主動(dòng)短路技術(shù)

主動(dòng)短路是一種能夠安全耗散大量能量的工程技術(shù)。它通過(guò)同時(shí)導(dǎo)通所有高側(cè)或低側(cè)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 實(shí)現(xiàn)制動(dòng)功能，使電機(jī)短路并形成一條流經(jīng) MOSFET 的高電流循環(huán)路徑，避免電流流向電源。

圖 1 展示了采用 TI DVR8363-Q1 柵極驅(qū)動(dòng)器的電動(dòng)自行車系統(tǒng)架構(gòu)，該架構(gòu)通過(guò) ASCIN 引腳實(shí)現(xiàn)制動(dòng)模式。

雖然早期的電動(dòng)自行車制造商采用了分立式元件來(lái)測(cè)量電池電壓，并在該電壓超過(guò)允許閾值時(shí)觸發(fā)制動(dòng)模式，但外部系統(tǒng)無(wú)法對(duì) MOSFET 故障做出動(dòng)態(tài)反應(yīng)。例如，如果系統(tǒng)故障指示高側(cè) MOSFET 損壞，則需要使用高側(cè)制動(dòng)而不是低側(cè)制動(dòng)，以避免電源對(duì)地短路。

在新型設(shè)計(jì)中，DRV8363-Q1 解決了制動(dòng)難題，同時(shí)通過(guò)特性集成減小了布板空間。邏輯電平 ASCIN 引腳可以在發(fā)生系統(tǒng)故障時(shí)觸發(fā)緊急制動(dòng)模式。DRV8363-Q1 還可以通過(guò)串行外設(shè)接口 (SPI) 觸發(fā)或在過(guò)壓情況下自動(dòng)觸發(fā)主動(dòng)短路。該柵極驅(qū)動(dòng)器可配置為根據(jù)寄存器設(shè)置觸發(fā)低側(cè)或高側(cè)制動(dòng)。

我們?cè)谝环N電動(dòng)自行車制動(dòng)實(shí)施方案中發(fā)現(xiàn)了六類主要的故障工況：

• 在高側(cè) MOSFET 短路的情況下使用低側(cè)制動(dòng)時(shí)，發(fā)生擊穿狀況（反之亦然）。如果高側(cè) MOSFET 在運(yùn)行期間損壞，并且系統(tǒng)觸發(fā)低側(cè)主動(dòng)短路模式，將會(huì)形成 48V 電源到地的通路，導(dǎo)致高電流擊穿事件，這可能會(huì)損壞系統(tǒng)并給用戶帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。

  圖 2 中所示 DRV8363-Q1 的高級(jí)保護(hù)特性包括內(nèi)置以下邏輯：通過(guò)漏極到源極電壓監(jiān)測(cè)來(lái)檢測(cè)高側(cè) MOSFET 短路情況，隨后覆蓋低側(cè)主動(dòng)短路命令以切換到高側(cè)制動(dòng)，從而在防止接地短路的同時(shí)安全地耗散電流。這些保護(hù)邏輯和診斷特性既提升了用戶安全性又降低了固件資源需求。

  圖 2 主動(dòng)短路狀態(tài)下防止擊穿的智能邏輯

• 在制動(dòng)模式與自由滑行模式之間切換時(shí)，電機(jī)相位出現(xiàn)高電流尖峰。當(dāng)用戶在下坡滑行時(shí)，自由旋轉(zhuǎn)的電機(jī)將導(dǎo)致電池電壓上升。在分立式制動(dòng)模式系統(tǒng)中，當(dāng)電壓超過(guò)特定限值時(shí)將觸發(fā)制動(dòng)，從而降低電壓。但是，一旦電壓降至閾值以下，將會(huì)停止制動(dòng)，自由旋轉(zhuǎn)的電機(jī)將導(dǎo)致電池電壓再次上升。這種情況適合低電流場(chǎng)景，但在高電流應(yīng)用中可能很危險(xiǎn)，制動(dòng)與自由滑行模式之間的切換會(huì)導(dǎo)致電流尖峰，可能損壞板載元件。

