STMicroelectronics / Safety Sicherheitsgerichtete High-Side-Schalter

Die SIL-Bewertung nach der IEC 62061 soll es Herstellern industrieller Automatisierungstechnik einfacher machen, ihre Systeme funktional sicher zu gestalten. Einfacher wird dies, wenn die verwendeten Einzelkomponenten diese Sicherheitsanforderungen unterstützen, wie folgendes Beispiel zeigt.

von Giuseppe Di Stefano, Technical Marketing-Section Manager, und Michelangelo Marchese, Technischer Marketing Engineer im Bereich Industrial & Power Conversion, beide bei STMicroelectronics

Um das Risikoniveaus in der industriellen Automatisierungstechnik zu senken, trägt im Wesentlichen die funktionale Sicherheit bei, auf Englisch auch »Safety« genannt. Sie hängt wiederum von der ordnungsgemäßen Funktion des elektrischen Steuerungssystems der automatischen Anlagen und der externen Systeme ab.

Die IEC 62061, Sicherheit von Maschinen, ist die internationale Norm, mit deren Hilfe sich die für industrielle Maschinen geltenden Sicherheitsregeln identifizieren lassen. Diese Norm legt die Anforderungen für das Systemdesign von Maschinen aller Art, von sicherheitsbezogenen elektrischen Steuerungssystemen und ebenso für das Design nichtkomplexer Subsysteme oder Geräte fest. Die Öl- und Gasindustrie, Nuklearanlagen und der Maschinensektor, um nur einige zu nennen, sind bei den Anlagen, von denen mögliche Gefahren ausgehen können, in hohem Maße auf die funktionale Sicherheit angewiesen.

Dazu definiert die IEC 62061 das Konzept der Safety Integrity Level (SIL) auf Deutsch Sicherheitsanforderungsstufe. Der SIL der Sicherheitssteuerung einer Maschine bezieht sich auf die Ausführung der Sicherheitsfunktionen in der vorgegebenen Zeitspanne. Das Konzept des SIL gilt deshalb für das gesamte System oder Subsystem. Um das System aber korrekt nach dem zu erreichenden SIL-Wert zu konstruieren, müssen geeignete elektronische Bauteile verwendet werden, damit es die funktionale Sicherheit der gesamten Anlage gewährleisten kann. Aufgrund ihrer eingebauten Schutzfunktionen, die sich teils über externe Bauelemente programmieren lassen, und ihrer integrierten Diagnose-Möglichkeiten sind die High-Side-Schalter IPS160H und IPS161H (Intelligent Power Switch) von STMicroelectronics für die Implementierung funktional sicherer Maschinen geeignet.

Aufbau der High-Side-Schalter 

Die monolithischen Bausteine IPS160H und IPS161H (Bild 1) können kapazitive, induktive oder ohmsche Lasten ansteuern, die an einer Seite mit der Masse verbunden sind (High-Side-Schalter). Der einzige Unterschied zwischen den beiden Bausteinen ist die Ansprechschwelle der internen Strombegrenzung. Diese ist auf einem minimalen Ausgangsstrom von 2,6 A (IPS160H) beziehungsweise 0,7 A (IPS161H) eingestellt. Alle übrigen Kenndaten sind dagegen identisch. Der empfohlene Betriebsspannungsbereich beträgt 8 V bis 60 V, jedoch kann die Durchbruchspannung am Versorgungsspannungsanschluss bis zu 65 V betragen. Bei der Ausgangsstufe handelt es sich um einen n-Kanal-Leistungs-MOSFET mit einem typischen RDS(on) von 60 mΩ bei Zimmertemperatur.

Ein eingebauter Übertemperaturschutz mit einem verlustlosen Kurzschlussschutz (Cut-off) schützt den Chip vor Überhitzungen und Kurzschlüssen und minimiert die Verlustleistung bei kurzgeschlossenem Ausgang. Die Abschaltverzögerung lässt sich mithilfe eines externen Kondensators programmieren.

In den Chip sind ferner Schutzfunktionen gegen Unterbrechung der Masse- und VCC-Verbindung und eine Unterspannungssperre (Undervoltage Lock-out) integriert. Die Diagnose erfolgt über einen Transistor mit offenem Drain, der sich beim Ansprechen des Übertemperaturschutzes, bei Aktivierung der Cut-off-Funktion oder bei Leitungsunterbrechungen zum Verbraucher einschaltet. Durch eine integrierte, schnelle Entmagnetisierungsschaltung lassen sich auch große induktive Verbraucher ansteuern.

Werden sie auf Demo-Boards des Typs Steval-IFP028V1 oder Steval-IFP034V1 montiert, erfüllen die Bauelemente die Normen IEC 61000-4-2 (elektrostatische Entladung), IEC 61000-4-4 (Burst) und IEC 61000-4-5 (Surge). Die Bausteine IPS160H und IPS161H können Leitungsunterbrechungen zwischen Ausgang und Last erkennen. Dieses Feature lässt sich mithilfe eines Widerstands (RPU) zwischen Ausgang und VCC-Pins aktivieren (Bild 2). Bei einer Leitungsunterbrechung im Aus-Zustand (Eingang auf low) steigt die Ausgangsspannung VOUT entsprechend dem Verhältnis zwischen dem externen Pull-up-Widerstand (RPU) und dem Innenwiderstand des ICs (RI = 115 kΩ).

Um das fälschliche Signalisieren einer Leitungsunterbrechung beim Ansteuern induktiver Lasten zu verhindern, wird das Open-Load-Signal für eine bestimmte Zeitspanne ausgetastet beziehungsweise maskiert. Die Leitungsunterbrechung wird deshalb am DIAG-Pin erst mit der erwähnten Verzögerung und nur dann signalisiert, wenn das Open-Load-Ereignis länger als diese Zeitspanne getriggert wird. Das Verhalten des IPS160H in der Applikation lässt sich mit dem Steval-IFP028V1 analysieren. Dieses Evaluation-Board hat STMicroelectronics eigens entwickelt, um Kunden eine einfache Möglichkeit zum Testen der grundlegenden Funktionen des Bausteins im realen Betrieb zu bieten. Das Steval-IFP028V1 wird zusammen mit der speziellen GUI-Software Steval-PCC009V2 angeboten, sodass sich ein komplettes Systemkonzept recht einfach realisieren lässt. Bei der Implementierung eines Digitalausgangs-Treibers mit dem IPS160H wird aufgrund der eingebauten Schutzfunktionen des Bausteins, auf die nachfolgend noch genauer eingegangen wird, ein echter Zusatznutzen erzielt.