Силовые интеллектуальные ключи все большее применение находят в современных электроприборах. В отличии от силовых полевых транзисторов они защищены от переполюсовки, перегрева, перенапряжения, перегрузки по току, электростатического разряда и для конструктора является очень надежным устройством. Все интеллектуальные ключи управляются сигналом логического уровня и не требуют установки дополнительных драйверов управления.

В зависимости от назначения интеллектуальные ключи могут производиться в виде ключей верхнего уровня (нагрузка включена между общей шиной питания и выходом ключа), нижнего уровня, в виде полумостов, мостов, сборок и т.д. Преимущества интеллектуальных ключей обуславливают их привлекательность для применения в различных устройствах для замены мощных полевых транзисторов или электромагнитных реле. Интеллектуальные ключи с программируемой отсечкой тока являются последней разработкой компании International Rectifier, не имеющей в настоящее время аналогов у других производителей. Они относятся к совершенно новому классу интеллектуальных силовых коммутаторов, позволяющих простыми средствами управлять мощностью потребителей активного и индуктивного типа. Новая серия включает три типономинала мощных интеллектуальных ключей верхнего уровня с программируемой отсечкой тока, в таблице представлены основные технические характеристики интеллектуальных ключей серии IR331x.

Схема включения интеллектуального ключа представлена на рис. 1.

Рисунок 1. Схема включения интеллектуального ключа серии IR331x

Кроме выводов питания Vcc входа Vin и выхода Vout ключи серии IR331x имеют вход установки тока отсечки Ifb. Входной сигнал привязан к напряжению источника питания, которое для него является опорным, что позволяет поддерживать ток нагрузки при колебаниях напряжения питания. Данное решения производителя обеспечивает стабильную работу устройства при отклонении напряжения питания. Принцип работы ключей серии IR331x приведен на рис. 2.

Рисунок 2. Диаграмма работы ключей серии IR331x

Когда входное напряжение Vcc—Vin выше определенного порогового значения выходной ключ на полевом МОП-транзисторе включен в противном случае он закрыт. Чувствительность ключа по току пропорциональна току в цепи питания МОП-транзистора, протекающего через вывод Ifb. При включении устройства ток в нагрузке возрастает, напряжение на воде Ifb также возрастает до тех пор, пока не достигнет порога срабатывания защиты. При срабатывании защиты по току или при перегреве выходной транзистор принудительно закрываться независимо от состояния ключа в текущий момент. Защита от перегрузки по току срабатывает в том случае, если разность напряжений Vfb—Vin >4.5 В. Порог срабатывания можно регулировать соответствующим подбором номинала резистора Rifb. Минимальный уровень тока отсечки составляет 10 % от максимального. Напряжение на выводах нагрузки является напряжением активной фиксации Vclamp. Скорость снижения тока через нагрузку после включения ключа пропорциональна Vclamp и обратно пропорциональна сопротивлению нагрузки. Сброс защиты осуществляется подачей высокого логического на вход ключа. Кроме того ключи серии IR331x обеспечивают защиту от разрядов статического электричества, от переполюсовки и активную фиксацию уровня. Все эти вместе взятые качества делают особенно привлекательным применение ключей нового семейства там где требуется надежная работа электронных устройств в сложных условиях воздействия окружающей среды, выбросы напряжения и т.д.

При переполюсовке источника питания ток протекает через нагрузку и интегральный диод мощного полевого транзистора, на рис. 3 представлена схема защиты ключа при переполюсовке питания. При этом мощность, рассеиваемая на транзисторе, гораздо выше, чем при нормальных условиях работы. Ток через МОП-транзистор может протекать в обоих направлениях от стока к истоку или от истока к стоку. Схема защиты включает МОП-транзистор для снижения рассеиваемой на нем мощности. Поскольку при переполюсовке напряжения питания ток протекает через интегральный диод МОП-транзистора, то напряжение Vin равно напряжению батареи питания Vbat — 0.6 В. Поскольку ток нагрузки протекает через тот же диод следовательно Vout = 0.6 В. В том случае если Vin—Vout= Vbat — 12 В, разность напряжений между затвором и стоком на транзисторе достигает порогового значения 2 В и транзистор включается. Функция защиты от переполюсовки в программируемых ключах серии IR331x работает только в том случае, если в схеме управления на входе используется дискретный МОП-транзистор. Если используется биполярный транзистор то параллельно ему необходимо включить диод. Схема реализации защиты от переполюсовки представлена на рис. 3.

