李曉娟（陜西德仕奧聯(lián)汽車電子電器有限公司，陜西 高陵 710201）

一重卡空調(diào)控制器故障改進(jìn)和ISO7637瞬態(tài)干擾試驗(yàn)

李曉娟
（陜西德仕奧聯(lián)汽車電子電器有限公司，陜西 高陵 710201）

摘 要：一重卡空調(diào)控制器在數(shù)年的使用中電源部分的故障率按統(tǒng)計(jì)值總是居所有故障的第一位，根據(jù)對損壞現(xiàn)象的觀察，通過對電路的理論分析和基本試驗(yàn)，分析了幾種可能造成損壞的原因，定位了大能量的瞬態(tài)沖擊（拋負(fù)載）是造成故障的主要原因，提出了產(chǎn)品改進(jìn)方案。對提出的幾種改進(jìn)方案結(jié)合理論定性分析進(jìn)行了系列試驗(yàn)，使用ISO 7637 汽車電子試驗(yàn)設(shè)備對產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)證，以接近百分百的統(tǒng)計(jì)概率復(fù)現(xiàn)了故障現(xiàn)象，通過了改進(jìn)方案。總結(jié)了瞬態(tài)干擾保護(hù)電路及器件的特性和使用規(guī)律，確定了高效能較低價(jià)格的方案，目前經(jīng)改進(jìn)的產(chǎn)品已進(jìn)入生產(chǎn)半年時間，效果良好，沒有再出現(xiàn)損壞現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：重卡；ISO7637；瞬態(tài)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(chǎn)品故障現(xiàn)象和損壞原因初步分析

在對陜汽某重卡車上的一款空調(diào)控制器的故障退件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析時發(fā)現(xiàn)，有一類損壞現(xiàn)象占據(jù)了大部分比例，即該空調(diào)控制器的電源保護(hù)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(tài)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(tǒng)輸入轉(zhuǎn)換為12V，再將12V轉(zhuǎn)換5V，5V和12V之間有短路保護(hù)，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(fā)現(xiàn)，這一器件損壞的同時，大部分會伴隨著保護(hù)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(jīng)過限流電阻連到TVS管，對后面電路進(jìn)行保護(hù)，與后面電路是并聯(lián)關(guān)系，后面電路即使對地短路不會燒壞這兩個器件，根據(jù)這種情況車上瞬態(tài)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(tài)沖擊造成。

那為什么以前的產(chǎn)品在ISO 7637系列試驗(yàn)中并沒有出現(xiàn)問題？以前做ISO 7637-2系列試驗(yàn)基于習(xí)慣使用了較低的條件，參數(shù)設(shè)置使用了設(shè)備的默認(rèn)值，試驗(yàn)等級可能沒有達(dá)到真實(shí)車上的強(qiáng)度。同時我們認(rèn)為溫度也是影響試驗(yàn)結(jié)果的一個重要因素，試驗(yàn)平時是在室溫進(jìn)行的，重卡在使用時車內(nèi)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(yàn)設(shè)備進(jìn)行7637系列之P5A脈沖波形測試，將等級設(shè)置為等級四（最高等級），內(nèi)阻1歐姆后重新試驗(yàn)，產(chǎn)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(yàn)設(shè)置而在80度高低溫箱內(nèi)再次進(jìn)行試驗(yàn)，損壞率也非常高， 損壞現(xiàn)象與退件損壞現(xiàn)象一樣。

2、ISO 7637 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 瞬態(tài)傳導(dǎo)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

GB/T 21437.2 等同采用ISO 7637-2 ：2004 ，即“ 道路車輛 由傳導(dǎo)和耦合引起的電騷擾 第二部分 延電源線的電瞬態(tài)傳導(dǎo) ”。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了五個試驗(yàn)脈沖：

試驗(yàn)脈沖1模擬DUT與感性負(fù)載直接并聯(lián)斷開連接時的瞬態(tài)現(xiàn)象。對于24V系統(tǒng)，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(yàn)脈沖2a和2b模擬線束和發(fā)電機(jī)引起的瞬態(tài)現(xiàn)象。

