本應(yīng)用筆記解釋了如何在高邊工業(yè)負(fù)載開關(guān)應(yīng)用中選擇與MAX14922配合使用的合適的外部n溝道MOSFET。

介紹

高邊開關(guān)通?？刂乒I(yè)負(fù)載，通常稱為數(shù)字輸出設(shè)備。工業(yè)數(shù)字輸出負(fù)載本質(zhì)上通常是感性的。高邊開關(guān)用于燈的驅(qū)動(dòng)控制、繼電器控制以及驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器負(fù)載/螺線管等應(yīng)用。盡可能快地打開或關(guān)閉負(fù)載可實(shí)現(xiàn)高效的電力利用。但是，它也會(huì)產(chǎn)生不需要的電壓尖峰，如果未正確選擇組件，則對(duì)開關(guān)和控制器有害。

MAX14922是控制和驅(qū)動(dòng)外部n溝道MOSFET器件的簡(jiǎn)單有效方法，可減少元件數(shù)量，同時(shí)提供工業(yè)和安全應(yīng)用所需的高效可靠性能。

本應(yīng)用筆記解釋了如何選擇合適的外部n溝道MOSFET，以及如何根據(jù)應(yīng)用需求選擇合適的保護(hù)。

MAX14922用于高邊工業(yè)輸出應(yīng)用

圖1.MAX14922具有外部FET驅(qū)動(dòng)典型數(shù)字輸出負(fù)載/執(zhí)行器。

MAX14922的典型高邊開關(guān)應(yīng)用具有以下重要元件：

外部功率場(chǎng)效應(yīng)管 （nMOS）

保護(hù)二極管TVS（在源端子）

VDD 或系統(tǒng)電源輸入端的可選保護(hù)二極管

C空白在故障/過流條件下自動(dòng)重試的電容

圖1所示為簡(jiǎn)化的應(yīng)用電路，MAX14922將系統(tǒng)電源輸入連接至典型工業(yè)負(fù)載。電磁負(fù)載通過消耗來自輸入的功率來將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能來工作。應(yīng)用的要求決定了負(fù)載的功率處理能力，這決定了系統(tǒng)的工作電流。

MAX14922的優(yōu)點(diǎn)

基于MAX14922的高邊開關(guān)電路具有以下主要優(yōu)勢(shì)：

MAX14922適用于典型24V直流電源的應(yīng)用，以及工作電壓高達(dá)70V的高壓工業(yè)電源。

根據(jù) n 溝道 MOSFET （M1） 的定義，可以實(shí)現(xiàn)高電流。

超低電阻德森開關(guān)電阻可由 n 溝道 MOSFET 定義。

高電感能量開關(guān)和箝位，由外部GND連接的TVS定義。

與電源電壓無關(guān)的感性負(fù)載關(guān)斷或退磁時(shí)間，因?yàn)門VS箝位與GND連接。

支持極快的感性負(fù)載關(guān)斷：MAX14922在輸出端（源極）允許高達(dá)-70V的非常高的感性箝位電壓。

通過集成比較器監(jiān)視開關(guān)輸出。

選擇合適的 N 溝道功率 FET

該應(yīng)用指示工作電壓和電流，由負(fù)載/執(zhí)行器的負(fù)載需求決定。謹(jǐn)慎選擇R最低的外部FET德森.這樣可以實(shí)現(xiàn)從電源到負(fù)載的高效電力輸送。高邊開關(guān)功能的總壓降為：

