【導讀】隨著大功率電動自行車市場快速增長，供電泵升效應帶來的過壓風險已成為行業亟需解決的技術難題，而主動短路技術正為此提供關鍵解決方案。在現代電動自行車系統中，當電機在非受控情況下旋轉時——無論是下坡滑行、推車行進，還是電池未連接時的蹬踏操作，都會產生反電動勢，通過功率級的二極管整流將電流反饋至電池。這種供電泵升現象可能導致電池電壓異常上升，超出系統電氣工作極限，引發嚴重的過壓損壞事件。
隨著大功率電動自行車市場快速增長，供電泵升效應帶來的過壓風險已成為行業亟需解決的技術難題，而主動短路技術正為此提供關鍵解決方案。在現代電動自行車系統中，當電機在非受控情況下旋轉時——無論是下坡滑行、推車行進，還是電池未連接時的蹬踏操作，都會產生反電動勢，通過功率級的二極管整流將電流反饋至電池。這種供電泵升現象可能導致電池電壓異常上升，超出系統電氣工作極限，引發嚴重的過壓損壞事件。
面對這一技術挑戰，主動短路技術通過同時導通所有高側或低側MOSFET，使電機短路形成高電流循環路徑，從而安全耗散能量，成為保障系統安全運行的關鍵技術創新。
技術原理與系統架構
主動短路技術的核心機制是通過精確控制功率MOSFET的導通狀態，在檢測到系統異常時迅速建立安全的能量耗散路徑。與傳統的機械制動方式不同，這種電子制動技術能在微秒級時間內響應過壓事件，有效防止電壓尖峰對電子元件的損害。
在典型的電動自行車系統架構中，以TI的DRV8363-Q1柵極驅動器為例，其ASCIN引腳專門用于實現制動模式控制。該架構通過集成化的設計，將電壓監測、故障診斷和制動觸發功能整合于單一芯片，顯著提升了系統的響應速度和可靠性。
相比早期依賴分立元件實現電壓監測和制動觸發的方案，現代集成解決方案的優勢顯而易見。分立方案不僅響應速度較慢，而且無法動態應對MOSFET故障等復雜情況。例如，當高側MOSFET發生損壞時，系統需要智能地選擇高側制動而非低側制動，以避免形成電源到地的直接短路路徑。
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
六類典型故障工況分析
在電動自行車制動系統的實際運行中，主要存在六類關鍵故障工況，每一類都對系統安全性構成嚴峻挑戰：
●擊穿故障是最危險的工況之一。當高側MOSFET發生短路時，若錯誤觸發低側主動短路模式，將形成48V電源到地的直接通路，導致毀滅性的高電流擊穿事件。現代柵極驅動器通過內置的漏極-源極電壓監測功能，能夠智能檢測MOSFET短路狀態，并自動調整制動策略，從根源上避免此類風險。
●電流尖峰問題同樣不容忽視。在傳統分立制動系統中，當電池電壓在閾值上下波動時，系統會頻繁在制動模式與自由滑行模式間切換，這種振蕩行為在高電流應用中會產生危險的電流尖峰。集成解決方案通過可編程的重試或鎖存制動模式，確保了狀態切換的平穩性。
●熱管理挑戰在持續制動場景中尤為突出。單一使用低側或高側制動會導致MOSFET集中發熱，可能超出器件 thermal 設計極限。先進的柵極驅動器支持在高側和低側主動短路之間動態切換，實現熱量分布的優化管理。
此外，測量精度不足、MCU失效以及BOM成本壓力共同構成了另外三大挑戰。集成方案通過直接測量MOSFET漏極電壓提升了檢測精度，具備獨立于MCU的自動制動能力增強了系統魯棒性，同時減少了外部元件數量，降低了總體成本和布板空間需求。
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
技術實現的關鍵創新
DRV8363-Q1的創新之處在于其全面的保護邏輯和診斷特性。該器件不僅能夠通過SPI接口或專用引腳觸發主動短路，還能夠在過壓情況下自動啟動制動模式。其智能故障檢測機制可實時監控功率級狀態，在檢測到異常時自動選擇最安全的制動路徑。
在熱管理方面，該器件支持交替制動策略，通過周期性地在高側和低側制動模式間切換，將功耗分散到更多的MOSFET上，有效降低單個器件的溫升。實測數據表明，這種策略可將MOSFET在制動期間的工作溫度降低20-30℃，顯著提升了系統的可靠性。
針對系統響應速度這一關鍵指標，集成方案通過硬件級過壓檢測電路實現了微秒級的響應時間，遠快于傳統MCU基于軟件采樣的方案。這種快速的響應能力對于防止瞬時過壓事件造成的永久性損傷至關重要。
圖 3. 主動短路實施方案：高側與低側
實際應用價值與前景
在實際的電動自行車應用中，主動短路技術已經展現出顯著的價值。測試數據顯示，采用集成解決方案的系統在應對供電泵升事件時，能夠將過壓幅度控制在安全范圍內，避免了對電容、MOSFET等敏感元件的損害。
從用戶體驗角度，該技術使得電動自行車在下坡等場景中能夠保持穩定的電制動性能，無需用戶頻繁操作機械剎車，既提升了安全性又延長了剎車系統的使用壽命。同時，通過防止過壓事件對電子系統的損害，還顯著降低了產品的故障率和維護成本。
隨著電動自行車功率等級的不斷提升和功能安全要求的日益嚴格，主動短路技術將繼續演進。未來的發展方向包括更精確的故障預測算法、更高效的散熱管理策略，以及與整車能量回收系統的深度集成。
主動短路技術作為電動自行車電子系統的關鍵安全機制，通過智能的能量耗散路徑設計，有效解決了供電泵升帶來的過壓風險。隨著技術方案的持續優化和成本下降，這一技術有望成為行業標準配置，為電動自行車的安全可靠運行提供堅實保障。
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