用6層板做一個100A通流能力的分斷器，附帶電路圖+PCB，2600字教你搞定它

硬件那點事兒 3星期前 171 閱讀 1 贊 2 收藏 0 評論

Part 01 前言

在汽車智能配電系統中，BAT電池和DCDC直流轉換器作為兩路電源輸入，這兩路電源之間一般需要通過預驅芯片驅動一組背靠背拓撲的MOSFET構成的分斷器，那這玩意有什么用呢？

分斷器的主要目的是在BAT和DCDC之間實現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斷器給BAT充電，故障情況下當其中一路電源如BAT發生故障，像過壓、欠壓或短路時，分斷器可快速切斷該路電源，切換到另一路電源DCDC，確保系統供電的連續性和穩定性。背靠背MOSFET結構能夠完全阻斷雙向電流，在故障狀態下防止電流從一側電源倒灌到另一側，保護電源和負載。分斷器還允許系統根據負載需求動態選擇更合適的電源。例如，在電池電量充足時優先使用BAT，電量不足時切換到DCDC，以優化能量分配和延長電池壽命。分斷器還可用于限制電流，防止電池過放電。

那么如何設計一個基于背靠背MOSFET的分斷器呢？

背靠背MOSFET通常采用兩個N溝道MOSFET，源極Source相連或漏極Drain相連，柵極Gate由預驅芯片控制。這種結構利用MOSFET的體二極管反向特性，實現雙向電流阻斷。那么背靠背MOSFET拓撲選擇該如何選擇呢？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，適合高邊開關應用，柵極驅動電壓設計較簡單，散熱也更好。漏極相連Common Drain此時源極不共電，就需要兩個驅動器，并且漏極連接點通常為高電流路徑，熱量集中，散熱設計更復雜，需更大散熱片或更低Rds(on)的MOSFET。

為了有點挑戰性，并且能更好說明問題，我們準備用漏極相連的拓撲方式，接下來我們就用6層板設計一個具有100A通流能力的分斷器。

Part 02 原理設計

分斷器的核心由兩大部分構成：預驅芯片和MOSFET。為了簡化控制方案，我們準備選擇一個IO口直控的預驅芯片，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，2ED2410一款車規級雙通道柵極驅動芯片，專為驅動N溝道MOSFET設計，廣泛用于汽車智能配電、電機驅動等場景。2ED241

支持同時驅動兩個MOSFET，可以配置成高邊或低邊，適合背靠背MOSFET拓撲。

并且工作電壓范圍寬，3V至58V。具有3Ω pull-down, 50Ωpull-up實現快速MOSFET開關，降低開關損耗。它還集成了欠壓鎖定UVLO、過流保護、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。

整體的電路設計方案如下：

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

2ED2410-EM集成了溫度監控放大器 TMPA，這樣我們可以。和溫度采樣有關系的有兩個口：

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，同時在比較器另一個輸入引腳上通過分壓電阻設置一個參考電壓，當溫度超過一定溫度時就能自動關閉2ED2410-EM，從而保護MOSFET。

2ED2410-EM 還集成兩個電流檢測放大器，電流檢測放大器 CSA1 和 CSA2 采用兩個相同的差分放大器實現，并且具有可調增益 (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。

好有個好玩的用法是電流檢測放大器可以監控流入分流器的兩個方向的電流，從而實現雙向電流檢測。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系。我們可以直接在CSO1/2 引腳測量電壓信號來換算成負載電流。

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，電流方向為正時為 0，反之為 1。電流采樣電阻我們按0.2mΩ選擇，這樣當電流為100A時，采樣電阻兩端的電壓是20mV。

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

?T=100A*100A*0.75mΩ*35K/W=262.5℃

溫升太高，所以不能用1個MOSFET，需要用3個MOSFET并聯，這樣溫升大概為30℃。需要注意的是MOSFET并聯可能會有均流問題，畢竟MOSFET內阻會有差異，所以我們在MOSFET柵極先預留1個1Ω的限流電阻，也有助于應對后續可能出現的MOSFET柵極振蕩問題。為了保護MOSFET，我們在柵極源極并聯一個穩壓二極管。

這樣原理部分設計完成后，接下來就是PCB設計了。

Part 03 PCB設計

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。嘉立創在高多層PCB制造（6-32層）方面確實有顯著優勢，特別是在汽車智能配電系統等高要求場景中，其LDI激光直接成像和VCP脈沖電鍍技術為6層板設計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CCD曝光的菲林工藝，線寬/線距精度可達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脈沖電鍍技術通過垂直連續電鍍工藝，確保銅層厚度均勻，孔壁銅厚>25µm（符合IPC Class 3標準）。從而優化電流分布，減少銅層應力和微孔，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柵極驅動、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整體分為功率區和控制區：

功率區也就是高電流區，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MOSFET和負載。

控制區是2ED2410及其外圍放置在高電流區附近，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，減少柵極驅動路徑寄生電感。