智能功率開(kāi)關(guān)(IPS)：基本特征與保護(hù)

摘　要

不同的負(fù)荷條件時(shí)的IPS 選擇

電流和溫度保護(hù)

有源鉗位模式

以Vcc為 參考輸入的高端IPS的保護(hù)電路

　　智能功率開(kāi)關(guān)(IPS)是IR的具有高低端保護(hù)的功率MOSFET。IPS器件被設(shè)計(jì)為可安全地處理平常的過(guò)載情況和一些非常的情況。在這篇設(shè)計(jì)提示中，我們將會(huì)看到IPS提供的一些最重要的，也是基本的保護(hù)功能。當(dāng)然，文章開(kāi)始我們還是主要先來(lái)討論各種不同的負(fù)載，以及基於對(duì)這些負(fù)載該如何選擇IPS。

1. 依據(jù)不同的負(fù)載選擇IPS

1-1 燈泡

　　如圖 1a 所示，來(lái)自一個(gè)燈泡的輸入浪涌電流能超過(guò)額定電流的 10 倍。因此具有電流限制功能的IPS成為首選。要確定過(guò)流保護(hù)值，即確定Ilim，就需要在功耗（線性模式）和保護(hù)水平這兩者之間有所取舍。通常選擇約6倍于額定的電流值作為最初的Ilim近似值。然而, 重要的是要確定結(jié)溫不會(huì)超過(guò)溫度保護(hù)值(Fig 1c)。要進(jìn)行測(cè)試來(lái)驗(yàn)證最高結(jié)溫和過(guò)溫保護(hù)值之間的差值是不是一個(gè)安全的值（如圖所示）。 如果需要的話,可以進(jìn)行仿真（使用一個(gè)燈泡模型），求出詳細(xì)的溫度曲線。

1-2 感性負(fù)載

　　具有過(guò)流關(guān)斷和截流功能的IPS可以有效地保護(hù)感性負(fù)載。 在圍繞一個(gè)感性負(fù)載進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候,.有幾點(diǎn)必須注意。第一，對(duì)于電子機(jī)械部件（電磁閥,繼電器等），由於內(nèi)部的氣隙而產(chǎn)生的沖擊電流尖峰不能觸發(fā)過(guò)流關(guān)斷。 其次，應(yīng)該確定電流和溫度即使在最壞的情況下也不會(huì)超過(guò)保護(hù)值。第三，有源 鉗位效果(在第 3 節(jié)中描述)也必須考慮到。然而，對(duì)于第一次選取近似保護(hù)值，請(qǐng)使用數(shù)據(jù)表中給出的最大輸出電流相對(duì)負(fù)載電感曲線。（例如IPS511數(shù)據(jù)表中的圖10）。

1-3 阻性負(fù)載

　　具有過(guò)流關(guān)斷和截流功能的IPS可以有效地保護(hù)阻性負(fù)載。第一次設(shè)計(jì)時(shí)，近似保護(hù)值請(qǐng)依據(jù)數(shù)據(jù)表中的‘推薦工作條件表’和‘電流限值與結(jié)溫關(guān)系’的曲線圖（例如IPS511數(shù)據(jù)表中的圖13）。之后，必須評(píng)估最?lèi)毫訔l件下的電流和溫度，以確定他們都在保護(hù)范圍之內(nèi)。根據(jù)情況調(diào)整原始設(shè)計(jì)。

2.過(guò)流和過(guò)溫保護(hù)

　　在許多應(yīng)用中,需要額外的保護(hù)線路來(lái)滿足系統(tǒng)的安全性和可靠性。兩種最通常的（和致命的）問(wèn)題是過(guò)流和過(guò)溫。IR的IPS器件設(shè)計(jì)有針對(duì)這兩種基本問(wèn)題的保護(hù)功能。

2-1過(guò)流關(guān)斷(OI)

