車身電子高邊驅(qū)動(dòng)芯片的仿真與選型

江凱敏，徐 偉，陳文慶，朱光歡

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

車身電子的許多負(fù)載都需要高邊驅(qū)動(dòng)芯片來驅(qū)動(dòng)，例如近遠(yuǎn)光燈、位置燈、倒車燈、制動(dòng)燈、轉(zhuǎn)向燈、霧燈、頂燈、氛圍燈等，不同的負(fù)載類型其驅(qū)動(dòng)電流不一樣，需要不同的驅(qū)動(dòng)芯片，這個(gè)時(shí)候我們需要進(jìn)行高邊驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)能力的仿真，仿真其在最差工作工況下的電流驅(qū)動(dòng)能力，確保負(fù)載驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)安全可靠。

車身電子最惡劣的工況通常有兩個(gè)，一個(gè)是16V/85℃高壓高溫惡劣工況，另外一個(gè)是16V/-40℃高壓低溫惡劣工況。高壓低溫惡劣工況下，芯片工作溫升引起的熱量容易被周圍吸收，引起芯片過熱保護(hù)的風(fēng)險(xiǎn)較??；而高壓高溫惡劣工況下則熱量容易累積在芯片內(nèi)部進(jìn)而引起芯片過熱保護(hù)。同時(shí)車身電子控制ECU一般是密封在駕駛艙里面，當(dāng)外溫85℃時(shí)，ECU內(nèi)部溫度實(shí)際已經(jīng)有95℃左右，所以進(jìn)行芯片驅(qū)動(dòng)能力仿真時(shí)通常會(huì)選擇高溫高壓16V/95℃工況進(jìn)行仿真。

進(jìn)行車身電子驅(qū)動(dòng)芯片仿真時(shí)，一般需要仿真在高溫高壓工況下其滿負(fù)載工作時(shí)的節(jié)點(diǎn)溫度是否會(huì)超過芯片的節(jié)點(diǎn)溫度150℃，如果超過了芯片就會(huì)過熱保護(hù)。同時(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)考慮設(shè)計(jì)預(yù)留，通常在最惡劣工況下工作時(shí)，保證芯片節(jié)點(diǎn)溫度不可以超過145℃，留有5℃的設(shè)計(jì)預(yù)留空間。

當(dāng)芯片在16V/95℃最大負(fù)載電流工作情況下，芯片節(jié)點(diǎn)溫度升到145℃時(shí)，此時(shí)的驅(qū)動(dòng)電流就是最大的驅(qū)動(dòng)工作電流Imax，我們的負(fù)載最大工作電流不能超過Imax，一旦超過這個(gè)電流，我們芯片會(huì)過熱保護(hù)而且切斷輸出。

目前汽車電子行業(yè)的高邊驅(qū)動(dòng)芯片通常有兩家，一個(gè)是Infineon （英飛凌），另外一個(gè)是ST （意法半導(dǎo)體）。英飛凌不提供仿真軟件，但是意法半導(dǎo)體提供仿真軟件TwisterSIM，所以通常零部件供應(yīng)商會(huì)選擇ST芯片進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，其可以進(jìn)行仿真分析，減少開發(fā)人力成本，同時(shí)可以提前做好芯片驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)失效及后果分析DFMEA。

通過驅(qū)動(dòng)的仿真分析，可以提前知道芯片的電流驅(qū)動(dòng)能力，以便于驅(qū)動(dòng)負(fù)載電流的設(shè)定和定義，有利于做好整車電子負(fù)載的DFMEA，同時(shí)可以結(jié)合實(shí)際負(fù)載進(jìn)行可靠性分析和驗(yàn)證。

1 車身電子高邊驅(qū)動(dòng)仿真軟件的介紹與應(yīng)用

如圖1所示，TwisterSIM是ST公司的高邊驅(qū)動(dòng)專門仿真軟件，主要用于燈泡、LED等車身電子負(fù)載的仿真與分析，我們可以在模型里面選擇負(fù)載類型、負(fù)載電流、仿真時(shí)間、芯片的PCB封裝類型、芯片的節(jié)點(diǎn)溫度保護(hù)等，在設(shè)定好仿真條件以后就可以進(jìn)行仿真。

