MAX14919/MAX14919A為4通道、低側(cè)數(shù)字輸出器件。每個單獨(dú)的輸出通道可支持高達(dá) 500mA 的輸出電流。本應(yīng)用筆記提供了在典型數(shù)字輸出應(yīng)用中并聯(lián)輸出通道以實(shí)現(xiàn)更高輸出電流時需要考慮的必要信息。

介紹

MAX14919/MAX14919A是工業(yè)保護(hù)、4通道、低邊開關(guān)，常用于工業(yè)解決方案。驅(qū)動負(fù)載/執(zhí)行器的數(shù)字輸出設(shè)備必須在惡劣的環(huán)境中運(yùn)行，因?yàn)樨?fù)載存在于現(xiàn)場（工業(yè)車間、現(xiàn)場設(shè)備控制器和遠(yuǎn)程開放區(qū)域）。數(shù)字輸出設(shè)備必須處理靜電放電 （ESD）、浪涌和感性負(fù)載退磁事件（無論是否使用外部組件），并可靠運(yùn)行。

MAX14919/MAX14919A器件可采用5V電源或典型24VDC現(xiàn)場電源供電。MAX14919/MAX14919A每路輸出端集成箝位，提供高達(dá)±1kV/42O浪涌保護(hù)和55V（典型值）的感性能量箝位。一個 140mO 的低通道導(dǎo)通電阻可實(shí)現(xiàn)低功耗并減少自發(fā)熱。集成度和更小的外形尺寸使MAX14919/MAX14919A可用于節(jié)省成本和高密度的應(yīng)用

圖1所示為采用MAX14919/MAX14919A的隔離式四通道、低邊數(shù)字輸出（DO）應(yīng)用的典型應(yīng)用示例。

圖1.使用MAX14919/MAX14919A的典型簡化數(shù)字輸出應(yīng)用框圖

對于每個通道需要超過500mA負(fù)載電流的工業(yè)溶解氧應(yīng)用，用于開關(guān)執(zhí)行器和負(fù)載，可以并聯(lián)多個通道以提高輸出能力。在圖2中，所有四個通道都連接起來，以將通道電流增加到2A（典型值）。

圖2.4通道、2A/通道、低邊DO應(yīng)用，采用MAX14919/MAX14919A。

當(dāng)驅(qū)動純阻性負(fù)載時，此應(yīng)用可能就足夠了。然而，典型的工業(yè)執(zhí)行器本質(zhì)上是電感式的，當(dāng)開關(guān)打開時，開關(guān)必須安全地釋放電感器中的能量。在這種情況下，必須在低側(cè)DO開關(guān)的輸出端施加外部TVS保護(hù)，因?yàn)殚_關(guān)兩端的電壓增加，電感退磁期間需要釋放的能量也會增加。不符合MAX14919/MAX14919A數(shù)據(jù)資料中提到的器件規(guī)格和正常工作限值會導(dǎo)致器件損壞。

MAX14919中的電感退磁

圖3顯示，當(dāng)通道輸出開關(guān)關(guān)閉時，由于電流變化，電感兩端產(chǎn)生的反電動勢或反電動勢會在開關(guān)輸出端產(chǎn)生高壓尖峰。當(dāng)瞬態(tài)電壓尖峰越過MAX14919的箝位電壓達(dá)到55V（典型值）時，集成箝位被激活，開啟內(nèi)部FET，釋放負(fù)載兩端的感應(yīng)能量。內(nèi)部開關(guān)在高電阻模式下導(dǎo)通，導(dǎo)致通過器件自發(fā)熱。這可以在FAULT狀態(tài)輸出中觀察到，指示過熱警告。

負(fù)載電感中存在的能量由下式給出：

其中L是負(fù)載的電感（H），I是負(fù)荷是負(fù)載電流 （A）。

圖3.MAX14919中的電感退磁

MAX14919內(nèi)部箝位在感性負(fù)載關(guān)斷事件期間消耗的總能量可由下式估算：

在鉗是MAX14919輸出端的箝位電壓，由內(nèi)部集成箝位組成。我負(fù)荷是關(guān)斷前流過感性負(fù)載的初始電流。

在田是負(fù)載的可用系統(tǒng)電源/現(xiàn)場電源。

在有源箝位期間，開關(guān)耗散公式2中的能量所需的時間為：

MAX14919/MAX14919A可同時放電1.2H電感兩端的感性能量，每通道串聯(lián)一個48O阻性負(fù)載，負(fù)載電流為500mA。當(dāng)通過器件耗散能量時，如果輸出開關(guān)的本地溫度超過熱警告或關(guān)斷溫度，則指示輸出的狀態(tài)FAULT在負(fù)載關(guān)斷期間轉(zhuǎn)換為低電平。圖4a顯示了只有一個通道退磁時的MAX14919/MAX14919A輸出響應(yīng)。圖4b顯示了所有四個通道同時進(jìn)行退磁時的輸出響應(yīng)。

圖 4a. 1通道輸出關(guān)斷響應(yīng)。

圖 4b. 4通道輸出關(guān)斷響應(yīng)。

MAX14919吸收的鉗位能量ECLAMP在125°C時每通道不應(yīng)超過200mJ。 每個通道的任何增加都可能導(dǎo)致由于過大的熱應(yīng)力而損壞設(shè)備。通常，當(dāng)開關(guān)負(fù)載電流超過500mA且負(fù)載電感大于1.2H范圍時，對于單通道或多通道應(yīng)用，應(yīng)添加外部TVS二極管箝位，以安全吸收能量。

單通道、2A低邊DO應(yīng)用，采用MAX14919/MAX14919A

工業(yè)數(shù)字輸出模塊/控制器通常具有每通道500mA或每通道標(biāo)稱2A輸出規(guī)格。以下部分介紹并聯(lián)輸出以將電流輸出增加到 2A 時的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)（圖 5）。

設(shè)計(jì)工程師必須考慮以下項(xiàng)目，以便根據(jù)設(shè)計(jì)要求實(shí)施和優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)數(shù)字輸出器件在高達(dá) 85°C 的溫度下穩(wěn)健可靠的運(yùn)行。

1. 最大輸出電流 （2.4A）

設(shè)計(jì)為20V DC現(xiàn)場電源的24%容差高達(dá)28.8V，該應(yīng)用必須處理高達(dá)2.4A的輸出電流。短路和過流情況可通過MAX14919的R處理。設(shè)置通過將輸出電流限制在設(shè)定值來保護(hù)輸出的電阻器。有關(guān)不同的R，請參見MAX14919/MAX14919A數(shù)據(jù)資料設(shè)置不同級別的電流限制值。R型設(shè)置31.05kO用于將每通道最小600mA的電流限值設(shè)置為<>mA。

圖5.單通道、2A低邊DO應(yīng)用，采用MAX14919/MAX14919A。

在相同的本地結(jié)硅溫度下，芯片中的四個輸出開關(guān)在 +/-1% 的典型導(dǎo)通電阻匹配范圍內(nèi)匹配良好。MOSFET 的導(dǎo)通電阻在三極管操作中具有正熱溫度系數(shù)。這有一個積極的副作用，即如果一個通道的導(dǎo)通電阻略低，則當(dāng)并聯(lián)到另一個通道時，它會攜帶更高的電流，這會增加其結(jié)溫，直到導(dǎo)通電阻匹配的水平，從而導(dǎo)致并聯(lián)連接的通道之間均等的均流。堅(jiān)持良好的布局技術(shù)，并在設(shè)計(jì)中使用低阻抗更寬的走線作為輸出通道互連，有助于最大限度地減少I2R 損失。

在MAX2的14919A DO應(yīng)用中選擇外部箝位

圖5所示為單通道、2A低側(cè)DO應(yīng)用，工作溫度范圍為-40°C至85°C。外部 TVS 二極管有助于感應(yīng)能量放電和浪涌保護(hù)。發(fā)生退磁時，考慮的最大負(fù)載電感為1.2H。

外部TVS二極管的選擇對于確保應(yīng)用中低邊開關(guān)的穩(wěn)健運(yùn)行至關(guān)重要。如果正確選擇了TVS二極管，則所有能量耗散都通過該外部箝位進(jìn)行。除了開關(guān)和穩(wěn)態(tài)負(fù)載電流外，溶解氧不會受到電應(yīng)力的影響，并在給定溫度下正常工作。

邊距設(shè)計(jì)

本節(jié)說明為2A低側(cè)溶解氧解決方案選擇合適的TVS箝位的步驟。分析時考慮了以下參數(shù)，參考圖 4 中的應(yīng)用圖：

VFIELD-MAX = 28.8V, L = 1.2H, R = 12O, 33VRM TVS Selection: SMCJ33A (Littelfuse),

ILOAD-MAX = 2.4A, PPK_DIS-MAX = VCLAMP at ILOAD-MAX x ILOAD-MAX (W)

TVS 反向工作/關(guān)斷電壓 （V.RM)

TVS反向工作電壓（有時稱為關(guān)斷電壓）是低漏電流（1uA或類似）電壓范圍，應(yīng)選擇大于最大額定現(xiàn)場電源電壓，以免在關(guān)斷狀態(tài)下引起高漏電流電流。通常選擇33V工作電壓，因?yàn)樗哂?8V最大電源電壓。

浪涌期間的TVS鉗位電壓

TVS二極管的最大鉗位電壓考慮在浪涌保護(hù)中，因?yàn)槔擞侩娏鬟h(yuǎn)大于正常負(fù)載電流。如果需要浪涌保護(hù)，則外部TVS二極管在峰值浪涌電流水平下的最大鉗位電壓必須低于浪涌脈沖期間內(nèi)部箝位的鉗位電壓（如果要吸收外部箝位能量）。MAX14919A輸出+1kV/42的內(nèi)部浪涌鉗位電壓是多少？浪涌高于+60V，對于負(fù)浪涌，由體二極管箝位至-1V電平。

TVS 鉗位電壓

對于給定的環(huán)境溫度和電流水平，箝位電壓可以通過兩步法估算：

當(dāng)箝位事件不重復(fù)或間隔較長時，足以使箝位的結(jié)溫穩(wěn)定到箝位測試電流可忽略不計(jì)或低值的環(huán)境條件（例如IT= 1mA），箝位電壓隨環(huán)境溫度的變化可由下式確定：

其中 VCL是箝位電壓，等于二極管數(shù)據(jù)手冊中提供的擊穿電壓值。aT 是溫度系數(shù) （/°C）。TJ是二極管穩(wěn)定到環(huán)境溫度值的結(jié)溫。

電感反沖期間通過二極管的電流會影響箝位電壓。

給定負(fù)載電流在環(huán)境溫度下的有效鉗位電壓可由下式確定：

動態(tài)電阻可通過 R 確定DTVS二極管數(shù)據(jù)手冊中的脈沖持續(xù)時間曲線。或者，可以通過測量箝位電壓到不同電流水平的變化斜率來計(jì)算1.參見表2，了解T處不同電流水平下鉗位電壓的變化一個= 25°C 和 T一個= 85°C。 動態(tài)電阻RD根據(jù)對不同鉗位電壓隨電流水平的觀察計(jì)算得出得出公式6。有效鉗位電壓（V克雷夫）計(jì)算得出的箝位電壓電平必須近似等于觀察到的鉗位電壓電平，如表2所示。

與二極管可以處理的峰值電流水平相比，應(yīng)用中箝位期間的最大電流電平（2.4A）較小。因此，對于給定的電流水平和溫度，動態(tài)電阻近似相同。

給定退磁脈沖的峰值功耗考慮因素

TVS二極管數(shù)據(jù)手冊中的峰值功耗特性基于具有二極管數(shù)據(jù)手冊中定義的指數(shù)電流衰減特性的浪涌/測試信號，如圖6所示。該 td是電流達(dá)到其峰值的一半所花費(fèi)的時間。

典型工作曲線“峰值脈沖功率與脈沖寬度（td）“和”峰值脈沖功率降額（百分比）與初始結(jié)溫的關(guān)系“提供了二極管在高溫下的功耗能力。為實(shí)現(xiàn)可靠和穩(wěn)健的運(yùn)行，針對圖2所述應(yīng)用的表4計(jì)算的二極管的峰值功耗必須在降額線內(nèi)（T一個= +85°C）。

