Е. Звонарев
Новости Электроники 11, 2008
Интеллектуальные ключи International Rectifier имеют несколько степеней защиты, оптимизированные для автомобильных приложений диапазоны рабочих напряжений, и не нуждаются в дополнительных драйверах МОП-транзисторов. Эти и другие преимущества позволяют с успехом использовать интеллектуальные ключи в автомобильной электронике и промышленной технике.
Интеллектуальные ключи или IPS (Intelligent Power Switches) имеют высокую плотность тока и несколько степеней защиты, благодаря чему их надежность при перегрузках и обратном включении гораздо выше по сравнению с обычными МОП-транзисторами (MOSFET). Они защищены от включения с обратной полярностью, перегрузок по току и напряжению и от перегрева кристалла. Диапазоны рабочих напряжений и токов интеллектуальных ключей оптимизированы для автомобильных приложений с напряжениями питания 12, 24 и 42 В. Управление ключами непосредственно от логических схем позволяет отказаться от дополнительных драйверов МОП-транзисторов. В силу этих и многих других достоинств, интеллектуальные ключи находят широкое применение в автомобильной электронике и промышленной технике.
Интеллектуальные ключи International Rectifier можно разделить на три группы:
- интеллектуальные ключи нижнего уровня;
- интеллектуальные ключи верхнего уровня;
- интеллектуальные ключи верхнего уровня с программируемой отсечкой тока.
Интеллектуальные ключи нижнего уровня
У интеллектуальных ключей нижнего уровня исток соединяется с общим силовым проводом, нагрузка подключается между стоком и шиной питания. Использование входа управления для диагностики корректности режимов работы ключа позволяет обойтись всего тремя выводами корпуса. Низкое количество выводов корпуса и простота схемы интеллектуальных ключей нижнего уровня позволяют снизить цену этих приборов. Типовая схема включения ключа нижнего уровня показана на рисунке 1.
Рис. 1. Типовая схема включения интеллектуального ключа нижнего уровня
Вход управления ключей этого типа одновременно является и входом диагностики рабочего состояния прибора по величине входного тока. Ключи этого класса защищены от перегрева кристалла (температура выключения 165°С), имеют оптимизированные длительности фронтов и спада импульсов для минимизации создаваемых электромагнитных помех, реализована функция активного ограничения тока (Active clamp). Максимальное значение ограничения тока у самых мощных ключей составляет 85 А. Низкий входной ток и совместимость с логическими уровнями позволяют упростить управление ключами от микроконтроллера и исключить дополнительные электронные компоненты. Разнообразие корпусов для интеллектуальных ключей нижнего уровня (типы корпусов приведены на рисунке 1) и широкий диапазон максимальных выходных токов позволяют сделать разработчику оптимальный выбор прибора. Основные параметры интеллектуальных ключей нижнего уровня сведены в таблицу 1.
Таблица 1. Интеллектуальные ключи нижнего уровня International Rectifier
| Ниаменование | Корпус | Число входов |
Rси(вкл), (мОм) | Uвых макс, (B) |
Параметры защиты | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Iвыкл, (А) | Tвыкл, (C°) | |||||
| IPS1011 | TO-220AB | 1 | 13 | 36 | 85 | 165 |
| IPS1011R | D-Pak | 1 | 13 | 36 | 85 | 165 |
| IPS1011RPBF | D-Pak | 1 | 13 | 36 | 85 | 165 |
| IPS1011S | D2-Pak | 1 | 13 | 36 | 85 | 165 |
| IPS1011SPBF | D2-Pak | 1 | 13 | 36 | 85 | 165 |
| IPS1021R | D-Pak | 1 | 25 | 36 | 35 | 165 |
| IPS1021RPBF | D-Pak | 1 | 25 | 36 | 35 | 165 |
| IPS1021S | D2-Pak | 1 | 25 | 36 | 35 | 165 |
| IPS1021SPBF | D2-Pak | 1 | 25 | 36 | 35 | 165 |
| IPS1021 | TO-220AB | 1 | 25 | 36 | 35 | 165 |
| IPS1021PBF | TO-220AB | 1 | 25 | 36 | 35 | 165 |
| IPS1031 | TO-220AB | 1 | 50 | 36 | 18 | 165 |
| IPS1031PBF | TO-220AB | 1 | 50 | 36 | 18 | 165 |
| IPS1031R | D-Pak | 1 | 50 | 36 | 18 | 165 |
| IPS1031S | D2-Pak | 1 | 50 | 36 | 18 | 165 |
| IPS1042GPBF | SO-8 | 2 | 100 | 39 | 6 | 165 |
| IPS1041RPBF | D-Pak | 1 | 100 | 39 | 6 | 165 |
| IPS1041LPBF | SOT-223 | 1 | 100 | 39 | 6 | 165 |
| IPS2041RPBF | D-Pak | 1 | 130 | 68 | 5 | 165 |
| IPS2041LPBF | SOT-223 | 1 | 130 | 68 | 5 | 165 |
| IPS1052GPBF | SO-8 | 2 | 250 | 39 | 2,8 | 165 |
| IPS1051LPBF | SOT-223 | 1 | 250 | 39 | 2,8 | 165 |
Интеллектуальные ключи верхнего уровня
Чаще всего в автомобиле нагрузка подключается к общему силовому проводу («массе»). В этих случаях управлять нагрузкой удобно с помощью интеллектуальных ключей верхнего уровня. Типовая схема включения интеллектуальных ключей верхнего уровня на примере серии IPS60xx приведена на рисунке 2.
