【導(dǎo)讀】在本設(shè)計(jì)解決方案中，我們回顧了在工廠環(huán)境中運(yùn)行的執(zhí)行器中使用的高邊開(kāi)關(guān)電路的一些具有挑戰(zhàn)性的工作條件和常見(jiàn)故障機(jī)制。我們提出了一種控制器IC，該IC集成了各種安全功能，以監(jiān)控電路運(yùn)行，并在發(fā)生這些情況時(shí)采取適當(dāng)措施防止損壞。
在本設(shè)計(jì)解決方案中，我們回顧了在工廠環(huán)境中運(yùn)行的執(zhí)行器中使用的高邊開(kāi)關(guān)電路的一些具有挑戰(zhàn)性的工作條件和常見(jiàn)故障機(jī)制。我們提出了一種控制器IC，該IC集成了各種安全功能，以監(jiān)控電路運(yùn)行，并在發(fā)生這些情況時(shí)采取適當(dāng)措施防止損壞。
介紹
“沒(méi)有做好準(zhǔn)備，你就在準(zhǔn)備失敗”，這是一句格言，在為現(xiàn)代自動(dòng)化工廠設(shè)計(jì)設(shè)備時(shí)，非常值得牢記，在現(xiàn)代自動(dòng)化工廠中，失敗不是一種選擇。由于數(shù)十個(gè)執(zhí)行器同時(shí)打開(kāi)和關(guān)閉繼電器和電磁閥，這些惡劣、嘈雜和苛刻的環(huán)境甚至可以將最堅(jiān)固的組件的性能發(fā)揮到極限，即便如此，也需要精心設(shè)計(jì)的保護(hù)電路來(lái)確保它們不會(huì)超出其安全操作邊界。盡管如此，即使是最好的計(jì)劃也可能出錯(cuò)，意外的過(guò)載或未檢測(cè)到的短路會(huì)迅速損壞開(kāi)關(guān)元件，導(dǎo)致代價(jià)高昂的生產(chǎn)停機(jī)時(shí)間。
在本設(shè)計(jì)解決方案中，我們回顧了高端開(kāi)關(guān)電路的運(yùn)行情況，并考慮了一些常見(jiàn)的操作和故障條件，如果不及時(shí)檢測(cè)和響應(yīng)，可能會(huì)永久損壞甚至破壞開(kāi)關(guān)和/或其控制器。然后，我們介紹了一種新的控制器IC，它集成了無(wú)數(shù)的安全和保護(hù)功能，使其非常適合在發(fā)生這些（或其他）故障情況時(shí)為高端開(kāi)關(guān)電路提供最高級(jí)別的保護(hù)。
什么是高邊開(kāi)關(guān)？
打開(kāi)/關(guān)閉接地連接負(fù)載的晶體管通常被稱為“高端開(kāi)關(guān)”，因?yàn)樗糜趯㈦娏鲝摹案摺彪妷很墸ㄔ诠I(yè)應(yīng)用中通常為24V）傳導(dǎo)到連接到較低電壓（通常為0V）的負(fù)載。這種類型的布置需要一個(gè)在飽和區(qū)域工作的n溝道FET（圖2）。低電壓開(kāi)/關(guān)信號(hào)從微控制器發(fā)送到開(kāi)關(guān)控制器 IC，然后根據(jù)需要提供打開(kāi)和關(guān)閉開(kāi)關(guān)所需的更高柵極電壓。這些簡(jiǎn)單的電路有時(shí)也稱為“數(shù)字輸出”，通常用于工業(yè)執(zhí)行器中，以打開(kāi)/關(guān)閉閥門(mén)，為電磁閥通電和電機(jī)制動(dòng)。
在某些版本的電路中，例如MAX14915，開(kāi)關(guān)集成在控制器IC中，而在其他方案中，它是外部分立元件。雖然集成是前者的明顯吸引力，但后一種方法的優(yōu)點(diǎn)是，它可以自由選擇具有適合特定負(fù)載的驅(qū)動(dòng)電流的開(kāi)關(guān)。
圖2.簡(jiǎn)化的高邊開(kāi)關(guān)布置。
