由于物聯(lián)網(wǎng)和機器人設備擴展到消費大眾市場，自主設備正在融入我們的家庭。開發(fā)人員面臨的挑戰(zhàn)之一是滿足機構的所有適用要求以滿足合規(guī)性法規(guī)。例如，標準 IEC60335-1 定義了安全要求，并且對于進入大眾市場的所有消費品都是強制性的。對于自動無人值守設備，例如電機操作的物聯(lián)網(wǎng)控制器（太陽能控制器、自動寵物喂食器、窗戶控制器等）或移動機器人（真空吸塵器或類似設備），需要防止直流電機在失速事件期間過熱。IEC60355-1 條例（第 19.11 章）規(guī)定了正常運行期間可能發(fā)生的電子產(chǎn)品單一故障的合規(guī)標準。
    系統(tǒng)架構

    如今，大多數(shù)系統(tǒng)都包含一個微控制器，微控制器上運行著用于實現(xiàn)功能的應用程序。如果系統(tǒng)包含對終消費者可能不安全的部件，如電機、直線驅動器、加熱系統(tǒng)或類似部件，則該控制器通常也用于實現(xiàn)與安全相關的功能。消費級商品的要求由相關標準規(guī)定，例如家用電器的 IEC60335-1。直流電機驅動電路的示例架構如圖 1 所示。這里的直流電機由電機控制器驅動，該控制器通過備用電源開關從電源單元供電，備用電源開關是第二層停用保護電機控制器。該開關還可用作節(jié)電元件，以在不活動期間停用電機控制器。

    圖 1：系統(tǒng)架構
    圖 1：系統(tǒng)架構
    為了合規(guī)，為傳感器子系統(tǒng)提供驗證功能，同時為緊急電機驅動停用提供備用開關也很重要。這里有用的是 SLG59H1x 高壓 GreenFET 系列的一個特性：電流監(jiān)視器輸出。除 SLG59H1127V 外，幾乎所有器件都有此輸出信號，因此選擇合適的器件相對容易，可以為所需的系統(tǒng)電壓提供必要的電流。
    表 1 顯示了選擇指南 [ GreenFET? 超低 RDS ON負載開關選擇器指南] 的摘錄，用于快速概覽具有電流監(jiān)視器輸出功能的高壓 GreenFET 部件。FAULT 輸出可能是一個有趣的功能，它允許使用內(nèi)置的過流、過壓或過熱保護。所有開關都共享一個 STQFN-18 封裝，尺寸僅為 1.6 mm x 3.0 mm。這節(jié)省了 PCB 上的空間。但是，需要額外注意 PCB 布局以滿足冷卻要求。

    在消費類應用中使用 SLG59H1120V 作為備用安全電源開關

    表 1：組件選擇表
    表 1：組件選擇表
    高壓 GreenFET 概念和功能
    Renesas 的高壓 GreenFET 不僅是結合了 MOSFET 和驅動器的經(jīng)典負載開關，而且還是一種全面保護過壓、過流和過熱的設備。它具有可從外部訪問的擴展傳感功能。圖 2 顯示了應用示例圖中高壓 GreenFET SLG59H1120V [數(shù)據(jù)表] 的概念框圖。

 

