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，它們的阻抗由串聯的電阻（R）和電感（L）組成。R值決定穩態電流，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是必要的。感性負載持續通電和斷電，用于斷開或閉合觸點（繼電器和螺線管）和旋轉或空轉（電動機）。將感性負載從通電狀態斷開會產生高壓尖峰，從而導致系統損壞，所以安全地斷開感性負載的電源需要使用適當的鉗位電路。

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中的組件，在驅動感性負載時，需要考慮兩種狀態：

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，集成開關可以集成電壓鉗。

在通電狀態下，開關驅動穩態負載電流，電感存儲的磁能等于L值的一半和負載電流的平方。在斷電狀態下，電流從穩態值衰減到零，與電流斜率成比例的電壓尖峰出現在開關兩端。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。

本節的重點是計算電感負載參數，以優化驅動電路的性能，對于高壓側和低壓側開關，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，等式1計算選擇可靠驅動電路所需的電感負載參數：

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。

驅動感性負載

感性負載在連接到電壓源時通電，電流以指數方式上升到穩態值，磁能存儲在線圈中，圖11-1描述了這個過程，使用高側開關來驅動負載。

圖11-1：驅動感性負載波形

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可以得到瞬時感應負載電流，可以使用公式3計算重要的電路參數：

這一階段的關鍵是選擇一種能夠承載穩態負載電流并將結溫保持在熱關斷溫度以下的開關。最好的開關選項包括低壓差，就像低導通電阻開關一樣。表11-1顯示了方程1引入的參數及其對系統的影響。

表11-1：驅動感性負荷的計算參數

從電壓源上斷開感應負載

感性負載兩端的電壓由等式4表示：

當電流從VBAT/R變為零時，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生巨大的負電壓尖峰，如圖11-2所示。電壓尖峰將出現在開關兩端，并且遠高于開關的額定擊穿電壓，添加適當的電壓鉗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開關斷開通電感性負載的情況下的預期波形，無論系統中是否存在鉗位。

表11-2：帶和不帶箝位開關感應負載引起的電壓電平

表11-2顯示了在開關兩端實現箝位電壓的有效性，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。

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流二極管。

在所有三種方法中，主要目標是將開關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，下面介紹這三種方法。

在開關上使用箝位

在開關上使用箝位是最有效的方法，可以覆蓋大多數感性負載，該箝位功能集成在汽車和工業系統中使用的大多數智能高側開關IC中。

圖11-3：使用開關兩端的瞬態電壓抑制（TVS）箝位使電感負載斷電

圖11-3顯示了在開關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，同時也是選擇開關和跨開關箝位所需的參數。

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，同時也是選擇跨負載箝位和阻斷二極管所需的參數，串聯二極管是在導通狀態下防止電流在外部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：

在負載上使用續流二極管

圖11-5：使用負載兩端的續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，同時也是選擇開關和續流二極管所需的參數。

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缺點

表11-3總結了安全斷開感性負載電源的所有三種方法。如前所述，開關兩端的箝位功能集成在智能高端開關中，在大多數情況下，智能高側開關具有耗散磁能的能力。但是在一些應用中，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總結了智能高側和低側開關的重要參數。

表11-4：驅動感應負載的重要參數

5. 結論

感性負載可以由高壓側或低壓側開關驅動，高壓側開關的優點是具有防止對地短路的能力和負載診斷的靈活性。使用智能高側開關，必須計算感性負載參數，并將其與設備的導通電阻和消磁能量能力進行比較。如果開關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二極管或續流二極管。