為MAX14922選擇合適的N溝道MOSFET用于高邊工業(yè)輸出應用

本應用筆記解釋了如何在高邊工業(yè)負載開關應用中選擇與MAX14922配合使用的合適的外部n溝道MOSFET。

介紹

高邊開關通?？刂乒I(yè)負載，通常稱為數(shù)字輸出設備。工業(yè)數(shù)字輸出負載本質(zhì)上通常是感性的。高邊開關用于燈的驅(qū)動控制、繼電器控制以及驅(qū)動執(zhí)行器負載/螺線管等應用。盡可能快地打開或關閉負載可實現(xiàn)高效的電力利用。但是，它也會產(chǎn)生不需要的電壓尖峰，如果未正確選擇組件，則對開關和控制器有害。

MAX14922是控制和驅(qū)動外部n溝道MOSFET器件的簡單有效方法，可減少元件數(shù)量，同時提供工業(yè)和安全應用所需的高效可靠性能。

本應用筆記解釋了如何選擇合適的外部n溝道MOSFET，以及如何根據(jù)應用需求選擇合適的保護。

MAX14922用于高邊工業(yè)輸出應用

圖1.MAX14922具有外部FET驅(qū)動典型數(shù)字輸出負載/執(zhí)行器。

MAX14922的典型高邊開關應用具有以下重要元件：

外部功率場效應管 （nMOS）

保護二極管TVS（在源端子）

VDD 或系統(tǒng)電源輸入端的可選保護二極管

C空白在故障/過流條件下自動重試的電容

圖1所示為簡化的應用電路，MAX14922將系統(tǒng)電源輸入連接至典型工業(yè)負載。電磁負載通過消耗來自輸入的功率來將電能轉(zhuǎn)換為機械能來工作。應用的要求決定了負載的功率處理能力，這決定了系統(tǒng)的工作電流。

MAX14922的優(yōu)點

基于MAX14922的高邊開關電路具有以下主要優(yōu)勢：

MAX14922適用于典型24V直流電源的應用，以及工作電壓高達70V的高壓工業(yè)電源。

根據(jù) n 溝道 MOSFET （M1） 的定義，可以實現(xiàn)高電流。

超低電阻德森開關電阻可由 n 溝道 MOSFET 定義。

高電感能量開關和箝位，由外部GND連接的TVS定義。

與電源電壓無關的感性負載關斷或退磁時間，因為TVS箝位與GND連接。

支持極快的感性負載關斷：MAX14922在輸出端（源極）允許高達-70V的非常高的感性箝位電壓。

通過集成比較器監(jiān)視開關輸出。

選擇合適的 N 溝道功率 FET

該應用指示工作電壓和電流，由負載/執(zhí)行器的負載需求決定。謹慎選擇R最低的外部FET德森.這樣可以實現(xiàn)從電源到負載的高效電力輸送。高邊開關功能的總壓降為：

等式 1

其中 RS是檢測電阻的電阻。保持通道導通電阻 R德森確保更低的功耗。

n溝道FET的最大漏源電壓（VDSS） 或 VBR必須等于或大于 V鉗電壓 + VDD.五世鉗是浪涌或負載關斷期間的負箝位電壓，由TVS箝位電壓決定。有關更多信息，請參閱有關感應退磁和浪涌保護的部分。MOSFET 的閾值電壓 （V千） 必須大于 0.8V 且能夠處理 V一般事務人員電壓高達16V。應用中的正常功能負載電流和故障電流必須在n溝道FET的安全工作區(qū)（SOA）內(nèi)。SOA 與溫度相關。因此，F(xiàn)ET必須降額至所需的工作溫度，以確保開關在標稱工作條件下。

過流事件期間的消隱時間和自動重試

安裝或維護過程中的接線錯誤、負載隨時間推移的磨損或執(zhí)行器的突然損壞是負載故障的典型原因。串聯(lián)感應電阻RS、MAX14922和外部FET協(xié)同工作，在過流故障或短路時調(diào)節(jié)設定電流一段時間。然后，如果過流情況持續(xù)存在，則強制關閉FET，僅在自動重試時間后重新打開。這樣，開關/電源和組件塊受到保護，故障情況被中繼到系統(tǒng)控制器進行干預。

