基于Power PROFET™ BTS50010 - 1TAE的两轮车启动继电器设计方案

在两轮车（摩托车和踏板车）的设计领域，启动继电器的性能和可靠性至关重要。传统的机电继电器在应对高浪涌电流和频繁的开关操作时，往往暴露出寿命短、易损坏等问题。而英飞凌的Power PROFET™ BTS50010 - 1TAE作为一款固态继电器，为解决这些问题提供了有效的解决方案。

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一、两轮车启动继电器简介

1.1 启动电机的工作特点

对于发动机小于150 cc的摩托车或踏板车，常用的启动电机是小型直流有刷电机。这类电机具有体积小、扭矩比合适、结构简单和成本低等优点。然而，由于车载电池电压仅为12 V，而启动发动机最初几圈所需的扭矩非常大，这意味着需要很高的电功率。根据功率公式P = UI，在低电压下就会产生高达250 A的浪涌电流。

1.2 传统机电继电器的问题

传统的机电继电器由逻辑电路控制其线圈，进而控制机械触点的通断。但由于启动时的高浪涌电流和关断时电机电感的退磁能量，机电继电器的寿命通常只有50000次开关循环。在一些需要频繁启停发动机的使用场景下，其使用寿命可能仅为3.5年左右，甚至会在保修期内就出现故障，增加了用户和OEM的更换成本。

二、Infineon PROFET™ BTS50010 - 1TAE的特性

2.1 产品概述

Power PROFET™（PROtected MOSFET）是一系列高性能的高端开关，专门用于高电流应用中的继电器和保险丝替代。BTS50010 - 1TAE是一款1 mΩ的单通道智能高端功率开关，采用D2PAK 7引脚封装，具备保护功能和诊断功能。其功率晶体管由带电荷泵的N沟道功率MOSFET构成。

2.2 保护和诊断功能

• 欠压关断：阈值为5 V ± 0.5 V，当电源电压低于此阈值时，器件会自动关闭，保护电路安全。
• 反接电池保护：通过开启内部MOSFET来防止反接电池时对器件造成损坏。
• 接地丢失保护：确保在接地丢失的情况下安全切断负载。
• 过温和过流（短路）保护：采用锁定机制，当检测到过温或过流时，器件会锁定并切断负载，直到故障排除。

2.3 与传统解决方案的对比

与传统的继电器和保险丝系统相比，BTS50010 - 1TAE具有诸多优势。如下表所示：	特性	继电器	BTS50010 - 1TAE SSR
抗老化能力	低	高
抗腐蚀能力	无	有
高循环次数能力	无	有
微控制器直接驱动能力	无	有
自我保护	单次	可重置
诊断功能	无	有
效率	低	高

此外，BTS50010 - 1TAE的体积和重量更小（小于1.5 g），相比传统的启动继电器（4 g - 40 g）具有明显优势。而且在短路发生时，它无需更换部件，只需通过输入控制信号即可重置保护，大大提高了系统的可靠性和维护便利性。

三、驱动小排量发动机启动电机

3.1 应用电路设计

该应用电路提供了两种控制选项：

• 无微控制器控制：通过连接到 $R_{INPU}$ 和 $R{IN_PD}$ 电阻分压器的机械开关给出点火指令。
• 有微控制器控制：通常使用发动机控制ECU上的微控制器，通过引脚 $IN$ 触发发动机启动，并通过引脚 $IS$ 监测负载电流和保护状态。同时，在微控制器和BTS50010 - 1TAE之间使用了一些无源元件，如 $C_{ISFilt}$ 用于滤波，$R{ISprot}$ 和 $R{IN}$ 用于反接电池保护，$R_{IS}$ 用于将检测电流转换为电压以便微控制器的A/D转换器采样。

此外，电路中还需要一些必要的无源元件，如 $C{VS}$ 用于电源滤波，$DZ1$ 用于防止电源丢失和负载丢失，$C{IN}$ 用于输入滤波，$C{OUT}$ 用于EMC和ESD保护，$R{GND}$ 用于反接电池保护。各元件的具体参数和用途如下表所示：	参考	值	用途
$R_{GND}$	10	驱动感性负载时，防止过压和电池丢失的保护
$DZ1$	$V_{BR}=40V$	抑制（TVS）二极管，用于过压和驱动感性负载时电池丢失的保护
$C_{VS}$	100nF	改善EMC性能，布局时靠近引脚放置
$C_{OUT}$	10 nF	改善EMC性能，布局时靠近引脚放置
$C_{IN}$	150nF	与 $R_{IN}$ 一起确保 $IN$ 引脚的电压相对于电源（$VS$ 引脚）的上升沿有延迟
$R_{IN_PD}$	4.7kΩ	快速放电 $C_{IN}$
$R_{IN}$	4.7kΩ	瞬态脉冲和反极性时保护微控制器
$R_{IS}$	1kΩ	检测电阻，若不使用 $IS$ 信号，将 $IS$ 引脚开路
$R_{IS_PROT}$	4.7kΩ	过压时保护微控制器，反极性时保护BTS50010 - 1TAE
$C_{IS_FILT}$	10 nF	检测信号滤波

