智能功率開(kāi)關(guān)(IPS)：基本特征與保護

摘　要

不同的負荷條件時(shí)的IPS 選擇

電流和溫度保護

有源鉗位模式

以Vcc為 參考輸入的高端IPS的保護電路

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

1. 依據不同的負載選擇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)流保護值，即確定Ilim，就需要在功耗（線(xiàn)性模式）和保護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, 重要的是要確定結溫不會(huì )超過(guò)溫度保護值(Fig 1c)。要進(jìn)行測試來(lái)驗證最高結溫和過(guò)溫保護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(huà),可以進(jìn)行仿真（使用一個(gè)燈泡模型），求出詳細的溫度曲線(xiàn)。

1-2 感性負載

　　具有過(guò)流關(guān)斷和截流功能的IPS可以有效地保護感性負載。 在圍繞一個(gè)感性負載進(jìn)行設計的時(shí)候,.有幾點(diǎn)必須注意。第一，對于電子機械部件（電磁閥,繼電器等），由於內部的氣隙而產(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)保護值。第三，有源 鉗位效果(在第 3 節中描述)也必須考慮到。然而，對于第一次選取近似保護值，請使用數據表中給出的最大輸出電流相對負載電感曲線(xiàn)。（例如IPS511數據表中的圖10）。

1-3 阻性負載

　　具有過(guò)流關(guān)斷和截流功能的IPS可以有效地保護阻性負載。第一次設計時(shí)，近似保護值請依據數據表中的‘推薦工作條件表’和‘電流限值與結溫關(guān)系’的曲線(xiàn)圖（例如IPS511數據表中的圖13）。之后，必須評估最?lèi)毫訔l件下的電流和溫度，以確定他們都在保護范圍之內。根據情況調整原始設計。

2.過(guò)流和過(guò)溫保護

　　在許多應用中,需要額外的保護線(xiàn)路來(lái)滿(mǎn)足系統的安全性和可靠性。兩種最通常的（和致命的）問(wèn)題是過(guò)流和過(guò)溫。IR的IPS器件設計有針對這兩種基本問(wèn)題的保護功能。

2-1過(guò)流關(guān)斷(OI)

　　過(guò)流關(guān)斷的前提很清楚：當電流超過(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)是在連續輸入的情況下，負載發(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(xiàn)上可以評估關(guān)斷所需時(shí)間。 舉例來(lái)說(shuō)，在圖 2a 中曲線(xiàn)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，內部的延遲和dI/dt 斜率的函數。）注意Vcc上升的幅度，以確認在每次短路發(fā)生后有源鉗位都能有效動(dòng)作。

　　復位時(shí),保持輸入電壓為低，持續最小復位時(shí)間 (Treset), 該值在數據表中的保護特性一欄給出。

(a) 負載短路波形 (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)

　　在截流保護模式中，集成電路始終檢測漏極電流。 當漏極電流達到截流值Ilim，一個(gè)內部的電流環(huán)驅動(dòng)功率 MOSFET 工作在線(xiàn)性狀態(tài)。然而，這個(gè)保護對于兩種可能的過(guò)流模式的反應有所不同。 第一種情形是，在器件開(kāi)通狀態(tài)負載發(fā)生短路（圖 3a），在截流保護動(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。當然，兩個(gè)情形的響應時(shí)間保證瞬時(shí)電流值在功率MOSFET的安全工作區內。截流保護一直持續到過(guò)溫保護動(dòng)作（2-3段）。

(a) 負載短路波形 (b) 漏極短路條件下開(kāi)通波形

2-3 過(guò)溫保護

　　過(guò)溫保護是對抗緩慢電流增加的最后一道防線(xiàn)，例如過(guò)載。從字面上看，當結溫超過(guò)關(guān)斷溫度時(shí)，Tsd( 典型值 165℃ ), 器件被關(guān)斷。 實(shí)際上，該保護會(huì )使器件閉鎖。 要復位IPS，保持輸入電壓為低，持續最小復位時(shí)間，Treset( 該值在數據表中的保護特性一欄給出)，當器件自動(dòng)重啟動(dòng)時(shí)（由于滯環(huán)現象），器件在結溫降到重啟動(dòng)溫度值( 典型值 158 ℃)以下后開(kāi)通。

　　在設計過(guò)溫保護之前必須清楚:

　　• 過(guò)溫關(guān)斷是一個(gè)保護。 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，結溫會(huì )長(cháng)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) 不受過(guò)溫保護影響。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)生嚴重短路),可能發(fā)生熱擊穿。這一點(diǎn)請查閱有關(guān)高頻運行的設計提示。(DT99-5,第 3 節)

2-4 在設計過(guò)流和過(guò)溫保護時(shí)需要重點(diǎn)考率的問(wèn)題

　　Ids對應響應時(shí)間曲線(xiàn) (I-T 曲線(xiàn)) 概括了IPS的特點(diǎn)。（IPS021數據表中的圖14就是一個(gè)例子）。圖 4 中典型的I-T曲線(xiàn)顯示那一段受過(guò)流保護支配，哪一段受過(guò)溫保護支配。

　　在圍繞負載設計電流路徑時(shí)，有兩點(diǎn)必須牢記。第一，該路徑的載流能力應始終高于曲線(xiàn)中所示的值，這樣不致于該路徑在過(guò)流保護動(dòng)作之前燒毀。第二，負載的載流能力應始終低于曲線(xiàn)中所示的值，這樣可以 避免過(guò)流保護被誤觸發(fā)。

3.有源鉗位模式

3-1 有源鉗位的目的

　　切斷一個(gè)感性負載還需要考慮功率耗散能力。本質(zhì)上負載儲存的能量（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和感性負載關(guān)斷鉗位電路。在負載電流衰減到零的續流時(shí)間是Vclamp的函數。Vclamp 越高，電流衰減越快。和傳統的快速泄放能量的方法相比（例如續流二極管，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(xiàn)性狀態(tài)，或稱(chēng)高阻狀態(tài)。）負載很快地消磁，因為負載中的能量通過(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載上的大。( 流經(jīng)負載和IPS上的電流是相同的，但IPS上的電壓比負載上的高)。IPS上總的能耗可以用下面的公式計算出來(lái)： 

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

　　每個(gè)IPS 可以承受的最大感性負載可以從數據表中的Iclamp與感性負載關(guān)系曲線(xiàn)圖上估計出來(lái)。( 例如 IPS021L 數據表中的圖 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(xiàn)性狀態(tài)，所以MOSFET的結溫會(huì )上升。如需要，結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

結溫升： DTj=Pcl*Rth(Tcl時(shí))

注意：

負載電感量 (H)

電壓?jiǎn)挝粸?(V) 和電流單位為 (A)

Rth(為 Tcl) 為對應Tcl時(shí)的瞬態(tài)熱阻抗

(見(jiàn) 數據表中瞬態(tài)熱阻抗時(shí)間曲線(xiàn))

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)的結構。高端IPS器件工作情況一樣。 因為高端開(kāi)關(guān)是在內部參考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)

　　對于低端開(kāi)關(guān),鉗位回路包括了輸入管腳?？梢酝ㄟ^(guò)在輸入管腳上串接電阻來(lái)限制吸入電流。在鉗位期間，如果又有信號輸入，IPS 產(chǎn)品能夠把負載重新開(kāi)通。

4. 以Vcc為參考輸入的高端IPS的保護電路

　　以Vcc 為參考輸入的高端IPS不同于常規的高端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負電壓。

(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(zhù)改變輸入開(kāi)啟電壓，因為此寄生電阻上的電壓相當于給輸入加了一個(gè)電壓反饋。所以必須多花精力在電路板布線(xiàn)上，盡可能減小這些寄生阻抗。

5. 結論

　　這篇設計提示只是想給大家講一下IPS器件的基本特點(diǎn)和保護功能。對於進(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，請參閱設計提示DT99-5。而在設計提示DT99-6中會(huì )深入講解IPS在汽車(chē)應用環(huán)境中的工作情況。