接下來(lái)，我們將考慮工廠環(huán)境中可能發(fā)生的一些常見(jiàn)操作和故障條件，它們對(duì)高端開(kāi)關(guān)電路的潛在影響，以及在發(fā)生這些情況時(shí)保護(hù)電路免受持久損壞的一些方法。
感應(yīng)電壓浪涌
當(dāng)閥門(mén)關(guān)閉（或打開(kāi)，取決于系統(tǒng)的極性）時(shí)，開(kāi)關(guān)關(guān)閉，流入感性負(fù)載（例如電磁閥）的電流突然停止，開(kāi)始消磁過(guò)程。電感器的本質(zhì)是反對(duì)這種效應(yīng)，從而產(chǎn)生較大的反沖電壓，以保持電流流動(dòng)。這種出現(xiàn)在控制器S端的反沖電壓必須限制/箝位在控制器IC的“絕對(duì)最大額定值”范圍的中間電壓，以防止器件S和G端子之間產(chǎn)生的大負(fù)電壓造成損壞。一種常見(jiàn)的方法是使用瞬態(tài)電壓抑制（TVS）二極管，將源端子上的電壓電平箝位在預(yù)定的安全電壓電平。選擇TVS二極管時(shí)，其額定峰值電流應(yīng)大于正常應(yīng)用期間流過(guò)它的峰值電流。在電壓鉗位期間，TVS中消耗的峰值功率應(yīng)在其額定規(guī)格范圍內(nèi)（對(duì)于最高工作溫度）。為了防止損壞，驅(qū)動(dòng)器IC的源極端子也能夠承受TVS的最大鉗位電壓也很重要。
卡住的閥門(mén)
有時(shí)在工業(yè)過(guò)程中，閥門(mén)可能會(huì)暫時(shí)卡在阻止其完全打開(kāi)或關(guān)閉的位置。這可能導(dǎo)致發(fā)生“過(guò)流”情況，即開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器 IC 逐漸增加流向負(fù)載的電流以嘗試釋放閥門(mén)。如果閥門(mén)突然松開(kāi)，問(wèn)題就解決了，開(kāi)關(guān)中流動(dòng)的電流將迅速恢復(fù)正常。但是，如果閥門(mén)卡在一個(gè)位置，則電流可能會(huì)繼續(xù)增加，超過(guò)開(kāi)關(guān)的額定值。如果這種情況持續(xù)超過(guò)短時(shí)間，多余的熱量可能會(huì)永久損壞甚至損壞交換機(jī)。因此，限制可能發(fā)生的過(guò)電流的大小和持續(xù)時(shí)間非常重要。
短路
負(fù)載和返回端子的短路是最極端的過(guò)流情況類型。在這種情況下，電流僅受導(dǎo)通電阻R的限制德森），如果不迅速檢測(cè)和/或防范，將導(dǎo)致開(kāi)關(guān)燒壞，造成無(wú)法彌補(bǔ)的損壞。短路保護(hù)與過(guò)流情況相同。
過(guò)熱
如果溫度意外升高，例如冷卻風(fēng)扇故障，工業(yè)設(shè)備的環(huán)境運(yùn)行條件可能會(huì)超過(guò)最大額定值。在致動(dòng)器中，這可能會(huì)將晶體管開(kāi)關(guān)推到其額定工作溫度范圍之外。在最好的情況下，這可能會(huì)導(dǎo)致性能下降，在最壞的情況下，它可能會(huì)導(dǎo)致完全倦怠。持續(xù)監(jiān)測(cè)設(shè)備環(huán)境工作溫度非常重要，以便在必要時(shí)可以快速關(guān)閉。
接線不正確
人類并非萬(wàn)無(wú)一失，即使是訓(xùn)練有素的技術(shù)人員也會(huì)犯錯(cuò)誤，尤其是在調(diào)試新生產(chǎn)線并使其快速啟動(dòng)和運(yùn)行的壓力下。當(dāng)面對(duì)電線的“老鼠巢”時(shí)，技術(shù)人員可能犯的最簡(jiǎn)單，因此最常見(jiàn)的錯(cuò)誤之一是將正極連接到負(fù)極，反之亦然。高端驅(qū)動(dòng)器電路必須足夠魯棒，以安全地處理這種情況。
