基于Power PROFET? BTS50010 - 1TAE的兩輪車啟動繼電器設計方案

在兩輪車（摩托車和踏板車）的設計領域，啟動繼電器的性能和可靠性至關重要。傳統的機電繼電器在應對高浪涌電流和頻繁的開關操作時，往往暴露出壽命短、易損壞等問題。而英飛凌的Power PROFET? BTS50010 - 1TAE作為一款固態繼電器，為解決這些問題提供了有效的解決方案。

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一、兩輪車啟動繼電器簡介

1.1 啟動電機的工作特點

對于發動機小于150 cc的摩托車或踏板車，常用的啟動電機是小型直流有刷電機。這類電機具有體積小、扭矩比合適、結構簡單和成本低等優點。然而，由于車載電池電壓僅為12 V，而啟動發動機最初幾圈所需的扭矩非常大，這意味著需要很高的電功率。根據功率公式P = UI，在低電壓下就會產生高達250 A的浪涌電流。

1.2 傳統機電繼電器的問題

傳統的機電繼電器由邏輯電路控制其線圈，進而控制機械觸點的通斷。但由于啟動時的高浪涌電流和關斷時電機電感的退磁能量，機電繼電器的壽命通常只有50000次開關循環。在一些需要頻繁啟停發動機的使用場景下，其使用壽命可能僅為3.5年左右，甚至會在保修期內就出現故障，增加了用戶和OEM的更換成本。

二、Infineon PROFET? BTS50010 - 1TAE的特性

2.1 產品概述

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

2.2 保護和診斷功能

• 欠壓關斷：閾值為5 V ± 0.5 V，當電源電壓低于此閾值時，器件會自動關閉，保護電路安全。
• 反接電池保護：通過開啟內部MOSFET來防止反接電池時對器件造成損壞。
• 接地丟失保護：確保在接地丟失的情況下安全切斷負載。
• 過溫和過流（短路）保護：采用鎖定機制，當檢測到過溫或過流時，器件會鎖定并切斷負載，直到故障排除。

2.3 與傳統解決方案的對比

此外，BTS50010 - 1TAE的體積和重量更小（小于1.5 g），相比傳統的啟動繼電器（4 g - 40 g）具有明顯優勢。而且在短路發生時，它無需更換部件，只需通過輸入控制信號即可重置保護，大大提高了系統的可靠性和維護便利性。

三、驅動小排量發動機啟動電機

3.1 應用電路設計

該應用電路提供了兩種控制選項：

• 無微控制器控制：通過連接到 $R_{INPU}$ 和 $R{IN_PD}$ 電阻分壓器的機械開關給出點火指令。
• 有微控制器控制：通常使用發動機控制ECU上的微控制器，通過引腳 $IN$ 觸發發動機啟動，并通過引腳 $IS$ 監測負載電流和保護狀態。同時，在微控制器和BTS50010 - 1TAE之間使用了一些無源元件，如 $C_{ISFilt}$ 用于濾波，$R{ISprot}$ 和 $R{IN}$ 用于反接電池保護，$R_{IS}$ 用于將檢測電流轉換為電壓以便微控制器的A/D轉換器采樣。

3.2 開關波形測試

在測試中，將電機轉子鎖定以模擬堵轉情況，這是電流最大的最壞情況（堵轉電流可達250 A）。使用電池模擬器來靈活控制電源電壓、模擬電池輸出電阻和布線電阻。通過在 $IN$ 引腳施加約35 ms的短脈沖來驗證電流上升和下降沿的波形。

當器件開啟時，由于轉子機械鎖定，負載電流 $I_L$ 上升到電機浪涌電流值（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。關斷時，由于電機電感和電纜寄生電感，器件進入雪崩狀態，電壓被鉗位在略大于40 V的值，此時器件會消耗系統電感中積累的高能量。

3.3 環路電感估計

采用數據曲線擬合的方法來估計環路電感。假設負載電流的行為可近似為一階RL電路，使用指數函數 $I{L}(t)=I{0}left(1 - e^{-frac{-t}{tau}}right)$ 進行曲線擬合，其中 $tau = frac{L}{R{S}}$，$L$ 為電機電感，$R{S}$ 為電機串聯電阻。

通過對示波器采集的電流上升沿數據進行擬合，得到穩態電流 $I{0}=252 A$，穩態輸出電壓 $V{OUT}=7.4 V$，時間常數 $tau = 890 mu s$，計算出總電阻 $R{TOT}=V{OUT} / I{0}=29 mOmega$，進而得到環路電感 $L{TOT}=R_{TOT} × tau = 26 mu H$。

3.4 關斷行為分析

3.4.1 關斷時的能量問題

當在感性負載下關斷時，BTS50010 - 1TAE處于智能鉗位的退磁階段，會施加一個負電壓 $V{DEMAG}=-[V{DS}(CL) - V_{S}]$（正常啟動結束時約為 - 25 V），此時注入MOSFET的高功率會導致顯著的溫度升高。

在最壞情況下，如啟動電機堵轉（電流250 A）時關斷，需要檢查這種應力是否會損壞器件。首先根據不同情況選擇使用EAR曲線（多次發生）或EAS曲線（少數幾次發生），然后使用公式 $E = V{DS(CL)} × frac{L}{R{L}} ×left[frac{V{S}-V{DS(CL)}}{R{L}} × ln left(1 - frac{R{L} × I{L}}{V{S}-V{DS(CL)}}right)+I{L}right]$ 計算器件內部耗散的能量。