    圖 2：SLG59H1120V 框圖
    SLG59H1120V 由工作在開關??模式下的主 N-MOSFET 組成，通過電荷泵和線性斜坡控制模塊驅動。狀態(tài)機根據(jù) ON 輸入定義 MOSFET 的狀態(tài)，并考慮來自保護單元的可能覆蓋：VIN OVLO – 通過 SEL0/SEL1 過壓鎖定進行調(diào)節(jié)，過流 – 通過 RSET 輸入上的電阻器設置進行調(diào)節(jié)。MOSFET 的電流也被鏡像到 IOUT 輸出，并通過一個下拉電阻可以轉換成電壓信號，可以在主機系統(tǒng)中使用。FAULT 顯示系統(tǒng)狀態(tài)并允許在系統(tǒng)運行期間輕松檢測任何保護事件。所有這些功能的組合直接導致 BOM（物料清單）組件和成本降低，以及提高系統(tǒng)可靠性和減小電路板尺寸。
    應用電路和示例模塊
    本文使用的直流電機驅動電路如圖3所示，其中U4為直流電機驅動器。通常使用 A4950 或任何其他引腳兼容的驅動器。分流電阻 R7 用于電流測量目的，而其電壓降由 U2A 放大。該驅動器通過連接到主機系統(tǒng)的 U3 SLG59H1120V 供電，并提供開/關、故障輸出和電流檢測功能。LDO U1 為 OPAMP U2A 提供次級 3.3 V 電源，并為電機驅動器 U4 設置參考電壓。第二個 OPAMP U2B 被繞過，并可能用于系統(tǒng)的其他部分。LED D2 指示取自 3V3 節(jié)點的電源狀態(tài)，而 D3 指示電機驅動器的電源狀態(tài)。
    VD_IN 上的總電容由濾波電容 C3 和主機系統(tǒng)的附加電容組成，總計 470uF（它也被放置在實驗模塊上）。測試時發(fā)現(xiàn)，由于直流電機的啟動電流較大，極易觸發(fā)U3過流事件，因此在U4的電源輸入端加裝了220uF的電容。模塊上設置了兩個過流閾值，如果發(fā)生過流事件，將在硬件中觸發(fā)。個通過連接到 RSET 引腳的 R5 為 U3 設置并調(diào)整為 5 A。第二個通過向 VREF 引腳施加 3.3 V 為 U4 設置并調(diào)整為：
    在消費類應用中使用 SLG59H1120V 作為備用安全電源開關
    設置硬件限制是為了保護電子元件免受過電流的影響。電源開關 U3 可以驅動多個電機驅動器。像機器人這樣的應用程序，其中超過 2-3 個電機是正常的。確保電源開關沒有電流節(jié)流以設置更高的限制是有意義的。
    安全相關限值，在固件中設置為低于電機驅動器 U4 提供的電流，以避免硬件限流低于安全限值。這也保證了過流保護觸發(fā)的明確順序，首先是在固件中，其次是電機控制器，是電源開關。因此，推薦用于支持系統(tǒng)安全架構的分層結構如 所示。直流電機電流限制是通過在電機停轉時測量繞組溫度并將溫度值與該溫度值進行比較來定義的，
    兩個不同的電流檢測信號 IOUT 和 I2OUT 對于 IEC60335 合規(guī)性至關重要，因為該標準要求對傳感器子系統(tǒng)進行合理性檢查，這是由固件執(zhí)行的，比較電流傳感器驗證塊中兩種不同性質(zhì)的兩個電流測量信號。應用電路作為實驗模塊 PCB 實現(xiàn)，用于測試和功能驗證。。它在兩層 PCB 上實現(xiàn)，并為主機系統(tǒng)、直流電機和電源提供引腳排針。
    測試設置
    為了測試應用中的電路，主機系統(tǒng)通過基于 Arduino 的控制器進行模擬，該控制器用于電機的激活/停用 PWM、傳感驗證和備用電源停用以防主電源不工作。盡管測試儀的軟件未按照 IEC60335-1 附件 R（軟件評估）實施，但由于這不是本文的重點，主要操作原理已得到很好展示，可以在一個真正的應用程序，無需額外的努力。
    測試軟件算法
    測試軟件算法如所示。操作開始于通過將 VD_ON 設置為有效來啟用 VD 電源。電流傳感器驗證塊為電機設置樣本 PWM，并檢查電機驅動器的電流測量值I2OUT是否與來自高壓 GreenFET IOUT的測量值一致。如果不是，則認為系統(tǒng)已損壞，驅動器電源被設置為停用，系統(tǒng)狀態(tài)進入 Eternal STOP。這是停用所有系統(tǒng)功能并設置用戶通知的狀態(tài)。如果電流傳感器驗證成功，則允許電機運行。
    在運行期間，定期檢查電流測量I2OUT ，如果出現(xiàn)過流，PWM 將被停用。為了使系統(tǒng)對短期轉換具有魯棒性，如果直流電機電流在T = 1.5 秒期間高于設定限值，則使用計數(shù)器發(fā)出過流信號。該值必須在電機評估后選擇，以確保瞬變有足夠大的余量，并保證繞組溫度不會接近表 2 中的限制值。在電流檢測信號采集期間使用ΔT = 300ms 的平均值，因此T的公差為?T, 考慮到直流電機繞組加熱的緩慢熱過程是完全可以接受的。軸鎖定閾值必須足夠低，以確保在整個 PWM 范圍內(nèi)檢測到鎖定事件，但不得在正常瞬態(tài)過載期間觸發(fā)。
    在應用示例中，閾值設置為I lock = 700mA。如果在軸鎖定檢測和 PWM 停用后電流變低，則系統(tǒng)將設置為“重試”以重新啟動操作。危險事件不一定是性的。如果電流傳感器測量值仍然很高——即盡管 PWM 被設置為關閉但電流仍在流過電機并且在 300 ms 內(nèi)沒有減少——通過備用電源開關和系統(tǒng)接地停用 VD 來切斷電機驅動器的電源進入“Eternal STOP”（參見圖 13 的示例）。
    硬件測試設置
    基于 SLG59H1120V 的備用電源開關的示例主機系統(tǒng)和實驗模塊（圖 4）構建在標準原型 PCB 卡上的一個系統(tǒng)中，如圖 7 所示。主機系統(tǒng)的 - Arduino PRO Mini 通過連接USB ? UART 適配器到開發(fā)計算機。實驗模塊連接到主機系統(tǒng)，如表 3 中所列。故障插入開關中斷路由到 IN2 的 PWM 信號，并將其連接到實驗模塊的 3.3 V，模擬 PCBA 上的短路導致硬件故障。一個典型的DC Motor 500-size（空載電流約為50-100mA，失速電流約為2.5A）連接到實驗模塊的輸出端，用于負載模擬。電源輸入連接到 12V 的實驗室電源裝置設置。