電池供電的電動(dòng)自行車(chē)和電動(dòng)踏板車(chē)為傳統(tǒng)摩托車(chē)提供了一種可持續(xù)且環(huán)保的替代方案。許多電動(dòng)自行車(chē)采用較大的 48V 或 36V 電池，在提供充足扭矩的同時(shí)支持以更低電流運(yùn)行。然而，隨著市場(chǎng)對(duì)大功率電動(dòng)自行車(chē)需求不斷增長(zhǎng)，設(shè)計(jì)人員和制造商面臨著確保安全與可靠的重大設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。
電動(dòng)出行系統(tǒng)的核心架構(gòu)是低壓牽引逆變電機(jī)，可在正常騎行時(shí)輔助蹬踏，并在上坡時(shí)減輕騎行者負(fù)擔(dān)。通常位于車(chē)輪處的電機(jī)能將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。后一種轉(zhuǎn)化方式可能以受控方式（再生制動(dòng)）或非受控方式發(fā)生。
當(dāng)電機(jī)在非受控（滑行）情況下旋轉(zhuǎn)時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)會(huì)通過(guò)功率級(jí)的二極管整流將電流反饋至電池。這種慣性滑行狀態(tài)會(huì)帶來(lái)電池電壓不穩(wěn)定上升的挑戰(zhàn)。當(dāng)出現(xiàn)推車(chē)、下坡滑行或騎行者在電池未連接/控制器未喚醒以監(jiān)測(cè)供電電壓時(shí)蹬踏等情況，系統(tǒng)可能進(jìn)入供電泵升狀態(tài)（也稱(chēng)為發(fā)電機(jī)模式運(yùn)行）。若不加以控制，供電電壓可能超出電氣系統(tǒng)工作極限，導(dǎo)致電路因電氣過(guò)壓事件而受損。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須確定如何控制系統(tǒng)能量，避免其超過(guò)運(yùn)行限值。
主動(dòng)短路技術(shù)
主動(dòng)短路是一種能夠安全耗散大量能量的工程技術(shù)。它通過(guò)同時(shí)導(dǎo)通所有高側(cè)或低側(cè)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 實(shí)現(xiàn)制動(dòng)功能，使電機(jī)短路并形成一條流經(jīng) MOSFET 的高電流循環(huán)路徑，避免電流流向電源。
圖 1 展示了采用 TI DVR8363-Q1 柵極驅(qū)動(dòng)器的電動(dòng)自行車(chē)系統(tǒng)架構(gòu)，該架構(gòu)通過(guò) ASCIN 引腳實(shí)現(xiàn)制動(dòng)模式。
圖 1. 具有制動(dòng)控制功能的 DRV8363-Q1 的電動(dòng)自行車(chē)系統(tǒng)方框圖
雖然早期的電動(dòng)自行車(chē)制造商采用了分立式元件來(lái)測(cè)量電池電壓，并在該電壓超過(guò)允許閾值時(shí)觸發(fā)制動(dòng)模式，但外部系統(tǒng)無(wú)法對(duì) MOSFET 故障做出動(dòng)態(tài)反應(yīng)。例如，如果系統(tǒng)故障指示高側(cè) MOSFET 損壞，則需要使用高側(cè)制動(dòng)而不是低側(cè)制動(dòng)，以避免電源對(duì)地短路。
在新型設(shè)計(jì)中，DRV8363-Q1 解決了制動(dòng)難題，同時(shí)通過(guò)特性集成減小了布板空間。邏輯電平 ASCIN 引腳可以在發(fā)生系統(tǒng)故障時(shí)觸發(fā)緊急制動(dòng)模式。DRV8363-Q1 還可以通過(guò)串行外設(shè)接口 (SPI) 觸發(fā)或在過(guò)壓情況下自動(dòng)觸發(fā)主動(dòng)短路。該柵極驅(qū)動(dòng)器可配置為根據(jù)寄存器設(shè)置觸發(fā)低側(cè)或高側(cè)制動(dòng)。
我們?cè)谝环N電動(dòng)自行車(chē)制動(dòng)實(shí)施方案中發(fā)現(xiàn)了六類(lèi)主要的故障工況：
在高側(cè) MOSFET 短路的情況下使用低側(cè)制動(dòng)時(shí)，發(fā)生擊穿狀況（反之亦然）。如果高側(cè) MOSFET 在運(yùn)行期間損壞，并且系統(tǒng)觸發(fā)低側(cè)主動(dòng)短路模式，將會(huì)形成 48V 電源到地的通路，導(dǎo)致高電流擊穿事件，這可能會(huì)損壞系統(tǒng)并給用戶帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。
