引言 隨著現(xiàn)代汽車電子和汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車的智能化程度越來越高，對車輛燈光控制等各個控制系統(tǒng)的智能化要求也越來越高。新的控制功能隨市場的需要而不斷增加，如中央門鎖、玻璃升降、后視鏡調(diào)節(jié)、天窗控制、座椅調(diào)節(jié)、點火延時控制等。傳統(tǒng)的繼電器控制布線復(fù)雜，造成的電磁干擾嚴重，使系統(tǒng)的可靠性下降，同時也給裝配和維護帶來諸多問題。毫無疑問, 使用智能功率器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電器和保險絲必將是大勢所趨。本試驗采用了英飛凌公司的智能功率器件BTS6143D。BTS6143D是英飛凌公司開發(fā)的智能高邊功率開關(guān)，專為滿足汽車電子元件苛刻的工作環(huán)境和運行要求而設(shè)計。 本文將結(jié)合智能功率器件BTS6143D，對其在智能燈光控制系統(tǒng)[1>中的啟動特性和短路保護特性進行研究與分析。文章首先簡單介紹智能功率器件BTS6143D的基本結(jié)構(gòu)，包括內(nèi)部功能框圖及在燈光控制系統(tǒng)中的電路圖等；隨后介紹短路試驗的步驟；最后通過分析試驗結(jié)果，證明在汽車燈光控制系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障時，BTS6143D能提供比傳統(tǒng)的繼電器和保險絲更迅速有效的保護。 1.BTS6143D簡介 BTS6143D是英飛凌公司設(shè)計的N溝道FET功率管，內(nèi)部集成充電泵，電流驅(qū)動，并具有負載電流檢測的故障反饋功能（包括過載、過溫和短路檢測等），是一款集成SIPMOS®片上技術(shù)的高邊智能功率開關(guān)芯片。 BTS6143D適用于汽車電子苛刻的工作環(huán)境，其工作的溫度范圍可從-40°C至+150°C。采用12V或24V負載控制，適用于各種阻性負載、感性負載或容性負載，尤其適用于具有高浪涌電流的負載，如燈等；可以作為繼電器、保險絲及分立電路等控制方法的替代方法。此外，BTS6143D還具有多項保護功能：短路保護、過載保護、過壓保護、過溫關(guān)斷、掉地和掉電保護、靜電放電保護和電源反接保護等。 BTS6143D的內(nèi)部功能框圖圖1所示： [align=center] 圖 1 BTS6143D的內(nèi)部功能框圖[/align] 管腳配置及功能描述： 管腳1和管腳5是輸出引腳，這兩個管腳需外部短接； 管腳2是輸入管腳，為芯片的控制信號線； 管腳3是電源電壓輸入管腳，給整個芯片供電； 管腳4是故障診斷引腳，在芯片正常工作狀態(tài)下管腳4的輸出電流與負載電流成正比。 2. BTS6143D在智能燈光控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 現(xiàn)有車輛燈光控制多采用繼電器驅(qū)動方式。但是，繼電器驅(qū)動方式具有以下缺點： ＊功率繼電器勵磁線圈驅(qū)動電流較大，需消耗較大功率且接口電路復(fù)雜； ＊繼電器的使用使控制器體積增大，重量增加； ＊繼電器開關(guān)頻率相對較低，觸點易抖動，很難滿足車輛在帶電情況下行駛對機械振動的要求。此外觸點抖動會影響繼電器的壽命，且EMI嚴重； ＊難以有效實現(xiàn)對車燈的過熱、過壓、短路等故障的診斷及保護； ＊需配合保險絲使用，以防止過流。但保險絲一旦動作（即熔斷），電路將徹底切斷，需手工更換保險絲。 　　 隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，越來越多的智能芯片替代繼電器和保險絲被用于車輛的燈光控制系統(tǒng)。