在堵轉電流為250 A的情況下，計算得到 $E = 880 mJ$，從數據表的EAS曲線可知，這一能量水平可能會損壞BTS50010 - 1TAE。但當最大堵轉電流降低到200 A時，能量為580 mJ，此時器件處于安全工作區域。

3.4.2 外部保護措施

為了防止在250 A堵轉電流時器件損壞，需要添加外部保護措施。建議在MOSFET的漏極（$VS$ 引腳）和源極（$OUT$ 引腳）之間使用雙向瞬態電壓抑制器（TVS），并串聯一個電阻 $R_{Z2}$ 來微調TVS和BTS50010 - 1TAE之間的能量分配。

通過一系列計算和分析，選擇 $V{DZ2}=33 V$ 和 $R{Z2}=0.22 Omega$ 的參數設置，可使BTS50010 - 1TAE的能量略低于200 A時的EAS極限（600 mJ），并將TVS的能量限制在安全水平（低于300 mJ）。同時，這兩個組件還能在摩托車電池線路發生負載突降時提供良好的濾波功能。

3.5 電流檢測功能

BTS50010 - 1TAE在引腳 $IS$ 提供電流檢測信號。在無故障模式（如 $OUT$ 引腳對地短路、過流、過溫）且滿足 $V{IS} ≤ V{OUT}-5 V$ 的條件下，會提供與負載電流成比例的信號。

然而，實際的 $IS$ 模擬電流檢測診斷存在固有誤差。例如，當 $IS$ 引腳輸出電流為1.5 mA時，對應的負載電流 $I_L$ 在55 A - 105 A之間。為了提高電流檢測的準確性，需要進行校準，具體校準方法可參考“Power PROFET Improved SENSE Calibration and Benefits Guide”應用筆記。需要注意的是，檢測功能在負載電流達到150 A之前是線性的，當負載電流在150 A - 250 A之間時，$IS$ 引腳可能會出現飽和現象。

3.6 欠壓保護功能

Infineon Power PROFET? 提供了欠壓保護功能。通過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）以下來測試該功能。當滿足欠壓觸發條件時，BTS50010 - 1TAE會立即將內部功率MOSFET關斷，進入退磁階段，$IS$ 引腳報告故障狀態，器件被鎖定在關斷模式。要退出鎖定關斷模式，需要在 $IN$ 引腳施加復位序列（$IN t > t{IN(RESETDELAY)}$）。

3.7 電池斷開保護

在電池斷開的情況下，為了保護BTS50010 - 1TAE，需要使用瞬態電壓抑制器（TVS）。當電池連接丟失時，退磁電流會通過BTS50010 - 1TAE，如果沒有保護措施，器件可能無法承受電機中存儲的高能量。添加TVS后，可將退磁電流引離BTS50010 - 1TAE，確保其安全。

在實驗室測試中，無論是短暫斷開電源（10 μs）還是永久關斷，MOSFET都會因欠壓保護而關斷，$V_{DS}$ 曲線會出現智能鉗位脈沖（35 V），最終MOSFET會保持鎖定關斷狀態，需要在 $IN$ 引腳施加復位序列才能解鎖。

3.8 反接電池保護

Power PROFET? 系列產品具有反接電池保護功能，主要是為了保護MOSFET本身。在電池極性反轉時，MOSFET的體二極管會允許電流流過負載，但此時功率損耗會比電流通過MOSFET本身時高得多。因此，當控制電路檢測到反接電池連接時，會將MOSFET導通，以降低功率損耗。

例如，當 $I{Motor}=40 A$ 時，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，這種保護僅針對MOSFET，負載本身仍會承受反極性的電池電壓，不過由于啟動電機和內燃機之間有機械保護，啟動電機反轉不會造成問題。在反接電池且臨時失去電源連接的情況下，電機中的電流需要退磁，此時使用的保護器件（TVS）為雙向器件，以應對兩種可能的電流方向。同時，為了限制TVS的應力，還添加了接地電阻 $R_{GND2}$ 來消耗部分能量。

四、實際應用考慮

4.1 ECU集成與空間估算

隨著法規要求的提高，內燃機向清潔的電子燃油噴射系統（EFI）發展，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電機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，其長度應限制在總寄生電感小于2 μH（大約小于2米），以限制短路時導線寄生電感退磁的能量。同時，導線的截面積應根據兩個要求進行合理選擇：一是將浪涌電流限制在250 A以內，假設電池電壓為12 V，總電阻應至少為 $12 / 250 = 48 mOmega$，考慮到測試中使用的啟動電機電阻為29 mΩ，導線電阻至少應為 $48 - 29 = 19 mOmega$；二是限制BTS50010 - 1TAE在啟動時的電壓降，以避免觸發欠壓保護（欠壓閾值最大為5.5 V），這意味著導線的串聯電阻最大為 $[6.5 / 5.5] × R{Mot}=[6.5 / 5.5] × 0.029 = 34 mOmega$。因此，對于 $V{BAT}=12 V$ 和 $R{Mot}=29 mOmega$ 的應用，導線串聯電阻應在 $19 mOmega < R{Wiring} < 34 mOmega$ 的范圍內。

4.2 演示板介紹

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

• BTS50010 - 1TAE BOARD：標準版本，$D2$ 和 $R1$ 未組裝。
• BTS50010 - 1TAE DBTVS：$D2$ 和 $R1$ 已組裝，用于增加關斷時的能量處理能力。