№5 / 2013 / статья 5

Высоконадежные интеллектуальные ключи производства компании IR

Вячеслав Гавриков (г. Смоленск)

Интеллектуальный силовой ключ (IPS) представляет собой интегрированную в одном корпусе систему из мощного полевого транзистора, драйвера, сложного блока защиты и системы диагностики (рисунок 1). Такая интеграция дает очевидные преимущества перед обыкновенным дискретным транзистором: отсутствие необходимости во внешних компонентах (драйвере ключа, элементах защиты), сокращение занимаемой площади на плате, упрощение и ускорение разработки конечного изделия, простота диагностики состояния выхода. Все это приводит к тому, что в приложениях, требующих высоких показателей надежности, дискретные компоненты стремительно вытесняются интеллектуальными ключами.

 

Структурная схема интеллектуального силового ключа

 

Рис. 1. Структурная схема интеллектуального силового ключа

Наиболее полно все достоинства интеллектуальных силовых ключей раскрываются в автомобильной и дорожной технике (рисунок 2), где требуется высокая надежность, помехозащищенность и устойчивость к аварийным ситуациям. В автомобильной электронике существуют все виды нагрузок: резистивная нагрузка (подогрев зеркал, подогрев сидений), лампы накаливания (фары, маячки, подсветка салона и др.), индуктивные нагрузки (электромагнитные клапаны, обмотки реле). Каждый тип нагрузки имеет свои особенности.

 

Применение IPS в автомобильной технике

 

Рис. 2. Применение IPS в автомобильной технике

Резистивная нагрузка требует функций защитного отключения либо ограничения тока в случае возникновения короткого замыкания или при перегреве ключа.

При коммутации ламп накаливания основной особенностью является начальный бросок тока (пока спираль лампы не нагреется), поэтому ключевой элемент должен выдерживать бросок тока, либо ограничивать его. При этом приходится искать компромисс между уровнем защиты ключа и рассеиваемой мощностью.

Коммутация индуктивной нагрузки также требует ограничения тока (или защитного отключения). Особенно опасен момент размыкания ключа, при котором необходимо бороться с бросками напряжения.

Таким образом, для обеспечения высоких показателей надежности требуется реализация сложных функций защиты. Всем необходимым комплексом таких функций обладают интеллектуальные силовые ключи от International Rectifier, они пригодны для коммутации всех видов нагрузок.

 

Интегрированные методы защиты IPS

Защитные функции IPS производства International Rectifier можно разделить на группы: защита от перегрузки по току, защита от перегрева, активное ограничение тока, защита от электростатических помех и дополнительные виды защит.

Защита от перегрузки по току может быть реализована несколькими способами. Самым простым является метод защитного отключения. Суть его состоит в том, что ключ автоматически выключается при достижении границы допустимого значения тока (рисунок 3а). Выключение происходит не мгновенно, а плавно, переходя в закрытое состояние через линейный режим работы.

Вторым способом защиты от перегрузки по току может быть ограничение тока (рисунок 3б). В этом случае при достижении максимального тока ключ не закрывается, а переводится в линейный режим, при этом состояние выхода всегда соответствует состоянию входа. Стоит учитывать, что в линейном режиме кристалл ключа может значительно разогреваться. При достижении критической температуры (165°С) срабатывает защита от перегрева.

 

Методы защита IPS от перегрузки по току и перегрева

 

Рис. 3. Методы защита IPS от перегрузки по току и перегрева

Защита ключа от перегрева достигается его отключением. При этом есть два варианта его повторного включения. В ключах с функцией автоматического включения оно произойдет автоматически при охлаждении кристалла до 158°С, если на вход подан сигнал включения (рисунок 3б). В ключах без функции автовключения необходимо на вход подать сигнал выключения, а потом сигнал повторного включения, выждав интервал времени сброса системы защиты Treset (рисунок 3а).

В последнем случае потенциально возможен сценарий перегрева и разрушения кристалла (рисунок 4а). Если, при достижении порога 165°С, начать подавать импульсы со временем, большим, чем Treset (всего 15…200 мкс), то система защиты будет успевать сбрасываться. В результате ключ, не успевая охладиться, включается вновь, разогреваясь еще сильнее. При повторных коротких включениях ключ может превысить температуру разрушения кристалла.

Чтобы этого избежать, была разработана функция WAIT (рисунок 4б). Суть ее заключается в том, что величина задержки между открывающими импульсами (Uвх) не может быть меньше заданного значения (как правило 0,4…2 мс). За это время кристалл гарантированно успевает остыть.

