一重卡空调控制器故障改进和ISO7637瞬态干扰试验

李晓娟（陕西德仕奥联汽车电子电器有限公司，陕西 高陵 710201）

一重卡空调控制器故障改进和ISO7637瞬态干扰试验

李晓娟
（陕西德仕奥联汽车电子电器有限公司，陕西 高陵 710201）

摘 要：一重卡空调控制器在数年的使用中电源部分的故障率按统计值总是居所有故障的第一位，根据对损坏现象的观察，通过对电路的理论分析和基本试验，分析了几种可能造成损坏的原因，定位了大能量的瞬态冲击（抛负载）是造成故障的主要原因，提出了产品改进方案。对提出的几种改进方案结合理论定性分析进行了系列试验，使用ISO 7637 汽车电子试验设备对产品进行验证，以接近百分百的统计概率复现了故障现象，通过了改进方案。总结了瞬态干扰保护电路及器件的特性和使用规律，确定了高效能较低价格的方案，目前经改进的产品已进入生产半年时间，效果良好，没有再出现损坏现象。

关键词：重卡；ISO7637；瞬态干扰；TVS管；PPTC

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.10.031

CLC NO.: U469.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)10-82-04

1、产品故障现象和损坏原因初步分析

在对陕汽某重卡车上的一款空调控制器的故障退件进行统计分析时发现，有一类损坏现象占据了大部分比例，即该空调控制器的电源保护电路部分的损坏。损坏最多的一个器件是一个限流电阻，那么这个限流电阻究竟是车上瞬态冲击造成，还是后面电路短路引起电流过大造成的呢？电源电路将24V系统输入转换为12V，再将12V转换5V，5V和12V之间有短路保护，就是说5V后面电路即使短路首先损坏的不会是24V到12V这一部分，12V电路输出部分如果短路会造成限流电阻损坏，这可能是一部分原因。我们很快发现，这一器件损坏的同时，大部分会伴随着保护压敏电阻或TVS管的损坏，而压敏电阻接在电源入口，输出端经过限流电阻连到TVS管，对后面电路进行保护，与后面电路是并联关系，后面电路即使对地短路不会烧坏这两个器件，根据这种情况车上瞬态冲击是造成这三个器件损坏的主要方面。限流电阻和压敏电阻或TVS管的损坏主要是车上的瞬态冲击造成。

那为什么以前的产品在ISO 7637系列试验中并没有出现问题？以前做ISO 7637-2系列试验基于习惯使用了较低的条件，参数设置使用了设备的默认值，试验等级可能没有达到真实车上的强度。同时我们认为温度也是影响试验结果的一个重要因素，试验平时是在室温进行的，重卡在使用时车内某些部分的温度会较高。我们使用上海普锐马（Prima）公司的ISO7637汽车电子试验设备进行7637系列之P5A脉冲波形测试，将等级设置为等级四（最高等级），内阻1欧姆后重新试验，产品的故障问题一下子暴露出来，损坏接近百分百。使用以前的试验设置而在80度高低温箱内再次进行试验，损坏率也非常高， 损坏现象与退件损坏现象一样。

2、ISO 7637 试验标准

2.1 瞬态传导的试验标准

GB/T 21437.2 等同采用ISO 7637-2 ：2004 ，即“ 道路车辆 由传导和耦合引起的电骚扰 第二部分 延电源线的电瞬态传导 ”。该标准规定了五个试验脉冲：

试验脉冲1模拟DUT与感性负载直接并联断开连接时的瞬态现象。对于24V系统，脉冲宽度1ms，电压峰值 -450V 到-600V。占空比千分之几左右。该脉冲峰值电压较高，但能量和平均功率较小。

试验脉冲2a和2b模拟线束和发电机引起的瞬态现象。

试验脉冲3a和3b模拟开关操作时由于线束的分布电容和电感引起的瞬态现象。

试验脉冲4模拟内燃机的电动机电路通电引起电源电压降低的瞬态现象。

试验脉冲5a和5b模拟抛负载现象，即模拟发电机正在产生充电电流而断开电池对其他负载造成的冲击。 P5a试验脉冲具有较高的电压峰值，对于24V系统等级四为174V，较宽的脉冲宽度（350ms），因而具有较大的能量。是造成车内电子零部件损坏的一个重要原因。