3.2 开关波形测试

在测试中，将电机转子锁定以模拟堵转情况，这是电流最大的最坏情况（堵转电流可达250 A）。使用电池模拟器来灵活控制电源电压、模拟电池输出电阻和布线电阻。通过在 $IN$ 引脚施加约35 ms的短脉冲来验证电流上升和下降沿的波形。

当器件开启时，由于转子机械锁定，负载电流 $I_L$ 上升到电机浪涌电流值（约250 A），$VS$ 引脚电压因模拟电池电阻和电缆电阻而下降到约8 V。关断时，由于电机电感和电缆寄生电感，器件进入雪崩状态，电压被钳位在略大于40 V的值，此时器件会消耗系统电感中积累的高能量。

3.3 环路电感估计

采用数据曲线拟合的方法来估计环路电感。假设负载电流的行为可近似为一阶RL电路，使用指数函数 $I{L}(t)=I{0}left(1 - e^{-frac{-t}{tau}}right)$ 进行曲线拟合，其中 $tau = frac{L}{R{S}}$，$L$ 为电机电感，$R{S}$ 为电机串联电阻。

通过对示波器采集的电流上升沿数据进行拟合，得到稳态电流 $I{0}=252 A$，稳态输出电压 $V{OUT}=7.4 V$，时间常数 $tau = 890 mu s$，计算出总电阻 $R{TOT}=V{OUT} / I{0}=29 mOmega$，进而得到环路电感 $L{TOT}=R_{TOT} × tau = 26 mu H$。

3.4 关断行为分析

3.4.1 关断时的能量问题

当在感性负载下关断时，BTS50010 - 1TAE处于智能钳位的退磁阶段，会施加一个负电压 $V{DEMAG}=-[V{DS}(CL) - V_{S}]$（正常启动结束时约为 - 25 V），此时注入MOSFET的高功率会导致显著的温度升高。

在最坏情况下，如启动电机堵转（电流250 A）时关断，需要检查这种应力是否会损坏器件。首先根据不同情况选择使用EAR曲线（多次发生）或EAS曲线（少数几次发生），然后使用公式 $E = V{DS(CL)} × frac{L}{R{L}} ×left[frac{V{S}-V{DS(CL)}}{R{L}} × ln left(1 - frac{R{L} × I{L}}{V{S}-V{DS(CL)}}right)+I{L}right]$ 计算器件内部耗散的能量。

在堵转电流为250 A的情况下，计算得到 $E = 880 mJ$，从数据表的EAS曲线可知，这一能量水平可能会损坏BTS50010 - 1TAE。但当最大堵转电流降低到200 A时，能量为580 mJ，此时器件处于安全工作区域。

3.4.2 外部保护措施

为了防止在250 A堵转电流时器件损坏，需要添加外部保护措施。建议在MOSFET的漏极（$VS$ 引脚）和源极（$OUT$ 引脚）之间使用双向瞬态电压抑制器（TVS），并串联一个电阻 $R_{Z2}$ 来微调TVS和BTS50010 - 1TAE之间的能量分配。

通过一系列计算和分析，选择 $V{DZ2}=33 V$ 和 $R{Z2}=0.22 Omega$ 的参数设置，可使BTS50010 - 1TAE的能量略低于200 A时的EAS极限（600 mJ），并将TVS的能量限制在安全水平（低于300 mJ）。同时，这两个组件还能在摩托车电池线路发生负载突降时提供良好的滤波功能。

3.5 电流检测功能

BTS50010 - 1TAE在引脚 $IS$ 提供电流检测信号。在无故障模式（如 $OUT$ 引脚对地短路、过流、过温）且满足 $V{IS} ≤ V{OUT}-5 V$ 的条件下，会提供与负载电流成比例的信号。

然而，实际的 $IS$ 模拟电流检测诊断存在固有误差。例如，当 $IS$ 引脚输出电流为1.5 mA时，对应的负载电流 $I_L$ 在55 A - 105 A之间。为了提高电流检测的准确性，需要进行校准，具体校准方法可参考“Power PROFET Improved SENSE Calibration and Benefits Guide”应用笔记。需要注意的是，检测功能在负载电流达到150 A之前是线性的，当负载电流在150 A - 250 A之间时，$IS$ 引脚可能会出现饱和现象。

