作者： Giusy Gambino, Alessio Brighina, Francesco Giuffre’, Filippo Scrimizzi

意法半導體意大利卡塔尼亞公司

在設計和部署適應惡劣汽車環境的先進解決方案時，設計人員需要用戶友好、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，但對系統韌性和實時反饋能力提出了要求。

在汽車行業，設計人員需要解決、減少和預防一些可能導致發動機控制模塊(ECM) 或其他電子控制單元(ECU) 等關鍵部件損壞的嚴重問題。這些系統故障可能帶來事故或其他安全隱患。

為了應對這些危險，汽車廠商采用了各種保護措施，例如，保險絲、斷路器和過壓保護裝置，以及防止關鍵部件過熱的熱管理技術。

準確的模擬工具有助于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，第一時間防止這些問題發生。

此外，模擬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，工程師在配電方面面臨諸多挑戰，需要采用分布式智能方法來同步解決幾個關鍵因素：

§ 車輛韌性；

§ 能效；

§ 可持續性

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

為了實現這些目標，工程師必須使用經過全面模擬實驗驗證的創新的解決方案和概念，以開發出滿足行業需求的先進汽車系統，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關管是復雜的電子元器件，需要經過電熱模擬實驗，才能保證最佳性能。

分析功率開關的電氣行為，包括開關管的高電壓電流的處理能力、響應時間，以及檢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做熱模擬實驗，因為熱量會影響開關的性能和可靠性。通過做電熱模擬實驗，工程師可以優化智能開關的設計，確保其滿足設計的性能要求，同時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，同時確保系統實現合理有效的保護機制和診斷功能。

1.了解產品信息

為了確保做出最佳選擇，必須在用戶友好、可定制的交互式環境中做模擬實驗，這樣才能快速了解智能開關的行為。第一步是確定哪些產品符合電氣要求。

意法半導體的電熱模擬器 TwisterSIM 是實現此目的的理想工具，為選擇VIPower 產品專門設計，包括智能高低邊驅動器，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，并提供基本的產品信息。因此，設計人員可以快速輕松地評估不同的智能開關的性能，并選擇最適合特定用途的開關，如圖 1 所示。

圖1：VIPower智能驅動器預選

根據電源電壓、器件拓撲、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數據，該模擬器可以提供有關預計最大結溫 (TJMAX) 的寶貴信息，進行快速有效的產品預選。

這些信息至關重要，有助于為每個通道選擇合適的通態電阻 (RON) ，并確保工作狀態下的熱預算滿足器件的絕對最大額定值。

2. 深入了解性能

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模擬實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，并提供優化設計所需的信息（圖 3）。

圖 3：模擬定義過程

用TwisterSIM進行模擬實驗的一大好處是，可以在模擬過程中實時顯示模擬結果。此功能允許設計人員在模擬過程中監視電路的工作行為，并快速識別出問題或需要改進的地方。

模擬結果的實時顯示可以幫助設計者提高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，就能快速發現并解決問題。TwisterSIM的實時顯示模擬結果可以提高設計優化的效率和效果，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和圖表

工程師可以修改模擬參數、數據和可視化圖形，以滿足他們的特定需求，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設計開發高效且具有韌性的驅動器，讓其具有有效的診斷和保護功能，具體實現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，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束尺寸和重量，從而減少車輛的碳足跡。

危急場景

在惡劣的汽車生態系統中，特別是重復短路事件可能導致熱關斷 (TSD) 的情況，考慮實現熱保護機制是至關重要的。

在這種情況下，驅動器會嘗試通過功率限制保護措施（最大電流和熱滯循環）重新啟動系統，并保持 TSD 模式，直到過熱問題消除。

TwisterSim也有這種特定的控制功能，以高邊驅動器 VND9012AJ（采用VIPower M0-9 技術研制的智能功率開關）為例，TwisterSim可以準確地再現開關的工作情況，然后將模擬結果與實驗數據進行比較，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驗數據的比較

其中：

IOUT是驅動器的輸出電流；

Dt是指模擬結果與實測數據中 的TSD事件之間的時間差。

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斷 (TSD) 觸發情況。

輸出電流值的模擬數據誤差小于2%，而TSD發生時間誤差約為0.8 ms。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到來，工程師面臨著研發先進解決方案的挑戰，部署分布式智能可以讓系統釋放強大的性能。為了實現這一目標，新設計必須優先考慮能效和韌性，功能全面的模擬工具對于確保準確性和有效性至關重要。

通過充分利用 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，為綠色低碳的可持續發展鋪平道路。

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.

[2] M. Bonarrigo, G. Gambino, F. Scrimizzi, "Intelligent power switches augment vehicle performance and comfort", Power Electronics News, Oct. 10, 2023.

[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.

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審核編輯 黃宇