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作者：意法半導體Romeo Letor, Francesco Giuffre’, Alessio Brighina 摘要：汽車(chē)系統的成本優(yōu)化和可靠性設計需要對功率電子器件進(jìn)行復雜的測評。TWISTER是意法半導體開(kāi)發(fā)的一款仿真器，能夠精確地預測采用意法半導體智能功率技術(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(kāi)發(fā)工具能夠有效縮短研發(fā)周期，因為它能夠執行重復性任務(wù)，例如，負載兼容性、布線(xiàn)優(yōu)化、故障狀況再現、診斷行為、動(dòng)靜態(tài)熱性能評測、工藝角參數評測等。 前言 汽車(chē)系統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，額定負載驅動(dòng)能力為0.1安培至數十安培。過(guò)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(shí)現。這些功能的設計意圖是保證汽車(chē)系統的任務(wù)剖面，避免故障檢測發(fā)生錯誤，同時(shí)防止短路和過(guò)載沖擊驅動(dòng)器和線(xiàn)束。在瞬變條件下(燈泡接通涌流、電機起動(dòng)電流等…)，防護功能可能會(huì )降低負載性能。因此，評測帶負載的驅動(dòng)器功能是十分必要的。此外，要設定軟件的故障處理性能，需要對診斷行為進(jìn)行全面分析。 最后，智能功率執行器，例如，智能保險，本身就具有電流-時(shí)間曲線(xiàn)特性，要想優(yōu)化線(xiàn)徑，就必須測試這類(lèi)器件。 功率芯片的參數，例如，工藝角參數、極限邊界條件和負載參數，以及最?lèi)毫訔l件，都是設計時(shí)需考慮的因素。在臺架實(shí)驗中，需要很長(cháng)時(shí)間才能等到最?lèi)毫訔l件重現，獲得多個(gè)工藝角批次芯片。 TWISTER是意法半導體開(kāi)發(fā)的一個(gè)仿真器，能夠為開(kāi)發(fā)人員提供精確的M0-5/M0-5E、M06、M07高邊驅動(dòng)器、Omnifets、H橋產(chǎn)品和最常用汽車(chē)負載的行為模型，對帶負載的驅動(dòng)器進(jìn)行完整的系統級仿真。為展示該開(kāi)發(fā)工具的功能和特性，本文將簡(jiǎn)要介紹智能驅動(dòng)器的特性，并給出幾個(gè)車(chē)身驅動(dòng)器的評估實(shí)測。 1. M0TM 智能固態(tài)繼電器 高邊驅動(dòng)器 (HSD)、低邊驅動(dòng)器(LSD)和智能開(kāi)關(guān)是為惡劣的汽車(chē)工作環(huán)境設計的半導體器件，能夠承受所有的可能發(fā)生的故障狀況，例如，短路或過(guò)載現象。同時(shí)，行業(yè)法規要求必須測試當錯誤、短暫故障和/或電磁干擾導致繼電器關(guān)斷時(shí)是否為零風(fēng)險。評測結果必須符合汽車(chē)產(chǎn)品標準。智能開(kāi)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(kāi)關(guān)在穩態(tài)時(shí)的行為，還要考慮其在保護電路激活時(shí)的瞬間行為表現。 1.1. 短路保護 兩級限流功能和一個(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，達到AEC-Q100-012汽車(chē)產(chǎn)品質(zhì)量標準： • 選擇限流參數高值(ILimH)，以符合目標負載的涌流限制，同時(shí)，還應避免在涌流或短路期間電流密度過(guò)大，導致在功率MOSFET源極金屬層上引起電遷移。 • 限流低值(ILimL) 約是IlimH的30%，當短路持續存在時(shí)，激活限流低值機制，以終止電遷移效應。 • 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械應力。為確保汽車(chē)任務(wù)剖面，最大60K的 TJ熱變是意法半導體可靠性設計原則。 1.2. 負載兼容性 限流和功率限制功能可導致車(chē)燈開(kāi)啟延遲，多數車(chē)企能夠接受在最?lèi)毫忧闆r下車(chē)燈開(kāi)啟延遲最長(cháng)10ms的方案，評測最?lèi)毫忧闆r需要使用工藝角批次參數。涉及的主要參數包括限流最小值(ILimH min)、在TFILAMENT=-40oC時(shí)的燈泡涌流最大值。 當驅動(dòng)電機、阻性負載和感性負載時(shí)，需要給予類(lèi)似的考慮。這些負載的涌流很大，可能使用短驅動(dòng)脈沖，所以需要檢測驅動(dòng)器的尺寸，主要是在瞬變條件下。 1.3. 電流-時(shí)間曲線(xiàn) 短路和過(guò)載的反應時(shí)間與短路電阻是函數關(guān)系。為什么保護策略要采用限流和限溫兩種策略呢？因為反應時(shí)間不僅受到芯片參數離散的影響，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(xiàn)與短路電阻是函數關(guān)系，紅色區域代表因芯片參數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)擊相應的圖標即可選擇并設置電源電壓、線(xiàn)束、汽車(chē)負載和控制輸入。每個(gè)輸入輸出值都可選擇，并繪制成可縮放的圖形。數據導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(見(jiàn)圖4) • 設置 PCB散熱系統溫度(見(jiàn)圖4) • 設置電池電壓 • 設置電池極性接反電壓 • 設置輸入電壓 • 設置環(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(chē)燈) • 設置仿真時(shí)間 • 繪制與電和溫度相關(guān)的所有輸入輸出變量曲線(xiàn)圖 • 評測相對于負載阻抗的電流-時(shí)間曲線(xiàn)
圖2: Twister主窗口: 點(diǎn)擊芯片圖片，即可打開(kāi)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(gè)驅動(dòng)10W轉向燈的140m 高邊驅動(dòng)器VNx7140Ax，在所有最?lèi)毫忧闆r下，測評必須滿(mǎn)足下列條件： 結溫 < 熱關(guān)斷閾值 1) 導通< 10ms時(shí)的功率限制時(shí)長(cháng) 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(hù)可在這里設置最?lèi)毫訔l件下的芯片參數和邊界條件。 當環(huán)境溫度是規定的最高溫度時(shí)，如果熱關(guān)斷閾值和ILimH 限流參數高值均最低的工藝角批次芯片導通，就會(huì )發(fā)生結溫達到熱關(guān)斷值的重大風(fēng)險(見(jiàn)圖5) .
