道路车辆电器及电子设备供电环境条件标准的抛负载试验剖析

文/卢兆明 许 毅

ISO 16750-2:2010 Ed3《道路车辆 电气及电子设备的环境条件和试验第2部分：电气负荷》对12 V/24 V供电系统的电器及电子设备增加了抛负载试验，包括了交流发电机有/无集中抛负载抑制两种情况的试验和要求。ISO 21848:2005 Ed《道路车辆42 V供电电压的电气和电子设备电气负荷》包括了交流发电机有集中抛负载抑制的试验和要求。2项ISO的国家标准转化已由全国汽车标准化技术委员会电子与电磁兼容分技委（SAC/TC114/SC29/ISO/TC22/SC3）完成起草，2009年送报批。ISO 16750-2新版的翻译和验证工作已经完成。

2项标准的抛负载试验引用了GB/T21437.2/ISO7637.2《道路车辆由传导和耦合引起的电骚扰第2部分：沿电源线的电瞬态传导》的试验脉冲5。尽管在示意图和参数上有些许细小的差异，但试验的表述是相同的。由于GB/T 21437.2并不包括42 V系统，在ISO 21848转化为国家标准时，还可以认为抛负载试验归于电磁兼容（EMC）范畴；现在ISO 16750-2也增加了抛负载试验，作为专业基础标准对基础标准的引用，而且给出了脉冲次数等细节。这里就对上述2项标准的12 V/24 V系统和42 V系统的抛负载试验一起进行讨论。

一、抛负载的产生

抛负载（Load dump），是指发电机供/用电系统中，因瞬时卸载而在发电机端产生远高于供电电压的瞬时脉冲。抛负载电压主要是由汽车上广泛采用的发电机在突然情况下断开电阻性负载后引起的。发电机正常工作时，若负载突然减小或突然失去，将会导致发电机输出电流急剧减小，致使在发电机电枢绕组中产生瞬间过电压，其峰值可达额定供电电压的5～10倍。在汽车应用领域，最严重的抛负载瞬间过电压，一般发生在发电机满载运行状态或充电状态蓄电池的连线突然断开产生抛负载现象。形成抛负载的电路示意简图可参见图1。

图1中：1为缺陷连接；2为交流发电机；3为被测设备（DUT），受试样品，用电负载；4为蓄电池。

目前，汽车上较为普遍采用的是硅整流三相同步交流发电机。车载用电器的用电负荷一般比较小，当蓄电池需要充电时，发电机就担负了所有的供电，蓄电池充电无疑是最大的负载。

交流发电机正向蓄电池充电过程中，与蓄电池的接线突然脱落（脱落过程可以视为触点断开），或者在不带蓄电池的情况下抛负载(负载电流突然到零)，瞬间的卸载造成交流发电机定子绕组中的电流突然减小，定子绕组中会感应出不正常的高电压，最严重情况就是抛负载瞬变电压。

若在蓄电池断开情况下，假设某一时刻突然断开负载，电流则将急剧下降。但定子绕组电感的电流不会发生跳跃变化，因为定子绕组两端所产生的自感电动势正好与主电压的极性一致，从而阻止电路中电流的变化。

理想的断开情况下，即断开时间为零时，理论上幅值电压将趋向于无穷大。但实际上，开关触点对抛负载电压值影响非常大。在触点刚断开时，间隙为无限小，而电流大。因此，触点之间产生电弧，其电压随间隙的增大而上升，电流则反之。当电弧电流达到临界值时，则电路完全断开（电弧熄灭），同时出现峰值电压。

峰值电压值由定子绕组中的剩余能量来确定。由于交流发电机的激磁电流较大，抛除负载时，激磁绕组也将产生脉冲过电压。因此，抛负载电压是由定子绕组的脉冲过电压和激磁绕组中的脉冲过电压两部分组成。

将图2 a视为抛负载瞬变脉冲的示意图，曲线可反映抛负载产生电压值的上升和下降规律。从图中容易看出，抛负载电压脉冲曲线的上升沿为定子绕组引起的脉冲过电压；下降沿为激磁绕组引起的脉冲过电压。达到峰值后的时间段，抛负载电压按指数规律衰减，衰减幅度由电路中的时间常数决定。断开负载的速度越快（Δt越小）、负载越大（电流L越大）、发电机转速越高，抛负载产生的峰值电压就越大。图中曲线的各参数及相关界定可参见图注。