Рис. 2. Типовая схема включения интеллектуальных ключей верхнего уровня (серия IPS60xx)
Интеллектуальные ключи верхнего уровня International Rectifier имеют пять выводов (вход основной, вход диагностики, общий цифровой, вывод для подключения питания и выход). На рисунке 3 проиллюстрировано корректное соединение общего силового и общего цифрового проводников для исключения протекания тока нагрузки через цифровую землю, что предотвращает ложные срабатывания ключа.
Рис. 3. Корректное соединение общих проводников интеллектуальных ключей верхнего уровня
Дополнительный вход диагностики DG (diagnostics) позволяет контролировать состояние ключа во время работы и при включении. На примере интеллектуальных ключей верхнего уровня серии IPS60xx на рисунке 4 показаны режимы, диагностируемые ключами этой серии. Ключи этой серии способны определить обрыв (отключение) нагрузки, короткое замыкание выхода на общий провод или на шину питания, а также перегрев кристалла.
Рис. 4. Режимы диагностики интеллектуальных ключей серии IPS60xx
При случайном отключении цифрового общего провода интеллектуальный ключ автоматически переходит в аварийный режим работы и отключает нагрузку. Этот момент показан на рисунке 5. Резисторы Rdgp и Rвх ограничивают ток через микроконтроллер.
Рис. 5. Ограничение тока через микроконтроллер при обрыве общего цифрового провода
В интеллектуальных ключах верхнего уровня реализована защита от перегрева кристалла при резком увеличении выходного тока. Временные диаграммы, иллюстрирующие срабатывание защиты при превышении допустимой температуры кристалла показаны на рисунке 6.
Рис. 6. Ограничение тока в циклах перегрева у ключей верхнего уровня серии IPS60xx
В момент достижения кристаллом максимально допустимой температуры Тогр+ происходит отключение ключа от нагрузки. После снижения температуры до уровня Тогр- работоспособность ключа восстанавливается. Если перегрузка не устранена, то такие температурные циклы будут периодически повторяться, что показано на рисунке 6.
При перегрузке в ключах верхнего уровня реализовано активное ограничение тока. Это освобождает микроконтроллер от постоянного контроля работоспособности интеллектуального ключа. Однако необходимо учитывать, что при перегрузке по току транзистор переходит в линейный режим, и рассеиваемая на нем мощность может оказаться недопустимо большой. В документации для интеллектуальных ключей приводятся графики зависимости допустимой индуктивности нагрузки при максимальном токе (типовой график показан на рисунке 7). Типовые временные диаграммы, иллюстрирующие режим активного ограничения тока ключей серии IPS60xx приведены на рисунке 7.
Рис. 7. Активное ограничение тока в линейном режиме работы ключа (типовые графики)
Подробно все эти процессы рассмотрены в руководстве по применению AN-1117, которое можно легко найти на сайте производителя http://www.irf.com/ .
Подробно все эти процессы рассмотрены в руководстве по применению AN-1117, которое можно легко найти на сайте производителя .
Основные параметры интеллектуальных ключей верхнего уровня приведены в таблице 2.
