意法半导体电热模拟器 TwisterSIM ：下一代汽车安全的守护神
作者： Giusy Gambino, Alessio Brighina, Francesco Giuffre’, Filippo Scrimizzi
意法半导体意大利卡塔尼亚公司
在设计和部署适应恶劣汽车环境的先进解决方案时，设计人员需要用户友好、快捷且对硬件要求较低的交互式模拟仿真工具。采用分布式智能能够释放系统性能，但对系统韧性和实时反馈能力提出了要求。
在汽车行业，设计人员需要解决、减少和预防一些可能导致发动机控制模块(ECM) 或其他电子控制单元(ECU) 等关键部件损坏的严重问题。这些系统故障可能带来事故或其他安全隐患。
为了应对这些危险，汽车厂商采用了各种保护措施，例如，保险丝、断路器和过压保护装置，以及防止关键部件过热的热管理技术。
准确的模拟工具有助于提前发现潜在的问题，让工程师能够对设计进行必要的修改或调整，第一时间防止这些问题发生。
此外，模拟实验还可以优化电气系统的设计，确保其能够处理可能遇到的最大电流和电压，让汽车系统变得更安全可靠。
全面的模拟功能至关重要
在下一代汽车的研发中，工程师在配电方面面临诸多挑战，需要采用分布式智能方法来同步解决几个关键因素：
• 车辆韧性；
• 能效；
• 可持续性
对意外事故、恶劣天气、设备故障等不可预见情况的承受能力对车辆韧性至关重要。能效在降低功耗、碳排放和保养费用方面发挥着关键作用，同时有助于提高整车性能和可靠性。 可持续性是降低车辆对环境的影响和促进低碳的关键因素。
为了实现这些目标，工程师必须使用经过全面模拟实验验证的创新的解决方案和概念，以开发出满足行业需求的先进汽车系统，并提供更安全、更可靠、更可持续、更愉悦的驾驶体验。配电系统所用的智能功率开关管是复杂的电子元器件，需要经过电热模拟实验，才能保证最佳性能。
分析功率开关的电气行为，包括开关管的高电压电流的处理能力、响应时间，以及检测和隔离故障的能力，都离不开电模拟实验。另一方面，分析开关在操作过程中产生的热量需要做热模拟实验，因为热量会影响开关的性能和可靠性。通过做电热模拟实验，工程师可以优化智能开关的设计，确保其满足设计的性能要求，同时保持安全的工作温度。采用模拟验证方法可以提高配电系统的能效、可靠性和安全性，同时确保系统实现合理有效的保护机制和诊断功能。
1.了解产品信息
为了确保做出最佳选择，必须在用户友好、可定制的交互式环境中做模拟实验，这样才能快速了解智能开关的行为。第一步是确定哪些产品符合电气要求。
意法半导体的电热模拟器 TwisterSIM 是实现此目的的理想工具，为选择VIPower 产品专门设计，包括智能高低边驱动器，以及用于电机控制的全桥拓扑。该模拟工具可以从列表中准确选择候选器件，并提供基本的产品信息。因此，设计人员可以快速轻松地评估不同的智能开关的性能，并选择最适合特定用途的开关，如图 1 所示。
图1：VIPower智能驱动器预选
根据电源电压、器件拓扑、通道数量、负载类型和特性、电源类型、环境温度和 PCB 功率耗散面积等各种输入数据，该模拟器可以提供有关预计最大结温 (TJMAX) 的宝贵信息，进行快速有效的产品预选。
这些信息至关重要，有助于为每个通道选择合适的通态电阻 (RON) ，并确保工作状态下的热预算满足器件的绝对最大额定值。
2. 深入了解性能
为了研究驱动器的电热行为，模拟器生成一个原理图电路，电路中包含预选器件以及分别与电池和负载连接的输入/输出电路（图 2）。
图2：VIPower驱动器模拟实验的电路图
其中：
VBATT是电池电压；
VIN 是微控制器的输入电压；
RLINE_IN 和 RLINE_OUT 是驱动器输入和输出端的电线寄生电阻。
在开始模拟之前，需要先执行定义步骤，自定义项目参数。在此阶段，设计人员确定电路图中元件的参数值和模拟设置。
电路图中元件的参数值对于确定电路的行为至关重要，必须仔细选型，确保电路符合性能规格要求。
模拟设置是定义设计者想要通过模拟实验再现并分析哪些工作状况，例如，设计人员可能想要检查电路中的电压和电流波形，确定功耗或评估电路的热行为。
通过自定义项目参数，设置模拟变量，设计人员可以确保模拟结果准确反映电路的行为，并提供优化设计所需的信息（图 3）。
图 3：模拟定义过程
