引言：感性負載是繼電器、螺線管、電動機，甚至是通過長電纜連接的負載，它們的阻抗由串聯(lián)的電阻（R）和電感（L）組成。R值決定穩(wěn)態(tài)電流，L值決定存儲的磁能，電感器中儲存的磁能如果沒有正確耗散，可能會導致系統(tǒng)或組件級別的損壞。

繼電器或螺線管中的磁性觸點的打開或關(guān)閉需要存儲或耗散磁能，在電動機的情況中，這種儲存的磁能量對于機械旋轉(zhuǎn)是必要的。感性負載持續(xù)通電和斷電，用于斷開或閉合觸點（繼電器和螺線管）和旋轉(zhuǎn)或空轉(zhuǎn)（電動機）。將感性負載從通電狀態(tài)斷開會產(chǎn)生高壓尖峰，從而導致系統(tǒng)損壞，所以安全地斷開感性負載的電源需要使用適當?shù)你Q位電路。

1. 概述

遇到感性負載時，必須考慮存儲的能量，因為如果管理不當，這些能量可能會損壞系統(tǒng)中的組件，在驅(qū)動感性負載時，需要考慮兩種狀態(tài)：

1：將感性負載通電或連接到電壓源，如電池。

2：斷電或斷開感性負載與電壓源的連接。

在某些情況下，集成開關(guān)可以集成電壓鉗。

在通電狀態(tài)下，開關(guān)驅(qū)動穩(wěn)態(tài)負載電流，電感存儲的磁能等于L值的一半和負載電流的平方。在斷電狀態(tài)下，電流從穩(wěn)態(tài)值衰減到零，與電流斜率成比例的電壓尖峰出現(xiàn)在開關(guān)兩端。電壓尖峰必須受到限制，并安全地消耗存儲的能量，否則可能會損壞系統(tǒng)。

本節(jié)的重點是計算電感負載參數(shù)，以優(yōu)化驅(qū)動電路的性能，對于高壓側(cè)和低壓側(cè)開關(guān)，通電和斷電機制是相同的。

2. 感性荷載的機理

感性負載兩端的電壓與時間有關(guān)，等式1計算選擇可靠驅(qū)動電路所需的電感負載參數(shù)：

方程1表明，當由于電流的突然變化（dI（t）/dt分量）而斷開電感負載時，可能會出現(xiàn)過電壓尖峰，該過電壓尖峰的大小是可能導致器件損壞的因素。

驅(qū)動感性負載

感性負載在連接到電壓源時通電，電流以指數(shù)方式上升到穩(wěn)態(tài)值，磁能存儲在線圈中，圖11-1描述了這個過程，使用高側(cè)開關(guān)來驅(qū)動負載。

圖11-1：驅(qū)動感性負載波形

當對電阻-電感（RL）電路中的電感負載通電時，電壓回路為一階微分方程：

求解方程2可以得到瞬時感應(yīng)負載電流，可以使用公式3計算重要的電路參數(shù)：

這一階段的關(guān)鍵是選擇一種能夠承載穩(wěn)態(tài)負載電流并將結(jié)溫保持在熱關(guān)斷溫度以下的開關(guān)。最好的開關(guān)選項包括低壓差，就像低導通電阻開關(guān)一樣。表11-1顯示了方程1引入的參數(shù)及其對系統(tǒng)的影響。

表11-1：驅(qū)動感性負荷的計算參數(shù)

從電壓源上斷開感應(yīng)負載

感性負載兩端的電壓由等式4表示：

當電流從VBAT/R變?yōu)榱銜r，電流的突然變化（dI（t）/dt）引起非常高的電壓。將感性負載與電壓源斷開會在電感器上產(chǎn)生巨大的負電壓尖峰，如圖11-2所示。電壓尖峰將出現(xiàn)在開關(guān)兩端，并且遠高于開關(guān)的額定擊穿電壓，添加適當?shù)碾妷恒Q位可以避免電壓尖峰造成嚴重損壞。