由于采用的功率器件本身具有完善的保護功能（過壓保護、過流保護、過載保護、短路保護、過溫關(guān)斷、開路檢測等），因而省去了保險絲和一些分立元件，減小了控制器的體積；同時可實現(xiàn)故障診斷功能，不但可以知道是哪一器件出現(xiàn)了故障，而且可以知道是什么原因?qū)е铝诉@樣的錯誤，從而更加有利于維修。 BTS6143D在燈光控制系統(tǒng)中的應(yīng)用電路如圖2所示： [align=center] 圖 2 BTS6143D在燈光控制系統(tǒng)中的應(yīng)用電路[/align] 3. 試驗步驟 3.1 試驗條件 蓄電池開路電壓12.41V；負載連接導(dǎo)線長約為1.5m （電阻R=0.12ohm, 電感L=3μH）。導(dǎo)線橫截面積為0.75 mm²。連接55W 車燈。測量設(shè)備為Lecroy示波器。試驗環(huán)境溫度約20℃。 3.2 試驗電路圖 為了便于比較，安排了兩組短路試驗，如圖3所示，（a）圖為BTS6143D驅(qū)動車燈試驗電路示意圖，（b）圖為繼電器驅(qū)動車燈連接示意圖。 [align=center] 圖3 試驗電路示意圖[/align] 具體意義如下表1所示： [align=center] 表1 測量點顏色與意義[/align] 注： - IIS 為短路電流； - VIS 為故障診斷引腳電壓，即管腳4的電壓； - VOUT 為輸出端電壓； - VIN 為輸入端電壓。 3.3 啟動特性試驗 啟動特性試驗分為冷啟動試驗和熱啟動試驗。所謂冷啟動試驗就是在車燈長時間關(guān)閉后開啟車燈的情況；熱啟動試驗則是在車燈剛關(guān)閉不久，燈絲尚未冷卻即重新開啟車燈的情況。由于車燈燈絲電阻是正溫度系數(shù)的，因此車燈冷啟動和熱啟動特性表現(xiàn)出了較大的差異。 　　 3.3.1 BTS6143D驅(qū)動車燈啟動特性 從試驗結(jié)果圖4（a）中可以看到，車燈冷啟動時由于燈絲溫度較低，因而電阻較小，所以在啟動時會有較大的瞬間浪涌電流，其值可達30A；在車燈開啟一段時間后燈絲電阻隨著燈絲溫度的升高而慢慢變大，此時關(guān)掉車燈，在燈絲尚未冷卻時重新啟動，可以從試驗結(jié)果圖4（b）中看到，瞬間浪涌電流則會大大降低，其值不到10A。車燈的冷啟動和熱啟動在瞬間浪涌電流值上表現(xiàn)出的巨大差異可能會加速燈泡的毀壞。從試驗的結(jié)果看，建議使用脈沖寬度調(diào)制（ PWM ）來實現(xiàn)車燈的軟啟動過程，使得車燈燈絲逐步加熱，以減小瞬間浪涌電流。試驗結(jié)果還有助于解釋為什么車燈在剛剛打開時損壞的概率較大。 [align=center] 圖 4 BTS6143D驅(qū)動車燈啟動特性試驗結(jié)果圖[/align] 3.3.2 繼電器驅(qū)動車燈啟動特性 繼電器驅(qū)動車燈冷啟動時瞬間浪涌電流為36A，熱啟動時瞬間浪涌電流為10A，如圖6啟動特性試驗結(jié)果圖（a）圖、（b）圖所示。由于繼電器觸點易抖動，可以發(fā)現(xiàn)其啟動過程帶有明顯的電壓及電流抖動，這種抖動不僅會影響繼電器的使用壽命，也會對車燈的安全啟動造成極大隱患。而使用BTS6143D驅(qū)動車燈的啟動過程則相對平滑，因而更凸現(xiàn)出使用BTS6143D驅(qū)動車燈的優(yōu)越性。 [align=center] 圖 5 繼電器驅(qū)動車燈啟動特性試驗界示意圖[/align] 3.4 短路特性實驗 汽車系統(tǒng)在運行過程中，周圍環(huán)境復(fù)雜，金屬線束繁多，雖然所有的導(dǎo)線均有絕緣包絡(luò)，但是經(jīng)過長時間的運行，缺乏必要保養(yǎng)的情況下，不可避免會出現(xiàn)各種各樣的問題。