智能功率芯片BTS6143D特性的試驗研究

　　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℃至+150℃。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)部功能框圖如圖1所示。


 圖1  BTS6143D內(nèi)部功能框圖



圖2  BTS6143D在燈光控制系統(tǒng)中的應(yīng)用電路

　　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。

　　BTS6143D在燈光控制系統(tǒng)中的應(yīng)用電路如圖2所示。

　　試驗步驟

　　試驗條件

　　蓄電池開路電壓12.41V；負載連接導線長約為1.5m(電阻R=0.12ohm,電感L=3mH)。導線橫截面積為0.75mm2。連接55W車燈。測量設(shè)備為Lecroy示波器。試驗環(huán)境溫度約20℃。

　　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。


 圖3  試驗電路示意圖

　　(a)BTS6143D驅(qū)動車燈

　　(b)繼電器驅(qū)動車燈

　　具體意義如表1所示。

　　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。

　　·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。


(a)冷啟動試驗結(jié)果 　　(b)熱啟動試驗結(jié)果圖

 圖4  BTS6143D驅(qū)動車燈啟動特性試驗結(jié)果圖

　　⊙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5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。


(a)冷啟動試驗結(jié)果 　　(b)熱啟動試驗結(jié)果圖

圖5繼電器驅(qū)動車燈啟動特性試驗結(jié)果圖

　　短路特性實驗

　　汽車系統(tǒng)在運行過程中，周圍環(huán)境復雜，金屬線束繁多，雖然所有的導線均有絕緣包絡(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?/p>

　　下面將分別闡述這兩種短路試驗的情況。

　　⊙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650ms)。如圖6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650ms，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)值與導線電阻有關(guān)，導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線越長，則BTS6143D越不容易被損壞。但是，如果導線太長，則蓄電池的電壓大多數(shù)降低在導線上，容易造成VON
圖6  BTS6143D天生短路試驗結(jié)果

　　⊙BTS6143D驅(qū)動車燈后天短路實驗

　　從圖7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140ms時)，BTS6143D識別出短路故障，開始關(guān)斷BTS6143D，經(jīng)歷30ms后電流降為零。在整個短路過程中，最大短路電流可達180A，其電流峰值與導線電阻有關(guān)。導線電阻越小，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線。


 圖7  BTS6143D后天短路試驗結(jié)



 圖8繼電器短路試驗結(jié)果圖

　　⊙?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8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650ms。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。

　　結(jié)語

　　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的短路保護并沒有損壞芯片，當短路故障排除后，系統(tǒng)可以恢復正常，而不需要更換芯片，這給維修和保養(yǎng)帶來了方便。