单片四路车用闪光驱动器

　　现在很多汽车照明系统都是用固态开关驱动的（在亚洲被称作分线盒或车身控制模块）。与继电器相比，固态开关技术的优势非常明显：没有活动部件，抗震耐撞击，可靠性高，使用寿命长，驱动负载支持PWM方法，内置诊断功能，电磁干扰低，响应时间更短。闪光器是半导体元器件使用率比较高的汽车电子应用：降低车载电子系统的总成本（绝不以牺牲性能和质量为代价）的趋势，简化汽车配电系统（减少线束和电线）的必要性，降低汽车自重以节省燃油的需求，促使设计人员寻求用一个器件驱动车上所有的闪光灯。

　　两路上桥臂驱动器（2x25-mΩ，功率级）是闪光灯常用的元器件，用于驱动车上所有的执行闪光功能的灯泡。在不同的半导体厂商的产品阵容中，都有尺寸与这种特定功率MOSFET相当的通道可配置的元器件。然而，这种种元器件在某些场合并没有很好地解决涌流管理、灯泡断电检测和FMEA等问题。为提高汽车闪光器的驱动性能，意法半导体（ST）推出了四路50-mΩ车用闪光驱动器VNQ5E050AK。

　　本文通过分析和仿真以及热特性考虑，探讨这款创新产品驱动的闪光器应用。本文还将通过与两路解决方案对比，详细解释四路驱动解决方案的优点和好处。

　　根据地理区域不同，汽车闪光器主要分为两大类：假想汽车分为左右两部分，每个部分包含2x21W+1x5W+1x1.2W(欧洲和日本的汽车大多数采用这种配置)或2x27W+1x3.5W+1x1.2W(某些美国汽车采用这种配置)。

图1

　　图1所示是典型的闪光器配置。功率最高的闪光灯通常是汽车前面中间的车灯，它负责照光亮汽车侧面的回复反射器，车内仪表板上的指示灯是功率最小的光闪灯。图中的电阻器表示连接线的等效电阻：使用横截面0.85mm2的铜线，假设导线长度如下：

　　- Rin：汽车蓄电池到BCM的导线>1米
　　- R1：从BCM到前面闪光灯的导线>1.5米
　　- R2：从BCM到侧面回复反射器>1米
　　- R3：从BCM到仪表板的导线>0.5米
　　- R4：从BCM到后面闪光灯的导线>3米

　　这种配置的电阻值如下:

　　-Rin=20-mΩ
　　-R1=30-mΩ
　　-R2=20-mΩ
　　-R3=10-mΩ
　　-R4=60-mΩ

　　这些阻值是在恶劣条件下检查某一个器件接通灯泡的能力，进行精确的涌流仿真的重要条件。模块工程师需要分析和预防可能的有害条件，彻底消除固态开关的退化特性，例如，电涌引起的热应力可能导致驱动器性能退化。精确的预测功率器件的瞬间节温是实现优化设计和评估可靠性级别的前提条件，预测精确度取决于应用和负载以及适合的兼容性评估（所驱动的负载）。

　　意法半导体的上桥臂驱动器配备了享誉业界的功率限制专利技术，这个功能是透明的，在适宜负载条件下不会激活，只有在超负载（可能是轻负载或重负载，视负载阻抗而定）条件下才会启动，对灯泡、电路板和开关本身施加保护。ST的负载兼容性通则是：

　　在额定条件(13.5V,25°C)下，典型器件(Ilim典型值，热关断温度门限典型值)须对负载进行开关操作，而不会启动功率限制功能；

　　冷环境:在数据表中的最恶劣条件下，器件须完全接通负载，准许操作延时，如果功率限制功能被激活，延时须小于20ms。额定参数条件如下：

　　结温=25°C;
　　灯温=-40°C,
　　电池电压=16V

　　热环境:在最恶劣条件(Ilim最小值,热关断温度门限最小值)下，器件须接通负载，并保持稳定导通状态，不得达到热关断电流。

　　结温=85°C(如必要，可设定在105°C);
　　灯温=25°C;
　　电池电压=16V.