 

Принцип действия функции WAIT

 

Рис. 4. Принцип действия функции WAIT

Активное ограничение тока является защитной функцией, необходимой при коммутации индуктивной нагрузки (рисунок 5). Быстрое закрытие ключа приводит к тому, что на нем генерируется выброс напряжения, зависящий от величины выходного тока и величины индуктивности. Данный выброс тока может повредить как сам ключ, так и обратный диод. Чтобы избежать пробоя, используется защитный диод, а сам ключ переводится в линейный режим (рисунок 5). В результате ток течет через транзистор, и происходит быстрое размагничивание катушки. Стоит помнить, что в режиме активного ограничения тока защита от перегрева не работает, что накладывает ограничение на величину коммутируемой индуктивности.

 

Функция активного ограничения тока

 

Рис. 5. Функция активного ограничения тока

Защита от электростатических помех реализована во всех IPS при помощи встроенных защитных диодов.

К дополнительным защитным функциям можно отнести защиту от обратной полярности (переполюсовка аккумулятора). При такой аварийной ситуации защита автоматически открывает ключ. При этом ток протекает через ключ, а не через обратный диод. В итоге суммарная рассеиваемая мощность уменьшается. Защита схемы управления организуется посредством нескольких вешних компонентов.

 

Типы IPS от International Rectifier

International Rectifier выпускает широкий диапазон IPS, которые можно разделить на несколько типов (таблица 1): интеллектуальные ключи нижнего уровня, интеллектуальные ключи верхнего уровня с цифровым диагностическим выходом, интеллектуальные ключи верхнего уровня с аналоговым диагностическим выходом, интеллектуальные ключи для ШИМ-приложений.

Таблица 1. Интеллектуальные силовые ключи от IR   

Наименование Тип ключа Тип диагностического выхода Максимальное напряжение, В Тип защиты от перегрузки по току Температура защитного выключения, °С Защита от обратной полярности питания Активное ограничение тока
AUIPS10xx Нижнего уровня   совмещенный со входом   39   Защитное отключение   165   возможна   есть  
AUIPS20xx Нижнего уровня   совмещенный со входом   68   Защитное отключение   165   возможна   есть  
AUIPS60xx Верхнего уровня   цифровой   39   Ограничение тока   165   есть   есть  
AUIPS70xx Верхнего уровня   цифровой   70   Ограничение тока   165   есть   есть  
AUIR3331x   Верхнего уровня   аналоговый   40   Подстраиваемое защитное отключение   165   есть   есть  
AUIPS71xx Верхнего уровня   аналоговый   65   Защитное отключение   165   есть   есть  
AUIR3330 AUIR33401 Верхнего уровня с ШИМ   аналоговый   36   Подстраиваемое защитное отключение   165   возможна   Контроль di/dt и dv/dt  
AUIPS722x Верхнего уровня с ШИМ   совмещенный со входом   68   Защитное отключение   165   возможна   нет  

Разнообразие типов и параметров позволяет выбирать ключ, оптимальный для конкретного приложения.

 

Интеллектуальные силовые ключи нижнего уровня

Ключи семейств AUIPS10xx и AUIPS20xx представляют собой интеллектуальные ключи нижнего уровня с диагностическим выходом (рисунок 6, таблица 2). Диагностический выход совмещен со входом. Данный механизм позволяет определять такие неисправности, как перегрузка по току, перегрев, обрыв нагрузки, однако не позволяет определять, какая конкретно авария произошла, так как диагностический выход имеет только два состояния («FAULT» и «NORMAL»). Управление ключом может производится посредством 5 В логики.

 

Схема включения IPS нижнего уровня

 

Рис. 6. Схема включения IPS нижнего уровня

 

Таблица 2. Интеллектуальные ключи нижнего уровня   

Наименование Число
каналов
Rси вкл., мОм U вых. Макс., B Защита по току Корпус Применение Особенности
семейства
Тип защиты I выкл., А
AUIPS1011 1   13   39   Защитное отключение   85   TO220AB D2PAK DPAK   Автомобильные системы подогрева стекол, кресел   Диагностический выход совмещенный со входом  
AUIPS1021 1   25   39   Защитное отключение   35   TO220AB D2PAK DPAK  
AUIPS1031 1   50   39   Защитное отключение   18   TO220AB D2PAK DPAK   Система впрыска топлива   Улучшенная схема защиты от перегрева  
AUIPS1041 1   100   39   Защитное отключение   6   DPAK SOT223  
AUIPS1051 1   200   39   Защитное отключение   3   SOT223   Функция активного ограничения тока  
AUIPS2031 1   60   68   Защитное отключение   14   DPAK   Автомобильное освещение  
AUIPS2041 1   130   68   Защитное отключение   5   DPAK SOT223   Тормозная система автомобиля   Низкий уровень генерируемых помех  
AUIPS2051 1   300   68   Защитное отключение   1,8   SOT223   Системы активной подвески  
AUIPS1042 2   2×100   39   Защитное отключение   6   SOIC8   Система впрыска топлива   Логический вход управления  
AUIPS1052 2   2×200   39   Защитное отключение   3   SOIC8  
AUIPS2052 2   2×300   68   Защитное отключение   1,8   SOIC8   Автомобильное освещение  

