Ответы на часто задаваемые вопросы о ключах PROFET+2 12V

7 сентября

автомобильная электроникауправление двигателемавтоматизацияInfineonстатьяинтегральные микросхемыMOSFETMotor DrivePROFET

Замена традиционных реле и предохранителей в автомобильных системах распределения питания и управления нагрузками, а также в промышленных системах электропитания постоянного тока на интеллектуальные силовые ключи – массово идущий процесс. Ведущую роль в нем играют силовые ключи PROFET производства Infineon. Специалисты компании отвечают на основные вопросы, возникающие при этом у разработчиков.

Разработанные компанией Infineon интеллектуальные силовые ключи PROFET относятся к элементной базе нового поколения, до недавнего времени не имевшей аналогов среди традиционных коммутирующих приборов. Использование этих микросхем позволяет значительно уменьшить размеры систем распределения электрической энергии постоянного тока с одновременным повышением их надежности и функциональности.

Однако, как это часто бывает со многими инновационными технологиями, переход на современные продукты на первых порах происходит медленно, поскольку многие производители электроники предпочитают старые, проверенные временем решения. Тем не менее, во многих приложениях использование новой элементной базы становится объективной необходимостью, поскольку традиционные приборы уже не в состоянии удовлетворить постоянно возрастающие потребности конечных приложений.

В статье приведены ответы на самые распространенные вопросы, связанные с интеллектуальными силовыми ключами PROFET+2 12V, задаваемые специалистам компании Infineon инженерами, обратившими внимание на эти микросхемы. Хотя они и не дают исчерпывающей информации об этих приборах – для этого требуется внимательное изучение технической документации – их вполне достаточно для общего понимания технологии интеллектуального управления питанием и принятия решения о потенциальной возможности использования данных продуктов в конечных приложениях.

Что такое ключ PROFET и для чего он нужен?

Аббревиатура PROFET образована от словосочетания «PROtected mosFET», которое можно дословно перевести как «защищенный полевой транзистор с изолированным затвором». В технической литературе аналогичные приборы могут называться «интеллектуальными питающими устройствами» (Intelligent Power Device, IPD) или «драйверами верхнего плеча» (High-Side Driver, HSD). Ключи PROFET предназначены для коммутации положительной шины питания с напряжением 12 В, 24 В или 48 В. Таким образом, с помощью этих микросхем можно управлять энергоснабжением самых разнообразных систем, требующих для своей работы постоянного напряжения.

Наибольшее распространение ключи PROFET нашли в автомобильной технике. На сегодняшний день эти микросхемы уже широко используются в электронных блоках управления (Electronic Control Units, ECU) осветительными приборами (фарами, подсветкой салонов и багажников), обогревателями (стекол и сидений), двигателями постоянного тока (стеклоочистителями, насосами), а также в системах распределения питания (в интеллектуальных распределительных панелях – Smart Junction Box).

Ключи PROFET – не единственные интеллектуальные приборы, разработанные компанией Infineon для систем электропитания постоянного тока. Например, в цепях коммутации общего провода можно использовать ключи нижнего плеча HITFET, а для управления нагрузками, требующими подачи напряжения по полумостовой или мостовой схемам – ключи NovalithIC. Это свидетельствует о комплексном подходе компании Infineon к вопросам интеллектуального управления питанием, ведь с помощью данного набора микросхем можно решить практически все задачи, связанные с коммутацией потребителей постоянного тока.

Основным элементом ключей PROFET является мощный N-канальный MOSFET, управляемый драйвером, построенным по технологии накачки заряда (рисунок 1). Общее управление микросхемой производится путем подачи на ее информационные входы маломощных сигналов с логическими уровнями напряжений 3,3 В или 5 В, что позволяет подключать их к большинству существующих микроконтроллеров, например, к бортовому компьютеру автомобиля, без использования каких-либо дополнительных преобразователей уровней или буферных устройств. Таким образом, функционально ключи PROFET являются усилителями мощности, позволяющими управлять питанием мощных нагрузок с помощью маломощных сигналов.

Рис. 1. Типовая схема применения ключей PROFET+2 12V

Рис. 1. Типовая схема применения ключей PROFET+2 12V

Защита силового MOSFET обеспечивается интегрированной схемой управления, автоматически выключающей транзистор при возникновении аварийных режимов работы, в том числе при перегреве, перегрузке по току и коротком замыкании в цепи нагрузки. Кроме этого, в микросхемах PROFET предусмотрен отдельный выход IS, на котором можно сформировать напряжение, пропорциональное току нагрузки, что позволяет, например, бортовому компьютеру автомобиля не только управлять питанием оборудования, но и анализировать его состояние.

Благодаря такому сочетанию функций интеллектуальные ключи PROFET могут заменить плавкие предохранители и электромеханические реле, традиционно использующиеся в системах электроснабжения постоянного тока. При этом следует учитывать, что микросхемы PROFET выпускаются в компактных корпусах, предназначенных для поверхностного монтажа, и не требуют для своей работы радиаторов и систем принудительного охлаждения. Это позволяет значительно увеличить удельную мощность систем электроснабжения с одновременным увеличением их надежности и функциональности, ведь срок службы микросхем PROFET значительно превышает срок службы электромеханических приборов, а анализ состояния управляемого оборудования позволяет предупредить о возникновении аварийной ситуации задолго до ее наступления.

Каковы ключевые преимущества микросхем PROFET?

Микросхемы PROFET являются компактными высокоинтегрированными решениями, для работы которых необходимо минимальное количество внешних компонентов, в частности:

  • один ограничитель напряжения питающей шины (TVS-диод);
  • один блокировочный керамический конденсатор размером 0805 или 0603 в цепи питания;
  • один блокировочный керамический конденсатор размером 0805 или 0603 в цепи нагрузки (для многоканальных микросхем такой конденсатор необходим для каждого выхода);
  • один токоизмерительный резистор;
  • по одному подтягивающему резистору на каждой линии управления.

Микросхемы PROFET имеют встроенный измерительный узел, формирующий на выходе IS ток IIS, пропорциональный выходному току IL. После подключения между этим выводом и общим проводом резистора с определенным сопротивлением появляется возможность анализа состояния нагрузки путем измерения напряжения на выводе IS, например, с помощью АЦП.

