車(chē)載照明系統要求高達 55A 的峰值浪涌電流。在傳統方法中，使用繼電器和保險絲來(lái)開(kāi)關(guān)和限制功率輸出電流是不可預知的，也是不可靠的。
　　
將一個(gè)高壓側前置 FET 驅動(dòng)器和功率FET組合是一種控制車(chē)載照明的最理想的解決方案。
　　
一支白熾燈泡中鎢絲的電阻可隨著(zhù)溫度的變化產(chǎn)生超過(guò) 1:10 比率的變化。為了防止元件過(guò)熱，以及長(cháng)時(shí)間使用而造成的元件性能下降，一款具有可編程短路和過(guò)電流調節的電子開(kāi)關(guān)就顯得極為有用。一旦檢測到有過(guò)電流情況發(fā)生，標準及自恢復 (re-settable) 保險絲就會(huì )中斷負載電源，并且可能會(huì )用一個(gè)長(cháng)短不定的時(shí)間來(lái)進(jìn)行復位。與此不同的是，可以對一個(gè)電子開(kāi)關(guān)進(jìn)行編程來(lái)更具預見(jiàn)性地做出反應。
　　
基于保險絲的系統只能被設置到一個(gè)明確的復位值，并且無(wú)法像電子解決方案一樣能夠容納 10:1 電流比率?？梢詫﹄娮娱_(kāi)關(guān)進(jìn)行編程，以在發(fā)生過(guò)電流情況的事件中進(jìn)行周期性的自動(dòng)重試，或者檢查故障是否已被排除。同時(shí)，對故障的性質(zhì)進(jìn)行監控、檢測以及報告有助于輕松地弄清楚系統存在的問(wèn)題。
　　
多通道前置 FET 驅動(dòng)器和外部功率 FET 概念提供了系統靈活性，用于優(yōu)化負載控制功耗和成本。與一個(gè)全面集成的解決方案相比，獨立地選擇功耗和不同 FET 電阻有助于防止由于單通道故障帶來(lái)的交互作用和系統故障。
　　
前置 FET 驅動(dòng)器功率開(kāi)關(guān)組合允許系統對 FET 開(kāi)關(guān)特性進(jìn)行控制，并且在柵極驅動(dòng)輸出上使用外部 RC 組件時(shí)處理所有電磁干擾 (EMI) 問(wèn)題。
　　
負載控制前置FET 驅動(dòng)器和N-通道功率FET 組合
一個(gè)前置 FET 驅動(dòng)器(例如：TI 推出的 TPIC44H01)被用來(lái)控制系統中的四種不同負載。這種組合能夠通過(guò)溫度系數較好地控制阻性負載。通常，負載被連接在低壓側，而功率 FET 則在高壓側完成配置，以為負載供電。每一條通道都可以由一個(gè)來(lái)自微控制器的并行輸入信號或串行編程寄存器來(lái)控制。在一個(gè)并行結構中，一個(gè)通用 I/O 或基于定時(shí)器的輸出被用來(lái)控制負載電流。
　　
柵極驅動(dòng)輸出通常為一個(gè)恒定電流源，并且吸入輸出端來(lái)控制 FET 柵極電容充電和放電特性。與輸出串聯(lián)的一個(gè)外部電阻器限制了 FET 開(kāi)關(guān)轉換的升降次數。這種效應使轉換率得到了控制，同時(shí)還可有助于減少會(huì )增加電磁干擾(增加開(kāi)關(guān)損耗和功耗)的開(kāi)關(guān)極限期間出現的快速電流變化。這些輸出在內部被控制在 17V 的最大輸出電壓以下，以保護外部 FET 柵極免于源擊穿損壞。與一款集成的解決方案相比較，可以對前置 FET 驅動(dòng)器和功率 FET 的組合進(jìn)行配置，以防止應用中的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)故障。
　　
浪涌電流的動(dòng)態(tài)故障閾值
