基于Power PROFET? BTS50010 - 1TAE的兩輪車啟動(dòng)繼電器設(shè)計(jì)方案

在兩輪車（摩托車和踏板車）的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，啟動(dòng)繼電器的性能和可靠性至關(guān)重要。傳統(tǒng)的機(jī)電繼電器在應(yīng)對(duì)高浪涌電流和頻繁的開(kāi)關(guān)操作時(shí)，往往暴露出壽命短、易損壞等問(wèn)題。而英飛凌的Power PROFET? BTS50010 - 1TAE作為一款固態(tài)繼電器，為解決這些問(wèn)題提供了有效的解決方案。

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一、兩輪車啟動(dòng)繼電器簡(jiǎn)介

1.1 啟動(dòng)電機(jī)的工作特點(diǎn)

對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)小于150 cc的摩托車或踏板車，常用的啟動(dòng)電機(jī)是小型直流有刷電機(jī)。這類電機(jī)具有體積小、扭矩比合適、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和成本低等優(yōu)點(diǎn)。然而，由于車載電池電壓僅為12 V，而啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)最初幾圈所需的扭矩非常大，這意味著需要很高的電功率。根據(jù)功率公式P = UI，在低電壓下就會(huì)產(chǎn)生高達(dá)250 A的浪涌電流。

1.2 傳統(tǒng)機(jī)電繼電器的問(wèn)題

傳統(tǒng)的機(jī)電繼電器由邏輯電路控制其線圈，進(jìn)而控制機(jī)械觸點(diǎn)的通斷。但由于啟動(dòng)時(shí)的高浪涌電流和關(guān)斷時(shí)電機(jī)電感的退磁能量，機(jī)電繼電器的壽命通常只有50000次開(kāi)關(guān)循環(huán)。在一些需要頻繁啟停發(fā)動(dòng)機(jī)的使用場(chǎng)景下，其使用壽命可能僅為3.5年左右，甚至?xí)诒Ｐ奁趦?nèi)就出現(xiàn)故障，增加了用戶和OEM的更換成本。

二、Infineon PROFET? BTS50010 - 1TAE的特性

2.1 產(chǎn)品概述

Power PROFET?（PROtected MOSFET）是一系列高性能的高端開(kāi)關(guān)，專門用于高電流應(yīng)用中的繼電器和保險(xiǎn)絲替代。BTS50010 - 1TAE是一款1 mΩ的單通道智能高端功率開(kāi)關(guān)，采用D2PAK 7引腳封裝，具備保護(hù)功能和診斷功能。其功率晶體管由帶電荷泵的N溝道功率MOSFET構(gòu)成。

2.2 保護(hù)和診斷功能

• 欠壓關(guān)斷：閾值為5 V ± 0.5 V，當(dāng)電源電壓低于此閾值時(shí)，器件會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，保護(hù)電路安全。
• 反接電池保護(hù)：通過(guò)開(kāi)啟內(nèi)部MOSFET來(lái)防止反接電池時(shí)對(duì)器件造成損壞。
• 接地丟失保護(hù)：確保在接地丟失的情況下安全切斷負(fù)載。
• 過(guò)溫和過(guò)流（短路）保護(hù)：采用鎖定機(jī)制，當(dāng)檢測(cè)到過(guò)溫或過(guò)流時(shí)，器件會(huì)鎖定并切斷負(fù)載，直到故障排除。

2.3 與傳統(tǒng)解決方案的對(duì)比

此外，BTS50010 - 1TAE的體積和重量更?。ㄐ∮?.5 g），相比傳統(tǒng)的啟動(dòng)繼電器（4 g - 40 g）具有明顯優(yōu)勢(shì)。而且在短路發(fā)生時(shí)，它無(wú)需更換部件，只需通過(guò)輸入控制信號(hào)即可重置保護(hù)，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和維護(hù)便利性。

三、驅(qū)動(dòng)小排量發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電機(jī)

3.1 應(yīng)用電路設(shè)計(jì)

