本應用筆記旨在向系統工程師詳細介紹Maxim MAX14912/MAX14913產品的獨特特性，特別是說明這些產品如何利用Maxim獲得專利的SafeDemag?功能安全地處理24V直流負載的“無限電感”。

介紹

感性負載是任何具有線圈的設備，當通電時，通常執行某種機械工作，例如螺線管、電機和執行器。電流引起的磁場可以移動繼電器或接觸器中的開關觸點，操作電磁閥或旋轉電機中的軸。對于大多數工業應用，工程師使用高邊開關來控制感性負載，挑戰在于當開關斷開且電流不再源向負載時，如何釋放電感中的能量。不能正確釋放這種能量的負面影響包括繼電器觸點的潛在電弧、損壞敏感IC的大負電壓尖峰以及可能影響系統性能的高頻噪聲或EMI的產生。

感性負載和二極管保護

當電流通過電感器時，能量被存儲。電感-電阻負載的直流瞬態響應使用圖1所示電路以及圖2所示的電流和電壓曲線進行說明。

圖1.用于直流瞬態響應的 L-R 電路。

圖2.V-I 用于感性負載。

當開關斷開時，沒有電流流動，輸出或負載電壓為0V。

當開關閉合時，電流呈指數上升（受與電感產生的電源極性相反的反電動勢（EMF）限制）上升至穩態值。系統輸出電壓由L） 上升至電源電壓。隨著電流的增加 VL衰減，直到達到穩態電流

當開關打開時，電流呈指數衰減，趨于零。

在開關打開的那一刻，電流的變化會導致產生反電動勢。該反電動勢與電流的極性相反，導致VL具有負電壓尖峰。當電流衰減至零時，電感兩端的負電壓恢復到0V。

在實際電路中，最常見的感性負載放電解決方案（圖3）使用續流二極管。在該電路中，當開關閉合時，二極管反向偏置并且不傳導任何電流。當開關斷開時，電感兩端的負電壓正向偏置二極管，通過傳導電流通過二極管，直到達到穩態且電流為零，使存儲的能量衰減。

圖3.續流二極管。

二極管必須能夠處理關斷時的初始電流，等于開關閉合時流過電感器的穩態電流。此外，二極管的額定電壓需要處理正負電壓電平之間的擺動。經驗法則(1)是選擇一個額定值至少為電感線圈吸收的電流量和至少兩倍于負載工作電壓額定電壓的二極管。對于許多應用，特別是每個IO卡具有許多輸出通道的工業應用，該二極管通常物理上相當大，并且會給BOM增加大量額外成本。

簡單續流二極管方法的另一個主要缺點是它延長了通過電感器的電流衰減。如“線圈抑制會縮短繼電器壽命”中所述，(2)電流的這種緩慢衰減會產生諸如繼電器觸點之間“粘住”等問題。對于電流衰減必須更快的應用，另一種解決方案是使用齊納二極管，如圖4所示，它提供更快的電流斜坡，而不是指數衰減。當開關斷開時，電流通過通用二極管和齊納二極管路徑分流，保持等于齊納電壓（加上正向二極管壓降）的電壓，直到電感能量耗散。

圖4.齊納二極管可實現更快的電流衰減。

使用 MOSFET 進行有源箝位

對于工業應用，“開關”通常是MOSFET。當MOSFET在切換感性負載時關斷時，如果沒有保護，則漏極和源極兩端的電壓（VDS） 增加，直到 MOSFET 擊穿?，F代高邊開關經常使用一種稱為有源箝位的技術，該技術限制VDS切換感性負載以保護 MOSFET 時。當開關閉合時，MOSFET 在飽和模式下完全導通 （RDS為低電平），但當開關斷開時，MOSFET 被驅動到其線性模式，其中 RDS是更高的電阻。負載在有源鉗位期間快速消磁，因為電壓較大（VDD， w鉗）耗散存儲的能量（請參閱“DT99-4：智能電源開關（IPS）：基本功能和保護”。http://www.irf.com/technical-info/designtp/dt99-4.pdf）。(4)電壓差越大，退磁越快;這就是為什么開關IC供應商通常將此功能稱為“快速德馬格”的原因。

圖5.帶有源箝位的高邊開關 （MOSFET）。

在退磁期間，MOSFET 消耗的功率高于負載，因為 MOSFET 兩端的電壓高于負載電壓。這意味著每個開關都有一個可以支持的最大感性負載和負載電流;否則，MOSFET 在有源箝位模式下會出現熱問題。開關供應商通常在其數據表中包含一個圖表，以顯示可安全處理的最大感性負載與感性電流的關系。