白熾燈的發(fā)光照明要求有一個(gè)動(dòng)態(tài)故障閾值來(lái)對高浪涌電流進(jìn)行補償，并防止在開(kāi)啟之初錯誤地觸發(fā)過(guò)電流條件。一個(gè)帶有開(kāi)關(guān)的 RC 網(wǎng)絡(luò )的使用可以設置該動(dòng)態(tài)故障的閾值(參見(jiàn)圖1)。通過(guò)使用這種方法，可以針對不同的白熾燈泡對短路電流進(jìn)行優(yōu)化。在最初的過(guò)電流閾值被設置時(shí)設置 VPEAK 電壓，然后當在 VCOMP 終端上設置的電阻器分壓器值為恒定不變的 RC 時(shí)間常數時(shí)進(jìn)行衰減。每當柵極從“關(guān)閉”狀態(tài)轉到“開(kāi)啟”狀態(tài)時(shí)，便通過(guò)一個(gè)適當通道的并行或串行輸入比特產(chǎn)生這種可變過(guò)電流閾值的波形。
　　
圖1
　　
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當該特定通道處于“關(guān)閉”狀態(tài)時(shí)，經(jīng)過(guò)編程的 VPEAK(X) 值被反映在 VCOMP(X) 上。如果一個(gè)特定通道被開(kāi)啟，那么過(guò)電流檢測的參考電壓就為動(dòng)態(tài)，并且用內部 VPEAK 設置和VCOMP(X) 終端外部組件值表示。
　　
根據時(shí)間的變化對一個(gè)以電壓形式表示的過(guò)流故障閾值進(jìn)行調節，以對燈泡燈絲電阻的變化進(jìn)行補償(如圖2所示 )。
　　
圖2
　　
故障檢測和保護
在所有的系統中，對于負載保護而言，故障檢測都是至關(guān)重要的。能夠獨立地對 “開(kāi)啟”狀態(tài)下有短路負載和過(guò)電流現象以及“關(guān)閉”狀態(tài)下有開(kāi)路負載的每一條通道進(jìn)行故障檢測，將使系統能夠做出正確的反應。這種檢測同時(shí)還可以將出現故障的通道隔離開(kāi)，以避免影響其它正常通道，特別是在涉及熱相互作用問(wèn)題的時(shí)候。
　　
a “開(kāi)啟”狀態(tài)故障
為了檢測每一條通道的短路負載，監控外部功率 FET 電源電壓可確保開(kāi)關(guān)何時(shí)被完全“開(kāi)啟”，以及何時(shí)將電壓設置為幾個(gè)正電壓(一般為 5V)。如果該短路負載發(fā)生在開(kāi)關(guān)轉換以后，那么在系統做出正確反應(包括“關(guān)閉”FET 以使其不超出安全工作區參數)以前，故障的確定有效持續時(shí)間比故障掩模時(shí)間要長(cháng)。為了防止出現開(kāi)關(guān)轉換期間的錯誤故障報告，一種抗尖峰脈沖 (de-glitch) 濾波器在耗盡轉換時(shí)間時(shí)被激活，以屏蔽故障?？梢詫υ摽辜夥迕}沖屏蔽時(shí)間進(jìn)行編程來(lái)對所有轉換率控制實(shí)施進(jìn)行補償。
　　
當一個(gè)外部引腳上的漏-源電壓超出一個(gè)編程電壓電平時(shí)，過(guò)電流故障監控和報告就會(huì )被標記出來(lái)。這種方法要求 FET 電阻處在“開(kāi)啟”狀態(tài)中，并且要求所有負載電流產(chǎn)生該漏-源電壓。在一個(gè)被稱(chēng)為故障屏蔽定時(shí)器的編程期間，這種故障的檢測被屏蔽起來(lái)。如果在比屏蔽定時(shí)器更長(cháng)的時(shí)間里，故障一直都存在，那么將報告過(guò)電流故障，并且采取正確的動(dòng)作來(lái)“關(guān)閉”該 FET。這種協(xié)議 (arrangement) 可防止 FET 超出器件的最高建議結溫。
　　
當檢測到一個(gè)過(guò)電流狀態(tài)時(shí)，通過(guò)“關(guān)閉”器件或激活將以低占空比自動(dòng)重試和 “開(kāi)啟”FET 的選項設置，就可以對 FET 進(jìn)行保護。這樣就允許系統不斷地檢查故障是否已經(jīng)被排除，并且不會(huì )破壞 FET。圖3顯示了這種過(guò)電流檢測保護的原理圖。
　　
 
圖3
　　
b “關(guān)閉”狀態(tài)故障
在“關(guān)閉”狀態(tài)下監控開(kāi)路負載故障為系統提供了負載完整性信息。當開(kāi)關(guān)完全處于“關(guān)閉”狀態(tài)下時(shí)，通過(guò)監控外部功率 FET 的電源電壓，就可以實(shí)現對每一條通道開(kāi)路負載故障的檢測。一個(gè)內部電源激活一個(gè)流經(jīng)負載到接地的小恒定電流，并且使開(kāi)路負載檢測閾值以下的 SRCx 節點(diǎn)發(fā)生偏置。

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如果檢測到一個(gè)開(kāi)路負載或高阻抗，那么小恒定電流將使開(kāi)路負載檢測閾值以上的 SRCx 節點(diǎn)發(fā)生偏置，進(jìn)而檢測到故障(見(jiàn)圖4)。
　　
 
圖4
　　
同樣地，為了防止開(kāi)關(guān)轉換期間出現錯誤的故障報告，一種抗尖峰脈沖濾波器在電源轉換期間被激活，以屏蔽故障?？梢詫υ摽辜夥迕}沖屏蔽時(shí)間進(jìn)行編程來(lái)對所有轉換率控制實(shí)施進(jìn)行補償。如果該開(kāi)路負載發(fā)生在開(kāi)關(guān)轉換以后，那么在系統做出正確的動(dòng)作以前故障的確定有效時(shí)間比故障掩模時(shí)間要長(cháng)。正確的動(dòng)作就是使該場(chǎng)效應晶體管保持在“關(guān)閉”狀態(tài)下。
　　
在所有系統中，監控電源線(xiàn)的過(guò)壓狀態(tài)以及“關(guān)閉”場(chǎng)效應晶體管來(lái)防止對負載和 FET 可能造成的破壞是很重要的(見(jiàn)圖5)。
　　
圖5
　　
前置 FET 驅動(dòng)器和功率 FET 的組合可用來(lái)驅動(dòng)螺線(xiàn)管負載。如果在柵極被“關(guān)閉”的情況下沒(méi)有實(shí)施外部保護，就可能會(huì )出現對功率 FET 的損壞。通過(guò)再循環(huán)螺線(xiàn)管能量以及在負載中安裝整流器，可以對 FET 實(shí)施保護。但是，這樣做可能會(huì )占用一些時(shí)間衰減負載能量，因此在快速脈寬調制 (PWM) 操作中不建議采用這種方法。
　　
對于快速“關(guān)閉”而言，“主動(dòng)”地“開(kāi)啟”功率 FET 要求實(shí)施一個(gè)有源鉗位。這樣就可以消耗掉存儲的能量，并且在不到一毫秒的時(shí)間內迅速地將數瓦特的功率添加到該FET。另外一種方法是，可以將外部功率 FET 的雪崩擊穿用于在“關(guān)閉”以后慢慢消耗能量，但是對于高頻 率脈寬調制 (PWM) 操作而言，不建議采用這種方法。
　　
結論
高壓側前置場(chǎng) FET 驅動(dòng)器和功率 FET 組合被廣泛地用于負載控制，例如：車(chē)載電子的白熾燈泡、繼電器螺線(xiàn)管和傳輸螺線(xiàn)管等。這種組合還可能被應用于那些要求通過(guò)串行總線(xiàn)通信或者并行輸入控制來(lái)實(shí)現負載控制的工業(yè)和商業(yè)應用中。將每一個(gè)功率 FET 與熱相互作用隔離的這種能力，在那些單通道短路或者熱關(guān)閉故障不會(huì )中斷其它負載控制通道功能的情況下是非常有好處的。