車身電子高邊驅(qū)動芯片的仿真與選型

江凱敏，徐 偉，陳文慶，朱光歡

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

車身電子的許多負載都需要高邊驅(qū)動芯片來驅(qū)動，例如近遠光燈、位置燈、倒車燈、制動燈、轉(zhuǎn)向燈、霧燈、頂燈、氛圍燈等，不同的負載類型其驅(qū)動電流不一樣，需要不同的驅(qū)動芯片，這個時候我們需要進行高邊驅(qū)動芯片驅(qū)動能力的仿真，仿真其在最差工作工況下的電流驅(qū)動能力，確保負載驅(qū)動設計安全可靠。

車身電子最惡劣的工況通常有兩個，一個是16V/85℃高壓高溫惡劣工況，另外一個是16V/-40℃高壓低溫惡劣工況。高壓低溫惡劣工況下，芯片工作溫升引起的熱量容易被周圍吸收，引起芯片過熱保護的風險較小；而高壓高溫惡劣工況下則熱量容易累積在芯片內(nèi)部進而引起芯片過熱保護。同時車身電子控制ECU一般是密封在駕駛艙里面，當外溫85℃時，ECU內(nèi)部溫度實際已經(jīng)有95℃左右，所以進行芯片驅(qū)動能力仿真時通常會選擇高溫高壓16V/95℃工況進行仿真。

進行車身電子驅(qū)動芯片仿真時，一般需要仿真在高溫高壓工況下其滿負載工作時的節(jié)點溫度是否會超過芯片的節(jié)點溫度150℃，如果超過了芯片就會過熱保護。同時在設計時考慮設計預留，通常在最惡劣工況下工作時，保證芯片節(jié)點溫度不可以超過145℃，留有5℃的設計預留空間。

當芯片在16V/95℃最大負載電流工作情況下，芯片節(jié)點溫度升到145℃時，此時的驅(qū)動電流就是最大的驅(qū)動工作電流Imax，我們的負載最大工作電流不能超過Imax，一旦超過這個電流，我們芯片會過熱保護而且切斷輸出。

目前汽車電子行業(yè)的高邊驅(qū)動芯片通常有兩家，一個是Infineon （英飛凌），另外一個是ST （意法半導體）。英飛凌不提供仿真軟件，但是意法半導體提供仿真軟件TwisterSIM，所以通常零部件供應商會選擇ST芯片進行開發(fā)設計，其可以進行仿真分析，減少開發(fā)人力成本，同時可以提前做好芯片驅(qū)動的設計失效及后果分析DFMEA。

通過驅(qū)動的仿真分析，可以提前知道芯片的電流驅(qū)動能力，以便于驅(qū)動負載電流的設定和定義，有利于做好整車電子負載的DFMEA，同時可以結(jié)合實際負載進行可靠性分析和驗證。

1 車身電子高邊驅(qū)動仿真軟件的介紹與應用

如圖1所示，TwisterSIM是ST公司的高邊驅(qū)動專門仿真軟件，主要用于燈泡、LED等車身電子負載的仿真與分析，我們可以在模型里面選擇負載類型、負載電流、仿真時間、芯片的PCB封裝類型、芯片的節(jié)點溫度保護等，在設定好仿真條件以后就可以進行仿真。

2 Tw isterSIM 仿真軟件的仿真步驟

如圖2所示，進行芯片仿真能力設置需要以下幾個步驟。

第1步：時間設定。一般高邊驅(qū)動芯片的仿真時間需要30s以上，有足夠的時間讓芯片的溫度穩(wěn)定下來。寫入時間推薦1000μs，跨步長一點，不然仿真時間太長了。步調(diào)推薦間隔為1μs，就是仿真的分辨率。Plot是仿真畫圖，將仿真的結(jié)果繪制出來，具體如圖3所示。

圖3 時間設定

第2步：芯片的選定。點擊芯片后，進入芯片的選擇項目，我們可以選擇12V、高邊驅(qū)動、M0-7內(nèi)核、2通道的驅(qū)動芯片，同時可以選擇仿真的芯片封裝，一般推薦2cm2的PCB封裝，F(xiàn)R4的PCB材料。此外還可設置仿真起步溫度95℃和芯片保護溫度150℃，具體如圖4所示。