退磁能量

公式1定義了感性負載中存儲的能量，公式2定義了高端開關消耗的能量：

存儲在感性負載中的能量

開關耗散的能量(3)

其中L是以亨利為單位的電感，IL是以安培為單位的負載電流。在MOSFET斷電感性負載期間，等效電路如圖6所示，齊納二極管有效箝位VDS而反饋環路控制柵源電壓，控制MOSFET，與負載電流無關。這樣，MOSFET（而不是負載）上的電壓就會下降，從而導致MOSFET在快速德馬格模式下耗散更多的能量（和熱量）。一旦能量耗散，負載電流趨勢為零，MOSFET 進入截止模式和 VS趨勢為 0V。

圖6.高邊開關快速退磁期間的等效電路。

系統設計人員有責任確保開關 （MOSFET） 能夠處理關斷模式下耗散的更高功率;否則，結溫升高會導致應力并可能損壞開關器件。對于工業控制應用中流行的多通道開關，這種情況更糟。

安全消磁

雖然高邊開關通常具有過流和過熱檢測功能，但在有源箝位模式（快速德馬格）期間，電流由負載中的能量控制，因此在此模式下沒有保護（電流或溫度）處于活動狀態。為了解決快速德馬格過程中能量耗散過多的問題以及MOSFET的熱問題，Maxim在MAX14912和MAX14913八通道高速開關產品中采用了一種稱為安全退磁（SafeDemag）的新架構。SafeDemag與快速德馬格電路配合使用，允許MAX14912和MAX14913以無限電感安全地關斷負載。在正常關斷下，高端MOSFET以線性模式工作，以利用快速德馬格功能耗散電感能量。如果電感中的能量以及退磁電流過高，則高端MOSFET開始過熱。此時，片內溫度傳感器會提醒控制邏輯關閉高端MOSET并打開低側MOSFET，為退磁電流提供低電壓（因此是低功耗）替代路徑，允許高端MOSFET冷卻并返回安全工作極限。

圖7.使用低側 MOSFET 實現安全退磁的電流路徑。

感性負載開關測試

UL 508“工業控制設備”標準是定義工業控制設備要求的標準，規定最大負載為48Ω和1.15H。對于本應用筆記中的測試，該標準負載演示并比較了各種高邊開關產品的性能與本應用筆記中已經討論的不同退磁方案。所有開關產品均為八通道器件，如圖8所示，使用一個通道進行測試，以證明與使用續流二極管的“慢速退磁”相比，更高鉗位電壓可實現快速退磁的優勢。

圖8.用于切換一個通道電感負載的測試電路。

消磁過程中單個輸出通道耗散能量的公式由公式3–6得出：

對于此分析，我們假設開關關閉打開時間遠大于t德馬格允許電感中的能量消散，開關在再次導通之前達到穩態關斷狀態。測試使用Maxim和其他IC供應商提供的商用高邊開關IC，如表1所示。

測試	切換設備	測試模式
自由輪二極管	MAX14900E	“慢德馬格”
集成有源鉗位	MAX14912	“快速德馬格”
	ITS4880R	“快速德馬格”
	VNI8200XP-32	“快速德馬格”

測試1：自由輪二極管（“慢速德馬格”）

MAX14900E評估板工作在并行模式，使用兩個MURA205T3G二極管，從每個輸出通道連接到VDD和GND實施續流二極管方案。輸入為1Hz方波。圖9顯示了波形——通道1（黃色）是輸入信號，通道2（洋紅色）是輸出電壓，通道4（綠色）是感性負載電流。正如預期的那樣，二極管將電壓擺幅限制在地<以下1V，并且退磁相對較慢，約為94ms。

圖9.MAX14900E，帶續流二極管。

測試2：快速退磁

使用了三種產品，Maxim的MAX14912和兩款競爭產品，英飛凌的ITS4880R和STM的VNI8200XP。所有開關均以并行模式工作，具有 1Hz 方波輸入。圖10、11和12分別給出了MAX14912、ITS4880和VNI8200的波形。在每種情況下，通道1（黃色）是輸入信號，通道2（洋紅色）是輸出電壓，通道4（綠色）是感性負載電流。第一個示波器鏡頭顯示箝位電壓，第二個示波器顯示馬格時間。

圖 10.MAX14912具有快速馬格（A - V鉗， B - t德馬格).

圖 11.ITS4880 帶快速馬格 （A - V鉗， B - t德馬格).

