48V电池开关参考设计：R 48V BATT SWITCH10测评

一、前言

在汽车电子领域，48V电池系统正逐渐成为主流，其对于高效电力管理和负载控制的需求日益凸显。R 48V BATT SWITCH10作为一款专门针对48V汽车电池设计的参考方案，为我们提供了一个可靠的解决方案。今天，就和大家一起深入探讨这个设计方案。

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二、套件概述

2.1 供货范围

该套件主要包含以下组件：

安装在散热器上的功率板，确保功率器件在工作时能够有效散热。
采用Arduino屏蔽外形的适配板，方便与各种Arduino兼容的微控制器板连接。
XMC4700 Relax Kit Lite微控制器板，为整个系统提供控制核心。
用于连接适配板和功率板的扁平带状电缆，实现信号的可靠传输。

2.2 框图设计

该开关设计围绕2通道MOSFET 栅极驱动器2ED4820 - EM展开。通道A用于控制功率MOSFET，实现电池的连接和断开；通道B驱动DC - link预充电电路的MOSFET。同时，为了提高功能安全性，采用了两种不同的电流监测和过流保护方法：低侧基于分流器的电流传感和高侧基于TLE4972 - AE35D5的霍尔电流传感。整个开关由XMC4700微控制器套件控制，并通过USB 端口提供用户界面。

2.3 主要特性

双向48V电池开关：能够处理高达300A的连续电流，满足大多数汽车应用的需求。
预充电路径：针对电容性负载（如DC - Link电容器、EMC 滤波器）设计，避免了上电时的浪涌电流。
自由轮功能：提供被动自由轮（可选主动自由轮），保护开关MOSFET免受过压损坏。
双电流监测：低侧和高侧分别采用分流器和霍尔传感器进行电流测量和监测，提高了系统的可靠性。
可配置性：通过电流传感器编程接口对霍尔传感器进行校准和配置，同时具备可调节阈值的过流保护功能。
预装固件：包含命令行界面，方便用户进行配置、控制和诊断。

2.4 技术参数

参数	符号	注释	值	单位
功率板尺寸（含散热器）	LxWxH	-	75x100x31	mm
适配板尺寸	LxWxH	-	53x64x19	mm
工作电压	VBAT	-	24...54	V
最大电源电压	Vmax	-	70	V
数字电源电压	VoD	由微控制器套件提供	3.3	V
连续电流能力	Imax	强制风冷	300	A
组合MOSFET导通电阻	RDSON	典型值@25℃	400	mΩ
预充电电阻	Rprecharge	-	10	Ω
分流电阻	Rshunt	-	50	μΩ

三、系统与功能说明

3.1 入门指南

3.1.1 连接电源和负载

将48V电源连接到标记为“BAT +”和“BAT -”的M6螺丝端子上，其中“BAT -”为板的接地参考。负载连接到标记为“LD +”和“LD -”的螺丝端子上。需要注意的是，务必确保电源极性正确，因为该设计没有实现反极性保护。在连接时，应使用适当尺寸的电缆和电缆接头，并使用最大9 Nm的安装扭矩拧紧螺丝端子上的螺母。

3.1.2 连接微控制器

使用提供的扁平带状电缆将XMC4700 Relax Lite Kit连接到功率板上。该套件默认配备XMC4700 Relax Lite Kit，但由于适配板采用Arduino屏蔽外形，也可以连接到其他与Arduino UNO兼容的微控制器板（如AURIX TC375 Lite Kit）。不过要注意，由于霍尔电流传感器是3.3V设备，因此微控制器板必须是3.3V类型。

3.2 功能模块描述

3.2.1 电源供应

该套件需要两个电源：电池电压VBAT和数字电源电压VDD。VBAT由48V直流电源（如48V电池或实验室电源）提供，为栅极驱动器2ED4820 - EM和功率级供电。数字电源电压VDD来自微控制器套件的3.3V电源（通过USB连接器供电），为栅极驱动器的数字接口和霍尔电流传感器TLE4972 - AE35D5供电。

3.2.2 功率级

功率级由五对OptiMOS™ - 5功率晶体管IAUT300N08S5N011组成，采用共源拓扑结构。这种结构允许通过单个栅极驱动器通道控制五对MOSFET，同时使2ED4820 - EM的第二个栅极驱动器通道可用于控制预充电电路。为了确保MOSFET之间的均匀电流分布，采取了一系列措施，包括使用源电阻（R9 … R13）对不同MOSFET对的源极进行去耦，以及在布局中确保每个电流分支的走线长度相等。

