大电流电子开关V2

大电流电子开关 V2

高侧背对背 NMOS · 最高 60V 电路设计 · 光耦与机械开关控制 · 可选电流测量

1. 为什么重新设计 V2

上一代采用低侧单 NMOS 关断，电源负极被切换，负载地与控制地的关系容易受到接线方式和大电流压降影响；单管结构也不能像背对背 MOS 一样完整阻断双向电流。旧版项目页还记录了室温约 20℃、100A、静态被动散热条件下，约 30 秒外壳即达到约 100℃的测试结果，说明“数据手册电流”与整机持续能力之间存在很大差距。

2. 主要功能与硬件组成

• 最高 60V 电路设计：LM5060 及外围参数按最高约 60V 工作范围设计，实际允许电压还受 MOS、TVS、测量芯片及瞬态尖峰影响。
• 高侧背对背 NMOS：BOM 推荐 SNCEP023N10LL，两颗 TOLL-8 NMOS 可自行替换，优先选择耐压裕量充足、热态 RDS(on) 小、SOA 合适的型号。
• 两种控制方式：机械开关接口为“导通开启、默认关闭”；光耦接口为“高电平关闭、默认开启”。
• 可选功率测量：默认推荐 INA237AIDGSR 与 1mΩ 分流电阻，接口引出 SCL、SDA、ALT/ALERT、GND、3.3V。
• 状态指示：板载 LED 配合导光柱显示输出状态。
• 大电流结构：四个 T461010 接线柱，推荐使用 8mm 宽、约 1mm 厚的铜条连接，BOM 允许 0.5～3mm 厚并要求自行切割打磨。

3. MOS 选型与发热计算

• BOM 中的 MOS 仅为推荐方案，可自行更换兼容器件。
• 优先选择耐压裕量充足、热态导通电阻低、直流 SOA 合适的型号。
• 替换前必须核对封装、引脚、V_DS、V_GS、R_DS(on)、栅极电荷、结温及热阻。

RDS(on) 会随结温明显上升，不能直接使用数据手册 25℃ 典型值估算长期载流能力。高压低阻器件通常具有更大的栅极电荷，也要确认 LM5060 的开关时间和启动过程不会让 MOS 长时间停留在线性区。

4. 具体工况计算

BOM 中 D4、D5 默认写为 SMCJ60CA，D3 要求按实际电压选择。TVS 丝印中的“60V”通常指反向工作电压 VRWM，并不等于浪涌时只钳位到 60V；必须查所选厂家的击穿电压 VBR 和钳位电压 VC。

4.1 TVS 选型

1. 正常工作不误导通：VRWM ≥ 电源最高持续电压（包含电源上偏差和充电电压）。
2. 钳位后不击穿：VC(IPPM) 应低于 MOS VDS、驱动芯片相关引脚及测量器件的允许瞬态电压，并留出降额裕量。
3. 估算浪涌能量：若尖峰主要来自线路电感，E ≈ 1/2 × L × I²；脉冲功率可近似为 PPP ≈ VC × IPP。TVS 的峰值功率和脉冲曲线必须覆盖实际脉宽与重复频率。
4. 实测验证：用差分探头在最差线长、最大电流和最快关断条件下测量 VIN、VOUT 与 MOS 两端尖峰，再决定 TVS，而不是仅按母线标称电压选型。

4.2 OVP 分压电阻

OVP（过压保护）用于在输入电压过高时关闭 MOS。LM5060 的 OVP 引脚约在 2.0V 触发。设上拉电阻为 RTOP、下拉电阻为 RBOT：

原理图 R₃=430kΩ、R₄=15kΩ 时，V_OVP ≈ 59.3V。实际阈值还包含 LM5060 门限误差和电阻误差，应使用最坏情况计算，且不要把 59.3V 当成精密保护点。

4.3 UVLO 分压电阻

UVLO（欠压锁定）用于在输入电压过低时禁止 MOS 开启。LM5060 的 UVLO 引脚约在 1.6V 触发，并存在典型 5.5μA 下拉电流。设上拉为 R_TOP、下拉为 R_BOT：

原理图 R₁=27kΩ、R₂=10kΩ 时，计入典型偏置电流后，V_UVLO ≈ 6.07V。若修改工作电压范围，应同时重新校核门限误差、偏置电流、电阻误差和电阻耐压。

