CN106896755A - 车用单低端控制的负载驱动电路 - Google Patents

车用单低端控制的负载驱动电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种车用单低端控制的负载驱动电路，包括：MCU的第一通用输入输出端口通过第二二极管连接MCU供电电源，通过第一电阻连接第四电阻第一端；MCU的驱动输入控制信号端口通过第二电阻接地，通过第三电阻连接第四电阻第一端；MCU的第二通用输入输出端口连接过流保护开关器件第一端，过流保护开关器件第二端连接第四电阻第一端，过流保护开关器件第三端接地；第四电阻第一端通过负载连接车载供电电源，第四电阻第二端连接车载供电电源。本发明能应用于汽车电子单低端驱动负载的输出控制，能适用于高电流、高功耗驱动工况，并实现对负载驱动故障诊断，降低了单低端控制的负载驱动电路生产成本。

Description

车用单低端控制的负载驱动电路
技术领域
本发明涉及汽车电子技术领域，特别是涉及一种车用单低端控制的负载驱动电路。
背景技术
随着现代汽车的安全性、舒适性以及排放处理等要求的不断提高，汽车电子技术的应用越来越广泛，如发动机燃油的电喷控制、自动启停控制、电动助力转向控制、商用车SCR尾气处理控制等。
在各类汽车电子技术应用中，无论驱动阻性或感性负载，对于单低端控制需求越来越普遍，常见的继电器驱动、油泵电磁阀驱动、仪表盘指示灯驱动等；目前，实现此类需求的方案有：
1)MCU+低边预驱芯片(不含诊断功能)+驱动开关(MOSFET、IGBT等)，电路结构如附图1所示；该方案能实现驱动故障诊断与保护功能，但是预驱芯片的成本偏高。
2)MCU+集成式低边驱动芯片(含诊断功能)，电路结构如附图2所示。该方案能实现驱动故障诊断与保护功能，但开关器件(功率器件)集成于驱动芯片内部，受器件发热影响，只适合小电流、低功率驱动场合应用，而且集成芯片的成本高。
3)MCU+普通的低边预驱芯片(不含诊断功能)+驱动开关(MOSFET、IGBT等)，电路结构如附图3所示。该方案只能实现驱动输出的控制功能，无具体的故障诊断与硬件保护功能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能应用于汽车电子单低端驱动负载的输出控制，本发明能根据所选择电气元件(Smart开关、MOSFET、负载等)的性能适用于高电流、高功耗驱动工况，并实现对负载驱动故障诊断的负载驱动电路。
为解决上述技术问题，本发明提供一种车用单低端控制的负载驱动电路，包括：
MCU U1、过流保护开关器件U2、第一～第四电阻R1、R2、R3、R4、第一二极管D1和第二二极管D2；
MCU U1的第一通用输入输出端口GPI01通过第二二极管D2连接MCU供电电源VCC，通过第一电阻R1连接第四电阻R4第一端；
MCU U1的驱动输入控制信号端口ANx通过第二电阻R2接地，通过第三电阻R1连接第四电阻R4第一端；
MCU U1的第二通用输入输出端口GPI02连接过流保护开关器件U2第一端，过流保护开关器件U2第二端连接第四电阻R4第一端，过流保护开关器件U2第三端接地；
第四电阻R4第一端通过负载Load连接车载供电电源VBAT，第四电阻R4第二端连接车载供电电源VBAT。
其中，还包括第一二极管D1，第一二极管D1阴极连接车载供电电源VBAT，第一二极管D1阳极通过负载Load连接车载供电电源VBAT。
其中，第一二极管D1可以由一MOSFET代替，该MOSFET第一端连接地GND，该MOSFET第二端通过负载Load连接车载供电电源VBAT，该MOSFET第三端与MCU U1输出控制信号连接。
以NMOS为例，MSOFET的第一端(源极，即S极)与GND相连，第二端(漏极，即D极)通过负载连接到VBAT，第三端(栅极，即G极)与MCU输出控制信号连接；
其中，Smart开关处于正相逻辑控制时，MCU U1的第二通用输入输出端口GPI02输入高电平，过流保护开关器件U2闭合；MCU U1的第二通用输入输出端口GPI02输入低电平，过流保护开关器件U2断开。
