智能功率芯片BTS6143D特性的试验研究

BTS6143D是英飞凌公司设计的N沟道FET功率管，内部集成充电泵，电流驱动，并具有负载电流检测的故障反馈功能(包括过载、过温和短路检测等)，是一款集成SIPMOS片上技术的高边智能功率开关芯片。

BTS6143D适用于汽车电子苛刻的工作环境，其工作的温度范围可从-40℃至+150℃。采用12V或24V负载控制，适用于各种阻性负载、感性负载或容性负载，尤其适用于具有高浪涌电流的负载，如灯等；可以作为继电器、保险丝及分立电路等控制方法的替代方法。此外，BTS6143D还具有多项保护功能：短路保护、过载保护、过压保护、过温关断、掉地和掉电保护、静电放电保护和电源反接保护等。

　　BTS6143D的内部功能框图如图1所示。


图1 BTS6143D内部功能框图



图2 BTS6143D在灯光控制系统中的应用电路

　　BTS6143D在智能灯光控制系统中的应用

　　现有车辆灯光控制多采用继电器驱动方式。但是，继电器驱动方式具有以下缺点：

　　*功率继电器励磁线圈驱动电流较大，需消耗较大功率且接口电路复杂；

　　*继电器的使用使控制器体积增大，重量增加；

　　*继电器开关频率相对较低，触点易抖动，很难满足车辆在带电情况下行驶对机械振动的要求。此外触点抖动会影响继电器的寿命，且EMI严重；

　　*难以有效实现对车灯的过热、过压、短路等故障的诊断及保护；

　　*需配合保险丝使用，以防止过流。但保险丝一旦动作(即熔断)，电路将彻底切断，需手工更换保险丝。

　　BTS6143D在灯光控制系统中的应用电路如图2所示。

　试验步骤

　　试验条件

　　蓄电池开路电压12.41V；负载连接导线长约为1.5m(电阻R=0.12ohm,电感L=3mH)。导线横截面积为0.75mm2。连接55W车灯。测量设备为Lecroy示波器。试验环境温度约20℃。

试验电路图

　　为了便于比较，安排了两组短路试验，如图3所示，(a)图为BTS6143D驱动车灯试验电路示意图，(b)图为继电器驱动车灯连接示意图。


图3 试验电路示意图

　　(a)BTS6143D驱动车灯

　　(b)继电器驱动车灯

　　具体意义如表1所示。

　　启动特性试验

　　启动特性试验分为冷启动试验和热启动试验。所谓冷启动试验就是在车灯长时间关闭后开启车灯的情况；热启动试验则是在车灯刚关闭不久，灯丝尚未冷却即重新开启车灯的情况。由于车灯灯丝电阻是正温度系数的，因此车灯冷启动和热启动特性表现出了较大的差异。

　　·BTS6143D驱动车灯启动特性

　　从试验结果图4(a)中可以看到，车灯冷启动时由于灯丝温度较低，因而电阻较小，所以在启动时会有较大的瞬间浪涌电流，其值可达30A；在车灯开启一段时间后灯丝电阻随着灯丝温度的升高而慢慢变大，此时关掉车灯，在灯丝尚未冷却时重新启动，可以从试验结果图4(b)中看到，瞬间浪涌电流则会大大降低，其值不到10A。车灯的冷启动和热启动在瞬间浪涌电流值上表现出的巨大差异可能会加速灯泡的毁坏。从试验的结果看，建议使用脉冲宽度调制(PWM)来实现车灯的软启动过程，使得车灯灯丝逐步加热，以减小瞬间浪涌电流。试验结果还有助于解释为什么车灯在刚刚打开时损坏的概率较大。


(a)冷启动试验结果 　　(b)热启动试验结果图

图4 BTS6143D驱动车灯启动特性试验结果图

　　⊙继电器驱动车灯启动特性

　　继电器驱动车灯冷启动时瞬间浪涌电流为36A，热启动时瞬间浪涌电流为10A，如图5启动特性试验结果图(a)图、(b)图所示。由于继电器触点易抖动，可以发现其启动过程带有明显的电压及电流抖动，这种抖动不仅会影响继电器的使用寿命，也会对车灯的安全启动造成极大隐患。而使用BTS6143D驱动车灯的启动过程则相对平滑，因而更凸现出使用BTS6143D驱动车灯的优越性。


