【導讀】在本設計解決方案中，我們回顧了在工廠環(huán)境中運行的執(zhí)行器中使用的高邊開關電路的一些具有挑戰(zhàn)性的工作條件和常見故障機制。我們提出了一種控制器IC，該IC集成了各種安全功能，以監(jiān)控電路運行，并在發(fā)生這些情況時采取適當措施防止損壞。
在本設計解決方案中，我們回顧了在工廠環(huán)境中運行的執(zhí)行器中使用的高邊開關電路的一些具有挑戰(zhàn)性的工作條件和常見故障機制。我們提出了一種控制器IC，該IC集成了各種安全功能，以監(jiān)控電路運行，并在發(fā)生這些情況時采取適當措施防止損壞。
介紹
“沒有做好準備，你就在準備失敗”，這是一句格言，在為現(xiàn)代自動化工廠設計設備時，非常值得牢記，在現(xiàn)代自動化工廠中，失敗不是一種選擇。由于數十個執(zhí)行器同時打開和關閉繼電器和電磁閥，這些惡劣、嘈雜和苛刻的環(huán)境甚至可以將最堅固的組件的性能發(fā)揮到極限，即便如此，也需要精心設計的保護電路來確保它們不會超出其安全操作邊界。盡管如此，即使是最好的計劃也可能出錯，意外的過載或未檢測到的短路會迅速損壞開關元件，導致代價高昂的生產停機時間。
在本設計解決方案中，我們回顧了高端開關電路的運行情況，并考慮了一些常見的操作和故障條件，如果不及時檢測和響應，可能會永久損壞甚至破壞開關和/或其控制器。然后，我們介紹了一種新的控制器IC，它集成了無數的安全和保護功能，使其非常適合在發(fā)生這些（或其他）故障情況時為高端開關電路提供最高級別的保護。
什么是高邊開關？
打開/關閉接地連接負載的晶體管通常被稱為“高端開關”，因為它用于將電流從“高”電壓軌（在工業(yè)應用中通常為24V）傳導到連接到較低電壓（通常為0V）的負載。這種類型的布置需要一個在飽和區(qū)域工作的n溝道FET（圖2）。低電壓開/關信號從微控制器發(fā)送到開關控制器 IC，然后根據需要提供打開和關閉開關所需的更高柵極電壓。這些簡單的電路有時也稱為“數字輸出”，通常用于工業(yè)執(zhí)行器中，以打開/關閉閥門，為電磁閥通電和電機制動。
在某些版本的電路中，例如MAX14915，開關集成在控制器IC中，而在其他方案中，它是外部分立元件。雖然集成是前者的明顯吸引力，但后一種方法的優(yōu)點是，它可以自由選擇具有適合特定負載的驅動電流的開關。
圖2.簡化的高邊開關布置。
接下來，我們將考慮工廠環(huán)境中可能發(fā)生的一些常見操作和故障條件，它們對高端開關電路的潛在影響，以及在發(fā)生這些情況時保護電路免受持久損壞的一些方法。
感應電壓浪涌
當閥門關閉（或打開，取決于系統(tǒng)的極性）時，開關關閉，流入感性負載（例如電磁閥）的電流突然停止，開始消磁過程。電感器的本質是反對這種效應，從而產生較大的反沖電壓，以保持電流流動。這種出現(xiàn)在控制器S端的反沖電壓必須限制/箝位在控制器IC的“絕對最大額定值”范圍的中間電壓，以防止器件S和G端子之間產生的大負電壓造成損壞。一種常見的方法是使用瞬態(tài)電壓抑制（TVS）二極管，將源端子上的電壓電平箝位在預定的安全電壓電平。選擇TVS二極管時，其額定峰值電流應大于正常應用期間流過它的峰值電流。在電壓鉗位期間，TVS中消耗的峰值功率應在其額定規(guī)格范圍內（對于最高工作溫度）。為了防止損壞，驅動器IC的源極端子也能夠承受TVS的最大鉗位電壓也很重要。
卡住的閥門
有時在工業(yè)過程中，閥門可能會暫時卡在阻止其完全打開或關閉的位置。這可能導致發(fā)生“過流”情況，即開關驅動器 IC 逐漸增加流向負載的電流以嘗試釋放閥門。如果閥門突然松開，問題就解決了，開關中流動的電流將迅速恢復正常。但是，如果閥門卡在一個位置，則電流可能會繼續(xù)增加，超過開關的額定值。如果這種情況持續(xù)超過短時間，多余的熱量可能會永久損壞甚至損壞交換機。因此，限制可能發(fā)生的過電流的大小和持續(xù)時間非常重要。
短路
負載和返回端子的短路是最極端的過流情況類型。在這種情況下，電流僅受導通電阻R的限制德森），如果不迅速檢測和/或防范，將導致開關燒壞，造成無法彌補的損壞。短路保護與過流情況相同。
過熱
如果溫度意外升高，例如冷卻風扇故障，工業(yè)設備的環(huán)境運行條件可能會超過最大額定值。在致動器中，這可能會將晶體管開關推到其額定工作溫度范圍之外。在最好的情況下，這可能會導致性能下降，在最壞的情況下，它可能會導致完全倦怠。持續(xù)監(jiān)測設備環(huán)境工作溫度非常重要，以便在必要時可以快速關閉。
接線不正確
人類并非萬無一失，即使是訓練有素的技術人員也會犯錯誤，尤其是在調試新生產線并使其快速啟動和運行的壓力下。當面對電線的“老鼠巢”時，技術人員可能犯的最簡單，因此最常見的錯誤之一是將正極連接到負極，反之亦然。高端驅動器電路必須足夠魯棒，以安全地處理這種情況。
電源過電壓
雖然 24V DC 是大多數工業(yè)設備使用的標稱電壓電平，但該電壓變化很大（由于相鄰大電流開關設備中浪涌的交叉污染）的情況并不少見。雖然電源電壓的一定程度變化是可以預期的，并且通常是計劃好的，但用于產生24V電源軌的電源故障可能導致其大大超過開關和/或控制器的安全工作閾值。防止此事件需要有一些方法來檢測電源電壓是否超過預設閾值，如果發(fā)生這種情況，開關電路可以關閉。
掌控一切
圖3所示的高邊開關電路具有高邊開關控制器IC（MAX14922），提供一系列安全特性來保護整個電路，使其即使在面臨最具挑戰(zhàn)性的工作和故障條件（如前面考慮的那些）時也可靠、魯棒。
圖3.MAX14922高邊開關控制器，帶電流限制。
該控制器在S（源）輸入端提供快速感性負載關斷，這可以通過使用接地連接的高壓TVS二極管提供電壓鉗位來防止-70V（最大值）至V的電壓（和ESD）浪涌DD+6V.
