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(duì)車輛燈光控制等各個(gè)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(diǎn)火延時(shí)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(yán)重，使系統(tǒng)的可靠性下降，同時(shí)也給裝配和維護(hù)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(xiǎn)絲必將是大勢所趨。本試驗(yàn)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(yùn)行要求而設(shè)計(jì)。 本文將結(jié)合智能功率器件BTS6143D，對(duì)其在智能燈光控制系統(tǒng)[1>中的啟動(dòng)特性和短路保護(hù)特性進(jìn)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(yàn)的步驟；最后通過分析試驗(yàn)結(jié)果，證明在汽車燈光控制系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障時(shí)，BTS6143D能提供比傳統(tǒng)的繼電器和保險(xiǎn)絲更迅速有效的保護(hù)。 1.BTS6143D簡介 BTS6143D是英飛凌公司設(shè)計(jì)的N溝道FET功率管，內(nèi)部集成充電泵，電流驅(qū)動(dòng)，并具有負(fù)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(fù)載控制，適用于各種阻性負(fù)載、感性負(fù)載或容性負(fù)載，尤其適用于具有高浪涌電流的負(fù)載，如燈等；可以作為繼電器、保險(xiǎn)絲及分立電路等控制方法的替代方法。此外，BTS6143D還具有多項(xiàng)保護(hù)功能：短路保護(hù)、過載保護(hù)、過壓保護(hù)、過溫關(guān)斷、掉地和掉電保護(hù)、靜電放電保護(hù)和電源反接保護(hù)等。 BTS6143D的內(nèi)部功能框圖圖1所示： 管腳配置及功能描述： 管腳1和管腳5是輸出引腳，這兩個(gè)管腳需外部短接； 管腳2是輸入管腳，為芯片的控制信號(hào)線； 管腳3是電源電壓輸入管腳，給整個(gè)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(fù)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(dòng)方式。但是，繼電器驅(qū)動(dòng)方式具有以下缺點(diǎn)： ＊功率繼電器勵(lì)磁線圈驅(qū)動(dòng)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(duì)較低，觸點(diǎn)易抖動(dòng)，很難滿足車輛在帶電情況下行駛對(duì)機(jī)械振動(dòng)的要求。此外觸點(diǎn)抖動(dòng)會(huì)影響繼電器的壽命，且EMI嚴(yán)重； ＊難以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)車燈的過熱、過壓、短路等故障的診斷及保護(hù)； ＊需配合保險(xiǎn)絲使用，以防止過流。但保險(xiǎn)絲一旦動(dòng)作（即熔斷），電路將徹底切斷，需手工更換保險(xiǎn)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(xiǎn)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(hù)功能（過壓保護(hù)、過流保護(hù)、過載保護(hù)、短路保護(hù)、過溫關(guān)斷、開路檢測等），因而省去了保險(xiǎn)絲和一些分立元件，減小了控制器的體積；同時(shí)可實(shí)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(cuò)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： 3.試驗(yàn)步驟 3.1 試驗(yàn)條件 蓄電池開路電壓12.41V；負(fù)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(yàn)環(huán)境溫度約20℃。 3.2 試驗(yàn)電路圖 為了便于比較，安排了兩組短路試驗(yàn)，如圖3所示，（a）圖為BTS6143D驅(qū)動(dòng)車燈試驗(yàn)電路示意圖，（b）圖為繼電器驅(qū)動(dòng)車燈連接示意圖。 具體意義如下表1所示： [align=center] 表1 測量點(diǎn)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(dòng)特性試驗(yàn) 啟動(dòng)特性試驗(yàn)分為冷啟動(dòng)試驗(yàn)和熱啟動(dòng)試驗(yàn)。所謂冷啟動(dòng)試驗(yàn)就是在車燈長時(shí)間關(guān)閉后開啟車燈的情況；熱啟動(dòng)試驗(yàn)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(dòng)和熱啟動(dòng)特性表現(xiàn)出了較大的差異。 　　 3.3.1 BTS6143D驅(qū)動(dòng)車燈啟動(dòng)特性 從試驗(yàn)結(jié)果圖4（a）中可以看到，車燈冷啟動(dòng)時(shí)由于燈絲溫度較低，因而電阻較小，所以在啟動(dòng)時(shí)會(huì)有較大的瞬間浪涌電流，其值可達(dá)30A；在車燈開啟一段時(shí)間后燈絲電阻隨著燈絲溫度的升高而慢慢變大，此時(shí)關(guān)掉車燈，在燈絲尚未冷卻時(shí)重新啟動(dòng)，可以從試驗(yàn)結(jié)果圖4（b）中看到，瞬間浪涌電流則會(huì)大大降低，其值不到10A。車燈的冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)在瞬間浪涌電流值上表現(xiàn)出的巨大差異可能會(huì)加速燈泡的毀壞。