Особенности управления лампами накаливания с помощью ключей PROFET+

19 октября 2021

Штефан Штогнер, Стефан Фресе (Infineon)

Управление лампами накаливания автомобиля – одна из задач, прекрасно решаемых интеллектуальными ключами PROFET+ производства Infineon. Однако, в силу больших пусковых токов при включении ламп, разработка узлов их коммутации на основе этих ключей требует учета всех особенностей и характеристик как самих ламп, так и системы электропитания конкретной модели автомобиля.

Одной из основных областей применения интеллектуальных силовых ключей PROFET, разработанных компанией Infineon, является управление лампами накаливания. Однако коммутация подобной нагрузки имеет ряд особенностей, основной из которых является наличие пускового тока (Inrush Current), из-за которого ключи PROFET+ сразу после подачи питания на лампу начинают работать в режиме, близком к короткому замыканию. Это увеличивает вероятность блокировки микросхемы из-за перегрузки по току или перегрева и накладывает определенные ограничения на использование ключей PROFET+ для управления оборудованием подобного типа.

В данной статье рассмотрены основные особенности управления лампами накаливания с помощью ключей PROFET+, на которые следует обратить внимание в процессе выбора компонентов семейства. При этом компания Infineon акцентирует внимание на том, что данный материал носит исключительно рекомендательный характер, призванный лишь улучшить понимание электрических процессов, происходящих в процессе коммутации этих электрических приборов, и что характеристики реального оборудования, в силу огромного количества возможных вариантов, могут значительно отличаться от моделей, приведенных в этой работе.

Параметры тока лампы накаливания в идеальном случае 

Диаграмма тока, протекающего при включении лампы накаливания, качественно совпадает с током i(t), возникающим при подключении разряженной RC-цепочки к идеальному источнику напряжения V_BAT с помощью ключа S (рисунок 1). Зависимость i(t) можно описать формулой (1):

$$i(t)=I_{0}\times e^{\frac{-t}{\tau }},\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

где I₀ = V_BAT/R – значение тока в момент коммутации ключа S; τ = RC – постоянная времени RC-цепочки (i(τ) = 0,367I₀).

Рис. 1. Диаграмма тока при подключении RC-цепочки к идеальному источнику напряжения

Типовая форма тока при включении лампы накаливания показана на рисунке 2. Этот график является идеализированным, поскольку при его создании не учитывались паразитные сопротивления в цепях источника питания, коммутатора и лампы.

Рис. 2. Типовой пусковой ток лампы накаливания мощностью 27 Вт при V_BAT = 13,5 В и температуре окружающей среды T_A = 25°C

Высокое значение тока в момент включения лампы связано с малым сопротивлением холодной нити накала. По мере разогрева ее сопротивление увеличивается, что приводит к уменьшению тока. Увеличение сопротивления будет продолжаться до тех пор, пока температура тела накала не станет стабильной и лампа не выйдет на рабочий режим. Приблизительные зависимости потребляемого тока и температуры нити накала лампы мощностью 27 Вт, полученные при тех же условиях, что и в предыдущем исследовании, изображены на рисунке 3.

Рис. 3. Результаты моделирования потребляемого тока и температуры нити накала (в масштабе 100:1) лампы накаливания мощностью 27 Вт

Это позволяет создать эквивалентную модель лампы накаливания, содержащую три основных параметра: R_INRUSH, C_INRUSH и R_DC (рисунок 4). Емкость C_INRUSH является эквивалентом тепловой емкости нити накала и определяет количество энергии, необходимое для ее разогрева. Последовательное сопротивление R_INRUSH определяет начальное значение тока в момент подачи питания на лампу. Сопротивление R_DC, подключенное параллельно емкости C_INRUSH, определяет затраты энергии на излучение. Согласно этой модели, электрические процессы, происходящие в момент включения лампы, определяются параметрами R_INRUSH и C_INRUSH, в то время как ток, потребляемый лампой в рабочем (установившемся) режиме, определяется суммой сопротивлений R_INRUSH и R_DC.