圖 2 中所示 DRV8363-Q1 的高級(jí)保護(hù)特性包括內(nèi)置以下邏輯：通過(guò)漏極到源極電壓監(jiān)測(cè)來(lái)檢測(cè)高側(cè) MOSFET 短路情況，隨后覆蓋低側(cè)主動(dòng)短路命令以切換到高側(cè)制動(dòng)，從而在防止接地短路的同時(shí)安全地耗散電流。這些保護(hù)邏輯和診斷特性既提升了用戶安全性又降低了固件資源需求。
圖 2. 主動(dòng)短路狀態(tài)下防止擊穿的智能邏輯
? 在制動(dòng)模式與自由滑行模式之間切換時(shí)，電機(jī)相位出現(xiàn)高電流尖峰。當(dāng)用戶在下坡滑行時(shí)，自由旋轉(zhuǎn)的電機(jī)將導(dǎo)致電池電壓上升。在分立式制動(dòng)模式系統(tǒng)中，當(dāng)電壓超過(guò)特定限值時(shí)將觸發(fā)制動(dòng)，從而降低電壓。但是，一旦電壓降至閾值以下，將會(huì)停止制動(dòng)，自由旋轉(zhuǎn)的電機(jī)將導(dǎo)致電池電壓再次上升。這種情況適合低電流場(chǎng)景，但在高電流應(yīng)用中可能很危險(xiǎn)，制動(dòng)與自由滑行模式之間的切換會(huì)導(dǎo)致電流尖峰，可能損壞板載元件。
DRV8363-Q1 提供了一種高級(jí)響應(yīng)模式來(lái)控制上升的電壓，使設(shè)計(jì)人員能夠根據(jù)系統(tǒng)要求對(duì)重試或鎖存制動(dòng)模式進(jìn)行編程。
制動(dòng)期間發(fā)生 MOSFET 熱損傷。在高電流制動(dòng)場(chǎng)景中，僅使用低側(cè)或高側(cè)制動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致 MOSFET 發(fā)熱，因?yàn)樵陔娏骱纳r(shí) MOSFET 會(huì)持續(xù)導(dǎo)通。圖 3 顯示了兩種制動(dòng)模式之間的電流流動(dòng)方向。
憑借通過(guò) SPI 觸發(fā)低側(cè)或高側(cè)制動(dòng)的功能，DRV8363-Q1 可在高側(cè)和低側(cè)主動(dòng)短路之間切換，從而幫助散熱并更好地管理電路板熱量。
圖 3. 主動(dòng)短路實(shí)施方案：高側(cè)與低側(cè)
電源電壓測(cè)量不準(zhǔn)確，響應(yīng)時(shí)間更慢。分立式制動(dòng)實(shí)施方案通常會(huì)受到電池端檢測(cè)電壓與 MOSFET 漏極測(cè)量電壓不準(zhǔn)確的影響。此外，負(fù)責(zé)發(fā)出制動(dòng)信號(hào)的微控制器 (MCU) 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣和解碼可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)延遲，這在緊急情況下會(huì)帶來(lái)危險(xiǎn)。
通過(guò)直接測(cè)量高側(cè) MOSFET 漏極處的電池電壓，DRV8363-Q1 的集成式主動(dòng)短路系統(tǒng)可改善過(guò)壓事件期間觸發(fā)制動(dòng)模式的精度和響應(yīng)時(shí)間。
如果 MCU 損壞或存在驅(qū)動(dòng)器故障狀態(tài)，將無(wú)法觸發(fā)主動(dòng)短路。雖然可通過(guò) MCU 控制的脈寬調(diào)制信號(hào)手動(dòng)進(jìn)入制動(dòng)狀態(tài)，但 DRV8363-Q1 中的集成式主動(dòng)短路功能提供了一種更可靠的制動(dòng)方法，即使在硬件故期間障也是如此。例如，如果代碼執(zhí)行錯(cuò)誤或內(nèi)部硬件故障導(dǎo)致 MCU 中斷，DRV8363-Q1 可以自動(dòng)激活主動(dòng)短路以應(yīng)對(duì)電源過(guò)壓情況，而無(wú)需使用受 MCU 控制的外部觸發(fā)器。如果 DRV8363-Q1 內(nèi)部出現(xiàn)故障，主動(dòng)短路會(huì)繞過(guò)某些內(nèi)部故障，覆蓋關(guān)斷以強(qiáng)制制動(dòng)。
增加了布板空間和物料清單 (BOM) 成本。實(shí)施分立式主動(dòng)短路解決方案需要多個(gè)比較器和檢測(cè)電路，因此會(huì)增加最終解決方案的 BOM 成本并占用布板空間，這在空間和重量要求較為嚴(yán)格的電動(dòng)自行車(chē)應(yīng)用中是一個(gè)問(wèn)題。
結(jié)語(yǔ)
TI 的 DRV8363-Q1 通過(guò)用于制動(dòng)的主動(dòng)短路技術(shù)和 MOSFET 監(jiān)測(cè)功能，解決了電動(dòng)出行系統(tǒng)中的特定安全問(wèn)題。為了增強(qiáng)電動(dòng)自行車(chē)的安全，該器件提供了可編程控制特性，有助于防止?jié)撛诘奈ｋU(xiǎn)電壓尖峰，并能在電機(jī)和發(fā)電機(jī)模式下保持可靠的性能。
