車身控制模塊中的失效保護(hù)方法

像硬短路一樣的短路事件比較容易保護(hù)，例如，受驅(qū)動器限制的負(fù)載電流。在這種情況下，功耗不是I2R的結(jié)果，而是驅(qū)動器上的電壓降與相應(yīng)的限流的結(jié)果。這是一個高功耗事件，大部分功耗發(fā)生在智能開關(guān)上而不是線束上。因此，開關(guān)的溫度迅速升高，激活過熱關(guān)斷功能，從而保護(hù)相關(guān)的線束。

車身模塊中的大多數(shù)負(fù)載是燈泡。燈泡有一個很難處理的特性：涌流，我們了解并喜歡這個特性。涌流要求強(qiáng)迫固態(tài)開關(guān)的限流值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于穩(wěn)定狀態(tài)開關(guān)操作所需的限流值。我所說的一切都是為了說明：當(dāng)沒有發(fā)生嚴(yán)重的硬短路事件時，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，這就是固態(tài)開關(guān)保護(hù)自我而不保護(hù)所在系統(tǒng)的情況。這時，電流強(qiáng)度還不足以激活開關(guān)限流功能，但是足以燒毀線束或電路板。

在圖5的示例中有一個點(diǎn)，智能開關(guān) (VN5010)將繼續(xù)前行，而電線將開始自毀（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自毀?，F(xiàn)在考慮到涌流要求很可能更加嚴(yán)格，我們開始意識到有必要開發(fā)一個能夠仿真熔斷器特性的保護(hù)算法。

在用一個“大熔斷器”保護(hù)多個上橋臂驅(qū)動負(fù)載的應(yīng)用中，有些問題需要考慮。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，如果上橋臂驅(qū)動器十分強(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自毀。

圖6：當(dāng)智能開關(guān)只能自我保護(hù)時的后果

該解決方案是實(shí)現(xiàn)一個能夠仿真熔斷器的I2-t特性的智能電路保護(hù)算法。這個概念可轉(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)載電流小于智能開關(guān)的限流值。在這個圖中，當(dāng)限流值超過曲線時，智能開關(guān)不會被閉鎖。當(dāng)B區(qū)突破A區(qū)時，器件閉鎖。這個原則適用于超負(fù)載在開關(guān)激活后存在很長時間的狀況。

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流狀況：瞬間過流超出曲線與A區(qū)交接的界限，但是“曲線下面積”不足以產(chǎn)生錯誤開關(guān)條件。在下圖中(圖8)，這個錯誤是很嚴(yán)重的，但是因?yàn)闀r長太短，不足以產(chǎn)生錯誤開關(guān)條件。

圖8：瞬間錯誤不會產(chǎn)生錯誤關(guān)斷狀況

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

利用一個升降序計數(shù)器，可以在芯片上實(shí)現(xiàn)這個算法，控制該升降序計數(shù)器的是流經(jīng)開關(guān)的電流的平方(圖 9)。

圖9： i-t 限制控制環(huán)路

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

這個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)。計數(shù)器一旦達(dá)到某一個預(yù)設(shè)值后，輸出就會被立即關(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