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在今天的車身控制模塊（BCM）設計中，有見識的工程師機都盡可能不再使用機電式繼電器。他們的下一個發展方向是停用熔斷器。但是，停用熔斷器是一個非常必要的解決方案嗎？是一個用更加復雜的解決方案取代一個簡單而且高效的元器件嗎？ 今天的 BCM由大量的固態開關和熔斷器組成。某些 BCM有多達8-12個蓄電池饋路，為60-80個負載提供電源，每個電池饋路都裝有熔斷器，這就是說，BCM負載(車燈、門鎖等)是由驅動器組驅動的，每個驅動器都有一個熔斷器。為了安全起見，或只是因為負載電流太大，無法均衡分配，有些負載需要單獨配備熔斷器。據說，還有些 BCM只有一個或兩個熔斷器。萬一輸出失效時，這些模塊依靠固態開關提供“熔斷”保護功能。 圖 1. 福特BCM 1 熔斷器101 熔斷器從克魯馬努人時代開始流傳下來。與半導體元器件相比，熔斷器非常簡單，幾乎不需要什么制造工藝，而且成本低廉……正是因為簡單，熔斷器被設計成線束保險裝置，以防短路時線束變成烤箱電纜。 圖2：一個早期汽車熔斷器應用實例 (Gary Larson畫) 熔斷器的工作原則是一個簡單的I2R與時間的關系。電流越大，熔斷或開路時間越短。熔斷器的功耗與通過熔斷器的電流的平方成正比。當功耗過高時，熔斷器熔斷。這個特性同樣適用于受熔斷器保護的線束。當熔斷器的“熔斷”特性與所保護的線束相似，只是處理電流能力略低時，熔斷器是一個理想的選擇。 圖3：I2-t 特性比較 2 安裝位置 關于熔斷器從BCM模塊凸出來的問題，有點像房地業的三條規則：位置、位置，還是位置。如果模塊有凸出來的熔斷器，模塊就必需放在車主能夠檢修的位置。線束布線和模塊方向，以及熔斷器必須放在模塊的什么地方，是令人頭疼的問題。所有這些限制和保護功能增加了模塊的成本和制造難題。下圖所示的福特BCM在CEM3上安裝一個靈活的電路板后，才能把熔斷器置于模塊的“邊緣”。 圖4：在福特BCM內部的熔斷器連接端口陣列 汽車制造商在給這些BCM模塊/熔斷器單元尋找位置方面具有相當高的創新力。我曾在儀表板和發動機蓋下和踏腳板內（前車門鉸接區的右側）看見過BCM模塊，甚至還在后座下面看見過BCM模塊（我的車子就是這樣）。某些BCM裝有鉸鏈，可以從儀表板下面拉出來，檢修比較方便。有些BCM則裝在擋板后面，只有查看用戶手冊（如果有）才能找到。我不只一次趴在駕駛座椅上，腳壓在的靠背上，頭鉆到儀表板下，尋找那個失效的熔斷器。 這還不算完，你還要解開哪一個熔斷器號對哪一個功能的啞謎……熔斷器面板除提供幾行編號外，沒有任何標記。真地像猜謎比賽，除了分值之外，你不能告訴選手任何信息。如果再沒有用戶手冊，BCM就像一個食品柜，里面裝滿了撕去標簽的罐頭……你只能分類排查，別無它法。你只能不斷地猜測，直到找到失效的熔斷器號為止。 3 固態熔斷器可解決很多問題 熔斷器可能會因為沒有明顯原因而熔斷，熔斷器的容錯能力非常差，哪怕是最輕微的短路都會熔斷（你曾經把硬幣掉到點煙器插座/電源插座嗎？）。當你最后發現硬幣并將其取出時，熔斷器不會復位。 如果BCM模塊上沒有熔斷器，安裝位置就不是這樣問題了。把BCM模塊安裝在后座下面，不必鉆到儀表板下檢修BCM模塊，這對我來說就不再是一個太大的問題。因為熔斷器有這么多的麻煩，難怪汽車廠商關注無熔斷器或熔斷器較少的BCM解決方案。 4 不讓汽車自燃或提供更多保修故障的解決方案 因此，這種解決方案必須可靠，在應用系統內性能優異，幾乎沒有任何成本。 今天的固態開關因為保護形式簡單，有一點以自我為中心。這就是說，它們更加關注自我保護，而不是保護外圍元器件。固態開關有過熱和超負載保護電路，當因輸出短路而限制負載電流時，這種元器件是最佳的選擇。因此，用固態開關替代熔斷器有時候并不是最佳的選擇。 