通过安全退磁切换感性负载

本应用笔记旨在向系统工程师详细介绍Maxim MAX14912/MAX14913产品的独特特性，特别是说明这些产品如何利用Maxim获得专利的SafeDemag™功能安全地处理24V直流负载的“无限电感”。

介绍

感性负载是任何具有线圈的设备，当通电时，通常执行某种机械工作，例如螺线管、电机和执行器。电流引起的磁场可以移动继电器或接触器中的开关触点，操作电磁阀或旋转电机中的轴。对于大多数工业应用，工程师使用高边开关来控制感性负载，挑战在于当开关断开且电流不再源向负载时，如何释放电感中的能量。不能正确释放这种能量的负面影响包括继电器触点的潜在电弧、损坏敏感IC的大负电压尖峰以及可能影响系统性能的高频噪声或EMI的产生。

感性负载和二极管保护

当电流通过电感器时，能量被存储。电感-电阻负载的直流瞬态响应使用图1所示电路以及图2所示的电流和电压曲线进行说明。

图1.用于直流瞬态响应的 L-R 电路。

图2.V-I 用于感性负载。

当开关断开时，没有电流流动，输出或负载电压为0V。

当开关闭合时，电流呈指数上升（受与电感产生的电源极性相反的反电动势（EMF）限制）上升至稳态值。系统输出电压由L） 上升至电源电压。随着电流的增加 VL衰减，直到达到稳态电流

当开关打开时，电流呈指数衰减，趋于零。

在开关打开的那一刻，电流的变化会导致产生反电动势。该反电动势与电流的极性相反，导致VL具有负电压尖峰。当电流衰减至零时，电感两端的负电压恢复到0V。

在实际电路中，最常见的感性负载放电解决方案（图3）使用续流二极管。在该电路中，当开关闭合时，二极管反向偏置并且不传导任何电流。当开关断开时，电感两端的负电压正向偏置二极管，通过传导电流通过二极管，直到达到稳态且电流为零，使存储的能量衰减。

图3.续流二极管。

二极管必须能够处理关断时的初始电流，等于开关闭合时流过电感器的稳态电流。此外，二极管的额定电压需要处理正负电压电平之间的摆动。经验法则(1)是选择一个额定值至少为电感线圈吸收的电流量和至少两倍于负载工作电压额定电压的二极管。对于许多应用，特别是每个IO卡具有许多输出通道的工业应用，该二极管通常物理上相当大，并且会给BOM增加大量额外成本。

简单续流二极管方法的另一个主要缺点是它延长了通过电感器的电流衰减。如“线圈抑制会缩短继电器寿命”中所述，(2)电流的这种缓慢衰减会产生诸如继电器触点之间“粘住”等问题。对于电流衰减必须更快的应用，另一种解决方案是使用齐纳二极管，如图4所示，它提供更快的电流斜坡，而不是指数衰减。当开关断开时，电流通过通用二极管和齐纳二极管路径分流，保持等于齐纳电压（加上正向二极管压降）的电压，直到电感能量耗散。

图4.齐纳二极管可实现更快的电流衰减。

使用 MOSFET 进行有源箝位

对于工业应用，“开关”通常是MOSFET。当MOSFET在切换感性负载时关断时，如果没有保护，则漏极和源极两端的电压（VDS） 增加，直到 MOSFET 击穿。现代高边开关经常使用一种称为有源箝位的技术，该技术限制VDS切换感性负载以保护 MOSFET 时。当开关闭合时，MOSFET 在饱和模式下完全导通 （RDS为低电平），但当开关断开时，MOSFET 被驱动到其线性模式，其中 RDS是更高的电阻。负载在有源钳位期间快速消磁，因为电压较大（VDD， w钳）耗散存储的能量（请参阅“DT99-4：智能电源开关（IPS）：基本功能和保护”。http://www.irf.com/technical-info/designtp/dt99-4.pdf）。(4)电压差越大，退磁越快;这就是为什么开关IC供应商通常将此功能称为“快速德马格”的原因。

图5.带有源箝位的高边开关 （MOSFET）。

在退磁期间，MOSFET 消耗的功率高于负载，因为 MOSFET 两端的电压高于负载电压。这意味着每个开关都有一个可以支持的最大感性负载和负载电流;否则，MOSFET 在有源箝位模式下会出现热问题。开关供应商通常在其数据表中包含一个图表，以显示可安全处理的最大感性负载与感性电流的关系。