При возникновении ситуаций, которые могут привести к разрушению микросхемы, например, перегрева, перегрузки по току или короткого замыкания в цепи нагрузки, силовой MOSFET выключается, прекращая подачу напряжения на выход. В этом состоянии ключ будет находиться до тех пор, пока на его управляющих входах не сформирована последовательность сигналов сброса или пока не будет отключено питание микросхемы. В состоянии блокировки через токоизмерительный вывод IS протекает ток определенной величины, что позволяет центральному процессору определить как факт возникновения аварии, так и ее причину.

Каковы ключевые преимущества микросхем семейства PROFET+2 12V?

Интеллектуальные силовые ключи PROFET+2 12V предназначены для управления питанием в системах электроснабжения постоянного тока с номинальным напряжением 12 B. Микросхемы поддерживают как непрерывный способ подачи энергии, так и импульсный с относительно невысокой частотой. Импульсный метод позволяет регулировать среднее значение выходного напряжения, например, с помощью ШИМ, что, в свою очередь, позволяет управлять параметрами работы оборудования, например, яркостью фар или скоростью подач топлива.

Диапазон рабочих напряжений микросхем PROFET+2 12V находится в пределах 6…18 В, однако состояние внутренних регистров их схем управления сохраняется при просадке напряжения до 3,1 В (для микросхем BTS7200-2EPC – до 2,7 В), что позволяет сохранять работоспособность при перегрузках системы электроснабжения, например, при запуске двигателя автомобиля, при этом максимально допустимое напряжение на питающей шине может достигать 24 В. Таким образом, микросхемы PROFET+2 12V максимально адаптированы для работы именно в 12-вольтовых системах. В системах электропитания с номинальным напряжением 3,3 В, 5,5 В или 24 В они нормально работать не будут.

Диапазон температур окружающей среды, при которой микросхемы PROFET+2 12V сохраняют свою работоспособность, находится в пределах -40…125⁰С, при этом температура кристалла может достигать 150⁰С.

Микросхемы PROFET+2 12V выпускаются в компактных корпусах PG-TSDSO-14,  занимающих минимум места на печатной плате. В частности, корпус PG-TSDSO-14 имеет в два раза меньшую площадь, чем DPAK (TO252), используемый в конкурирующих решениях (рисунок 2).

Рис. 2. Сравнение корпусов PG-TSDSO-14 с корпусами других типов

Рис. 2. Сравнение корпусов PG-TSDSO-14 с корпусами других типов

Таким образом, ключевыми преимуществами микросхем семейства PROFET+2 12V являются:

  • развитый модельный ряд – на момент написания статьи семейство PROFET+2 12V является самым многочисленным семейством интеллектуальных ключей на рынке (таблица 1);
  • компактные размеры – все микросхемы семейства PROFET+2 12V выпускаются в малогабаритных корпусах PG-TSDSO-14, предназначенных для поверхностного монтажа;
  • наличие многоканальных моделей, содержащих до четырех силовых каналов;
  • широкий диапазон выходных токов, позволяющий выбрать микросхему для управления как маломощными светодиодными лампами, так и мощными нагрузками с током до 20 А;
  • возможность гибкого выбора микросхем – набор поддерживаемых функций определяется версией микросхемы и указывается в ее маркировке специальным суффиксом (EPP, EPA или EPZ), что позволяет подбирать микросхемы, наилучшим образом подходящие для конкретной задачи.

Основной областью применения микросхем PROFET+2 12V являются автомобильные приложения, в числе которых:

  • подогрев сидений;
  • обогрев зеркал и стекол салона;
  • управление питанием системы зажигания;
  • управление всеми видами фар (ходовые, указатели поворотов, противотуманные, габаритные, стоп-сигнал и т.п.);
  • управление всеми видами освещения (освещение салона, багажника и других отделений автомобиля);
  • управление автомобильными электромеханическими реле.

Таблица 1. Основные характеристики микросхем семейства PROFET+2 12V

Ток нагрузки, А Модель Количество каналов
21 BTS7002-1EPP 1
15 BTS7004-1EPP 1
BTS7004-1EPZ 1
13 BTS7006-1EPP 1
BTS7006-1EPZ 1
10…11 BTS7008-1EPP 1
BTS7008-1EPA 1
BTS7008-1EPZ 1
8…9 BTS7010-1EPA 1
BTS7012-1EPA 1
7…7,5 BTS7008-2EPA 2
BTS7008-2EPZ 2
6…6,5 BTS7010-2EPA 2
BTS7012-2EPA 2
5…5.5 BTS7020-2EPA 2
4…4,5 BTS7040-1EPA 1
BTS7040-1EPZ 1
BTS7030-2EPA 2
3…3,5 BTS7040-2EPA 2
BTS7080-2EPA 2
BTS7080-2EPZ 2
2…2,5 BTS7120-2EPA 2
1…1,5 BTS7200-2EPA 2
BTS7200-2EPC 2
BTS7200-4EPA 4

Как ведут себя микросхемы PROFET+2 12V в аварийных ситуациях? 

Обрыв в цепи вывода GND. При нарушении соединения вывода GND с общим проводом поведение микросхемы будет зависеть от величины паразитного заземления, всегда существующего между микросхемой и другими элементами системы. Поэтому поведение ключа PROFET при возникновении подобной аварии будет неоднозначно: микросхема может с одинаковой вероятностью как отключиться, так и оставаться в рабочем состоянии.

Смещение потенциала вывода GND. В целом микросхемы PROFET устойчивы к наличию небольшой разницы потенциалов между выводом GND и общим проводом системы. Однако если ее величина превышает ±1 В, то могут возникнуть проблемы с электромагнитной совместимостью и наблюдаться увеличение коммутационных потерь.

Уменьшение (отключение) напряжения питания. При уменьшении напряжения на входе микросхемы (вывод VS) ниже определенного порога силовой MOSFET выключится и будет оставаться в выключенном состоянии до тех пор, пока напряжение на выводе VS не увеличится до 4,1 В (при условии, что к этому времени на выводе IN все еще будет присутствовать высокий логический уровень). Для предотвращения случайных срабатываний включение MOSFET происходит не сразу, а спустя 5 мс, после того, как напряжение на выводе VS превысит 4,1 В.