圖4 芯片的選定和仿真參數(shù)設置

第3步：負載類型選擇。如圖5所示，點擊負載以后，可以在彈出的界面選擇負載類型：電阻、恒流源、LED、燈泡等負載，在參數(shù)里面可以單獨輸入或是表格導入仿真時間，一般推薦恒流源進行仿真。

圖5 仿真負載類型選擇和仿真時間設定

圖6 仿真曲線選擇

第4步：仿真曲線選擇。如圖6所示，在設置負載類型和芯片等參數(shù)以后，在主界面選擇所需要顯示的波形曲線。例如節(jié)點溫度Tj、表面溫度Ta、電壓V、電流I等，點擊Option，可以選擇曲線；選擇有用的，無用的不用選。通常我們需要選擇節(jié)點溫度Tj和電流Iout。

第5步：仿真分析及結(jié)果。如圖7所示，在一切參數(shù)設置好以后，點擊界面的Simulation，然后得到相應的仿真結(jié)果。當30s仿真時間不足以讓芯片溫度穩(wěn)定時，可以設定延遲時間，直到芯片的節(jié)點溫度穩(wěn)定為止。

圖7 仿真分析及結(jié)果（以VND7140AJ PWM負載類型為例）

3 恒流負載的高邊驅(qū)動芯片仿真與選型

一般恒流負載的驅(qū)動就是芯片的輸出為100%PWM方式驅(qū)動，例如汽車的近光燈、遠光燈、頂燈、位置燈等。此時仿真就用恒流源進行仿真，按照上面圖2～6的相關步驟設定：16V/95℃，節(jié)點Tj溫度最大為145℃；雙通道帶恒流負載下仿真得到的最大驅(qū)動電流：①VND7140AJ雙通道1.2A；②VND7050AJ 雙 通 道3A；③VND7020AJ 雙 通 道5A；④VND7012AJ雙通道6A。

其他高邊驅(qū)動芯片也可以通過相同的方法仿真得到相應的最大恒流負載驅(qū)動電流Imax。圖8～9是VND7140AJ的仿真數(shù)據(jù)。

對現(xiàn)有的恒流負載選擇高邊驅(qū)動芯片時，要選擇芯片的最大恒流負載驅(qū)動電流Imax大于負載最大工作電流I。

圖8 恒流負載： VND7140AJ通道1的仿真數(shù)據(jù)

圖9 恒流負載： VND7140AJ通道2的仿真數(shù)據(jù)

4 高邊驅(qū)動芯片對負載沖擊電流的驅(qū)動能力仿真與分析

在整車環(huán)境中，有的負載內(nèi)部是帶DCDC或是穩(wěn)壓電源模塊的，其在第一次打開時，往往存在瞬間沖擊電流，可能會導致芯片過熱或過流保護而切斷輸出，所以需要對選用的芯片進行負載沖擊電流的驅(qū)動能力分析。

這種帶有沖擊電流的負載一般是由其內(nèi)部的電感和電容引起，所以通常需要車身電子負載廠家提供具體的沖擊電流曲線參數(shù)，用于芯片選型的可靠性仿真與分析。

一般沖擊電流的時間在50μs左右，最大的沖擊電流一般不能超過芯片的極限工作電流Ilimit，不同的芯片在16V/95℃下能夠承受的沖擊電流不同。

按照上面圖2～6的步驟設置不同芯片型號后，經(jīng)過仿真得出：①VND7140AJ雙通道能夠承受12A/50μs的沖擊電流，節(jié)點溫度小于145°；其芯片的極限電流為12A。②VND7050AJ雙通道能夠承受30A/50μs的沖擊電流，沖擊電流小于145°；其芯片的極限電流為30A。③VND7020AJ雙通道能夠承受63A/50μs的沖擊電流，沖擊電流小于145°；其芯片的極限電流為63A。④VND7012AJ雙通道能夠承受75A/50μs的沖擊電流，沖擊電流小于145°；其芯片的極限電流為75A。

其他高邊驅(qū)動芯片也可以通過相同的方法仿真得到相應最大的沖擊電流Ipulse等于芯片的最大極限Ilimit電流。

針對帶有沖擊電流的負載，在選擇驅(qū)動芯片型號時，要選擇最大極限電流Ilimit大于最大沖擊電流Ipulse的芯片。圖10～11是VND7140AJ的仿真數(shù)據(jù)。

