【導讀】在設計和部署適應惡劣汽車(chē)環(huán)境的先進(jìn)解決方案時(shí)，設計人員需要用戶(hù)友好、快捷且對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性能，但對系統韌性和實(shí)時(shí)反饋能力提出了要求。
在設計和部署適應惡劣汽車(chē)環(huán)境的先進(jìn)解決方案時(shí)，設計人員需要用戶(hù)友好、快捷且對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性能，但對系統韌性和實(shí)時(shí)反饋能力提出了要求。
在汽車(chē)行業(yè)，設計人員需要解決、減少和預防一些可能導致發(fā)動(dòng)機控制模塊(ECM) 或其他電子控制單元(ECU) 等關(guān)鍵部件損壞的嚴重問(wèn)題。這些系統故障可能帶來(lái)事故或其他安全隱患。
為了應對這些危險，汽車(chē)廠(chǎng)商采用了各種保護措施，例如，保險絲、斷路器和過(guò)壓保護裝置，以及防止關(guān)鍵部件過(guò)熱的熱管理技術(shù)。
準確的模擬工具有助于提前發(fā)現潛在的問(wèn)題，讓工程師能夠對設計進(jìn)行必要的修改或調整，第一時(shí)間防止這些問(wèn)題發(fā)生。
此外，模擬實(shí)驗還可以?xún)?yōu)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(chē)系統變得更安全可靠。
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，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；
§ 可持續性
對意外事故、惡劣天氣、設備故障等不可預見(jiàn)情況的承受能力對車(chē)輛韌性至關(guān)重要。能效在降低功耗、碳排放和保養費用方面發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用，同時(shí)有助于提高整車(chē)性能和可靠性。 可持續性是降低車(chē)輛對環(huán)境的影響和促進(jìn)低碳的關(guān)鍵因素。
為了實(shí)現這些目標，工程師必須使用經(jīng)過(guò)全面模擬實(shí)驗驗證的創(chuàng )新的解決方案和概念，以開(kāi)發(fā)出滿(mǎn)足行業(yè)需求的先進(jìn)汽車(chē)系統，并提供更安全、更可靠、更可持續、更愉悅的駕駛體驗。配電系統所用的智能功率開(kāi)關(guān)管是復雜的電子元器件，需要經(jīng)過(guò)電熱模擬實(shí)驗，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、響應時(shí)間，以及檢測和隔離故障的能力，都離不開(kāi)電模擬實(shí)驗。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，因為熱量會(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，工程師可以?xún)?yōu)化智能開(kāi)關(guān)的設計，確保其滿(mǎn)足設計的性能要求，同時(shí)保持安全的工作溫度。采用模擬驗證方法可以提高配電系統的能效、可靠性和安全性，同時(shí)確保系統實(shí)現合理有效的保機制和診斷功能。
1.了解產(chǎn)品信息
為了確保做出最佳選擇，必須在用戶(hù)友好、可定制的交互式環(huán)境中做模擬實(shí)驗，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。
意法半導體的電熱模擬器 TwisterSIM 是實(shí)現此目的的理想工具，為選擇VIPower 產(chǎn)品專(zhuān)門(mén)設計，包括智能高低邊驅動(dòng)器，以及用于電機控制的全橋拓撲。該模擬工具可以從列表中準確選擇候選器件，并提供基本的產(chǎn)品信息。因此，設計人員可以快速輕松地評估不同的智能開(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智能驅動(dòng)器預選
根據電源電壓、器件拓撲、通道數量、負載類(lèi)型和特性、電源類(lèi)型、環(huán)境溫度和 PCB 功率耗散面積等各種輸入數據，該模擬器可以提供有關(guān)預計最大結溫 (TJMAX) 的寶貴信息，進(jìn)行快速有效的產(chǎn)品預選。
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)下的熱預算滿(mǎn)足器件的絕對最大額定值。
2. 深入了解性能
為了研究驅動(dòng)器的電熱行為，模擬器生成一個(gè)原理圖電路，電路中包含預選器件以及分別與電池和負載連接的輸入/輸出電路（圖 2）。
圖2：VIPower驅動(dòng)器模擬實(shí)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(dòng)器輸入和輸出端的電線(xiàn)寄生電阻。
在開(kāi)始模擬之前，需要先執行定義步驟，自定義項目參數。在此階段，設計人員確定電路圖中元件的參數值和模擬設置。
電路圖中元件的參數值對于確定電路的行為至關(guān)重要，必須仔細選型，確保電路符合性能規格要求。
