ZHCAEM2 October 2024 TPS4811-Q1

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系统简介

为了满足严格的排放目标，人们对车辆电气化的需求不断增长，汽车制造商采用了双 48V/12V 电池系统。这种电池系统支持工程师将空调压缩机、电动助力转向等所有高功耗负载转到由 48V 电池供电，而 12V 电池继续为照明、信息娱乐等其余负载供电。图 1 是 48V/12V 电池系统的典型方框图，其中高侧开关控制器驱动外部 MOSFET，用作电池断开开关和电路断路器。这些系统设计包括直流/直流转换器、电池管理系统和配电箱等，均在双电池系统中运行。

图 1 电动汽车中双向 48V 至 12V 系统的方框图

在此类大功率设计中，驱动外部功率 MOSFET 时，电源设计工程师的主要考虑因素之一是确保强大的热保护，以防止过热和热失控。因此，精确的温度检测和过热保护至关重要。本应用简报介绍了使用 TI 智能高侧开关控制器实现远程温度检测和保护的设计注意事项。

TPS4811x-Q1 和 TPS1211x-Q1 是 TI 的智能高侧开关控制器，具有保护和诊断功能。这些器件集成了远程温度检测、保护及专用故障输出功能。远程温度测量使用采用二极管配置的外部晶体管来完成，如图 2 所示。

图 2 用于直流/直流转换器的断路器

基于二极管的远程温度检测

一个常见的方法是使用外部 NPN 双极结型晶体管 (BJT) 作为远程温度检测元件。NPN 晶体管以二极管模式连接，以便支持通过基极发射极正向电压估算器件或 PCB 的外壳温度。标准 Ebers-Moll 模型提供了集电极电流的简化公式，如方程式 1 所示。

方程式 1.

I_{C} = I_{S} \times e^{(\frac{V_{BE}}{ƞ \times V_{T}})}

方程式 2.

V_{T} = \frac{kT}{q}

其中

I_c 是集电极电流
I_S 是反向饱和电流
V_BE 是基极发射极正向压降
V_T 是热电压
T 是以开尔文度为单位的晶体管温度
ƞ 是理想因数（ƞ 因数），因制造商而异
k 是玻尔兹曼常数 (1.38×10^-23 J/Kelvin)
q 是电子的电荷 (1.602×10^-19 C)
k/q 是常数 (8.61423×10^-5)

求解可得出温度，结果为方程式 3

方程式 3.

T = \frac{q \times V_{BE}}{ƞ \times k \times \ln (\frac{I_{C}}{I_{S}})}

由于 η 因数、k 和 I_S 都是常数，测量温度的直接方法是施加集电极电流、测量电压，然后相应地计算温度。然而，反向饱和电流会因工艺而异，且变化范围较大，对温度测量的准确性有显著影响。为了克服这些缺点，两电流差分法逐渐流行。此方法使用两个不同的电流，温度通过两次二极管电压 (V_BE) 值的差值来确定，如方程式 6 所示。

方程式 4.

∆ V_{BE} = V_{BE 2} - V_{BE 1}

方程式 5.

∆ V_{BE} = \frac{ƞkT}{q} \ln (\frac{I_{2}}{I_{S}}) - \frac{ƞkT}{q} \ln (\frac{I_{1}}{I_{S}}) = \frac{ƞkT}{q} \ln (\frac{I_{2}}{I_{1}})

方程式 6.

T = \frac{q \times ∆ V_{BE}}{ƞ \times k \times \ln (\frac{I_{2}}{I_{1}})}

通过保持精确的电流比 (I₂/I₁)，该方法消除了反向饱和电流 (I_S) 的工艺变化影响，确保了温度测量仅依赖于 η 因数。与 I_S 相比，η 因数相对稳定，可从晶体管制造商处获得。

使用 TI 高侧开关控制器实现过热保护

TPS4811x-Q1/TPS1211x-Q1 控制器通过向外部晶体管施加两个不同的电流 10μA(I₁) 和 160µA(I₂)，测量 V_BE 电压的变化 (ΔV_BE) 来检测过热，并在任何故障条件下触发热关断以关闭外部 MOSFET。该器件还具有专用的故障引脚 (FLT_T)，当检测到过热故障时，该引脚会拉低。TPS4811x-Q1 中基于二极管的远程温度检测方案的简化方框图如图 3 所示。

图 3 TPS4811x-Q1 中基于二极管的远程温度检测

随着 PCB 温度的升高，ΔV_BE 相应增加；在 150°C 时，ΔV_BE 接近 101.5mV，这是 TPS4811x-Q1 触发过热保护的内部阈值。图 4 显示了过热保护方案的时序图。

在 TPS48110-Q1 中，一旦检测到温度达到大约 150°C，器件就会将栅极驱动器下拉电阻 (PD) 拉至 MOSFET 的源极 (SRC)，关闭外部 MOSFET 并将 FLT_T 拉低。当温度降至 135°C 后，器件会启动一个 512ms 的内部固定自动重试周期。在 512ms 重试周期结束后，器件将导通外部 MOSFET，并将 FLT_T 取消置位。

在 TPS48111-Q1 中，一旦检测到温度超过 150°C，器件便会关断外部 FET，并保持锁存状态。可以通过将 V_EN/UVLO 切换至低于 V_(ENF)，或者对 V_S 进行上电下电使其低于 V_{(VS_PORF)} 来使锁存复位。

图 5 和图 6 展示了二极管引脚在室温和过热关断瞬间的电压曲线。

图 4 过热保护方案时序图

图 5 二极管引脚在 25°C 时的电压曲线

图 6 二极管引脚在 150°C 时的电压曲线

设计和布局指南

精准的过热保护依赖于合适的 NPN 选择和良好的布局。一组简单的设计和布局规则可以在系统运行期间避免许多问题，有助于实现 150±10°C 范围内的过热保护。

过热保护的阈值取决于理想因数 (η)，该值在不同类型的晶体管之间可能差异很大。TI 推荐使用 BJT MMBT3904 作为远程温度检测元件 (Q3)。建议优先选择理想因数接近 1.004 的任何 3904 晶体管制造商的器件，如表 1 所示。

表 1 合适供应商的理想因数详细信息

3904 晶体管制造商	典型理想因数（η 因数）
Diodes Inc.	1.0044
Philips	1.0049
ST Micro	1.0045
On Semi	1.0045
Infineon	1.0044

在控制器的 DIODE 引脚和 GND 引脚之间放置一个 1000pF 的小型滤波电容器 (CF)，用于减轻噪声的影响。
将晶体管 (Q3) 放置在导通 MOSFET 附近，或在并联配置的 MOSFET 之间。
为晶体管 (Q3) 到控制器的连接布设差分对，尽量减少间距，如图 7 所示。将回路直接连接到控制器的 GND 引脚，避免共用接地路径。
Q3 与控制器之间的 PCB 布线电阻过高会导致温度偏移，因此，应使用较粗的布线，从而尽可能地减小寄生电阻。
保持布线尽量短，因为布线越长，越容易拾取因布线电感而产生的噪声。
避免在噪声源（例如快速时钟、开关节点、大电流布线等）附近布线。

图 7 温度检测二极管 (Q3) 的布局和放置建议

结语

TPS4811x-Q1 集成了远程温度检测和过热保护功能，可防止大功率系统设计中出现过热和热失控。为了确保在正确的阈值点提供过热保护，正确选择 NPN 晶体管和布局技术（例如本应用简报中讨论的差分对布线）至关重要。

参考资料

德州仪器 (TI)，优化远程温度传感器设计 应用报告。
德州仪器 (TI)，TPS4811-Q1 具有保护和诊断功能的 100V 汽车级智能高侧驱动器 数据表。