車(chē)身控制模塊中的失效保護方法

像硬短路一樣的短路事件比較容易保護，例如，受驅動(dòng)器限制的負載電流。在這種情況下，功耗不是I2R的結果，而是驅動(dòng)器上的電壓降與相應的限流的結果。這是一個(gè)高功耗事件，大部分功耗發(fā)生在智能開(kāi)關(guān)上而不是線(xiàn)束上。因此，開(kāi)關(guān)的溫度迅速升高，激活過(guò)熱關(guān)斷功能，從而保護相關(guān)的線(xiàn)束。

車(chē)身模塊中的大多數負載是燈泡。燈泡有一個(gè)很難處理的特性：涌流，我們了解并喜歡這個(gè)特性。涌流要求強迫固態(tài)開(kāi)關(guān)的限流值遠遠高于穩定狀態(tài)開(kāi)關(guān)操作所需的限流值。我所說(shuō)的一切都是為了說(shuō)明：當沒(méi)有發(fā)生嚴重的硬短路事件時(shí)，這些高涌流的元器件準許異常高的穩態(tài)電流在線(xiàn)束內流動(dòng)，這就是固態(tài)開(kāi)關(guān)保護自我而不保護所在系統的情況。這時(shí)，電流強度還不足以激活開(kāi)關(guān)限流功能，但是足以燒毀線(xiàn)束或電路板。

在圖5的示例中有一個(gè)點(diǎn)，智能開(kāi)關(guān) (VN5010)將繼續前行，而電線(xiàn)將開(kāi)始自毀（紅線(xiàn)在藍色虛線(xiàn)上方）。如果這種情況是真實(shí)的，甚至連電路板都可能會(huì )自毀?，F在考慮到涌流要求很可能更加嚴格，我們開(kāi)始意識到有必要開(kāi)發(fā)一個(gè)能夠仿真熔斷器特性的保護算法。

在用一個(gè)“大熔斷器”保護多個(gè)上橋臂驅動(dòng)負載的應用中，有些問(wèn)題需要考慮。在這些應用中，“大熔斷器”的電流處理功能可能高于任何一條被保護的線(xiàn)束。因此，當一條電線(xiàn)上出現“軟短路”時(shí)，如果上橋臂驅動(dòng)器十分強健，能夠處理更高的短路電流和熔斷保護功能，那么線(xiàn)束或電路板可能會(huì )自毀。

圖6：當智能開(kāi)關(guān)只能自我保護時(shí)的后果

該解決方案是實(shí)現一個(gè)能夠仿真熔斷器的I2-t特性的智能電路保護算法。這個(gè)概念可轉化為“曲線(xiàn)下面積”。在下圖(圖 7)中，曲線(xiàn)下面積(A區)是保護算法的I2-t界限內。B區所示是在一段時(shí)間內的恒定超負載條件，其中，超負載電流小于智能開(kāi)關(guān)的限流值。在這個(gè)圖中，當限流值超過(guò)曲線(xiàn)時(shí)，智能開(kāi)關(guān)不會(huì )被閉鎖。當B區突破A區時(shí)，器件閉鎖。這個(gè)原則適用于超負載在開(kāi)關(guān)激活后存在很長(cháng)時(shí)間的狀況。

圖7：超負載與功率限制區比較

可能存在一種特殊的瞬間過(guò)流狀況：瞬間過(guò)流超出曲線(xiàn)與A區交接的界限，但是“曲線(xiàn)下面積”不足以產(chǎn)生錯誤開(kāi)關(guān)條件。在下圖中(圖8)，這個(gè)錯誤是很?chē)乐氐?，但是因為時(shí)長(cháng)太短，不足以產(chǎn)生錯誤開(kāi)關(guān)條件。

圖8：瞬間錯誤不會(huì )產(chǎn)生錯誤關(guān)斷狀況

這種保護算法準許出色多個(gè)涌流，同時(shí)不會(huì )強制系統處理比正常高出很多的穩態(tài)電流。因此，這種算法提供一個(gè)強健的保護功能，既可以保護開(kāi)關(guān)本身，又可以保護被開(kāi)關(guān)驅動(dòng)的線(xiàn)束。再加上其它的安全機制，如內置的看門(mén)狗和激活功能，這個(gè)已經(jīng)很安全的解決方案將會(huì )變得更加安全。

利用一個(gè)升降序計數器，可以在芯片上實(shí)現這個(gè)算法，控制該升降序計數器的是流經(jīng)開(kāi)關(guān)的電流的平方(圖 9)。

圖9： i-t 限制控制環(huán)路

計數器的方向由參考電流確定。當檢測電流高于參考電流閾值時(shí)，計數器升序計數，速率與檢測電流和參考電流的差的平方成正比。當檢測電流低于參考電流閾值時(shí)，計數器以固定值降序計數。固定降序計數值的設定目的是更好地估算熔斷器的散熱性。

這個(gè)閾值涌流要比電線(xiàn)的電流處理能力略低（如圖5所示，小于14A DC)。計數器一旦達到某一個(gè)預設值后，輸出就會(huì )被立即關(guān)斷。因為這種算法是利用熔斷器型的特性保護電線(xiàn)，所以直到微控制器重新初始化，將輸出重新導通之前，驅動(dòng)器始終保持關(guān)斷狀態(tài)。

圖10：采用保護算法的外推i2-t曲線(xiàn)與電線(xiàn)和熔斷器比較