意法半導(dǎo)體電熱模擬器 TwisterSIM ：下一代汽車(chē)安全的守護(hù)神

在設(shè)計(jì)和部署適應(yīng)惡劣汽車(chē)環(huán)境的先進(jìn)解決方案時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要用戶友好、快捷且對(duì)硬件要求較低的交互式模擬仿真工具。采用分布式智能能夠釋放系統(tǒng)性能，但對(duì)系統(tǒng)韌性和實(shí)時(shí)反饋能力提出了要求。

在汽車(chē)行業(yè)，設(shè)計(jì)人員需要解決、減少和預(yù)防一些可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊(ECM) 或其他電子控制單元(ECU) 等關(guān)鍵部件損壞的嚴(yán)重問(wèn)題。這些系統(tǒng)故障可能帶來(lái)事故或其他安全隱患。

為了應(yīng)對(duì)這些危險(xiǎn)，汽車(chē)廠商采用了各種保護(hù)措施，例如，保險(xiǎn)絲、斷路器和過(guò)壓保護(hù)裝置，以及防止關(guān)鍵部件過(guò)熱的熱管理技術(shù)。

準(zhǔn)確的模擬工具有助于提前發(fā)現(xiàn)潛在的問(wèn)題，讓工程師能夠?qū)υO(shè)計(jì)進(jìn)行必要的修改或調(diào)整，第一時(shí)間防止這些問(wèn)題發(fā)生。

此外，模擬實(shí)驗(yàn)還可以優(yōu)化電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，確保其能夠處理可能遇到的最大電流和電壓，讓汽車(chē)系統(tǒng)變得更安全可靠。

全面的模擬功能至關(guān)重要

在下一代汽車(chē)的研發(fā)中，工程師在配電方面面臨諸多挑戰(zhàn)，需要采用分布式智能方法來(lái)同步解決幾個(gè)關(guān)鍵因素：

• 車(chē)輛韌性；
• 能效；
• 可持續(xù)性

對(duì)意外事故、惡劣天氣、設(shè)備故障等不可預(yù)見(jiàn)情況的承受能力對(duì)車(chē)輛韌性至關(guān)重要。能效在降低功耗、碳排放和保養(yǎng)費(fèi)用方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，同時(shí)有助于提高整車(chē)性能和可靠性。 可持續(xù)性是降低車(chē)輛對(duì)環(huán)境的影響和促進(jìn)低碳的關(guān)鍵因素。

為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，工程師必須使用經(jīng)過(guò)全面模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的創(chuàng)新的解決方案和概念，以開(kāi)發(fā)出滿足行業(yè)需求的先進(jìn)汽車(chē)系統(tǒng)，并提供更安全、更可靠、更可持續(xù)、更愉悅

的駕駛體驗(yàn)。配電系統(tǒng)所用的智能功率開(kāi)關(guān)管是復(fù)雜的電子元器件，需要經(jīng)過(guò)電熱模擬實(shí)驗(yàn)，才能保證最佳性能。

分析功率開(kāi)關(guān)的電氣行為，包括開(kāi)關(guān)管的高電壓電流的處理能力、響應(yīng)時(shí)間，以及檢測(cè)和隔離故障的能力，都離不開(kāi)電模擬實(shí)驗(yàn)。另一方面，分析開(kāi)關(guān)在操作過(guò)程中產(chǎn)生的熱量需要做熱模擬實(shí)驗(yàn)，因?yàn)闊崃繒?huì)影響開(kāi)關(guān)的性能和可靠性。通過(guò)做電熱模擬實(shí)驗(yàn)，工程師可以優(yōu)化智能開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)，確保其滿足設(shè)計(jì)的性能要求，同時(shí)保持安全的工作溫度。采用模擬驗(yàn)證方法可以提高配電系統(tǒng)的能效、可靠性和安全性，同時(shí)確保系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)合理有效的保護(hù)機(jī)制和診斷功能。

