引言
随着现代汽车电子和汽车工业的发展，汽车的智能化程度越来越高，对车辆灯光控制等各个控制系统的智能化要求也越来越高。新的控制功能随市场的需要而不断增加，如中央门锁、玻璃升降、后视镜调节、天窗控制、座椅调节、点火延时控制等。传统的继电器控制布线复杂，造成的电磁干扰严重，使系统的可靠性下降，同时也给装配和维护带来诸多问题。毫无疑问, 使用智能功率器件代替传统的继电器和保险丝必将是大势所趋。本试验采用了英飞凌公司的智能功率器件 BTS6143D。BTS6143D是英飞凌公司开发的智能高边功率开关，专为满足汽车电子元件苛刻的工作环境和运行要求而设计。
本文将结合智能功率器件BTS6143D，对其在智能灯光控制系统[1>中的启动特性和短路保护特性进行研究与分析。文章首先简单介绍智能功率器件BTS6143D的基本结构，包括内部功能框图及在灯光控制系统中的电路图等；随后介绍短路试验的步骤；最后通过分析试验结果，证明在汽车灯光控制系统出现短路故障时，BTS6143D能提供比传统的继电器和保险丝更迅速有效的保护。
1.BTS6143D简介
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°C至+150°C。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的内部功能框图图1所示：
图一 BTS6143D内部功能框图
管脚配置及功能描述：
管脚1和管脚5是输出引脚，这两个管脚需外部短接；
管脚2是输入管脚，为芯片的控制信号线；
管脚3是电源电压输入管脚，给整个芯片供电；
管脚4是故障诊断引脚，在芯片正常工作状态下管脚4的输出电流与负载电流成正比。
2.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。
随着汽车工业的发展，越来越多的智能芯片替代继电器和保险丝被用于车辆的灯光控制系统。由于采用的功率器件本身具有完善的保护功能（过压保护、过流保护、过载保护、短路保护、过温关断、开路检测等），因而省去了保险丝和一些分立元件，减小了控制器的体积；同时可实现故障诊断功能，不但可以知道是哪一器件出现了故障，而且可以知道是什么原因导致了这样的错误，从而更加有利于维修。
BTS6143D在灯光控制系统中的应用电路如图2所示：
图二 .BTS6143D在灯光控制系统中的应用电路
3.试验步骤
3.1 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=3μH）。导线横截面积为0.75 mm²。连接55W 车灯。测量设备为Lecroy示波器。试验环境温度约20℃。
3.2 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。
图三 实验电路示意图
具体意义如下表1所示：
表1 测量点颜色与意义
注：
IIS 为短路电流；
VIS 为故障诊断引脚电压，即管脚4的电压；
VOUT 为输出端电压；
VIN 为输入端电压。
3.3 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。
3.3.1 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。
图四 BTS6143D驱动车灯启动特性实验结果图
3.3.2 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6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。
图五 继电器驱动车灯启动特性实验结果图
3.4 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。
3.4.1 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650μs）。如图7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650μs，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
图六 BTS6143D驱动车灯后天短路实验
从图8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140μs时），BTS6143D识别出短路故障，开始关断BTS6143D，经历30μs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。
图七 继电路驱动车灯短路实验
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9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650μs。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。
图八 继电路短路实验结果图
4.结论
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的短路保护并不没有损坏芯片，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。