一重卡空調控制器故障改進和ISO7637瞬態干擾試驗

李曉娟（陜西德仕奧聯汽車電子電器有限公司，陜西 高陵 710201）

一重卡空調控制器故障改進和ISO7637瞬態干擾試驗

李曉娟
（陜西德仕奧聯汽車電子電器有限公司，陜西 高陵 710201）

摘 要：一重卡空調控制器在數年的使用中電源部分的故障率按統計值總是居所有故障的第一位，根據對損壞現象的觀察，通過對電路的理論分析和基本試驗，分析了幾種可能造成損壞的原因，定位了大能量的瞬態沖擊（拋負載）是造成故障的主要原因，提出了產品改進方案。對提出的幾種改進方案結合理論定性分析進行了系列試驗，使用ISO 7637 汽車電子試驗設備對產品進行驗證，以接近百分百的統計概率復現了故障現象，通過了改進方案。總結了瞬態干擾保護電路及器件的特性和使用規律，確定了高效能較低價格的方案，目前經改進的產品已進入生產半年時間，效果良好，沒有再出現損壞現象。

關鍵詞：重卡；ISO7637；瞬態干擾；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、產品故障現象和損壞原因初步分析

在對陜汽某重卡車上的一款空調控制器的故障退件進行統計分析時發現，有一類損壞現象占據了大部分比例，即該空調控制器的電源保護電路部分的損壞。損壞最多的一個器件是一個限流電阻，那么這個限流電阻究竟是車上瞬態沖擊造成，還是后面電路短路引起電流過大造成的呢？電源電路將24V系統輸入轉換為12V，再將12V轉換5V，5V和12V之間有短路保護，就是說5V后面電路即使短路首先損壞的不會是24V到12V這一部分，12V電路輸出部分如果短路會造成限流電阻損壞，這可能是一部分原因。我們很快發現，這一器件損壞的同時，大部分會伴隨著保護壓敏電阻或TVS管的損壞，而壓敏電阻接在電源入口，輸出端經過限流電阻連到TVS管，對后面電路進行保護，與后面電路是并聯關系，后面電路即使對地短路不會燒壞這兩個器件，根據這種情況車上瞬態沖擊是造成這三個器件損壞的主要方面。限流電阻和壓敏電阻或TVS管的損壞主要是車上的瞬態沖擊造成。

那為什么以前的產品在ISO 7637系列試驗中并沒有出現問題？以前做ISO 7637-2系列試驗基于習慣使用了較低的條件，參數設置使用了設備的默認值，試驗等級可能沒有達到真實車上的強度。同時我們認為溫度也是影響試驗結果的一個重要因素，試驗平時是在室溫進行的，重卡在使用時車內某些部分的溫度會較高。我們使用上海普銳馬（Prima）公司的ISO7637汽車電子試驗設備進行7637系列之P5A脈沖波形測試，將等級設置為等級四（最高等級），內阻1歐姆后重新試驗，產品的故障問題一下子暴露出來，損壞接近百分百。使用以前的試驗設置而在80度高低溫箱內再次進行試驗，損壞率也非常高， 損壞現象與退件損壞現象一樣。

2、ISO 7637 試驗標準

2.1 瞬態傳導的試驗標準

GB/T 21437.2 等同采用ISO 7637-2 ：2004 ，即“ 道路車輛 由傳導和耦合引起的電騷擾 第二部分 延電源線的電瞬態傳導 ”。該標準規定了五個試驗脈沖：

試驗脈沖1模擬DUT與感性負載直接并聯斷開連接時的瞬態現象。對于24V系統，脈沖寬度1ms，電壓峰值 -450V 到-600V。占空比千分之幾左右。該脈沖峰值電壓較高，但能量和平均功率較小。

試驗脈沖2a和2b模擬線束和發電機引起的瞬態現象。

試驗脈沖3a和3b模擬開關操作時由于線束的分布電容和電感引起的瞬態現象。

試驗脈沖4模擬內燃機的電動機電路通電引起電源電壓降低的瞬態現象。

試驗脈沖5a和5b模擬拋負載現象，即模擬發電機正在產生充電電流而斷開電池對其他負載造成的沖擊。 P5a試驗脈沖具有較高的電壓峰值，對于24V系統等級四為174V，較寬的脈沖寬度（350ms），因而具有較大的能量。是造成車內電子零部件損壞的一個重要原因。

