【導(dǎo)讀】隨著大功率電動(dòng)自行車市場快速增長，供電泵升效應(yīng)帶來的過壓風(fēng)險(xiǎn)已成為行業(yè)亟需解決的技術(shù)難題，而主動(dòng)短路技術(shù)正為此提供關(guān)鍵解決方案。在現(xiàn)代電動(dòng)自行車系統(tǒng)中，當(dāng)電機(jī)在非受控情況下旋轉(zhuǎn)時(shí)——無論是下坡滑行、推車行進(jìn)，還是電池未連接時(shí)的蹬踏操作，都會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢，通過功率級(jí)的二極管整流將電流反饋至電池。這種供電泵升現(xiàn)象可能導(dǎo)致電池電壓異常上升，超出系統(tǒng)電氣工作極限，引發(fā)嚴(yán)重的過壓損壞事件。
隨著大功率電動(dòng)自行車市場快速增長，供電泵升效應(yīng)帶來的過壓風(fēng)險(xiǎn)已成為行業(yè)亟需解決的技術(shù)難題，而主動(dòng)短路技術(shù)正為此提供關(guān)鍵解決方案。在現(xiàn)代電動(dòng)自行車系統(tǒng)中，當(dāng)電機(jī)在非受控情況下旋轉(zhuǎn)時(shí)——無論是下坡滑行、推車行進(jìn)，還是電池未連接時(shí)的蹬踏操作，都會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢，通過功率級(jí)的二極管整流將電流反饋至電池。這種供電泵升現(xiàn)象可能導(dǎo)致電池電壓異常上升，超出系統(tǒng)電氣工作極限，引發(fā)嚴(yán)重的過壓損壞事件。
面對這一技術(shù)挑戰(zhàn)，主動(dòng)短路技術(shù)通過同時(shí)導(dǎo)通所有高側(cè)或低側(cè)MOSFET，使電機(jī)短路形成高電流循環(huán)路徑，從而安全耗散能量，成為保障系統(tǒng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新。
技術(shù)原理與系統(tǒng)架構(gòu)
主動(dòng)短路技術(shù)的核心機(jī)制是通過精確控制功率MOSFET的導(dǎo)通狀態(tài)，在檢測到系統(tǒng)異常時(shí)迅速建立安全的能量耗散路徑。與傳統(tǒng)的機(jī)械制動(dòng)方式不同，這種電子制動(dòng)技術(shù)能在微秒級(jí)時(shí)間內(nèi)響應(yīng)過壓事件，有效防止電壓尖峰對電子元件的損害。
在典型的電動(dòng)自行車系統(tǒng)架構(gòu)中，以TI的DRV8363-Q1柵極驅(qū)動(dòng)器為例，其ASCIN引腳專門用于實(shí)現(xiàn)制動(dòng)模式控制。該架構(gòu)通過集成化的設(shè)計(jì)，將電壓監(jiān)測、故障診斷和制動(dòng)觸發(fā)功能整合于單一芯片，顯著提升了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和可靠性。
相比早期依賴分立元件實(shí)現(xiàn)電壓監(jiān)測和制動(dòng)觸發(fā)的方案，現(xiàn)代集成解決方案的優(yōu)勢顯而易見。分立方案不僅響應(yīng)速度較慢，而且無法動(dòng)態(tài)應(yīng)對MOSFET故障等復(fù)雜情況。例如，當(dāng)高側(cè)MOSFET發(fā)生損壞時(shí)，系統(tǒng)需要智能地選擇高側(cè)制動(dòng)而非低側(cè)制動(dòng)，以避免形成電源到地的直接短路路徑。
圖 1 展示了采用 TI DVR8363-Q1 柵極驅(qū)動(dòng)器的電動(dòng)自行車系統(tǒng)架構(gòu)，該架構(gòu)通過 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)自行車系統(tǒng)方框圖
六類典型故障工況分析
在電動(dòng)自行車制動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行中，主要存在六類關(guān)鍵故障工況，每一類都對系統(tǒng)安全性構(gòu)成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)：
●擊穿故障是最危險(xiǎn)的工況之一。當(dāng)高側(cè)MOSFET發(fā)生短路時(shí)，若錯(cuò)誤觸發(fā)低側(cè)主動(dòng)短路模式，將形成48V電源到地的直接通路，導(dǎo)致毀滅性的高電流擊穿事件。現(xiàn)代柵極驅(qū)動(dòng)器通過內(nèi)置的漏極-源極電壓監(jiān)測功能，能夠智能檢測MOSFET短路狀態(tài)，并自動(dòng)調(diào)整制動(dòng)策略，從根源上避免此類風(fēng)險(xiǎn)。
