使用控制器保護您的高邊開關(guān)

在本設(shè)計解決方案中，我們回顧了在工廠環(huán)境中運行的執(zhí)行器中使用的高邊開關(guān)電路的一些具有挑戰(zhàn)性的工作條件和常見故障機制。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)控電路運行，并在發(fā)生這些情況時采取適當措施防止損壞。

在本設(shè)計解決方案中，我們回顧了在工廠環(huán)境中運行的執(zhí)行器中使用的高邊開關(guān)電路的一些具有挑戰(zhàn)性的工作條件和常見故障機制。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)控電路運行，并在發(fā)生這些情況時采取適當措施防止損壞。

介紹

“沒有做好準備，你就在準備失敗”，這是一句格言，在為現(xiàn)代自動化工廠設(shè)計設(shè)備時，非常值得牢記，在現(xiàn)代自動化工廠中，失敗不是一種選擇。由于數(shù)十個執(zhí)行器同時打開和關(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)計的保護電路來確保它們不會超出其安全操作邊界。盡管如此，即使是最好的計劃也可能出錯，意外的過載或未檢測到的短路會迅速損壞開關(guān)元件，導致代價高昂的生產(chǎn)停機時間。

在本設(shè)計解決方案中，我們回顧了高端開關(guān)電路的運行情況，并考慮了一些常見的操作和故障條件，如果不及時檢測和響應(yīng)，可能會永久損壞甚至破壞開關(guān)和/或其控制器。然后，我們介紹了一種新的控制器IC，它集成了無數(shù)的安全和保護功能，使其非常適合在發(fā)生這些（或其他）故障情況時為高端開關(guān)電路提供最高級別的保護。

什么是高邊開關(guān)？

打開/關(guān)閉接地連接負載的晶體管通常被稱為“高端開關(guān)”，因為它用于將電流從“高”電壓軌（在工業(yè)應(yīng)用中通常為24V）傳導到連接到較低電壓（通常為0V）的負載。這種類型的布置需要一個在飽和區(qū)域工作的n溝道FET（圖2）。低電壓開/關(guān)信號從微控制器發(fā)送到開關(guān)控制器 IC，然后根據(jù)需要提供打開和關(guān)閉開關(guān)所需的更高柵極電壓。這些簡單的電路有時也稱為“數(shù)字輸出”，通常用于工業(yè)執(zhí)行器中，以打開/關(guān)閉閥門，為電磁閥通電和電機制動。

在某些版本的電路中，例如MAX14915，開關(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)點是，它可以自由選擇具有適合特定負載的驅(qū)動電流的開關(guān)。

圖2.簡化的高邊開關(guān)布置。

接下來，我們將考慮工廠環(huán)境中可能發(fā)生的一些常見操作和故障條件，它們對高端開關(guān)電路的潛在影響，以及在發(fā)生這些情況時保護電路免受持久損壞的一些方法。

感應(yīng)電壓浪涌

當閥門關(guān)閉（或打開，取決于系統(tǒng)的極性）時，開關(guān)關(guān)閉，流入感性負載（例如電磁閥）的電流突然停止，開始消磁過程。電感器的本質(zhì)是反對這種效應(yīng)，從而產(chǎn)生較大的反沖電壓，以保持電流流動。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)生的大負電壓造成損壞。一種常見的方法是使用瞬態(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，其額定峰值電流應(yīng)大于正常應(yīng)用期間流過它的峰值電流。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)（對于最高工作溫度）。為了防止損壞，驅(qū)動器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

有時在工業(yè)過程中，閥門可能會暫時卡在阻止其完全打開或關(guān)閉的位置。這可能導致發(fā)生“過流”情況，即開關(guān)驅(qū)動器 IC 逐漸增加流向負載的電流以嘗試釋放閥門。如果閥門突然松開，問題就解決了，開關(guān)中流動的電流將迅速恢復正常。但是，如果閥門卡在一個位置，則電流可能會繼續(xù)增加，超過開關(guān)的額定值。如果這種情況持續(xù)超過短時間，多余的熱量可能會永久損壞甚至損壞交換機。因此，限制可能發(fā)生的過電流的大小和持續(xù)時間非常重要。

短路

負載和返回端子的短路是最極端的過流情況類型。在這種情況下，電流僅受導通電阻R的限制德森），如果不迅速檢測和/或防范，將導致開關(guān)燒壞，造成無法彌補的損壞。短路保護與過流情況相同。

過熱

如果溫度意外升高，例如冷卻風扇故障，工業(yè)設(shè)備的環(huán)境運行條件可能會超過最大額定值。在致動器中，這可能會將晶體管開關(guān)推到其額定工作溫度范圍之外。在最好的情況下，這可能會導致性能下降，在最壞的情況下，它可能會導致完全倦怠。持續(xù)監(jiān)測設(shè)備環(huán)境工作溫度非常重要，以便在必要時可以快速關(guān)閉。

