節(jié)能型四通道低邊智能電源開關(guān)

圖6：開路負(fù)載信號(hào)延遲

圖6所示是在開路負(fù)載事件從發(fā)生到結(jié)束過程中，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7：斷態(tài)開路負(fù)載的電壓波形(黃線VOL, 綠線 Vout)

圖7所示是斷態(tài)開路負(fù)載的檢測(cè)功能。為了模擬開路負(fù)載條件，輸出電壓從0V強(qiáng)拉到10V 10kHz。在消隱時(shí)間tBKT (典型值16.5s)結(jié)束后，VOL引腳變低電平。

V.參考板和應(yīng)用測(cè)試

圖9所示是器件IPS4260L的典型應(yīng)用電路，這是一個(gè)工業(yè)自動(dòng)化或過程控制可編程邏輯控制器的輸出級(jí)。我們?yōu)榭蛻籼峁┯脩羰謨?cè)和專用的圖形用戶界面（GUI）工具。

為了在惡劣的工業(yè)電力線環(huán)境中保護(hù)低邊配置開關(guān)，通常在輸入診斷引腳內(nèi)使用光耦二極管將應(yīng)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(hù)低邊開關(guān)（LSS）免受正負(fù)浪涌脈沖的沖擊，使器件符合IEC 61000-4-5標(biāo)準(zhǔn)。

要想濾除總線電感效應(yīng)，穩(wěn)定電源電壓，避免欠壓關(guān)斷，必須在電源總線(Vcc)上放置一個(gè)電解電容。

輸出電流斜率、復(fù)雜電源線的阻抗以及開關(guān)兩端的最大允許電壓降是選擇電解電容值的依據(jù)。建議使用低ESR電容，連接位置盡可能靠近LSS開關(guān)，以濾除電源線的電感干擾，解決電磁兼容性問題。我們?cè)谑纠羞x擇了一個(gè)47uF電容。  

感性負(fù)載是工廠自動(dòng)化/過程控制中最難控制的負(fù)載; 驅(qū)動(dòng)1.15 亨標(biāo)稱負(fù)載是比較常見的。驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載會(huì)產(chǎn)生非常可觀的感應(yīng)電能，引起不小的耗散功率，導(dǎo)致結(jié)溫非常高。IPS4260L是為驅(qū)動(dòng)這種大負(fù)載專門設(shè)計(jì)，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(yīng)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(yīng)電能。

負(fù)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(lán)線VFLT，黃線VIN，紅線IOUT，綠線VOUT）

負(fù)載過流和輸出對(duì)電源電壓短路是數(shù)字輸出操作中必須面對(duì)的最危險(xiǎn)的事件。在這些惡劣事件中，輸出級(jí)必須安全度過所有相關(guān)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(jí)連接的負(fù)載。

在輸出對(duì)電源電壓短路期間，輸出上會(huì)出現(xiàn)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?yàn)橄蘖麟娐犯深A(yù)需要時(shí)間，所以只允許峰值電流短暫存在。可以使用外部電阻調(diào)整最大輸出電流。

在嚴(yán)重過載期間同樣需要限流。然而，只在內(nèi)部限制輸出電流是不夠的，實(shí)際上，如果短路或過載持續(xù)存在，開關(guān)以及負(fù)載的耗散功率就會(huì)變得極高，從而導(dǎo)致過熱，燒毀開關(guān)和/或所涉及的負(fù)載。

為此，我們?cè)谛酒显O(shè)計(jì)了“非耗散短路模塊”，以限制過載通道限流的持續(xù)時(shí)間。這段時(shí)間被稱為關(guān)閉電流延時(shí)(TCoff,)，數(shù)值由CoD引腳和SGND接地層之間連接的外部電阻(RCoD)來設(shè)置。在關(guān)閉電流延時(shí)結(jié)束后，通道維持?jǐn)鄳B(tài)一段時(shí)間，這段時(shí)間被稱為功率級(jí)重啟延時(shí)（tres），以避免大量通道過載導(dǎo)致PCB性能降低，并減少開關(guān)和負(fù)載中流動(dòng)的感應(yīng)電流。