退磁能量

公式1定义了感性负载中存储的能量，公式2定义了高端开关消耗的能量：

存储在感性负载中的能量

开关耗散的能量(3)

其中L是以亨利为单位的电感，IL是以安培为单位的负载电流。在MOSFET断电感性负载期间，等效电路如图6所示，齐纳二极管有效箝位VDS而反馈环路控制栅源电压，控制MOSFET，与负载电流无关。这样，MOSFET（而不是负载）上的电压就会下降，从而导致MOSFET在快速德马格模式下耗散更多的能量（和热量）。一旦能量耗散，负载电流趋势为零，MOSFET 进入截止模式和 VS趋势为 0V。

图6.高边开关快速退磁期间的等效电路。

系统设计人员有责任确保开关 （MOSFET） 能够处理关断模式下耗散的更高功率;否则，结温升高会导致应力并可能损坏开关器件。对于工业控制应用中流行的多通道开关，这种情况更糟。

安全消磁

虽然高边开关通常具有过流和过热检测功能，但在有源箝位模式（快速德马格）期间，电流由负载中的能量控制，因此在此模式下没有保护（电流或温度）处于活动状态。为了解决快速德马格过程中能量耗散过多的问题以及MOSFET的热问题，Maxim在MAX14912和MAX14913八通道高速开关产品中采用了一种称为安全退磁（SafeDemag）的新架构。SafeDemag与快速德马格电路配合使用，允许MAX14912和MAX14913以无限电感安全地关断负载。在正常关断下，高端MOSFET以线性模式工作，以利用快速德马格功能耗散电感能量。如果电感中的能量以及退磁电流过高，则高端MOSFET开始过热。此时，片内温度传感器会提醒控制逻辑关闭高端MOSET并打开低侧MOSFET，为退磁电流提供低电压（因此是低功耗）替代路径，允许高端MOSFET冷却并返回安全工作极限。

图7.使用低侧 MOSFET 实现安全退磁的电流路径。

感性负载开关测试

UL 508“工业控制设备”标准是定义工业控制设备要求的标准，规定最大负载为48Ω和1.15H。对于本应用笔记中的测试，该标准负载演示并比较了各种高边开关产品的性能与本应用笔记中已经讨论的不同退磁方案。所有开关产品均为八通道器件，如图8所示，使用一个通道进行测试，以证明与使用续流二极管的“慢速退磁”相比，更高钳位电压可实现快速退磁的优势。

图8.用于切换一个通道电感负载的测试电路。

消磁过程中单个输出通道耗散能量的公式由公式3–6得出：

对于此分析，我们假设开关关闭打开时间远大于t德马格允许电感中的能量消散，开关在再次导通之前达到稳态关断状态。测试使用Maxim和其他IC供应商提供的商用高边开关IC，如表1所示。

 

测试	切换设备	测试模式
自由轮二极管	MAX14900E	“慢德马格”
集成有源钳位	MAX14912	“快速德马格”
	ITS4880R	“快速德马格”
	VNI8200XP-32	“快速德马格”

 

测试1：自由轮二极管（“慢速德马格”）

MAX14900E评估板工作在并行模式，使用两个MURA205T3G二极管，从每个输出通道连接到VDD和GND实施续流二极管方案。输入为1Hz方波。图9显示了波形——通道1（黄色）是输入信号，通道2（洋红色）是输出电压，通道4（绿色）是感性负载电流。正如预期的那样，二极管将电压摆幅限制在地<以下1V，并且退磁相对较慢，约为94ms。

图9.MAX14900E，带续流二极管。

测试2：快速退磁

使用了三种产品，Maxim的MAX14912和两款竞争产品，英飞凌的ITS4880R和STM的VNI8200XP。所有开关均以并行模式工作，具有 1Hz 方波输入。图10、11和12分别给出了MAX14912、ITS4880和VNI8200的波形。在每种情况下，通道1（黄色）是输入信号，通道2（洋红色）是输出电压，通道4（绿色）是感性负载电流。第一个示波器镜头显示箝位电压，第二个示波器显示马格时间。

图 10.MAX14912具有快速马格（A - V钳， B - t德马格).

图 11.ITS4880 带快速马格 （A - V钳， B - t德马格).

图 12.VNI8200 带快速马格 （A - V钳， B - t德马格).

快速消磁摘要

正如预期的那样，快速德马格函数提供了比简单的续流二极管方案更快的退磁时间，并且测量值与公式3-6的计算相关。MAX14912的箝位电压较高，退磁速度比竞争产品快约20%。

 

VENDOR	DEVICE	VCLAMP (V)	TDEMAG (ms)
美信集成	MAX14912	57	15.4
英飞凌科技	ITS4880	52	18.4
STM	VNI8200	48	19.6

 

测试3：安全退磁（MAX14912）

为了给开关施加压力，所有八个输出通道同时切换。每个输出的负载为1.5H和27Ω。输入由公共输入信号驱动，该信号为2Hz方波。测试电路如图13所示。

图 13.用于同时切换所有八个通道的电感负载的测试电路。

所有测试均在室温下使用24V电源进行。图4880a和14b中ITS14R的示波器显示了波形——通道1（黄色）是输入信号，通道2（洋红色）是输出电压，通道3（蓝绿色）是过热警告引脚，通道4（绿色）是感性负载电流。

图 14a. ITS4880R 同时为所有八个通道提供开关电感负载。

操作几秒钟后，ITS4880R 开始过热，过热警告引脚在输入高电平和输出低电平期间被驱动为高电平。当设备温度过高时，保护会打开，然后在冷却几毫秒后重新打开。

图 14b. ITS4880R 同时为所有八个通道提供开关电感负载。

再过几秒钟后，从图14b所示的电感电流波形可以更清楚地看到过热保护的影响。关闭输出开关以防止过热会产生两个问题;第一个是德马格的时间较短（可能无法使电感器完全放电），第二个是电感器完全充电的时间不足（在螺线管或继电器等设备的情况下可能无法正常工作）。

图14912a、15b和15c中MAX15的示波器显示了波形——通道1（黄色）是输入信号，通道2（洋红色）是输出电压，通道4（绿色）是感性负载电流。

图 15a. MAX14912开关电感负载同时用于所有<>个通道。

在图 15a 和 15b 中，可以看到 SafeDemag 功能正在运行。当快速德马格箝位开始过热时，SafeDemag 开始工作，导致输出电压恢复到 0V，同时低边开关正在流失电感能量。当MAX14912冷却时，它返回到高端“快速德马格”，输出电压返回到由箝位电压定义的负值。总马格时间增加，但电感电流随着能量耗散而平滑衰减。MAX14912继续工作，如图15c所示，没有因过大感负载而导致过热问题。

图 15b. MAX14912开关电感负载同时用于所有八个通道，与SafeDemag同步。

图 15c. MAX14912开关电感负载，用于同时连续运行的所有<>个通道

这些测试是在室温下进行的，因此没有SafeDemag的设备在高温下运行时的性能会更糟，就像许多工业应用中发现的那样。

MAX14912/MAX14913竞争比较摘要

本应用笔记展示了MAX14912/MAX14913的差异化特性，与Maxim的MAX14900以及ITS4880R和VNI8200等竞争器件相比，这些特性为设计工程师提供了关键优势。MAX14912具有较高的箝位电压，为感性负载提供更快的退磁速度，与其他开关对可切换的电感大小有限制不同，SafeDemag允许MAX14912/MAX14913安全地切换无限电感负载。SafeDemag还允许MAX14912/MAX14913使用更小的封装，与竞争产品相比，占位面积减少多达66%。

 

规范	单位	MAX14900	MAX14912	ITS4880R	VNI8200XP-32
高端开关模式输出电流	A	0.85	0.5	0.625	1
开启时间	微秒	1	0.1（典型值）	50（典型值）	100（典型值）
关断时间	微秒	2	0.1（典型值）	75（典型值）	150（典型值）
推挽式开关模式电流输出 （High_Low）	mA	500 / 300	1200/810	不适用	不适用
推挽输出开关速率（最大值）	千 赫	100	200	不适用	不适用
集成快速德马格		不	是的	是的	是的
VCLAMP最小值到最大值	V	不适用	49 至 65.5	45 到 52	47 到 60
VCLAMP典型值	V	不适用	56	50	53
SafeDemag		不	是的	不	不
Package		48-pin TQFN	56-pin QFN	36-pin SSO	36-pin SSO
Package Area	毫米2	7 × 7 = 49	8 × 8 = 64	14 × 16 = 224	10 × 10 = 100

 

结论

安全切换感性负载的能力对于工业应用至关重要，系统工程师对此有不同的解决方案。本应用笔记中提供的数据表明，使用续流二极管进行慢速德马格是好的，使用有源箝位进行快速德马格更好，但使用Maxim的SafeDemag是解决这个问题的最佳方案。

审核编辑：郭婷