【導(dǎo)讀】本文介紹一款為最大限度地降低總體耗散功率而專門設(shè)計(jì)的新型四通道低邊智能功率開(kāi)關(guān)，重點(diǎn)介紹該開(kāi)關(guān)的主要技術(shù)特性，例如，每條通道都具有很低的Rds(on)導(dǎo)通電阻和業(yè)內(nèi)獨(dú)一無(wú)二的可設(shè)置輸出限流和可設(shè)置關(guān)閉延時(shí)保護(hù)功能，最后還探討了基于原廠參考板的應(yīng)用設(shè)計(jì)。
摘要
本文介紹一款為最大限度地降低總體耗散功率而專門設(shè)計(jì)的新型四通道低邊智能功率開(kāi)關(guān)，重點(diǎn)介紹該開(kāi)關(guān)的主要技術(shù)特性，例如，每條通道都具有很低的Rds(on)導(dǎo)通電阻和業(yè)內(nèi)獨(dú)一無(wú)二的可設(shè)置輸出限流和可設(shè)置關(guān)閉延時(shí)保護(hù)功能，最后還探討了基于原廠參考板的應(yīng)用設(shè)計(jì)。
I. 前言
本文介紹一款單片高速(fSW高達(dá)100kHz)四通道低邊開(kāi)關(guān)。該產(chǎn)品能夠驅(qū)動(dòng)任何類型的負(fù)載(阻性負(fù)載、感性負(fù)載和容性負(fù)載)，開(kāi)關(guān)一側(cè)連接電源電壓(Vcc)。
該開(kāi)關(guān)是IPS4260L，單片集成了四條45V功率MOSFET通道（在25攝氏度時(shí)Rds(on) 典型值260mΩ）以及邏輯接口、柵驅(qū)動(dòng)器、保護(hù)和診斷功能。IPS4260L采用Jedec標(biāo)準(zhǔn)HTSSOP 20引腳微型功率封裝。
該器件采用意法半導(dǎo)體的Multipower-BCD工藝設(shè)計(jì)制造。Multipower-BCD是一項(xiàng)智能功率技術(shù)，可以在同一芯片上集成控制單元和功率級(jí)。
II. IPS4260L框圖
圖1所示是該器件的工作原理框圖。從框圖中可以看出，每條通道都配備全面的保護(hù)功能，包括欠壓鎖定、獨(dú)立結(jié)過(guò)熱保護(hù)、可設(shè)置限流（使用ILIM引腳和SGND之間連接的外部電阻RLIM設(shè)置限流）、感性鉗位（典型值58V） 和電源軌斷開(kāi)保護(hù)。
每個(gè)通道都具有自我保護(hù)功能，限流、關(guān)閉時(shí)間和熱保護(hù)可以有效防止負(fù)載短路和過(guò)流。58V鉗位網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)退磁電路，使該開(kāi)關(guān)能夠管理大感性負(fù)載，快速釋放感應(yīng)電能。如果感性負(fù)載非常大，就必在引腳Vz和GND或電源軌之間連接一個(gè)齊納二極管或TVS二極管，以快速釋放感應(yīng)電能（見(jiàn)下圖），也可以將Vz引腳連接到電源軌，緩慢釋放感應(yīng)電能。
欠壓保護(hù)可以避免電源電壓非常低的異常操作，而接地?cái)嚅_(kāi)保護(hù)可以在接地?cái)嚅_(kāi)時(shí)立即關(guān)閉功率級(jí)，避免開(kāi)關(guān)被擊穿損壞。
每個(gè)通道過(guò)熱關(guān)斷結(jié)溫都是160°C (典型值)，可以防護(hù)常見(jiàn)的過(guò)載情況。
開(kāi)關(guān)的輸入模塊是TTL/CMOS兼容輸入/輸出，能夠最大限度減少輸入開(kāi)關(guān)次數(shù)，并可以通過(guò)串聯(lián)電阻連接光耦。
