智能高邊開關(guān)的開路檢測(cè)

在英飛凌開發(fā)者論壇(Infineon Developer Community)里，智能高邊開關(guān)的負(fù)載開路檢測(cè)一直是一個(gè)熱度很高的話題。負(fù)載開路故障主要是由兩種原因引起，一種是導(dǎo)線斷裂，另一種是負(fù)載損壞。按照要求，當(dāng)汽車轉(zhuǎn)向燈斷開時(shí)，需要用加倍的閃爍頻率來(lái)提示故障。而其他類型的負(fù)載開路故障則通常由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(duì)開路進(jìn)行檢測(cè)并報(bào)告。

智能高邊開關(guān)的開路檢測(cè)分為開通狀態(tài)(ON state)開路檢測(cè)和關(guān)斷狀態(tài)(OFF state)開路檢測(cè)，二者都是通過(guò)內(nèi)部比較器檢測(cè)V_out，前提是V_DEN > V_DEN(H)，以激活診斷功能。

（一）開通狀態(tài)(ON state)開路檢測(cè)

其中開通狀態(tài)的開路檢測(cè)比較簡(jiǎn)單，如果DMOS導(dǎo)通時(shí)發(fā)生開路，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開路狀態(tài)下電路示意圖

（二）關(guān)斷狀態(tài)(OFF state)開路檢測(cè)

關(guān)斷狀態(tài)下的開路檢測(cè)較為復(fù)雜，需要額外的外部電路進(jìn)行配合。

可在下圖2虛線中的位置添加一個(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開路檢測(cè)外接電路配置圖(option1)

圖3. OFF state 開路檢測(cè)波形

但隨之而來(lái)會(huì)產(chǎn)生一定的問題，比如當(dāng)DMOS導(dǎo)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(dāng)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(fù)載。所以，我們可以增加一個(gè)開關(guān)T1，在不需要關(guān)斷狀態(tài)開路檢測(cè)功能時(shí)斷開該回路。這樣只需要在關(guān)斷開路檢測(cè)時(shí)打開T1即可，其他情況下可以規(guī)避這條外接回路對(duì)電路的影響。

圖3中是只配備上拉電阻進(jìn)行關(guān)斷開路檢測(cè)時(shí)的波形，可以觀察到的一個(gè)細(xì)節(jié)是：當(dāng)智能高邊開關(guān)在關(guān)斷狀態(tài)下開路時(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(dǎo)致的；而當(dāng)負(fù)載正常連接時(shí)，這里漏電流的影響就可以忽略不計(jì)，后面會(huì)附上實(shí)測(cè)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關(guān)的關(guān)斷開路檢測(cè)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(fù)載對(duì)電池電路和負(fù)載開路故障對(duì)比

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

以24V車身系統(tǒng)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(shì)。當(dāng)只使用上拉電阻時(shí)，OFF狀態(tài)下的開路與對(duì)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(qū)分到底是發(fā)生了哪種錯(cuò)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(dāng)同時(shí)使用這種組合時(shí)，當(dāng)OFF狀態(tài)下開路，OUT Pin電壓為上拉電阻上的分壓。而如果發(fā)生的是對(duì)電池短路，OUT pin的電壓為電池電壓。

這樣我們就可以準(zhǔn)確得到當(dāng)前電路發(fā)生異常的具體情況。

圖5. OFF state開路檢測(cè)外接電路配置圖(option2)

●   使用開發(fā)板BTS500xx-1LUA Arduino shield進(jìn)行高邊智能開關(guān)的開路檢測(cè)功能演示，設(shè)備連接如下：

圖6. 開發(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)下開路檢測(cè)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(cè)OUT腳的電壓；而BTS5005-1LUA的開路檢測(cè)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(cè)試結(jié)果：

1. OFF狀態(tài)下開路，綠色波形為只配置上拉電阻的Out Pin電壓，藍(lán)色波形表示配置了上下拉電阻分壓的Out Pin電壓。得出結(jié)論：配置上拉電阻后，OFF狀態(tài)下開路，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)下開路，但不配置外接電阻，觀察到有漏電流引起的電壓。注：這個(gè)是正?，F(xiàn)象，下圖中所示，粉色波形為無(wú)任何外接電阻的電路測(cè)量結(jié)果。當(dāng)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(fù)載，發(fā)現(xiàn)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(duì)比發(fā)現(xiàn)當(dāng)芯片不供電時(shí)示波器仍顯示50mV，因此得出：當(dāng)OFF狀態(tài)下連接負(fù)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(fù)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(jí)工程師