Недавно я разработал автомобильный USB источник питания. Но статья будет совсем не о нем. В процессе разработки я ознакомился с двумя стандартами: ISO 16750-2, ISO 7637-2, которые подробно отвечают на часто задаваемый вопрос «Какое напряжение в автомобиле», а потом познакомил с ними десяток покупных USB зарядок разных производителей. Здесь (1, 2) и там я видел статьи о разработке/доработке/запиле готовых источников для автомобилей, где авторы не задумываются о таких вещах, как защитные цепи. В моём источнике схема защиты получилась сложнее самого источника, т.к. пожар в машине — это, безусловно, неприятно. Как показали себя испытуемые и почему выжил только один — в этой статье.
?Список тестируемых устройств
- Gerffins CC02
- Samsung Сar adapter
- Phantom PH2163
- Deppa Ultra duo
- Ginzzu GA-4415UW
- Stark CC2USBSTWH
- GAL UC-1127M
- Ginzzu GA-4015UB
- Pockets SPECHR-011
- Belkin RoadRockstar
- Мой 4USB
Тестирование
При проведении испытаний я старался следовать рекомендациям двух стандартов:
- ISO 16750-2, Road vehicles — Environmental conditions and testing for electrical and electronic equipment — Part 2: Electrical loads
- ISO 7637-2, Road vehicles — Electrical disturbances from conduction and coupling — Part 2: Electrical transient conduction along supply lines only. Местный аналог — ГОСТ 28751, Электрооборудование автомобилей. Электромагнитная совместимость. Кондуктивные помехи по цепям питания. Требования и методы испытаний.
К сожалению, оборудование позволило сделать не все интересные тесты - высоковольтные и «быстрые» сделать не удалось. Однако, все устройства были препарированы, схемы защиты изучены, что дает возможность судить о сопротивляемости этим воздействиям.
Тестирование проводилось по двум схемам включения из стандарта ISO 7637-2:
- Voltage transient emissions test
- Transient immunity test
Voltage transient emissions test (ISO 7637-2:2004 4.3)
Этот тест предназначен для оценки устройства как источника помех в сети питания. Стенд, собранный по этой схеме, показан на первой иллюстрации.
Где:
- Осциллограф (Keysight MSO-X 3104T 1GHz)
- Пробник осциллографа
- Эквивалент сети (самодельный, см. ниже)
- Тестируемое устройство (источник помех)
- Заземленная поверхность(металлический лист серый)
- Источник питания (Keysight DC power analyser N6705B)
- Заземление
Эквивалент сети.
Где A — контакт источника питания, B — земля, C — конденсатор, L — индуктивность, P — контакт тестируемого устройства, R — резистор.
Их характеристики:
L = 5 мкГн (без сердечника);
Сопротивление между P и A: < 5 m?;
C = 0,1 ?F на напряжение 200 В a.c. and 1500 В d.c.;
R = 50 ?.
Сопротивление катушки вышло чуть больше указанного в стандарте, так что лабораторию по сертификации мне не открыть.
Сняты осциллограммы:
- в момент включения входного питания
- выключения входного питания
- помехи в режиме работы на номинальную нагрузку
Измерен полный размах напряжения, времена нарастания-спада не измерялись. В нормальном режиме измерена частота основной помехи (часто она была не одинока).
ВАХ
Состав стенда как в тесте Voltage transient emissions test. Измерено напряжение на выходе устройства при номинальном токе, потребляемый ток. Нагрузка имитируется тем же прибором N6705B - у него 4 порта, каждый со своим внутренним модулем, некоторые модули можно использовать как нагрузку. Номинальный ток потреблялся только с одного порта USB, для многопортовых устройств данные о КПД и максимальных помехах могут быть неточными. Сняты сопротивления проводов для ввода поправок.
Совместимость с разными устройствами
Проверялась возможность заряда Apple Ipad и Samsung Galaxy, измерялась величина входного тока.
Transient immunity test (ISO 7637-2:2004 4.4)
Эта схема включения предназначена для проведения тестов на устойчивость к переходным процессам. По этой схеме проведены все последующие тесты.