1.了解產(chǎn)品信息

為了確保做出最佳選擇，必須在用戶友好、可定制的交互式環(huán)境中做模擬實(shí)驗(yàn)，這樣才能快速了解智能開(kāi)關(guān)的行為。第一步是確定哪些產(chǎn)品符合電氣要求。

意法半導(dǎo)體的電熱模擬器 TwisterSIM 是實(shí)現(xiàn)此目的的理想工具，為選擇VIPower 產(chǎn)品專門(mén)設(shè)計(jì)，包括智能高低邊驅(qū)動(dòng)器，以及用于電機(jī)控制的全橋拓?fù)?。該模擬工具可以從列表中準(zhǔn)確選擇候選器件，并提供基本的產(chǎn)品信息。因此，設(shè)計(jì)人員可以快速輕松地評(píng)估不同的智能開(kāi)關(guān)的性能，并選擇最適合特定用途的開(kāi)關(guān)，如圖 1 所示。

圖1：VIPower智能驅(qū)動(dòng)器預(yù)選

根據(jù)電源電壓、器件拓?fù)?、通道?shù)量、負(fù)載類型和特性、電源類型、環(huán)境溫度和 PCB 功率耗散面積等各種輸入數(shù)據(jù)，該模擬器可以提供有關(guān)預(yù)計(jì)最大結(jié)溫 (TJMAX) 的寶貴信息，進(jìn)行快速有效的產(chǎn)品預(yù)選。

這些信息至關(guān)重要，有助于為每個(gè)通道選擇合適的通態(tài)電阻 (RON) ，并確保工作狀態(tài)下的熱預(yù)算滿足器件的絕對(duì)最大額定值。

2. 深入了解性能

為了研究驅(qū)動(dòng)器的電熱行為，模擬器生成一個(gè)原理圖電路，電路中包含預(yù)選器件以及分別與電池和負(fù)載連接的輸入/輸出電路（圖 2）。

圖2：VIPower驅(qū)動(dòng)器模擬實(shí)驗(yàn)的電路圖

其中：

VBATT是電池電壓；

VIN 是微控制器的輸入電壓；

RLINE_IN 和 RLINE_OUT 是驅(qū)動(dòng)器輸入和輸出端的電線寄生電阻。

在開(kāi)始模擬之前，需要先執(zhí)行定義步驟，自定義項(xiàng)目參數(shù)。在此階段，設(shè)計(jì)人員確定電路圖中元件的參數(shù)值和模擬設(shè)置。

電路圖中元件的參數(shù)值對(duì)于確定電路的行為至關(guān)重要，必須仔細(xì)選型，確保電路符合性能規(guī)格要求。

模擬設(shè)置是定義設(shè)計(jì)者想要通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)并分析哪些工作狀況，例如，設(shè)計(jì)人員可能想要檢查電路中的電壓和電流波形，確定功耗或評(píng)估電路的熱行為。

通過(guò)自定義項(xiàng)目參數(shù)，設(shè)置模擬變量，設(shè)計(jì)人員可以確保模擬結(jié)果準(zhǔn)確反映電路的行為，并提供優(yōu)化設(shè)計(jì)所需的信息（圖 3）。

圖 3：模擬定義過(guò)程

用TwisterSIM進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)的一大好處是，可以在模擬過(guò)程中實(shí)時(shí)顯示模擬結(jié)果。此功能允許設(shè)計(jì)人員在模擬過(guò)程中監(jiān)視電路的工作行為，并快速識(shí)別出問(wèn)題或需要改進(jìn)的地方。

模擬結(jié)果的實(shí)時(shí)顯示可以幫助設(shè)計(jì)者提高設(shè)計(jì)優(yōu)化的效率和效果，例如，當(dāng)模擬結(jié)果顯示電路消耗過(guò)多電流或溫度上升過(guò)快時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以快速調(diào)整電路參數(shù)，立即看到參數(shù)變化對(duì)模擬結(jié)果的影響。