等式 1

其中 RS是檢測(cè)電阻的電阻。保持通道導(dǎo)通電阻 R德森確保更低的功耗。

n溝道FET的最大漏源電壓（VDSS） 或 VBR必須等于或大于 V鉗電壓 + VDD.五世鉗是浪涌或負(fù)載關(guān)斷期間的負(fù)箝位電壓，由TVS箝位電壓決定。有關(guān)更多信息，請(qǐng)參閱有關(guān)感應(yīng)退磁和浪涌保護(hù)的部分。MOSFET 的閾值電壓 （V千） 必須大于 0.8V 且能夠處理 V一般事務(wù)人員電壓高達(dá)16V。應(yīng)用中的正常功能負(fù)載電流和故障電流必須在n溝道FET的安全工作區(qū)（SOA）內(nèi)。SOA 與溫度相關(guān)。因此，F(xiàn)ET必須降額至所需的工作溫度，以確保開關(guān)在標(biāo)稱工作條件下。

過流事件期間的消隱時(shí)間和自動(dòng)重試

安裝或維護(hù)過程中的接線錯(cuò)誤、負(fù)載隨時(shí)間推移的磨損或執(zhí)行器的突然損壞是負(fù)載故障的典型原因。串聯(lián)感應(yīng)電阻RS、MAX14922和外部FET協(xié)同工作，在過流故障或短路時(shí)調(diào)節(jié)設(shè)定電流一段時(shí)間。然后，如果過流情況持續(xù)存在，則強(qiáng)制關(guān)閉FET，僅在自動(dòng)重試時(shí)間后重新打開。這樣，開關(guān)/電源和組件塊受到保護(hù)，故障情況被中繼到系統(tǒng)控制器進(jìn)行干預(yù)。

短路 t空白如果不希望選擇消隱時(shí)間和自動(dòng)重試模式，則在過流事件期間，接地輸入可實(shí)現(xiàn)連續(xù)的最大設(shè)定電流調(diào)節(jié)輸出。在這種情況下必須小心，因?yàn)橥獠縁ET被迫處于阻性或線性模式，這會(huì)增加功耗。當(dāng)連續(xù)功耗超過n溝道FET的散熱規(guī)格時(shí)，F(xiàn)ET會(huì)損壞，從而影響應(yīng)用。

所選 FET 的 SOA 曲線（例如 Si7322DN）（圖 2）提供了有關(guān)其可處理的最大漏極電流（作為 V 函數(shù)）的關(guān)鍵信息DS和持續(xù)時(shí)間。這里的漏極電流與最大R相關(guān)S電流限制。

圖 2 顯示，對(duì)于給定的 VDS（負(fù)載處的最大電源電壓，為 VDD） 隨著負(fù)載電流沿 y 軸增加，其導(dǎo)通時(shí)間在右側(cè)的第二個(gè) y 軸上減小。此信息用于確定適當(dāng)?shù)?C空白電容，設(shè)置消隱時(shí)間和自動(dòng)重試功能，以確保FET保持在安全的工作區(qū)域內(nèi)。有關(guān) SOA 隨溫度降額的更多信息，請(qǐng)參見參考鏈路（MOSFET 安全工作區(qū)降額 - 東芝）。

圖2.Si7322DN 的 SOA。由 Si7322DN 數(shù)據(jù)手冊(cè)中的 TOC 提供。

感應(yīng)退磁

MAX14922打開或關(guān)閉外部開關(guān)（FET），為負(fù)載供電或切斷電源。如果負(fù)載是感性的或用沿負(fù)載線產(chǎn)生電感的長(zhǎng)電纜連接。突然關(guān)閉電源會(huì)產(chǎn)生不需要的反電動(dòng)勢(shì)，其中存儲(chǔ)在感性負(fù)載上的能量必須安全地消散回電源返回路徑。FET源頭的感性負(fù)載退磁需要外部TVS保護(hù)，以安全地耗散能量。TVS 限制源端的負(fù)電壓偏移，以保持 VDS場(chǎng)效應(yīng)管低于 VDSS.負(fù)載電感中儲(chǔ)存的能量（EL） 定義為：

等式 2

我在哪里負(fù)荷是工作負(fù)荷電流。

源極輸入端的TVS二極管（圖3）耗散負(fù)載產(chǎn)生的反向電磁干擾（EMF），以t為單位德馬格秒為：

等式 3

其中 VDD是 FET 漏極處的應(yīng)用電源輸入。

V鉗是TVS箝位電壓，用于防止負(fù)過壓。

R是負(fù)載的等效電阻（VDD/我負(fù)荷)