Где:
- Осциллограф (внутренний осциллограф у Keysight N7973A)
- Пробник осциллографа (в нашей конфигурации отсутствует)
- Генератор тестовых импульсов (Keysight N7973A 60V 33A)
- Тестируемое устройство
- Заземленная поверхность(металлический лист серый)
- Заземление
- Опциональный резистор (в нашей конфигурации отсутствует)
- Опциональный диодный мост (в нашей конфигурации отсутствует)
Импульс 2b (ISO 7637-2:2004 п. 5.6.2b)
Симулирует помехи от моторов постоянного тока, работающих в режиме генератора после выключения зажигания.
Импульс 4 (ISO 7637-2:2004 п. 5.6.4)
Симулирует просадку питания, вызванную включением стартера ДВС, исключая всплески, вызванные стартом.
Импульс 5b (ISO 7637-2:2004 п. 5.6.5)
Этот тест моделирует помеху «Сброс нагрузки», которая происходит в случае отсоединения батареи. Генератор продолжает отдавать ток зарядки, при этом остальные нагрузки остаются подключенными. Под грозный импульс 5а попало два устройства: №4 и №11. Оба сгорели. Потом я прочитал, что в современных автомобилях есть супрессор, и таких напряжений не будет. №4 выбыл из дальнейшего тестирования. Для всех остальных устройств вместо него использовался следующий импульс (LV124).
LV124/VW8000 2013-6:E-05 «Load dump»
Суть та же, что у импульса 5b, но он определен производителями Audi, BMW, Daimler, Porsche и VW. Взят из брошюры Keysight.
Direct current (ISO 16750-2 п.4.1)
Этот тест проверяет функционирование оборудования в пределах между минимальным и максимальным напряжением питания. Критерий оценки: класс A.
Overvoltage (ISO 16750-2 п.4.2)
Этот тест симулирует ситуацию, когда вышел из строя регулятор генератора, и его выходное напряжение превысило нормальные значения. Этот тест симулирует «прикуривание». Подавал напряжение 24В в течение 60с из п. 4.2.1.2. Критерий оценки: класс D.
Superimposed alternating voltage (ISO 16750-2 п.4.3)
Этот тест симулирует добавленное переменное напряжение поверх постоянного. Частота изменялась 50Гц — 10кГц - 50Гц, в стандарте до 20 кГц, у нас до 10 кГц, источник больше не мог. Критерий оценки: класс А.
Starting profile (ISO 16750-2 п.4.5.3)
Этот тест проверяет поведение тестируемого устройства во время и после старта. Критерий оценки: класс С. По сути, он такой же как Имульс 4 из ISO 7637-2, только дбавилась осцилляция на полочке.
Short circuit protection (ISO 16750-2 п.4.8)
Этот тест симулирует короткое замыкание входов и выходов устройства. Коротим все контакты одного USB выхода между собой, т.е. на землю. В стандарте предписано коротить на землю и на питание 12В, но у нас второй вариант невозможен, и я его не моделировал. Один раз это получилось случайно - так сгорел один из Ginzzu «GA-4015UB». Критерий оценки: класс С.
Reversed voltage (ISO 16750-2 п.4.6)
Этот тест проверяет устойчивость устройства к неверной полярности батареи когда используется вспомогательное пусковое устройство. Прикладываем -14В на вход на 60с. Критерий оценки: после замены сгоревших предохранителей класс С. Внешний предохранитель не использовался, был сожжен один 10А стандартный FUSE — на токе 33А это заняло 150 мс, что намного больше чем выдержало любое сгоревшее устройство.
Препарирование
Когда запах горелой электроники подвыветрился, я приступил к разбору всех этих устройств. Привожу все по порядку с комментариями о схеме защиты, схеме подключения USB разъема, общими впечатлениями.
Gerffins CC02
Лучшее из купленных устройств — на входе самовосстанавливающиеся предохранители, супрессор, LC-фильтр, диоды для защиты от обратного напряжения. Разводка аккуратная, устройство сильно усложнено, видимо, из экономии на микросхемах источников. Предусмотрены варианты подключения линий D+ D- к делителям напряжения для Apple, но закорочены. Написано, что разработано в США, изготовлено в Китае, собственность Евросеть. Не хотят у нас разрабатывать…
Samsung Сar adapter
LC-фильтр, плавкий предохранитель, после замены которого (пайка) устройство работает. Аккуратная трассировка.
