為汽車區(qū)域性配電系統(tǒng)中的非板載容性負(fù)載供電

本文探討了汽車配電系統(tǒng)中，從域向區(qū)域轉(zhuǎn)變帶來的挑戰(zhàn)與解決方案。特別是針對(duì)半導(dǎo)體開關(guān)作為智能保險(xiǎn)絲的應(yīng)用，分析了其在下降線束重量、成本及設(shè)計(jì)靈活性方面的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，深入討論了在驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載時(shí)面臨的挑戰(zhàn)，并提出了使用高側(cè)開關(guān)控制器解決這些挑戰(zhàn)的方法，包括輸出電壓壓擺率控制、并聯(lián)預(yù)充電路徑及基于PWM的自動(dòng)充電技術(shù)。

引言

車輛架構(gòu)從域向區(qū)域的轉(zhuǎn)變顯著改變了汽車的配電方式，基于半導(dǎo)體開關(guān)的解決方案（請(qǐng)參閱圖 1）正在取代傳統(tǒng)的熔斷型保險(xiǎn)絲用于線束保護(hù)。這些解決方案具有諸多優(yōu)勢(shì)，例如保險(xiǎn)絲時(shí)間電流的可變性更小，因此可以下降線束的電纜直徑、重量和成本。半導(dǎo)體開關(guān)還可遠(yuǎn)程復(fù)位，這意味著保險(xiǎn)絲不必易于觸及，使設(shè)計(jì)人員可以將保險(xiǎn)絲放置在更合理的位置以縮短從電源到負(fù)載的電纜長(zhǎng)度。

圖 1：基于域的配電架構(gòu)

圖 2：基于區(qū)域的配電架構(gòu)

使用半導(dǎo)體開關(guān)作為智能保險(xiǎn)絲器件時(shí)，系統(tǒng)面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)包括下降開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)的靜態(tài)電流，以及開啟輸出來為負(fù)載（電子控制單元 [ECU] 輸入）中普遍的大型容性負(fù)載供電。ECU 的輸入電容范圍為 47μF 至 5mF，啟動(dòng)時(shí)間（快速充電時(shí)間 <1ms、中等充電時(shí)間 <10ms、慢速充電時(shí)間 <50ms）需要根據(jù)每個(gè)配電盒 (PDB) 輸出端上連接在一起的 ECU 類型和數(shù)量考慮。在 ECU 啟動(dòng)時(shí)間內(nèi)通過金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 開關(guān)為這些 ECU 輸入電容器充電，是區(qū)域性架構(gòu)面臨的主要系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)之一。

在本文中，我們將討論使用高側(cè)開關(guān)控制器解決驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載挑戰(zhàn)的各種方法。

輸出電壓壓擺率控制

這種方法是在柵極與 GND 之間放置電容器 (C)，柵極的壓擺率和輸出電壓可以限制浪涌電流。具有輸出電壓壓擺率控制的電路配置如圖 3 所示。

方程式 1 和方程式 2 用于計(jì)算啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流和功率耗散：

方程式 1

方程式 2

由于 MOSFET 在飽和區(qū)域運(yùn)行，因此浪涌電流應(yīng)足夠低，使啟動(dòng)期間功率耗散保持在其安全工作區(qū) (SOA) 以內(nèi)。當(dāng) MOSFET 的功率耗散下降并存在較長(zhǎng)的時(shí)間段時(shí)，MOSFET 可以處理更多能量 (1/2 COUTVIN2)。因此，浪涌間隔需要延長(zhǎng)，以便支持更高的容性負(fù)載。

這種方法適合慢充電要求（例如 5mF 和 50ms），但設(shè)計(jì)必須始終考慮 COUT、FET SOA、充電時(shí)間和工作溫度之間的權(quán)衡。例如，使用 TI 的高側(cè)開關(guān)控制器 TPS1211-Q1 作為柵極驅(qū)動(dòng)器，將 5mF 充電至 12V 需要 40ms（浪涌電流限制為 1.5A）。

圖 3：輸出電壓壓擺率控制電路

并聯(lián)預(yù)充電路徑

這種方法通常用于基于大電流并聯(lián) FET 的設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)需要一個(gè)額外的柵極驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)預(yù)充電 FET，如圖 4 所示。您可以根據(jù)方程式 3 挑選預(yù)充電路徑中的預(yù)充電電阻器 (Rpre-ch)，以便將浪涌電流限制為特定值：

方程式 3

圖 4：并聯(lián)路徑中具有預(yù)充電電阻器和 FET 的電路

由于預(yù)充電電阻器可處理啟動(dòng)期間的所有功率應(yīng)力，因此它應(yīng)該可以處理平均功率耗散和峰值功率耗散（以方程式 4 和方程式 5 表示）：

方程式 4

方程式 5

在這種情況下可以進(jìn)行快速輸出充電，但代價(jià)是要使用非常大的預(yù)充電電阻器。例如，在 10ms 內(nèi)將 5mF 充電至 12V 需要一個(gè)額定功率為 36W、峰值功率處理能力為 360W 的 0.4Ω 預(yù)充電電阻器，從而形成一個(gè)龐大的繞線電阻器。所以，這種解決方案不適用于許多類型的終端設(shè)備，因?yàn)橥?PCB 上有許多通道。每個(gè)通道將需要一個(gè)大型電阻器，造成解決方案的空間利用率較低。

