作者: Michelangelo Marchese

I.前言

本文介紹一款單片高速(fSW高達100kHz)四通道低邊開(kāi)關(guān)。該產(chǎn)品能夠驅動(dòng)任何類(lèi)型的負載(阻性負載、感性負載和容性負載)，開(kāi)關(guān)一側連接電源電壓(Vcc)。

該開(kāi)關(guān)是IPS4260L，單片集成了四條45V功率MOSFET通道（在25攝氏度時(shí)Rds(on) 典型值260mΩ）以及邏輯接口、柵驅動(dòng)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體的Multipower-BCD工藝設計制造。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、獨立結過(guò)熱保護、可設置限流（使用ILIM引腳和SGND之間連接的外部電阻RLIM設置限流）、感性鉗位（典型值58V） 和電源軌斷開(kāi)保護。

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

圖2：基于IPS4260L的快速退磁大感性負載驅動(dòng)電路

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(kāi)保護可以在接地斷開(kāi)時(shí)立即關(guān)閉功率級，避免開(kāi)關(guān)被擊穿損壞。

每個(gè)通道過(guò)熱關(guān)斷結溫都是160°C (典型值)，可以防護常見(jiàn)的過(guò)載情況。

開(kāi)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(kāi)關(guān)次數，并可以通過(guò)串聯(lián)電阻連接光耦。

當通道導通時(shí)，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(guò)熱關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，相關(guān)輸入引腳通過(guò)開(kāi)漏晶體管在內部關(guān)斷。

開(kāi)漏共用狀態(tài)引腳能夠直接驅動(dòng)一個(gè)發(fā)光二極管（LED），指示關(guān)閉保護或結過(guò)熱關(guān)斷（FLT引腳）和斷態(tài)開(kāi)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(gè)外部電阻設置片上集成的限流保護功能。

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

實(shí)際上，在過(guò)載情況下，輸出電流被限制為ILIM，持續時(shí)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(lái)設定（見(jiàn)圖1或圖2）。通道關(guān)閉一段時(shí)間(tRES)后，自動(dòng)重新導通，保持通道結溫低于TJSD（關(guān)斷結溫）。

圖4所示是過(guò)載期間的過(guò)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(huì )下降，而MCUx電壓保持恒定

如果結溫達到TJSD，過(guò)載通道只有在結溫降至TJSD - TJHYST（復位溫度）后才會(huì )重新導通。需要強調的是，過(guò)熱保護僅干預過(guò)載通道; 非過(guò)載通道繼續正常運行。

IV.斷態(tài)開(kāi)路負載檢測

為了檢測斷態(tài)下的開(kāi)路負載故障，必須在PGND引腳和輸出引腳之間連接一個(gè)下拉電阻（見(jiàn)圖5）。在功能正常情況下，電流流過(guò)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(kāi)路負載電壓，OL引腳保持高電平。

圖5：斷態(tài)網(wǎng)絡(luò )中的開(kāi)路負載檢測

當其中一個(gè)輸出發(fā)生開(kāi)路負載事件時(shí)，相關(guān)輸出引腳的電壓將會(huì )上升到一個(gè)小于最低開(kāi)路負載電壓的數值，在消隱時(shí)間(tBKT)結束后，通過(guò)OL引腳報告故障，以降低噪聲干擾導致的誤報，這時(shí)，OL引腳變低電平，發(fā)出開(kāi)路負載信號。

圖6所示是在開(kāi)路負載事件從發(fā)生到結束過(guò)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6：開(kāi)路負載信號延遲

圖7：斷態(tài)開(kāi)路負載的電壓波形

(黃線(xiàn)VOL, 綠線(xiàn) Vout)

圖7所示是斷態(tài)開(kāi)路負載的檢測功能。為了模擬開(kāi)路負載條件，輸出電壓從0V強拉到10V 10kHz。在消隱時(shí)間tBKT (典型值16.5s)結束后，VOL引腳變低電平。

V.參考板和應用測試

圖9所示是器件IPS4260L的典型應用電路，這是一個(gè)工業(yè)自動(dòng)化或過(guò)程控制可編程邏輯控制器的輸出級。我們?yōu)榭蛻?hù)提供用戶(hù)手冊和專(zhuān)用的圖形用戶(hù)界面（GUI）工具。

為了在惡劣的工業(yè)電力線(xiàn)環(huán)境中保護低邊配置開(kāi)關(guān)，通常在輸入診斷引腳內使用光耦二極管將應用控制電路與電源隔離。

圖8：IPS4260L參考板（STEVAL-IFP029V1）

Transil二極管可保護低邊開(kāi)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(xiàn)電感效應，穩定電源電壓，避免欠壓關(guān)斷，必須在電源總線(xiàn)(Vcc)上放置一個(gè)電解電容。

輸出電流斜率、復雜電源線(xiàn)的阻抗以及開(kāi)關(guān)兩端的最大允許電壓降是選擇電解電容值的依據。建議使用低ESR電容，連接位置盡可能靠近LSS開(kāi)關(guān)，以濾除電源線(xiàn)的電感干擾，解決電磁兼容性問(wèn)題。我們在示例中選擇了一個(gè)47uF電容。 

