通過安全退磁切換感性負(fù)載

本應(yīng)用筆記旨在向系統(tǒng)工程師詳細(xì)介紹Maxim MAX14912/MAX14913產(chǎn)品的獨(dú)特特性，特別是說明這些產(chǎn)品如何利用Maxim獲得專利的SafeDemag?功能安全地處理24V直流負(fù)載的“無限電感”。

介紹

感性負(fù)載是任何具有線圈的設(shè)備，當(dāng)通電時(shí)，通常執(zhí)行某種機(jī)械工作，例如螺線管、電機(jī)和執(zhí)行器。電流引起的磁場(chǎng)可以移動(dòng)繼電器或接觸器中的開關(guān)觸點(diǎn)，操作電磁閥或旋轉(zhuǎn)電機(jī)中的軸。對(duì)于大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用，工程師使用高邊開關(guān)來控制感性負(fù)載，挑戰(zhàn)在于當(dāng)開關(guān)斷開且電流不再源向負(fù)載時(shí)，如何釋放電感中的能量。不能正確釋放這種能量的負(fù)面影響包括繼電器觸點(diǎn)的潛在電弧、損壞敏感IC的大負(fù)電壓尖峰以及可能影響系統(tǒng)性能的高頻噪聲或EMI的產(chǎn)生。

感性負(fù)載和二極管保護(hù)

當(dāng)電流通過電感器時(shí)，能量被存儲(chǔ)。電感-電阻負(fù)載的直流瞬態(tài)響應(yīng)使用圖1所示電路以及圖2所示的電流和電壓曲線進(jìn)行說明。

圖1.用于直流瞬態(tài)響應(yīng)的 L-R 電路。

圖2.V-I 用于感性負(fù)載。

當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，沒有電流流動(dòng)，輸出或負(fù)載電壓為0V。

當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，電流呈指數(shù)上升（受與電感產(chǎn)生的電源極性相反的反電動(dòng)勢(shì)（EMF）限制）上升至穩(wěn)態(tài)值。系統(tǒng)輸出電壓由L） 上升至電源電壓。隨著電流的增加 VL衰減，直到達(dá)到穩(wěn)態(tài)電流

當(dāng)開關(guān)打開時(shí)，電流呈指數(shù)衰減，趨于零。

在開關(guān)打開的那一刻，電流的變化會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)。該反電動(dòng)勢(shì)與電流的極性相反，導(dǎo)致VL具有負(fù)電壓尖峰。當(dāng)電流衰減至零時(shí)，電感兩端的負(fù)電壓恢復(fù)到0V。

在實(shí)際電路中，最常見的感性負(fù)載放電解決方案（圖3）使用續(xù)流二極管。在該電路中，當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，二極管反向偏置并且不傳導(dǎo)任何電流。當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，電感兩端的負(fù)電壓正向偏置二極管，通過傳導(dǎo)電流通過二極管，直到達(dá)到穩(wěn)態(tài)且電流為零，使存儲(chǔ)的能量衰減。

圖3.續(xù)流二極管。

二極管必須能夠處理關(guān)斷時(shí)的初始電流，等于開關(guān)閉合時(shí)流過電感器的穩(wěn)態(tài)電流。此外，二極管的額定電壓需要處理正負(fù)電壓電平之間的擺動(dòng)。經(jīng)驗(yàn)法則(1)是選擇一個(gè)額定值至少為電感線圈吸收的電流量和至少兩倍于負(fù)載工作電壓額定電壓的二極管。對(duì)于許多應(yīng)用，特別是每個(gè)IO卡具有許多輸出通道的工業(yè)應(yīng)用，該二極管通常物理上相當(dāng)大，并且會(huì)給BOM增加大量額外成本。

簡(jiǎn)單續(xù)流二極管方法的另一個(gè)主要缺點(diǎn)是它延長(zhǎng)了通過電感器的電流衰減。如“線圈抑制會(huì)縮短繼電器壽命”中所述，(2)電流的這種緩慢衰減會(huì)產(chǎn)生諸如繼電器觸點(diǎn)之間“粘住”等問題。對(duì)于電流衰減必須更快的應(yīng)用，另一種解決方案是使用齊納二極管，如圖4所示，它提供更快的電流斜坡，而不是指數(shù)衰減。當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，電流通過通用二極管和齊納二極管路徑分流，保持等于齊納電壓（加上正向二極管壓降）的電壓，直到電感能量耗散。

