節(jié)能型四通道低邊智能電源開關

圖6：開路負載信號延遲

圖6所示是在開路負載事件從發(fā)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：斷態(tài)開路負載的電壓波形(黃線VOL, 綠線 Vout)

圖7所示是斷態(tài)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(yè)自動化或過程控制可編程邏輯控制器的輸出級。我們?yōu)榭蛻籼峁┯脩羰謨院蛯Ｓ玫膱D形用戶界面（GUI）工具。

為了在惡劣的工業(yè)電力線環(huán)境中保護低邊配置開關，通常在輸入診斷引腳內(nèi)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(wěn)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(jù)。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(qū)動1.15 亨標稱負載是比較常見的。驅(qū)動感性負載會產(chǎn)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(qū)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。

負載短路行為

圖9所示：“非耗散短路模塊”啟用時的短路電壓波形（藍線VFLT，黃線VIN，紅線IOUT，綠線VOUT）

負載過流和輸出對電源電壓短路是數(shù)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(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?？梢允褂猛獠侩娮枵{(diào)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(nèi)部限制輸出電流是不夠的，實際上，如果短路或過載持續(xù)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(xù)時間。這段時間被稱為關閉電流延時(TCoff,)，數(shù)值由CoD引腳和SGND接地層之間連接的外部電阻(RCoD)來設置。在關閉電流延時結束后，通道維持斷態(tài)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(nèi)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(nèi)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10：禁用“非耗散短路模塊”時的短路電壓波形（紅線VFLT，藍線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，F(xiàn)LT引腳和相關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，正常開關操作重新開始，同時保護周期也重新開始。

容性負載的行為

圖11：3.3mF / 63V容性負載驅(qū)動電壓波形（黃線Vout，藍線Iout，紅線Vflt）

IPS4260L驅(qū)動容性負載也沒有任何問題，而且能夠驅(qū)動大電容負載。圖11所示是3.3mF/63V電容驅(qū)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(tài)，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(jīng)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(tài)是接地短路，因為它上面有低電壓。這意味著在關斷狀態(tài)（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）。

圖12：IPS4260L truth table 真值表

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

（黃線Vout，藍線Iout，紅線Vflt）

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(tǒng)錯誤，這些優(yōu)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(tǒng)恢復期間使輸出功率保持穩(wěn)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(tǒng)設計，增強工作可靠性，并節(jié)省電路板空間。這款新型四通道開關IC是對意法半導體現(xiàn)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關。

參考文獻

[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.