圖5：智能上橋臂開關與熔斷器性能比較 像硬短路一樣的短路事件比較容易保護，例如，受驅動器限制的負載電流。在這種情況下，功耗不是I2R的結果，而是驅動器上的電壓降與相應的限流的結果。這是一個高功耗事件，大部分功耗發生在智能開關上而不是線束上。因此，開關的溫度迅速升高，激活過熱關斷功能，從而保護相關的線束。 車身模塊中的大多數負載是燈泡。燈泡有一個很難處理的特性：涌流，我們了解并喜歡這個特性。涌流要求強迫固態開關的限流值遠遠高于穩定狀態開關操作所需的限流值。我所說的一切都是為了說明：當沒有發生嚴重的硬短路事件時，這些高涌流的元器件準許異常高的穩態電流在線束內流動，這就是固態開關保護自我而不保護所在系統的情況。這時，電流強度還不足以激活開關限流功能，但是足以燒毀線束或電路板。 在圖5的示例中有一個點，智能開關 (VN5010)將繼續前行，而電線將開始自毀（紅線在藍色虛線上方）。如果這種情況是真實的，甚至連電路板都可能會自毀。現在考慮到涌流要求很可能更加嚴格，我們開始意識到有必要開發一個能夠仿真熔斷器特性的保護算法。 在用一個“大熔斷器”保護多個上橋臂驅動負載的應用中，有些問題需要考慮。在這些應用中，“大熔斷器”的電流處理功能可能高于任何一條被保護的線束。因此，當一條電線上出現“軟短路”時，如果上橋臂驅動器十分強健，能夠處理更高的短路電流和熔斷保護功能，那么線束或電路板可能會自毀。 圖6：當智能開關只能自我保護時的后果 5 解決方案 該解決方案是實現一個能夠仿真熔斷器的I2-t特性的智能電路保護算法。這個概念可轉化為“曲線下面積”。在下圖(圖 7)中，曲線下面積(A區)是保護算法的I2-t界限內。B區所示是在一段時間內的恒定超負載條件，其中，超負載電流小于智能開關的限流值。在這個圖中，當限流值超過曲線時，智能開關不會被閉鎖。當B區突破A區時，器件閉鎖。 這個原則適用于超負載在開關激活后存在很長時間的狀況。 圖7：超負載與功率限制區比較 可能存在一種特殊的瞬間過流狀況：瞬間過流超出曲線與A區交接的界限，但是“曲線下面積”不足以產生錯誤開關條件。在下圖中(圖8)，這個錯誤是很嚴重的，但是因為時長太短，不足以產生錯誤開關條件。 圖8：瞬間錯誤不會產生錯誤關斷狀況 這種保護算法準許出色多個涌流，同時不會強制系統處理比正常高出很多的穩態電流。因此，這種算法提供一個強健的保護功能，既可以保護開關本身，又可以保護被開關驅動的線束。再加上其它的安全機制，如內置的看門狗和激活功能，這個已經很安全的解決方案將會變得更加安全。 利用一個升降序計數器，可以在芯片上實現這個算法，控制該升降序計數器的是流經開關的電流的平方(圖 9)。 圖9： i-t 限制控制環路 計數器的方向由參考電流確定。當檢測電流高于參考電流閾值時，計數器升序計數，速率與檢測電流和參考電流的差的平方成正比。當檢測電流低于參考電流閾值時，計數器以固定值降序計數。固定降序計數值的設定目的是更好地估算熔斷器的散熱性。 這個閾值涌流要比電線的電流處理能力略低（如圖5所示，小于14A DC)。計數器一旦達到某一個預設值后，輸出就會被立即關斷。因為這種算法是利用熔斷器型的特性保護電線，所以直到微控制器重新初始化，將輸出重新導通之前，驅動器始終保持關斷狀態。 圖10：采用保護算法的外推i2-t曲線與電線和熔斷器比較 實現這種保護方法的智能開關系列產品的應用，可降低給定車身電子模塊的線束成本，限制熔斷器的數量，同時提高可靠性和安全性。 當一次短路輸出最終燒毀了她的BCM時，車廂內充滿了刺鼻的燒焦味，如圖6電路板所示，該車的車主買了一輛新車，有同樣遭遇的車主不是很少。彌補一輛價值3000美元的汽車的置換損失需要很多個模塊。模塊的單價比較昂貴，底價不易被接受。從長遠看，多花一點錢增加這種保護裝置是物有所值的。 |
