通过并联MAX14919/MAX14919A的多个通道增加输出电流

MAX14919/MAX14919A为4通道、低侧数字输出器件。每个单独的输出通道可支持高达 500mA 的输出电流。本应用笔记提供了在典型数字输出应用中并联输出通道以实现更高输出电流时需要考虑的必要信息。

介绍

MAX14919/MAX14919A是工业保护、4通道、低边开关，常用于工业解决方案。驱动负载/执行器的数字输出设备必须在恶劣的环境中运行，因为负载存在于现场（工业车间、现场设备控制器和远程开放区域）。数字输出设备必须处理静电放电 （ESD）、浪涌和感性负载退磁事件（无论是否使用外部组件），并可靠运行。

MAX14919/MAX14919A器件可采用5V电源或典型24VDC现场电源供电。MAX14919/MAX14919A每路输出端集成箝位，提供高达±1kV/42O浪涌保护和55V（典型值）的感性能量箝位。一个 140mO 的低通道导通电阻可实现低功耗并减少自发热。集成度和更小的外形尺寸使MAX14919/MAX14919A可用于节省成本和高密度的应用

图1所示为采用MAX14919/MAX14919A的隔离式四通道、低边数字输出（DO）应用的典型应用示例。

图1.使用MAX14919/MAX14919A的典型简化数字输出应用框图

对于每个通道需要超过500mA负载电流的工业溶解氧应用，用于开关执行器和负载，可以并联多个通道以提高输出能力。在图2中，所有四个通道都连接起来，以将通道电流增加到2A（典型值）。

图2.4通道、2A/通道、低边DO应用，采用MAX14919/MAX14919A。

当驱动纯阻性负载时，此应用可能就足够了。然而，典型的工业执行器本质上是电感式的，当开关打开时，开关必须安全地释放电感器中的能量。在这种情况下，必须在低侧DO开关的输出端施加外部TVS保护，因为开关两端的电压增加，电感退磁期间需要释放的能量也会增加。不符合MAX14919/MAX14919A数据资料中提到的器件规格和正常工作限值会导致器件损坏。

MAX14919中的电感退磁

图3显示，当通道输出开关关闭时，由于电流变化，电感两端产生的反电动势或反电动势会在开关输出端产生高压尖峰。当瞬态电压尖峰越过MAX14919的箝位电压达到55V（典型值）时，集成箝位被激活，开启内部FET，释放负载两端的感应能量。内部开关在高电阻模式下导通，导致通过器件自发热。这可以在FAULT状态输出中观察到，指示过热警告。

负载电感中存在的能量由下式给出：

其中L是负载的电感（H），I是负荷是负载电流 （A）。

图3.MAX14919中的电感退磁

MAX14919内部箝位在感性负载关断事件期间消耗的总能量可由下式估算：

在钳是MAX14919输出端的箝位电压，由内部集成箝位组成。我负荷是关断前流过感性负载的初始电流。

在田是负载的可用系统电源/现场电源。

在有源箝位期间，开关耗散公式2中的能量所需的时间为：

MAX14919/MAX14919A可同时放电1.2H电感两端的感性能量，每通道串联一个48O阻性负载，负载电流为500mA。当通过器件耗散能量时，如果输出开关的本地温度超过热警告或关断温度，则指示输出的状态FAULT在负载关断期间转换为低电平。图4a显示了只有一个通道退磁时的MAX14919/MAX14919A输出响应。图4b显示了所有四个通道同时进行退磁时的输出响应。

图 4a. 1通道输出关断响应。

图 4b. 4通道输出关断响应。

MAX14919吸收的钳位能量ECLAMP在125°C时每通道不应超过200mJ。 每个通道的任何增加都可能导致由于过大的热应力而损坏设备。通常，当开关负载电流超过500mA且负载电感大于1.2H范围时，对于单通道或多通道应用，应添加外部TVS二极管箝位，以安全吸收能量。

单通道、2A低边DO应用，采用MAX14919/MAX14919A

工业数字输出模块/控制器通常具有每通道500mA或每通道标称2A输出规格。以下部分介绍并联输出以将电流输出增加到 2A 时的设计注意事项（图 5）。

设计工程师必须考虑以下项目，以便根据设计要求实施和优化，以实现数字输出器件在高达 85°C 的温度下稳健可靠的运行。

1. 最大输出电流 （2.4A）

设计为20V DC现场电源的24%容差高达28.8V，该应用必须处理高达2.4A的输出电流。短路和过流情况可通过MAX14919的R处理。设置通过将输出电流限制在设定值来保护输出的电阻器。有关不同的R，请参见MAX14919/MAX14919A数据资料设置不同级别的电流限制值。R型设置31.05kO用于将每通道最小600mA的电流限值设置为<>mA。