短路 t空白如果不希望選擇消隱時間和自動重試模式，則在過流事件期間，接地輸入可實現(xiàn)連續(xù)的最大設定電流調(diào)節(jié)輸出。在這種情況下必須小心，因為外部FET被迫處于阻性或線性模式，這會增加功耗。當連續(xù)功耗超過n溝道FET的散熱規(guī)格時，F(xiàn)ET會損壞，從而影響應用。

所選 FET 的 SOA 曲線（例如 Si7322DN）（圖 2）提供了有關其可處理的最大漏極電流（作為 V 函數(shù)）的關鍵信息DS和持續(xù)時間。這里的漏極電流與最大R相關S電流限制。

圖 2 顯示，對于給定的 VDS（負載處的最大電源電壓，為 VDD） 隨著負載電流沿 y 軸增加，其導通時間在右側的第二個 y 軸上減小。此信息用于確定適當?shù)?C空白電容，設置消隱時間和自動重試功能，以確保FET保持在安全的工作區(qū)域內(nèi)。有關 SOA 隨溫度降額的更多信息，請參見參考鏈路（MOSFET 安全工作區(qū)降額 - 東芝）。

圖2.Si7322DN 的 SOA。由 Si7322DN 數(shù)據(jù)手冊中的 TOC 提供。

感應退磁

MAX14922打開或關閉外部開關（FET），為負載供電或切斷電源。如果負載是感性的或用沿負載線產(chǎn)生電感的長電纜連接。突然關閉電源會產(chǎn)生不需要的反電動勢，其中存儲在感性負載上的能量必須安全地消散回電源返回路徑。FET源頭的感性負載退磁需要外部TVS保護，以安全地耗散能量。TVS 限制源端的負電壓偏移，以保持 VDS場效應管低于 VDSS.負載電感中儲存的能量（EL） 定義為：

等式 2

我在哪里負荷是工作負荷電流。

源極輸入端的TVS二極管（圖3）耗散負載產(chǎn)生的反向電磁干擾（EMF），以t為單位德馬格秒為：

等式 3

其中 VDD是 FET 漏極處的應用電源輸入。

V鉗是TVS箝位電壓，用于防止負過壓。

R是負載的等效電阻（VDD/我負荷)

負載電感（L）和有效直流電阻（R）是基于負載的參數(shù)。V 越高鉗電壓，TVS 花費的速度越快（時間 = t德馬格）來耗散儲存的能量。場效應管的 VDSS必須大于或等于 V鉗+ VDD的應用程序。

圖3.典型 24V 應用圖，在 S 處使用 TVS 或 PN 二極管。

圖 4a.慢速 t德馬格當使用具有320mA和1H電感的PN二極管時，以及75？電阻。

圖 4b.快速 t德馬格使用電感為450mA和1.5H的TVS二極管時。

圖4a顯示了使用二極管箝位電感能量時的退磁波形。二極管的低正向電壓典型值為-0.3V，可實現(xiàn)60ms的超長退磁時間。

圖4b顯示了使用SMB33CA TVS時的退磁曲線，該電壓箝位為-37V，即使初始負載電流高40%，也能更快地退磁16ms。

保護的選擇會影響負載的關閉速度，而PN二極管的選擇會阻礙感性負載的開關速率。

隨著高端開關開關速率的增加，箝位中的功耗成比例增加。必須選擇電感箝位，以便在最高開關速率下允許功耗。

退磁期間的電感放電電流（圖4b）可以近似為線性模型，以計算TVS消耗的峰值和平均能量。箝位兩端放電電流三角形下方的區(qū)域（圖4b）持續(xù)17ms，提供箝位兩端的平均能量。

箝位兩端的峰值功率 = I負荷（一） x （|V鉗|V）等式4

在退磁事件期間，夾具耗散的能量為：

E鉗= 0.5 x I負荷（一） x （|V鉗|V） x t德馬格等式 5

應用的電涌保護：選擇合適的TVS

浪涌水平要求由終端設備制造商定義，系統(tǒng)能夠處理這些級別的保護至關重要。通常，數(shù)字輸出 （DO） 具有 42？測試儀源阻抗特性。表1所示為MAX14922源端針對特定浪涌電平觀察到的峰值電流。

TVS的選擇必須基于TVS數(shù)據(jù)手冊中額定峰值電流內(nèi)峰值電流的能力（短路期間的電流波形為8μs/20μs，基于IEC 61000-4-5）。

