探索高電流功率分配開關(guān)單元（HC - PDU）參考設(shè)計：從原理到應(yīng)用

在電子工程領(lǐng)域，高電流功率分配開關(guān)單元（HC - PDU）的設(shè)計與應(yīng)用一直是備受關(guān)注的焦點。今天，我們就來深入探討基于無芯霍爾電流測量的HC - PDU參考設(shè)計，它集成了英飛凌最新的功率MOSFET、汽車柵極驅(qū)動器（EiceDRIVER? APD）和傳感器，為高電流功率分配應(yīng)用提供了創(chuàng)新解決方案。

文件下載：Infineon Technologies R 12V PDU SWITCH20演示板.pdf

一、HC - PDU概述

HC - PDU由采用OptiMOS?技術(shù)的功率MOSFET晶體管以背對背配置組成，這種設(shè)計能夠從兩個方向切斷電流。為了增加電流能力，采用了并聯(lián)配置，柵極由2ED2410 - EM柵極驅(qū)動器控制。該隔離開關(guān)具備多種保護功能和專門的預(yù)充電功能，通過無芯磁電流傳感器（霍爾傳感器）TLE4972 - AE35D5測量電流，且未采用續(xù)流二極管。在室溫下，通過電纜冷卻，目標(biāo)標(biāo)稱電流可達200 A。不過，在設(shè)計時需要根據(jù)數(shù)據(jù)表考慮半導(dǎo)體器件的最大額定值，如雪崩能量和L/R值。

1.1 交付內(nèi)容

我們收到的是一塊集成在單個厚銅印刷電路板（PCB）上的高電流功率分配開關(guān)（HC - PDU）。

1.2 入門設(shè)置

要開始使用HC - PDU，需要準(zhǔn)備以下設(shè)備：

• 電源：V1 = 12 V / 2 A和V2 = 5 V
• 電阻：R1 = 47 Ω / 3 W
• 電壓表

在設(shè)置過程中，有幾個關(guān)鍵點需要注意。2ED2410 - EM有一個SAFESTATE模式，要從該模式復(fù)位，EN輸入需要低電平超過30 μs。當(dāng)使能引腳切換到5 V時，2ED2410 - EM進入IDLE模式，其內(nèi)部預(yù)充電功能（ISOURCE）和升壓轉(zhuǎn)換器將開啟。INA是Q7、Q8、Q11、Q12的控制輸入，INB是Q1、Q2、Q5、Q6的控制輸入。

具體的設(shè)置步驟如下：

1. 將X2和GND（X18.8）連接到12 VDC的電源V - DC1。
2. 檢查R1兩端的電壓，應(yīng)為0 V（開關(guān)關(guān)閉）。
3. 將使能輸入（X17.3）連接到5 V，使能2ED2410 - EM（從SLEEP模式進入IDLE模式）。
4. 檢查2ED2410 - EM的SAFESTATE狀態(tài)，INT（X17.）應(yīng)為高電平，否則觸發(fā)SAFESTATE模式。
5. 檢查R兩端的電壓，應(yīng)為幾百mV（2ED2410 - EM內(nèi)部IDLE預(yù)充電功能開啟）。
6. 打開主通道INA（X17.5）和/或INB（X17.7）（從IDLE模式進入ON模式）。

1.3 框圖

HC - PDU主要由三部分組成：控制和驅(qū)動器（紅色）、帶電流測量的功率部分（橙色）以及預(yù)充電部分（黃色）。通過框圖，我們可以更清晰地了解各部分之間的關(guān)系和信號流向。

1.4 預(yù)充電

對于電容性負載，需要預(yù)充電電路以避免在開關(guān)導(dǎo)通時觸發(fā)短路保護。HC - PDU的預(yù)充電要求如下：

• 預(yù)充電時間：30 ms至200 ms，具體取決于電容性負載。
• 預(yù)充電電容性負載：12 V系統(tǒng)最大30 mF。
• 預(yù)充電電阻性負載：預(yù)充電期間無電阻性負載。
• 預(yù)充電電路在標(biāo)稱電壓范圍內(nèi)具有短路保護。

1.5 功能范圍和關(guān)鍵參數(shù)

12 V系統(tǒng)的過電壓范圍為35 V。

短路保護范圍（Isc）由于$k_{CSOI(TH)}$的范圍為585 A至634 A。

二、產(chǎn)品設(shè)計和功能描述

2.1 霍爾電流測量

霍爾電流測量版本的電路由多個部分組成，每個部分都有其特定的功能。例如，HW - 01是接口連接器X17和X18，HW - 05是高端柵極驅(qū)動器2ED2410 - EM，HW - 22是高精度無芯電流傳感器。通過對這些部分的詳細分析，我們可以更好地理解電流測量的原理和實現(xiàn)方式。