圖4.齊納二極管可實(shí)現(xiàn)更快的電流衰減。

使用 MOSFET 進(jìn)行有源箝位

對(duì)于工業(yè)應(yīng)用，“開關(guān)”通常是MOSFET。當(dāng)MOSFET在切換感性負(fù)載時(shí)關(guān)斷時(shí)，如果沒有保護(hù)，則漏極和源極兩端的電壓（VDS） 增加，直到 MOSFET 擊穿。現(xiàn)代高邊開關(guān)經(jīng)常使用一種稱為有源箝位的技術(shù)，該技術(shù)限制VDS切換感性負(fù)載以保護(hù) MOSFET 時(shí)。當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，MOSFET 在飽和模式下完全導(dǎo)通 （RDS為低電平），但當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，MOSFET 被驅(qū)動(dòng)到其線性模式，其中 RDS是更高的電阻。負(fù)載在有源鉗位期間快速消磁，因?yàn)殡妷狠^大（VDD， w鉗）耗散存儲(chǔ)的能量（請(qǐng)參閱“DT99-4：智能電源開關(guān)（IPS）：基本功能和保護(hù)”。http://www.irf.com/technical-info/designtp/dt99-4.pdf）。(4)電壓差越大，退磁越快;這就是為什么開關(guān)IC供應(yīng)商通常將此功能稱為“快速德馬格”的原因。

圖5.帶有源箝位的高邊開關(guān) （MOSFET）。

在退磁期間，MOSFET 消耗的功率高于負(fù)載，因?yàn)?MOSFET 兩端的電壓高于負(fù)載電壓。這意味著每個(gè)開關(guān)都有一個(gè)可以支持的最大感性負(fù)載和負(fù)載電流;否則，MOSFET 在有源箝位模式下會(huì)出現(xiàn)熱問題。開關(guān)供應(yīng)商通常在其數(shù)據(jù)表中包含一個(gè)圖表，以顯示可安全處理的最大感性負(fù)載與感性電流的關(guān)系。

退磁能量

公式1定義了感性負(fù)載中存儲(chǔ)的能量，公式2定義了高端開關(guān)消耗的能量：

存儲(chǔ)在感性負(fù)載中的能量

開關(guān)耗散的能量(3)

其中L是以亨利為單位的電感，IL是以安培為單位的負(fù)載電流。在MOSFET斷電感性負(fù)載期間，等效電路如圖6所示，齊納二極管有效箝位VDS而反饋環(huán)路控制柵源電壓，控制MOSFET，與負(fù)載電流無關(guān)。這樣，MOSFET（而不是負(fù)載）上的電壓就會(huì)下降，從而導(dǎo)致MOSFET在快速德馬格模式下耗散更多的能量（和熱量）。一旦能量耗散，負(fù)載電流趨勢(shì)為零，MOSFET 進(jìn)入截止模式和 VS趨勢(shì)為 0V。

圖6.高邊開關(guān)快速退磁期間的等效電路。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員有責(zé)任確保開關(guān) （MOSFET） 能夠處理關(guān)斷模式下耗散的更高功率;否則，結(jié)溫升高會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力并可能損壞開關(guān)器件。對(duì)于工業(yè)控制應(yīng)用中流行的多通道開關(guān)，這種情況更糟。

安全消磁

雖然高邊開關(guān)通常具有過流和過熱檢測(cè)功能，但在有源箝位模式（快速德馬格）期間，電流由負(fù)載中的能量控制，因此在此模式下沒有保護(hù)（電流或溫度）處于活動(dòng)狀態(tài)。為了解決快速德馬格過程中能量耗散過多的問題以及MOSFET的熱問題，Maxim在MAX14912和MAX14913八通道高速開關(guān)產(chǎn)品中采用了一種稱為安全退磁（SafeDemag）的新架構(gòu)。SafeDemag與快速德馬格電路配合使用，允許MAX14912和MAX14913以無限電感安全地關(guān)斷負(fù)載。在正常關(guān)斷下，高端MOSFET以線性模式工作，以利用快速德馬格功能耗散電感能量。如果電感中的能量以及退磁電流過高，則高端MOSFET開始過熱。此時(shí)，片內(nèi)溫度傳感器會(huì)提醒控制邏輯關(guān)閉高端MOSET并打開低側(cè)MOSFET，為退磁電流提供低電壓（因此是低功耗）替代路徑，允許高端MOSFET冷卻并返回安全工作極限。