當(dāng)通道導(dǎo)通時(shí)，輸入高電平的最低電壓大于 2.0V。當(dāng)通道是短路關(guān)閉或過(guò)熱關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，相關(guān)輸入引腳通過(guò)開(kāi)漏晶體管在內(nèi)部關(guān)斷。
開(kāi)漏共用狀態(tài)引腳能夠直接驅(qū)動(dòng)一個(gè)發(fā)光二極管（LED），指示關(guān)閉保護(hù)或結(jié)過(guò)熱關(guān)斷（FLT引腳）和斷態(tài)開(kāi)路負(fù)載或接地短路（ OL針）狀態(tài)。
III. 非耗散性短路
如前所述，IPS4260L器件可使用一個(gè)外部電阻設(shè)置片上集成的限流保護(hù)功能。
除每個(gè)通道的結(jié)過(guò)熱保護(hù)和結(jié)溫檢測(cè)功能外，IPS4260L還集成了所謂的“非耗散性短路模塊”，旨在抑制開(kāi)關(guān)的整體耗散功率。當(dāng)大量通道過(guò)載而導(dǎo)致開(kāi)關(guān)溫度驟升時(shí)，這一額外保護(hù)功能可以避免PCB性能降低。
實(shí)際上，在過(guò)載情況下，輸出電流被限制為ILIM，持續(xù)時(shí)間為(tCOFF)，限流值用連接在CoD引腳和SGND引腳之間的外部電阻(RCoD)來(lái)設(shè)定（見(jiàn)圖1或圖2）。通道關(guān)閉一段
時(shí)間(tRES)后，自動(dòng)重新導(dǎo)通，保持通道結(jié)溫低于TJSD（關(guān)斷結(jié)溫）。
圖4所示是過(guò)載期間的過(guò)熱電壓波形。VINX表示INx引腳電壓，每當(dāng)FLT引腳電壓下降，VINX就會(huì)下降，而MCUx電壓保持恒定
如果結(jié)溫達(dá)到TJSD，過(guò)載通道只有在結(jié)溫降至TJSD - TJHYST（復(fù)位溫度）后才會(huì)重新導(dǎo)通。需要強(qiáng)調(diào)的是，過(guò)熱保護(hù)僅干預(yù)過(guò)載通道; 非過(guò)載通道繼續(xù)正常運(yùn)行。
IV. 斷態(tài)開(kāi)路負(fù)載檢測(cè)
為了檢測(cè)斷態(tài)下的開(kāi)路負(fù)載故障，必須在PGND引腳和輸出引腳之間連接一個(gè)下拉電阻（見(jiàn)圖5）。在功能正常情況下，電流流過(guò)下拉電阻和負(fù)載組成的網(wǎng)絡(luò)。負(fù)載兩端的電壓小于最小開(kāi)路負(fù)載電壓，OL引腳保持高電平。
當(dāng)其中一個(gè)輸出發(fā)生開(kāi)路負(fù)載事件時(shí)，相關(guān)輸出引腳的電壓將會(huì)上升到一個(gè)小于最低開(kāi)路負(fù)載電壓的數(shù)值，在消隱時(shí)間(tBKT)結(jié)束后，通過(guò)OL引腳報(bào)告故障，以降低噪聲干擾導(dǎo)致的誤報(bào)，這時(shí)，OL引腳變低電平，發(fā)出開(kāi)路負(fù)載信號(hào)。
圖6所示是在開(kāi)路負(fù)載事件從發(fā)生到結(jié)束過(guò)程中，通用輸入引腳電壓、相關(guān)輸出電壓和OL引腳電壓的波形變化。
圖7所示是斷態(tài)開(kāi)路負(fù)載的檢測(cè)功能。為了模擬開(kāi)路負(fù)載條件，輸出電壓從0V強(qiáng)拉到10V 10kHz。在消隱時(shí)間tBKT (典型值16.5s)結(jié)束后，VOL引腳變低電平。
V. 參考板和應(yīng)用測(cè)試
圖9所示是器件IPS4260L的典型應(yīng)用電路，這是一個(gè)工業(yè)自動(dòng)化或過(guò)程控制可編程邏輯控制器的輸出級(jí)。我們?yōu)榭蛻籼峁┯脩羰謨?cè)和專用的圖形用戶界面（GUI）工具。
