在设计和部署因应严峻车用环境的先进解决方案时，设计人员需要使用者友善、快速而且对硬体要求较低的互动式模拟工具。采用分散式智慧能够释放系统性能，然而会产生系统韧性和即时回??能力的需求。

在汽车产业，设计人员需要解决、减少和预防一些可能导致引擎控制模组（Engine Control Module；ECM）或其他电子控制单元（Electronic Control Unit；ECU）等关键元件损坏的严重问题。这些系统故障可能带来事故或其他安全隐患，为了因应这些危险，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，以及防止关键元件过热的热管理技术。

准确的模拟工具有助於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，以便於在第一时间防止这些问题发生。此外，膜体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。

全面性的模拟功能至关重要

在下一代汽车的研发中，工程师在配电面临诸多挑战，需要采用分散式智慧方法来同步解决几个关键因素：包括车辆韧性、效能及永续性。

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。效能在降低功耗、碳排放和保养费用方面发挥着关键作用，同时有助於提升整车性能和可靠性。永续性是降低车辆对环境的影响和促进低碳的关键因素。

为了达成这些目标，工程师必须使用经过全面模拟实验验证的创新解决方案和概念，以开发出满足产业需求的先进汽车系统，并提供更安全、更可靠、更永续、更愉悦的驾驶体验。配电系统所用的智慧功率开关二极体是复杂的电子元件，需要经过电热模拟实验，才能确保最隹性能。

分析功率开关的电气行为，包括开关二极体的高电压电流处理能力、回应时间，以及侦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进行热模拟实验，因为热量会影响开关的性能和可靠性。

透过进行电热模拟实验，工程师可以优化智慧开关的设计，确保其能满足设计的性能需求，同时保持安全的工作温度。另外，采用模拟验证还可以提升配电系统的效能、可靠性和安全性，同时确保系统能达到合理有效的保护机制和诊断功能。

1.一览产品资讯

为了确保做出最隹选择，必须在使用者友善、可客制的互动式环境中进行模拟实验，这样才能快速了解智慧开关的行为。第一步是确定哪些产品符合电气要求。

意法半导体的TwisterSIM电热模拟器是达成此一目的的理想工具，为选择VIPower专门设计，包括智慧高低边驱动器，以及用於马达控制的全桥拓扑。该模拟工具可以从列表中准确选择候选元件，并提供基本的产品资讯。因此，设计人员可以快速轻松地评估不同的智慧开关的性能，并选择最适合特定用途的开关，如图一所示。

图一 : 预选VIPower智慧驱动器

根据电源电压、元件拓扑、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资料，该模拟器可以提供有关预计最大结温（T_JMAX）的宝贵资讯，进行快速有效的产品预选。

这些资讯至关重要，有助於为每个通道选择合适的通态电阻（R_ON），并确保工作状态下的热预算满足元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，电路中包含预选元件以及分别与电池和负载连接的输入／输出电路（图二）。

图二 : VIPower驱动器模拟实验的电路图

其中：

V_BATT是电池电压；

V_IN 是微控制器的输入电压；

R_{LINE_IN} 和 R_{LINE_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，自订专案叁数。在此阶段，设计人员确定电路图中元件的叁数值和模拟设定。电路图中元件的叁数值对於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的要求。

模拟设定是定义设计者想要透过模拟实验再现并分析哪些运作状况，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。透过自订专案叁数，设置模拟变数，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资讯（图三）。

图三 : 模拟定义过程

使用TwisterSIM进行模拟实验的一大益处，在於可以在模拟过程中即时显示结果。此功能让设计人员在模拟过程中监视电路的运作，并快速辨识问题或需要改善之处。

模拟结果的即时显示可以协助设计者提升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叁数，立即看到叁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的即时显示模拟结果可以提升设计优化的效率和效果，进而提升配电系统的效能、可靠性和安全性。

3.依照需求客制模拟结果

图四 : 根据资料视觉化客制曲线和图表

工程师可以修改模拟叁数、资料和视觉化图形，以满足特定需求并做出知情决策，同时取得最隹结果。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，如图四所示。

设计人员可以利用 TwisterSIM 设计开发高效且具有韧性的驱动器，让其拥有有效的诊断和保护功能，具体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，整合错误再现和极限叁数记录等功能。此外，这种设计方法还可以降低线束尺寸和重量，减少车辆的碳足迹。

危急情境

在严峻的汽车生态系统中，特别是重复短路事件可能导致热关断（Thermal Shutdown；TSD）的情况，做到热保护机制至关重要。在这种情况下，驱动器会尝试透过功率限制保护措施（最大电流和热滞??圈）重新开启系统，并保持TSD模式，直到过热问题解除。

TwisterSim亦具有这种特定的控制功能，以高边驱动器VND9012AJ（采用VIPower M0-9技术研制的智慧功率开关）为例，TwisterSim可以准确地再现开关的运作情况，然後将模拟结果与实验资料进行比对，如图五所示。

图五 : VND9012AJ 在重复短路事件情况下的模拟结果与实验资料的比较

其中：

I_OUT是驱动器的输出电流；

Δt是指模拟结果与实测资料中TSD事件之间的时间差。

模拟结果显示，TwisterSIM 是一种高效的工具，可以精确地模拟和模拟热保护机制的限流和热关断（TSD）触发状况。

输出电流值的模拟资料误差小於2%，而TSD发生时间误差约为0.8ms。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来临，工程师面临着研发先进解决方案的挑战，部署分散式智慧可以让系统释放强大的性能。为了达成此一目标，新设计必须优先考虑效能和韧性，功能全面的模拟工具对於确保准确性和有效性至关重要。

透过充分利用 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，为绿色低碳的永续发展奠定基础。

（本文作者Giusy Gambino、Alessio Brighina、Francesco Giuffre’、Filippo Scrimizzi

任职於意法半导体）