探索高电流功率分配开关单元（HC - PDU）参考设计：从原理到应用

在电子工程领域，高电流功率分配开关单元（HC - PDU）的设计与应用一直是备受关注的焦点。今天，我们就来深入探讨基于无芯霍尔电流测量的HC - PDU参考设计，它集成了英飞凌最新的功率MOSFET、汽车栅极驱动器（EiceDRIVER™ APD）和传感器，为高电流功率分配应用提供了创新解决方案。

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

一、HC - PDU概述

HC - PDU由采用OptiMOS™技术的功率MOSFET晶体管以背对背配置组成，这种设计能够从两个方向切断电流。为了增加电流能力，采用了并联配置，栅极由2ED2410 - EM栅极驱动器控制。该隔离开关具备多种保护功能和专门的预充电功能，通过无芯磁电流传感器（霍尔传感器）TLE4972 - AE35D5测量电流，且未采用续流二极管。在室温下，通过电缆冷却，目标标称电流可达200 A。不过，在设计时需要根据数据表考虑半导体器件的最大额定值，如雪崩能量和L/R值。

1.1 交付内容

我们收到的是一块集成在单个厚铜印刷电路板（PCB）上的高电流功率分配开关（HC - PDU）。

1.2 入门设置

要开始使用HC - PDU，需要准备以下设备：

• 电源：V1 = 12 V / 2 A和V2 = 5 V
• 电阻：R1 = 47 Ω / 3 W
• 电压表

在设置过程中，有几个关键点需要注意。2ED2410 - EM有一个SAFESTATE模式，要从该模式复位，EN输入需要低电平超过30 µs。当使能引脚切换到5 V时，2ED2410 - EM进入IDLE模式，其内部预充电功能（ISOURCE）和升压转换器将开启。INA是Q7、Q8、Q11、Q12的控制输入，INB是Q1、Q2、Q5、Q6的控制输入。

具体的设置步骤如下：

1. 将X2和GND（X18.8）连接到12 VDC的电源V - DC1。
2. 检查R1两端的电压，应为0 V（开关关闭）。
3. 将使能输入（X17.3）连接到5 V，使能2ED2410 - EM（从SLEEP模式进入IDLE模式）。
4. 检查2ED2410 - EM的SAFESTATE状态，INT（X17.）应为高电平，否则触发SAFESTATE模式。
5. 检查R两端的电压，应为几百mV（2ED2410 - EM内部IDLE预充电功能开启）。
6. 打开主通道INA（X17.5）和/或INB（X17.7）（从IDLE模式进入ON模式）。

1.3 框图

HC - PDU主要由三部分组成：控制和驱动器（红色）、带电流测量的功率部分（橙色）以及预充电部分（黄色）。通过框图，我们可以更清晰地了解各部分之间的关系和信号流向。

1.4 预充电

对于电容性负载，需要预充电电路以避免在开关导通时触发短路保护。HC - PDU的预充电要求如下：

• 预充电时间：30 ms至200 ms，具体取决于电容性负载。
• 预充电电容性负载：12 V系统最大30 mF。
• 预充电电阻性负载：预充电期间无电阻性负载。
• 预充电电路在标称电压范围内具有短路保护。

1.5 功能范围和关键参数

参数	最小值	典型值	最大值	单位
标称电压范围（12 V系统）	11		16	V

12 V系统的过电压范围为35 V。

参数	标称值	单位
最大静态电流	240	A
短路保护	610	A
温度保护	120	℃

短路保护范围（Isc）由于$k_{CSOI(TH)}$的范围为585 A至634 A。

二、产品设计和功能描述

2.1 霍尔电流测量

霍尔电流测量版本的电路由多个部分组成，每个部分都有其特定的功能。例如，HW - 01是接口连接器X17和X18，HW - 05是高端栅极驱动器2ED2410 - EM，HW - 22是高精度无芯电流传感器。通过对这些部分的详细分析，我们可以更好地理解电流测量的原理和实现方式。

2.2 2ED2410 - EM的工作模式

2ED2410 - EM具有四种工作模式：SLEEP、IDLE、ON和SAFESTATE。SAFESTATE模式只能从ON模式触发，触发条件包括CSA1比较器（短路）、欠压保护（UV）、欠压锁定（UVLO）和CP比较器。该模式是锁存模式，需要控制器采取主动措施才能复位。

2.3 2ED2410 - EM诊断

2ED2410 - EM具有6个用于诊断的输出：

• INT：开漏输出，当2ED2410 - EM进入SAFESTATE时标志为低电平。
• DG0、DG1：数字输出，输出信号根据驱动器模式变化。
• CSO1、CSO2：跨导放大器的模拟输出，通常测量分流电压或MOSFET VDS电压，这里测量霍尔传感器输出电压差。
• TMPO：跨导放大器的模拟输出，测量NTC电压。

2.4 2ED2410 - EM的VDS监测功能

在IDLE模式下，2ED2410 - EM具有两个比较器，用于监测源引脚（SA、SB）相对于VS引脚电压的电压。当$V{SA}=V{DS_DIAG(TH)}$时，DG0从0变为1；当$V{SB}=V{DS_DIAG(TH)}$时，DG1从0变为1。该监测功能可用于检查电容器预充电是否完成，从而大大降低开启时的浪涌电流。

2.5 连接器和引脚分配

了解连接器和引脚的功能分配对于正确使用HC - PDU至关重要。例如，X1和X2是Würth Elektronik PowerOne SMD Bolt 97878 M6，X17和X18是TSM - 105 - 01 - L - DV。详细的引脚功能在文档中有明确说明。