接線不正確

人類并非萬無一失，即使是訓練有素的技術(shù)人員也會犯錯誤，尤其是在調(diào)試新生產(chǎn)線并使其快速啟動和運行的壓力下。當面對電線的“老鼠巢”時，技術(shù)人員可能犯的最簡單，因此最常見的錯誤之一是將正極連接到負極，反之亦然。高端驅(qū)動器電路必須足夠魯棒，以安全地處理這種情況。

電源過電壓

雖然 24V DC 是大多數(shù)工業(yè)設(shè)備使用的標稱電壓電平，但該電壓變化很大（由于相鄰大電流開關(guān)設(shè)備中浪涌的交叉污染）的情況并不少見。雖然電源電壓的一定程度變化是可以預(yù)期的，并且通常是計劃好的，但用于產(chǎn)生24V電源軌的電源故障可能導致其大大超過開關(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檢測電源電壓是否超過預(yù)設(shè)閾值，如果發(fā)生這種情況，開關(guān)電路可以關(guān)閉。

掌控一切

圖3所示的高邊開關(guān)電路具有高邊開關(guān)控制器IC（MAX14922），提供一系列安全特性來保護整個電路，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）時也可靠、魯棒。

圖3.MAX14922高邊開關(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載關(guān)斷，這可以通過使用接地連接的高壓TVS二極管提供電壓鉗位來防止-70V（最大值）至V的電壓（和ESD）浪涌DD+6V.

當檢測電阻器R時，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。最大過電流為I超頻= V超頻/RS.如果發(fā)生過流情況，控制器會采取許多預(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志，以采取適當?shù)牟僮?。然后開關(guān)控制器開始調(diào)整 V一般事務(wù)人員的開關(guān)，以在固定的“消隱時間”內(nèi)主動調(diào)節(jié)電流（由 T 上的電容器值設(shè)置）空白輸入）。如果過流情況持續(xù)超過“消隱時間”，則控制器將關(guān)閉開關(guān)以保護。在大約 50 個“消隱時間”間隔（即 10ms）的關(guān)斷延遲后，開關(guān)再次自動打開。自動重試開/關(guān)循環(huán)將繼續(xù)，直到技術(shù)人員消除過流的原因。在消除過流條件之前，/OVCURR輸出保持低電平。

例如，在圖4中，一個1nF電容將“消隱時間”間隔設(shè)置為200μs。

圖4.調(diào)節(jié)在“消隱時間”間隔期間進行。

在大約 50 個“消隱時間”間隔（或 10ms）的關(guān)斷延遲后，開關(guān)再次自動開啟（圖 5），并且此“自動重試”循環(huán)無限期重復，直到故障得到解決。

圖5.消隱時間和過流條件下的自動重試。

發(fā)生短路時，控制器關(guān)閉開關(guān)約 5μs，然后以受控速率重新導通，以便短路負載電流由檢測電阻值確定（圖 6）。類似地，對于過流條件，調(diào)節(jié)相位和自動重試間隔由 C 的值確定空白電容器。

圖6.短路檢測和干預(yù)。

該 IC 的另一個優(yōu)點是包括集成溫度監(jiān)控和保護關(guān)斷功能。集成溫度傳感器在 110°C（典型值）時發(fā)出熱警告信號。發(fā)生這種情況時，/THW邏輯輸出變?yōu)榈碗娖?，指示過熱事件，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，則無論IN輸入（來自微控制器）的狀態(tài)如何，控制器都會進入關(guān)斷模式。在關(guān)斷模式下，G 輸出關(guān)閉，強制開關(guān)完全關(guān)閉。當溫度降低 10°C 時，一旦溫度降至 110°C 以下，器件將恢復正常工作，/THW 輸出變?yōu)榈碗娖健?br/>
電源過壓檢測是該控制器的另一個有用的安全功能。如果 VDD超過過壓門限（+39V）時，低電平OV輸出變?yōu)榈碗娖接行?。這不會影響繼續(xù)正常運行的開關(guān)控制器（并且將繼續(xù)對 V 執(zhí)行DD高達 70V），但/OV輸出充當微控制器的標志，指示電源電壓高于系統(tǒng)設(shè)計范圍。對于某些應(yīng)用，該信號可用于對來自系統(tǒng)微控制器的信號進行選通，以防止在發(fā)生過壓情況時IN變?yōu)楦唠娖?。為了進一步提高魯棒性，該器件提供了針對電源電壓接線誤接線的集成保護。

除了該IC的安全特性外，它還包括一個內(nèi)部電荷泵，為開關(guān)柵極提供更高的驅(qū)動電流。這可確保其完全飽和，導通電阻最小（R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50KHz的開關(guān)速率，則不希望出現(xiàn)這種情況。方便的是，該開關(guān)控制器IC還包括一個板載5V LDO穩(wěn)壓器，能夠在需要時向外部電路提供高達50mA的電流。

總結(jié)

乍一看，工業(yè)高端開關(guān)似乎是一個相對簡單的電路。然而，當面臨在惡劣的工廠環(huán)境中操作的任務(wù)時，它可能會以多種方式失敗，并可能導致代價高昂的生產(chǎn)停機時間。在此設(shè)計解決方案中，我們考慮了高端開關(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間運行時具有無與倫比的魯棒性。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/電磁閥和電機制動應(yīng)用。