Перегрев. Когда температура перехода микросхем PROFET+2 12V достигает 175⁰С силовой MOSFET выключается, а на токоизмерительном выходе IS устанавливается ток, соответствующий этому состоянию. В этом случае возобновление питания нагрузки возможно только после остывания кристалла и подачи на управляющие входы последовательности сигналов, соответствующей команде «сброс». Причинами перегрева микросхем PROFET могут быть повышенный ток нагрузки, недостаточное качество пайки микросхемы, ошибки при проектировании печатной платы, а также чрезмерное увеличение температуры окружающей среды.

Перегрузка по току. При увеличении тока нагрузки выше номинального значения кристалл силового MOSFET начинает интенсивно разогреваться. Это будет происходить до тех пор, пока не сработает защита от перегрузки по току или защита от перегрева. После этого силовой MOSFET выключится, а на выводе IS установится ток, соответствующий этому состоянию. В этом случае возобновление питания нагрузки возможно только после остывания микросхемы (если сработала защита от перегрева) и подачи на управляющие входы последовательности сигналов сброса.

Короткое замыкание выхода на общий провод. При уменьшении величины активного сопротивления между выходом микросхемы и общим проводом, например, в результате повреждения электропроводки автомобиля, возникают токи очень большой величины, способные как повредить микросхему PROFET, так и стать причиной пожара. В этом случае силовой MOSFET очень быстро выключается (время выключения не превышает 20 мкс после обнаружения экстратока), а на выходе IS устанавливается ток, соответствующий этому режиму. Возобновление питания нагрузки возможно только после подачи на управляющие входы последовательности сигналов, соответствующей команде «сброс». При этом ключи PROFET+2 с суффиксом EPA в маркировке могут автоматически пытаться возобновить подачу питания и окончательно заблокироваться, только если режим короткого замыкания был обнаружен семь раз подряд.

Короткое замыкание в цепи нагрузки определяется по величине потребляемого ею тока, поэтому, когда силовой MOSFET выключен, это состояние не может быть обнаружено. Однако в выключенном состоянии силовой транзистор имеет достаточно большое сопротивление, поэтому напряжения и токи, возникающие в этом режиме, являются безопасными и для микросхемы, и для системы электропитания.

Короткое замыкание выхода на шину питания. При уменьшении внешнего сопротивления между выходом микросхемы и питающей шиной микросхема PROFET перестает контролировать подачу напряжения на нагрузки. Тем не менее, центральный процессор может обнаружить это состояние путем измерения напряжения на выводе IS при разных состояниях силового MOSFET.

Обрыв в цепи нагрузки. Обрыв в цепи нагрузки относится к категории наиболее часто встречающихся неисправностей, в том числе и в автомобильной технике. Причиной обрыва может стать плохой контакт в соединителях, повреждение (обрыв) электропроводки, а также выход из строя питаемого оборудования, например, перегорание нити лампы. Своевременное обнаружение подобных состояний является важной частью системы управления любой техники, а наличие индикаторов повреждений может регулироваться на уровне стандартов, законов и других нормативных документов. Благодаря наличию в микросхемах PROFET встроенной системы диагностики нагрузки, центральный процессор может определить это состояние, в том числе и путем измерения тока нагрузки при включенном MOSFET.

Короткое замыкание выхода на другой выход. При коротком замыкании выхода микросхемы PROFET на выход другой микросхемы PROFET или на выход другого канала микросхемы PROFET (для многоканальных приборов), а также при подключении к выходу дополнительной нагрузки произойдет изменение величины выходного тока, которое можно достаточно просто обнаружить путем измерения напряжения на выводе IS. Если при этом выходной ток достигнет опасных значений, то микросхема PROFET перейдет в состояние блокировки либо из-за перегрузки по току, либо из-за перегрева.

Неправильное подключение источника питания. При ошибочном подключении внешнего источника питания, например, автомобильной аккумуляторной батареи, напряжение обратной полярности через открытый паразитный диод силового MOSFET будет подано на нагрузки. При этом могут возникнуть неуправляемые токи достаточно большой величины, которые из-за повышенного падения напряжения на открытом диоде могут привести к разрушению кристалла микросхемы. Для уменьшения вероятности повреждения в микросхемах PROFET+2 12V применена технология ReverSave, заключающаяся в принудительном включении силового MOSFET при подаче напряжения обратной полярности. Поскольку падение напряжения на открытом канале MOSFET значительно меньше падения напряжения на его паразитном диоде, то и разогрев кристалла микросхемы будет меньше, что значительно снижает вероятность выхода ее из строя в этой ситуации. Технология ReverSave реализована практически во всех приборах семейства PROFET+2 12V, за исключением BTS7120/200-2EPA/C.

Чем отличаются микросхемы с суффиксом EPA от их аналогов с суффиксом EPP?

Основные электрические характеристики микросхем семейства PROFET+2 12V с одинаковой основной частью маркировки приблизительно идентичны, но характеристики поддерживаемых функций определяются последними буквами – суффиксом. Основные отличия микросхем с суффиксом EPA от их аналогов с суффиксом EPP приведены в таблице 2.

