【導讀】在設計和部署適應惡劣汽車環境的先進解決方案時，設計人員需要用戶友好、快捷且對硬件要求較低的交互式模擬仿真工具。采用分布式智能能夠釋放係統性能
，但對係統韌性和實時反饋能力提出了要求。

在設計和部署適應惡劣汽車環境的先進解決方案時
，設計人員需要用戶友好、快捷且對硬件要求較低的交互式模擬仿真工具。采用分布式智能能夠釋放係統性能，但對係統韌性和實時反饋能力提出了要求。

在汽車行業
，設計人員需要解決、減少和預防一些可能導致發動機控製模塊(ECM) 或其他電子控製單元(ECU) 等關鍵部件損壞的嚴重問題。這些係統故障可能帶來事故或其他安全隱患。

為了應對這些危險，汽車廠商采用了各種保護措施
，例如，保險絲
、斷路器和過壓保護裝置，以及防止關鍵部件過熱的熱管理技術。

準確的模擬工具有助於提前發現潛在的問題
，讓工程師能夠對設計進行必要的修改或調整
，第一時間防止這些問題發生。

此外，模擬實驗還可以優化電氣係統的設計，確保其能夠處理可能遇到的最大電流和電壓

，讓汽車係統變得更安全可靠。

全麵的模擬功能至關重要

在下一代汽車的研發中，工程師在配電方麵麵臨諸多挑戰，需要采用分布式智能方法來同步解決幾個關鍵因素：

§ 車輛韌性；

§ 能效；

§ 可持續性

對意外事故
、惡劣天氣、設備故障等不可預見情況的承受能力對車輛韌性至關重要。能效在降低功耗
、碳排放和保養費用方麵發揮著關鍵作用，同時有助於提高整車性能和可靠性。 可持續性是降低車輛對環境的影響和促進低碳的關鍵因素。

weileshixianzhexiemubiao，gongchengshibixushiyongjingguoquanmianmonishiyanyanzhengdechuangxindejiejuefanganhegainian，yikaifachumanzuxingyexuqiudexianjinqichexitong，bingtigonggenganquan
、更可靠

、更可持續、更愉悅的駕駛體驗。配電係統所用的智能功率開關管是複雜的電子元器件，需要經過電熱模擬實驗，才能保證最佳性能。

分析功率開關的電氣行為
，包括開關管的高電壓電流的處理能力
、xiangyingshijian
，yijijiancehegeliguzhangdenengli

，doulibukaidianmonishiyan。lingyifangmian，fenxikaiguanzaicaozuoguochengzhongchanshengdereliangxuyaozuoremonishiyan，yinweirelianghuiyingxiangkaiguandexingnenghekekaoxing。tongguozuodianremonishiyan，gongchengshikeyiyouhuazhinengkaiguandesheji，quebaoqimanzushejidexingnengyaoqiu
，tongshibaochianquandegongzuowendu。caiyongmoniyanzhengfangfakeyitigaopeidianxitongdenengxiao
、可靠性和安全性，同時確保係統實現合理有效的保機製和診斷功能。

1.了解產品信息

為了確保做出最佳選擇，必須在用戶友好、可定製的交互式環境中做模擬實驗
，這樣才能快速了解智能開關的行為。第一步是確定哪些產品符合電氣要求。

意法半導體的電熱模擬器 TwisterSIM 是實現此目的的理想工具，為選擇VIPower 產chan品pin專zhuan門men設she計ji
，包bao括kuo智zhi能neng高gao低di邊bian驅qu動dong器qi，以yi及ji用yong於yu電dian機ji控kong製zhi的de全quan橋qiao拓tuo撲pu。該gai模mo擬ni工gong具ju可ke以yi從cong列lie表biao中zhong準zhun確que選xuan擇ze候hou選xuan器qi件jian，並bing提ti供gong基ji本ben的de產chan品pin信xin息xi。因yin此ci，設she計ji人ren員yuan可ke以yi快kuai速su輕qing鬆song地di評ping估gu不bu同tong的de智zhi能neng開kai關guan的de性xing能neng，並bing選xuan擇ze最zui適shi合he特te定ding用yong途tu的de開kai關guan，如ru圖tu 1 所示。

圖1：VIPower智能驅動器預選

根據電源電壓、器件拓撲

、通道數量、負載類型和特性、電源類型、環境溫度和 PCB 功率耗散麵積等各種輸入數據，該模擬器可以提供有關預計最大結溫 (TJMAX) 的寶貴信息，進行快速有效的產品預選。

