【導讀】在本設計解決方案中，我們回顧了在工廠環境中運行的執行器中使用的高邊開關電路的一些具有挑戰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，以監控電路運行，并在發生這些情況時采取適當措施防止損壞。
在本設計解決方案中，我們回顧了在工廠環境中運行的執行器中使用的高邊開關電路的一些具有挑戰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，以監控電路運行，并在發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，在為現代自動化工廠設計設備時，非常值得牢記，在現代自動化工廠中，失敗不是一種選擇。由于數十個執行器同時打開和關閉繼電器和電磁閥，這些惡劣、嘈雜和苛刻的環境甚至可以將最堅固的組件的性能發揮到極限，即便如此，也需要精心設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元件，導致代價高昂的生產停機時間。
在本設計解決方案中，我們回顧了高端開關電路的運行情況，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，可能會永久損壞甚至破壞開關和/或其控制器。然后，我們介紹了一種新的控制器IC，它集成了無數的安全和保護功能，使其非常適合在發生這些（或其他）故障情況時為高端開關電路提供最高級別的保護。
什么是高邊開關？
打開/關閉接地連接負載的晶體管通常被稱為“高端開關”，因為它用于將電流從“高”電壓軌（在工業應用中通常為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域工作的n溝道FET（圖2）。低電壓開/關信號從微控制器發送到開關控制器 IC，然后根據需要提供打開和關閉開關所需的更高柵極電壓。這些簡單的電路有時也稱為“數字輸出”，通常用于工業執行器中，以打開/關閉閥門，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，但后一種方法的優點是，它可以自由選擇具有適合特定負載的驅動電流的開關。
圖2.簡化的高邊開關布置。
接下來，我們將考慮工廠環境中可能發生的一些常見操作和故障條件，它們對高端開關電路的潛在影響，以及在發生這些情況時保護電路免受持久損壞的一些方法。
感應電壓浪涌
當閥門關閉（或打開，取決于系統的極性）時，開關關閉，流入感性負載（例如電磁閥）的電流突然停止，開始消磁過程。電感器的本質是反對這種效應，從而產生較大的反沖電壓，以保持電流流動。這種出現在控制器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端子之間產生的大負電壓造成損壞。一種常見的方法是使用瞬態電壓抑制（TVS）二極管，將源端子上的電壓電平箝位在預定的安全電壓電平。選擇TVS二極管時，其額定峰值電流應大于正常應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在其額定規格范圍內（對于最高工作溫度）。為了防止損壞，驅動器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
有時在工業過程中，閥門可能會暫時卡在阻止其完全打開或關閉的位置。這可能導致發生“過流”情況，即開關驅動器 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，則電流可能會繼續增加，超過開關的額定值。如果這種情況持續超過短時間，多余的熱量可能會永久損壞甚至損壞交換機。因此，限制可能發生的過電流的大小和持續時間非常重要。
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，工業設備的環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。持續監測設備環境工作溫度非常重要，以便在必要時可以快速關閉。
接線不正確
人類并非萬無一失，即使是訓練有素的技術人員也會犯錯誤，尤其是在調試新生產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 是大多數工業設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設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期的，并且通常是計劃好的，但用于產生24V電源軌的電源故障可能導致其大大超過開關和/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設閾值，如果發生這種情況，開關電路可以關閉。
掌控一切
圖3所示的高邊開關電路具有高邊開關控制器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，它還能夠實現電流限制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.如果發生過流情況，控制器會采取許多預防措施。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，以采取適當的操作。然后開關控制器開始調整 V一般事務人員的開關，以在固定的“消隱時間”內主動調節電流（由 T 上的電容器值設置）空白輸入）。如果過流情況持續超過“消隱時間”，則控制器將關閉開關以保護。在大約 50 個“消隱時間”間隔（即 10ms）的關斷延遲后，開關再次自動打開。自動重試開/關循環將繼續，直到技術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”間隔設置為200μs。
圖4.調節在“消隱時間”間隔期間進行。
在大約 50 個“消隱時間”間隔（或 10ms）的關斷延遲后，開關再次自動開啟（圖 5），并且此“自動重試”循環無限期重復，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。
發生短路時，控制器關閉開關約 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，調節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。
該 IC 的另一個優點是包括集成溫度監控和保護關斷功能。集成溫度傳感器在 110°C（典型值）時發出熱警告信號。發生這種情況時，/THW邏輯輸出變為低電平，指示過熱事件，盡管器件繼續正常工作。如果溫度降低10°C，則/THW邏輯輸出返回高電平。但是，如果溫度繼續上升到150°C以上，則無論IN輸入（來自微控制器）的狀態如何，控制器都會進入關斷模式。在關斷模式下，G 輸出關閉，強制開關完全關閉。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 輸出變為低電平。
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輸出變為低電平有效。這不會影響繼續正常運行的開關控制器（并且將繼續對 V 執行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設計范圍。對于某些應用，該信號可用于對來自系統微控制器的信號進行選通，以防止在發生過壓情況時IN變為高電平。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，它還包括一個內部電荷泵，為開關柵極提供更高的驅動電流。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（以及相關的發熱），如果電路安裝在小型外殼中并允許高達50KHz的開關速率，則不希望出現這種情況。方便的是，該開關控制器IC還包括一個板載5V LDO穩壓器，能夠在需要時向外部電路提供高達50mA的電流。
總結
乍一看，工業高端開關似乎是一個相對簡單的電路。然而，當面臨在惡劣的工廠環境中操作的任務時，它可能會以多種方式失敗，并可能導致代價高昂的生產停機時間。在此設計解決方案中，我們考慮了高端開關可能遇到的許多具有挑戰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用。
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