2.2 抛负载试验等级和参数设置

抛负载试验的原理图如下：

ISO 7637 P5a试验脉冲波形如下图：

对于24V系统,P5A脉冲的几项参数如下：

脉冲幅度 （Us）：123V~174V

发生器内阻 （Ri）：1Ω~8Ω

脉冲持续时间或称脉冲宽度 （Td）：100ms~350 ms脉冲上升时间（tr）：(5-10)ms

下表（表1）是24V系统推荐的试验等级。

表1　24V系统推荐使用的试验等级

试验等级只列出了电压峰值的规定，而进行试验时还需需明确几个重要参数：内阻、脉冲宽度、间隔，试环境条件（温湿度）等。

试验设备对于24V系统，如果不指定条件，默认设置为内阻2欧，脉冲宽度200ms。以前产品在做试验时就是使用了默认条件，而未使用最严格的条件。

3、改进方法比较和过程

为验证我们对故障的分析以实施有效低价得改进措施，我们进行了一系列的ISO-7637-2 瞬态干扰试验，主要是大能量的P5A脉冲试验，使用上海普锐马（Prima）公司的ISO 7637-2汽车电子试验设备。在实际汽车使用中，会有其他汽车电子零部件与我们的空调控制器并联，为模拟最坏情况，将模拟与空调控制器并联的其他电器装置直流电阻的Rs断开。

首先进行保护器件基本性能测试：可用来做瞬态冲击保护的器件有TVS 管，压敏电阻，气体放电管等。我们对最常用的两类即TVS管和压敏电阻进行测试。

上面是被测试产品的电源部分原理图，TP1 和TP2 点分别是压敏电阻和TVS 输出点。从这两个点经分压后连接到示波器观察波形。R1为压敏电阻用的是14D560K，资料上残压峰值约110V，反应速度微秒级。D2为TVS管用的是5KP36CA，击穿电压约40V，响应速度纳秒级。

上图是原理图电路在P5A 脉冲冲击下，TP1（压敏电阻）和TP2（TVS） 的响应波形，请注意示波器的两个通道使用了不同分压比例和显示比例。直线的部分是电源电压27V。压敏电阻保护点峰值最高点电压110V，TVS管在脉冲冲击下迅速反应，很快将输出钳位到40V 左右。

可见压敏电阻有一定的保护作用，但残压高，反应比TVS管慢。TVS管反应速度快，效果好。这两种器件响应能力与他们的价格成比例，一般来说，压敏电阻价格低，TVS价格高。在一系列的冲击试验中，压敏电阻偶尔会出现冒浓烟甚至起明火的现象。故也提醒在汽车零部件中使用压敏电阻需谨慎。

动点路线问题通常是探究满足一定条件的点路线，本质上是轨迹探究问题.一方面，“轨迹”是现行教材已经删除的内容，教学过程中尽可能不要提及“轨迹”这样的名称，更不能从“轨迹”和“解析”的高度对学生提出要求.

图5所示原理图中的保护电路能通过常温下内阻2欧姆，脉宽200ms的P5A试验。但使用内阻1欧姆，脉宽350ms的设置，试验样件的损坏比例几乎增加到近百分百。而使用内阻2欧姆的条件温度提高至65度倒80度下再做试验，损坏率非常明显。损坏现象与退件产品的损坏现象相同。

可见大能量的瞬态冲击脉冲（P5a）随着条件严苛成都增强会对电子零部件造成严重损坏，故提高保护电路的抗冲击能力是产品改进的重要任务。

改进过程中比较了四种方案：

方案1：将图5原理图中的压敏电阻改为20D560K，提高压敏电阻自身的等级，将限流电阻由普通绕线电阻改用同样5W功率的水泥电阻，并将电阻值有5.1欧姆改为7.5欧姆，继续用原来的TVS管。这样改进的电路可通过常温下内阻1欧姆，脉宽350ms的试验，但在80度下进行试验，仍会出现一定比例的损坏，进一步提高限流电阻的功率虽可通过试验但是这时候水泥电阻的体积太大，电阻也较大20D560K压敏电阻体积也偏大给在板上安装带来困难。表1的序号1和序号2两行中反映方案1的试验结果。

方案2：去掉限流电阻和保险丝，提高TVS管功率等级。将TVS 管由5KP更换位12KP，价格增加一倍，但可通过的等级比方案3低，但价格却比方案3高不少。表的序号3和序号4的行是方案2的试验结果。

