Интеллектуальные коммутаторы семейства Neo-Iso компании Semtech

Введение

В устройствах силовой электроники все чаще в качестве альтернативы традиционным электромагнитным реле или контакторам используются твердотельные реле. Данный класс устройств относится к модульным полупроводниковым компонентам, в конструкции которых предусмотрены ключи на симисторах, тиристорах или транзисторах, успешно решающие задачи коммутации нагрузки.

Твердотельные реле обладают отличным быстродействием, небольшими габаритными размерами, отсутствием неустойчивых контактных соединений и искрений при переключении. Наряду с очевидными преимуществами их применения существует несколько локальных факторов, при которых возможен выход этих компонентов из строя. К ним относятся токовая перегрузка и короткое замыкание, перенапряжение, а также перегрев из-за некачественного теплоотвода. Для устранения влияния данных факторов были разработаны интеллектуальные коммутаторы, представляющие собой твердотельные реле (на базе мощных полевых транзисторов и их драйверов), объединенные с блоками защиты и системами диагностики. Все элементы коммутаторов интегрированы в одном корпусе, применение такого подхода приводит к сокращению занимаемой площади на плате, упрощению и ускорению разработки конечного изделия.

Интеллектуальные коммутаторы обеспечивают переключение одно- и трехфазных линий и в настоящее время широко распространены в автомобильной электронике и промышленной технике для управления резистивной (системы отопления, освещения и т. д.) и индуктивной (электромагниты, слаботочные двигатели и т. д.) нагрузками. Свой вклад в номенклатуру доступных на рынке изделий данного типа вносит компания Semtech, представляя новую серию Neo-Iso.

Семейство Neo-Iso состоит из гальванически изолированных интеллектуальных силовых ключей, оптимизированных для различных промышленных и бытовых применений. Отличительные черты серии — низкое сопротивление в замкнутом состоянии, возможность организации многоканальных решений и наличие интегрированных схем мониторинга состояния, повышающих безопасность и эффективность эксплуатации [1]. Малый входной ток и совместимость с логическими уровнями обеспечивают управление высоковольтной нагрузкой при помощи маломощных микроконтроллеров и исключают использование дополнительных электронных компонентов. Обладающие минимальными габаритами и рассчитанные на длительный срок эксплуатации представители семейства особенно полезны в системах с ограниченной площадью печатной платы. Функциональные особенности и очень низкие значения тока собственного потребления, находящиеся в диапазоне 5–10 мкА, позволяют получать необходимую энергию из цепи нагрузки и отказаться от дополнительных источников питания. К типовым сферам применения устройств семейства Neo-Iso относятся:

• «Интернет вещей» (IoT);
• системы отопления, вентиляции и кондиционирования;
• устройства домашней и промышленной автоматизации;
• системы безопасности;
• медицинское оборудование;
• интеллектуальные приборы учета ресурсов;
• контрольно-измерительные приборы.

Особенности представителей семейства Neo-Iso

Первый представитель семейства Neo-Iso — изолированный интеллектуальный коммутатор TS13101, серийно выпускаемый с 2015 года и предназначенный прежде всего для применения в компактных устройствах «Интернета вещей» и системах автоматизации. Он способен управлять напряжениями силовой шины в «умных» розетках, выключателях освещения и промышленного оборудования, а также работать в низковольтных схемах, содержащих термостаты и датчики различных типов [2]. В новых разработках TS13101 может заменить электромеханические реле, уменьшая время включения и выключения до 25 мкс и обеспечивая на порядок более длительный срок службы, чем у существующих электромеханических технологий. Выпускаемый в 20‑выводном корпусе форм-фактора QFN размером 4×4 мм и высотой всего 0,9 мм, он способен коммутировать нагрузку с рабочим током до 4 A. Диапазон рабочих температур составляет –40…+125 °C. Устойчивость к воздействию переходных процессов соответствует требованиям стандартов IEC 61000-4-2 (защита от электростатических разрядов величиной ±30 кВ), IEC 61000-4-4 (защита от быстрых наносекундных маломощных импульсов с параметрами 40 А, 5/50 нс) и IEC 61000-4-5 (защита от микросекундных мощных импульсов 160 В, 1,2/50 мкс). Также нужно отметить низкие рабочие токи покоя, не более 2 мкА в выключенном состоянии и 4 мкА во включенном.