圖11-2：電感負載與電壓源斷開的波形，帶箝位（青色）和不帶箝位（紅色）

圖11-2顯示了在通過高壓側(cè)開關(guān)斷開通電感性負載的情況下的預(yù)期波形，無論系統(tǒng)中是否存在鉗位。

表11-2：帶和不帶箝位開關(guān)感應(yīng)負載引起的電壓電平

表11-2顯示了在開關(guān)兩端實現(xiàn)箝位電壓的有效性，該箝位器將電流斜率從250mA/10us降低到250mA/419us，并安全地消耗3.125mJ的存儲能量，如果沒有箝位，2512V的電壓尖峰很容易損壞開關(guān)。

3. 安全斷開感性負載

在將感性負載從電壓源斷開時，有三種方法可以安全地斷開其電源：

1：在開關(guān)上使用一個鉗位。

2：在感性負載上使用箝位和阻斷二極管。

3：在感性負載上使用續(xù)流二極管。

在所有三種方法中，主要目標是將開關(guān)兩端的電壓保持在擊穿水平以下，并安全地耗散電感負載中存儲的能量。對于箝位電路，方程5基于一階微分方程：

其中K是取決于每個電路中的箝位方法的常數(shù)，下面介紹這三種方法。

在開關(guān)上使用箝位

在開關(guān)上使用箝位是最有效的方法，可以覆蓋大多數(shù)感性負載，該箝位功能集成在汽車和工業(yè)系統(tǒng)中使用的大多數(shù)智能高側(cè)開關(guān)IC中。

圖11-3：使用開關(guān)兩端的瞬態(tài)電壓抑制（TVS）箝位使電感負載斷電

圖11-3顯示了在開關(guān)兩端使用箝位時感性負載的斷電情況，求解方程5，其中K表示圖11-3所示電路的箝位方法，得到方程6：

下面列出了公式6中的計算參數(shù)，同時也是選擇開關(guān)和跨開關(guān)箝位所需的參數(shù)。

初始電流：

存儲的磁能：

退磁時間：

TVS耗散的能量：

當VCLAMP > 3×VBAT時，簡化公式為：

在負載上使用箝位和阻斷二極管

圖11-4：使用跨負載的TVS箝位使感應(yīng)負載斷電

圖11-4顯示了在負載上放置箝位和阻斷二極管的配置，再次將阻斷二極管的箝位電壓和正向電壓代入等式5，生成等式7：

下面列出了公式7中的計算參數(shù)，同時也是選擇跨負載箝位和阻斷二極管所需的參數(shù)，串聯(lián)二極管是在導通狀態(tài)下防止電流在外部TVS中流動。

初始電流：

存儲的磁能：

退磁時間：

TVS耗散的能量：

當VCLAMP > 2×VBAT時，簡化公式為：

在負載上使用續(xù)流二極管

圖11-5：使用負載兩端的續(xù)流二極管使電感負載斷電

圖11-5顯示了在負載兩端使用續(xù)流二極管的配置，使用等式5并替換K，等式8生成該去激勵方法的表達式：

下面列出了公式8中的計算參數(shù)，同時也是選擇開關(guān)和續(xù)流二極管所需的參數(shù)。

退磁時間：

二極管耗散的能量：

簡化公式：

4. 方法的利與弊

表11-3：三種夾緊方法的優(yōu)缺點

表11-3總結(jié)了安全斷開感性負載電源的所有三種方法。如前所述，開關(guān)兩端的箝位功能集成在智能高端開關(guān)中，在大多數(shù)情況下，智能高側(cè)開關(guān)具有耗散磁能的能力。但是在一些應(yīng)用中，集成箝位器不能耗散磁能，因此需要諸如TVS二極管的外部箝位器。當使用外部TVS二極管時，其箝位電壓應(yīng)低于集成箝位的下限減去電池電壓，如方程9所示：

表11-4總結(jié)了智能高側(cè)和低側(cè)開關(guān)的重要參數(shù)。

表11-4：驅(qū)動感應(yīng)負載的重要參數(shù)

5. 結(jié)論

感性負載可以由高壓側(cè)或低壓側(cè)開關(guān)驅(qū)動，高壓側(cè)開關(guān)的優(yōu)點是具有防止對地短路的能力和負載診斷的靈活性。使用智能高側(cè)開關(guān)，必須計算感性負載參數(shù)，并將其與設(shè)備的導通電阻和消磁能量能力進行比較。如果開關(guān)的集成箝位功能能夠耗散消磁能量，則不需要外部箝位，如果箝位器不能耗散能量，將需要一個外部箝位器、TVS二極管或續(xù)流二極管。