3.2.3 预充电电路

许多48V电源域的负载在输入处具有较大的电容，如DC - link电容器或EMC滤波器。直接切换到未充电的电容器会导致高浪涌电流，可能会意外触发过流保护。为了避免这种情况，在功率开关的并行路径中实现了一个单独的预充电电路。2ED4820 - EM栅极驱动器的通道B驱动一对IAUZ40N10S5N130 MOSFET来控制预充电路径的开关，预充电电流由一个10Ω的功率电阻限制。在充电脉冲开始时，功率电阻会承受整个电池电压，初始功率耗散较大，但随着电容器充电，电阻上的电压会呈指数衰减。预充电时间由预充电电阻和DC - link电容器形成的RC电路的时间常数τ = RC决定，通常在5τ后，电容器可视为完全充电。同时，微控制器会监测预充电电阻，当检测到功率超过5W时，会对功率进行积分，当能量超过100J时，会关闭通道B，以防止电阻损坏。

3.2.4 MOSFET栅极驱动器

2ED4820 - EM是一款专为高电流48V汽车应用设计的栅极驱动器，具有两个强大的栅极输出，可驱动多个MOSFET并联。它支持背对背配置、共源和共漏拓扑结构。通过集成的单级电荷泵和外部泵浦及储能电容器，为栅极输出提供电源。除了电源和电荷泵电容器外，几乎不需要外部电路。该驱动器还包含一个可编程增益的电流传感放大器，用于基于分流器的电流监测和过流检测。通过SPI接口，可以对电流传感放大器的增益以及过流阈值进行配置，同时还可以处理驱动器的各种诊断、配置和控制功能。

3.2.5 基于分流器的电流传感

由于连续电流高达300A，分流电阻的功率耗散是一个需要考虑的问题。为了降低功率损耗，采用了两个100μΩ的分流电阻并联的方式，但这会导致灵敏度降低。不过，通过2ED4820 - EM中实现的可编程增益放大器，可以轻松补偿这一损失。此外，分流器的寄生电感也是一个问题，在短路情况下，高电流变化率会导致寄生电感产生电压降，从而引入测量误差。为了补偿这一误差，在分流器和2ED4820 - EM的增益放大器之间添加了一个RC低通滤波器，其时间常数应与分流电阻和寄生电感形成的时间常数相等。同时，由于两个分流器之间的电流分布可能不均匀，需要使用补偿网络来平衡两个分流器的电压。另外，对分流器的封装进行了改进，引入了单独的电源和感测焊盘，以减少测量误差。

3.2.6 基于霍尔的电流传感器

除了基于分流器的电流测量外，还集成了一个基于霍尔的电流传感器TLE4972 - AE35D5，以提供另一种电流监测路径，提高功能安全性。该传感器位于高侧，直接连接在“BAT +”输入端子之后，由于其具有固有的电气隔离特性，无需额外的隔离器或电平转换器，可直接连接到微控制器。传感器提供两个模拟输出用于差分电流测量，以及两个数字输出用于快速过流检测，过流阈值可编程。传感器通过测量PCB中间层的一段短迹线周围的磁场来实现电流测量，该迹线的电阻仅为7μΩ，功率损耗远低于分流电阻。为了避免相邻导体中的涡流干扰，在电流轨下方的区域保持无金属。传感器可以通过TLE4972电流传感器编程套件对其内部EEPROM进行编程，从而在板上进行配置和校准。每个板上的霍尔传感器都经过校准，设置了特定的参数，如输出模式、灵敏度范围、过流检测阈值等。此外，传感器的快速过流检测输出OCD可以连接到栅极驱动器的SAFESTATEN引脚，提供另一条过流事件的关断路径。但在进行传感器校准时，需要打开适配板上的焊锡跳线，以避免OCD1信号在校准过程中意外拉低导致开关关闭。

3.2.7 自由轮功能

当MOSFET关断时，输出电感中的电流突然下降会产生一个大电压，可能会使输出（LD +）低于地电位（LD -）。为了保护开关MOSFET免受这种过压的影响，在LD +和LD -之间放置了一个自由轮MOSFET（Q13）。由于其固有体二极管的存在，该MOSFET在不开启的情况下也能实现自由轮功能。同时，栅极信号被连接到接口连接器，以便可以添加主动控制电路。

3.2.8 微控制器接口

通过20针连接器X11实现功率板与微控制器的接口连接。文档中详细列出了连接器的引脚分配，每个引脚对应着不同的功能，如霍尔传感器的参考电压输出、模拟输出、电源、过流检测输出，以及栅极驱动器的各种控制和状态信号等。

3.3 基本操作

3.3.1 通过按钮和状态LED操作

可以通过XMC4700 Relax Lite Kit上的按钮来控制开关，同时多个LED提供状态和诊断信息。上电或复位后，微控制器会从内部闪存中加载驱动器配置，用户可以根据需要更改配置。具体操作如下：