图2

图3

图4

　　因此，根据ST的兼容性规则，当发生最恶劣的状况时，如果用一个器件驱动所有的闪光灯（见图2仿真电路），一个2x25-mΩ的驱动器是如何工作的呢？图3和4所示是一个限流最小（43A）和热关断温度门限最小（150°C）的器件在冷热环境仿真的结果。冷环境仿真几乎涉及不到限流功能，功率限制无效，灯泡打开没有给器件过多的热机械应力。热环境仿真结果显示，在灯泡涌流期间，即便结温起始温度设在85°C，器件也没有达到热关断温度门限。根本没有必要使用复杂的热仿真器进行稳态分析，使用数学方法即可解决问题。第一步，需要计算每路驱动器的rms电流，闪光灯驱动器的工作频率是11.5Hz，占空比为45-50%，Irms是：

　　然后，计算总功耗：

　　最终的结温等于：

　　Tj=Ta+T;T=Ptot*Rthj-a

　　查看VND5025LAK(2x25-mΩ产品)数据表，器件热阻Rthj-a是40°C/W(PCB占位2cm2)

 　　T=0.882*40=35.3°CTj=85+35=120°C(远远低于最小热关断干预温度)。

 　　注意，计算的工作环境比最恶劣环境还要差，因为功耗始终以150°C时的导通电阻Rdson为计算依据，从温度、稳态相位和电涌相位角度看，该器件适合驱动和打开闪光灯。

　　灯泡断电检测如何呢？当灯泡失效且变成断路负载时，该产品能够识别吗？多数汽车厂商需要21W的灯泡断电信息，因为凡是具有模拟检测功能的HSD照明系统都能通过内置的电流检测诊断系统提取这种信息。电流检测功能通过相关引脚输出一个与负载电流成正比的电流，然后在相关电阻器上产生一个电压降（检测电压Vsense），车载微控制器读取、正确处理这个电压降数据，然后通知驱动器当前的瞬间负载条件。

　　下面是Vsense的定义：

　　Vsense=Rsense*Isense

　　其中Isense=Iout/K

　　然而，输出电流读数因各种参数的变化而变化。所以，Vsense本身是下列参数变量的函数。

　　Vsense=F(Rsense,I(bulbs),K(Tj,Iout,Vbatt))

　　典型变量:

　　Rsense变化范围1%到3%；
　　I(bulbs)变化范围6%到10%
　　K是所用驱动器的变量。

　　此外，必须在一个很宽的环境条件范围内识别21W断电事件，典型宽环境条件如下：

　　8.5V 　　-40°C

　　换言之，考虑到因为器件参数范围引起的K变量，对于上述范围内的任何参数组(Vbatt,Tamb)，器件必须识别一个21W灯泡断电事件。

　　当必须区分一个静止的“额定条件”时，即在1x21W+5W配置中只是5W灯泡断路(2x21W灯泡的Iout)，就会发生对于21W灯泡断电检测最难的状况。相对于任何可能的变量源，Vsense(2x21W)必须高于Vsense(1x21W+5W)。在这种特殊负载配置中，假设灯泡变化范围是6%，Rsense变化是1%，Iout(2x21W)对Iout(1x21W+5W)的变化百分比大约是43%。在上述条件中，根据现有产品系列，还是可以检测出21W的断电事件。以VND5025LAK为例，该产品的K变量范围低于21.5%，这使得两条最恶劣条件对电瓶变化(Vsense(2x21W)和Vsense(1x21W+5W)的曲线从来不相交。

　　不过，如果变化的原因高于上述实例，就必须在模块线路测试端进行校准。校准就是利用Vsense读数在一个被焊接在模块上的特定元器件上测量Rsense/K比值，测量完成后，因为Iout=Isense*K，所以不难估算出输出电流的大小。注意，即使以单点方式测量K比值消除了这个参数在总体参数内的扩散，但是不能消除K值随负载电流的变化。在ST所有的两路25m-Ω产品中，第二个变量不会影响对21W灯泡的断电识别。

