本文將分享一種單石(monolithic)高速四通道低側切換器,其切換頻率最高可達100kHz,一側連接供應電壓(Vcc ),可驅動任何一種負載(電阻、電感與電容)。元件名稱為IPS4260L,晶片上整合4個45V功率MOSFET通道(260mΩ,一般Rds(on),溫度攝氏25度),還有邏輯、驅動器、保護與診斷功能。該元件採用符合Jedec標準HTSSOP 20的腳位微型封裝。

這款元件是利用意法半導體的Multipower-BCD技術製作而成;這是該公司所開發的一種智慧功率(Smart Power)技術,能將控制部分和功率級整合在同一個晶片上,示意圖請見圖1。

20190619EDNTA31P1 圖1 IPS4260L示意圖。

從本圖可發現每個通道都有完整的防護。晶片上內建的功能包括:欠壓鎖定(Under-voltage lock-out)、接合面過熱保護、每個通道都能獨立散熱、可編程電流限制(在ILIM腳位和訊號接地層SGND之間使用外部電阻RLIM連接)、電感夾(通常為58V)和供電軌斷線保護。

拜電流限制、截止延遲和散熱保護功能之賜,每個通道都能自我保護而不受負載短路和電流超載影響。因為箝位鏈為58V,因此得以形成去磁電路;本元件的確能管理龐大的電感負載,快速排放電感能量。

當電感負載非常之大,就必須在VZ腳位和GND接地層或供電軌之間連結一個齊納(Zener)或暫態電壓抑制器(TVS)二極體,以快速釋放負載(圖2),或把VZ腳位連結到供電軌,藉此慢慢放電。

20190619EDNTA31P2 圖2 電源切換器應用電路可驅動超大電感負載,快速去磁。

低電壓保護可避免低供電電壓不正常運轉,但只要因為任何原因失去接地參考,就會因為失去接地保護而關閉功率級,藉此避免裝置毀損。每個通道的接合面關機溫度通常設定在160℃;發生一般過載時就能保護通道。裝置的輸入段為輸入/輸出,相容於TTL/CMOS,經過專門設計能讓輸入的交換次數減至最低,而且能透過串聯電組連接光耦合器。

通道是藉由 > 2.0V的最低輸入電壓來開啟。當通道處於截止或過熱關機狀態,便會藉由開放式汲級電晶體(open drain transistor)從內部關閉相關的輸入腳位。開放式汲級電晶體共用的狀態腳位能直接驅動發光二極體(LED),它們能同時顯示截止保護或接合面過熱關機(FLT腳位),還有關閉狀態下的開放負載或接地短路(OL腳位)。

非耗電短路

如前文所言,切換器元件整合了電流限制防護功能,可利用外部電阻設定。加上包含在每個通道裡的接合面過熱保護和偵測功能,元件還整合了「非耗電短路塊(NON-DISSIPATIVE SHORT CIRCUIT BLOCK)」,用來限制元件的整體耗電。這額外的保護措施能避免通道數量較多時,過載狀況下印刷電路板會因為元件溫度快速上升而劣化。

事實上在過載狀況下,每段時間間隔(tCOFF )的輸出電流限制在ILIM,這是由連接到CoD腳位和SGND腳位之間的一個外部電阻所定義(見圖1或2)。通道關閉且持續時間為tRES,然後自動開啟,以維持通道接合面溫度低於TJSD(接合面關機溫度)。

圖3呈現的是過載期間的過熱波形。VINX代表施加在INx腳位的電壓,每當FLT腳位下降它也會下降,而MCUx電壓則維持不變。

20190619EDNTA31P3 圖3 過載時IPS4260L的波形。

當接合面溫度達到TJSD,過載通道只有在接合面溫度降到TJSD - TJHYST (重新啟動溫度)時會再次重新啟動。在此必須強調的一個重點是,過熱保護只作用於過載通道;無載通道會持續正常運作。

關閉狀態下的開放負載

為了偵測關機狀態下的開放負載故障,必須在PGND線和輸出腳位之間連接一個下拉電阻(見圖4)。正常狀況下,電流會通過下拉電組和負載所形成的網路。整個負載的電壓會低於開放負載電壓最低值,讓OL腳位維持高水平。

20190619EDNTA31P4 圖4 網路關閉狀態下的開放負載偵測。

當其中一個輸入發生開放負載事件,相關輸出腳位的電壓就會上升到低於開放負載最低電壓的水準,經過一段遮蔽時間(tBKT )後故障狀況會回報給OL腳位,以降低雜訊干擾。在這之後,OL腳位就會降至水平,然後以訊號通知開放負載。

圖5為開放負載事件發生和結束時,一般輸入腳位電壓、相關輸出電壓和OL腳電壓的波形。

20190619EDNTA31P5 圖5 開放負載延遲發出訊號。

在圖6當中,可以看到關閉狀態功能下的開放負載。輸出電壓從0V加壓到10V,頻率為10kHz,以觸發開放負載狀況。圖中電壓在tBKT時間(通常為16.5 μs)之後便有所下降。

20190619EDNTA31P6 圖6 關閉狀態下的開放負載波形(黃色= VOL,綠色為=Vout )。

圖7所呈現的是切換器元件常用的一種應用電路;它代表工業自動化或流程控制用可編程邏輯控制器的輸出級。為保護元件在低側配置情況下不會受到電力供應線路嚴苛的工業條件所影響,通常會使用光耦合器,讓應用控制電路可以和電源供應分離,還有診斷腳位裡的輸入。Transil二極體能保護低側開關(LSS)不受正電和負電湧脈衝的影響,讓元件符合IEC 61000-4-5標準。

