汽車的控制器控制著各種類型的負載,包括阻性負載、容性負載和感性負載。例如在車身控制模組中,車燈在車身控制模組的負載中佔有很大比重。不正確的設計和元件選型會對控制器造成失效,影響產品的品質。本文詳細解釋了燈泡在浪湧電流的物理模型和模擬模型,進而提出如何在設計中計算在浪湧電流下驗證元件的設計安全。

浪湧電流的產生和負載的種類和特性有關,和通斷頻率也有關係。特別是在有浪湧電流存在的負載情況,應和穩態電流一起測定浪湧電流值。圖1顯示了有代表性的負載種類與浪湧電流的關係。

20200211TA31P1 圖1 典型的負載種類與浪湧電流的關係。

從圖1可以看出,當負載為燈泡時,浪湧電流約是穩態電流的10~15倍,本文重點討論汽車中的白熾燈。為了更好地理解白熾燈的浪湧電流特性,可以透過對白熾燈外部特性建立PSpice模型,利用模擬對其進行研究。本文以大燈為例,一般是55W的額定功率。

為確定白熾燈的參數模型中的R1、R2、C1的參數,以下把參數模型的數值逐一定義出來。

第一步,先計算出穩態下的R1

20200211TA31P1-1

第二步,確定R2。在浪湧的初始狀態,白熾燈的等效電路呈現出電容的特性,即在很短暫的時間到達峰值電流後,又衰減成穩態電流。因此,還需要在電容的迴路上串聯一個電阻(R2)。

20200211TA31P1-2

第三步,計算電容的值。白熾燈的等效電路上電容電流的衰減可以由下方公式算出:

20200211TA31P1-3

tc = RC

tc = 100ms = R2C1

(可以認為在10ms的時間後電流達到了穩態電流值,此時的浪湧電流已經下降到初始值的約63%。)

C1 =10ms/0.28Ω

C1 =35.7F

20200211TA31P2 圖2 白熾燈的參數模型。

圖3提供了已完成參數定義的55W白熾燈泡的PSpice等效模型。

20200211TA31P3 圖3 白熾燈泡的PSpice等效模型(55W)。

為了驗證參數定義的有效性,採用模擬的結果和實際的測量值作對比,得到的結果相當的一致(圖4)。需要注意的是,圖3只是提供了冷態下單次浪湧電流下白熾燈的等效模型(55W)。

20200211TA31P4 圖4 55W白熾燈PSpice等效模型的模擬結果。

以上分析了元件的物理特性和模擬,在工程實踐中還需要透過元件選型來確保在浪湧電流下設計的安全。

1.計算浪湧電流下開關控制元件的溫升(以BTS5020-2EKA為例):

20200211TA31P4-1

考慮到燈泡製造中參數的離散性,還要加上約10%的設計裕量,因此在選擇功率元件時要確保元件的Isc > (1+10%)Iinrush。從BTS5020-2EKA的資料表中查出Isc = 50A。計算出的值為50.38A,由於是在極限的情況下超出邊界值,在最差情況下分析時可以認為對設計沒有影響。

2.驗證在浪湧電流下的功率損耗:

20200211TA31P4-2

(Rds(on) = 44mΩ,BTS5020-2EKA資料表提供)

Ploss = 46W

在BTS5020-2EKA資料表中找到熱阻和脈衝時間的曲線圖(圖5),找到10ms(0.01s)的那條2S2P(4層板)對應曲線,得到的ZthJA =2℃/W。

20200211TA31P5 圖5 資料表中熱阻和脈衝時間的曲線圖。

浪湧電流引起BTS5020-2EKA的溫升:

ΔT = Ploss × ZthJA = 46 ×2 = 92(℃)

TJ = Tambinent + ΔT = 25 + 92 = 117( ℃)

TJ小於元件提供的最高結溫要求(圖6)。

20200211TA31P6 圖6 資料表中結溫範圍要求。

透過以上的設計分析和計算,可以認為BTS5020-2EKA滿足在實際應用下浪湧電流的要求。

本文同步刊登於EDN Taiwan 2020年2月號雜誌