Рис. 4. Эквивалентная модель лампы накаливания и результаты моделирования потребляемого тока

Ток ламп накаливания также может быть описан тремя параметрами (таблица 1): током в момент включения I_INRUSH, током в установившемся режиме I_DC и постоянной времени τ, с которой ток от значения I_INRUSH уменьшается до I_DC.

Таблица 1. Параметры тока лампы накаливания мощностью 21 Вт

Зная значения I_INRUSH, I_DC и τ, можно определить параметры эквивалентной схемы лампы накаливания R_INRUSH, C_INRUSH и R_DC (рисунок 4). При этом следует отметить, что на величину R_DC напряжение питания оказывает большее влияние, чем температура окружающей среды, поскольку колебания внешней температуры от -40°C  до 150°C не приводят к существенному изменению температуры нити накала, достигающей 2000°C. А вот на величину тока в момент включения I_INRUSH, определяемой параметром R_INRUSH, начальная температура нити накала влияет больше, чем напряжение питания. Как видно из результатов расчетов (таблица 2), наихудший случай (минимальное значение R_INRUSH) будет при температуре лампы -40°C. При этом типовым случаем считается включение лампы при температуре 25°C.

Таблица 2. Параметры эквивалентной модели лампы накаливания

Параметры тока лампы накаливания, установленной в автомобиле

В реальных транспортных средствах, как легковых, так и грузовых, параметры окружающей среды и схема включения лампы никогда не будут идеальными. Из-за этого реальный график изменения тока при подаче питания на лампу будет существенно отличаться от графика, показанного в предыдущей главе. Во многом это связано с тем, что на характеристики переходных процессов, кроме активных сопротивлений, существенное влияние оказывают еще и паразитные индуктивности соединительных цепей.

Типовая форма тока, возникающего при подключении RL-цепочки с помощью идеального ключа S к идеальному источнику напряжения V_BAT, показана на рисунке 5.

Рис. 5. Диаграмма тока при подключении RL-цепочки к идеальному источнику напряжения

Характер изменения тока i(t) описывается формулой (2):

$$i(t)=I_{0}\times \left( 1-e^{\frac{-t}{\tau }}\right),\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

где I₀ = V_BAT/R – значение тока в установившемся режиме; τ = R/L – постоянная времени RL-цепочки, (i(τ) = 0,632I₀).

В реальном автомобиле электрическая цепь, в которую включается лампа накаливания, содержит ряд элементов (рисунок 6), каждый из которых имеет свои электрические параметры (рисунок 7). Основными из них являются:

• V_BAT – напряжение источника питания;
• R_P – эквивалентное сопротивление источника питания, равное сумме сопротивлений аккумулятора, клемм и соединительных проводов (R_P ≈ 5 мОм);
• L_P – эквивалентная индуктивность проводов, связанных с источником питания (L_P ≈ 1 мкГн);
• R_F – эквивалентное сопротивление блока предохранителей, равное сумме сопротивлений плавкой вставки, ее держателя, соединительных разъемов и проводов (R_F = 3…20 мОм);
• R_S – эквивалентное сопротивление участка цепи от блока предохранителей до силового ключа, равное сумме сопротивлений проводов, соединяющих блок предохранителей с блоком управления, проводников и соединительных разъемов блока управления (R_S ≈ 10 мОм);
• L_S – эквивалентная индуктивность участка цепи от блока предохранителей до силового ключа, равная сумме индуктивностей проводов, соединяющих блок предохранителей с блоком управления, и проводников печатной платы блока управления (L_S = 1…5 мкГн);
• R_L – эквивалентное сопротивление участка цепи от силового ключа до лампы, равное сумме сопротивлений печатных проводников и соединительных разъемов блока управления, сопротивления провода, соединяющего блок управления с лампой, и сопротивления ключа PROFET+ R_DS(ON)  (R_L ≈ 20…100 мОм);
• L_L – эквивалентная индуктивность участка цепи от силового ключа до лампы, равная сумме индуктивностей печатных проводников блока управления и индуктивности проводов, соединяющих блок управления с лампой (L_L ≈ 1…5 мкГн);
• R_SOCKET – эквивалентное сопротивление контактов патрона лампы (R_SOCKET ≈ 20 мОм);
• R_GND – эквивалентное сопротивление в цепи общего провода (R_GND ≈ 10 мОм);
• L_GND – эквивалентная индуктивность в цепи общего провода (L_GND < 1 мкГн).

