主题中讨论的其他器件：TPSI3050、 TPSI3052、 TPSI3052-Q1、
固态继电器是一种电子器件、在提供电气隔离的隔离栅上充当电源开关。 这些器件没有机械部件、采用半导体实现、因此可提供更高的可靠性、并支持以更高的速度进行开关。
TPSI3050和 TPSI3052是完全集成的隔离开关驱动器、与外部电源开关结合使用时、形成完整的隔离式固态继电器(SSR)。 这些器件用于具有高压隔离功能的系统、例如电池管理系统(BMS)、工厂自动化和控制：交流或直流输出模块等。
两种器件都具有1.5A 峰值拉电流和3A 灌电流。 TPSI3052栅极驱动器提供15V 的电压、TPSI3050具有10V 栅极驱动。
TPSI3050和 TPSI3052都通过从初级侧接收的电源产生自己的次级偏置电源、因此无需隔离式次级电源偏置。 它们具有高可靠性增强型隔离、与传统机械继电器和光耦合器相比、功耗更低、温度范围更宽。
图1. TPSI305x-Q1的基本应用
设置 TPSI305x-Q1
TPSI3050-Q1和 TPSI3052-Q1是隔离式开关驱动器、在初级侧或控制侧和次级侧或驱动侧之间提供隔离栅。 两侧都需要根据需求而变化的支持电路。 这些器件可以驱动 MOSFET、IGBT 和 SCR。
图2. TPSI3050-Q1和 TPSI3052-Q1的引脚排列
两侧的区别是了解器件设置的关键。 每侧无源器件的连接和选择会因不同的原因而发生变化。 一般而言、初级侧的设置主要由两线或三线模式选择决定。 相反、次级侧设置会根据器件 TPSI3050-Q1或 TPSI3052-Q1的选择而变化。 当然、在选择器件和导线模式之外还有一些其他因素会影响器件设置、但一旦理解了图3的高级决策树、这些因素就更容易理解。
图3. 设置决策树
初级侧设置
初级侧设置的驱动因素是模式选择：两线制或三线制。 启动时、器件会在内部检测使能引脚处的输入电压。 如果该电压高于6V、它将在内部针对两线模式进行自配置。 但是、如果电压低于6V、它将配置为在三线模式下运行。 器件将保持该模式、直到它被复位。
两线模式
两线模式允许器件重复使用其所替换的机械继电器的逻辑、其中在设计中会考虑到两条导线、线圈的每一端各一根。 在此设置中、6.5V 至48V 电源连接到 EN 引脚、初级侧接地连接到 VSSP 引脚。 此外、建议为 VDDP 引脚使用220nF 电容器、为 PXFR 引脚使用7.32kΩ-20kΩ 电阻器。 电阻大小决定了通过隔离栅传输的功率大小、其中7.32kΩ 传输最低电流、20kΩ 传输最高电流。
图4. 两线模式设置
三线模式
三线模式允许在典型电路环境中执行器件、此环境中的信号介于3V 和5.5V 之间。 在此模式下、三根线是 EN、VDDP 和 VSSP 上的连接。 三线模式能够通过隔离栅传输更多功率。 要将器件设置为三线模式、必须将一个3V 至5.5V 电源与1100nF 电容并联到 VDDP、初级侧在 VSSP 端接地。 将一个7.32kΩ-20kΩ 电阻器连接到 PXFR 引脚、EN 引脚上的3V 至5.5V 信号将次级侧驱动器打开。
图5. 三线模式设置
电阻选择
TPSI305x-Q1根据下拉强度以数字方式选择功率传输、因此有非常适合使用的特定电阻值、如下表所示。
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推荐的电 |
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阻器 两线模式 三线模式 RPXFR、kΩ Ω 输出功率、mW 输出功率、mW 7.32 2.2 6.4 9.09 3.3 10.7 11 6.0 28.8 12.7 7.4 38.9 14.7 8.5 49.0 16.5 10.6 63.3 20 11.8 74.1 次级侧设置 次级侧两个器件之间的主要差异是引脚之间的电容值与它产生的驱动电压之比。 两个器件的内部变压器在次级侧的 VDDM 引脚上创建5V 电压、并使用电荷泵为 VDDH 引脚升高电压、该引脚还可以为 VDRV 引脚供电。 电容器的目的是使电压稳定、这在 VDDM 引脚上非常重要。 TPSI3052-Q1的升压更高、因此需要更大的比率来将 VDDM 稳定在5V、从而使电容器之间的缩放是非线性的。 TPSI3050-Q1 TPSI3050-Q1可在 VDRV 引脚上提供10V 的栅极驱动电压、该电压由 VDDH 引脚内部供电。 该电压是通过器件的电源传输功能产生的、存储在外部连接的电容器 CDIV1和 CDIV2中。 为了向辅助电路供电、VDDM 准备5V。 为了在 VDDH 下准备10V 电压、在 VDDM 上准备5V 电压、电容必须遵循至少1：1的比率、更确切地说是 CDIV2≥CDIV1。 在 VDRV 引脚处可以选择附加电阻、以限制振铃、降低 EMI 或微调栅极驱动强度。 图6. TPSI3050-Q1次级侧 TPSI3052-Q1 TPSI3052-Q1能够在15V 下驱动、这意味着 VDDH 引脚也可以为高达15V 的电压供电。 