　　FMEA(失效模式和影响分析)如何呢？如果灯泡短路或通道失效（因为电过应力或异常脉冲），后果会如何呢？

　　这绝不是一个小问题。当发生一个失效事件时，必须给予特别考虑。下面是几种已知的情况：

　　-当与两个通道中的任何一个相连的灯泡短路时，所有并联灯泡都会短路，无法再正常工作。

　　-当两个通道中的任何一个因为电过应力（电涌或异常脉冲）而失效时，与失效通道相连的所有灯泡全都停止工作。

　　因此，2x25m-Ω能够驱动大多数闪光器配置，但是还有一些改进的空间（特别是在FMEA方面）。

图5

　　为此，意法半导体推出了单片四路驱动器VNQ5E050AK。新产品具备M0-5的全部功能（如限流、功率限制、过热保护、电流检测状态、超低电流消耗），功率级包括四条不同的通道，每条通道的导通电阻Rdson为50m-Ω，最小限流为19A。根据以前的某些实例，为使该器件适合闪光器应用，必须进行一些检查。根据图5的配置，这款新产品如何执行闪光灯驱动功能？正如前文所述，冷热环境是最恶劣的环境条件：

图6

　　图6是按照冷环境设置（只绘制了其中一条驱动21W+5W的通道的曲线）的仿真结果：有功率限制，器件周期小于4ms。注意，这个仿真是在设定最小限流值(19A)后进行的，每条通道的典型限流(27A)，驱动21W+5W+1.2W，无需开启功率限制即可接通灯泡。

图7

　　图7是按照热环境设置（只绘制了其中一条驱动21W+5W的通道的曲线）的仿真结果：限流功能几乎没有使用，但是发生了功率限制事件。

　　总之，该器件适合处理电涌峰值功率，让我们看一看稳态条件。通道1和2各驱动一个21W+5W+1.2W配置，通道3和4只驱动一支21W灯泡。

　　稳态功耗类似于2x25m-Ω器件，因为两款产品的封装相同，所以我们不难理解4x50m-Ω器件的热适用性。我们分析一下当发生灯泡断电事件时器件的性能，通过使4条电流检测输出(Cs1..Cs4)保持独立，可使灯泡断电检测保持最高的精确度。

 　　当使用VNQ5050AK时，单一输出的最大负载是21W+5W。当一个5W灯泡断路或丢失时，只有一个21W负载；当一个21W灯泡断路时，只有一个5W负载；在这两种情况下，两个Vsense门限之间的间距达到最小值。考虑到系统所有的变量源（灯泡参数扩散和Rsense变量）以及K检测变量，因为计算的Vsense参数扩散远远大于K变量，所以可以区分上面的两个条件。

　　特别是在最恶劣的应用条件（10%灯泡变量和3%Rsense变量）下，下图（图8）描述了最小额定负载条件和最大21W灯泡断电负载之间的检测电压差。

图8

　　FMEA考虑因素如何呢？图9所示是两路驱动器与四路驱动器之间的差别。在两路驱动器的一个通道中发生电过应力EOS时，所有的侧面闪光灯全都被关断。在四路驱动器情况下，如果其中一条通道被损坏，同侧的其它灯泡还将继续导通。因此，如果一支灯泡发生一次短路（在2x25m-Ω情况），同侧其它灯泡（与短路并联）也将短路。当采用一个4x50m-Ω驱动器时，如果一支灯泡发生短路，只有短路灯泡（最坏的情况下是并联的两支灯泡）受到影响。

图9

　　对于四路上桥臂驱动器，输入引脚(1+2,3+4)必须并联，才能保证汽车侧面（左侧或右侧）的开关操作同步，使灯泡同时接通（见图10)。

图10

　　总之，VNQ5050AK是常用的2x25m-Ω器件的高价值的替代产品，并克服了两路产品的某些限制因素，这些优点出自诊断需求和应用FMEA考虑因素。