智能功率芯片BTS6143D特性的試驗(yàn)研究

　　BTS6143D是英飛凌公司設(shè)計(jì)的N溝道FET功率管，內(nèi)部集成充電泵，電流驅(qū)動(dòng)，并具有負(fù)載電流檢測(cè)的故障反饋功能(包括過(guò)載、過(guò)溫和短路檢測(cè)等)，是一款集成SIPMOS片上技術(shù)的高邊智能功率開(kāi)關(guān)芯片。

　　BTS6143D適用于汽車電子苛刻的工作環(huán)境，其工作的溫度范圍可從-40℃至+150℃。采用12V或24V負(fù)載控制，適用于各種阻性負(fù)載、感性負(fù)載或容性負(fù)載，尤其適用于具有高浪涌電流的負(fù)載，如燈等；可以作為繼電器、保險(xiǎn)絲及分立電路等控制方法的替代方法。此外，BTS6143D還具有多項(xiàng)保護(hù)功能：短路保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、過(guò)溫關(guān)斷、掉地和掉電保護(hù)、靜電放電保護(hù)和電源反接保護(hù)等。

　　BTS6143D的內(nèi)部功能框圖如圖1所示。


 圖1  BTS6143D內(nèi)部功能框圖



圖2  BTS6143D在燈光控制系統(tǒng)中的應(yīng)用電路

　　BTS6143D在智能燈光控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　現(xiàn)有車輛燈光控制多采用繼電器驅(qū)動(dòng)方式。但是，繼電器驅(qū)動(dòng)方式具有以下缺點(diǎn)：

　　*功率繼電器勵(lì)磁線圈驅(qū)動(dòng)電流較大，需消耗較大功率且接口電路復(fù)雜；

　　*繼電器的使用使控制器體積增大，重量增加；

　　*繼電器開(kāi)關(guān)頻率相對(duì)較低，觸點(diǎn)易抖動(dòng)，很難滿足車輛在帶電情況下行駛對(duì)機(jī)械振動(dòng)的要求。此外觸點(diǎn)抖動(dòng)會(huì)影響繼電器的壽命，且EMI嚴(yán)重；

　　*難以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)車燈的過(guò)熱、過(guò)壓、短路等故障的診斷及保護(hù)；

　　*需配合保險(xiǎn)絲使用，以防止過(guò)流。但保險(xiǎn)絲一旦動(dòng)作(即熔斷)，電路將徹底切斷，需手工更換保險(xiǎn)絲。

　　BTS6143D在燈光控制系統(tǒng)中的應(yīng)用電路如圖2所示。

　　試驗(yàn)步驟

　　試驗(yàn)條件

　　蓄電池開(kāi)路電壓12.41V；負(fù)載連接導(dǎo)線長(zhǎng)約為1.5m(電阻R=0.12ohm,電感L=3mH)。導(dǎo)線橫截面積為0.75mm2。連接55W車燈。測(cè)量設(shè)備為L(zhǎng)ecroy示波器。試驗(yàn)環(huán)境溫度約20℃。

　　試驗(yàn)電路圖

　　為了便于比較，安排了兩組短路試驗(yàn)，如圖3所示，(a)圖為BTS6143D驅(qū)動(dòng)車燈試驗(yàn)電路示意圖，(b)圖為繼電器驅(qū)動(dòng)車燈連接示意圖。


 圖3  試驗(yàn)電路示意圖

　　(a)BTS6143D驅(qū)動(dòng)車燈

　　(b)繼電器驅(qū)動(dòng)車燈

　　具體意義如表1所示。

　　啟動(dòng)特性試驗(yàn)

　　啟動(dòng)特性試驗(yàn)分為冷啟動(dòng)試驗(yàn)和熱啟動(dòng)試驗(yàn)。所謂冷啟動(dòng)試驗(yàn)就是在車燈長(zhǎng)時(shí)間關(guān)閉后開(kāi)啟車燈的情況；熱啟動(dòng)試驗(yàn)則是在車燈剛關(guān)閉不久，燈絲尚未冷卻即重新開(kāi)啟車燈的情況。由于車燈燈絲電阻是正溫度系數(shù)的，因此車燈冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)特性表現(xiàn)出了較大的差異。

