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作者：意法半導體Romeo Letor, Francesco Giuffre’, Alessio Brighina 摘要：汽車系統的成本優化和可靠性設計需要對功率電子器件進行復雜的測評。TWISTER是意法半導體開發的一款仿真器，能夠精確地預測采用意法半導體智能功率技術的功率電路的特性，并支持電熱特性混合式評測模型。Twister開發工具能夠有效縮短研發周期，因為它能夠執行重復性任務，例如，負載兼容性、布線優化、故障狀況再現、診斷行為、動靜態熱性能評測、工藝角參數評測等。 前言 汽車系統控制模塊包括各種精挑細選的固態繼電器，以便評測系統相對于指定負載、任務剖面和邊界條件的運行可靠性。 意法半導體的汽車固態繼電器是一個智能電源開關，主要是采用M0TM 技術研制，額定負載驅動能力為0.1安培至數十安培。過載和短路容錯功能采用限流和限制功率方法，以集成電路形式實現。這些功能的設計意圖是保證汽車系統的任務剖面，避免故障檢測發生錯誤，同時防止短路和過載沖擊驅動器和線束。在瞬變條件下(燈泡接通涌流、電機起動電流等…)，防護功能可能會降低負載性能。因此，評測帶負載的驅動器功能是十分必要的。此外，要設定軟件的故障處理性能，需要對診斷行為進行全面分析。 最后，智能功率執行器，例如，智能保險，本身就具有電流-時間曲線特性，要想優化線徑，就必須測試這類器件。 功率芯片的參數，例如，工藝角參數、極限邊界條件和負載參數，以及最惡劣條件，都是設計時需考慮的因素。在臺架實驗中，需要很長時間才能等到最惡劣條件重現，獲得多個工藝角批次芯片。 TWISTER是意法半導體開發的一個仿真器，能夠為開發人員提供精確的M0-5/M0-5E、M06、M07高邊驅動器、Omnifets、H橋產品和最常用汽車負載的行為模型，對帶負載的驅動器進行完整的系統級仿真。為展示該開發工具的功能和特性，本文將簡要介紹智能驅動器的特性，并給出幾個車身驅動器的評估實測。 1. M0TM 智能固態繼電器 高邊驅動器 (HSD)、低邊驅動器(LSD)和智能開關是為惡劣的汽車工作環境設計的半導體器件，能夠承受所有的可能發生的故障狀況，例如，短路或過載現象。同時，行業法規要求必須測試當錯誤、短暫故障和/或電磁干擾導致繼電器關斷時是否為零風險。評測結果必須符合汽車產品標準。智能開關的保護策略可能影響負載性能，因此，產品選型不僅考慮開關在穩態時的行為，還要考慮其在保護電路激活時的瞬間行為表現。 1.1. 短路保護 兩級限流功能和一個功率限制功能確保開關在短路和過載條件下可靠工作，達到AEC-Q100-012汽車產品質量標準： • 選擇限流參數高值(ILimH)，以符合目標負載的涌流限制，同時，還應避免在涌流或短路期間電流密度過大，導致在功率MOSFET源極金屬層上引起電遷移。 • 限流低值(ILimL) 約是IlimH的30%，當短路持續存在時，激活限流低值機制，以終止電遷移效應。 • 功率限制功能用于限制短路或過載期間的最大平均功率，避免開關金屬層溫度瞬間驟變超過60K。快速熱瞬變可能在焊點和源極金屬層上引起熱機械應力。為確保汽車任務剖面，最大60K的 TJ熱變是意法半導體可靠性設計原則。 1.2. 負載兼容性 限流和功率限制功能可導致車燈開啟延遲，多數車企能夠接受在最惡劣情況下車燈開啟延遲最長10ms的方案，評測最惡劣情況需要使用工藝角批次參數。涉及的主要參數包括限流最小值(ILimH min)、在TFILAMENT=-40oC時的燈泡涌流最大值。 當驅動電機、阻性負載和感性負載時，需要給予類似的考慮。這些負載的涌流很大，可能使用短驅動脈沖，所以需要檢測驅動器的尺寸，主要是在瞬變條件下。 1.3. 電流-時間曲線 短路和過載的反應時間與短路電阻是函數關系。為什么保護策略要采用限流和限溫兩種策略呢？因為反應時間不僅受到芯片參數離散的影響，還受到溫度邊界條件的影響(見圖1)。 
圖1: 電流-時間曲線與短路電阻是函數關系，紅色區域代表因芯片參數離散和溫度邊界條件而引起的所有的可能的變化。 2. TWISTER概述 圖2所示是Twister圖形用戶界面的主窗口。直接點擊相應的圖標即可選擇并設置電源電壓、線束、汽車負載和控制輸入。每個輸入輸出值都可選擇，并繪制成可縮放的圖形。數據導出功能支持多種文件格式。下面是該仿真環境的主要功能： • 選擇功率芯片和相關參數(見圖4) • 設置 PCB散熱系統溫度(見圖4) • 設置電池電壓 • 設置電池極性接反電壓 • 設置輸入電壓 • 設置環境溫度 • 選擇負載 (R, RC, RL/電流/功率分布圖、直流電機、12V & 24車燈) • 設置仿真時間 • 繪制與電和溫度相關的所有輸入輸出變量曲線圖 • 評測相對于負載阻抗的電流-時間曲線
圖2: Twister主窗口: 點擊芯片圖片，即可打開芯片、負載、輸入、Vbat電壓選擇菜單 3. 負載兼容性評測示例 本示例測試一個驅動10W轉向燈的140m 高邊驅動器VNx7140Ax，在所有最惡劣情況下，測評必須滿足下列條件： 結溫 < 熱關斷閾值 1) 導通< 10ms時的功率限制時長 圖3所示是評測電路連接配置圖，而圖4是芯片選型窗口，用戶可在這里設置最惡劣條件下的芯片參數和邊界條件。 當環境溫度是規定的最高溫度時，如果熱關斷閾值和ILimH 限流參數高值均最低的工藝角批次芯片導通，就會發生結溫達到熱關斷值的重大風險(見圖5) .
圖3: MO-7VNx7140Ax 轉向燈高邊驅動器最惡劣情況評測電路連接配置示例.
圖4: 芯片選型菜單中最惡劣條件評測參數設置 在導通時引起最長功率限制時間的最惡劣條件有兩個特征：環境溫度= -40oC，產品數據手冊中的最小 ILimH值。燈泡涌流在-40oC時最高。兩個并聯的H6W 燈泡的涌流可達到15A。這個參數結合ILimH=8A將在導通時產生最長功率限制時間, 結果車燈開啟時間被延遲。如圖6所示，在最惡劣條件下，VNx7140AX功率限制時間在3ms(3ms << 10ms)范圍內。 圖7所示是在Twister上進行最惡劣條件評測的全部評測結果。如果需要，用戶可向意法半導體車身產品部索取給定情況的概率評測靜態數據。
圖 5: TAMB=105oC時的VNX7140AX行為。在TTSD=167oC和ILimH=8A時發生熱關斷 (根據產品銷售數據，概率 < 0.1ppm)
圖 6: VNX7140AX驅動2支H6W轉向燈的IOUT& TJ 仿真曲線（ILimH=8A， TAMB=-40oC）。 4. 保護分析和線徑優化 圖8中的紅色曲線代表20m MO-7高邊驅動器VND720AJ反應時間測試數據。將這條在Twister中取得的曲線導出后并另存為Excel表格文件，然后，將其分別與21W+21W+5W車燈和線徑0.5 mm2 銅導線的電流-時間曲線對比（見圖8）。這個分析的目的是檢查負載、驅動器和線束之間層級是否正確。這里必須說明的是，在沒有外部器件幫助的條件下，高邊驅動器的 IRMS電流始終低于線徑0.5 mm2 銅導線上的最大IRMS電流，因此，在任何情況下，該芯片都能保護線束。此外，還可以通過軟件交互進一步控制電流，實現t>1s的延遲（圖8中的虛線）。在這種情況下，通過微控制器控制，該芯片可以保護線徑0.35mm2 的銅線。
圖 7: VNX7140AX重啟后熱保護評測。注：M0-7高邊驅動器還能設成鎖保護模式，當TJ 達到 TTSD時，芯片將被鎖保護。
圖 8: VND7020AJ M0-7固態繼電器和燈泡及線徑的電流時間曲線比較 5. 結論 Twister是一個獨立的好用的功率芯片仿真器，準許用戶查看所有可能的邊界條件和芯片參數對設計的影響；熱電混合仿真準許用戶評測MOTM驅動器在最惡劣條件下的性能表現。此外，Twister還準許用戶利用目標保護策略計算并優化線徑。 |