模擬設置是定義設計者想要通過(guò)模擬實(shí)驗再現并分析哪些工作狀況，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。
通過(guò)自定義項目參數，設置模擬變量，設計人員可以確保模擬結果準確反映電路的行為，并提供優(yōu)化設計所需的信息（圖 3）。
圖 3：模擬定義過(guò)程
用TwisterSIM進(jìn)行模擬實(shí)驗的一大好處是，可以在模擬過(guò)程中實(shí)時(shí)顯示模擬結果。此功能允許設計人員在模擬過(guò)程中監視電路的工作行為，并快速識別出問(wèn)題或需要改進(jìn)的地方。
模擬結果的實(shí)時(shí)顯示可以幫助設計者提高設計優(yōu)化的效率和效果，例如，當模擬結果顯示電路消耗過(guò)多電流或溫度上升過(guò)快時(shí)，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(shí)間和資源，因為設計人員不必等到模擬結束，就能快速發(fā)現并解決問(wèn)題。TwisterSIM的實(shí)時(shí)顯示模擬結果可以提高設計優(yōu)化的效率和效果，從而提高配電系統的能效、可靠性和安全性。
3. 按需定制模擬結果
圖4：根據數據可視化定制曲線(xiàn)和圖表
工程師可以修改模擬參數、數據和可視化圖形，以滿(mǎn)足他們的特定需求，做出知情決策，并獲得最佳結果。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。
設計人員可以用 TwisterSIM設計開(kāi)發(fā)高效且具有韌性的驅動(dòng)器，讓其具有有效的診斷和保護功能，具體實(shí)現方法是優(yōu)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(fēng)險，集成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(xiàn)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)系統中，特別是重復短路事件可能導致熱關(guān)斷 (TSD) 的情況，考慮實(shí)現熱保護機制是至關(guān)重要的。
在這種情況下，驅動(dòng)器會(huì )嘗試通過(guò)功率限制保護措施（最大電流和熱滯循環(huán)）重新啟動(dòng)系統，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可以準確地再現開(kāi)關(guān)的工作情況，然后將模擬結果與實(shí)驗數據進(jìn)行比較，如圖 5 所示。
圖 5： VND9012AJ 在重復短路事件情況下的模擬結果與實(shí)驗數據的比較
其中：
IOUT是驅動(dòng)器的輸出電流；
Dt是指模擬結果與實(shí)測數據中 的TSD事件之間的時(shí)間差。
模擬結果表明，TwisterSIM 是一種高效的工具，可以精確地模擬和仿真熱保護機制的限流和熱關(guān)斷 (TSD) 觸發(fā)情況。
輸出電流值的模擬數據誤差小于2%，而TSD發(fā)生時(shí)間誤差約為0.8 ms。這證明 TwisterSIM 在現實(shí)條件下預測系統行為的正確率很高。
結論
隨著(zhù)下一代汽車(chē)時(shí)代的到來(lái)，工程師面臨著(zhù)研發(fā)先進(jìn)解決方案的挑戰，部署分布式智能可以讓系統釋放強大的性能。為了實(shí)現這一目標，新設計必須優(yōu)先考慮能效和韌性，功能全面的模擬工具對于確保準確性和有效性至關(guān)重要。
通過(guò)充分利用 TwisterSIM 的功能，開(kāi)發(fā)者可以?xún)?yōu)化新的 VIPower 驅動(dòng)器設計，獲得最高的性能和可靠性，同時(shí)最大限度地降低熱應力或電應力引起的失效風(fēng)險，為綠色低碳的可持續發(fā)展鋪平道路。
參考文獻
[1] “TwisterSIM: Dynamic electro-thermal simulator for VIPower products”, Databrief on https://www.st.com/resource/en/data_brief/twistersim.pdf, Sep. 2023.
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[3] A. Brighina, F. Giuffrè, “Interactive analog/digital mixed signal modeling via HDL simulator and foreign VHDL/Verilog C interface”, Electronicsforyou, Electronics & Technology Portal, 2011.
[4] D. Maksimovic, A. M. Stankovic, V. J. Thottuvelil, G. C. Verghese, “Modeling and simulation of power electronic converters”, Proc. of IEEE, vol. 89, no. 6, Jun. 2001.
（來(lái)源：意法半導體意大利卡塔尼亞公司，作者： Giusy Gambino, Alessio Brighina, Francesco Giuffre’, Filippo Scrimizzi）
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