3.6 欠压保护功能

Infineon Power PROFET™ 提供了欠压保护功能。通过增加模拟电池输出阻抗使 $V{S}$ 下降到欠压阈值（典型值5 V）以下来测试该功能。当满足欠压触发条件时，BTS50010 - 1TAE会立即将内部功率MOSFET关断，进入退磁阶段，$IS$ 引脚报告故障状态，器件被锁定在关断模式。要退出锁定关断模式，需要在 $IN$ 引脚施加复位序列（$IN t > t{IN(RESETDELAY)}$）。

3.7 电池断开保护

在电池断开的情况下，为了保护BTS50010 - 1TAE，需要使用瞬态电压抑制器（TVS）。当电池连接丢失时，退磁电流会通过BTS50010 - 1TAE，如果没有保护措施，器件可能无法承受电机中存储的高能量。添加TVS后，可将退磁电流引离BTS50010 - 1TAE，确保其安全。

在实验室测试中，无论是短暂断开电源（10 µs）还是永久关断，MOSFET都会因欠压保护而关断，$V_{DS}$ 曲线会出现智能钳位脉冲（35 V），最终MOSFET会保持锁定关断状态，需要在 $IN$ 引脚施加复位序列才能解锁。

3.8 反接电池保护

Power PROFET™ 系列产品具有反接电池保护功能，主要是为了保护MOSFET本身。在电池极性反转时，MOSFET的体二极管会允许电流流过负载，但此时功率损耗会比电流通过MOSFET本身时高得多。因此，当控制电路检测到反接电池连接时，会将MOSFET导通，以降低功率损耗。

例如，当 $I{Motor}=40 A$ 时，体二极管的功率损耗 $P{Diode} ≈ 1 V × I{Motor}=40 W$，而MOSFET的功率损耗 $P{MOS}=R{DS(ON)} × I{Motor}^{2} ≈ 3.52 W$（$R_{DS(ON)}=2.2 mOmega$，最坏情况）。

需要注意的是，这种保护仅针对MOSFET，负载本身仍会承受反极性的电池电压，不过由于启动电机和内燃机之间有机械保护，启动电机反转不会造成问题。在反接电池且临时失去电源连接的情况下，电机中的电流需要退磁，此时使用的保护器件（TVS）为双向器件，以应对两种可能的电流方向。同时，为了限制TVS的应力，还添加了接地电阻 $R_{GND2}$ 来消耗部分能量。

四、实际应用考虑

4.1 ECU集成与空间估算

随着法规要求的提高，内燃机向清洁的电子燃油喷射系统（EFI）发展，这需要集成ECU。BTS50010 - 1TAE可以嵌入到ECU中，但需要使用能够承受启动电机高浪涌电流的电源连接器。

连接电源线的电缆需要特别注意，其长度应限制在总寄生电感小于2 µH（大约小于2米），以限制短路时导线寄生电感退磁的能量。同时，导线的截面积应根据两个要求进行合理选择：一是将浪涌电流限制在250 A以内，假设电池电压为12 V，总电阻应至少为 $12 / 250 = 48 mOmega$，考虑到测试中使用的启动电机电阻为29 mΩ，导线电阻至少应为 $48 - 29 = 19 mOmega$；二是限制BTS50010 - 1TAE在启动时的电压降，以避免触发欠压保护（欠压阈值最大为5.5 V），这意味着导线的串联电阻最大为 $[6.5 / 5.5] × R{Mot}=[6.5 / 5.5] × 0.029 = 34 mOmega$。因此，对于 $V{BAT}=12 V$ 和 $R{Mot}=29 mOmega$ 的应用，导线串联电阻应在 $19 mOmega < R{Wiring} < 34 mOmega$ 的范围内。

4.2 演示板介绍

BTS50010 - 1TAE提供了演示板，其外形设计紧凑（44.5 mm x 26.5 mm）。演示板有两种版本：

• BTS50010 - 1TAE BOARD：标准版本，$D2$ 和 $R1$ 未组装。
• BTS50010 - 1TAE DBTVS：$D2$ 和 $R1$ 已组装，用于增加关断时的能量处理能力。

演示板的物料清单如下表所示：	参考	值	封装	用途
$R_{GND1}$	10	0603	驱动感性负载时，防止过压和电池丢失的保护
$R_{GND2}$	1.0	0805	驱动感性负载时，防止过压和电池丢失的保护
$D1$	SMAJ40CA	SMA	抑制二极管，用于过压和电池丢失时的保护
$D2$	SMCJ28CA	SMC	抑制二极管，用于高感性负载过压时的额外保护
$R1$	220m	2512	缓冲电路或高感性负载过压时的保护
$C_{VS}$	100 nF	0805	改善EMC性能，布局时靠近引脚放置