用TwisterSIM进行模拟实验的一大好处是，可以在模拟过程中实时显示模拟结果。此功能允许设计人员在模拟过程中监视电路的工作行为，并快速识别出问题或需要改进的地方。
模拟结果的实时显示可以帮助设计者提高设计优化的效率和效果，例如，当模拟结果显示电路消耗过多电流或温度上升过快时，设计人员可以快速调整电路参数，立即看到参数变化对模拟结果的影响。
此功能可以节省时间和资源，因为设计人员不必等到模拟结束，就能快速发现并解决问题。TwisterSIM的实时显示模拟结果可以提高设计优化的效率和效果，从而提高配电系统的能效、可靠性和安全性。
3. 按需定制模拟结果
图4：根据数据可视化定制曲线和图表
工程师可以修改模拟参数、数据和可视化图形，以满足他们的特定需求，做出知情决策，并获得最佳结果。该模拟器为分析和优化 VIPower 电路提供了多种工具，例如，热图、电流电压波形，以及功耗分析，如图 4 所示。
设计人员可以用 TwisterSIM设计开发高效且具有韧性的驱动器，让其具有有效的诊断和保护功能，具体实现方法是优化设计的性能和可靠性，降低热应力或电应力引起的失效风险，集成错误再现和极限参数记录等功能。此外，这种设计方法还可以降低线束尺寸和重量，从而减少车辆的碳足迹。
危急场景
在恶劣的汽车生态系统中，特别是重复短路事件可能导致热关断 (TSD) 的情况，考虑实现热保护机制是至关重要的。
在这种情况下，驱动器会尝试通过功率限制保护措施（最大电流和热滞循环）重新启动系统，并保持 TSD 模式，直到过热问题消除。
TwisterSim也有这种特定的控制功能，以高边驱动器 VND9012AJ（采用VIPower M0-9 技术研制的智能功率开关）为例，TwisterSim可以准确地再现开关的工作情况，然后将模拟结果与实验数据进行比较，如图 5 所示。
图 5： VND9012AJ 在重复短路事件情况下的模拟结果与实验数据的比较
其中：
IOUT是驱动器的输出电流；
Dt是指模拟结果与实测数据中 的TSD事件之间的时间差。
模拟结果表明，TwisterSIM 是一种高效的工具，可以精确地模拟和仿真热保护机制的限流和热关断 (TSD) 触发情况。
输出电流值的模拟数据误差小于2%，而TSD发生时间误差约为0.8 ms。这证明 TwisterSIM 在现实条件下预测系统行为的正确率很高。
结论
随着下一代汽车时代的到来，工程师面临着研发先进解决方案的挑战，部署分布式智能可以让系统释放强大的性能。为了实现这一目标，新设计必须优先考虑能效和韧性，功能全面的模拟工具对于确保准确性和有效性至关重要。
通过充分利用 TwisterSIM 的功能，开发者可以优化新的 VIPower 驱动器设计，获得最高的性能和可靠性，同时最大限度地降低热应力或电应力引起的失效风险，为绿色低碳的可持续发展铺平道路。
参考文献
[1] “TwisterSIM: Dynamic electro-thermal simulator for VIPower products”, Databrief on https://www.st.com/resource/en/data_brief/twistersim.pdf, Sep. 2023.
[2] M. Bonarrigo, G. Gambino, F. Scrimizzi, "Intelligent power switches augment vehicle performance and comfort", Power Electronics News, Oct. 10, 2023.
[3] A. Brighina, F. Giuffrè, “Interactive analog/digital mixed signal modeling via HDL simulator and foreign VHDL/Verilog C interface”, Electronicsforyou, Electronics & Technology Portal, 2011.
[4] D. Maksimovic, A. M. Stankovic, V. J. Thottuvelil, G. C. Verghese, “Modeling and simulation of power electronic converters”, Proc. of IEEE, vol. 89, no. 6, Jun. 2001.
