如何在设计中计算浪涌电流，确保器件的设计安全
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。
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。图1显示了有代表性的负载种类与浪涌电流的关系。
图1：典型的负载种类与浪涌电流的关系。
从图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。
图2：白炽灯的参数模型。
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。
第一步，先计算出稳态下的r1：
稳态电流：
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）。
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：
（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。
图3：白炽灯泡的pspice等效模型（55w）。
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（见图4）。需要注意的是，图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）。
图4：55w白炽灯pspice等效模型的仿真结果。
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。
1）计算浪涌电流下开关控制器件的温升（以bts5020-2eka为例）：
稳态电流：
浪涌电流为：
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。
2）验证在浪涌电流下的功率损耗
功率损耗：
（rds（on） = 44mω，bts5020-2eka数据表给出）
在bts5020-2eka数据表中找到热阻和脉冲时间的曲线图（见图5），找到10ms（0.01s）的那条2s2p（4层板）对应曲线，得到的zthja＝2℃/w。
图5：数据表中热阻和脉冲时间的曲线图。
浪涌电流引起bts5020-2eka的温升：
δt = ploss×zthja = 46×2 = 92（℃）
tj = tambient+δt = 25+92 = 117（℃）
tj小于器件给出的最高结温要求（见图6）。
图6：数据表中结温范围要求。
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。
作者简介：
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
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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。图1显示了有代表性的负载种类与浪涌电流的关系。
图1：典型的负载种类与浪涌电流的关系。
从图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。
图2：白炽灯的参数模型。
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。
第一步，先计算出稳态下的r1：
稳态电流：
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）。
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：
（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。
图3：白炽灯泡的pspice等效模型（55w）。
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（见图4）。需要注意的是，图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）。
图4：55w白炽灯pspice等效模型的仿真结果。
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。
1）计算浪涌电流下开关控制器件的温升（以bts5020-2eka为例）：
稳态电流：
浪涌电流为：
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。
2）验证在浪涌电流下的功率损耗
功率损耗：
（rds（on） = 44mω，bts5020-2eka数据表给出）
在bts5020-2eka数据表中找到热阻和脉冲时间的曲线图（见图5），找到10ms（0.01s）的那条2s2p（4层板）对应曲线，得到的zthja＝2℃/w。
图5：数据表中热阻和脉冲时间的曲线图。
浪涌电流引起bts5020-2eka的温升：
δt = ploss×zthja = 46×2 = 92（℃）
tj = tambient+δt = 25+92 = 117（℃）
tj小于器件给出的最高结温要求（见图6）。
图6：数据表中结温范围要求。
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。
作者简介：
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
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