【導讀】在(zai)本(ben)設(she)計(ji)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)中(zhong)，我(wo)們(men)回(hui)顧(gu)了(le)在(zai)工(gong)廠(chang)環(huan)境(jing)中(zhong)運(yun)行(xing)的(de)執(zhi)行(xing)器(qi)中(zhong)使(shi)用(yong)的(de)高(gao)邊(bian)開(kai)關(guan)電(dian)路(lu)的(de)一(yi)些(xie)具(ju)有(you)挑(tiao)戰(zhan)性(xing)的(de)工(gong)作(zuo)條(tiao)件(jian)和(he)常(chang)見(jian)故(gu)障(zhang)機(ji)製(zhi)。我(wo)們(men)提(ti)出(chu)了(le)一(yi)種(zhong)控(kong)製(zhi)器(qi)IC


，該IC集成了各種安全功能，以監控電路運行，並在發生這些情況時采取適當措施防止損壞。

在(zai)本(ben)設(she)計(ji)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)中(zhong)，我(wo)們(men)回(hui)顧(gu)了(le)在(zai)工(gong)廠(chang)環(huan)境(jing)中(zhong)運(yun)行(xing)的(de)執(zhi)行(xing)器(qi)中(zhong)使(shi)用(yong)的(de)高(gao)邊(bian)開(kai)關(guan)電(dian)路(lu)的(de)一(yi)些(xie)具(ju)有(you)挑(tiao)戰(zhan)性(xing)的(de)工(gong)作(zuo)條(tiao)件(jian)和(he)常(chang)見(jian)故(gu)障(zhang)機(ji)製(zhi)。我(wo)們(men)提(ti)出(chu)了(le)一(yi)種(zhong)控(kong)製(zhi)器(qi)IC，該IC集成了各種安全功能
，以監控電路運行，並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(zhe)是(shi)一(yi)句(ju)格(ge)言(yan)
，在(zai)為(wei)現(xian)代(dai)自(zi)動(dong)化(hua)工(gong)廠(chang)設(she)計(ji)設(she)備(bei)時(shi)
，非(fei)常(chang)值(zhi)得(de)牢(lao)記(ji)
，在(zai)現(xian)代(dai)自(zi)動(dong)化(hua)工(gong)廠(chang)中(zhong)，失(shi)敗(bai)不(bu)是(shi)一(yi)種(zhong)選(xuan)擇(ze)。由(you)於(yu)數(shu)十(shi)個(ge)執(zhi)行(xing)器(qi)同(tong)時(shi)打(da)開(kai)和(he)關(guan)閉(bi)繼(ji)電(dian)器(qi)和(he)電(dian)磁(ci)閥(fa)，這(zhe)些(xie)惡(e)劣(lie)
、嘈(cao)雜(za)和(he)苛(ke)刻(ke)的(de)環(huan)境(jing)甚(shen)至(zhi)可(ke)以(yi)將(jiang)最(zui)堅(jian)固(gu)的(de)組(zu)件(jian)的(de)性(xing)能(neng)發(fa)揮(hui)到(dao)極(ji)限(xian)，即(ji)便(bian)如(ru)此(ci)，也(ye)需(xu)要(yao)精(jing)心(xin)設(she)計(ji)的(de)保(bao)護(hu)電(dian)路(lu)來(lai)確(que)保(bao)它(ta)們(men)不(bu)會(hui)超(chao)出(chu)其(qi)安(an)全(quan)操(cao)作(zuo)邊(bian)界(jie)。盡(jin)管(guan)如(ru)此(ci)，即(ji)使(shi)是(shi)最(zui)好(hao)的(de)計(ji)劃(hua)也(ye)可(ke)能(neng)出(chu)錯(cuo)，意(yi)外(wai)的(de)過(guo)載(zai)或(huo)未(wei)檢(jian)測(ce)到(dao)的(de)短(duan)路(lu)會(hui)迅(xun)速(su)損(sun)壞(huai)開(kai)關(guan)元(yuan)件(jian)
，導(dao)致(zhi)代(dai)價(jia)高(gao)昂(ang)的(de)生(sheng)產(chan)停(ting)機(ji)時(shi)間(jian)。

