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汽車熔斷器的失效保護(hù)方法

發(fā)布時(shí)間:2009-06-22 來(lái)源:意法半導(dǎo)體

中心議題:
  • 車身控制模塊(BCM)原理
  • BCM熔斷器的各種問(wèn)題
解決方案:
  • 使用能夠仿真熔斷器的智能保護(hù)電路
在今天的車身控制模塊(BCM)設(shè)計(jì)中,有見(jiàn)識(shí)的工程師機(jī)都盡可能不再使用機(jī)電式繼電器。他們的下一個(gè)發(fā)展方向是停用熔斷器。但是,停用熔斷器是一個(gè)非常必要的解決方案嗎?是一個(gè)用更加復(fù)雜的解決方案取代一個(gè)簡(jiǎn)單而且高效的元器件嗎?

今天的 BCM由大量的固態(tài)開(kāi)關(guān)和熔斷器組成。某些 BCM有多達(dá)8-12個(gè)蓄電池饋路,為60-80個(gè)負(fù)載提供電源,每個(gè)電池饋路都裝有熔斷器,這就是說(shuō),BCM負(fù)載(車燈、門(mén)鎖等)是由驅(qū)動(dòng)器組驅(qū)動(dòng)的,每個(gè)驅(qū)動(dòng)器都有一個(gè)熔斷器。為了安全起見(jiàn),或只是因?yàn)樨?fù)載電流太大,無(wú)法均衡分配,有些負(fù)載需要單獨(dú)配備熔斷器。據(jù)說(shuō),還有些 BCM只有一個(gè)或兩個(gè)熔斷器。萬(wàn)一輸出失效時(shí),這些模塊依靠固態(tài)開(kāi)關(guān)提供“熔斷”保護(hù)功能。 
                                       
熔斷器從克魯馬努人時(shí)代開(kāi)始流傳下來(lái)。與半導(dǎo)體元器件相比,熔斷器非常簡(jiǎn)單,幾乎不需要什么制造工藝,而且成本低廉……正是因?yàn)楹?jiǎn)單,熔斷器被設(shè)計(jì)成線束保險(xiǎn)裝置,以防短路時(shí)線束變成烤箱電纜。

熔斷器的工作原則是一個(gè)簡(jiǎn)單的I2R與時(shí)間的關(guān)系。電流越大,熔斷或開(kāi)路時(shí)間越短。熔斷器的功耗與通過(guò)熔斷器的電流的平方成正比。當(dāng)功耗過(guò)高時(shí),熔斷器熔斷。這個(gè)特性同樣適用于受熔斷器保護(hù)的線束。當(dāng)熔斷器的“熔斷”特性與所保護(hù)的線束相似,只是處理電流能力略低時(shí),熔斷器是一個(gè)理想的選擇。
                                 
                                                                                 圖3:I2-t 特性比較[page]
安裝位置

關(guān)于熔斷器從BCM模塊凸出來(lái)的問(wèn)題,有點(diǎn)像房地業(yè)的三條規(guī)則:位置、位置,還是位置。如果模塊有凸出來(lái)的熔斷器,模塊就必需放在車主能夠檢修的位置。線束布線和模塊方向,以及熔斷器必須放在模塊的什么地方,是令人頭疼的問(wèn)題。所有這些限制和保護(hù)功能增加了模塊的成本和制造難題。下圖所示的福特BCM在CEM3上安裝一個(gè)靈活的電路板后,才能把熔斷器置于模塊的“邊緣”。 
                                         
                                                       圖4:在福特BCM內(nèi)部的熔斷器連接端口陣列

汽車制造商在給這些BCM模塊/熔斷器單元尋找位置方面具有相當(dāng)高的創(chuàng)新力。我曾在儀表板和發(fā)動(dòng)機(jī)蓋下和踏腳板內(nèi)(前車門(mén)鉸接區(qū)的右側(cè))看見(jiàn)過(guò)BCM模塊,甚至還在后座下面看見(jiàn)過(guò)BCM模塊(我的車子就是這樣)。某些BCM裝有鉸鏈,可以從儀表板下面拉出來(lái),檢修比較方便。有些BCM則裝在擋板后面,只有查看用戶手冊(cè)(如果有)才能找到。我不只一次趴在駕駛座椅上,腳壓在的靠背上,頭鉆到儀表板下,尋找那個(gè)失效的熔斷器。