　　過(guò)流關(guān)斷的前提很清楚：當(dāng)電流超過(guò)關(guān)斷限值的時(shí)候，開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷。過(guò)流有兩種可能的模式。一個(gè)是在連續(xù)輸入的情況下，負(fù)載發(fā)生短路。 圖 2 顯示了這種情況下關(guān)斷的相關(guān)波形。另一種過(guò)流模式是在負(fù)載短路的情況下開(kāi)關(guān)器件開(kāi)通。圖 2b。給出了這種過(guò)流的關(guān)斷過(guò)程。從‘Ids與時(shí)間關(guān)系’曲線上可以評(píng)估關(guān)斷所需時(shí)間。 舉例來(lái)說(shuō)，在圖 2a 中曲線2，關(guān)斷時(shí)間 (電流上升的起始點(diǎn)到后來(lái)返回正常值之間的時(shí)間) 大約是14微秒，而在圖 2b 中，它大約是11微秒。(電流關(guān)斷時(shí)間實(shí)際上是峰值電流，內(nèi)部的延遲和dI/dt 斜率的函數(shù)。）注意Vcc上升的幅度，以確認(rèn)在每次短路發(fā)生后有源鉗位都能有效動(dòng)作。

　　復(fù)位時(shí),保持輸入電壓為低，持續(xù)最小復(fù)位時(shí)間 (Treset), 該值在數(shù)據(jù)表中的保護(hù)特性一欄給出。

(a) 負(fù)載短路波形 (低端 IPS) (b) 漏極短路條件下開(kāi)通波形 (低端 IPS)

Esd=3.3 mJ Vcc=14 V Esd=0.45mJ Vcc=14 V

2-2 截流 (Ilim)

　　在截流保護(hù)模式中，集成電路始終檢測(cè)漏極電流。 當(dāng)漏極電流達(dá)到截流值Ilim，一個(gè)內(nèi)部的電流環(huán)驅(qū)動(dòng)功率 MOSFET 工作在線性狀態(tài)。然而，這個(gè)保護(hù)對(duì)于兩種可能的過(guò)流模式的反應(yīng)有所不同。 第一種情形是，在器件開(kāi)通狀態(tài)負(fù)載發(fā)生短路（圖 3a），在截流保護(hù)動(dòng)作之前會(huì)有一個(gè)很陡的電流尖峰。 然而，在第二種情形中 (漏極短路的情況下開(kāi)通器件)，截流就平滑許多。在圖2b中可以看到電流上沒(méi)有尖刺。當(dāng)然，兩個(gè)情形的響應(yīng)時(shí)間保證瞬時(shí)電流值在功率MOSFET的安全工作區(qū)內(nèi)。截流保護(hù)一直持續(xù)到過(guò)溫保護(hù)動(dòng)作（2-3段）。

(a) 負(fù)載短路波形 (b) 漏極短路條件下開(kāi)通波形

2-3 過(guò)溫保護(hù)

　　過(guò)溫保護(hù)是對(duì)抗緩慢電流增加的最后一道防線，例如過(guò)載。從字面上看，當(dāng)結(jié)溫超過(guò)關(guān)斷溫度時(shí)，Tsd( 典型值 165℃ ), 器件被關(guān)斷。 實(shí)際上，該保護(hù)會(huì)使器件閉鎖。 要復(fù)位IPS，保持輸入電壓為低，持續(xù)最小復(fù)位時(shí)間，Treset( 該值在數(shù)據(jù)表中的保護(hù)特性一欄給出)，當(dāng)器件自動(dòng)重啟動(dòng)時(shí)（由于滯環(huán)現(xiàn)象），器件在結(jié)溫降到重啟動(dòng)溫度值( 典型值 158 ℃)以下后開(kāi)通。

　　在設(shè)計(jì)過(guò)溫保護(hù)之前必須清楚:

　　• 過(guò)溫關(guān)斷是一個(gè)保護(hù)。 不能按閥值功能使用它（如熱敏振蕩器或其它的）。如果按閥值使用，結(jié)溫會(huì)長(zhǎng)時(shí)間停留在大約160℃，大大地影響（縮短）IPS的壽命。