本試驗將短路特性試驗分為兩種常見的情況： 1）在系統(tǒng)尚未啟動上電既已產(chǎn)生短路的情況，稱之為短路類型I，即天生短路試驗。用以模擬在汽車尚未運行，系統(tǒng)就已經(jīng)短路的情況； 2）在車輛運行過程中發(fā)生短路的情況，稱之為短路類型II，即后天短路試驗，用以模擬在汽車正常運行的條件下，由于意想不到的原因?qū)е碌妮敵龆搪贰? 下面將分別闡述這兩種短路試驗的情況。 3.4.1 BTS6143D驅(qū)動車燈天生短路實驗 BTS6143D具有短路檢測及自動關(guān)斷功能。其短路檢測的默認條件為：功率管漏級與源級的壓差VON> VON（SC） （典型值3.5V） ,且t>td（sc）（典型值650μs）。如圖7中所示，VON＝ V粉－V紅 變化范圍為6V到12V，短路故障從檢測到關(guān)斷時間約為650μs，短路關(guān)斷后，BTS6143D不再有輸出。在本文的短路試驗中，最大短路電流為110A，這個數(shù)值與導(dǎo)線電阻有關(guān)，導(dǎo)線的電阻越大則對應(yīng)的短路電流就越小，BTS6143D也就越安全。從這種意義上來講導(dǎo)線越長，則BTS6143D越不容易被損壞。但是，如果導(dǎo)線太長，則蓄電池的電壓大多數(shù)降低在導(dǎo)線上，容易造成VON。 [align=center] 圖 6 BTS6143D天生短路實驗結(jié)果圖[/align] 3.4.2 BTS6143D驅(qū)動車燈后天短路實驗 從圖8后天短路試驗結(jié)果圖中可以看出，短路故障發(fā)生后，隨著電流上升，VON＝V粉－V紅逐漸變大，當VON> VON（SC）時（大約在發(fā)生短路后140μs時），BTS6143D識別出短路故障，開始關(guān)斷BTS6143D，經(jīng)歷30μs后電流降為零。在整個短路過程中，最大短路電流可達180A，其電流峰值與導(dǎo)線電阻有關(guān)。導(dǎo)線電阻越小，峰值電流就大，瞬間的大電流容易損壞BTS6143D芯片。當導(dǎo)線電阻太大時，VON需要較長的時間達到（或者永遠不能達到）VON（SC），這樣短路保護的功能的效果就比較差，本質(zhì)上變成了過熱保護。另外，由于導(dǎo)線電感會造成FET管的漏級電壓（粉色線）超過蓄電池電壓、源級電壓（紅色線）低于0V，可能會導(dǎo)致漏級和源級之間的電壓超過BTS6143D的最大允許工作電壓，所以要選擇低電感的導(dǎo)線。 [align=center] 圖 7 BTS6143D后天短路實驗結(jié)果示意圖[/align] 3.4.3 繼電器驅(qū)動車燈短路實驗 為了與BTS6143D的短路保護功能作對比，用繼電器驅(qū)動車燈做了短路的對比試驗，其結(jié)果如圖9所示。在這個短路過程中，最大短路電流可達100A,電池電壓被拉低接近4V。保險絲熔斷保護時間為60ms,遠遠大于BTS6143D的短路關(guān)斷時間650μs。由此可見，在發(fā)生短路故障時，使用智能功率開關(guān)比傳統(tǒng)的繼電器對系統(tǒng)的保護更加迅速和有效。 [align=center] 圖 9 繼電器短路試驗結(jié)果圖[/align] 4.結(jié)論 通過上述對比試驗，可以得出以下結(jié)論：使用BTS6143D驅(qū)動汽車上大功率車燈是一種更好的選擇。利用BTS6143D，可以采用脈寬調(diào)制方式（PWM）來控制車燈的啟動及運行過程，從而更有效地抑制車燈啟動時的瞬間浪涌電流，有效延長了車燈的使用壽命。最重要的是可以縮短短路故障的保護時間，對車燈控制系統(tǒng)實施更迅速更有效的保護。與保險絲不同，BTS6143D的短路保護并不沒有損壞芯片，當短路故障排除后，系統(tǒng)可以恢復(fù)正常，而不需要更換芯片，這給維修和保養(yǎng)帶來了方便。