使用控制器保护您的高边开关

在本设计解决方案中，我们回顾了在工厂环境中运行的执行器中使用的高边开关电路的一些具有挑战性的工作条件和常见故障机制。我们提出了一种控制器IC，该IC集成了各种安全功能，以监控电路运行，并在发生这些情况时采取适当措施防止损坏。

介绍

“没有做好准备，你就在准备失败”，这是一句格言，在为现代自动化工厂设计设备时，非常值得牢记，在现代自动化工厂中，失败不是一种选择。由于数十个执行器同时打开和关闭继电器和电磁阀，这些恶劣、嘈杂和苛刻的环境甚至可以将最坚固的组件的性能发挥到极限，即便如此，也需要精心设计的保护电路来确保它们不会超出其安全操作边界。尽管如此，即使是最好的计划也可能出错，意外的过载或未检测到的短路会迅速损坏开关元件，导致代价高昂的生产停机时间。

在本设计解决方案中，我们回顾了高端开关电路的运行情况，并考虑了一些常见的操作和故障条件，如果不及时检测和响应，可能会永久损坏甚至破坏开关和/或其控制器。然后，我们介绍了一种新的控制器IC，它集成了无数的安全和保护功能，使其非常适合在发生这些（或其他）故障情况时为高端开关电路提供最高级别的保护。

什么是高边开关？

打开/关闭接地连接负载的晶体管通常被称为“高端开关”，因为它用于将电流从“高”电压轨（在工业应用中通常为24V）传导到连接到较低电压（通常为0V）的负载。这种类型的布置需要一个在饱和区域工作的n沟道FET（图2）。低电压开/关信号从微控制器发送到开关控制器 IC，然后根据需要提供打开和关闭开关所需的更高栅极电压。这些简单的电路有时也称为“数字输出”，通常用于工业执行器中，以打开/关闭阀门，为电磁阀通电和电机制动。

在某些版本的电路中，例如MAX14915，开关集成在控制器IC中，而在其他方案中，它是外部分立元件。虽然集成是前者的明显吸引力，但后一种方法的优点是，它可以自由选择具有适合特定负载的驱动电流的开关。

图2.简化的高边开关布置。

接下来，我们将考虑工厂环境中可能发生的一些常见操作和故障条件，它们对高端开关电路的潜在影响，以及在发生这些情况时保护电路免受持久损坏的一些方法。

感应电压浪涌

当阀门关闭（或打开，取决于系统的极性）时，开关关闭，流入感性负载（例如电磁阀）的电流突然停止，开始消磁过程。电感器的本质是反对这种效应，从而产生较大的反冲电压，以保持电流流动。这种出现在控制器S端的反冲电压必须限制/箝位在控制器IC的“绝对最大额定值”范围的中间电压，以防止器件S和G端子之间产生的大负电压造成损坏。一种常见的方法是使用瞬态电压抑制（TVS）二极管，将源端子上的电压电平箝位在预定的安全电压电平。选择TVS二极管时，其额定峰值电流应大于正常应用期间流过它的峰值电流。在电压钳位期间，TVS中消耗的峰值功率应在其额定规格范围内（对于最高工作温度）。为了防止损坏，驱动器IC的源极端子也能够承受TVS的最大钳位电压也很重要。

卡住的阀门

有时在工业过程中，阀门可能会暂时卡在阻止其完全打开或关闭的位置。这可能导致发生“过流”情况，即开关驱动器 IC 逐渐增加流向负载的电流以尝试释放阀门。如果阀门突然松开，问题就解决了，开关中流动的电流将迅速恢复正常。但是，如果阀门卡在一个位置，则电流可能会继续增加，超过开关的额定值。如果这种情况持续超过短时间，多余的热量可能会永久损坏甚至损坏交换机。因此，限制可能发生的过电流的大小和持续时间非常重要。

短路

负载和返回端子的短路是最极端的过流情况类型。在这种情况下，电流仅受导通电阻R的限制德森），如果不迅速检测和/或防范，将导致开关烧坏，造成无法弥补的损坏。短路保护与过流情况相同。

过热

如果温度意外升高，例如冷却风扇故障，工业设备的环境运行条件可能会超过最大额定值。在致动器中，这可能会将晶体管开关推到其额定工作温度范围之外。在最好的情况下，这可能会导致性能下降，在最坏的情况下，它可能会导致完全倦怠。持续监测设备环境工作温度非常重要，以便在必要时可以快速关闭。

接线不正确

人类并非万无一失，即使是训练有素的技术人员也会犯错误，尤其是在调试新生产线并使其快速启动和运行的压力下。当面对电线的“老鼠巢”时，技术人员可能犯的最简单，因此最常见的错误之一是将正极连接到负极，反之亦然。高端驱动器电路必须足够鲁棒，以安全地处理这种情况。