在(zai)本(ben)設(she)計(ji)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)中(zhong)，我(wo)們(men)回(hui)顧(gu)了(le)高(gao)端(duan)開(kai)關(guan)電(dian)路(lu)的(de)運(yun)行(xing)情(qing)況(kuang)，並(bing)考(kao)慮(lv)了(le)一(yi)些(xie)常(chang)見(jian)的(de)操(cao)作(zuo)和(he)故(gu)障(zhang)條(tiao)件(jian)，如(ru)果(guo)不(bu)及(ji)時(shi)檢(jian)測(ce)和(he)響(xiang)應(ying)
，可(ke)能(neng)會(hui)永(yong)久(jiu)損(sun)壞(huai)甚(shen)至(zhi)破(po)壞(huai)開(kai)關(guan)和(he)/或其控製器。然後，我們介紹了一種新的控製器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。

什麼是高邊開關
？

打開/關閉接地連接負載的晶體管通常被稱為“高端開關”
，因為它用於將電流從“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/關信號從微控製器發送到開關控製器 IC，然後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”，通常用於工業執行器中，以打開/關閉閥門，為電磁閥通電和電機製動。

在某些版本的電路中，例如MAX14915，開關集成在控製器IC中zhong
，而er在zai其qi他ta方fang案an中zhong
，它ta是shi外wai部bu分fen立li元yuan件jian。雖sui然ran集ji成cheng是shi前qian者zhe的de明ming顯xian吸xi引yin力li，但dan後hou一yi種zhong方fang法fa的de優you點dian是shi，它ta可ke以yi自zi由you選xuan擇ze具ju有you適shi合he特te定ding負fu載zai的de驅qu動dong電dian流liu的de開kai關guan。

圖2.簡化的高邊開關布置。

jiexialai
，womenjiangkaolvgongchanghuanjingzhongkenengfashengdeyixiechangjiancaozuoheguzhangtiaojian，tamenduigaoduankaiguandianludeqianzaiyingxiang，yijizaifashengzhexieqingkuangshibaohudianlumianshouchijiusunhuaideyixiefangfa。

感應電壓浪湧

當閥門關閉（或打開
，取決於係統的極性）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，從而產生較大的反衝電壓，以保持電流流動。這種出現在控製器S端的反衝電壓必須限製/箝位在控製器IC的“絕對最大額定值”範圍的中間電壓，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製（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於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範圍內（對於最高工作溫度）。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zhu漸jian增zeng加jia流liu向xiang負fu載zai的de電dian流liu以yi嚐chang試shi釋shi放fang閥fa門men。如ru果guo閥fa門men突tu然ran鬆song開kai，問wen題ti就jiu解jie決jue了le，開kai關guan中zhong流liu動dong的de電dian流liu將jiang迅xun速su恢hui複fu正zheng常chang。但dan是shi，如ru果guo閥fa門men卡ka在zai一yi個ge位wei置zhi，則ze電dian流liu可ke能neng會hui繼ji續xu增zeng加jia
，超chao過guo開kai關guan的de額e定ding值zhi。如ru果guo這zhe種zhong情qing況kuang持chi續xu超chao過guo短duan時shi間jian

，多duo餘yu的de熱re量liang可ke能neng會hui永yong久jiu損sun壞huai甚shen至zhi損sun壞huai交jiao換huan機ji。因yin此ci，限xian製zhi可ke能neng發fa生sheng的de過guo電dian流liu的de大da小xiao和he持chi續xu時shi間jian非fei常chang重zhong要yao。

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的限製德森），如果不迅速檢測和/或防範，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(ru)果(guo)溫(wen)度(du)意(yi)外(wai)升(sheng)高(gao)，例(li)如(ru)冷(leng)卻(que)風(feng)扇(shan)故(gu)障(zhang)
，工(gong)業(ye)設(she)備(bei)的(de)環(huan)境(jing)運(yun)行(xing)條(tiao)件(jian)可(ke)能(neng)會(hui)超(chao)過(guo)最(zui)大(da)額(e)定(ding)值(zhi)。在(zai)致(zhi)動(dong)器(qi)中(zhong)
，這(zhe)可(ke)能(neng)會(hui)將(jiang)晶(jing)體(ti)管(guan)開(kai)關(guan)推(tui)到(dao)其(qi)額(e)定(ding)工(gong)作(zuo)溫(wen)度(du)範(fan)圍(wei)之(zhi)外(wai)。在(zai)最(zui)好(hao)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)
，這(zhe)可(ke)能(neng)會(hui)導(dao)致(zhi)性(xing)能(neng)下(xia)降(jiang)，在(zai)最(zui)壞(huai)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)
，它(ta)可(ke)能(neng)會(hui)導(dao)致(zhi)完(wan)全(quan)倦(juan)怠(dai)。持(chi)續(xu)監(jian)測(ce)設(she)備(bei)環(huan)境(jing)工(gong)作(zuo)溫(wen)度(du)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)，以(yi)便(bian)在(zai)必(bi)要(yao)時(shi)可(ke)以(yi)快(kuai)速(su)關(guan)閉(bi)。