負(fù)載電感（L）和有效直流電阻（R）是基于負(fù)載的參數(shù)。V 越高鉗電壓，TVS 花費(fèi)的速度越快（時(shí)間 = t德馬格）來耗散儲(chǔ)存的能量。場(chǎng)效應(yīng)管的 VDSS必須大于或等于 V鉗+ VDD的應(yīng)用程序。

圖3.典型 24V 應(yīng)用圖，在 S 處使用 TVS 或 PN 二極管。

圖 4a.慢速 t德馬格當(dāng)使用具有320mA和1H電感的PN二極管時(shí)，以及75？電阻。

圖 4b.快速 t德馬格使用電感為450mA和1.5H的TVS二極管時(shí)。

圖4a顯示了使用二極管箝位電感能量時(shí)的退磁波形。二極管的低正向電壓典型值為-0.3V，可實(shí)現(xiàn)60ms的超長(zhǎng)退磁時(shí)間。

圖4b顯示了使用SMB33CA TVS時(shí)的退磁曲線，該電壓箝位為-37V，即使初始負(fù)載電流高40%，也能更快地退磁16ms。

保護(hù)的選擇會(huì)影響負(fù)載的關(guān)閉速度，而PN二極管的選擇會(huì)阻礙感性負(fù)載的開關(guān)速率。

隨著高端開關(guān)開關(guān)速率的增加，箝位中的功耗成比例增加。必須選擇電感箝位，以便在最高開關(guān)速率下允許功耗。

退磁期間的電感放電電流（圖4b）可以近似為線性模型，以計(jì)算TVS消耗的峰值和平均能量。箝位兩端放電電流三角形下方的區(qū)域（圖4b）持續(xù)17ms，提供箝位兩端的平均能量。

箝位兩端的峰值功率 = I負(fù)荷（一） x （|V鉗|V）等式4

在退磁事件期間，夾具耗散的能量為：

E鉗= 0.5 x I負(fù)荷（一） x （|V鉗|V） x t德馬格等式 5

應(yīng)用的電涌保護(hù)：選擇合適的TVS

浪涌水平要求由終端設(shè)備制造商定義，系統(tǒng)能夠處理這些級(jí)別的保護(hù)至關(guān)重要。通常，數(shù)字輸出 （DO） 具有 42？測(cè)試儀源阻抗特性。表1所示為MAX14922源端針對(duì)特定浪涌電平觀察到的峰值電流。

TVS的選擇必須基于TVS數(shù)據(jù)手冊(cè)中額定峰值電流內(nèi)峰值電流的能力（短路期間的電流波形為8μs/20μs，基于IEC 61000-4-5）。

表 1.浪涌電流值為 42？浪涌發(fā)生器阻抗

圖 5a.適用于 24V 應(yīng)用的浪涌保護(hù)。

圖 5b.60V應(yīng)用的浪涌保護(hù)。

圖5a顯示了24V應(yīng)用的典型保護(hù)。MAX14922S端的TVS二極管通過它吸收浪涌能量。應(yīng)用的浪涌能力水平取決于TVS特性（鉗位電流、額定功率）的選擇。電源輸入端的保護(hù)二極管（VDD） 保護(hù)應(yīng)用程序的電源側(cè)。

圖5b顯示了60V應(yīng)用的典型保護(hù)。負(fù)浪涌瞬變由MAX14922S端的TVS二極管耗散。正浪涌的能量通過外部FET的體二極管傳導(dǎo)，并被電源側(cè)的TVS保護(hù)二極管吸收（VDD).