試驗(yàn)脈沖3a和3b模擬開關(guān)操作時由于線束的分布電容和電感引起的瞬態(tài)現(xiàn)象。

試驗(yàn)脈沖4模擬內(nèi)燃機(jī)的電動機(jī)電路通電引起電源電壓降低的瞬態(tài)現(xiàn)象。

試驗(yàn)脈沖5a和5b模擬拋負(fù)載現(xiàn)象，即模擬發(fā)電機(jī)正在產(chǎn)生充電電流而斷開電池對其他負(fù)載造成的沖擊。 P5a試驗(yàn)脈沖具有較高的電壓峰值，對于24V系統(tǒng)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(nèi)電子零部件損壞的一個重要原因。

2.2 拋負(fù)載試驗(yàn)等級和參數(shù)設(shè)置

拋負(fù)載試驗(yàn)的原理圖如下：

ISO 7637 P5a試驗(yàn)脈沖波形如下圖：

對于24V系統(tǒng),P5A脈沖的幾項(xiàng)參數(shù)如下：

脈沖幅度 （Us）：123V~174V

發(fā)生器內(nèi)阻 （Ri）：1Ω~8Ω

脈沖持續(xù)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(tǒng)推薦的試驗(yàn)等級。

表1　24V系統(tǒng)推薦使用的試驗(yàn)等級

試驗(yàn)等級只列出了電壓峰值的規(guī)定，而進(jìn)行試驗(yàn)時還需需明確幾個重要參數(shù)：內(nèi)阻、脈沖寬度、間隔，試環(huán)境條件（溫濕度）等。

試驗(yàn)設(shè)備對于24V系統(tǒng)，如果不指定條件，默認(rèn)設(shè)置為內(nèi)阻2歐，脈沖寬度200ms。以前產(chǎn)品在做試驗(yàn)時就是使用了默認(rèn)條件，而未使用最嚴(yán)格的條件。

3、改進(jìn)方法比較和過程

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

首先進(jìn)行保護(hù)器件基本性能測試：可用來做瞬態(tài)沖擊保護(hù)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(jìn)行測試。

上面是被測試產(chǎn)品的電源部分原理圖，TP1 和TP2 點(diǎn)分別是壓敏電阻和TVS 輸出點(diǎn)。從這兩個點(diǎn)經(jīng)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(yīng)速度微秒級。D2為TVS管用的是5KP36CA，擊穿電壓約40V，響應(yīng)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(yīng)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(hù)點(diǎn)峰值最高點(diǎn)電壓110V，TVS管在脈沖沖擊下迅速反應(yīng)，很快將輸出鉗位到40V 左右。

可見壓敏電阻有一定的保護(hù)作用，但殘壓高，反應(yīng)比TVS管慢。TVS管反應(yīng)速度快，效果好。這兩種器件響應(yīng)能力與他們的價(jià)格成比例，一般來說，壓敏電阻價(jià)格低，TVS價(jià)格高。在一系列的沖擊試驗(yàn)中，壓敏電阻偶爾會出現(xiàn)冒濃煙甚至起明火的現(xiàn)象。故也提醒在汽車零部件中使用壓敏電阻需謹(jǐn)慎。

動點(diǎn)路線問題通常是探究滿足一定條件的點(diǎn)路線，本質(zhì)上是軌跡探究問題.一方面，“軌跡”是現(xiàn)行教材已經(jīng)刪除的內(nèi)容，教學(xué)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(xué)生提出要求.

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

可見大能量的瞬態(tài)沖擊脈沖（P5a）隨著條件嚴(yán)苛成都增強(qiáng)會對電子零部件造成嚴(yán)重?fù)p壞，故提高保護(hù)電路的抗沖擊能力是產(chǎn)品改進(jìn)的重要任務(wù)。

改進(jìn)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(xù)用原來的TVS管。這樣改進(jìn)的電路可通過常溫下內(nèi)阻1歐姆，脈寬350ms的試驗(yàn)，但在80度下進(jìn)行試驗(yàn)，仍會出現(xiàn)一定比例的損壞，進(jìn)一步提高限流電阻的功率雖可通過試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果。

方案2：去掉限流電阻和保險(xiǎn)絲，提高TVS管功率等級。將TVS 管由5KP更換位12KP，價(jià)格增加一倍，但可通過的等級比方案3低，但價(jià)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(yàn)結(jié)果。