接線不正確

人類並非萬無一失，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並使其快速啟動和運行的壓力下。當麵對電線的“老鼠巢”時(shi)，技(ji)術(shu)人(ren)員(yuan)可(ke)能(neng)犯(fan)的(de)最(zui)簡(jian)單(dan)，因(yin)此(ci)最(zui)常(chang)見(jian)的(de)錯(cuo)誤(wu)之(zhi)一(yi)是(shi)將(jiang)正(zheng)極(ji)連(lian)接(jie)到(dao)負(fu)極(ji)，反(fan)之(zhi)亦(yi)然(ran)。高(gao)端(duan)驅(qu)動(dong)器(qi)電(dian)路(lu)必(bi)須(xu)足(zu)夠(gou)魯(lu)棒(bang)
，以(yi)安(an)全(quan)地(di)處(chu)理(li)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)。

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（由於相鄰大電流開關設備中浪湧的交叉汙染）的情況並不少見。雖然電源電壓的一定程度變化是可以預期的，並且通常是計劃好的，但用於產生24V電源軌的電源故障可能導致其大大超過開關和/或控製器的安全工作閾值。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製器IC（MAX14922）

，提供一係列安全特性來保護整個電路，使其即使在麵臨最具挑戰性的工作和故障條件（如前麵考慮的那些）時也可靠
、魯棒。

圖3.MAX14922高邊開關控製器，帶電流限製。

該控製器在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）浪湧DD+6V.

當檢測電阻器R時
，它還能夠實現電流限製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，控製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，這可以用作微控製器的標誌，以采取適當的操作。然後開關控製器開始調整 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”，則控製器將關閉開關以保護。在大約 50 個“消隱時間”間隔（即 10ms）的關斷延遲後，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）的關斷延遲後
，開關再次自動開啟（圖 5），並且此“自動重試”循環無限期重複，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，控製器關閉開關約 5μs，然後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，對於過流條件，調節相位和自動重試間隔由 C 的值確定空白電容器。

圖6.短路檢測和幹預。

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（來自微控製器）的狀態如何
，控製器都會進入關斷模式。在關斷模式下
，G 輸出關閉
，強製開關完全關閉。當溫度降低 10°C 時，一旦溫度降至 110°C 以下，器件將恢複正常工作，/THW 輸出變為低電平。

電源過壓檢測是該控製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製器（並且將繼續對 V 執行DD高達 70V）
，但/OV輸shu出chu充chong當dang微wei控kong製zhi器qi的de標biao誌zhi
，指zhi示shi電dian源yuan電dian壓ya高gao於yu係xi統tong設she計ji範fan圍wei。對dui於yu某mou些xie應ying用yong，該gai信xin號hao可ke用yong於yu對dui來lai自zi係xi統tong微wei控kong製zhi器qi的de信xin號hao進jin行xing選xuan通tong，以yi防fang止zhi在zai發fa生sheng過guo壓ya情qing況kuang時shiIN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並允許高達50KHz的開關速率，則不希望出現這種情況。方便的是，該開關控製器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

zhayikan
，gongyegaoduankaiguansihushiyigexiangduijiandandedianlu。raner，dangmianlinzaieliedegongchanghuanjingzhongcaozuoderenwushi，takenenghuiyiduozhongfangshishibai
，bingkenengdaozhidaijiagaoangdeshengchantingjishijian。zaicishejijiejuefanganzhong，womenkaolvlegaoduankaiguankenengyudaodexuduojuyoutiaozhanxingdegongzuoheguzhangtiaojianzhongdeyixie。ranhou，womenzhanshileyikuanxinxinggaobiankaiguankongzhiqiIC，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，適用於需要 1A 至 10A 電流的繼電器/電磁閥和電機製動應用。

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