此功能可以節(jié)省時(shí)間和資源，因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員不必等到模擬結(jié)束，就能快速發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題。TwisterSIM的實(shí)時(shí)顯示模擬結(jié)果可以提高設(shè)計(jì)優(yōu)化的效率和效果，從而提高配電系統(tǒng)的能效、可靠性和安全性。

3. 按需定制模擬結(jié)果

圖4：根據(jù)數(shù)據(jù)可視化定制曲線和圖表

工程師可以修改模擬參數(shù)、數(shù)據(jù)和可視化圖形，以滿足他們的特定需求，做出知情決策，并獲得最佳結(jié)果。該模擬器為分析和優(yōu)化 VIPower 電路提供了多種工具，例如，熱圖、電流電壓波形，以及功耗分析，如圖 4 所示。

設(shè)計(jì)人員可以用 TwisterSIM設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)高效且具有韌性的驅(qū)動(dòng)器，讓其具有有效的診斷和保護(hù)功能，具體實(shí)現(xiàn)方法是優(yōu)化設(shè)計(jì)的性能和可靠性，降低熱應(yīng)力或電應(yīng)力引起的失效風(fēng)險(xiǎn)，集成錯(cuò)誤再現(xiàn)和極限參數(shù)記錄等功能。此外，這種設(shè)計(jì)方法還可以降低線束尺寸和重量，從而減少車(chē)輛的碳足跡。

危急場(chǎng)景

在惡劣的汽車(chē)生態(tài)系統(tǒng)中，特別是重復(fù)短路事件可能導(dǎo)致熱關(guān)斷 (TSD) 的情況，考慮實(shí)現(xiàn)熱保護(hù)機(jī)制是至關(guān)重要的。

在這種情況下，驅(qū)動(dòng)器會(huì)嘗試通過(guò)功率限制保護(hù)措施（最大電流和熱滯循環(huán)）重新啟動(dòng)系統(tǒng)，并保持 TSD 模式，直到過(guò)熱問(wèn)題消除。

TwisterSim也有這種特定的控制功能，以高邊驅(qū)動(dòng)器 VND9012AJ（采用VIPower M0-9 技術(shù)研制的智能功率開(kāi)關(guān)）為例，TwisterSim可以準(zhǔn)確地再現(xiàn)開(kāi)關(guān)的工作情況，然后將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如圖 5 所示。

圖 5： VND9012AJ 在重復(fù)短路事件情況下的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較

其中：

IOUT是驅(qū)動(dòng)器的輸出電流；

Dt是指模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中的TSD事件之間的時(shí)間差。

模擬結(jié)果表明，TwisterSIM 是一種高效的工具，可以精確地模擬和仿真熱保護(hù)機(jī)制的限流和熱關(guān)斷 (TSD) 觸發(fā)情況。

輸出電流值的模擬數(shù)據(jù)誤差小于2%，而TSD發(fā)生時(shí)間誤差約為0.8 ms。這證明 TwisterSIM 在現(xiàn)實(shí)條件下預(yù)測(cè)系統(tǒng)行為的正確率很高。

結(jié)論

隨著下一代汽車(chē)時(shí)代的到來(lái)，工程師面臨著研發(fā)先進(jìn)解決方案的挑戰(zhàn)，部署分布式智能可以讓系統(tǒng)釋放強(qiáng)大的性能。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，新設(shè)計(jì)必須優(yōu)先考慮能效和韌性，功能全面的模擬工具對(duì)于確保準(zhǔn)確性和有效性至關(guān)重要。

通過(guò)充分利用 TwisterSIM 的功能，開(kāi)發(fā)者可以優(yōu)化新的 VIPower 驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)，獲得最高的性能和可靠性，同時(shí)最大限度地降低熱應(yīng)力或電應(yīng)力引起的失效風(fēng)險(xiǎn)，為綠色低碳的可持續(xù)發(fā)展鋪平道路。