這些信息至關重要
，有助於為每個通道選擇合適的通態電阻 (RON)
，並確保工作狀態下的熱預算滿足器件的絕對最大額定值。

2. 深入了解性能

為了研究驅動器的電熱行為，模擬器生成一個原理圖電路，電路中包含預選器件以及分別與電池和負載連接的輸入/輸出電路（圖 2）。

圖2：VIPower驅動器模擬實驗的電路圖

其中：

VBATT是電池電壓；

VIN 是微控製器的輸入電壓
；

RLINE_IN 和 RLINE_OUT 是驅動器輸入和輸出端的電線寄生電阻。

在開始模擬之前，需要先執行定義步驟，自定義項目參數。在此階段，設計人員確定電路圖中元件的參數值和模擬設置。

電路圖中元件的參數值對於確定電路的行為至關重要，必須仔細選型
，確保電路符合性能規格要求。

模mo擬ni設she置zhi是shi定ding義yi設she計ji者zhe想xiang要yao通tong過guo模mo擬ni實shi驗yan再zai現xian並bing分fen析xi哪na些xie工gong作zuo狀zhuang況kuang，例li如ru，設she計ji人ren員yuan可ke能neng想xiang要yao檢jian查zha電dian路lu中zhong的de電dian壓ya和he電dian流liu波bo形xing，確que定ding功gong耗hao或huo評ping估gu電dian路lu的de熱re行xing為wei。

通過自定義項目參數，設置模擬變量，設計人員可以確保模擬結果準確反映電路的行為
，並提供優化設計所需的信息（圖 3）。

圖 3：模擬定義過程

用TwisterSIM進(jin)行(xing)模(mo)擬(ni)實(shi)驗(yan)的(de)一(yi)大(da)好(hao)處(chu)是(shi)
，可(ke)以(yi)在(zai)模(mo)擬(ni)過(guo)程(cheng)中(zhong)實(shi)時(shi)顯(xian)示(shi)模(mo)擬(ni)結(jie)果(guo)。此(ci)功(gong)能(neng)允(yun)許(xu)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)在(zai)模(mo)擬(ni)過(guo)程(cheng)中(zhong)監(jian)視(shi)電(dian)路(lu)的(de)工(gong)作(zuo)行(xing)為(wei)，並(bing)快(kuai)速(su)識(shi)別(bie)出(chu)問(wen)題(ti)或(huo)需(xu)要(yao)改(gai)進(jin)的(de)地(di)方(fang)。

模(mo)擬(ni)結(jie)果(guo)的(de)實(shi)時(shi)顯(xian)示(shi)可(ke)以(yi)幫(bang)助(zhu)設(she)計(ji)者(zhe)提(ti)高(gao)設(she)計(ji)優(you)化(hua)的(de)效(xiao)率(lv)和(he)效(xiao)果(guo)，例(li)如(ru)

，當(dang)模(mo)擬(ni)結(jie)果(guo)顯(xian)示(shi)電(dian)路(lu)消(xiao)耗(hao)過(guo)多(duo)電(dian)流(liu)或(huo)溫(wen)度(du)上(shang)升(sheng)過(guo)快(kuai)時(shi)，設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)可(ke)以(yi)快(kuai)速(su)調(tiao)整(zheng)電(dian)路(lu)參(can)數(shu)，立(li)即(ji)看(kan)到(dao)參(can)數(shu)變(bian)化(hua)對(dui)模(mo)擬(ni)結(jie)果(guo)的(de)影(ying)響(xiang)。

此功能可以節省時間和資源，因為設計人員不必等到模擬結束
，就能快速發現並解決問題。TwisterSIM的實時顯示模擬結果可以提高設計優化的效率和效果，從而提高配電係統的能效、可靠性和安全性。

3. 按需定製模擬結果

圖4：根據數據可視化定製曲線和圖表

工程師可以修改模擬參數、數據和可視化圖形

，以滿足他們的特定需求
，做出知情決策，並獲得最佳結果。該模擬器為分析和優化 VIPower 電路提供了多種工具，例如，熱圖、電流電壓波形，以及功耗分析，如圖 4 所示。

