48V電池開關(guān)參考設(shè)計(jì)：R 48V BATT SWITCH10測(cè)評(píng)

一、前言

在汽車電子領(lǐng)域，48V電池系統(tǒng)正逐漸成為主流，其對(duì)于高效電力管理和負(fù)載控制的需求日益凸顯。R 48V BATT SWITCH10作為一款專門針對(duì)48V汽車電池設(shè)計(jì)的參考方案，為我們提供了一個(gè)可靠的解決方案。今天，就和大家一起深入探討這個(gè)設(shè)計(jì)方案。

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二、套件概述

2.1 供貨范圍

該套件主要包含以下組件：

• 安裝在散熱器上的功率板，確保功率器件在工作時(shí)能夠有效散熱。
• 采用Arduino屏蔽外形的適配板，方便與各種Arduino兼容的微控制器板連接。
• XMC4700 Relax Kit Lite微控制器板，為整個(gè)系統(tǒng)提供控制核心。
• 用于連接適配板和功率板的扁平帶狀電纜，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的可靠傳輸。

2.2 框圖設(shè)計(jì)

該開關(guān)設(shè)計(jì)圍繞2通道MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器2ED4820 - EM展開。通道A用于控制功率MOSFET，實(shí)現(xiàn)電池的連接和斷開；通道B驅(qū)動(dòng)DC - link預(yù)充電電路的MOSFET。同時(shí)，為了提高功能安全性，采用了兩種不同的電流監(jiān)測(cè)和過流保護(hù)方法：低側(cè)基于分流器的電流傳感和高側(cè)基于TLE4972 - AE35D5的霍爾電流傳感。整個(gè)開關(guān)由XMC4700微控制器套件控制，并通過USB端口提供用戶界面。

2.3 主要特性

• 雙向48V電池開關(guān)：能夠處理高達(dá)300A的連續(xù)電流，滿足大多數(shù)汽車應(yīng)用的需求。
• 預(yù)充電路徑：針對(duì)電容性負(fù)載（如DC - Link電容器、EMC濾波器）設(shè)計(jì)，避免了上電時(shí)的浪涌電流。
• 自由輪功能：提供被動(dòng)自由輪（可選主動(dòng)自由輪），保護(hù)開關(guān)MOSFET免受過壓損壞。
• 雙電流監(jiān)測(cè)：低側(cè)和高側(cè)分別采用分流器和霍爾傳感器進(jìn)行電流測(cè)量和監(jiān)測(cè)，提高了系統(tǒng)的可靠性。
• 可配置性：通過電流傳感器編程接口對(duì)霍爾傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)和配置，同時(shí)具備可調(diào)節(jié)閾值的過流保護(hù)功能。
• 預(yù)裝固件：包含命令行界面，方便用戶進(jìn)行配置、控制和診斷。

2.4 技術(shù)參數(shù)

三、系統(tǒng)與功能說明

3.1 入門指南

3.1.1 連接電源和負(fù)載

將48V電源連接到標(biāo)記為“BAT +”和“BAT -”的M6螺絲端子上，其中“BAT -”為板的接地參考。負(fù)載連接到標(biāo)記為“LD +”和“LD -”的螺絲端子上。需要注意的是，務(wù)必確保電源極性正確，因?yàn)樵撛O(shè)計(jì)沒有實(shí)現(xiàn)反極性保護(hù)。在連接時(shí)，應(yīng)使用適當(dāng)尺寸的電纜和電纜接頭，并使用最大9 Nm的安裝扭矩?cái)Q緊螺絲端子上的螺母。

3.1.2 連接微控制器

使用提供的扁平帶狀電纜將XMC4700 Relax Lite Kit連接到功率板上。該套件默認(rèn)配備XMC4700 Relax Lite Kit，但由于適配板采用Arduino屏蔽外形，也可以連接到其他與Arduino UNO兼容的微控制器板（如AURIX TC375 Lite Kit）。不過要注意，由于霍爾電流傳感器是3.3V設(shè)備，因此微控制器板必須是3.3V類型。

3.2 功能模塊描述

3.2.1 電源供應(yīng)