圖 12.VNI8200 帶快速馬格 （A - V鉗， B - t德馬格).

快速消磁摘要

正如預期的那樣，快速德馬格函數提供了比簡單的續流二極管方案更快的退磁時間，并且測量值與公式3-6的計算相關。MAX14912的箝位電壓較高，退磁速度比競爭產品快約20%。

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

測試3：安全退磁（MAX14912）

為了給開關施加壓力，所有八個輸出通道同時切換。每個輸出的負載為1.5H和27Ω。輸入由公共輸入信號驅動，該信號為2Hz方波。測試電路如圖13所示。

圖 13.用于同時切換所有八個通道的電感負載的測試電路。

所有測試均在室溫下使用24V電源進行。圖4880a和14b中ITS14R的示波器顯示了波形——通道1（黃色）是輸入信號，通道2（洋紅色）是輸出電壓，通道3（藍綠色）是過熱警告引腳，通道4（綠色）是感性負載電流。

圖 14a. ITS4880R 同時為所有八個通道提供開關電感負載。

操作幾秒鐘后，ITS4880R 開始過熱，過熱警告引腳在輸入高電平和輸出低電平期間被驅動為高電平。當設備溫度過高時，保護會打開，然后在冷卻幾毫秒后重新打開。

圖 14b. ITS4880R 同時為所有八個通道提供開關電感負載。

再過幾秒鐘后，從圖14b所示的電感電流波形可以更清楚地看到過熱保護的影響。關閉輸出開關以防止過熱會產生兩個問題;第一個是德馬格的時間較短（可能無法使電感器完全放電），第二個是電感器完全充電的時間不足（在螺線管或繼電器等設備的情況下可能無法正常工作）。

圖14912a、15b和15c中MAX15的示波器顯示了波形——通道1（黃色）是輸入信號，通道2（洋紅色）是輸出電壓，通道4（綠色）是感性負載電流。

圖 15a. MAX14912開關電感負載同時用于所有<>個通道。

在圖 15a 和 15b 中，可以看到 SafeDemag 功能正在運行。當快速德馬格箝位開始過熱時，SafeDemag 開始工作，導致輸出電壓恢復到 0V，同時低邊開關正在流失電感能量。當MAX14912冷卻時，它返回到高端“快速德馬格”，輸出電壓返回到由箝位電壓定義的負值。總馬格時間增加，但電感電流隨著能量耗散而平滑衰減。MAX14912繼續工作，如圖15c所示，沒有因過大感負載而導致過熱問題。

圖 15b. MAX14912開關電感負載同時用于所有八個通道，與SafeDemag同步。

圖 15c. MAX14912開關電感負載，用于同時連續運行的所有<>個通道

這些測試是在室溫下進行的，因此沒有SafeDemag的設備在高溫下運行時的性能會更糟，就像許多工業應用中發現的那樣。

MAX14912/MAX14913競爭比較摘要

本應用筆記展示了MAX14912/MAX14913的差異化特性，與Maxim的MAX14900以及ITS4880R和VNI8200等競爭器件相比，這些特性為設計工程師提供了關鍵優勢。MAX14912具有較高的箝位電壓，為感性負載提供更快的退磁速度，與其他開關對可切換的電感大小有限制不同，SafeDemag允許MAX14912/MAX14913安全地切換無限電感負載。SafeDemag還允許MAX14912/MAX14913使用更小的封裝，與競爭產品相比，占位面積減少多達66%。

規范	單位	MAX14900	MAX14912	ITS4880R	VNI8200XP-32
高端開關模式輸出電流	A	0.85	0.5	0.625	1
開啟時間	微秒	1	0.1（典型值）	50（典型值）	100（典型值）
關斷時間	微秒	2	0.1（典型值）	75（典型值）	150（典型值）
推挽式開關模式電流輸出 （High_Low）	mA	500 / 300	1200/810	不適用	不適用
推挽輸出開關速率（最大值）	千 赫	100	200	不適用	不適用
集成快速德馬格		不	是的	是的	是的
VCLAMP最小值到最大值	V	不適用	49 至 65.5	45 到 52	47 到 60
VCLAMP典型值	V	不適用	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

結論

安全切換感性負載的能力對于工業應用至關重要，系統工程師對此有不同的解決方案。本應用筆記中提供的數據表明，使用續流二極管進行慢速德馬格是好的，使用有源箝位進行快速德馬格更好，但使用Maxim的SafeDemag是解決這個問題的最佳方案。

審核編輯：郭婷