2.6 霍尔传感器编程TLE4972 - AE35D5

所有HC - PDU都配备了预编程的TLE4972 - AE35D5，设置为双向，灵敏度为1.7 mV/A，校准使用100 ADC。编程时，需要禁用HC - PDU内部为TLE4972 - AE35D5供电的电源，通过将信号Hall_dis_GND X18.10连接到VS X18.9来实现。具体的编程步骤包括安装软件、准备电源、连接编程器等。

三、电流路径和布局考虑

3.1 无芯霍尔传感器的布局结构

在设计中使用了无芯霍尔传感器，其布局结构会影响总端子到端子电阻（$R{TTR}$）。估计该PCB不包括功率MOSFET的$R{TTR}$为84 µΩ，在25°C下测量，其中包括无芯霍尔传感器所需铜结构的估计22 µΩ。

3.2 MOSFET并联的布局考虑

当MOSFET并联时，确保负载电流均匀分布非常重要，否则可能导致PCB上出现热点和单个MOSFET热过载。对于低欧姆MOSFET，PCB布局起着关键作用，因为PCB走线电阻和MOSFET导通电阻处于同一数量级，走线长度会影响电流分布。文档中给出了单向配置和反串联配置的不同布局选项及分析。

四、产品性能测试

4.1 预充电测试

该测试的目的是分析HC - PDU的预充电功能。通过模拟外部ECU的34 mF电容器C - ECU，设置预充电电流约为4 A。2ED2410 - EM的数字诊断输出DG0和DG1可指示预充电状态。

4.2 短路保护切断测试

此测试用于分析HC - PDU的短路保护功能。短路保护限制设置为618 A，当触发该保护功能时，HC - PDU将关闭。测试分为两种情况：一种是先打开HC - PDU，然后打开外部短路开关；另一种是在打开HC - PDU时已经存在短路。

4.3 反向电流短路保护测试

该测试与短路保护切断测试类似，但电流方向相反。同样，短路保护限制为618 A，触发保护时HC - PDU关闭。

4.4 I - t线保护动态电流测试

此测试用于分析HC - PDU在动态电流下的I - t线保护功能。电流由HC - PDU切换，电流值由电阻R - LLoad限制。当触发该保护功能时，HC - PDU关闭。

4.5 I - t线保护静态电流测试

该测试用于分析HC - PDU在静态电流下的I - t线保护功能。通过缓慢增加电流I - DC1，直到HC - PDU关闭，可测量切断限制。

4.6 温度保护测试

该测试用于分析HC - PDU的热保护功能，热保护限制设置为约120°C。当触发保护时，2ED2410 - EM的INT信号将变低。

4.7 静态电流热性能测试

该测试采用“通过电缆冷却”的概念，将热量传递到电缆，再散发到空气中。为了获得更稳定的测试结果，创建了0.4 m/s的小气流。测试结果显示，在13.6 W的功率损耗下，温度差为40 K。

4.8 13 W下的电流能力

在考虑功率损耗为13 W时，综合估计的$R{TTR}$、通过电缆冷却的PCB功率损耗以及功率MOSFET的$R{DS(on)}$值，计算得出直流电流能力为231 A。

五、系统设计

5.1 原理图设计

文档提供了12 V霍尔电流测量版本的原理图，包括顶层原理图、高端栅极驱动器和控制原理图、功率开关原理图、预充电原理图和霍尔电流测量原理图。通过这些原理图，我们可以清晰地了解系统的电路结构和信号流向。

5.2 布局设计

布局设计包括顶层、中间层和底层的布局图。合理的布局设计对于降低电阻、提高散热性能和减少电磁干扰至关重要。

5.3 PCB设计

PCB采用了新的准镶嵌技术（QIT），由Schweizer Electronics AG制造。内部铜层厚度为800 µm，可实现极高电流和低功率损耗。外部铜层可安装普通SMD组件，激光钻孔的高密度微孔允许不同铜层之间的连接。与传统的IMS结构相比，QIT具有可在底层安装SMD组件、可放置普通通孔组件以及中间层可用于布局等优点。

六、产品介绍

6.1 EiceDRIVER™ APD 2ED2410 - EM

这是一款单通道栅极驱动器，具有两个独立的栅极输出，适用于汽车应用。它具有三个测量接口、四个集成比较器，可提供可定制的保护功能，并且符合ISO 26262标准。

6.2 OptiMOS™ - 7功率晶体管 - IAUTN04S7N003

这是一款用于汽车应用的N沟道增强型功率MOSFET，具有扩展的AEC Q101认证、RoHS合规性、增强的电气测试、稳健的设计等优点，最大工作温度可达175°C。

6.3 XENSIV™ TLE4972 - AE35D5磁无芯电流传感器

TLE4972是一款高精度微型无芯磁电流传感器，用于AC和DC测量，具有模拟接口和两个快速过流检测输出。它采用英飞凌成熟的单片霍尔技术，可避免开环传感器常见的负面影响，并且符合ISO26262功能安全标准，具备内部自诊断功能。

6.4 线性稳压器TLS810A1

该稳压器具有超低静态电流、宽输入电压范围、输出电流限制保护和过温关机等功能，适用于多种应用场景。

七、总结

通过对HC - PDU参考设计的深入分析，我们可以看到它在高电流功率分配应用中具有很大的优势。从电路设计到性能测试，再到系统设计和产品选择，每个环节都经过了精心考虑。然而，在实际应用中，我们还需要根据具体需求进行调整和优化。例如，在布局设计中，需要根据实际的电流分布和散热要求进行合理规划；在编程霍尔传感器时，需要确保编程步骤的准确性。希望这篇文章能为电子工程师在设计和应用HC - PDU时提供有价值的参考。你在实际应用中是否遇到过类似的设计挑战？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验。