图5.单通道、2A低边DO应用，采用MAX14919/MAX14919A。

在相同的本地结硅温度下，芯片中的四个输出开关在 +/-1% 的典型导通电阻匹配范围内匹配良好。MOSFET 的导通电阻在三极管操作中具有正热温度系数。这有一个积极的副作用，即如果一个通道的导通电阻略低，则当并联到另一个通道时，它会携带更高的电流，这会增加其结温，直到导通电阻匹配的水平，从而导致并联连接的通道之间均等的均流。坚持良好的布局技术，并在设计中使用低阻抗更宽的走线作为输出通道互连，有助于最大限度地减少I2R 损失。

在MAX2的14919A DO应用中选择外部箝位

图5所示为单通道、2A低侧DO应用，工作温度范围为-40°C至85°C。外部 TVS 二极管有助于感应能量放电和浪涌保护。发生退磁时，考虑的最大负载电感为1.2H。

外部TVS二极管的选择对于确保应用中低边开关的稳健运行至关重要。如果正确选择了TVS二极管，则所有能量耗散都通过该外部箝位进行。除了开关和稳态负载电流外，溶解氧不会受到电应力的影响，并在给定温度下正常工作。

边距设计

本节说明为2A低侧溶解氧解决方案选择合适的TVS箝位的步骤。分析时考虑了以下参数，参考图 4 中的应用图：

VFIELD-MAX = 28.8V, L = 1.2H, R = 12O, 33VRM TVS Selection: SMCJ33A (Littelfuse),

ILOAD-MAX = 2.4A, PPK_DIS-MAX = VCLAMP at ILOAD-MAX x ILOAD-MAX (W)

TVS 反向工作/关断电压 （V.RM)

TVS反向工作电压（有时称为关断电压）是低漏电流（1uA或类似）电压范围，应选择大于最大额定现场电源电压，以免在关断状态下引起高漏电流电流。通常选择33V工作电压，因为它高于28V最大电源电压。

浪涌期间的TVS钳位电压

TVS二极管的最大钳位电压考虑在浪涌保护中，因为浪涌电流远大于正常负载电流。如果需要浪涌保护，则外部TVS二极管在峰值浪涌电流水平下的最大钳位电压必须低于浪涌脉冲期间内部箝位的钳位电压（如果要吸收外部箝位能量）。MAX14919A输出+1kV/42的内部浪涌钳位电压是多少？浪涌高于+60V，对于负浪涌，由体二极管箝位至-1V电平。

TVS 钳位电压

对于给定的环境温度和电流水平，箝位电压可以通过两步法估算：

当箝位事件不重复或间隔较长时，足以使箝位的结温稳定到箝位测试电流可忽略不计或低值的环境条件（例如IT= 1mA），箝位电压随环境温度的变化可由下式确定：

其中 VCL是箝位电压，等于二极管数据手册中提供的击穿电压值。aT 是温度系数 （/°C）。TJ是二极管稳定到环境温度值的结温。

 

环境温度	估计	观察
T一个= 25°C	38.4V	38.1V
T一个= 85°C	40.4V	40

 

电感反冲期间通过二极管的电流会影响箝位电压。

给定负载电流在环境温度下的有效钳位电压可由下式确定：

动态电阻可通过 R 确定DTVS二极管数据手册中的脉冲持续时间曲线。或者，可以通过测量箝位电压到不同电流水平的变化斜率来计算1.参见表2，了解T处不同电流水平下钳位电压的变化一个= 25°C 和 T一个= 85°C。 动态电阻RD根据对不同钳位电压随电流水平的观察计算得出得出公式6。有效钳位电压（V克雷夫）计算得出的箝位电压电平必须近似等于观察到的钳位电压电平，如表2所示。

与二极管可以处理的峰值电流水平相比，应用中箝位期间的最大电流电平（2.4A）较小。因此，对于给定的电流水平和温度，动态电阻近似相同。

 

环境温度	我负荷	在钳（五）观察	在钳（五） 估算*
T一个= 25°C	100毫安	39	38.34
	500毫安	40	39.3
	2.15安培	44	43.26
T一个= 85°C	100毫安	41	40.626
	500毫安	42	41.59
	2.15安培	45	45.55
*（根据公式 5 和 6），RD 计算得出 = 2.4O [SMCJ33A （Littelfuse）]

 

给定退磁脉冲的峰值功耗考虑因素

TVS二极管数据手册中的峰值功耗特性基于具有二极管数据手册中定义的指数电流衰减特性的浪涌/测试信号，如图6所示。该 td是电流达到其峰值的一半所花费的时间。

典型工作曲线“峰值脉冲功率与脉冲宽度（td）“和”峰值脉冲功率降额（百分比）与初始结温的关系“提供了二极管在高温下的功耗能力。为实现可靠和稳健的运行，针对图2所述应用的表4计算的二极管的峰值功耗必须在降额线内（T一个= +85°C）。

图6.二极管的输入测试信号。由 Littelfuse 数据表 SMCJ33A 提供。

退磁事件期间典型电流衰减行为的形状可以近似于锯齿波或三角波（见图7和图8）。估计 td对于该曲线，通过确定不同信号类型下相同功耗的脉冲持续时间等效因子，在参考峰值功耗之前，温度降额曲线。2

