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模拟工具可预防各种车用情境中的严重问题
[作者 意法半導體]   2024年02月07日 星期三 浏览人次: [1629]

在设计和部署因应严峻车用环境的先进解决方案时,设计人员需要使用者友善、快速而且对硬体要求较低的互动式模拟工具。采用分散式智慧能够释放系统性能,然而会产生系统韧性和即时回??能力的需求。


在汽车产业,设计人员需要解决、减少和预防一些可能导致引擎控制模组(Engine Control Module;ECM)或其他电子控制单元(Electronic Control Unit;ECU)等关键元件损坏的严重问题。这些系统故障可能带来事故或其他安全隐患,为了因应这些危险,汽车厂商采用了各种保护措施,例如保险丝、断路器和过压保护装置,以及防止关键元件过热的热管理技术。


准确的模拟工具有助於提前发现潜在的问题,让工程师能够对设计进行必要的修改或调整,以便於在第一时间防止这些问题发生。此外,膜体实验还可以优化电气系统的设计,确保其能够处理可能遇到的最大电流和电压,让汽车系统变得更安全可靠。


全面性的模拟功能至关重要

在下一代汽车的研发中,工程师在配电面临诸多挑战,需要采用分散式智慧方法来同步解决几个关键因素:包括车辆韧性、效能及永续性。


对意外事故、恶劣天气、设备故障等不可预见情况的承受能力对车辆韧性至关重要。效能在降低功耗、碳排放和保养费用方面发挥着关键作用,同时有助於提升整车性能和可靠性。永续性是降低车辆对环境的影响和促进低碳的关键因素。


为了达成这些目标,工程师必须使用经过全面模拟实验验证的创新解决方案和概念,以开发出满足产业需求的先进汽车系统,并提供更安全、更可靠、更永续、更愉悦的驾驶体验。配电系统所用的智慧功率开关二极体是复杂的电子元件,需要经过电热模拟实验,才能确保最隹性能。


分析功率开关的电气行为,包括开关二极体的高电压电流处理能力、回应时间,以及侦测和隔离故障的能力,都离不开电模拟实验。另一方面,分析开关在操作过程中产生的热量需要进行热模拟实验,因为热量会影响开关的性能和可靠性。


透过进行电热模拟实验,工程师可以优化智慧开关的设计,确保其能满足设计的性能需求,同时保持安全的工作温度。另外,采用模拟验证还可以提升配电系统的效能、可靠性和安全性,同时确保系统能达到合理有效的保护机制和诊断功能。


1.一览产品资讯

为了确保做出最隹选择,必须在使用者友善、可客制的互动式环境中进行模拟实验,这样才能快速了解智慧开关的行为。第一步是确定哪些产品符合电气要求。


意法半导体的TwisterSIM电热模拟器是达成此一目的的理想工具,为选择VIPower专门设计,包括智慧高低边驱动器,以及用於马达控制的全桥拓扑。该模拟工具可以从列表中准确选择候选元件,并提供基本的产品资讯。因此,设计人员可以快速轻松地评估不同的智慧开关的性能,并选择最适合特定用途的开关,如图一所示。



图一 : 预选VIPower智慧驱动器
图一 : 预选VIPower智慧驱动器

根据电源电压、元件拓扑、通道数量、负载类型和特性、电源类型、环境温度和PCB 功率耗散面积等各种输入资料,该模拟器可以提供有关预计最大结温(TJMAX)的宝贵资讯,进行快速有效的产品预选。


这些资讯至关重要,有助於为每个通道选择合适的通态电阻(RON),并确保工作状态下的热预算满足元件的绝对最大额定值。


2. 深入了解性能

为了研究驱动器的电热行为,模拟器生成一个原理图电路,电路中包含预选元件以及分别与电池和负载连接的输入/输出电路(图二)。



图二 : VIPower驱动器模拟实验的电路图
图二 : VIPower驱动器模拟实验的电路图

其中:


VBATT是电池电压;


VIN 是微控制器的输入电压;