設(shè)計(jì)示例

我們來看看如何使用MAX14922開關(guān)控制器設(shè)計(jì)高邊開關(guān)，以滿足這些設(shè)計(jì)目標(biāo)：

60V最大電源電壓（一般工作電壓為24V或48V）

2A 標(biāo)稱負(fù)載電流

1.2H 最大感性負(fù)載

可承受 ±2kV 浪涌 （IEC 61000-4-5， 42O R系列)

工作溫度（-40°C 至 +85°C）

開關(guān)特性：占空比 （~10%），頻率 （0.5Hz）

電感退磁的最小鉗位電壓為 -33V

確定檢測(cè)電阻RS

重要的是要考慮串聯(lián)檢測(cè)電阻R的容差和溫度系數(shù)S和限流電壓閾值VCL.由容差和溫度系數(shù)引起的變化增加了工作電流范圍的裕量，如下所示：

我在哪里旅行是應(yīng)用中允許的最大電流。當(dāng)負(fù)載電流超過設(shè)定的電流限值時(shí)，MAX14922主動(dòng)控制MOSFET V一般事務(wù)人員將負(fù)載電流調(diào)節(jié)至 I旅行.

五世CL容差為 ±10%，帶一個(gè)檢測(cè)電阻 RS容差為 1%，溫度系數(shù)為 ±300ppm。跳閘電流最大和最小限值計(jì)算如下，工作電流為2A：

最大電流限制：

等式 6

檢測(cè)到的最小電流限值：

等式 7

額定負(fù)載電流水平必須小于ITRIP_MIN水平以確保功能正常。如果檢測(cè)電阻值保持在300ppm以下，則檢測(cè)電阻（TCR）的溫度系數(shù)在25°C至125°C的溫度變化范圍內(nèi)小于1mO。

選擇 RS考慮溫度變化為-40°C至+85°C的12mO。

考慮12mO檢測(cè)電阻，以下是容差V的考慮因素CL和 R意義在 -40°C 至 +85°C 的給定溫度范圍內(nèi)加在一起：

33mV/11.8m？RS（-1% - 300ppm TCR）（11.88m - 0.09m） = 2.8A

該值必須小于負(fù)載I的最大額定電流TRIP_MAX.

RS= 12m？是給定條件的可接受值。

確定外部 N 溝道 MOSFET

基于最小感箝位電壓以實(shí)現(xiàn)感性負(fù)載的快速退磁，可以找到最大鉗位電壓為40V的TVS。

合計(jì) VDSS箝位電壓為 （VDD， wCLAMP_MAX） = 100V。

n溝道MOSFET的選擇必須具有VDSS大于或等于至少100V。允許 V 的變化DD電壓，雖然工作電壓為60V（最大值）和鉗位電壓公差，但最大VDSS所選的 FET 必須 = 100V。

選擇具有三極管區(qū)域 R 的 MOSFET德森.

請(qǐng)記住，MAX14922可以驅(qū)動(dòng)具有QG< 40nC.以下 MOSFET 是幾種選擇：

Si7322DN （100V 時(shí)）， 18A， 48mO R德森具有 13nC 的柵極電荷。

FDD770N15A， 200V， 18A， 77mO R德森柵極電荷為11nC。

假設(shè)箝位電壓為 33V（單向）。

在浪涌和感應(yīng)退磁期間，所有能量都通過TVS二極管耗散。對(duì)于 ±2kV 浪涌保護(hù)，TVS 必須能夠處理 48A 的峰值浪涌電流。

消磁時(shí)間t德馬格= 從公式3獲得的39.2ms

峰值功率 = 2A x （36V） = 2A x 36 = 72W，電感中存儲(chǔ)的能量 = 2.4J（來自 Eqn4 和 Eqn1）

E鉗= 0.5 x 36V x 2A x 39.2ms = ~1.413J。從公式 5

72 W是TVS消耗的峰值功率（36V x 2A），或39.2ms的平均功率為36W（PAVG_DEMAG).負(fù)載的等效直流電阻通過該等效電阻將部分存儲(chǔ)的能量作為熱量消散。

審核編輯：郭婷