Таблица 2. Ключи верхнего уровня International Rectifier
| Наименование | Корпус | Число входов |
Rси(вкл), (мОм) |
Uвых макс, (B) | Параметры защиты | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Iстаб, (А) | Tвыкл, (C°) | |||||
| IPS6011RPBF | D-Pak-5 | 1 | 14 | 39 | 60 | 165 |
| IPS6011PBF | TO-220FL | 1 | 14 | 39 | 60 | 165 |
| IPS6011SPBF | D2-Pak -5 | 1 | 14 | 39 | 60 | 165 |
| IPS6021RPBF | D-Pak-5 | 1 | 30 | 39 | 32 | 165 |
| IPS6021PBF | TO-220FL | 1 | 30 | 39 | 32 | 165 |
| IPS6021SPBF | D2-Pak -5 | 1 | 30 | 39 | 32 | 165 |
| IPS6031PBF | TO-220FL | 1 | 60 | 39 | 16 | 165 |
| IPS6031SPBF | D2-Pak -5 | 1 | 60 | 39 | 16 | 165 |
| IPS6031RPBF | D-Pak-5 | 1 | 60 | 39 | 16 | 165 |
| IPS7081RPBF | D-Pak-5 | 1 | 70 | 70 | 5 | 165 |
| IPS7081PBF | TO-220AB | 1 | 70 | 70 | 5 | 165 |
| IPS7081SPBF | D2-Pak -5 | 1 | 70 | 70 | 5 | 165 |
| IPS7071GPBF | SO-8 | 1 | 110 | 70 | 5 | 165 |
| IPS7091SPBF | D2-Pak -5 | 1 | 120 | 70 | 5 | 165 |
| IPS7091GPBF | SO-8 | 1 | 120 | 70 | 5 | 165 |
| IPS7091PBF | TO-220AB | 1 | 120 | 70 | 5 | 165 |
| IPS6041RPBF | D-Pak-5 | 1 | 130 | 39 | 7 | 165 |
| IPS6041PBF | TO-220FL | 1 | 130 | 39 | 7 | 165 |
| IPS6041GPBF | SO-8 | 1 | 130 | 39 | 7 | 165 |
| IPS6041SPBF | D2-Pak -5 | 1 | 130 | 39 | 7 | 165 |
Интеллектуальные ключи верхнего уровня с программируемой отсечкой тока
Интеллектуальные ключи этого типа позволяют разработчику устанавливать нужный ток ограничения при перегрузке, выбирая номинал резистора Rfb (fb = feedback - обратная связь), как показано на рисунке 8.
Рис. 8. Типовая схема включения интеллектуальных ключей верхнего уровня с программируемой отсечкой тока
При этом не требуются низкоомные прецизионные резисторы для датчика тока в выходной цепи. Ключи этого типа выпускаются в корпусах TO-220-5 и D2Pak-5. При срабатывании защиты (при перегреве или перегрузке по току) выходной транзистор выключается независимо от состояния ключа в данный момент времени. Минимальное значение тока отсечки составляет около 10 процентов от максимального уровня. Ключи также имеют активное ограничение тока, защиту от обратного включения источника питания, защиту от перегрева и от статического электричества. Структурная схема таких ключей показана на рисунке 9.
Рис. 9. Структурная схема интеллектуальных ключей с программируемой отсечкой тока
В интеллектуальных ключах с программируемой отсечкой тока реализована улучшенная функция защиты от перегрева под названием WAIT (ожидание, задержка включения). Временные диаграммы, иллюстрирующие работу функции WAIT в режиме перегрузки при длительных входных импульсах и относительно низкой частоте переключения, показаны на рисунке 10.
Рис. 10. Изменение температуры кристалла при длительных входных импульсах и низкой частоте переключения при отсутствии (а) и наличии (б) функции WAIT
При отсутствии функции WAIT температура кристалла может превысить максимально допустимое значение и достичь теплового пробоя (верхняя часть рисунка 10). Функция WAIT, реализованная с помощью таймера и логических элементов (рис. 9) обеспечивает задержку перезапуска ключа. Таким образом, транзистор получает дополнительное время на остывание, что исключает тепловое разрушение кристалла интеллектуального ключа.
Особенно наглядно работа функции WAIT проявляется в аварийном режиме при коротких входных импульсах и высокой частоте переключения (рис. 11).
Рис. 11. Изменение температуры кристалла при коротких входных импульсах и высокой частоте переключения при отсутствии (а) и наличии (б) функции WAIT
Схема WAIT обеспечивает пропуск нескольких импульсов в течение временного интервала, формируемого таймером и логическими схемами. Такая защита не исключает нарастания температуры кристалла до опасного значения, не допуская перегрева интеллектуального ключа.
Активное ограничение тока по функции аналогично ключам верхнего уровня без программируемой отсечки тока. Защита от статического электричества (ESD) и активная защита при аварийном обрыве нагрузки вносят свой вклад в обеспечение высокой надежности интеллектуальных ключей с программируемой отсечкой тока. Для реализации программируемой отсечки тока в ключах этого типа введены дополнительный МОП-транзистор и операционный усилитель для считывания выходного тока. Ток ограничения определяется номиналом резистора Rfb и коэффициентом усиления операционного усилителя в цепи обратной связи. Ключи с программируемой отсечкой тока дают разработчику дополнительные возможности для организации максимально защищенной схемы по сравнению с остальными сериями интеллектуальных ключей. Основные параметры ключей с программируемой отсечкой тока сведены в таблицу 3.
