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TWISTER仿真软件有效助力汽车系统开发

发布时间:2018-01-26 来源:未知 作者:admin 浏览次数:



汽车系统控制模块包括各种精挑细选的固态继电器,以便评测系统相对于指定负载、任务剖面和边界条件的运行可靠性。
意法半导体的汽车固态继电器是一个智能电源开关,主要是采用M0TM技术研制,额定负载驱动能力为0.1安培至数十安培。过载和短路(电流不经用电器,直接连电源两极)容错功能采用限流和限制功率方法,以集成电路形式实现。这些功能的设计意是保证汽车系统的任务剖面,避免故障检测发生错误,同时防止短路和过载冲击驱动器和线束。在瞬变条件下(灯泡接通涌流、马达起动电流等…),防护功能可能会降低负载性能。因此,评测带负载的驱动器功能是十分必要的。此外,要设定软件的故障处理性能,需要对诊断行为进行全面分析。
最后,智能功率执行器,例如,智能保险,本身就具有电流-时间曲线特性,要想优化线径,就必须测试(TestMeasure)这类器件。
功率芯片的参数,例如,工艺角参数、极限边界条件(tiáo jiàn)和负载参数,以及最恶劣条件,都是设计时需考虑的因素。新能源汽车展涵盖了国际新能源汽车展,新能源公交客车,新能源物流车,新能源电池,新能源电机与电控系统,。在台架实验中,需要很长时间才能等到最恶劣条件重现,获得多个工艺角批次芯片。
TWISTER是意法半导体开发的一个仿真器,能够为开发人员提供精确的M0-5/M0-5
  E、M06、M07高边驱动器、Omifet
  S、H桥产品和最常用汽车负载(load)的行为模型,对带负载的驱动(Driver)器进行完整的系统级仿真。为展示该开发工具的功能和特性,本文将简要介绍智能驱动器的特性,并给出几个车身驱动器的评估实测。
1.M0TM智能固态继电器
高边驱动(Driver)器(HSD)、低边驱动器(LSD)和智能开关是为恶劣的汽车工作环境设计的半导体器件,能够承受所有的可能发生的故障状况,例如,短路或过载现象。同时,行业(Industry)法规要求(demand)必须测试当错误、短暂故障和/或电磁干扰导致继电器关断时是否为零风险。评测结果必须符合汽车产品标准。智能开关的保护策略可能影响负载性能,因此,产品选型不仅考虑开关在稳态时的行为,还要考虑其在保护电路激活时的瞬间行为表现。
1.1.短路保护
两级限流功能(function)和一个功率限制功能确保开关在短路和过载条件(tiáo jiàn)下可靠工作,达到AEC-Q100-012汽车产品质量标准:
“选择(xuanze)限流参数高值(ILimH),以符合目标(cause)负载的涌流限制,同时,还应避免在涌流或短路期间电流密度过大,导致在功率MOSFET源极金属层上引起电迁移。
“限流低值(ILimL)约是IlimH的30%,当短路持续存在时,激活限流低值机制,以终止电迁移效应。
“功率(指物体在单位时间内所做的功的多少)限制功能用于限制短路或过载期间的最大平均功率,避免开关金属层温度瞬间骤变超过60K。快速热瞬变可能在焊点和源极金属层上引起热机械应力。为确保汽车任务剖面,最大60K的TJ热变是意法半导体可靠性设计(Design)原则。
1.2.负载兼容性
限流和功率(指物体在单位时间内所做的功的多少)限制(limit)功能可导致车灯开启延迟,多数车企能够接受在最恶劣情况下车灯开启延迟最长10ms的方案,评测最恶劣情况需要使用(use)工艺角批次参数。涉及的主要参数包括限流最小值(ILimHmi)、在TFILAMET=-40oC时的灯泡涌流最大值。
当驱动电机、阻性负载和感性负载时,需要给予类似的考虑。新能源汽车致力于制造高品质,高可靠性,有良好用户体验的"世界冠军"级别主流智能新能源汽车。这些负载的涌流很大,可能使用短驱动脉冲,所以需要检测驱动器的尺寸,主要是在瞬变条件下。
1.3.电流-时间曲线
短路和过载的反应时间与短路电阻是函数关系。为什么保护策略要采用限流和限温两种策略呢?因为反应时间不仅受到芯片参数离散的影响,还受到温度边界条件的影响(见1)。