4.4 SENSE / VDS 故障阈值

SENSE（压降检测）通过监测 MOS 的 VDS 压降判断短路或严重过流。原理图给出的近似关系为：

例如两颗 MOS 热态总导通电阻按 3mΩ 估算，R_SENSE=15kΩ 时，V_DS,TH≈0.24V，对应约 80A。该方法依赖 MOS 内阻，而内阻随温度、批次和栅压变化，因此更适合短路或严重过流检测，不适合作为精密限流。

4.5 光耦输入限流电阻

光耦 LED 限流电阻按控制电压计算：

5. 可选测量

• 测量位置：电流采样位于低侧。
• 可选贴装：黄色 BOM 项仅在需要功率检测时购买。
• 默认配置：INA237AIDGSR（85V 总线能力）配 1mΩ、5930 封装分流电阻。
• 替换提醒：兼容芯片的耐压、分辨率和寄存器并不完全相同。

分流电阻量程：

分流电阻损耗：

表格按 ±40mV 档位举例；如果所选芯片使用其他满量程电压，电流量程和损耗必须重新计算。额定功率还需结合封装焊盘、铜皮面积和环境温度降额。

例如 INA226 的 ±40mV 量程配 0.5mΩ 分流电阻，理论电流范围约为 -80～80A；但还必须校核分流电阻额定功率、温漂、PCB 散热和 Kelvin 采样。1mΩ 在 50A 时已产生 2.5W 热量。

接口面板上的“ALT”对应测量芯片的 ALERT 信号。更换测量芯片后，主控软件需要匹配相应寄存器和校准系数。

6. 控制与接线

机械开关接口

接口标注“导通开启、默认关闭”。外接开关触点导通后开启功率输出；不需要外部控制电压。首次上电请先用限流电源验证开关逻辑。

光耦接口

接口标注“高电平关闭、默认开启”。光耦控制逻辑与机械开关接口不同，接线前务必确认极性，并按上一节公式为实际控制电压重算 R8。

大电流端

输入、输出均由两只 M4 接线柱构成。必须使用合适的铜鼻子、螺栓和线径，确保接触面清洁并可靠紧固。
也可不使用接线柱直接焊接导线到中心焊盘，推荐10-12AWG规格的导线

禁止让小截面积裸线直接承担大电流；接触电阻即使只有 1mΩ，在 100A 时也会产生 10W 热量。

7. 外壳

• 结构由两个 CNC 部件和一块嘉立创彩色面板组成。
• 彩色面板使用嘉立创彩色面板工艺，工程文件已包含在主体嘉立创 PCB 工程中，可直接选择对应面板工程下单，成品厚度为 1mm。
• LED 使用直径 3mm、长度约 6.4mm 的导光柱。
• 铜条推荐 8mm 宽、1mm 厚，总长约 80mm；可根据电流和加工条件在 0.5～3mm 范围调整。

8. 复刻与安全须知

• 本项目涉及高电压、大电流和低阻功率连接，复刻者需具备独立审图、焊接、绝缘、热设计和排障能力。
• 首次上电必须使用限流电源，先不接大功率负载，依次验证 UVLO、OVP、两种控制逻辑、栅源电压和关断状态。
• 驱动感性负载、电机或长线负载时，必须实测开关瞬态并配置适合负载能量的 TVS、续流或吸收网络。
• 不要根据 MOS 标称电流直接设定整机电流。持续能力应以目标环境中的稳态温升、接线柱温度、铜条温度和 MOS 结温为准。
• BOM 中标注“按实际使用电压选择”的 TVS、二极管和保护电阻必须重新计算，不建议不加核对直接贴装默认值。

9. BOM 与开源协议

• 项目目录提供作者整理的 BOM，功率测量相关元件为可选项。
• MOS、TVS、分流电阻及保护设定电阻应按实际工况重新选型。
• 成本随 MOS、测量功能、CNC 渠道和铜条规格变化，不以自动 BOM 价格作为固定整机成本。

本项目采用 GNU General Public License v3.0（GPL-3.0） 开源。复刻、修改和分发时请遵守许可证要求，并保留相应的版权与许可证声明。