方案3：采用图7原理图的方法，即TVS管加PPTC进行保护，PPTC全称为高分子聚合物正温度系数热敏电阻，简称自恢复保险丝。PPTC在电流增大情况下，内部发热，温度上升，此时内部电阻随即增大，直至切断电流。而故障消失，温度降低后，即又恢复小电阻的状态。在这里我们不仅利用PPTC 电流切断特性对后面电路进行保护，同时利用它的内部阻值对TVS管进行限流保护。通过串联PPTC可降低对TVS管的要求，因为TVS管价格相对PPTC贵很多，约十倍，串联两个PPTC，使总成本降低。在试验中使用同样PCB 的情况下，如果不串联PPTC，12KP 的TVS管也不能可靠通过常温1欧的P5a 试验，而串联一个PPTC即可通过80度、内阻1欧姆、脉宽350ms的试验。5KP的TVS管串联两个PPTC同样可通过80度、内阻1欧的试验。一个5KP的TVS管串联两个PPTC的价格远远低于一个12KP 的TVS管。表1的序号6和序号7是方案3的试验结果。

方案4：在电源入口端串联电感和并联电容，如图8所示，电感和电容选择中需考虑耐压、体积和价格等因素，对于脉冲能量很大的P5a试验，这种方法效果不明显，跟预先理论分析的一样。表的序号4是方案4的试验结果。压敏电阻的残压很高，反应较慢，受压敏电阻保护的输出点是110V，随时间和波形逐渐下降，而TVS管反映很快。从我们的示波器的输出点来看，保护点的输出残压很快就到40V，TVS 管后面的电路得到了可靠保护，而受压敏电阻保护的部分电路得不到可靠的保护，这也是这部分电路中的器件损坏的原因之一。

几种方案的承受能力比较：

表1　各种保护方案试验结果比较

上表中*号表格表示低于此条件的试验已不能通过，故没必要再做。做试验过程更重要是为总结确认变化规律和结果，但同时也有必要减少样件损坏数目，每种方案的试验样件数在三个以上，对于可通过的方案再增加样件以提高试验准确性。表2中损坏率高是指统计的损坏率大于50%。而能够为产品使用的方案其试验样件数需要在五个或以上。

4、结论

总结：压敏电阻价格较便宜，残压高，反相漏电流大，允许的最高温度低，单独用作电路保护不可靠，且压敏电阻如果选的功率等级低，会在冲击下冒黑烟甚至起明火。

TVS管反应速度快，能可靠将冲击电压钳位至一定幅度，但价格较贵，同时价格随着功率等级的提高而提高。

采取限流电阻可减小对TVS 管的冲击，降低对TVS管的功率要求，作为功率电阻，水泥电阻较之普通电阻有承受能力更强的优点，允许使用的最高温度比普通电阻高，但体积较大，在空间较小的电路中不便于使用，价格也较贵。

PPTC配合TVS管进行瞬态冲击保护，可降低对TVS管的要求，降低总价格。PPTC 既能起到限流电阻的作用，又能对后续电路起到保险丝的作用。

为确保改进产品能承受重卡车上瞬态干扰冲击影响，经过系列实验室试验后选择了方案3，进入小批量阶段进行验证，这一阶段的观察后进入正式生产阶段，经改进的产品在半年多的应用中没有出现该部分电路损坏问题。由于将原来只受压敏电阻保护的电路也改成了TVS管保护，后续电路的损坏率也明显降低。保护电路还在朝着有效和低价的方向不断改进。

参考文献

[1] GB/T 21437.2-2008道路车辆.由传导和耦合引起的电骚扰 第二部分 延电源线的电瞬态传导[S].

[2] 赵志刚.车用发电机抛负载的保护设计[J].汽车电器,2013(10).

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[5] 方文潮，汽车电子测试系统电骚扰脉冲的阐述及校准[J]，电子质量2010.12.

The failure analysis of a heavy truck air conditioning controller and the experiment of ISO7637 transient interference

Li Xiaojuan
( Shaanxi Deshi Aolian AE&EA Co., Ltd., Shaanxi Gaoling 710201 )

Abstract:In the use of a few years of a heavy truck air conditioning controller, the power circuit failure rate in statistics always ranks first of all faults, according to the observation of damage phenomenon,theoretical analysis and basic test,there are several reasons may cause the damage, but the main reason is the transient impact (load dump). To prove this conclusion,a series of experiments was did using the ISO 7637 automobile electronic test equipment.The conclusion is demonstrated by the probability of approaching one hundred percent. Some improvement scheme was proposed, and a series of experiment was carried out. From the experiments a conclusion is summarizedabout the characteristics of transient interference protection circuits and devices and the use of rules. According the experiment result, the most effective scheme of low price was found and usedin the new products. The improved products has entered the stage of production for half a year time, the effect is good，there is no damage to happen again.

Keywords:heavy truck; ISO7637; transient interference; TVS diode; PPTC

作者简介：李晓娟，就职于陕西德仕奥联汽车电子电器有限公司，研究方向为电子产品的可靠性。

中图分类号：U469.6

文献标识码：A

文章编号：1671-7988(2015)10-82-04