2.2 2ED2410 - EM的工作模式

2ED2410 - EM具有四種工作模式：SLEEP、IDLE、ON和SAFESTATE。SAFESTATE模式只能從ON模式觸發(fā)，觸發(fā)條件包括CSA1比較器（短路）、欠壓保護（UV）、欠壓鎖定（UVLO）和CP比較器。該模式是鎖存模式，需要控制器采取主動措施才能復(fù)位。

2.3 2ED2410 - EM診斷

2ED2410 - EM具有6個用于診斷的輸出：

• INT：開漏輸出，當(dāng)2ED2410 - EM進入SAFESTATE時標(biāo)志為低電平。
• DG0、DG1：數(shù)字輸出，輸出信號根據(jù)驅(qū)動器模式變化。
• CSO1、CSO2：跨導(dǎo)放大器的模擬輸出，通常測量分流電壓或MOSFET VDS電壓，這里測量霍爾傳感器輸出電壓差。
• TMPO：跨導(dǎo)放大器的模擬輸出，測量NTC電壓。

2.4 2ED2410 - EM的VDS監(jiān)測功能

在IDLE模式下，2ED2410 - EM具有兩個比較器，用于監(jiān)測源引腳（SA、SB）相對于VS引腳電壓的電壓。當(dāng)$V{SA}=V{DS_DIAG(TH)}$時，DG0從0變?yōu)?；當(dāng)$V{SB}=V{DS_DIAG(TH)}$時，DG1從0變?yōu)?。該監(jiān)測功能可用于檢查電容器預(yù)充電是否完成，從而大大降低開啟時的浪涌電流。

2.5 連接器和引腳分配

了解連接器和引腳的功能分配對于正確使用HC - PDU至關(guān)重要。例如，X1和X2是Würth Elektronik PowerOne SMD Bolt 97878 M6，X17和X18是TSM - 105 - 01 - L - DV。詳細的引腳功能在文檔中有明確說明。

2.6 霍爾傳感器編程TLE4972 - AE35D5

所有HC - PDU都配備了預(yù)編程的TLE4972 - AE35D5，設(shè)置為雙向，靈敏度為1.7 mV/A，校準(zhǔn)使用100 ADC。編程時，需要禁用HC - PDU內(nèi)部為TLE4972 - AE35D5供電的電源，通過將信號Hall_dis_GND X18.10連接到VS X18.9來實現(xiàn)。具體的編程步驟包括安裝軟件、準(zhǔn)備電源、連接編程器等。

三、電流路徑和布局考慮

3.1 無芯霍爾傳感器的布局結(jié)構(gòu)

在設(shè)計中使用了無芯霍爾傳感器，其布局結(jié)構(gòu)會影響總端子到端子電阻（$R{TTR}$）。估計該PCB不包括功率MOSFET的$R{TTR}$為84 μΩ，在25°C下測量，其中包括無芯霍爾傳感器所需銅結(jié)構(gòu)的估計22 μΩ。

3.2 MOSFET并聯(lián)的布局考慮

當(dāng)MOSFET并聯(lián)時，確保負載電流均勻分布非常重要，否則可能導(dǎo)致PCB上出現(xiàn)熱點和單個MOSFET熱過載。對于低歐姆MOSFET，PCB布局起著關(guān)鍵作用，因為PCB走線電阻和MOSFET導(dǎo)通電阻處于同一數(shù)量級，走線長度會影響電流分布。文檔中給出了單向配置和反串聯(lián)配置的不同布局選項及分析。

四、產(chǎn)品性能測試

4.1 預(yù)充電測試

該測試的目的是分析HC - PDU的預(yù)充電功能。通過模擬外部ECU的34 mF電容器C - ECU，設(shè)置預(yù)充電電流約為4 A。2ED2410 - EM的數(shù)字診斷輸出DG0和DG1可指示預(yù)充電狀態(tài)。

4.2 短路保護切斷測試

此測試用于分析HC - PDU的短路保護功能。短路保護限制設(shè)置為618 A，當(dāng)觸發(fā)該保護功能時，HC - PDU將關(guān)閉。測試分為兩種情況：一種是先打開HC - PDU，然后打開外部短路開關(guān)；另一種是在打開HC - PDU時已經(jīng)存在短路。

4.3 反向電流短路保護測試

該測試與短路保護切斷測試類似，但電流方向相反。同樣，短路保護限制為618 A，觸發(fā)保護時HC - PDU關(guān)閉。

4.4 I - t線保護動態(tài)電流測試

此測試用于分析HC - PDU在動態(tài)電流下的I - t線保護功能。電流由HC - PDU切換，電流值由電阻R - LLoad限制。當(dāng)觸發(fā)該保護功能時，HC - PDU關(guān)閉。