設計人員可以用 TwisterSIM設(she)計(ji)開(kai)發(fa)高(gao)效(xiao)且(qie)具(ju)有(you)韌(ren)性(xing)的(de)驅(qu)動(dong)器(qi)，讓(rang)其(qi)具(ju)有(you)有(you)效(xiao)的(de)診(zhen)斷(duan)和(he)保(bao)護(hu)功(gong)能(neng)
，具(ju)體(ti)實(shi)現(xian)方(fang)法(fa)是(shi)優(you)化(hua)設(she)計(ji)的(de)性(xing)能(neng)和(he)可(ke)靠(kao)性(xing)
，降(jiang)低(di)熱(re)應(ying)力(li)或(huo)電(dian)應(ying)力(li)引(yin)起(qi)的(de)失(shi)效(xiao)風(feng)險(xian)，集(ji)成(cheng)錯(cuo)誤(wu)再(zai)現(xian)和(he)極(ji)限(xian)參(can)數(shu)記(ji)錄(lu)等(deng)功(gong)能(neng)。此(ci)外(wai)，這(zhe)種(zhong)設(she)計(ji)方(fang)法(fa)還(hai)可(ke)以(yi)降(jiang)低(di)線(xian)束(shu)尺(chi)寸(cun)和(he)重(zhong)量(liang)，從(cong)而(er)減(jian)少(shao)車(che)輛(liang)的(de)碳(tan)足(zu)跡(ji)。

危急場景

在惡劣的汽車生態係統中
，特別是重複短路事件可能導致熱關斷 (TSD) 的情況，考慮實現熱保護機製是至關重要的。

在這種情況下，驅動器會嚐試通過功率限製保護措施（最大電流和熱滯循環）重新啟動係統，並保持 TSD 模式
，直到過熱問題消除。

TwisterSim也有這種特定的控製功能，以高邊驅動器 VND9012AJ（采用VIPower M0-9 技術研製的智能功率開關）為例
，TwisterSim可以準確地再現開關的工作情況，然後將模擬結果與實驗數據進行比較，如圖 5 所示。

圖 5： VND9012AJ 在重複短路事件情況下的模擬結果與實驗數據的比較

其中： 

IOUT是驅動器的輸出電流
；

Dt是指模擬結果與實測數據中 的TSD事件之間的時間差。

模擬結果表明，TwisterSIM 是一種高效的工具，可以精確地模擬和仿真熱保護機製的限流和熱關斷 (TSD) 觸發情況。

輸出電流值的模擬數據誤差小於2%
，而TSD發生時間誤差約為0.8 ms。這證明 TwisterSIM 在現實條件下預測係統行為的正確率很高。

結論

隨sui著zhe下xia一yi代dai汽qi車che時shi代dai的de到dao來lai，工gong程cheng師shi麵mian臨lin著zhe研yan發fa先xian進jin解jie決jue方fang案an的de挑tiao戰zhan，部bu署shu分fen布bu式shi智zhi能neng可ke以yi讓rang係xi統tong釋shi放fang強qiang大da的de性xing能neng。為wei了le實shi現xian這zhe一yi目mu標biao，新xin設she計ji必bi須xu優you先xian考kao慮lv能neng效xiao和he韌ren性xing，功gong能neng全quan麵mian的de模mo擬ni工gong具ju對dui於yu確que保bao準zhun確que性xing和he有you效xiao性xing至zhi關guan重zhong要yao。

通過充分利用 TwisterSIM 的功能，開發者可以優化新的 VIPower 驅動器設計
，獲得最高的性能和可靠性，同時最大限度地降低熱應力或電應力引起的失效風險，為綠色低碳的可持續發展鋪平道路。

參考文獻

[1] “TwisterSIM: Dynamic electro-thermal simulator for VIPower products”, Databrief on https://www.st.com/resource/en/data_brief/twistersim.pdf, Sep. 2023.

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[3] A. Brighina, F. Giuffrè, “Interactive analog/digital mixed signal modeling via HDL simulator and foreign VHDL/Verilog C interface”, Electronicsforyou, Electronics & Technology Portal, 2011.

[4] D. Maksimovic, A. M. Stankovic, V. J. Thottuvelil, G. C. Verghese, “Modeling and simulation of power electronic converters”, Proc. of IEEE, vol. 89, no. 6, Jun. 2001.

（來源：意法半導體意大利卡塔尼亞公司，作者： Giusy Gambino, Alessio Brighina, Francesco Giuffre’, Filippo Scrimizzi）

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