電池供電的電動自行車和電動踏板車為傳統摩托車提供了一種可持續且環保的替代方案。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，設計人員和制造商面臨著確保安全與可靠的重大設計挑戰。
電動出行系統的核心架構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擔。通常位于車輪處的電機能將電能轉化為機械能，或將機械能轉化為電能。后一種轉化方式可能以受控方式（再生制動）或非受控方式發生。
當電機在非受控（滑行）情況下旋轉時，反電動勢會通過功率級的二極管整流將電流反饋至電池。這種慣性滑行狀態會帶來電池電壓不穩定上升的挑戰。當出現推車、下坡滑行或騎行者在電池未連接/控制器未喚醒以監測供電電壓時蹬踏等情況，系統可能進入供電泵升狀態（也稱為發電機模式運行）。若不加以控制，供電電壓可能超出電氣系統工作極限，導致電路因電氣過壓事件而受損。系統設計人員必須確定如何控制系統能量，避免其超過運行限值。
主動短路技術
主動短路是一種能夠安全耗散大量能量的工程技術。它通過同時導通所有高側或低側金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET) 實現制動功能，使電機短路并形成一條流經 MOSFET 的高電流循環路徑，避免電流流向電源。
圖 1 展示了采用 TI DVR8363-Q1 柵極驅動器的電動自行車系統架構，該架構通過 ASCIN 引腳實現制動模式。
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制動模式，但外部系統無法對 MOSFET 故障做出動態反應。例如，如果系統故障指示高側 MOSFET 損壞，則需要使用高側制動而不是低側制動，以避免電源對地短路。
在新型設計中，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 引腳可以在發生系統故障時觸發緊急制動模式。DRV8363-Q1 還可以通過串行外設接口 (SPI) 觸發或在過壓情況下自動觸發主動短路。該柵極驅動器可配置為根據寄存器設置觸發低側或高側制動。
我們在一種電動自行車制動實施方案中發現了六類主要的故障工況：
在高側 MOSFET 短路的情況下使用低側制動時，發生擊穿狀況（反之亦然）。如果高側 MOSFET 在運行期間損壞，并且系統觸發低側主動短路模式，將會形成 48V 電源到地的通路，導致高電流擊穿事件，這可能會損壞系統并給用戶帶來風險。
圖 2 中所示 DRV8363-Q1 的高級保護特性包括內置以下邏輯：通過漏極到源極電壓監測來檢測高側 MOSFET 短路情況，隨后覆蓋低側主動短路命令以切換到高側制動，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. 主動短路狀態下防止擊穿的智能邏輯
? 在制動模式與自由滑行模式之間切換時，電機相位出現高電流尖峰。當用戶在下坡滑行時，自由旋轉的電機將導致電池電壓上升。在分立式制動模式系統中，當電壓超過特定限值時將觸發制動，從而降低電壓。但是，一旦電壓降至閾值以下，將會停止制動，自由旋轉的電機將導致電池電壓再次上升。這種情況適合低電流場景，但在高電流應用中可能很危險，制動與自由滑行模式之間的切換會導致電流尖峰，可能損壞板載元件。
DRV8363-Q1 提供了一種高級響應模式來控制上升的電壓，使設計人員能夠根據系統要求對重試或鎖存制動模式進行編程。
制動期間發生 MOSFET 熱損傷。在高電流制動場景中，僅使用低側或高側制動都會導致 MOSFET 發熱，因為在電流耗散時 MOSFET 會持續導通。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 觸發低側或高側制動的功能，DRV8363-Q1 可在高側和低側主動短路之間切換，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：高側與低側
電源電壓測量不準確，響應時間更慢。分立式制動實施方案通常會受到電池端檢測電壓與 MOSFET 漏極測量電壓不準確的影響。此外，負責發出制動信號的微控制器 (MCU) 對數據進行采樣和解碼可能會導致系統響應延遲，這在緊急情況下會帶來危險。
通過直接測量高側 MOSFET 漏極處的電池電壓，DRV8363-Q1 的集成式主動短路系統可改善過壓事件期間觸發制動模式的精度和響應時間。
如果 MCU 損壞或存在驅動器故障狀態，將無法觸發主動短路。雖然可通過 MCU 控制的脈寬調制信號手動進入制動狀態，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，如果代碼執行錯誤或內部硬件故障導致 MCU 中斷，DRV8363-Q1 可以自動激活主動短路以應對電源過壓情況，而無需使用受 MCU 控制的外部觸發器。如果 DRV8363-Q1 內部出現故障，主動短路會繞過某些內部故障，覆蓋關斷以強制制動。
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格的電動自行車應用中是一個問題。
結語
TI 的 DRV8363-Q1 通過用于制動的主動短路技術和 MOSFET 監測功能，解決了電動出行系統中的特定安全問題。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，有助于防止潛在的危險電壓尖峰，并能在電機和發電機模式下保持可靠的性能。
