摘要：汽車系統(tǒng)的成本優(yōu)化和可靠性設(shè)計需要對功率電子器件進行復(fù)雜的測評。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測模型。Twister開發(fā)工具能夠有效縮短研發(fā)周期，因為它能夠執(zhí)行重復(fù)性任務(wù)，例如，負載兼容性、布線優(yōu)化、故障狀況再現(xiàn)、診斷行為、動靜態(tài)熱性能評測、工藝角參數(shù)評測等。

前言

        汽車系統(tǒng)控制模塊包括各種精挑細選的固態(tài)繼電器，以便評測系統(tǒng)相對于指定負載、任務(wù)剖面和邊界條件的運行可靠性。 

        意法半導(dǎo)體的汽車固態(tài)繼電器是一個智能電源開關(guān)，主要是采用M0TM 技術(shù)研制，額定負載驅(qū)動能力為0.1安培至數(shù)十安培。過載和短路容錯功能采用限流和限制功率方法，以集成電路形式實現(xiàn)。這些功能的設(shè)計意圖是保證汽車系統(tǒng)的任務(wù)剖面，避免故障檢測發(fā)生錯誤，同時防止短路和過載沖擊驅(qū)動器和線束。在瞬變條件下(燈泡接通涌流、電機起動電流等…)，防護功能可能會降低負載性能。因此，評測帶負載的驅(qū)動器功能是十分必要的。此外，要設(shè)定軟件的故障處理性能，需要對診斷行為進行全面分析。

        最后，智能功率執(zhí)行器，例如，智能保險，本身就具有電流-時間曲線特性，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)、極限邊界條件和負載參數(shù)，以及最惡劣條件，都是設(shè)計時需考慮的因素。在臺架實驗中，需要很長時間才能等到最惡劣條件重現(xiàn)，獲得多個工藝角批次芯片。

        TWISTER是意法半導(dǎo)體開發(fā)的一個仿真器，能夠為開發(fā)人員提供精確的M0-5/M0-5E、M06、M07高邊驅(qū)動器、Omnifets、H橋產(chǎn)品和最常用汽車負載的行為模型，對帶負載的驅(qū)動器進行完整的系統(tǒng)級仿真。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)動器的特性，并給出幾個車身驅(qū)動器的評估實測。

1.M0TM   智能固態(tài)繼電器

        高邊驅(qū)動器 (HSD)、低邊驅(qū)動器(LSD)和智能開關(guān)是為惡劣的汽車工作環(huán)境設(shè)計的半導(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，行業(yè)法規(guī)要求必須測試當錯誤、短暫故障和/或電磁干擾導(dǎo)致繼電器關(guān)斷時是否為零風(fēng)險。評測結(jié)果必須符合汽車產(chǎn)品標準。智能開關(guān) 的保護策略可能影響負載性能，因此，產(chǎn)品選型不僅考慮開關(guān)在穩(wěn)態(tài)時的行為，還要考慮其在保護電路激活時的瞬間行為表現(xiàn)。

1.1.短路保護

        兩級限流功能和一個功率限制功能確保開關(guān)在短路和過載條件下可靠工作，達到AEC-Q100-012汽車產(chǎn)品質(zhì)量標準：

        ·選擇限流參數(shù)高值(ILimH)，以符合目標負載的涌流限制，同時，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%，當短路持續(xù)存在時，激活限流低值機制，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和源極金屬層上引起熱機械應(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)計原則。

1.2.負載兼容性

        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時的燈泡涌流最大值。

        當驅(qū)動電機、阻性負載和感性負載時，需要給予類似的考慮。這些負載的涌流很大，可能使用短驅(qū)動脈沖，所以需要檢測驅(qū)動器的尺寸，主要是在瞬變條件下。

1.3.電流-時間曲線

        短路和過載的反應(yīng)時間與短路電阻是函數(shù)關(guān)系。為什么保護策略要采用限流和限溫兩種策略呢？因為反應(yīng)時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。直接點擊相應(yīng)的圖標即可選擇并設(shè)置電源電壓、線束、汽車負載和控制輸入。每個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

        ·選擇負載 (R, RC, RL/電流/功率分布圖、直流電機、12V & 24車燈)

        ·設(shè)置仿真時間

        ·繪制與電和溫度相關(guān)的所有輸入輸出變量曲線圖

        ·評測相對于負載阻抗的電流-時間曲線

圖2: Twister主窗口: 點擊芯片圖片，即可打開芯片、負載、輸入、Vbat電壓選擇菜單

3.負載兼容性評測示例

        本示例測試一個驅(qū)動10W轉(zhuǎn)向燈的140mW 高邊驅(qū)動器VNx7140Ax，在所有最惡劣情況下，測評必須滿足下列條件：

結(jié)溫 < 熱關(guān)斷閾值

1)導(dǎo)通< 10ms時的功率限制時長

        圖3所示是評測電路連接配置圖，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。

        當環(huán)境溫度是規(guī)定的最高溫度時，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，就會發(fā)生結(jié)溫達到熱關(guān)斷值的重大風(fēng)險(見圖5) .

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

圖4: 芯片選型菜單中最惡劣條件評測參數(shù)設(shè)置

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

        圖7所示是在Twister上進行最惡劣條件評測的全部評測結(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測靜態(tài)數(shù)據(jù)。

圖 5: TAMB=105oC時的VNX7140AX行為。在TTSD=167oC和ILimH=8A時發(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2支H6W轉(zhuǎn)向燈的IOUT& TJ 仿真曲線（ILimH=8A， TAMB=-40oC）。

4.保護分析和線徑優(yōu)化

        圖8中的紅色曲線代表20mW  MO-7高邊驅(qū)動器VND720AJ反應(yīng)時間測試數(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-時間曲線對比（見圖8）。這個分析的目的是檢查負載、驅(qū)動器和線束之間層級是否正確。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，該芯片都能保護線束。此外，還可以通過軟件交互進一步控制電流，實現(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，該芯片可以保護線徑0.35mm2 的銅線。

圖 7: VNX7140AX重啟后熱保護評測。注：M0-7高邊驅(qū)動器還能設(shè)成鎖保護模式，當TJ 達到 TTSD時，芯片將被鎖保護。

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

5.結(jié)論

        Twister是一個獨立的好用的功率芯片仿真器，準許用戶查看所有可能的邊界條件和芯片參數(shù)對設(shè)計的影響；熱電混合仿真準許用戶評測MOTM驅(qū)動器在最惡劣條件下的性能表現(xiàn)。此外，Twister還準許用戶利用目標保護策略計算并優(yōu)化線徑。