20190619EDNTA31P7 圖7 短路狀況下且「非耗電短路塊」啟動時的波型(藍色= VFLT,黃色= VIN,,紅色= IOUT,綠色= VOUT )。

且必須在匯流線(Vcc )上放置一個電解電容,藉此過濾匯流排的電感效應,讓供應電穩定並避免低電壓關機。選擇電解電容的大小時,必須考量輸出電流的斜率、複雜電源供應纜線的阻抗,還有整個元件可允許的最高壓降。建議使用低等效串聯電阻(ESR)電容,並盡可能接近低側開關,以過濾電源供應線的電磁相容性疑慮,本文所舉的案例中是選用47μF電容。

工廠自動化/流程控制裡最難驅動的負載就是電感負載;驅動1.15亨利(Henry)標稱負載很常見。要管理這樣的電感負載,相關能量非常可觀,才能完成有感的電力消耗和非常高的接合面溫度:切換器是專為驅動這樣的高負載所設計,在VZ腳位和接地層或供電軌之間,連結一個齊納或TVS二極體,以便快速釋放負載(見圖2),或是把VZ腳位連結到供電軌,藉此慢慢放電。

短路負載行為

供應電壓的電流超載和負載短路,是數位輸出運作當中必須面對的最嚴苛事件。在這些不良事件當中,輸出級必須能夠承受消耗所有相關能源。此外,這些連接輸出級的負載也必須加以保護,以防電流尖峰可能達到預期以外的數值。

為了在供應電壓輸出短路期間安全地管理數值極高的電流尖峰,因此在晶片上整合了一個電流限制塊。如此一來就只能短暫出現電流峰值;這時間剛好足夠來干預電流限制電路,利用外部電阻來修整輸出電流最大值。

過載的時候也一樣。不過從內部限制輸出電流還不夠;事實上,如果這段期間持續短路或過載,能耗就會散逸到元件裡還有負載內部,這很重要,因為它會導致過熱,可能會毀損元件和/或相關負載。

因為「非耗電短路塊」已內建於晶片,能限制過載通道裡電流限制狀況的時間。這段時間稱為截止電流延時(TCoff,),由一個連接在CoD腳位和SGND接地平面之間的外部電阻(RCoD )所設定。這段時間過後,通道會休息關閉一段時間,稱為功率級再啟動延遲時間(tres ),以避免大量通道處於過載狀況時印刷電路板產生劣化,同時減少元件和負載裡流動的能量。

如果在TCoff期間,過載通道的接合面溫度達到內部設定值(TJSD),每個通道都有一個的接合面過熱保護塊就會關閉通道。只有當Tj回到重設臨界值以下時才會重新啟動。

還可以讓連接CoD腳位和SGND接地平面的「非耗電短路塊」失效,這樣切換器裡的接合面過熱保護就會啟動。

圖7和圖8的波形代表單一通道的輸出電流(Iout),以及發生短路狀況時這段期間的診斷電壓(VFLT );可以從這兩張圖中看出,在短暫達到頂點後,輸出電流便被限制在一個固定數值。

20190619EDNTA31P8 圖8 「非耗電短路塊」失效時短路狀況下的波型(紅色= VFLT,,藍色= IOUT)。

此外,圖7所顯示的是相關通道的輸出電壓和輸入電壓,因為切換器的輸入腳位是用於診斷用途,因此會遵循故障電壓波形。

在圖9中,當「非耗電短路塊」功能失效,可發現它首先需要很長一個步驟才能達到接合面過熱關機。在這之後會關閉過載通道,輸出變成零才能限制電流。過載通道的診斷訊號通常處於高態,直到過熱保護出面干預將之關閉,這個時候FLT引腳和相關輸入引腳的診斷功能下降,並通知過熱干預。當接合面溫度TJ回到重設臨界值以下(TJSD - TJHYST)就會重新正常運作,週期再度開始。

20190619EDNTA31P9 圖9 電容負載3.3mF/63V的波形(黃色= Vout,藍色= Iout,紅色= Vflt )。

電容負載行為

切換器還能驅動電容負載而不產生問題;它能驅動非常高的電容,圖9是驅動3.3mF/63V電容的波形。因為電容很大,電容充電期間的輸出電流會受到電流限制,因此不會看到真正的充電電流,而是電阻從外部設定的限制電流。TCoof之後,會看到「非耗電短路塊」干涉,如此一來負載的電源輸出就會關閉,還有每個過載或短路。當電容幾乎完全充電完畢,電流就會降到設定的電流限制以下:從圖10可以清楚看到,觀察綠色波形中間的部分,充電電流的斜率突然改變,直到數值達到零(電容充電完成)。當輸出電容充電完畢,如果對輸入施以低電流,因為上面有電壓,OL腳位的行為就會類似和短路到GND的情況。這代表在關閉狀態下(低輸入電壓),OL腳位的診斷訊號(通常處於高態)會變低(圖11)。

20190619EDNTA31P10 圖10 「非耗電短路塊」失效時,切換器裡極高電容的熱干預(黃色= Vout,藍色= Iout,紅色= Vflt )。

20190619EDNTA31P11 圖11 真值表。

結論

以上就是智慧型單石高速四通道低側切換器的介紹。新型的智慧電源切換器(IPS)提供了更高的準確度,發生故障時可將能源損耗降至最低並預防系統誤差。使用意法半導體最新一代的Multipower-BCD技術,就能成就這些優點,因為在系統恢復的同時,它能讓可編程過載電流限制維持穩定的功率條件。