2.2 拋負載試驗等級和參數設置

拋負載試驗的原理圖如下：

ISO 7637 P5a試驗脈沖波形如下圖：

對于24V系統,P5A脈沖的幾項參數如下：

脈沖幅度 （Us）：123V~174V

發生器內阻 （Ri）：1Ω~8Ω

脈沖持續時間或稱脈沖寬度 （Td）：100ms~350 ms脈沖上升時間（tr）：(5-10)ms

下表（表1）是24V系統推薦的試驗等級。

表1　24V系統推薦使用的試驗等級

試驗等級只列出了電壓峰值的規定，而進行試驗時還需需明確幾個重要參數：內阻、脈沖寬度、間隔，試環境條件（溫濕度）等。

試驗設備對于24V系統，如果不指定條件，默認設置為內阻2歐，脈沖寬度200ms。以前產品在做試驗時就是使用了默認條件，而未使用最嚴格的條件。

3、改進方法比較和過程

為驗證我們對故障的分析以實施有效低價得改進措施，我們進行了一系列的ISO-7637-2 瞬態干擾試驗，主要是大能量的P5A脈沖試驗，使用上海普銳馬（Prima）公司的ISO 7637-2汽車電子試驗設備。在實際汽車使用中，會有其他汽車電子零部件與我們的空調控制器并聯，為模擬最壞情況，將模擬與空調控制器并聯的其他電器裝置直流電阻的Rs斷開。

首先進行保護器件基本性能測試：可用來做瞬態沖擊保護的器件有TVS 管，壓敏電阻，氣體放電管等。我們對最常用的兩類即TVS管和壓敏電阻進行測試。

上面是被測試產品的電源部分原理圖，TP1 和TP2 點分別是壓敏電阻和TVS 輸出點。從這兩個點經分壓后連接到示波器觀察波形。R1為壓敏電阻用的是14D560K，資料上殘壓峰值約110V，反應速度微秒級。D2為TVS管用的是5KP36CA，擊穿電壓約40V，響應速度納秒級。

上圖是原理圖電路在P5A 脈沖沖擊下，TP1（壓敏電阻）和TP2（TVS） 的響應波形，請注意示波器的兩個通道使用了不同分壓比例和顯示比例。直線的部分是電源電壓27V。壓敏電阻保護點峰值最高點電壓110V，TVS管在脈沖沖擊下迅速反應，很快將輸出鉗位到40V 左右。

可見壓敏電阻有一定的保護作用，但殘壓高，反應比TVS管慢。TVS管反應速度快，效果好。這兩種器件響應能力與他們的價格成比例，一般來說，壓敏電阻價格低，TVS價格高。在一系列的沖擊試驗中，壓敏電阻偶爾會出現冒濃煙甚至起明火的現象。故也提醒在汽車零部件中使用壓敏電阻需謹慎。

動點路線問題通常是探究滿足一定條件的點路線，本質上是軌跡探究問題.一方面，“軌跡”是現行教材已經刪除的內容，教學過程中盡可能不要提及“軌跡”這樣的名稱，更不能從“軌跡”和“解析”的高度對學生提出要求.

圖5所示原理圖中的保護電路能通過常溫下內阻2歐姆，脈寬200ms的P5A試驗。但使用內阻1歐姆，脈寬350ms的設置，試驗樣件的損壞比例幾乎增加到近百分百。而使用內阻2歐姆的條件溫度提高至65度倒80度下再做試驗，損壞率非常明顯。損壞現象與退件產品的損壞現象相同。

可見大能量的瞬態沖擊脈沖（P5a）隨著條件嚴苛成都增強會對電子零部件造成嚴重損壞，故提高保護電路的抗沖擊能力是產品改進的重要任務。

改進過程中比較了四種方案：

方案1：將圖5原理圖中的壓敏電阻改為20D560K，提高壓敏電阻自身的等級，將限流電阻由普通繞線電阻改用同樣5W功率的水泥電阻，并將電阻值有5.1歐姆改為7.5歐姆，繼續用原來的TVS管。這樣改進的電路可通過常溫下內阻1歐姆，脈寬350ms的試驗，但在80度下進行試驗，仍會出現一定比例的損壞，進一步提高限流電阻的功率雖可通過試驗但是這時候水泥電阻的體積太大，電阻也較大20D560K壓敏電阻體積也偏大給在板上安裝帶來困難。表1的序號1和序號2兩行中反映方案1的試驗結果。