На рис. 1 показана упрощенная структурная схема TS13101. В качестве интегрированного ключа выступает одиночный полевой транзистор с максимальным напряжением 60 В и сопротивлением сток-исток во включенном состоянии (R_DS(on)), не превышающим 110 мОм.

Рис. 1. Упрощенная структурная схема ИС TS13101

На рис. 2 можно увидеть типовую схему применения ИС TS13101. Масштабируемая гальваническая развязка между первичной и вторичной сторонами устройства относится к емкостному типу и организована с применением внешних конденсаторов C_ISO и C_DATA. Управление микросхемой осуществляется при помощи системного контроллера через линии портов ввода/вывода общего назначения. Требуемые уровни управляющих сигналов TS13101 принадлежат диапазону 2,7–5,5 В и совместимы с выходами большинства стандартных микроконтроллеров.

Рис. 2. Типовая схема применения ИС TS13101

Включение или выключение встроенного транзистора выполняется с использованием входа CLK, на который подается определенная сигнальная последовательность (рис. 3). Для замыкания ключа необходимо передать две серии тактовых импульсов, следующих с частотой F_CLK = 2 МГц: N_CLKON-INIT (3–8 импульсов) и NCLKON (15 импульсов). Пауза между посылками (T_LOW-ON) не должна превышать 20 мкс. Корректная посылка приводит к включению транзистора, он остается в данном состоянии до получения соответствующей команды выключения или до момента обнаружения аварийной ситуации. Команда выключения, наоборот, состоит из одной серии импульсов N_CLKOFF (6–13), заключенной между паузами T_CLKOFF-INIT и T_CLKOFF. Основной источник принятия решения об аварии — встроенная схема защиты от перегрузки по току и короткого замыкания, которая срабатывает при величине тока нагрузки более 5,5 А (при температуре +25 °C). При этом ключ переходит в неактивное состояние независимо от команды, присутствующей на входе CLK, а на вспомогательном выводе DATA появляются импульсы с частотой, составляющей 1/4 часть от рабочей частоты линии CLK. Контроль вывода DATA позволяет создавать более надежные системы с функцией самодиагностики, в режиме реального времени обеспечивая микроконтроллер информацией о текущем статусе.

Рис. 3. Команды включения и выключения ИС TS13101

Коммутаторы TS13102 и TS13103 имеют аналогичное TS13101 назначение и обладают расширенной системой мониторинга для детектирования нагрузки, контроля состояния и режимов переключения. Изготавливаются они в миниатюрных корпусах для поверхностного монтажа QFN‑16 с размерами 3×3×0,9 мм и с допустимой температурой эксплуатации в пределах –40…+125 °C [3]. Встроенный полевой транзистор рассчитан на максимальное напряжение сток-исток 60 В, рабочий ток до 2,5 А и имеет сопротивление R_DS(on) не более 290 мОм. Питание данных ИС, как правило, осуществляется из цепи нагрузки, встроенный диодный мост позволяет накапливать необходимую энергию в конденсаторе C_SYS, подключенном к контакту SYSP (рис. 4).

Рис. 4. Упрощенная структурная схема ИС TS13102

Кроме того, TS13103 оснащен дополнительным выводом PTO, при помощи которого можно обеспечить изолированное питание системного микроконтроллера и тем самым значительно сократить спецификацию проекта. Программируемый сторожевой таймер служит для безопасного отключения нагрузки при отсутствии активности на выводе CLK.

Ключевая особенность интеллектуальных коммутаторов TS13102 и TS13103 — наличие трех входов AD0‑AD2, используемых для адресации ИС в многоканальных системах управления. Установка конкретного адреса микросхем выполняется путем «подтяжки» логических линий AD0‑AD2 к уровням питающего напряжения или общего провода (SYSM). При этом появляется возможность управления несколькими ИС (до восьми) при помощи лишь одной линии CLK (рис. 5).

Рис. 5. Использование ИС TS13102 в многоканальных применениях

Согласно типовому применению для связи микроконтроллера и интеллектуального коммутатора используется однопроводный последовательный интерфейс. Двухбайтная кодовая последовательность, поступающая на вход CLK, формируется при помощи сигналов трех типов: сброса, логического нуля и логической единицы (рис. 6).