　　• 有源鉗位 (第 3 節(jié)) 不受過(guò)溫保護(hù)影響。在鉗位或反偏狀態(tài)沒(méi)有辦法切斷電流(體兩極管)。

　　• 在某些特定環(huán)境中 ( 舉例來(lái)說(shuō)在高的工作頻率下發(fā)生嚴(yán)重短路),可能發(fā)生熱擊穿。這一點(diǎn)請(qǐng)查閱有關(guān)高頻運(yùn)行的設(shè)計(jì)提示。(DT99-5,第 3 節(jié))

2-4 在設(shè)計(jì)過(guò)流和過(guò)溫保護(hù)時(shí)需要重點(diǎn)考率的問(wèn)題

　　Ids對(duì)應(yīng)響應(yīng)時(shí)間曲線 (I-T 曲線) 概括了IPS的特點(diǎn)。（IPS021數(shù)據(jù)表中的圖14就是一個(gè)例子）。圖 4 中典型的I-T曲線顯示那一段受過(guò)流保護(hù)支配，哪一段受過(guò)溫保護(hù)支配。

　　在圍繞負(fù)載設(shè)計(jì)電流路徑時(shí)，有兩點(diǎn)必須牢記。第一，該路徑的載流能力應(yīng)始終高于曲線中所示的值，這樣不致于該路徑在過(guò)流保護(hù)動(dòng)作之前燒毀。第二，負(fù)載的載流能力應(yīng)始終低于曲線中所示的值，這樣可以 避免過(guò)流保護(hù)被誤觸發(fā)。

3.有源鉗位模式

3-1 有源鉗位的目的

　　切斷一個(gè)感性負(fù)載還需要考慮功率耗散能力。本質(zhì)上負(fù)載儲(chǔ)存的能量（1/2*L*I2）只能通過(guò)功率MOSFET耗散掉。該功耗的大小并不依Rds(on)而定，而是更多地取決于芯片的能量等級(jí)和感性負(fù)載關(guān)斷鉗位電路。在負(fù)載電流衰減到零的續(xù)流時(shí)間是Vclamp的函數(shù)。Vclamp 越高，電流衰減越快。和傳統(tǒng)的快速泄放能量的方法相比（例如續(xù)流二極管，齊納二極管鉗位和MOSFET雪崩耐量），有源鉗位是最有效的泄放電感能量的方法。因此，所有IPS器件都集成了有源鉗位功能。

3-2 有源鉗位原理

　　有源鉗位的特點(diǎn)在圖 5 中給出。 在關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)Vds> Vzener+ 二極管的Vf+MOSFET的Vthreshold，功率MOSFET重新被開(kāi)通。另外，在這條泄放能量的電流通道上還有兩個(gè)大的阻抗，電阻和 MOSFET，有助釋放能量。( 注意，在有源鉗位狀態(tài)，MOSFET處于線性狀態(tài)，或稱(chēng)高阻狀態(tài)。）負(fù)載很快地消磁，因?yàn)樨?fù)載中的能量通過(guò)一個(gè)很大的電壓差釋放掉（Vcc -Vclamp）。該電壓差越大，去磁越快。

　　在有源鉗位期間由IPS泄放掉的能量是Vclamp 。電感中儲(chǔ)存的能量是[。因此，值得注意的是，在有源鉗位期間，器件上的功耗要比負(fù)載上的大。( 流經(jīng)負(fù)載和IPS上的電流是相同的，但I(xiàn)PS上的電壓比負(fù)載上的高)。IPS上總的能耗可以用下面的公式計(jì)算出來(lái)： 

　　E IPS = (½.L.I²)x(Vclamp / (Vclamp - Vcc))

　　每個(gè)IPS 可以承受的最大感性負(fù)載可以從數(shù)據(jù)表中的Iclamp與感性負(fù)載關(guān)系曲線圖上估計(jì)出來(lái)。( 例如 IPS021L 數(shù)據(jù)表中的圖 15)

