在汽車電子中，電源瞬態浪涌可能對電子設備造成永久的損壞。隨着汽車上電子設備應用的逐年增多，各家汽車廠商在實踐中積累了寶貴的經驗，發現在某些特定場景下的電源瞬態變化更易對設備造成損壞。因此車廠都制定相關的測試規范，重點測試在這些電源瞬態下，電子設備的抗干擾能力，硬件設計中必須預留足夠的防護手段以抑制這些電源極端情況的影響。表1列出在汽車電子系統中常見有害的電源瞬態情況。
表1. 汽車電子中常見有害的電源瞬態
各家廠商的測試標准也逐漸形成統一的國際標准，本文簡要介紹 ISO 標准中對汽車電子設備電源測試的要求，具體包括 ISO 7637-2 和 ISO 16750-2 中所闡述的汽車電源中可能遭遇的惡劣條件，如負載突變、電池反接和過壓等場景下對應的電源測試要求。
ISO 7637-2
ISO 7637 全稱 Road vehicles -- Electrical disturbances from conduction and coupling，是一項針對 EMC 的測試標准，標准分三大部分：
- 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
盡管是EMC測試的標准，ISO 7637 也包含對電源測試的要求（ISO 7637-2）。在2011年，ISO 7637 將其中與 EMC 不相關的電源測試，例如 Load Dump 測試的 Pulse 5a, 5b 移到 ISO 16750-2，但標准中仍然保留着電源瞬態測試波形 Pulse 1, 2a, 2b, 3a 和 3b。
ISO 16750-2
ISO 16750 全稱 Road vehicles -- Environmental conditions and testing for electrical and electronic equipment，是針對汽車電子設備環境應力測試的標准，標准分五大部分：
- 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
本文只關注此標准中有關電源測試部分，即 ISO 16750-2。ISO 7637-2 和 ISO 16750-2 針對 12V 和 24V 電源系統有不同的測試要求，本文僅討論 12V 電源系統。表2列出的是ISO 16750-2標准中有關電源測試部分。
表2. 電源測試標准（ISO 16750-2）
下面先從電源瞬態變化“黑名單”中赫赫有名的 Load dump 說起，再逐步介紹兩個標准中定義的其它測試要求。
Load Dump
Load dump，中文“拋負載”，是指斷開電源與負載的瞬間，由於負載突變而引起電源電壓急劇的變化，拋負載可能引起兩類問題：
- 對設備的供電失效
- 感性發電機產生大電壓尖峰
在汽車電子領域，Load dump是指在蓄電池充電時，斷開發電機與蓄電池的連接而引起發電機輸出大電壓尖峰，從而使得其它連接到發電機電源的設備受到破壞的威脅。如下圖1所示，在交流發電機內部包含感性線圈和整流器，在對蓄電池進行大電流充電時，這時如果突然斷開蓄電池，由於感性器件的電流無法突變，將引起交流發電機輸出電壓急劇上升，此電壓尖峰可能高達 120V，並需要持續 400ms 后消退（如圖2）。
圖1. 標准的3相定子繞組 + 6個整流二極管產生直流電配置
圖2. Load Dump（Unclamped）
早期的交流發電機沒有引入鉗位設計，在Load dump的情況下，會產生高達100V的尖峰電壓。如今的交流電機設計中會增加鉗位設計（圖3），在 12V 電源系統中，Load dump一般被鉗位在 35V；而在 24V 電源系統中，Load dump一般被鉗位在 60V。注意，雖然 ISO 16750-2 有規定包含鉗位設計的交流電機輸出電壓會被鉗位在35V，但各家車廠可能有自定義的最高電壓標准。
圖3. Load Dump（Clamped）
在 ISO 16750-2 中針對交流發電機輸出是否包含鉗位設計，定義了兩種Load Dump電源測試波形，Test A 和 Test B，如圖4所示：
- Test A—without centralized load dump suppression
- Test B—with centralized load dump suppression
圖4. Load Dump電源測試波形（ISO 16750-2）