方案3：采用圖7原理圖的方法，即TVS管加PPTC進(jìn)行保護(hù)，PPTC全稱為高分子聚合物正溫度系數(shù)熱敏電阻，簡稱自恢復(fù)保險(xiǎn)絲。PPTC在電流增大情況下，內(nèi)部發(fā)熱，溫度上升，此時內(nèi)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(fù)小電阻的狀態(tài)。在這里我們不僅利用PPTC 電流切斷特性對后面電路進(jìn)行保護(hù)，同時利用它的內(nèi)部阻值對TVS管進(jìn)行限流保護(hù)。通過串聯(lián)PPTC可降低對TVS管的要求，因?yàn)門VS管價(jià)格相對PPTC貴很多，約十倍，串聯(lián)兩個PPTC，使總成本降低。在試驗(yàn)中使用同樣PCB 的情況下，如果不串聯(lián)PPTC，12KP 的TVS管也不能可靠通過常溫1歐的P5a 試驗(yàn)，而串聯(lián)一個PPTC即可通過80度、內(nèi)阻1歐姆、脈寬350ms的試驗(yàn)。5KP的TVS管串聯(lián)兩個PPTC同樣可通過80度、內(nèi)阻1歐的試驗(yàn)。一個5KP的TVS管串聯(lián)兩個PPTC的價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(yàn)結(jié)果。

方案4：在電源入口端串聯(lián)電感和并聯(lián)電容，如圖8所示，電感和電容選擇中需考慮耐壓、體積和價(jià)格等因素，對于脈沖能量很大的P5a試驗(yàn)，這種方法效果不明顯，跟預(yù)先理論分析的一樣。表的序號4是方案4的試驗(yàn)結(jié)果。壓敏電阻的殘壓很高，反應(yīng)較慢，受壓敏電阻保護(hù)的輸出點(diǎn)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(diǎn)來看，保護(hù)點(diǎn)的輸出殘壓很快就到40V，TVS 管后面的電路得到了可靠保護(hù)，而受壓敏電阻保護(hù)的部分電路得不到可靠的保護(hù)，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(hù)方案試驗(yàn)結(jié)果比較

上表中*號表格表示低于此條件的試驗(yàn)已不能通過，故沒必要再做。做試驗(yàn)過程更重要是為總結(jié)確認(rèn)變化規(guī)律和結(jié)果，但同時也有必要減少樣件損壞數(shù)目，每種方案的試驗(yàn)樣件數(shù)在三個以上，對于可通過的方案再增加樣件以提高試驗(yàn)準(zhǔn)確性。表2中損壞率高是指統(tǒng)計(jì)的損壞率大于50%。而能夠?yàn)楫a(chǎn)品使用的方案其試驗(yàn)樣件數(shù)需要在五個或以上。

4、結(jié)論

總結(jié)：壓敏電阻價(jià)格較便宜，殘壓高，反相漏電流大，允許的最高溫度低，單獨(dú)用作電路保護(hù)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(yīng)速度快，能可靠將沖擊電壓鉗位至一定幅度，但價(jià)格較貴，同時價(jià)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(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，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(jià)格也較貴。

PPTC配合TVS管進(jìn)行瞬態(tài)沖擊保護(hù)，可降低對TVS管的要求，降低總價(jià)格。PPTC 既能起到限流電阻的作用，又能對后續(xù)電路起到保險(xiǎn)絲的作用。

為確保改進(jìn)產(chǎn)品能承受重卡車上瞬態(tài)干擾沖擊影響，經(jīng)過系列實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)后選擇了方案3，進(jìn)入小批量階段進(jìn)行驗(yàn)證，這一階段的觀察后進(jìn)入正式生產(chǎn)階段，經(jīng)改進(jìn)的產(chǎn)品在半年多的應(yīng)用中沒有出現(xiàn)該部分電路損壞問題。由于將原來只受壓敏電阻保護(hù)的電路也改成了TVS管保護(hù)，后續(xù)電路的損壞率也明顯降低。保護(hù)電路還在朝著有效和低價(jià)的方向不斷改進(jìn)。

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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(lián)汽車電子電器有限公司，研究方向?yàn)殡娮赢a(chǎn)品的可靠性。

中圖分類號：U469.6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-7988(2015)10-82-04