Leistungsschalter

Doppelter High-Side-Schalter erkennt Leitungsunterbrechungen und Überhitzung

Intelligent Power Switches (IPS) finden vielfach Anwendung. Je nach Ausführung – Low-Side- oder High-Side-Schalter – kommen die Leistungsschalter in verschiedenen Applikationen zum Einsatz. STMicroelectronics hat einen intelligenten Doppel-High-Side-Leistungsschalter entwickelt, der mit seinem reduzierten RDS(on)-Wert pro Kanal und seiner Ausgangsstrombegrenzung auf einen intern getrimmten Wert speziell auf die Minimierung der Gesamt-Verlustleistung ausgelegt ist.

Der doppelte High-Side-Schalter VNI2140J wurde für das Ansteuern von ohmschen, induktiven oder kapazitiven Verbrauchern konzipiert, deren anderer Anschluss an Masse liegt. In dem Baustein sind zwei 45-V-Leistungs-MOSFET- Kanäle mit einem RDS_(on) von typisch 80 mΩ bei 25 °C sowie Logik-, Treiber-, Schutz- und Diagnoseschaltungen integriert. Als Gehäuse dient das JEDEC-konforme Leistungsgehäuse PSSO-12. Gefertigt wird der Schalter mit der VIPower-Technologie. Diese proprietäre Smart-Power-Technologie ermöglicht die Integration von Regelungs- und Leistungsstufen in ein und demselben Chip.

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Bild 1. Blockschaltung des Intelligent Power Switch VNI2140J.

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Bild 1. Blockschaltung des Intelligent Power Switch VNI2140J.

Das Blockschaltbild zeigt, dass jeder Kanal für sich umfassend geschützt ist (Bild 1). Im Chip integriert sind ein Schutz vor zu hohen Sperrschichttemperaturen – für jeden Kanal thermisch unabhängig –, eine Strombegrenzung (> 1 A; typisch 1,6 A bei 25 °C) sowie eine induktive Klemmung (typisch –50 V).

Dank der Strombegrenzung und des Überhitzungsschutzes ist jeder Kanal für sich vor Kurzschlüssen und Überstrom- Ereignissen geschützt. Da die bei –50 V einsetzende Klemmung als Entmagnetisierungs- Schaltung fungiert, kommt der Baustein auch mit sehr großen induktiven Lasten zurecht und kann die induktive Energie schnell und ohne externe Freilaufdiode ableiten. Der Unterspannungs- Schutz unterbindet einen irregulären Betrieb bei zu geringer Versorgungsspannung. Sollte die Verbindung zur Massereferenz aus irgendeinem Grund unterbrochen werden, schaltet der Loss-of-Ground-Schutz wiederum die Leistungsstufen ab. Eine Zerstörung des Bausteins wird auf diese Weise verhindert.

Die Sperrschicht-Grenztemperatur, bei deren Erreichen der jeweilige Kanal abgeschaltet wird, beträgt 175 °C; das bewahrt den Schalter vor einer allgemeinen Überlastung. Der GehäuseÜbertemperaturschutz ergibt einen doppelten, in den Chip integrierten thermischen Schutz, um eine starke Erhitzung der Leiterplatte am Montageort des Leistungsschalters zu verhindern. Die TTL/CMOS-kompatiblen Eingangsstufen sind so konzipiert, dass sich minimale Eingangsschaltzeiten ergeben und der direkte Anschluss an einen Optokoppler mit einem Dunkelstrom von max. 10 μA möglich ist.

Eingeschaltet werden die Kanäle mit einer Eingangsspannung von mindestens 2,20 V. Status-Pins in Open- Drain-Konfiguration können direkt eine Leuchtdiode (LED) ansteuern, die ein Abschalten bei zu hoher Sperrschichttemperatur, eine Leitungsunterbrechung zum Verbraucher im OFFZustand oder einen Kurzschluss an U_CC anzeigen kann.

Überlastungszustände und Fehler sicher erkennen

Der Baustein verfügt über einen integrierten, doppelt wirkenden Überhitzungsschutz: Neben der in jeden Kanal integrierten Erkennung der Sperrschicht-Temperatur (T_TSD) mit entsprechendem Überhitzungsschutz überwacht der Baustein auch die Gehäuse-Temperatur, welche ebenfalls mit einem den gesamten Schalter umfassenden Überhitzungsschutz gekoppelt ist. Daraus resultiert ein zusätzlicher Schutz für die Leiterplatte: Befinden sich viele Kanäle im Überlast-Status, steigt die Gehäuse-Temperatur stark an und könnte so auch die Leiterplatte beschädigen.

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Bild 2a. Signalverläufe im Kurzschlussfall (oben). Bild 2b Signalverläufe bei Überlastung (unten).

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Bild 2a. Signalverläufe im Kurzschlussfall (oben). Bild 2b Signalverläufe bei Überlastung (unten).

Bei einer Überlastung schaltet der betroffene Kanal selbsttätig ab und anschließend wieder ein, sodass die Sperrschicht- Temperatur des Kanals zwischen T_TSD und T_R (Sperrschicht- Rückstelltemperatur) pendelt.

Diese Überlastung lässt allerdings die Gehäuse-Temperatur mit der Zeit immer weiter ansteigen: Hat diese schließlich den Grenzwert T_CSD erreicht, wird der überlastete Kanal, dessen Sperrschicht- Temperatur den Grenzwert T_TSD erreicht hat, erst dann wieder aktiviert, wenn die Gehäuse- Temperatur auf den unteren Grenzwert T_CR (Gehäuse-Rückstelltemperatur) zurückgegangen ist.

Hervorzuheben ist, dass die T_CSD-Begrenzung nur auf den überlasteten Kanal wirkt, während andere, nicht überlastete Kanäle ordnungsgemäß weiterarbeiten. Bild 2a und Bild 2b verdeutlichen die Wirkungsweise des Überhitzungsschutzes im Kurzschlussbzw. Überlastungsfall.

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Bild 3. Netzwerk zur Erkennung von Open-Load- Zuständen im abgeschalteten Zustand. Im Kasten ist das Ein- und Ausschaltverhalten der Open-Load- Erkennung zu sehen.

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Bild 3. Netzwerk zur Erkennung von Open-Load- Zuständen im abgeschalteten Zustand. Im Kasten ist das Ein- und Ausschaltverhalten der Open-Load- Erkennung zu sehen.

Damit ein Open-Load-Fehler im abgeschalteten Zustand erkannt werden kann, muss ein Pull-up-Widerstand zwischen U_CC und Ausgang geschaltet werden (Bild 3).

Im Normalfall fließt der Strom durch das aus Pull-up-Widerstand und Verbraucher bestehende Netzwerk. Da der Spannungsabfall am Verbraucher kleiner ist als die minimale Open-Load- Spannung, bleibt der High-Pegel am Diagnose-Pin bestehen.

Wird nun die Verbindung zum Verbraucher unterbrochen, steigt die Spannung am Ausgang auf einen Wert über der maximalen Open-Load-Spannung an, woraufhin der Diagnose-Pin auf Low-Status wechselt und damit den Open- Load-Zustand signalisiert.

1. Teil: Doppelter High-Side-Schalter erkennt Leitungsunterbrechungen und Überhitzung
2. Teil: Der Leistungsschalter in Industrie-Anwendungen und das Verhalten bei kurzgeschlossener Last
3. Teil: Verhalten bei kapazitiver Last