在Load dump測試中，ISO 16750-2 與 ISO 7637-2 最顯著的區別在於， ISO 16750-2要求在 10 分鍾內，每隔 1 分鍾對DUT打一次Load dump電源測試波形，而ISO 7637-2只要求測試一次。
在 ISO 7637-2 和 ISO 16750-2 中均定義了電機輸出的內阻 Ri ，其值在 0.5Ω ~ 4Ω 之間，Ri可以有效抑制輸出到外部電路的最大能量，如圖5所示。需要注意的是，Ri在有鉗位保護功能電機中是位於鉗位二極管之前，也就是說，如果采用 TVS 管作為電源入口的Load Dump保護，而且鉗位電壓小於電機輸出的鉗位電壓（35V）的話，必須確保該TVS管具有足夠的能力吸收Load Dump所有的能量。在有的設計中，也可能在TVS管前串接電阻（圖中未標出）以輔助耗散Load Dump下的能量，但串阻不僅會引起電源線上的壓降，而且在設備正常工作時，它也會產生一定的功耗。
圖5. 電源接口TVS保護示意圖
標准測試：ISO 7637-2
在 ISO 7637-2 中定義的電源瞬態測試包括：
- PULSE 1
Pulse 1 定義與感性負載並聯的電子設備在電源收到干擾時的浪涌波形。如圖6所示，電源從正常工作電壓降到 0V ，在 100us 之后施加衰退時間為 2ms ，尖峰值 -150V 的負脈沖，測試Setup中包括 10Ω 串阻以限制負脈沖的能量。
圖6. ISO 7637-2 Pulse 1
- PULSE 2A
Pulse 2A 定義電流瞬間注入待測電子設備引起正電壓尖峰。當電子設備突然停止吸收電流時，存在線束中的電流由於感性不能突變，因此形成電壓尖峰。如圖7所示，電源從正常工作電壓在 1us 內上升到 112V，持續 0.05ms ，測試Setup中包括 2Ω 串阻以限制電壓尖峰的能量。
圖7. ISO 7637-2 Pulse 2A
- PULSE 2B
Pulse 2B 定義關閉點火器，使用直流電機作為電源時發生的狀況，例如汽車熄火后加熱器仍在工作，在自身停止旋轉前，鼓風機電機可以在短時間內為系統提供直流電源。如圖8所示，電源從正常電壓在 1ms 內降低到 0V ，持續 1ms 升高至 10V ，最終再緩慢下降到 0V 。
圖8. ISO 7637-2 Pulse 2B
- PULSE 3A & 3B
Pulse 3A 和 3B 定義開關和繼電器在操作過程中電弧放電引起的正/負電壓尖峰。如圖9所示，測試Setup中包括 50Ω 串阻以限制電壓尖峰的能量。
圖9. ISO 7637-2 Pulse 3A & 3B
- PULSE 5A & 5B
Pulse 5A 和 5B 即上文提及的 Load Dump 測試。如圖10所示，對於 Pulse 5A，ISO 16750-2 定義的上升沿為 10% (US-UA) 到 90% (US-UA) ，而 ISO 7637-2 定義的是 10% US 到 90% US；對於 Pulse 5B ，ISO 16750-2 和 ISO 7637-2 在 US 和 US* 的上升時間 tr 有細微的差別（圖4）。
圖10. ISO 7637-2 Pulse 5A & 5B
表3列出的是 ISO 7637-2 和 ISO 16750-2 在 Load Dump 中測試參數的對比。
表3. Load Dump測試參數比較（ISO 16750-2 VS. ISO 7637-2）
在 ISO 7637-2 中有定義不同的測試等級（I - IV），其中 I 和 II 因為參數值設置較低，不符合實際情況，在改版的新標准中已刪除，如表4所示。
表4. ISO 7637-2 測試等級（12V 電源系統）
標准測試：ISO 16750-2
- 反向電壓 Reverse Battery
Reverse Battery 定義可能由人為因素造成的電池極性反接的情況，ISO 16750-2中要求所有輸入端子必須耐受 14V 反向電壓 60s 無損壞。標准還定義了另一種Use Case，如果交流電路未接熔斷器，且整流二極管能耐受反向電壓 60s ，則對系統用 4V 的反向試驗電壓同時施加到DUT所有相關的輸入端子上持續 60s 。
- 直流供電電壓 Minimum And Maximum Supply Voltages
在ISO 16750-2中定義最高電源電壓為 16V ，最低供電電壓 6V 。對於最低電壓不能滿足6V的系統，標准中定義了其它規格代碼（Code B/C/D），如表5所示。標准要求DUT在標稱的工作電壓范圍內正常穩定地工作。
