ISO 7637-2 & ISO 16750-2

 

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。

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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, 3a3b

 

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 12V24V 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。

iso16750-2

表2. 电源测试标准(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:

  1. 对设备的供电失效
  2. 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)。

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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

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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。

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图3. Load Dump(Clamped

在 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

 load_dump_test_ab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。

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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。

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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。

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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

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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。

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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)。

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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。

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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。

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表4. ISO 7637-2 测试等级(12V 电源系统)

标准测试:ISO 16750-2


 

  • 反向电压 Reverse Battery

Reverse Battery 定义可能由人为因素造成的电池极性反接的情况,ISO 16750-2中要求所有输入端子必须耐受 14V 反向电压 60s 无损坏。标准还定义了另一种Use Case,如果交流电路未接熔断器,且整流二极管能耐受反向电压 60s ,则对系统用 4V 的反向试验电压同时施加到DUT所有相关的输入端子上持续 60s

  • 直流供电电压 Minimum And Maximum Supply Voltages

在ISO 16750-2中定义最高电源电压为 16V ,最低供电电压 6V 。对于最低电压不能满足6V的系统,标准中定义了其它规格代码(Code B/C/D),如表5所示。标准要求DUT在标称的工作电压范围内正常稳定地工作。

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表5. ISO 16750-2供电电压范围

  • 过电压 Overvoltage

Overvoltage ,第一种情况是模拟发电机调节器失效引起的发电机输出电压上升到高于正常电压。测试前加热箱中将 DUT 加热到 Tmax-20 °C。再向 DUT 有效输入端施加 18V 的电压,持续 60min;第二种情况是模拟辅助启动,首先确保 DUT 在室温下处于稳定状态,再向 DUT 有效输入端施加 24V 的电压(Jump-start), 并持续 60s

  • 叠加交流电压 Superimposed Alternating Voltage

该项测试是模拟直流供电下的纹波电压。ISO 16750-2定义测试不同的AC电压峰峰值1V/2V /4V,分别对应不同的严酷度(依次 1/4/2,严酷度 仅针对24V电源系统),扫描频率 50Hz ~ 25kHz,叠加交流电压后的电源电压峰值为 16V ,电源内阻 50mΩ ~100mΩ

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图11. 叠加交流电测试示意图(ISO 16750-2)

  • 缓升缓降 Slow Decrease and Increase of Supply Voltage

电源电压缓升缓降是模拟蓄电池逐渐放电和充电的过程。测试过程中同时对DUT有效输入端进行下列试验, 以 (0.5 ± 0.1) V/min 的线性变化率或步长不大于 25mV, 将供电电压由 USmin /minimum supply voltage 降到 0V ,然后从 0V 升到 USmin。缓升缓降过程不要求DUT可以一直正常地工作,但要求设备在这种状况下不至于损坏,并在供电恢复正常时继续工作。

  • 电压瞬态变化 Discontinuities in Supply Voltage

电压瞬态变化,相比于缓升缓降的电压值变化更加迅速,它验证包括 3 个方面:

  1. 供电电压瞬时下降时, 模拟另一电路内的常规熔断器元件熔化时造成的影响;
  2. 检验在不同的电压骤降下 DUT 的复位性能,适用于具有复位功能的设备(例如,装有一个或多个微控制器的设备);
  3. 检验 DUT 在汽车启动时和启动后的特性

图12示意汽车启动时电压变化的曲线。ISO 16750-2 要求测试 10 次,每次循环间隔 1~2s 。详细测试规范定义不同应用对应 I-IV 四个测试等级,不同等级的电压值和持续时间略有差别。

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图12. 汽车启动电压曲线(Level I)

  • 开路和短路保护 Open Circuit And Short-circuit Protection

开路测试是模拟一根线连接断开的电路环境。 在开路测试时,首先连接并运行 DUT,然后断开 DUT/系统接口的一条电路,最后恢复连接。观察装置断路期间和其后的情况。开路测试要在 DUT/系统接口的每条电路分别重复进行,断开时间 (10 ± 1) s ,开路阻抗 ≥ 10MΩ ;短路保护测试即模拟装置的输入或输出端电路短路,测试时将DUT的所有有效输入和输出端,依次连接到 USmax / maximum supply voltage,持续 (60 ± 6)s 。

防护设计


 

图13列出汽车电子模块输入防护电路的功能框图,详细功能包括极性保护、过压防护和告警等。

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图13. 车载输入防护电路功能框图

图14示意电源接口电路反接和过压保护部分电路图,此处反接保护采用二极管,应用中也可以采用PMOS管(图15),PMOS的设计相比于二极管设计成本更高,但功率损耗相对较小。

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图14. 缓启动和防护电路

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图15. PMOS防反接电路设计

总结


 

图16示意汽车中典型的电源瞬态脉冲的波形,在设计中要预留足够的手段以保护设备,提高系统的可靠性。在项目前期中,可以通过理论分析和电路仿真等手段确定合适的电路保护方案,链接LTspice 中可以直接使用的 ISO 7637-2 & ISO 16750-2 瞬态波形。在调用时注意,要配合最新版本的 LTspice XVII 使用,在老版本的软件中可能提示无法找到相应的Symbol。

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图16. 汽车内典型电源瞬态脉冲

参考资料


 

1. Robust Automotive Supply Protection for ISO 7637-2 and ISO 16750-2 Compliance -Dan Eddleman

2. Eliminate Those Automotive Load-Dump Circuit-Protection Headaches -Ian Doyle

3. Automotive Circuit Protection using Littelfuse Automotive TVS Diodes -Littelfuse

4. ISO 7637-2:2011 -International Organization for Standardization

5. ISO 16750-2:2012 -International Organization for Standardization

6. Automotive Line Transient Protection Circuit -TI

About Xiaomin

“Real generosity towards the future lies in giving all to the present.” ― Albert Camus
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