开机：当开关处于关闭状态时，按下按钮1，驱动器将被启用并根据配置进行初始化。然后，预充电路径（通道B）会开启一段配置好的预充电时间，用于对负载电容器充电。预充电时间结束后，功率开关（通道A）将被激活，预充电路径关闭。适配板上的状态LED会显示2ED4820 - EM输出通道A（功率开关）和通道B（预充电路径）的状态，XMC Relax Lite Kit上按钮1旁边的LED1显示通道A的状态。
关机：当开关处于开启状态时，按下按钮1，两个通道将关闭，驱动器禁用。
清除故障：如果发生故障，错误LED会亮起，按下按钮1可以清除故障标志。
安全状态：按下按钮2会触发栅极驱动器2ED4820 - EM的安全状态功能，该按钮旁边的LED2会显示安全状态。
3.3.2 通过命令行界面操作

XMC4700微控制器的固件提供了一个简单的命令行界面，用于对48V电池开关进行扩展配置、控制和诊断。使用标准的串口通信终端模拟器（如TeraTerm或PuTTY），通过USB接口的虚拟COM端口进行通信。需要在终端模拟器中设置特定的串口参数，包括波特率115200 bps、8位数据位、无校验位、1位停止位等。上电或复位后，会显示欢迎消息和命令提示符，输入“?”可以列出所有可用命令及其简要说明。可以通过命令“on”和“off”来开启和关闭开关，“on”命令会启用栅极驱动器，进行初始化、预充电并开启通道A；“off”命令会关闭两个通道并禁用驱动器。也可以通过一系列命令逐步执行开机序列，如“e”（启用驱动器）、“cf”（清除故障标志）、“lc”（加载配置）、“pb”（生成通道B的预充电脉冲）、“a”（开启通道A）等。命令“r”可以快速查看2ED4820 - EM栅极驱动器的所有寄存器和单比特设置；系统会持续监视寄存器内容的变化，当比特位被设置或清除时会进行报告；在发生中断或故障位被设置时，会检查诊断位并报告故障。

3.4 配置

3.4.1 显示配置

使用命令“c”可以显示配置设置，包括VBAT欠压和过压重启时间、MOSFET电压消隐时间和滤波时间、VDS过压阈值和安全状态、预充电时间、通道交叉控制、霍尔传感器灵敏度、电流传感位置和输出负载、电流传感放大器增益和过流检测阈值等。每个设置都列出了相应的命令和典型的 datasheet 值。

3.4.2 2ED4820 - EM栅极驱动器配置设置

文档中详细列出了栅极驱动器2ED4820 - EM的各种可配置参数及其对应的命令、设置值和含义，如VBAT过压和欠压自动重启时间、MOSFET电压消隐和滤波时间、Drain - source过压阈值、安全状态、通道交叉控制、电流传感放大器增益、电流传感位置、电流传感输出负载和过流检测阈值等。不同的设置值会影响系统的性能和保护功能，用户可以根据实际需求进行调整。实际的过流阈值安培值取决于电流传感放大器增益和过流检测阈值的设置，文档中给出了一个50μΩ分流电阻下不同设置组合的过流阈值表。

3.4.3 预充电时间

通过命令“prt”可以设置预充电时间，单位为毫秒。当使用微控制器板上的按钮1或命令行界面的“on”命令开启开关时，在主开关（通道A）启动之前，会通过通道B施加一个预充电脉冲。

3.4.4 霍尔传感器灵敏度

出厂时霍尔传感器的灵敏度设置为4.8 mV/A，如果用户需要更改该值，可以使用命令“hss”，后跟所需的灵敏度值（单位为μV/A），以确保正确的电流测量。

3.4.5 保存和恢复配置

使用命令“sc”可以将当前配置保存到微控制器的闪存中，上电或复位后会自动加载保存的配置。使用命令“lc”可以手动恢复保存的配置。命令“fc”可以恢复开关的默认配置，但需要使用“sc”命令将其保存，使其永久生效。

四、系统设计

4.1 功率板

4.1.1 尺寸和散热器

功率板安装在散热器上，散热器基于Fischer Elektronik的SK 81/75/SA，指定热阻为2.5 K/W。功率板的尺寸为75x100x31 mm（包含散热器）。

4.1.2 原理图

文档中给出了功率板的原理图，展示了各个组件之间的连接关系和电路结构，为电路分析和设计提供了重要依据。

4.1.3 布局

功率板的PCB采用Schweizer Electronics AG的QIT技术制造，是一个三层板，中间为800μm的铜芯，两侧外层为70μm。与标准的IMS（绝缘金属基板）板不同，厚铜芯可以进行结构化处理，用于路由高电流PCB走线。为了实现顶层和铜芯之间的高电流连接，使用了密集缝合的微孔，这些微孔在设计上是铜填充的，因此SMD组件可以直接焊接在上面，提供了良好的电气和热连接。中间层和底层之间使用了导热率为1.8 W/mK的热预浸料，既提供了电气隔离，又保持了良好的热性能，因此无需在PCB和散热器之间进行额外的电气隔离，可以使用导电的热界面材料。文档中还给出了功率板各层的布局图，包括顶层、中间层和底层。