Phantom PH2163
Входная защита не предусмотрена, взорвался электролит. Микросхема питания зашлифована (защита от копирования?), микросхему пробило.
Deppa Ultra duo
Плавкий предохранитель, после замены которого (пайка) устройство работает. На одном порту D+ D- соединены, на другом — делители. IC зашлифована. Аккуратная трассировка.
Ginzzu GA-4415UW
Защита не предусмотрена. На одном порту D+ D- соединены, на другом — делители. Плата сильно пострадала. Трассировка плоха — расположение дросселя и микросхемы. Зато англоязычным пользователям предлагают 4.8А против 3.1А для русских. В миллиамперах характеристики совпадают!
Stark CC2USBSTWH
Плавкий предохранитель, после замены которого (пайка) устройство работает. На одном порту D+ D- соединены, на другом — делители. Дроссель далеко от микросхемы. Зато однослойная плата…
GAL UC-1127M
Плавкий предохранитель не сработал. Плата низкого качества.
Ginzzu GA-4015UB
Защита не предусмотрена. На одном порту D+ D- соединены, на другом — делители. Правда, разбираться какой где пользователю придется самостоятельно. Плотная компоновка, элементы залиты каким-то компаундом. Убиты 2 шт.
Pockets SPECHR-011
Плавкий предохранитель, после замены которого (пайка) устройство работает. Предусмотрены варианты подключения линий D+ D- к делителям напряжения, но линии закорочены.
Belkin RoadRockstar
Плавкий предохранитель, после замены которого (пайка) устройство работает. Супрессор, предохранитель, LC-фильтр на штекерной части, предохранитель и фильтр на пассажирской части. Замечательное качество разработки. IC для определения устройства как оригинальной зарядки разными потребителями.
Мой 4USB
Плавкий предохранитель, супрессор, e-Fuse, IC для определения устройства как оригинальной зарядки разными потребителями.
Результаты тестирования
Где Iout — выходной ток устройства; Vout — измеренное напряжение на потребителе; Vout c — напряжение на выходе устройства, с учетом падения на проводе; Iin — потребляемый ток; Pout — выходная мощность; Pt — мощность тепловых потерь в устройстве; n — КПД; Vp-p on, off, noise — размах напряжения при включении, выключении и работе соответственно; F noise — частота помехи.
В ячейках тестов проставлены оценки буквами. Буквы — это классы функционального статуса (ISO 16750-1 п.6):
- Класс А. Все функции устройства работают штатно во время и после теста.
- Класс B. Все функции устройства работают штатно во время теста. Однако, одна или более выходит за пределы указанного допуска. После окончания теста устройство автоматически вернулось к нормальной работе. Функции памяти по классу А.
- Класс C. Одна и более функций устройства не работает как положено во время теста, после окончания теста устройство автоматически вернулось к нормальной работе.
- Класс D. Одна и более функций устройства не работает как положено во время теста, после окончания теста устройство не вернулось к нормальной работе, пока не перезапущено пользователем.
- Класс E. Одна и более функций устройства не работает как положено во время теста, после окончания теста устройство не вернуть к нормальной работе без ремонта или замены устройства/системы.
Анализ результатов
Честно говоря, ожидал гораздо худших результатов, возгораний и дымовых завес, даже камеру поставил, чтобы всё зафиксировать, но красивых возгораний не было.
По результатам тестирования все ЗУ выдали номинальный ток, некоторые устройства готовы давать больше, чем написано. Только два ЗУ (Belkin и мой) ограничивают ток по портам USB, у остальных порты по 5В запараллелены, ограничением занимается только источник. Заявления на упаковках про ток на портах имеют рекламный характер. Многие производители дают возможность любителям Apple заряжать свои устройства, в основном с помощью резисторов.
КПД устройств от 82% до 90% — вполне прилично, но у устройств малого размера с большим током длительная работа не гарантирована. В дальней поездке Ginzzu периодически надо будет остужать.
Некоторые зарядки дают сильную помеху в сеть (до 7.2 В), что может негативно сказываться на качестве аудио, приеме радио.