Таблица 2. Основные отличия микросхем с разными суффиксами

Суффикс EPA EPP
Модель микросхемы BTS7008-2EPA BTS7008-1EPP
Количество выводов микросхемы, связанных с выходом силового канала 3 6
Основные приложения Системы освещения Устройства обогрева, устройства распределения электрической энергии
Номинальный ток нагрузки 7,5 А 11 А
Рабочий диапазон изменения тока нагрузки 1…10 А 10…20 А
Скорость нарастания напряжения 0,6 В/мкс (быстрое) 0,27 В/мкс (медленное)
Поведение защиты при коротком замыкании и перегреве Перед переходом в режим блокировки производится семь попыток возобновления работы оборудования При обнаружении аварийной ситуации микросхема сразу блокируется
Особенности системы диагностики Более точное измерение малых токов, улучшающее диагностику оборудования в нормальном режиме Расширенный диапазон измерения тока, позволяющий проводить более точную диагностику при токах нагрузки, превышающих номинальное значение
Особенности измерения тока Насыщение выходного каскада системы диагностики происходит при двойном номинальном токе, поэтому при протекании пусковых токов ток вывода IS может достигать значения, формируемого при блокировке микросхемы Ток вывода IS во всем диапазоне допустимых токов нагрузки меньше тока, формируемого микросхемой в режиме блокировки, что позволяет однозначно определить состояние системы

Одним из главных отличий микросхем с разными суффиксами является разная величина коэффициента преобразования тока нагрузки IL в ток вывода IIS – kILIS. У микросхем с суффиксом EPA он больше, что позволяет более точно измерять ток в области легких нагрузок. При анализе данных таблицы 2 видно, что минимальное значение тока, который можно обнаружить с высокой достоверностью, для микросхем с суффиксом EPA приблизительно равно 13% от номинального тока нагрузки (токи меньшей величины будут интерпретироваться как обрыв нагрузки). В то же время максимальный диапазон измеряемого тока не превышает 130%. Из-за этого при кратковременной перегрузке микросхем с суффиксом EPA, например, при протекании пусковых токов, выходной каскад системы диагностики может войти в насыщение, и напряжение на выводе IS будет такое же, как и при блокировке микросхемы (рисунок 3).

Рис. 3. Зависимости тока вывода IIS от тока нагрузки IL для микросхем с суффиксами EPA (слева) и EPP (справа)

Рис. 3. Зависимости тока вывода IIS от тока нагрузки IL для микросхем с суффиксами EPA (слева) и EPP (справа)

В то же время микросхемы с суффиксом EPP имеют меньшее значение коэффициента передачи тока kILIS, что позволяет системе безошибочно измерять токи, достигающие 200% от номинального. Однако при этом возникают сложности с определением малых токов. Таким образом, микросхемы с суффиксом EPP наилучшим образом подходят для использования в силовых распределительных системах и, благодаря повышенному значению максимального тока, для управления мощными обогревателями, в то время как микросхемы с суффиксом EPA более оптимизированы для маломощных нагрузок, например, для управления осветительными приборами.

Какова допустимая величина пускового тока для микросхем PROFET+2 12V? 

Если значение пускового тока, возникающего в момент включения оборудования, превышает пороговое значение IL(OVL), то микросхема PROFET может перейти в режим блокировки, не дождавшись окончания переходных процессов в цепи нагрузки. В другом случае, когда пусковой ток меньше значения IL(OVL), но продолжается слишком долго, из-за повышенного выделения тепла на кристалле MOSFET микросхема может перегреться и также заблокироваться.

Если ключ PROFET специально не оптимизирован для использования со специфическими нагрузками, о чем должно быть обязательно указано в технической документации, то следует выбирать микросхемы, у которых пороговое значение детектора перегрузки IL(OVL) меньше максимального значения пускового тока IINRUSH (рисунок 4). При этом следует учитывать, что пусковой ток может в 10 раз превышать ток, потребляемый оборудованием в нормальном режиме.

Для ключей PROFET характерна следующая закономерность: микросхемы, содержащие силовой MOSFET с меньшим сопротивлением канала в открытом состоянии RDS(on), как правило, имеют и больший пороговый ток отключения IL(OVL). Однако в любом случае следует дополнительно проверить, какой будет температура кристалла после окончания переходных процессов, используя для этого зависимости теплового сопротивления «кристалл-окружающая среда» Zthja, приведенные в технической документации на микросхемы для типовых печатных плат и условий эксплуатации. В сложных случаях, когда устойчивая работа микросхем PROFET+2 12V не может быть гарантирована, возможно, следует выбрать интеллектуальные силовые ключи из семейств Power PROFET или Classic PROFET, содержащих микросхемы в больших корпусах с меньшим значением Zthja и, соответственно, с более высокой теплоемкостью.

Рис. 4. Диаграмма тока, потребляемого оборудованием в момент включения

Рис. 4. Диаграмма тока, потребляемого оборудованием в момент включения

Как управлять индуктивными нагрузками с помощью ключей PROFET+2 12V? 

В отличие от нагрузок активного характера (нагреватели, лампы накаливания), управление индуктивными нагрузками (двигатели, клапаны или реле) имеет ряд особенностей, в числе которых более сложный характер переходных процессов, а также появление ЭДС самоиндукции отрицательной полярности в моменты выключения. Игнорирование этих явлений может привести к нестабильной работе всей системы, в том числе и к повреждению ключа PROFET.

Несмотря на то, что каждый ключ PROFET имеет встроенную схему ограничения, не позволяющую напряжению между стоком и истоком силового MOSFET превысить 38 В (при температуре кристалла более 25⁰С), принудительное включение силового транзистора при отрицательном выходном напряжении приводит к увеличению рассеивания тепла на кристалле. Из-за этого, например, при частых коммутациях индуктивной нагрузки микросхема PROFET может заблокироваться из-за перегрева. В таких случаях рекомендуется использовать дополнительные внешние узлы, с помощью которых энергия, накопленная в реактивных элементах нагрузки, будет либо рассеяна в виде тепла, либо возвращена обратно в источник питания.

Самым простым способом рассеивания реактивной энергии нагрузки является установка обратного диода между выходом микросхемы и общим проводом (рисунок 5). Во время работы нагрузки к этому диоду прикладывается обратное напряжение, и он не участвует в электрических процессах, происходящих в схеме. В момент выключения силового MOSFET ЭДС отрицательной полярности, генерируемая нагрузкой, смещает переход обратного диода в прямом направлении, и он открывается, обеспечивая путь для протекания тока разряда индуктивных компонентов и одновременно ограничивая напряжение на выходе микросхемы на уровне приблизительно -0,7 B. Энергия, накопленная в магнитном поле индуктивностей, при этом рассеивается в виде тепла на кристалле обратного диода и активных сопротивлениях индуктивных элементов нагрузки.