В данном семействе реализована защита от перегрузки по току, защита от перегрева, функция активного ограничения тока. Кроме того, защита от перегрева улучшена: время срабатывания защиты меньше времени включения ключа, в результате даже без функции WAIT ключ не достигнет температуры теплового пробоя.

Рабочая частота этих ключей невелика — до 200 Гц. Это позволяет уменьшить уровень помех, вносимых при переключениях.

Ключи AUIPS1042, AUIPS1052, AUIPS2052 имеют по два интеллектуальных ключа в корпусе, что идеально подходит в ситуации подключения большого количества потребителей, таких, например, как лампы накаливания.

В автомобильной электрике нагрузка чаще всего подключена к «массе» (кузов автомобиля). Очевидно, что такой нагрузкой удобнее управлять при помощи ключей верхнего уровня. Однако ключи семейств AUIPS10xx и AUIPS20xx обладают низкой ценой, низким значением сопротивления, большими величинами пропускаемых токов, низким уровнем помех. Основными областями их применения являются внутреннее и внешнее автомобильное освещение, система подогрева зеркал и сидений, питание активной подвески, питание электромагнитных клапанов системы впрыска топлива, систем торможения.

 

Интеллектуальные силовые ключи верхнего уровня
с цифровым диагностическим выходом

По сравнению с ключами нижнего уровня, ключи верхнего уровня являются более удобными при использовании в схеме с «массой» в виде кузова автомобиля. Семейства AUIPS60xx и AUIPS70xx (таблица 3) представляют собой ключи верхнего уровня с цифровым диагностическим выходом (рисунок 7). Цифровой диагностический выход позволяет определять такие аварийные ситуации, как короткое замыкание на землю/питание, перегрев, обрыв нагрузки. При подключении дополнительного резистора обрыв нагрузки может быть обнаружен даже при выключенном транзисторе, однако в этом случае теряется возможность обнаружения короткого замыкания на питающее напряжение. При наличии дополнительного ключа возможно определение обоих видов неисправности. 

Таблица 3. Интеллектуальные ключи верхнего уровня с цифровым диагностическим выходом  

Наименование Число
каналов
Rси вкл., мОм U вых. Макс., B Защита по току Корпус Применение Особенности семейства
Тип защиты I выкл., А
AUIPS6011 1   14   39   Ограничение тока   55   TO220-5 D2PAK-5 DPAK-5   Автомобильное освещение   Защита от перегрева  
AUIPS6021 1   30   39   Ограничение тока   32   TO220-5 D2PAK-5 DPAK-5   Защита от потери цифровой земли  
AUIPS6031 1   55   39   Ограничение тока   16   TO220-5   Электромагнитные клапана коробки передач   Защита от неверной полярности аккумулятора  
AUIPS6041 1   130   39   Ограничение тока   6,5   TO220-5 D2PAK-5 DPAK-5 SOIC8   Цифровой диагностический выход  
AUIPS7081 1   70   70   Ограничение тока   7   TO220-5 D2PAK-5 DPAK-5   Тормозная система автомобиля   Защита от перегрева  
AUIPS7091 1   120   70   Ограничение тока   5   TO220-5 D2PAK-5 SOIC8   Защита от потери цифровой земли  
AUIPS6044 4   4×130   39   Ограничение тока   6,5   SOIC28   Электромагнитные клапана коробки передач   Цифровой диагностический выход  

 

Схема включения IPS верхнего уровня с цифровым диагностическим выходом

 

Рис. 7. Схема включения IPS верхнего уровня с цифровым диагностическим выходом

Защита от тока и от перегрева соответствует рисунку 3б: при достижении предельного тока ключ не выключается, а переходит в линейный режим. Однако при этом происходит увеличение мощности, рассеиваемой на ключе, что приводит к росту температуры. Температура растет до тех пор, пока не сработает защита от перегрева.

Во всех ключах семейства реализована функция активного ограничения тока. Защита от потери цифровой земли обеспечивается ограничивающими последовательными резисторами на входе и на цифровом выходе (рисунок 8а).