方案2：去掉限流電阻和保險絲，提高TVS管功率等級。將TVS 管由5KP更換位12KP，價格增加一倍，但可通過的等級比方案3低，但價格卻比方案3高不少。表的序號3和序號4的行是方案2的試驗結果。

方案3：采用圖7原理圖的方法，即TVS管加PPTC進行保護，PPTC全稱為高分子聚合物正溫度系數熱敏電阻，簡稱自恢復保險絲。PPTC在電流增大情況下，內部發熱，溫度上升，此時內部電阻隨即增大，直至切斷電流。而故障消失，溫度降低后，即又恢復小電阻的狀態。在這里我們不僅利用PPTC 電流切斷特性對后面電路進行保護，同時利用它的內部阻值對TVS管進行限流保護。通過串聯PPTC可降低對TVS管的要求，因為TVS管價格相對PPTC貴很多，約十倍，串聯兩個PPTC，使總成本降低。在試驗中使用同樣PCB 的情況下，如果不串聯PPTC，12KP 的TVS管也不能可靠通過常溫1歐的P5a 試驗，而串聯一個PPTC即可通過80度、內阻1歐姆、脈寬350ms的試驗。5KP的TVS管串聯兩個PPTC同樣可通過80度、內阻1歐的試驗。一個5KP的TVS管串聯兩個PPTC的價格遠遠低于一個12KP 的TVS管。表1的序號6和序號7是方案3的試驗結果。

方案4：在電源入口端串聯電感和并聯電容，如圖8所示，電感和電容選擇中需考慮耐壓、體積和價格等因素，對于脈沖能量很大的P5a試驗，這種方法效果不明顯，跟預先理論分析的一樣。表的序號4是方案4的試驗結果。壓敏電阻的殘壓很高，反應較慢，受壓敏電阻保護的輸出點是110V，隨時間和波形逐漸下降，而TVS管反映很快。從我們的示波器的輸出點來看，保護點的輸出殘壓很快就到40V，TVS 管后面的電路得到了可靠保護，而受壓敏電阻保護的部分電路得不到可靠的保護，這也是這部分電路中的器件損壞的原因之一。

幾種方案的承受能力比較：

表1　各種保護方案試驗結果比較

上表中*號表格表示低于此條件的試驗已不能通過，故沒必要再做。做試驗過程更重要是為總結確認變化規律和結果，但同時也有必要減少樣件損壞數目，每種方案的試驗樣件數在三個以上，對于可通過的方案再增加樣件以提高試驗準確性。表2中損壞率高是指統計的損壞率大于50%。而能夠為產品使用的方案其試驗樣件數需要在五個或以上。

4、結論

總結：壓敏電阻價格較便宜，殘壓高，反相漏電流大，允許的最高溫度低，單獨用作電路保護不可靠，且壓敏電阻如果選的功率等級低，會在沖擊下冒黑煙甚至起明火。

TVS管反應速度快，能可靠將沖擊電壓鉗位至一定幅度，但價格較貴，同時價格隨著功率等級的提高而提高。

采取限流電阻可減小對TVS 管的沖擊，降低對TVS管的功率要求，作為功率電阻，水泥電阻較之普通電阻有承受能力更強的優點，允許使用的最高溫度比普通電阻高，但體積較大，在空間較小的電路中不便于使用，價格也較貴。

PPTC配合TVS管進行瞬態沖擊保護，可降低對TVS管的要求，降低總價格。PPTC 既能起到限流電阻的作用，又能對后續電路起到保險絲的作用。

為確保改進產品能承受重卡車上瞬態干擾沖擊影響，經過系列實驗室試驗后選擇了方案3，進入小批量階段進行驗證，這一階段的觀察后進入正式生產階段，經改進的產品在半年多的應用中沒有出現該部分電路損壞問題。由于將原來只受壓敏電阻保護的電路也改成了TVS管保護，后續電路的損壞率也明顯降低。保護電路還在朝著有效和低價的方向不斷改進。

參考文獻

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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

作者簡介：李曉娟，就職于陜西德仕奧聯汽車電子電器有限公司，研究方向為電子產品的可靠性。

中圖分類號：U469.6

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988(2015)10-82-04