電池供電的電動自行車和電動踏板車為傳統(tǒng)摩托車提供了一種可持續(xù)且環(huán)保的替代方案。許多電動自行車采用較大的 48V 或 36V 電池，在提供充足扭矩的同時支持以更低電流運行。然而，隨著市場對大功率電動自行車需求不斷增長，設(shè)計人員和制造商面臨著確保安全與可靠的重大設(shè)計挑戰(zhàn)。

電動出行系統(tǒng)的核心架構(gòu)是低壓牽引逆變電機，可在正常騎行時輔助蹬踏，并在上坡時減輕騎行者負(fù)擔(dān)。通常位于車輪處的電機能將電能轉(zhuǎn)化為機械能，或?qū)C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）或非受控方式發(fā)生。

當(dāng)電機在非受控（滑行）情況下旋轉(zhuǎn)時，反電動勢會通過功率級的二極管整流將電流反饋至電池。這種慣性滑行狀態(tài)會帶來電池電壓不穩(wěn)定上升的挑戰(zhàn)。當(dāng)出現(xiàn)推車、下坡滑行或騎行者在電池未連接/控制器未喚醒以監(jiān)測供電電壓時蹬踏等情況，系統(tǒng)可能進入供電泵升狀態(tài)（也稱為發(fā)電機模式運行）。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)致電路因電氣過壓事件而受損。系統(tǒng)設(shè)計人員必須確定如何控制系統(tǒng)能量，避免其超過運行限值。

主動短路技術(shù)

主動短路是一種能夠安全耗散大量能量的工程技術(shù)。它通過同時導(dǎo)通所有高側(cè)或低側(cè)金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 實現(xiàn)制動功能，使電機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)動器的電動自行車系統(tǒng)架構(gòu)，該架構(gòu)通過 ASCIN 引腳實現(xiàn)制動模式。

圖 1. 具有制動控制功能的 DRV8363-Q1 的

電動自行車系統(tǒng)方框圖

雖然早期的電動自行車制造商采用了分立式元件來測量電池電壓，并在該電壓超過允許閾值時觸發(fā)制動模式，但外部系統(tǒng)無法對 MOSFET 故障做出動態(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)制動而不是低側(cè)制動，以避免電源對地短路。

在新型設(shè)計中，DRV8363-Q1解決了制動難題，同時通過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)故障時觸發(fā)緊急制動模式。DRV8363-Q1 還可以通過串行外設(shè)接口 (SPI) 觸發(fā)或在過壓情況下自動觸發(fā)主動短路。該柵極驅(qū)動器可配置為根據(jù)寄存器設(shè)置觸發(fā)低側(cè)或高側(cè)制動。

我們在一種電動自行車制動實施方案中發(fā)現(xiàn)了六類主要的故障工況：

類型一

在高側(cè) MOSFET 短路的情況下使用低側(cè)制動時，發(fā)生擊穿狀況（反之亦然）。如果高側(cè) MOSFET 在運行期間損壞，并且系統(tǒng)觸發(fā)低側(cè)主動短路模式，將會形成 48V 電源到地的通路，導(dǎo)致高電流擊穿事件，這可能會損壞系統(tǒng)并給用戶帶來風(fēng)險。

圖 2 中所示 DRV8363-Q1 的高級保護特性包括內(nèi)置以下邏輯：通過漏極到源極電壓監(jiān)測來檢測高側(cè) MOSFET 短路情況，隨后覆蓋低側(cè)主動短路命令以切換到高側(cè)制動，從而在防止接地短路的同時安全地耗散電流。這些保護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. 主動短路狀態(tài)下防止擊穿的智能邏輯

類型二

在制動模式與自由滑行模式之間切換時，電機相位出現(xiàn)高電流尖峰。當(dāng)用戶在下坡滑行時，自由旋轉(zhuǎn)的電機將導(dǎo)致電池電壓上升。在分立式制動模式系統(tǒng)中，當(dāng)電壓超過特定限值時將觸發(fā)制動，從而降低電壓。但是，一旦電壓降至閾值以下，將會停止制動，自由旋轉(zhuǎn)的電機將導(dǎo)致電池電壓再次上升。這種情況適合低電流場景，但在高電流應(yīng)用中可能很危險，制動與自由滑行模式之間的切換會導(dǎo)致電流尖峰，可能損壞板載元件。

DRV8363-Q1 提供了一種高級響應(yīng)模式來控制上升的電壓，使設(shè)計人員能夠根據(jù)系統(tǒng)要求對重試或鎖存制動模式進行編程。

類型三

制動期間發(fā)生 MOSFET 熱損傷。在高電流制動場景中，僅使用低側(cè)或高側(cè)制動都會導(dǎo)致 MOSFET 發(fā)熱，因為在電流耗散時 MOSFET 會持續(xù)導(dǎo)通。圖 3 顯示了兩種制動模式之間的電流流動方向。

憑借通過 SPI 觸發(fā)低側(cè)或高側(cè)制動的功能，DRV8363-Q1 可在高側(cè)和低側(cè)主動短路之間切換，從而幫助散熱并更好地管理電路板熱量。

圖 3. 主動短路實施方案：高側(cè)與低側(cè)

類型四

電源電壓測量不準(zhǔn)確，響應(yīng)時間更慢。分立式制動實施方案通常會受到電池端檢測電壓與 MOSFET 漏極測量電壓不準(zhǔn)確的影響。此外，負(fù)責(zé)發(fā)出制動信號的微控制器 (MCU) 對數(shù)據(jù)進行采樣和解碼可能會導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)延遲，這在緊急情況下會帶來危險。

通過直接測量高側(cè) MOSFET 漏極處的電池電壓，DRV8363-Q1 的集成式主動短路系統(tǒng)可改善過壓事件期間觸發(fā)制動模式的精度和響應(yīng)時間。

類型五

如果 MCU 損壞或存在驅(qū)動器故障狀態(tài)，將無法觸發(fā)主動短路。雖然可通過 MCU 控制的脈寬調(diào)制信號手動進入制動狀態(tài)，但 DRV8363-Q1 中的集成式主動短路功能提供了一種更可靠的制動方法，即使在硬件故期間障也是如此。例如，如果代碼執(zhí)行錯誤或內(nèi)部硬件故障導(dǎo)致 MCU 中斷，DRV8363-Q1 可以自動激活主動短路以應(yīng)對電源過壓情況，而無需使用受 MCU 控制的外部觸發(fā)器。如果 DRV8363-Q1 內(nèi)部出現(xiàn)故障，主動短路會繞過某些內(nèi)部故障，覆蓋關(guān)斷以強制制動。

類型六

增加了布板空間和物料清單 (BOM) 成本。實施分立式主動短路解決方案需要多個比較器和檢測電路，因此會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)格的電動自行車應(yīng)用中是一個問題。

結(jié)語

TI 的 DRV8363-Q1 通過用于制動的主動短路技術(shù)和 MOSFET 監(jiān)測功能，解決了電動出行系統(tǒng)中的特定安全問題。為了增強電動自行車的安全，該器件提供了可編程控制特性，有助于防止?jié)撛诘奈ｋU電壓尖峰，并能在電機和發(fā)電機模式下保持可靠的性能。