Семейство AUIPS60xx имеет защиту от переполюсовки напряжения (рис. 8б). Когда происходит такая аварийная ситуация, внутренняя схема оставляет ключ открытым и ток не течет через обратный встроенный диод, а рассеиваемая мощность оказывается минимальной.

 

Защита от потери земли (а) и переполюсовки напряжения питания (б) в семействе AUIPS60xx

 

Рис. 8. Защита от потери земли (а) и переполюсовки напряжения питания (б) в семействе AUIPS60xx

Стоимость таких ключей не велика, а для диагностики выхода системе управления требуется только один цифровой вход. В итоге эти ключи находят свое применение в системах питания электромагнитных клапанов коробки передач, системах торможения и автомобильного освещения.

 

Интеллектуальные силовые ключи верхнего уровня
с аналоговым диагностическим выходом

Семейства AUIR331x, AUIR332x, AUIPS71xx (таблица 4) являются более совершенными по сравнению с вышеописанными ключами. Они обладают самой продвинутой системой диагностики. Аналоговый выход позволяет определять не только аварийные ситуации, но и величину протекающего тока (рисунок 9). Это может быть полезно, если необходимо контролировать броски тока, когда коммутируется, к примеру, лампа освещения или емкостная нагрузка. В этом случае управляющая система сама определяет, необходимо ли защитное отключение.

Таблица 4. Интеллектуальные ключи верхнего уровня с аналоговым диагностическим выходом   

Наименование Число
каналов
Rси вкл., мОм U вых. макс, B Защита по току Корпус Применение Особенности
Тип защиты I выкл., А
AUIR3313 1   7   40   Подстраиваемое защитное отключение   10…90   TO220-5 D2PAK-5   Автомобильные системы подогрева стекол, кресел   Подстройка величины защитного тока  
AUIR3314 1   12   40   Подстраиваемое защитное отключение   6…60   TO220-5 D2PAK-5   Защита от перегрева  
AUIR3315 1   20   40   Подстраиваемое защитное отключение   3…30   TO220-5 D2PAK-5   Диагностический аналоговый выход  
AUIR3316 1   7   40   Подстраиваемое защитное отключение   10…90   TO220-5 D2PAK-5   Свечи накаливания   Защита от обратной полярности напряжения питания  
AUIR3317 1   7   40   Защитное отключение   120   TO220-5 D2PAK-5   Защитная функция WAIT  
AUIR3320 1   4   40   Подстраиваемое защитное отключение   10…55   D2PAK-5   Замена силовых реле   Функция активного ограничения тока  
AUIPS7125 1   30   65   Защитное отключение   60   DPAK-5   Диагностический аналоговый выход  

 

Диагностика состояния ключа

 

Рис. 9. Диагностика состояния ключа

Ключи имеют рекордно низкие значения сопротивлений открытого ключа (всего 4 мОм у AUIR3320, 7,5 мОм у AUIPS7111). Управляющее напряжение измеряется относительно напряжения питания, что делает возможным использовать внешний транзистор, обеспечивающий дополнительную защиту управляющих схем (рисунок 10).

Степень защиты данных ключей максимально высока. Ключи имеют защиту от перегрузки по току, от перегрева, неправильной полярности питающего напряжения. Реализована функция активного ограничения тока.

Защита от обратной полярности батареи требует наличия обратного диода на входе. Если используется полевой транзистор, то будет достаточно встроенного диода. Если используется биполярный транзистор — нужен внешний диод (рисунок 10).

 

Схема включения IPS верхнего уровня с аналоговым диагностическим выходом

 

Рис. 10. Схема включения IPS верхнего уровня с аналоговым диагностическим выходом

Ключи AUIR331x (кроме AUIR3317) и AUIR3320 имеют программируемое значение тока защитного отключения. Величина этого тока определяется резистором обратной связи Rос (рисунок 11). Кроме того, для дополнительной гарантированной защиты от перегрева реализована защитная функция WAIT (рисунок 4б). Минусом реализации функции WAIT является ограничение использования данных ключей в ШИМ-режиме.

 

Установка тока защитного отключения

 

Рис. 11. Установка тока защитного отключения

Ключи AUIR71xx ограниченно могут применяться для ШИМ-приложений, так как не имеют функции WAIT и имеют малое собственное сопротивление. Однако стоит остерегаться использования слишком высоких значений частот, чтобы не перегреть кристалл (рисунок 4а).

