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Fachartikel vom 07/23/2012

Intelligente Leistungsschalter mit hoher Robustheit

Leistung intelligent einsetzen

Dieser Artikel vermittelt einen Überblick über das aktuelle Produktportfolio von STMicroelectronics auf dem Gebiet der intelligenten Leistungsschalter (Intelligent Power Switch – IPS). Ein eigenes Kapitel ist jenen Lösungen gewidmet, die die Störimmunität mithilfe externer Schaltungen erhöhen.

Bild: St Microelectronics
Blockschaltbild des VNI2140J (Bild: St Microelectronics)

Der Baustein des Typs L6370 ist ein einkanaliger IPS traditioneller Art auf Basis der Multipower-BCD-Technologie. Seine umfassend geschützte Leistungsstufe kann beliebige Verbraucher mit Strömen bis zu 2,5 A ansteuern. Die maximal zulässige Betriebsspannung dieses IPS beträgt 50 V. Die eingebaute ausgangsseitige Klemmschaltung bürgt für eine schnelle Entmagnetisierung induktiver Verbraucher. Bestandteil des Chips ist eine umfangreiche 2-Bit-Diagnosefunktion. Diese signalisiert Stromkreisunterbrechungen zum Verbraucher, Kurzschlüsse zur Versorgungsspannung, Kurzschlüsse am Ausgang, Übertemperaturen und eine zu geringe Versorgungsspannung. Das hier verwendete Ansteuerverfahren für den Leistungs-MOSFET minimiert die Verlustleistung bei kurzgeschlossener Last. Wird eine Überlastung (Kurzschluss) registriert, deaktiviert der Chip seine Leistungsstufe automatisch, sobald eine bestimmte (einstellbare) Zeitspanne verstrichen ist. Der Chip wird in einem Power-SO20-Gehäuse angeboten und ist seit neuestem auch als QFN-48-Version (7 mm x 7 mm) verfügbar.

Ein typisches Beispiel für einen zweikanaligen IPS auf Basis der VIPower-Technologie ist der VNI2140J, der auf jedem Kanal einen Treiberstrom von 1 A an die jeweilige Last abgeben kann. Die eingebauten Schutzfunktionen verleihen der Applikation eine hohe Zuverlässigkeit. Die präzise Ausgangsstrombegrenzung sorgt für eine rasch ansprechende Begrenzung auf die Worst-Case-Verlustleistung und Stromaufnahme. Dieser IPS ist mit einem zusätzlichen Temperatursensor bestückt, um die jeweilige Leiterplatte vor Belastungen durch zu hohe Temperaturen zu bewahren. Der Gehäuse-Temperatursensor ist nahe der Wärmeableitfahne des Gehäuses platziert, und seine Ansprechschwelle ist niedriger eingestellt als die des Sperrschicht-Temperatursensors. Dieses Konzept kommt in allen neuen Leistungsschaltern von STMicroelectronics, so zum Beispiel auch in den Bausteinen VNI4140K (-32) und VN808 (-32) zum Einsatz. Ein besonderes Merkmal dieses IPS ist die Erkennung von Stromkreisunterbrechungen zum Verbraucher. Diese Funktion ist aktiv, wenn sich der betreffende Ausgang im Aus-Zustand befindet, und wirkt durch Erfassung der Spannung am abgeschalteten Ausgang. Die Ansprechempfindlichkeit dieser Funktion wird mithilfe externer Pull-up-Widerstände festgelegt. Unter normalen Umständen fließt der von diesen Widerständen bestimmte Strom über den angeschlossenen Verbraucher ab. Ist die Verbindung zur Last jedoch unterbrochen, steigt die Spannung im Aus-Zustand an, was über den Diagnose-Pin gemeldet wird.

Bild: St Microelectronics
Blockschaltbild des VNI4140K (Bild: St Microelectronics)

ST hat diesen Baustein jüngst hinsichtlich seiner elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) optimiert. Der VNI2140J zeichnet sich nunmehr durch eine außerordentliche Robustheit gegenüber elektrostatischen Entladungen sowie Stromstößen und Stoßspannungen aus. Der neueste vierkanalige Leistungsschalter im Portfolio von STMicroelectronics ist der VNI4140K, der mit einer auf 0,7 A eingestellten Strombegrenzung angeboten wird, alternativ aber auch mit einem Grenzstrom von 1 A (als VNI4140K-32) verfügbar ist. Das Toleranzfenster der Strombegrenzung ist auf ein Minimum reduziert. Laut Datenblatt reicht die Spanne von 0,7 A bis 1,7 A. Bei einem Kurzschluss auf allen vier Kanälen kann die Stromaufnahme aus der Stromversorgung unter ungünstigsten Umständen höchstens bis auf 4 x 1,7 A = 6,8 A ansteigen. Dies gehört zu den entscheidenden Wettbewerbsvorteilen dieses Produkts. Der Baustein ist mit vier unabhängigen Diagnosesignalen ausgestattet, sodass die zuständige Steuereinheit klare Informationen über die mögliche Ursache einer Überlastung erhält. Da die Treiber dieser Diagnosesignale als Open-Source-Schaltung ausgeführt sind, lassen sich alle vier Signale mithilfe einer Wired-OR-Schaltung verknüpfen. Im Zuge eines unlängst erfolgten Redesigns wurden die EMV-Eigenschaften des Bausteins und seine Applikations-Stabilität maximiert. Der VN808 ist ein traditioneller achtkanaliger IPS, der ebenfalls mit der VIPower-Technologie hergestellt wird. Auch bei diesem Baustein besteht die Wahlmöglichkeit zwischen zwei Versionen mit Grenzströmen von 0,7 A bzw. 1,0 A (VN808-32). Der Anwender hat darüber hinaus die Wahl zwischen verschiedenen Varianten mit unterschiedlichen Eingangssignal-Schwellen. Zur Auswahl stehen entweder Vcc/2 oder eine zum Standard-CMOS-Pegel kompatible Schwelle (VN808CM). Die Ausführung mit Vcc/2 gewährleistet eine hohe Störimmunität und ist die ideale Wahl für isolierte Applikationen. Die CM-Version wendet sich dagegen hauptsächlich an nicht isolierte I/O-Module und kann direkt an eine Steuereinheit, eine Logikschaltung oder ein ASIC angeschlossen werden. Sämtliche Kanäle arbeiten vollkommen eigenständig. Wenn der Chip infolge einer Überlastung eines einzelnen Kanals seine Gehäuse-Grenztemperatur erreicht, wird der jeweilige Kanal deaktiviert, bis sich das Gehäuse abgekühlt hat. Der Betrieb der anderen Kanäle wird hierdurch nicht beeinflusst. Mithilfe eines gemeinsamen Statussignals wird ein Überhitzungsereignis in einer der Leistungsstufen signalisiert.

Externe Schutzschaltungen verbessern EMV

Bild: St Microelectronics
Blockschaltbild des VN808 (Bild: St Microelectronics)

Alle bisher erwähnten Bauelemente sind mit integrierten Schutzfunktionen ausgestattet, die die endgültige Anwendung gegen verschiedene Störeinflüsse wie etwa elektrostatische Entladungen, Spannungsspitzen oder energiereiche Stoßspannungen immunisieren. Generell wird empfohlen, je einen kleinen Keramikkondensator zwischen jeden Ausgang und die Masse zu legen, um das Verhalten des Chips zu optimieren und die Störfestigkeit seiner Ausgänge zu verbessern. Damit energiereiche Spitzen auf den Stromversorgungsleitungen ohne Folgen bleiben, ist eine externe Schutzbeschaltung erforderlich. Der elementarste Schutz für einen IPS besteht darin, einen geeigneten unidirektionalen Transil-Schutzbaustein möglichst nah am Stromversorgungs-Anschluss der Applikation anzuschließen. Ein typisches Beispiel für einen solchen Baustein ist der für 1.500 V ausgelegte Transil-Baustein SM15T36A.

Wird zusätzlich ein Verpolungsschutz benötigt, kann ein bidirektionaler Transil-Baustein wie der SM15T36CA in Verbindung mit einer umgekehrt gepolten Diode eingesetzt werden, die meist in der Masseleitung platziert wird, um sie keinen hohen Strömen auszusetzen und die Verlustleistung gering zu halten. Wenn die Notwendigkeit besteht, die Ausgänge besser speziell vor energiereichen Impulsen zu schützen, muss eine Serien-Diode zwischen dem Ausgang des Chips und dem Ausgangsanschluss der Applikation geschaltet werden. Zusätzlich wird eine Transil-Diode zwischen dem Ausgang der Applikation und der positiven Versorgungsspannung benötigt. Besonders die Transil-Diode am Ausgang muss sorgfältig ausgewählt werden. Ihre echte maximale Klemmspannung darf höchstens so groß sein wie die minimale Klemmspannung des Leistungsschalters (in den Datenblättern von ST wird dieser Parameter meist als Vdemag bezeichnet). Eine Konsequenz dieser Lösung ist, dass durch die externe Klemmdiode nicht nur die Ströme fließen, die durch Stoßspannungen oder Störungen im allgemeinen verursacht werden, sondern auch der Entmagnetisierungsstrom einer etwaigen induktiven Last. Aus diesem Grund muss hier ein Bauelement mit hinreichender thermischer Belastbarkeit eingesetzt werden.

Fazit

Bild: St Microelectronics
Externe Schaltung zur Immunisierung der Ausgänge gegen Stoßspannungen (Bild: St Microelectronics)

STMicroelectronics richtet sein Augenmerk auf die Entwicklung von IPS-Bausteinen mit einer umfangreichen Ausstattung an integrierten Schutzfunktionen. Ziel ist die Optimierung der internen Schaltungen dergestalt, dass die Applikation ein Maximum an Immunität erhält, während gleichzeitig ein Minimum an externen Schutzbausteinen benötigt wird. Dank der langjährigen Erfahrung von ST im Design von IPS-Bausteinen und der Optimierung der Produktionstechnologien sind die Bauelemente bestens für den Einsatz unter rauen Umgebungsbedingungen mit hohem Störaufkommen optimiert. Da das Produkt-Portfolio von ST außerordentlich umfangreich ist, beschränkte sich der vorliegende Artikel nur auf die modernsten Bauelemente.