●電流尖峰問題同樣不容忽視。在傳統(tǒng)分立制動(dòng)系統(tǒng)中，當(dāng)電池電壓在閾值上下波動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)頻繁在制動(dòng)模式與自由滑行模式間切換，這種振蕩行為在高電流應(yīng)用中會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)的電流尖峰。集成解決方案通過可編程的重試或鎖存制動(dòng)模式，確保了狀態(tài)切換的平穩(wěn)性。
●熱管理挑戰(zhàn)在持續(xù)制動(dòng)場景中尤為突出。單一使用低側(cè)或高側(cè)制動(dòng)會(huì)導(dǎo)致MOSFET集中發(fā)熱，可能超出器件 thermal 設(shè)計(jì)極限。先進(jìn)的柵極驅(qū)動(dòng)器支持在高側(cè)和低側(cè)主動(dòng)短路之間動(dòng)態(tài)切換，實(shí)現(xiàn)熱量分布的優(yōu)化管理。
此外，測量精度不足、MCU失效以及BOM成本壓力共同構(gòu)成了另外三大挑戰(zhàn)。集成方案通過直接測量MOSFET漏極電壓提升了檢測精度，具備獨(dú)立于MCU的自動(dòng)制動(dòng)能力增強(qiáng)了系統(tǒng)魯棒性，同時(shí)減少了外部元件數(shù)量，降低了總體成本和布板空間需求。
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(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
技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵創(chuàng)新
DRV8363-Q1的創(chuàng)新之處在于其全面的保護(hù)邏輯和診斷特性。該器件不僅能夠通過SPI接口或?qū)Ｓ靡_觸發(fā)主動(dòng)短路，還能夠在過壓情況下自動(dòng)啟動(dòng)制動(dòng)模式。其智能故障檢測機(jī)制可實(shí)時(shí)監(jiān)控功率級(jí)狀態(tài)，在檢測到異常時(shí)自動(dòng)選擇最安全的制動(dòng)路徑。
在熱管理方面，該器件支持交替制動(dòng)策略，通過周期性地在高側(cè)和低側(cè)制動(dòng)模式間切換，將功耗分散到更多的MOSFET上，有效降低單個(gè)器件的溫升。實(shí)測數(shù)據(jù)表明，這種策略可將MOSFET在制動(dòng)期間的工作溫度降低20-30℃，顯著提升了系統(tǒng)的可靠性。
針對系統(tǒng)響應(yīng)速度這一關(guān)鍵指標(biāo)，集成方案通過硬件級(jí)過壓檢測電路實(shí)現(xiàn)了微秒級(jí)的響應(yīng)時(shí)間，遠(yuǎn)快于傳統(tǒng)MCU基于軟件采樣的方案。這種快速的響應(yīng)能力對于防止瞬時(shí)過壓事件造成的永久性損傷至關(guān)重要。
圖 3. 主動(dòng)短路實(shí)施方案：高側(cè)與低側(cè)
實(shí)際應(yīng)用價(jià)值與前景
在實(shí)際的電動(dòng)自行車應(yīng)用中，主動(dòng)短路技術(shù)已經(jīng)展現(xiàn)出顯著的價(jià)值。測試數(shù)據(jù)顯示，采用集成解決方案的系統(tǒng)在應(yīng)對供電泵升事件時(shí)，能夠?qū)⑦^壓幅度控制在安全范圍內(nèi)，避免了對電容、MOSFET等敏感元件的損害。
從用戶體驗(yàn)角度，該技術(shù)使得電動(dòng)自行車在下坡等場景中能夠保持穩(wěn)定的電制動(dòng)性能，無需用戶頻繁操作機(jī)械剎車，既提升了安全性又延長了剎車系統(tǒng)的使用壽命。同時(shí)，通過防止過壓事件對電子系統(tǒng)的損害，還顯著降低了產(chǎn)品的故障率和維護(hù)成本。
隨著電動(dòng)自行車功率等級(jí)的不斷提升和功能安全要求的日益嚴(yán)格，主動(dòng)短路技術(shù)將繼續(xù)演進(jìn)。未來的發(fā)展方向包括更精確的故障預(yù)測算法、更高效的散熱管理策略，以及與整車能量回收系統(tǒng)的深度集成。
主動(dòng)短路技術(shù)作為電動(dòng)自行車電子系統(tǒng)的關(guān)鍵安全機(jī)制，通過智能的能量耗散路徑設(shè)計(jì)，有效解決了供電泵升帶來的過壓風(fēng)險(xiǎn)。隨著技術(shù)方案的持續(xù)優(yōu)化和成本下降，這一技術(shù)有望成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)配置，為電動(dòng)自行車的安全可靠運(yùn)行提供堅(jiān)實(shí)保障。
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