由于物聯(lián)網(wǎng)和機(jī)器人設(shè)備擴(kuò)展到消費(fèi)大眾市場(chǎng)，自主設(shè)備正在融入我們的家庭。開(kāi)發(fā)人員面臨的挑戰(zhàn)之一是滿(mǎn)足機(jī)構(gòu)的所有適用要求以滿(mǎn)足合規(guī)性法規(guī)。例如，標(biāo)準(zhǔn) IEC60335-1 定義了安全要求，并且對(duì)于進(jìn)入大眾市場(chǎng)的所有消費(fèi)品都是強(qiáng)制性的。對(duì)于自動(dòng)無(wú)人值守設(shè)備，例如電機(jī)操作的物聯(lián)網(wǎng)控制器（太陽(yáng)能控制器、自動(dòng)寵物喂食器、窗戶(hù)控制器等）或移動(dòng)機(jī)器人（真空吸塵器或類(lèi)似設(shè)備），需要防止直流電機(jī)在失速事件期間過(guò)熱。IEC60355-1 條例（第 19.11 章）規(guī)定了正常運(yùn)行期間可能發(fā)生的電子產(chǎn)品單一故障的合規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。
    系統(tǒng)架構(gòu)

    如今，大多數(shù)系統(tǒng)都包含一個(gè)微控制器，微控制器上運(yùn)行著用于實(shí)現(xiàn)功能的應(yīng)用程序。如果系統(tǒng)包含對(duì)終消費(fèi)者可能不安全的部件，如電機(jī)、直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器、加熱系統(tǒng)或類(lèi)似部件，則該控制器通常也用于實(shí)現(xiàn)與安全相關(guān)的功能。消費(fèi)級(jí)商品的要求由相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，例如家用電器的 IEC60335-1。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的示例架構(gòu)如圖 1 所示。這里的直流電機(jī)由電機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)，該控制器通過(guò)備用電源開(kāi)關(guān)從電源單元供電，備用電源開(kāi)關(guān)是第二層停用保護(hù)電機(jī)控制器。該開(kāi)關(guān)還可用作節(jié)電元件，以在不活動(dòng)期間停用電機(jī)控制器。

    圖 1：系統(tǒng)架構(gòu)
    圖 1：系統(tǒng)架構(gòu)
    為了合規(guī)，為傳感器子系統(tǒng)提供驗(yàn)證功能，同時(shí)為緊急電機(jī)驅(qū)動(dòng)停用提供備用開(kāi)關(guān)也很重要。這里有用的是 SLG59H1x 高壓 GreenFET 系列的一個(gè)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(hào)，因此選擇合適的器件相對(duì)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(fù)載開(kāi)關(guān)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(gè)有趣的功能，它允許使用內(nèi)置的過(guò)流、過(guò)壓或過(guò)熱保護(hù)。所有開(kāi)關(guān)都共享一個(gè) 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(mǎn)足冷卻要求。

    在消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用中使用 SLG59H1120V 作為備用安全電源開(kāi)關(guān)

    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(jié)合了 MOSFET 和驅(qū)動(dòng)器的經(jīng)典負(fù)載開(kāi)關(guān)，而且還是一種全面保護(hù)過(guò)壓、過(guò)流和過(guò)熱的設(shè)備。它具有可從外部訪問(wèn)的擴(kuò)展傳感功能。圖 2 顯示了應(yīng)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(kāi)關(guān)??模式下的主 N-MOSFET 組成，通過(guò)電荷泵和線(xiàn)性斜坡控制模塊驅(qū)動(dòng)。