Load Dump 深度 — ISO 16750-2 §4.6.4 Test A/B 79–101V

抛负载的完整图景是「一个事件、两条波形、三级抑制」:同一次电池脱开,发电机端有没有集中抑制,决定了母线是裸冲 79–101V(Test A)还是被钳到 ≈35V(Test B),而这又决定模块端 TVS 要吞多少能量。下图把两条波形 + 抑制方案一次说清:

3 个观察:

• 上升 tr ≈ 10ms(+0/−5) + 持续 td 40–400ms + 下降 ~50ms,且新标准要求 10 个脉冲、间隔 1 分钟(旧 ISO 7637-2:2004 只有单脉冲)
• Test A 无抑制:峰值 79–101V,钳位器件实吸数百 J;Test B 抑制后源头 ≈35V,模块端压力大减
• 3 级抑制里 专用 load-dump TVS + SBC 40V 耐压窗口 是 12V ECU 标配;集中式(发电机雪崩整流二极管)属整车级,EV 无 alternator 不适用

抛负载不是「电压凭空升高」,而是发电机励磁磁场的储能在负载突然消失时无处释放。理解这条因果链,才能解释为什么它同时具备「高电压 + 低源阻抗 + 长持续」三个最难缠的属性:

• 燃油车场景:alternator 正给 12V 电池充电(输出大电流),电池因线缆脱落 / 失效 / 接触器跳开而突然断开
• 电压来源:定子输出电流被切断,但转子励磁绕组的电流不能瞬变($L\cdot di/dt$),磁通仍在,感应电压失去电池这个「大电容」钳制 → 母线电压冲高
• 持续时间:电压调节器(regulator)检测到过压后压低励磁电流,但励磁回路时间常数 $Lfield/Rfield$ 达数百 ms,所以电压要 40–400ms 才衰减回来
• 能量来源:转子旋转惯性 + 励磁 / 定子电感储能,数量级在数百 J,远超开关拉弧类瞬态(毫焦级)

这三点决定了抛负载是全瞬态谱里最严酷的:电压高(~100V)不算最狠,低源阻抗($Ri$ 低到 0.5Ω)+ 长持续(400ms)让能量高出开关瞬态约 1000 倍。

选参数前必须先搞清版本归属,否则会用错电平。一个常见错误是把抛负载叫「ISO 7637-2 Pulse 5b」——那是 2004 版及更早的历史归属。ISO 7637-2:2011 第 3 版 Foreword 明确移除了 Pulse 4、5a、5b,把它们连同电源质量类慢瞬态一起挪进 ISO 16750-2 §4.6.4 与 ISO 21848(24V 系统);现行 ISO 7637-2 只剩 Pulse 1/2a/2b/3a/3b。ISO 16750-2 把抛负载分成两个测试:

• Test A(无抑制):整个浪涌能量全落在被测 ECU 的入口保护上,是最狠的情况,模块端必须独自吞下数百 J。
• Test B(有抑制):现代交流发电机整流桥用雪崩(avalanche)二极管,有明确反向击穿电压,把源头钳到 Us* = 27 / 30 / 32 / 35V 四档严酷度(由 OEM 约定选档,如 VW 80000 锁 27V);常被概括为「≈35V」。到达 ECU 的只是残余准过压,本地保护压力大减。
• 升沿参数:12V 系统 tr = 10ms(+0/−5),24V 系统 td = 100–350ms、Us = 151–202V、Ri = 1–8Ω(见 24V 商用车)。
• 历史电平:ISO 7637-2:2004 的 Pulse 5a/5b 是 Us = 65–87V;2010/2011 移入 ISO 16750-2 后无抑制上限提到 101V——所以「87V」是过时数字,别再用它做设计。

这个 Test A/B 之分是架构级决策:整车电气架构保证集中抑制(Test B,母线 ≤35V),每个 ECU 只需小 TVS 或靠 40V 工艺器件的耐压裕量;不保证(Test A),每个 ECU 都得独立吞上百 J → 用 kW 级专用 TVS 或有源 surge-stopper。责任划分(整车 vs 模块)必须在系统设计早期定死,它决定几十个 ECU 各自的 BOM 成本。

抛负载能量核算是选器件的地基,也是最容易算错的一步。能量不由 ECU 输入电阻反推,而由源($Us$、$Ri$、$td$)加钳位器件决定。等效电路是一个带源阻抗 $Ri$ 的电压源 $Us$,钳位器件(TVS)把节点钳在 $Vc$,则流过 TVS 的峰值电流与吸收能量为:

代入 Test A 一个中等偏严工况:$Us=101$V、$Ri=2\Omega$、$td=400$ms、TVS 工况钳位 $Vc\approx 35$V:

• 峰值电流 $Ipk=(101-35)/2=33$ A
• 峰值吸收功率 $P=Vc\cdot Ipk=35\times 33\approx 1155$ W,须持续数百 ms
• 矩形上界能量 $E=35\times 33\times 0.4\approx 462$ J;真实指数衰减波形约取 0.5–0.7 倍 → ≈ 230–320 J

这就是数百 J这个量级——它是全瞬态谱最严的,比开关拉弧(Pulse 3,毫焦级)高约 1000 倍。原页「$E=\Delta V^{2}t/R=23^2\times 0.4/10=21$J」把 ECU 当成 10Ω 电阻负载去算,既错在物理模型(能量由源而非负载定)、又错在量级(低约 10 倍)。「4–50 J」只是集中抑制后(Test B)的残余能量、或普通 TVS 的器件额定,绝不是 Test A 无抑制的真实值(与 ISO 16750-2 页 §4 算例 228J、输入瞬态防护页 §6.2 矩形上界 214–1092J 一致)。

TVS 是抛负载第一道防线,但选型的核心陷阱是不能用短波形额定横比长波形。抛负载是 40–400ms 的慢浪涌,限制因素不是瞬时功率而是结温 $Tj$ 累积,所以要按数据手册「峰值电流 vs 脉宽」曲线定能力,并按 10 脉冲退化行选,不能只看 3kW / 6.6kW 的 $PPP$ 峰值标称(那是 10/1000µs 基准)。

原页把 SBC 描述成「输入级 Zener + MOS 内置钳位、自动把母线钳到 36V、独吞 load dump」——这不成立。车规 SBC 的真实关系是:它的 VSUP 绝对最大额定约 40V,靠外部 TVS / surge-stopper 把 79–101V 钳到 40V 以下才能活,SBC 自身不吸收数百 J。SBC 提供的是「最后一档耐压 + 输入滤波 + slew-rate 限制」,不是主吸收器件。

三颗主流安全 SBC 的绝对最大额定都卡在 ~40V——这不是巧合,而是「26–28V jump-start 下沿 + 40V absmax 上沿」这个钳位窗口反过来定义了工艺。注意:原页表里的 ST L9788 是 4 缸发动机管理 IC(工作 4.8–18V),不是抛负载 SBC,「Vmax 50V / clamp 38V」是虚构参数,已删除。少数 SBC(或配套 protection IC)集成外部 FET 驱动做有源钳位,但那仍是「SBC 驱动外部功率管」,不是硅内部吞能量。完整的 SBC 电源架构见 SBC 概览 与 NXP FS65 安全 SBC。

「EV 无 alternator 所以不用管 load dump」是危险的误解。EV 的抛负载来源变了但没消失,OEM 规范也不放宽。5 个差异:

抛负载设计的坑几乎都来自「用错标准版本 / 用错波形额定 / 误判谁吸收能量」。7 个最常见的:

• 把 load dump 当 ISO 7637-2 Pulse 5b:2011 起 5a/5b 已移入 ISO 16750-2 §4.6.4,用旧 87V 单脉冲参数会漏掉「10 脉冲 / 1min 间隔」的热累积门槛,且低估电平(现 101V)
• 用 µs 波形额定选 load-dump TVS:8/20µs、10/1000µs 的峰值功率 / 电流不能横比 40–400ms 长波形;必须查「峰值电流 vs 脉宽」曲线对应脉宽点、按 10 脉冲退化行选。3kW 标称的 SMDJ 在 400ms 下秒烧
• 能量拿 ECU 电阻或 ½CV² 反推:能量由源($Us$、$Ri$、$td$)+ 钳位器件定,$E\approx Vc\cdot Ipk\cdot td$,不是拿输入电阻 10Ω 算(原页 21J 错约 10 倍)
• 以为 SBC「内置钳位」独吞 load dump:SBC VSUP absmax ~40V,靠外部 TVS 把 79–101V 钳到 <40V 才活;MC33907 datasheet 明写 Us=87V 需外部钳到 40V + CBAT ≥44µF
• standoff 卡在 16V:12V 母线准直流上沿是 jump-start 26V/60s 而非 13.5V;$Vrwm$ 卡 16V 会在 jump-start 漏电发热,须 ≥26–28V
• EV 无 alternator 就免测:DC-DC 输出突变仍产生类 load dump 尖峰,OEM 按 ISO 16750-2 统一测,不能降级
• Test A/B 责任划分拖到模块层才定:整车集中抑制(Test B ≤35V)还是模块自吞(Test A 79–101V)是系统架构决策,决定几十个 ECU 的 TVS BOM,必须早期锁死

主流 12V Test A/B 之外,有三类边界工况会推翻常规选型,做多电压平台 / 宽温项目时必须单独核:

• 24V 商用车:Test A Us = 151–202V、Ri = 1–8Ω、td = 100–350ms ×10;Test B 抑制后 Us* 客户约定、典型 58V ×5(ISO 16750-2:2023 Table 14)。⚠ 24V 系统无 jump-start 试验(仅 12V 有),standoff 下沿由 36V/60min 过压档定而非跳线启动。选真 load-dump TVS Vishay SM8S36A($Vrwm=36$V、$Vbr=40$–$44.2$V、$Vc\le 58.1$V,6.6kW 级),Vishay AN 87003 实测最狠点 202V/3.5Ω/350ms 钳 56.7V @ 42.6A(能量上界 ~630J,约 12V Test A 的 3 倍)。此时单颗 40/60V 窗口 TVS 无解(58V 钳位已顶到 60V absmax),须换 100V 工艺器件(如 LM5146-Q1)或靠集中抑制把源头压下——完整 24V worked design 见 24V 商用车
• 48V mild hybrid(LV148):48V 系统 load dump 尖峰 ~70–100V+,能量比 12V 更高,须按 48V 平台的器件档位与 LV148 严酷度重选,不能套 12V 结论
• 冷态 vs 热态钳位漂移:TVS 雪崩 $Vc$ 是正温度系数,−40°C→+125°C 温度循环叠加 load dump 时 $Vc$ 上抬,worst-case 要按热态 $Vc$ 反选 absmax 裕量(40V 工艺配冷钳 35V、45V 工艺配冷钳 43V);10 脉冲间 1 分钟必须让 $Tj$ 降回,否则退化叠加顶穿

抛负载是 ECU 鲁棒性的硬考题,ASIL D 项目的验证不止「过一次波形」,而要覆盖热态、重复与功能保持。5 项:

• ISO 16750-2 Test A/B — Us 79–101V(Test A)/ 抑制到 27–35V(Test B),10 脉冲(Test A)/ 5 脉冲(Test B)@1min,ECU 不损坏 + 功能等级 ≥C
• LV 124 电气瞬态项 — 德系整车厂联盟项目必跑(与 ISO 16750-2 Test A/B 对齐,具体 E-编号与严酷度见各 OEM 版 LV124 附录)
• 温度循环 + load dump — −40°C / +25°C / +85°C 各跑,覆盖热态钳位漂移
• 重复 load dump — 按标准 10 脉冲 / 1min 间隔,验证 $Tj$ 累积退化不叠加顶穿
• ECU 输出验证 — load dump 期间 PWM / SafeState 状态保持,不误触发

国产化在抛负载抑制链上分两段落地,进度不均。据行业公开信息(非逐一 datasheet 核验):

• 国产 load-dump TVS:长晶科技、捷捷微电、士兰微等有 kW 级车规 TVS 系列,价格较进口低 20–30%,AEC-Q101 认证陆续跟上
• 国产安全 SBC:纳芯微(NOVOSENSE)、杰发科技(AutoChips)、核芯互联等起步布局 PMIC / SBC,部分支持 40V 车规工艺
• 短板:抑制能力上追近 Tier 1,但 AEC-Q100 全项认证、长期可靠性数据(尤其 10 脉冲热态退化实测)与 OEM 量产背书仍需积累。具体料号 / 电压档以厂商官网 datasheet 为准,别照抄进口对标料号

工程落地的 6 条经验,收口于一句话:抛负载考的是「专用器件 + 早期架构决策」,不是堆料。

• TVS 紧贴 Vbat 入口(走线 <5mm),大电流泄放回路面积最小,减小 $Lparas$ 振铃
• 按脉宽 + 10 脉冲选 TVS:先定 td 与脉冲数,再查「峰值电流 vs 脉宽」曲线,留 ≥30% 裕量;td=400ms 最坏工况直接上 SM8S 级
• standoff 卡 jump-start 上沿($Vrwm\ge 26$–28V),不是标称 13.5V
• 下游 SBC 按 40V absmax 选,配 CBAT ≥44µF(如 MC33907)限 slew,bulk cap 选 50V 高压款
• 热态反选:按 −40°C→+125°C 温度循环后的热态 $Vc$ 核 absmax 裕量
• 量产端 100% TVS hi-pot 测试,防批次不良

一句话:Load Dump 已归 ISO 16750-2 §4.6.4(Test A 无抑制 79–101V / Test B 抑制 ≈35V,10 脉冲 @1min),不再是 ISO 7637-2 Pulse 5b;Test A 无抑制时钳位器件要吞数百 J,必须用专用 load-dump TVS(SM5S24A→td=400ms 最坏工况升 SM8S24A)把母线钳到下游 SBC 的 40V 绝对最大额定之下;「µs 波形 TVS」「SBC 内置钳位独吞」「4–50J」都是过时或错误的说法,EV 项目也不放宽。