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使用意法半導(dǎo)體的TWISTER仿真軟件開發(fā)基于M0TM固態(tài)繼電器的汽車系統(tǒng)

發(fā)布時(shí)間:2015-4-29 10:09    發(fā)布者:eechina
作者:意法半導(dǎo)體Romeo Letor, Francesco Giuffre’, Alessio Brighina

摘要:汽車系統(tǒng)的成本優(yōu)化和可靠性設(shè)計(jì)需要對(duì)功率電子器件進(jìn)行復(fù)雜的測評(píng)。TWISTER是意法半導(dǎo)體開發(fā)的一款仿真器,能夠精確地預(yù)測采用意法半導(dǎo)體智能功率技術(shù)的功率電路的特性,并支持電熱特性混合式評(píng)測模型。Twister開發(fā)工具能夠有效縮短研發(fā)周期,因?yàn)樗軌驁?zhí)行重復(fù)性任務(wù),例如,負(fù)載兼容性、布線優(yōu)化、故障狀況再現(xiàn)、診斷行為、動(dòng)靜態(tài)熱性能評(píng)測、工藝角參數(shù)評(píng)測等。

前言

汽車系統(tǒng)控制模塊包括各種精挑細(xì)選的固態(tài)繼電器,以便評(píng)測系統(tǒng)相對(duì)于指定負(fù)載、任務(wù)剖面和邊界條件的運(yùn)行可靠性。  
意法半導(dǎo)體的汽車固態(tài)繼電器是一個(gè)智能電源開關(guān),主要是采用M0TM 技術(shù)研制,額定負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力為0.1安培至數(shù)十安培。過載和短路容錯(cuò)功能采用限流和限制功率方法,以集成電路形式實(shí)現(xiàn)。這些功能的設(shè)計(jì)意圖是保證汽車系統(tǒng)的任務(wù)剖面,避免故障檢測發(fā)生錯(cuò)誤,同時(shí)防止短路和過載沖擊驅(qū)動(dòng)器和線束。在瞬變條件下(燈泡接通涌流、電機(jī)起動(dòng)電流等…),防護(hù)功能可能會(huì)降低負(fù)載性能。因此,評(píng)測帶負(fù)載的驅(qū)動(dòng)器功能是十分必要的。此外,要設(shè)定軟件的故障處理性能,需要對(duì)診斷行為進(jìn)行全面分析。

最后,智能功率執(zhí)行器,例如,智能保險(xiǎn),本身就具有電流-時(shí)間曲線特性,要想優(yōu)化線徑,就必須測試這類器件。

功率芯片的參數(shù),例如,工藝角參數(shù)、極限邊界條件和負(fù)載參數(shù),以及最惡劣條件,都是設(shè)計(jì)時(shí)需考慮的因素。在臺(tái)架實(shí)驗(yàn)中,需要很長時(shí)間才能等到最惡劣條件重現(xiàn),獲得多個(gè)工藝角批次芯片。

TWISTER是意法半導(dǎo)體開發(fā)的一個(gè)仿真器,能夠?yàn)殚_發(fā)人員提供精確的M0-5/M0-5E、M06、M07高邊驅(qū)動(dòng)器、Omnifets、H橋產(chǎn)品和最常用汽車負(fù)載的行為模型,對(duì)帶負(fù)載的驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行完整的系統(tǒng)級(jí)仿真。為展示該開發(fā)工具的功能和特性,本文將簡要介紹智能驅(qū)動(dòng)器的特性,并給出幾個(gè)車身驅(qū)動(dòng)器的評(píng)估實(shí)測。

