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Powermanagement-ICs

High-Side-Schalter schützen


Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Wie der High-Side-Controller schützt

Maxim Integrated, High-Side Switch, MAX14915
Bild 2: Ein High-Side-Controller auf Basis des MAX14915 mit Strombegrenzung.
© Maxim Integrated

Der in Bild 2 gezeigte High-Side-Schaltkreis ist mit dem High-Side-Schalter-Controller-IC MAX14922 von Maxim Integrated ausgestattet. Er bietet eine Reihe von Funktionen, um den gesamten Schaltkreis zu schützen, und kann ihn selbst unter schwierigsten Betriebs- und Fehlerbedingungen zuverlässig und robust machen. Dieser Controller bietet ein schnelles Abschalten der induktiven Last am Source-Eingang, was durch die Verwendung einer massegekoppelten Hochspannungs-Suppressordiode erreicht werden kann, die eine Spannungsbegrenzung gegen Überspannung und elektrostatische Entladungen (ESD) von –70 V (max.) bis zu VDD von +6 V bietet.

Der Controller verfügt über eine Strombegrenzung, die durch den Messwiderstand RS zwischen den VDD- und SNS-Eingängen festgelegt wird. Der maximale Überstrom ist dann IOC = VOC/RS. Im Fall eines Überstromzustands ergreift der Controller eine Reihe von Maßnahmen: Zunächst geht ein Open-Drain-Diagnoseausgang (OvCurr), der im normalen Betriebs im High-Zustand ist ist, auf Low. Dadurch kann der Mikrocontroller – falls gewünscht – entsprechende Maßnahmen ergreifen. Der Schaltregler beginnt dann, die Gate-Source-Spannung UGS des Schalters einzustellen, um den Strom für eine feste Austastzeit (Blanking Time; eingestellt durch den Kondensator CBLANK am tBLANK-Eingang) aktiv zu regeln.

Relevante Anbieter

Maxim Integrated, High-Side Switch, MAX14915
Bild 3: Die Regelung erfolgt während der Austastzeit (Blanking Time).
© Maxim Integrated

Hält der Überstrom länger als die Austastzeit an, schaltet der Regler den Schalter zum Schutz aus. Nach einer Ausschaltverzögerung, die etwa 50 Austastzeit-Intervallen von z. B. 10 ms entspricht, wird der Schalter automatisch wieder eingeschaltet. Die automatische Wiedereinschaltung wird fortgesetzt, bis die Ursache für den Überstrom durch einen Techniker beseitigt wurde. Der OvCurr-Ausgang bleibt auf Low, bis der Überstromzustand beseitigt ist. Ist die Austastzeit beispielsweise mithilfe eines 1-nF-Kondensator auf 200 µs eingestellt (Bild 3), wird der Schalter nach einer Ausschaltverzögerung, die etwa 50 Austastzeit-Intervallen oder 10 ms entspricht, wieder eingeschaltet (Bild 4). Dieser automatische Neustart (Auto Retry) wiederholt sich auf unbestimmte Zeit, bis der Fehler behoben ist.

Maxim Integrated, High-Side Switch, MAX14915
Bild 4: Ausblendzeit (Blanking Time) und Auto-Retry bei Überstrombedingungen.
© Maxim Integrated

Bei einem Kurzschluss schaltet der Regler den Schalter für ca. 5 μs aus und schaltet ihn dann kontrolliert wieder ein. So bestimmt sich der Kurzschlussstrom durch den Wert des Messwiderstandes RS (Bild 5). Und ähnlich wie bei einem Überstrom werden die Regelungsphase und die Auto-Retry-Intervalle durch den Wert des CBLANK-Kondensators bestimmt.

Maxim Integrated, High-Side Switch, MAX14915
Bild 5: Kurzschlusserkennung und Intervention.
© Maxim Integrated

Ein weiterer Vorteil dieses ICs sind die integrierte Temperaturüberwachung und Schutzabschaltung. Der integrierter Temperatursensor signalisiert eine thermische Warnung bei typischerweise +110 ºC. Tritt dies ein, geht der THW-Logikausgang auf Low, obwohl das Gerät weiterhin normal funktioniert. Kühlt sich die Temperatur um 10 K ab, wechselt der THW-Logikausgang wieder auf High.

