High-Side-Schalter für Safety-Integrity-Level-Systeme

In der industriellen Automatisierungstechnik dient die internationale Norm IEC 62061 (Sicherheit von Maschinen – Funktionale Sicherheit elektrischer und elektronischer und programmierbarer elektronischer Steuerungssysteme) dazu, die für Industriemaschinen geltenden Sicherheitsvorschriften zu identifizieren. Für SIL-Anwendungen (Safety Integrity Level) eignen sich die Einzel-High-Side-Schalter IPS160HF und IPS161HF. Sie verfügen über eingebaute Schutzfunktionen, die sich teils mithilfe externer Bauelemente programmieren lassen. Außerdem bieten sie integrierte Diagnose-Features.

Die High-Side-Schalter im Detail

Bei den Bausteinen IPS160HF (Bild 1) und IPS161HF handelt es sich um monolithisch integrierte Treiber für kapazitive, resistive oder induktive Lasten, die an einer Seite mit der Masse verbunden sind (High-Side-Schalter). Der einzige Unterschied zwischen beiden Bauelementen ist die interne Einstellung der Strombegrenzung. In allen übrigen elektrischen Kenndaten stimmen sie dagegen überein.

Der empfohlene Betriebsspannungsbereich erstreckt sich von 8 V bis 60 V, jedoch kann die Durchbruchspannung am Stromversorgungs-Pin bis zu 65 V betragen. Die Ausgangsstufe ist als N-Kanal-Power-MOSFET mit einem typischen R_DS(on)-Wert von 60 mΩ bei Zimmertemperatur ausgeführt. Eingebaut ist ebenfalls eine interne Strombegrenzung auf mindestens 2,5 A (IPS160HF) bzw. 0,7 A (IPS161HF).

Mit ihrer geringen Ansprechverzögerung beim Einschalten (td_(Vcc-ON) <100 µs) sind die Bausteine IPS160HF und IPS161HF speziell für SIL-Anwendungen geeignet (Bild 2). Sie kommen für SIL-Applikationen mit Schnittstellen des Typs C (oder D), Klasse 3 in Betracht, aber auch für andere Anwendungen wie etwa 48-V-Systeme (z. B. LED-Beleuchtungssysteme in der Gebäudeautomation).

Der eingebaute Überhitzungsschutz sorgt in Verbindung mit dem nicht-dissipativen Kurzschlussschutz (Cut-off) dafür, dass der Chip vor Übertemperaturen und Kurzschlüssen geschützt ist und die Verlustleistung bei kurzgeschlossenem Ausgang minimiert wird. Die Abschaltverzögerung lässt sich mit einem externen Kondensator programmieren. Ebenfalls in den Chip integriert sind Schutzfunktionen gegen Unterbrechungen der Masse- und Vcc-Verbindung und eine Unterspannungs-Sperre (Undervoltage Lockout, UVLO). Zu Diagnosezwecken dient ein Open-Drain-Transistor, der einschaltet, wenn es zu einer überhitzungsbedingten Abschaltung, einem Cut-off oder einer Leitungsunterbrechung zum Verbraucher im Aus-Zustand kommt. Eine zusätzlich eingebaute schnelle Entmagnetisierungsschaltung erlaubt das Ansteuern von Verbrauchern mit sehr hoher Induktivität.

Eingebaut in die Demo-Boards X-Nucleo-OUT08A1 bzw. X-Nucleo-OUT10A1, erfüllen die Bausteine die Bedingungen der Normen IEC 61000-4-2 (elektrostatische Entladung), IEC61000-4-4 (Burst) und IEC61000-4-5 (Surge). Wie bereits erwähnt, können der IPS160HF und der IPS161HF feststellen, wenn die Verbindung zwischen Ausgang und Verbraucher unterbrochen ist. Aktivieren lässt sich dieses Feature mit einem Pull-up-Widerstand (R_PU) zwischen dem Ausgangs- und dem VCC-Pin (Bild 3). Im Fall einer Leitungsunterbrechung und im Aus-Zustand (Low-Status am Eingang) steigt die Ausgangsspannung (V_OUT) gemäß dem Verhältnis zwischen dem externen Pull-up-Widerstand (R_PU) und dem Innenwiderstand des IC (R_I = 115 kΩ) an.

Damit beim Ansteuern induktiver Lasten nicht fälschlicherweise ein solches Open-Load-Ereignis signalisiert wird, wird das entsprechende Signal für eine gewisse Zeitspanne ausgeblendet. Das Open-Load-Ereignis wird also erst mit der oben erwähnten Verzögerung am DIAG-Pin signalisiert, sofern dieser Zustand länger als diese festgelegte Zeitspanne fortbesteht.