基于 PWM 的電容器自動(dòng)充電

如圖 5 所示，PCB 中的高側(cè)驅(qū)動(dòng)器輸出通過 1 米到幾米不等的長(zhǎng)電纜連接到遠(yuǎn)程 ECU。例如，一條 50A 導(dǎo)線 (8AWG) 線束具有 2mΩ/米和 1.5μH/米的特性。D1 二極管是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一部分，可為電纜線束電感電流提供續(xù)流路徑。高側(cè)驅(qū)動(dòng)器具有強(qiáng)大的柵極驅(qū)動(dòng)輸出，可以在較短 (<1μs) 的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間內(nèi)并聯(lián)驅(qū)動(dòng) FET，從而提供過流和短路保護(hù)。電纜寄生電容、D1 二極管和高側(cè) MOSFET 構(gòu)成典型的降壓穩(wěn)壓器配置。

圖 5：使用高側(cè)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行脈寬調(diào)制 (PWM) 充電的電路示意圖

啟動(dòng)期間，未充電的輸出電容器會(huì)吸收浪涌電流，并在浪涌電流達(dá)到短路保護(hù)閾值 (ISCP) 時(shí)觸發(fā)短路事件。高側(cè)驅(qū)動(dòng)器可以關(guān)斷電源路徑并在重試周期 (TAUTO-RETRY) 過后重新執(zhí)行導(dǎo)通。此過程一直持續(xù)到輸出電容充滿電為止（如圖 6 所示），之后高側(cè)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)入正常工作狀態(tài)并驅(qū)動(dòng)負(fù)載。

圖 6：PWM 充電方法啟動(dòng)期間的概念波形

圖 7 展示了控制操作。如圖所示，這種方法有兩個(gè)變量 ISCP 和 TAUTO-RETRY，需要根據(jù)輸入電壓 (VIN)、負(fù)載電容和所需充電時(shí)間為高側(cè)驅(qū)動(dòng)器設(shè)置這兩個(gè)變量。較高的 ISCP 閾值或較短的 TAUTO-RETRY 延遲可實(shí)現(xiàn)更快的輸出充電，因此該解決方案適用于任何負(fù)載電容值。

圖 7：PWM 充電機(jī)控制制方法的流程圖

此解決方案利用了典型高側(cè)驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)中的現(xiàn)有可用空間（電纜線束電感和 D1 二極管），并通過以開關(guān)模式運(yùn)行高側(cè) MOSFET 來創(chuàng)建一種高效的充電方法。與傳統(tǒng)方法不同，建議的解決方案不再依賴于 FET SOA，不再需要龐大的預(yù)充電電阻器，也不需要任何預(yù)充電 FET 和驅(qū)動(dòng)器。此解決方案使用高側(cè)驅(qū)動(dòng)器固有的短路保護(hù)功能，并可以在沒有任何外部控制信號(hào)或復(fù)雜算法的情況下自主運(yùn)行。

設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)和測(cè)試結(jié)果

請(qǐng)考慮以下 50A 負(fù)載的系統(tǒng)設(shè)計(jì)示例：

該設(shè)計(jì)涉及挑選 ISCP 和 TAUTO-RETRY 參數(shù)。對(duì)于 50A 負(fù)載設(shè)計(jì)，ISCP 閾值通常設(shè)置為比最大負(fù)載電流高 20%，因此在本例中，該閾值為 50A × 1.2 = 60A。

現(xiàn)在，要計(jì)算 TAUTO-RETRY，請(qǐng)參閱圖 6，并根據(jù)電容器在 Tcharge/2 中點(diǎn)的電流-電壓關(guān)系獲得方程式 6：

方程式 6

其中：

方程式 7

且

方程式 8

時(shí)間間隔 TON1、TOFF1 和 TON_mid 可以通過方程式 9 至方程式 11 進(jìn)行計(jì)算：

方程式 9

方程式 10

方程式 11

代入已知參數(shù) VBATT、Lcable、ISCP、VD1 和 CLOAD 并求解TAUTO-RETRY 可得出實(shí)現(xiàn) 10ms 充電時(shí)間的重試延遲為<200μs。

圖 8 和圖 9 顯示了使用 TPS1211-Q1 高側(cè)驅(qū)動(dòng)器為 5mF 負(fù)載電容充電時(shí)的應(yīng)用原理圖和測(cè)試設(shè)置。TAUTO-RETRY 為 180μs，因此可得出充電時(shí)間為 7ms，如圖 10 所示。

圖 8：驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載的典型應(yīng)用原理圖

圖 9：使用 TPS1211-Q1 評(píng)估模塊及 1.5m 電纜線束的測(cè)試設(shè)置

圖 10：在開關(guān)模式下使用 TPS1211-Q1 以 5mF 負(fù)載電容進(jìn)行啟動(dòng)

結(jié)語

基于半導(dǎo)體的智能保險(xiǎn)絲解決方案在汽車配電應(yīng)用中比傳統(tǒng)的熔斷型保險(xiǎn)絲更受歡迎，因?yàn)榇祟惤鉀Q方案具有顯著改善的保險(xiǎn)絲時(shí)間電流特性和可通過軟件進(jìn)行復(fù)位的功能。由于電纜更細(xì)且更短，這些優(yōu)勢(shì)有助于下降電纜線束的整體重量。