Только одно устройство из покупных (Gerffins) оказалось устойчивым к отрицательному напряжению. Причем, некоторые из погорельцев перед смертью выдавали в USB отрицательное напряжение (измерялось только до -3 В, т.к. срабатывала защита источника питания). Кто-то заметит, что при переполюсовке батареи в машине выгорят гораздо более ценные вещи (должны сгореть только предохранители), а происходит это крайне редко у крайне криворуких людей. Но. В стандарте есть ещё импульсы №1(-150 В, длительность 2 мс, группа импульсов), №3(-220 В, длительность 15 нс, группа импульсов), которые возникают и без переполюсовки батареи.
Что делать
Если про схемотехнику — ставить диод, фильтр, предохранитель, супрессор. Я вместо диода поставил электронный ключ от TI LM5060, получив высокую себестоимость и хороший КПД. Теоретически, можно и предохранитель с ним не ставить.
Производители пишут что делать:
- Vishay appnote Selecting Automotive Power Line Polarity Protection Diodes
- ST AN3361 Schottky diode avalanche performance in automotive applications
- ST AN2689Protection of automotive electronics from electrical hazards, guidelines for design and component selection
- Littlefuse Automotive Circuit Protection using Littelfuse Automotive TVS Diodes
Сами стандарты ISO как бы платные, но найти можно. В этих аппнотах есть краткое описание всех импульсов. Питание устройств в автомобиле имеет свою специфику, но ничего сложного по сравнению, скажем, с судовым питанием, нет. Главное — помнить, что там не 12В.
Заключение
Не все автомобильные зарядки одинаково полезны. Некоторые даже могут вызвать пожар (хотя, может, это Honda виновата).
Устройства, продающиеся для использования в жестких условиях, не подлежат обязательной сертификации на территории РФ. Среди купленных устройств только одно выдерживает тесты, все остальные сгорели.
P.S. Спасибо компании Keysight за предоставленное во временное пользование оборудование и разъяснения. Хорошие анализаторы и осциллограф, надеюсь, софт потом подтянут. Очень порадовала возможность всё это хозяйство синхронизировать и управлять с одного рабочего места по сети. Спасибо dimonfofr за сборку эквивалента сети и помощь по тестированию.
P.P.S. Обращайте внимание на инструкции к ЗУ — там много веселого. Pockets рекомендует выключить мобильный телефон перед зарядкой, Stark — отключать зарядку во время пуска двигателя, Deppa может синхронизировать ваше устройство с компьютером, Phantom рекомендует держать разъем прикуривателя чистым.
Держите ваши разъемы чистыми и не суйте туда что попало.
Комментарии (34)
ck80
25.01.2016 12:30+1Теперь вам сделать его компактным и в серию, яб купил.
urx
25.01.2016 12:41+1тут каждому свое :) я бы вообще купил одну плату, без корпуса. и встроил бы ее в пепельницу. ибо один хрен не курю, а так от нее хоть польза будет :)
Ioanlarionov
26.01.2016 18:26Интересно, сколько будет желающих при цене 50$. По размеру можно сделать как визитка 10 мм толщиной.
Текущий вариант платы имеет отверстия для крепления в кастомный конструктив, urx, так что приезжай, бери.
zenhower
25.01.2016 12:38Как далеко вы зашли! Моё вам «спасибо» за статью.
В моих тестах зарядные горели до обращения к стандартам, просто при попытке получить заявленный ток.
И на счёт влияния на радиоэфир. На удивление, но есть такое даже у брендовых.
Правда, влияние очень индивидуальное. Одна магнитола глушится, другая работает.
gleb_l
25.01.2016 12:57+3О, на Вашей плате читается логотип, по которому в поисковике легко находится фирма-разработчик электроники с удачным названием. Наверное, каждый начинающий радиолюбитель в детстве спрашивал, увидев в первый раз трехполюсник — а куда третий вывод девать? ;)
iDoka
25.01.2016 15:42+3Для меня фраза «автомобильная зарядка» — это зарядка для 12-вольтовой свинцово-кислотной батареи.
