汽车抛负载瞬态传导抗扰性试验和分析
2020-09-10
来源:好走旅游网
认证与实验室 汽车抛负载瞬态传导抗扰性试验和分析 Test and Analysis of Transient Conduction Immunity for Automobile Load Dump 孙成明 ,孙正 ,陈赋民 ,陶琪。(1.苏州泰思特电子科技有限公司,江苏苏州 21501 1;2.河南天海科技有限公司,河南郑州450001) Sun Cheng—ruing’,Sun Zheng’.Chen Fu—min2,Tao Qi (1 Suzhou TaiSite Electronic Technolo ̄' c0..I,td.Jiangsu Suzhou 215011;2.HenanTianhaiTechnologyCo,I.td.,HenanZhengzhou 450001) 摘要:结合汽车轮胎气压监测系统(TPMS)EMC试验实际,按照(GB,q'21437.2 idt IS07637.2沿电源线 的电瞬态传导》,介绍汽车抛负载瞬态传导抗扰性试验结果和分析。可供汽车电子产品开发和EMC试 验工程师参考。 关键词:汽车电子;轮胎压力监测系统O?Ms);电磁兼容;试验 中图分类号:TN03 ^b鲥旨础文献标识码:B 文章编号:1003-0107(201o)10-O071)-04 This Daper is introduces testing 1result and ar ̄lysis of transient conduction Immunity for automobile load dump,that is combined fact of EMC test for the Tire Pressure Monitoring Systms(oTPMS)on n3otof Vehicles.accordig nto<GB/T21437 2 idt ISO7637.2 Electdcal transient conduction along supply lines only>It will supply reference to automobile electrical product de— veiopmer ̄aodEMC-test{ ̄enoieer cK"word=:automobile electron;TPMS:EMC:test CLC RIM ̄TN03 Document oadle:B Artide ID:1003-0107(2010)10-0070—04 1概述 汽车电子产品电磁兼容性(EMC)是强检项目,包括电磁骚 扰(EMI)和电磁抗扰(EMS)。主要标准有:GB/r21437—2008道路 车辆一由传导和耦合引起的电骚扰,GB18655~2002保护车辆 2.2脉冲波形及参数要求 接收机的无线电骚扰特性的限值和测量方法,GB/T I7619—1998机动车电子电器组件的电磁辐射抗扰性限值和测 量方法,GB/T19951-2005道路车辆一静电放电产生的电骚扰 试验方法等。 《GB厂I、21437.2—2008 idt ISO 7637.2:2004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》包含 电压瞬态发射试验和抗扰性试验;瞬态传导抗扰性包括试验 脉冲1,2a,2b,3a/3b,4,5a/5b,其中脉冲1,2a,5a/5b不仅试验 电压高(数十或几百伏),而且脉冲能量大,可能损害汽车电子 产品,甚至导致汽车故障。本文结合汽车TPMS产品实际,介绍 脉冲5a/5b试验目的、要求和试验结果,并给出简要分析和结 论;可供汽车电子企业EMC设计或试验工程师参考。 (a)试验脉冲5a波形 2试验目的、要求和原理 注2:图中, (b)试验脉冲5b波形 2.1试验目的 模拟汽车抛负载瞬态现象。即模拟汽车在断开电池(亏电 状态 的同时,交流发电机正在产生充电电流,而发电机电路上 仍有其他负载时产生的瞬态,如图1所示。 Us——65v~87V(12V系统);Us芈-~按车厂要求,本例暂 定63v;Ri——0.5n~4n.