(a)冷启动试验结果 　　(b)热启动试验结果图

图5继电器驱动车灯启动特性试验结果图

　　短路特性实验

　　汽车系统在运行过程中，周围环境复杂，金属线束繁多，虽然所有的导线均有绝缘包络，但是经过长时间的运行，缺乏必要保养的情况下，不可避免会出现各种各样的问题。本试验将短路特性试验分为两种常见的情况：

　　1)在系统尚未启动上电既已产生短路的情况，称之为短路类型I，即天生短路试验。用以模拟在汽车尚未运行，系统就已经短路的情况；

　　2)在车辆运行过程中发生短路的情况，称之为短路类型II，即后天短路试验，用以模拟在汽车正常运行的条件下，由于意想不到的原因导致的输出短路。

　　下面将分别阐述这两种短路试验的情况。

　　⊙BTS6143D驱动车灯天生短路实验

　　BTS6143D具有短路检测及自动关断功能。其短路检测的默认条件为：功率管漏级与源级的压差VON>VON(SC)(典型值3.5V),且t>td(sc)(典型值650ms)。如图6中所示，VON＝V粉-V红变化范围为6V到12V，短路故障从检测到关断时间约为650ms，短路关断后，BTS6143D不再有输出。在本文的短路试验中，最大短路电流为110A，这个数值与导线电阻有关，导线的电阻越大则对应的短路电流就越小，BTS6143D也就越安全。从这种意义上来讲导线越长，则BTS6143D越不容易被损坏。但是，如果导线太长，则蓄电池的电压大多数降低在导线上，容易造成VON
图6 BTS6143D天生短路试验结果

　　⊙BTS6143D驱动车灯后天短路实验

　　从图7后天短路试验结果图中可以看出，短路故障发生后，随着电流上升，VON=V粉-V红逐渐变大，当VON>VON(SC)时(大约在发生短路后140ms时)，BTS6143D识别出短路故障，开始关断BTS6143D，经历30ms后电流降为零。在整个短路过程中，最大短路电流可达180A，其电流峰值与导线电阻有关。导线电阻越小，峰值电流就大，瞬间的大电流容易损坏BTS6143D芯片。当导线电阻太大时，VON需要较长的时间达到(或者永远不能达到)VON(SC)，这样短路保护的功能的效果就比较差，本质上变成了过热保护。另外，由于导线电感会造成FET管的漏级电压(粉色线)超过蓄电池电压、源级电压(红色线)低于0V，可能会导致漏级和源级之间的电压超过BTS6143D的最大允许工作电压，所以要选择低电感的导线。


图7 BTS6143D后天短路试验结



图8继电器短路试验结果图

　　⊙?继电器驱动车灯短路实验

　　为了与BTS6143D的短路保护功能作对比，用继电器驱动车灯做了短路的对比试验，其结果如图8所示。在这个短路过程中，最大短路电流可达100A,电池电压被拉低接近4V。保险丝熔断保护时间为60ms,远远大于BTS6143D的短路关断时间650ms。由此可见，在发生短路故障时，使用智能功率开关比传统的继电器对系统的保护更加迅速和有效。

　　结语

　　通过上述对比试验，可以得出以下结论：使用BTS6143D驱动汽车上大功率车灯是一种更好的选择。利用BTS6143D，可以采用脉宽调制方式(PWM)来控制车灯的启动及运行过程，从而更有效地抑制车灯启动时的瞬间浪涌电流，有效延长了车灯的使用寿命。最重要的是可以缩短短路故障的保护时间，对车灯控制系统实施更迅速更有效的保护。与保险丝不同，BTS6143D的短路保护并没有损坏芯片，当短路故障排除后，系统可以恢复正常，而不需要更换芯片，这给维修和保养带来了方便。