意法半导体电热模拟器 TwisterSIM :下一代汽车安全的守护神

在设计和部署适应恶劣汽车环境的先进解决方案时,设计人员需要用户友好、快捷且对硬件要求较低的交互式模拟仿真工具。采用分布式智能能够释放系统性能,但对系统韧性和实时反馈能力提出了要求。

在汽车行业,设计人员需要解决、减少和预防一些可能导致发动机控制模块(ECM) 或其他电子控制单元(ECU) 等关键部件损坏的严重问题。这些系统故障可能带来事故或其他安全隐患。

为了应对这些危险,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,以及防止关键部件过热的热管理技术。

准确的模拟工具有助于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,第一时间防止这些问题发生。

此外,模拟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,工程师在配电方面面临诸多挑战,需要采用分布式智能方法来同步解决几个关键因素:

车辆韧性;

能效;

可持续性

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。能效在降低功耗、碳排放和保养费用方面发挥着关键作用,同时有助于提高整车性能和可靠性。;可持续性是降低车辆对环境的影响和促进低碳的关键因素。

为了实现这些目标,工程师必须使用经过全面模拟实验验证的创新的解决方案和概念,以开发出满足行业需求的先进汽车系统,并提供更安全、更可靠、更可持续、更愉悦的驾驶体验。配电系统所用的智能功率开关管是复杂的电子元器件,需要经过电热模拟实验,才能保证最佳性能。

分析功率开关的电气行为,包括开关管的高电压电流的处理能力、响应时间,以及检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做热模拟实验,因为热量会影响开关的性能和可靠性。通过做电热模拟实验,工程师可以优化智能开关的设计,确保其满足设计的性能要求,同时保持安全的工作温度。采用模拟验证方法可以提高配电系统的能效、可靠性和安全性,同时确保系统实现合理有效的保护机制和诊断功能。

1.了解产品信息

为了确保做出最佳选择,必须在用户友好、可定制的交互式环境中做模拟实验,这样才能快速了解智能开关的行为。第一步是确定哪些产品符合电气要求。

意法半导体的电热模拟器;TwisterSIM 是实现此目的的理想工具,为选择VIPower 产品专门设计,包括智能高低边驱动器,以及用于电机控制的全桥拓扑。该模拟工具可以从列表中准确选择候选器件,并提供基本的产品信息。因此,设计人员可以快速轻松地评估不同的智能开关的性能,并选择最适合特定用途的开关,如图;1 所示。

意法半导体电热模拟器 TwisterSIM :下一代汽车安全的守护神

图1:VIPower智能驱动器预选

根据电源电压、器件拓扑、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数据,该模拟器可以提供有关预计最大结温;(TJMAX) 的宝贵信息,进行快速有效的产品预选。

这些信息至关重要,有助于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器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,电路中包含预选器件以及分别与电池和负载连接的输入/输出电路(图;2)。

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图2: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,自定义项目参数。在此阶段,设计人员确定电路图中元件的参数值和模拟设置。

电路图中元件的参数值对于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要求。

模拟设置是定义设计者想要通过模拟实验再现并分析哪些工作状况,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。

通过自定义项目参数,设置模拟变量,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信息(图;3)。

意法半导体电热模拟器 TwisterSIM :下一代汽车安全的守护神

图;3:模拟定义过程

用TwisterSIM进行模拟实验的一大好处是,可以在模拟过程中实时显示模拟结果。此功能允许设计人员在模拟过程中监视电路的工作行为,并快速识别出问题或需要改进的地方。

模拟结果的实时显示可以帮助设计者提高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参数,立即看到参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的实时显示模拟结果可以提高设计优化的效率和效果,从而提高配电系统的能效、可靠性和安全性。

3. 按需定制模拟结果

意法半导体电热模拟器 TwisterSIM :下一代汽车安全的守护神

图4:根据数据可视化定制曲线和图表

工程师可以修改模拟参数、数据和可视化图形,以满足他们的特定需求,做出知情决策,并获得最佳结果。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;4 所示。

设计人员可以用;TwisterSIM设计开发高效且具有韧性的驱动器,让其具有有效的诊断和保护功能,具体实现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,集成错误再现和极限参数记录等功能。此外,这种设计方法还可以降低线束尺寸和重量,从而减少车辆的碳足迹。

危急场景

在恶劣的汽车生态系统中,特别是重复短路事件可能导致热关断;(TSD) 的情况,考虑实现热保护机制是至关重要的。

在这种情况下,驱动器会尝试通过功率限制保护措施(最大电流和热滞循环)重新启动系统,并保持;TSD 模式,直到过热问题消除。

TwisterSim也有这种特定的控制功能,以高边驱动器;VND9012AJ(采用VIPower M0-9 技术研制的智能功率开关)为例,TwisterSim可以准确地再现开关的工作情况,然后将模拟结果与实验数据进行比较,如图;5 所示。

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图;5:;VND9012AJ 在重复短路事件情况下的模拟结果与实验数据的比较

其中:;

IOUT是驱动器的输出电流;

Dt是指模拟结果与实测数据中;的TSD事件之间的时间差。

模拟结果表明,TwisterSIM 是一种高效的工具,可以精确地模拟和仿真热保护机制的限流和热关断;(TSD) 触发情况。

输出电流值的模拟数据误差小于2%,而TSD发生时间误差约为0.8 ms。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到来,工程师面临着研发先进解决方案的挑战,部署分布式智能可以让系统释放强大的性能。为了实现这一目标,新设计必须优先考虑能效和韧性,功能全面的模拟工具对于确保准确性和有效性至关重要。

通过充分利用;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,为绿色低碳的可持续发展铺平道路。

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