道路車輛電器及電子設備供電環境條件標準的拋負載試驗剖析

文/盧兆明 許 毅

ISO 16750-2:2010 Ed3《道路車輛 電氣及電子設備的環境條件和試驗第2部分：電氣負荷》對12 V/24 V供電系統的電器及電子設備增加了拋負載試驗，包括了交流發電機有/無集中拋負載抑制兩種情況的試驗和要求。ISO 21848:2005 Ed《道路車輛42 V供電電壓的電氣和電子設備電氣負荷》包括了交流發電機有集中拋負載抑制的試驗和要求。2項ISO的國家標準轉化已由全國汽車標準化技術委員會電子與電磁兼容分技委（SAC/TC114/SC29/ISO/TC22/SC3）完成起草，2009年送報批。ISO 16750-2新版的翻譯和驗證工作已經完成。

2項標準的拋負載試驗引用了GB/T21437.2/ISO7637.2《道路車輛由傳導和耦合引起的電騷擾第2部分：沿電源線的電瞬態傳導》的試驗脈沖5。盡管在示意圖和參數上有些許細小的差異，但試驗的表述是相同的。由于GB/T 21437.2并不包括42 V系統，在ISO 21848轉化為國家標準時，還可以認為拋負載試驗歸于電磁兼容（EMC）范疇；現在ISO 16750-2也增加了拋負載試驗，作為專業基礎標準對基礎標準的引用，而且給出了脈沖次數等細節。這里就對上述2項標準的12 V/24 V系統和42 V系統的拋負載試驗一起進行討論。

一、拋負載的產生

拋負載（Load dump），是指發電機供/用電系統中，因瞬時卸載而在發電機端產生遠高于供電電壓的瞬時脈沖。拋負載電壓主要是由汽車上廣泛采用的發電機在突然情況下斷開電阻性負載后引起的。發電機正常工作時，若負載突然減小或突然失去，將會導致發電機輸出電流急劇減小，致使在發電機電樞繞組中產生瞬間過電壓，其峰值可達額定供電電壓的5～10倍。在汽車應用領域，最嚴重的拋負載瞬間過電壓，一般發生在發電機滿載運行狀態或充電狀態蓄電池的連線突然斷開產生拋負載現象。形成拋負載的電路示意簡圖可參見圖1。

圖1中：1為缺陷連接；2為交流發電機；3為被測設備（DUT），受試樣品，用電負載；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電機。車載用電器的用電負荷一般比較小，當蓄電池需要充電時，發電機就擔負了所有的供電，蓄電池充電無疑是最大的負載。

交流發電機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斷開），或者在不帶蓄電池的情況下拋負載(負載電流突然到零)，瞬間的卸載造成交流發電機定子繞組中的電流突然減小，定子繞組中會感應出不正常的高電壓，最嚴重情況就是拋負載瞬變電壓。

若在蓄電池斷開情況下，假設某一時刻突然斷開負載，電流則將急劇下降。但定子繞組電感的電流不會發生跳躍變化，因為定子繞組兩端所產生的自感電動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，即斷開時間為零時，理論上幅值電壓將趨向于無窮大。但實際上，開關觸點對拋負載電壓值影響非常大。在觸點剛斷開時，間隙為無限小，而電流大。因此，觸點之間產生電弧，其電壓隨間隙的增大而上升，電流則反之。當電弧電流達到臨界值時，則電路完全斷開（電弧熄滅），同時出現峰值電壓。

峰值電壓值由定子繞組中的剩余能量來確定。由于交流發電機的激磁電流較大，拋除負載時，激磁繞組也將產生脈沖過電壓。因此，拋負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視為拋負載瞬變脈沖的示意圖，曲線可反映拋負載產生電壓值的上升和下降規律。從圖中容易看出，拋負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。達到峰值后的時間段，拋負載電壓按指數規律衰減，衰減幅度由電路中的時間常數決定。斷開負載的速度越快（Δt越小）、負載越大（電流L越大）、發電機轉速越高，拋負載產生的峰值電壓就越大。圖中曲線的各參數及相關界定可參見圖注。