感性負載是工廠(chǎng)自動(dòng)化/過(guò)程控制中最難控制的負載; 驅動(dòng)1.15 亨標稱(chēng)負載是比較常見(jiàn)的。驅動(dòng)感性負載會(huì )產(chǎn)生非�？捎^(guān)的感應電能，引起不小的耗散功率，導致結溫非常高。IPS4260L是為驅動(dòng)這種大負載專(zhuān)門(mén)設計，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，可以快速釋放感應電能（見(jiàn)圖2），也可以選擇將Vz引腳連接到電源軌，緩慢釋放感應電能。

負載短路行為

圖9所示：“非耗散短路模塊”啟用時(shí)的短路電壓波形

（藍線(xiàn)VFLT，黃線(xiàn)VIN，紅線(xiàn)IOUT，綠線(xiàn)VOUT）

負載過(guò)流和輸出對電源電壓短路是數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(guò)所有相關(guān)能量的耗散過(guò)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(huì )出現極高的峰值電流，為了安全地管理峰流，需要在芯片上集成一個(gè)限流模塊，因為限流電路干預需要時(shí)間，所以只允許峰值電流短暫存在�？梢允褂猛獠侩娮枵{整最大輸出電流。

在嚴重過(guò)載期間同樣需要限流。然而，只在內部限制輸出電流是不夠的，實(shí)際上，如果短路或過(guò)載持續存在，開(kāi)關(guān)以及負載的耗散功率就會(huì )變得極高，從而導致過(guò)熱，燒毀開(kāi)關(guān)和/或所涉及的負載。

為此，我們在芯片上設計了“非耗散短路模塊”，以限制過(guò)載通道限流的持續時(shí)間。這段時(shí)間被稱(chēng)為關(guān)閉電流延時(shí)(TCoff,)，數值由CoD引腳和SGND接地層之間連接的外部電阻(RCoD)來(lái)設置。在關(guān)閉電流延時(shí)結束后，通道維持斷態(tài)一段時(shí)間，這段時(shí)間被稱(chēng)為功率級重啟延時(shí)（tres），以避免大量通道過(guò)載導致PCB性能降低，并減少開(kāi)關(guān)和負載中流動(dòng)的感應電流。

每個(gè)通道內都有一個(gè)結熱保護模塊，如果過(guò)載通道的結溫在TCoff期間達到內部設定值(TJSD)，結熱保護模塊將關(guān)閉相應的通道，只在結溫Tj回到重置閾值以下時(shí)，才會(huì )重新開(kāi)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(shí)只有結熱保護模塊在工作。

圖10：禁用“非耗散短路模塊”時(shí)的短路電壓波形

（紅線(xiàn)VFLT，藍線(xiàn)IOUT）

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(gè)圖中可以看出，在短暫峰值后，輸出電流是一個(gè)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(shí)，達到熱關(guān)閉結溫閾值是一個(gè)很長(cháng)的過(guò)程，然后，過(guò)載通道關(guān)閉，輸出限流歸零。在正常情況下，過(guò)載通道的診斷信號是高電平，在熱保護干預后，FLT引腳和相關(guān)輸入引腳的診斷信號變低電平，發(fā)出熱保護干預信號。當結溫TJ回到復位閾值TJSD - TJHYST下面時(shí)，正常開(kāi)關(guān)操作重新開(kāi)始，同時(shí)保護周期也重新開(kāi)始。

容性負載的行為

圖11：3.3mF / 63V容性負載驅動(dòng)電壓波形

（黃線(xiàn)Vout，藍線(xiàn)Iout，紅線(xiàn)Vflt）

IPS4260L驅動(dòng)容性負載也沒(méi)有任何問(wèn)題，而且能夠驅動(dòng)大電容負載。圖11所示是3.3mF/63V電容驅動(dòng)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(shí)際充電電流，輸出限流是由外部電阻器設置。在經(jīng)過(guò)TCoof后，可以看到“非耗散性短路保護”的干預，負載功率輸出被關(guān)閉，過(guò)載或短路保護功能啟動(dòng)。當電容器幾乎充滿(mǎn)電時(shí)，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(mǎn)電）。當輸出電容充電并在輸入引腳施加低電壓時(shí)，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(zhù)在關(guān)斷狀態(tài)（輸入電壓低）時(shí)，OL引腳的診斷信號（通常為高電平）變低電平（參見(jiàn)圖12中的真值表）。

圖.12：IPS4260L truth table 真值表

圖13：當禁用“非耗散性短路模塊”驅動(dòng)極高的容性負載時(shí)，IPS4260L的熱干預功能電壓波形

（黃線(xiàn)Vout，藍線(xiàn)Iout，紅線(xiàn)Vflt）

VI.結論

本文介紹了一款單片智能四通道低邊開(kāi)關(guān)，這款智能電源開(kāi)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(kāi)關(guān)故障引起的系統錯誤，這些優(yōu)勢歸功于意法半導體新一代Multipower-BCD技術(shù)，因為該技術(shù)允許設置過(guò)載電流限制，在系統恢復期間使輸出功率保持穩定。

IPS4260L是一個(gè)四輸出通道集成化功率開(kāi)關(guān)解決方案，有助于簡(jiǎn)化系統設計，增強工作可靠性，并節省電路板空間。這款新型四通道開(kāi)關(guān)IC是對意法半導體現有工業(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(kāi)關(guān)。