节能型四通道低边智能电源开关

只看该作者 · 2020-8-6 18:58

摘要 - 本文介绍一款为最大限度地降低总体耗散功率而专门设计的新型四通道低边智能功率开关，重点介绍该开关的主要技术特性，例如，每条通道都具有很低的Rds(on)导通电阻和业内独一无二的可设置输出限流和可设置关闭延时保护功能，最后还探讨了基于原厂参考板的应用设计。
I. 前言
本文介绍一款单片高速(fSW高达100kHz)四通道低边开关。该产品能够驱动任何类型的负载(阻性负载、感性负载和容性负载)，开关一侧连接电源电压(Vcc)。
该开关是IPS4260L，单片集成了四条45V功率MOSFET通道（在25摄氏度时Rds(on) 典型值260mΩ）以及逻辑接口、栅驱动器、保护和诊断功能。IPS4260L采用Jedec标准HTSSOP 20引脚微型功率封装。
该器件采用意法半导体的Multipower-BCD工艺设计制造。Multipower-BCD是一项智能功率技术，可以在同一芯片上集成控制单元和功率级。

II. IPS4260L框图
图1所示是该器件的工作原理框图。从框图中可以看出，每条通道都配备全面的保护功能，包括欠压锁定、独立结过热保护、可设置限流（使用ILIM引脚和SGND之间连接的外部电阻RLIM设置限流）、感性钳位（典型值58V）和电源轨断开保护。

每个通道都具有自我保护功能，限流、关闭时间和热保护可以有效防止负载短路和过流。58V钳位网络实现了一个退磁电路，使该开关能够管理大感性负载，快速释放感应电能。如果感性负载非常大，就必在引脚Vz和GND或电源轨之间连接一个齐纳二极管或TVS二极管，以快速释放感应电能（见下图），也可以将Vz引脚连接到电源轨，缓慢释放感应电能。

欠压保护可以避免电源电压非常低的异常操作，而接地断开保护可以在接地断开时立即关闭功率级，避免开关被击穿损坏。
每个通道过热关断结温都是160°C (典型值)，可以防护常见的过载情况。

开关的输入模块是TTL/CMOS兼容输入/输出，能够最大限度减少输入开关次数，并可以通过串联电阻连接光耦。

当通道导通时，输入高电平的最低电压大于 2.0V。当通道是短路关闭或过热关断状态时，相关输入引脚通过开漏晶体管在内部关断。
开漏共用状态引脚能够直接驱动一个发光二极管（LED），指示关闭保护或结过热关断（FLT引脚）和断态开路负载或接地短路（ OL针）状态。
III. 非耗散性短路

如前所述，IPS4260L器件可使用一个外部电阻设置片上集成的限流保护功能。
除每个通道的结过热保护和结温检测功能外，IPS4260L还集成了所谓的“非耗散性短路模块”，旨在抑制开关的整体耗散功率。当大量通道过载而导致开关温度骤升时，这一额外保护功能可以避免PCB性能降低。

实际上，在过载情况下，输出电流被限制为ILIM，持续时间为(tCOFF)，限流值用连接在CoD引脚和SGND引脚之间的外部电阻(RCoD)来设定（见图1或图2）。通道关闭一段

时间(tRES)后，自动重新导通，保持通道结温低于TJSD（关断结温）。

图4所示是过载期间的过热电压波形。VINX表示INx引脚电压，每当FLT引脚电压下降，VINX就会下降，而MCUx电压保持恒定

如果结温达到TJSD，过载通道只有在结温降至TJSD - TJHYST（复位温度）后才会重新导通。需要强调的是，过热保护仅干预过载通道; 非过载通道继续正常运行。
IV. 断态开路负载检测
为了检测断态下的开路负载故障，必须在PGND引脚和输出引脚之间连接一个下拉电阻（见图5）。在功能正常情况下，电流流过下拉电阻和负载组成的网络。负载两端的电压小于最小开路负载电压，OL引脚保持高电平。

当其中一个输出发生开路负载事件时，相关输出引脚的电压将会上升到一个小于最低开路负载电压的数值，在消隐时间(tBKT)结束后，通过OL引脚报告故障，以降低噪声干扰导致的误报，这时，OL引脚变低电平，发出开路负载信号。

图6所示是在开路负载事件从发生到结束过程中，通用输入引脚电压、相关输出电压和OL引脚电压的波形变化。

图7所示是断态开路负载的检测功能。为了模拟开路负载条件，输出电压从0V强拉到10V 10kHz。在消隐时间tBKT (典型值16.5s)结束后，VOL引脚变低电平。

V. 参考板和应用测试

图9所示是器件IPS4260L的典型应用电路，这是一个工业自动化或过程控制可编程逻辑控制器的输出级。我们为客户提供用户手册和专用的图形用户界面（GUI）工具。
为了在恶劣的工业电力线环境中保护低边配置开关，通常在输入诊断引脚内使用光耦二极管将应用控制电路与电源隔离。