圖10 帶沖擊電流負載： VND7140AJ通道1的仿真數(shù)據(jù)

圖11 帶沖擊電流負載： VND7140AJ通道2的仿真數(shù)據(jù)

5 PWM負載的高邊驅(qū)動仿真與選型

在車身電子實際負載驅(qū)動中，有時候驅(qū)動形式會選用PWM進行驅(qū)動，例如車內(nèi)氛圍燈。當PWM驅(qū)動頻率越高，其EMC干擾越大；當PWM驅(qū)動頻率越低，有時候肉眼會看出閃爍，所以通常推薦200Hz左右的頻率，EMC干擾較小，同時看不出閃爍；當調(diào)節(jié)PWM占空比時，可以調(diào)節(jié)負載的輸出功率：負載LED或負載燈泡的亮度會隨著PWM的占空比變化而變化。

下面以200Hz PWM 20%占空比進行仿真分析說明，按照上面圖2～6相關步驟進行設置：16V/95℃，200Hz 20%的PWM負載輸出，不斷提高負載電流直到節(jié)點溫度為145℃，得出以下仿真結(jié)果：①VND7140AJ雙通道200Hz 20%PWM最大驅(qū)動電流3A；②VND7050AJ雙通道200Hz 20% PWM最大驅(qū)動電流7A；③VND7020AJ雙通道200Hz 20% PWM最大驅(qū)動電流15A；④VND7012AJ雙通道200Hz 20% PWM最大驅(qū)動電流17A。

其他高邊驅(qū)動芯片也可以通過相同的方法仿真得到相應的最大PWM驅(qū)動電流Ipwm。圖12～13是VND7140AJ的仿真數(shù)據(jù)。對帶有PWM的負載在選擇驅(qū)動芯片型號時，要選擇最大PWM驅(qū)動電流Ipwm大于實際負載最大電流的芯片。

圖12 20% PWM負載： VND7140AJ通道1的仿真數(shù)據(jù)

圖13 20% PWM負載： VND7140AJ通道2的仿真數(shù)據(jù)

6 結(jié)束語

仿真軟件TwisterSIM，可以很好仿真出芯片的最大驅(qū)動電流，提前知道芯片的驅(qū)動風險，便于我們選擇負載類型進行設計失效模式及后果分析DEMEA工作和可靠性設計分析。

通過仿真可以清晰得出驅(qū)動的電流或電壓波形，提前知道電流或是電壓在驅(qū)動時是否會引起EMC干擾。

從仿真后的芯片節(jié)點溫度Tj可以看出其芯片的溫升曲線，檢查其在最大負載電流工作時是否進入過溫度保護等情況，提前做好芯片保護等措施。

TwisterSIM軟件同時還可以選擇電機模型進行仿真，可以設置電機內(nèi)部的電感量，進行模式的仿真與應用，特別仿真分析電機掉電后的反向電動勢對系統(tǒng)的沖擊，提前可分析驅(qū)動芯片的潛在風險。

用芯片進行仿真后可以知道其在2cm2封裝、FR4 PCB板、16V/95℃、節(jié)點溫度為145℃的情況下最大承受電流Imax。那么在實際調(diào)試過程中，可以結(jié)合實際的負載PCB，進行實際的驗證調(diào)試，一般情況下實際調(diào)試得到的最大負載驅(qū)動電流和仿真得到的最大驅(qū)動電流Imax相差不大，不過還是需要驗證，以仿真結(jié)果為指導，實際的調(diào)試結(jié)果為準。

為了達到仿真后的設計兼容，通常會選擇同一款芯片進行兼容設計，當負載電流變大時，可以用同一款驅(qū)動能力更大的芯片進行更換，因為M07內(nèi)核的高邊驅(qū)動芯片封裝是一樣的，僅僅是芯片內(nèi)阻不一樣，但是封裝及Pin定義是一樣的，例如VND7140AJ、VND7020AJ、VND705AJ等。

通常在特定的芯片仿真時，我們會選擇LED恒流源進行仿真，然后再轉(zhuǎn)成負載功率。先仿真得出最大驅(qū)動電流Imax，然后計算出最大負載功率Pmax=Imax×16V，用此來選擇負載功率，確保其最大的負載功率要小于Pmax。