智能高邊開(kāi)關(guān)的開(kāi)路檢測

在英飛凌開(kāi)發(fā)者論壇(Infineon Developer Community)里，智能高邊開(kāi)關(guān)的負載開(kāi)路檢測一直是一個(gè)熱度很高的話(huà)題。負載開(kāi)路故障主要是由兩種原因引起，一種是導線(xiàn)斷裂，另一種是負載損壞。按照要求，當汽車(chē)轉向燈斷開(kāi)時(shí)，需要用加倍的閃爍頻率來(lái)提示故障。而其他類(lèi)型的負載開(kāi)路故障則通常由OEM進(jìn)行定義，但控制單元首先要得到故障信息，而英飛凌的智能高邊芯片(PROFET)可以對開(kāi)路進(jìn)行檢測并報告。

智能高邊開(kāi)關(guān)的開(kāi)路檢測分為開(kāi)通狀態(tài)(ON state)開(kāi)路檢測和關(guān)斷狀態(tài)(OFF state)開(kāi)路檢測，二者都是通過(guò)內部比較器檢測V_out，前提是V_DEN > V_DEN(H)，以激活診斷功能。

（一）開(kāi)通狀態(tài)(ON state)開(kāi)路檢測

其中開(kāi)通狀態(tài)的開(kāi)路檢測比較簡(jiǎn)單，如果DMOS導通時(shí)發(fā)生開(kāi)路，OUT pin的電壓會(huì )抬升至Vs，此時(shí)如果V_DEN > V_DEN(H)，則判定open load at ON state，IS PIN輸出I_IS <= I_IS(OFFSET)。如圖1所示。

圖1. ON state開(kāi)路狀態(tài)下電路示意圖

（二）關(guān)斷狀態(tài)(OFF state)開(kāi)路檢測

關(guān)斷狀態(tài)下的開(kāi)路檢測較為復雜，需要額外的外部電路進(jìn)行配合。

可在下圖2虛線(xiàn)中的位置添加一個(gè)外接電阻R_OL。此時(shí)，在DMOS關(guān)斷時(shí)發(fā)生開(kāi)路，OUT pin的電壓同樣會(huì )抬升至觸發(fā)V_out > V_out(OL_OFF)，被判定為open load at OFF state, IS pin輸出I_IS <= I_IS(OFFSET)。

圖2. OFF state開(kāi)路檢測外接電路配置圖(option1)

圖3. OFF state 開(kāi)路檢測波形

但隨之而來(lái)會(huì )產(chǎn)生一定的問(wèn)題，比如當DMOS導通，電路連接正常時(shí)，外接電阻的回路中同樣會(huì )產(chǎn)生電流回路，因此我們要求ROL盡可能的大一些。第二點(diǎn)，當DMOS關(guān)斷，電路連接正常時(shí)，外接電阻回路中會(huì )產(chǎn)生一定的電流，從而增加功耗甚至影響負載。所以，我們可以增加一個(gè)開(kāi)關(guān)T1，在不需要關(guān)斷狀態(tài)開(kāi)路檢測功能時(shí)斷開(kāi)該回路。這樣只需要在關(guān)斷開(kāi)路檢測時(shí)打開(kāi)T1即可，其他情況下可以規避這條外接回路對電路的影響。

圖3中是只配備上拉電阻進(jìn)行關(guān)斷開(kāi)路檢測時(shí)的波形，可以觀(guān)察到的一個(gè)細節是：當智能高邊開(kāi)關(guān)在關(guān)斷狀態(tài)下開(kāi)路時(shí)，即使不加外接電阻，OUT Pin的輸出電壓也不為0。這是由于器件中的漏電流所導致的；而當負載正常連接時(shí)，這里漏電流的影響就可以忽略不計，后面會(huì )附上實(shí)測波形供大家參考。

需要注意的是，這種只配備外接上拉電阻和可控開(kāi)關(guān)的關(guān)斷開(kāi)路檢測方式也并非完美無(wú)缺，下面分析兩種異常工況, 如下圖4所示。

圖4.  負載對電池電路和負載開(kāi)路故障對比

（Short to battery: OUT pin與電池正極短路，此時(shí)電路的開(kāi)斷狀態(tài)不取決于DMOS開(kāi)關(guān)與否）

以24V車(chē)身系統為例，通過(guò)分析可以看到，兩種不同的異常工況都會(huì )在MOSFET的Source端產(chǎn)生24V的電勢。當只使用上拉電阻時(shí)，OFF狀態(tài)下的開(kāi)路與對電池短路的OUT Pin電壓相同，都是接近電池電壓，我們無(wú)法區分到底是發(fā)生了哪種錯誤。

更加完美的解決方案是使用如下圖5中的上下拉電阻配合的外接電路，當同時(shí)使用這種組合時(shí)，當OFF狀態(tài)下開(kāi)路，OUT Pin電壓為上拉電阻上的分壓。而如果發(fā)生的是對電池短路，OUT pin的電壓為電池電壓。

這樣我們就可以準確得到當前電路發(fā)生異常的具體情況。

圖5. OFF state開(kāi)路檢測外接電路配置圖(option2)

●   使用開(kāi)發(fā)板BTS500xx-1LUA Arduino shield進(jìn)行高邊智能開(kāi)關(guān)的開(kāi)路檢測功能演示，設備連接如下：

圖6. 開(kāi)發(fā)板連接示意圖

●   該demo板原理圖如下：

圖7. BTS500xx-1LUA Arduino shield 原理圖

其中，U1是BTS50005-1LUA，U2是BTS50010-1LUA。圖中R13是BTS50010-1LUA用于關(guān)斷狀態(tài)下開(kāi)路檢測的外接電阻。其工作原理如下，通過(guò)配置外接上拉電阻可以在OFF status下檢測OUT腳的電壓；而B(niǎo)TS5005-1LUA的開(kāi)路檢測回路，由上拉電阻（圖中R5）和下拉電阻（圖中R7）組成。

●   不同條件下的OUT Pin的電壓測試結果：

1. OFF狀態(tài)下開(kāi)路，綠色波形為只配置上拉電阻的Out Pin電壓，藍色波形表示配置了上下拉電阻分壓的Out Pin電壓。得出結論：配置上拉電阻后，OFF狀態(tài)下開(kāi)路，Out Pin的電壓為Vs電壓（12V），而用了分壓電阻后，Out Pin上電壓為Vs的分壓（6V）.

2. OFF狀態(tài)下開(kāi)路，但不配置外接電阻，觀(guān)察到有漏電流引起的電壓。注：這個(gè)是正?，F象，下圖中所示，粉色波形為無(wú)任何外接電阻的電路測量結果。當Vs=12V時(shí)，BTS50010-1LUA的漏電流引起高于GND約1.37V的電壓差。

3. OFF狀態(tài)下連接負載，發(fā)現外接電阻不會(huì )拉高OUT Pin上的電壓。注：圖中50mV是由Offset引起，對比發(fā)現當芯片不供電時(shí)示波器仍顯示50mV，因此得出：當OFF狀態(tài)下連接負載，OUT Pin上的電壓無(wú)限接近于GND.

4. ON狀態(tài)下（PWM控制）突然失去負載（ON state open load），Vout無(wú)法再被拉低（Infineon Intelligent Latch）。

作者：卜祥瑞，英飛凌技術(shù)支持中心高級工程師