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Part 01 前言

在汽車智能配電系統(tǒng)中，BAT電池和DCDC直流轉(zhuǎn)換器作為兩路電源輸入，這兩路電源之間一般需要通過預(yù)驅(qū)芯片驅(qū)動(dòng)一組背靠背拓?fù)涞?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/MOSFET/">MOSFET構(gòu)成的分?jǐn)嗥?，那這玩意有什么用呢？

分?jǐn)嗥鞯闹饕康氖窃贐AT和DCDC之間實(shí)現(xiàn)電源的切換以及隔離。正常情況下DCDC輸出可以通過背靠背分?jǐn)嗥鹘oBAT充電，故障情況下當(dāng)其中一路電源如BAT發(fā)生故障，像過壓、欠壓或短路時(shí)，分?jǐn)嗥骺煽焖偾袛嘣撀冯娫?，切換到另一路電源DCDC，確保系統(tǒng)供電的連續(xù)性和穩(wěn)定性。背靠背MOSFET結(jié)構(gòu)能夠完全阻斷雙向電流，在故障狀態(tài)下防止電流從一側(cè)電源倒灌到另一側(cè)，保護(hù)電源和負(fù)載。分?jǐn)嗥鬟€允許系統(tǒng)根據(jù)負(fù)載需求動(dòng)態(tài)選擇更合適的電源。例如，在電池電量充足時(shí)優(yōu)先使用BAT，電量不足時(shí)切換到DCDC，以優(yōu)化能量分配和延長電池壽命。分?jǐn)嗥鬟€可用于限制電流，防止電池過放電。

那么如何設(shè)計(jì)一個(gè)基于背靠背MOSFET的分?jǐn)嗥髂兀?/p>

背靠背MOSFET通常采用兩個(gè)N溝道MOSFET，源極Source相連或漏極Drain相連，柵極Gate由預(yù)驅(qū)芯片控制。這種結(jié)構(gòu)利用MOSFET的體二極管反向特性，實(shí)現(xiàn)雙向電流阻斷。那么背靠背MOSFET拓?fù)溥x擇該如何選擇呢？是選擇源極相連還是漏極相連呢？

一般來說源極相連Common Source更常見，適合高邊開關(guān)應(yīng)用，柵極驅(qū)動(dòng)電壓設(shè)計(jì)較簡單，散熱也更好。漏極相連Common Drain此時(shí)源極不共電，就需要兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器，并且漏極連接點(diǎn)通常為高電流路徑，熱量集中，散熱設(shè)計(jì)更復(fù)雜，需更大散熱片或更低Rds(on)的MOSFET。

為了有點(diǎn)挑戰(zhàn)性，并且能更好說明問題，我們準(zhǔn)備用漏極相連的拓?fù)浞绞?，接下來我們就?層板設(shè)計(jì)一個(gè)具有100A通流能力的分?jǐn)嗥鳌?/p>

Part 02 原理設(shè)計(jì)

分?jǐn)嗥鞯暮诵挠蓛纱蟛糠謽?gòu)成：預(yù)驅(qū)芯片和MOSFET。為了簡化控制方案，我們準(zhǔn)備選擇一個(gè)IO口直控的預(yù)驅(qū)芯片，這樣我們可以通過直接外加5V給芯片管腳，就可以省區(qū)MCU，CAN這些東西了。

目前看下來英飛凌推出的2ED2410比較適合，2ED2410一款車規(guī)級雙通道柵極驅(qū)動(dòng)芯片，專為驅(qū)動(dòng)N溝道MOSFET設(shè)計(jì)，廣泛用于汽車智能配電、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等場景。2ED241

支持同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)MOSFET，可以配置成高邊或低邊，適合背靠背MOSFET拓?fù)洹?/p>

并且工作電壓范圍寬，3V至58V。具有3Ω?pull-down, 50Ωpull-up實(shí)現(xiàn)快速M(fèi)OSFET開關(guān)，降低開關(guān)損耗。它還集成了欠壓鎖定UVLO、過流保護(hù)、短路檢測等，電流流向檢測，可以檢測出電流是從DCDC流向BAT，還是BAT流向DCDC。

整體的電路設(shè)計(jì)方案如下：

對于外部接口，我們都加上100Ω的限流電阻以及5.1V的穩(wěn)壓二極管，避免外部我們接錯(cuò)電壓或者是手上有靜電把芯片給打壞了。對于DCDC和BAT電源進(jìn)電斷我們都放置一個(gè)SMCJ26CA的TVS鉗位二極管，用來防護(hù)電源上的大浪涌電壓，避免MOS被干壞了。

2ED2410-EM集成了溫度監(jiān)控放大器?TMPA，這樣我們可以。和溫度采樣有關(guān)系的有兩個(gè)口：

輸入引腳為TMP，輸出引腳為TMPO。這樣就可以通過檢測VTMPO的電壓溫度。TMP引腳可以接NTC熱敏電阻，熱敏電阻另一端可以接電源電壓，NTC如果用于檢測MOSFET的溫度的話，要距離MOSFET盡可能近。

2ED2410-EM內(nèi)部還集成了比較器，這樣我們就可以VTMPO直接接到比較器輸入上，同時(shí)在比較器另一個(gè)輸入引腳上通過分壓電阻設(shè)置一個(gè)參考電壓，當(dāng)溫度超過一定溫度時(shí)就能自動(dòng)關(guān)閉2ED2410-EM，從而保護(hù)MOSFET。