1.    M0TM   智能固態(tài)繼電器

高邊驅(qū)動(dòng)器 (HSD)、低邊驅(qū)動(dòng)器(LSD)和智能開關(guān)是為惡劣的汽車工作環(huán)境設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體器件,能夠承受所有的可能發(fā)生的故障狀況,例如,短路或過載現(xiàn)象。同時(shí),行業(yè)法規(guī)要求必須測試當(dāng)錯(cuò)誤、短暫故障和/或電磁干擾導(dǎo)致繼電器關(guān)斷時(shí)是否為零風(fēng)險(xiǎn)。評(píng)測結(jié)果必須符合汽車產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。智能開關(guān)的保護(hù)策略可能影響負(fù)載性能,因此,產(chǎn)品選型不僅考慮開關(guān)在穩(wěn)態(tài)時(shí)的行為,還要考慮其在保護(hù)電路激活時(shí)的瞬間行為表現(xiàn)。

1.1.    短路保護(hù)
兩級(jí)限流功能和一個(gè)功率限制功能確保開關(guān)在短路和過載條件下可靠工作,達(dá)到AEC-Q100-012汽車產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn):
•    選擇限流參數(shù)高值(ILimH),以符合目標(biāo)負(fù)載的涌流限制,同時(shí),還應(yīng)避免在涌流或短路期間電流密度過大,導(dǎo)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(dāng)短路持續(xù)存在時(shí),激活限流低值機(jī)制,以終止電遷移效應(yīng)。
•    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(guān)金屬層溫度瞬間驟變超過60K。快速熱瞬變可能在焊點(diǎn)和源極金屬層上引起熱機(jī)械應(yīng)力。為確保汽車任務(wù)剖面,最大60K的 TJ熱變是意法半導(dǎo)體可靠性設(shè)計(jì)原則。

1.2.    負(fù)載兼容性

限流和功率限制功能可導(dǎo)致車燈開啟延遲,多數(shù)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(píng)測最惡劣情況需要使用工藝角批次參數(shù)。涉及的主要參數(shù)包括限流最小值(ILimH min)、在TFILAMENT=-40oC時(shí)的燈泡涌流最大值。

當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、阻性負(fù)載和感性負(fù)載時(shí),需要給予類似的考慮。這些負(fù)載的涌流很大,可能使用短驅(qū)動(dòng)脈沖,所以需要檢測驅(qū)動(dòng)器的尺寸,主要是在瞬變條件下。

1.3.    電流-時(shí)間曲線
短路和過載的反應(yīng)時(shí)間與短路電阻是函數(shù)關(guān)系。為什么保護(hù)策略要采用限流和限溫兩種策略呢?因?yàn)榉磻?yīng)時(shí)間不僅受到芯片參數(shù)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(shí)間曲線與短路電阻是函數(shù)關(guān)系,紅色區(qū)域代表因芯片參數(shù)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(diǎn)擊相應(yīng)的圖標(biāo)即可選擇并設(shè)置電源電壓、線束、汽車負(fù)載和控制輸入。每個(gè)輸入輸出值都可選擇,并繪制成可縮放的圖形。數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能支持多種文件格式。下面是該仿真環(huán)境的主要功能:
•    選擇功率芯片和相關(guān)參數(shù)(見圖4)
•    設(shè)置 PCB散熱系統(tǒng)溫度(見圖4)
•    設(shè)置電池電壓
•    設(shè)置電池極性接反電壓
•    設(shè)置輸入電壓
•    設(shè)置環(huán)境溫度
•    選擇負(fù)載 (R, RC, RL/電流/功率分布圖、直流電機(jī)、12V & 24車燈)
•    設(shè)置仿真時(shí)間
•    繪制與電和溫度相關(guān)的所有輸入輸出變量曲線圖
•    評(píng)測相對(duì)于負(fù)載阻抗的電流-時(shí)間曲線


圖2: Twister主窗口: 點(diǎn)擊芯片圖片,即可打開芯片、負(fù)載、輸入、Vbat電壓選擇菜單

3.    負(fù)載兼容性評(píng)測示例

本示例測試一個(gè)驅(qū)動(dòng)10W轉(zhuǎn)向燈的140m 高邊驅(qū)動(dòng)器VNx7140Ax,在所有最惡劣情況下,測評(píng)必須滿足下列條件:

結(jié)溫 < 熱關(guān)斷閾值

1)    導(dǎo)通< 10ms時(shí)的功率限制時(shí)長
圖3所示是評(píng)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(shè)置最惡劣條件下的芯片參數(shù)和邊界條件。
當(dāng)環(huán)境溫度是規(guī)定的最高溫度時(shí),如果熱關(guān)斷閾值和ILimH 限流參數(shù)高值均最低的工藝角批次芯片導(dǎo)通,就會(huì)發(fā)生結(jié)溫達(dá)到熱關(guān)斷值的重大風(fēng)險(xiǎn)(見圖5) .


