如何快速发现汽车充电系统的潜在问题

　　当前汽车市场的一个重要发展趋势是使汽车更安全、更可靠和更舒适，这需要借助于一些新兴的应用技术，例如远程通信(例如汽车跟踪、卫星导航、移动通信和电视)和机电一体化(例如防抱死刹车系统、转向助力和安全气囊)。汽车制造商努力在这些领域引进先进的新技术，因而车内的电子设备以及电子元件的数量迅速增长并将继续增加。此外，控制这些新增电子元件的电子控制设备(ECU)的数量也会增加。在现代汽车电子系统中，包含6到12个控制ECU是司空见惯的。这些ECU以及它们所控制的电子元件都工作在极其恶劣的电子环境中。它们经常遭受电源系统由于高电流发动机、螺线管和电源系统中其他元件而引起的电压瞬变和断电的影响。在这种任务严格的环境下，汽车不能简单地容忍任何故障，因为这不但会严重挫伤消费者对其汽车的信心，更有可能会危及汽车驾乘人员的安全。

　　因此，汽车电子系统的正常运转取决于它是否对电力瞬变有足够的防范能力，是否绝对严格的实施了对整个ECU和电子元件的测试。很多测试标准，例如ISO-7637和ISO-16750都给出了瞬变波形的特征，能够帮助汽车研发工程师进行电源系统的瞬变测试，但是这种波形很难创建，需要昂贵而专业的设备。目前出现了一类新型的测试仪器——直流电源分析仪——它们为汽车研发工程师提供了一种灵活的、高性价比的备选方案。它通过模拟各种电源状态，帮助工程师测试汽车中使用的电子元件。这样，不论汽车的充电系统使电源处于何种状态，例如在发动机点火时由于电源系统的突然加载而导致电子元件的供电电压暂降，都能够确保所有元件连续正常工作。

　　面临的挑战

　　汽车充电系统的模拟是汽车研发工程师的一项重要工作，但是这项工作充满挑战。对于电压暂降波形的例子。为了确保电子元件正确操作，工程师必须通过各种与图1中所示的电压暂降类似的充电情形对这些元件进行彻底测试。这些情形将复现在汽车电源系统上所表现的启火曲线、电源扰动或衰减情况。

　　各种电源波形的模拟通常是采用定制的测试系统来完成的。这些解决方案一般是由工程师自己搭建而成，其中会用到一些专门的设备，例如具有快速响应能力的电源、高速信号发生器、工业计算机接口以及专门开发的用于重建必要电源波形的应用软件。通常，这些专用的设备必须从外面的厂商那里订购。由于测试系统是为专门的测试工作而定制的，因此它们在测试设置的更改方面没有太大的灵活性。而且，为了精确测试电子元件，工程师不得不到局部的测试台上工作，因为高成本限制了定制系统的数量。

　　尽管这些定制的测试系统价格昂贵，不灵活，并且需要投入大量的时间和精力，但是不对电源波形进行模拟风险太大，可导致有些问题直到汽车进入生产阶段才能被发现。可能出现的主要问题范例包括，在发动机点火之后无线电台无法使用，或者车载的移动电话突然停止工作。当前的汽车制造商很难承受在生产阶段寻找这类问题所带来的风险和费用。

　　值得庆幸的是，目前出现了一类新型仪器，其灵活性和功能能够满足重建某些汽车电源波形(例如，工作电压的缓慢下降/上升，快速充电，点火过程以及电压暂降)，为车内电子元件提供电源的需要，研发工程师可以在舒适的试验台上利用大量的瞬态故障检测波形对他们的ECU进行测试了。这种方法能够帮助工程师在将产品提交到距离遥远价格昂贵的鉴定实验室之前修正ECU问题了。直流电源分析仪在一台仪器内集成了多种仪器功能，例如任意波形发生器、多直流电源、数字万用表(DMM)、示波器和数据记录仪。它能够产生多种不同的电压波形，具有可配置的转换速率以及直观的面板。凭借这些功能，直流电源分析仪具有性价比高、简洁易用的特点，能够高效提供、测量和分析电子元件的直流电压和电流。这些操作的执行时间从数小时缩短到了几分钟，而且不需要编写一行代码。

