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[分享] 单片四路车用闪光驱动器

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发表于 2015-9-25 09:55:21 | 显示全部楼层 |阅读模式
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  现在很多系统都是用驱动的(在亚洲被称作分线盒或车身控制模块)。与继电器相比,固态开关技术的优势非常明显:没有活动部件,抗震耐撞击,可靠性高,使用寿命长,驱动负载支持PWM方法,内置诊断功能,电磁干扰低,响应时间更短。闪光器是半导体元器件使用率比较高的汽车电子应用:降低车载电子系统的总成本(绝不以牺牲性能和质量为代价)的趋势,简化汽车配电系统(减少线束和电线)的必要性,降低汽车自重以节省燃油的需求,促使设计人员寻求用一个器件驱动车上所有的闪光灯。
  两路上桥臂驱动器(2x25-mΩ,功率级)是闪光灯常用的元器件,用于驱动车上所有的执行闪光功能的灯泡。在不同的半导体厂商的产品阵容中,都有尺寸与这种特定功率MOSFET相当的通道可配置的元器件。然而,这种种元器件在某些场合并没有很好地解决涌流管理、灯泡断电检测和FMEA等问题。为提高汽车闪光器的驱动性能,意法半导体(ST)推出了四路50-mΩ车用。
  本文通过分析和仿真以及热特性考虑,探讨这款创新产品驱动的闪光器应用。本文还将通过与两路解决方案对比,详细解释四路驱动解决方案的优点和好处。
  根据地理区域不同,汽车闪光器主要分为两大类:假想汽车分为左右两部分,每个部分包含2x21W+1x5W+1x1.2W(欧洲和日本的汽车大多数采用这种配置)或2x27W+1x3.5W+1x1.2W(某些美国汽车采用这种配置)。

典型的闪光器配置

典型的闪光器配置

图1

  图1所示是典型的闪光器配置。功率最高的闪光灯通常是汽车前面中间的车灯,它负责照光亮汽车侧面的回复反射器,车内仪表板上的指示灯是功率最小的光闪灯。图中的电阻器表示连接线的等效电阻:使用横截面0.85mm2的铜线,假设导线长度如下:

- Rin:汽车蓄电池到BCM的导线>1米
- R1:从BCM到前面闪光灯的导线>1.5米
- R2:从BCM到侧面回复反射器>1米
- R3:从BCM到仪表板的导线>0.5米
- R4:从BCM到后面闪光灯的导线>3米
  这种配置的电阻值如下:
-Rin=20-mΩ
-R1=30-mΩ
-R2=20-mΩ
-R3=10-mΩ
-R4=60-mΩ
  这些阻值是在恶劣条件下检查某一个器件接通灯泡的能力,进行精确的涌流仿真的重要条件。模块工程师需要分析和预防可能的有害条件,彻底消除固态开关的退化特性,例如,电涌引起的热应力可能导致驱动器性能退化。精确的预测功率器件的瞬间节温是实现优化设计和评估可靠性级别的前提条件,预测精确度取决于应用和负载以及适合的兼容性评估(所驱动的负载)。
  意法半导体的上桥臂驱动器配备了享誉业界的功率限制专利技术,这个功能是透明的,在适宜负载条件下不会激活,只有在超负载(可能是轻负载或重负载,视负载阻抗而定)条件下才会启动,对灯泡、电路板和开关本身施加保护。ST的负载兼容性通则是:
  在额定条件(13.5V,25°C)下,典型器件(Ilim典型值,热关断温度门限典型值)须对负载进行开关操作,而不会启动功率限制功能;
  冷环境:在数据表中的最恶劣条件下,器件须完全接通负载,准许操作延时,如果功率限制功能被激活,延时须小于20ms。额定参数条件如下:
结温=25°C;
灯温=-40°C,
电池电压=16V
  热环境:在最恶劣条件(Ilim最小值,热关断温度门限最小值)下,器件须接通负载,并保持稳定导通状态,不得达到热关断电流。
结温=85°C(如必要,可设定在105°C);
灯温=25°C;
电池电压=16V.

仿真电路

仿真电路

图2

冷环境仿真的结果

冷环境仿真的结果

图3

热环境仿真的结果

热环境仿真的结果

图4

  因此,根据ST的兼容性规则,当发生最恶劣的状况时,如果用一个器件驱动所有的闪光灯(见图2仿真电路),一个2x25-mΩ的驱动器是如何工作的呢?图3和4所示是一个限流最小(43A)和热关断温度门限最小(150°C)的器件在冷热环境仿真的结果。冷环境仿真几乎涉及不到限流功能,功率限制无效,灯泡打开没有给器件过多的热机械应力。热环境仿真结果显示,在灯泡涌流期间,即便结温起始温度设在85°C,器件也没有达到热关断温度门限。根本没有必要使用复杂的热仿真器进行稳态分析,使用数学方法即可解决问题。第一步,需要计算每路驱动器的rms电流,闪光灯驱动器的工作频率是1?1.5Hz,占空比为45-50%,Irms是:

闪光灯驱动器

闪光灯驱动器

  然后,计算总功耗:

计算总功耗

计算总功耗

  最终的结温等于:
  Tj=Ta+T;T=Ptot*Rthj-a
  查看VND5025LAK(2x25-mΩ产品)数据表,器件热阻Rthj-a是40°C/W(PCB占位2cm2)
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