Funktionsweise des IPS160HF auf dem Demo-Board

Das Verhalten des IPS160HF in der Applikation lässt sich mithilfe des von STMicroelectronics entwickelten Evaluation Boards X-Nucleo-OUT08A1 (Bild 4) analysieren. Mit diesem Board können Entwickler die grundlegenden Funktionen des Betriebs live ausprobieren. Verfügbar ist auch ein kompletter Demonstrator, bestehend aus den X-Nucleo-Boards, dem Quellcode ODE (X-CUBE-OUT8) und Binärdateien (STSW-OUT8F4 und STSW-OUT8G4 für STM32F4x bzw. STM32G4x) für die grafische Benutzeroberfläche (STSW-IFAPGUI) zur Realisierung einer kompletten Industrieautomations-Umgebung. Damit lassen sich die Bausteine in der realen Einsatzumgebung testen.

Zur Minimierung der Verlustleistung bei kurzgeschlossenem Ausgang ist ein nicht-dissipativer Kurzschlussschutz (Cut-off) vorhanden. Dieser begrenzt den durchschnittlichen Ausgangsstrom und verhindert damit ein Überhitzen des Bausteins. Der Ausgangsstrom der Leistungsstufe ist intern auf den Wert I_LIM begrenzt, und die Dauer der Strombegrenzung lässt sich mit einem Kondensator zwischen den Pins CoD und GND einstellen. Wird der Grenzwert I_LIM überschritten, bleibt die Ausgangsstufe für die oben angegebene Zeit im Strombegrenzungs-Zustand (I_OUT = I_LIM). Sobald die vom Kondensator vorgegebene Zeit verstrichen ist, schaltet die Ausgangsstufe ab. Ein erneutes Einschalten erfolgt, nachdem die 32-fache Dauer des ON-Zustands verstrichen ist.

Übertemperaturschutz

Ist der Cut-off-Schutz deaktiviert (mit einem 1-kΩ-Widerstand zwischen CoD- und GND-Pin), schaltet die Ausgangsstufe ab, sobald ihre interne Sperrschichttemperatur infolge einer Überlastung oder eines Kurzschlusses über die Abschaltschwelle von typisch 170 °C hinaus ansteigt. Der normale Betrieb wird wiederaufgenommen, wenn die Sperrschichttemperatur unter die Rücksetzschwelle (typisch 155 °C) gesunken ist. Wird die Überlastung bzw. der Kurzschluss nicht behoben, kommt es zu einem temperaturbedingten zyklischen Aus- und Einschalten, mit dem die Sperrschichttemperatur in einem sicheren Bereich gehalten wird.

Schnelle Entmagnetisierung beim Ansteuern großer Induktivitäten

Bei der wiederholten Entmagnetisierung einer großen Induktivität sind zwei Risiken zu beachten. Erstens könnte der Baustein durch die in der Induktivität gespeicherte große Energiemenge beschädigt oder zerstört werden, und zweitens könnte die Sperrschichttemperatur der Leistungsstufe so stark ansteigen, dass der Überhitzungsschutz anspricht.

Um die korrekte Arbeitsweise dieser Funktion zu überprüfen, wurde mit dem X-Nucleo-OUT08A1 ohne Freilaufdiode eine große Induktivität von 2,35 H angesteuert. Dies geschah bei VCC = 24 V, einer Umgebungstemperatur von 125 °C und einem Ausgangsstrom von 1 A. Der IPS160HF leitete die gesamte, in der Induktivität gespeicherte Energie in nur 40 ms ab, wobei nur ein vernachlässigbar geringer Anstieg der Sperrschichttemperatur festzustellen war. Tatsächlich sprach der integrierte Übertemperaturschutz trotz des hohen Induktivitätswerts und der hohen Umgebungstemperatur nicht an. Mit dem Demo-Board Nucleo-OUT10A1 für den IPS161HF ergeben sich ähnliche Resultate.

Zusammenfassung

Die Branche befindet sich am Beginn der vierten industriellen Revolution. Digitalisierung der Produktion, effiziente und flexible Fertigung, maximale Qualität und gesteigerte Sicherheit prägen die Zukunft der Produktion. Mit ihrer Versorgungsspannung bis zu 65 V sind die IPS-Bausteine (Intelligent Power Switch) IPS160HF und IPS161HF eigens für die strikten Vorgaben von SIL-Systemen (Safety Integrity Level) für Schnittstellen des Typs C (oder D), Klasse 3 ausgelegt. Die monolithisch integrierten Bausteine können auf sichere Weise komplexe Lasten (resistiv, kapazitiv, induktiv) ansteuern, die an einer Seite mit der Masse verbunden sind. Beispiele sind Ventile, Relais und Leuchten in Fabrikautomations- und Prozesssteuerungs-Anwendungen oder 48-V-Systeme (unter anderem LED-Beleuchtungen in der Gebäudeautomation). (na)