При этом сам ключ S, роль которого выполняет микросхема PROFET+, считается идеальным.

Рис. 6. Схема включения лампы накаливания в реальном автомобиле

Рис. 7. Эквивалентная схема включения лампы накаливания в реальном автомобиле

Объединение схем рисунков 4 и 7 позволяет составить упрощенную эквивалентную схему лампы накаливания, работающей в реальном автомобиле (рисунок 8).

Рис. 8. Эквивалентная схема лампы накаливания, работающей в реальном автомобиле

Основными параметрами полученной эквивалентной схемы являются:

• V_BAT – напряжение источника питания;
• R_VEHICLE = R_P + R_F + R_DS(ON) + R_S + R_L + R_SOCKET + R_GND – эквивалентное активное «сопротивление автомобиля» (R_VEHICLE ≈ 45…130 мОм);
• L_VEHICLE = L_P + L_S + L_L + L_GND – эквивалентная «индуктивность автомобиля» (L_VEHICLE ≈ 2…10 мкГн);
• R_INRUSH – сопротивление лампы в момент подачи напряжения питания, ограничивающее ток заряда емкости C_INRUSH;
• R_DC – сопротивление лампы после завершения переходных процессов, определяющее ток лампы в установившемся режиме (R_DC >> R_INRUSH);
• C_INRUSH – эквивалентная емкость лампы.

С помощью эквивалентной схемы (рисунок 8) можно смоделировать процессы, происходящие при включении лампы накаливания в реальном автомобиле. Однако следует понимать, что для каждого автомобиля, каждой лампы и каждого ключа PROFET+ они будут разными и могут значительно отличаться друг от друга.

При включении лампы в реальной схеме ток достигает максимального значения не сразу, как в идеальном случае, а спустя некоторое время, что объясняется наличием индуктивности L_VEHICLE (рисунок 9). Максимальное значение реального тока лампы будет меньше, чем в идеальном случае, из-за наличия сопротивления R_VEHICLE. Причем для ламп малой мощности с большим значением сопротивления R_INRUSH (около 2 Ом) наличие дополнительного сопротивления R_VEHICLE, не превышающее, в самом худшем случае, 200 мОм, не особо скажется на амплитуде пускового тока. А вот у ламп большой мощности, у которых R_INRUSH уже соизмеримо с R_VEHICLE, наличие дополнительного сопротивления в цепи питания может привести к тому, что реальный ток, потребляемый лампой в момент включения, может сильно отличаться от идеального случая.

Рис. 9. Результаты моделирования тока лампы накаливания в идеальном (синяя кривая) и реальном (красная кривая) случаях

Наибольшее влияние на величину пускового тока оказывает длина провода, соединяющего лампу с остальными узлами схемы. Согласно эквивалентной модели, изменение длины соединительных проводов приведет к увеличению значений R_VEHICLE и L_VEHICLE. Это хорошо видно на результатах моделирования пускового тока лампы накаливания H4 мощностью 55 Вт, подключаемой при температуре 25⁰C к источнику с напряжением V_BAT = 16 В (рисунок 10). Как видно из графиков, увеличение R_VEHICLE приведет к увеличению падения напряжения на соединительных проводах и, соответственно, к подаче меньшего напряжения на лампу, что, в свою очередь, приведет к ограничению пускового тока. Однако такое ограничение сильно зависит от параметров лампы R_INRUSH и R_DC и при коммутации ламп небольшой мощности может быть незаметно. Еще одной особенностью, на которую стоит обратить внимание, является влияние индуктивности L_VEHICLE. Как видно из графиков, увеличение L_VEHICLE приводит лишь к смещению времени наступления максимума тока, при этом амплитуда тока уменьшается незначительно. Это свидетельствует о том, что количество энергии, необходимое для начального разогрева холодного тела накала, остается неизменным.

Рис. 10. Результаты моделирования пускового тока лампы накаливания H4 мощностью 55 Вт

Результаты расчета параметров пускового тока ламп мощностью 21 Вт, выполненные для идеального и реального случая, приведены в таблице 3. Результаты других исследований (рисунки 11, 12) показывают, что параметры автомобиля R_VEHICLE и L_VEHICLE начинают оказывать влияние на амплитуду пускового тока ламп мощностью более 21 Вт. При этом пусковой ток мощных ламп с малым активным сопротивлением в большей степени зависит от  характеристик соединительных проводов, чем в случае применения ламп малой мощности.

Таблица 3. Пусковой ток лампы накаливания в идеальном и реальном случаях (R_VEHICLE = 70 мОм)

Рис. 11. Зависимости пускового тока ламп накаливания разной мощности от величины эквивалентного активного сопротивления автомобиля R_VEHICLE

Рис. 12. Зависимости пускового тока от сопротивления лампы и эквивалентного активного сопротивления автомобиля

Особенности поведения ключей PROFET+ при срабатывании защиты

Если ток, протекающий через ключ PROFET+, превышает пороговое значение детектора защиты от перегрузки по току, то микросхема прекращает подачу питания на нагрузку, определяя данную ситуацию как аварийную. Если сопоставить параметры пускового тока ламп накаливания с порогом срабатывания защиты от перегрузки по току ключей PROFET+, рекомендуемых для управления ими (таблица 4), то окажется что ключ PROFET+, без проблем управляющий лампой при нормальных условиях (V_BAT = 13,5 В и T_LAMP = 25°C), при попытке ее включения в наихудшей ситуации (V_BAT = 16 В и T_LAMP = -40°C) может заблокироваться. Блокировка ключа PROFET+ может произойти не только из-за перегрузки по току, но и в результате перегрева кристалла. Однако прекращение подачи питания на лампу вовсе не означает, что она не будет включена совсем, ведь ключи PROFET+ имеют функцию автоматического перезапуска.

Типовое поведение ключа PROFET+ при перегрузке по току показано на рисунке 13, где приведены результаты моделирования тока, протекающего при включении трех ламп накаливания мощностью 21 Вт с помощью ключа BTS5030-2EKA. Данный расчет был произведен при начальной температуре кристалла микросхемы  T_DEVICE = 25°C, в то время как начальная температура нити накала лампы была принята равной T_LAMP = -40°C. Параметры бортовой сети автомобиля были выбраны равными R_VEHICLE = 65 мОм и L_VEHICLE = 2 мкГн.

Как видно из графиков, когда ток коммутируемой лампы превышает пороговое значение I_L5(SC), ключ PROFET+ на некоторое время прекращает подачу напряжения на лампы, предохраняя кристалл микросхемы от чрезмерного нагрева, после чего подача энергии автоматически восстанавливается. Так будет продолжаться до тех пор, пока нить накала лампы не нагреется до определенной температуры, и ток в системе перестанет достигать опасных значений. После этого напряжение на лампу будет подаваться постоянно.

Таблица 4. Сопоставление максимального значения пускового тока ламп разной мощности с порогом перегрузки по току ключей PFOFET+ (R_VEHICLE = 70 мОм)

Рис. 13. Диаграмма тока при подаче питания V_BAT = 13,5 В на три лампы накаливания мощностью 21 Вт с помощью микросхемы BTS5030

Обратите внимание, что первые два случая срабатывания защиты микросхемы PFOFET+, действительно, происходили из-за перегрузки по току. В этом состоянии сопротивление лампы еще мало, поэтому ток в цепи питания велик. Однако после частичного разогрева нити накала лампы ее сопротивление увеличилось, и ток в цепи стал меньше порога срабатывания детектора перегрузки по току. Но поскольку предыдущие попытки запуска привели к разогреву микросхемы PFOFET+, то последние два события блокировки происходили уже из-за перегрева кристалла, а окончательное возобновление питания произошло после его остывания.

Такой алгоритм работы позволяет использовать ключи PFOFET+ для питания нагрузок, пусковой ток которых значительно превышает номинальное значение тока микросхемы. Однако не следует забывать, что работа в таком режиме является стрессовой для кристалла, и ощутимо сокращает срок службы микросхемы. Поэтому для коммутации подобных нагрузок лучше использовать более мощный ключ PROFET+.