每個(gè)通道內(nèi)都有一個(gè)結(jié)熱保護(hù)模塊，如果過載通道的結(jié)溫在TCoff期間達(dá)到內(nèi)部設(shè)定值(TJSD)，結(jié)熱保護(hù)模塊將關(guān)閉相應(yīng)的通道，只在結(jié)溫Tj回到重置閾值以下時(shí)，才會(huì)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(shí)只有結(jié)熱保護(hù)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VFLT，藍(lán)線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(dāng)“非耗散短路模塊”功能被禁用時(shí)，達(dá)到熱關(guān)閉結(jié)溫閾值是一個(gè)很長的過程，然后，過載通道關(guān)閉，輸出限流歸零。在正常情況下，過載通道的診斷信號(hào)是高電平，在熱保護(hù)干預(yù)后，F(xiàn)LT引腳和相關(guān)輸入引腳的診斷信號(hào)變低電平，發(fā)出熱保護(hù)干預(yù)信號(hào)。當(dāng)結(jié)溫TJ回到復(fù)位閾值TJSD - TJHYST下面時(shí)，正常開關(guān)操作重新開始，同時(shí)保護(hù)周期也重新開始。

容性負(fù)載的行為

圖11：3.3mF / 63V容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)電壓波形（黃線Vout，藍(lán)線Iout，紅線Vflt）

IPS4260L驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載也沒有任何問題，而且能夠驅(qū)動(dòng)大電容負(fù)載。圖11所示是3.3mF/63V電容驅(qū)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(shè)置。在經(jīng)過TCoof后，可以看到“非耗散性短路保護(hù)”的干預(yù)，負(fù)載功率輸出被關(guān)閉，過載或短路保護(hù)功能啟動(dòng)。當(dāng)電容器幾乎充滿電時(shí)，輸出電流回到限流下面，如圖13所示，在藍(lán)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(dāng)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?yàn)樗厦嬗械碗妷?。這意味著在關(guān)斷狀態(tài)（輸入電壓低）時(shí)，OL引腳的診斷信號(hào)（通常為高電平）變低電平（參見圖12中的真值表）。

圖12：IPS4260L truth table 真值表

圖13：當(dāng)禁用“非耗散性短路模塊”驅(qū)動(dòng)極高的容性負(fù)載時(shí)，IPS4260L的熱干預(yù)功能電壓波形

（黃線Vout，藍(lán)線Iout，紅線Vflt）

VI.結(jié)論

本文介紹了一款單片智能四通道低邊開關(guān)，這款智能電源開關(guān)（IPS）具有較高的測(cè)量準(zhǔn)確度，可最大限度地降低能量損耗，防止開關(guān)故障引起的系統(tǒng)錯(cuò)誤，這些優(yōu)勢(shì)歸功于意法半導(dǎo)體新一代Multipower-BCD技術(shù)，因?yàn)樵摷夹g(shù)允許設(shè)置過載電流限制，在系統(tǒng)恢復(fù)期間使輸出功率保持穩(wěn)定。

IPS4260L是一個(gè)四輸出通道集成化功率開關(guān)解決方案，有助于簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，增強(qiáng)工作可靠性，并節(jié)省電路板空間。這款新型四通道開關(guān)IC是對(duì)意法半導(dǎo)體現(xiàn)有工業(yè)IPS產(chǎn)品組合的重要補(bǔ)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關(guān)。

參考文獻(xiàn)

[1]    “IPS4260L Quad low-side intelligent power switch,” Datasheet, www.st.com.

[2]    “UM2297: Getting started with the STEVAL-IFP029V1 for the IPS4260L high speed quad low-side driver with dedicated GUI” User Manual, www.st.com.