智能功率开关(IPS)：基本特征与保护

摘　要

不同的负荷条件时的IPS 选择

电流和温度保护

有源钳位模式

以Vcc为 参考输入的高端IPS的保护电路

　　智能功率开关(IPS)是IR的具有高低端保护的功率MOSFET。IPS器件被设计为可安全地处理平常的过载情况和一些非常的情况。在这篇设计提示中，我们将会看到IPS提供的一些最重要的，也是基本的保护功能。当然，文章开始我们还是主要先来讨论各种不同的负载，以及基於对这些负载该如何选择IPS。

1. 依据不同的负载选择IPS

1-1 灯泡

　　如图 1a 所示，来自一个灯泡的输入浪涌电流能超过额定电流的 10 倍。因此具有电流限制功能的IPS成为首选。要确定过流保护值，即确定Ilim，就需要在功耗（线性模式）和保护水平这两者之间有所取舍。通常选择约6倍于额定的电流值作为最初的Ilim近似值。然而, 重要的是要确定结温不会超过温度保护值(Fig 1c)。要进行测试来验证最高结温和过温保护值之间的差值是不是一个安全的值（如图所示）。 如果需要的话,可以进行仿真（使用一个灯泡模型），求出详细的温度曲线。

1-2 感性负载

　　具有过流关断和截流功能的IPS可以有效地保护感性负载。 在围绕一个感性负载进行设计的时候,.有几点必须注意。第一，对于电子机械部件（电磁阀,继电器等），由於内部的气隙而产生的冲击电流尖峰不能触发过流关断。 其次，应该确定电流和温度即使在最坏的情况下也不会超过保护值。第三，有源 钳位效果(在第 3 节中描述)也必须考虑到。然而，对于第一次选取近似保护值，请使用数据表中给出的最大输出电流相对负载电感曲线。（例如IPS511数据表中的图10）。

1-3 阻性负载

　　具有过流关断和截流功能的IPS可以有效地保护阻性负载。第一次设计时，近似保护值请依据数据表中的‘推荐工作条件表’和‘电流限值与结温关系’的曲线图（例如IPS511数据表中的图13）。之后，必须评估最恶劣条件下的电流和温度，以确定他们都在保护范围之内。根据情况调整原始设计。

2.过流和过温保护

　　在许多应用中,需要额外的保护线路来满足系统的安全性和可靠性。两种最通常的（和致命的）问题是过流和过温。IR的IPS器件设计有针对这两种基本问题的保护功能。

2-1过流关断(OI)

　　过流关断的前提很清楚：当电流超过关断限值的时候，开关器件关断。过流有两种可能的模式。一个是在连续输入的情况下，负载发生短路。 图 2 显示了这种情况下关断的相关波形。另一种过流模式是在负载短路的情况下开关器件开通。图 2b。给出了这种过流的关断过程。从‘Ids与时间关系’曲线上可以评估关断所需时间。 举例来说，在图 2a 中曲线2，关断时间 (电流上升的起始点到后来返回正常值之间的时间) 大约是14微秒，而在图 2b 中，它大约是11微秒。(电流关断时间实际上是峰值电流，内部的延迟和dI/dt 斜率的函数。）注意Vcc上升的幅度，以确认在每次短路发生后有源钳位都能有效动作。

　　复位时,保持输入电压为低，持续最小复位时间 (Treset), 该值在数据表中的保护特性一栏给出。

(a) 负载短路波形 (低端 IPS) (b) 漏极短路条件下开通波形 (低端 IPS)

Esd=3.3 mJ Vcc=14 V Esd=0.45mJ Vcc=14 V

2-2 截流 (Ilim)

　　在截流保护模式中，集成电路始终检测漏极电流。 当漏极电流达到截流值Ilim，一个内部的电流环驱动功率 MOSFET 工作在线性状态。然而，这个保护对于两种可能的过流模式的反应有所不同。 第一种情形是，在器件开通状态负载发生短路（图 3a），在截流保护动作之前会有一个很陡的电流尖峰。 然而，在第二种情形中 (漏极短路的情况下开通器件)，截流就平滑许多。在图2b中可以看到电流上没有尖刺。当然，两个情形的响应时间保证瞬时电流值在功率MOSFET的安全工作区内。截流保护一直持续到过温保护动作（2-3段）。

(a) 负载短路波形 (b) 漏极短路条件下开通波形

2-3 过温保护

　　过温保护是对抗缓慢电流增加的最后一道防线，例如过载。从字面上看，当结温超过关断温度时，Tsd( 典型值 165℃ ), 器件被关断。 实际上，该保护会使器件闭锁。 要复位IPS，保持输入电压为低，持续最小复位时间，Treset( 该值在数据表中的保护特性一栏给出)，当器件自动重启动时（由于滞环现象），器件在结温降到重启动温度值( 典型值 158 ℃)以下后开通。

　　在设计过温保护之前必须清楚:

　　• 过温关断是一个保护。 不能按阀值功能使用它（如热敏振荡器或其它的）。如果按阀值使用，结温会长时间停留在大约160℃，大大地影响（缩短）IPS的寿命。

　　• 有源钳位 (第 3 节) 不受过温保护影响。在钳位或反偏状态没有办法切断电流(体两极管)。

　　• 在某些特定环境中 ( 举例来说在高的工作频率下发生严重短路),可能发生热击穿。这一点请查阅有关高频运行的设计提示。(DT99-5,第 3 节)

