1 引言

通常，在許多系統(tǒng)中，中央模塊以多種不同的形式為非板載負(fù)載供電。在中央模塊為汽車(chē)前照燈供電、PLC 系統(tǒng)為機(jī)械臂供電以及家用電器為前面板上的指示燈供電等情況下，都是如此。必須驅(qū)動(dòng)非板載負(fù)載的情況在絕大多數(shù)電氣系統(tǒng)中都很常見(jiàn)，這給系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了挑戰(zhàn)。雖然提供足夠的直流電源來(lái)滿足系統(tǒng)要求會(huì)很簡(jiǎn)單，但考慮到要確保針對(duì)短路和開(kāi)路的穩(wěn)健保護(hù)、提供故障指示、快速為負(fù)載供電以及實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)，面臨的難度則大大提高?，F(xiàn)在的設(shè)計(jì)對(duì)這些附加特性的需求越來(lái)越多，因此工程師需要選擇支持這種功能的輸出拓?fù)?。?shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的有效方法是使用智能高側(cè)開(kāi)關(guān)，因?yàn)樗軌蚩煽康仳?qū)動(dòng)非板載負(fù)載并支持多種診斷機(jī)制和故障預(yù)防機(jī)制。

并非所有的非板載負(fù)載都是相同的。對(duì)于每種負(fù)載曲線，智能高側(cè)開(kāi)關(guān)的作用不同，需要考慮不同的因素來(lái)確保提供強(qiáng)大的保護(hù)。無(wú)論負(fù)載是電阻性、電容性、電感性還是不完全屬于這些類別之一（例如 LED），都將改變負(fù)載的驅(qū)動(dòng)方式和設(shè)計(jì)方式。為了實(shí)現(xiàn)合理的輸出功率保護(hù)，設(shè)計(jì)人員需要了解預(yù)期的負(fù)載曲線，然后了解這種負(fù)載曲線如何影響輸出級(jí)設(shè)計(jì)。本文檔將分析一些常見(jiàn)的負(fù)載曲線，并探討有關(guān)這些負(fù)載的具體挑戰(zhàn)和注意事項(xiàng)。

本文檔中將研究的負(fù)載曲線包括：

1. 節(jié) 2：驅(qū)動(dòng)電阻性負(fù)載

2. 節(jié) 3：驅(qū)動(dòng)電容性負(fù)載

3. 節(jié) 4：驅(qū)動(dòng)電感性負(fù)載

4. 節(jié) 5：驅(qū)動(dòng) LED 負(fù)載

對(duì)于這些負(fù)載類型中的每一種，本文檔將提供一些包含給定負(fù)載曲線的示例應(yīng)用，討論為什么智能高側(cè)開(kāi)關(guān)與傳統(tǒng)分立式解決方案相比具有優(yōu)勢(shì)，深入探討該負(fù)載類型特有的技術(shù)挑戰(zhàn)，然后介紹如何根據(jù)給定應(yīng)用選擇合適的智能高側(cè)開(kāi)關(guān)。

正確而透徹地理解負(fù)載曲線對(duì)輸出功率級(jí)的影響，有助于顯著提高系統(tǒng)的功能性和可靠性。隨著設(shè)計(jì)不斷變得更加智能和強(qiáng)大，這種理解對(duì)所有設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)都至關(guān)重要。

2 驅(qū)動(dòng)電阻性負(fù)載

2.1 背景

電阻性負(fù)載是最簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)負(fù)載，因?yàn)榇祟愗?fù)載遵循歐姆定律。

(1)之所以說(shuō)簡(jiǎn)單，是因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員知曉電壓（汽車(chē)電池通常為 13.5V）和負(fù)載電阻（用歐姆表進(jìn)行測(cè)量）。通過(guò)這兩個(gè)參數(shù)，他們可計(jì)算出將通過(guò)電路的最大電流。了解這一信息是選擇合適的器件來(lái)驅(qū)動(dòng)該負(fù)載的第一步，因?yàn)槊總€(gè)高側(cè)開(kāi)關(guān)都有一個(gè)相關(guān)的導(dǎo)通電阻，可限制允許通過(guò)器件而不觸發(fā)熱關(guān)斷的標(biāo)稱電流量。在典型應(yīng)用中，需要改變通過(guò)負(fù)載的電流以提供預(yù)期的輸出。同樣重要的是諸如電流感測(cè)之類的特性，這些特性旨在將實(shí)際通過(guò)負(fù)載的電流與微控制器相關(guān)聯(lián)。若要改變通過(guò)負(fù)載的電流，最基本方法是對(duì)使能引腳進(jìn)行脈寬調(diào)制 (PWM)。這種方法提升了熱計(jì)算的復(fù)雜性。

在本部分中，我們將研究電阻性負(fù)載的應(yīng)用，并展示在驅(qū)動(dòng)這些負(fù)載時(shí)可以使用哪些相關(guān)特性。我們還將了解 TI的智能高側(cè)開(kāi)關(guān)的功能集如何與負(fù)載要求充分契合。最后，為了選出適用的高側(cè)開(kāi)關(guān)，我們必須學(xué)習(xí)如何計(jì)算開(kāi)關(guān)的功率損耗并將該數(shù)據(jù)與結(jié)溫相關(guān)聯(lián)，并適當(dāng)設(shè)置電流限制，以便高側(cè)開(kāi)關(guān)能夠正確驅(qū)動(dòng)電阻性負(fù)載。

2.2 應(yīng)用示例

車(chē)輛中常見(jiàn)的電阻性負(fù)載是座椅加熱器。電流流過(guò)時(shí)，座椅內(nèi)放置的長(zhǎng)線圈會(huì)發(fā)熱。該電流會(huì)受到控制以確保產(chǎn)生適度的熱量。此處提供了針對(duì)這種應(yīng)用的一個(gè)參考設(shè)計(jì)：適用于座椅加熱器的智能電源開(kāi)關(guān)參考設(shè)計(jì)。

圖 2-1. 座椅加熱器-電阻性負(fù)載應(yīng)用

在座椅加熱應(yīng)用中，設(shè)置座椅溫度時(shí)需要執(zhí)行單獨(dú)的溫度設(shè)置步驟。所有配備此功能的車(chē)輛都允許用戶根據(jù)需要選擇適合的溫度范圍?？梢酝茢?，溫度與流經(jīng)負(fù)載的電流直接相關(guān)，因此為了調(diào)節(jié)溫度，電流必須按比例變化。

為此，控制高側(cè)開(kāi)關(guān)的微控制器將對(duì)使能引腳進(jìn)行脈寬調(diào)制 (PWM)。這會(huì)快速導(dǎo)通和關(guān)斷器件，從而提供有效電流，可根據(jù)占空比 D 利用方程式 3 計(jì)算出該電流。對(duì)使能引腳進(jìn)行 PWM 處理時(shí)，導(dǎo)通和關(guān)斷器件會(huì)產(chǎn)生相關(guān)的功率損耗。有關(guān)該開(kāi)關(guān)損耗以及其他功率計(jì)算的說(shuō)明，請(qǐng)參閱節(jié) 2.4.2。

微控制器還需要測(cè)量通過(guò)高側(cè)開(kāi)關(guān)的電流，以便了解座椅當(dāng)前的溫度。這意味著高側(cè)開(kāi)關(guān)的電流檢測(cè)輸出需要準(zhǔn)確，這樣才能知曉準(zhǔn)確的溫度。這種精確的電流檢測(cè)將在節(jié) 2.3.1 中加以討論。

以上是座椅加熱器負(fù)載的示例，但現(xiàn)實(shí)中有許多不同的電阻性負(fù)載，例如白熾燈和工業(yè)加熱器。這些負(fù)載中的每一個(gè)都需要不同的電流電平，因此短路保護(hù)級(jí)別也會(huì)有所不同。此保護(hù)級(jí)別需要足夠高以確保標(biāo)稱電流可通過(guò)，但又要足夠低以確保不會(huì)對(duì)系統(tǒng)本身造成損害。

2.3 為何使用智能高側(cè)開(kāi)關(guān)？

雖然驅(qū)動(dòng)電阻性負(fù)載的基本原理很簡(jiǎn)單，但出于幾方面的考慮，使用智能高側(cè)開(kāi)關(guān)成為最佳選擇。使智能高側(cè)開(kāi)關(guān)脫穎而出的兩個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是其具備精確的電流感測(cè)和電流限值可調(diào)節(jié)的特性。

2.3.1 精確的電流檢測(cè)

大多數(shù)智能高側(cè)開(kāi)關(guān)都具有被稱為“電流感測(cè)”的功能，將測(cè)量通過(guò)開(kāi)關(guān)的電流。本部分將介紹該功能，以及在智能高側(cè)開(kāi)關(guān)中集成該功能優(yōu)于單獨(dú)測(cè)量電流的原因。

如應(yīng)用部分所述，流過(guò)開(kāi)關(guān)的電流將與負(fù)載中的溫度成正比。這意味著，為了在閉環(huán)電路中監(jiān)測(cè)電流并將電流調(diào)整回來(lái)，電流測(cè)量的誤差需要非常低。通常，如果設(shè)計(jì)人員想要使用負(fù)載開(kāi)關(guān)，他們將不得不引入一個(gè)分立式電路或更多組件來(lái)正確測(cè)量電流并使電流中繼回中央微控制器。

就電流測(cè)量而言，有許多不同因素會(huì)導(dǎo)致實(shí)際系統(tǒng)中存在誤差。測(cè)量電流的分立式解決方案是使用檢測(cè)電阻，并通過(guò)四個(gè)電阻器和一個(gè)運(yùn)算放大器組成一個(gè)差分放大器。在此配置中，系統(tǒng)中的每個(gè)組件都必須具有非常嚴(yán)格的公差，通常小于 1%。這是為了降低電流檢測(cè)的整體誤差，但代價(jià)是布板空間大幅增加。此外，檢測(cè)電阻會(huì)增加串聯(lián)阻抗，從而降低系統(tǒng)中的最大電流量。

圖 2-2. 分立式電流測(cè)量實(shí)現(xiàn)方案

TI 的高側(cè)開(kāi)關(guān)產(chǎn)品系列在大多數(shù)器件上都具有非常高的電流檢測(cè)精度標(biāo)準(zhǔn)。例如，TPS1H100-Q1 在負(fù)載 ≥1A 時(shí)具有 ±3% 的精度。它不僅可以減少系統(tǒng)中所需的組件數(shù)量，而且能夠在獲取流經(jīng)系統(tǒng)的精確電流方面降低誤差。

圖 2-3. TPSxHxxx 電流感測(cè)電路

圖 2-3 所示為 TI 高側(cè)開(kāi)關(guān)系列器件中用于電流感測(cè)的內(nèi)部電路。將電流感測(cè)功能集成到高側(cè)開(kāi)關(guān)可減少系統(tǒng)中的組件數(shù)量，同時(shí)仍能保持高精度。

2.3.2 可調(diào)電流限制

TI 智能高側(cè)開(kāi)關(guān)的另一個(gè)獨(dú)特特性是對(duì)可調(diào)電流的限制。此特性在熱應(yīng)用中尤其重要，因?yàn)樵谶@類應(yīng)用中，即使只在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量電流也不僅會(huì)損害系統(tǒng)而且還會(huì)損害最終用戶。大多數(shù)情況下，在電阻性負(fù)載應(yīng)用中會(huì)對(duì)使能引腳進(jìn)行 PWM 處理，僅允許全部電流中的一部分流向負(fù)載。這意味著，即使是高側(cè)開(kāi)關(guān)可以應(yīng)對(duì)的標(biāo)稱電流量也會(huì)造成故障，并可能損害系統(tǒng)或最終用戶。

競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手提供的高側(cè)開(kāi)關(guān)通常具有固定的電流限值，相對(duì)于標(biāo)稱工作電流而言，該限值通常過(guò)高。這意味著開(kāi)關(guān)在達(dá)到設(shè)置得異常高的電流電平或造成熱關(guān)斷之前不會(huì)關(guān)斷。在上面的加熱器示例中，理論上一個(gè)微不足道的電阻短路可能就會(huì)消耗兩倍的 PWM 電流。

2.4 選擇合適的智能高側(cè)開(kāi)關(guān)

為電阻性負(fù)載選擇高側(cè)開(kāi)關(guān)的方法歸結(jié)為需要哪些特性以及什么樣的 RON 將能夠安全驅(qū)動(dòng)負(fù)載。

2.4.1 功率耗散計(jì)算

選擇正確的智能高側(cè)開(kāi)關(guān)在很大程度上取決于器件能否提供應(yīng)用所需的電流而不會(huì)達(dá)到熱關(guān)斷閾值。對(duì)于電阻性負(fù)載應(yīng)用，需要做的第一件事是測(cè)量負(fù)載的電阻。然后根據(jù)方程式 1 計(jì)算電流。請(qǐng)注意，提供的電壓需要是特定用例所需的最大工作電壓。對(duì)于汽車(chē)電池，這將是 18V，任何更高的電壓都將被視為故障情況。由于對(duì)輸入進(jìn)行的 PWM，大多數(shù)電阻性負(fù)載不會(huì)以滿電流運(yùn)行，但重要的是需要確保開(kāi)關(guān)在這種條件下仍然能夠工作。這種情況會(huì)發(fā)生在電池反向故障期間，此時(shí)的電流無(wú)法通過(guò) PWM 進(jìn)行調(diào)節(jié)。根據(jù)此電流和開(kāi)關(guān)的 RON（高溫下的最大值），可通過(guò)方程式 4 計(jì)算開(kāi)關(guān)中的功率耗散。

若要計(jì)算器件的結(jié)溫，設(shè)計(jì)人員可在數(shù)據(jù)表中的“熱性能信息”部分找到連接環(huán)境熱阻 RθJA。請(qǐng)注意，數(shù)據(jù)表中的RθJA 規(guī)格適用于 JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)定義的特定電路板布局。不同電路板布局的熱性能會(huì)有所不同，但此規(guī)格給出了一個(gè)很好的初步近似值。若要進(jìn)行完整計(jì)算，請(qǐng)運(yùn)行器件的熱性能仿真程序來(lái)了解溫度會(huì)是多少。以一階計(jì)算結(jié)溫TJ 的方法是取環(huán)境溫度 TA 加上功率耗散乘以 RθJA，如下所示：

TI 的所有智能高側(cè)開(kāi)關(guān)都具有熱關(guān)斷功能。這意味著，當(dāng)器件的結(jié)溫達(dá)到一定溫度時(shí)，器件將關(guān)斷以保護(hù)自身。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，其設(shè)計(jì)應(yīng)使開(kāi)關(guān)絕不會(huì)達(dá)到該溫度。通過(guò)使用上面的公式并將計(jì)算得到的最大結(jié)溫與數(shù)據(jù)表中的熱關(guān)斷閾值 T(SD) 或 TABS 相關(guān)聯(lián)，設(shè)計(jì)人員將知曉器件是否會(huì)因?yàn)轵?qū)動(dòng)該負(fù)載所需的電流而關(guān)斷。請(qǐng)注意，這種情況適用于負(fù)載沒(méi)有 PWM 的用例。當(dāng)負(fù)載經(jīng)過(guò) PWM 處理時(shí)，系統(tǒng)中的電流將低于本部分中計(jì)算出的直流電流。這意味著設(shè)計(jì)人員實(shí)際上可根據(jù)經(jīng)過(guò) PWM 處理的電流選擇他們的智能高側(cè)開(kāi)關(guān)，并且由于 TI 的可調(diào)電流限制技術(shù)，可將電流限值設(shè)置為低于直流工作電流。

2.4.2 PWM 和開(kāi)關(guān)損耗

僅計(jì)算穩(wěn)態(tài)工作條件下的功率耗散和結(jié)溫是選擇智能高側(cè)開(kāi)關(guān)來(lái)驅(qū)動(dòng)電阻性負(fù)載的第一步。如應(yīng)用部分所述，大多數(shù)電阻性負(fù)載的工作方式是對(duì)開(kāi)關(guān)進(jìn)行 PWM 處理以調(diào)整提供給負(fù)載的電流量。開(kāi)關(guān)的這種 PWM 或快速開(kāi)關(guān)操作會(huì)在開(kāi)關(guān)中引入更多損耗，這種情況在大型負(fù)載電流應(yīng)用中也需要納入考慮范圍。大多數(shù)設(shè)計(jì)人員此時(shí)的想法是，負(fù)載是電阻性的，因此在負(fù)載的開(kāi)關(guān)操作過(guò)程中不會(huì)有任何功率損耗，原因是根據(jù)歐姆定律，電壓與電流成正比。因而，當(dāng)電流變?yōu)榱銜r(shí)，電壓將隨之為零。此想法有兩個(gè)問(wèn)題。第一個(gè)問(wèn)題是并不存在純電阻性負(fù)載，因?yàn)楸仨毧紤]負(fù)載中的實(shí)際寄生參數(shù)，這些寄生參數(shù)會(huì)直接影響電壓和電流的關(guān)系。第二個(gè)問(wèn)題也是更突出的問(wèn)題：按照設(shè)計(jì)，智能高側(cè)開(kāi)關(guān)的輸出電壓波形為固定形狀。這意味著，當(dāng)系統(tǒng)對(duì)開(kāi)關(guān)的使能引腳進(jìn)行 PWM 處理時(shí)，輸出電壓波形不會(huì)直接鏡像“使能”。相反，按照設(shè)計(jì)，它將具有不同的壓擺率。開(kāi)關(guān)的這一設(shè)計(jì)方式非常重要且很有必要，因?yàn)檩敵霾ㄐ蔚目焖僮兓瘯?huì)發(fā)射大量 EMI，這會(huì)造成破壞，尤其是在汽車(chē)系統(tǒng)中。數(shù)據(jù)表中定義了導(dǎo)通和關(guān)斷脈沖的形狀。圖 2-4 所示為一個(gè)示例波形。

圖 2-4. 智能高側(cè)開(kāi)關(guān)波形

智能高側(cè)開(kāi)關(guān)的數(shù)據(jù)表中定義了導(dǎo)通延遲 td(on) 或 tDR 以及總導(dǎo)通時(shí)間 td(rise) 或 tON，兩者相減得到輸出器件從10% 上升到 90% 的時(shí)間。同樣，關(guān)斷延遲 td(off) 或 tDF 以及總關(guān)斷時(shí)間 td(fall) 或 tOFF 可用于計(jì)算輸出器件從 90%下降到10% 的時(shí)間。然而，這并未涵蓋全部情況，因?yàn)閺?0-10% 和從 10-0% 的過(guò)程中會(huì)發(fā)生額外的開(kāi)關(guān)損耗。根據(jù)圖 2-5 可以看出，開(kāi)關(guān)能量損耗是功率耗散曲線下對(duì)應(yīng)于導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間的區(qū)域。

圖 2-5. PWM 期間的開(kāi)關(guān)能量損耗

該圖顯示了開(kāi)關(guān)的主 FET 上的電壓 VDS 和通過(guò)系統(tǒng)的電流 IOUT。在這些波形下方顯示了功率耗散波形，它是上述兩個(gè)波形的乘積。顯然，VDS 和 IOUT 成反比。它們的波形不是線性的，從導(dǎo)通和關(guān)斷期間的紅色功率波形上的尖峰可以看出這一點(diǎn)。在系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)之前，該曲線下的區(qū)域稱為導(dǎo)通或關(guān)斷能量 EON 和 EOFF。需要注意的是，這只是直觀的表示方式，并非按精確比例繪制，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下，主要的能量損失將是通過(guò) FET 的耗散。

開(kāi)關(guān)的 RON 越低，開(kāi)關(guān)損耗就越明顯。因此，TI 提供了低 RON 系列器件在關(guān)斷和導(dǎo)通期間的開(kāi)關(guān)能量損耗。將這個(gè)值（以 mJ 為單位）乘以開(kāi)關(guān)頻率以得到開(kāi)關(guān)能量損耗。

還需要注意，這是一個(gè)通道的開(kāi)關(guān)損耗。如果器件有多個(gè)通道，則需要用開(kāi)關(guān)損耗加上 FET 耗散再乘以通道數(shù)

現(xiàn)在已經(jīng)確定了開(kāi)關(guān)引起的功率損耗，接著就可以計(jì)算系統(tǒng)中的總功率損耗，以確認(rèn)器件能夠成功驅(qū)動(dòng)該負(fù)載。這個(gè)計(jì)算方式很簡(jiǎn)單，就是將所有開(kāi)關(guān)損耗和功率耗散損耗相加得到總功率損耗，并使用方程式 5 計(jì)算結(jié)溫。如果結(jié)溫低于熱關(guān)斷閾值，則表示器件能夠成功向負(fù)載供電。

表 2-1. 加熱器負(fù)載示例

例如，如果我們有兩個(gè)電阻性加熱器負(fù)載：第一個(gè)是 1.42Ω，需要在 200Hz 下以 50% 的占空比進(jìn)行開(kāi)關(guān)，第二個(gè)是 2.6Ω，要在 100Hz 下以 85% 占空比進(jìn)行 PWM 處理。電池電壓為 13.5V。使用 TPS2HB16-Q1 并根據(jù)電阻性負(fù)載方面的知識(shí)，我們首先出計(jì)算通道 1 的 IH1 和通道 2 的 IH2 穩(wěn)態(tài)負(fù)載電流。

下一步是使用方程式 4 計(jì)算開(kāi)關(guān)的每個(gè)通道在正常工作期間的功率耗散。另外請(qǐng)注意，RON 值來(lái)自 TPS2HB16-Q1 數(shù)據(jù)表中的“導(dǎo)通電阻 (RON) 與溫度間的關(guān)系”圖。一個(gè)通常遇到的問(wèn)題是，考慮了占空比的負(fù)載是否可以用于計(jì)算功率耗散。之所以有這個(gè)問(wèn)題，是因?yàn)樵趫D 2-5 中，能量損失的 PDIS 部分并未考慮占空比問(wèn)題。這是在穩(wěn)態(tài)條件下進(jìn)行的計(jì)算，因此問(wèn)題不大。這就是說(shuō)，只要占空比不動(dòng)態(tài)變化，開(kāi)關(guān)中的平均功率耗散將與考慮了占空比之后計(jì)算出的穩(wěn)態(tài)電流有關(guān)。

現(xiàn)在，計(jì)算出開(kāi)關(guān)的標(biāo)稱功率耗散后，必須加上開(kāi)關(guān)損耗。在 TPS2HB16-Q1 數(shù)據(jù)表中，EON 定義為 0.4mJ，EOFF 也定義為 0.4mJ。根據(jù)方程式 6 能夠計(jì)算出器件的開(kāi)關(guān)損耗。

在下面的波形中可以看到相關(guān)情況。圖 2-6 所示為 RH1 的開(kāi)關(guān)情況，其中的藍(lán)色波形為使能信號(hào)，綠色為 VBB，黃色為 VOUT，紫色為 IOUT。此外，在圖 2-7 中，能夠看到開(kāi)關(guān)的 VDS 以白色顯示，由此產(chǎn)生的功率耗散及開(kāi)關(guān)損耗以紅色顯示。

將器件中的所有損耗相加得出總功率耗散。

最后，在確定總功率耗散后，就可使用方程式 5 計(jì)算結(jié)溫。

該溫度遠(yuǎn)低于器件 160°C 的熱關(guān)斷溫度，這說(shuō)明 TPS2HB16-Q1 能夠安全驅(qū)動(dòng)這些負(fù)載。

3 驅(qū)動(dòng)電容性負(fù)載

3.1 背景

TI 的智能高側(cè)開(kāi)關(guān)可用于驅(qū)動(dòng)并維持通常高達(dá) 4mF 的大容量電容性負(fù)載。根據(jù)上電時(shí)的上升時(shí)間，此負(fù)載輸出電容會(huì)導(dǎo)致大浪涌電流，而這些浪涌電流僅受接線和互連中存在的寄生電阻和電感的限制。某些情況下的浪涌電流會(huì)超過(guò) 100A。像這樣的高電流可能會(huì)導(dǎo)致輸入電源電壓下降，從而損害系統(tǒng)中的其他電路或?qū)е鹿收稀?/p>

為了防止出現(xiàn)這些問(wèn)題，可使用智能高側(cè)開(kāi)關(guān)來(lái)限制電流并通過(guò)對(duì)電容性負(fù)載進(jìn)行線性充電來(lái)降低浪涌電流。為了使用智能高側(cè)開(kāi)關(guān)有效驅(qū)動(dòng)電容性負(fù)載，有必要了解開(kāi)關(guān)在限制電流時(shí)的熱耗散影響，因?yàn)榭稍谄骷?nèi)部觀察到大功率水平。在理論上正確理解充電過(guò)程以及實(shí)際理解對(duì)智能高側(cè)開(kāi)關(guān)的選擇，使工程師能夠設(shè)計(jì)出合適的輸出級(jí)，確保輸出級(jí)具有安全高效的電容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)，同時(shí)最大限度地降低系統(tǒng)成本。

在本部分中，我們將深入探討驅(qū)動(dòng)電容性負(fù)載時(shí)需要考慮的因素。在研究用于限制浪涌電流的智能高側(cè)開(kāi)關(guān)的系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)之前，我們將首先討論一些存在電容性負(fù)載的應(yīng)用。然后，我們將探討驅(qū)動(dòng)電容性負(fù)載在智能高側(cè)開(kāi)關(guān)中產(chǎn)生的熱沖擊，以及如何在系統(tǒng)中減輕這種影響。最后，我們將討論如何根據(jù)特定的負(fù)載曲線，選擇合適的高側(cè)開(kāi)關(guān)。

3.2 應(yīng)用示例

圖 3-1. 汽車(chē)電容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)示例

在如圖 3-1 所示的汽車(chē)應(yīng)用中，許多非板載 ECU 都采用大容量電容來(lái)穩(wěn)定輸入電壓。這些模塊必須能夠在輸入電壓下降、尖峰和開(kāi)關(guān)噪聲期間可靠運(yùn)行，因此需要借助電容器組來(lái)防止任何功能的喪失。這些電容的范圍可介于數(shù)百微法拉到幾毫法拉之間。

圖 3-2. 工業(yè)電容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)示例

工業(yè)應(yīng)用（例如圖 3-2 中的 PLC 模塊）也必須能夠驅(qū)動(dòng)大型電容性負(fù)載。數(shù)字輸出模塊通常用于向具備瞬態(tài)浪涌保護(hù)功能的傳感器供電。為了保護(hù)傳感器免受這種瞬態(tài)浪涌影響，最簡(jiǎn)單的方法是使用過(guò)壓開(kāi)關(guān)在過(guò)壓期間關(guān)閉傳感器電源。這意味著必須使用大電容來(lái)提供系統(tǒng)電源，直到瞬態(tài)浪涌已過(guò)去并且過(guò)壓保護(hù)解除。這種大電容給傳感器的啟動(dòng)增加了挑戰(zhàn)，并且在每次過(guò)壓保護(hù)解除時(shí)都會(huì)導(dǎo)致浪涌電流問(wèn)題。如果未精心設(shè)計(jì)，浪涌電流會(huì)導(dǎo)致 24V 外部現(xiàn)場(chǎng)電源電壓下降，進(jìn)而會(huì)使系統(tǒng)中其他地方的保險(xiǎn)絲熔斷，并導(dǎo)致連接到同一電源的其他電容模塊產(chǎn)生危險(xiǎn)的反向電流。

在這兩個(gè)示例中，輸出設(shè)計(jì)人員都必須了解電容性負(fù)載對(duì)系統(tǒng)的影響，并提供一種有效、可靠和高效的方法來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載。在接下來(lái)的幾個(gè)部分中，我們將探討對(duì)電容性負(fù)載進(jìn)行可靠驅(qū)動(dòng)時(shí)面臨的挑戰(zhàn)。

3.3 為何使用智能高側(cè)開(kāi)關(guān)？

3.3.1 電容性負(fù)載充電

當(dāng)電壓施加到未充電的電容器時(shí)，電容器將汲取電流，直至其電壓等于電源電壓。浪涌電流的大小與電容器上的電壓隨時(shí)間變化的速率成正比。產(chǎn)生的浪涌電流可通過(guò)方程式 16 計(jì)算得出，并如圖 3-3 所示。

圖 3-3. 電容性負(fù)載充電圖

當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合且電壓首次施加到電容器時(shí)，dV/dT 由圖 3-3 中的開(kāi)關(guān)使輸出電壓升高的速率決定。根據(jù)此速率，浪涌會(huì)非常高，并且只會(huì)受制于開(kāi)關(guān)輸出端與電容器之間的布線中存在的寄生電阻和電感。在 IINRUSH 不受任何限制的情況下，這些大電流會(huì)導(dǎo)致輸入電壓電源的電壓下降，使得電源可能會(huì)因?yàn)樗璧母吖β仕蕉罎?。在圖 3-4中可以看到這一點(diǎn)；其中，對(duì)具有高 dV/dT 的電容器充電會(huì)引起峰值高達(dá) 40A 的浪涌電流，并導(dǎo)致黃色輸入電源電壓顯著下降。

圖 3-4. 浪涌導(dǎo)致電源電壓下降的示例

這種輸入電源電壓下降則預(yù)示著，連接到同一電壓電源的任何其他系統(tǒng)必須在即使電源不穩(wěn)定的情況下也能夠正常運(yùn)行，而不會(huì)出現(xiàn)任何變化。此外，40A 電流本身會(huì)引起問(wèn)題，因?yàn)楝F(xiàn)在必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，以確保不會(huì)因流過(guò)電纜和連接器的電流過(guò)大而造成任何損害。這意味著系統(tǒng)將更復(fù)雜、更昂貴，具體體現(xiàn)在：

? 為了適應(yīng)大電流，需要更大的布線和連接器

? 為了防止電源電壓下降，需要更強(qiáng)大的電源

? 為了實(shí)現(xiàn)器件的持續(xù)運(yùn)行，需要在下游系統(tǒng)的輸入端增加大容量電容器

為了消除這些系統(tǒng)隱患，有必要制定一種解決方案，讓系統(tǒng)能夠驅(qū)動(dòng)電容器并以受控速率為電容器充電，而不允許電容器汲取大量浪涌電流。在下一部分中，我們將說(shuō)明如何使用具有可調(diào)電流限制特性的智能高側(cè)開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

3.3.2 減小浪涌電流

圖 3-5 中介紹了建模容性負(fù)載的一個(gè)簡(jiǎn)單示例。該電路顯示了一個(gè)開(kāi)關(guān)的簡(jiǎn)化模型，此開(kāi)關(guān)使用 10μF 輸出電容器
驅(qū)動(dòng) 24V 500mA 直流負(fù)載。在此示例中，電纜的電阻和電感分別為 100mΩ 和 5μH：

圖 3-6 展示了不受控制的 dV/dT 會(huì)導(dǎo)致浪涌電流達(dá)到近 30A，并伴有嚴(yán)重的振鈴。如果未對(duì)電流加以限制，這是給電容器充電的最快方法，但是對(duì)于許多系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這種浪涌電流是不可接受的，并且無(wú)法受到輸入電源軌的支持。

一種選擇是找到一種方法來(lái)限制此電流，同時(shí)不影響系統(tǒng)或?qū)е码娙萜鞒潆姇r(shí)間過(guò)長(zhǎng)。一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案是讓設(shè)計(jì)人員添加一個(gè) 12Ω 的限流電阻器，如圖 3-7 所示。

添加 12Ω 限流電阻器會(huì)將峰值電流限制在 2A 以下，但由于該額外 12Ω 電阻上的功率耗散和電壓降，這并不是可行的解決方案。對(duì)于 500mA 直流負(fù)載，這會(huì)在電阻器上增加 3W 額外功率耗散和 6V 壓降。這種熱耗散和電壓降在大多數(shù)應(yīng)用中是不可接受的。

即使是相對(duì)較小的 10μF 負(fù)載，也需要更好的解決方案。對(duì)于更大的容性負(fù)載，這些影響將進(jìn)一步放大。

TI 智能高側(cè)開(kāi)關(guān)能夠通過(guò)限流對(duì)容性負(fù)載進(jìn)行線性充電，從而限制浪涌電流。為電容器充電時(shí)，智能高側(cè)開(kāi)關(guān)會(huì)識(shí)別過(guò)流事件并將輸出電流鉗制在可調(diào)的設(shè)定點(diǎn)。圖 3-9 所示為 TPS2H160-Q1 在電流限值為 1A 的情況下為470μF 電容充電的位置：