該套件需要兩個(gè)電源：電池電壓VBAT和數(shù)字電源電壓VDD。VBAT由48V直流電源（如48V電池或?qū)嶒?yàn)室電源）提供，為柵極驅(qū)動(dòng)器2ED4820 - EM和功率級(jí)供電。數(shù)字電源電壓VDD來自微控制器套件的3.3V電源（通過USB連接器供電），為柵極驅(qū)動(dòng)器的數(shù)字接口和霍爾電流傳感器TLE4972 - AE35D5供電。

3.2.2 功率級(jí)

功率級(jí)由五對(duì)OptiMOS? - 5功率晶體管IAUT300N08S5N011組成，采用共源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)允許通過單個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器通道控制五對(duì)MOSFET，同時(shí)使2ED4820 - EM的第二個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器通道可用于控制預(yù)充電電路。為了確保MOSFET之間的均勻電流分布，采取了一系列措施，包括使用源電阻（R9 … R13）對(duì)不同MOSFET對(duì)的源極進(jìn)行去耦，以及在布局中確保每個(gè)電流分支的走線長(zhǎng)度相等。

3.2.3 預(yù)充電電路

許多48V電源域的負(fù)載在輸入處具有較大的電容，如DC - link電容器或EMC濾波器。直接切換到未充電的電容器會(huì)導(dǎo)致高浪涌電流，可能會(huì)意外觸發(fā)過流保護(hù)。為了避免這種情況，在功率開關(guān)的并行路徑中實(shí)現(xiàn)了一個(gè)單獨(dú)的預(yù)充電電路。2ED4820 - EM柵極驅(qū)動(dòng)器的通道B驅(qū)動(dòng)一對(duì)IAUZ40N10S5N130 MOSFET來控制預(yù)充電路徑的開關(guān)，預(yù)充電電流由一個(gè)10Ω的功率電阻限制。在充電脈沖開始時(shí)，功率電阻會(huì)承受整個(gè)電池電壓，初始功率耗散較大，但隨著電容器充電，電阻上的電壓會(huì)呈指數(shù)衰減。預(yù)充電時(shí)間由預(yù)充電電阻和DC - link電容器形成的RC電路的時(shí)間常數(shù)τ = RC決定，通常在5τ后，電容器可視為完全充電。同時(shí)，微控制器會(huì)監(jiān)測(cè)預(yù)充電電阻，當(dāng)檢測(cè)到功率超過5W時(shí)，會(huì)對(duì)功率進(jìn)行積分，當(dāng)能量超過100J時(shí)，會(huì)關(guān)閉通道B，以防止電阻損壞。

3.2.4 MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器

2ED4820 - EM是一款專為高電流48V汽車應(yīng)用設(shè)計(jì)的柵極驅(qū)動(dòng)器，具有兩個(gè)強(qiáng)大的柵極輸出，可驅(qū)動(dòng)多個(gè)MOSFET并聯(lián)。它支持背對(duì)背配置、共源和共漏拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通過集成的單級(jí)電荷泵和外部泵浦及儲(chǔ)能電容器，為柵極輸出提供電源。除了電源和電荷泵電容器外，幾乎不需要外部電路。該驅(qū)動(dòng)器還包含一個(gè)可編程增益的電流傳感放大器，用于基于分流器的電流監(jiān)測(cè)和過流檢測(cè)。通過SPI接口，可以對(duì)電流傳感放大器的增益以及過流閾值進(jìn)行配置，同時(shí)還可以處理驅(qū)動(dòng)器的各種診斷、配置和控制功能。

3.2.5 基于分流器的電流傳感

由于連續(xù)電流高達(dá)300A，分流電阻的功率耗散是一個(gè)需要考慮的問題。為了降低功率損耗，采用了兩個(gè)100μΩ的分流電阻并聯(lián)的方式，但這會(huì)導(dǎo)致靈敏度降低。不過，通過2ED4820 - EM中實(shí)現(xiàn)的可編程增益放大器，可以輕松補(bǔ)償這一損失。此外，分流器的寄生電感也是一個(gè)問題，在短路情況下，高電流變化率會(huì)導(dǎo)致寄生電感產(chǎn)生電壓降，從而引入測(cè)量誤差。為了補(bǔ)償這一誤差，在分流器和2ED4820 - EM的增益放大器之間添加了一個(gè)RC低通濾波器，其時(shí)間常數(shù)應(yīng)與分流電阻和寄生電感形成的時(shí)間常數(shù)相等。同時(shí)，由于兩個(gè)分流器之間的電流分布可能不均勻，需要使用補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)來平衡兩個(gè)分流器的電壓。另外，對(duì)分流器的封裝進(jìn)行了改進(jìn)，引入了單獨(dú)的電源和感測(cè)焊盤，以減少測(cè)量誤差。

3.2.6 基于霍爾的電流傳感器

除了基于分流器的電流測(cè)量外，還集成了一個(gè)基于霍爾的電流傳感器TLE4972 - AE35D5，以提供另一種電流監(jiān)測(cè)路徑，提高功能安全性。該傳感器位于高側(cè)，直接連接在“BAT +”輸入端子之后，由于其具有固有的電氣隔離特性，無需額外的隔離器或電平轉(zhuǎn)換器，可直接連接到微控制器。傳感器提供兩個(gè)模擬輸出用于差分電流測(cè)量，以及兩個(gè)數(shù)字輸出用于快速過流檢測(cè)，過流閾值可編程。傳感器通過測(cè)量PCB中間層的一段短跡線周圍的磁場(chǎng)來實(shí)現(xiàn)電流測(cè)量，該跡線的電阻僅為7μΩ，功率損耗遠(yuǎn)低于分流電阻。為了避免相鄰導(dǎo)體中的渦流干擾，在電流軌下方的區(qū)域保持無金屬。傳感器可以通過TLE4972電流傳感器編程套件對(duì)其內(nèi)部EEPROM進(jìn)行編程，從而在板上進(jìn)行配置和校準(zhǔn)。每個(gè)板上的霍爾傳感器都經(jīng)過校準(zhǔn)，設(shè)置了特定的參數(shù)，如輸出模式、靈敏度范圍、過流檢測(cè)閾值等。此外，傳感器的快速過流檢測(cè)輸出OCD可以連接到柵極驅(qū)動(dòng)器的SAFESTATEN引腳，提供另一條過流事件的關(guān)斷路徑。但在進(jìn)行傳感器校準(zhǔn)時(shí)，需要打開適配板上的焊錫跳線，以避免OCD1信號(hào)在校準(zhǔn)過程中意外拉低導(dǎo)致開關(guān)關(guān)閉。

3.2.7 自由輪功能

當(dāng)MOSFET關(guān)斷時(shí)，輸出電感中的電流突然下降會(huì)產(chǎn)生一個(gè)大電壓，可能會(huì)使輸出（LD +）低于地電位（LD -）。為了保護(hù)開關(guān)MOSFET免受這種過壓的影響，在LD +和LD -之間放置了一個(gè)自由輪MOSFET（Q13）。由于其固有體二極管的存在，該MOSFET在不開啟的情況下也能實(shí)現(xiàn)自由輪功能。同時(shí)，柵極信號(hào)被連接到接口連接器，以便可以添加主動(dòng)控制電路。

3.2.8 微控制器接口

通過20針連接器X11實(shí)現(xiàn)功率板與微控制器的接口連接。文檔中詳細(xì)列出了連接器的引腳分配，每個(gè)引腳對(duì)應(yīng)著不同的功能，如霍爾傳感器的參考電壓輸出、模擬輸出、電源、過流檢測(cè)輸出，以及柵極驅(qū)動(dòng)器的各種控制和狀態(tài)信號(hào)等。

3.3 基本操作

3.3.1 通過按鈕和狀態(tài)LED操作

可以通過XMC4700 Relax Lite Kit上的按鈕來控制開關(guān)，同時(shí)多個(gè)LED提供狀態(tài)和診斷信息。上電或復(fù)位后，微控制器會(huì)從內(nèi)部閃存中加載驅(qū)動(dòng)器配置，用戶可以根據(jù)需要更改配置。具體操作如下：

• 開機(jī)：當(dāng)開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，按下按鈕1，驅(qū)動(dòng)器將被啟用并根據(jù)配置進(jìn)行初始化。然后，預(yù)充電路徑（通道B）會(huì)開啟一段配置好的預(yù)充電時(shí)間，用于對(duì)負(fù)載電容器充電。預(yù)充電時(shí)間結(jié)束后，功率開關(guān)（通道A）將被激活，預(yù)充電路徑關(guān)閉。適配板上的狀態(tài)LED會(huì)顯示2ED4820 - EM輸出通道A（功率開關(guān)）和通道B（預(yù)充電路徑）的狀態(tài)，XMC Relax Lite Kit上按鈕1旁邊的LED1顯示通道A的狀態(tài)。
• 關(guān)機(jī)：當(dāng)開關(guān)處于開啟狀態(tài)時(shí)，按下按鈕1，兩個(gè)通道將關(guān)閉，驅(qū)動(dòng)器禁用。
• 清除故障：如果發(fā)生故障，錯(cuò)誤LED會(huì)亮起，按下按鈕1可以清除故障標(biāo)志。
• 安全狀態(tài)：按下按鈕2會(huì)觸發(fā)柵極驅(qū)動(dòng)器2ED4820 - EM的安全狀態(tài)功能，該按鈕旁邊的LED2會(huì)顯示安全狀態(tài)。

  3.3.2 通過命令行界面操作

  XMC4700微控制器的固件提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的命令行界面，用于對(duì)48V電池開關(guān)進(jìn)行擴(kuò)展配置、控制和診斷。使用標(biāo)準(zhǔn)的串口通信終端模擬器（如TeraTerm或PuTTY），通過USB接口的虛擬COM端口進(jìn)行通信。需要在終端模擬器中設(shè)置特定的串口參數(shù)，包括波特率115200 bps、8位數(shù)據(jù)位、無校驗(yàn)位、1位停止位等。上電或復(fù)位后，會(huì)顯示歡迎消息和命令提示符，輸入“?”可以列出所有可用命令及其簡(jiǎn)要說明?？梢酝ㄟ^命令“on”和“off”來開啟和關(guān)閉開關(guān)，“on”命令會(huì)啟用柵極驅(qū)動(dòng)器，進(jìn)行初始化、預(yù)充電并開啟通道A；“off”命令會(huì)關(guān)閉兩個(gè)通道并禁用驅(qū)動(dòng)器。也可以通過一系列命令逐步執(zhí)行開機(jī)序列，如“e”（啟用驅(qū)動(dòng)器）、“cf”（清除故障標(biāo)志）、“l(fā)c”（加載配置）、“pb”（生成通道B的預(yù)充電脈沖）、“a”（開啟通道A）等。命令“r”可以快速查看2ED4820 - EM柵極驅(qū)動(dòng)器的所有寄存器和單比特設(shè)置；系統(tǒng)會(huì)持續(xù)監(jiān)視寄存器內(nèi)容的變化，當(dāng)比特位被設(shè)置或清除時(shí)會(huì)進(jìn)行報(bào)告；在發(fā)生中斷或故障位被設(shè)置時(shí)，會(huì)檢查診斷位并報(bào)告故障。

3.4 配置

3.4.1 顯示配置

使用命令“c”可以顯示配置設(shè)置，包括VBAT欠壓和過壓重啟時(shí)間、MOSFET電壓消隱時(shí)間和濾波時(shí)間、VDS過壓閾值和安全狀態(tài)、預(yù)充電時(shí)間、通道交叉控制、霍爾傳感器靈敏度、電流傳感位置和輸出負(fù)載、電流傳感放大器增益和過流檢測(cè)閾值等。每個(gè)設(shè)置都列出了相應(yīng)的命令和典型的 datasheet 值。

3.4.2 2ED4820 - EM柵極驅(qū)動(dòng)器配置設(shè)置

文檔中詳細(xì)列出了柵極驅(qū)動(dòng)器2ED4820 - EM的各種可配置參數(shù)及其對(duì)應(yīng)的命令、設(shè)置值和含義，如VBAT過壓和欠壓自動(dòng)重啟時(shí)間、MOSFET電壓消隱和濾波時(shí)間、Drain - source過壓閾值、安全狀態(tài)、通道交叉控制、電流傳感放大器增益、電流傳感位置、電流傳感輸出負(fù)載和過流檢測(cè)閾值等。不同的設(shè)置值會(huì)影響系統(tǒng)的性能和保護(hù)功能，用戶可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)整。實(shí)際的過流閾值安培值取決于電流傳感放大器增益和過流檢測(cè)閾值的設(shè)置，文檔中給出了一個(gè)50μΩ分流電阻下不同設(shè)置組合的過流閾值表。

