48V電池開關(guān)參考設(shè)計：R 48V BATT SWITCH10測評

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48V汽車電池設(shè)計的參考方案，為我們提供了一個可靠的解決方案。今天，就和大家一起深入探討這個設(shè)計方案。

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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，實現(xiàn)信號的可靠傳輸。

2.2 框圖設(shè)計

該開關(guān)設(shè)計圍繞2通道MOSFET柵極驅(qū)動器2ED4820 - EM展開。通道A用于控制功率MOSFET，實現(xiàn)電池的連接和斷開；通道B驅(qū)動DC - link預(yù)充電電路的MOSFET。同時，為了提高功能安全性，采用了兩種不同的電流監(jiān)測和過流保護方法：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：針對電容性負(fù)載（如DC - Link電容器、EMC濾波器）設(shè)計，避免了上電時的浪涌電流。
• 自由輪功能：提供被動自由輪（可選主動自由輪），保護開關(guān)MOSFET免受過壓損壞。
• 雙電流監(jiān)測：低側(cè)和高側(cè)分別采用分流器和霍爾傳感器進行電流測量和監(jiān)測，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霍爾傳感器進行校準(zhǔn)和配置，同時具備可調(diào)節(jié)閾值的過流保護功能。
• 預(yù)裝固件：包含命令行界面，方便用戶進行配置、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，因為該設(shè)計沒有實現(xiàn)反極性保護。在連接時，應(yīng)使用適當(dāng)尺寸的電纜和電纜接頭，并使用最大9 Nm的安裝扭矩擰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)嶒炇译娫矗┨峁瑸闁艠O驅(qū)動器2ED4820 - EM和功率級供電。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

功率級由五對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)允許通過單個柵極驅(qū)動器通道控制五對MOSFET，同時使2ED4820 - EM的第二個柵極驅(qū)動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）對不同MOSFET對的源極進行去耦，以及在布局中確保每個電流分支的走線長度相等。

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導(dǎo)致高浪涌電流，可能會意外觸發(fā)過流保護。為了避免這種情況，在功率開關(guān)的并行路徑中實現(xiàn)了一個單獨的預(yù)充電電路。2ED4820 - EM柵極驅(qū)動器的通道B驅(qū)動一對IAUZ40N10S5N130 MOSFET來控制預(yù)充電路徑的開關(guān)，預(yù)充電電流由一個10Ω的功率電阻限制。在充電脈沖開始時，功率電阻會承受整個電池電壓，初始功率耗散較大，但隨著電容器充電，電阻上的電壓會呈指數(shù)衰減。預(yù)充電時間由預(yù)充電電阻和DC - link電容器形成的RC電路的時間常數(shù)τ = RC決定，通常在5τ后，電容器可視為完全充電。同時，微控制器會監(jiān)測預(yù)充電電阻，當(dāng)檢測到功率超過5W時，會對功率進行積分，當(dāng)能量超過100J時，會關(guān)閉通道B，以防止電阻損壞。

3.2.4 MOSFET柵極驅(qū)動器

2ED4820 - EM是一款專為高電流48V汽車應(yīng)用設(shè)計的柵極驅(qū)動器，具有兩個強大的柵極輸出，可驅(qū)動多個MOSFET并聯(lián)。它支持背對背配置、共源和共漏拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通過集成的單級電荷泵和外部泵浦及儲能電容器，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)動器還包含一個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)測和過流檢測。通過SPI接口，可以對電流傳感放大器的增益以及過流閾值進行配置，同時還可以處理驅(qū)動器的各種診斷、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300A，分流電阻的功率耗散是一個需要考慮的問題。為了降低功率損耗，采用了兩個100μΩ的分流電阻并聯(lián)的方式，但這會導(dǎo)致靈敏度降低。不過，通過2ED4820 - EM中實現(xiàn)的可編程增益放大器，可以輕松補償這一損失。此外，分流器的寄生電感也是一個問題，在短路情況下，高電流變化率會導(dǎo)致寄生電感產(chǎn)生電壓降，從而引入測量誤差。為了補償這一誤差，在分流器和2ED4820 - EM的增益放大器之間添加了一個RC低通濾波器，其時間常數(shù)應(yīng)與分流電阻和寄生電感形成的時間常數(shù)相等。同時，由于兩個分流器之間的電流分布可能不均勻，需要使用補償網(wǎng)絡(luò)來平衡兩個分流器的電壓。另外，對分流器的封裝進行了改進，引入了單獨的電源和感測焊盤，以減少測量誤差。

3.2.6 基于霍爾的電流傳感器

除了基于分流器的電流測量外，還集成了一個基于霍爾的電流傳感器TLE4972 - AE35D5，以提供另一種電流監(jiān)測路徑，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。傳感器提供兩個模擬輸出用于差分電流測量，以及兩個數(shù)字輸出用于快速過流檢測，過流閾值可編程。傳感器通過測量PCB中間層的一段短跡線周圍的磁場來實現(xiàn)電流測量，該跡線的電阻僅為7μΩ，功率損耗遠低于分流電阻。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其內(nèi)部EEPROM進行編程，從而在板上進行配置和校準(zhǔn)。每個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、過流檢測閾值等。此外，傳感器的快速過流檢測輸出OCD可以連接到柵極驅(qū)動器的SAFESTATEN引腳，提供另一條過流事件的關(guān)斷路徑。但在進行傳感器校準(zhǔn)時，需要打開適配板上的焊錫跳線，以避免OCD1信號在校準(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，輸出電感中的電流突然下降會產(chǎn)生一個大電壓，可能會使輸出（LD +）低于地電位（LD -）。為了保護開關(guān)MOSFET免受這種過壓的影響，在LD +和LD -之間放置了一個自由輪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現(xiàn)自由輪功能。同時，柵極信號被連接到接口連接器，以便可以添加主動控制電路。

3.2.8 微控制器接口

通過20針連接器X11實現(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，每個引腳對應(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、過流檢測輸出，以及柵極驅(qū)動器的各種控制和狀態(tài)信號等。

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)，同時多個LED提供狀態(tài)和診斷信息。上電或復(fù)位后，微控制器會從內(nèi)部閃存中加載驅(qū)動器配置，用戶可以根據(jù)需要更改配置。具體操作如下：

• 開機：當(dāng)開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)時，按下按鈕1，驅(qū)動器將被啟用并根據(jù)配置進行初始化。然后，預(yù)充電路徑（通道B）會開啟一段配置好的預(yù)充電時間，用于對負(fù)載電容器充電。預(yù)充電時間結(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：當(dāng)開關(guān)處于開啟狀態(tài)時，按下按鈕1，兩個通道將關(guān)閉，驅(qū)動器禁用。
• 清除故障：如果發(fā)生故障，錯誤LED會亮起，按下按鈕1可以清除故障標(biāo)志。
• 安全狀態(tài)：按下按鈕2會觸發(fā)柵極驅(qū)動器2ED4820 - EM的安全狀態(tài)功能，該按鈕旁邊的LED2會顯示安全狀態(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簡單的命令行界面，用于對48V電池開關(guān)進行擴展配置、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、無校驗位、1位停止位等。上電或復(fù)位后，會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要說明。可以通過命令“on”和“off”來開啟和關(guān)閉開關(guān)，“on”命令會啟用柵極驅(qū)動器，進行初始化、預(yù)充電并開啟通道A；“off”命令會關(guān)閉兩個通道并禁用驅(qū)動器。也可以通過一系列命令逐步執(zhí)行開機序列，如“e”（啟用驅(qū)動器）、“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)動器的所有寄存器和單比特設(shè)置；系統(tǒng)會持續(xù)監(jiān)視寄存器內(nèi)容的變化，當(dāng)比特位被設(shè)置或清除時會進行報告；在發(fā)生中斷或故障位被設(shè)置時，會檢查診斷位并報告故障。

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欠壓和過壓重啟時間、MOSFET電壓消隱時間和濾波時間、VDS過壓閾值和安全狀態(tài)、預(yù)充電時間、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閾值等。每個設(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)動器配置設(shè)置

文檔中詳細(xì)列出了柵極驅(qū)動器2ED4820 - EM的各種可配置參數(shù)及其對應(yīng)的命令、設(shè)置值和含義，如VBAT過壓和欠壓自動重啟時間、MOSFET電壓消隱和濾波時間、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)載和過流檢測閾值等。不同的設(shè)置值會影響系統(tǒng)的性能和保護功能，用戶可以根據(jù)實際需求進行調(diào)整。實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閾值的設(shè)置，文檔中給出了一個50μΩ分流電阻下不同設(shè)置組合的過流閾值表。

3.4.3 預(yù)充電時間

通過命令“prt”可以設(shè)置預(yù)充電時間，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，在主開關(guān)（通道A）啟動之前，會通過通道B施加一個預(yù)充電脈沖。

3.4.4 霍爾傳感器靈敏度

出廠時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)位后會自動加載保存的配置。使用命令“l(fā)c”可以手動恢復(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

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，厚銅芯可以進行結(jié)構(gòu)化處理，用于路由高電流PCB走線。為了實現(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，包括每個組件的數(shù)量、型號、值、封裝、描述、制造商和訂購號等信息，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