在汽車電源管理系統(tǒng)中做分布式智能設(shè)計(jì)時(shí),，對(duì)于智能功率開關(guān),，確保保護(hù)機(jī)制是否真正實(shí)現(xiàn)了智能至關(guān)重要，尤其是在涉及多通道驅(qū)動(dòng)器的場(chǎng)景中,，因?yàn)榧词故禽p微的電流失衡或意外的負(fù)載短路都會(huì)影響保護(hù)效果,。

　　智能驅(qū)動(dòng)器在管理和分配汽車電池包到各種組件（ECU、電機(jī),、車燈,、傳感器等）方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，這些多通道驅(qū)動(dòng)器同時(shí)控制不同的電氣負(fù)載,，例如,，電阻式執(zhí)行器、電感式執(zhí)行器和電容式執(zhí)行器,。所有通道的電流都保持均衡對(duì)于驅(qū)動(dòng)器正常運(yùn)行并確保車輛正常且高效地運(yùn)行至關(guān)重要,。在電路布局中，任何造成電流通過特定金屬路徑集中的輕微電流失衡,、負(fù)載損壞或失效以及接線不當(dāng)?shù)纫馔馇闆r,，都可能導(dǎo)致局部電路出現(xiàn)電流聚集效應(yīng)。電流失衡現(xiàn)象將會(huì)導(dǎo)致芯片過熱和熱點(diǎn)聚集,，最終損壞或燒毀元件,。

　　雖然做了熱模擬實(shí)驗(yàn)和預(yù)防措施，但仍需檢查和驗(yàn)證智能保護(hù)機(jī)制的實(shí)現(xiàn)情況,，這有助于發(fā)現(xiàn)可能影響干預(yù)時(shí)效的潛在問題,。

　　智能開關(guān)中的熱檢測(cè)

　　高邊開關(guān)需要在空間非常小的緊湊封裝內(nèi)處理大電流，對(duì)于能否高效地管理熱量,，電流均衡是一個(gè)重要的影響因素,。智能功率開關(guān)通常安裝在通風(fēng)和散熱不良的封閉區(qū)域，這使得熱管理變得更加重要。

　　因此,，保護(hù)機(jī)制的智能性能取決于嵌入式熱診斷功能,，這些基于熱檢測(cè)和保護(hù)機(jī)制的診斷功能用于監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)器的溫度，并在溫度超過預(yù)設(shè)閾值時(shí)執(zhí)行保護(hù)操作,。準(zhǔn)確度是測(cè)溫技術(shù)面臨的一個(gè)難題，因?yàn)槎嗤ǖ莉?qū)動(dòng)器的電流均衡度對(duì)測(cè)溫準(zhǔn)確度影響很大,。

　　局部電流密度突然變高或短路情況是設(shè)計(jì)人員非常關(guān)心的一個(gè)問題,，這兩種現(xiàn)象會(huì)產(chǎn)生分散的熱點(diǎn)，導(dǎo)致突發(fā)性的熱聚集效應(yīng),，使溫度驟然升高,。這些情況可能導(dǎo)致過熱和元器件失效，而且維修成本高昂,。

　　為了防止熱沖擊損壞元器件,，保護(hù)電路被設(shè)計(jì)為限制電流并使功率MOSFET保持在安全工作區(qū)域（SOA）內(nèi)，直到觸發(fā)熱關(guān)閉功能,，關(guān)閉驅(qū)動(dòng)器,。然而，這種類型的保護(hù)可能會(huì)在功率器件表面產(chǎn)生物理應(yīng)力,。為滿足電浪要求和工藝容差,，限流值需要設(shè)置得較高，但是,，當(dāng)驅(qū)動(dòng)短路負(fù)載時(shí),，較高的限流值會(huì)導(dǎo)致芯片表面的溫度快速上升。溫度驟變會(huì)在芯片表面產(chǎn)生巨大的熱梯度,，從而產(chǎn)生熱機(jī)械應(yīng)力,，影響器件的可靠性。