Transil二极管可保护低边开关（LSS）免受正负浪涌脉冲的冲击，使器件符合IEC 61000-4-5标准。
要想滤除总线电感效应，稳定电源电压，避免欠压关断，必须在电源总线(Vcc)上放置一个电解电容。
输出电流斜率、复杂电源线的阻抗以及开关两端的最大允许电压降是选择电解电容值的依据。建议使用低ESR电容，连接位置尽可能靠近LSS开关，以滤除电源线的电感干扰，解决电磁兼容性问题。我们在示例中选择了一个47uF电容。

感性负载是工厂自动化/过程控制中最难控制的负载; 驱动1.15 亨标称负载是比较常见的。驱动感性负载会产生非常可观的感应电能，引起不小的耗散功率，导致结温非常高。IPS4260L是为驱动这种大负载专门设计，使用外部齐纳二极管或TVS二极管连接VZ和GND引脚或电源轨，可以快速释放感应电能（见图2），也可以选择将Vz引脚连接到电源轨，缓慢释放感应电能。

负载过流和输出对电源电压短路是数字输出操作中必须面对的最危险的事件。在这些恶劣事件中，输出级必须安全度过所有相关能量的耗散过程。此外，还必须防止峰流骤然大幅升高冲击输出级连接的负载。

在输出对电源电压短路期间，输出上会出现极高的峰值电流，为了安全地管理峰流，需要在芯片上集成一个限流模块，因为限流电路干预需要时间，所以只允许峰值电流短暂存在。可以使用外部电阻调整最大输出电流。

在严重过载期间同样需要限流。然而，只在内部限制输出电流是不够的，实际上，如果短路或过载持续存在，开关以及负载的耗散功率就会变得极高，从而导致过热，烧毁开关和/或所涉及的负载。

为此，我们在芯片上设计了“非耗散短路模块”，以限制过载通道限流的持续时间。这段时间被称为关闭电流延时(TCoff,)，数值由CoD引脚和SGND接地层之间连接的外部电阻(RCoD)来设置。在关闭电流延时结束后，通道维持断态一段时间，这段时间被称为功率级重启延时（tres），以避免大量通道过载导致PCB性能降低，并减少开关和负载中流动的感应电流。

每个通道内都有一个结热保护模块，如果过载通道的结温在TCoff期间达到内部设定值(TJSD)，结热保护模块将关闭相应的通道，只在结温Tj回到重置阈值以下时，才会重新开启通道。

将CoD引脚短接SGND接地层，可以禁用IPS4260L的 “非耗散性短路模块”，这时只有结热保护模块在工作。

图9和10波形图描述了在短路条件下的通道输出电流（Iout）和诊断电压（VFLT）; 从这两个图中可以看出，在短暂峰值后，输出电流是一个固定限值。

图9描述了相关通道输出电压和跟随故障电压波形的输入电压，IPS4260L的输入引脚用于诊断目的。

从图10中可以看到，当“非耗散短路模块”功能被禁用时，达到热关闭结温阈值是一个很长的过程，然后，过载通道关闭，输出限流归零。在正常情况下，过载通道的诊断信号是高电平，在热保护干预后，FLT引脚和相关输入引脚的诊断信号变低电平，发出热保护干预信号。当结温TJ回到复位阈值TJSD - TJHYST下面时，正常开关操作重新开始，同时保护周期也重新开始。

IPS4260L驱动容性负载也没有任何问题，而且能够驱动大电容负载。图11所示是3.3mF/63V电容驱动电压波形。在电容器充电期间，由于电容大，输出处于限流状态，我们看不到实际充电电流，输出限流是由外部电阻器设置。在经过TCoof后，可以看到“非耗散性短路保护”的干预，负载功率输出被关闭，过载或短路保护功能启动。当电容器几乎充满电时，输出电流回到限流下面，如图13所示，在蓝色波形的中间看到充电电流斜率突然变化，直到零值为止（电容器充满电）。当输出电容充电并在输入引脚施加低电压时，OL引脚工作状态是接地短路，因为它上面有低电压。这意味着在关断状态（输入电压低）时，OL引脚的诊断信号（通常为高电平）变低电平（参见图12中的真值表）。

VI. 结论
本文介绍了一款单片智能四通道低边开关，这款智能电源开关（IPS）具有较高的测量准确度，可最大限度地降低能量损耗，防止开关故障引起的系统错误，这些优势归功于意法半导体新一代Multipower-BCD技术，因为该技术允许设置过载电流限制，在系统恢复期间使输出功率保持稳定。
IPS4260L是一个四输出通道集成化功率开关解决方案，有助于简化系统设计，增强工作可靠性，并节省电路板空间。这款新型四通道开关IC是对意法半导体现有工业IPS产品组合的重要补充，目前，该产品组合包括单通道、双通道、四通道和八通道高边开关。