2ED2410-EM?還集成兩個(gè)電流檢測放大器，電流檢測放大器?CSA1?和?CSA2?采用兩個(gè)相同的差分放大器實(shí)現(xiàn)，并且具有可調(diào)增益?(G)?，輸入為?ISP1/2?和ISN1/2?引腳，輸出為?CSO1/2?引腳。增益可以通過外部電阻?RISP1/2 = RISN1/2和?RCSO1/2設(shè)置。需要注意的是電流傳感器必須位于高邊，或以背對背共漏配置位于?MOSFET?漏極之間。

好有個(gè)好玩的用法是電流檢測放大器可以監(jiān)控流入分流器的兩個(gè)方向的電流，從而實(shí)現(xiàn)雙向電流檢測。VCSO1/2的輸出是模擬電壓信號，和分流電阻中的電流成比例關(guān)系。我們可以直接在CSO1/2?引腳測量電壓信號來換算成負(fù)載電流。

那怎么知道電流的流向呢？我們可以直接測量?DG1?引腳的電壓來判定電流流向，電流方向?yàn)檎龝r(shí)為?0，反之為?1。電流采樣電阻我們按0.2mΩ選擇，這樣當(dāng)電流為100A時(shí)，采樣電阻兩端的電壓是20mV。

最后就是確定最關(guān)鍵的MOSFET的選型了，英飛凌的IAUC120N04S6N006 MOSFET內(nèi)阻Rdson為0.75mΩ，熱阻按35K/W考慮，那么使用1個(gè)MOSFET溫升為：

?T=100A*100A*0.75mΩ*35K/W=262.5℃

溫升太高，所以不能用1個(gè)MOSFET，需要用3個(gè)MOSFET并聯(lián)，這樣溫升大概為30℃。需要注意的是MOSFET并聯(lián)可能會(huì)有均流問題，畢竟MOSFET內(nèi)阻會(huì)有差異，所以我們在MOSFET柵極先預(yù)留1個(gè)1Ω的限流電阻，也有助于應(yīng)對后續(xù)可能出現(xiàn)的MOSFET柵極振蕩問題。為了保護(hù)MOSFET，我們在柵極源極并聯(lián)一個(gè)穩(wěn)壓二極管。

這樣原理部分設(shè)計(jì)完成后，接下來就是PCB設(shè)計(jì)了。

Part 03 PCB設(shè)計(jì)

100A的電流很大，為了提高PCB的通流能力，兼顧成本，采用6層板PCB，每一層都采用2OZ的銅厚。嘉立創(chuàng)在高多層PCB制造（6-32層）方面確實(shí)有顯著優(yōu)勢，特別是在汽車智能配電系統(tǒng)等高要求場景中，其LDI激光直接成像和VCP脈沖電鍍技術(shù)為6層板設(shè)計(jì)提供了高精度和高可靠性支持。LDI有啥好處？LDI使用激光直接在光刻膠上成像，取代傳統(tǒng)CCD曝光的菲林工藝，線寬/線距精度可達(dá)2mil/2mil（約50μm），對齊誤差<50μm。支持1:1焊盤與防焊開窗，這樣做出來的焊盤和防焊窗口大小一致，無額外覆蓋，確保高密度布線的可靠性。VCP脈沖電鍍技術(shù)通過垂直連續(xù)電鍍工藝，確保銅層厚度均勻，孔壁銅厚>25μm（符合IPC Class 3標(biāo)準(zhǔn)）。從而優(yōu)化電流分布，減少銅層應(yīng)力和微孔，有效提升PCB的通流散熱能力。

層分配如下：

Layer 1 (Top)：電源層/信號層（2ED2410控制信號、MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)、部分小電流走線）

Layer 2 (Inner 1)：電源層/地層（一半大電流鋪銅，一半鋪地）

Layer 3 (Inner 2)：電源層/信號層（2ED2410控制信號、部分小電流走線）

Layer 4 (Inner 3)：電源層/地層（一半大電流鋪銅，一半鋪地）

Layer 5 (Inner 4)：電源層/地層（一半大電流鋪銅，一半鋪地）

Layer 6 (Bottom)：電源層/地層（一半大電流鋪銅，一半鋪地）

PCB整體分為功率區(qū)和控制區(qū)：

功率區(qū)也就是高電流區(qū)，放置BAT輸入、MOSFET、分流器、DCDC輸入以及電解電容。

位置靠近板邊緣，便于連接大電流接插件（如M4螺栓端子）。確保BAT到MOSFET、MOSFET到DCDC的路徑最短，減少大電流路徑。TVS二極管靠近電源輸入保護(hù)MOSFET和負(fù)載。

控制區(qū)是2ED2410及其外圍放置在高電流區(qū)附近，但需要保持一定間距，避免熱干擾。采樣信號采集分流電阻器兩端的電壓，采樣信號走差分短路徑到2ED2410。采樣信號與高電流路徑保持一定間距，防止耦合噪聲，確保采樣線對稱，走線長度差<1mm，避免采樣誤差。2ED2410放置在Top層，靠近MOSFET，減少柵極驅(qū)動(dòng)路徑寄生電感。