當檢測電阻器R時，它還能夠實現(xiàn)電流限制S連接在 V 之間DD和 SNS 輸入終端。最大過電流為I超頻= V超頻/RS.如果發(fā)生過流情況，控制器會采取許多預防措施。首先，在正常電路操作期間為高電平的漏極開路診斷輸出（/OVCURR）轉換為低電平。如果需要，這可以用作微控制器的標志，以采取適當的操作。然后開關控制器開始調整 V一般事務人員的開關，以在固定的“消隱時間”內主動調節(jié)電流（由 T 上的電容器值設置）空白輸入）。如果過流情況持續(xù)超過“消隱時間”，則控制器將關閉開關以保護。在大約 50 個“消隱時間”間隔（即 10ms）的關斷延遲后，開關再次自動打開。自動重試開/關循環(huán)將繼續(xù)，直到技術人員消除過流的原因。在消除過流條件之前，/OVCURR輸出保持低電平。
例如，在圖4中，一個1nF電容將“消隱時間”間隔設置為200μs。
圖4.調節(jié)在“消隱時間”間隔期間進行。
在大約 50 個“消隱時間”間隔（或 10ms）的關斷延遲后，開關再次自動開啟（圖 5），并且此“自動重試”循環(huán)無限期重復，直到故障得到解決。
圖5.消隱時間和過流條件下的自動重試。
發(fā)生短路時，控制器關閉開關約 5μs，然后以受控速率重新導通，以便短路負載電流由檢測電阻值確定（圖 6）。類似地，對于過流條件，調節(jié)相位和自動重試間隔由 C 的值確定空白電容器。
圖6.短路檢測和干預。
該 IC 的另一個優(yōu)點是包括集成溫度監(jiān)控和保護關斷功能。集成溫度傳感器在 110°C（典型值）時發(fā)出熱警告信號。發(fā)生這種情況時，/THW邏輯輸出變?yōu)榈碗娖?，指示過熱事件，盡管器件繼續(xù)正常工作。如果溫度降低10°C，則/THW邏輯輸出返回高電平。但是，如果溫度繼續(xù)上升到150°C以上，則無論IN輸入（來自微控制器）的狀態(tài)如何，控制器都會進入關斷模式。在關斷模式下，G 輸出關閉，強制開關完全關閉。當溫度降低 10°C 時，一旦溫度降至 110°C 以下，器件將恢復正常工作，/THW 輸出變?yōu)榈碗娖健?br style="padding: 0px; margin: 0px auto;"/>
電源過壓檢測是該控制器的另一個有用的安全功能。如果 VDD超過過壓門限（+39V）時，低電平OV輸出變?yōu)榈碗娖接行?。這不會影響繼續(xù)正常運行的開關控制器（并且將繼續(xù)對 V 執(zhí)行DD高達 70V），但/OV輸出充當微控制器的標志，指示電源電壓高于系統(tǒng)設計范圍。對于某些應用，該信號可用于對來自系統(tǒng)微控制器的信號進行選通，以防止在發(fā)生過壓情況時IN變?yōu)楦唠娖?。為了進一步提高魯棒性，該器件提供了針對電源電壓接線誤接線的集成保護。
除了該IC的安全特性外，它還包括一個內部電荷泵，為開關柵極提供更高的驅動電流。這可確保其完全飽和，導通電阻最小（R德森).這減少了 I2R功率耗散（以及相關的發(fā)熱），如果電路安裝在小型外殼中并允許高達50KHz的開關速率，則不希望出現(xiàn)這種情況。方便的是，該開關控制器IC還包括一個板載5V LDO穩(wěn)壓器，能夠在需要時向外部電路提供高達50mA的電流。
總結
乍一看，工業(yè)高端開關似乎是一個相對簡單的電路。然而，當面臨在惡劣的工廠環(huán)境中操作的任務時，它可能會以多種方式失敗，并可能導致代價高昂的生產停機時間。在此設計解決方案中，我們考慮了高端開關可能遇到的許多具有挑戰(zhàn)性的工作和故障條件中的一些。然后，我們展示了一款新型高邊開關控制器IC，該IC具有多種診斷和安全功能，使這些電路在工廠車間運行時具有無與倫比的魯棒性。該器件采用 3mm x 3mm 16-TQFN 封裝，非常適合與多種 n 溝道 FET 器件配合使用，適用于需要 1A 至 10A 電流的繼電器/電磁閥和電機制動應用。
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