Тест 10 автомобильных зарядок по стандартам ISO

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.

Зачем нужна собственная зарядка

Кто-то спросит: «А зачем разрабатывать собственную зарядку, если полно готовых устройств?». Как и многие автолюбители, в машине я пользуюсь несколькими дополнительными устройствами, для которых не предусмотрено штатное питание. Сложившаяся ситуация на рынке источников питания для автомобиля — использование разъема прикуривателя для всего на свете. В итоге — провода по всему салону, непонятно, включен регистратор или нет... Наверное, для большинства пользователей это удобно, но не для меня. Внезапно захотелось иметь розетки USB, чтобы любое устройство заряжалось быстро как дома, чтобы в прикуривателе ничего не торчало и не мешало закрыть шторку около селектора АКПП. Захотелось, чтобы регистратор просто включался и работал во время движения, а задние пассажиры не ломали ногами его адаптер. Ничего готового, к счастью, не нашлось — и вот я уже рисую схему!

​Список тестируемых устройств

1. Gerffins CC02
2. Samsung Сar adapter
3. Phantom PH2163
4. Deppa Ultra duo
5. Ginzzu GA-4415UW
6. Stark CC2USBSTWH
7. GAL UC-1127M
8. Ginzzu GA-4015UB
9. Pockets SPECHR-011
10. Belkin RoadRockstar
11. Мой 4USB

Тестирование

При проведении испытаний я старался следовать рекомендациям двух стандартов:

1. ISO 16750-2, Road vehicles — Environmental conditions and testing for electrical and electronic equipment — Part 2: Electrical loads 
2. 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:

1. Voltage transient emissions test
   
2. Transient immunity test
   

Описание тестирования

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:

1. Осциллограф (Keysight MSO-X 3104T 1GHz)
2. Пробник осциллографа
3. Эквивалент сети (самодельный, см. ниже)
4. Тестируемое устройство (источник помех)
5. Заземленная поверхность(металлический лист серый)
6. Источник питания (Keysight DC power analyser N6705B)
7. 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 mΩ;
C = 0,1 μF на напряжение 200 В a.c. and 1500 В d.c.;
R = 50 Ω.

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:

1. Осциллограф (внутренний осциллограф у Keysight N7973A)
2. Пробник осциллографа (в нашей конфигурации отсутствует)
3. Генератор тестовых импульсов (Keysight N7973A 60V 33A)
4. Тестируемое устройство
5. Заземленная поверхность(металлический лист серый)
6. Заземление
7. Опциональный резистор (в нашей конфигурации отсутствует)
8. 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.

Какие они внутри

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.

Почему класс C зеленый, а B - желтый?

Мы можем закрыть глаза на требование стандарта сохранять полную или частичную работоспособность во время теста, ведь для зарядки важно не сгореть и не пожечь заряжаемые устройства. Класс A и C считаю лучше класса B — либо делаем как положено, либо ничего не заряжаем.

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.

Почему разработчики не ставят диод?

Думаю, тут сошлись три проблемы: КПД, нехватка места и себестоимость. Кроме того, многие микросхемы позволяют работать с повышенным напряжением (34063A имеет максимальное напряжение на входе 40В), а входной конденсатор может сглаживать часть помех. КПД с диодом будет хуже (допустим, — 10%), что для ЗУ, помещающихся в разъем прикуривателя, чревато перегревом (от 3-амперного Ginzzu ждал, что перегреется и сгорит под номинальным током, через час он начал сбрасываться, разогревшись очень сильно, но не сгорел). Для многопортовых ЗУ диод будет рассеивать очень много — у belkin при мощности на выходе 36Вт, общие тепловые потери будут около 10Вт, а сейчас только 4Вт. Если поставить транзисторную защиту — дорого.

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.