|
作者： Giusy Gambino, Alessio Brighina, Francesco Giuffre’, Filippo Scrimizzi 意法半導(dǎo)體意大利卡塔尼亞公司 在設(shè)計和部署適應(yīng)惡劣汽車環(huán)境的先進解決方案時，設(shè)計人員需要用戶友好、快捷且對硬件要求較低的交互式模擬仿真工具。采用分布式智能能夠釋放系統(tǒng)性能，但對系統(tǒng)韌性和實時反饋能力提出了要求。 在汽車行業(yè)，設(shè)計人員需要解決、減少和預(yù)防一些可能導(dǎo)致發(fā)動機控制模塊(ECM) 或其他電子控制單元(ECU) 等關(guān)鍵部件損壞的嚴重問題。這些系統(tǒng)故障可能帶來事故或其他安全隱患。 為了應(yīng)對這些危險，汽車廠商采用了各種保護措施，例如，保險絲、斷路器和過壓保護裝置，以及防止關(guān)鍵部件過熱的熱管理技術(shù)。 準(zhǔn)確的模擬工具有助于提前發(fā)現(xiàn)潛在的問題，讓工程師能夠?qū)υO(shè)計進行必要的修改或調(diào)整，第一時間防止這些問題發(fā)生。 此外，模擬實驗還可以優(yōu)化電氣系統(tǒng)的設(shè)計，確保其能夠處理可能遇到的最大電流和電壓，讓汽車系統(tǒng)變得更安全可靠。 全面的模擬功能至關(guān)重要 在下一代汽車的研發(fā)中，工程師在配電方面面臨諸多挑戰(zhàn)，需要采用分布式智能方法來同步解決幾個關(guān)鍵因素： 車輛韌性； 能效； 可持續(xù)性 對意外事故、惡劣天氣、設(shè)備故障等不可預(yù)見情況的承受能力對車輛韌性至關(guān)重要。能效在降低功耗、碳排放和保養(yǎng)費用方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，同時有助于提高整車性能和可靠性。 可持續(xù)性是降低車輛對環(huán)境的影響和促進低碳的關(guān)鍵因素。 為了實現(xiàn)這些目標(biāo)，工程師必須使用經(jīng)過全面模擬實驗驗證的創(chuàng)新的解決方案和概念，以開發(fā)出滿足行業(yè)需求的先進汽車系統(tǒng)，并提供更安全、更可靠、更可持續(xù)、更愉悅的駕駛體驗。配電系統(tǒng)所用的智能功率開關(guān)管是復(fù)雜的電子元器件，需要經(jīng)過電熱模擬實驗，才能保證最佳性能。 分析功率開關(guān)的電氣行為，包括開關(guān)管的高電壓電流的處理能力、響應(yīng)時間，以及檢測和隔離故障的能力，都離不開電模擬實驗。另一方面，分析開關(guān)在操作過程中產(chǎn)生的熱量需要做熱模擬實驗，因為熱量會影響開關(guān)的性能和可靠性。通過做電熱模擬實驗，工程師可以優(yōu)化智能開關(guān)的設(shè)計，確保其滿足設(shè)計的性能要求，同時保持安全的工作溫度。采用模擬驗證方法可以提高配電系統(tǒng)的能效、可靠性和安全性，同時確保系統(tǒng)實現(xiàn)合理有效的保護機制和診斷功能。 1.了解產(chǎn)品信息 為了確保做出最佳選擇，必須在用戶友好、可定制的交互式環(huán)境中做模擬實驗，這樣才能快速了解智能開關(guān)的行為。第一步是確定哪些產(chǎn)品符合電氣要求。 意法半導(dǎo)體的電熱模擬器 TwisterSIM 是實現(xiàn)此目的的理想工具，為選擇VIPower 產(chǎn)品專門設(shè)計，包括智能高低邊驅(qū)動器，以及用于電機控制的全橋拓撲。該模擬工具可以從列表中準(zhǔn)確選擇候選器件，并提供基本的產(chǎn)品信息。因此，設(shè)計人員可以快速輕松地評估不同的智能開關(guān)的性能，并選擇最適合特定用途的開關(guān)，如圖 1 所示。 
圖1：VIPower智能驅(qū)動器預(yù)選 根據(jù)電源電壓、器件拓撲、通道數(shù)量、負載類型和特性、電源類型、環(huán)境溫度和 PCB 功率耗散面積等各種輸入數(shù)據(jù)，該模擬器可以提供有關(guān)預(yù)計最大結(jié)溫 (TJMAX) 的寶貴信息，進行快速有效的產(chǎn)品預(yù)選。 這些信息至關(guān)重要，有助于為每個通道選擇合適的通態(tài)電阻 (RON) ，并確保工作狀態(tài)下的熱預(yù)算滿足器件的絕對最大額定值。 2. 深入了解性能 為了研究驅(qū)動器的電熱行為，模擬器生成一個原理圖電路，電路中包含預(yù)選器件以及分別與電池和負載連接的輸入/輸出電路（圖 2）。
圖2：VIPower驅(qū)動器模擬實驗的電路圖 其中： VBATT是電池電壓； VIN 是微控制器的輸入電壓； RLINE_IN 和 RLINE_OUT 是驅(qū)動器輸入和輸出端的電線寄生電阻。 在開始模擬之前，需要先執(zhí)行定義步驟，自定義項目參數(shù)。在此階段，設(shè)計人員確定電路圖中元件的參數(shù)值和模擬設(shè)置。 電路圖中元件的參數(shù)值對于確定電路的行為至關(guān)重要，必須仔細選型，確保電路符合性能規(guī)格要求。 模擬設(shè)置是定義設(shè)計者想要通過模擬實驗再現(xiàn)并分析哪些工作狀況，例如，設(shè)計人員可能想要檢查電路中的電壓和電流波形，確定功耗或評估電路的熱行為。 通過自定義項目參數(shù)，設(shè)置模擬變量，設(shè)計人員可以確保模擬結(jié)果準(zhǔn)確反映電路的行為，并提供優(yōu)化設(shè)計所需的信息（圖 3）。