　　·BTS6143D驅(qū)動(dòng)車燈啟動(dòng)特性

　　從試驗(yàn)結(jié)果圖4(a)中可以看到，車燈冷啟動(dòng)時(shí)由于燈絲溫度較低，因而電阻較小，所以在啟動(dòng)時(shí)會(huì)有較大的瞬間浪涌電流，其值可達(dá)30A；在車燈開(kāi)啟一段時(shí)間后燈絲電阻隨著燈絲溫度的升高而慢慢變大，此時(shí)關(guān)掉車燈，在燈絲尚未冷卻時(shí)重新啟動(dòng)，可以從試驗(yàn)結(jié)果圖4(b)中看到，瞬間浪涌電流則會(huì)大大降低，其值不到10A。車燈的冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)在瞬間浪涌電流值上表現(xiàn)出的巨大差異可能會(huì)加速燈泡的毀壞。從試驗(yàn)的結(jié)果看，建議使用脈沖寬度調(diào)制(PWM)來(lái)實(shí)現(xiàn)車燈的軟啟動(dòng)過(guò)程，使得車燈燈絲逐步加熱，以減小瞬間浪涌電流。試驗(yàn)結(jié)果還有助于解釋為什么車燈在剛剛打開(kāi)時(shí)損壞的概率較大。


(a)冷啟動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果 　　(b)熱啟動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果圖

 圖4  BTS6143D驅(qū)動(dòng)車燈啟動(dòng)特性試驗(yàn)結(jié)果圖

　　⊙繼電器驅(qū)動(dòng)車燈啟動(dòng)特性

　　繼電器驅(qū)動(dòng)車燈冷啟動(dòng)時(shí)瞬間浪涌電流為36A，熱啟動(dòng)時(shí)瞬間浪涌電流為10A，如圖5啟動(dòng)特性試驗(yàn)結(jié)果圖(a)圖、(b)圖所示。由于繼電器觸點(diǎn)易抖動(dòng)，可以發(fā)現(xiàn)其啟動(dòng)過(guò)程帶有明顯的電壓及電流抖動(dòng)，這種抖動(dòng)不僅會(huì)影響繼電器的使用壽命，也會(huì)對(duì)車燈的安全啟動(dòng)造成極大隱患。而使用BTS6143D驅(qū)動(dòng)車燈的啟動(dòng)過(guò)程則相對(duì)平滑，因而更凸現(xiàn)出使用BTS6143D驅(qū)動(dòng)車燈的優(yōu)越性。


(a)冷啟動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果 　　(b)熱啟動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果圖

圖5繼電器驅(qū)動(dòng)車燈啟動(dòng)特性試驗(yàn)結(jié)果圖

　　短路特性實(shí)驗(yàn)

　　汽車系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，周圍環(huán)境復(fù)雜，金屬線束繁多，雖然所有的導(dǎo)線均有絕緣包絡(luò)，但是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，缺乏必要保養(yǎng)的情況下，不可避免會(huì)出現(xiàn)各種各樣的問(wèn)題。本試驗(yàn)將短路特性試驗(yàn)分為兩種常見(jiàn)的情況：

　　1)在系統(tǒng)尚未啟動(dòng)上電既已產(chǎn)生短路的情況，稱之為短路類型I，即天生短路試驗(yàn)。用以模擬在汽車尚未運(yùn)行，系統(tǒng)就已經(jīng)短路的情況；

　　2)在車輛運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生短路的情況，稱之為短路類型II，即后天短路試驗(yàn)，用以模擬在汽車正常運(yùn)行的條件下，由于意想不到的原因?qū)е碌妮敵龆搪贰?/p>

　　下面將分別闡述這兩種短路試驗(yàn)的情況。

　　⊙BTS6143D驅(qū)動(dòng)車燈天生短路實(shí)驗(yàn)