狀態(tài)機(jī)根據(jù) ON 輸入定義 MOSFET 的狀態(tài)，并考慮來(lái)自保護(hù)單元的可能覆蓋：VIN OVLO – 通過(guò) SEL0/SEL1 過(guò)壓鎖定進(jìn)行調(diào)節(jié)，過(guò)流 – 通過(guò) RSET 輸入上的電阻器設(shè)置進(jìn)行調(diào)節(jié)。MOSFET 的電流也被鏡像到 IOUT 輸出，并通過(guò)一個(gè)下拉電阻可以轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，可以在主機(jī)系統(tǒng)中使用。FAULT 顯示系統(tǒng)狀態(tài)并允許在系統(tǒng)運(yùn)行期間輕松檢測(cè)任何保護(hù)事件。所有這些功能的組合直接導(dǎo)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(yīng)用電路和示例模塊
    本文使用的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示，其中U4為直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。通常使用 A4950 或任何其他引腳兼容的驅(qū)動(dòng)器。分流電阻 R7 用于電流測(cè)量目的，而其電壓降由 U2A 放大。該驅(qū)動(dòng)器通過(guò)連接到主機(jī)系統(tǒng)的 U3 SLG59H1120V 供電，并提供開(kāi)/關(guān)、故障輸出和電流檢測(cè)功能。LDO U1 為 OPAMP U2A 提供次級(jí) 3.3 V 電源，并為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 U4 設(shè)置參考電壓。第二個(gè) OPAMP U2B 被繞過(guò)，并可能用于系統(tǒng)的其他部分。LED D2 指示取自 3V3 節(jié)點(diǎn)的電源狀態(tài)，而 D3 指示電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電源狀態(tài)。
    VD_IN 上的總電容由濾波電容 C3 和主機(jī)系統(tǒng)的附加電容組成，總計(jì) 470uF（它也被放置在實(shí)驗(yàn)?zāi)K上）。測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于直流電機(jī)的啟動(dòng)電流較大，極易觸發(fā)U3過(guò)流事件，因此在U4的電源輸入端加裝了220uF的電容。模塊上設(shè)置了兩個(gè)過(guò)流閾值，如果發(fā)生過(guò)流事件，將在硬件中觸發(fā)。個(gè)通過(guò)連接到 RSET 引腳的 R5 為 U3 設(shè)置并調(diào)整為 5 A。第二個(gè)通過(guò)向 VREF 引腳施加 3.3 V 為 U4 設(shè)置并調(diào)整為：
    在消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用中使用 SLG59H1120V 作為備用安全電源開(kāi)關(guān)
    設(shè)置硬件限制是為了保護(hù)電子元件免受過(guò)電流的影響。電源開(kāi)關(guān) U3 可以驅(qū)動(dòng)多個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。像機(jī)器人這樣的應(yīng)用程序，其中超過(guò) 2-3 個(gè)電機(jī)是正常的。確保電源開(kāi)關(guān)沒(méi)有電流節(jié)流以設(shè)置更高的限制是有意義的。
    安全相關(guān)限值，在固件中設(shè)置為低于電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(guò)流保護(hù)觸發(fā)的明確順序，首先是在固件中，其次是電機(jī)控制器，是電源開(kāi)關(guān)。因此，推薦用于支持系統(tǒng)安全架構(gòu)的分層結(jié)構(gòu)如 所示。直流電機(jī)電流限制是通過(guò)在電機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)測(cè)量繞組溫度并將溫度值與該溫度值進(jìn)行比較來(lái)定義的，
    兩個(gè)不同的電流檢測(cè)信號(hào) IOUT 和 I2OUT 對(duì)于 IEC60335 合規(guī)性至關(guān)重要，因?yàn)樵摌?biāo)準(zhǔn)要求對(duì)傳感器子系統(tǒng)進(jìn)行合理性檢查，這是由固件執(zhí)行的，比較電流傳感器驗(yàn)證塊中兩種不同性質(zhì)的兩個(gè)電流測(cè)量信號(hào)。應(yīng)用電路作為實(shí)驗(yàn)?zāi)K PCB 實(shí)現(xiàn)，用于測(cè)試和功能驗(yàn)證。。它在兩層 PCB 上實(shí)現(xiàn)，并為主機(jī)系統(tǒng)、直流電機(jī)和電源提供引腳排針。