圖6.二極管的輸入測試信號。由 Littelfuse 數(shù)據(jù)表 SMCJ33A 提供。

退磁事件期間典型電流衰減行為的形狀可以近似于鋸齒波或三角波（見圖7和圖8）。估計(jì) td對于該曲線，通過確定不同信號類型下相同功耗的脈沖持續(xù)時間等效因子，在參考峰值功耗之前，溫度降額曲線。2

對于給定的退磁事件（三角信號），達(dá)到峰值電流（IPPM/2）的一半所需的時間是電流達(dá)到零或箝位失活的總退磁時間的~40%。這40%確保將利潤率考慮在內(nèi)。表3顯示了峰值功耗和退磁時間的觀測值和估計(jì)值。

圖7.（T一個= 25°C， I負(fù)荷= 2.15A）。

圖8.（T一個= 25°C， I負(fù)荷= 2.15A）。

圖9a至圖9e顯示了SMC（1.5kW）、SMC（3kW）、SMD（5kW）類型中各種TVS二極管（從二極管數(shù)據(jù)手冊中獲得）的峰值功耗曲線和峰值功耗（PPK_DIS-最大） 放電 2.4A 的反沖電流時。超過10ms的數(shù)據(jù)被外推進(jìn)行分析。虛線是 85°C 環(huán)境溫度下的降額功耗線，降額百分比取決于制造商。比較了來自不同制造商的通用1.5kW SMC TVS二極管的性能，以及比較中還包括的特殊3kW和5kW器件。

在退磁事件期間，TVS二極管的峰值耗散需要在虛線（器件85°C降額值）以下，以保持安全操作。使用表4所列二極管的典型應(yīng)用評估可在溫度范圍內(nèi)成功進(jìn)行退磁，而不會損壞二極管或MAX14919A芯片。

圖 9a.

圖 9b.

圖 9c.

圖 9d.

圖 9e.

可以同意，1.5kW、3kW 和 5kW TVS 選項(xiàng)在對數(shù)刻度的高溫降額線路的安全運(yùn)行區(qū)域內(nèi)。更高的功率耗散額定值器件（3kW、5kW）允許在設(shè)計(jì)中提供更大的裕量或裕量。上述程序是典型的評估，設(shè)計(jì)人員在選擇時必須謹(jǐn)慎，以確保余量和體積設(shè)計(jì)的可靠操作。

穩(wěn)態(tài)功耗考慮因素

如果負(fù)載反復(fù)打開和關(guān)閉怎么辦？這意味著TVS鉗位必須在一段時間內(nèi)連續(xù)斷電，因?yàn)楦袘?yīng)退磁。

在應(yīng)用中，考慮輸出感性負(fù)載以給定頻率連續(xù)切換，并且必須考慮二極管兩端的平均功耗，因?yàn)樗p發(fā)生在周期的每個下降沿。由于事件的重復(fù)性，二極管的平均結(jié)溫隨著開關(guān)頻率的增加而升高（fs） 增加。二極管的平均結(jié)溫不得超過二極管的絕對最大額定值。

由于表面貼裝二極管的封裝尺寸較大，這些元件對定義安裝方法的焊接尺寸有建議。因此，功率耗散可以更好地從結(jié)到引線，而不是從結(jié)到外殼。結(jié)溫（TJ） 可以通過平均功率和器件的結(jié)引線熱阻來確定，如公式 7 和 8 所示，并且必須低于給定開關(guān)速率 （fs).

或者，直接方法是比較公式7獲得的平均功率與TVS二極管制造商數(shù)據(jù)手冊中提供的穩(wěn)態(tài)降額或穩(wěn)態(tài)功耗曲線。

結(jié)論

MAX14919/MAX14919A通過并聯(lián)輸出通道，可在高達(dá)2A的低邊DO應(yīng)用下工作，并考慮選擇外部箝位，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健可靠的工作。

審核編輯：郭婷