Не придираюсь, но прочитав заголовок, был удивлён что такое здесь публикуют. :)
VioletGiraffe
25.01.2016 17:01Спасибо за ссылки на стандарты. Мне как раз нужно сделать для бортовой сети банальный ключ на полевых транзисторах, и я изобретаю велосипед, пытаясь его защитить. Развлечение то ещё — такое впечатление, что ни один полупроводниковый прибор в таких условиях не выживет. Не прямой, так обратной полярности скачок напряжения своё дело сделает.
gleb_l
25.01.2016 21:06Что-то мне подсказывает, что у производителей компонентов для автомобильной электроники и штатных электронных блоков автомобилей все не так заморочено со стандартами, хотя это должно быть странно.
У IRF например куча мощных полевиков для automotive-применений — они с солидным запасом по Iс, но Uси max там ЕМНИП не превышает 40 вольт. В электронных автомобильных блоках ЭСУД итд обычно ставят суппрессор на вход — и все. На цепи, управляемые полевиками по минусу, обычно вообще ничего не ставят (ну, максимум, RC-цепь) — то есть всплеск в общем плюсовом проводе легко превысит Uси для управляемых нагрузкой ключей.
Для мелких изделий, типа MOSFET-реле, вроде тоже ничего специально не ставят. В частности, у меня есть в разобранном виде электронное реле свечей накала от дизельного двигателя Хундая (штатное, заметьте!) — так там защита коммутирующих полевиков от перенапряжения ЕМНИП вообще отсутствует, от переполюсовки — тоже (ну это понять еще можно), схем помехоподавления — никаких, да и вообще схемотехника странноватая (4 p-канала в параллель на радиаторе вместо n- с управлением вольтодобавкой) — и это при 50-75А рабочего тока!
То есть общий вывод такой, что на самом деле можно особо не заморачиваться :) В реальной системе обычное электромагнитное реле быстрее откажет, чем полевик вылетит, если на работающем моторе клемму с аккумулятора не снимать, или чужое авто не прикуривать.Ioanlarionov
26.01.2016 18:24Может, данный пример не совсем корректен, потому что свеча в нагрузке не сгорит от короткого перенапряжения и тока в обратную сторону.
gleb_l
26.01.2016 21:48Свечи не сгорят — их защитит пердохранитель. А вот полевики в самом реле — да. Это если снять клемму на работающем двигателе или переполюсовать при прикуривании. И вместе с ним скорее всего сгорит диодный мост и регулятор напряжения (если есть) в генераторе, магнитола, приборная панель и добрая половина (а то и все) контроллеры — двигателя, АКПП, body.
То есть получается, что большого практического смысла (если опускать формальное соответствие спецификации) в защите 10-долларового гаджета по ISO-xyz нет — так как в случае «прямого попадания» это будет эквивалентно ситуации «наручные часы целы, но командир убит». Но это нисколько не умаляет Ваших усилий — все подход, исполнение и подача материала просто отличные. Читается на одном дыхании.
VioletGiraffe
28.01.2016 12:09ЭБУ и другие системы управления, критичные для работоспособности автомобиля, точно защищены. Находил статьи об этом. Правда, без конкретных схем защиты, к сожалению.
JerleShannara
29.01.2016 18:25Вот вам пример специализированного ключа (посути дела пары дарлингтона) автомобильного — BIP373. Специализированность в том, что оно сделано только под управления катушками зажигания. И практика показала, что с этим транзистором быстрее катушка расплавится, чем он сдохнет.
kochkines
28.01.2016 11:57Для таких целей Infineon, и многие другие производители, выпускают интеллектуальные ключи(Smart Switch) с встроенными защитами и обратной связью.
JerleShannara
25.01.2016 19:34О, огромное спасибо за ценную статью, теперь будет куда ткнуть носом утверждателей «В аффтамабиле 12 вольт, ну ладно, 14.7 маскимум». Я при заморочках с разработкой просто ставил для себя требование — 1 секунда при 200в это норма, переполюсовка тоже (правда это дело я обходил именно диодом (параллельно питанию, чтобы сгорел и закоротил всё)).
