NEST182 September 2025 DRV8363-Q1
電池供電的電動自行車與電動機(jī)車為傳統(tǒng)摩托車提供了永續(xù)且環(huán)保的替代方案。許多電動自行車會使用較大的 48V 或 36V 電池，以便在提供足夠扭力的同時降低電流。不過，隨著對高功率電動自行車的需求與日俱增，設(shè)計人員與製造商也面臨了確保安全性和可靠性的重大設(shè)計挑戰(zhàn)。
電動交通系統(tǒng)的基礎(chǔ)架構(gòu)是低電壓牽引逆變器馬達(dá)，可在正常騎行期間輔助踩踏，並在上坡騎行時讓騎行者較不費(fèi)力。馬達(dá)通常位於車輪上，可將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。後者可透過受控方式（再生煞車）或不受控方式進(jìn)行。
當(dāng)馬達(dá)在未受到控制（滑行）的情況下旋轉(zhuǎn)時，反電動勢會透過功率級的二極體整流將電流回饋給電池。這種滑行狀態(tài)可能會帶來與電池電壓不穩(wěn)定上升相關(guān)的挑戰(zhàn)。電源泵送狀態(tài)（也稱為發(fā)電機(jī)模式運(yùn)作）可能發(fā)生在有人推動自行車、自行車下坡行駛或騎乘者踩踏板時，此時電池未連接或控制器未處於喚醒狀態(tài)以監(jiān)控電源電壓。如果未受到控制，供應(yīng)電壓可能會增加至超過電氣系統(tǒng)的操作限制，導(dǎo)致電氣過電壓事件對電路造成潛在損壞。系統(tǒng)設(shè)計人員必須確定如何在系統(tǒng)能量超過操作限制之前對其進(jìn)行控制。
主動短路技術(shù)
主動短路是一種安全耗散大量能量的工程技術(shù)。此技術(shù)實作了煞車功能，可開啟所有高壓側(cè)或低壓側(cè)金屬氧化物半導(dǎo)體場效電晶體 (MOSFET)，進(jìn)而將馬達(dá)短路並建立一條路徑，使高電流透過 MOSFET 進(jìn)行再循環(huán)，而不是流向電源。
圖 1 顯示使用 TI DVR8363-Q1 閘極驅(qū)動器的電動自行車系統(tǒng)架構(gòu)，且使用 ASCIN 接腳實作煞車模式。
圖 1 電動自行車系統(tǒng)原理圖，顯示具備煞車控制功能的 DRV8363-Q1早期的電動自行車製造商使用離散式元件來測量電池電壓，並在電壓超過允許閾值時觸發(fā)煞車模式，但外部系統(tǒng)無法對 MOSFET 故障做出動態(tài)反應(yīng)。例如，如果系統(tǒng)故障指示高壓側(cè) MOSFET 受損，則您可能希望使用高壓側(cè)煞車而不是低壓側(cè)煞車，以避免電源對接地短路。
在較新型的設(shè)計中，DRV8363-Q1 透過功能整合解決了煞車難題，同時節(jié)省了電路板空間。邏輯位準(zhǔn) ASCIN 接腳可以在系統(tǒng)發(fā)生故障時觸發(fā)緊急煞車模式。DRV8363-Q1 還可以透過序列週邊設(shè)備介面 (SPI) 觸發(fā)主動短路，或在過電壓情況下自動觸發(fā)。此閘極驅(qū)動器可根據(jù)暫存器設(shè)定配置為觸發(fā)低壓側(cè)或高壓側(cè)煞車。
我發(fā)現(xiàn)電動自行車煞車實作中存在六個主要不利情況：
- 如果發(fā)生高壓側(cè) MOSFET 短路，使用低壓側(cè)煞車時可能會出現(xiàn)擊穿情況（反之亦然）。如果高壓側(cè) MOSFET 在運(yùn)作期間損壞，且系統(tǒng)觸發(fā)低壓側(cè)主動短路模式，則 48V 電源至接地之間將形成一條路徑，進(jìn)而引發(fā)高電流擊穿事件，可能會損壞系統(tǒng)，並對使用者造成風(fēng)險。
圖 2 所示的 DRV8363-Q1 先進(jìn)保護(hù)功能包括內(nèi)建邏輯，可透過汲極至源極電壓監(jiān)控偵測高壓側(cè) MOSFET 短路狀況，接著覆寫低壓側(cè)主動短路命令以切換至高壓側(cè)煞車，進(jìn)而安全地耗散電流並防止接地短路。這些保護(hù)邏輯和診斷功能可提高使用者安全性並降低韌體資源需求。
