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技术方案
AMAZINGIC晶焱科技：汽车电子 EOS 测试与防护
发布时间：2024-07-18 14:01:18
因牵涉到人身安全且需确保车辆正常行驶，车用产品的测试条件会比一般消费性产品还要严苛许多，大部分采用的EMC测试法规都是车载专用标准，因此汽车电子的验证几乎是独立于其他领域的。本文将集成晶焱科技深耕车用市场的经验，探讨汽车OEM所定义的EOS测试、ISO法规及其采用的EOS解决方案。
ISO 7637道路车辆测试法规
一般消费性产品通常会引用IEC 61000-4-5作为EOS的测试法规，但在车用领域比较少会执行这项测试。因车内环境较为复杂，在进行EOS测试时，需要进一步模拟在汽车上会遇到的实际情况；例如搭配建置人工网络来模拟车内线束的阻抗，以及使用高电流断路器来实现连接/断开汽车电源供应系统的使用场景等等，以上测试条件都被定义在ISO 7637 [1]当中。ISO 7637标准全名为：道路车辆-由传导和耦合引起的电气干扰，其中ISO 7637-2 [2]是规范仅沿着「电源线」的暂态干扰，ISO 7637-3 [3]则是定义除了电源线以外，其他所有缆线的电容性和电感性耦合产生之暂态干扰。
许多汽车OEM的供应技术规范（Delivery Specification）参考了ISO 7637标准，并对测试参数进行调整以符合集团内车辆需求，而Tier 1则需要遵循OEM订定之规范来对模组进行测试。目前市占率最高的车辆类别—乘用车，是以12 V电力系统为主，本文章提到的所有测试规格皆以使用12 V系统为前提下所撰写。
电源线之暂态抗扰度测试
ISO 7637-2定义的5种波形如表一所示，Pulse 1, 2a, 2b, 3a, 3b分别代表车内线路上发生的特定事件、所产生的特定波形。实测时皆是利用测试模组输出各项波形以模拟真实事件发生的环境，其中Pulse 2b较为弹性，通常是OEM有指定此项目再行测试即可。一般Tier 1会在设计阶段就会将测试需求考虑进去，可采用具备ISO 7637规格的保护元件来提升模组抗干扰能力。例如晶焱科技AZ9424-01G单体，经厂内测试（如图一设备）可通过ISO 7637-2建议之最高等级Level IV，也就是表二记载之Pulse 1, 2a, 3a, 3b电压值，可保护车载内部供电线路降低在测试期间失效及未来客端发生EOS问题的风险。
图一、晶焱科技实验室之ISO 7637-2测试设备
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Pulse 1 |
描述 |
实例 |
持续时间 |
| 当部件与电感性负载并联时，若供电突然成开路状态，电感性负载两端电压会反向施加到部件供电端，出现负向暂态电压Pulse 1。 | 断开风扇无刷马达的电源时，其线圈产生暂态负压。 | 2 ms | |
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Pulse 2a |
描述 |
实例 |
持续时间 |
| 当并联的负载断开，供电处线束中的寄生电感造成电流变化，进而产生一正电压叠加到供电处。 | 当LED电源关闭，电流变�。呤系募纳绺胁诺绲南窒�。 | 0.05 ms | |
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Pulse 2b |
描述 |
实例 |
持续时间 |
| 部件与直流马达并联。熄火时，直流马达从原本的电动机角色等效成了发电机，产生了一个正向的电压施加到供电处。 | 当泵正在运转时，将电源移除，在电源移除后马达因惯性继续转动所产生的暂态。 | 0.2 s ~2 s | |
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Pulse 3a/3b |
描述 |
实例 |
持续时间 |
| 机械开关断开后，因切换过程产生电�。鸬母咚僦芷谛栽萏� | 切断点火开关，部件的电源出现跳火情形。 | 150 ns ± 45 ns | |
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ISO 7637-2 |
Level IV |
Level III |
Level I/ II |
Number of Pulses or Test Time |
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Pulse 1 |
-150 V |
-112 V |
-75 V |
500 Pulses |
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Pulse 2a |
+112 V |
+55 V |
+37 V |
500 Pulses |
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Pulse 2b (Optional) |
+10 V |
+10 V |
+10 V |
10 Pulses |
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Pulse 3a, 3b |
-220 V, +150 V |
-165 V, +112 V |
-112 V, 75 V |
1 hour |
CAN bus暂态抗扰度的测试方法
车用汇流排包含CAN（Controller Area Network）、LIN（Local Interconnect Network）以及FlexRay等等，其中，CAN是目前为止最被广泛使用的车用通讯接口。因CAN bus应归类于信号电缆，如前文之定义，需参考ISO 7637-3进行测试。
由表一闪诉之场景实例可得知，ISO 7637-2所定义的五种Pulse是直接在电源供应线上所发生的事件，因此会将对应的干扰波型直接注入电源线来实施测试；但针对信号线，则是透过耦合方式来造成间接的干扰。ISO 7637-3中记载了电容性耦合夹箍（Capacitive Coupling Clamp, CCC）、直接电容耦合（Direct Capacitive Coupling, DCC）和电感性耦合夹箍（Inductive Coupling Clamp, ICC）等三种将Pulse耦合到信号中的测试方法。而其中所定义的Fast a和Fast b波形其实就是参照ISO 7637-2的Pulse 3a与3b波形，只是实施信号线的暂态抗扰度测试时还需要选择上述三种方法进行耦合。
晶焱科技提供双通道的保护元件AZ9424-02S，可应用在CAN汇流排的differential信号上。除了高效的ESD防护能力外，其同时具有暂态抗干扰能力。表四的参数表显示AZ9424-02S在第三方实验室的ISO 7637单体实验结果，在DCC方法下可通过Pulse 3a与3b（Fastａ/ Fast b）达±200 V，远高于ISO 7637-3的最高测试等级（表五之Level IV）。
为使车用�？樗忱ü鼵AN汇流排之ISO 7637系统测试，设计者除需特别评估保护元件规格外，CAN收发器本身的暂态抗扰度当然也需纳入考量。CAN收发器的ISO 7637测试同时被收录于IEC 62228-3 [4]当中，此文件也是许多汽车OEM在评估CAN收发器时，指定必须通过的电磁兼容性标准。晶焱科技CAN收发器全系列产品皆通过IEC 62228-3所记载暂态抗扰度的最大测试电压值（表三），其中车规系列收发器产品也皆通过德国第三方实验室之认证。
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Test Pulse |
Voltage Level |
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1 |
-100 V |
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2a |
+75 V |
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3a |
-150V |
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3b |
+100 V |
除了CAN bus外，晶焱科技也有提供针对其他车用汇流排的解决方案。 FlexRay和CAN同样为differential讯号，故可共用双通道的AZ9424-02S作为ISO 7637的保护方案。 LIN则仅利用single-end进行讯号传输，建议使用单通道的AZ9824-01L会较为合适，详细参数请见表四。
| P/N |
Vrwm |
Package |
ISO 7637-2 Pulse 3a, 3b (DCC) |
Cap. |
ISO 10605 ESD (330 Ω/ 150 pF) |
ESD Clamping Voltage (at TLP 16 A) |
Applications |
| AZ9424-02S |
±24 V |
SOT23-3L |
±200 V |
38 pF |
±25 kV |
±31 V |
Classical CAN |
| AZ9824-01L |
+24 V, -15 V |
SOD-323 |
±600 V |
55 pF |
±30 kV |
+21 V, -31 V |
Classical CAN, LIN bus |
表四、车用汇流排解决方案：AZ9424-02S及AZ9824-01L参数表
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ISO 7637-3 |
Level IV |
Level III |
Level II |
Level I |
Test Time |
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Fast a |
-60 V |
-40 V |
-20 V |
-10 V |
10 min |
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Fast b |
+40 V |
+30 V |
+20 V |
+10 V |
10 min |
结语
车用EOS测试种类繁多，本文列举ISO 7637中，针对12 V电力系统的电气干扰测试，若待测模组是供给商用车或其他24 V电力系统，请查阅ISO 7637-2记载之测试规范或与晶焱科技联系讨论。另外，OEM也会评估自身需求，将ISO 7637修改成自家车厂的规范，例如某汽车集团就额外加入了48 V电力系统之测试方法，以满足旗下轻油电车款48 V模组的测试、新增除了表一以外的其他波形，及不同于ISO 7637所建议的测试电压值。建议模组厂在设计阶段便考量OEM的测试要求，与元件供应商讨论欲采用元件的ISO 7637规格，确保其具备合规的抗干扰能力，以避免后续来回验证、旷日费时的情况。
参考文献
[1] ISO 7637 Road vehicles -- Electrical disturbances from conduction and coupling Third edition 2011-03
[2] ISO 7637-2 Part 2: Electrical transient conduction along supply lines only 2016-07
[3] ISO 7637-3 Part 3: Electrical transient transmission by capacitive and inductive coupling via lines other than supply lines Second edition 2007-07
[4] BS EN IEC 62228?3:2019 Integrated circuits - EMC evaluation of transceivers Part 3: CAN transceivers Chapter 6.3 Immunity to impulses