Рис. 6. Коммуникационный протокол ИС TS13102

Сигналу сброса соответствует нулевой уровень напряжения на линии CLK в течение периода T_RESET (не менее 25 мкс), логическому нулю — два импульса с амплитудой 1,7–5,5 В и периодом T_CLK (1 мкс) в течение битового периода T_BIT (8 мкс), логической единице — четыре таких импульса. Каждая посылка начинается с преамбулы, предваряемой сигналом сброса. Далее следует адрес микросхемы и одна из восьми доступных команд, определяющих состояние ИС (вкл./выкл.) и способ коммутации (табл. 1).

Команда запроса статуса, полезная при организации обратной связи, не меняет состояние ИС, а сигнализирует о режимах работы ключа и возникновении перегрузки по току. Для этого задействуется линия DATA. Режим импульсной подзарядки необходим для поддержания напряжения на конденсаторе C_SYS в пределах 12–13 В. При его активации каждые 4 мс происходит размыкание ключа, и в течение времени T_DOFF (25 мкс) системный конденсатор заряжается. Запрос детектирования нагрузки служит для определения параметров переменного сигнала нагрузки. При его наличии на линии DATA появляются импульсы с длительностью T_HB (20 мкс) и периодом, соответствующим переходу переменного сигнала через нулевой уровень (рис. 7).

Рис. 7. Иллюстрация работы команды детектирования нагрузки

Следующий представитель семейства Neo-Iso TS13401, по сути, представляет собой драйвер силовых полевых транзисторов, функционирующих в ключевом режиме [4]. Позиционируется для коммутации мощных нагрузок и шин питания, мультиплексирования входного напряжения, применения в изолированных БП и т. д. Принцип работы во многом схож с ранее рассмотренными коммутаторами TS13102 и TS13103, главное отличие — использование внешних ключевых элементов. Драйвер TS13401 поддерживает FET-транзисторы с максимальным напряжением 60 В и непрерывным рабочим током до 5 A. Собственное потребление тока составляет 15 мкА во включенном состоянии и возрастает до 2 мА при проведении мониторинга состояния. Выпускается в миниатюрном 20‑выводном корпусе форм-фактора QFN размерами 3×3 мм, соответствует требованиям RoHS/WEEE и предназначен для работы в температурном диапазоне –40…+125 °C. Типовая схема применения приведена на рис. 8.

Рис. 8. Типовая схема применения драйвера TS13401

Управление также осуществляется посредством линии CLK при помощи сигналов, совместимых с уровнями портов ввода/вывода распространенных микроконтроллеров (1,7–5,5 В). В коммуникационном протоколе существуют некоторые отличия. Во‑первых, увеличено до восьми количество битов статуса, доступных на линии DATA (табл. 2).

Во‑вторых, три бита в преамбуле, следующие за сигналом сброса, определяют одну из двух расширенных групп команд: 110 — команды управления и 111 — конфигурационные команды. Первая группа предусматривает немедленное включение/выключение, включение/выключение при переходе через ноль, активацию режима импульсной подзарядки, детектирование нагрузки, запрос состояния, установку/отмену режима защиты от бросков тока, запуск измерения тока нагрузки, напряжения системы и температуры устройства. Конфигурационные команды отвечают за установку предельных значений схемы ограничения максимально допустимого тока. При этом различаются пороги в установившемся режиме и в режиме защиты от бросков тока (рис. 9).

Рис. 9. Иллюстрация работы схемы ограничения тока

Кроме того, при отправке команды измерения значений тока нагрузки, напряжения системы и внутренней температуры к битам статуса добавляется однобайтное значение соответствующего параметра. Для получения реальных величин оцифрованные значения CODE пересчитываются по следующим формулам:

1. Ток нагрузки

где I_RANGE = 0,25 В, а R_FET — сопротивление внешнего ключа.

2. Напряжение

V_SW = –|V_RANGE|+CODE×((2×|V_RANGE|)/255),

где V_RANGE — полный диапазон напряжения (63,5 В).

3. Температура

T_J = T_ROOM+(CODE–128),

где T_ROOM = +25 °C.

Заключение

Устройства семейства Neo-Iso, отличающиеся низким сопротивлением ключа, возможностью организации многоканальных решений и наличием интегрированных схем мониторинга состояния, разработаны для повышения безопасности и эффективности коммутации в различных бытовых и промышленных системах. В настоящее время серия активно развивается, к основным направлениям развития можно отнести повышение уровня интеграции (появление новых диагностических возможностей и дополнительной функциональности) и снижение собственного энергопотребления.