  DRV8363-Q1 提供了一種高級(jí)響應(yīng)模式來(lái)控制上升的電壓，使設(shè)計(jì)人員能夠根據(jù)系統(tǒng)要求對(duì)重試或鎖存制動(dòng)模式進(jìn)行編程。

• 制動(dòng)期間發(fā)生 MOSFET 熱損傷。在高電流制動(dòng)場(chǎng)景中，僅使用低側(cè)或高側(cè)制動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致 MOSFET 發(fā)熱，因?yàn)樵陔娏骱纳r(shí) MOSFET 會(huì)持續(xù)導(dǎo)通。圖 3 顯示了兩種制動(dòng)模式之間的電流流動(dòng)方向。

  憑借通過(guò) SPI 觸發(fā)低側(cè)或高側(cè)制動(dòng)的功能，DRV8363-Q1 可在高側(cè)和低側(cè)主動(dòng)短路之間切換，從而幫助散熱并更好地管理電路板熱量。

  圖 3 主動(dòng)短路實(shí)施方案：高側(cè)與低側(cè)
• 電源電壓測(cè)量不準(zhǔn)確，響應(yīng)時(shí)間更慢。分立式制動(dòng)實(shí)施方案通常會(huì)受到電池端檢測(cè)電壓與 MOSFET 漏極測(cè)量電壓不準(zhǔn)確的影響。此外，負(fù)責(zé)發(fā)出制動(dòng)信號(hào)的微控制器 (MCU) 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣和解碼可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)延遲，這在緊急情況下會(huì)帶來(lái)危險(xiǎn)。

  通過(guò)直接測(cè)量高側(cè) MOSFET 漏極處的電池電壓，DRV8363-Q1 的集成式主動(dòng)短路系統(tǒng)可改善過(guò)壓事件期間觸發(fā)制動(dòng)模式的精度和響應(yīng)時(shí)間。

• 如果 MCU 損壞或存在驅(qū)動(dòng)器故障狀態(tài)，將無(wú)法觸發(fā)主動(dòng)短路。雖然可通過(guò) MCU 控制的脈寬調(diào)制信號(hào)手動(dòng)進(jìn)入制動(dòng)狀態(tài)，但 DRV8363-Q1 中的集成式主動(dòng)短路功能提供了一種更可靠的制動(dòng)方法，即使在硬件故期間障也是如此。例如，如果代碼執(zhí)行錯(cuò)誤或內(nèi)部硬件故障導(dǎo)致 MCU 中斷，DRV8363-Q1 可以自動(dòng)激活主動(dòng)短路以應(yīng)對(duì)電源過(guò)壓情況，而無(wú)需使用受 MCU 控制的外部觸發(fā)器。如果 DRV8363-Q1 內(nèi)部出現(xiàn)故障，主動(dòng)短路會(huì)繞過(guò)某些內(nèi)部故障，覆蓋關(guān)斷以強(qiáng)制制動(dòng)。
• 增加了布板空間和物料清單 (BOM) 成本。實(shí)施分立式主動(dòng)短路解決方案需要多個(gè)比較器和檢測(cè)電路，因此會(huì)增加最終解決方案的 BOM 成本并占用布板空間，這在空間和重量要求較為嚴(yán)格的電動(dòng)自行車應(yīng)用中是一個(gè)問(wèn)題。

結(jié)語(yǔ)

TI 的 DRV8363-Q1 通過(guò)用于制動(dòng)的主動(dòng)短路技術(shù)和 MOSFET 監(jiān)測(cè)功能，解決了電動(dòng)出行系統(tǒng)中的特定安全問(wèn)題。為了增強(qiáng)電動(dòng)自行車的安全，該器件提供了可編程控制特性，有助于防止?jié)撛诘奈ｋU(xiǎn)電壓尖峰，并能在電機(jī)和發(fā)電機(jī)模式下保持可靠的性能。

其他資源

查閱 DRV8363-Q1 具有精確電流檢測(cè)和高級(jí)監(jiān)測(cè)功能的 48V 電池三相智能柵極驅(qū)動(dòng)器數(shù)據(jù)表 和 DRV8363-Q1EVM 評(píng)估模塊。

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