均衡電流,實(shí)現車(chē)規智能驅動(dòng)器的最佳性能

在汽車(chē)電源管理系統中做分布式智能設計時(shí)，對于智能功率開(kāi)關(guān)，確保保護機制是否真正實(shí)現了智能至關(guān)重要，尤其是在涉及多通道驅動(dòng)器的場(chǎng)景中，因為即使是輕微的電流失衡或意外的負載短路都會(huì )影響保護效果。

智能驅動(dòng)器在管理和分配汽車(chē)電池包到各種組件（ECU、電機、車(chē)燈、傳感器等）方面發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用，這些多通道驅動(dòng)器同時(shí)控制不同的電氣負載，例如，電阻式執行器、電感式執行器和電容式執行器。所有通道的電流都保持均衡對于驅動(dòng)器正常運行并確保車(chē)輛正常且高效地運行至關(guān)重要。在電路布局中，任何造成電流通過(guò)特定金屬路徑集中的輕微電流失衡、負載損壞或失效以及接線(xiàn)不當等意外情況，都可能導致局部電路出現電流聚集效應。電流失衡現象將會(huì )導致芯片過(guò)熱和熱點(diǎn)聚集，最終損壞或燒毀元件。

雖然做了熱模擬實(shí)驗和預防措施，但仍需檢查和驗證智能保護機制的實(shí)現情況，這有助于發(fā)現可能影響干預時(shí)效的潛在問(wèn)題。

智能開(kāi)關(guān)中的熱檢測

高邊開(kāi)關(guān)需要在空間非常小的緊湊封裝內處理大電流，對于能否高效地管理熱量，電流均衡是一個(gè)重要的影響因素。智能功率開(kāi)關(guān)通常安裝在通風(fēng)和散熱不良的封閉區域，這使得熱管理變得更加重要。

因此，保護機制的智能性能取決于嵌入式熱診斷功能，這些基于熱檢測和保護機制的診斷功能用于監測驅動(dòng)器的溫度，并在溫度超過(guò)預設閾值時(shí)執行保護操作。準確度是測溫技術(shù)面臨的一個(gè)難題，因為多通道驅動(dòng)器的電流均衡度對測溫準確度影響很大。

局部電流密度突然變高或短路情況是設計人員非常關(guān)心的一個(gè)問(wèn)題，這兩種現象會(huì )產(chǎn)生分散的熱點(diǎn)，導致突發(fā)性的熱聚集效應，使溫度驟然升高。這些情況可能導致過(guò)熱和元器件失效，而且維修成本高昂。

為了防止熱沖擊損壞元器件，保護電路被設計為限制電流并使功率MOSFET保持在安全工作區域（SOA）內，直到觸發(fā)熱關(guān)閉功能，關(guān)閉驅動(dòng)器。然而，這種類(lèi)型的保護可能會(huì )在功率器件表面產(chǎn)生物理應力。為滿(mǎn)足電浪要求和工藝容差，限流值需要設置得較高，但是，當驅動(dòng)短路負載時(shí)，較高的限流值會(huì )導致芯片表面的溫度快速上升。溫度驟變會(huì )在芯片表面產(chǎn)生巨大的熱梯度，從而產(chǎn)生熱機械應力，影響器件的可靠性。

VIPower M0-9的解決方案是在高邊驅動(dòng)器低溫區和高溫區分別集成一個(gè)溫度傳感器（如圖1所示）。

圖1 具有不同溫度傳感器的智能開(kāi)關(guān)的原理圖

溫度傳感器采用多晶硅二極管制造技術(shù)，因為多晶硅二極管的溫度系數在整個(gè)工作溫度范圍內保持很好的線(xiàn)性。低溫傳感器置于驅動(dòng)器內部靠近控制器側的低溫區，而高溫傳感器則位于功率級區域，這是驅動(dòng)器內部溫度最高的區域。

這種雙傳感器技術(shù)可以限制驅動(dòng)器的溫度升幅，因為當溫度達到過(guò)溫閾值，或者兩個(gè)傳感器動(dòng)態(tài)溫度差值達到閾值，熱保護就會(huì )觸發(fā)。一旦過(guò)熱故障消失，當溫度降低到恢復值時(shí)，智能開(kāi)關(guān)重新激活。

這個(gè)方法有助于減少開(kāi)關(guān)上的熱機械應力引起的熱疲勞。熱機械應力會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移而變大，導致開(kāi)關(guān)性能和可靠性降低。

熱測圖

除了熱模擬實(shí)驗和預防方法，紅外（IR）熱成像技術(shù)也是一種獲取驅動(dòng)器熱測圖的有效技術(shù)，可以讓設計人員全面了解集成電路內的熱量分布，揭示所有潛在的危險因素。

為了評估智能保護電路在惡劣的車(chē)用環(huán)境中的保護效果，必須在兩種不同的應用場(chǎng)景和惡劣的短路條件下分析驅動(dòng)器內的熱量分布：

●   端子短路(TSC)

●   負載短路(LSC)

