单片四路车用闪光驱动器

　　两路上桥臂驱动器（2x25-mΩ，功率级）是闪光灯常用的元器件，用于驱动车上所有的执行闪光功能的灯泡。在不同的半导体厂商的产品阵容中，都有尺寸与这种特定功率MOSFET相当的通道可配置的元器件。然而，这种种元器件在某些场合并没有很好地解决涌流管理、灯泡断电检测和FMEA等问题。为提高汽车闪光器的驱动性能，意法半导体（ST）推出了四路50-mΩ车用闪光驱动器VNQ5E050AK。

　　本文通过分析和仿真以及热特性考虑，探讨这款创新产品驱动的闪光器应用。本文还将通过与两路解决方案对比，详细解释四路驱动解决方案的优点和好处。

　　根据地理区域不同，汽车闪光器主要分为两大类：假想汽车分为左右两部分，每个部分包含2x21W+1x5W+1x1.2W(欧洲和日本的汽车大多数采用这种配置)或2x27W+1x3.5W+1x1.2W(某些美国汽车采用这种配置)。

图1

　　图1所示是典型的闪光器配置。功率最高的闪光灯通常是汽车前面中间的车灯，它负责照光亮汽车侧面的回复反射器，车内仪表板上的指示灯是功率最小的光闪灯。图中的电阻器表示连接线的等效电阻：使用横截面0.85mm2的铜线，假设导线长度如下：

　　- Rin：汽车蓄电池到BCM的导线>1米
　　- R1：从BCM到前面闪光灯的导线>1.5米
　　- R2：从BCM到侧面回复反射器>1米
　　- R3：从BCM到仪表板的导线>0.5米
　　- R4：从BCM到后面闪光灯的导线>3米

　　这种配置的电阻值如下:

　　-Rin=20-mΩ
　　-R1=30-mΩ
　　-R2=20-mΩ

　　-R3=10-mΩ
　　-R4=60-mΩ[page]

图4

　　因此，根据ST的兼容性规则，当发生最恶劣的状况时，如果用一个器件驱动所有的闪光灯（见图2仿真电路），一个2x25-mΩ的驱动器是如何工作的呢？图3和4所示是一个限流最小（43A）和热关断温度门限最小（150°C）的器件在冷热环境仿真的结果。冷环境仿真几乎涉及不到限流功能，功率限制无效，灯泡打开没有给器件过多的热机械应力。热环境仿真结果显示，在灯泡涌流期间，即便结温起始温度设在85°C，器件也没有达到热关断温度门限。根本没有必要使用复杂的热仿真器进行稳态分析，使用数学方法即可解决问题。第一步，需要计算每路驱动器的rms电流，闪光灯驱动器的工作频率是11.5Hz，占空比为45-50%，Irms是：

　　然后，计算总功耗：

　　最终的结温等于：

　　Tj=Ta+T;T=Ptot*Rthj-a

　　查看VND5025LAK(2x25-mΩ产品)数据表，器件热阻Rthj-a是40°C/W(PCB占位2cm2)

 　　T=0.882*40=35.3°CTj=85+35=120°C(远远低于最小热关断干预温度)。

 　　注意，计算的工作环境比最恶劣环境还要差，因为功耗始终以150°C时的导通电阻Rdson为计算依据，从温度、稳态相位和电涌相位角度看，该器件适合驱动和打开闪光灯。

　　灯泡断电检测如何呢？当灯泡失效且变成断路负载时，该产品能够识别吗？多数汽车厂商需要21W的灯泡断电信息，因为凡是具有模拟检测功能的HSD照明系统都能通过内置的电流检测诊断系统提取这种信息。电流检测功能通过相关引脚输出一个与负载电流成正比的电流，然后在相关电阻器上产生一个电压降（检测电压Vsense），车载微控制器读取、正确处理这个电压降数据，然后通知驱动器当前的瞬间负载条件。

　　下面是Vsense的定义：

　　Vsense=Rsense*Isense

　　其中Isense=Iout/K

　　然而，输出电流读数因各种参数的变化而变化。所以，Vsense本身是下列参数变量的函数。

　　Vsense=F(Rsense,I(bulbs),K(Tj,Iout,Vbatt))

　　典型变量:

　　Rsense变化范围1%到3%；
　　I(bulbs)变化范围6%到10%
　　K是所用驱动器的变量。

　　此外，必须在一个很宽的环境条件范围内识别21W断电事件，典型宽环境条件如下：

　　8.5V 　　-40°C

　　换言之，考虑到因为器件参数范围引起的K变量，对于上述范围内的任何参数组(Vbatt,Tamb)，器件必须识别一个21W灯泡断电事件。

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　　当必须区分一个静止的“额定条件”时，即在1x21W+5W配置中只是5W灯泡断路(2x21W灯泡的Iout)，就会发生对于21W灯泡断电检测最难的状况。相对于任何可能的变量源，Vsense(2x21W)必须高于Vsense(1x21W+5W)。在这种特殊负载配置中，假设灯泡变化范围是6%，Rsense变化是1%，Iout(2x21W)对Iout(1x21W+5W)的变化百分比大约是43%。在上述条件中，根据现有产品系列，还是可以检测出21W的断电事件。以VND5025LAK为例，该产品的K变量范围低于21.5%，这使得两条最恶劣条件对电瓶变化(Vsense(2x21W)和Vsense(1x21W+5W)的曲线从来不相交。

　　不过，如果变化的原因高于上述实例，就必须在模块线路测试端进行校准。校准就是利用Vsense读数在一个被焊接在模块上的特定元器件上测量Rsense/K比值，测量完成后，因为Iout=Isense*K，所以不难估算出输出电流的大小。注意，即使以单点方式测量K比值消除了这个参数在总体参数内的扩散，但是不能消除K值随负载电流的变化。在ST所有的两路25m-Ω产品中，第二个变量不会影响对21W灯泡的断电识别。

　　FMEA(失效模式和影响分析)如何呢？如果灯泡短路或通道失效（因为电过应力或异常脉冲），后果会如何呢？

　　这绝不是一个小问题。当发生一个失效事件时，必须给予特别考虑。下面是几种已知的情况：

　　-当与两个通道中的任何一个相连的灯泡短路时，所有并联灯泡都会短路，无法再正常工作。

　　-当两个通道中的任何一个因为电过应力（电涌或异常脉冲）而失效时，与失效通道相连的所有灯泡全都停止工作。

　　因此，2x25m-Ω能够驱动大多数闪光器配置，但是还有一些改进的空间（特别是在FMEA方面）。

图5

　　为此，意法半导体推出了单片四路驱动器VNQ5E050AK。新产品具备M0-5的全部功能（如限流、功率限制、过热保护、电流检测状态、超低电流消耗），功率级包括四条不同的通道，每条通道的导通电阻Rdson为50m-Ω，最小限流为19A。根据以前的某些实例，为使该器件适合闪光器应用，必须进行一些检查。根据图5的配置，这款新产品如何执行闪光灯驱动功能？正如前文所述，冷热环境是最恶劣的环境条件：

图6

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