ZHCAEM2 October 2024 TPS4811-Q1

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系統簡介

為了滿足嚴格的排放目標，人們對車輛電氣化的需求不斷增長，汽車制造商采用了雙 48V/12V 電池系統。這種電池系統支持工程師將空調壓縮機、電動助力轉向等所有高功耗負載轉到由 48V 電池供電，而 12V 電池繼續為照明、信息娛樂等其余負載供電。圖 1 是 48V/12V 電池系統的典型方框圖，其中高側開關控制器驅動外部 MOSFET，用作電池斷開開關和電路斷路器。這些系統設計包括直流/直流轉換器、電池管理系統和配電箱等，均在雙電池系統中運行。

圖 1 電動汽車中雙向 48V 至 12V 系統的方框圖

在此類大功率設計中，驅動外部功率 MOSFET 時，電源設計工程師的主要考慮因素之一是確保強大的熱保護，以防止過熱和熱失控。因此，精確的溫度檢測和過熱保護至關重要。本應用簡報介紹了使用 TI 智能高側開關控制器實現遠程溫度檢測和保護的設計注意事項。

TPS4811x-Q1 和 TPS1211x-Q1 是 TI 的智能高側開關控制器，具有保護和診斷功能。這些器件集成了遠程溫度檢測、保護及專用故障輸出功能。遠程溫度測量使用采用二極管配置的外部晶體管來完成，如圖 2 所示。

圖 2 用于直流/直流轉換器的斷路器

基于二極管的遠程溫度檢測

一個常見的方法是使用外部 NPN 雙極結型晶體管 (BJT) 作為遠程溫度檢測元件。NPN 晶體管以二極管模式連接，以便支持通過基極發射極正向電壓估算器件或 PCB 的外殼溫度。標準 Ebers-Moll 模型提供了集電極電流的簡化公式，如方程式 1 所示。

方程式 1.

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

方程式 2.

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

其中

I_c 是集電極電流
I_S 是反向飽和電流
V_BE 是基極發射極正向壓降
V_T 是熱電壓
T 是以開爾文度為單位的晶體管溫度
? 是理想因數（? 因數），因制造商而異
k 是玻爾茲曼常數 (1.38×10^-23 J/Kelvin)
q 是電子的電荷 (1.602×10^-19 C)
k/q 是常數 (8.61423×10^-5)

求解可得出溫度，結果為方程式 3

方程式 3.

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

由于 η 因數、k 和 I_S 都是常數，測量溫度的直接方法是施加集電極電流、測量電壓，然后相應地計算溫度。然而，反向飽和電流會因工藝而異，且變化范圍較大，對溫度測量的準確性有顯著影響。為了克服這些缺點，兩電流差分法逐漸流行。此方法使用兩個不同的電流，溫度通過兩次二極管電壓 (V_BE) 值的差值來確定，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{?kT}{q} \ln (\frac{I_{2}}{I_{S}}) - \frac{?kT}{q} \ln (\frac{I_{1}}{I_{S}}) = \frac{?kT}{q} \ln (\frac{I_{2}}{I_{1}})

方程式 6.

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

通過保持精確的電流比 (I₂/I₁)，該方法消除了反向飽和電流 (I_S) 的工藝變化影響，確保了溫度測量僅依賴于 η 因數。與 I_S 相比，η 因數相對穩定，可從晶體管制造商處獲得。

使用 TI 高側開關控制器實現過熱保護

TPS4811x-Q1/TPS1211x-Q1 控制器通過向外部晶體管施加兩個不同的電流 10μA(I₁) 和 160μA(I₂)，測量 V_BE 電壓的變化 (ΔV_BE) 來檢測過熱，并在任何故障條件下觸發熱關斷以關閉外部 MOSFET。該器件還具有專用的故障引腳 (FLT_T)，當檢測到過熱故障時，該引腳會拉低。TPS4811x-Q1 中基于二極管的遠程溫度檢測方案的簡化方框圖如圖 3 所示。

圖 3 TPS4811x-Q1 中基于二極管的遠程溫度檢測

隨著 PCB 溫度的升高，ΔV_BE 相應增加；在 150°C 時，ΔV_BE 接近 101.5mV，這是 TPS4811x-Q1 觸發過熱保護的內部閾值。圖 4 顯示了過熱保護方案的時序圖。

在 TPS48110-Q1 中，一旦檢測到溫度達到大約 150°C，器件就會將柵極驅動器下拉電阻 (PD) 拉至 MOSFET 的源極 (SRC)，關閉外部 MOSFET 并將 FLT_T 拉低。當溫度降至 135°C 后，器件會啟動一個 512ms 的內部固定自動重試周期。在 512ms 重試周期結束后，器件將導通外部 MOSFET，并將 FLT_T 取消置位。

在 TPS48111-Q1 中，一旦檢測到溫度超過 150°C，器件便會關斷外部 FET，并保持鎖存狀態。可以通過將 V_EN/UVLO 切換至低于 V_(ENF)，或者對 V_S 進行上電下電使其低于 V_{(VS_PORF)} 來使鎖存復位。

圖 5 和圖 6 展示了二極管引腳在室溫和過熱關斷瞬間的電壓曲線。

圖 4 過熱保護方案時序圖

圖 5 二極管引腳在 25°C 時的電壓曲線

圖 6 二極管引腳在 150°C 時的電壓曲線

設計和布局指南

精準的過熱保護依賴于合適的 NPN 選擇和良好的布局。一組簡單的設計和布局規則可以在系統運行期間避免許多問題，有助于實現 150±10°C 范圍內的過熱保護。

過熱保護的閾值取決于理想因數 (η)，該值在不同類型的晶體管之間可能差異很大。TI 推薦使用 BJT MMBT3904 作為遠程溫度檢測元件 (Q3)。建議優先選擇理想因數接近 1.004 的任何 3904 晶體管制造商的器件，如表 1 所示。

表 1 合適供應商的理想因數詳細信息

3904 晶體管制造商	典型理想因數（η 因數）
Diodes Inc.	1.0044
Philips	1.0049
ST Micro	1.0045
On Semi	1.0045
Infineon	1.0044

在控制器的 DIODE 引腳和 GND 引腳之間放置一個 1000pF 的小型濾波電容器 (CF)，用于減輕噪聲的影響。
將晶體管 (Q3) 放置在導通 MOSFET 附近，或在并聯配置的 MOSFET 之間。
為晶體管 (Q3) 到控制器的連接布設差分對，盡量減少間距，如圖 7 所示。將回路直接連接到控制器的 GND 引腳，避免共用接地路徑。
Q3 與控制器之間的 PCB 布線電阻過高會導致溫度偏移，因此，應使用較粗的布線，從而盡可能地減小寄生電阻。
保持布線盡量短，因為布線越長，越容易拾取因布線電感而產生的噪聲。
避免在噪聲源（例如快速時鐘、開關節點、大電流布線等）附近布線。

圖 7 溫度檢測二極管 (Q3) 的布局和放置建議

結語

TPS4811x-Q1 集成了遠程溫度檢測和過熱保護功能，可防止大功率系統設計中出現過熱和熱失控。為了確保在正確的閾值點提供過熱保護，正確選擇 NPN 晶體管和布局技術（例如本應用簡報中討論的差分對布線）至關重要。

參考資料

德州儀器 (TI)，優化遠程溫度傳感器設計 應用報告。
德州儀器 (TI)，TPS4811-Q1 具有保護和診斷功能的 100V 汽車級智能高側驅動器 數據表。