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模擬工具可預防各種車用情境中的嚴重問題
[作者 意法半導體]   2024年02月07日 星期三 瀏覽人次: [1628]

在設計和部署因應嚴峻車用環境的先進解決方案時,設計人員需要使用者友善、快速而且對硬體要求較低的互動式模擬工具。採用分散式智慧能夠釋放系統性能,然而會產生系統韌性和即時回饋能力的需求。


在汽車產業,設計人員需要解決、減少和預防一些可能導致引擎控制模組(Engine Control Module;ECM)或其他電子控制單元(Electronic Control Unit;ECU)等關鍵元件損壞的嚴重問題。這些系統故障可能帶來事故或其他安全隱患,為了因應這些危險,汽車廠商採用了各種保護措施,例如保險絲、斷路器和過壓保護裝置,以及防止關鍵元件過熱的熱管理技術。


準確的模擬工具有助於提前發現潛在的問題,讓工程師能夠對設計進行必要的修改或調整,以便於在第一時間防止這些問題發生。此外,膜體實驗還可以優化電氣系統的設計,確保其能夠處理可能遇到的最大電流和電壓,讓汽車系統變得更安全可靠。


全面性的模擬功能至關重要

在下一代汽車的研發中,工程師在配電面臨諸多挑戰,需要採用分散式智慧方法來同步解決幾個關鍵因素:包括車輛韌性、效能及永續性。


對意外事故、惡劣天氣、設備故障等不可預見情況的承受能力對車輛韌性至關重要。效能在降低功耗、碳排放和保養費用方面發揮著關鍵作用,同時有助於提升整車性能和可靠性。永續性是降低車輛對環境的影響和促進低碳的關鍵因素。


為了達成這些目標,工程師必須使用經過全面模擬實驗驗證的創新解決方案和概念,以開發出滿足產業需求的先進汽車系統,並提供更安全、更可靠、更永續、更愉悅的駕駛體驗。配電系統所用的智慧功率開關二極體是複雜的電子元件,需要經過電熱模擬實驗,才能確保最佳性能。


分析功率開關的電氣行為,包括開關二極體的高電壓電流處理能力、回應時間,以及偵測和隔離故障的能力,都離不開電模擬實驗。另一方面,分析開關在操作過程中產生的熱量需要進行熱模擬實驗,因為熱量會影響開關的性能和可靠性。


透過進行電熱模擬實驗,工程師可以優化智慧開關的設計,確保其能滿足設計的性能需求,同時保持安全的工作溫度。另外,採用模擬驗證還可以提升配電系統的效能、可靠性和安全性,同時確保系統能達到合理有效的保護機制和診斷功能。


1.一覽產品資訊

為了確保做出最佳選擇,必須在使用者友善、可客製的互動式環境中進行模擬實驗,這樣才能快速瞭解智慧開關的行為。第一步是確定哪些產品符合電氣要求。


意法半導體的TwisterSIM電熱模擬器是達成此一目的的理想工具,為選擇VIPower專門設計,包括智慧高低邊驅動器,以及用於馬達控制的全橋拓撲。該模擬工具可以從列表中準確選擇候選元件,並提供基本的產品資訊。因此,設計人員可以快速輕鬆地評估不同的智慧開關的性能,並選擇最適合特定用途的開關,如圖一所示。



圖一 : 預選VIPower智慧驅動器
圖一 : 預選VIPower智慧驅動器

根據電源電壓、元件拓撲、通道數量、負載類型和特性、電源類型、環境溫度和PCB 功率耗散面積等各種輸入資料,該模擬器可以提供有關預計最大結溫(TJMAX)的寶貴資訊,進行快速有效的產品預選。


這些資訊至關重要,有助於為每個通道選擇合適的通態電阻(RON),並確保工作狀態下的熱預算滿足元件的絕對最大額定值。


2. 深入瞭解性能

為了研究驅動器的電熱行為,模擬器生成一個原理圖電路,電路中包含預選元件以及分別與電池和負載連接的輸入/輸出電路(圖二)。



圖二 : VIPower驅動器模擬實驗的電路圖
圖二 : VIPower驅動器模擬實驗的電路圖

其中:


VBATT是電池電壓;


VIN 是微控制器的輸入電壓;


RLINE_IN 和 RLINE_OUT是驅動器輸入和輸出端的電線寄生電阻。


在開始模擬之前,需要先執行定義步驟,自訂專案參數。在此階段,設計人員確定電路圖中元件的參數值和模擬設定。電路圖中元件的參數值對於確定電路的行為至關重要,必須仔細選型,確保電路符合性能規格的要求。


模擬設定是定義設計者想要透過模擬實驗再現並分析哪些運作狀況,例如,設計人員可能想要檢查電路中的電壓和電流波形,確定功耗或評估電路的熱行為。透過自訂專案參數,設置模擬變數,設計人員可以確保模擬結果準確反映電路的行為,並提供優化設計所需的資訊(圖三)。



圖三 : 模擬定義過程
圖三 : 模擬定義過程

使用TwisterSIM進行模擬實驗的一大益處,在於可以在模擬過程中即時顯示結果。此功能讓設計人員在模擬過程中監視電路的運作,並快速辨識問題或需要改善之處。


模擬結果的即時顯示可以協助設計者提升設計優化的效率和效果,例如,當模擬結果顯示電路消耗過多電流或溫度上升過快時,設計人員可以快速調整電路參數,立即看到參數變化對模擬結果的影響。


此功能可以節省時間和資源,因為設計人員不必等到模擬結束,就能快速發現並解決問題。TwisterSIM的即時顯示模擬結果可以提升設計優化的效率和效果,進而提升配電系統的效能、可靠性和安全性。


3.依照需求客製模擬結果


圖四 : 根據資料視覺化客製曲線和圖表
圖四 : 根據資料視覺化客製曲線和圖表

工程師可以修改模擬參數、資料和視覺化圖形,以滿足特定需求並做出知情決策,同時取得最佳結果。該模擬器為分析和優化 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,如圖四所示。


設計人員可以利用 TwisterSIM 設計開發高效且具有韌性的驅動器,讓其擁有有效的診斷和保護功能,具體方法是優化設計的性能和可靠性,降低熱應力或電應力引起的失效風險,整合錯誤再現和極限參數記錄等功能。此外,這種設計方法還可以降低線束尺寸和重量,減少車輛的碳足跡。


危急情境

在嚴峻的汽車生態系統中,特別是重複短路事件可能導致熱關斷(Thermal Shutdown;TSD)的情況,做到熱保護機制至關重要。在這種情況下,驅動器會嘗試透過功率限制保護措施(最大電流和熱滯迴圈)重新開啟系統,並保持TSD模式,直到過熱問題解除。


TwisterSim亦具有這種特定的控制功能,以高邊驅動器VND9012AJ(採用VIPower M0-9技術研製的智慧功率開關)為例,TwisterSim可以準確地再現開關的運作情況,然後將模擬結果與實驗資料進行比對,如圖五所示。



圖五 : VND9012AJ 在重複短路事件情況下的模擬結果與實驗資料的比較
圖五 : VND9012AJ 在重複短路事件情況下的模擬結果與實驗資料的比較

其中:


IOUT是驅動器的輸出電流;


Δt是指模擬結果與實測資料中TSD事件之間的時間差。


模擬結果顯示,TwisterSIM 是一種高效的工具,可以精確地模擬和模擬熱保護機制的限流和熱關斷(TSD)觸發狀況。


輸出電流值的模擬資料誤差小於2%,而TSD發生時間誤差約為0.8ms。這證明 TwisterSIM 在現實條件下預測系統行為的正確率很高。


結論

隨著下一代汽車時代的來臨,工程師面臨著研發先進解決方案的挑戰,部署分散式智慧可以讓系統釋放強大的性能。為了達成此一目標,新設計必須優先考慮效能和韌性,功能全面的模擬工具對於確保準確性和有效性至關重要。


透過充分利用 TwisterSIM 的功能,開發者可以優化新的 VIPower 驅動器設計,獲得最高的性能和可靠性,同時最大限度地降低熱應力或電應力引起的失效風險,為綠色低碳的永續發展奠定基礎。


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


任職於意法半導體)


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