RLINE_IN 和 RLINE_OUT是驱动器输入和输出端的电线寄生电阻。


在开始模拟之前,需要先执行定义步骤,自订专案叁数。在此阶段,设计人员确定电路图中元件的叁数值和模拟设定。电路图中元件的叁数值对於确定电路的行为至关重要,必须仔细选型,确保电路符合性能规格的要求。


模拟设定是定义设计者想要透过模拟实验再现并分析哪些运作状况,例如,设计人员可能想要检查电路中的电压和电流波形,确定功耗或评估电路的热行为。透过自订专案叁数,设置模拟变数,设计人员可以确保模拟结果准确反映电路的行为,并提供优化设计所需的资讯(图三)。



图三 : 模拟定义过程
图三 : 模拟定义过程

使用TwisterSIM进行模拟实验的一大益处,在於可以在模拟过程中即时显示结果。此功能让设计人员在模拟过程中监视电路的运作,并快速辨识问题或需要改善之处。


模拟结果的即时显示可以协助设计者提升设计优化的效率和效果,例如,当模拟结果显示电路消耗过多电流或温度上升过快时,设计人员可以快速调整电路叁数,立即看到叁数变化对模拟结果的影响。


此功能可以节省时间和资源,因为设计人员不必等到模拟结束,就能快速发现并解决问题。TwisterSIM的即时显示模拟结果可以提升设计优化的效率和效果,进而提升配电系统的效能、可靠性和安全性。


3.依照需求客制模拟结果


图四 : 根据资料视觉化客制曲线和图表
图四 : 根据资料视觉化客制曲线和图表

工程师可以修改模拟叁数、资料和视觉化图形,以满足特定需求并做出知情决策,同时取得最隹结果。该模拟器为分析和优化 VIPower 电路提供了多种工具,例如,热图、电流电压波形,以及功耗分析,如图四所示。


设计人员可以利用 TwisterSIM 设计开发高效且具有韧性的驱动器,让其拥有有效的诊断和保护功能,具体方法是优化设计的性能和可靠性,降低热应力或电应力引起的失效风险,整合错误再现和极限叁数记录等功能。此外,这种设计方法还可以降低线束尺寸和重量,减少车辆的碳足迹。


危急情境

在严峻的汽车生态系统中,特别是重复短路事件可能导致热关断(Thermal Shutdown;TSD)的情况,做到热保护机制至关重要。在这种情况下,驱动器会尝试透过功率限制保护措施(最大电流和热滞??圈)重新开启系统,并保持TSD模式,直到过热问题解除。


TwisterSim亦具有这种特定的控制功能,以高边驱动器VND9012AJ(采用VIPower M0-9技术研制的智慧功率开关)为例,TwisterSim可以准确地再现开关的运作情况,然後将模拟结果与实验资料进行比对,如图五所示。



图五 : VND9012AJ 在重复短路事件情况下的模拟结果与实验资料的比较
图五 : VND9012AJ 在重复短路事件情况下的模拟结果与实验资料的比较

其中:


IOUT是驱动器的输出电流;


Δt是指模拟结果与实测资料中TSD事件之间的时间差。


模拟结果显示,TwisterSIM 是一种高效的工具,可以精确地模拟和模拟热保护机制的限流和热关断(TSD)触发状况。


输出电流值的模拟资料误差小於2%,而TSD发生时间误差约为0.8ms。这证明 TwisterSIM 在现实条件下预测系统行为的正确率很高。


结论

随着下一代汽车时代的来临,工程师面临着研发先进解决方案的挑战,部署分散式智慧可以让系统释放强大的性能。为了达成此一目标,新设计必须优先考虑效能和韧性,功能全面的模拟工具对於确保准确性和有效性至关重要。


透过充分利用 TwisterSIM 的功能,开发者可以优化新的 VIPower 驱动器设计,获得最高的性能和可靠性,同时最大限度地降低热应力或电应力引起的失效风险,为绿色低碳的永续发展奠定基础。


(本文作者Giusy Gambino、Alessio Brighina、Francesco Giuffre’、Filippo Scrimizzi


任职於意法半导体)


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