本例试验暂定2n;m—— 40ms ̄400 ms;n——一100—5//Is。 图2试验脉冲5a/5b波形参数示意图 I蓄电、L池 :二:二,=={发电机}===f_ _] ------- — ——J L————-—-——————一L. 。.......—J 注i:DUT-汽车电子部,组件.本侧为TPMS。 图1脉冲5aJ5b产生原理示意图 2010第10期 im E 兼容 2.3试验原理 Rl改为2012/1206,施加瞬态干扰脉冲5a,参数改为 Us=65V,t,j=40ms,在TP1和TP3处测得波形类似图5所示的 波形(电压值低)。当干扰脉冲加至t ̄=2OOms时,R1冒烟; te=30Oms时,R1冒火花烧毁。 注3: 《典型值介于o.7Q与4on之间),按车厂要求, 奉纺『取Ry=R =2n。 图3脉冲5a试验原理示意图 3.1.3结果分析 如图5所示,干扰脉冲经过PTC,约10ms上升到脉冲最 大值,20ms后降到 ITvs管最大箝位电压(.I s管参数Vcmax ̄< 38.9V);显然,c2,Rl,R2,TVS决定了充/放电过程;在 20ms一40ms期间,试验脉冲被 rvs管箝位在V。lR;40ms后,恢 复到TPMS电源电压。 3试验分析 3.1版本V1.0试验 3.1.1瞬态脉冲输入电路 } “pp 1,:r————。—— 1P4 1 施加干扰脉冲期间,大部分脉冲能量f电压和电流)消耗在 FFC和R1、R2上,由于PTC功率容量>>Rl的功率容量,随着 试验次数的增加,Rl累积热能过高而烧毁。 蛾一3.1.2试验结果 耋 妄 ‰ 减小R1值或增大Rl功率容量的试验方案,是不必要的。 3.2版本V2.0试验 3-2_1瞬态脉冲输入电路 蕊函: DI图4 TPMS主机瞬态脉冲输入电路原理图(版本V1.0) 一r ̄ciw. 一* 一 lLI参考图4,自恢复 ̄TCfP1)选择1812L050(Ih :0.5A); r、,S 管(D2)选择SMCJ24A(iS00W)试验;TPMS电源电压为l3.5v。 半Cl I0¨ T 干 箝;; 干} -r, ̄sJ ・ ’{ [= ——+—二——一Ⅵ t r ——叶——●———~ 』按图2和图3所示,设置脉冲发生器瞬态干扰脉冲5a参数, Us=87V,t,l=40ms。运行脉冲发生器,测得TP1、TP3点波形如冈 5所示;第3次施加脉冲时,R1烧断。 图6 TPMS主机瞬态脉冲输入电路原理图(版本V2.0) 3.2.2试验结果 参考图6,自恢复PTC(FI)选择1812L050(1 ̄d=O.5A);TVS管 (D2)选择SMCJ24A(1500W)试验;TPMS电源电压为l3.5V。测 量PTC两端直流电压降约为0.1~0.3v(蜂鸣器响时)。如图2和 图3所示,设置脉冲发生器瞬态干扰脉冲5a参数,Us=65V, td=40ms;运行脉冲发生器(间隔ls,重复l0次),测得Fl输入 端,TPI点,TP2fI'P3点波形如图7所示。 (a)TP1点波形 (a)Fl/PTC前波形一 (b)TPI点/PTC后波形 (b)TP3点波形 图5版本V1.0测试波形图 (c)TP2点厂r、Ts上的波形 图7版本V2.0测试波形图(SMCJ24A,Us=65V,td=4Oms) 圃鼋 厦{ 认证与实验室 3.2.3试验分析 图7,图8,图9所示的波形都可满足脉冲5a试验要求, 在图7(a)中,输入瞬态干扰脉冲 升时间约10ms,5ms 时达到约40V;经Fl输出即被D1和TVS箝位在VBRrrVS管 脉冲响应时间在ns级),如图7(h)所示;TP2点波形见图 7(c)。TP3点电压波形(删J与罔7(c)基本相同。…输入端电压 (要求范围5V一45V)被 rVs箝位≤VBR;满足要求。 显然,图7、图8所示的波形优于冈9所示的波形。 3.3.2优化I电路裕度)分析 (1)试验等效电路和参数要求 参考图5,TPMS抛负载瞬态脉冲试验等效电路如图l0 所示。 