其中，Smart开关处于反相逻辑控制时，MCU U1的第二通用输入输出端口GPI02输入低电平，过流保护开关器件U2闭合；MCU U1的第二通用输入输出端口GPI02输入高电平，过流保护开关器件U2断开。
其中，MCU U1的第二通用输入输出端口GPI02输入为PWM信号时，MCU控制低端过流保护开关器件U2以负载工作的驱动频率工作，并能结合反馈信号，进行电路异常监控。
其中，MCU U1的第二通用输入输出端口GPI02输入为PWM信号时，MCU控制低端过流保护开关器件U2以负载工作的驱动频率工作，并能结合第一通用输入输出端口GPI01和驱动输入控制信号端口ANx的反馈信号，进行电路异常监控。
其中，单低端控制的负载驱动电路能诊断负载故障至少包括：低边短路到电源故障STB、低边短路到地故障STG和开路故障OP，并能在判断故障时关断负载驱动输出。
其中，故障诊断采用以下方式：
过流保护开关器件U2为断开时：
MCU U1的第二通用输入输出端口GPI02为低电平(GPIO2为MCU输出控制信号，控制低端开关器件)，MCU U1的第一通用输入输出端口(GPI01，为驱动端口输出反馈信号)为高电平，MCU U1的驱动输入控制信号端口ANx大于等于2.807，判断为负载状态为无故障Normal或短路到电源故障STB；此状态下，实际可能状态为Normal或STB，无法区分，而且即使STB也不会对控制器或负载有损坏可能，故此状态不做故障判断；
MCU U1的第二通用输入输出端口GPI02为低电平，MCU U1的第一通用输入输出端口GPI01为低电平，MCU U1的驱动输入控制信号端口ANx输入为小于等于0.3V，判断为短路到地故障STG；STG是短路到地故障，地的参考电平为0V，理想状况下，STG时完全接地，所有类型负载均一样反馈0V；实际情况，由于不完全接地，可能会有偏移，会有一个小电压值，如0.3V左右，即ANx电压≤0.3V。
MCU U1的第二通用输入输出端口GPI02为低电平，MCU U1的第一通用输入输出端口GPI01为低电平，MCU U1的驱动输入控制信号端口ANx输入为1.019V～2.038V，判断为开路故障OP；
过流保护开关器件U2为闭合时：
MCU U1的第二通用输入输出端口GPI02为高电平，MCU U1的第一通用输入输出端口GPI01为低电平，MCU U1的驱动输入控制信号端口ANx输入为0V，判断为负载状态为无故障Normal、短路到地故障STG或开路故障OP其中之一；此状态下，实际可能状态为Normal、OP或STG，无法区分，即使OP或STG也不会对控制器或负载有损坏可能，故此状态不做故障判断。
MCU U1的第二通用输入输出端口GPI02为高电平，MCU U1的第一通用输入输出端口GPI01为高电平，MCU U1的驱动输入控制信号端口ANx输入为大于等于2.807V，判断为短路到电源故障STB。
其中，第二二极管D2为肖特基二极管，过流保护开关器件U2为Smart开关。
本发明能支持阻性、感性或者指示灯驱动输出；支持负载驱动输出故障诊断与保护，可诊断负载故障类型包括：低端短路到电源故障、低端短路到地故障和负载开路故障；选择不同额定功率的过流保护开关器件，可满足不同负载功率应用需求。
1.MCU为主控芯片，输出控制信号INx控制过流保护开关器件的导通/关断，并监控负载输出反馈信号I_D_FBx1、I_A_FBx2，用于负载驱动输出状态监控与故障诊断。
2.具有过流保护功能的开关器件(例如Smart开关)，用于负载低端的通断控制。
3.电阻R1、R2、R3、R4组成反馈网络，MCU采样反馈信号I_D_FB1x和I_A_FB2x，并结合低端Smart开关的导通/关断状态，实现负载驱动输出的故障监控与诊断；肖特基二极管用于MCU输入信号I_D_FB1x端口电压钳位保护。
I_D_FB1x为反馈高/低电平(1/0)数字信号，I_A_FB2x为反馈0～5V的电压模拟信号。
4.二极管D1为续流二极管，当驱动感性负载时，如继电器、电磁阀等，起到低边电流的续流作用。