電源過(guò)電壓
雖然 24V DC 是大多數(shù)工業(yè)設(shè)備使用的標(biāo)稱電壓電平，但該電壓變化很大（由于相鄰大電流開(kāi)關(guān)設(shè)備中浪涌的交叉污染）的情況并不少見(jiàn)。雖然電源電壓的一定程度變化是可以預(yù)期的，并且通常是計(jì)劃好的，但用于產(chǎn)生24V電源軌的電源故障可能導(dǎo)致其大大超過(guò)開(kāi)關(guān)和/或控制器的安全工作閾值。防止此事件需要有一些方法來(lái)檢測(cè)電源電壓是否超過(guò)預(yù)設(shè)閾值，如果發(fā)生這種情況，開(kāi)關(guān)電路可以關(guān)閉。
掌控一切
圖3所示的高邊開(kāi)關(guān)電路具有高邊開(kāi)關(guān)控制器IC（MAX14922），提供一系列安全特性來(lái)保護(hù)整個(gè)電路，使其即使在面臨最具挑戰(zhàn)性的工作和故障條件（如前面考慮的那些）時(shí)也可靠、魯棒。
圖3.MAX14922高邊開(kāi)關(guān)控制器，帶電流限制。
該控制器在S（源）輸入端提供快速感性負(fù)載關(guān)斷，這可以通過(guò)使用接地連接的高壓TVS二極管提供電壓鉗位來(lái)防止-70V（最大值）至V的電壓（和ESD）浪涌DD+6V.
當(dāng)檢測(cè)電阻器R時(shí)，它還能夠?qū)崿F(xiàn)電流限制S連接在 V 之間DD和 SNS 輸入終端。最大過(guò)電流為I超頻= V超頻/RS.如果發(fā)生過(guò)流情況，控制器會(huì)采取許多預(yù)防措施。首先，在正常電路操作期間為高電平的漏極開(kāi)路診斷輸出（/OVCURR）轉(zhuǎn)換為低電平。如果需要，這可以用作微控制器的標(biāo)志，以采取適當(dāng)?shù)牟僮?。然后開(kāi)關(guān)控制器開(kāi)始調(diào)整 V一般事務(wù)人員的開(kāi)關(guān)，以在固定的“消隱時(shí)間”內(nèi)主動(dòng)調(diào)節(jié)電流（由 T 上的電容器值設(shè)置）空白輸入）。如果過(guò)流情況持續(xù)超過(guò)“消隱時(shí)間”，則控制器將關(guān)閉開(kāi)關(guān)以保護(hù)。在大約 50 個(gè)“消隱時(shí)間”間隔（即 10ms）的關(guān)斷延遲后，開(kāi)關(guān)再次自動(dòng)打開(kāi)。自動(dòng)重試開(kāi)/關(guān)循環(huán)將繼續(xù)，直到技術(shù)人員消除過(guò)流的原因。在消除過(guò)流條件之前，/OVCURR輸出保持低電平。
例如，在圖4中，一個(gè)1nF電容將“消隱時(shí)間”間隔設(shè)置為200μs。
圖4.調(diào)節(jié)在“消隱時(shí)間”間隔期間進(jìn)行。
在大約 50 個(gè)“消隱時(shí)間”間隔（或 10ms）的關(guān)斷延遲后，開(kāi)關(guān)再次自動(dòng)開(kāi)啟（圖 5），并且此“自動(dòng)重試”循環(huán)無(wú)限期重復(fù)，直到故障得到解決。
圖5.消隱時(shí)間和過(guò)流條件下的自動(dòng)重試。
發(fā)生短路時(shí)，控制器關(guān)閉開(kāi)關(guān)約 5μs，然后以受控速率重新導(dǎo)通，以便短路負(fù)載電流由檢測(cè)電阻值確定（圖 6）。類似地，對(duì)于過(guò)流條件，調(diào)節(jié)相位和自動(dòng)重試間隔由 C 的值確定空白電容器。
圖6.短路檢測(cè)和干預(yù)。
