开关,是一种司空见惯的器件。电子系统功能的日益复杂,开关也在不断的升级。我们熟知的保险丝,继电器式开关有逐渐被智能高边开关取代之势。不熟悉智能高边开关没关系,这里有一份非常详细的资料供大家学习:点击查看英飞凌智能高边开关简史>>
很多工程师在使用开关时,往往考虑不周,给设计带来麻烦。近20年开发经验的工程师子慕云带来智能高边开关使用技巧讲解:
观看指南:
00:49-1:59:智能高边开关原理讲解
2:00-3:48:实现方式及管件参数
3:49-5:05:案例分享:汽车LED照明
5:06-11:34:英飞凌PROFETTM+2 12V 功能实现及demo演示
以上视频形象地帮我们了解智能高边开关基本工作原理和功能;下面看看资深工程师如何一步一步教我们选择合适的开关,并着手进行实际应用系统设计:
高边开关实现方式哪家强?
高边开关有多种实现方式,包括:继电器、自恢复保险丝、分离器件搭建MOSFET开关,或者直接使用高边开关集成电路等。
继电器与自恢复保险丝是很常用的开关方式,优点是成本较低,但缺点也显而易见,他们无法实现复杂的保护及诊断的需求,同时分离式的MOSFET开关电路有些力不从心。
面对复杂的需求,选择高性能的集成电路是不错的方案,在此,推荐英飞凌(Infineon)基于最新SMART 7技术,推出的PROFETTM+2 12V系列产品,多种规格的选择可以覆盖汽车电子对高边开关的各种需求。
PROFETTM+2 12V系列产品
为什么是英飞凌PROFETTM+2 12V?
在汽车电子应用中,集成电路式高边开关有非常高的可靠性和稳定性,主要是其有更多的保护和诊断机制:包括过压钳位、过流保护、过温保护、输入过压保护、逻辑端口静电防护等。
BTS7002-1EPP的功能框图
1)过压钳位保护
诸多保护机制之中,过压钳位是很关键的保护机制,专为感性负载(如电机、大电感等)的驱动而设计。开关被关闭瞬间,电机电流通过续流保护维持流向不变。但是,负载两端的电压极性突然翻转,高边开关输出端瞬间变为负电压。
由于,负压的幅度大小与感性负载里的残留能量正相关。高边开关内部的MOSFET的DS端将承受巨大的压力,如果未加钳位措施的话,MOSFET有被损毁的危险。
高边开关驱动感性负载
过压钳位(Overvoltage Clamping)的实现
如上图,过压钳位在芯片内部通过跨接在输入、GATE及输出端的两个稳压管实现。高边开关驱动感性负载时的相关的电压波形如下图所示。
过压钳位(Overvoltage Clamping)保护开关免受感性负载的伤害
2)负载状态诊断
汽车应用环境复杂,涉及的电子模块众多,意味着潜在的故障比较多。完整的诊断机制对高边开关的应用很有必要,主要的诊断信息包括负载状态的诊断,譬如过载(Over Load)、短路到地(Short To GND)的诊断,负载开路(Open Load)诊断,输出短接到电源(Short To BATT)的诊断以及负载电流测量等。
负载电流测量模块
负载状态的诊断,如空载、过载、及短路到地,可以通过测量负载电流来实现。如上图,负载电流测量由在IS端子的一颗采样电阻来实现。
BTS7002-1EPP支持输出单元关闭的情形下的负载电流测量,诊断的目的是判断负载是否“在线”。开关开启之前确保负载“在线”,这一功能非常实用,特别是高压或大电流输出的应用场景,最大限度确保“用电安全“。输出关闭时的诊断(OFF Diagnosis),需要适当的电路的配合。
3)输出短路保护机制
当诊断模块侦测到故障发生时,譬如输出短路到地,过流保护模块将立刻关闭高边开关的输出,会有两种不同的保护策略。
第一种:高边开关有一定的决策权限,故障发生时组织“自救“。尝试多次重启之后,如果故障仍然存在,则关闭开关,直至控制器采取复位措施。PROFETTM+2 12V-EPA系列产品输出短路的保护策略是”自救“,输出短路发生时,一共会采取5次开关重启,如果故障仍然未解除,则关闭输出,等待控制器采取措施。
PROFETTM+2 12V-EPA系列产品的短路保护策略
第二种:一旦输出短路发生,立刻关闭输出并汇报“上级“,等待控制器决策。PROFETTM+2 12V-EPP系列产品采取的是此种策略。
PROFETTM+2 12V-EPP系列产品的短路保护策略
大电流输出的应用场景需要采取第二种相对比较保守的保护策略,确保“万无一失“。
如何着手实际应用系统设计?
选择英飞凌PROFETTM+2 12V系列产品之后, 如何开始设计?主要从三个方面进行着手:
第一点:关键参数的考量
导通电阻Rds(on)是开关的基本参数,PROFETTM+2 12V-EPA系列产品根据不同的负载电流,Rds(on)的范围在8~200毫欧之间;PROFETTM+2 12V-EPP系列产品服务于大电流应用,Rds(on)的范围在2~8毫欧之间。
根据负载电流的大小选择合适的过流保护阈值。PROFETTM+2 12V-EPP系列产品,根据MOSFET 漏源极(Drain-Source)的压差自动调节过流保护的阈值。
环境温度的不同也会影响限流阈值的设置。BTS7002-1EPP的设计很“贴心“,根据MOSFET漏源极压差以及环境温度自动调节限流阈值,确保了系统的可靠性。
最后,提醒一个大家很容忽视的参数:开关开启的斜率,dv/dt。过快的开关斜率会导致输出的过冲,引起EMC问题;过慢的开关斜率后果是开关损耗将会增加。所以需要权衡之后选择合适的参数。
第二点:电路设计
以PROFETTM+2 12V的产品BTS7002-1EPP为例:
BTS7002-1EPP典型应用电路
RIN,RDEN一般取值4.7K欧姆,目的是保护与之相连接的控制器(MCU)在故障时免受损坏。譬如,当电源极性被反接时,反向电流流过MCU内部的ESD管子,RIN与RDEN可以限制电流的大小。
逻辑电路的保护
RGND取值47欧姆,针对过压及丢失电源等故障的保护, RGND为内部TVS管子提供偏置电流。
输入电源过压时,RGND为TVS二极管提供偏置电流
ROL及RPD的作用是为输出提供偏置电压,在开关被打开之前,通过检测ROL的压降来判断负载是否“在线“,芯片的内部结构如下图示意。三极管T1的作用是诊断结束之后关闭偏置电阻,以减少电池的漏电流。
输出关闭时的负载诊断
第三点:PCB设计
俗话说,“好马配好鞍“,优秀的芯片需要同样优秀的PCB设计来配合。
高边开关的PCB Layout设计重点是散热。芯片的散热性能依赖PCB的散热区域的面积大小,以及PCB的叠层设计。
与一般常规的芯片散热设计不同,高边开关的散热焊盘只能被安排在电源的输入端子,因为高边开关是“浮地“设计。高边开关的这种特性,局限了PCB上的散热面积区域,因为”电源“轨铺设有面积的局限,不可能像”地层“一般做到无限广阔。
智能高边开关简化工程师的设计,有了这些设计经验,就可以把电路中现有的开关器件替换为高边开关了。现在英飞凌提供了多种不同负载电流的智能高边开关供大家免费申请,点击链接即可申请:
https://www.wjx.top/jq/97716826.aspx
下集预告:用于工业应用时,如何进行高边开关选型呢,子慕云工程师将会继续为大家讲解,敬请关注智能高边开关第二集视频。
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