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如何正确计算感性负载浪涌电流的热温升

2020-01-19 高杨 阅读:
如何正确计算感性负载浪涌电流的热温升
汽车的控制器控制着各种类型的负载。例如,车灯在车身控制模块的负载中占有很大比重。不正确的设计和器件选型会对控制器造成失效,影响产品的质量。本文详细解释了灯泡在浪涌电流下的物理模型和仿真模型,进而给出了如何在设计中计算浪涌电流,并验证在此条件下器件的设计安全。

汽车的控制器控制着各种类型的负载,包括阻性负载、容性负载和感性负载。例如,车灯在车身控制模块的负载中占有很大比重。不正确的设计和器件选型会对控制器造成失效,影响产品的质量。本文详细解释了灯泡在浪涌电流下的物理模型和仿真模型,进而给出了如何在设计中计算浪涌电流,并验证在此条件下器件的设计安全。KNIednc

浪涌电流的产生和负载的种类和特性有关,和通断频率也有关系。特别是在有浪涌电流存在的负载情况,应和稳态电流一起测定浪涌电流值。1显示了有代表性的负载种类与浪涌电流的关系。KNIednc

图1:典型的负载种类与浪涌电流的关系。KNIednc

1可以看出,当负载为灯泡时,浪涌电流约是稳态电流的10~15倍,本文重点讨论汽车中的白炽灯。以汽车前大灯为例,一般是55W的额定功率。KNIednc

图2:白炽灯的参数模型。KNIednc

为确定白炽灯的参数模型中的R1、R2、C1的参数,下面把参数模型的数值逐一定义出来。KNIednc

第一步,先计算出稳态下的R1KNIednc

KNIednc

稳态电流:KNIednc

第二步,确定R2。在浪涌的初始状态,白炽灯的等效电路呈现出电容的特性,即在很短暂的时间到达峰值电流后,又衰减成稳态电流。因此,还需要在电容的回路上串联一个电阻(R2)。KNIednc

第三步,计算电容的值。白炽灯的等效电路上电容电流的衰减可以由下式给出:KNIednc

KNIednc

(可以认为在10ms的时间后电流达到了稳态电流值,此时的浪涌电流已经下降到初始值的约63%) 图3给出了已完成参数定义的55W白炽灯泡的Pspice等效模型。KNIednc

图3:白炽灯泡的Pspice等效模型(55W)。KNIednc

为了验证参数定义的有效性,仿真的结果和实际的测量值也相当一致(见4)。需要注意的是,3只是给出了冷态下单次浪涌电流下白炽灯的等效模型(55W)。KNIednc

图4:55W白炽灯Pspice等效模型的仿真结果。KNIednc

以上分析了器件的物理特性和仿真,在工程实践中还需要通过器件选型来确保在浪涌电流下设计的安全。KNIednc

1)计算浪涌电流下开关控制器件的温升(以BTS5020-2EKA为例):KNIednc

稳态电流:KNIednc

浪涌电流为:KNIednc

考虑到灯泡制造中参数的离散性,还要加上约10%的设计裕量,因此在选择功率器件时要确保器件的Isc > (1+10%)Iinrush。从BTS5020-2EKA的数据表中查出Isc = 50A。计算出的值为50.38A,由于是在极限的情况下超出边界值,在最差情况下分析时可以认为对设计没有影响。KNIednc

2)验证在浪涌电流下的功率损耗KNIednc

功率损耗:KNIednc

(Rds(on) = 44mΩ,BTS5020-2EKA数据表给出)KNIednc

在BTS5020-2EKA数据表中找到热阻和脉冲时间的曲线图(见5),找到10ms(0.01s)的那条2S2P(4层板)对应曲线,得到的ZthJA=2℃/W。KNIednc

图5:数据表中热阻和脉冲时间的曲线图。KNIednc

浪涌电流引起BTS5020-2EKA的温升:KNIednc

ΔT = Ploss×ZthJA = 46×2 = 92(℃)KNIednc

TJ = Tambient+ΔT = 25+92 = 117(℃)KNIednc

TJ小于器件给出的最高结温要求(见6)。KNIednc

图6:数据表中结温范围要求。KNIednc

通过以上的设计分析和计算,可以认为BTS5020-2EKA满足在实际应用下浪涌电流的要求。KNIednc

本文为《电子技术设计》2020年2月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里KNIednc

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高杨
近20年在汽车电子TOP10公司经验,特别是在车载控制器领域(多媒体、车身、驾驶辅助及VCU)。曾任职博世汽车专家级工程师,超过10年在汽车零部件(博世和大陆汽车),5+年汽车半导体(德州仪器和英飞凌),历任多种资深(系统、设计、产品)工程师职务。丰富的平台开发(从0到1)及产品开发的工程经验和技术积累。 Ford SYNC第一代的核心硬件工程师,定义和开发了德州仪器(TI)第一款智能高边驱动器(TPS1H100-Q1),填补了公司在汽车电子市场的技术路线和市场空白。 整理和标准化了与设计开发的技术文件,可以直接用于指导设计及融入公司的文件体系中,满足体系审查要求和提高公司的设计流程和管理水平。硬件设计流程管理的模板(45+篇),硬件设计评审和检查清单模板(50+篇)。 企业内训师认证(TTT) ,超过2500页汽车电子设计培训内容PPT,满足从入门、中级及高级汽车电子设计的培训要求,目前在4家企业内部实施过培训,收到了很好的反馈。 目前获得13件汽车电子专利(截止2019年12月)。《EDN电子技术设计》汽车电子专栏作者ednchina.com/author/gaoyang
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