圖7.使用低側(cè) MOSFET 實(shí)現(xiàn)安全退磁的電流路徑。

感性負(fù)載開關(guān)測(cè)試

UL 508“工業(yè)控制設(shè)備”標(biāo)準(zhǔn)是定義工業(yè)控制設(shè)備要求的標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定最大負(fù)載為48Ω和1.15H。對(duì)于本應(yīng)用筆記中的測(cè)試，該標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載演示并比較了各種高邊開關(guān)產(chǎn)品的性能與本應(yīng)用筆記中已經(jīng)討論的不同退磁方案。所有開關(guān)產(chǎn)品均為八通道器件，如圖8所示，使用一個(gè)通道進(jìn)行測(cè)試，以證明與使用續(xù)流二極管的“慢速退磁”相比，更高鉗位電壓可實(shí)現(xiàn)快速退磁的優(yōu)勢(shì)。

圖8.用于切換一個(gè)通道電感負(fù)載的測(cè)試電路。

消磁過程中單個(gè)輸出通道耗散能量的公式由公式3–6得出：

對(duì)于此分析，我們假設(shè)開關(guān)關(guān)閉打開時(shí)間遠(yuǎn)大于t德馬格允許電感中的能量消散，開關(guān)在再次導(dǎo)通之前達(dá)到穩(wěn)態(tài)關(guān)斷狀態(tài)。測(cè)試使用Maxim和其他IC供應(yīng)商提供的商用高邊開關(guān)IC，如表1所示。

測(cè)試1：自由輪二極管（“慢速德馬格”）

MAX14900E評(píng)估板工作在并行模式，使用兩個(gè)MURA205T3G二極管，從每個(gè)輸出通道連接到VDD和GND實(shí)施續(xù)流二極管方案。輸入為1Hz方波。圖9顯示了波形——通道1（黃色）是輸入信號(hào)，通道2（洋紅色）是輸出電壓，通道4（綠色）是感性負(fù)載電流。正如預(yù)期的那樣，二極管將電壓擺幅限制在地<以下1V，并且退磁相對(duì)較慢，約為94ms。

圖9.MAX14900E，帶續(xù)流二極管。

測(cè)試2：快速退磁

使用了三種產(chǎn)品，Maxim的MAX14912和兩款競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品，英飛凌的ITS4880R和STM的VNI8200XP。所有開關(guān)均以并行模式工作，具有 1Hz 方波輸入。圖10、11和12分別給出了MAX14912、ITS4880和VNI8200的波形。在每種情況下，通道1（黃色）是輸入信號(hào)，通道2（洋紅色）是輸出電壓，通道4（綠色）是感性負(fù)載電流。第一個(gè)示波器鏡頭顯示箝位電壓，第二個(gè)示波器顯示馬格時(shí)間。

圖 10.MAX14912具有快速馬格（A - V鉗， B - t德馬格).

圖 11.ITS4880 帶快速馬格 （A - V鉗， B - t德馬格).

圖 12.VNI8200 帶快速馬格 （A - V鉗， B - t德馬格).

快速消磁摘要

正如預(yù)期的那樣，快速德馬格函數(shù)提供了比簡(jiǎn)單的續(xù)流二極管方案更快的退磁時(shí)間，并且測(cè)量值與公式3-6的計(jì)算相關(guān)。MAX14912的箝位電壓較高，退磁速度比競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品快約20%。

測(cè)試3：安全退磁（MAX14912）

為了給開關(guān)施加壓力，所有八個(gè)輸出通道同時(shí)切換。每個(gè)輸出的負(fù)載為1.5H和27Ω。輸入由公共輸入信號(hào)驅(qū)動(dòng)，該信號(hào)為2Hz方波。測(cè)試電路如圖13所示。