二、拋負載的抑制

由于近代汽車設計與制造中，采用了大量電子設備以完成車輛行駛信息的采集、操作提示、控制指令的發生和具體操作的執行等車輛的基本系列動作，而拋負載的產生，部分影響了車輛的正常性能，有時甚至會釀成嚴重的后果。車輛生產商和電子部件的供應商為此也作了很多研究和嘗試，積累了諸多有效抑制拋負載發生的技術措施。

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

1.無集中抑制方案

裝用在無集中拋負載抑制功能車輛上的汽車電子系統/裝置必須采用本地抑制拋負載干擾信號。通常在遠離連接器端，在電子控制單元（ECU）內部增加保護電路。在整車上可能有較多的環節需要拋負載抑制單元。使用過多的抑制元件不僅導致漏電流總量上升，也會增加整體成本。但也不排除，對某個組件可以設計更好的拋負載抑制效果。無集中拋負載抑制的受試樣品須經受規定的拋負載脈沖峰值電壓US。

無集中拋負載抑制的受試樣品，其電路中必須自備拋負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 采用開關器件或晶體管和可控硅組成的保護電路進行分流調節是一種常用的拋負載抑制措施。雪崩擊穿二極管（TVS）、齊納TVS、可控硅型TVS和格式轉換器（MOV）是較為常用的自觸發器件。這種結構較為簡單，但對器件要求具有較大的功率。優點是能自啟和自恢復。

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

③線性穩壓的拋負載抑制結構在控制供電方面有良好的特性。缺點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。負載突降狀態下的自恢復截止和線性穩壓器具有高阻抗，其時高能量會流向保護最差的器件。

可見，拋負載抑制的效果與結構有關，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

集中拋負載抑制通常通過交流發電機內部鉗位電路（二極管，二極管橋，參見圖3）來實現，用于吸收拋負載脈沖的能量。在啟動時，由于發電機未工作，鉗位電路也要承受蓄電池的電壓。如果將鉗位電壓設置在最大啟動電壓以上，將無法達到鉗位的目的。因此，集中拋負載抑制的拋負載脈沖高于發電機工作電壓UA的US*脈沖電壓值。ISO 21848中42 V系統的拋負載抑制只針對有集中抑制的情況進行規定。

三、拋負載試驗要求

1.12 V/24 V供電系統的電器及電子設備的拋負載試驗

①根據ISO 16750-2，給出12 V/24 V供電系統拋負載的試驗要求，試驗曲線和相應參數可分別參見圖2和表1。

表1 12 V/24 V供電系統拋負載試驗脈沖參數

拋負載試驗的脈沖發生器內阻Ri，由下式可以獲得：

其中，Unom為交流發電機的額定工作電壓；Nact為交流發電機實際的轉速，即每分鐘的倒數；Irated為在交流發電機轉速為6 000 r.p.m時的規定電流，由ISO 8854《道路車輛 帶調節器交流發電機試驗方法》給出。

ISO 8854:1988（由長沙汽車電器研究所主持國標轉化，在報批階段）規定了詳細的檢測方法，測試框圖如圖4。整個試驗過程，應通過調節可變電阻R以保持試驗電壓Ut不變[12 V系統Ut=（13.5±0.1）V，24V系統Ut=（27±0.2）V]。測試描述為，調整發電機轉速nR＝6 000r/min時，記錄其輸出電流。