Рис. 5. Схема включения микросхем PROFET при управлении индуктивной нагрузкой

Рис. 5. Схема включения микросхем PROFET при управлении индуктивной нагрузкой

Основным недостатком такого подхода является потеря относительно большого количества энергии, особенно при частых коммутациях. Из-за этого обратный диод может иметь достаточно большие размеры, и для его установки может просто не оказаться места на печатной плате. Кроме того, при неправильном подключении аккумулятора обратный диод окажется смещенным в прямом направлении, что приведет к короткому замыканию выхода и протеканию неуправляемых токов, способных вывести из строя микросхему PROFET. Поэтому при использовании обратных диодов рекомендуется устанавливать дополнительную защиту от переполюсировки, выполненную, например, на основе полевых транзисторов (рисунок 5).

Если же потери энергии, накопленной в индуктивных компонентах нагрузки, слишком велики или вообще недопустимы, тогда следует использовать дополнительные рекуперационные цепочки, подключаемые между входом и выходом микросхемы PROFET (параллельно силовому MOSFET). Это позволит вернуть накопленную энергию в конденсаторы питающей шины и, при наличии такой возможности, в источник питания.

При отсутствии дополнительной защиты количество энергии EOFF, рассеиваемой на кристалле MOSFET в момент выключения индуктивной нагрузки с током ILOAD, можно определить по формуле:

$$E_{OFF}=0.5\times (V_{BAT}+0.7\:В)\times I_{LOAD}\times t_{OFF}$$

где VBAT – напряжение питающей шины, а tOFF – время выключения MOSFET.

Дополнительные тепловыделения EOFF увеличивают температуру кристалла микросхемы. Специалисты компании Infineon не рекомендуют выбирать режимы работы микросхем PROFET, при которых кристалл микросхемы разогревается больше 80⁰С – в этом случае резко возникает вероятность блокировки микросхемы из-за перегрева, например, при частой коммутации. Если же по расчетам получается, что температура кристалла микросхем PROFET+2 12V оказывается больше 80⁰С, то, возможно, следует обратить внимание на интеллектуальные ключи семейств Power PROFET или Classic PROFET, содержащие приборы с меньшим тепловым сопротивлением.

В любом случае, независимо от способа утилизации энергии, накапливаемой в нагрузке, рекомендуется защищать питающую шину ключа с помощью TVS-диода (диод DZ2, рисунок 5), а в цепи общего провода микросхемы устанавливать резистор RGND с сопротивлением 47 Ом и мощностью не менее 0,125 Вт.

При работе с индуктивными нагрузками следует обращать внимание еще на одну их особенность. Некоторые приборы, например, клапаны или электродвигатели, в отключенном состоянии (когда питание на них не подается) могут сами генерировать ЭДС как положительной, так и отрицательной полярности. Если величина положительной ЭДС становится слишком большой, то система диагностики микросхемы PROFET может интерпретировать это как обрыв в цепи нагрузки и установить на выходе IS ток, равный IIS(OLOFF). Это пройдет в случае, когда напряжение между стоком и истоком силового MOSFET VDS станет меньше порогового значения VDS(OLOFF), а на выводе DEN, разрешающем работу системы диагностики, будет присутствовать сигнал высокого уровня.

Каковы особенности печатных плат для ключей PROFET?

Как показали результаты тестирования, наилучшие тепловые режимы работы ключей PROFET достигаются при монтаже их на печатные платы, содержащие четыре или более слоев, из которых один внутренний слой используется для общего провода, а второй внутренний слой – для распределения питания (рисунок 6). При этом остальные компоненты монтируются на внешних слоях печатной платы.

Рис. 6. Пример печатной платы для микросхем PROFET+2 12V

Рис. 6. Пример печатной платы для микросхем PROFET+2 12V

При проектировании печатных плат для микросхем PROFET, включенных по типовой схеме (рисунок 7), необходимо придерживаться следующих рекомендаций.

Рис. 7. Типовая схема включения микросхем PROFET+2 12V

Рис. 7. Типовая схема включения микросхем PROFET+2 12V

Паразитная емкость между цифровыми входами (IN, DEN, DSEL) должна быть минимальна, для этого следует разместить резисторы RIN, RDEN и RDSEL как можно ближе к выводам микросхемы и, при необходимости, удалить металлизацию на внутренних слоях питания и общего провода.

Резистор RGND должен быть расположен как можно ближе к микросхеме.

Конденсаторы CVS и COUT должны быть расположены как можно ближе к микросхеме.

Резисторы RSENSE и RIS_PROT должны быть расположены как можно ближе к выводу IS микросхемы PROFET, а CSENSE и RAD – как можно ближе к микросхеме, содержащей АЦП, это позволит минимизировать взаимное влияние этих двух узлов.

Конденсаторы CVS и COUT должны быть соединены с общим проводом с помощью индивидуальных переходных отверстий, размещенных для уменьшения паразитной индуктивности как можно ближе к их корпусам.

Тепловые переходные отверстия должны располагаться вокруг открытой площадки, расположенной в нижней части микросхемы PROFET. Поскольку через эти переходные отверстия протекает весь ток, потребляемый нагрузкой, то при их проектировании следует обязательно контролировать плотность тока.

Для улучшения отвода тепла переходные отверстия можно располагать непосредственно под открытой площадкой (вывод VS). При этом следует уточнить у производителя печатных плат, возможна ли установка микросхемы таким способом, поскольку некоторые технологические линии не имеют возможности пайки элемента к переходному отверстию.

Выводы микросхемы, обозначенные как «n.c.», внутри корпуса микросхемы электрически не соединены ни друг с другом, ни с другими выводами. Из соображений механической прочности их следует припаивать к печатной плате. При этом электрически они могут соединяться с соседними выводами OUT, VS, IS или IN1 (рисунок 8). Практика показывает, что для сильноточных ключей, например, BTS7002-1EPP, пайка вывода 11 к площадке, соединенной с выводом OUT, приводит к уменьшению количества отказов, а соединение площадок выводов 6 и 7 с площадкой вывода VS в той же микросхеме приводит к уменьшению теплового сопротивления во время переходных процессов. Для двухканальных моделей площадку вывода 11 лучше не соединять с другими площадками, чтобы уменьшить вероятность замыкания выходов OUT0 и OUT1.