本发明通过模拟试验证明能实现对尿素液位报警灯、MIL故障指示灯、加热水阀、主继电器等的控制与故障诊断，采用本发明单低端控制的负载驱动电路控制精确、输出响应快；经HILL故障模拟台架测试表明负载的故障诊断无误报、漏报现象。本发明不但实现了负载控制与故障诊断策略，而且大大降低了关键器件(低边驱动芯片、开关器件等)的成本，单驱动通道元器件平均成本降低30％以上。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1是现有单低端控制结构示意图一。
图2是现有单低端控制结构示意图二。
图3是现有单低端控制结构示意图三。
图4是本发明结构示意图。
图5是本发明实施例示意图一，其显示加热水阀控制导通回路。
图6是本发明实施例示意图二，其显示加热水阀控制关断回路。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供一种能诊断负载故障至少包括：低边短路到电源故障STB、低边短路到地故障STG和开路故障OP，并能在判断故障时关断负载驱动输出的车用单低端控制的负载驱动电路，包括：
MCU U1、过流保护开关器件U2、第一～第四电阻R1、R2、R3、R4、第一二极管D1和第二二极管D2；其中，第二二极管D2为肖特基二极管，过流保护开关器件U2为Smart开关。
MCU U1的第一通用输入输出端口GPI01通过第二二极管D2连接MCU供电电源VCC，通过第一电阻R1连接第四电阻R4第一端；
MCU U1的驱动输入控制信号端口ANx通过第二电阻R2接地，通过第三电阻R1连接第四电阻R4第一端；
MCU U1的第二通用输入输出端口GPI02连接过流保护开关器件U2第一端，过流保护开关器件U2第二端连接第四电阻R4第一端，过流保护开关器件U2第三端接地；
第四电阻R4第一端通过负载Load连接车载供电电源VBAT，第四电阻R4第二端连接车载供电电源VBAT。
其中，还包括第一二极管D1，第一二极管D1阴极连接车载供电电源VBAT，第一二极管D1阳极通过负载Load连接车载供电电源VBAT。
其中，第一二极管D1可以由一MOSFET代替，该MOSFET第一端连接地GND，该MOSFET第二端通过负载Load连接车载供电电源VBAT，该MOSFET第三端与MCU U1输出控制信号连接。
以NMOS为例，MSOFET的第一端(源极，即S极)与GND相连，第二端(漏极，即D极)通过负载连接到VBAT，第三端(栅极，即G极)与MCU输出控制信号连接；
其中，Smart开关处于正相逻辑控制时，MCU U1的第二通用输入输出端口GPI02输入高电平，过流保护开关器件U2闭合；MCU U1的第二通用输入输出端口GPI02输入低电平，过流保护开关器件U2断开。
其中，Smart开关处于反相逻辑控制时，MCU U1的第二通用输入输出端口GPI02输入低电平，过流保护开关器件U2闭合；MCU U1的第二通用输入输出端口GPI02输入高电平，过流保护开关器件U2断开。
其中，MCU U1的第二通用输入输出端口GPI02输入为PWM信号时，MCU控制低端过流保护开关器件U2以负载工作的驱动频率工作，并能结合第一通用输入输出端口GPI01和驱动输入控制信号端口ANx的反馈信号，指GPIO1的I_D_FB1x(数字量反馈信号)和ANx的I_A_FB2x(电压模拟量反馈信号)，进行电路异常监控。
其中，单低端控制的负载驱动电路能诊断负载故障至少包括：低边短路到电源故障STB、低边短路到地故障STG和开路故障OP，并能在判断故障时关断负载驱动输出。
其中，故障诊断采用以下方式：
过流保护开关器件U2为断开时：
MCU U1的第二通用输入输出端口GPI02为低电平(GPIO2为MCU输出控制信号，控制低端开关器件)，MCU U1的第一通用输入输出端口(GPI01，为驱动端口输出反馈信号)为高电平，MCU U1的驱动输入控制信号端口ANx大于等于2.807，判断为负载状态为无故障Normal或短路到电源故障STB；此状态下，实际可能状态为Normal或STB，无法区分，而且即使STB也不会对控制器或负载有损坏可能，故此状态不做故障判断；
MCU U1的第二通用输入输出端口GPI02为低电平，MCU U1的第一通用输入输出端口GPI01为低电平，MCU U1的驱动输入控制信号端口ANx输入为小于等于0.3V，判断为短路到地故障STG；STG是短路到地故障，地的参考电平为0V，理想状况下，STG时完全接地，所有类型负载均一样反馈0V；实际情况，由于不完全接地，可能会有偏移，会有一个小电压值，如0.3V左右，即ANx电压≤0.3V。