    測(cè)試設(shè)置
    為了測(cè)試應(yīng)用中的電路，主機(jī)系統(tǒng)通過(guò)基于 Arduino 的控制器進(jìn)行模擬，該控制器用于電機(jī)的激活/停用 PWM、傳感驗(yàn)證和備用電源停用以防主電源不工作。盡管測(cè)試儀的軟件未按照 IEC60335-1 附件 R（軟件評(píng)估）實(shí)施，但由于這不是本文的重點(diǎn)，主要操作原理已得到很好展示，可以在一個(gè)真正的應(yīng)用程序，無(wú)需額外的努力。
    測(cè)試軟件算法
    測(cè)試軟件算法如所示。操作開(kāi)始于通過(guò)將 VD_ON 設(shè)置為有效來(lái)啟用 VD 電源。電流傳感器驗(yàn)證塊為電機(jī)設(shè)置樣本 PWM，并檢查電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電流測(cè)量值I2OUT是否與來(lái)自高壓 GreenFET IOUT的測(cè)量值一致。如果不是，則認(rèn)為系統(tǒng)已損壞，驅(qū)動(dòng)器電源被設(shè)置為停用，系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)入 Eternal STOP。這是停用所有系統(tǒng)功能并設(shè)置用戶(hù)通知的狀態(tài)。如果電流傳感器驗(yàn)證成功，則允許電機(jī)運(yùn)行。
    在運(yùn)行期間，定期檢查電流測(cè)量I2OUT ，如果出現(xiàn)過(guò)流，PWM 將被停用。為了使系統(tǒng)對(duì)短期轉(zhuǎn)換具有魯棒性，如果直流電機(jī)電流在T = 1.5 秒期間高于設(shè)定限值，則使用計(jì)數(shù)器發(fā)出過(guò)流信號(hào)。該值必須在電機(jī)評(píng)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(huì)接近表 2 中的限制值。在電流檢測(cè)信號(hào)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(jī)繞組加熱的緩慢熱過(guò)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(gè) PWM 范圍內(nèi)檢測(cè)到鎖定事件，但不得在正常瞬態(tài)過(guò)載期間觸發(fā)。
    在應(yīng)用示例中，閾值設(shè)置為I lock = 700mA。如果在軸鎖定檢測(cè)和 PWM 停用后電流變低，則系統(tǒng)將設(shè)置為“重試”以重新啟動(dòng)操作。危險(xiǎn)事件不一定是性的。如果電流傳感器測(cè)量值仍然很高——即盡管 PWM 被設(shè)置為關(guān)閉但電流仍在流過(guò)電機(jī)并且在 300 ms 內(nèi)沒(méi)有減少——通過(guò)備用電源開(kāi)關(guān)和系統(tǒng)接地停用 VD 來(lái)切斷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電源進(jìn)入“Eternal STOP”（參見(jiàn)圖 13 的示例）。
    硬件測(cè)試設(shè)置
    基于 SLG59H1120V 的備用電源開(kāi)關(guān)的示例主機(jī)系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)?zāi)K（圖 4）構(gòu)建在標(biāo)準(zhǔn)原型 PCB 卡上的一個(gè)系統(tǒng)中，如圖 7 所示。主機(jī)系統(tǒng)的 - Arduino PRO Mini 通過(guò)連接USB ? UART 適配器到開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)。實(shí)驗(yàn)?zāi)K連接到主機(jī)系統(tǒng)，如表 3 中所列。故障插入開(kāi)關(guān)中斷路由到 IN2 的 PWM 信號(hào)，并將其連接到實(shí)驗(yàn)?zāi)K的 3.3 V，模擬 PCBA 上的短路導(dǎo)致硬件故障。一個(gè)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(shí)驗(yàn)?zāi)K的輸出端，用于負(fù)載模擬。電源輸入連接到 12V 的實(shí)驗(yàn)室電源裝置設(shè)置。