车身电子高边驱动芯片的仿真与选型

江凯敏，徐 伟，陈文庆，朱光欢

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东 广州 511434）

车身电子的许多负载都需要高边驱动芯片来驱动，例如近远光灯、位置灯、倒车灯、制动灯、转向灯、雾灯、顶灯、氛围灯等，不同的负载类型其驱动电流不一样，需要不同的驱动芯片，这个时候我们需要进行高边驱动芯片驱动能力的仿真，仿真其在最差工作工况下的电流驱动能力，确保负载驱动设计安全可靠。

车身电子最恶劣的工况通常有两个，一个是16V/85℃高压高温恶劣工况，另外一个是16V/-40℃高压低温恶劣工况。高压低温恶劣工况下，芯片工作温升引起的热量容易被周围吸收，引起芯片过热保护的风险较小；而高压高温恶劣工况下则热量容易累积在芯片内部进而引起芯片过热保护。同时车身电子控制ECU一般是密封在驾驶舱里面，当外温85℃时，ECU内部温度实际已经有95℃左右，所以进行芯片驱动能力仿真时通常会选择高温高压16V/95℃工况进行仿真。

进行车身电子驱动芯片仿真时，一般需要仿真在高温高压工况下其满负载工作时的节点温度是否会超过芯片的节点温度150℃，如果超过了芯片就会过热保护。同时在设计时考虑设计预留，通常在最恶劣工况下工作时，保证芯片节点温度不可以超过145℃，留有5℃的设计预留空间。

当芯片在16V/95℃最大负载电流工作情况下，芯片节点温度升到145℃时，此时的驱动电流就是最大的驱动工作电流Imax，我们的负载最大工作电流不能超过Imax，一旦超过这个电流，我们芯片会过热保护而且切断输出。

目前汽车电子行业的高边驱动芯片通常有两家，一个是Infineon （英飞凌），另外一个是ST （意法半导体）。英飞凌不提供仿真软件，但是意法半导体提供仿真软件TwisterSIM，所以通常零部件供应商会选择ST芯片进行开发设计，其可以进行仿真分析，减少开发人力成本，同时可以提前做好芯片驱动的设计失效及后果分析DFMEA。

通过驱动的仿真分析，可以提前知道芯片的电流驱动能力，以便于驱动负载电流的设定和定义，有利于做好整车电子负载的DFMEA，同时可以结合实际负载进行可靠性分析和验证。

1 车身电子高边驱动仿真软件的介绍与应用

如图1所示，TwisterSIM是ST公司的高边驱动专门仿真软件，主要用于灯泡、LED等车身电子负载的仿真与分析，我们可以在模型里面选择负载类型、负载电流、仿真时间、芯片的PCB封装类型、芯片的节点温度保护等，在设定好仿真条件以后就可以进行仿真。

2 Tw isterSIM 仿真软件的仿真步骤

如图2所示，进行芯片仿真能力设置需要以下几个步骤。

第1步：时间设定。一般高边驱动芯片的仿真时间需要30s以上，有足够的时间让芯片的温度稳定下来。写入时间推荐1000μs，跨步长一点，不然仿真时间太长了。步调推荐间隔为1μs，就是仿真的分辨率。Plot是仿真画图，将仿真的结果绘制出来，具体如图3所示。

图3 时间设定

第2步：芯片的选定。点击芯片后，进入芯片的选择项目，我们可以选择12V、高边驱动、M0-7内核、2通道的驱动芯片，同时可以选择仿真的芯片封装，一般推荐2cm2的PCB封装，FR4的PCB材料。此外还可设置仿真起步温度95℃和芯片保护温度150℃，具体如图4所示。

图4 芯片的选定和仿真参数设置

第3步：负载类型选择。如图5所示，点击负载以后，可以在弹出的界面选择负载类型：电阻、恒流源、LED、灯泡等负载，在参数里面可以单独输入或是表格导入仿真时间，一般推荐恒流源进行仿真。

图5 仿真负载类型选择和仿真时间设定

图6 仿真曲线选择

第4步：仿真曲线选择。如图6所示，在设置负载类型和芯片等参数以后，在主界面选择所需要显示的波形曲线。例如节点温度Tj、表面温度Ta、电压V、电流I等，点击Option，可以选择曲线；选择有用的，无用的不用选。通常我们需要选择节点温度Tj和电流Iout。

第5步：仿真分析及结果。如图7所示，在一切参数设置好以后，点击界面的Simulation，然后得到相应的仿真结果。当30s仿真时间不足以让芯片温度稳定时，可以设定延迟时间，直到芯片的节点温度稳定为止。

图7 仿真分析及结果（以VND7140AJ PWM负载类型为例）

3 恒流负载的高边驱动芯片仿真与选型

一般恒流负载的驱动就是芯片的输出为100%PWM方式驱动，例如汽车的近光灯、远光灯、顶灯、位置灯等。此时仿真就用恒流源进行仿真，按照上面图2～6的相关步骤设定：16V/95℃，节点Tj温度最大为145℃；双通道带恒流负载下仿真得到的最大驱动电流：①VND7140AJ双通道1.2A；②VND7050AJ 双 通 道3A；③VND7020AJ 双 通 道5A；④VND7012AJ双通道6A。