Пример поведения микросхем PROFET+ с разогретым кристаллом показан на рисунке 14. Как видно из графиков, при умеренной температуре включение ламп происходит без каких-либо проблем. Однако когда температура кристалла достигает максимально допустимого значения, ключ начинает блокироваться, и запуск лампы с первой попытки не происходит.

Рис. 14. Диаграмма тока при подаче питания на лампы накаливания (2 x 21 Вт + 10 Вт) с помощью микросхемы BTS5030 (V_BAT = 13,5 В, T_LAMP = 25⁰C, R_VEHICLE = 65 мОм, L_VEHICLE = 2 мкГн)

При температуре кристалла 105°С из-за высокого сопротивления силового транзистора R_DS(ON) пусковой ток лампы уменьшается. Однако из-за того, что кристалл уже нагрет до максимальной температуры, дополнительный разогрев, неизбежный в этой ситуации, приводит к срабатыванию защиты, и микросхеме необходимо некоторое время для остывания. Это приводит к уменьшению скорости разогрева нити накала и, как следствие, к увеличению времени включения лампы. Наиболее опасным является период времени, когда сопротивление силового транзистора R_DS(ON) соизмеримо с сопротивлением лампы. В этом режиме на кристалле микросхемы рассеивается достаточно большая мощность, что приводит к увеличению коммутационных потерь.

Как видно из графиков мощности, рассеиваемой на кристалле, при первом включении из-за высокого сопротивления транзистора R_DS(ON) уровень тепловыделений при температуре 105°С приблизительно такой же, как и при температуре 85°C, хотя величина пускового тока меньше (рисунок 15). Однако если микросхема блокируется, то каждое последующее включение приводит к дополнительным тепловыделениям, связанным как с появлением дополнительных динамических потерь при переключении транзистора, так и с частичным остыванием нити накала, приводящим к увеличению пускового тока. В итоге величина перегрева кристалла при срабатывании блокировки будет больше.

Рис. 15. Диаграмма мощности, рассеиваемой на кристалле микросхемы BTS5030 при подаче питания на лампы накаливания (2 x 21 Вт + 10 Вт) (V_BAT = 13,5 В, T_LAMP = 25⁰C, R_VEHICLE = 65 мОм, L_VEHICLE = 2 мкГн)

Более того, при токе отключения более 25 А индуктивности L_VEHICLE = 2 мкГн уже достаточно для того, чтобы создать в момент отключения значительную разность потенциалов между выводами силового транзистора (V_DS = V_SUPPLY – V_OUT), что приведет к дополнительным динамическим потерям (P_PROFET = I_DS x V_DS). В этой ситуации ключ PROFET+ фактически будет выключаться в режиме короткого замыкания, даже если в момент блокировки ток стока силового транзистора I_DS был меньше порога срабатывания защиты от перегрузки по току.

Еще более сложная ситуация возникает при управлении лампами накаливания с помощью многоканальных ключей PROFET+, сопротивление силовых транзисторов которых больше, чем у их одноканальных версий. В таблице 5 приведены результаты лабораторных исследований параметров пускового тока, измеренных при коммутации ключами PROFET+ ламп накаливания разной мощности. Поскольку провести измерения для всех возможных вариантов реализации автомобильной электропроводки практически невозможно, при проведении исследований было выбрано типовое значение параметров системы электропитания R_VEHICLE = 65 мОм и L_VEHICLE = 2 мкГн. В случае управления лампами накаливания при других условиях подобные исследования рекомендуется выполнить самостоятельно, используя для этого методику, приведенную в данной статье.

Исследования проводились при трех наихудших комбинациях начальной температуры нити накала лампы T_LAMP и кристалла микросхемы T_DEVICE:

а) T_LAMP = -40°C, T_DEVICE = 25°C;

б) T_LAMP = 25°C, T_DEVICE = 85°C;

в) T_LAMP= 85°C, T_DEVICE = 105°C.

