基于M0TM固態(tài)繼電器的汽車(chē)系統(tǒng)
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時(shí)間：2016-12-16
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汽車(chē)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(cè)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(chē)固態(tài)繼電器是一個(gè)智能電源開(kāi)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(guò)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(chē)系統(tǒng)的任務(wù)剖面，避免故障檢測(cè)發(fā)生錯(cuò)誤，同時(shí)防止短路和過(guò)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(cè)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(cè)試這類(lèi)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?lèi)毫訔l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(zhǎng)時(shí)間才能等到最?lèi)毫訔l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(kāi)發(fā)的一個(gè)仿真器，能夠?yàn)殚_(kāi)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(chē)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(kāi)發(fā)工具的功能和特性，本文將簡(jiǎn)要介紹智能驅(qū)動(dòng)器的特性，并給出幾個(gè)車(chē)身驅(qū)動(dòng)器的評(píng)估實(shí)測(cè)。
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(kāi)關(guān)是為惡劣的汽車(chē)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(guò)載現(xiàn)象。同時(shí)，行業(yè)法規(guī)要求必須測(cè)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(cè)結(jié)果必須符合汽車(chē)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。智能開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)在短路和過(guò)載條件下可靠工作，達(dá)到AEC-Q100-012汽車(chē)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(guò)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(guò)載期間的最大平均功率，避免開(kāi)關(guān)金屬層溫度瞬間驟變超過(guò)60K?？焖贌崴沧兛赡茉诤更c(diǎn)和源極金屬層上引起熱機(jī)械應(yīng)力。為確保汽車(chē)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(chē)燈開(kāi)啟延遲，多數(shù)車(chē)企能夠接受在最?lèi)毫忧闆r下車(chē)燈開(kāi)啟延遲最長(zhǎng)10ms的方案，評(píng)測(cè)最?lèi)毫忧闆r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(lèi)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(cè)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(guò)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(jiàn)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(hù)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(chē)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(jiàn)圖4)
• 設(shè)置PCB散熱系統(tǒng)溫度(見(jiàn)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(chē)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(cè)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(kāi)芯片、負(fù)載、輸入、Vbat電壓選擇菜單
3. 負(fù)載兼容性評(píng)測(cè)示例
本示例測(cè)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?lèi)毫忧闆r下，測(cè)評(píng)必須滿(mǎn)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(zhǎng)
圖3所示是評(píng)測(cè)電路連接配置圖，而圖4是芯片選型窗口，用戶(hù)可在這里設(shè)置最?lèi)毫訔l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(jiàn)圖5) .
評(píng)論