В последнее время для некоторых применений, таких как промышленное оборудование, автомобильная и медицинская техника, где требуется повышенная эксплуатационная надежность, высокий уровень защиты от воздействующих факторов начали выпускаться интеллектуальные ключи IPS (Intellectual Power Switch на базе МОП-транзисторов со встроенным драйвером). Имея встроенную защиту, IPS, в свою очередь, обеспечивает защиту и для нагрузки, в качестве которой можно рассматривать осветительные приборы, двигатели постоянного тока, соленоиды, нагреватели и т.д. Ключи коммутируют нагрузку в цепях постоянного тока до 10 А, напряжением до 50 В.
Основные защитные функции:
¾ ограничение тока при перегрузке в ШИМ режиме;
¾ защита от перегрева;
¾ активное ограничение отрицательных выбросов;
¾ защита от обрыва силовой “земли”;
¾ защита от падения напряжения управления;
¾ защита от статического электричества 4 кВ на всех выводах;
¾ изоляция логической и силовой “земли”.
Ключи IPS выпускаются в двух вариантах: для управления заземленной нагрузкой - IPS верхнего плеча. Для управления нагрузкой, подключенной к источнику питания - IPS нижнего плеча.
IPS управляется непосредственно от контроллера. Ключи должны выдерживать импульсные перенапряжения, как по цепям питания, так и по входам. Кроме того, они должны сохранять работоспособность в условиях токовых перегрузок вплоть до короткого замыкания.
Входной сигнал (ТТЛ/КМОП) поступает на нормирующий триггер Шмитта 1 и далее - на логическое устройство 3. Данное устройство отключает вход управления силовым транзистором при поступлении сигнала неисправности с термодатчика 2 или с датчика тока 10, который определяет режим обрыва силовой линии общего провода и перегрузки по току. Перегрузка определяется по падению напряжения на открытом силовом МОП-транзисторе. В этом случае IPS переходит в режим широтно-импульсной модуляции и ограничивает выходной ток. При коротком замыкании транзистор отключается полностью. Устройство сдвига уровня 4 предназначено для связи логического сигнала управления с управлением транзистора верхнего плеча.
Для управления транзистором верхнего плеча служит драйвер, который включает каскад сдвига уровня зарядовый насос 6, устройство активного ограничения тока 7, ограничитель импульсных перенапряжений 8.
Зарядовый насос формирует управляющее напряжение на затворе, которое превышает напряжение питания на величину, необходимую для того, чтобы полностью открыть MOSFET-транзистор. Этот узел включает в себя встроенный генератор высокочастотных колебаний, внешние разделительный конденсатор и выпрямительные диоды, обеспечивающие создание напряжения управления затвором МОП-транзистора, превышающего на 15...18 В коммутируемое напряжение. При перегрузке по току схема управления переходит в ШИМ-режим, сохраняя средний ток транзистора на заданном уровне. Эту функцию выполняет устройство 7. IPS способны коммутировать токи в индуктивной нагрузке без параллельных диодов и поглощать выбросы напряжения высокой энергии с помощью специальной схемы ограничения. Структура ключей нижнего плеча отличается отсутствием зарядового насоса и каскада сдвига уровня.
При использовании в системах бортового питания верхние ключи иногда дополняются узлами защиты нагрузки от бросков напряжения питания и переполюсовки. В ряде случаев они снабжаются информационными выходами (диагностика).
Микроконтроллер может быть использован для конфигурирования, управления или диагностики мощного «интеллектуального» ключа посредством 8-разрядного последовательного интерфейса SPI (Serial Peripheral Interface - последовательный интерфейс периферийных устройств; передача по нему идёт бит за битом).
В настоящее время «умные» интегральные мощные ключи заменяют электромеханические реле только в устройствах с небольшим током нагрузки (не более 10 А). В сильноточных приборах необходимо использовать мощные дискретные МОП-транзисторы, управляемые внешними схемами, которые обеспечивают защиту от короткого замыкания и ограниченные возможности диагностики.