3.4.3 預(yù)充電時(shí)間

通過命令“prt”可以設(shè)置預(yù)充電時(shí)間，單位為毫秒。當(dāng)使用微控制器板上的按鈕1或命令行界面的“on”命令開啟開關(guān)時(shí)，在主開關(guān)（通道A）啟動(dòng)之前，會(huì)通過通道B施加一個(gè)預(yù)充電脈沖。

3.4.4 霍爾傳感器靈敏度

出廠時(shí)霍爾傳感器的靈敏度設(shè)置為4.8 mV/A，如果用戶需要更改該值，可以使用命令“hss”，后跟所需的靈敏度值（單位為μV/A），以確保正確的電流測(cè)量。

3.4.5 保存和恢復(fù)配置

使用命令“sc”可以將當(dāng)前配置保存到微控制器的閃存中，上電或復(fù)位后會(huì)自動(dòng)加載保存的配置。使用命令“l(fā)c”可以手動(dòng)恢復(fù)保存的配置。命令“fc”可以恢復(fù)開關(guān)的默認(rèn)配置，但需要使用“sc”命令將其保存，使其永久生效。

四、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 功率板

4.1.1 尺寸和散熱器

功率板安裝在散熱器上，散熱器基于Fischer Elektronik的SK 81/75/SA，指定熱阻為2.5 K/W。功率板的尺寸為75x100x31 mm（包含散熱器）。

4.1.2 原理圖

文檔中給出了功率板的原理圖，展示了各個(gè)組件之間的連接關(guān)系和電路結(jié)構(gòu)，為電路分析和設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。

4.1.3 布局

功率板的PCB采用Schweizer Electronics AG的QIT技術(shù)制造，是一個(gè)三層板，中間為800μm的銅芯，兩側(cè)外層為70μm。與標(biāo)準(zhǔn)的IMS（絕緣金屬基板）板不同，厚銅芯可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理，用于路由高電流PCB走線。為了實(shí)現(xiàn)頂層和銅芯之間的高電流連接，使用了密集縫合的微孔，這些微孔在設(shè)計(jì)上是銅填充的，因此SMD組件可以直接焊接在上面，提供了良好的電氣和熱連接。中間層和底層之間使用了導(dǎo)熱率為1.8 W/mK的熱預(yù)浸料，既提供了電氣隔離，又保持了良好的熱性能，因此無需在PCB和散熱器之間進(jìn)行額外的電氣隔離，可以使用導(dǎo)電的熱界面材料。文檔中還給出了功率板各層的布局圖，包括頂層、中間層和底層。

4.1.4 物料清單

文檔詳細(xì)列出了功率板的物料清單，包括每個(gè)組件的數(shù)量、型號(hào)、值、封裝、描述、制造商和訂購號(hào)等信息，為采購和生產(chǎn)提供了明確的指導(dǎo)。

4.2 適配板

4.2.1 原理圖

適配板的原理圖展示了其與功率板和微控制器的連接方式，包括與功率板的連接器、與微控制器的連接器、電流傳感器編程接口、模擬輸入濾波器、狀態(tài)LED和霍爾傳感器OCD連接等部分的電路結(jié)構(gòu)。

4.2.2 布局

適配板有四層，分別為頂層、GND層、3V3層和底層。文檔中給出了各層的布局圖，展示了不同功能模塊在板上的分布和布線情況。

4.2.3 物料清單

同樣，適配板的物料清單也詳細(xì)列出了每個(gè)組件的相關(guān)信息，為適配板的組裝和生產(chǎn)提供了依據(jù)。

五、系統(tǒng)性能

5.1 熱性能

功率板安裝在鋁制散熱器上進(jìn)行冷卻，中間層和底層之間的熱預(yù)浸料層使得板和散熱器之間無需額外的