為了在惡劣的工業(yè)電力線環(huán)境中保護(hù)低邊配置開(kāi)關(guān)，通常在輸入診斷引腳內(nèi)使用光耦二極管將應(yīng)用控制電路與電源隔離。
Transil二極管可保護(hù)低邊開(kāi)關(guān)（LSS）免受正負(fù)浪涌脈沖的沖擊，使器件符合IEC 61000-4-5標(biāo)準(zhǔn)。
要想濾除總線電感效應(yīng)，穩(wěn)定電源電壓，避免欠壓關(guān)斷，必須在電源總線(Vcc)上放置一個(gè)電解電容。
輸出電流斜率、復(fù)雜電源線的阻抗以及開(kāi)關(guān)兩端的最大允許電壓降是選擇電解電容值的依據(jù)。建議使用低ESR電容，連接位置盡可能靠近LSS開(kāi)關(guān)，以濾除電源線的電感干擾，解決電磁兼容性問(wèn)題。我們?cè)谑纠羞x擇了一個(gè)47uF電容。
感性負(fù)載是工廠自動(dòng)化/過(guò)程控制中最難控制的負(fù)載; 驅(qū)動(dòng)1.15 亨標(biāo)稱負(fù)載是比較常見(jiàn)的。驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載會(huì)產(chǎn)生非常可觀的感應(yīng)電能，引起不小的耗散功率，導(dǎo)致結(jié)溫非常高。IPS4260L是為驅(qū)動(dòng)這種大負(fù)載專門設(shè)計(jì)，使用外部齊納二極管或TVS二極管連接VZ和GND引腳或電源軌，可以快速釋放感應(yīng)電能（見(jiàn)圖2），也可以選擇將Vz引腳連接到電源軌，緩慢釋放感應(yīng)電能。
負(fù)載過(guò)流和輸出對(duì)電源電壓短路是數(shù)字輸出操作中必須面對(duì)的最危險(xiǎn)的事件。在這些惡劣事件中，輸出級(jí)必須安全度過(guò)所有相關(guān)能量的耗散過(guò)程。此外，還必須防止峰流驟然大幅升高沖擊輸出級(jí)連接的負(fù)載。
在輸出對(duì)電源電壓短路期間，輸出上會(huì)出現(xiàn)極高的峰值電流，為了安全地管理峰流，需要在芯片上集成一個(gè)限流模塊，因?yàn)橄蘖麟娐犯深A(yù)需要時(shí)間，所以只允許峰值電流短暫存在。可以使用外部電阻調(diào)整最大輸出電流。
在嚴(yán)重過(guò)載期間同樣需要限流。然而，只在內(nèi)部限制輸出電流是不夠的，實(shí)際上，如果短路或過(guò)載持續(xù)存在，開(kāi)關(guān)以及負(fù)載的耗散功率就會(huì)變得極高，從而導(dǎo)致過(guò)熱，燒毀開(kāi)關(guān)和/或所涉及的負(fù)載。
為此，我們?cè)谛酒显O(shè)計(jì)了“非耗散短路模塊”，以限制過(guò)載通道限流的持續(xù)時(shí)間。這段時(shí)間被稱為關(guān)閉電流延時(shí)(TCoff,)，數(shù)值由CoD引腳和SGND接地層之間連接的外部電阻(RCoD)來(lái)設(shè)置。在關(guān)閉電流延時(shí)結(jié)束后，通道維持?jǐn)鄳B(tài)一段時(shí)間，這段時(shí)間被稱為功率級(jí)重啟延時(shí)（tres），以避免大量通道過(guò)載導(dǎo)致PCB性能降低，并減少開(kāi)關(guān)和負(fù)載中流動(dòng)的感應(yīng)電流。
每個(gè)通道內(nèi)都有一個(gè)結(jié)熱保護(hù)模塊，如果過(guò)載通道的結(jié)溫在TCoff期間達(dá)到內(nèi)部設(shè)定值(TJSD)，結(jié)熱保護(hù)模塊將關(guān)閉相應(yīng)的通道，只在結(jié)溫Tj回到重置閾值以下時(shí)，才會(huì)重新開(kāi)啟通道。
