在消费类应用中使用 SLG59H1120V 作为备用安全电源开关

由于物联网和机器人设备扩展到消费大众市场，自主设备正在融入我们的家庭。开发人员面临的挑战之一是满足机构的所有适用要求以满足合规性法规。例如，标准 IEC60335-1 定义了安全要求，并且对于进入大众市场的所有消费品都是强制性的。对于自动无人值守设备，例如电机操作的物联网控制器（太阳能控制器、自动宠物喂食器、窗户控制器等）或移动机器人（真空吸尘器或类似设备），需要防止直流电机在失速事件期间过热。IEC60355-1 条例（第 19.11 章）规定了正常运行期间可能发生的电子产品单一故障的合规标准。

系统架构

如今，大多数系统都包含一个微控制器，微控制器上运行着用于实现功能的应用程序。如果系统包含对终消费者可能不安全的部件，如电机、直线驱动器、加热系统或类似部件，则该控制器通常也用于实现与安全相关的功能。消费级商品的要求由相关标准规定，例如家用电器的 IEC60335-1。直流电机驱动电路的示例架构如图 1 所示。这里的直流电机由电机控制器驱动，该控制器通过备用电源开关从电源单元供电，备用电源开关是第二层停用保护电机控制器。该开关还可用作节电元件，以在不活动期间停用电机控制器。

图 1：系统架构

为了合规，为传感器子系统提供验证功能，同时为紧急电机驱动停用提供备用开关也很重要。这里有用的是 SLG59H1x 高压 GreenFET 系列的一个特性：电流监视器输出。除 SLG59H1127V 外，几乎所有器件都有此输出信号，因此选择合适的器件相对容易，可以为所需的系统电压提供必要的电流。

表 1 显示了选择指南 [ GreenFET? 超低 RDS ON负载开关选择器指南] 的摘录，用于快速概览具有电流监视器输出功能的高压 GreenFET 部件。FAULT 输出可能是一个有趣的功能，它允许使用内置的过流、过压或过热保护。所有开关都共享一个 STQFN-18 封装，尺寸仅为 1.6 mm x 3.0 mm。这节省了 PCB 上的空间。但是，需要额外注意 PCB 布局以满足冷却要求。

表 1：组件选择表

高压 GreenFET 概念和功能

Renesas 的高压 GreenFET 不仅是结合了 MOSFET 和驱动器的经典负载开关，而且还是一种全面保护过压、过流和过热的设备。它具有可从外部访问的扩展传感功能。图 2 显示了应用示例图中高压 GreenFET SLG59H1120V [数据表] 的概念框图。

图 2：SLG59H1120V 框图

SLG59H1120V 由工作在开关??模式下的主 N-MOSFET 组成，通过电荷泵和线性斜坡控制模块驱动。状态机根据 ON 输入定义 MOSFET 的状态，并考虑来自保护单元的可能覆盖：VIN OVLO ?C 通过 SEL0/SEL1 过压锁定进行调节，过流 ?C 通过 RSET 输入上的电阻器设置进行调节。MOSFET 的电流也被镜像到 IOUT 输出，并通过一个下拉电阻可以转换成电压信号，可以在主机系统中使用。FAULT 显示系统状态并允许在系统运行期间轻松检测任何保护事件。所有这些功能的组合直接导致 BOM（物料清单）组件和成本降低，以及提高系统可靠性和减小电路板尺寸。

应用电路和示例模块

本文使用的直流电机驱动电路如图3所示，其中U4为直流电机驱动器。通常使用 A4950 或任何其他引脚兼容的驱动器。分流电阻 R7 用于电流测量目的，而其电压降由 U2A 放大。该驱动器通过连接到主机系统的 U3 SLG59H1120V 供电，并提供开/关、故障输出和电流检测功能。LDO U1 为 OPAMP U2A 提供次级 3.3 V 电源，并为电机驱动器 U4 设置参考电压。第二个 OPAMP U2B 被绕过，并可能用于系统的其他部分。LED D2 指示取自 3V3 节点的电源状态，而 D3 指示电机驱动器的电源状态。