Ioanlarionov
25.01.2016 20:21Некислый у вас запас! Последовательно диод должен лучше помогать от переполюсовки. Ведь при группе коротких отрицательных импульсов у вас есть шанс пожечь предохранитель(если вы его ставили).
JerleShannara
26.01.2016 01:21Ставил, я без предохранителей себе слабо представляю готовое устройство. А запас такой поскольку если сдохнет навигатор и провоняет салон — это одно, а если сдохнет какой-либо мозг — может случиться большая жпп.
Zolg
26.01.2016 11:03Для желающих повторения: самую сложную часть зарядки — DC-DC преобразователь можно в готовом виде купить у китайцев. Весьма качественный, с ЗАПАСОМ по мощности (50W), стоит $15. Забросить его за торпеду, обвязку (супрессор, предохранитель, коллечки ферритовые) и разводку по салону — по вкусу.
Ioanlarionov
26.01.2016 18:36Я думал, статья наведет на мысль, что сделать понижающий преобразователь-незначительная часть работы при создании хорошего автомобильного источника. По мощности ни у одной зарядки проблем не выявлено, а ваши 50 Вт надо ещё довести от «за торпеду» до мест использования. Надо помнить, что при напряжении 5 В речь идет о 10 А, и даже сочный провод даст заметное падение напряжения. Кроме того, я бы не советовал в вибро-нагруженном автомобильном салоне кидать что-либо «за торпеду». Советую сделать надежное крепление, продуманный теплоотвод.
Zolg
26.01.2016 19:43Не первый год пользуюсь данным решением. «Забросить за торпеду» — в смысле скрыть от глаз. С охлаждением проблем никаких: корпус преобразователя — алюминевый радиатор в добавок привинчен к металлу автомобиля. Нагрев был замечен только при нагрузочном тестировании. При реальной эксплуатации не греется вообще. 50W — в первую очередь запас прочности (возможно — избыточный) самого преобразователя. 10А с одного USB порта в принципе понадобиться не может. И (в отличие от USB шнурков) при прокладке скрытой проводки вас никто в сечении провода не ограничивает. Зато USB порты будут именно там где нужно, а не там, где удобней разместить зарядку. Хуже того: собственно USB портом я пользуюсь очень редко, для зарядки планшета/пауэрбанка. Регистратор и крэдл с Qi зарядкой подключены стационарно без проводов, струящихся по салону.
Ioanlarionov
26.01.2016 20:03Рад, что у вас все получилось сделать как надо. Запас мощности у источников, как правило, плох тем, что на малых % мощности от номинала хуже КПД. Защиту не забыли?
Zolg
26.01.2016 20:13В данном случае КПД преобразователя имеет практическое значение только с точки зрения нагрева конструкции. Она не греется, так что на конкретные цифры — пофиг.
Zolg
26.01.2016 21:07Честно — из защиты только предохранители (обычные, автомобильные, флажковые) на входе и на выходе. остальное считаю излишним: автомобиль стандарты читать не умеет и бОльшая часть ужасов, в них описанных, электросети автомобиля неведомо. С остальной частью электроника справляется и без защит: не скажу за авто, но в схемотехнике штатных узлов современных мотоциклов никаких заморочек по этому поводу я не встречал.
Вы не подумайте неправильно: мой внутренний перфекционист восхищен тщательностью вашего подхода.
Но внутренний практик говорит, что он гораздо более избыточен, чем запас мощности 10A конвертера.
urx
26.01.2016 18:43Раскройте, пожалуйста, тему насчет его весьма качественности: в чем она выражается?
ElvinFox
27.01.2016 20:03+1Интересно, спасибо
Жаль что нет картинок с осцилографа как тут www.righto.com/2012/10/a-dozen-usb-chargers-in-lab-apple-is.html
Очень интересно было посмотреть на работу Ginzzu, так как у самого имеется похожий и от него Samsung Tab 8.4 заряжается лишь в 20% случаях…
Ioanlarionov
27.01.2016 20:14Было два Ginzuu:
kibergus
27.01.2016 22:56Ioanlarionov, огромное спасибо за статью. Я думал, что у меня антенна от магнитолы отошла и поэтому радио стало плохо ловиться. А оказывается это адвокамовский блок питания так фонит.
urx
Спасибо, очень познавательно.