1:电流-时间曲线与短路电阻(中文名:电阻器) 是函数关系,红色区域代表因芯片参数离散和温度边界条件而引起的所有的可能(maybe)的变化。
2.TWISTER概述
2所示是Twister形用户界面的主窗口。直接点击相应的标即可选择并设置电源电压、线束、汽车负载和控制输入。每个输入输出值都可选择,并绘制成可缩放的形。数据导出功能支持多种文件格式。下面是该仿真环境的主要功能:
选择功率芯片和相关参数(见4)
设置PCB散热系统温度(见4)
设置电池电压
设置电池极性接反电压
设置输入电压
设置环境温度
选择负载(R,RC,RL/电流(Electron flow)/功率分布(cloth)、直流马达、12V&24车灯)
设置仿真时间
绘制与电和温度相关的所有输入输出变量曲线
评测相对于负载阻抗的电流-时间曲线

2:Twister主窗口:点击芯片片,即可打开芯片、负载(load)、输入、Vbat电压选择菜单
3.负载兼容性评测示例
本示例测试(TestMeasure)一个驱动10W转向灯的140m高边驱动器Vx7140Ax,在所有最恶劣情况下,测评必须满足下列条件:
结温<热关断阈值
导通<10ms时的功率限制时长
3所示是评测电路连接配置,而4是芯片选型窗口,用户可在这里设置最恶劣(nasty)条件下的芯片参数和边界条件。
当环境温度是规定的最高温度时,如果热关断阈值和ILimH限流参数高值均最低的工艺角批次芯片导通,就会发生结温达到热关断值的重大风险(见5).

3:MO-7Vx7140Ax转向灯高边驱动器最恶劣(nasty)情况评测电路连接配置示例

4:芯片选型菜单中最恶劣条件评测参数设置
在导通时引起最长功率限制时间的最恶劣条件有两个特征:环境温度=-40oC,产品数据手册中的最小ILimH值。新能源汽车致力于制造高品质,高可靠性,有良好用户体验的"世界冠军"级别主流智能新能源汽车。灯泡涌流在-40oC时最高。两个并联的H6W灯泡的涌流可达到15A。这个参数结合ILimH=8A将在导通时产生最长功率限制时间,结果车灯开启时间被延迟。如6所示,在最恶劣条件下,Vx7140AX功率限制时间在3ms(3ms<<10ms)范围内。
7所示是在Twister上进行最恶劣(nasty)条件评测的全部评测结果。如果需要,用户可向意法半导体车身产品部索取给定情况的概率评测静态数据。

5:TAMB=105oC时的VX7140AX行为。新能源汽车展涵盖了国际新能源汽车展,新能源公交客车,新能源物流车,新能源电池,新能源电机与电控系统,。在TTSD=167oC和ILimH=8A时发生热关断(根据产品销售数据,概率<0.1ppm)

6:VX7140AX驱动2支H6W转向灯的IOUT&TJ仿真曲线
4.保护分析和线径优化
8中的红色曲线代表20mMO-7高边驱动器VD720AJ反应时间测试数据。将这条在Twister中取得的曲线导出后并另存为Excel表格文件,然后,将其分别与21W+21W+5W车灯和线径0.5mm2铜导线的电流-时间曲线对比。这个分析的目的是检查负载、驱动器和线束之间层级是否正确。这里必须说明的是,在没有外部器件帮助的条件(tiáo jiàn)下,高边驱动器的MS电流始终低于线径0.5mm2铜导线上的最大MS电流,因此,在任何情况下,该芯片都能保护线束。此外,还可以通过软件交互进一步控制(control)电流,实现t>1s的延迟。在这种情况下,通过微控制器控制,该芯片可以保护线径0.35mm2的铜线。

7:VX7140AX重启后热保护评测。新能源公交客车作为我国新能源汽车推广应用的排头兵和“先锋队”,加之其担负大众出行的社会属性,近年来,一直成为业内外关注的焦点。 注:M0-7高边驱动器还能设成锁保护模式,当TJ达到TTSD时,芯片将被锁保护

8:VD7020AJM0-7固态继电器和灯泡及线径的电流时间曲线比较
5.结论
Twister是一个独立的好用的功率芯片仿真器,准许用户查看所有可能的边界条件和芯片参数对设计的影响;热电混合仿真准许用户评测MOTM驱动器在最恶劣条件下的性能表现。此外,Twister还准许用户利用目标保护策略计算并优化线径。

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