智能高边开关的开路检测
【导读】在英飞凌开发者论坛(Infineon Developer Community)里，智能高边开关的负载开路检测一直是一个热度很高的话题。负载开路故障主要是由两种原因引起，一种是导线断裂，另一种是负载损坏。按照要求，当汽车转向灯断开时，需要用加倍的闪烁频率来提示故障。而其他类型的负载开路故障则通常由OEM进行定义，但控制单元首先要得到故障信息，而英飞凌的智能高边芯片(PROFET)可以对开路进行检测并报告。
智能高边开关的开路检测分为开通状态(ON state)开路检测和关断状态(OFF state)开路检测，二者都是通过内部比较器检测Vout，前提是V_DEN > V_DEN(H)，以激活诊断功能。
（一）开通状态(ON state)开路检测
其中开通状态的开路检测比较简单，如果DMOS导通时发生开路，OUT pin的电压会抬升至Vs，此时如果V_DEN > V_DEN(H)，则判定open load at ON state，IS PIN输出I_IS <= I_IS(OFFSET)。如图1所示。
图1. ON state开路状态下电路示意图
（二）关断状态(OFF state)开路检测
关断状态下的开路检测较为复杂，需要额外的外部电路进行配合。
可在下图2虚线中的位置添加一个外接电阻ROL。此时，在DMOS关断时发生开路，OUT pin的电压同样会抬升至触发V_out > V_out(OL_OFF)，被判定为open load at OFF state, IS pin输出I_IS <= I_IS(OFFSET)。
图2. OFF state开路检测外接电路配置图(option1)
图3. OFF state 开路检测波形
但随之而来会产生一定的问题，比如当DMOS导通，电路连接正常时，外接电阻的回路中同样会产生电流回路，因此我们要求ROL尽可能的大一些。第二点，当DMOS关断，电路连接正常时，外接电阻回路中会产生一定的电流，从而增加功耗甚至影响负载。所以，我们可以增加一个开关T1，在不需要关断状态开路检测功能时断开该回路。这样只需要在关断开路检测时打开T1即可，其他情况下可以规避这条外接回路对电路的影响。
图3中是只配备上拉电阻进行关断开路检测时的波形，可以观察到的一个细节是：当智能高边开关在关断状态下开路时，即使不加外接电阻，OUT Pin的输出电压也不为0。这是由于器件中的漏电流所导致的；而当负载正常连接时，这里漏电流的影响就可以忽略不计，后面会附上实测波形供大家参考。
需要注意的是，这种只配备外接上拉电阻和可控开关的关断开路检测方式也并非完美无缺，下面分析两种异常工况, 如下图4所示。
图4. 负载对电池电路和负载开路故障对比
（Short to battery: OUT pin与电池正极短路，此时电路的开断状态不取决于DMOS开关与否）
以24V车身系统为例，通过分析可以看到，两种不同的异常工况都会在MOSFET的Source端产生24V的电势。当只使用上拉电阻时，OFF状态下的开路与对电池短路的OUT Pin电压相同，都是接近电池电压，我们无法区分到底是发生了哪种错误。
更加完美的解决方案是使用如下图5中的上下拉电阻配合的外接电路，当同时使用这种组合时，当OFF状态下开路，OUT Pin电压为上拉电阻上的分压。而如果发生的是对电池短路，OUT pin的电压为电池电压。
这样我们就可以准确得到当前电路发生异常的具体情况。
图5. OFF state开路检测外接电路配置图(option2)
● 使用开发板BTS500xx-1LUA Arduino shield进行高边智能开关的开路检测功能演示，设备连接如下：
图6. 开发板连接示意图
● 该demo板原理图如下：
图7. BTS500xx-1LUA Arduino shield 原理图
其中，U1是BTS50005-1LUA，U2是BTS50010-1LUA。图中R13是BTS50010-1LUA用于关断状态下开路检测的外接电阻。其工作原理如下，通过配置外接上拉电阻可以在OFF status下检测OUT脚的电压；而BTS5005-1LUA的开路检测回路，由上拉电阻（图中R5）和下拉电阻（图中R7）组成。
● 不同条件下的OUT Pin的电压测试结果：
1. OFF状态下开路，绿色波形为只配置上拉电阻的Out Pin电压，蓝色波形表示配置了上下拉电阻分压的Out Pin电压。得出结论：配置上拉电阻后，OFF状态下开路，Out Pin的电压为Vs电压（12V），而用了分压电阻后，Out Pin上电压为Vs的分压（6V）.
2. OFF状态下开路，但不配置外接电阻，观察到有漏电流引起的电压。注：这个是正常现象，下图中所示，粉色波形为无任何外接电阻的电路测量结果。当Vs=12V时，BTS50010-1LUA的漏电流引起高于GND约1.37V的电压差。
3. OFF状态下连接负载，发现外接电阻不会拉高OUT Pin上的电压。注：图中50mV是由Offset引起，对比发现当芯片不供电时示波器仍显示50mV，因此得出：当OFF状态下连接负载，OUT Pin上的电压无限接近于GND.
4. ON状态下（PWM控制）突然失去负载（ON state open load），Vout无法再被拉低（Infineon Intelligent Latch）。
作者：卜祥瑞，英飞凌技术支持中心高级工程师
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