這還不算完,你還要解開(kāi)哪一個(gè)熔斷器號(hào)對(duì)哪一個(gè)功能的啞謎……熔斷器面板除提供幾行編號(hào)外,沒(méi)有任何標(biāo)記。真地像猜謎比賽,除了分值之外,你不能告訴選手任何信息。如果再?zèng)]有用戶手冊(cè),BCM就像一個(gè)食品柜,里面裝滿了撕去標(biāo)簽的罐頭……你只能分類排查,別無(wú)它法。你只能不斷地猜測(cè),直到找到失效的熔斷器號(hào)為止。

固態(tài)熔斷器可解決很多問(wèn)題

熔斷器可能會(huì)因?yàn)闆](méi)有明顯原因而熔斷,熔斷器的容錯(cuò)能力非常差,哪怕是最輕微的短路都會(huì)熔斷(你曾經(jīng)把硬幣掉到點(diǎn)煙器插座/電源插座嗎?)。當(dāng)你最后發(fā)現(xiàn)硬幣并將其取出時(shí),熔斷器不會(huì)復(fù)位。

如果BCM模塊上沒(méi)有熔斷器,安裝位置就不是這樣問(wèn)題了。把BCM模塊安裝在后座下面,不必鉆到儀表板下檢修BCM模塊,這對(duì)我來(lái)說(shuō)就不再是一個(gè)太大的問(wèn)題。因?yàn)槿蹟嗥饔羞@么多的麻煩,難怪汽車廠商關(guān)注無(wú)熔斷器或熔斷器較少的BCM解決方案。

不讓汽車自燃或提供更多保修故障的解決方案

因此,這種解決方案必須可靠,在應(yīng)用系統(tǒng)內(nèi)性能優(yōu)異,幾乎沒(méi)有任何成本。

今天的固態(tài)開(kāi)關(guān)因?yàn)楸Wo(hù)形式簡(jiǎn)單,有一點(diǎn)以自我為中心。這就是說(shuō),它們更加關(guān)注自我保護(hù),而不是保護(hù)外圍元器件。固態(tài)開(kāi)關(guān)有過(guò)熱和超負(fù)載保護(hù)電路,當(dāng)因輸出短路而限制負(fù)載電流時(shí),這種元器件是最佳的選擇。因此,用固態(tài)開(kāi)關(guān)替代熔斷器有時(shí)候并不是最佳的選擇。
                                            
                                                                     
                                                             圖5:智能上橋臂開(kāi)關(guān)與熔斷器性能比較
像硬短路一樣的短路事件比較容易保護(hù),例如,受驅(qū)動(dòng)器限制的負(fù)載電流。在這種情況下,功耗不是I2R的結(jié)果,而是驅(qū)動(dòng)器上的電壓降與相應(yīng)的限流的結(jié)果。這是一個(gè)高功耗事件,大部分功耗發(fā)生在智能開(kāi)關(guān)上而不是線束上。因此,開(kāi)關(guān)的溫度迅速升高,激活過(guò)熱關(guān)斷功能,從而保護(hù)相關(guān)的線束。[page]

車身模塊中的大多數(shù)負(fù)載是燈泡。燈泡有一個(gè)很難處理的特性:涌流,我們了解并喜歡這個(gè)特性。涌流要求強(qiáng)迫固態(tài)開(kāi)關(guān)的限流值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于穩(wěn)定狀態(tài)開(kāi)關(guān)操作所需的限流值。我所說(shuō)的一切都是為了說(shuō)明:當(dāng)沒(méi)有發(fā)生嚴(yán)重的硬短路事件時(shí),這些高涌流的元器件準(zhǔn)許異常高的穩(wěn)態(tài)電流在線束內(nèi)流動(dòng),這就是固態(tài)開(kāi)關(guān)保護(hù)自我而不保護(hù)所在系統(tǒng)的情況。這時(shí),電流強(qiáng)度還不足以激活開(kāi)關(guān)限流功能,但是足以燒毀線束或電路板。

在圖5的示例中有一個(gè)點(diǎn),智能開(kāi)關(guān) (VN5010)將繼續(xù)前行,而電線將開(kāi)始自毀(紅線在藍(lán)色虛線上方)。如果這種情況是真實(shí)的,甚至連電路板都可能會(huì)自毀?,F(xiàn)在考慮到涌流要求很可能更加嚴(yán)格,我們開(kāi)始意識(shí)到有必要開(kāi)發(fā)一個(gè)能夠仿真熔斷器特性的保護(hù)算法。

在用一個(gè)“大熔斷器”保護(hù)多個(gè)上橋臂驅(qū)動(dòng)負(fù)載的應(yīng)用中,有些問(wèn)題需要考慮。在這些應(yīng)用中,“大熔斷器”的電流處理功能可能高于任何一條被保護(hù)的線束。因此,當(dāng)一條電線上出現(xiàn)“軟短路”時(shí),如果上橋臂驅(qū)動(dòng)器十分強(qiáng)健,能夠處理更高的短路電流和熔斷保護(hù)功能,那么線束或電路板可能會(huì)自毀。

                                                 
                                                     圖6:當(dāng)智能開(kāi)關(guān)只能自我保護(hù)時(shí)的后果
解決方案

該解決方案是實(shí)現(xiàn)一個(gè)能夠仿真熔斷器的I2-t特性的智能電路保護(hù)算法。這個(gè)概念可轉(zhuǎn)化為“曲線下面積”。在下圖(圖 7)中,曲線下面積(A區(qū))是保護(hù)算法的I2-t界限內(nèi)。B區(qū)所示是在一段時(shí)間內(nèi)的恒定超負(fù)載條件,其中,超負(fù)載電流小于智能開(kāi)關(guān)的限流值。在這個(gè)圖中,當(dāng)限流值超過(guò)曲線時(shí),智能開(kāi)關(guān)不會(huì)被閉鎖。當(dāng)B區(qū)突破A區(qū)時(shí),器件閉鎖。 這個(gè)原則適用于超負(fù)載在開(kāi)關(guān)激活后存在很長(zhǎng)時(shí)間的狀況。
                                           
                                                                  圖7:超負(fù)載與功率限制區(qū)比較

可能存在一種特殊的瞬間過(guò)流狀況:瞬間過(guò)流超出曲線與A區(qū)交接的界限,但是“曲線下面積”不足以產(chǎn)生錯(cuò)誤開(kāi)關(guān)條件。在下圖中(圖8),這個(gè)錯(cuò)誤是很嚴(yán)重的,但是因?yàn)闀r(shí)長(zhǎng)太短,不足以產(chǎn)生錯(cuò)誤開(kāi)關(guān)條件。

                                       
                                                       圖8:瞬間錯(cuò)誤不會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤關(guān)斷狀況[page]

這種保護(hù)算法準(zhǔn)許出色多個(gè)涌流,同時(shí)不會(huì)強(qiáng)制系統(tǒng)處理比正常高出很多的穩(wěn)態(tài)電流。因此,這種算法提供一個(gè)強(qiáng)健的保護(hù)功能,既可以保護(hù)開(kāi)關(guān)本身,又可以保護(hù)被開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)的線束。再加上其它的安全機(jī)制,如內(nèi)置的看門(mén)狗和激活功能,這個(gè)已經(jīng)很安全的解決方案將會(huì)變得更加安全。

利用一個(gè)升降序計(jì)數(shù)器,可以在芯片上實(shí)現(xiàn)這個(gè)算法,控制該升降序計(jì)數(shù)器的是流經(jīng)開(kāi)關(guān)的電流的平方(圖 9)。

 

計(jì)數(shù)器的方向由參考電流確定。當(dāng)檢測(cè)電流高于參考電流閾值時(shí),計(jì)數(shù)器升序計(jì)數(shù),速率與檢測(cè)電流和參考電流的差的平方成正比。當(dāng)檢測(cè)電流低于參考電流閾值時(shí),計(jì)數(shù)器以固定值降序計(jì)數(shù)。固定降序計(jì)數(shù)值的設(shè)定目的是更好地估算熔斷器的散熱性。

這個(gè)閾值涌流要比電線的電流處理能力略低(如圖5所示,小于14A DC)。計(jì)數(shù)器一旦達(dá)到某一個(gè)預(yù)設(shè)值后,輸出就會(huì)被立即關(guān)斷。因?yàn)檫@種算法是利用熔斷器型的特性保護(hù)電線,所以直到微控制器重新初始化,將輸出重新導(dǎo)通之前,驅(qū)動(dòng)器始終保持關(guān)斷狀態(tài)。


                                圖10:采用保護(hù)算法的外推i2-t曲線與電線和熔斷器比較

實(shí)現(xiàn)這種保護(hù)方法的智能開(kāi)關(guān)系列產(chǎn)品的應(yīng)用,可降低給定車身電子模塊的線束成本,限制熔斷器的數(shù)量,同時(shí)提高可靠性和安全性。

當(dāng)一次短路輸出最終燒毀了她的BCM時(shí),車廂內(nèi)充滿了刺鼻的燒焦味,如圖6電路板所示,該車的車主買(mǎi)了一輛新車,有同樣遭遇的車主不是很少。彌補(bǔ)一輛價(jià)值3000美元的汽車的置換損失需要很多個(gè)模塊。模塊的單價(jià)比較昂貴,底價(jià)不易被接受。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看,多花一點(diǎn)錢(qián)增加這種保護(hù)裝置是物有所值的。
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