Рис. 8. Расположение выводов микросхем PROFET+2 12V

Рис. 8. Расположение выводов микросхем PROFET+2 12V

При создании нескольких вариантов печатных плат, на которых будут устанавливаться одно- и двухканальные микросхемы PROFET, следует обращать внимание на равномерное распределение тока между выводами каналов. Например, пусть на одно и то же посадочное место может устанавливаться одноканальная (BTS7002-1EPP) и двухканальная (BTS7008-2EPA) микросхемы PROFET, коммутирующие, в первом варианте, одну мощную нагрузку, а во втором – две нагрузки меньшей мощности. В этом случае на плате следует предусмотреть возможность соединения выводов 8…10 с выводами 12…14, поскольку если этого не сделать, то ток нагрузки микросхемы BTS7002-1EPP будет протекать только по выводам 8…10 (или только по выводам 12…14), что, из-за высокой плотности тока, может привести к отказу микросхемы.

Куда подключить вывод DEN, если нет необходимости мультиплексировать сигнал IS?

В некоторых приложениях нет необходимости контроля нескольких нагрузок, следовательно, не требуется обязательно отключать систему диагностики, которая активна при наличии высокого уровня на выводе DEN. Однако вывод DEN может использоваться и для экстренного вывода микросхемы из режима блокировки. В этом случае возможно несколько вариантов подключения этого вывода.

Вариант А (стандартный): вывод DEN через резистор RDEN подключается к микроконтроллеру, который будет формировать требуемый сигнал управления. При этом все функции микросхемы PROFET остаются доступными.

Вариант В: вывод DEN подключается к источнику питания VDD с напряжением 3,3 В или 5 В (рисунок 9), при этом:

  • при отключении домена VDD система диагностики отключается;
  • функция обнаружения обрыва нагрузки при выключенном силовом MOSFET не может быть отключена, поэтому для исключения ложных срабатываний, возможно, придется установить резистор RPD между выходом микросхемы и общим проводом;
  • экстренный выход из состояния блокировки невозможен – разблокировать микросхему можно только установкой низкого уровня на выводе IN в течение времени t > tDELAY(CR).

    Рис. 9. Подключение вывода DEN по варианту B

    Рис. 9. Подключение вывода DEN по варианту B

 Вариант С: вывод DEN соединяется с выводом IN (рисунок 10). При этом:

  • данный вариант является самым простым с точки зрения проектирования (резистор RDEN удалять настоятельно не рекомендуется);
  • система диагностики всегда отключается при установке на выводе IN сигнала с низким уровнем, при этом несколько увеличивается уровень электромагнитных помех, особенно при использовании ШИМ с частотой до 0,5 МГц;
  • обнаружение обрыва нагрузки при выключенном MOSFET невозможно;
  • экстренный выход из состояния блокировки невозможен – разблокировать микросхему можно только установкой низкого уровня на выводе IN в течение времени t > tDELAY(CR).

Рис. 10. Подключение вывода DEN по варианту C

Рис. 10. Подключение вывода DEN по варианту C

Как определить короткое замыкание на шину питания?

Короткое замыкание выхода микросхемы PROFET на шину питания может возникнуть вследствие целого ряда причин, например, при повреждении электропроводки. В этом случае питание на оборудование поступает в обход силового MOSFET, и отключить его невозможно. Тем не менее, аварийную ситуацию этого типа в большинстве случаев можно определить путем анализа напряжения на выводе IS в разных режимах работы микросхемы.

Когда силовой MOSFET включен, ток нагрузки протекает одновременно через канал силового транзистора и внешнее короткое замыкание. Если сопротивление короткого замыкания невелико, то ток, протекающий через MOSFET, будет меньше тока, протекающего в нормальном режиме, следовательно, напряжение на выводе IS при включенном MOSFET также будет меньше номинального (рисунок 11).

Рис. 11. Определение короткого замыкания на шину питания

Рис. 11. Определение короткого замыкания на шину питания

При выключенном MOSFET высокое сопротивление его канала окажется зашунтировано внешним коротким замыканием, поэтому напряжение «сток-исток» будет стремиться к нулю. При наличии на выводе DEN сигнала с высоким уровнем система диагностики сформирует на выводе IS ток IIS(OLOFF), величина которого отличается от тока IIS(FAULT), формируемого в режиме блокировки. Таким образом, обнаружение этих двух событий: малого тока включенного MOSFET и наличия тока IIS(OLOFF) во время выключенного состояния – позволяет принять решение о возможном наличии короткого замыкания между выходом микросхемы и положительной питающей шиной.

Поскольку к выходу микросхемы могут подключаться дополнительные конденсаторы, то появление тока IIS(OLOFF) может быть ошибочно вызвано низкой скоростью их разряда. Для исключения этого сигнал IIS(OLOFF) формируется не сразу, а спустя время tIS(OLOFF)_D после выключения MOSFET.

Как определить обрыв нагрузки при выключенном MOSFET?

В некоторых случаях требуется проверка исправности подключенного оборудования без подачи питания на него. Например, в автомобильной технике часто необходимо проверять исправность ламп или светодиодов, не включая их.

В этом случае на выход микросхемы в обход силового MOSFET необходимо подать тестовый ток, как правило, величиной несколько миллиампер, которого будет недостаточно для включения нагрузки (рисунки 12, 13). При исправности нагрузки подача такого тока особо не отразится на величине напряжения между стоком и истоком силового MOSFET, и оно так и останется большим. Но при обрыве в цепи нагрузки подача даже малого тока на выход приведет к уменьшению напряжения «сток-исток», и система диагностики сформирует на выводе IS ток величиной IIS(OLOFF) (при условии, что на входе DEN присутствует сигнал с высоким логическим уровнем).