3-3有源鉗位期間熱的問(wèn)題

　　鉗位狀態(tài)時(shí)，MOSFET工作在線性狀態(tài)，所以MOSFET的結(jié)溫會(huì)上升。如需要，結(jié)的溫升可用下面的方法估算出來(lái)：

Demag電流的 di/ dt： di/ dt=[ Vcc- Vcl]/L

鉗位時(shí)間： Tcl=Iclamp/Idi/dtI

鉗位平均電流： Icl avg=Iclamp/2

鉗位期間功耗： Pcl=Vcl*Icl avg

結(jié)溫升： DTj=Pcl*Rth(Tcl時(shí))

注意：

負(fù)載電感量 (H)

電壓?jiǎn)挝粸?(V) 和電流單位為 (A)

Rth(為 Tcl) 為對(duì)應(yīng)Tcl時(shí)的瞬態(tài)熱阻抗

(見(jiàn) 數(shù)據(jù)表中瞬態(tài)熱阻抗時(shí)間曲線)

3-4 高低端IPS的有源鉗位

　　以上的討論使用的例子是一個(gè)低端開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)。高端IPS器件工作情況一樣。 因?yàn)楦叨碎_(kāi)關(guān)是在內(nèi)部參考Vcc腳，它的漏極在鉗位期間低于地電位。圖 6a和6b分別給出了高端和低端開(kāi)關(guān)有源鉗位的波形。

(a) 低端開(kāi)關(guān) (b) 高端開(kāi)關(guān)

　　對(duì)于低端開(kāi)關(guān),鉗位回路包括了輸入管腳。可以通過(guò)在輸入管腳上串接電阻來(lái)限制吸入電流。在鉗位期間，如果又有信號(hào)輸入，IPS 產(chǎn)品能夠把負(fù)載重新開(kāi)通。

4. 以Vcc為參考輸入的高端IPS的保護(hù)電路

　　以Vcc 為參考輸入的高端IPS不同于常規(guī)的高端IPS，它的輸入是以Vcc管腳為參考的。 以Vcc 為參考輸入的高端IPS 通常被用在汽車(chē)環(huán)境，因此需要如圖7中的附加保護(hù)電路，它由以下幾個(gè)器件組成:

(a)一個(gè) shottky 二極管 (小電流的) ，在電池反向連接的情況下，可以避免在微處理器輸出端出現(xiàn)負(fù)電壓。

(b)一個(gè)齊納二極管，防止輸入端的電壓尖峰。
 
(c)一個(gè)電阻，Rin，用來(lái)限制二極管電流。這個(gè)電阻的最大值的計(jì)算如下：

這里：

Vcc min = 最低 Vcc 工作電壓 (V)

Vih = 高電平輸入啟動(dòng)電壓 (V)

Iin on = 典型輸入電流值 (A)

(Vcc-Vin=Vih)

Vf = 二極管正向電壓降 (V)

Vce = 集電極電壓 (V)

Rin = 輸入阻抗（Ω）

(a)低端開(kāi)關(guān) (b)高端開(kāi)關(guān)

　　以Vcc為 參考輸入的高邊 IPS，會(huì)有大電流流過(guò)Vcc管腳。此管腳上任何寄生的串聯(lián)阻抗可以顯著改變輸入開(kāi)啟電壓，因?yàn)榇思纳娮枭系碾妷合喈?dāng)于給輸入加了一個(gè)電壓反饋。所以必須多花精力在電路板布線上，盡可能減小這些寄生阻抗。

5. 結(jié)論

　　這篇設(shè)計(jì)提示只是想給大家講一下IPS器件的基本特點(diǎn)和保護(hù)功能。對(duì)於進(jìn)一步的關(guān)於這類(lèi)器件的開(kāi)關(guān)能力和故障診斷功能，請(qǐng)參閱設(shè)計(jì)提示DT99-5。而在設(shè)計(jì)提示DT99-6中會(huì)深入講解IPS在汽車(chē)應(yīng)用環(huán)境中的工作情況。