該 IC 的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是包括集成溫度監(jiān)控和保護(hù)關(guān)斷功能。集成溫度傳感器在 110°C（典型值）時(shí)發(fā)出熱警告信號(hào)。發(fā)生這種情況時(shí)，/THW邏輯輸出變?yōu)榈碗娖剑甘具^(guò)熱事件，盡管器件繼續(xù)正常工作。如果溫度降低10°C，則/THW邏輯輸出返回高電平。但是，如果溫度繼續(xù)上升到150°C以上，則無(wú)論IN輸入（來(lái)自微控制器）的狀態(tài)如何，控制器都會(huì)進(jìn)入關(guān)斷模式。在關(guān)斷模式下，G 輸出關(guān)閉，強(qiáng)制開(kāi)關(guān)完全關(guān)閉。當(dāng)溫度降低 10°C 時(shí)，一旦溫度降至 110°C 以下，器件將恢復(fù)正常工作，/THW 輸出變?yōu)榈碗娖健?br style="padding: 0px; margin: 0px auto;"/>
電源過(guò)壓檢測(cè)是該控制器的另一個(gè)有用的安全功能。如果 VDD超過(guò)過(guò)壓門(mén)限（+39V）時(shí)，低電平OV輸出變?yōu)榈碗娖接行?。這不會(huì)影響繼續(xù)正常運(yùn)行的開(kāi)關(guān)控制器（并且將繼續(xù)對(duì) V 執(zhí)行DD高達(dá) 70V），但/OV輸出充當(dāng)微控制器的標(biāo)志，指示電源電壓高于系統(tǒng)設(shè)計(jì)范圍。對(duì)于某些應(yīng)用，該信號(hào)可用于對(duì)來(lái)自系統(tǒng)微控制器的信號(hào)進(jìn)行選通，以防止在發(fā)生過(guò)壓情況時(shí)IN變?yōu)楦唠娖?。為了進(jìn)一步提高魯棒性，該器件提供了針對(duì)電源電壓接線誤接線的集成保護(hù)。
除了該IC的安全特性外，它還包括一個(gè)內(nèi)部電荷泵，為開(kāi)關(guān)柵極提供更高的驅(qū)動(dòng)電流。這可確保其完全飽和，導(dǎo)通電阻最?。≧德森).這減少了 I2R功率耗散（以及相關(guān)的發(fā)熱），如果電路安裝在小型外殼中并允許高達(dá)50KHz的開(kāi)關(guān)速率，則不希望出現(xiàn)這種情況。方便的是，該開(kāi)關(guān)控制器IC還包括一個(gè)板載5V LDO穩(wěn)壓器，能夠在需要時(shí)向外部電路提供高達(dá)50mA的電流。
總結(jié)
乍一看，工業(yè)高端開(kāi)關(guān)似乎是一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的電路。然而，當(dāng)面臨在惡劣的工廠環(huán)境中操作的任務(wù)時(shí)，它可能會(huì)以多種方式失敗，并可能導(dǎo)致代價(jià)高昂的生產(chǎn)停機(jī)時(shí)間。在此設(shè)計(jì)解決方案中，我們考慮了高端開(kāi)關(guān)可能遇到的許多具有挑戰(zhàn)性的工作和故障條件中的一些。然后，我們展示了一款新型高邊開(kāi)關(guān)控制器IC，該IC具有多種診斷和安全功能，使這些電路在工廠車(chē)間運(yùn)行時(shí)具有無(wú)與倫比的魯棒性。該器件采用 3mm x 3mm 16-TQFN 封裝，非常適合與多種 n 溝道 FET 器件配合使用，適用于需要 1A 至 10A 電流的繼電器/電磁閥和電機(jī)制動(dòng)應(yīng)用。
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