4.5 I - t線保護靜態(tài)電流測試

該測試用于分析HC - PDU在靜態(tài)電流下的I - t線保護功能。通過緩慢增加電流I - DC1，直到HC - PDU關(guān)閉，可測量切斷限制。

4.6 溫度保護測試

該測試用于分析HC - PDU的熱保護功能，熱保護限制設(shè)置為約120°C。當(dāng)觸發(fā)保護時，2ED2410 - EM的INT信號將變低。

4.7 靜態(tài)電流熱性能測試

該測試采用“通過電纜冷卻”的概念，將熱量傳遞到電纜，再散發(fā)到空氣中。為了獲得更穩(wěn)定的測試結(jié)果，創(chuàng)建了0.4 m/s的小氣流。測試結(jié)果顯示，在13.6 W的功率損耗下，溫度差為40 K。

4.8 13 W下的電流能力

在考慮功率損耗為13 W時，綜合估計的$R{TTR}$、通過電纜冷卻的PCB功率損耗以及功率MOSFET的$R{DS(on)}$值，計算得出直流電流能力為231 A。

五、系統(tǒng)設(shè)計

5.1 原理圖設(shè)計

文檔提供了12 V霍爾電流測量版本的原理圖，包括頂層原理圖、高端柵極驅(qū)動器和控制原理圖、功率開關(guān)原理圖、預(yù)充電原理圖和霍爾電流測量原理圖。通過這些原理圖，我們可以清晰地了解系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)和信號流向。

5.2 布局設(shè)計

布局設(shè)計包括頂層、中間層和底層的布局圖。合理的布局設(shè)計對于降低電阻、提高散熱性能和減少電磁干擾至關(guān)重要。

5.3 PCB設(shè)計

PCB采用了新的準(zhǔn)鑲嵌技術(shù)（QIT），由Schweizer Electronics AG制造。內(nèi)部銅層厚度為800 μm，可實現(xiàn)極高電流和低功率損耗。外部銅層可安裝普通SMD組件，激光鉆孔的高密度微孔允許不同銅層之間的連接。與傳統(tǒng)的IMS結(jié)構(gòu)相比，QIT具有可在底層安裝SMD組件、可放置普通通孔組件以及中間層可用于布局等優(yōu)點。

六、產(chǎn)品介紹

6.1 EiceDRIVER? APD 2ED2410 - EM

這是一款單通道柵極驅(qū)動器，具有兩個獨立的柵極輸出，適用于汽車應(yīng)用。它具有三個測量接口、四個集成比較器，可提供可定制的保護功能，并且符合ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)。

6.2 OptiMOS? - 7功率晶體管 - IAUTN04S7N003

這是一款用于汽車應(yīng)用的N溝道增強型功率MOSFET，具有擴展的AEC Q101認(rèn)證、RoHS合規(guī)性、增強的電氣測試、穩(wěn)健的設(shè)計等優(yōu)點，最大工作溫度可達175°C。

6.3 XENSIV? TLE4972 - AE35D5磁無芯電流傳感器

TLE4972是一款高精度微型無芯磁電流傳感器，用于AC和DC測量，具有模擬接口和兩個快速過流檢測輸出。它采用英飛凌成熟的單片霍爾技術(shù)，可避免開環(huán)傳感器常見的負面影響，并且符合ISO26262功能安全標(biāo)準(zhǔn)，具備內(nèi)部自診斷功能。

6.4 線性穩(wěn)壓器TLS810A1

該穩(wěn)壓器具有超低靜態(tài)電流、寬輸入電壓范圍、輸出電流限制保護和過溫關(guān)機等功能，適用于多種應(yīng)用場景。

七、總結(jié)

通過對HC - PDU參考設(shè)計的深入分析，我們可以看到它在高電流功率分配應(yīng)用中具有很大的優(yōu)勢。從電路設(shè)計到性能測試，再到系統(tǒng)設(shè)計和產(chǎn)品選擇，每個環(huán)節(jié)都經(jīng)過了精心考慮。然而，在實際應(yīng)用中，我們還需要根據(jù)具體需求進行調(diào)整和優(yōu)化。例如，在布局設(shè)計中，需要根據(jù)實際的電流分布和散熱要求進行合理規(guī)劃；在編程霍爾傳感器時，需要確保編程步驟的準(zhǔn)確性。希望這篇文章能為電子工程師在設(shè)計和應(yīng)用HC - PDU時提供有價值的參考。你在實際應(yīng)用中是否遇到過類似的設(shè)計挑戰(zhàn)？又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗。