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[经验]

通过安全退磁来切换感应负载

2020-9-25 10:51:18  191 二极管 感性负载 MOSFET
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本应用笔记旨在为系统工程师提供Maxim MAX14912 / MAX14913产品独特功能的详细信息,并特别说明如何利用Maxim的SafeDemag™专利技术安全地处理这些产品的24V DC负载“无限电感”特征。
感性负载是具有金属丝线圈的任何设备,当通电时,它们通常执行某种机械工作,例如螺线管,电动机和致动器。电流引起的磁场可以使继电器或接触器中的开关触点移动,操作电磁阀或使电动机中的轴旋转。
对于大多数工业应用,工程师使用高端开关来控制感性负载,而挑战在于,当开关断开且电流不再流向负载时,如何释放电感器中的能量。不能正确释放此能量的负面影响包括继电器触点的潜在电弧放电,大的负电压尖峰会损坏敏感的IC,以及会影响系统性能的高频噪声或EMI的产生。

感性负载和二极管保护当电流通过电感器时,能量被存储。使用图1中的电路以及图2中所示的电流和电压曲线说明了电感性负载的DC瞬态响应。


图1.用于直流瞬态响应的LR电路

图2.感性负载的VI
  • 当开关断开时,没有电流流过,并且输出或负载电压为0V。
  • 当开关闭合时,电流呈指数上升(受与感应器产生的电源极性相反的反电动势(EMF)限制)达到稳态值。系统输出电压定义为 <span id="MathJax-Element-1-Frame" class="mjx-chtml MathJax_CHTML" tabindex="0" data-mathml="VOUT=I×RL+Ldidt" role="presentation">VØüŤ=一世×[R大号+大号d一世dŤVOUT=I×RL+Ldidt 最初,当开关闭合(电流为零)时,电感两端的电压(V L)上升至电源电压。随着电流的增加,V L  衰减直至稳态电流(当 <span id="MathJax-Element-2-Frame" class="mjx-chtml MathJax_CHTML" tabindex="0" data-mathml="didt" role="presentation">d一世dŤdidt = 0)到达哪里 <span id="MathJax-Element-3-Frame" class="mjx-chtml MathJax_CHTML" tabindex="0" data-mathml="Is=VSUPPLYR" role="presentation">一世s=V小号üPP大号ÿ[RIs=VSUPPLYR。
  • 当开关断开时,电流以指数方式衰减至零。
  • 开关断开时,电流变化会导致产生反电动势。该反电动势具有与电流相反的极性,从而导致V L  具有负电压尖峰。随着电流衰减至零,电感两端的负电压恢复为0V。
在实际电路中,最常用的电感负载放电解决方案(图3)是使用续流二极管。在此电路中,当开关闭合时,二极管反向偏置并且不传导任何电流。当开关断开时,电感两端的负电压使二极管正向偏置,从而通过传导电流通过二极管直到达到稳态且电流为零来使存储的能量衰减。


图3.续流二极管
二极管必须能够处理关断时的初始电流,该电流等于开关闭合时流过电感器的稳态电流。另外,二极管的额定电压需要处理正电压电平和负电压电平之间的摆动。经验法则(1)  是选择一个二极管,该二极管的额定值至少应等于电感线圈汲取的电流量,并且其额定值至少应为负载工作电压的两倍。对于许多应用,尤其是那些工业应用中的每个IO卡具有多个输出通道的应用,该二极管通常在物理上非常大,并为BOM增加了可观的额外成本。
简单续流二极管方法的另一个主要缺点是,它会延长通过电感器的电流的衰减。如“抑制线圈会缩短继电器寿命” (2)中所述  ,电流的这种缓慢衰减会产生诸如继电器触点之间“粘连”的问题。对于电流必须更快衰减的应用,另一种解决方案是使用齐纳二极管,如图4所示,该二极管可提供更快的电流斜率而不是指数衰减。开关断开时,电流将通过通用二极管和齐纳二极管路径分流,并保持等于齐纳电压的电压(加上正向二极管压降),直到电感能量耗散为止。


图4.齐纳二极管,电流衰减更快
使用MOSFET的有源钳位对于工业应用,“开关”通常是MOSFET。当在切换电感性负载时MOSFET关闭时,如果没有保护可用,则漏极和源极之间的电压(V DS)升高,直到MOSFET击穿。现代的高端开关经常使用一种称为有源钳位的技术,该技术可 在切换电感性负载时限制V DS,以保护MOSFET。当开关闭合时,MOSFET在饱和模式下完全工作(R DS  为低),但是当开关断开时,MOSFET被驱动为线性模式,其中R DS  为较高电阻。负载在有源钳位期间快速消磁,因为电压较高(V DD  -V CLAMP)耗散存储的能量(请参阅“ DT99-4:智能电源开关(IPS):基本功能和保护。”)。(4)  电压差越大,退磁速度越快;这就是为什么开关IC供应商经常将此功能称为“快速消磁”。


图5.带有有源钳位的高端开关(MOSFET)
在去磁期间,由于MOSFET两端的电压高于负载电压,因此MOSFET的功耗比负载大。这意味着每个开关都可以支持最大的电感负载和负载电流。否则,MOSFET在有源钳位模式下会产生热量。开关供应商通常在其数据表中包括一个图表,以显示可以安全处理的最大电感负载与电感电流之间的关系。

消磁能量公式1定义了电感负载中存储的能量,公式2定义了高端开关消耗的能量:

<span id="MathJax-Element-4-Frame" class="mjx-chtml MathJax_CHTML" tabindex="0" data-mathml="ELOAD=12×L×IL2" role="presentation">Ë大号Ø一种d=1个2×大号×一世2大号ELOAD=12×L×IL2 储存在感应负载中的能量
等式1
<span id="MathJax-Element-5-Frame" class="mjx-chtml MathJax_CHTML" tabindex="0" data-mathml="ESWITCH=12×L×IL2×(VCLAMPVCLAMP−VDD)" role="presentation">Ë小号w ^一世ŤCH=1个2×大号×一世2大号×(VC大号一种中号PVC大号一种中号P-Vdd)ESWITCH=12×L×IL2×(VCLAMPVCLAMP−VDD) 开关耗散的能量(3)
方程式2
其中L是亨利的电感,IL是安培的负载电流。在MOSFET使电感负载断电期间,等效电路如图6所示,其中齐纳二极管有效钳位V DS,  而反馈环路独立于负载电流控制MOSFET的栅极-源极电压。这样,较大的电压在MOSFET(而不是负载)两端下降,从而导致MOSFET在快速消磁模式下耗散了更多的能量(和热量)。一旦能量消散,负载电流便趋于零,MOSFET进入截止模式,而V S  趋于0V。


图6.高端开关快速退磁时的等效电路
系统设计者有责任确保开关(MOSFET)能够处理关断模式期间耗散的更高功率;否则,结温的升高会引起应力并可能损坏开关器件。对于工业控制应用中流行的多通道开关而言,这种情况更糟。

安全退磁尽管高端开关通常具有过流和过热检测功能,但在有源钳位模式(快速消磁)期间,电流由负载中的能量控制,因此在此模式下没有保护(电流或温度)处于活动状态。为了解决快速退磁期间的过多能量消耗以及MOSFET的散热问题,Maxim在MAX14912  和  MAX14913中采用了一种称为安全退磁(SafeDemag)的新架构。  八路高速开关产品。SafeDemag与快速消磁电路配合工作,允许MAX14912和MAX14913安全地关断具有无限电感的负载。在正常关断状态下,高端MOSFET以线性模式工作,以利用快速消磁功能消散电感器能量。如果电感器中的能量以及退磁电流过高,则高端MOSFET开始过热。此时,片上温度传感器会向控制逻辑发出警报,以关闭高端MOSET并打开低端MOSFET,从而为退磁电流提供低电压(从而降低功率)的替代路径,从而允许高侧MOSFET冷却并返回到安全工作极限。


图7.使用低端MOSFET进行安全退磁的电流路径
感性负载开关测试UL 508“工业控制设备”标准是定义工业控制设备要求的标准,并规定了最大负载为48Ω和1.15H。对于本应用笔记中的测试,该标准负载演示并比较了各种高侧开关产品与本应用笔记中已经讨论过的不同去磁方案的性能。所有开关产品均为八通道器件,一个通道用于测试,如图8所示,以展示更高的钳位电压对使用续流二极管的快速退磁与“慢速退磁”的好处。


图8.用于切换一个通道的电感器负载的测试电路
消磁期间单个输出通道的能量耗散公式可从公式3–6推导得出:

<span id="MathJax-Element-6-Frame" class="mjx-chtml MathJax_CHTML" tabindex="0" data-mathml="tDEMAG=LRLOAD×ln(1+VDDVCLAMP−VDD)" role="presentation">ŤdË中号一种G=大号[R大号Ø一种d×升ñ(1个+VddVC大号一种中号P-Vdd)tDEMAG=LRLOAD×ln(1+VDDVCLAMP−VDD)
方程式3 <span id="MathJax-Element-7-Frame" class="mjx-chtml MathJax_CHTML" tabindex="0" data-mathml="EOFF=VCLAMPRLOAD×(L×VDDRLOAD−((VCLAMP−VDD)×tDEMAG))" role="presentation">ËØFF=VC大号一种中号P[R大号Ø一种d×(大号×Vdd[R大号Ø一种d-((VC大号一种中号P-Vdd)׍dË中号一种G))EOFF=VCLAMPRLOAD×(L×VDDRLOAD−((VCLAMP−VDD)×tDEMAG))
方程式4
<span id="MathJax-Element-8-Frame" class="mjx-chtml MathJax_CHTML" tabindex="0" data-mathml="PtOFF=EOFFtDEMAG" role="presentation">PŤØFF=ËØFFŤdË中号一种GPtOFF=EOFFtDEMAG
方程式5 <span id="MathJax-Element-9-Frame" class="mjx-chtml MathJax_CHTML" tabindex="0" data-mathml="PtOUT=VDDRLOAD" role="presentation">PŤØüŤ=Vdd[R大号Ø一种dPtOUT=VDDRLOAD
方程式6
对于此分析,我们假设开关的闭合断开时间比tDEMAG大得多,以允许电感中的能量消散并使开关在再次导通之前达到稳态截止条件。使用表1所列的Maxim和其他IC供应商的市售高端开关IC进行测试。


表1.感性负载开关测试和IC
测试1:续流二极管(“慢磁”)该  MAX14900E评估板  在并行模式下的操作,使用从每个输出通道到V连接的两个二极管MURA205T3G DD  和GND实现续流二极管方案。输入为1Hz方波。图9显示了波形-通道1(黄色)是输入信号,通道2(品红色)是输出电压,而通道4(绿色)是感性负载电流。不出所料,二极管将电压摆幅限制为低于地面1 V,并且消磁速度相对较慢,约为94毫秒。


图9.带有续流二极管的MAX14900E
测试2:快速退磁使用了三种产品:Maxim的MAX14912和两种竞争对手的产品:英飞凌的ITS4880R和STM的VNI8200XP。所有开关均以1Hz方波输入并联运行。图10、11和12分别显示了MAX14912,ITS4880和VNI8200的波形。在每种情况下,通道1(黄色)是输入信号,通道2(洋红色)是输出电压,而通道4(绿色)是电感性负载电流。第一个示波器显示钳位电压,第二个示波器显示消磁时间。


图10.带有快速消磁的MAX14912(A-V CLAMP,B-t DEMAG)

图11. ITS4880具有快速德马格(A - V CLAMP,B -吨DEMAG)

图12. VNI8200 具有快速德马格(A - V CLAMP,B -吨DEMAG)
快速退磁的摘要如预期的那样,快速消磁功能比简单的续流二极管方案提供更快的消磁时间,并且测量值与公式3–6的计算相关。MAX14912的较高钳位电压比竞争对手的产品退磁速度快约20%。


表2.快速退磁测试摘要
测试3:安全消磁(MAX14912)为了给切换施加压力,所有八个输出通道均同时切换。每个输出的负载为1.5H和27Ω。输入由2Hz方波的公共输入信号驱动。测试电路如图13所示。


图13.同时切换所有八个通道的电感负载的测试电路
所有测试均在室温下使用24V电源进行。图14a和14b中ITS4880R的示波器截图显示了波形-通道1(黄色)是输入信号,通道2(洋红色)是输出电压,通道3(茶色)是过热警告引脚,而通道4(绿色) )是感性负载电流。


图14a。ITS4880R同时为所有八个通道提供开关电感负载
在运行几秒钟后,ITS4880R开始过热,并且在输入为高而输出为低的期间内,过热警告引脚被驱动为高电平。当设备温度过高时,保护功能将打开,然后在冷却几毫秒后重新打开。


图14b。ITS4880R同时为所有八个通道提供开关电感负载
再过几秒钟后,从图14b所示的电感器电流波形可以更清楚地看到过热保护的影响。关闭输出开关以防止过热会引起两个问题。第一个是减少消磁的时间(可能无法使感应器完全放电),第二个是没有足够的时间使感应器完全充电(在诸如螺线管或继电器的设备中可能无法正确运行)。
图15a,15b和15c中MAX14912的示波器截图显示了波形-通道1(黄色)是输入信号,通道2(品红色)是输出电压,而通道4(绿色)是感性负载电流。


图15a。MAX14912同时为所有八个通道提供开关电感负载
在图15a和15b中,可以看到SafeDemag功能正在运行。当快速消磁钳开始过热时,SafeDemag开始工作,导致输出电压恢复到0V,同时低压侧开关消耗电感能量。MAX14912冷却时,返回高端“快速消磁”,输出电压返回至钳位电压定义的负值。总的消磁时间增加了,但是随着能量的耗散,电感器电流平滑地衰减。MAX14912继续如图15c所示运行,没有因电感性负载引起的过热问题。


图15b。MAX14912通过SafeDemag同时为所有八个通道提供开关电感负载

图15c。MAX14912八路开关电感负载,同时连续运行
这些测试是在室温下进行的,因此在许多工业应用中发现,在较高温度下运行时,没有SafeDemag的设备的性能甚至会更差。

MAX14912 / MAX14913竞争比较摘要本应用笔记演示了MAX14912 / MAX14913的不同功能,与Maxim的MAX14900以及ITS4880R和VNI8200等竞争器件相比,它们为设计工程师提供了重要的优势。MAX14912具有较高的钳位电压,可对电感性负载进行更快的退磁,并且与其他开关均限制了可开关电感量的开关不同,SafeDemag使MAX14912 / MAX14913能够安全地开关无限电感的负载。SafeDemag还允许MAX14912 / MAX14913使用更小的封装,与竞争产品相比,其占位面积减少了66%。



结论安全切换电感负载的能力对于工业应用至关重要,系统工程师对此问题有不同的解决方案。本应用笔记中的数据表明,使用续流二极管进行慢速消磁比较好,使用有源钳位进行快速消磁更好,但是使用Maxim的SafeDemag是解决此问题的最佳方法。


陀日皓 2020-10-22 08:42:28
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