　　BTS6143D具有短路檢測(cè)及自動(dòng)關(guān)斷功能。其短路檢測(cè)的默認(rèn)條件為：功率管漏級(jí)與源級(jí)的壓差VON>VON(SC)(典型值3.5V),且t>td(sc)(典型值650ms)。如圖6中所示，VON＝V粉-V紅變化范圍為6V到12V，短路故障從檢測(cè)到關(guān)斷時(shí)間約為650ms，短路關(guān)斷后，BTS6143D不再有輸出。在本文的短路試驗(yàn)中，最大短路電流為110A，這個(gè)數(shù)值與導(dǎo)線電阻有關(guān)，導(dǎo)線的電阻越大則對(duì)應(yīng)的短路電流就越小，BTS6143D也就越安全。從這種意義上來(lái)講導(dǎo)線越長(zhǎng)，則BTS6143D越不容易被損壞。但是，如果導(dǎo)線太長(zhǎng)，則蓄電池的電壓大多數(shù)降低在導(dǎo)線上，容易造成VON
圖6  BTS6143D天生短路試驗(yàn)結(jié)果

　　⊙BTS6143D驅(qū)動(dòng)車燈后天短路實(shí)驗(yàn)

　　從圖7后天短路試驗(yàn)結(jié)果圖中可以看出，短路故障發(fā)生后，隨著電流上升，VON=V粉-V紅逐漸變大，當(dāng)VON>VON(SC)時(shí)(大約在發(fā)生短路后140ms時(shí))，BTS6143D識(shí)別出短路故障，開(kāi)始關(guān)斷BTS6143D，經(jīng)歷30ms后電流降為零。在整個(gè)短路過(guò)程中，最大短路電流可達(dá)180A，其電流峰值與導(dǎo)線電阻有關(guān)。導(dǎo)線電阻越小，峰值電流就大，瞬間的大電流容易損壞BTS6143D芯片。當(dāng)導(dǎo)線電阻太大時(shí)，VON需要較長(zhǎng)的時(shí)間達(dá)到(或者永遠(yuǎn)不能達(dá)到)VON(SC)，這樣短路保護(hù)的功能的效果就比較差，本質(zhì)上變成了過(guò)熱保護(hù)。另外，由于導(dǎo)線電感會(huì)造成FET管的漏級(jí)電壓(粉色線)超過(guò)蓄電池電壓、源級(jí)電壓(紅色線)低于0V，可能會(huì)導(dǎo)致漏級(jí)和源級(jí)之間的電壓超過(guò)BTS6143D的最大允許工作電壓，所以要選擇低電感的導(dǎo)線。


 圖7  BTS6143D后天短路試驗(yàn)結(jié)



 圖8繼電器短路試驗(yàn)結(jié)果圖

　　⊙?繼電器驅(qū)動(dòng)車燈短路實(shí)驗(yàn)

　　為了與BTS6143D的短路保護(hù)功能作對(duì)比，用繼電器驅(qū)動(dòng)車燈做了短路的對(duì)比試驗(yàn)，其結(jié)果如圖8所示。在這個(gè)短路過(guò)程中，最大短路電流可達(dá)100A,電池電壓被拉低接近4V。保險(xiǎn)絲熔斷保護(hù)時(shí)間為60ms,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于BTS6143D的短路關(guān)斷時(shí)間650ms。由此可見(jiàn)，在發(fā)生短路故障時(shí)，使用智能功率開(kāi)關(guān)比傳統(tǒng)的繼電器對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)更加迅速和有效。

　　結(jié)語(yǔ)

　　通過(guò)上述對(duì)比試驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論：使用BTS6143D驅(qū)動(dòng)汽車上大功率車燈是一種更好的選擇。利用BTS6143D，可以采用脈寬調(diào)制方式(PWM)來(lái)控制車燈的啟動(dòng)及運(yùn)行過(guò)程，從而更有效地抑制車燈啟動(dòng)時(shí)的瞬間浪涌電流，有效延長(zhǎng)了車燈的使用壽命。最重要的是可以縮短短路故障的保護(hù)時(shí)間，對(duì)車燈控制系統(tǒng)實(shí)施更迅速更有效的保護(hù)。與保險(xiǎn)絲不同，BTS6143D的短路保護(hù)并沒(méi)有損壞芯片，當(dāng)短路故障排除后，系統(tǒng)可以恢復(fù)正常，而不需要更換芯片，這給維修和保養(yǎng)帶來(lái)了方便。