Steigt die Temperatur jedoch weiter auf über +150 ºC an, geht der Controller in den Shutdown-Modus über, unabhängig vom Zustand des IN-Eingangs vom Mikrocontroller. Im Abschaltmodus wird das Gate-Signal am G-Ausgang ausgeschaltet, was den Schalttransistor vollständig abschaltet. Sinkt die Temperatur um 10 K, kehrt das Gerät zum Normalbetrieb zurück. Der THW-Ausgang wechselt aber erst wieder auf Low, sobald die Temperatur unter +110 ºC gefallen ist.

Überspannung erkennen

Die Überspannungserkennung ist ein weiteres nützliches Sicherheitsmerkmal des MAX14922. Wenn VDD über die Überspannungsschwelle von ca. +39 V ansteigt, geht der OV-Ausgang auf Low. Dies hat keinen Einfluss auf den Schaltregler, der weiterhin normal arbeitet – und dies auch bei VDD bis 70 V tun wird. Der OV-Ausgang fungiert jedoch als Signal für den Mikrocontroller, um anzuzeigen, dass die Versorgungsspannung höher ist als für das System vorgesehen. Bei einigen Anwendungen könnte dieses Signal dazu verwendet werden, das Signal des System-Mikrocontrollers anzusteuern und somit zu verhindern, dass IN auf High geht, wenn eine Überspannungsbedingung auftritt. Für noch mehr Robustheit bietet das IC einen integrierten Schutz gegen Fehlverdrahtung der Versorgungsspannung.

Neben den Sicherheitsmerkmalen enthält das IC auch eine interne Ladungspumpe, um einen höheren Treiberstrom für das Gate des Schalters bereitzustellen. Dadurch wird sichergestellt, dass er bei minimalem Einschaltwiderstand RDS(on) vollständig durchschaltet. Dies reduziert die I²R-Verluste und die damit verbundene Erwärmung. Diese ist insbesondere bei der Integration der Schaltung in einem kleinen Gehäuse unerwünscht und ermöglicht Schaltfrequenzen bis zu 50 kHz. Auch enthält dieser Schaltcontroller-IC einen integrierten 5-V-LDO-Regler, der bei Bedarf bis zu 50 mA Strom an externe Schaltungen liefern kann.

Fazit

Auf den ersten Blick scheint der industrielle High-Side-Schalter eine relativ triviale Schaltung zu sein. Arbeitet er jedoch in einer rauen Produktionsumgebung, gibt es zahlreiche Betriebs- und Fehlerbedingungen, wodurch er ausfallen und es zu kostspieligen Produktionsausfällen kommen kann.

Der neue High-Side-Schalter-Controller-IC MAX14922 von Maxim Integrated enthält eine Vielzahl von Diagnose- und Sicherheitsfunktionen, um diesen Schaltungen ein möglichst hohes Maß an Robustheit während des Betriebs in einer Produktionsumgebung zu verleihen. Er ist in einem 3 mm x 3 mm großen TQFN16-Gehäuse erhältlich und eignet sich für den Einsatz mit einer großen Auswahl an n-Kanal-MOSFET-Bauelementen, speziell in Relais bzw. Magnetventilen und Motorbremsanwendungen, die einen Strom zwischen 1 A und 10 A benötigen.

 

Autoren

Sean Long ist Executive Director, Applications für die Industrial and Healthcare Business Unit bei Maxim Integrated. Er hat einen Abschluss als Bachelor of Science in Electrical and Electronic Engineering der Aston University, Birmingham, und ist seit Mai 2012 bei Maxim.

Michael Jackson ist Principal Technical Writer bei Maxim Integrated. Er hat einen Master of Engineering in Electronic Engineering von der Dublin City University.


  1. High-Side-Schalter schützen
  2. Welche Fehler können auftreten?
  3. Wie der High-Side-Controller schützt

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