圖 3-9. TPS2H160-Q1 在 1A 時(shí)的電流限制

現(xiàn)在，電容器可完全充電，不允許輸出電流超過(guò) 1A，也不會(huì)給系統(tǒng)增加明顯的直流串聯(lián)電阻。由于 FET 在此充電期間升溫，最終會(huì)因?yàn)閮?nèi)部 MOSFET 工作模式之間的高溫轉(zhuǎn)換而出現(xiàn)一些振鈴，但由于瞬態(tài)時(shí)間長(zhǎng)度較短，這不會(huì)使系統(tǒng)面臨風(fēng)險(xiǎn)。TPS2H160-Q1 的導(dǎo)通電阻僅為 160mΩ，因此在相同的 500mA 直流工作電流下，功率損耗和壓降分別只有 40mW 和 80mV 。這些數(shù)值對(duì)于系統(tǒng)來(lái)說(shuō)更容易接受，并且不會(huì)導(dǎo)致模塊內(nèi)部產(chǎn)生不必要的熱量。

如果 1A 的浪涌電流太大，TPS2H160-Q1 可靈活地將電流限值進(jìn)一步降低至 500mA，如圖 3-10 所示。

圖 3-10. TPS2H160-Q1 在 500mA 時(shí)的電流限制

電容器上的電壓以從不超過(guò)設(shè)定電平的恒定電流進(jìn)行線性充電。在考慮限制浪涌電流的合理方案時(shí)應(yīng)了解，TI 智能高側(cè)開(kāi)關(guān)電流限制功能能夠提供一種平衡型解決方案，允許在驅(qū)動(dòng)電容性負(fù)載的同時(shí)限制浪涌電流。

3.3.2.1 電容器充電時(shí)間

回看電容器充電公式，我們能夠預(yù)測(cè)浪涌電流限制期間的充電曲線。通過(guò)重新變換方程式 16 來(lái)計(jì)算充電時(shí)間，我們便得到方程式 17。

方程式18表明，方程式17對(duì)于圖3-9而言是準(zhǔn)確的。

方程式 17 顯示，電流限制設(shè)定點(diǎn)的幅度越低，為負(fù)載電容充電所需的時(shí)間就越長(zhǎng)。重要的是需要調(diào)整此電流限制設(shè)定點(diǎn)，以便在不顯著延長(zhǎng)充電時(shí)間的情況下在該設(shè)定點(diǎn)與安全限制電流之間實(shí)現(xiàn)合理平衡。這種平衡必須通過(guò)了解具體的應(yīng)用要求（例如系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間）來(lái)確定。

3.3.3 熱耗散

對(duì)于大的電容性負(fù)載，必須考慮限流期間智能高側(cè)開(kāi)關(guān)中的散熱問(wèn)題。當(dāng)電容器處于充電狀態(tài)時(shí)，智能高側(cè)開(kāi)關(guān)通過(guò)調(diào)節(jié)智能高側(cè)開(kāi)關(guān)內(nèi)部 MOSFET 的柵極電壓來(lái)限制 IINRUSH。

讓我們回看方程式 19，了解為電容器充電的情況。

對(duì)于調(diào)節(jié)常數(shù) IINRUSH，電容器需要具有恒定的 dVCAP/dT。這表示電容器上的電壓必須線性增加，而不是在沒(méi)有電流限制的情況下發(fā)生近乎瞬時(shí)的電壓增加。施加在電容器上的電壓為 VCAP，如方程式 20 所示。

對(duì)于恒定的 VSUPPLY，方程式 20 表明，如果 VCAP 線性增加，則 VDS 必須與 VCAP 反向并線性減少。因此，對(duì)于恒流電容充電，智能高側(cè)開(kāi)關(guān) VDS 一開(kāi)始等于 VSUPPLY，然后下降到零，而 VCAP 同時(shí)增加，直至達(dá)到VSUPPLY。圖 3-11 展示了這種行為，其中，TPS2H160-Q1 將大型 (470μF) 電容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)至 24V，將電流限制在 500mA。

圖 3-11. 電容充電時(shí)的 VDS

我們可以看到，在電容上的 OUT1 電壓從 0V 線性增加到 24V 而 VDS 反向從電源電壓緩慢下降到 0V 的過(guò)程中，智能高側(cè)開(kāi)關(guān)將輸出電流限制在 500mA。

在此充電期間，智能高側(cè)開(kāi)關(guān)中的功率耗散 PDIS 通過(guò)方程式 21 計(jì)算得出。

電流現(xiàn)在受到限制，不再是未經(jīng)檢查的浪涌電流，因此，公式現(xiàn)在將采納 ILIM 而不是 IINRUSH。ILIM 是常數(shù)且初始狀態(tài)下的 VDS = VSUPPLY，因此，峰值功率耗散出現(xiàn)在脈沖開(kāi)始時(shí)，由方程式 22 計(jì)算得出。

當(dāng)電容器充滿電時(shí)，VDS ≈ 0，因此 PDIS ≈ 0。對(duì)于初步近似計(jì)算而言，這意味著充電期間的平均功率耗散可根據(jù)方程式 23 計(jì)算得出。

該平均耗散將在與充電周期等同的時(shí)間段內(nèi)發(fā)生，而這個(gè)周期可根據(jù)方程式 24 計(jì)算得出。

在圖 3-11 中，我們看到峰值功率耗散為 24V × 500mA = 12W，平均耗散為 6W，充電時(shí)間為 22.9ms。為了可靠運(yùn)行，F(xiàn)ET 必須能夠在充電時(shí)間內(nèi)耗散掉該熱量。讓我們看看當(dāng)電流限值增加到 1A 時(shí)，圖 3-12 中會(huì)發(fā)生什么情況。

圖 3-12. TPS2H160-Q1 在 1A 電流下充電

峰值功率耗散增加到 24W，平均耗散增加到 12W，但充電時(shí)間減少到 8.8ms。較高的電流限值意味著較高的峰值功率耗散以及較短的脈沖，而較低的電流限值則意味著較長(zhǎng)時(shí)間的低峰值耗散。

3.3.4 電容性浪涌期間的結(jié)溫

高側(cè)開(kāi)關(guān)在容性浪涌期間承受的大量熱耗散可能超過(guò)在功率耗散計(jì)算中計(jì)算出的器件平均功率耗散。如果器件結(jié)溫升至 Tj(Max) 以上并可能使器件進(jìn)入過(guò)熱關(guān)斷狀態(tài)，這將引起可靠性問(wèn)題。

針對(duì)平均功率耗散，我們按照方程式 4 估算了結(jié)溫。然而，容性浪涌事件不是穩(wěn)態(tài)條件，且持續(xù)時(shí)間很短。由于熱阻抗依賴于輸入，高側(cè)開(kāi)關(guān)可能能夠在浪涌事件期間在短時(shí)間內(nèi)承受高于平均水平的功率耗散。

瞬態(tài)熱阻抗通常通過(guò) Foster RC 網(wǎng)絡(luò)建模，如圖 3-13 所示。該模型將高側(cè)開(kāi)關(guān)結(jié)溫 TJ 與環(huán)境溫度 TA 以及熱 RC網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)與器件 PDIS 中耗散的功率聯(lián)系起來(lái)。模型中的熱阻抗值在很大程度上取決于器件結(jié)構(gòu)和封裝。ZΘJA 的定義如方程式 25 所示。

圖 3-13. 器件熱阻抗的 Foster 網(wǎng)絡(luò)模型

該模型顯示，如果周期遠(yuǎn)小于 RC 時(shí)間常數(shù)（用作高通濾波器），則功率的短脈沖對(duì)結(jié)溫的影響較小。如果時(shí)間周期很長(zhǎng)，熱電容會(huì)限制功率，所有功率都會(huì)通過(guò)熱阻抗 R1,2,3..n。模型中的這些熱阻抗之和為 RΘJA，這一參數(shù)在器件數(shù)據(jù)表中有相關(guān)規(guī)定。對(duì)快速功率瞬變的響應(yīng)的建模結(jié)果將與圖 3-13 中的穩(wěn)態(tài)功率耗散進(jìn)行比較。

圖 3-14. 熱時(shí)間常數(shù)對(duì) RΘJA 和結(jié)溫的影響

在容性浪涌期間，ZΘJA、PDIS 和 TJ 是時(shí)間周期的函數(shù)，如圖 3-13 所示。時(shí)間采用對(duì)數(shù)刻度，而 ZΘJA 是器件的時(shí)間相關(guān)熱阻抗（基于結(jié)點(diǎn)和環(huán)境空氣之間）。ZΘJA 根據(jù)特定器件的 Foster 模型的時(shí)間常數(shù)呈指數(shù)衰減。

圖 3-15. 浪涌周期內(nèi)的 RΘJA 和結(jié)溫

ZΘJA 在浪涌周期 Δt 期間單調(diào)增加，但由于電流限制，器件中的總功率耗散呈線性下降。峰值功率耗散 ILIM·VSUP
出現(xiàn)在此周期的開(kāi)頭，而衰減指數(shù)的總和 ZΘJA 在浪涌周期結(jié)束時(shí)達(dá)到峰值。

這種相反關(guān)系導(dǎo)致結(jié)溫在浪涌周期大約一半（即 Δt/2）處達(dá)到峰值。只要浪涌周期 Δt 小于器件的有效熱時(shí)間常數(shù)，或者在 ZΘJA 曲線變平之前，這一論斷都成立。對(duì)于大多數(shù)高側(cè)開(kāi)關(guān)，此時(shí)間大約為 500s。

從數(shù)學(xué)角度來(lái)看，結(jié)溫是 ZΘJA 和 PDIS 兩者的卷積，這兩者都隨時(shí)間變化，如方程式 26 所示。計(jì)算此卷積以獲得ΔTj 非常困難，如果器件有支持熱性能的模型，最好將這個(gè)任務(wù)留給像 PSPICE 這樣的仿真器。

就設(shè)計(jì)而言，我們主要應(yīng)該關(guān)注的是在浪涌周期內(nèi)找出 TJ(Max)，而不是獲得任何時(shí)間點(diǎn)的 TJ 表達(dá)式。通過(guò)這樣的簡(jiǎn)化計(jì)算，我們可以得到 TJ(Max)（按照方程式 27）的近似值。

在方程式 27 中，ZΘJA(Δt/2) 是位于浪涌周期 Δt 一半處的瞬態(tài)熱阻抗，其計(jì)算方法如方程式 24 所示。然后，我們從器件的瞬態(tài)熱阻抗曲線中找出 Δt/2 處的 ZΘJA，如圖 3-16 所示。

有關(guān)瞬態(tài)熱阻抗 ZΘJA 的多個(gè)圖，請(qǐng)參閱附錄 A，并且這些圖針對(duì)表 3-1 中列出的每個(gè) TI 高側(cè)開(kāi)關(guān)而提供。

方程式 27 的精度在 TJ(Max) 的 PSPICE 仿真結(jié)果的 ±10% 以內(nèi)，但僅適用于浪涌時(shí)間 Δt < ~500s 或 ZΘJA 曲線變平的位點(diǎn)。超過(guò)此位點(diǎn)后，隨著峰值溫度晚于 Δt/2 出現(xiàn)，該近似值開(kāi)始下沖。此時(shí)應(yīng)使用 PSPICE、Simulink 或其他建模工具進(jìn)行更高級(jí)的熱仿真。

圖 3-16. 根據(jù) TPS2H160-Q1 瞬態(tài)熱阻抗曲線估算 ZΘJA(Δt/2)

可使用 2 通道或 4 通道導(dǎo)通情況下的瞬態(tài)熱數(shù)據(jù) ZΘJA 對(duì)多通道器件重復(fù)此過(guò)程。但是，此數(shù)據(jù)僅適用于兩個(gè)通道
同時(shí)導(dǎo)通且負(fù)載條件相同的情況。

除了我們的 TPS2H160-Q1 示例之外，我們還可以估算容性浪涌期間的 TJ(Max)。在此示例中，由單個(gè)通道驅(qū)動(dòng)470μF 的電容性負(fù)載，電流限值 ILIM 設(shè)置為 1A，電源電壓為 24V，環(huán)境溫度為 TA = 25°C。

根據(jù)方程式 18，我們發(fā)現(xiàn)浪涌周期持續(xù)時(shí)間為 Δt = 11.28ms。參考附錄 A 中的 TPS2H160-Q1 數(shù)據(jù)，我們可以在Δt = 11.28ms 處畫(huà)一條線（如圖 3-16 所示），找出浪涌周期 Δt 一半處的 RΘJA 值，因?yàn)槲覀儍H在一個(gè)通道上進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，得到 ZΘJA(Δt/2) = 5.4°C/W。

電流限制功能在浪涌周期內(nèi)處于活動(dòng)狀態(tài)，并導(dǎo)致高側(cè)開(kāi)關(guān)中出現(xiàn)大量功率耗散。這是因?yàn)殡娏飨拗剖峭ㄟ^(guò)控制FET RON 實(shí)現(xiàn)的。在浪涌開(kāi)始時(shí)，必須強(qiáng)制使 RON 比數(shù)據(jù)表規(guī)格高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，這會(huì)導(dǎo)致 FET 通道中的高 I2R損耗。

一旦器件將 FET 導(dǎo)通，F(xiàn)ET 上的 VDS 最初為 VSUP，并在電容器負(fù)載充電后降低至接近 0V。這個(gè)初始點(diǎn)正是出現(xiàn)峰值功率耗散的地方。在我們使用 TPS2H160-Q1 的示例中，我們已設(shè)置 ILIM = 1A，因此峰值功率為 24V·1A =24W?，F(xiàn)在，為了計(jì)算浪涌期間的 TJ(MAX)，我們可以將 VSUP、ILIM、TA 和 ZΘJA(Δt/2) 的值代入方程式 27，如方程式 28 所示。

根據(jù)方程式 28，我們?cè)?25°C 的環(huán)境溫度下算出 TJ(Max) ≈ 111°C，而 111°C < 150°C，完全在 TJ 的規(guī)格限值范圍內(nèi)。因此，我們所處環(huán)境的 ΔTJ 為 86°C。

這是一個(gè)估計(jì)值，并且工作條件可能與設(shè)計(jì)時(shí)不同，因此建議在 TJ(Max) 和 150°C 之間留出足夠的余量。TJ 限制不當(dāng)可能會(huì)觸發(fā)過(guò)熱關(guān)斷并降低可靠性和器件壽命。

除了保持 TJ < 150°C 外，建議保持 ΔTJ < TSW（其中的 TSW = 60°C），以便防止浪涌期間出現(xiàn)熱振蕩關(guān)斷。浪涌期間會(huì)在 FET 結(jié)中出現(xiàn)最高溫度，因此針對(duì) ΔTJ < TSW 的設(shè)計(jì)可確保浪涌期間不會(huì)觸發(fā)熱振蕩關(guān)斷。TFET TCON的時(shí)間在很大程度上取決于浪涌時(shí)的負(fù)載條件，因此 ΔTJ 也可能大于 TSW 而不會(huì)觸發(fā)熱振蕩關(guān)斷。

為獲得準(zhǔn)確的熱結(jié)果，強(qiáng)烈建議對(duì) TI 的高側(cè)開(kāi)關(guān)使用支持熱性能的 PSPICE 模型，確保能夠?qū)?TJ、TCON 和熱關(guān)斷進(jìn)行建模。更多有關(guān)在 PSPICE 中對(duì)器件熱性能進(jìn)行仿真的信息，請(qǐng)參閱《使用 PSpice 仿真器模擬 TI 智能高側(cè)開(kāi)關(guān)中的熱行為》。

3.3.5 過(guò)熱關(guān)斷

為確保在高功率耗散期間不會(huì)出現(xiàn)故障，TI 智能高側(cè)開(kāi)關(guān)集成了兩種過(guò)熱保護(hù)方法。第一種方法是絕對(duì)熱關(guān)斷，即在結(jié)溫達(dá)到不安全水平（通常在 150°C 左右）時(shí)將 FET 關(guān)斷。第二種方法是相對(duì)熱關(guān)斷，或熱振蕩關(guān)斷，這種方法會(huì)測(cè)量 FET 和控制器之間的溫差，并且將在 FET 快速升溫但控制器滯后于 FET 溫度的大型瞬態(tài)期間將智能高側(cè)開(kāi)關(guān)關(guān)斷。這種保護(hù)方式能夠在以下兩種主要情況下提高可靠性：
1. 防止出現(xiàn)溫度傳感器無(wú)法記錄的 FET 局部熱點(diǎn)。在僅采用絕對(duì)溫度關(guān)斷方法的情況下，要測(cè)量最高結(jié)溫，但這是無(wú)法保證的。
2. 在電纜電感短路的情況下提供保護(hù)。在輸出短路期間，輸出端需要汲取非常高的電流，因此智能高側(cè)開(kāi)關(guān)將鉗制在電流限值處，直至達(dá)成熱關(guān)斷。一旦達(dá)成熱關(guān)斷，輸出電流將立即停止，但是電纜中存在的任何輸出電感都會(huì)嘗試讓電流繼續(xù)流動(dòng)，因此智能高側(cè)開(kāi)關(guān)必須對(duì)該電感進(jìn)行退磁。更多有關(guān)對(duì)電感性進(jìn)行退磁的詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱節(jié) 4。如果智能高側(cè)開(kāi)關(guān)已經(jīng)處于其結(jié)溫峰值，這種退磁能量將損壞開(kāi)關(guān)。通過(guò)使用 FET 的相對(duì)溫度來(lái)鑒定此種短路并提早將器件關(guān)斷，可確保該器件安全吸收退磁能量。

圖 3-17 所示為相對(duì)熱關(guān)斷機(jī)制的行為，這種機(jī)制在 TFET-TCON>TSW（其中 TSW=60°C）時(shí)關(guān)斷 FET，并在低于TSW 減去遲滯溫度 THYS 時(shí)重新導(dǎo)通 FET。這可能會(huì)導(dǎo)致浪涌期間下電上電以及負(fù)載電容器充電緩慢。

圖 3-17. 相對(duì)熱關(guān)斷機(jī)制導(dǎo)致的熱循環(huán)

當(dāng)發(fā)生這些關(guān)斷機(jī)制中的任一個(gè)時(shí)，開(kāi)關(guān)都會(huì)關(guān)斷以防止電流流向負(fù)載。通過(guò)防止電流流向負(fù)載，器件可防止智能高側(cè)開(kāi)關(guān)中出現(xiàn)任何額外的功率耗散。這使得開(kāi)關(guān)有足夠的時(shí)間冷卻下來(lái)并達(dá)到安全溫度。

在關(guān)斷期間，F(xiàn)ET 開(kāi)路會(huì)暫時(shí)阻止電容器充電，但 TI 智能高側(cè)開(kāi)關(guān)能夠快速冷卻下來(lái)并進(jìn)行重試，因此電容器上的電荷侵蝕將受到限制，然后在重新啟動(dòng)時(shí)，開(kāi)關(guān)將繼續(xù)充電。這意味著，如果智能高側(cè)開(kāi)關(guān)達(dá)到熱關(guān)斷狀態(tài)，它將快速進(jìn)行重試并安全地恢復(fù)對(duì)電容器的充電。

這種行為可在圖 3-18 中看到，其中的 TPS2H160-Q1 將 470μF 驅(qū)動(dòng)至 24V，將電流限制在 2.2A。可以觀察到，在兩種情況下，器件達(dá)到相對(duì)關(guān)斷溫度，并暫時(shí)禁用開(kāi)關(guān)以防止電流流動(dòng)，然后在器件冷卻后重新啟用開(kāi)關(guān)。通過(guò)這種方式，TI 智能高側(cè)開(kāi)關(guān)可在驅(qū)動(dòng)大型容性負(fù)載時(shí)保護(hù)自身免受過(guò)溫應(yīng)力的影響。

圖 3-18. TPS2H160-Q1 驅(qū)動(dòng)電容時(shí)進(jìn)行熱關(guān)斷

在選擇用于驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載的 TI 器件時(shí)，了解該分析內(nèi)容非常重要。理想情況下，智能高側(cè)開(kāi)關(guān)應(yīng)該能夠驅(qū)動(dòng)負(fù)載而不進(jìn)行任何關(guān)斷，但是設(shè)計(jì)人員應(yīng)平衡電流限制設(shè)定值和所需的充電時(shí)間。若要確定器件是否會(huì)進(jìn)入熱關(guān)斷狀態(tài)，較好的方法是使用 TI 評(píng)估模塊來(lái)測(cè)試特定負(fù)載曲線，但若要進(jìn)行詳細(xì)分析，也可使用 RC 熱模型。

3.3.6 選擇正確的智能高側(cè)開(kāi)關(guān)

選擇智能高側(cè)開(kāi)關(guān)來(lái)驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載時(shí)，要留意兩個(gè)關(guān)鍵規(guī)格：
1. 直流電流范圍：確保智能高側(cè)開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻足夠低，能夠驅(qū)動(dòng)所需的直流電流而不會(huì)顯著發(fā)熱。
2. 熱耗散：計(jì)算為電容器充電所需的熱能，然后參考智能高側(cè)開(kāi)關(guān)的熱模型，確保器件在驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí)達(dá)到熱關(guān)斷閾值的可能性最低。

根據(jù)表 3-1，選擇可支持最大應(yīng)用直流電流要求的器件，從而確定適合您的應(yīng)用的器件：

表 3-1. TI 智能高側(cè)開(kāi)關(guān)產(chǎn)品系列

表中列出的最大電流適用于帶有 JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)電路板的標(biāo)稱器件。最佳做法是確保擁有足夠的余量來(lái)應(yīng)對(duì)非理想布局或高于標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度的情況。如需精確計(jì)算，請(qǐng)參考數(shù)據(jù)表中的 RθJA 規(guī)格以計(jì)算直流電流的實(shí)際熱擴(kuò)散。選擇可支持輸出電流要求的器件后，請(qǐng)確保該器件的熱耗散能力能夠充分散發(fā)電容充電所需的熱量。

TI 智能高側(cè)開(kāi)關(guān)提供了一種可靠且高效的方式來(lái)安全驅(qū)動(dòng)電容性負(fù)載。在驅(qū)動(dòng)電容性負(fù)載時(shí)，重要的是應(yīng)該安全地限制浪涌電流，同時(shí)盡量縮短負(fù)載充電時(shí)間。通過(guò)選擇用于限流的合適智能高側(cè)開(kāi)關(guān)，可以為電容性負(fù)載高效充電，同時(shí)避免熱問(wèn)題。

4 驅(qū)動(dòng)電感性負(fù)載

4.1 背景

電感性負(fù)載是指連接到電源電壓時(shí)存儲(chǔ)磁能的任何負(fù)載。電感性負(fù)載阻抗由串聯(lián)的電阻和電感組成?？捎芍悄芨邆?cè)開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)的常見(jiàn)電感性負(fù)載包括繼電器、電機(jī)和電磁閥。當(dāng)關(guān)斷時(shí)，由于電感中存儲(chǔ)磁能，電感性負(fù)載會(huì)產(chǎn)生數(shù)百伏的瞬態(tài)負(fù)電壓。這種瞬態(tài)電壓會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路造成嚴(yán)重?fù)p害。為防止任何潛在損害，在關(guān)斷期間必須鉗制電感性負(fù)載上的電壓以將存儲(chǔ)的磁能耗散掉。TI 智能高側(cè)開(kāi)關(guān)集成了一個(gè)電源鉗位電路，通過(guò)將開(kāi)關(guān)上的電壓鉗制到設(shè)定的電壓并再次循環(huán)通過(guò)鉗位器的電流來(lái)保護(hù)電路。這樣就能夠安全地耗散掉存儲(chǔ)的能量。有了這樣的大鉗位電壓，退磁時(shí)間就會(huì)減少，從而使電感性負(fù)載能夠安全快速的關(guān)斷。

本文檔針對(duì)電感性負(fù)載驅(qū)動(dòng)過(guò)程中用于實(shí)現(xiàn)高可靠性的重要參數(shù)和計(jì)算提供了指導(dǎo)信息。由于集成了鉗位器，TI智能高側(cè)開(kāi)關(guān)通常能夠驅(qū)動(dòng)電感性負(fù)載，而無(wú)需外部保護(hù)元件，如瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 二極管。本部分中的大多數(shù)計(jì)算將以TPS4H160-Q1 為例，但在提供了退磁能量圖的情況下，所有 TI 高側(cè)開(kāi)關(guān)的計(jì)算和比較將非常相似。

我們將首先研究常見(jiàn)的電感性負(fù)載應(yīng)用，然后推導(dǎo)出用于確定電感性負(fù)載退磁的關(guān)鍵參數(shù)和公式。然后，我們將開(kāi)始專門(mén)研究 TPS4H160-Q1，作為解讀退磁能量圖的案例研究。最后，我們將查看幾個(gè)展現(xiàn)具體應(yīng)用的示例，以及我們?nèi)绾闻袛?TI 智能高側(cè)開(kāi)關(guān)是否能夠?qū)ω?fù)載進(jìn)行退磁。

NOTE

重要的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)：確保在關(guān)斷時(shí)智能高側(cè)開(kāi)關(guān)能夠耗散掉存儲(chǔ)在電感性負(fù)載中的退磁能量。

4.2 應(yīng)用示例

常見(jiàn)的電感性負(fù)載包括電感高達(dá) 1500mH 且穩(wěn)態(tài)電流高達(dá) 5A 的各種繼電器和電磁閥。以長(zhǎng)電纜連接的電機(jī)和電阻性負(fù)載（特別是在工業(yè)系統(tǒng)中）本質(zhì)上也是電感性負(fù)載。一個(gè)常見(jiàn)示例（如圖 4-1 所示）是驅(qū)動(dòng)工廠自動(dòng)化系統(tǒng)等工業(yè)應(yīng)用中的電磁閥。

圖 4-1. 電磁閥應(yīng)用示例

在此示例中，智能高側(cè)開(kāi)關(guān)控制著汽車(chē)電池和電磁閥之間的電源。汽車(chē)應(yīng)用需要使用電磁閥來(lái)為汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)機(jī)提供大初始電流，因此電磁閥的正常運(yùn)行對(duì)于車(chē)輛的啟動(dòng)至關(guān)重要。智能高側(cè)開(kāi)關(guān)向電磁閥中的電感線圈提供電流，這樣便能夠閉合初級(jí)電流的觸點(diǎn)以啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。該電磁閥本質(zhì)上是電感性的，因此必須確保智能高側(cè)開(kāi)關(guān)能夠有效應(yīng)對(duì)電磁閥導(dǎo)通和關(guān)斷方面的挑戰(zhàn)。這是車(chē)輛的重要功能，因此必須進(jìn)行正確設(shè)計(jì)以確保開(kāi)關(guān)正常運(yùn)行。

電磁閥并不是唯一具有電感性負(fù)載曲線的常見(jiàn)應(yīng)用。PTC 繼電器、閥門(mén)、電動(dòng)機(jī)和變壓器主要驅(qū)動(dòng)的也將是電感性負(fù)載。對(duì)于這些負(fù)載中的任何一種負(fù)載，應(yīng)確保正確理解輸出負(fù)載驅(qū)動(dòng)級(jí)的原理和設(shè)計(jì)，這一點(diǎn)很重要。

4.3 為何使用智能高側(cè)開(kāi)關(guān)？

了解電感性負(fù)載驅(qū)動(dòng)背后的原理對(duì)于設(shè)計(jì)長(zhǎng)期可靠的智能高側(cè)開(kāi)關(guān)解決方案至關(guān)重要。電感性負(fù)載驅(qū)動(dòng)有兩個(gè)方面需要考慮：導(dǎo)通階段和關(guān)斷階段。

4.4 導(dǎo)通階段

圖 4-2. 電感性負(fù)載導(dǎo)通階段

如圖 4-2 所示的導(dǎo)通階段始于電源電壓 VBAT 最初施加到未充電的電感性負(fù)載之時(shí)。這會(huì)使得負(fù)載電流從零呈指數(shù)上升。在未充電的電感器上施加階躍電壓 VBAT 時(shí)，可根據(jù) 方程式 29 計(jì)算電流。

時(shí)間常數(shù) τ 決定了電流的壓擺率，并且是負(fù)載電阻和電感的函數(shù)。負(fù)載曲線也決定了穩(wěn)態(tài)電流 ILOAD,DC（通過(guò)方程式 31，該電流大約在時(shí)間 t = 3τ 達(dá)到）以及存儲(chǔ)的磁能 E（通過(guò)方程式 32）。

使用包含開(kāi)路負(fù)載檢測(cè)功能的智能高側(cè)開(kāi)關(guān)時(shí)，請(qǐng)確保開(kāi)關(guān)等待足夠長(zhǎng)的時(shí)間，讓電流上升，然后再聲明開(kāi)路負(fù)載。還要確保智能高側(cè)開(kāi)關(guān)能夠處理直流電流。如果電流高于器件數(shù)據(jù)表中的規(guī)格，則會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)內(nèi)部較高的功率耗散并造成熱關(guān)斷。

4.5 關(guān)斷階段

電感性負(fù)載力圖在一個(gè)方向上保持連續(xù)的電流流動(dòng)。當(dāng)將感性負(fù)載關(guān)斷后，電感性負(fù)載會(huì)反轉(zhuǎn)所施加電壓的極性，以防止電流立即流失。這說(shuō)明，如果電感性負(fù)載上的電壓在導(dǎo)通階段為正，則在移除所施加的電源后將變?yōu)樨?fù)。

在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)之前的那一刻，負(fù)載電流 I0 等于 ILOAD,DC（可根據(jù) 方程式 31 計(jì)算得出）。在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)之后的那一刻，電感器電流開(kāi)始以連續(xù)函數(shù)的形式從 I0 衰減到零。當(dāng) dI/dT 為負(fù)且未施加 VBAT 時(shí)，電感性負(fù)載上的電壓將反轉(zhuǎn)，并且在高側(cè)開(kāi)關(guān)輸出端將出現(xiàn)負(fù)電壓。圖 4-3 展示了這一過(guò)程

圖 4-3. 電感性負(fù)載關(guān)斷階段

應(yīng)用基爾霍夫電壓定律可得出方程式 33。

其中，VL 為負(fù)載電感元件上的電壓，VR 為負(fù)載電阻元件上的電壓，VCLAMP 為瞬態(tài)電壓尖峰期間開(kāi)關(guān) FET VDS 上的電壓，VBAT 為電源電壓。方程式 34 和方程式 35 所示為用于電阻器和電感器的歐姆定律：

將它們代入方程式 33 中得到方程式 36：

調(diào)整方程式 36 以得到方程式 37，這是負(fù)載電流的一階微分方程。

方程式 38 對(duì)此進(jìn)行了求解。

其中，I0 為開(kāi)關(guān)最初斷開(kāi)時(shí)的電流。方程式 38 表明電流以負(fù)斜率和時(shí)間常數(shù) τ = L/R 呈指數(shù)衰減。該公式用作計(jì)算電感性負(fù)載退磁能量的基礎(chǔ)。電流有兩個(gè)分量：公式左側(cè)由穩(wěn)態(tài)電流貢獻(xiàn)，右側(cè)由通過(guò)指數(shù)時(shí)間因子進(jìn)行調(diào)整的瞬態(tài)電流貢獻(xiàn)。當(dāng)總電流為零且兩個(gè)分量相等時(shí)，負(fù)載將完全退磁。

請(qǐng)注意，方程式 38 僅從時(shí)間 t = 0 起有效，直到負(fù)載完全退磁。該退磁時(shí)間將在下一部分中計(jì)算。

4.5.1 退磁時(shí)間

退磁時(shí)間 TDEMAG 是指電流從 I0 衰減到零所需的時(shí)間。此時(shí)間是之后計(jì)算總退磁能量所必需的參數(shù)。

為了計(jì)算 TDEMAG，可在總電流等于 0 時(shí)求解方程式 38。

方程式 42 表明退磁時(shí)間與時(shí)間常數(shù) L/R 成正比，并且隨著 I0 的增大、VCLAMP 的降低和 VBAT 的升高而增加。

4.5.2 退磁期間的瞬時(shí)功率損耗

在這段退磁時(shí)間內(nèi)，電感器能量被高側(cè)開(kāi)關(guān)吸收。通過(guò)開(kāi)關(guān)的瞬時(shí)功率可根據(jù)開(kāi)關(guān)上的電壓以及負(fù)載電流采用 方
程式 43 計(jì)算得出。

方程式 43 與方程式 38 合并后可得到方程式 44：

采用 方程式 42 計(jì)算退磁時(shí)間和采用 方程式 44 計(jì)算瞬時(shí)功率后，可以計(jì)算出退磁能量。

4.5.3 退磁期間耗散的總能量

在關(guān)斷期間，必須將高側(cè)開(kāi)關(guān)中的退磁能量耗散掉。如果未經(jīng)適當(dāng)退磁，F(xiàn)ET 會(huì)受到嚴(yán)重?fù)p害，并且還會(huì)在系統(tǒng)的其他地方造成損害。

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