VD_IN 上的总电容由滤波电容 C3 和主机系统的附加电容组成，总计 470uF（它也被放置在实验模块上）。测试时发现，由于直流电机的启动电流较大，极易触发U3过流事件，因此在U4的电源输入端加装了220uF的电容。模块上设置了两个过流阈值，如果发生过流事件，将在硬件中触发。个通过连接到 RSET 引脚的 R5 为 U3 设置并调整为 5 A。第二个通过向 VREF 引脚施加 3.3 V 为 U4 设置并调整为：

设置硬件限制是为了保护电子元件免受过电流的影响。电源开关 U3 可以驱动多个电机驱动器。像机器人这样的应用程序，其中超过 2-3 个电机是正常的。确保电源开关没有电流节流以设置更高的限制是有意义的。

安全相关限值，在固件中设置为低于电机驱动器 U4 提供的电流，以避免硬件限流低于安全限值。这也保证了过流保护触发的明确顺序，首先是在固件中，其次是电机控制器，是电源开关。因此，推荐用于支持系统安全架构的分层结构如 所示。直流电机电流限制是通过在电机停转时测量绕组温度并将温度值与该温度值进行比较来定义的，

两个不同的电流检测信号 IOUT 和 I2OUT 对于 IEC60335 合规性至关重要，因为该标准要求对传感器子系统进行合理性检查，这是由固件执行的，比较电流传感器验证块中两种不同性质的两个电流测量信号。应用电路作为实验模块 PCB 实现，用于测试和功能验证。。它在两层 PCB 上实现，并为主机系统、直流电机和电源提供引脚排针。

测试设置

为了测试应用中的电路，主机系统通过基于 Arduino 的控制器进行模拟，该控制器用于电机的激活/停用 PWM、传感验证和备用电源停用以防主电源不工作。尽管测试仪的软件未按照 IEC60335-1 附件 R（软件评估）实施，但由于这不是本文的重点，主要操作原理已得到很好展示，可以在一个真正的应用程序，无需额外的努力。

测试软件算法

测试软件算法如所示。操作开始于通过将 VD_ON 设置为有效来启用 VD 电源。电流传感器验证块为电机设置样本 PWM，并检查电机驱动器的电流测量值I2OUT是否与来自高压 GreenFET IOUT的测量值一致。如果不是，则认为系统已损坏，驱动器电源被设置为停用，系统状态进入 Eternal STOP。这是停用所有系统功能并设置用户通知的状态。如果电流传感器验证成功，则允许电机运行。

在运行期间，定期检查电流测量I2OUT ，如果出现过流，PWM 将被停用。为了使系统对短期转换具有鲁棒性，如果直流电机电流在T = 1.5 秒期间高于设定限值，则使用计数器发出过流信号。该值必须在电机评估后选择，以确保瞬变有足够大的余量，并保证绕组温度不会接近表 2 中的限制值。在电流检测信号采集期间使用ΔT = 300ms 的平均值，因此T的公差为?T, 考虑到直流电机绕组加热的缓慢热过程是完全可以接受的。轴锁定阈值必须足够低，以确保在整个 PWM 范围内检测到锁定事件，但不得在正常瞬态过载期间触发。

在应用示例中，阈值设置为I lock = 700mA。如果在轴锁定检测和 PWM 停用后电流变低，则系统将设置为“重试”以重新启动操作。危险事件不一定是性的。如果电流传感器测量值仍然很高――即尽管 PWM 被设置为关闭但电流仍在流过电机并且在 300 ms 内没有减少――通过备用电源开关和系统接地停用 VD 来切断电机驱动器的电源进入“Eternal STOP”（参见图 13 的示例）。

硬件测试设置

基于 SLG59H1120V 的备用电源开关的示例主机系统和实验模块（图 4）构建在标准原型 PCB 卡上的一个系统中，如图 7 所示。主机系统的 - Arduino PRO Mini 通过连接USB ? UART 适配器到开发计算机。实验模块连接到主机系统，如表 3 中所列。故障插入开关中断路由到 IN2 的 PWM 信号，并将其连接到实验模块的 3.3 V，模拟 PCBA 上的短路导致硬件故障。一个典型的DC Motor 500-size（空载电流约为50-100mA，失速电流约为2.5A）连接到实验模块的输出端，用于负载模拟。电源输入连接到 12V 的实验室电源装置设置。