Рис. 12. Схема формирования тестового тока для одноканального ключа PROFET

Рис. 12. Схема формирования тестового тока для одноканального ключа PROFET

Рис. 13. Схема формирования тестового тока для многоканального ключа PROFET

Рис. 13. Схема формирования тестового тока для многоканального ключа PROFET

Чтобы не перепутать обрыв в цепи нагрузки с коротким замыканием выхода на шину питания, следует предусмотреть возможность отключения цепей подачи тестового тока. При этом рекомендуется следующий алгоритм анализа ситуации:

  1. Отключить силовой MOSFET, подав на вход IN сигнал с низким уровнем.
  2. Включить систему диагностики, подав на выход DEN сигнал с высоким уровнем.
  3. Пропустить через нагрузку тестовый ток.
  4. Измерить напряжение на выводе IS.
  5. Если напряжение на выводе IS соответствует току IIS(OLOFF), выполнить следующий пункт, в противном случае перейти к пункту 10.
  6. Отключить тестовый ток.
  7. Измерить напряжение на выводе IS.
  8. Если напряжение на выводе IS соответствует току IIS(OLOFF), следовательно, в системе присутствует короткое замыкание выхода на шину питания, в противном случае можно принять решение об обрыве в цепи нагрузки.
  9. Перейти на конец алгоритма (п. 12).
  10. Если напряжение на выводе IS соответствует току IIS(FAULT), следовательно, микросхема находится в режиме блокировки из-за перегрева или перегрузки по току, в противном случае можно принять решение о нормальной работе системы.
  11. Отключить тестовый ток.
  12. Конец алгоритма.

Величина тестового тока зависит от параметров нагрузки и может изменяться в широких пределах. При этом следует помнить, что использование подобной системы может привести к увеличению токов утечек, поэтому, возможно, придется использовать дополнительные подтягивающие резисторы.

Какие процессы происходят при блокировке микросхемы? 

При коротком замыкании выхода микросхемы на общий провод или перегреве кристалла микросхема PROFET блокируется, и на выходе IS устанавливается ток IIS(FAULT). Однако, несмотря на одинаковый конечный результат (блокировка микросхемы и формирование тока IIS(FAULT)), динамическое поведение микросхемы в разных аварийных ситуациях будет разным. При этом различают три варианта поведения микросхемы.

При абсолютном перегреве, когда температура кристалла выше максимально допустимого значения TJ(ABS), ток IIS равен току IIS(FAULT), указанному в технической документации, и остается на этом уровне, пока микросхема не будет разблокирована (рисунок 14).

При динамическом перегреве, когда скорость роста температуры кристалла выше максимально допустимого значения TJ(DYN), микросхема также блокируется, хотя абсолютная температура кристалла при этом может быть меньше максимально допустимого значения TJ(ABS). В этом случае ток IIS на 2 мА больше величины IIS(FAULT), и он будет оставаться на этом уровне до тех пор, пока скорость нарастания температуры не станет меньше TJ(DYN) (рисунок 15).

При коротком замыкании выхода на общий провод сразу после отключения силового MOSFET ток IIS на 40 мкс становится на 3,5 мА больше тока IIS(FAULT) (рисунок 15). Дальнейшее поведение тока IIS зависит от тепловых процессов. Если разогрев кристалла продолжается и скорость нарастания температуры больше TJ(DYN), то ток IIS станет таким же, как и при динамическом разогреве кристалла (IIS(FAULT) + 2 мА), в противном случае он уменьшится до уровня IIS(FAULT) и будет оставаться таким до разблокирования микросхемы.

Рис. 14. Электрические процессы при абсолютном перегреве

Рис. 14. Электрические процессы при абсолютном перегреве

Рис. 15. Электрические процессы при коротком замыкании и перегреве

Рис. 15. Электрические процессы при коротком замыкании и перегреве

Еще одним вариантом блокировки является блокировка при уменьшении напряжения питающей шины ниже минимально допустимого порога. В этом случае микросхема также блокируется, однако ток вывода IS при этом равен нулю. Ключевым отличием этого вида блокировки является то, что для разблокирования микросхемы не нужно формировать сигнал сброса. При увеличении напряжения питания до минимально допустимого значения питание на нагрузку будет подано автоматически (рисунок 16).

Рис. 16. Электрические процессы при просадке напряжения питающей шины

Рис. 16. Электрические процессы при просадке напряжения питающей шины

Как начать работу с ключом PROFET?

Интеллектуальные силовые ключи PROFET относятся к элементам повышенной сложности, поэтому при недостатке практического опыта работы с этой элементной базой могут возникнуть ситуации, когда микросхема PROFET не работает нормально и без видимых причин блокируется. В этом разделе приведен базовый алгоритм работы с ключами PROFET, а также поиска причин отказов в его работе.

  1. Убедитесь, что на микросхему подается напряжение 6…18 B. При этом источник питания должен быть достаточно мощным для обеспечения требуемого тока нагрузки, иначе микросхема заблокируется из-за просадки напряжения питания. Если используется лабораторный блок питания, установите нужный предел ограничения (стабилизации) тока.
  2. Проверьте соединительные провода и кабели, в первую очередь, кабели соединяющие устройство с источником питания и нагрузкой. Все соединения должны быть надежными, поскольку плохой контакт в разъемах и плохая пайка также могут стать причиной блокировки микросхемы.
  3. Подайте напряжение на нагрузку, установив на выводе IN вначале сигнал низкого уровня, а затем, не ранее, чем через 100 мс, сигнал с высоким логическим уровнем.
  4. Активируйте диагностическую систему, подав на вывод DEN сигнал с высоким логическим уровнем.
  5. Используя мультиметр или осциллограф, измерьте в следующем порядке:
    • напряжение на выводе OUT, если оно соответствует норме, значит, микросхема работает нормально;
    • напряжение на выводе IN, если оно меньше 2 В, ищите неисправность в этой цепи;
    • напряжение на выводе VS, если оно меньше 4,1 В, ищите неисправность в цепи питания;
    • напряжение на выводе IS, если оно высокое, следовательно, микросхема блокируется из-за перегрузки по току или перегрева.

Перегрузка по току может произойти, например, из-за большого значения пускового тока нагрузки, поэтому можно попытаться запустить схему с меньшей нагрузкой.

Если проблема так и не была обнаружена, продолжайте поиск неисправности по дальнейшему алгоритму.