　　VIPower M0-9的解決方案是在高邊驅(qū)動(dòng)器低溫區(qū)和高溫區(qū)分別集成一個(gè)溫度傳感器（如圖1所示）,。

　　圖 1 ：具有不同溫度傳感器的智能開關(guān)的原理圖

　　溫度傳感器采用多晶硅二極管制造技術(shù),，因?yàn)槎嗑Ч瓒O管的溫度系數(shù)在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)保持很好的線性。低溫傳感器置于驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部靠近控制器側(cè)的低溫區(qū),，而高溫傳感器則位于功率級(jí)區(qū)域,，這是驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部溫度最高的區(qū)域。

　　這種雙傳感器技術(shù)可以限制驅(qū)動(dòng)器的溫度升幅,，因?yàn)楫?dāng)溫度達(dá)到過溫閾值,，或者兩個(gè)傳感器動(dòng)態(tài)溫度差值達(dá)到閾值，熱保護(hù)就會(huì)觸發(fā),。一旦過熱故障消失,，當(dāng)溫度降低到恢復(fù)值時(shí)，智能開關(guān)重新激活。

　　這個(gè)方法有助于減少開關(guān)上的熱機(jī)械應(yīng)力引起的熱疲勞,。熱機(jī)械應(yīng)力會(huì)隨著時(shí)間的推移而變大,，導(dǎo)致開關(guān)性能和可靠性降低。

　　熱測(cè)圖

　　除了熱模擬實(shí)驗(yàn)和預(yù)防方法,，紅外（IR）熱成像技術(shù)也是一種獲取驅(qū)動(dòng)器熱測(cè)圖的有效技術(shù),，可以讓設(shè)計(jì)人員全面了解集成電路內(nèi)的熱量分布，揭示所有潛在的危險(xiǎn)因素,。

　　為了評(píng)估智能保護(hù)電路在惡劣的車用環(huán)境中的保護(hù)效果,，必須在兩種不同的應(yīng)用場(chǎng)景和惡劣的短路條件下分析驅(qū)動(dòng)器內(nèi)的熱量分布：

　　·端子短路（TSC）

　　·負(fù)載短路（LSC）

　　端子短路是當(dāng)元器件或設(shè)備的端子之間存在低電阻連接的情況，如圖2所示,。

　　圖2：在 TSC條件下的溫度測(cè)量測(cè)試電路

　　另一方面,，當(dāng)負(fù)載和電源之間存在感應(yīng)路徑時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)負(fù)載短路情況,，導(dǎo)致電流突然激增（圖3）,。

　　圖3：在 LSC條件下的溫度測(cè)量測(cè)試電路

　　測(cè)試條件如下：

　　·T_amb = 25 °C

　　·V_bat = 14 V

　　·當(dāng)熱成像時(shí)，T_on = 1 ms

　　·當(dāng)捕捉熱傳感器和熱點(diǎn)的溫度時(shí),，T_on = 300 ms

　　·TSC條件： R_SUPPLY = 10 mΩ,， R_SHORT = 10 mΩ

　　·LSC 條件： R_SUPPLY = 10 mΩ， L_SHORT = 5 μH, R_SHORT = 100 mΩ

　　其中,，

　　T_amb是環(huán)境溫度

　　V_bat直流電池電壓

　　T_on是短路時(shí)長(zhǎng)

　　R_SUPPLY是電池內(nèi)阻

　　R_SHORT是短路電阻

　　L_SHORT是短路電感

　　為了生成熱測(cè)圖,，我們使用了紅外攝像機(jī)捕捉每個(gè)位置輻射的紅外線，然后將其轉(zhuǎn)換成溫度值,。為了確保特定顏色轉(zhuǎn)換為正確的溫度值,，校準(zhǔn)是一個(gè)必不可少的重要過程。該過程是比較傳感器拍攝的不同顏色與已知溫度值,，分析特定的熱敏參數(shù)及其隨溫度升高的趨勢(shì),。通過分析這些參數(shù)，校準(zhǔn)過程可以確保熱圖準(zhǔn)確地反映被掃描區(qū)域的溫度分布,。

　　為了校準(zhǔn)紅外攝像傳感器,，選用 MOSFET 體漏極二極管的正向電壓 （V_F），因?yàn)樗c溫度呈線性關(guān)系,。然而,，需要對(duì)二極管進(jìn)行預(yù)校準(zhǔn)才能準(zhǔn)確的確定其溫度系數(shù)。在 25°C 至 100°C 范圍內(nèi)改變溫度的同時(shí),，測(cè)量恒定正向電流 （I_F）的電壓V_F,，即可確定二極管的溫度系數(shù)。為防止電流及其相關(guān)功耗引起溫升,，I_F 取值應(yīng)在 10mA 至 20mA 范圍內(nèi),。

