为MAX14922选择合适的N沟道MOSFET用于高边工业输出应用

本应用笔记解释了如何在高边工业负载开关应用中选择与MAX14922配合使用的合适的外部n沟道MOSFET。

介绍

高边开关通常控制工业负载，通常称为数字输出设备。工业数字输出负载本质上通常是感性的。高边开关用于灯的驱动控制、继电器控制以及驱动执行器负载/螺线管等应用。尽可能快地打开或关闭负载可实现高效的电力利用。但是，它也会产生不需要的电压尖峰，如果未正确选择组件，则对开关和控制器有害。

MAX14922是控制和驱动外部n沟道MOSFET器件的简单有效方法，可减少元件数量，同时提供工业和安全应用所需的高效可靠性能。

本应用笔记解释了如何选择合适的外部n沟道MOSFET，以及如何根据应用需求选择合适的保护。

MAX14922用于高边工业输出应用

图1.MAX14922具有外部FET驱动典型数字输出负载/执行器。

MAX14922的典型高边开关应用具有以下重要元件：

外部功率场效应管 （nMOS）

保护二极管TVS（在源端子）

VDD 或系统电源输入端的可选保护二极管

C空白在故障/过流条件下自动重试的电容

图1所示为简化的应用电路，MAX14922将系统电源输入连接至典型工业负载。电磁负载通过消耗来自输入的功率来将电能转换为机械能来工作。应用的要求决定了负载的功率处理能力，这决定了系统的工作电流。

MAX14922的优点

基于MAX14922的高边开关电路具有以下主要优势：

MAX14922适用于典型24V直流电源的应用，以及工作电压高达70V的高压工业电源。

根据 n 沟道 MOSFET （M1） 的定义，可以实现高电流。

超低电阻德森开关电阻可由 n 沟道 MOSFET 定义。

高电感能量开关和箝位，由外部GND连接的TVS定义。

与电源电压无关的感性负载关断或退磁时间，因为TVS箝位与GND连接。

支持极快的感性负载关断：MAX14922在输出端（源极）允许高达-70V的非常高的感性箝位电压。

通过集成比较器监视开关输出。

选择合适的 N 沟道功率 FET

该应用指示工作电压和电流，由负载/执行器的负载需求决定。谨慎选择R最低的外部FET德森.这样可以实现从电源到负载的高效电力输送。高边开关功能的总压降为：

等式 1

其中 RS是检测电阻的电阻。保持通道导通电阻 R德森确保更低的功耗。

n沟道FET的最大漏源电压（VDSS） 或 VBR必须等于或大于 V钳电压 + VDD.五世钳是浪涌或负载关断期间的负箝位电压，由TVS箝位电压决定。有关更多信息，请参阅有关感应退磁和浪涌保护的部分。MOSFET 的阈值电压 （V千） 必须大于 0.8V 且能够处理 V一般事务人员电压高达16V。应用中的正常功能负载电流和故障电流必须在n沟道FET的安全工作区（SOA）内。SOA 与温度相关。因此，FET必须降额至所需的工作温度，以确保开关在标称工作条件下。

过流事件期间的消隐时间和自动重试

安装或维护过程中的接线错误、负载随时间推移的磨损或执行器的突然损坏是负载故障的典型原因。串联感应电阻RS、MAX14922和外部FET协同工作，在过流故障或短路时调节设定电流一段时间。然后，如果过流情况持续存在，则强制关闭FET，仅在自动重试时间后重新打开。这样，开关/电源和组件块受到保护，故障情况被中继到系统控制器进行干预。

短路 t空白如果不希望选择消隐时间和自动重试模式，则在过流事件期间，接地输入可实现连续的最大设定电流调节输出。在这种情况下必须小心，因为外部FET被迫处于阻性或线性模式，这会增加功耗。当连续功耗超过n沟道FET的散热规格时，FET会损坏，从而影响应用。

所选 FET 的 SOA 曲线（例如 Si7322DN）（图 2）提供了有关其可处理的最大漏极电流（作为 V 函数）的关键信息DS和持续时间。这里的漏极电流与最大R相关S电流限制。

图 2 显示，对于给定的 VDS（负载处的最大电源电压，为 VDD） 随着负载电流沿 y 轴增加，其导通时间在右侧的第二个 y 轴上减小。此信息用于确定适当的 C空白电容，设置消隐时间和自动重试功能，以确保FET保持在安全的工作区域内。有关 SOA 随温度降额的更多信息，请参见参考链路（MOSFET 安全工作区降额 - 东芝）。

图2.Si7322DN 的 SOA。由 Si7322DN 数据手册中的 TOC 提供。

感应退磁

MAX14922打开或关闭外部开关（FET），为负载供电或切断电源。如果负载是感性的或用沿负载线产生电感的长电缆连接。突然关闭电源会产生不需要的反电动势，其中存储在感性负载上的能量必须安全地消散回电源返回路径。FET源头的感性负载退磁需要外部TVS保护，以安全地耗散能量。TVS 限制源端的负电压偏移，以保持 VDS场效应管低于 VDSS.负载电感中储存的能量（EL） 定义为：

等式 2

我在哪里负荷是工作负荷电流。

源极输入端的TVS二极管（图3）耗散负载产生的反向电磁干扰（EMF），以t为单位德马格秒为：

等式 3

其中 VDD是 FET 漏极处的应用电源输入。

V钳是TVS箝位电压，用于防止负过压。

R是负载的等效电阻（VDD/我负荷)

负载电感（L）和有效直流电阻（R）是基于负载的参数。V 越高钳电压，TVS 花费的速度越快（时间 = t德马格）来耗散储存的能量。场效应管的 VDSS必须大于或等于 V钳+ VDD的应用程序。

图3.典型 24V 应用图，在 S 处使用 TVS 或 PN 二极管。

图 4a.慢速 t德马格当使用具有320mA和1H电感的PN二极管时，以及75？电阻。

图 4b.快速 t德马格使用电感为450mA和1.5H的TVS二极管时。

图4a显示了使用二极管箝位电感能量时的退磁波形。二极管的低正向电压典型值为-0.3V，可实现60ms的超长退磁时间。

图4b显示了使用SMB33CA TVS时的退磁曲线，该电压箝位为-37V，即使初始负载电流高40%，也能更快地退磁16ms。

保护的选择会影响负载的关闭速度，而PN二极管的选择会阻碍感性负载的开关速率。

随着高端开关开关速率的增加，箝位中的功耗成比例增加。必须选择电感箝位，以便在最高开关速率下允许功耗。

退磁期间的电感放电电流（图4b）可以近似为线性模型，以计算TVS消耗的峰值和平均能量。箝位两端放电电流三角形下方的区域（图4b）持续17ms，提供箝位两端的平均能量。

箝位两端的峰值功率 = I负荷（一） x （|V钳|V）等式4

在退磁事件期间，夹具耗散的能量为：

E钳= 0.5 x I负荷（一） x （|V钳|V） x t德马格等式 5

应用的电涌保护：选择合适的TVS

浪涌水平要求由终端设备制造商定义，系统能够处理这些级别的保护至关重要。通常，数字输出 （DO） 具有 42？测试仪源阻抗特性。表1所示为MAX14922源端针对特定浪涌电平观察到的峰值电流。

TVS的选择必须基于TVS数据手册中额定峰值电流内峰值电流的能力（短路期间的电流波形为8μs/20μs，基于IEC 61000-4-5）。

表 1.浪涌电流值为 42？浪涌发生器阻抗
 

 

浪涌水平 （KV）	抗浪涌性	S （A） 处的峰值浪涌电流
±0.5	42	±12
±1	42	±24
±2	42	±48
±5	42	±120

 

图 5a.适用于 24V 应用的浪涌保护。

图 5b.60V应用的浪涌保护。

图5a显示了24V应用的典型保护。MAX14922S端的TVS二极管通过它吸收浪涌能量。应用的浪涌能力水平取决于TVS特性（钳位电流、额定功率）的选择。电源输入端的保护二极管（VDD） 保护应用程序的电源侧。

图5b显示了60V应用的典型保护。负浪涌瞬变由MAX14922S端的TVS二极管耗散。正浪涌的能量通过外部FET的体二极管传导，并被电源侧的TVS保护二极管吸收（VDD).

设计示例

我们来看看如何使用MAX14922开关控制器设计高边开关，以满足这些设计目标：

60V最大电源电压（一般工作电压为24V或48V）

2A 标称负载电流

1.2H 最大感性负载

可承受 ±2kV 浪涌 （IEC 61000-4-5， 42O R系列)

工作温度（-40°C 至 +85°C）

开关特性：占空比 （~10%），频率 （0.5Hz）

电感退磁的最小钳位电压为 -33V

确定检测电阻RS

重要的是要考虑串联检测电阻R的容差和温度系数S和限流电压阈值VCL.由容差和温度系数引起的变化增加了工作电流范围的裕量，如下所示：

我在哪里旅行是应用中允许的最大电流。当负载电流超过设定的电流限值时，MAX14922主动控制MOSFET V一般事务人员将负载电流调节至 I旅行.

五世CL容差为 ±10%，带一个检测电阻 RS容差为 1%，温度系数为 ±300ppm。跳闸电流最大和最小限值计算如下，工作电流为2A：

最大电流限制：

等式 6

检测到的最小电流限值：

等式 7

额定负载电流水平必须小于ITRIP_MIN水平以确保功能正常。如果检测电阻值保持在300ppm以下，则检测电阻（TCR）的温度系数在25°C至125°C的温度变化范围内小于1mO。

选择 RS考虑温度变化为-40°C至+85°C的12mO。

考虑12mO检测电阻，以下是容差V的考虑因素CL和 R意义在 -40°C 至 +85°C 的给定温度范围内加在一起：

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

该值必须小于负载I的最大额定电流TRIP_MAX.

RS= 12m？是给定条件的可接受值。

确定外部 N 沟道 MOSFET

基于最小感箝位电压以实现感性负载的快速退磁，可以找到最大钳位电压为40V的TVS。

合计 VDSS箝位电压为 （VDD， wCLAMP_MAX） = 100V。

n沟道MOSFET的选择必须具有VDSS大于或等于至少100V。允许 V 的变化DD电压，虽然工作电压为60V（最大值）和钳位电压公差，但最大VDSS所选的 FET 必须 = 100V。

选择具有三极管区域 R 的 MOSFET德森.

请记住，MAX14922可以驱动具有QG< 40nC.以下 MOSFET 是几种选择：

Si7322DN （100V 时）， 18A， 48mO R德森具有 13nC 的栅极电荷。

FDD770N15A， 200V， 18A， 77mO R德森栅极电荷为11nC。

假设箝位电压为 33V（单向）。

在浪涌和感应退磁期间，所有能量都通过TVS二极管耗散。对于 ±2kV 浪涌保护，TVS 必须能够处理 48A 的峰值浪涌电流。

消磁时间t德马格= 从公式3获得的39.2ms

峰值功率 = 2A x （36V） = 2A x 36 = 72W，电感中存储的能量 = 2.4J（来自 Eqn4 和 Eqn1）

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

72 W是TVS消耗的峰值功率（36V x 2A），或39.2ms的平均功率为36W（PAVG_DEMAG).负载的等效直流电阻通过该等效电阻将部分存储的能量作为热量消散。

审核编辑：郭婷