二、抛负载的抑制

由于近代汽车设计与制造中，采用了大量电子设备以完成车辆行驶信息的采集、操作提示、控制指令的发生和具体操作的执行等车辆的基本系列动作，而抛负载的产生，部分影响了车辆的正常性能，有时甚至会酿成严重的后果。车辆生产商和电子部件的供应商为此也作了很多研究和尝试，积累了诸多有效抑制抛负载发生的技术措施。

ISO 16750-2将抛负载的抑制方法分为两类，即无集中抑制（试验A适用）和有集中抑制（试验B适用）。

1.无集中抑制方案

装用在无集中抛负载抑制功能车辆上的汽车电子系统/装置必须采用本地抑制抛负载干扰信号。通常在远离连接器端，在电子控制单元（ECU）内部增加保护电路。在整车上可能有较多的环节需要抛负载抑制单元。使用过多的抑制元件不仅导致漏电流总量上升，也会增加整体成本。但也不排除，对某个组件可以设计更好的抛负载抑制效果。无集中抛负载抑制的受试样品须经受规定的抛负载脉冲峰值电压US。

无集中抛负载抑制的受试样品，其电路中必须自备抛负载抑制的功能电路和措施。大致有以下三种类型，各具特色。

① 采用开关器件或晶体管和可控硅组成的保护电路进行分流调节是一种常用的抛负载抑制措施。雪崩击穿二极管（TVS）、齐纳TVS、可控硅型TVS和格式转换器（MOV）是较为常用的自触发器件。这种结构较为简单，但对器件要求具有较大的功率。优点是能自启和自恢复。

②有些电源管理专用集成电路，集成了抛负载抑制功能。并不需要处理大电流，但往往需要大容量电容器为负载提供能量存储。

③线性稳压的抛负载抑制结构在控制供电方面有良好的特性。缺点是需要大功率的晶体管用以消除输出电压间的压差和器件本身的浪涌高压。负载突降状态下的自恢复截止和线性稳压器具有高阻抗，其时高能量会流向保护最差的器件。

可见，抛负载抑制的效果与结构有关，其性能和可靠性又和元器件密不可分。

图3 二极管桥

2.有集中抑制方案

集中抛负载抑制通常通过交流发电机内部钳位电路（二极管，二极管桥，参见图3）来实现，用于吸收抛负载脉冲的能量。在启动时，由于发电机未工作，钳位电路也要承受蓄电池的电压。如果将钳位电压设置在最大启动电压以上，将无法达到钳位的目的。因此，集中抛负载抑制的抛负载脉冲高于发电机工作电压UA的US*脉冲电压值。ISO 21848中42 V系统的抛负载抑制只针对有集中抑制的情况进行规定。

三、抛负载试验要求

1.12 V/24 V供电系统的电器及电子设备的抛负载试验

①根据ISO 16750-2，给出12 V/24 V供电系统抛负载的试验要求，试验曲线和相应参数可分别参见图2和表1。

表1 12 V/24 V供电系统抛负载试验脉冲参数

抛负载试验的脉冲发生器内阻Ri，由下式可以获得：

其中，Unom为交流发电机的额定工作电压；Nact为交流发电机实际的转速，即每分钟的倒数；Irated为在交流发电机转速为6 000 r.p.m时的规定电流，由ISO 8854《道路车辆 带调节器交流发电机试验方法》给出。

ISO 8854:1988（由长沙汽车电器研究所主持国标转化，在报批阶段）规定了详细的检测方法，测试框图如图4。整个试验过程，应通过调节可变电阻R以保持试验电压Ut不变[12 V系统Ut=（13.5±0.1）V，24V系统Ut=（27±0.2）V]。测试描述为，调整发电机转速nR＝6 000r/min时，记录其输出电流。

图4 发电机测试电路图

②对受试样品要求

其功能状态至少应达到ISO 16750-1定义的C级，即试验中装置/系统一个或多个功能不满足设计要求，但试验后所有功能可自动恢复到正常运行。

2.42 V供电系统的电器及电子设备的抛负载试验

①根据ISO 21848，给出的42 V供电系统抛负载试验要求，试验曲线和相应参数参见图5。

42 V供电系统抛负载试验脉冲发生器的内阻Ri应为100 mΩ～500 mΩ；42 V供电系统抛负载试验，向受试样品施加1个脉冲。

② 对受试样品要求：其功能状态至少应达到ISO 16750-1定义的D级。即试验中装置/系统一个或多个功能不满足设计要求，且试验后不能自动恢复到正常运行，需要对装置/系统通过简单操作重新激活。特殊要求可以由车辆生产商和供应商协商确定。