圖3: MO-7VNx7140Ax 轉向燈高邊驅動(dòng)器最?lèi)毫忧闆r評測電路連接配置示例.
圖4: 芯片選型菜單中最?lèi)毫訔l件評測參數設置 在導通時(shí)引起最長(cháng)功率限制時(shí)間的最?lèi)毫訔l件有兩個(gè)特征：環(huán)境溫度= -40oC，產(chǎn)品數據手冊中的最小 ILimH值。燈泡涌流在-40oC時(shí)最高。兩個(gè)并聯(lián)的H6W 燈泡的涌流可達到15A。這個(gè)參數結合ILimH=8A將在導通時(shí)產(chǎn)生最長(cháng)功率限制時(shí)間, 結果車(chē)燈開(kāi)啟時(shí)間被延遲。如圖6所示，在最?lèi)毫訔l件下，VNx7140AX功率限制時(shí)間在3ms(3ms << 10ms)范圍內。 圖7所示是在Twister上進(jìn)行最?lèi)毫訔l件評測的全部評測結果。如果需要，用戶(hù)可向意法半導體車(chē)身產(chǎn)品部索取給定情況的概率評測靜態(tài)數據。
圖 5: TAMB=105oC時(shí)的VNX7140AX行為。在TTSD=167oC和ILimH=8A時(shí)發(fā)生熱關(guān)斷 (根據產(chǎn)品銷(xiāo)售數據，概率 < 0.1ppm)
圖 6: VNX7140AX驅動(dòng)2支H6W轉向燈的IOUT& TJ 仿真曲線(xiàn)（ILimH=8A， TAMB=-40oC）。 4. 保護分析和線(xiàn)徑優(yōu)化 圖8中的紅色曲線(xiàn)代表20m MO-7高邊驅動(dòng)器VND720AJ反應時(shí)間測試數據。將這條在Twister中取得的曲線(xiàn)導出后并另存為Excel表格文件，然后，將其分別與21W+21W+5W車(chē)燈和線(xiàn)徑0.5 mm2 銅導線(xiàn)的電流-時(shí)間曲線(xiàn)對比（見(jiàn)圖8）。這個(gè)分析的目的是檢查負載、驅動(dòng)器和線(xiàn)束之間層級是否正確。這里必須說(shuō)明的是，在沒(méi)有外部器件幫助的條件下，高邊驅動(dòng)器的 IRMS電流始終低于線(xiàn)徑0.5 mm2 銅導線(xiàn)上的最大IRMS電流，因此，在任何情況下，該芯片都能保護線(xiàn)束。此外，還可以通過(guò)軟件交互進(jìn)一步控制電流，實(shí)現t>1s的延遲（圖8中的虛線(xiàn)）。在這種情況下，通過(guò)微控制器控制，該芯片可以保護線(xiàn)徑0.35mm2 的銅線(xiàn)。
圖 7: VNX7140AX重啟后熱保護評測。注：M0-7高邊驅動(dòng)器還能設成鎖保護模式，當TJ 達到 TTSD時(shí)，芯片將被鎖保護。
圖 8: VND7020AJ M0-7固態(tài)繼電器和燈泡及線(xiàn)徑的電流時(shí)間曲線(xiàn)比較 5. 結論 Twister是一個(gè)獨立的好用的功率芯片仿真器，準許用戶(hù)查看所有可能的邊界條件和芯片參數對設計的影響；熱電混合仿真準許用戶(hù)評測MOTM驅動(dòng)器在最?lèi)毫訔l件下的性能表現。此外，Twister還準許用戶(hù)利用目標保護策略計算并優(yōu)化線(xiàn)徑。 |
