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STMicroelectronics / Safety

Sicherheitsgerichtete High-Side-Schalter

15. Dezember 2017, 13:00 Uhr | Ralf Higgelke

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Sicherheits-Features in Aktion

Die Ausgangsstufe schaltet ab, wenn wegen einer Überlastung oder eines Kurzschlusses die interne Sperrschichttemperatur den Abschaltgrenzwert von typisch +170 °C überschreitet. Der normale Betrieb wird wieder aufgenommen, sobald die Sperrschichttemperatur die Rückstellgrenze von typisch +155 °C unterschreitet. Werden die Überlastung oder der Kurzschluss nicht umgehend behoben, so schaltet der Baustein zyklisch aus und wieder ein (Bild 3), sodass eine konstante, sichere Sperrschichttemperatur eingehalten wird.

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Um die Verlustleistung bei kurzgeschlossenem Ausgang zu minimieren, ist ein verlustloser Kurzschlussschutz (Cut-off) implementiert. Dieser begrenzt den durchschnittlichen Ausgangsstrom und damit auch die Erwärmung des Bausteins. Der Ausgangsstrom der Leistungsstufe ist intern auf einen bestimmten Grenzwert I_LIM begrenzt. Die Dauer der Strombegrenzung wird mit einem Kondensator zwischen den CoD- und GND-Pins des Bausteins festgelegt. Beim Überschreiten von I_LIM bleibt die Ausgangsstufe für die eben genannte Zeitspanne im Strombegrenzungsmodus (I_OUT = I_LIM). Ist die durch den Kondensator festgelegte Zeit verstrichen, schaltet die Ausgangsstufe ab, um nach Verstreichen der 32-fachen Dauer des Ein-Modus wieder einzuschalten. Bild 4 zeigt die Cut-off-Signale des Bausteins in Verbindung mit einem 47-nF-Kondensator. Der untere Teil des Bildes ist eine vergrößerte Darstellung des Bereichs zwischen den gepunkteten Linien.

Bei der wiederholten Entmagnetisierung einer großen Induktivität sind zwei entscheidende Risiken zu untersuchen. Erstens kann der Baustein durch die in der Induktivität gespeicherte Energie zerstört werden. Zweitens kann die Sperrschichttemperatur der Leistungsstufe so weit ansteigen, dass der Übertemperaturschutz des Bausteins anspricht. Um das korrekte Verhalten zu verifizieren, wurde mit dem Steval-IFP028V1 ohne externe Freilaufdiode eine große Induktivität von 2,35 H angesteuert.

Getestet wurde mit einer Versorgungsspannung VCC von 24 V bei einer Umgebungstemperatur TUmg von +125 °C und einem Ausgangsstrom von 1 A. Der IPS160H entlädt die gesamte in der induktiven Last gespeicherte Energie in nur 40 ms (Bild 5), wobei die Sperrschichttemperatur nur vernachlässigbar ansteigt. Tatsächlich sprach der integrierte Übertemperaturschutz trotz der großen, in der Induktivität gespeicherten Energie und ungeachtet der hohen Umgebungstemperatur nicht an. Ähnliche Ergebnisse erhält man mit dem Demo-Board Steval-IFP034V1 und dem Baustein IPS161H.

Mit einem Betriebsspannungsbereich bis zu 65 V sind die Bausteine IPS160H und IPS161H für die strengen Anforderungen von Systemen konzipiert, die einem bestimmten Safety Integrity Level (SIL) entsprechen müssen. Die monolithischen Bausteine können komplexe (ohmsche, kapazitive und induktive) Lasten ansteuern, die an einer Seite mit Masse verbunden sind. Beispiel hierfür sind Ventile, Relais und Leuchten in der Fabrikautomatisierung oder Prozesssteuerung.