2-4 在设计过流和过温保护时需要重点考率的问题

　　Ids对应响应时间曲线 (I-T 曲线) 概括了IPS的特点。（IPS021数据表中的图14就是一个例子）。图 4 中典型的I-T曲线显示那一段受过流保护支配，哪一段受过温保护支配。

　　在围绕负载设计电流路径时，有两点必须牢记。第一，该路径的载流能力应始终高于曲线中所示的值，这样不致于该路径在过流保护动作之前烧毁。第二，负载的载流能力应始终低于曲线中所示的值，这样可以 避免过流保护被误触发。

3.有源钳位模式

3-1 有源钳位的目的

　　切断一个感性负载还需要考虑功率耗散能力。本质上负载储存的能量（1/2*L*I2）只能通过功率MOSFET耗散掉。该功耗的大小并不依Rds(on)而定，而是更多地取决于芯片的能量等级和感性负载关断钳位电路。在负载电流衰减到零的续流时间是Vclamp的函数。Vclamp 越高，电流衰减越快。和传统的快速泄放能量的方法相比（例如续流二极管，齐纳二极管钳位和MOSFET雪崩耐量），有源钳位是最有效的泄放电感能量的方法。因此，所有IPS器件都集成了有源钳位功能。

3-2 有源钳位原理

　　有源钳位的特点在图 5 中给出。 在关闭状态，当Vds> Vzener+ 二极管的Vf+MOSFET的Vthreshold，功率MOSFET重新被开通。另外，在这条泄放能量的电流通道上还有两个大的阻抗，电阻和 MOSFET，有助释放能量。( 注意，在有源钳位状态，MOSFET处于线性状态，或称高阻状态。）负载很快地消磁，因为负载中的能量通过一个很大的电压差释放掉（Vcc -Vclamp）。该电压差越大，去磁越快。

　　在有源钳位期间由IPS泄放掉的能量是Vclamp 。电感中储存的能量是[。因此，值得注意的是，在有源钳位期间，器件上的功耗要比负载上的大。( 流经负载和IPS上的电流是相同的，但IPS上的电压比负载上的高)。IPS上总的能耗可以用下面的公式计算出来： 

　　E IPS = (½.L.I²)x(Vclamp / (Vclamp - Vcc))

　　每个IPS 可以承受的最大感性负载可以从数据表中的Iclamp与感性负载关系曲线图上估计出来。( 例如 IPS021L 数据表中的图 15)

3-3有源钳位期间热的问题

　　钳位状态时，MOSFET工作在线性状态，所以MOSFET的结温会上升。如需要，结的温升可用下面的方法估算出来：

Demag电流的 di/ dt： di/ dt=[ Vcc- Vcl]/L

钳位时间： Tcl=Iclamp/Idi/dtI

钳位平均电流： Icl avg=Iclamp/2

钳位期间功耗： Pcl=Vcl*Icl avg

结温升： DTj=Pcl*Rth(Tcl时)

注意：

负载电感量 (H)

电压单位为 (V) 和电流单位为 (A)

Rth(为 Tcl) 为对应Tcl时的瞬态热阻抗

(见 数据表中瞬态热阻抗时间曲线)

3-4 高低端IPS的有源钳位

　　以上的讨论使用的例子是一个低端开关的结构。高端IPS器件工作情况一样。 因为高端开关是在内部参考Vcc脚，它的漏极在钳位期间低于地电位。图 6a和6b分别给出了高端和低端开关有源钳位的波形。

(a) 低端开关 (b) 高端开关

　　对于低端开关,钳位回路包括了输入管脚。可以通过在输入管脚上串接电阻来限制吸入电流。在钳位期间，如果又有信号输入，IPS 产品能够把负载重新开通。

4. 以Vcc为参考输入的高端IPS的保护电路

　　以Vcc 为参考输入的高端IPS不同于常规的高端IPS，它的输入是以Vcc管脚为参考的。 以Vcc 为参考输入的高端IPS 通常被用在汽车环境，因此需要如图7中的附加保护电路，它由以下几个器件组成:

(a)一个 shottky 二极管 (小电流的) ，在电池反向连接的情况下，可以避免在微处理器输出端出现负电压。

(b)一个齐纳二极管，防止输入端的电压尖峰。
 
(c)一个电阻，Rin，用来限制二极管电流。这个电阻的最大值的计算如下：

这里：

Vcc min = 最低 Vcc 工作电压 (V)

Vih = 高电平输入启动电压 (V)

Iin on = 典型输入电流值 (A)

(Vcc-Vin=Vih)

Vf = 二极管正向电压降 (V)

Vce = 集电极电压 (V)

Rin = 输入阻抗（Ω）

(a)低端开关 (b)高端开关

　　以Vcc为 参考输入的高边 IPS，会有大电流流过Vcc管脚。此管脚上任何寄生的串联阻抗可以显著改变输入开启电压，因为此寄生电阻上的电压相当于给输入加了一个电压反馈。所以必须多花精力在电路板布线上，尽可能减小这些寄生阻抗。

5. 结论

　　这篇设计提示只是想给大家讲一下IPS器件的基本特点和保护功能。对於进一步的关於这类器件的开关能力和故障诊断功能，请参阅设计提示DT99-5。而在设计提示DT99-6中会深入讲解IPS在汽车应用环境中的工作情况。