  1. Отключите все соединения от платы, на которой установлена микросхема PROFET.
  2. Произведите визуальный осмотр платы. Особое внимание уделите следующим моментам:
    • правильности разводки печатной платы;
    • качеству пайки микросхемы – нет ли непропаянных выводов или непредусмотренных коротких замыканий между соседними выводами; особое внимание уделите возможности короткого замыкания между выводами IN и GND, IN и DEN, IN и DSEL, а также OUT и GND;
    • состоянию разъемов для подключения источника питания и нагрузки, в том числе и правильности подключения их к выводам микросхемы;
    • качеству пайки открытой площадки, расположенной на нижней стороне корпуса микросхемы – это можно сделать с помощью мультиметра, проверив прямое и обратное сопротивления паразитного диода MOSFET;
    • качеству соединений всех элементов схемы с общим проводом;
    • соответствию номиналу и качеству пайки резистора RGND.
  1. После устранения всех обнаруженных неисправностей включите систему снова.

Приведенный алгоритм позволяет обнаружить большинство неисправностей, связанных c ключами PROFET. Однако если указанные действия не привели к положительному результату, следует попытаться запустить другой экземпляр микросхемы PROFET, желательно на другой плате, поскольку проблема может быть, в том числе, и в качестве переходных отверстий, расположенных под корпусом микросхемы.

Рекомендации по чтению технической документации 

Микросхемы PROFET являются достаточно сложными полупроводниковыми приборами, поэтому их техническая документация достаточно объемна и содержит большое количество страниц, содержащих таблицы, диаграммы, схемы и различные описания. Тем не менее, даже в самой подробной документации некоторые вопросы могут быть недостаточно раскрыты, поэтому при появлении затруднений в понимании работы микросхем или в поиске нужного параметра всегда можно обратиться к представителям компании Infineon с соответствующим запросом.

В этом разделе приведены типовые рекомендации по чтению технической документации и поиску требуемой информации, предоставляемой компанией Infineon на каждый продукт, разработанный ею.

При поиске какого-нибудь параметра используйте его условное обозначение, например, «RDS(on)». Поисковые системы программ для чтения pdf-файлов обычно без проблем находят это обозначение в тексте, таблицах и рисунках (чаще всего инструмент поиска активизируется при нажатии комбинации клавиш «CTRL + F»).

Если вы не знаете условное обозначение искомого параметра, подумайте, как он может называться, и воспользуйтесь инструментом поиска (возможно, потребуется сделать несколько попыток);

В технической документации все электрические характеристики делятся на:

  • абсолютные максимальные значения (Absolute Maximum Ratings), выход за пределы которых может повредить микросхему;
  • диапазон функциональных значений (Functional Range), ограничивающие пределы работоспособности той или иной функции или системы;
  • электрические характеристики (Electrical Characteristics);
  • информация по применению (Application Information), в которой приведены типовые схемы включения с рекомендуемыми номиналами элементов.

Абсолютные максимальные значения и диапазоны функциональных значений параметров обычно расположены в секции «Общие характеристики прибора» («General product characteristics»). Электрические характеристики приводятся в специальных разделах, посвященных описанию конкретной функции, например, величина входного тока цифровых входов (Input Current Of The Digital Pins) размещается в разделе «Логические входы» («Logic Pins»), а коэффициент передачи тока системы диагностики kILIS – в разделе «Диагностика» («Diagnosis»).

В каждом разделе все электрические характеристики группируются в два типа таблиц. Таблицы первого типа содержат параметры, одинаковые для всех членов семейства, например, параметры VDS(CLAMP) и TJ(ABS) не зависят от конкретной модели микросхемы и одинаковы для всех микросхем, указанных в данном документе. Во втором типе таблиц «Электрические характеристики» параметры приводятся для силовых каналов с разным сопротивлением MOSFET в открытом состоянии RDS(on), например, значения RDS(ON)_25 или IL(OVL) зависят от типа MOSFET, установленного в данной микросхеме.

Кроме этого, не следует забывать также и о наличии интерактивного содержания, позволяющего быстро переместиться в нужный раздел, поскольку поиск нужной информации с помощью стандартного инструмента прокрутки может занять длительное время.

Заключение

Сложность интеллектуальных силовых ключей PROFET, конечно, намного больше, чем у традиционных электромеханических реле и плавких предохранителей. Однако их использование в самое ближайшее время станет скорее нормой, чем исключением, поскольку общее увеличение количества потребителей, например, в автомобильных системах, уже не позволит использовать для распределения питания компоненты, используемые в данный момент. Поэтому остается надеяться, что рекомендации, разработанные специалистами компании Infineon, позволят значительно сократить время внедрения ключей PROFET в конечные приложения и станут хорошим справочным пособием не только для начинающих разработчиков, но и для опытных специалистов, в активах которых уже существуют законченные проекты, реализованные на компонентах компании Infineon.

Оригинал статьи

Перевел Александр Русу по заказу АО Компэл

•••

Наши информационные каналы

О компании Infineon

Компания Infineon является мировым лидером по производству силовых полупроводниковых компонентов, а также занимает ведущие позиции по производству автомобильной полупроводниковой электроники и смарт-карт.  В 2015 году компания Infineon приобрела компанию International Rectifier, тем самым значительно усилив свои лидирующие позиции в области силовой электроники. Это сочетание открывает новые возможности для клиентов, так как обе компании превосходно дополняют друг друга благодаря высокому уровню ...читать далее

Товары
Наименование
BTS700121ESPXUMA1 (INFIN)
BTS700151ESPXUMA1 (INFIN)
BTS700201ESPXUMA1 (INFIN)
BTS70021EPPXUMA1 (INFIN)
BTS70041EPPXUMA1 (INFIN)
BTS70041EPZXUMA1 (INFIN)
BTS70061EPPXUMA1 (INFIN)
BTS70061EPZXUMA1 (INFIN)
BTS70081EPAXUMA1 (INFIN)
BTS70081EPPXUMA1 (INFIN)
BTS70081EPZXUMA1 (INFIN)
BTS70082EPAXUMA1 (INFIN)
BTS70082EPZXUMA1 (INFIN)