3.3优化试验 3.3.1试验和结果 电源和瞬态脉冲输入电路参考图6(版本V2.0)所示,F1/ 自恢复PTC选用1812L020(Ih“=O.2A);D2ffVS选用SMBJ24A J]Rptc Dz ljRL A --(600W)试验;设置瞬态干扰脉冲5a参数为Us=87V, td=40ms/400ms;运行脉冲发生器(间隔1s,重复1O次),测得 TP1点,TP2点波形如图8所示。 lI 图1 0 TPMS汽车抛负载瞬态脉冲5试验等效电路 TPMS电源电压为12V(8—16V),测得TPMS正常T作电流 20mA,最大工作电流Imax ̄<40mA;RL(Ul输入)1 作电压范 要求是5V一45V。瞬态干扰脉冲5a峰值电压v 87v;鉴定试 验脉冲1次,耐久性试验脉冲5000次,脉冲间隔时问1分钟, (a)TP1  ̄(40ms)波形(b)TP2 O,(40ms)波形 要求TPMS功能状态达到GB/T 21437.1规定的A级。 (2)PTC特性分析 试验选用1812020,工作支持电流Ik ̄d=0.2A,足Imax的5 倍;Vmax=30Vdc@lmax=lOOA,VFC内阻Rptcmin=0.8Q;脉冲 发生器内阻Ri≥2Q时,最严酷状态(Rv开路),TVS管最大电 流为(87—30)/2.8—21A,小于TVS管脉冲峰值电流38.6A,电路 丁作稳定,满足要求。 (c)TP2  ̄,(400ms)波形 当要求(脉冲发生器内阻)Ri=0.5n时,应取Rv=0.7n,使 图8版本V2.0测试波形图(SMBJ24A,Us=87V,td=40ms/400ms) 更换D2/TVS,选用SMCJ3OA(150OW)试验,测得波形如罔 9所示。 Rv* 0.5n,则Ri实际输出瞬态干扰脉冲电压峰值v 43.5V,则VI'C/TVS管最大电流为『(43.5—26.7)/0.81=21A,小于 TVS管IPP=38.6A,远小于PTC管lmax=100A,VI'C不会断开。 试选1812014, 【 作支持电流II ̄,l,l=O.14A,是lmax的3.5倍 (满足要求);Vmax=6OVdc≥57V,Rptcnfin=1.5Q;当要求(脉冲 发生器内阻)Ri一0.5Q时,取Rv=0.7Q,使Rv*一0.5i2,则 VI'C/TVS管最大电流等于(43.5—26.7)/(1.5)一1 1A,小于TVS管 脉冲峰值电流15.5A,大于VFC管lmax=10A,PTC管可能瞬时 断开,同时造成TPMS断电.所以不选用。 f3)TVS特性分析 试验选用TVS管SMCJ24A(1500W1.最低击穿电压 (a)TP1,Prrc后波形(40ms) VBRmin=26 7V@I r=lmA,最大箝能电 Vc=38.9V,最大峰值脉冲 电流I =38.6A,可以满足图2中Ri=O.5Q时的试验要求。 试选用TVS管SMBJ24A(600W),最低击穿电压VBRmln ̄ 26.7V@I ̄=1mA,最大箝位电 Vc=38.9V,最大峰值脉冲电流 Ire=15.5A<21A,不能满足源内阻Ri=O.5Q试验要求;但可以满 足源内阻Ri≥2n的试验要求。 试选用TVs管SMCJ30A(1500W),最大箝位电压Vc= (b)TP2点厂rVS波形40ms1 图9版本V2.0测试波形图(SMCJ30A,Us=87V。td=40ms) 48.4V≥45V,超出了图2中U1(LDO)的输入电压要求范同。 — 下转75页 2010第10期 圜 E 兼容 ●电源抗干扰设计 印制板上的电源供电线路中存在着瞬态变化的供电电流,因 此会向空间辐射电磁干扰,同时,供电线路电感又将引起共阻 抗耦合干扰,会影响集成电路的响应速度和引起供电电压的 振荡。一般采用滤波去耦电容和减小供电线路特性阻抗的方 法来抑制电源线中存在的干扰i”。 电源抗干扰措施主要包括以下几点: (4)应避免数字电源与模拟电源的铜箔重叠,否则会产生 耦合电容,导致互相干扰。 3结束语 国内外PCB的生产研制正朝着细孔径、细导线、细间距、 多层化、高速传输、轻量、薄型方向发展,这对PCB设计技术提 出了新的挑战。以上所述只是PCB设计的一些通用原则,在实 (1)供电环路面积应减小到最低程度,不同电源的供电环 路不要相互重叠,以避免产生磁场耦合。 (2)PCB上的供电线路应加上滤波器和去耦电容lll。 