但是、VDDM 引脚仍需要充电至5V、因此该器件的电容比必须更改。 要实现这种电压方案、CDIV2与 CDIV1的比率必须至少为3：1、换句话说：CDIV2≥3 ×CDIV1。 与 TPSI3050-Q1一样、可以向 VDRV 引脚添加额外的电阻、以限制振铃、EMI 或微调。 图7. TPSI3052-Q1次级侧 电容值 设置 TPSI305x-Q1的下一步是确定了解比率后所需的实际电容值。 找到这些器件的最佳方法是使用此处链接的 TPSI305x-Q1设计计算器、也可在两种器件的产品页面上下载该计算器。 在设计计算器中、在用户输入页面的第6行到第14行中为特定设计选择适当的值、如下所示。 图8. 设计计算器的第一行 下一个需要的项是用于将晶体管上的栅极电压从0V 升高到15V 的电荷。这可以在 FET 数据表的栅极电荷特性图中找到。 从15V 电压中减去0V 电荷量、然后将该值输入第51行的黄色区域。 FET 的栅极电荷特性图通常如下图所示。 图9. 栅极充电特性 在第52行中选择选项 B、将 VDDHDROOP 设置为0.5V、并输入所需的电容比、TPSI3050-Q1为1.0、TPSI3052-Q1为3.0。 此工具将产生驱动第67行和第68行中的 FET 所需的最小电容。 VDDH 上的压降是启用 VDRV 时的电压骤降量。 务必将该值限制为0.5V、因为压降过大会触发 VDDH 引脚上的欠压锁定、从而使 VDRV 引脚无效。 TPSI305x-Q1的 FET 驱动能力 TPSI305x-Q1可支持各种 FET 尺寸和高达100kHz 的开关速度。 该器件的功率传输功能可提供有限的功率池。 要确定给定开关速度所需的电阻大小、请参阅设计计算器并填充晶体管的 QTOTAL 和 QTOTAL 字段。 较大的晶体管需要更多的栅极电荷、因此开关速度较慢、因此这一限制因素和功率传输电阻是开关速度的限制因素。 通过 VDDM 为辅助电路供电 TPSI305x-Q1还提高了通过 VDDM 引脚为辅助电路供电的能力。 在静态开关解决方案中、可提供高达50mW 的功率。 这可用于电流或温度检测电路、以为例。 在非静态解决方案中、电源更多地成为 FET 开关电路和辅助电路之间的共享资源。 确定辅助电路可用功率的最简单方法是参阅设计计算器工具。 栅极驱动器输出电阻(RGSRC 和 RGSNK) 出于几个原因、可以在所驱动的器件的栅极上添加可选电阻。 它们有助于限制开关造成的振铃、降低 EMI 或有助于微调驱动强度。 RGSRC 可以将来自内部上拉结构的拉电流限制为小于1.5A 的值。 同样、RGSNK 将来自内部下拉结构的电流限制为小于3A 的值。 需要注意的是、灌电流和拉电流不是恒定的、而是像脉冲式功能、会随着时间的推移而衰减、就像一个放电电容器。 图10. VDRV 输出端的栅极电阻 还可以在晶体管的栅极和源极之间添加一个下拉电阻、以便在器件不运行时使栅极保持低电平。 请务必注意、这种方法会在启用器件时从驱动器消耗功率、从而导致开启速度变慢。 应用示例 TPSI305x-Q1系列可用于各种应用。 尽管如此、对于设计人员来说、决策层级仍然相对简单。 要决定两线制和三线制模式、这需要一个控制逻辑和电源需求问题。 在 TPSI3050-Q1和 TPSI3052-Q1之间做出决定时、便是在所需的栅极驱动器之间做出决定。 下面概述了需要隔离式开关驱动器的应用的设计要求： 负载类型 交流 开关 动态，>50kHz 栅极驱动 >12 V 图11. TPSI305x 驱动背对背 FET 根据这些设计要求、很明显、由于两个原因、FET 需要相当大的功率来驱动。 首先、它是一个交流负载、因此需要两个 FET 在两个方向上提供阻断。 其次、开关频率将接近器件功能的上限。 开关频率越高、次级侧电容器中就需要不断补充电荷、因此电源传输系统的运行频率会越高。 这种更高的功率传输需求需要三线模式配置。 这种切换可能意味着微控制器正在控制隔离式驱动器。 三线模式更适合使用微控制器。 至少12V 的栅极驱动要求意味着 TPSI3052-Q1是更适合此应用的器件。 考虑第二种应用的设计要求： 负载类型 直流 开关 静态 栅极驱动 10伏 从这些要求中可以很明显地看出、此应用的电源要求要低得多、因为它是一种静态开关直流(单 FET)应用。 在这种情况下、两线模式可能适用。 TPSI305x-Q1器件具有两线制模式功能、可直接替代机械继电器、其名称表示线圈的两个端子。 借助此设计的10V 栅极驱动、最好的器件是 TPSI3050-Q1。 结论 与外部开关配合使用时、TPSI305x-Q1器件可创建无缝固态继电器。 由于此器件可能的用途非常广泛、因此应用电路会有所不同。 尽管如此、初级侧和次级侧的电路都可以轻松理解。 对于初级侧、需要考虑的是电源和架构：分立式继电器替代或 MCU 驱动。 在次级侧、设计人员将根据所需的栅极驱动器在两种器件之间进行选择。 考虑到这些概念、将 TPSI305x-Q1设计到应用中将会更加简单。
