I. 前言

 

本文介紹一款單片高速(fSW高達100kHz)四通道低邊開關。該產品能夠驅動任何類型的負載(阻性負載、感性負載和容性負載)，開關一側連接電源電壓(Vcc)。

 

該開關是IPS4260L，單片集成了四條45V功率MOSFET通道（在25攝氏度時Rds(on) 典型值260mΩ）以及邏輯接口、柵驅動器、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，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） 和電源軌斷開保護。

 

每個通道都具有自我保護功能，限流、關閉時間和熱保護可以有效防止負載短路和過流。58V鉗位網絡實現了一個退磁電路，使該開關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，就必在引腳Vz和GND或電源軌之間連接一個齊納二極管或TVS二極管，以快速釋放感應電能（見下圖），也可以將Vz引腳連接到電源軌，緩慢釋放感應電能。

 

 

欠壓保護可以避免電源電壓非常低的異常操作，而接地斷開保護可以在接地斷開時立即關閉功率級，避免開關被擊穿損壞。

每個通道過熱關斷結溫都是160°C (典型值)，可以防護常見的過載情況。

 

開關的輸入模塊是TTL/CMOS兼容輸入/輸出，能夠最大限度減少輸入開關次數，并可以通過串聯電阻連接光耦。

 

當通道導通時，輸入高電平的最低電壓大于 2.0V。當通道是短路關閉或過熱關斷狀態時，相關輸入引腳通過開漏晶體管在內部關斷。

 

開漏共用狀態引腳能夠直接驅動一個發光二極管（LED），指示關閉保護或結過熱關斷（FLT引腳）和斷態開路負載或接地短路（ OL針）狀態。

 

III. 非耗散性短路

 

如前所述，IPS4260L器件可使用一個外部電阻設置片上集成的限流保護功能。

 

除每個通道的結過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”，旨在抑制開關的整體耗散功率。當大量通道過載而導致開關溫度驟升時，這一額外保護功能可以避免PCB性能降低。

 

實際上，在過載情況下，輸出電流被限制為ILIM，持續時間為(tCOFF)，限流值用連接在CoD引腳和SGND引腳之間的外部電阻(RCoD)來設定（見圖1或圖2）。通道關閉一段

 

時間(tRES)后，自動重新導通，保持通道結溫低于TJSD（關斷結溫）。

 

圖4所示是過載期間的過熱電壓波形。VINX表示INx引腳電壓，每當FLT引腳電壓下降，VINX就會下降，而MCUx電壓保持恒定

 

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

 

IV. 斷態開路負載檢測

 

為了檢測斷態下的開路負載故障，必須在PGND引腳和輸出引腳之間連接一個下拉電阻（見圖5）。在功能正常情況下，電流流過下拉電阻和負載組成的網絡。負載兩端的電壓小于最小開路負載電壓，OL引腳保持高電平。

 

當其中一個輸出發生開路負載事件時，相關輸出引腳的電壓將會上升到一個小于最低開路負載電壓的數值，在消隱時間(tBKT)結束后，通過OL引腳報告故障，以降低噪聲干擾導致的誤報，這時，OL引腳變低電平，發出開路負載信號。

 

圖6所示是在開路負載事件從發生到結束過程中，通用輸入引腳電壓、相關輸出電壓和OL引腳電壓的波形變化。

 

 

 

 

圖7所示是斷態開路負載的檢測功能。為了模擬開路負載條件，輸出電壓從0V強拉到10V 10kHz。在消隱時間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，這是一個工業自動化或過程控制可編程邏輯控制器的輸出級。我們為客戶提供用戶手冊和專用的圖形用戶界面（GUI）工具。

為了在惡劣的工業電力線環境中保護低邊配置開關，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。

 

 

Transil二極管可保護低邊開關（LSS）免受正負浪涌脈沖的沖擊，使器件符合IEC 61000-4-5標準。

要想濾除總線電感效應，穩定電源電壓，避免欠壓關斷，必須在電源總線(Vcc)上放置一個電解電容。

輸出電流斜率、復雜電源線的阻抗以及開關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開關，以濾除電源線的電感干擾，解決電磁兼容性問題。我們在示例中選擇了一個47uF電容。 

 

感性負載是工廠自動化/過程控制中最難控制的負載; 驅動1.15 亨標稱負載是比較常見的。驅動感性負載會產生非常可觀的感應電能，引起不小的耗散功率，導致結溫非常高。IPS4260L是為驅動這種大負載專門設計，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。

 

 

負載過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所有相關能量的耗散過程。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限流模塊，因為限流電路干預需要時間，所以只允許峰值電流短暫存在。可以使用外部電阻調整最大輸出電流。

 

在嚴重過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，實際上，如果短路或過載持續存在，開關以及負載的耗散功率就會變得極高，從而導致過熱，燒毀開關和/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”，以限制過載通道限流的持續時間。這段時間被稱為關閉電流延時(TCoff,)，數值由CoD引腳和SGND接地層之間連接的外部電阻(RCoD)來設置。在關閉電流延時結束后，通道維持斷態一段時間，這段時間被稱為功率級重啟延時（tres），以避免大量通道過載導致PCB性能降低，并減少開關和負載中流動的感應電流。

 

每個通道內都有一個結熱保護模塊，如果過載通道的結溫在TCoff期間達到內部設定值(TJSD)，結熱保護模塊將關閉相應的通道，只在結溫Tj回到重置閾值以下時，才會重新開啟通道。

 

將CoD引腳短接SGND接地層，可以禁用IPS4260L的 “非耗散性短路模塊”，這時只有結熱保護模塊在工作。

 

 

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）; 從這兩個圖中可以看出，在短暫峰值后，輸出電流是一個固定限值。

 

圖9描述了相關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，達到熱關閉結溫閾值是一個很長的過程，然后，過載通道關閉，輸出限流歸零。在正常情況下，過載通道的診斷信號是高電平，在熱保護干預后，FLT引腳和相關輸入引腳的診斷信號變低電平，發出熱保護干預信號。當結溫TJ回到復位閾值TJSD - TJHYST下面時，正常開關操作重新開始，同時保護周期也重新開始。

 

 

IPS4260L驅動容性負載也沒有任何問題，而且能夠驅動大電容負載。圖11所示是3.3mF/63V電容驅動電壓波形。在電容器充電期間，由于電容大，輸出處于限流狀態，我們看不到實際充電電流，輸出限流是由外部電阻器設置。在經過TCoof后，可以看到“非耗散性短路保護”的干預，負載功率輸出被關閉，過載或短路保護功能啟動。當電容器幾乎充滿電時，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（電容器充滿電）。當輸出電容充電并在輸入引腳施加低電壓時，OL引腳工作狀態是接地短路，因為它上面有低電壓。這意味著在關斷狀態（輸入電壓低）時，OL引腳的診斷信號（通常為高電平）變低電平（參見圖12中的真值表）。

 

 

VI. 結論

 

本文介紹了一款單片智能四通道低邊開關，這款智能電源開關（IPS）具有較高的測量準確度，可最大限度地降低能量損耗，防止開關故障引起的系統錯誤，這些優勢歸功于意法半導體新一代Multipower-BCD技術，因為該技術允許設置過載電流限制，在系統恢復期間使輸出功率保持穩定。

 

IPS4260L是一個四輸出通道集成化功率開關解決方案，有助于簡化系統設計，增強工作可靠性，并節省電路板空間。這款新型四通道開關IC是對意法半導體現有工業IPS產品組合的重要補充，目前，該產品組合包括單通道、雙通道、四通道和八通道高邊開關。