Рисунок 3. Схема реализации защиты от переполюсовки

Для повышения надежности работы ключей в тяжелых температурных режимах, при перегреве помимо узла отключения ключа при температуре кристалла 165С в ключах серии IR331x IR331x реализуется режим задержки перезапуска WAIT. В интеллектуальных ключах, не имеющих подобной функции, имеет место тепловое убегание защиты срабатывания. При перегреве тепловая защита выключает ключ, если после этого немедленно произвести перезапуск, то из-за тепловой инерции ключа, температура ключа останется близкой к пороговой температуре срабатывания тепловой защиты. При цикличном включении и выключении ключа будет происходить нарастание температуры кристалла и наступит его тепловой пробой, несмотря на наличие термозащиты. Поскольку ключи IR331x содержат функцию WAIT, то после выключения ключа его можно будет перезапустить только после определенной задержки по времени, достаточной для остывания кристалла, поэтому она не может достигнуть температуры теплового пробоя. Задержка начинает действовать сразу после выключения системы. Ключ серии IR331x перезапустится только в том случае если на входе будет присутствовать высокий уровень в течении большего времени, чем длительность периода импульса сброса Тreset (его величина приведена в технических параметрах ключа и составляет 300 мкс).

Когда пользователь включает интеллектуальный ключ на непродолжительное время, то может возникнуть ситуация при которой времени нахождения ключа во включенном состоянии будет недостаточно для оценки температуры кристалла. Если производить включение устройства периодически с достаточно высокой частотой, то из-за тепловой инерции кристалла будет происходить рост его температуры. При достижении предельно допустимой рабочей температуры кристалла не произойдет срабатывание тепловой защиты, а это опасно температурным разрушением кристалла. Максимальная рабочая частота ключей данной серии составляет 500 Гц.

В семействе программируемых ключей IR331x для считывания тока нагрузки используется токочувствительный МОП-транзистор. Через маломощный полевой транзистор, подключенный параллельно мощному, протекает ток, пропорциональный току нагрузки, до тех пор, пока напряжение сток — исток Vds обоих транзисторов не выровняется, что обеспечивает усилитель. На рис. 4 представлена схема считывания тока IR331x.

Рисунок 4. Схема считывания тока в ключах серии IR331x

Силовые ключи IR331x предназначены для приложений где требуется производить считывание тока нагрузки. В процессе считывания обеспечивается точность вывода данных, широкая полоса пропускания цепи токовой обратной связи, гибкое управление порогом тока срабатывания защиты и возможность исключения из схемы достаточно дорогого элемента — внешнего низкоомного безиндуктивного шунта. Поэтому интеллектуальные ключи могут быть использованы для широкого круга приложений, где помимо реализации функций защиты необходимо регулирование мощности в нагрузке или ее ограничение. Сейчас ключи находят свое применение в регуляторах скорости вращения вентиляторов, реверсивном приводе постоянного тока для различных приложений, электронных баластах галогенных ламп и всевозможных приложениях с программируемой защитой от перегрузок по току.

В подобных приложениях главной задачей является ограничение пускового тока. Например, в том случае если лампа накаливания холодная, сопротивление ее спирали мало. При этом величина пускового тока может превышать величину номинального тока в 7 раз. Аналогично пусковой ток двигателя постоянного тока может значительно превосходить номинальный, а его кратность зависит непосредственно от последовательности алгоритма запуска и конструкции электродвигателя. Для таких нагрузок должна быть предусмотрена особая особенная стратегия токовой защиты: она должна иметь высокий порог срабатывания при включении нагрузки и низкий порог срабатывания, когда нагрузка работает на номинальном токе. Другими словами в этом случае система токовой защиты должна быть двухступенчатой. Наиболее простым способом реализации двухступенчатой программируемой защиты по току является изменение величины сопротивления резистора, определяющего величину тока Ifb. Должно быть установлено одно сопротивление для пускового и второе сопротивление для номинального токов. На рис. 5 приведена схема двухступенчатой токовой защиты.

