為汽車區域式配電系統的車外電容負載供電
- NEST085 August 2024 TPS1200-Q1 , TPS1211-Q1

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Analog Design Journal

為汽車區域式配電系統的車外電容負載供電

1 簡介

車輛架構從域式架構轉換至區域式架構的趨勢，正大幅改變汽車配電，讓半導體開關式解決方案 (請參閱圖 1) 取代了用於保護線束的傳統熔斷保險絲。這類解決方案提供的優點包括降低保險絲時間電流的變異性，因此具備縮減纜線直徑、重量和線束成本的潛力。半導體開關也可遠端重設，這意味著不一定需要容易觸及保險絲，如此一來，設計師安置保險絲的位置，就可是從電源到負載的纜線長度較短的位置。

圖 1 域式配電架構。

圖 2 區域式配電架構。

將半導體開關做為智慧保險絲裝置使用時，會面臨的系統設計挑戰包括需在開關處於開啟狀態時降低靜態電流，以及需開啟輸出，以對通常位於負載處的大型電容負載供電 (電子控制單元 [ECU] 輸入)。根據 ECU 類型和在各配電箱 (PDB) 輸出一併連接的 ECU 數量而定，ECU 的輸入電容範圍為 47µF 至 5mF，且需考量啟動時間 (快速充電時間 <1ms、中等充電時間 <10ms、緩慢充電時間 <50ms)。在 ECU 啟動時間內，透過金屬氧化半導體場效電晶體 (MOSFET) 開關為這些 ECU 輸入電容器充電，是區域式架構的主要系統設計挑戰之一。

在本文中，我們將探討各種技術，以因應使用高壓側開關控制器來驅動電容負載的挑戰。

2 輸出電壓的電壓轉換速率控制

在此方法中，將電容器 (C) 置於閘 - GND 之間，閘的電壓轉換速率和輸出電壓會限制突波電流。具有輸出電壓電壓轉換速率控制的電路配置如圖 3 所示。

方程式 1 和方程式 2 可計算啟動時的突波電流和功率消耗，如下所示：

方程式 1.

$I_{I N R} = C_{O U T} \times \frac{{d V}_{O U T}}{d t}$

方程式 2.

$P_{D (V o u t = 0)} = V_{I N} \times I_{I N R}$

由於 MOSFET 在飽和區域中運作，因此突波電流應低至足以在啟動期間，將功耗維持在安全操作區 (SOA) 內。當 MOSFET 的功率消耗降低，且分散在較長時間內時，MOSFET 就可處理更多能量 (1/2 C_OUTV_IN²)。因此，突波間隔需要延展為較長的時間，以支援更高的電容負載。

此方法適用於需要緩慢充電的情況 (例如 5mF 和 50ms)，但是設計必須一律包括在 C_OUT、FET SOA、充電時間和操作溫度之間的取捨。舉例來說，使用 TI 的高壓側切換控制器 TPS1211-Q1 做為閘極驅動器，將 5mF 充電至 12V 時需要 40ms，且突波電流限制為 1.5A。參考資料 [1] 使用此方法以重複在啟動期間檢查 FET SOA 的程序，而參考資料 [2] 則是可估計特定 MOSFET 之 SOA 裕度的線上工具。

圖 3 輸出電壓的電壓轉換速率控制電路。

3 並聯預充電路徑

此方法通常用於需要額外閘極驅動器以驅動預充電 FET 的高電流並聯 FET 架構設計中，如圖 4 所示。您可使用方程式 3 選擇預充電路徑中的預充電電阻器 (Rpre-ch)，將突波電流限制為特定值：

方程式 3.

$R_{p r e - c h} = \frac{V_{I N}}{I_{I N R}}$

由於預充電電阻器會在啟動期間處理所有功率應力，因此其應能處理平均和峰值功耗，這分別以方程式 4 和方程式 5 表示：

方程式 4.

$P_{a v g} = \frac{E_{p r e - c h}}{T_{p r e - c h}} = \frac{0.5 \times C_{O U T} \times V_{I N}^{2}}{5 \times R_{p r e - c h} \times C_{O U T}}$

方程式 5.

$P_{p e a k} = \frac{V_{I N}^{2}}{R_{p r e - c h}}$

圖 4 在並聯路徑中具有預充電電阻器與 FET 的電路。

在這種情況下，可以對輸出快速充電，然而代價是預充電電阻器會非常龐大。例如，在 10ms 內將 5mF 充電至 12V 時，需要額定值為 36W 的 0.4Ω 預充電電阻器，且峰值功率處理能力為 360W，這會導致線繞電阻器相當龐大。因此，此解決方案對許多類型的終端設備而言皆不可行，因為在同一 PCB 上會有許多通道。而每個通道都需要龐大的電阻器，導致解決方案的空間效率不彰。

4 自動 PWM 式電容器充電

如圖 5 中所示，PCB 中的高壓側驅動器輸出會透過從 1 公尺到數公尺不等的冗長纜線連接至遠端 ECU。例如，50A 電線 (8AWG) 線束的特性為每公尺 2mΩ 和每公尺 1.5µH。D1 二極體是屬於系統設計的一部分，可為纜線線束電感電流提供續流路徑。高壓側驅動器具有強大的閘極驅動輸出，可與短路 (<1µs) 開啟和關閉時間平行驅動 FET，以提供過電流與短路保護。纜線寄生、D1 二極體與高壓側 MOSFET 構成了典型的降壓穩壓器配置。

在啟動期間，未充電的輸出電容器會消耗突波電流，並在突波電流達到短路保護閾值 (I_SCP) 時觸發短路事件。高壓側驅動器會關閉電源路徑，並在重試期間後重新起始開啟 (T_AUTO-RETRY)。此程序會持續到輸出電容充滿電為止，如圖 6 中所示，隨後高壓側驅動器會進入正常運作並驅動負載。

圖 5 使用高壓側驅動器進行脈衝寬度調變 (PWM) 充電的電路表示。

圖 6 啟動期間的 PWM 充電方法概念波形。

圖 7 說明了控制操作。我們可以看到此方法有兩個變數，也就是 I_SCP 和 T_AUTO-RETRY，其需要根據輸入電壓 (V_IN)、負載電容和所需充電時間，針對高壓側驅動器進行設定。較高的 I_SCP 閾值或較短的 T_AUTO-RETRY 延遲可加快輸出充電速度，讓解決方案可通用於任何負載電容值。

圖 7 PWM 充電控制方法的流程圖。

此解決方案運用典型高壓側驅動器系統 (纜線線束電感與 D1 二極體) 中現有的可用固定空間，並透過在切換模式下操作高壓側 MOSFET，建立有效率的充電方法。與傳統方法不同，此處提出的解決方案不再需要依賴 FET SOA，也不需要龐大的預充電電阻器、預充電 FET 和驅動器。此解決方案使用高壓側驅動器固有的短路保護功能，並可在沒有任何外部控制訊號或複雜演算法的情況下自動執行。

5 設計考量及測試結果

請考量這個 50A 負載的系統設計範例：

電池電壓 (V_BATT) = 12V。
負載電容 (C_LOAD) = 5mF。
1.5m 纜線 = 8AWG 將高壓側驅動器連接至 ECU，得到 L_cable = 2.25µH。
充電時間 (T_charge) = 10ms
續流二極體壓降 (V_D1) = 0.7V。

此設計包含選擇 I_SCP 和 T_AUTO-RETRY 參數。在 50A 負載設計中，I_SCP 閾值通常設定為比最大負載電流高 20%，因此在此範例中為 50A × 1.2 = 60A。

現在，若要計算 T_AUTO-RETRY，請參閱圖 6，並使用中點 T_charge/2 之電容器的電流電壓關係，以獲得方程式 6：

方程式 6.

$\frac{({I_{s t a r t} + I}_{m i d})}{3} \times \frac{T_{c h a r g e}}{2} = C_{L O A D} \times \frac{V_{B A T T}}{2}$

其中：

方程式 7.

$I_{s t a r t} = \frac{I_{S C P} \times (T_{O N 1} + T_{O F F 1})}{2 \times (T_{O N 1} + T_{A U T O - R E T R Y})}$

以及

方程式 8.

$I_{m i d} = \frac{I_{S C P} \times 2 \times T_{O N_m i d}}{2 \times (T_{O N_m i d} + T_{A U T O - R E T R Y})}$

時間間隔 TON1、TOFF1 和 TON_mid 可使用方程式 9 至方程式 11 計算：

方程式 9.

$T_{O N 1} = \frac{L_{c a b l e} \times I_{S C P}}{V_{B A T T}}$

方程式 10.

$T_{O F F 1} = \frac{L_{c a b l e} \times I_{S C P}}{V_{D 1}}$

方程式 11.

$T_{O N_m i d} = \frac{L_{c a b l e} \times I_{S C P}}{(\frac{V_{B A T T}}{2})}$

替換已知參數 V_BATT、L_cable、I_SCP、V_D1 和 C_LOAD，並解出 T_AUTO-RETRY，即可提供 <200µs 的延遲，實現 10ms 的充電時間。

圖 8 和圖 9 顯示使用 TPS1211-Q1 高壓側驅動器為 5mF 負載電容充電的應用電路圖和測試設定。T_AUTO-RETRY 是 180µs，因此充電時間為 7ms，如圖 10 所示。

圖 8 驅動電容負載的典型應用電路圖。

圖 9 使用具有 1.5m 纜線線束之 TPS1211-Q1 評估模組的測試設定。

圖 10 在切換模式下使用 TPS1211-Q1，以 5mF 負載電容啟動。

6 結論

相較於傳統熔斷保險絲，半導體式智慧保險絲解決方案在汽車配電領域中越來越受歡迎，因為其可透過軟體大幅改善保險絲時間電流特性和可重設性。這些優勢可減少整體纜線組束重量，因為纜線可更細且更短。

半導體式智慧保險絲解決方案的系統設計挑戰之一，在於電容器負載充電是否可滿足系統啟動時間需求。TI 的高壓側開關控制器裝置可提供多種技術，以因應電容負載驅動的挑戰。