如何在設(shè)計中計算浪涌電流，確保器件的設(shè)計安全

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，車燈在車身控制模塊的負載中占有很大比重。不正確的設(shè)計和器件選型會對控制器造成失效，影響產(chǎn)品的質(zhì)量。本文詳細解釋了燈泡在浪涌電流下的物理模型和仿真模型，進而給出了如何在設(shè)計中計算浪涌電流，并驗證在此條件下器件的設(shè)計安全。

浪涌電流的產(chǎn)生和負載的種類和特性有關(guān)，和通斷頻率也有關(guān)系。特別是在有浪涌電流存在的負載情況，應(yīng)和穩(wěn)態(tài)電流一起測定浪涌電流值。圖1顯示了有代表性的負載種類與浪涌電流的關(guān)系。

圖1：典型的負載種類與浪涌電流的關(guān)系。

從圖1可以看出，當負載為燈泡時，浪涌電流約是穩(wěn)態(tài)電流的10～15倍，本文重點討論汽車中的白熾燈。以汽車前大燈為例，一般是55W的額定功率。

圖2：白熾燈的參數(shù)模型。

為確定白熾燈的參數(shù)模型中的R1、R2、C1的參數(shù)，下面把參數(shù)模型的數(shù)值逐一定義出來。

第一步，先計算出穩(wěn)態(tài)下的R1：

穩(wěn)態(tài)電流：

第二步，確定R2。在浪涌的初始狀態(tài)，白熾燈的等效電路呈現(xiàn)出電容的特性，即在很短暫的時間到達峰值電流后，又衰減成穩(wěn)態(tài)電流。因此，還需要在電容的回路上串聯(lián)一個電阻（R2）。

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式給出：

（可以認為在10ms的時間后電流達到了穩(wěn)態(tài)電流值，此時的浪涌電流已經(jīng)下降到初始值的約63%）

圖3給出了已完成參數(shù)定義的55W白熾燈泡的Pspice等效模型。

圖3：白熾燈泡的Pspice等效模型（55W）。

為了驗證參數(shù)定義的有效性，仿真的結(jié)果和實際的測量值也相當一致（見圖4）。需要注意的是，圖3只是給出了冷態(tài)下單次浪涌電流下白熾燈的等效模型（55W）。

圖4：55W白熾燈Pspice等效模型的仿真結(jié)果。

以上分析了器件的物理特性和仿真，在工程實踐中還需要通過器件選型來確保在浪涌電流下設(shè)計的安全。

1）計算浪涌電流下開關(guān)控制器件的溫升（以BTS5020-2EKA為例）：

穩(wěn)態(tài)電流：

浪涌電流為：

考慮到燈泡制造中參數(shù)的離散性，還要加上約10%的設(shè)計裕量，因此在選擇功率器件時要確保器件的Isc ＞ （1+10%）Iinrush。從BTS5020-2EKA的數(shù)據(jù)表中查出Isc = 50A。計算出的值為50.38A，由于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(shè)計沒有影響。

2）驗證在浪涌電流下的功率損耗

功率損耗：

（Rds（on） = 44mΩ，BTS5020-2EKA數(shù)據(jù)表給出）

在BTS5020-2EKA數(shù)據(jù)表中找到熱阻和脈沖時間的曲線圖（見圖5），找到10ms（0.01s）的那條2S2P（4層板）對應(yīng)曲線，得到的ZthJA＝2℃/W。

圖5：數(shù)據(jù)表中熱阻和脈沖時間的曲線圖。

浪涌電流引起B(yǎng)TS5020-2EKA的溫升：

ΔT = Ploss×ZthJA = 46×2 = 92（℃）

TJ = Tambient+ΔT = 25+92 = 117（℃）

TJ小于器件給出的最高結(jié)溫要求（見圖6）。

圖6：數(shù)據(jù)表中結(jié)溫范圍要求。

通過以上的設(shè)計分析和計算，可以認為BTS5020-2EKA滿足在實際應(yīng)用下浪涌電流的要求。

作者簡介：

高楊

近20年在汽車電子TOP10公司經(jīng)驗，特別是在車載控制器領(lǐng)域（多媒體、車身、駕駛輔助及VCU）。曾任職博世汽車專家級工程師，超過10年在汽車零部件（博世和大陸汽車），5+年汽車半導(dǎo)體（德州儀器和英飛凌），歷任多種資深（系統(tǒng)、設(shè)計、產(chǎn)品）工程師職務(wù)。豐富的平臺開發(fā)（從0到1）及產(chǎn)品開發(fā)的工程經(jīng)驗和技術(shù)積累。 Ford SYNC第一代的核心硬件工程師，定義和開發(fā)了德州儀器（TI）第一款智能高邊驅(qū)動器（TPS1H100-Q1），填補了公司在汽車電子市場的技術(shù)路線和市場空白。 整理和標準化了與設(shè)計開發(fā)的技術(shù)文件，可以直接用于指導(dǎo)設(shè)計及融入公司的文件體系中，滿足體系審查要求和提高公司的設(shè)計流程和管理水平。硬件設(shè)計流程管理的模板（45+篇），硬件設(shè)計評審和檢查清單模板（50+篇）。 企業(yè)內(nèi)訓(xùn)師認證（TTT） ，超過2500頁汽車電子設(shè)計培訓(xùn)內(nèi)容PPT，滿足從入門、中級及高級汽車電子設(shè)計的培訓(xùn)要求，目前在4家企業(yè)內(nèi)部實施過培訓(xùn)，收到了很好的反饋。 目前獲得13件汽車電子專利（截止2019年12月）?！禘DN電子技術(shù)設(shè)計》汽車電子專欄作者

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