四、抛负载试验配备与设置

1.试验装置

根据GB/T 21437.2，图6给出典型脉冲注入装置框图。其中，使用的抑制二极管和抑制电平（钳位电压）是在零部件供应商和汽车制造商间协议的，应该属于产品规范范畴。因此，制造商或试验委托方应提供使用的二极管（或规格）和抑制钳位电压的信息。在二极管桥上，需要若干单二极管（见图6c），串组成给定的钳位电压支持。

2.测量仪器

① 示波器/波型采集设备

应使用数字示波器，最小单行程扫描采样频率为2 GHz/s，带宽为400 MHz，输入灵敏度至少为5 mV/刻度。也可以用能够采集快速上升时间的瞬态波形设备。

② 电压探头

电压探头的要求为：

·衰减：100∶1；

·最大输入电压：1kV；

·频率/输入阻抗/电容：1 MHz/>40 kΩ/〈4 pF；10 MHz/>4 kΩ/〈4 pF；100 MHz/>0.4 kΩ/〈4 pF；

·电压探头电缆线最大长度：3 m;

·电压探头接地线最大长度：0.13 m。

在试验报告上应记录线缆的长度，该要素可以影响测量的结果。

图6 瞬态抗扰性试验装置框图

3.抛负载试验脉冲发生器

可以采用抛负载试验脉冲发生器用于规定的脉冲试验。抛负载试验脉冲发生器应能在|Us|为最大值时产生开路抛负载试验脉冲，Us应在表1和上文四/2要求的限值内可调。脉冲峰值电压Us应调至规定的电平，允许误差除非另有规定，计时（t）和内阻（Ri）的允许误差应为±20%。

为了确保在开路和负载状态时，验证结果与给出的参数一致，在每次试验前，应验证试验脉冲发生器。脉冲能量将明显影响试验结果，实际使用的能量应记录在报告中（见表2）。

验证负载试验脉冲发生器时:

① UA为0 V；

②采用无感电阻，匹配电阻的误差为±1%；

③电源阻抗应与试验脉冲所确定的负载电阻相匹配；

④负载电阻应有足够的耗散功率。

表2 验证负载试验脉冲发生器试验脉冲

GB/21437.2发布首版实施后，国产的专用试验脉冲发生仪器已经商品化。一般可获得的专用试验脉冲发生仪器都按照试验方法标准的试验要素设计了操作界面，基本上采用计算机技术智能控制。

五、综述

在抛负载脉冲试验中应考虑下列要素。

1.在图6中，a)和b)分别描述了试验脉冲的调整和注入。在实际应用中，电压探头的阻抗足够高时，可以将电压探头在挂接状态注入，以拾取试验实际脉冲。一般情况下，当探头的阻抗相对Ri和Rv都相差在一个数量级以上才能考虑。

2.采用抛负载脉冲发生器时，其内阻Ri可以设置。Ri通过在交流发电机转速为6 000 r.p.m时的规定电流Irated从上述公式导出。然而，用Rv将试验负载阻抗调整到与Ri匹配，这时有较为理想的脉冲注入效果。

3.试验电压U、发电机运行的供电电压UA、脉冲峰值电压US和有抛负载抑制的脉冲试验电压US*应由试验委托方提供。脉冲持续时间td和上升沿tr由发电机组件和装车负载组合确定，试验委托方必须提供典型参数值。

4.上述试验参数都将影响到试验的结果，考虑到试验的有效性和可再现：

①应将上述试验参数详细记录在报告中；

②有可能应将注入曲线记录在报告中；

③应将试验委托方提供的抛负载抑制的线路结构、板装结构和包括具体型号的器件清单记录在报告中。

5.试验方法标准中的试验参数给出了较大的空间范围，同时又为试验给出了较大的容差范围。这并不是试验赋予试验人员的自由度，而是给予试验双方更细致具体的要求和更高的理论和素质方面的要求。

[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,刘欣.GB/T 21437.1-2008道路车辆由传导和耦合引起的电骚扰第1部分定义和一般描述[S].中国标准出版社,2008.

[5]徐立,刘欣,刘新亮等.GB/T 21437.2-2008道路车辆由传导和耦合引起的电骚扰第2部分沿电源线的电瞬态传导[S].中国标准出版社,2008.

[6]徐立.汽车电子部件的电磁抗扰度技术要求[J].认证与电磁兼容,2006,11:77-80.

[7]姚亚夫,周海军.汽车抛负载电压的理论与试验研究[J].汽车工程,2002,24(5):451-454.