從試驗(yàn)的結(jié)果看，建議使用脈沖寬度調(diào)制（ PWM ）來實(shí)現(xiàn)車燈的軟啟動(dòng)過程，使得車燈燈絲逐步加熱，以減小瞬間浪涌電流。試驗(yàn)結(jié)果還有助于解釋為什么車燈在剛剛打開時(shí)損壞的概率較大。 [ALIGN=CENTER] 圖四 BTS6143D驅(qū)動(dòng)車燈啟動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖[/ALIGN] 3.3.2 繼電器驅(qū)動(dòng)車燈啟動(dòng)特性 繼電器驅(qū)動(dòng)車燈冷啟動(dòng)時(shí)瞬間浪涌電流為36A，熱啟動(dòng)時(shí)瞬間浪涌電流為10A，如圖6啟動(dòng)特性試驗(yàn)結(jié)果圖（a）圖、（b）圖所示。由于繼電器觸點(diǎn)易抖動(dòng)，可以發(fā)現(xiàn)其啟動(dòng)過程帶有明顯的電壓及電流抖動(dòng)，這種抖動(dòng)不僅會(huì)影響繼電器的使用壽命，也會(huì)對(duì)車燈的安全啟動(dòng)造成極大隱患。而使用BTS6143D驅(qū)動(dòng)車燈的啟動(dòng)過程則相對(duì)平滑，因而更凸現(xiàn)出使用BTS6143D驅(qū)動(dòng)車燈的優(yōu)越性。 [ALIGN=CENTER] 圖五 繼電器驅(qū)動(dòng)車燈啟動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖[/ALIGN] 3.4 短路特性實(shí)驗(yàn) 汽車系統(tǒng)在運(yùn)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(shí)間的運(yùn)行，缺乏必要保養(yǎng)的情況下，不可避免會(huì)出現(xiàn)各種各樣的問題。本試驗(yàn)將短路特性試驗(yàn)分為兩種常見的情況： 1）在系統(tǒng)尚未啟動(dòng)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(yàn)。用以模擬在汽車尚未運(yùn)行，系統(tǒng)就已經(jīng)短路的情況； 2）在車輛運(yùn)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(yàn)，用以模擬在汽車正常運(yùn)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(yàn)的情況。 3.4.1 BTS6143D驅(qū)動(dòng)車燈天生短路實(shí)驗(yàn) BTS6143D具有短路檢測及自動(dòng)關(guān)斷功能。其短路檢測的默認(rèn)條件為：功率管漏級(jí)與源級(jí)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(shí)間約為650μs，短路關(guān)斷后，BTS6143D不再有輸出。在本文的短路試驗(yàn)中，最大短路電流為110A，這個(gè)數(shù)值與導(dǎo)線電阻有關(guān)，導(dǎo)線的電阻越大則對(duì)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] 圖六 BTS6143D驅(qū)動(dòng)車燈后天短路實(shí)驗(yàn)[/ALIGN] 從圖8后天短路試驗(yàn)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(dāng)VON> VON（SC）時(shí)（大約在發(fā)生短路后140μs時(shí)），BTS6143D識(shí)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(gè)短路過程中，最大短路電流可達(dá)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(dāng)導(dǎo)線電阻太大時(shí)，VON需要較長的時(shí)間達(dá)到（或者永遠(yuǎn)不能達(dá)到）VON（SC），這樣短路保護(hù)的功能的效果就比較差，本質(zhì)上變成了過熱保護(hù)。另外，由于導(dǎo)線電感會(huì)造成FET管的漏級(jí)電壓（粉色線）超過蓄電池電壓、源級(jí)電壓（紅色線）低于0V，可能會(huì)導(dǎo)致漏級(jí)和源級(jí)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] 圖七 繼電路驅(qū)動(dòng)車燈短路實(shí)驗(yàn)[/ALIGN] 為了與BTS6143D的短路保護(hù)功能作對(duì)比，用繼電器驅(qū)動(dòng)車燈做了短路的對(duì)比試驗(yàn)，其結(jié)果如圖9所示。在這個(gè)短路過程中，最大短路電流可達(dá)100A,電池電壓被拉低接近4V。保險(xiǎn)絲熔斷保護(hù)時(shí)間為60ms,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于BTS6143D的短路關(guān)斷時(shí)間650μs。由此可見，在發(fā)生短路故障時(shí)，使用智能功率開關(guān)比傳統(tǒng)的繼電器對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)更加迅速和有效。 [ALIGN=CENTER] 圖八 繼電路短路實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖[/ALIGN] 4.結(jié)論 通過上述對(duì)比試驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論：使用BTS6143D驅(qū)動(dòng)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(dòng)及運(yùn)行過程，從而更有效地抑制車燈啟動(dòng)時(shí)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(hù)時(shí)間，對(duì)車燈控制系統(tǒng)實(shí)施更迅速更有效的保護(hù)。與保險(xiǎn)絲不同，BTS6143D的短路保護(hù)并不沒有損壞芯片，當(dāng)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。