对于给定的退磁事件（三角信号），达到峰值电流（IPPM/2）的一半所需的时间是电流达到零或箝位失活的总退磁时间的~40%。这40%确保将利润率考虑在内。表3显示了峰值功耗和退磁时间的观测值和估计值。

图7.（T一个= 25°C， I负荷= 2.15A）。

图8.（T一个= 25°C， I负荷= 2.15A）。

 

	T一个= 25°C		T一个= 85°C
	观察	根据公式3估算	观察	根据公式3估算
I 时的峰值功率最大值 （W）负荷= 公式 2 中的 4.4A	105.6	106	110.4	112
退磁时间（t德马格） （毫秒）	133	105.61	122	95.9
有效脉冲持续时间 （td） （0.4 × t德马格） （毫秒）	53.2	42.242	48.8	38.36

二极管	SMCJ33A		SM30T35AY	SM30T39AY	SMLJ33A	5.0SMDJ33A
制造者	利特尔保险丝	新科微	新科微	新科微	伯恩斯公司	利特尔保险丝
包	中马峨	中马峨	中马峨	中马峨	中马峨	贴片
额定功率（千瓦）*	1.5	1.5	3	3	3	5
TJ最高（°C） *	150	150	175	175	150	175
85°C 时的峰值功率降额*	75%	100%	100%	100%	50%	75%
在.RM（五） *	33	33	30	33	33	33
在BR（类型）（五）*	38.4	38.6	35.1	38.6	38.6	37
RD（该）#	2.4	2	1.5	1.5	1.2	1.5
aT （/°C） *	1e-3	1e-3	9.9E-4	1e-3	1e-3	9.7E-4
在 T 处测量一个= 25°C
在钳在 100mA 时	39	38.5	35	38	38.5	39
在钳在 500mA 时	40	39	35.5	39	39	39.5
在钳在 2.2A 时	44	43	37.8	41.3	41.2	41
在 T 处测量一个= 85°C
在钳在 100mA 时	41	40.8	37.2	41	41	40.9
在钳在 500mA 时	42	41.6	37.6	41.6	41.4	41.5
在钳在 2.2A 时	45	44.9	40.1	44.14	43.4	44
PPK_DIS （W） 在 2.4A	110.4	111	98.4	108	105.6	106.8
t德马格在 2.4A （毫秒） 时	112.81	111.9	139	117.16	121.9	119.5
td（0.4x 吨德马格） （毫秒）	45.12	44.8	55.6	46.8	48.7	47.8
* 数据来自制造商数据表。 # 通过评估应用中的典型单位确定的数据。

 

图9a至图9e显示了SMC（1.5kW）、SMC（3kW）、SMD（5kW）类型中各种TVS二极管（从二极管数据手册中获得）的峰值功耗曲线和峰值功耗（PPK_DIS-最大） 放电 2.4A 的反冲电流时。超过10ms的数据被外推进行分析。虚线是 85°C 环境温度下的降额功耗线，降额百分比取决于制造商。比较了来自不同制造商的通用1.5kW SMC TVS二极管的性能，以及比较中还包括的特殊3kW和5kW器件。

在退磁事件期间，TVS二极管的峰值耗散需要在虚线（器件85°C降额值）以下，以保持安全操作。使用表4所列二极管的典型应用评估可在温度范围内成功进行退磁，而不会损坏二极管或MAX14919A芯片。

图 9a.

图 9b.

图 9c.

图 9d.

图 9e.

可以同意，1.5kW、3kW 和 5kW TVS 选项在对数刻度的高温降额线路的安全运行区域内。更高的功率耗散额定值器件（3kW、5kW）允许在设计中提供更大的裕量或裕量。上述程序是典型的评估，设计人员在选择时必须谨慎，以确保余量和体积设计的可靠操作。

稳态功耗考虑因素

如果负载反复打开和关闭怎么办？这意味着TVS钳位必须在一段时间内连续断电，因为感应退磁。

在应用中，考虑输出感性负载以给定频率连续切换，并且必须考虑二极管两端的平均功耗，因为衰减发生在周期的每个下降沿。由于事件的重复性，二极管的平均结温随着开关频率的增加而升高（fs） 增加。二极管的平均结温不得超过二极管的绝对最大额定值。

由于表面贴装二极管的封装尺寸较大，这些元件对定义安装方法的焊接尺寸有建议。因此，功率耗散可以更好地从结到引线，而不是从结到外壳。结温（TJ） 可以通过平均功率和器件的结引线热阻来确定，如公式 7 和 8 所示，并且必须低于给定开关速率 （fs).

或者，直接方法是比较公式7获得的平均功率与TVS二极管制造商数据手册中提供的稳态降额或稳态功耗曲线。

结论

MAX14919/MAX14919A通过并联输出通道，可在高达2A的低边DO应用下工作，并考虑选择外部箝位，以实现稳健可靠的工作。

审核编辑：郭婷