車身模塊中新的失效保護方法 (1)

  在今天的車身控制模塊（BCM）設(shè)計中，有見識的工程師機都盡可能不再使用機電式繼電器。他們的下一個發(fā)展方向是停用熔斷器。但是，停用熔斷器是一個非常必要的解決方案嗎？是一個用更加復(fù)雜的解決方案取代一個簡單而且高效的元器件嗎？  

      今天的 BCM由大量的固態(tài)開關(guān)和熔斷器組成。某些 BCM有多達8-12個蓄電池饋路，為60-80個負載提供電源，每個電池饋路都裝有熔斷器，這就是說，BCM負載(車燈、門鎖等)是由驅(qū)動器組驅(qū)動的，每個驅(qū)動器都有一個熔斷器。為了安全起見，或只是因為負載電流太大，無法均衡分配，有些負載需要單獨配備熔斷器。據(jù)說，還有些 BCM只有一個或兩個熔斷器。萬一輸出失效時，這些模塊依靠固態(tài)開關(guān)提供“熔斷”保護功能。  
 

              
 
                                     圖 1.  福特BCM

熔斷器101

      熔斷器從克魯馬努人時代開始流傳下來。與半導(dǎo)體元器件相比，熔斷器非常簡單，幾乎不需要什么制造工藝，而且成本低廉……正是因為簡單，熔斷器被設(shè)計成線束保險裝置，以防短路時線束變成烤箱電纜。 
 　　
            
      圖2：一個早期汽車熔斷器應(yīng)用實例 (Gary Larson畫)

      熔斷器的工作原則是一個簡單的I2R與時間的關(guān)系。電流越大，熔斷或開路時間越短。熔斷器的功耗與通過熔斷器的電流的平方成正比。當(dāng)功耗過高時，熔斷器熔斷。這個特性同樣適用于受熔斷器保護的線束。當(dāng)熔斷器的“熔斷”特性與所保護的線束相似，只是處理電流能力略低時，熔斷器是一個理想的選擇。

 　　
           
                                                 圖3：I2-t 特性比較

安裝位置

      關(guān)于熔斷器從BCM模塊凸出來的問題，有點像房地業(yè)的三條規(guī)則：位置、位置，還是位置。如果模塊有凸出來的熔斷器，模塊就必需放在車主能夠檢修的位置。線束布線和模塊方向，以及熔斷器必須放在模塊的什么地方，是令人頭疼的問題。所有這些限制和保護功能增加了模塊的成本和制造難題。下圖所示的福特BCM在CEM3上安裝一個靈活的電路板后，才能把熔斷器置于模塊的“邊緣”。

 
 　　
           
                             圖4：在福特BCM內(nèi)部的熔斷器連接端口陣列

      汽車制造商在給這些BCM模塊/熔斷器單元尋找位置方面具有相當(dāng)高的創(chuàng)新力。我曾在儀表板和發(fā)動機蓋下和踏腳板內(nèi)（前車門鉸接區(qū)的右側(cè)）看見過BCM模塊，甚至還在后座下面看見過BCM模塊（我的車子就是這樣）。某些BCM裝有鉸鏈，可以從儀表板下面拉出來，檢修比較方便。有些BCM則裝在擋板后面，只有查看用戶手冊（如果有）才能找到。我不只一次趴在駕駛座椅上，腳壓在的靠背上，頭鉆到儀表板下，尋找那個失效的熔斷器。 

      這還不算完，你還要解開哪一個熔斷器號對哪一個功能的啞謎……熔斷器面板除提供幾行編號外，沒有任何標(biāo)記。真地像猜謎比賽，除了分值之外，你不能告訴選手任何信息。如果再沒有用戶手冊，BCM就像一個食品柜，里面裝滿了撕去標(biāo)簽的罐頭……你只能分類排查，別無它法。你只能不斷地猜測，直到找到失效的熔斷器號為止。 

固態(tài)熔斷器可解決很多問題

      熔斷器可能會因為沒有明顯原因而熔斷，熔斷器的容錯能力非常差，哪怕是最輕微的短路都會熔斷（你曾經(jīng)把硬幣掉到點煙器插座/電源插座嗎？）。當(dāng)你最后發(fā)現(xiàn)硬幣并將其取出時，熔斷器不會復(fù)位。 

      如果BCM模塊上沒有熔斷器，安裝位置就不是這樣問題了。把BCM模塊安裝在后座下面，不必鉆到儀表板下檢修BCM模塊，這對我來說就不再是一個太大的問題。因為熔斷器有這么多的麻煩，難怪汽車廠商關(guān)注無熔斷器或熔斷器較少的BCM解決方案。

不讓汽車自燃或提供更多保修故障的解決方案

      因此，這種解決方案必須可靠，在應(yīng)用系統(tǒng)內(nèi)性能優(yōu)異，幾乎沒有任何成本。

      今天的固態(tài)開關(guān)因為保護形式簡單，有一點以自我為中心。這就是說，它們更加關(guān)注自我保護，而不是保護外圍元器件。固態(tài)開關(guān)有過熱和超負載保護電路，當(dāng)因輸出短路而限制負載電流時，這種元器件是最佳的選擇。因此，用固態(tài)開關(guān)替代熔斷器有時候并不是最佳的選擇。
                                                 
　  　 
                          