Рисунок 5. Схема двухступенчатой токовой защиты

В момент пуска МОП-транзистор, соединенный с резистором Rifbpeak открыт и этот резистор подключен параллельно резистору RifbNom, в результате ток Ifb возрастает и порог срабатывания по току увеличивается. После того как нагрузка входит в рабочий режим и ее ток снижается до номинального значения, транзистор запирается. Теперь ток через вывод Ifb определяется только величиной резистора RifbNom соответственно и порог срабатывания защиты становится ниже. Если возможность управлять работой устройством двухступенчатой защиты сигналами логических уровней отсутствует, можно использовать простую схему с использованием RC-цепи, которая позволяет поднять порог срабатывания защиты при включении. На рисунке 6 представлена схема двух ступенчатого управления с использованием RC-цепи.

Рисунок 6. Схема двух ступенчатого управления с использованием RC — цепи

При включении устройства начинается заряд конденсатора С и на резисторе создается падение напряжения, которое открывает транзистор VT2. При этом через открытый переход исток— сток резистор Rifbpeak оказывается подключенным, параллельно резистору Rif-bNom. Это поднимает в свою очередь порог срабатывания защиты. Время первой ступени работы устройства определяется постоянной времени RC-цепи.

На основе двух программируемых ключей серии IR331x и двух МОП-транзисторов можно построить полностью защищенную реверсивную схему управления вращением двигателей постоянного тока. На рис. 7 представлена схема мостового каскада для управления реверсивным вращением двигателя постоянного тока.

Рисунок 7. Схема мостового каскада для управления реверсивным вращением двигателя постоянного тока

В качестве ключей верхнего уровня моста используются интеллектуальные ключи с программируемой отсечкой тока. МОП-транзисторы нижнего уровня моста позволяют реализовать работу моста с частотой коммутации управляющего импульсного напряжения до 20 Гц. Оптимальными компонентами для данного применения являются ключи с логическим уровнем управления, не требующие для управления дополнительных драйверов управления. Для того чтобы интеллектуальные ключи обеспечивали срабатывание защиты от перегрева транзисторов нижнего уровня моста, рассеиваемая на них мощность должна быть ниже. С этой целью целесообразно выбирать транзисторы с сопротивлением канала примерно вдвое более низким, чем у интеллектуальных ключей.

В случае, когда необходимо обеспечить только программируемое срабатывание токовой защиты и нет необходимости в считывании значения тока можно воспользоваться схемой включения представленной на рис. 8.

Рисунок 8. Схема управления нагрузкой с соединенными точками нулевых потенциалов нагрузки и схемы управления

Поскольку порог входного напряжения привязан к напряжению источника питания Vcc, Ключ окажется открытым как только напряжение Vcc—Vin достигнет уровня Vih. Порог срабатывания защиты по току определяется разностью напряжений, действующих на выводах Ifb и IN, поэтому нет необходимости привязывать вход системы к опорному напряжению относительно шины нулевого потенциала.

При проектировании схем токовой защиты с применением ключей серии IR331x необходимо соблюдать определенные правила выполнения топологии печатной платы. Если точка нулевого потенциала логики будет соединена шиной нулевого потенциала источника питания, как представлено на рис. 8, ток нагрузки сможет протекать по цепи шины нулевого потенциала логики. Такой ток создает напряжение ошибки, действующее между выводами Ifb и IN, которое может привести к срабатыванию защиты. Более того будет происходить с искажением. Для того чтобы застраховаться от сбоев при считывании тока и неправильного срабатывания защиты по току, точку соединения нулевого потенциала логики с корпусов изделия следует выбирать как можно ближе к контроллеру.

За более детальной информацией по данному вопросу обращайтесь в офис ООО «РТЭК»: 03035, Киев, ул. Урицкого, 32, оф. 1, тел./факс: +38 (044) 520-04-77, 520-04-78, 520-04-79, е-mail: svl@rainbow.com.ua