I. 前言

 

本文介紹一款單片高速(fSW高達100kHz)四通道低邊開關(guān)。該產(chǎn)品能夠驅(qū)動任何類型的負載(阻性負載、感性負載和容性負載)，開關(guān)一側(cè)連接電源電壓(Vcc)。

 

該開關(guān)是IPS4260L，單片集成了四條45V功率MOSFET通道（在25攝氏度時Rds(on) 典型值260mΩ）以及邏輯接口、柵驅(qū)動器、保護和診斷功能。IPS4260L采用Jedec標準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)計制造。Multipower-BCD是一項智能功率技術(shù)，可以在同一芯片上集成控制單元和功率級。

 

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功能，包括欠壓鎖定、獨立結(jié)過熱保護、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） 和電源軌斷開保護。

 

每個通道都具有自我保護功能，限流、關(guān)閉時間和熱保護可以有效防止負載短路和過流。58V鉗位網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了一個退磁電路，使該開關(guān)能夠管理大感性負載，快速釋放感應(yīng)電能。如果感性負載非常大，就必在引腳Vz和GND或電源軌之間連接一個齊納二極管或TVS二極管，以快速釋放感應(yīng)電能（見下圖），也可以將Vz引腳連接到電源軌，緩慢釋放感應(yīng)電能。

 

 

欠壓保護可以避免電源電壓非常低的異常操作，而接地斷開保護可以在接地斷開時立即關(guān)閉功率級，避免開關(guān)被擊穿損壞。

每個通道過熱關(guān)斷結(jié)溫都是160°C (典型值)，可以防護常見的過載情況。

 

開關(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關(guān)次數(shù)，并可以通過串聯(lián)電阻連接光耦。

 

當通道導(dǎo)通時，輸入高電平的最低電壓大于 2.0V。當通道是短路關(guān)閉或過熱關(guān)斷狀態(tài)時，相關(guān)輸入引腳通過開漏晶體管在內(nèi)部關(guān)斷。

 

開漏共用狀態(tài)引腳能夠直接驅(qū)動一個發(fā)光二極管（LED），指示關(guān)閉保護或結(jié)過熱關(guān)斷（FLT引腳）和斷態(tài)開路負載或接地短路（ OL針）狀態(tài)。

 

III. 非耗散性短路

 

如前所述，IPS4260L器件可使用一個外部電阻設(shè)置片上集成的限流保護功能。

 

除每個通道的結(jié)過熱保護和結(jié)溫檢測功能外，IPS4260L還集成了所謂的“非耗散性短路模塊”，旨在抑制開關(guān)的整體耗散功率。當大量通道過載而導(dǎo)致開關(guān)溫度驟升時，這一額外保護功能可以避免PCB性能降低。

 

實際上，在過載情況下，輸出電流被限制為ILIM，持續(xù)時間為(tCOFF)，限流值用連接在CoD引腳和SGND引腳之間的外部電阻(RCoD)來設(shè)定（見圖1或圖2）。通道關(guān)閉一段

 

時間(tRES)后，自動重新導(dǎo)通，保持通道結(jié)溫低于TJSD（關(guān)斷結(jié)溫）。

 

圖4所示是過載期間的過熱電壓波形。VINX表示INx引腳電壓，每當FLT引腳電壓下降，VINX就會下降，而MCUx電壓保持恒定

 

如果結(jié)溫達到TJSD，過載通道只有在結(jié)溫降至TJSD - TJHYST（復(fù)位溫度）后才會重新導(dǎo)通。需要強調(diào)的是，過熱保護僅干預(yù)過載通道; 非過載通道繼續(xù)正常運行。

 

IV. 斷態(tài)開路負載檢測

 

為了檢測斷態(tài)下的開路負載故障，必須在PGND引腳和輸出引腳之間連接一個下拉電阻（見圖5）。在功能正常情況下，電流流過下拉電阻和負載組成的網(wǎng)絡(luò)。負載兩端的電壓小于最小開路負載電壓，OL引腳保持高電平。

 

當其中一個輸出發(fā)生開路負載事件時，相關(guān)輸出引腳的電壓將會上升到一個小于最低開路負載電壓的數(shù)值，在消隱時間(tBKT)結(jié)束后，通過OL引腳報告故障，以降低噪聲干擾導(dǎo)致的誤報，這時，OL引腳變低電平，發(fā)出開路負載信號。

 

圖6所示是在開路負載事件從發(fā)生到結(jié)束過程中，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)開路負載的檢測功能。為了模擬開路負載條件，輸出電壓從0V強拉到10V 10kHz。在消隱時間tBKT (典型值16.5s)結(jié)束后，VOL引腳變低電平。

 

V. 參考板和應(yīng)用測試

 

圖9所示是器件IPS4260L的典型應(yīng)用電路，這是一個工業(yè)自動化或過程控制可編程邏輯控制器的輸出級。我們?yōu)榭蛻籼峁┯脩羰謨院蛯Ｓ玫膱D形用戶界面（GUI）工具。

為了在惡劣的工業(yè)電力線環(huán)境中保護低邊配置開關(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二極管可保護低邊開關(guān)（LSS）免受正負浪涌脈沖的沖擊，使器件符合IEC 61000-4-5標準。

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)上放置一個電解電容。

輸出電流斜率、復(fù)雜電源線的阻抗以及開關(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開關(guān)，以濾除電源線的電感干擾，解決電磁兼容性問題。我們在示例中選擇了一個47uF電容。 

 

感性負載是工廠自動化/過程控制中最難控制的負載; 驅(qū)動1.15 亨標稱負載是比較常見的。驅(qū)動感性負載會產(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)動這種大負載專門設(shè)計，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。

 

 

負載過流和輸出對電源電壓短路是數(shù)字輸出操作中必須面對的最危險的事件。在這些惡劣事件中，輸出級必須安全度過所有相關(guān)能量的耗散過程。此外，還必須防止峰流驟然大幅升高沖擊輸出級連接的負載。

 

在輸出對電源電壓短路期間，輸出上會出現(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限流模塊，因為限流電路干預(yù)需要時間，所以只允許峰值電流短暫存在?？梢允褂猛獠侩娮枵{(diào)整最大輸出電流。

 

在嚴重過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，實際上，如果短路或過載持續(xù)存在，開關(guān)以及負載的耗散功率就會變得極高，從而導(dǎo)致過熱，燒毀開關(guān)和/或所涉及的負載。

 

為此，我們在芯片上設(shè)計了“非耗散短路模塊”，以限制過載通道限流的持續(xù)時間。這段時間被稱為關(guān)閉電流延時(TCoff,)，數(shù)值由CoD引腳和SGND接地層之間連接的外部電阻(RCoD)來設(shè)置。在關(guān)閉電流延時結(jié)束后，通道維持斷態(tài)一段時間，這段時間被稱為功率級重啟延時（tres），以避免大量通道過載導(dǎo)致PCB性能降低，并減少開關(guān)和負載中流動的感應(yīng)電流。

 

每個通道內(nèi)都有一個結(jié)熱保護模塊，如果過載通道的結(jié)溫在TCoff期間達到內(nèi)部設(shè)定值(TJSD)，結(jié)熱保護模塊將關(guān)閉相應(yīng)的通道，只在結(jié)溫Tj回到重置閾值以下時，才會重新開啟通道。

 

將CoD引腳短接SGND接地層，可以禁用IPS4260L的 “非耗散性短路模塊”，這時只有結(jié)熱保護模塊在工作。

 

 

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）; 從這兩個圖中可以看出，在短暫峰值后，輸出電流是一個固定限值。

 

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“非耗散短路模塊”功能被禁用時，達到熱關(guān)閉結(jié)溫閾值是一個很長的過程，然后，過載通道關(guān)閉，輸出限流歸零。在正常情況下，過載通道的診斷信號是高電平，在熱保護干預(yù)后，F(xiàn)LT引腳和相關(guān)輸入引腳的診斷信號變低電平，發(fā)出熱保護干預(yù)信號。當結(jié)溫TJ回到復(fù)位閾值TJSD - TJHYST下面時，正常開關(guān)操作重新開始，同時保護周期也重新開始。

 

 

IPS4260L驅(qū)動容性負載也沒有任何問題，而且能夠驅(qū)動大電容負載。圖11所示是3.3mF/63V電容驅(qū)動電壓波形。在電容器充電期間，由于電容大，輸出處于限流狀態(tài)，我們看不到實際充電電流，輸出限流是由外部電阻器設(shè)置。在經(jīng)過TCoof后，可以看到“非耗散性短路保護”的干預(yù)，負載功率輸出被關(guān)閉，過載或短路保護功能啟動。當電容器幾乎充滿電時，輸出電流回到限流下面，如圖13所示，在藍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）。當輸出電容充電并在輸入引腳施加低電壓時，OL引腳工作狀態(tài)是接地短路，因為它上面有低電壓。這意味著在關(guān)斷狀態(tài)（輸入電壓低）時，OL引腳的診斷信號（通常為高電平）變低電平（參見圖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關(guān)，這款智能電源開關(guān)（IPS）具有較高的測量準確度，可最大限度地降低能量損耗，防止開關(guān)故障引起的系統(tǒng)錯誤，這些優(yōu)勢歸功于意法半導(dǎo)體新一代Multipower-BCD技術(shù)，因為該技術(shù)允許設(shè)置過載電流限制，在系統(tǒng)恢復(fù)期間使輸出功率保持穩(wěn)定。

 

IPS4260L是一個四輸出通道集成化功率開關(guān)解決方案，有助于簡化系統(tǒng)設(shè)計，增強工作可靠性，并節(jié)省電路板空間。這款新型四通道開關(guān)IC是對意法半導(dǎo)體現(xiàn)有工業(yè)IPS產(chǎn)品組合的重要補充，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關(guān)。