表5. ISO 16750-2供電電壓范圍
- 過電壓 Overvoltage
Overvoltage ，第一種情況是模擬發電機調節器失效引起的發電機輸出電壓上升到高於正常電壓。測試前加熱箱中將 DUT 加熱到 Tmax-20 °C。再向 DUT 有效輸入端施加 18V 的電壓，持續 60min；第二種情況是模擬輔助啟動，首先確保 DUT 在室溫下處於穩定狀態，再向 DUT 有效輸入端施加 24V 的電壓（Jump-start）， 並持續 60s。
- 疊加交流電壓 Superimposed Alternating Voltage
該項測試是模擬直流供電下的紋波電壓。ISO 16750-2定義測試不同的AC電壓峰峰值1V/2V /4V，分別對應不同的嚴酷度（依次 1/4/2，嚴酷度 3 僅針對24V電源系統），掃描頻率 50Hz ~ 25kHz，疊加交流電壓后的電源電壓峰值為 16V ，電源內阻 50mΩ ~100mΩ。
圖11. 疊加交流電測試示意圖（ISO 16750-2）
- 緩升緩降 Slow Decrease and Increase of Supply Voltage
電源電壓緩升緩降是模擬蓄電池逐漸放電和充電的過程。測試過程中同時對DUT有效輸入端進行下列試驗， 以 (0.5 ± 0.1) V/min 的線性變化率或步長不大於 25mV， 將供電電壓由 USmin /minimum supply voltage 降到 0V ，然后從 0V 升到 USmin。緩升緩降過程不要求DUT可以一直正常地工作，但要求設備在這種狀況下不至於損壞，並在供電恢復正常時繼續工作。
- 電壓瞬態變化 Discontinuities in Supply Voltage
電壓瞬態變化，相比於緩升緩降的電壓值變化更加迅速，它驗證包括 3 個方面：
- 供電電壓瞬時下降時， 模擬另一電路內的常規熔斷器元件熔化時造成的影響；
- 檢驗在不同的電壓驟降下 DUT 的復位性能，適用於具有復位功能的設備（例如，裝有一個或多個微控制器的設備）；
- 檢驗 DUT 在汽車啟動時和啟動后的特性
圖12示意汽車啟動時電壓變化的曲線。ISO 16750-2 要求測試 10 次，每次循環間隔 1~2s 。詳細測試規范定義不同應用對應 I-IV 四個測試等級，不同等級的電壓值和持續時間略有差別。
圖12. 汽車啟動電壓曲線（Level I）
- 開路和短路保護 Open Circuit And Short-circuit Protection
開路測試是模擬一根線連接斷開的電路環境。 在開路測試時，首先連接並運行 DUT，然后斷開 DUT/系統接口的一條電路，最后恢復連接。觀察裝置斷路期間和其后的情況。開路測試要在 DUT/系統接口的每條電路分別重復進行，斷開時間 (10 ± 1) s ，開路阻抗 ≥ 10MΩ ；短路保護測試即模擬裝置的輸入或輸出端電路短路，測試時將DUT的所有有效輸入和輸出端，依次連接到 USmax / maximum supply voltage，持續 (60 ± 6)s 。
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防護設計
圖13列出汽車電子模塊輸入防護電路的功能框圖，詳細功能包括極性保護、過壓防護和告警等。
圖13. 車載輸入防護電路功能框圖
圖14示意電源接口電路反接和過壓保護部分電路圖，此處反接保護采用二極管，應用中也可以采用PMOS管（圖15），PMOS的設計相比於二極管設計成本更高，但功率損耗相對較小。
圖14. 緩啟動和防護電路
圖15. PMOS防反接電路設計
總結
圖16示意汽車中典型的電源瞬態脈沖的波形，在設計中要預留足夠的手段以保護設備，提高系統的可靠性。在項目前期中，可以通過理論分析和電路仿真等手段確定合適的電路保護方案，鏈接是 LTspice 中可以直接使用的 ISO 7637-2 & ISO 16750-2 瞬態波形。在調用時注意，要配合最新版本的 LTspice XVII 使用，在老版本的軟件中可能提示無法找到相應的Symbol。
圖16. 汽車內典型電源瞬態脈沖
參考資料
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
轉自：http://www.wangdali.net/iso16750/