Таблица 3. Ключи верхнего уровня с программируемой отсечкой тока фирмы International Rectifier
| Наименование | Корпус | Число входов |
Rси(вкл), (мОм) |
Uвых макс, (B) |
Параметры защиты | Коэфф. ОС по току | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Iвыкл, мин, (А) |
Iвыкл, макс, (А) |
Твыкл, (С°) |
||||||
| IR3313PBF | TO-220FL | 1 | 7 | 40 | 10 | 90 | 165 | 8800 |
| IR3316S | D2-Pak -5 | 1 | 7 | 40 | 10 | 90 | 165 | 8800 |
| IR3316SPBF | D2-Pak -5 | 1 | 7 | 40 | 10 | 90 | 165 | 8800 |
| IR3313S | D2-Pak -5 | 1 | 7 | 40 | 10 | 90 | 165 | 8800 |
| IR3313SPBF | D2-Pak -5 | 1 | 7 | 40 | 10 | 90 | 165 | 8800 |
| IR3314SPBF | D2-Pak -5 | 1 | 12 | 40 | 6 | 58 | 165 | 5300 |
| IR3314PBF | TO-220FL | 1 | 12 | 40 | 6 | 58 | 165 | 5300 |
| IR3315SPBF | D2-Pak -5 | 1 | 20 | 40 | 3 | 30 | 165 | 2800 |
| IR3315PBF | TO-220FL | 1 | 20 | 40 | 3 | 30 | 165 | 2800 |
Рекомендуемые новые замены для интеллектуальных ключей International Rectifier предыдущих поколений
Технологии производства силовых МОП-транзисторов International Rectifier постоянно совершенствуются, выпускаются новые поколения ключей для замены IPS старых поколений. Желательно знать заранее о рекомендуемых заменах ключей предыдущих поколений, чтобы не быть застигнутыми врасплох, когда очень трудно и по высокой цене придется искать транзисторы старых серий. Переход на новые серии интеллектуальных ключей неизбежен, поэтому производитель в таблице 4 приводит рекомендуемые замены для старых серий. International Rectifier обращает особенное внимание на очень важный момент: замены необходимо рассматривать только в качестве рекомендуемых.
Таблица 4. Рекомендуемые производителем International Rectifier замены для IPS предыдущих поколений
| Наименование | Rdson, (мОм) | Корпус | Рекомендуемая замена* |
|---|---|---|---|
| IPS0151 | 25 | TO-220 | IPS1021 |
| IPS0151S | 25 | D2Pak | IPS1021S |
| IPS021 | 150 | TO-220 | IPS1041 |
| IPS021L | 150 | SOT-223 | IPS1041L/IPS2041L |
| IPS021S | 150 | D2Pak | IPS1041S |
| IPS022G | 2x150 | SO-8 | IPS1042G |
| IPS031 | 60 | TO-220 | IPS1031 |
| IPS031R | 60 | DPak | IPS1031R |
| IPS031S | 60 | D2Pak | IPS1031S |
| IPS041L | 500 | SOT-223 | IPS1051L |
| IPS042G | 2х500 | SO-8 | IPS1052G |
| IPS511G | 135 | TO-220 | IPS6041 |
| IPS511G | 150 | SO-8 | IPS6041G/IPS7091G |
| IPS511S | 135 | D2Pak | IPS6041S |
| IPS521 | 80 | TO-220 | IPS6031 |
| IPS521G | 100 | SO-8 | IPS6041G/IPS7081G |
| IPS521S | 80 | D2Pak | IPS6031S |
| IPS5451 | 25 | TO-220 | IPS6021 |
| IPS5451S | 25 | D2Pak | IPS6021S |
| IPS5751 | 25 | TO-220 | IPS6021 |
| IPS5751S | 25 | D2Pak | IPS6021S |
| IR3310 | 7 | TO-220 | IR3313 |
| IR3310S | 7 | D2Pak | IR3313S |
| IR3311 | 12 | TO-220 | IR3314 |
| IR3311S | 12 | D2Pak | IR3314S |
| IR3312 | 20 | TO-220 | IR3315 |
| IR3312S | 20 | D2Pak | IR3315S |
| *Внимание! Производитель рекомендует рассматривать замены только в качестве ориентировочных! Необходимо обязательно внимательно изучать документацию (datasheets) на исходный компонент и рекомендуемую для него замену из этой таблицы | |||
Разработчик должен обязательно убедиться на 100 процентов в том, что рекомендуемая замена полностью удовлетворяет его требованиям.
Литература:
- Fabio Necco «Features of the Low-Side Family IPS10xx»
- David Jacquinod, Fabio Necco «Features of the High-Side Family IPS60xx»
- David Jacquinod «Current Sensing High-Side Switch - P3»
- Datasheets для рассматриваемых в статье интеллектуальных ключей.
