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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。 |