該應(yīng)用電路提供了兩種控制選項(xiàng)：

• 無(wú)微控制器控制：通過(guò)連接到 $R_{INPU}$ 和 $R{IN_PD}$ 電阻分壓器的機(jī)械開(kāi)關(guān)給出點(diǎn)火指令。
• 有微控制器控制：通常使用發(fā)動(dòng)機(jī)控制ECU上的微控制器，通過(guò)引腳 $IN$ 觸發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，并通過(guò)引腳 $IS$ 監(jiān)測(cè)負(fù)載電流和保護(hù)狀態(tài)。同時(shí)，在微控制器和BTS50010 - 1TAE之間使用了一些無(wú)源元件，如 $C_{ISFilt}$ 用于濾波，$R{ISprot}$ 和 $R{IN}$ 用于反接電池保護(hù)，$R_{IS}$ 用于將檢測(cè)電流轉(zhuǎn)換為電壓以便微控制器的A/D轉(zhuǎn)換器采樣。

3.2 開(kāi)關(guān)波形測(cè)試

在測(cè)試中，將電機(jī)轉(zhuǎn)子鎖定以模擬堵轉(zhuǎn)情況，這是電流最大的最壞情況（堵轉(zhuǎn)電流可達(dá)250 A）。使用電池模擬器來(lái)靈活控制電源電壓、模擬電池輸出電阻和布線電阻。通過(guò)在 $IN$ 引腳施加約35 ms的短脈沖來(lái)驗(yàn)證電流上升和下降沿的波形。

當(dāng)器件開(kāi)啟時(shí)，由于轉(zhuǎn)子機(jī)械鎖定，負(fù)載電流 $I_L$ 上升到電機(jī)浪涌電流值（約250 A），$VS$ 引腳電壓因模擬電池電阻和電纜電阻而下降到約8 V。關(guān)斷時(shí)，由于電機(jī)電感和電纜寄生電感，器件進(jìn)入雪崩狀態(tài)，電壓被鉗位在略大于40 V的值，此時(shí)器件會(huì)消耗系統(tǒng)電感中積累的高能量。

3.3 環(huán)路電感估計(jì)

采用數(shù)據(jù)曲線擬合的方法來(lái)估計(jì)環(huán)路電感。假設(shè)負(fù)載電流的行為可近似為一階RL電路，使用指數(shù)函數(shù) $I{L}(t)=I{0}left(1 - e^{-frac{-t}{tau}}right)$ 進(jìn)行曲線擬合，其中 $tau = frac{L}{R{S}}$，$L$ 為電機(jī)電感，$R{S}$ 為電機(jī)串聯(lián)電阻。

通過(guò)對(duì)示波器采集的電流上升沿?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到穩(wěn)態(tài)電流 $I{0}=252 A$，穩(wěn)態(tài)輸出電壓 $V{OUT}=7.4 V$，時(shí)間常數(shù) $tau = 890 mu s$，計(jì)算出總電阻 $R{TOT}=V{OUT} / I{0}=29 mOmega$，進(jìn)而得到環(huán)路電感 $L{TOT}=R_{TOT} × tau = 26 mu H$。

3.4 關(guān)斷行為分析

3.4.1 關(guān)斷時(shí)的能量問(wèn)題

當(dāng)在感性負(fù)載下關(guān)斷時(shí)，BTS50010 - 1TAE處于智能鉗位的退磁階段，會(huì)施加一個(gè)負(fù)電壓 $V{DEMAG}=-[V{DS}(CL) - V_{S}]$（正常啟動(dòng)結(jié)束時(shí)約為 - 25 V），此時(shí)注入MOSFET的高功率會(huì)導(dǎo)致顯著的溫度升高。

在最壞情況下，如啟動(dòng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)（電流250 A）時(shí)關(guān)斷，需要檢查這種應(yīng)力是否會(huì)損壞器件。首先根據(jù)不同情況選擇使用EAR曲線（多次發(fā)生）或EAS曲線（少數(shù)幾次發(fā)生），然后使用公式 $E = V{DS(CL)} × frac{L}{R{L}} ×left[frac{V{S}-V{DS(CL)}}{R{L}} × ln left(1 - frac{R{L} × I{L}}{V{S}-V{DS(CL)}}right)+I{L}right]$ 計(jì)算器件內(nèi)部耗散的能量。

