NEST085 August 2024 TPS1200-Q1 , TPS1211-Q1
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。
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。
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:
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 COUTVIN2)。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 COUT、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。
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:
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:
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。
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 (ISCP) 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 (TAUTO-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 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 ISCP 和 TAUTO-RETRY,其需要根據輸入電壓 (VIN)、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 ISCP 閾值或較短的 TAUTO-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。
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。
請考量這個 50A 負載的系統設計範例:
此設計包含選擇 ISCP 和 TAUTO-RETRY 參數。在 50A 負載設計中,ISCP 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 TAUTO-RETRY,請參閱 圖 6,並使用中點 Tcharge/2 之電容器的電流電壓關係,以獲得 方程式 6:
其中:
以及
時間間隔 TON1、TOFF1 和 TON_mid 可使用 方程式 9 至 方程式 11 計算:
替換已知參數 VBATT、Lcable、ISCP、VD1 和 CLOAD,並解出 TAUTO-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。TAUTO-RETRY 是 180µs,因此充電時間為 7ms,如 圖 10 所示。