將CoD引腳短接SGND接地層，可以禁用IPS4260L的 “非耗散性短路模塊”，這時(shí)只有結(jié)熱保護(hù)模塊在工作。
圖9和10波形圖描述了在短路條件下的通道輸出電流（Iout）和診斷電壓（VFLT）; 從這兩個(gè)圖中可以看出，在短暫峰值后，輸出電流是一個(gè)固定限值。
圖9描述了相關(guān)通道輸出電壓和跟隨故障電壓波形的輸入電壓，IPS4260L的輸入引腳用于診斷目的。
從圖10中可以看到，當(dāng)“非耗散短路模塊”功能被禁用時(shí)，達(dá)到熱關(guān)閉結(jié)溫閾值是一個(gè)很長(zhǎng)的過(guò)程，然后，過(guò)載通道關(guān)閉，輸出限流歸零。在正常情況下，過(guò)載通道的診斷信號(hào)是高電平，在熱保護(hù)干預(yù)后，F(xiàn)LT引腳和相關(guān)輸入引腳的診斷信號(hào)變低電平，發(fā)出熱保護(hù)干預(yù)信號(hào)。當(dāng)結(jié)溫TJ回到復(fù)位閾值TJSD - TJHYST下面時(shí)，正常開(kāi)關(guān)操作重新開(kāi)始，同時(shí)保護(hù)周期也重新開(kāi)始。
IPS4260L驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載也沒(méi)有任何問(wèn)題，而且能夠驅(qū)動(dòng)大電容負(fù)載。圖11所示是3.3mF/63V電容驅(qū)動(dòng)電壓波形。在電容器充電期間，由于電容大，輸出處于限流狀態(tài)，我們看不到實(shí)際充電電流，輸出限流是由外部電阻器設(shè)置。在經(jīng)過(guò)TCoof后，可以看到“非耗散性短路保護(hù)”的干預(yù)，負(fù)載功率輸出被關(guān)閉，過(guò)載或短路保護(hù)功能啟動(dòng)。當(dāng)電容器幾乎充滿電時(shí)，輸出電流回到限流下面，如圖13所示，在藍(lán)色波形的中間看到充電電流斜率突然變化，直到零值為止（電容器充滿電）。當(dāng)輸出電容充電并在輸入引腳施加低電壓時(shí)，OL引腳工作狀態(tài)是接地短路，因?yàn)樗厦嬗械碗妷骸＿@意味著在關(guān)斷狀態(tài)（輸入電壓低）時(shí)，OL引腳的診斷信號(hào)（通常為高電平）變低電平（參見(jiàn)圖12中的真值表）。
VI. 結(jié)論
本文介紹了一款單片智能四通道低邊開(kāi)關(guān)，這款智能電源開(kāi)關(guān)（IPS）具有較高的測(cè)量準(zhǔn)確度，可最大限度地降低能量損耗，防止開(kāi)關(guān)故障引起的系統(tǒng)錯(cuò)誤，這些優(yōu)勢(shì)歸功于意法半導(dǎo)體新一代Multipower-BCD技術(shù)，因?yàn)樵摷夹g(shù)允許設(shè)置過(guò)載電流限制，在系統(tǒng)恢復(fù)期間使輸出功率保持穩(wěn)定。
IPS4260L是一個(gè)四輸出通道集成化功率開(kāi)關(guān)解決方案，有助于簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，增強(qiáng)工作可靠性，并節(jié)省電路板空間。這款新型四通道開(kāi)關(guān)IC是對(duì)意法半導(dǎo)體現(xiàn)有工業(yè)IPS產(chǎn)品組合的重要補(bǔ)充，目前，該產(chǎn)品組合包括單通道、雙通道、四通道和八通道高邊開(kāi)關(guān)。
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