圖 3：模擬定義過程 用TwisterSIM進行模擬實驗的一大好處是，可以在模擬過程中實時顯示模擬結(jié)果。此功能允許設(shè)計人員在模擬過程中監(jiān)視電路的工作行為，并快速識別出問題或需要改進的地方。 模擬結(jié)果的實時顯示可以幫助設(shè)計者提高設(shè)計優(yōu)化的效率和效果，例如，當(dāng)模擬結(jié)果顯示電路消耗過多電流或溫度上升過快時，設(shè)計人員可以快速調(diào)整電路參數(shù)，立即看到參數(shù)變化對模擬結(jié)果的影響。 此功能可以節(jié)省時間和資源，因為設(shè)計人員不必等到模擬結(jié)束，就能快速發(fā)現(xiàn)并解決問題。TwisterSIM的實時顯示模擬結(jié)果可以提高設(shè)計優(yōu)化的效率和效果，從而提高配電系統(tǒng)的能效、可靠性和安全性。 3. 按需定制模擬結(jié)果
圖4：根據(jù)數(shù)據(jù)可視化定制曲線和圖表 工程師可以修改模擬參數(shù)、數(shù)據(jù)和可視化圖形，以滿足他們的特定需求，做出知情決策，并獲得最佳結(jié)果。該模擬器為分析和優(yōu)化 VIPower 電路提供了多種工具，例如，熱圖、電流電壓波形，以及功耗分析，如圖 4 所示。 設(shè)計人員可以用 TwisterSIM設(shè)計開發(fā)高效且具有韌性的驅(qū)動器，讓其具有有效的診斷和保護功能，具體實現(xiàn)方法是優(yōu)化設(shè)計的性能和可靠性，降低熱應(yīng)力或電應(yīng)力引起的失效風(fēng)險，集成錯誤再現(xiàn)和極限參數(shù)記錄等功能。此外，這種設(shè)計方法還可以降低線束尺寸和重量，從而減少車輛的碳足跡。 危急場景 在惡劣的汽車生態(tài)系統(tǒng)中，特別是重復(fù)短路事件可能導(dǎo)致熱關(guān)斷 (TSD) 的情況，考慮實現(xiàn)熱保護機制是至關(guān)重要的。 在這種情況下，驅(qū)動器會嘗試通過功率限制保護措施（最大電流和熱滯循環(huán)）重新啟動系統(tǒng)，并保持 TSD 模式，直到過熱問題消除。 TwisterSim也有這種特定的控制功能，以高邊驅(qū)動器 VND9012AJ（采用VIPower M0-9 技術(shù)研制的智能功率開關(guān)）為例，TwisterSim可以準(zhǔn)確地再現(xiàn)開關(guān)的工作情況，然后將模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進行比較，如圖 5 所示。
圖 5： VND9012AJ 在重復(fù)短路事件情況下的模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)的比較 其中： IOUT是驅(qū)動器的輸出電流； Dt是指模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)中 的TSD事件之間的時間差。 模擬結(jié)果表明，TwisterSIM 是一種高效的工具，可以精確地模擬和仿真熱保護機制的限流和熱關(guān)斷 (TSD) 觸發(fā)情況。 輸出電流值的模擬數(shù)據(jù)誤差小于2%，而TSD發(fā)生時間誤差約為0.8 ms。這證明 TwisterSIM 在現(xiàn)實條件下預(yù)測系統(tǒng)行為的正確率很高。 結(jié)論 隨著下一代汽車時代的到來，工程師面臨著研發(fā)先進解決方案的挑戰(zhàn)，部署分布式智能可以讓系統(tǒng)釋放強大的性能。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，新設(shè)計必須優(yōu)先考慮能效和韌性，功能全面的模擬工具對于確保準(zhǔn)確性和有效性至關(guān)重要。 通過充分利用 TwisterSIM 的功能，開發(fā)者可以優(yōu)化新的 VIPower 驅(qū)動器設(shè)計，獲得最高的性能和可靠性，同時最大限度地降低熱應(yīng)力或電應(yīng)力引起的失效風(fēng)險，為綠色低碳的可持續(xù)發(fā)展鋪平道路。 參考文獻 [1] “TwisterSIM: Dynamic electro-thermal simulator for VIPower products”, Databrief on https://www.st.com/resource/en/data_brief/twistersim.pdf, Sep. 2023. [2] M. Bonarrigo, G. Gambino, F. Scrimizzi, "Intelligent power switches augment vehicle performance and comfort", Power Electronics News, Oct. 10, 2023. [3] A. Brighina, F. Giuffrè, “Interactive analog/digital mixed signal modeling via HDL simulator and foreign VHDL/Verilog C interface”, Electronicsforyou, Electronics & Technology Portal, 2011. [4] D. Maksimovic, A. M. Stankovic, V. J. Thottuvelil, G. C. Verghese, “Modeling and simulation of power electronic converters”, Proc. of IEEE, vol. 89, no. 6, Jun. 2001. |