　　用在不同溫度條件下采集的VF值進(jìn)行線性插值和數(shù)學(xué)擬合計(jì)算,，得到二極管的溫度系數(shù)，如圖4所示,。

　　圖4 ：MOSFET體漏極二極管的預(yù)校準(zhǔn)

　　用下列公式計(jì)算 （1）：

　　其中：

　　Dt是溫度變化量,；

　　DV_F是正向電壓變化；

　　K 是二極管的溫度系數(shù),。

　　要?jiǎng)?chuàng)建熱圖,，先用紅外成像傳感器以 1ms 的間隔拍攝每個(gè)溫度點(diǎn)。在拍攝完芯片上的所有點(diǎn)位后（大約需要 3000 秒）,，專用軟件就會(huì)生成熱圖,，根據(jù)紅外傳感器的最小空間分辨率描繪每個(gè)點(diǎn)位的溫度。把熱圖放到芯片行圖上面,，就可以識(shí)別工作區(qū)域中最熱的熱點(diǎn)，當(dāng)電流流過器件時(shí),，就可以確定這些熱點(diǎn)的坐標(biāo),。

　　圖 5 所示是VND9012AJ 雙通道智能開關(guān)在 TSC 條件下的熱圖。

　　圖 5：VND9012AJ 通道在 TSC 條件下的熱圖

　　熱測(cè)圖法是在25°C 到150°C 溫度范圍內(nèi)利用不同顏色描述驅(qū)動(dòng)器各個(gè)通道的溫度分布情況,，這是一個(gè)檢測(cè)任何過熱區(qū)域,、確保驅(qū)動(dòng)器在安全溫度內(nèi)工作的重要方法。通過提供每個(gè)通道在不同工況下的熱圖,，熱圖測(cè)試法可以驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)器的工作可靠性,，而無需將溫度提高到最大閾值。

　　為了找到熱點(diǎn)并監(jiān)測(cè)高溫傳感器和低溫傳感器的溫度變化,，驗(yàn)證熱關(guān)斷機(jī)制的效果,，在實(shí)驗(yàn)中必須考慮把短路時(shí)長(zhǎng)延長(zhǎng)到300ms。

　　圖 6 所示是在TSC 時(shí)觀察到的VND9012AJ的溫度變化,。

　　圖 6：兩個(gè)傳感器在 TSC 條件下的溫度變化

　　上圖表明,，高溫傳感器檢測(cè)到 VND9012AJ 的兩個(gè)通道中都存在熱點(diǎn)，這些熱點(diǎn)的最高溫度在 150 °C 范圍內(nèi),。

　　圖 7 所示是VND9012AJ 在 LSC 條件下的熱圖,。

　　圖 7：VND9012AJ 通道在LSC 條件下的熱圖

　　圖 8所示是在LSC 條件下觀察到的VND9012AJ的溫度變化。

　　圖 8：兩個(gè)傳感器在 LSC 條件下的溫度變化

　　這兩種情況都會(huì)觸發(fā)熱保護(hù)機(jī)制,，把電流限制在安全水平,。

　　結(jié)論

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果讓我們能夠深入洞悉智能開關(guān)的設(shè)計(jì)和開關(guān)操作特性，特別是電流分布和熱保護(hù)機(jī)制,，為我們提供寶貴的數(shù)據(jù),。確保所有通道的電流都保持均衡，對(duì)于提高汽車智能功率驅(qū)動(dòng)器的安全性和可靠性至關(guān)重要,。紅外熱成像技術(shù)可以精確,、全面的分析溫度分布情況,，增強(qiáng)智能開關(guān)的熱感測(cè)和保護(hù)系統(tǒng)的性能。在要求苛刻的汽車環(huán)境中,，快速激活這些保護(hù)功能對(duì)檢測(cè)過熱現(xiàn)象,、防止設(shè)備或系統(tǒng)損壞至關(guān)重要。

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