　　为了更好的理解如何使用直流电源分析仪快速而简便地模拟汽车充电系统中的瞬态波形，下面一个例子使用了N6705直流电源分析仪，根据模块的不同，其可编程的转换速率可达5V in 160 祍。该系统内置的任意波形控制器可以帮助工程师创建9种不同的波形：正弦、阶跃、脉冲、斜线、斜方形、阶梯形、指数形、用户自定义电压和用户自定义电流。这些波形都是可以通过面板进行配置的，因此不需要工程师编写任何代码。

　　首先，使用N6705A型直流电源分析仪生成一种四阶用户自定义电压波形(如图3a所示)，复现图1中的信号。该电压波形符合下列参数描述：

　　* 开始为14V；

　　* 降低为9V保持10秒钟；

　　* 暂降到4.5V，保持100毫秒；

　　* 上升到9V保持1秒；

　　* 最后，返回14V。

　　在生成该波形之后，我们就可以在显示器窗口中看到它了。注意，在这个例子中，直流电源分析仪能够测量并像示波器显示屏那样显示待测器件(DUT)的电压和电流数据。它还允许用户将自定义的波形配置与显示数据保存到内存中或外部USB存储设备中。

　　多种好处

　　使用直流电源分析仪模拟汽车充电系统中的瞬态现象为汽车研发工程师带来了多种好处。首先，由于该解决方案增强的功能与多个分立设备构成的方案十分类似，因此它能够以较低的成本实现更快速的测量操作，完全消除了原来对多个分立设备(例如电流探针和分路器)进行配置和编程所需的费时的、繁琐的和复杂的过程。实际上，直流电源分析仪的设计非常适用于设计验证，其中，简洁的配置和使用是至关重要的。

　　取消多台仪器之后另外一个重要的好处是有利于开发和调试这些仪器的控制程序。一般而言，在执行复杂任务时需要同时连接并与多台测试仪器进行物理交互，这样出错的风险就增大了。研发工程师可能会对太复杂而无法手工测试的项目进行自动化测试。不过，尽管自动化测试能够减少人为错误，但是编写和调试程序会为已经超负荷工作的研发工程师增加更多的工作。所有的功能和测量操作都可以通过面板进行控制，不再需要PC机、驱动程序和软件。因此，研发工程师在仪器配置上所花的精力大大减少了。

　　另外一个好处是，在使用直流电源分析仪时，用户通过把CVS文件中的数据导入到用户自定义的波形中，能够重现捕捉到的波形，这是确保精确测试电源系统瞬态问题的一项重要功能。理想情况下，ECU的测试应该在汽车自身内部在各种工作条件下进行。由于这不现实，因此第二种最佳方案是当电压瞬态在汽车中出现时捕捉并记录下这些瞬态电压，然后在研发实验室内回放这些电压瞬态，从而测试ECU。为了捕获瞬态，工程师只需将一台示波器与电源系统相连，其中该ECU将被定位，然后模拟产生瞬态的各种状态，例如发动机点火、压缩机启动和低温工作。注意，上面例子中提及的N6705A示波器无法用来捕获这种波形，因为它只能测量它提供的电源(例如，它输出的电源)。所有产生的电源瞬态波形将被捕获，该信息再被下载到直流电源分析仪中，利用内置的任意波形发生功能进行复制。

　　本文小结

　　针对电子元件的研发测试模拟汽车充电系统的电源波形是一项十分重要，同时又十分费力和困难的工作。采用新一代测量仪器——直流电源分析仪——能够在一个简便的测试台系统中实现与多台仪器类似的功能，从而大大简化了这项工作。由于集成了任意波形控制和转换速率控制功能，结构灵活，因此能够帮助当前的汽车研发工程师以一种高性价比的方式快速、高效地发现汽车充电系统中潜在的问题。