2 Tw isterSIM 仿真軟件的仿真步驟

如圖2所示，進(jìn)行芯片仿真能力設(shè)置需要以下幾個(gè)步驟。

第1步：時(shí)間設(shè)定。一般高邊驅(qū)動(dòng)芯片的仿真時(shí)間需要30s以上，有足夠的時(shí)間讓芯片的溫度穩(wěn)定下來。寫入時(shí)間推薦1000μs，跨步長(zhǎng)一點(diǎn)，不然仿真時(shí)間太長(zhǎng)了。步調(diào)推薦間隔為1μs，就是仿真的分辨率。Plot是仿真畫圖，將仿真的結(jié)果繪制出來，具體如圖3所示。

圖3 時(shí)間設(shè)定

第2步：芯片的選定。點(diǎn)擊芯片后，進(jìn)入芯片的選擇項(xiàng)目，我們可以選擇12V、高邊驅(qū)動(dòng)、M0-7內(nèi)核、2通道的驅(qū)動(dòng)芯片，同時(shí)可以選擇仿真的芯片封裝，一般推薦2cm2的PCB封裝，F(xiàn)R4的PCB材料。此外還可設(shè)置仿真起步溫度95℃和芯片保護(hù)溫度150℃，具體如圖4所示。

圖4 芯片的選定和仿真參數(shù)設(shè)置

第3步：負(fù)載類型選擇。如圖5所示，點(diǎn)擊負(fù)載以后，可以在彈出的界面選擇負(fù)載類型：電阻、恒流源、LED、燈泡等負(fù)載，在參數(shù)里面可以單獨(dú)輸入或是表格導(dǎo)入仿真時(shí)間，一般推薦恒流源進(jìn)行仿真。

圖5 仿真負(fù)載類型選擇和仿真時(shí)間設(shè)定

圖6 仿真曲線選擇

第4步：仿真曲線選擇。如圖6所示，在設(shè)置負(fù)載類型和芯片等參數(shù)以后，在主界面選擇所需要顯示的波形曲線。例如節(jié)點(diǎn)溫度Tj、表面溫度Ta、電壓V、電流I等，點(diǎn)擊Option，可以選擇曲線；選擇有用的，無用的不用選。通常我們需要選擇節(jié)點(diǎn)溫度Tj和電流Iout。

第5步：仿真分析及結(jié)果。如圖7所示，在一切參數(shù)設(shè)置好以后，點(diǎn)擊界面的Simulation，然后得到相應(yīng)的仿真結(jié)果。當(dāng)30s仿真時(shí)間不足以讓芯片溫度穩(wěn)定時(shí)，可以設(shè)定延遲時(shí)間，直到芯片的節(jié)點(diǎn)溫度穩(wěn)定為止。

圖7 仿真分析及結(jié)果（以VND7140AJ PWM負(fù)載類型為例）

3 恒流負(fù)載的高邊驅(qū)動(dòng)芯片仿真與選型

一般恒流負(fù)載的驅(qū)動(dòng)就是芯片的輸出為100%PWM方式驅(qū)動(dòng)，例如汽車的近光燈、遠(yuǎn)光燈、頂燈、位置燈等。此時(shí)仿真就用恒流源進(jìn)行仿真，按照上面圖2～6的相關(guān)步驟設(shè)定：16V/95℃，節(jié)點(diǎn)Tj溫度最大為145℃；雙通道帶恒流負(fù)載下仿真得到的最大驅(qū)動(dòng)電流：①VND7140AJ雙通道1.2A；②VND7050AJ 雙 通 道3A；③VND7020AJ 雙 通 道5A；④VND7012AJ雙通道6A。

其他高邊驅(qū)動(dòng)芯片也可以通過相同的方法仿真得到相應(yīng)的最大恒流負(fù)載驅(qū)動(dòng)電流Imax。圖8～9是VND7140AJ的仿真數(shù)據(jù)。

對(duì)現(xiàn)有的恒流負(fù)載選擇高邊驅(qū)動(dòng)芯片時(shí)，要選擇芯片的最大恒流負(fù)載驅(qū)動(dòng)電流Imax大于負(fù)載最大工作電流I。

圖8 恒流負(fù)載： VND7140AJ通道1的仿真數(shù)據(jù)

圖9 恒流負(fù)載： VND7140AJ通道2的仿真數(shù)據(jù)

4 高邊驅(qū)動(dòng)芯片對(duì)負(fù)載沖擊電流的驅(qū)動(dòng)能力仿真與分析

在整車環(huán)境中，有的負(fù)載內(nèi)部是帶DCDC或是穩(wěn)壓電源模塊的，其在第一次打開時(shí)，往往存在瞬間沖擊電流，可能會(huì)導(dǎo)致芯片過熱或過流保護(hù)而切斷輸出，所以需要對(duì)選用的芯片進(jìn)行負(fù)載沖擊電流的驅(qū)動(dòng)能力分析。

這種帶有沖擊電流的負(fù)載一般是由其內(nèi)部的電感和電容引起，所以通常需要車身電子負(fù)載廠家提供具體的沖擊電流曲線參數(shù)，用于芯片選型的可靠性仿真與分析。

一般沖擊電流的時(shí)間在50μs左右，最大的沖擊電流一般不能超過芯片的極限工作電流Ilimit，不同的芯片在16V/95℃下能夠承受的沖擊電流不同。

按照上面圖2～6的步驟設(shè)置不同芯片型號(hào)后，經(jīng)過仿真得出：①VND7140AJ雙通道能夠承受12A/50μs的沖擊電流，節(jié)點(diǎn)溫度小于145°；其芯片的極限電流為12A。②VND7050AJ雙通道能夠承受30A/50μs的沖擊電流，沖擊電流小于145°；其芯片的極限電流為30A。③VND7020AJ雙通道能夠承受63A/50μs的沖擊電流，沖擊電流小于145°；其芯片的極限電流為63A。④VND7012AJ雙通道能夠承受75A/50μs的沖擊電流，沖擊電流小于145°；其芯片的極限電流為75A。

其他高邊驅(qū)動(dòng)芯片也可以通過相同的方法仿真得到相應(yīng)最大的沖擊電流Ipulse等于芯片的最大極限Ilimit電流。

針對(duì)帶有沖擊電流的負(fù)載，在選擇驅(qū)動(dòng)芯片型號(hào)時(shí)，要選擇最大極限電流Ilimit大于最大沖擊電流Ipulse的芯片。圖10～11是VND7140AJ的仿真數(shù)據(jù)。

圖10 帶沖擊電流負(fù)載： VND7140AJ通道1的仿真數(shù)據(jù)

圖11 帶沖擊電流負(fù)載： VND7140AJ通道2的仿真數(shù)據(jù)

5 PWM負(fù)載的高邊驅(qū)動(dòng)仿真與選型

在車身電子實(shí)際負(fù)載驅(qū)動(dòng)中，有時(shí)候驅(qū)動(dòng)形式會(huì)選用PWM進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，例如車內(nèi)氛圍燈。當(dāng)PWM驅(qū)動(dòng)頻率越高，其EMC干擾越大；當(dāng)PWM驅(qū)動(dòng)頻率越低，有時(shí)候肉眼會(huì)看出閃爍，所以通常推薦200Hz左右的頻率，EMC干擾較小，同時(shí)看不出閃爍；當(dāng)調(diào)節(jié)PWM占空比時(shí)，可以調(diào)節(jié)負(fù)載的輸出功率：負(fù)載LED或負(fù)載燈泡的亮度會(huì)隨著PWM的占空比變化而變化。