     像硬短路一樣的短路事件比較容易保護，例如，受驅(qū)動器限制的負載電流。在這種情況下，功耗不是I2R的結(jié)果，而是驅(qū)動器上的電壓降與相應(yīng)的限流的結(jié)果。這是一個高功耗事件，大部分功耗發(fā)生在智能開關(guān)上而不是線束上。因此，開關(guān)的溫度迅速升高，激活過熱關(guān)斷功能，從而保護相關(guān)的線束。

      車身模塊中的大多數(shù)負載是燈泡。燈泡有一個很難處理的特性：涌流，我們了解并喜歡這個特性。涌流要求強迫固態(tài)開關(guān)的限流值遠遠高于穩(wěn)定狀態(tài)開關(guān)操作所需的限流值。我所說的一切都是為了說明：當(dāng)沒有發(fā)生嚴重的硬短路事件時，這些高涌流的元器件準許異常高的穩(wěn)態(tài)電流在線束內(nèi)流動，這就是固態(tài)開關(guān)保護自我而不保護所在系統(tǒng)的情況。這時，電流強度還不足以激活開關(guān)限流功能，但是足以燒毀線束或電路板。

      在圖5的示例中有一個點，智能開關(guān) (VN5010)將繼續(xù)前行，而電線將開始自毀（紅線在藍色虛線上方）。如果這種情況是真實的，甚至連電路板都可能會自毀。現(xiàn)在考慮到涌流要求很可能更加嚴格，我們開始意識到有必要開發(fā)一個能夠仿真熔斷器特性的保護算法。

      在用一個“大熔斷器”保護多個上橋臂驅(qū)動負載的應(yīng)用中，有些問題需要考慮。在這些應(yīng)用中，“大熔斷器”的電流處理功能可能高于任何一條被保護的線束。因此，當(dāng)一條電線上出現(xiàn)“軟短路”時，如果上橋臂驅(qū)動器十分強健，能夠處理更高的短路電流和熔斷保護功能，那么線束或電路板可能會自毀。
 　　 
            
                        圖6：當(dāng)智能開關(guān)只能自我保護時的后果
決方案

      該解決方案是實現(xiàn)一個能夠仿真熔斷器的I2-t特性的智能電路保護算法。這個概念可轉(zhuǎn)化為“曲線下面積”。在下圖(圖 7)中，曲線下面積(A區(qū))是保護算法的I2-t界限內(nèi)。B區(qū)所示是在一段時間內(nèi)的恒定超負載條件，其中，超負載電流小于智能開關(guān)的限流值。在這個圖中，當(dāng)限流值超過曲線時，智能開關(guān)不會被閉鎖。當(dāng)B區(qū)突破A區(qū)時，器件閉鎖。 這個原則適用于超負載在開關(guān)激活后存在很長時間的狀況。
　 　

            
                                             圖7：超負載與功率限制區(qū)比較

      可能存在一種特殊的瞬間過流狀況：瞬間過流超出曲線與A區(qū)交接的界限，但是“曲線下面積”不足以產(chǎn)生錯誤開關(guān)條件。在下圖中(圖8)，這個錯誤是很嚴重的，但是因為時長太短，不足以產(chǎn)生錯誤開關(guān)條件。

　　 
           
                                      圖8：瞬間錯誤不會產(chǎn)生錯誤關(guān)斷狀況

      這種保護算法準許出色多個涌流，同時不會強制系統(tǒng)處理比正常高出很多的穩(wěn)態(tài)電流。因此，這種算法提供一個強健的保護功能，既可以保護開關(guān)本身，又可以保護被開關(guān)驅(qū)動的線束。再加上其它的安全機制，如內(nèi)置的看門狗和激活功能，這個已經(jīng)很安全的解決方案將會變得更加安全。
利用一個升降序計數(shù)器，可以在芯片上實現(xiàn)這個算法，控制該升降序計數(shù)器的是流經(jīng)開關(guān)的電流的平方(圖 9)。

                                           圖9： i-t 限制控制環(huán)路

      計數(shù)器的方向由參考電流確定。當(dāng)檢測電流高于參考電流閾值時，計數(shù)器升序計數(shù)，速率與檢測電流和參考電流的差的平方成正比。當(dāng)檢測電流低于參考電流閾值時，計數(shù)器以固定值降序計數(shù)。固定降序計數(shù)值的設(shè)定目的是更好地估算熔斷器的散熱性。

      這個閾值涌流要比電線的電流處理能力略低（如圖5所示，小于14A DC)。計數(shù)器一旦達到某一個預(yù)設(shè)值后，輸出就會被立即關(guān)斷。因為這種算法是利用熔斷器型的特性保護電線，所以直到微控制器重新初始化，將輸出重新導(dǎo)通之前，驅(qū)動器始終保持關(guān)斷狀態(tài)。 
 　　

                          圖10：采用保護算法的外推i2-t曲線與電線和熔斷器比較

      實現(xiàn)這種保護方法的智能開關(guān)系列產(chǎn)品的應(yīng)用，可降低給定車身電子模塊的線束成本，限制熔斷器的數(shù)量，同時提高可靠性和安全性。

      當(dāng)一次短路輸出最終燒毀了她的BCM時，車廂內(nèi)充滿了刺鼻的燒焦味，如圖6電路板所示，該車的車主買了一輛新車，有同樣遭遇的車主不是很少。彌補一輛價值3000美元的汽車的置換損失需要很多個模塊。模塊的單價比較昂貴，底價不易被接受。從長遠看，多花一點錢增加這種保護裝置是物有所值的。