节能型四通道低边智能电源开关

作者：Michelangelo Marchese时间：2019-05-20来源：电子产品世界收藏

编者按：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。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201905/400664.htm

图6：开路负载信号延迟

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：断态开路负载的电压波形(黄线VOL, 绿线 Vout)

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。

图8：IPS4260L参考板（STEVAL-IFP029V1）

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。

负载短路行为

图9所示：“非耗散短路模块”启用时的短路电压波形（蓝线VFLT，黄线VIN，红线IOUT，绿线VOUT）

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10：禁用“非耗散短路模块”时的短路电压波形（红线VFLT，蓝线IOUT）

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。

容性负载的行为

图11：3.3mF / 63V容性负载驱动电压波形（黄线Vout，蓝线Iout，红线Vflt）

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）。