电源过电压

虽然 24V DC 是大多数工业设备使用的标称电压电平，但该电压变化很大（由于相邻大电流开关设备中浪涌的交叉污染）的情况并不少见。虽然电源电压的一定程度变化是可以预期的，并且通常是计划好的，但用于产生24V电源轨的电源故障可能导致其大大超过开关和/或控制器的安全工作阈值。防止此事件需要有一些方法来检测电源电压是否超过预设阈值，如果发生这种情况，开关电路可以关闭。

掌控一切

图3所示的高边开关电路具有高边开关控制器IC（MAX14922），提供一系列安全特性来保护整个电路，使其即使在面临最具挑战性的工作和故障条件（如前面考虑的那些）时也可靠、鲁棒。

图3.MAX14922高边开关控制器，带电流限制。

该控制器在S（源）输入端提供快速感性负载关断，这可以通过使用接地连接的高压TVS二极管提供电压钳位来防止-70V（最大值）至V的电压（和ESD）浪涌DD+6V.

当检测电阻器R时，它还能够实现电流限制S连接在 V 之间DD和 SNS 输入终端。最大过电流为I超频= V超频/RS.如果发生过流情况，控制器会采取许多预防措施。首先，在正常电路操作期间为高电平的漏极开路诊断输出（/OVCURR）转换为低电平。如果需要，这可以用作微控制器的标志，以采取适当的操作。然后开关控制器开始调整 V一般事务人员的开关，以在固定的“消隐时间”内主动调节电流（由 T 上的电容器值设置）空白输入）。如果过流情况持续超过“消隐时间”，则控制器将关闭开关以保护。在大约 50 个“消隐时间”间隔（即 10ms）的关断延迟后，开关再次自动打开。自动重试开/关循环将继续，直到技术人员消除过流的原因。在消除过流条件之前，/OVCURR输出保持低电平。

例如，在图4中，一个1nF电容将“消隐时间”间隔设置为200μs。

图4.调节在“消隐时间”间隔期间进行。

在大约 50 个“消隐时间”间隔（或 10ms）的关断延迟后，开关再次自动开启（图 5），并且此“自动重试”循环无限期重复，直到故障得到解决。

图5.消隐时间和过流条件下的自动重试。

发生短路时，控制器关闭开关约 5μs，然后以受控速率重新导通，以便短路负载电流由检测电阻值确定（图 6）。类似地，对于过流条件，调节相位和自动重试间隔由 C 的值确定空白电容器。

图6.短路检测和干预。

该 IC 的另一个优点是包括集成温度监控和保护关断功能。集成温度传感器在 110°C（典型值）时发出热警告信号。发生这种情况时，/THW逻辑输出变为低电平，指示过热事件，尽管器件继续正常工作。如果温度降低10°C，则/THW逻辑输出返回高电平。但是，如果温度继续上升到150°C以上，则无论IN输入（来自微控制器）的状态如何，控制器都会进入关断模式。在关断模式下，G 输出关闭，强制开关完全关闭。当温度降低 10°C 时，一旦温度降至 110°C 以下，器件将恢复正常工作，/THW 输出变为低电平。

电源过压检测是该控制器的另一个有用的安全功能。如果 VDD超过过压门限（+39V）时，低电平OV输出变为低电平有效。这不会影响继续正常运行的开关控制器（并且将继续对 V 执行DD高达 70V），但/OV输出充当微控制器的标志，指示电源电压高于系统设计范围。对于某些应用，该信号可用于对来自系统微控制器的信号进行选通，以防止在发生过压情况时IN变为高电平。为了进一步提高鲁棒性，该器件提供了针对电源电压接线误接线的集成保护。

除了该IC的安全特性外，它还包括一个内部电荷泵，为开关栅极提供更高的驱动电流。这可确保其完全饱和，导通电阻最小（R德森).这减少了 I2R功率耗散（以及相关的发热），如果电路安装在小型外壳中并允许高达50KHz的开关速率，则不希望出现这种情况。方便的是，该开关控制器IC还包括一个板载5V LDO稳压器，能够在需要时向外部电路提供高达50mA的电流。

总结

乍一看，工业高端开关似乎是一个相对简单的电路。然而，当面临在恶劣的工厂环境中操作的任务时，它可能会以多种方式失败，并可能导致代价高昂的生产停机时间。在此设计解决方案中，我们考虑了高端开关可能遇到的许多具有挑战性的工作和故障条件中的一些。然后，我们展示了一款新型高边开关控制器IC，该IC具有多种诊断和安全功能，使这些电路在工厂车间运行时具有无与伦比的鲁棒性。该器件采用 3mm x 3mm 16-TQFN 封装，非常适合与多种 n 沟道 FET 器件配合使用，适用于需要 1A 至 10A 电流的继电器/电磁阀和电机制动应用。

审核编辑：郭婷