車載照明系統(tǒng)要求高達(dá) 55A 的峰值浪涌電流。在傳統(tǒng)方法中,使用繼電器和保險(xiǎn)絲來(lái)開關(guān)和限制功率輸出電流是不可預(yù)知的,也是不可靠的。將一個(gè)高壓側(cè)前置 FET 驅(qū)動(dòng)器和功率FET組合是一種控制車載照明的最理想的解決方案。
一支白熾燈泡中鎢絲的電阻可隨著溫度的變化產(chǎn)生超過(guò) 1:10 比率的變化。為了防止元件過(guò)熱,以及長(zhǎng)時(shí)間使用而造成的元件性能下降,一款具有可編程短路和過(guò)電流調(diào)節(jié)的電子開關(guān)就顯得極為有用。一旦檢測(cè)到有過(guò)電流情況發(fā)生,標(biāo)準(zhǔn)及自恢復(fù) (re-settable) 保險(xiǎn)絲就會(huì)中斷負(fù)載電源,并且可能會(huì)用一個(gè)長(zhǎng)短不定的時(shí)間來(lái)進(jìn)行復(fù)位。與此不同的是,可以對(duì)一個(gè)電子開關(guān)進(jìn)行編程來(lái)更具預(yù)見性地做出反應(yīng)。
基于保險(xiǎn)絲的系統(tǒng)只能被設(shè)置到一個(gè)明確的復(fù)位值,并且無(wú)法像電子解決方案一樣能夠容納 10:1 電流比率。可以對(duì)電子開關(guān)進(jìn)行編程,以在發(fā)生過(guò)電流情況的事件中進(jìn)行周期性的自動(dòng)重試,或者檢查故障是否已被排除。同時(shí),對(duì)故障的性質(zhì)進(jìn)行監(jiān)控、檢測(cè)以及報(bào)告有助于輕松地弄清楚系統(tǒng)存在的問(wèn)題。
多通道前置 FET 驅(qū)動(dòng)器和外部功率 FET 概念提供了系統(tǒng)靈活性,用于優(yōu)化負(fù)載控制功耗和成本。與一個(gè)全面集成的解決方案相比,獨(dú)立地選擇功耗和不同 FET 電阻有助于防止由于單通道故障帶來(lái)的交互作用和系統(tǒng)故障。
前置 FET 驅(qū)動(dòng)器功率開關(guān)組合允許系統(tǒng)對(duì) FET 開關(guān)特性進(jìn)行控制,并且在柵極驅(qū)動(dòng)輸出上使用外部 RC 組件時(shí)處理所有電磁干擾 (EMI) 問(wèn)題。
負(fù)載控制前置 FET 驅(qū)動(dòng)器和 N-通道功率 FET 組合
一個(gè)前置 FET 驅(qū)動(dòng)器(例如:TI 推出的 TPIC44H01)被用來(lái)控制系統(tǒng)中的四種不同負(fù)載。這種組合能夠通過(guò)溫度系數(shù)較好地控制阻性負(fù)載。通常,負(fù)載被連接在低壓側(cè),而功率 FET 則在高壓側(cè)完成配置,以為負(fù)載供電。每一條通道都可以由一個(gè)來(lái)自微控制器的并行輸入信號(hào)或串行編程寄存器來(lái)控制。在一個(gè)并行結(jié)構(gòu)中,一個(gè)通用 I/O 或基于定時(shí)器的輸出被用來(lái)控制負(fù)載電流。
柵極驅(qū)動(dòng)輸出通常為一個(gè)恒定電流源,并且吸入輸出端來(lái)控制 FET 柵極電容充電和放電特性。與輸出串聯(lián)的一個(gè)外部電阻器限制了 FET 開關(guān)轉(zhuǎn)換的升降次數(shù)。這種效應(yīng)使轉(zhuǎn)換率得到了控制,同時(shí)還可有助于減少會(huì)增加電磁干擾(增加開關(guān)損耗和功耗)的開關(guān)極限期間出現(xiàn)的快速電流變化。這些輸出在內(nèi)部被控制在 17V 的最大輸出電壓以下,以保護(hù)外部 FET 柵極免于源擊穿損壞。與一款集成的解決方案相比較,可以對(duì)前置 FET 驅(qū)動(dòng)器和功率 FET 的組合進(jìn)行配置,以防止應(yīng)用中的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)故障。
浪涌電流的動(dòng)態(tài)故障閾值
白熾燈的發(fā)光照明要求有一個(gè)動(dòng)態(tài)故障閾值來(lái)對(duì)高浪涌電流進(jìn)行補(bǔ)償,并防止在開啟之初錯(cuò)誤地觸發(fā)過(guò)電流條件。一個(gè)帶有開關(guān)的 RC 網(wǎng)絡(luò)的使用可以設(shè)置該動(dòng)態(tài)故障的閾值(參見圖1)。通過(guò)使用這種方法,可以針對(duì)不同的白熾燈泡對(duì)短路電流進(jìn)行優(yōu)化。在最初的過(guò)電流閾值被設(shè)置時(shí)設(shè)置 VPEAK 電壓,然后當(dāng)在 VCOMP 終端上設(shè)置的電阻器分壓器值為恒定不變的 RC 時(shí)間常數(shù)時(shí)進(jìn)行衰減。每當(dāng)柵極從“關(guān)閉”狀態(tài)轉(zhuǎn)到“開啟”狀態(tài)時(shí),便通過(guò)一個(gè)適當(dāng)通道的并行或串行輸入比特產(chǎn)生這種可變過(guò)電流閾值的波形。
圖1
當(dāng)該特定通道處于“關(guān)閉”狀態(tài)時(shí),經(jīng)過(guò)編程的 VPEAK(X) 值被反映在 VCOMP(X) 上。如果一個(gè)特定通道被開啟,那么過(guò)電流檢測(cè)的參考電壓就為動(dòng)態(tài),并且用內(nèi)部 VPEAK 設(shè)置和VCOMP(X) 終端外部組件值表示。
根據(jù)時(shí)間的變化對(duì)一個(gè)以電壓形式表示的過(guò)流故障閾值進(jìn)行調(diào)節(jié),以對(duì)燈泡燈絲電阻的變化進(jìn)行補(bǔ)償(如圖2所示)。
圖2
故障檢測(cè)和保護(hù)
在所有的系統(tǒng)中,對(duì)于負(fù)載保護(hù)而言,故障檢測(cè)都是至關(guān)重要的。能夠獨(dú)立地對(duì) “開啟”狀態(tài)下有短路負(fù)載和過(guò)電流現(xiàn)象以及“關(guān)閉”狀態(tài)下有開路負(fù)載的每一條通道進(jìn)行故障檢測(cè),將使系統(tǒng)能夠做出正確的反應(yīng)。這種檢測(cè)同時(shí)還可以將出現(xiàn)故障的通道隔離開,以避免影響其它正常通道,特別是在涉及熱相互作用問(wèn)題的時(shí)候。
“開啟”狀態(tài)故障
為了檢測(cè)每一條通道的短路負(fù)載,監(jiān)控外部功率 FET 電源電壓可確保開關(guān)何時(shí)被完全“開啟”,以及何時(shí)將電壓設(shè)置為幾個(gè)正電壓(一般為 5V)。如果該短路負(fù)載發(fā)生在開關(guān)轉(zhuǎn)換以后,那么在系統(tǒng)做出正確反應(yīng)(包括“關(guān)閉”FET 以使其不超出安全工作區(qū)參數(shù))以前,故障的確定有效持續(xù)時(shí)間比故障掩模時(shí)間要長(zhǎng)。為了防止出現(xiàn)開關(guān)轉(zhuǎn)換期間的錯(cuò)誤故障報(bào)告,一種抗尖峰脈沖 (de-glitch) 濾波器在耗盡轉(zhuǎn)換時(shí)間時(shí)被激活,以屏蔽故障。可以對(duì)該抗尖峰脈沖屏蔽時(shí)間進(jìn)行編程來(lái)對(duì)所有轉(zhuǎn)換率控制實(shí)施進(jìn)行補(bǔ)償。
當(dāng)一個(gè)外部引腳上的漏-源電壓超出一個(gè)編程電壓電平時(shí),過(guò)電流故障監(jiān)控和報(bào)告就會(huì)被標(biāo)記出來(lái)。這種方法要求 FET 電阻處在“開啟”狀態(tài)中,并且要求所有負(fù)載電流產(chǎn)生該漏-源電壓。在一個(gè)被稱為故障屏蔽定時(shí)器的編程期間,這種故障的檢測(cè)被屏蔽起來(lái)。如果在比屏蔽定時(shí)器更長(zhǎng)的時(shí)間里,故障一直都存在,那么將報(bào)告過(guò)電流故障,并且采取正確的動(dòng)作來(lái)“關(guān)閉”該 FET。這種協(xié)議 (arrangement) 可防止 FET 超出器件的最高建議結(jié)溫。
當(dāng)檢測(cè)到一個(gè)過(guò)電流狀態(tài)時(shí),通過(guò)“關(guān)閉”器件或激活將以低占空比自動(dòng)重試和 “開啟”FET 的選項(xiàng)設(shè)置,就可以對(duì) FET 進(jìn)行保護(hù)。這樣就允許系統(tǒng)不斷地檢查故障是否已經(jīng)被排除,并且不會(huì)破壞 FET。圖3顯示了這種過(guò)電流檢測(cè)保護(hù)的原理圖。
圖3
“關(guān)閉”狀態(tài)故障
在“關(guān)閉”狀態(tài)下監(jiān)控開路負(fù)載故障為系統(tǒng)提供了負(fù)載完整性信息。當(dāng)開關(guān)完全處于“關(guān)閉”狀態(tài)下時(shí),通過(guò)監(jiān)控外部功率 FET 的電源電壓,就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)每一條通道開路負(fù)載故障的檢測(cè)。一個(gè)內(nèi)部電源激活一個(gè)流經(jīng)負(fù)載到接地的小恒定電流,并且使開路負(fù)載檢測(cè)閾值以下的 SRCx 節(jié)點(diǎn)發(fā)生偏置。
如果檢測(cè)到一個(gè)開路負(fù)載或高阻抗,那么小恒定電流將使開路負(fù)載檢測(cè)閾值以上的 SRCx 節(jié)點(diǎn)發(fā)生偏置,進(jìn)而檢測(cè)到故障(見圖4)。
圖4
同樣地,為了防止開關(guān)轉(zhuǎn)換期間出現(xiàn)錯(cuò)誤的故障報(bào)告,一種抗尖峰脈沖濾波器在電源轉(zhuǎn)換期間被激活,以屏蔽故障。可以對(duì)該抗尖峰脈沖屏蔽時(shí)間進(jìn)行編程來(lái)對(duì)所有轉(zhuǎn)換率控制實(shí)施進(jìn)行補(bǔ)償。如果該開路負(fù)載發(fā)生在開關(guān)轉(zhuǎn)換以后,那么在系統(tǒng)做出正確的動(dòng)作以前故障的確定有效時(shí)間比故障掩模時(shí)間要長(zhǎng)。正確的動(dòng)作就是使該場(chǎng)效應(yīng)晶體管保持在“關(guān)閉”狀態(tài)下。
在所有系統(tǒng)中,監(jiān)控電源線的過(guò)壓狀態(tài)以及“關(guān)閉”場(chǎng)效應(yīng)晶體管來(lái)防止對(duì)負(fù)載和 FET 可能造成的破壞是很重要的(見圖5)。
圖5
前置 FET 驅(qū)動(dòng)器和功率 FET 的組合可用來(lái)驅(qū)動(dòng)螺線管負(fù)載。如果在柵極被“關(guān)閉”的情況下沒(méi)有實(shí)施外部保護(hù),就可能會(huì)出現(xiàn)對(duì)功率 FET 的損壞。通過(guò)再循環(huán)螺線管能量以及在負(fù)載中安裝整流器,可以對(duì) FET 實(shí)施保護(hù)。但是,這樣做可能會(huì)占用一些時(shí)間衰減負(fù)載能量,因此在快速脈寬調(diào)制 (PWM) 操作中不建議采用這種方法。
對(duì)于快速“關(guān)閉”而言,“主動(dòng)”地“開啟”功率 FET 要求實(shí)施一個(gè)有源鉗位。這樣就可以消耗掉存儲(chǔ)的能量,并且在不到一毫秒的時(shí)間內(nèi)迅速地將數(shù)瓦特的功率添加到該 FET。另外一種方法是,可以將外部功率 FET 的雪崩擊穿用于在“關(guān)閉”以后慢慢消耗能量,但是對(duì)于高頻率脈寬調(diào)制 (PWM) 操作而言,不建議采用這種方法。
結(jié)論
高壓側(cè)前置場(chǎng) FET 驅(qū)動(dòng)器和功率 FET 組合被廣泛地用于負(fù)載控制,例如:車載電子的白熾燈泡、繼電器螺線管和傳輸螺線管等。這種組合還可能被應(yīng)用于那些要求通過(guò)串行總線通信或者并行輸入控制來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)載控制的工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用中。將每一個(gè)功率 FET 與熱相互作用隔離的這種能力,在那些單通道短路或者熱關(guān)閉故障不會(huì)中斷其它負(fù)載控制通道功能的情況下是非常有好處的。
作者:Sanmukh Patel
德州儀器公司