В таблице 5 были использованы следующие обозначения:

Таблица 5. Результаты исследований многоканальных ключей PROFET+ с большим внутренним сопротивлением

Для определения максимальной мощности ламп, которые можно подключить к ключу PROFET+, необходимо также учитывать скорость отвода тепла от корпуса микросхемы. Типовое значение теплового сопротивления корпусов микросхем PROFET+, имеющих вскрытую нижнюю площадку для отвода тепла, равно R_thJS = 5 K/Вт. Поэтому печатная плата должна быть спроектирована таким образом, чтобы обеспечить хорошее охлаждение микросхемы. При максимальной температуре кристалла T_DEVICE = 150°С и максимальной температуре печатной платы T_PCB = 130°С максимальная коммутируемая мощность ключа PROFET+ может быть обеспечена только в случае, когда время коммутации стремится к нулю. В таблице 6 приведены результаты расчета температур кристалла микросхемы и печатной платы по окончании переходного процесса (при t = 500 мс) при коммутации ламп разной мощности, из которых видно, что включение лампы на протяжении более 10 мс уже является критичным.

Таблица 6. Результаты расчета температуры кристалла и печатной платы

Из результатов расчетов видно, что одним из ключевых условий надежного управления лампами накаливания с помощью ключей PROFET+ является не только малая длительность их включения, но и способность корпуса микросхемы и печатной платы, на которой она установлена, быстро рассеять нужное количество тепла.

Различные микросхемы PROFET+ могут иметь разные значения тепловых сопротивлений Z_thJA и R_thJA. Например, если узлы микросхемы BTS5020 разместить в корпусе PG-DSO-8 EP, то ее тепловое сопротивление R_thJA увеличится приблизительно на 3,5 К/Вт по сравнению с микросхемами в корпусе PG-DSO14 EP, и это при условии что они будут смонтированы на четырехслойных печатных платах 2s2p, имеющих наилучшие тепловых характеристики. Для высокоомных ключей PROFET+ (с сопротивлением силовых транзисторов в открытом состоянии 20…180 мОм) на величину потерь основное влияние оказывает текущая температура кристалла, в то время как для низкоомных представителей данного семейства (8…16 мОм) уровень тепловыделений больше зависит от начальной температуры нити накала, определяющей максимальное значение пускового тока. Таким образом, для высокоомных ключей PROFET+ наихудший случай будет при комбинации значений T_LAMP = 85°C и T_DEVICE = 105°C, в то время как для низкоомных – T_LAMP = -40°C и T_DEVICE = 25°C.

Заключение

Семейство интеллектуальных силовых ключей PROFET+ позволяет создавать масштабируемые конкурентоспособные решения для управления лампами накаливания, отвечающие всем требованиям, предъявляемым к автомобильному оборудованию. Каждая микросхема PROFET+ является компактным решением, обеспечивающим безопасное управление коммутируемыми нагрузками, а их характеристики позволяют подобрать прибор, наилучшим образом подходящий для поставленной задачи.

Однако, как было показано в этой статье, токи, возникающие в момент включения ламп накаливания, значительно превосходят токи, существующие в силовой цепи в номинальном режиме, и игнорирование этого факта может привести к неустойчивой работе всей системы. Поэтому при разработке узлов коммутации ламп накаливания на основе ключей PROFET+ настоятельно рекомендуется проработать все возможные варианты поведения системы, используя полученную математическую модель, тем более что сделать это можно в любой среде проектирования электронных устройств, например, на основе симулятора PSPICE. При этом следует в обязательном порядке учитывать не только характеристики самой лампы во всем диапазоне рабочих температур, но и характеристики системы электропитания транспортного средства.

Результаты испытаний ключей PROFET+ показывают, что эти микросхемы можно использовать для управления лампами накаливания, и это управление будет устойчивым даже при работе в самых неблагоприятных условиях. При этом наилучшим вариантом выбора ключа PROFET+ будет случай, когда нагрузка будет в любой ситуации включаться с первого раза, поскольку даже кратковременное срабатывание механизма блокировки микросхемы свидетельствуют о нахождении кристалла в состоянии повышенного стресса, что может негативно отразиться на сроке службы микросхемы.

В любом случае при рассмотрении возможности управления той или иной лампой накаливания с помощью ключа PROFET+ следует четко понимать, какие условия являются наихудшими для конкретного случая, не забывая, что они зависят не только от характеристик ламп, но и от сопротивления открытого канала силового транзистора.

Оригинал статьи

Перевел Александр Русу по заказу АО Компэл