IPS данного семейства, обладая низким значением сопротивления, идеально подходят для реализации внутреннего и внешнего автомобильного освещения, систем подогрева зеркал и сидений, питания активной подвески, питания электромагнитных клапанов системы впрыска топлива. Эти ключи представляют идеальную замену для реле в цепях с большими протекающими токами.

 

Интеллектуальные силовые ключи верхнего уровня
для ШИМ-приложений

Ключи AUIR3330, AUIR33401, AUIPS7221, AUIPS72211 (таблица 5) разработаны специально для управления электродвигателями постоянного тока (таблица 6). Эти IPS обладают уникально низкими значениями сопротивлений каналов (3,5 мОм для AUIR3330 и AUIR33401) и имеют встроенный бутстрепный регулятор, позволяющий работать на высоких частотах (до 100 кГц для AUIPS7221).

Таблица 5. Интеллектуальные ключи верхнего уровня для ШИМ-приложений   

Наименование F, кГц Rси вкл., мОм U вых. Макс., B Защита по току Корпус Применение
Тип защиты I выкл., А
AUIR3330   30   3,5   40   Подстраиваемое защитное отключение   10…40   D2PAK-7   Система топливных и масляных насосов  
AUIR33401   20   3,5   40   Подстраиваемое защитное отключение   10…40   D2PAK-7   Система генератора автомобиля  
AUIPS7221   100   40   65   Защитное отключение   30   DPAK-5   Система охлаждения двигателя  
AUIPS72211   100   40   65   Защитное отключение   30   DPAK-5  

Ключи AUIR3330 и AUIR33401 (рисунок 12) имеют и аналоговый (как у IPS верхнего уровня с аналоговым выходом), и совмещенный со входом (как у ключей нижнего уровня) диагностические выходы, что позволяет максимально удобно отслеживать состояние силового выхода.

 

Схема включения ШИМ IPS верхнего уровня с аналоговым диагностическим выходом

 

Рис. 12. Схема включения ШИМ IPS верхнего уровня с аналоговым диагностическим выходом

Защитные функции этих IPS обеспечивают защитное отключение при перегреве и перегрузке (в последнем случае — с программируемой величиной тока). При помощи нескольких дополнительных элементов (T1, D2, R2, рисунок 12) может быть реализована функция защиты от обратной полярности питающего напряжения.

Для снижения уровня помех в AUIR3330 введено ограничение на величину di/dt, а в AUIR33401 — на величину dv/dt.

Ключи AUIPS7221 и AUIPS72211 имеют только диагностический выход, совмещенный со входом (рисунок 13). Особенностью их также является возможность работы с 3,3 В логикой. Не смотря на ограниченные по сравнению с AUIR3330 и AUIR33401 функции, ключи AUIPS7221 просты в применении и имеют более низкую стоимость.

 

Схема включения ШИМ IPS верхнего уровня AUIPS7221

 

Рис. 13. Схема включения ШИМ IPS верхнего уровня AUIPS7221

Уникальные частотные свойства IPS данного семейства делают их идеальным инструментом управления всеми двигателями постоянного тока в автомобильной электрической системе (рисунок 14). Управление масляным и топливным насосами, двигателем системы воздушного охлаждения, системой обогрева, вентиляции и кондиционирования автомобиля — это только часть возможных применений интеллектуальных ШИМ-ключей.

 

Таблица 6. Особенности интеллектуальных ключей верхнего уровня для ШИМ-приложений

Наименование Особенности
AUIR3330 AUIR33401 Защитное отключение при перегрузке по току
Защитное отключение при перегреве
Встроенный бутстрепный регулятор
Аналоговый и дискретный диагностические выходы
Программируемый ток отключения
Ограничение di/dt (AUIR3330)
Ограничение di/dt (AUIR33401)
Режим пониженного потребления (<10 мкА)
AUIPS7221   Защитное отключение при перегрузке по току
Защитное отключение при перегреве
Встроенный бустрепный регулятор
Аналоговый и дискретный диагностический выход
Совместимость с 3,3 В логикой

 

 

Области применения ШИМ IPS верхнего уровня с аналоговым диагностическим выходом

 

Рис. 14. Области применения ШИМ IPS верхнего уровня с аналоговым диагностическим выходом

 

Заключение

Интеллектуальные силовые ключи от International Rectifier обладают высокой степенью защиты, не требуют дополнительных драйверов, имеют интегрированную систему диагностики, что выгодно отличает их от реле и дискретных транзисторов. Высокая надежность, простота применения, широкая номенклатура и доступная цена делает интеллектуальные ключи идеальным выбором для силовой автомобильной электроники и других приложений, требующих повышенной надежности.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail: power.vesti@compel.ru

Наши информационные каналы

Рубрики: