(shí)，驗(yàn)證結(jié)果與給出的參數(shù)一致，在每次試驗(yàn)前，應(yīng)驗(yàn)證試驗(yàn)脈沖發(fā)生器。脈沖能量將明顯影響試驗(yàn)結(jié)果，實(shí)際使用的能量應(yīng)記錄在報(bào)告中（見表2）。

驗(yàn)證負(fù)載試驗(yàn)脈沖發(fā)生器時(shí):

① UA為0 V；

②采用無感電阻，匹配電阻的誤差為±1%；

③電源阻抗應(yīng)與試驗(yàn)脈沖所確定的負(fù)載電阻相匹配；

④負(fù)載電阻應(yīng)有足夠的耗散功率。

表2 驗(yàn)證負(fù)載試驗(yàn)脈沖發(fā)生器試驗(yàn)脈沖

GB/21437.2發(fā)布首版實(shí)施后，國產(chǎn)的專用試驗(yàn)脈沖發(fā)生儀器已經(jīng)商品化。一般可獲得的專用試驗(yàn)脈沖發(fā)生儀器都按照試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)要素設(shè)計(jì)了操作界面，基本上采用計(jì)算機(jī)技術(shù)智能控制。

五、綜述

在拋負(fù)載脈沖試驗(yàn)中應(yīng)考慮下列要素。

1.在圖6中，a)和b)分別描述了試驗(yàn)脈沖的調(diào)整和注入。在實(shí)際應(yīng)用中，電壓探頭的阻抗足夠高時(shí)，可以將電壓探頭在掛接狀態(tài)注入，以拾取試驗(yàn)實(shí)際脈沖。一般情況下，當(dāng)探頭的阻抗相對(duì)Ri和Rv都相差在一個(gè)數(shù)量級(jí)以上才能考慮。

2.采用拋負(fù)載脈沖發(fā)生器時(shí)，其內(nèi)阻Ri可以設(shè)置。Ri通過在交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為6 000 r.p.m時(shí)的規(guī)定電流Irated從上述公式導(dǎo)出。然而，用Rv將試驗(yàn)負(fù)載阻抗調(diào)整到與Ri匹配，這時(shí)有較為理想的脈沖注入效果。

3.試驗(yàn)電壓U、發(fā)電機(jī)運(yùn)行的供電電壓UA、脈沖峰值電壓US和有拋負(fù)載抑制的脈沖試驗(yàn)電壓US*應(yīng)由試驗(yàn)委托方提供。脈沖持續(xù)時(shí)間td和上升沿tr由發(fā)電機(jī)組件和裝車負(fù)載組合確定，試驗(yàn)委托方必須提供典型參數(shù)值。

4.上述試驗(yàn)參數(shù)都將影響到試驗(yàn)的結(jié)果，考慮到試驗(yàn)的有效性和可再現(xiàn)：

①應(yīng)將上述試驗(yàn)參數(shù)詳細(xì)記錄在報(bào)告中；

②有可能應(yīng)將注入曲線記錄在報(bào)告中；

③應(yīng)將試驗(yàn)委托方提供的拋負(fù)載抑制的線路結(jié)構(gòu)、板裝結(jié)構(gòu)和包括具體型號(hào)的器件清單記錄在報(bào)告中。

5.試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)中的試驗(yàn)參數(shù)給出了較大的空間范圍，同時(shí)又為試驗(yàn)給出了較大的容差范圍。這并不是試驗(yàn)賦予試驗(yàn)人員的自由度，而是給予試驗(yàn)雙方更細(xì)致具體的要求和更高的理論和素質(zhì)方面的要求。

[1]ISO TC22.ISO 16750-2:2010 Road vehicles-Environmental conditions and testing for electrical and electronic equipment-Part 2:Electrical loads.[S].

[2]ISO TC22.ISO 21848:2005 Road vehicles-Electrical and electronic equipment for a supply voltage of 42 V-Electrical loads.[S].

[3]ISO TC22.ISO 8854:1988 Road vehicles-Alternators with regulators-Test methods and general requirements.[S].

[4]徐立,劉欣.GB/T 21437.1-2008道路車輛由傳導(dǎo)和耦合引起的電騷擾第1部分定義和一般描述[S].中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.

[5]徐立,劉欣,劉新亮等.GB/T 21437.2-2008道路車輛由傳導(dǎo)和耦合引起的電騷擾第2部分沿電源線的電瞬態(tài)傳導(dǎo)[S].中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.

[6]徐立.汽車電子部件的電磁抗擾度技術(shù)要求[J].認(rèn)證與電磁兼容,2006,11:77-80.

[7]姚亞夫,周海軍.汽車拋負(fù)載電壓的理論與試驗(yàn)研究[J].汽車工程,2002,24(5):451-454.