表 1.浪涌電流值為 42？浪涌發(fā)生器阻抗

圖 5a.適用于 24V 應用的浪涌保護。

圖 5b.60V應用的浪涌保護。

圖5a顯示了24V應用的典型保護。MAX14922S端的TVS二極管通過它吸收浪涌能量。應用的浪涌能力水平取決于TVS特性（鉗位電流、額定功率）的選擇。電源輸入端的保護二極管（VDD） 保護應用程序的電源側。

圖5b顯示了60V應用的典型保護。負浪涌瞬變由MAX14922S端的TVS二極管耗散。正浪涌的能量通過外部FET的體二極管傳導，并被電源側的TVS保護二極管吸收（VDD).

設計示例

我們來看看如何使用MAX14922開關控制器設計高邊開關，以滿足這些設計目標：

60V最大電源電壓（一般工作電壓為24V或48V）

2A 標稱負載電流

1.2H 最大感性負載

可承受 ±2kV 浪涌 （IEC 61000-4-5， 42O R系列)

工作溫度（-40°C 至 +85°C）

開關特性：占空比 （~10%），頻率 （0.5Hz）

電感退磁的最小鉗位電壓為 -33V

確定檢測電阻RS

重要的是要考慮串聯(lián)檢測電阻R的容差和溫度系數(shù)S和限流電壓閾值VCL.由容差和溫度系數(shù)引起的變化增加了工作電流范圍的裕量，如下所示：

我在哪里旅行是應用中允許的最大電流。當負載電流超過設定的電流限值時，MAX14922主動控制MOSFET V一般事務人員將負載電流調(diào)節(jié)至 I旅行.

五世CL容差為 ±10%，帶一個檢測電阻 RS容差為 1%，溫度系數(shù)為 ±300ppm。跳閘電流最大和最小限值計算如下，工作電流為2A：

最大電流限制：

等式 6

檢測到的最小電流限值：

等式 7

額定負載電流水平必須小于ITRIP_MIN水平以確保功能正常。如果檢測電阻值保持在300ppm以下，則檢測電阻（TCR）的溫度系數(shù)在25°C至125°C的溫度變化范圍內(nèi)小于1mO。

選擇 RS考慮溫度變化為-40°C至+85°C的12mO。

考慮12mO檢測電阻，以下是容差V的考慮因素CL和 R意義在 -40°C 至 +85°C 的給定溫度范圍內(nèi)加在一起：

33mV/11.8m？RS（-1% - 300ppm TCR）（11.88m - 0.09m） = 2.8A

該值必須小于負載I的最大額定電流TRIP_MAX.

RS= 12m？是給定條件的可接受值。

確定外部 N 溝道 MOSFET

基于最小感箝位電壓以實現(xiàn)感性負載的快速退磁，可以找到最大鉗位電壓為40V的TVS。

合計 VDSS箝位電壓為 （VDD， wCLAMP_MAX） = 100V。

n溝道MOSFET的選擇必須具有VDSS大于或等于至少100V。允許 V 的變化DD電壓，雖然工作電壓為60V（最大值）和鉗位電壓公差，但最大VDSS所選的 FET 必須 = 100V。

選擇具有三極管區(qū)域 R 的 MOSFET德森.

請記住，MAX14922可以驅(qū)動具有QG< 40nC.以下 MOSFET 是幾種選擇：

Si7322DN （100V 時）， 18A， 48mO R德森具有 13nC 的柵極電荷。

FDD770N15A， 200V， 18A， 77mO R德森柵極電荷為11nC。

假設箝位電壓為 33V（單向）。

在浪涌和感應退磁期間，所有能量都通過TVS二極管耗散。對于 ±2kV 浪涌保護，TVS 必須能夠處理 48A 的峰值浪涌電流。

消磁時間t德馬格= 從公式3獲得的39.2ms

峰值功率 = 2A x （36V） = 2A x 36 = 72W，電感中存儲的能量 = 2.4J（來自 Eqn4 和 Eqn1）

E鉗= 0.5 x 36V x 2A x 39.2ms = ~1.413J。從公式 5

72 W是TVS消耗的峰值功率（36V x 2A），或39.2ms的平均功率為36W（PAVG_DEMAG).負載的等效直流電阻通過該等效電阻將部分存儲的能量作為熱量消散。

審核編輯：郭婷