干货分享 | 汽车电子抛负载测试差异性研究

抛负载脉冲的形成

抛负载是指在蓄电池充电时，断开发电机与蓄电池的连接而引起发电机输出大电压尖峰，从而使得其它连接到发电机电源的设备受到破坏的威胁。在交流发电机内部包含感性线圈和整流器，在对蓄电池进行大电流充电时，这时如果突然断开蓄电池，由于感性器件的电流无法突变，将引起交流发电机输出电压急剧上升。

❶ 抛负载P5A参数 / Throw load P5A parameter

存在问题：标准需求按照2Ω内阻+2Ω负载电阻校验波形，那么选择其它内阻时，脉宽该如何变化呢?

根据标准，波形为双指数波。由于Tr < Td，脉冲形成回路简化为上图。空载时Td=400ms，当Ri和Rl都是2Ω时Td=200ms，则可以推出Rm=Ri+Rl=4Ω。Cm也随之确定（Cm=400ms/2.3/4=43mF）。

回到刚才的问题：当Ri变化时，Cm和Rm要不要一起改变呢？

根据这些年测试结果看，大部分国内外的抛负载发生器切换Ri时，Cm和Rm是固定的（根据脉宽而不是实际的Cm和Rm），但也有某些抛负载发生器，选择不同的内阻加匹配负载校准，脉宽都是变为50%。这两种发生器（除了2Ω内阻）测试结果可能会差别较大。

❷ 发生器的衍变 / Evolution of the generator

传统的抛负载发生器是用模拟器件做的。随着各种标准推出，各个车厂对波形脉冲宽度要求也越来越多，靠切换器件实现各种需求变得不现实了。目前主流的是用功放模拟抛负载的波形。

用功放实现抛负载的波形，仅仅从计量校准的角度看，没有任何问题，但带上试品后产生的效果，可能会差异巨大。

标准要求：校准波形时供电电压设置为0V。实际情况是在系统供电后，带载波形不尽相同。

测试案例 1

一个客户反映使用LDS 200N30 在3.2.2下内阻2.5ohm连续试验10次，试验间隔60s，器件（TVS）无损坏。而在使用某进口设备在3.3.2下内阻2.5ohm连续试验10次，试验间隔60s，器件（TVS）无法耐受。于是在同一环境下测试验证。

DUT电压=28V；试验电压=174V，td=350ms。空载波形相差不大。

△ 3CTEST LDS 200N30 波形

△ 进口设备波形

相同测试实验波形下抑制电压差异不大，一般差异不大于1V。抑制宽度差异稍大，进口设备带负载后钳位宽度为360ms，已超过试验要求的350ms，比空载的脉宽还要宽，应该是内部做了补偿。

△ 3CTEST LDS 200N30 波形

△ 进口设备波形

测试案例 2

某国内品牌的抛负载发生器，测试一款14V的TVS管，严酷度比LDS 200N30高很多。用该发生器测试，参数设置：Tr：10ms；Td：40ms；Up：30v，Ri：2Ω。带14V的TVS管测试，理论峰值电流8A左右，实测峰值电流63A，设置更大的内阻，输出波形无任何变化。

△ 空载电压波形

△ 带TVS负载电压/电流波形

❸ TVS测试 / TVS TEST

TVS类的抛负载试验，对于器件的严酷度主要体现在产生抑制或钳位时的吸收能量及能量的耗散，即P=∫vidt。严酷度主要取决于钳位时的峰值电流。钳位峰值电流越大，钳位电压也会越高。当TVS稳压幅度一定的情况下，其吸收的能量主要取决于电流，而此种情况电流取决于内阻。

电流Ir=(Up-UL)/Ri。测试案例2中，Ir=(30-14)/2=8A。就算TVS已经击穿，UL电压为0，则Ir=(30-0)/2=15A。而实测峰值电流63A，远远大于理论值。

▎虚拟内阻 ■ ■

之所以出现实际电流远大于理论值的情况，是因为发生器的内阻不是真实的阻抗，而是所谓的虚拟阻抗。设备测量负载的静态阻抗，然后通过计算，改变输出脉冲的幅度和脉宽。如果是纯阻性负载，测试结果可能差别不大。但遇上TVS或压敏之类的器件，有电压电流突变的情况，而发生器又不能快速、动态做相应调整，则会出现这类测试结果不符合理论值的现象。

虚拟内阻可以做到很大的设置范围。但理论上虚拟内阻不适合这个使用场景：因为只有先出现电流才能判断负载情况，然后再修正输出波形，修正滞后太多，明显不合理。

目前的测试结果表明：某些抛负载发生器使用虚拟内阻，甚至都没有动态调整波形。

如果出现测试结果和预估值差异太大的情况，可以同时测量试品处的电压、电流波形，根据数据判断发生器是否有问题。

测试案例3

两家抛负载设备，同等条件下测试相同产品，结果差异大。

设定参数：UA: 28 V；US: 151 V；US*:58V；Ri：1 Ω；td：100 ms。

抛负载模拟器LDS 200N30 电压读值：42.6V，电流读值：93A；

另一台发生器电压读值：38V；电流读值：4.8A。

❹ P5B测试可比性 / TVS TEST

LDS 200N30 测试数据：电压读值：42.6V，电流读值：93A。

电压相差不大，电流一个93A，一个4.8A，相差近20倍，到底哪个是正确的呢?

如果按照P5A的主回路模型计算，电流Ir=(Up-UL)/Ri=(58-38)/2=10A，和LDS 200N30测试数据相差很大，和另一台设备的测试数据相对接近。

实际是这样吗？需要从标准中P5B模拟的波形机理去寻找答案。

标准表明波形B模拟交流发电机内部含有对抛负载波形的抑制功能。

需要注意的是，发电机产生的抛负载波形还是A波形，只是被限幅，实际波形轨迹仍要按照A波形。

△ 发电机限幅示意图

交流发电机限幅是测量输出端的电压值，当电压过高，则切断励磁电路。

如果输出端带了TVS管作为负载，且TVS管的限幅值低于发电机限幅值，则发电机不会启动限幅功能。

测试结果分析：

真实的P5B应该如图所示，在内阻Ri前端输出脉冲A，内阻后端有限幅模块。

如果负载是TVS，则限幅模块不起作用。

回到刚才的测试：实际电流=(Ua-Ul)/Ri；而不是实际电流=(Ub-Ul)/Ri。这个现象明显是在Ua处发的脉冲B而不是脉冲A。

❺ 总结 / Summary

由于抛负载脉冲能量太大，不同的标准参数要求也各不相同，导致脉冲宽度跨度较大，内阻也很多，所以现在抛负载发生器基本都是用功放实现。由于对发生器机理和真实波形模拟的理解和认知不同，会导致不同厂家的抛负载发生器在测试时，测试效果相差很大。

存在最大的问题有3个：

1、虚拟内阻：非真实的内阻在计量校准设备没有问题，测试含有TVS之类的器件/模块则会导致不能限流，瞬间电流很大从而导致器件损坏。这个问题可以通过在输出端测试电流很容易判断出来；

2、脉冲B理解错误：错误的认为脉冲B的电压比较低，所以测试严酷度也低。发生器发出的电压波也直接是脉冲B。这种测试效果会差很多，这个问题也可以通过在输出端测试电流，很容易判断出来；

3、波形动态模拟不真实：可能是由于算法的问题，不同的发生器带相同的负载后幅度相差不大，但宽度差别很大。这个问题比较难排查，只能通过仿真计算。但有一点：必须保证波形合格，且符合常识。

还有一些其他因素可能会导致测试结果有差异：

1、由于试验效果与试验环境温度、特别是试品自身温度有着密切的关系。为保证试验效果的可比性，试验室环境温度为20~25℃，试验开始前必须保证试品温度与室温一致。

2、由于7637、16750对抛负载波形电压的要求误差为±10%，极端情况下不同仪器设备之间可能产生20%的差异，从试验结果可知：当输出电流差异超过10%时可能导致试验结果的截然不同。

3、7637、16750对抛负载波形电压宽度的要求误差为±20%，在以次数为严酷度考核依据时，对于以处于临界状态的DUT来说，设备间的差异（满足标准误差范围）可造成试验结果的截然不同。

抛负载脉冲的形成

抛负载是指在蓄电池充电时，断开发电机与蓄电池的连接而引起发电机输出大电压尖峰，从而使得其它连接到发电机电源的设备受到破坏的威胁。在交流发电机内部包含感性线圈和整流器，在对蓄电池进行大电流充电时，这时如果突然断开蓄电池，由于感性器件的电流无法突变，将引起交流发电机输出电压急剧上升。

❶ 抛负载P5A参数 / Throw load P5A parameter

汽车电子抛负载测试差异性研究2.png

存在问题：标准需求按照2Ω内阻+2Ω负载电阻校验波形，那么选择其它内阻时，脉宽该如何变化呢?

根据标准，波形为双指数波。由于Tr < Td，脉冲形成回路简化为上图。空载时Td=400ms，当Ri和Rl都是2Ω时Td=200ms，则可以推出Rm=Ri+Rl=4Ω。Cm也随之确定（Cm=400ms/2.3/4=43mF）。

回到刚才的问题：当Ri变化时，Cm和Rm要不要一起改变呢？

根据这些年测试结果看，大部分国内外的抛负载发生器切换Ri时，Cm和Rm是固定的（根据脉宽而不是实际的Cm和Rm），但也有某些抛负载发生器，选择不同的内阻加匹配负载校准，脉宽都是变为50%。这两种发生器（除了2Ω内阻）测试结果可能会差别较大。

❷ 发生器的衍变 / Evolution of the generator

传统的抛负载发生器是用模拟器件做的。随着各种标准推出，各个车厂对波形脉冲宽度要求也越来越多，靠切换器件实现各种需求变得不现实了。目前主流的是用功放模拟抛负载的波形。

用功放实现抛负载的波形，仅仅从计量校准的角度看，没有任何问题，但带上试品后产生的效果，可能会差异巨大。

标准要求：校准波形时供电电压设置为0V。实际情况是在系统供电后，带载波形不尽相同。

■ 测试案例 1 ■

一个客户反映使用LDS 200N30 在3.2.2下内阻2.5ohm连续试验10次，试验间隔60s，器件（TVS）无损坏。而在使用某进口设备在3.3.2下内阻2.5ohm连续试验10次，试验间隔60s，器件（TVS）无法耐受。于是在同一环境下测试验证。

DUT电压=28V；试验电压=174V，td=350ms。空载波形相差不大。

△ 3CTEST LDS 200N30 波形

△ 进口设备波形

相同测试实验波形下抑制电压差异不大，一般差异不大于1V。抑制宽度差异稍大，进口设备带负载后钳位宽度为360ms，已超过试验要求的350ms，比空载的脉宽还要宽，应该是内部做了补偿。

△ 3CTEST LDS 200N30 波形

△ 进口设备波形

测试案例 2

某国内品牌的抛负载发生器，测试一款14V的TVS管，严酷度比LDS 200N30高很多。用该发生器测试，参数设置：Tr：10ms；Td：40ms；Up：30v，Ri：2Ω。带14V的TVS管测试，理论峰值电流8A左右，实测峰值电流63A，设置更大的内阻，输出波形无任何变化。

△ 空载电压波形

△ 带TVS负载电压/电流波形

❸ TVS测试 / TVS TEST

TVS类的抛负载试验，对于器件的严酷度主要体现在产生抑制或钳位时的吸收能量及能量的耗散，即P=∫vidt。严酷度主要取决于钳位时的峰值电流。钳位峰值电流越大，钳位电压也会越高。当TVS稳压幅度一定的情况下，其吸收的能量主要取决于电流，而此种情况电流取决于内阻。

电流Ir=(Up-UL)/Ri。测试案例2中，Ir=(30-14)/2=8A。就算TVS已经击穿，UL电压为0，则Ir=(30-0)/2=15A。而实测峰值电流63A，远远大于理论值。

▎虚拟内阻 ■ ■

之所以出现实际电流远大于理论值的情况，是因为发生器的内阻不是真实的阻抗，而是所谓的虚拟阻抗。设备测量负载的静态阻抗，然后通过计算，改变输出脉冲的幅度和脉宽。如果是纯阻性负载，测试结果可能差别不大。但遇上TVS或压敏之类的器件，有电压电流突变的情况，而发生器又不能快速、动态做相应调整，则会出现这类测试结果不符合理论值的现象。

虚拟内阻可以做到很大的设置范围。但理论上虚拟内阻不适合这个使用场景：因为只有先出现电流才能判断负载情况，然后再修正输出波形，修正滞后太多，明显不合理。

目前的测试结果表明：某些抛负载发生器使用虚拟内阻，甚至都没有动态调整波形。

如果出现测试结果和预估值差异太大的情况，可以同时测量试品处的电压、电流波形，根据数据判断发生器是否有问题。

■  测试案例3 ■

两家抛负载设备，同等条件下测试相同产品，结果差异大。

设定参数：UA: 28 V；US: 151 V；US*:58V；Ri：1 Ω；td：100 ms。

抛负载模拟器LDS 200N30 电压读值：42.6V，电流读值：93A；

另一台发生器电压读值：38V；电流读值：4.8A。

❹ P5B测试可比性 / TVS TEST

LDS 200N30 测试数据：电压读值：42.6V，电流读值：93A。

电压相差不大，电流一个93A，一个4.8A，相差近20倍，到底哪个是正确的呢?

如果按照P5A的主回路模型计算，电流Ir=(Up-UL)/Ri=(58-38)/2=10A，和LDS 200N30测试数据相差很大，和另一台设备的测试数据相对接近。

实际是这样吗？需要从标准中P5B模拟的波形机理去寻找答案。

标准表明波形B模拟交流发电机内部含有对抛负载波形的抑制功能。

需要注意的是，发电机产生的抛负载波形还是A波形，只是被限幅，实际波形轨迹仍要按照A波形。

△ 发电机限幅示意图

交流发电机限幅是测量输出端的电压值，当电压过高，则切断励磁电路。

如果输出端带了TVS管作为负载，且TVS管的限幅值低于发电机限幅值，则发电机不会启动限幅功能。

测试结果分析：

真实的P5B应该如图所示，在内阻Ri前端输出脉冲A，内阻后端有限幅模块。

如果负载是TVS，则限幅模块不起作用。

回到刚才的测试：实际电流=(Ua-Ul)/Ri；而不是实际电流=(Ub-Ul)/Ri。这个现象明显是在Ua处发的脉冲B而不是脉冲A。

❺ 总结 / Summary

由于抛负载脉冲能量太大，不同的标准参数要求也各不相同，导致脉冲宽度跨度较大，内阻也很多，所以现在抛负载发生器基本都是用功放实现。由于对发生器机理和真实波形模拟的理解和认知不同，会导致不同厂家的抛负载发生器在测试时，测试效果相差很大。

存在最大的问题有3个：

1、虚拟内阻：非真实的内阻在计量校准设备没有问题，测试含有TVS之类的器件/模块则会导致不能限流，瞬间电流很大从而导致器件损坏。这个问题可以通过在输出端测试电流很容易判断出来；

2、脉冲B理解错误：错误的认为脉冲B的电压比较低，所以测试严酷度也低。发生器发出的电压波也直接是脉冲B。这种测试效果会差很多，这个问题也可以通过在输出端测试电流，很容易判断出来；

3、波形动态模拟不真实：可能是由于算法的问题，不同的发生器带相同的负载后幅度相差不大，但宽度差别很大。这个问题比较难排查，只能通过仿真计算。但有一点：必须保证波形合格，且符合常识。

还有一些其他因素可能会导致测试结果有差异：

1、由于试验效果与试验环境温度、特别是试品自身温度有着密切的关系。为保证试验效果的可比性，试验室环境温度为20~25℃，试验开始前必须保证试品温度与室温一致。

2、由于7637、16750对抛负载波形电压的要求误差为±10%，极端情况下不同仪器设备之间可能产生20%的差异，从试验结果可知：当输出电流差异超过10%时可能导致试验结果的截然不同。

3、7637、16750对抛负载波形电压宽度的要求误差为±20%，在以次数为严酷度考核依据时，对于以处于临界状态的DUT来说，设备间的差异（满足标准误差范围）可造成试验结果的截然不同。