单通道智能高侧电源开关设计，初学者千万别错过

1万 · 2021-3-31 20:33

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最近在做一个项目，有用到一颗单通道高侧电源开关芯片即英飞凌的BTT6010，以前没有用过这样的芯片，所以设计这样的电路得好好看看相关资料。通过datasheet可知这颗芯片内部集成一个带有电荷泵的N沟道垂直功率MOSFET，该设备集成在Smart6技术中，Smart的技术百度了一下，原是用于硬盘保护技术的，后应用于芯片，即自我检测、分析及报告技术，是一种自动检测芯片状态与预警系统和规范。它是特别的设计用于驱动高达7 x P21W 24V或2 x 75W 24V的灯，以及苛刻汽车中的LED环境。如下图芯片框图所示，MOSFET电荷泵的作用在于监测输出负载动态情况，输入端都带有ESD保护电路，可见设计者多么别有用心。

该芯片采用PG-DSO-14-47 EP封装，散热效果极佳，同时芯片面积不大，个人认为，该芯片可以优化下引脚设计，多达七个引脚为NC，如果能去掉的话，可以更进一步缩小芯片体积了。根据芯片引脚定义，芯片底部散热衬垫为VS脚，为芯片供电脚，同时也是内部MOS控制输出的电压，一般接车载24V蓄电池；IN脚为逻辑控制输入引脚，允许操作电压范围在-0.3V~6V之间，电流在-2mA~2mA变化，输入低电平在-0.3V~0.8V之间，输入高电平则在2V~6V之间，通常接CPU的PWM输出用来控制LED的亮度；DEN脚为诊断启用作为芯片输入脚的；为高电平则启用设备诊断的数字信号，否则禁用。其允许操作电压和电流与IN脚保持一致。OUT脚则是内部MOSFET控制输出端，可以接150W/24V的负载，常用在工程车辆上LED或涡流刹车控制(非纯电阻负载)。引脚定义及功能描述如下图所示。

IS脚则为数字和模拟混合引脚了，主要用来检查芯片状态以及输出电流情况，输出电压范围为0.3V~VS（我们设计应用的VS就是24V），允许通过的电流为-25mA~50mA之间。当DEN脚为高电平时，输入引脚逻辑为高电平，则该引脚输出与MOSFET输出电流成比例的信号，通过外部电阻（通常为1.2KΩ）采样可以计算出实际输出电流大小，大家常常将该引脚接一个低通滤波电路给到MCU的内部的ADC采样，由于该引脚输出电平高达20多伏，接CPU采样时需要作好保护，避免烧坏CPU。下图表格列出了芯片各种模式下输入和输出以及IS脚输出状态关系。

通过以下表格数据我们可知，IS脚输出电流与MOSFET输出给负载的电流的比例关系，在负载电流比较小的时候，系数变化比较大。比如在负载电流0.5A情况下，比例系数标准为3900，则IS脚输出的电流为：0.5/3900≈0.128mA，如果IS脚接的1.2KΩ电阻，则我们可以计算出CPU进行采样的电压为：1.2*0.128≈0.15V；当比例系数为最小值时，所得误差高达40%，3900*（1-0.4）=2340，则IS脚输出的电流为：0.5/2340≈0.214mA，如果IS脚接的1.2KΩ电阻，则我们可以计算出CPU进行采样的电压为：1.2*0.214≈0.26V；与标准系数相比，IS脚的检测电压差了0.1V多。但是在负载电流比较大的情况下，比例系数变化则比较小，测出的电流也更准确些，比如在负载电流10A的情况下，比例系数标准同样为3900，则IS脚输出的电流为：0.5/3900≈0.128mA，如果IS脚接的1.2KΩ电阻，则我们可以计算出CPU进行采样的电压为：1.2*0.128≈0.15V；当比例系数为最小值时，所得误差为9%，3900*（1-0.09）=3549，则IS脚输出的电流为：0.5/3549≈0.141mA，如果IS脚接的1.2KΩ电阻，则我们可以计算出CPU进行采样的电压为：1.2*0.141≈0.17V；与标准系数相比，IS脚的检测电压仅差了0.02V。

通过以下时序图，我们可以知道，但输入引脚逻辑为高电平时，同时DEN引脚也为高电平启动检测时，输出到负载的电流在经过MOSFET打开延时后(最大延时为150uS)，电流逐渐上升，而在IS脚出现电流则需要延时一个TsIS（ON）时间，最大为150uS，然后可以开启CPU的ADC采样，从而获取负载电流的大小，当DEN引脚变为低电平时则应马上停止ADC采样，IS引脚输出电流需要经过延时TsIS（OFF）时间才变为0，最大延时时间为20uS，当输入引脚逻辑变为低电平时，输出到负载的电流需要经过一段时间才变为0。当输入引脚逻辑为高电平时，负载已经出现电流了，但是DEN脚延时一段时间才为高电平，这是IS脚出现电流时的延时为tsIS(ON_DEN)，最大为10uS。当在负载电流出现较大变化时，则IS脚感应出电流变化的延时为tsIS(LC)，最大为20uS，在设计程序采样电流时应注意这些。

由于芯片控制的负载并不是单一的纯阻性负载，设计芯片以及外围电路，需要考虑各种应用保护，保证电路工作的可靠性。该芯片内部集成的主要保护有地断开保护，反极性保护，过压保护，短路保护，电流限制，温度过高等，这些报警都是通过IS引脚体现出来，通过上表格可以知道，当芯片处于何种操作模式下，对应的诊断输出脚即IS输出的状态指示信号，方便用户及时了解芯片的工作状态。通过对芯片资料的详细研究，设计出自己的电路，如下图所示，该电路主要参考芯片手册的典型应用电路，同时增加一路电阻采样调理电路，将该芯片输出给负载的电流进行采样，采样电阻为20mΩ，若输出功率为150W/24V，则流过采样电阻的电流为：150/24=6.25A，则电阻两端的电压为：6.25*0.02=0.125V，U2为高共模抑制比运放，固定增益为20V/v，允许输入的共模电压高达70V，非常低的偏置电流，工作电压为3.3V，则输出电压为：0.125*20=2.5V，然后再经过二阶有源低通滤波电路输出给MCU的ADC通道采样，目的是用来和电源开关芯片IS脚的输出进行对比，看准确度如何，如果电阻采样精度更高则采用外部电阻采样，而IS脚则作为芯片状态指示脚用来判断各种异常情况。

现在电路板已经绘制好，但是也有个问题向论坛各位大神求救：如果有兼容的电路方案，欢迎回帖讨论讨论。
有其他关于该芯片的问题也可以互相讨论下，谢谢大家。

1万 · 2021-3-31 21:27

我们采购经过几天的询问，今天得出一个结论：该芯片是缺货中的明星啊！各位路过大神，给支个招啊

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