际设计过程中,PCB中的电磁兼容问题很复杂,难以面面俱 到,必须权衡各种因素,针对具体问题采取相应的措施,反复 优化,既要满足设计要求,又要降低设计复杂度和生产成本, 为最大限度地保证PCB及整个电子产品的可靠性打下坚实的 基础 在PCB板的电源引入端使用大容量的电解电容作低频滤 波,再并联一只0.O1~0.1 F的陶瓷电容作高频滤波。 板上集成块的电源引脚和地线引脚之间应加0.O1 F的 陶瓷电容进行去耦 ,或每4~1O个芯片配置一个1—10 F 钽电解电容器。去耦电容应贴近集成块安装,必要时还可以安 装在集成块的背面,连接线应尽量短,最大不超过4cm,使去 耦电容的回路面积尽可能地减小。应尽量选用电源引脚与地 参考文献: [11俞海珍,冯浩.电磁兼容技术及其在PCB设计中的应用【JJ.电 子机械工程,2004,20(2):1-3. 【2】王振华,张学平.电磁兼容技术在PCB抗干扰设计中的应用 [J].中国无线电,2006,(2):60—63. 引脚靠得较近的集成块,尽量不使用芯片座,而选用贴片集成 块,这样可进一步减小去耦电容的供电回路面积。 对高频而言,多层板的电源层和地线层之间的电容也参 【3】张洁萍.电磁兼容与印制电路板的设计【JJ.印制电路信息, 2005,(5):23-26. 与去耦,如果层电容量不足,板上可再另加去耦电容。采用表 面安装(STM)的去耦电容可以进一步减小去耦回路的面积,达 到良好的滤波效果。 [4J向红权,苏先海,王瑛.PCB设计中的电磁兼容性[J】.现代电子 技术,2006.221(6):142—144. (3)对于抗噪能力弱、存取时电流变化大的器件和ROM、 RAM等存储型器件,应在芯片的电源线(Vcc)和地线(GND)间 [5]肖麟芬.印制电路板的抗干扰设计[J].电子工程师,2005,31(3): 20—22. 直接接上旁路电容,旁路电容的引线不能过长,特别是高频旁 路电容不能带引线,以减小对电源波动的影响。 《 咔—・ ÷ { +・I-i- —- 『61朱轲,郑建飞.PCB的电磁兼容与设计fJ1.电子质量,2005,(9): 80-81 上接72页 3.3.3验证试验 (1)脉冲5b试验 按图6版本V2.0和3.3.1所选的器件(1812020,SM— 利通过汽车抛负载瞬态传导脉冲5a/5b试验,而且还要保障产 品功能、性能稳定和环境耐久性。 CJ24A),按图2b)做脉冲5b试验,取Us*=63V,TPMS功能状态 达到A级。 4结束语 试验和分析结果说明,采用自恢复保险管(PTC)与瞬态抑 制二极管rⅣs)相结合的电路设计,提高了TPMS主机(接收模 块)耐受汽车抛负载电瞬态传导脉冲干扰的能力。 模拟汽车实际环境条件,确定合理的试验参数,是汽车电 子部件通过汽车抛负载瞬态传导抗扰性试验的重要环节和依 据。电路设计的要点在于,按产品和整车EMC要求,优化电 (2)耐久性试验 取源内阻Ri=211,Rv开路(更严酷),试验间隔时问20s(更 严酷1,重复1000次;TPMS功能状态达到GB/T 21437.1—2008 规定的A级。 3.3.4结论 采用图4(版本V1.0),不能满足汽车抛负载瞬态传导抗扰 性f脉冲5a/5b)试验要求。 采用图6(版本V2.0),PTC选用1812020,TVS选用SM— CJ24A,可以满足TPMS汽车抛负载瞬态传导抗扰性(脉冲 5a/5b)试验要求。 路,优选自恢复保险管(PTC)和瞬态抑制二极管(rITvs)的特性 参数。 参考文献: f11中国汽车技术研究中心.GBfF21437.2—2008IDTISO7637—2: 2004道路车辆——由传导和耦合引起的电骚扰第2部分: 针对不同车型,依据电源供电电压和汽车抛负载瞬态传 导脉冲试验电压要求;不同的汽车电子组件(DUT),可参考图6 所示的电路,以满足DUT工作电流、内部工作电压范围等要 求为原则,设计优选PTC和Tvs,不仅要保障汽车电子产品顺 沿电源线的电瞬态传导[S】.北京:中国标准出版社,2008. [2J陈赋民.PLD—TPMS接收板在泰思特测试7637和ESD结果 【z】.郑州:企业资料,2010. 困圣 矮童