其他高边驱动芯片也可以通过相同的方法仿真得到相应的最大恒流负载驱动电流Imax。图8～9是VND7140AJ的仿真数据。

对现有的恒流负载选择高边驱动芯片时，要选择芯片的最大恒流负载驱动电流Imax大于负载最大工作电流I。

图8 恒流负载： VND7140AJ通道1的仿真数据

图9 恒流负载： VND7140AJ通道2的仿真数据

4 高边驱动芯片对负载冲击电流的驱动能力仿真与分析

在整车环境中，有的负载内部是带DCDC或是稳压电源模块的，其在第一次打开时，往往存在瞬间冲击电流，可能会导致芯片过热或过流保护而切断输出，所以需要对选用的芯片进行负载冲击电流的驱动能力分析。

这种带有冲击电流的负载一般是由其内部的电感和电容引起，所以通常需要车身电子负载厂家提供具体的冲击电流曲线参数，用于芯片选型的可靠性仿真与分析。

一般冲击电流的时间在50μs左右，最大的冲击电流一般不能超过芯片的极限工作电流Ilimit，不同的芯片在16V/95℃下能够承受的冲击电流不同。

按照上面图2～6的步骤设置不同芯片型号后，经过仿真得出：①VND7140AJ双通道能够承受12A/50μs的冲击电流，节点温度小于145°；其芯片的极限电流为12A。②VND7050AJ双通道能够承受30A/50μs的冲击电流，冲击电流小于145°；其芯片的极限电流为30A。③VND7020AJ双通道能够承受63A/50μs的冲击电流，冲击电流小于145°；其芯片的极限电流为63A。④VND7012AJ双通道能够承受75A/50μs的冲击电流，冲击电流小于145°；其芯片的极限电流为75A。

其他高边驱动芯片也可以通过相同的方法仿真得到相应最大的冲击电流Ipulse等于芯片的最大极限Ilimit电流。

针对带有冲击电流的负载，在选择驱动芯片型号时，要选择最大极限电流Ilimit大于最大冲击电流Ipulse的芯片。图10～11是VND7140AJ的仿真数据。

图10 带冲击电流负载： VND7140AJ通道1的仿真数据

图11 带冲击电流负载： VND7140AJ通道2的仿真数据

5 PWM负载的高边驱动仿真与选型

在车身电子实际负载驱动中，有时候驱动形式会选用PWM进行驱动，例如车内氛围灯。当PWM驱动频率越高，其EMC干扰越大；当PWM驱动频率越低，有时候肉眼会看出闪烁，所以通常推荐200Hz左右的频率，EMC干扰较小，同时看不出闪烁；当调节PWM占空比时，可以调节负载的输出功率：负载LED或负载灯泡的亮度会随着PWM的占空比变化而变化。

下面以200Hz PWM 20%占空比进行仿真分析说明，按照上面图2～6相关步骤进行设置：16V/95℃，200Hz 20%的PWM负载输出，不断提高负载电流直到节点温度为145℃，得出以下仿真结果：①VND7140AJ双通道200Hz 20%PWM最大驱动电流3A；②VND7050AJ双通道200Hz 20% PWM最大驱动电流7A；③VND7020AJ双通道200Hz 20% PWM最大驱动电流15A；④VND7012AJ双通道200Hz 20% PWM最大驱动电流17A。

其他高边驱动芯片也可以通过相同的方法仿真得到相应的最大PWM驱动电流Ipwm。图12～13是VND7140AJ的仿真数据。对带有PWM的负载在选择驱动芯片型号时，要选择最大PWM驱动电流Ipwm大于实际负载最大电流的芯片。

图12 20% PWM负载： VND7140AJ通道1的仿真数据

图13 20% PWM负载： VND7140AJ通道2的仿真数据

6 结束语

仿真软件TwisterSIM，可以很好仿真出芯片的最大驱动电流，提前知道芯片的驱动风险，便于我们选择负载类型进行设计失效模式及后果分析DEMEA工作和可靠性设计分析。

通过仿真可以清晰得出驱动的电流或电压波形，提前知道电流或是电压在驱动时是否会引起EMC干扰。

从仿真后的芯片节点温度Tj可以看出其芯片的温升曲线，检查其在最大负载电流工作时是否进入过温度保护等情况，提前做好芯片保护等措施。

TwisterSIM软件同时还可以选择电机模型进行仿真，可以设置电机内部的电感量，进行模式的仿真与应用，特别仿真分析电机掉电后的反向电动势对系统的冲击，提前可分析驱动芯片的潜在风险。

用芯片进行仿真后可以知道其在2cm2封装、FR4 PCB板、16V/95℃、节点温度为145℃的情况下最大承受电流Imax。那么在实际调试过程中，可以结合实际的负载PCB，进行实际的验证调试，一般情况下实际调试得到的最大负载驱动电流和仿真得到的最大驱动电流Imax相差不大，不过还是需要验证，以仿真结果为指导，实际的调试结果为准。

为了达到仿真后的设计兼容，通常会选择同一款芯片进行兼容设计，当负载电流变大时，可以用同一款驱动能力更大的芯片进行更换，因为M07内核的高边驱动芯片封装是一样的，仅仅是芯片内阻不一样，但是封装及Pin定义是一样的，例如VND7140AJ、VND7020AJ、VND705AJ等。

通常在特定的芯片仿真时，我们会选择LED恒流源进行仿真，然后再转成负载功率。先仿真得出最大驱动电流Imax，然后计算出最大负载功率Pmax=Imax×16V，用此来选择负载功率，确保其最大的负载功率要小于Pmax。