48V電池開關參考設計：R 48V BATT SWITCH10測評

一、前言

在汽車電子領域，48V電池系統正逐漸成為主流，其對于高效電力管理和負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，實現信號的可靠傳輸。

2.2 框圖設計

該開關設計圍繞2通道MOSFET 柵極驅動器2ED4820 - EM展開。通道A用于控制功率MOSFET，實現電池的連接和斷開；通道B驅動DC - link預充電電路的MOSFET。同時，為了提高功能安全性，采用了兩種不同的電流監測和過流保護方法：低側基于分流器的電流傳感和高側基于TLE4972 - AE35D5的霍爾電流傳感。整個開關由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：能夠處理高達300A的連續電流，滿足大多數汽車應用的需求。
預充電路徑：針對電容性負載（如DC - Link電容器、EMC 濾波器）設計，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MOSFET免受過壓損壞。
雙電流監測：低側和高側分別采用分流器和霍爾傳感器進行電流測量和監測，提高了系統的可靠性。
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和配置，同時具備可調節閾值的過流保護功能。
預裝固件：包含命令行界面，方便用戶進行配置、控制和診斷。

2.4 技術參數

參數	符號	注釋	值	單位
功率板尺寸（含散熱器）	LxWxH	-	75x100x31	mm
適配板尺寸	LxWxH	-	53x64x19	mm
工作電壓	VBAT	-	24...54	V
最大電源電壓	Vmax	-	70	V
數字電源電壓	VoD	由微控制器套件提供	3.3	V
連續電流能力	Imax	強制風冷	300	A
組合MOSFET導通電阻	RDSON	典型值@25℃	400	mΩ
預充電電阻	Rprecharge	-	10	Ω
分流電阻	Rshunt	-	50	μΩ

三、系統與功能說明

3.1 入門指南

3.1.1 連接電源和負載

將48V電源連接到標記為“BAT +”和“BAT -”的M6螺絲端子上，其中“BAT -”為板的接地參考。負載連接到標記為“LD +”和“LD -”的螺絲端子上。需要注意的是，務必確保電源極性正確，因為該設計沒有實現反極性保護。在連接時，應使用適當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

該套件需要兩個電源：電池電壓VBAT和數字電源電壓VDD。VBAT由48V直流電源（如48V電池或實驗室電源）提供，為柵極驅動器2ED4820 - EM和功率級供電。數字電源電壓VDD來自微控制器套件的3.3V電源（通過USB連接器供電），為柵極驅動器的數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，采用共源拓撲結構。這種結構允許通過單個柵極驅動器通道控制五對MOSFET，同時使2ED4820 - EM的第二個柵極驅動器通道可用于控制預充電電路。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 預充電電路

許多48V電源域的負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致高浪涌電流，可能會意外觸發過流保護。為了避免這種情況，在功率開關的并行路徑中實現了一個單獨的預充電電路。2ED4820 - EM柵極驅動器的通道B驅動一對IAUZ40N10S5N130 MOSFET來控制預充電路徑的開關，預充電電流由一個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衰減。預充電時間由預充電電阻和DC - link電容器形成的RC電路的時間常數τ = RC決定，通常在5τ后，電容器可視為完全充電。同時，微控制器會監測預充電電阻，當檢測到功率超過5W時，會對功率進行積分，當能量超過100J時，會關閉通道B，以防止電阻損壞。

3.2.4 MOSFET柵極驅動器

2ED4820 - EM是一款專為高電流48V汽車應用設計的柵極驅動器，具有兩個強大的柵極輸出，可驅動多個MOSFET并聯。它支持背對背配置、共源和共漏拓撲結構。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的分流電阻并聯的方式，但這會導致靈敏度降低。不過，通過2ED4820 - EM中實現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，高電流變化率會導致寄生電感產生電壓降，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，其時間常數應與分流電阻和寄生電感形成的時間常數相等。同時，由于兩個分流器之間的電流分布可能不均勻，需要使用補償網絡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測路徑，提高功能安全性。該傳感器位于高側，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。為了避免相鄰導體中的渦流干擾，在電流軌下方的區域保持無金屬。傳感器可以通過TLE4972電流傳感器編程套件對其內部EEPROM進行編程，從而在板上進行配置和校準。每個板上的霍爾傳感器都經過校準，設置了特定的參數，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可以連接到柵極驅動器的SAFESTATEN引腳，提供另一條過流事件的關斷路徑。但在進行傳感器校準時，需要打開適配板上的焊錫跳線，以避免OCD1信號在校準過程中意外拉低導致開關關閉。