在堵轉(zhuǎn)電流為250 A的情況下，計(jì)算得到 $E = 880 mJ$，從數(shù)據(jù)表的EAS曲線可知，這一能量水平可能會(huì)損壞BTS50010 - 1TAE。但當(dāng)最大堵轉(zhuǎn)電流降低到200 A時(shí)，能量為580 mJ，此時(shí)器件處于安全工作區(qū)域。

3.4.2 外部保護(hù)措施

為了防止在250 A堵轉(zhuǎn)電流時(shí)器件損壞，需要添加外部保護(hù)措施。建議在MOSFET的漏極（$VS$ 引腳）和源極（$OUT$ 引腳）之間使用雙向瞬態(tài)電壓抑制器（TVS），并串聯(lián)一個(gè)電阻 $R_{Z2}$ 來(lái)微調(diào)TVS和BTS50010 - 1TAE之間的能量分配。

通過(guò)一系列計(jì)算和分析，選擇 $V{DZ2}=33 V$ 和 $R{Z2}=0.22 Omega$ 的參數(shù)設(shè)置，可使BTS50010 - 1TAE的能量略低于200 A時(shí)的EAS極限（600 mJ），并將TVS的能量限制在安全水平（低于300 mJ）。同時(shí)，這兩個(gè)組件還能在摩托車電池線路發(fā)生負(fù)載突降時(shí)提供良好的濾波功能。

3.5 電流檢測(cè)功能

BTS50010 - 1TAE在引腳 $IS$ 提供電流檢測(cè)信號(hào)。在無(wú)故障模式（如 $OUT$ 引腳對(duì)地短路、過(guò)流、過(guò)溫）且滿足 $V{IS} ≤ V{OUT}-5 V$ 的條件下，會(huì)提供與負(fù)載電流成比例的信號(hào)。

然而，實(shí)際的 $IS$ 模擬電流檢測(cè)診斷存在固有誤差。例如，當(dāng) $IS$ 引腳輸出電流為1.5 mA時(shí)，對(duì)應(yīng)的負(fù)載電流 $I_L$ 在55 A - 105 A之間。為了提高電流檢測(cè)的準(zhǔn)確性，需要進(jìn)行校準(zhǔn)，具體校準(zhǔn)方法可參考“Power PROFET Improved SENSE Calibration and Benefits Guide”應(yīng)用筆記。需要注意的是，檢測(cè)功能在負(fù)載電流達(dá)到150 A之前是線性的，當(dāng)負(fù)載電流在150 A - 250 A之間時(shí)，$IS$ 引腳可能會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。

3.6 欠壓保護(hù)功能

Infineon Power PROFET? 提供了欠壓保護(hù)功能。通過(guò)增加模擬電池輸出阻抗使 $V{S}$ 下降到欠壓閾值（典型值5 V）以下來(lái)測(cè)試該功能。當(dāng)滿足欠壓觸發(fā)條件時(shí)，BTS50010 - 1TAE會(huì)立即將內(nèi)部功率MOSFET關(guān)斷，進(jìn)入退磁階段，$IS$ 引腳報(bào)告故障狀態(tài)，器件被鎖定在關(guān)斷模式。要退出鎖定關(guān)斷模式，需要在 $IN$ 引腳施加復(fù)位序列（$IN t > t{IN(RESETDELAY)}$）。

3.7 電池?cái)嚅_(kāi)保護(hù)

在電池?cái)嚅_(kāi)的情況下，為了保護(hù)BTS50010 - 1TAE，需要使用瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）。當(dāng)電池連接丟失時(shí)，退磁電流會(huì)通過(guò)BTS50010 - 1TAE，如果沒(méi)有保護(hù)措施，器件可能無(wú)法承受電機(jī)中存儲(chǔ)的高能量。添加TVS后，可將退磁電流引離BTS50010 - 1TAE，確保其安全。

在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，無(wú)論是短暫斷開(kāi)電源（10 μs）還是永久關(guān)斷，MOSFET都會(huì)因欠壓保護(hù)而關(guān)斷，$V_{DS}$ 曲線會(huì)出現(xiàn)智能鉗位脈沖（35 V），最終MOSFET會(huì)保持鎖定關(guān)斷狀態(tài)，需要在 $IN$ 引腳施加復(fù)位序列才能解鎖。

3.8 反接電池保護(hù)

Power PROFET? 系列產(chǎn)品具有反接電池保護(hù)功能，主要是為了保護(hù)MOSFET本身。在電池極性反轉(zhuǎn)時(shí)，MOSFET的體二極管會(huì)允許電流流過(guò)負(fù)載，但此時(shí)功率損耗會(huì)比電流通過(guò)MOSFET本身時(shí)高得多。因此，當(dāng)控制電路檢測(cè)到反接電池連接時(shí)，會(huì)將MOSFET導(dǎo)通，以降低功率損耗。

例如，當(dāng) $I{Motor}=40 A$ 時(shí)，體二極管的功率損耗 $P{Diode} ≈ 1 V × I{Motor}=40 W$，而MOSFET的功率損耗 $P{MOS}=R{DS(ON)} × I{Motor}^{2} ≈ 3.52 W$（$R_{DS(ON)}=2.2 mOmega$，最壞情況）。

需要注意的是，這種保護(hù)僅針對(duì)MOSFET，負(fù)載本身仍會(huì)承受反極性的電池電壓，不過(guò)由于啟動(dòng)電機(jī)和內(nèi)燃機(jī)之間有機(jī)械保護(hù)，啟動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)不會(huì)造成問(wèn)題。在反接電池且臨時(shí)失去電源連接的情況下，電機(jī)中的電流需要退磁，此時(shí)使用的保護(hù)器件（TVS）為雙向器件，以應(yīng)對(duì)兩種可能的電流方向。同時(shí)，為了限制TVS的應(yīng)力，還添加了接地電阻 $R_{GND2}$ 來(lái)消耗部分能量。

四、實(shí)際應(yīng)用考慮

4.1 ECU集成與空間估算

隨著法規(guī)要求的提高，內(nèi)燃機(jī)向清潔的電子燃油噴射系統(tǒng)（EFI）發(fā)展，這需要集成ECU。BTS50010 - 1TAE可以嵌入到ECU中，但需要使用能夠承受啟動(dòng)電機(jī)高浪涌電流的電源連接器。

連接電源線的電纜需要特別注意，其長(zhǎng)度應(yīng)限制在總寄生電感小于2 μH（大約小于2米），以限制短路時(shí)導(dǎo)線寄生電感退磁的能量。同時(shí)，導(dǎo)線的截面積應(yīng)根據(jù)兩個(gè)要求進(jìn)行合理選擇：一是將浪涌電流限制在250 A以內(nèi)，假設(shè)電池電壓為12 V，總電阻應(yīng)至少為 $12 / 250 = 48 mOmega$，考慮到測(cè)試中使用的啟動(dòng)電機(jī)電阻為29 mΩ，導(dǎo)線電阻至少應(yīng)為 $48 - 29 = 19 mOmega$；二是限制BTS50010 - 1TAE在啟動(dòng)時(shí)的電壓降，以避免觸發(fā)欠壓保護(hù)（欠壓閾值最大為5.5 V），這意味著導(dǎo)線的串聯(lián)電阻最大為 $[6.5 / 5.5] × R{Mot}=[6.5 / 5.5] × 0.029 = 34 mOmega$。因此，對(duì)于 $V{BAT}=12 V$ 和 $R{Mot}=29 mOmega$ 的應(yīng)用，導(dǎo)線串聯(lián)電阻應(yīng)在 $19 mOmega < R{Wiring} < 34 mOmega$ 的范圍內(nèi)。

4.2 演示板介紹

BTS50010 - 1TAE提供了演示板，其外形設(shè)計(jì)緊湊（44.5 mm x 26.5 mm）。演示板有兩種版本：

• BTS50010 - 1TAE BOARD：標(biāo)準(zhǔn)版本，$D2$ 和 $R1$ 未組裝。
• BTS50010 - 1TAE DBTVS：$D2$ 和 $R1$ 已組裝，用于增加關(guān)斷時(shí)的能量處理能力。