TI 经典文档总结:面对不同类型负载,如何选择合适的智能高边开关

这是一篇值得反复阅读的应用文档：TI 的《How to Drive Resistive, Inductive, Capacitive, and Lighting Loads》。

1、电阻负载

典型应用：座椅加热器、工业加热器和白炽灯。

负载电流计算：

开关导通损耗功率计算，其中 Ron 为开关的导通阻抗。

如果采用 PWM 调节加热功率，还要计入每次导通、关断产生的开关损耗功率。其中 Eon 和 Eoff 分别是开关导通和关断产生的损耗，可以在手册中查询，fsw 是 PWM 的频率。

最后用总功耗计算开关芯片结温：

真实负载并非纯电阻，而且高边开关会主动限制输出电压变化率来降低 EMI，因此不能忽略 PWM 开关损耗。器件还应具备准确电流检测和可调限流，既能进行闭环功率控制，也能及时识别小阻值短路。

2、电容负载

汽车 ECU、PLC 传感器和电子模块的输入端通常有数百 μF 到数 mF 的储能电容。直接接通时，浪涌电流可能达到几十甚至上百安培，引起电源母线跌落；保险丝误动作；连接器、线缆和 PCB 需要承受巨大峰值电流；其他并联模块发生反向放电。

电容的充电关系为：

智能高边开关可工作在恒流限流状态，使电容线性充电。

限流期间 MOSFET 工作在线性区，电容电压会从 0V 慢慢充到 Vsupply-Vds，初始时开关功耗最大，此时 MOSFET 两端压降约为 Vsupply。

提高限流值可以缩短充电时间，但会增加峰值功耗；降低限流值则相反。因此需要在启动时间和热应力之间权衡。建议使用瞬态热阻而不是稳态热阻估算结温，并预留足够的温度裕量。过温或相对温升保护可能使器件间歇关断、冷却后重新尝试，最终完成充电，但会延长启动时间。

3、电感负载

典型电感负载包括：继电器、接触器、阀、螺线管、电机和变压器。

导通时，电流按照 L/R 时间常数逐渐上升；约经过 3τ 后接近稳态。IDC 是稳态电流，VBAT 是电池或母线电压。

关断时，电感试图维持原电流，会在输出端产生很高的负电压。高边开关需要通过内置钳位吸收退磁能量。退磁能量 ED 公式如下，其中 I0 为关断瞬间电流，该电流在导通一定时间后等于稳态电流，VCLAMP 为 MOSFET 进入钳位时的 VDS。

选择器件时不能只看电感量，还必须看关断瞬间的电流，因为能量与电流的平方成正比。低电感、大电流负载可能比高电感、小电流负载更危险。

应将计算出的电流和退磁能量与数据手册的“退磁能力曲线”比较。如果超出安全工作范围，应选择退磁能力更强的高边开关，或外接 TVS 等钳位器件分担能量。

4、LED/照明负载

高边开关可以直接驱动 LED 串，也可以给独立 LED 驱动模块供电。

直接驱动时，可以通过 PWM 调节亮度，也可以把可调限流设置为 LED 标称电流，使高边开关近似成为恒流源。不过此时器件可能承担较大的线性功耗，需要检查热设计。

LED 模块通常带有 100–300 µF 左右的输入电容，因此还要按照电容负载处理启动浪涌。

高边开关还具备开路检测和精确电流检测功能。

开路检测可以识别断线、接错线或整个灯组失效。关断状态检测通常需要输出上拉电阻，但上拉电流可能让 LED 在关闭时微亮。

精确电流检测可以通过总电流下降识别某一条并联 LED 灯串失效。例如六条并联灯串中一条断开，需要足够高的检测精度才能区分正常误差和真实故障。

5、核心内容

（1）电阻负载

主要风险：持续导通发热、PWM 开关损耗、短路

设计重点：计算导通损耗、开关损耗和结温

推荐功能：低 Ron、电流检测、可调限流

（2）电容负载

主要风险：上电浪涌、供电跌落、开关在线性区过热

设计重点：控制充电电流和时间，检查瞬态结温

推荐功能：恒流限流、过温保护、自动重试

（3）电感负载

主要风险：关断时产生高压反冲，可能击穿开关

设计重点：计算退磁能量并检查钳位能力

推荐功能：内置感性钳位，必要时外接 TVS

（4）LED/照明负载

主要风险：断路、部分灯串失效、模块输入浪涌

设计重点：电流检测精度、断路诊断及热设计

推荐功能：开路检测、精确电流检测、可调限流

6、高边开关选型流程

（1）根据最大工作电压和负载阻抗确定最大持续电流。

（2）根据 Ron、PWM 频率及开关能量计算总损耗。

（3）用实际 PCB 热条件估算稳态结温。

（4）电容负载检查浪涌限流值、充电时间和瞬态结温。

（5）电感负载检查退磁电流、退磁能量和钳位能力。

（6）LED 负载检查开路诊断和电流检测精度。

（7）对所有计算保留温度、器差和布板裕量，并用评估板或热模型进行验证。