下面以200Hz PWM 20%占空比進(jìn)行仿真分析說明，按照上面圖2～6相關(guān)步驟進(jìn)行設(shè)置：16V/95℃，200Hz 20%的PWM負(fù)載輸出，不斷提高負(fù)載電流直到節(jié)點(diǎn)溫度為145℃，得出以下仿真結(jié)果：①VND7140AJ雙通道200Hz 20%PWM最大驅(qū)動(dòng)電流3A；②VND7050AJ雙通道200Hz 20% PWM最大驅(qū)動(dòng)電流7A；③VND7020AJ雙通道200Hz 20% PWM最大驅(qū)動(dòng)電流15A；④VND7012AJ雙通道200Hz 20% PWM最大驅(qū)動(dòng)電流17A。

其他高邊驅(qū)動(dòng)芯片也可以通過相同的方法仿真得到相應(yīng)的最大PWM驅(qū)動(dòng)電流Ipwm。圖12～13是VND7140AJ的仿真數(shù)據(jù)。對(duì)帶有PWM的負(fù)載在選擇驅(qū)動(dòng)芯片型號(hào)時(shí)，要選擇最大PWM驅(qū)動(dòng)電流Ipwm大于實(shí)際負(fù)載最大電流的芯片。

圖12 20% PWM負(fù)載： VND7140AJ通道1的仿真數(shù)據(jù)

圖13 20% PWM負(fù)載： VND7140AJ通道2的仿真數(shù)據(jù)

6 結(jié)束語

仿真軟件TwisterSIM，可以很好仿真出芯片的最大驅(qū)動(dòng)電流，提前知道芯片的驅(qū)動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，便于我們選擇負(fù)載類型進(jìn)行設(shè)計(jì)失效模式及后果分析DEMEA工作和可靠性設(shè)計(jì)分析。

通過仿真可以清晰得出驅(qū)動(dòng)的電流或電壓波形，提前知道電流或是電壓在驅(qū)動(dòng)時(shí)是否會(huì)引起EMC干擾。

從仿真后的芯片節(jié)點(diǎn)溫度Tj可以看出其芯片的溫升曲線，檢查其在最大負(fù)載電流工作時(shí)是否進(jìn)入過溫度保護(hù)等情況，提前做好芯片保護(hù)等措施。

TwisterSIM軟件同時(shí)還可以選擇電機(jī)模型進(jìn)行仿真，可以設(shè)置電機(jī)內(nèi)部的電感量，進(jìn)行模式的仿真與應(yīng)用，特別仿真分析電機(jī)掉電后的反向電動(dòng)勢(shì)對(duì)系統(tǒng)的沖擊，提前可分析驅(qū)動(dòng)芯片的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

用芯片進(jìn)行仿真后可以知道其在2cm2封裝、FR4 PCB板、16V/95℃、節(jié)點(diǎn)溫度為145℃的情況下最大承受電流Imax。那么在實(shí)際調(diào)試過程中，可以結(jié)合實(shí)際的負(fù)載PCB，進(jìn)行實(shí)際的驗(yàn)證調(diào)試，一般情況下實(shí)際調(diào)試得到的最大負(fù)載驅(qū)動(dòng)電流和仿真得到的最大驅(qū)動(dòng)電流Imax相差不大，不過還是需要驗(yàn)證，以仿真結(jié)果為指導(dǎo)，實(shí)際的調(diào)試結(jié)果為準(zhǔn)。

為了達(dá)到仿真后的設(shè)計(jì)兼容，通常會(huì)選擇同一款芯片進(jìn)行兼容設(shè)計(jì)，當(dāng)負(fù)載電流變大時(shí)，可以用同一款驅(qū)動(dòng)能力更大的芯片進(jìn)行更換，因?yàn)镸07內(nèi)核的高邊驅(qū)動(dòng)芯片封裝是一樣的，僅僅是芯片內(nèi)阻不一樣，但是封裝及Pin定義是一樣的，例如VND7140AJ、VND7020AJ、VND705AJ等。

通常在特定的芯片仿真時(shí)，我們會(huì)選擇LED恒流源進(jìn)行仿真，然后再轉(zhuǎn)成負(fù)載功率。先仿真得出最大驅(qū)動(dòng)電流Imax，然后計(jì)算出最大負(fù)載功率Pmax=Imax×16V，用此來選擇負(fù)載功率，確保其最大的負(fù)載功率要小于Pmax。