圖 2 主動短路中的智慧型邏輯可防止擊穿
- 在煞車模式和自由旋轉(zhuǎn)模式之間切換時，馬達(dá)各相位上會出現(xiàn)高電流突波。當(dāng)使用者滑行下坡時，自由旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)會導(dǎo)致電池電壓升高。在離散式煞車模式系統(tǒng)中，當(dāng)電壓超過一定限值時，煞車就會觸發(fā)，進(jìn)而降低電壓。然而，一旦電壓降至閾值以下，煞車就會停止，自由旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)將導(dǎo)致電池電壓再次升高。這在低電流情況下可能不會有問題，但在高電流應(yīng)用中便可能相當(dāng)危險，因為煞車和自由旋轉(zhuǎn)模式之間的轉(zhuǎn)換會導(dǎo)致電流突波，進(jìn)而可能損壞板載元件。
DRV8363-Q1 提供先進(jìn)的反應(yīng)來控制電壓上升，使設(shè)計人員能夠根據(jù)系統(tǒng)需求編程重試或鎖存煞車模式。
- 煞車期間的 MOSFET 熱損壞。在高電流煞車場景中，若單獨(dú)使用低壓側(cè)或高壓側(cè)煞車皆會導(dǎo)致 MOSFET 發(fā)熱，因為 MOSFET 在電流耗散時會持續(xù)導(dǎo)通。圖 3 顯示兩種煞車模式之間的電流方向。
DRV8363-Q1 能透過 SPI 觸發(fā)低壓側(cè)或高壓側(cè)煞車，因此可在高壓側(cè)與低壓側(cè)主動短路之間切換，以協(xié)助分散熱量並更妥善地管理電路板散熱。
圖 3 主動短路實作：高壓側(cè)與低壓側(cè) - 供應(yīng)電壓量測不準(zhǔn)確且反應(yīng)時間較慢。離散式煞車實作通常會受到電池感測電壓與 MOSFET 汲極測量電壓之間不準(zhǔn)確的影響。此外，控制煞車訊號的微控制器 (MCU) 對資料進(jìn)行取樣和解碼可能會延遲系統(tǒng)的回應(yīng)時間，這在緊急情況下可能非常危險。
DRV8363-Q1 的整合式主動短路系統(tǒng)透過直接測量高壓側(cè) MOSFET 汲極的電池電壓，提高了過電壓事件期間觸發(fā)煞車模式的準(zhǔn)確性和反應(yīng)時間。
- 如果 MCU 損壞或存在驅(qū)動器故障狀態(tài)，則無法觸發(fā)主動短路。雖然 MCU 控制的脈寬調(diào)變訊號可以手動進(jìn)入煞車狀態(tài)，但 DRV8363-Q1 中的整合式主動短路功能即使在硬體故障情況下也能提供更可靠的煞車方法。例如，如果程式碼執(zhí)行錯誤或內(nèi)部硬體故障導(dǎo)致 MCU 中斷，DRV8363-Q1 可自動啟動主動短路以回應(yīng)供應(yīng)過電壓情況，無需外部 MCU 命令觸發(fā)。如果 DRV8363-Q1 內(nèi)部發(fā)生故障，主動短路可以繞過某些內(nèi)部故障，覆寫關(guān)斷功能並強(qiáng)制煞車。
- 增加電路板空間和物料清單 (BOM) 成本。實作離散式主動短路解決方案包含多個比較器和感測電路，因此會增加最終解決方案的 BOM 成本並佔用電路板空間，這在對空間和重量有嚴(yán)格要求的電動自行車應(yīng)用中是一個值得關(guān)注的問題。
結(jié)論
TI 的 DRV8363-Q1 透過主動短路煞車技術(shù)和 MOSFET 監(jiān)控功能解決了電動交通系統(tǒng)中的特定安全問題。為了提高電動自行車的安全性，本裝置提供可編程控制功能，有助於防止?jié)撛诘奈ｋU電壓突波，並在馬達(dá)和發(fā)電機(jī)模式下保持可靠的性能。
其他資源
請查看具有準(zhǔn)確電流感測和進(jìn)階監(jiān)控功能的 DRV8363-Q1 48V 電池三相智慧型閘極驅(qū)動器產(chǎn)品規(guī)格表和 DRV8363-Q1EVM 評估模組。
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