圖3: MO-7VNx7140Ax 轉(zhuǎn)向燈高邊驅(qū)動(dòng)器最惡劣情況評(píng)測電路連接配置示例.


圖4: 芯片選型菜單中最惡劣條件評(píng)測參數(shù)設(shè)置

在導(dǎo)通時(shí)引起最長功率限制時(shí)間的最惡劣條件有兩個(gè)特征:環(huán)境溫度= -40oC,產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)中的最小 ILimH值。燈泡涌流在-40oC時(shí)最高。兩個(gè)并聯(lián)的H6W 燈泡的涌流可達(dá)到15A。這個(gè)參數(shù)結(jié)合ILimH=8A將在導(dǎo)通時(shí)產(chǎn)生最長功率限制時(shí)間, 結(jié)果車燈開啟時(shí)間被延遲。如圖6所示,在最惡劣條件下,VNx7140AX功率限制時(shí)間在3ms(3ms << 10ms)范圍內(nèi)。

圖7所示是在Twister上進(jìn)行最惡劣條件評(píng)測的全部評(píng)測結(jié)果。如果需要,用戶可向意法半導(dǎo)體車身產(chǎn)品部索取給定情況的概率評(píng)測靜態(tài)數(shù)據(jù)。


圖 5: TAMB=105oC時(shí)的VNX7140AX行為。在TTSD=167oC和ILimH=8A時(shí)發(fā)生熱關(guān)斷 (根據(jù)產(chǎn)品銷售數(shù)據(jù),概率 < 0.1ppm)


圖 6: VNX7140AX驅(qū)動(dòng)2支H6W轉(zhuǎn)向燈的IOUT& TJ 仿真曲線(ILimH=8A, TAMB=-40oC)。

4.    保護(hù)分析和線徑優(yōu)化


圖8中的紅色曲線代表20m MO-7高邊驅(qū)動(dòng)器VND720AJ反應(yīng)時(shí)間測試數(shù)據(jù)。將這條在Twister中取得的曲線導(dǎo)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(dǎo)線的電流-時(shí)間曲線對(duì)比(見圖8)。這個(gè)分析的目的是檢查負(fù)載、驅(qū)動(dòng)器和線束之間層級(jí)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(qū)動(dòng)器的 IRMS電流始終低于線徑0.5 mm2 銅導(dǎo)線上的最大IRMS電流,因此,在任何情況下,該芯片都能保護(hù)線束。此外,還可以通過軟件交互進(jìn)一步控制電流,實(shí)現(xiàn)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(hù)線徑0.35mm2 的銅線。


圖 7: VNX7140AX重啟后熱保護(hù)評(píng)測。注:M0-7高邊驅(qū)動(dòng)器還能設(shè)成鎖保護(hù)模式,當(dāng)TJ 達(dá)到 TTSD時(shí),芯片將被鎖保護(hù)。


圖 8: VND7020AJ M0-7固態(tài)繼電器和燈泡及線徑的電流時(shí)間曲線比較

5.    結(jié)論


Twister是一個(gè)獨(dú)立的好用的功率芯片仿真器,準(zhǔn)許用戶查看所有可能的邊界條件和芯片參數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)的影響;熱電混合仿真準(zhǔn)許用戶評(píng)測MOTM驅(qū)動(dòng)器在最惡劣條件下的性能表現(xiàn)。此外,Twister還準(zhǔn)許用戶利用目標(biāo)保護(hù)策略計(jì)算并優(yōu)化線徑。

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