3.2.7 自由輪功能

當MOSFET關斷時，輸出電感中的電流突然下降會產生一個大電壓，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實現功率板與微控制器的接口連接。文檔中詳細列出了連接器的引腳分配，每個引腳對應著不同的功能，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，以及柵極驅動器的各種控制和狀態信號等。

3.3 基本操作

3.3.1 通過按鈕和狀態LED操作

可以通過XMC4700 Relax Lite Kit上的按鈕來控制開關，同時多個LED提供狀態和診斷信息。上電或復位后，微控制器會從內部閃存中加載驅動器配置，用戶可以根據需要更改配置。具體操作如下：

開機：當開關處于關閉狀態時，按下按鈕1，驅動器將被啟用并根據配置進行初始化。然后，預充電路徑（通道B）會開啟一段配置好的預充電時間，用于對負載電容器充電。預充電時間結束后，功率開關（通道A）將被激活，預充電路徑關閉。適配板上的狀態LED會顯示2ED4820 - EM輸出通道A（功率開關）和通道B（預充電路徑）的狀態，XMC Relax Lite Kit上按鈕1旁邊的LED1顯示通道A的狀態。
關機：當開關處于開啟狀態時，按下按鈕1，兩個通道將關閉，驅動器禁用。
清除故障：如果發生故障，錯誤LED會亮起，按下按鈕1可以清除故障標志。
安全狀態：按下按鈕2會觸發柵極驅動器2ED4820 - EM的安全狀態功能，該按鈕旁邊的LED2會顯示安全狀態。
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電池開關進行擴展配置、控制和診斷。使用標準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置特定的串口參數，包括波特率115200 bps、8位數據位、無校驗位、1位停止位等。上電或復位后，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”來開啟和關閉開關，“on”命令會啟用柵極驅動器，進行初始化、預充電并開啟通道A；“off”命令會關閉兩個通道并禁用驅動器。也可以通過一系列命令逐步執行開機序列，如“e”（啟用驅動器）、“cf”（清除故障標志）、“lc”（加載配置）、“pb”（生成通道B的預充電脈沖）、“a”（開啟通道A）等。命令“r”可以快速查看2ED4820 - EM柵極驅動器的所有寄存器和單比特設置；系統會持續監視寄存器內容的變化，當比特位被設置或清除時會進行報告；在發生中斷或故障位被設置時，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、預充電時間、通道交叉控制、霍爾傳感器靈敏度、電流傳感位置和輸出負載、電流傳感放大器增益和過流檢測閾值等。每個設置都列出了相應的命令和典型的 datasheet 值。

3.4.2 2ED4820 - EM柵極驅動器配置設置

文檔中詳細列出了柵極驅動器2ED4820 - EM的各種可配置參數及其對應的命令、設置值和含義，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、通道交叉控制、電流傳感放大器增益、電流傳感位置、電流傳感輸出負載和過流檢測閾值等。不同的設置值會影響系統的性能和保護功能，用戶可以根據實際需求進行調整。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置，文檔中給出了一個50μΩ分流電阻下不同設置組合的過流閾值表。

3.4.3 預充電時間

通過命令“prt”可以設置預充電時間，單位為毫秒。當使用微控制器板上的按鈕1或命令行界面的“on”命令開啟開關時，在主開關（通道A）啟動之前，會通過通道B施加一個預充電脈沖。

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 保存和恢復配置

使用命令“sc”可以將當前配置保存到微控制器的閃存中，上電或復位后會自動加載保存的配置。使用命令“lc”可以手動恢復保存的配置。命令“fc”可以恢復開關的默認配置，但需要使用“sc”命令將其保存，使其永久生效。

四、系統設計

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系和電路結構，為電路分析和設計提供了重要依據。

4.1.3 布局

功率板的PCB采用Schweizer Electronics AG的QIT技術制造，是一個三層板，中間為800μm的銅芯，兩側外層為70μm。與標準的IMS（絕緣金屬基板）板不同，厚銅芯可以進行結構化處理，用于路由高電流PCB走線。為了實現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熱率為1.8 W/mK的熱預浸料，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。