端子短路是當元器件或設備的端子之間存在低電阻連接的情況，如圖2所示。

圖2 在 TSC條件下的溫度測量測試電路

另一方面，當負載和電源之間存在感應路徑時(shí)，就會(huì )出現負載短路情況，導致電流突然激增（圖3）。

圖3 在 LSC條件下的溫度測量測試電路

測試條件如下：

●   T_amb = 25 °C

●   V_bat = 14 V

●   當熱成像時(shí)，T_on = 1 ms

●   當捕捉熱傳感器和熱點(diǎn)的溫度時(shí)，T_on = 300 ms

●   TSC條件: R_SUPPLY = 10 mΩ, R_SHORT = 10 mΩ

●   LSC 條件: R_SUPPLY = 10 mΩ, L_SHORT = 5 μH, R_SHORT = 100 mΩ

其中，

T_amb是環(huán)境溫度

V_bat直流電池電壓

T_on是短路時(shí)長(cháng)

R_SUPPLY是電池內阻

R_SHORT是短路電阻

L_SHORT是短路電感

為了生成熱測圖，我們使用了紅外攝像機捕捉每個(gè)位置輻射的紅外線(xiàn)，然后將其轉換成溫度值。為了確保特定顏色轉換為正確的溫度值，校準是一個(gè)必不可少的重要過(guò)程。該過(guò)程是比較傳感器拍攝的不同顏色與已知溫度值，分析特定的熱敏參數及其隨溫度升高的趨勢。通過(guò)分析這些參數，校準過(guò)程可以確保熱圖準確地反映被掃描區域的溫度分布。

為了校準紅外攝像傳感器，選用 MOSFET 體漏極二極管的正向電壓 (V_F)，因為它與溫度呈線(xiàn)性關(guān)系。然而，需要對二極管進(jìn)行預校準才能準確的確定其溫度系數。在 25°C 至 100°C 范圍內改變溫度的同時(shí)，測量恒定正向電流 (I_F)的電壓V_F，即可確定二極管的溫度系數。為防止電流及其相關(guān)功耗引起溫升，I_F 取值應在 10mA 至 20mA 范圍內。

用在不同溫度條件下采集的V_F值進(jìn)行線(xiàn)性插值和數學(xué)擬合計算，得到二極管的溫度系數，如圖4所示。

圖4 MOSFET體漏極二極管的預校準

用下列公式計算 (1)：

Dt =(1)

其中：

 Dt是溫度變化量；

 DV_F是正向電壓變化；

K 是二極管的溫度系數。

要創(chuàng )建熱圖，先用紅外成像傳感器以 1ms 的間隔拍攝每個(gè)溫度點(diǎn)。在拍攝完芯片上的所有點(diǎn)位后（大約需要 3000 秒），專(zhuān)用軟件就會(huì )生成熱圖，根據紅外傳感器的最小空間分辨率描繪每個(gè)點(diǎn)位的溫度。把熱圖放到芯片行圖上面，就可以識別工作區域中最熱的熱點(diǎn)，當電流流過(guò)器件時(shí)，就可以確定這些熱點(diǎn)的坐標。

圖 5 所示是VND9012AJ 雙通道智能開(kāi)關(guān)在 TSC 條件下的熱圖。

圖5 VND9012AJ通道在TSC條件下的熱圖

熱測圖法是在25°C 到150°C 溫度范圍內利用不同顏色描述驅動(dòng)器各個(gè)通道的溫度分布情況，這是一個(gè)檢測任何過(guò)熱區域、確保驅動(dòng)器在安全溫度內工作的重要方法。通過(guò)提供每個(gè)通道在不同工況下的熱圖，熱圖測試法可以驗證驅動(dòng)器的工作可靠性，而無(wú)需將溫度提高到最大閾值。

為了找到熱點(diǎn)并監測高溫傳感器和低溫傳感器的溫度變化，驗證熱關(guān)斷機制的效果，在實(shí)驗中必須考慮把短路時(shí)長(cháng)延長(cháng)到300ms。

圖6所示是在TSC時(shí)觀(guān)察到的VND9012AJ的溫度變化。

圖6 兩個(gè)傳感器在TSC條件下的溫度變化

上圖表明，高溫傳感器檢測到VND9012AJ的兩個(gè)通道中都存在熱點(diǎn)，這些熱點(diǎn)的最高溫度在 150 °C 范圍內。

圖 7 所示是VND9012AJ在LSC條件下的熱圖。

圖7 VND9012AJ通道在LSC條件下的熱圖

圖8所示是在LSC 條件下觀(guān)察到的VND9012AJ的溫度變化。

圖8 兩個(gè)傳感器在LSC條件下的溫度變化

這兩種情況都會(huì )觸發(fā)熱保護機制，把電流限制在安全水平。

結論

實(shí)驗結果讓我們能夠深入洞悉智能開(kāi)關(guān)的設計和開(kāi)關(guān)操作特性，特別是電流分布和熱保護機制，為我們提供寶貴的數據。確保所有通道的電流都保持均衡，對于提高汽車(chē)智能功率驅動(dòng)器的安全性和可靠性至關(guān)重要。紅外熱成像技術(shù)可以精確、全面的分析溫度分布情況，增強智能開(kāi)關(guān)的熱感測和保護系統的性能。在要求苛刻的汽車(chē)環(huán)境中，快速激活這些保護功能對檢測過(guò)熱現象、防止設備或系統損壞至關(guān)重要。

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