圖 13.用于同時(shí)切換所有八個(gè)通道的電感負(fù)載的測(cè)試電路。

所有測(cè)試均在室溫下使用24V電源進(jìn)行。圖4880a和14b中ITS14R的示波器顯示了波形——通道1（黃色）是輸入信號(hào)，通道2（洋紅色）是輸出電壓，通道3（藍(lán)綠色）是過熱警告引腳，通道4（綠色）是感性負(fù)載電流。

圖 14a. ITS4880R 同時(shí)為所有八個(gè)通道提供開關(guān)電感負(fù)載。

操作幾秒鐘后，ITS4880R 開始過熱，過熱警告引腳在輸入高電平和輸出低電平期間被驅(qū)動(dòng)為高電平。當(dāng)設(shè)備溫度過高時(shí)，保護(hù)會(huì)打開，然后在冷卻幾毫秒后重新打開。

圖 14b. ITS4880R 同時(shí)為所有八個(gè)通道提供開關(guān)電感負(fù)載。

再過幾秒鐘后，從圖14b所示的電感電流波形可以更清楚地看到過熱保護(hù)的影響。關(guān)閉輸出開關(guān)以防止過熱會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)問題;第一個(gè)是德馬格的時(shí)間較短（可能無法使電感器完全放電），第二個(gè)是電感器完全充電的時(shí)間不足（在螺線管或繼電器等設(shè)備的情況下可能無法正常工作）。

圖14912a、15b和15c中MAX15的示波器顯示了波形——通道1（黃色）是輸入信號(hào)，通道2（洋紅色）是輸出電壓，通道4（綠色）是感性負(fù)載電流。

圖 15a. MAX14912開關(guān)電感負(fù)載同時(shí)用于所有<>個(gè)通道。

在圖 15a 和 15b 中，可以看到 SafeDemag 功能正在運(yùn)行。當(dāng)快速德馬格箝位開始過熱時(shí)，SafeDemag 開始工作，導(dǎo)致輸出電壓恢復(fù)到 0V，同時(shí)低邊開關(guān)正在流失電感能量。當(dāng)MAX14912冷卻時(shí)，它返回到高端“快速德馬格”，輸出電壓返回到由箝位電壓定義的負(fù)值。總馬格時(shí)間增加，但電感電流隨著能量耗散而平滑衰減。MAX14912繼續(xù)工作，如圖15c所示，沒有因過大感負(fù)載而導(dǎo)致過熱問題。

圖 15b. MAX14912開關(guān)電感負(fù)載同時(shí)用于所有八個(gè)通道，與SafeDemag同步。

圖 15c. MAX14912開關(guān)電感負(fù)載，用于同時(shí)連續(xù)運(yùn)行的所有<>個(gè)通道

這些測(cè)試是在室溫下進(jìn)行的，因此沒有SafeDemag的設(shè)備在高溫下運(yùn)行時(shí)的性能會(huì)更糟，就像許多工業(yè)應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的那樣。

MAX14912/MAX14913競(jìng)爭(zhēng)比較摘要

本應(yīng)用筆記展示了MAX14912/MAX14913的差異化特性，與Maxim的MAX14900以及ITS4880R和VNI8200等競(jìng)爭(zhēng)器件相比，這些特性為設(shè)計(jì)工程師提供了關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。MAX14912具有較高的箝位電壓，為感性負(fù)載提供更快的退磁速度，與其他開關(guān)對(duì)可切換的電感大小有限制不同，SafeDemag允許MAX14912/MAX14913安全地切換無限電感負(fù)載。SafeDemag還允許MAX14912/MAX14913使用更小的封裝，與競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品相比，占位面積減少多達(dá)66%。

結(jié)論

安全切換感性負(fù)載的能力對(duì)于工業(yè)應(yīng)用至關(guān)重要，系統(tǒng)工程師對(duì)此有不同的解決方案。本應(yīng)用筆記中提供的數(shù)據(jù)表明，使用續(xù)流二極管進(jìn)行慢速德馬格是好的，使用有源箝位進(jìn)行快速德馬格更好，但使用Maxim的SafeDemag是解決這個(gè)問題的最佳方案。

審核編輯：郭婷