圖4 發電機測試電路圖

②對受試樣品要求

其功能狀態至少應達到ISO 16750-1定義的C級，即試驗中裝置/系統一個或多個功能不滿足設計要求，但試驗后所有功能可自動恢復到正常運行。

2.42 V供電系統的電器及電子設備的拋負載試驗

①根據ISO 21848，給出的42 V供電系統拋負載試驗要求，試驗曲線和相應參數參見圖5。

42 V供電系統拋負載試驗脈沖發生器的內阻Ri應為100 mΩ～500 mΩ；42 V供電系統拋負載試驗，向受試樣品施加1個脈沖。

② 對受試樣品要求：其功能狀態至少應達到ISO 16750-1定義的D級。即試驗中裝置/系統一個或多個功能不滿足設計要求，且試驗后不能自動恢復到正常運行，需要對裝置/系統通過簡單操作重新激活。特殊要求可以由車輛生產商和供應商協商確定。

四、拋負載試驗配備與設置

1.試驗裝置

根據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）是在零部件供應商和汽車制造商間協議的，應該屬于產品規范范疇。因此，制造商或試驗委托方應提供使用的二極管（或規格）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/波型采集設備

應使用數字示波器，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間的瞬態波形設備。

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。

在試驗報告上應記錄線纜的長度，該要素可以影響測量的結果。

圖6 瞬態抗擾性試驗裝置框圖

3.拋負載試驗脈沖發生器

可以采用拋負載試驗脈沖發生器用于規定的脈沖試驗。拋負載試驗脈沖發生器應能在|Us|為最大值時產生開路拋負載試驗脈沖，Us應在表1和上文四/2要求的限值內可調。脈沖峰值電壓Us應調至規定的電平，允許誤差除非另有規定，計時（t）和內阻（Ri）的允許誤差應為±20%。

為了確保在開路和負載狀態時，驗證結果與給出的參數一致，在每次試驗前，應驗證試驗脈沖發生器。脈沖能量將明顯影響試驗結果，實際使用的能量應記錄在報告中（見表2）。

驗證負載試驗脈沖發生器時:

① UA為0 V；

②采用無感電阻，匹配電阻的誤差為±1%；

③電源阻抗應與試驗脈沖所確定的負載電阻相匹配；

④負載電阻應有足夠的耗散功率。

表2 驗證負載試驗脈沖發生器試驗脈沖

GB/21437.2發布首版實施后，國產的專用試驗脈沖發生儀器已經商品化。一般可獲得的專用試驗脈沖發生儀器都按照試驗方法標準的試驗要素設計了操作界面，基本上采用計算機技術智能控制。

五、綜述

在拋負載脈沖試驗中應考慮下列要素。

1.在圖6中，a)和b)分別描述了試驗脈沖的調整和注入。在實際應用中，電壓探頭的阻抗足夠高時，可以將電壓探頭在掛接狀態注入，以拾取試驗實際脈沖。一般情況下，當探頭的阻抗相對Ri和Rv都相差在一個數量級以上才能考慮。

2.采用拋負載脈沖發生器時，其內阻Ri可以設置。Ri通過在交流發電機轉速為6 000 r.p.m時的規定電流Irated從上述公式導出。然而，用Rv將試驗負載阻抗調整到與Ri匹配，這時有較為理想的脈沖注入效果。

3.試驗電壓U、發電機運行的供電電壓UA、脈沖峰值電壓US和有拋負載抑制的脈沖試驗電壓US*應由試驗委托方提供。脈沖持續時間td和上升沿tr由發電機組件和裝車負載組合確定，試驗委托方必須提供典型參數值。

4.上述試驗參數都將影響到試驗的結果，考慮到試驗的有效性和可再現：

①應將上述試驗參數詳細記錄在報告中；

②有可能應將注入曲線記錄在報告中；

③應將試驗委托方提供的拋負載抑制的線路結構、板裝結構和包括具體型號的器件清單記錄在報告中。

5.試驗方法標準中的試驗參數給出了較大的空間范圍，同時又為試驗給出了較大的容差范圍。這并不是試驗賦予試驗人員的自由度，而是給予試驗雙方更細致具體的要求和更高的理論和素質方面的要求。

[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道路車輛由傳導和耦合引起的電騷擾第1部分定義和一般描述[S].中國標準出版社,2008.

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

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

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