MCU U1的第二通用输入输出端口GPI02为低电平，MCU U1的第一通用输入输出端口GPI01为低电平，MCU U1的驱动输入控制信号端口ANx输入为1.019V～2.038V，判断为开路故障OP；
过流保护开关器件U2为闭合时：
MCU U1的第二通用输入输出端口GPI02为高电平，MCU U1的第一通用输入输出端口GPI01为低电平，MCU U1的驱动输入控制信号端口ANx输入为0V，判断为负载状态为无故障Normal、短路到地故障STG或开路故障(OP)其中之一；此状态下，实际可能状态为Normal、OP或STG，无法区分，即使OP或STG也不会对控制器或负载有损坏可能，故此状态不做故障判断。
MCU U1的第二通用输入输出端口GPI02为高电平，MCU U1的第一通用输入输出端口GPI01为高电平，MCU U1的驱动输入控制信号端口ANx输入为大于等于2.807V，判断为短路到电源故障STB。
以SCR尾气处理控制器项目中的加热水阀驱动控制为例，对本发明实施例的工作进行具体说明；
SCR尾气处理控制器利用1路低端驱动输出，实现对加热水阀的单低端驱动控制，其中：
SCR尾气处理控制器应用于商用车尾气处理，整车由24V车载蓄电池供电，控制器正常工作时车载供电电压范围：16V≤VBAT≤32V。
VCC为5V标准电源电压，由SCR控制器内部产生，给MCU等逻辑电路供电。
加热水阀为电磁阀，负载呈电感性，低端驱动回路需要续流电路，通过续流二极管回路实现，
续流二极管根据加热水阀的功率、电流大小进行选型；
汽车SCR尾气处理系统根据应用需求，实时地对加热水阀进行控制并实际可能产生的故障进行检测，具体实施方式如下：
如图4所示，当负载端口无故障发生时，系统根据加热水阀的控制需求，MCU输出控制信号INx给低端Smart开关，控制后者芯片内部的电子开关的导通/关断，进而实现对加热水阀的开/关控制。
1)对于正逻辑控制的Smart开关，INx信号输入高电平‘1’，Smart开关闭合，加热水阀驱动打开，负载回路如图5所示；反之，INx信号输入低电平‘0’，Smart开关断开，加热水阀驱动关断，负载回路如图6所示。
低端Smart开关也可以是反相逻辑控制，即：INx信号输入低电平‘0’，Smart开关闭合，加热水阀驱动打开；反之，INx信号输入高电平‘1’，Smart开关断开，加热水阀驱动关断。
2)当INx输入PWM信号时，MCU控制低端Smart开关以负载工作的驱动频率工作，并结合反馈信号，进行电路异常监控。
本发明实现单低端驱动负载的故障诊断与硬件保护。
以加热水阀驱动控制为例，本发明可诊断负载故障至少包括：低边短路到电源故障STB、低边短路到地故障STG和开路故障OP等故障，并判断出故障时关断负载驱动输出。
在图4中，MCU实时采样I_D_FBx1、I_A_FBx2反馈信号，并结合低端smart开关的工作状态，实现故障类型判断和硬件保护。
以正逻辑的Smart开关控制热水阀驱动输出为例，故障诊断策略如表1、表2所示：
表1 加热水阀故障诊断与硬件保护真值表(OFF状态)
表2 加热水阀故障诊断与硬件保护真值表(ON状态)
以上通过具体实施方式和实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种车用单低端控制的负载驱动电路,其特征在于，包括：MCU(U1)、过流保护开关器件(U2)、第一～第四电阻(R1、R2、R3、R4)、第一二极管(D1)和第二二极管(D2)；
MCU(U1)的第一通用输入输出端口(GPI01)通过第二二极管(D2)连接MCU供电电源(VCC)，通过第一电阻(R1)连接第四电阻(R4)第一端；
MCU(U1)的驱动输入控制信号端口(ANx)通过第二电阻(R2)接地，通过第三电阻(R1)连接第四电阻(R4)第一端；
MCU(U1)的第二通用输入输出端口(GPI02)连接过流保护开关器件(U2)第一端，过流保护开关器件(U2)第二端连接第四电阻(R4)第一端，过流保护开关器件(U2)第三端接地；
第四电阻(R4)第一端通过负载(Load)连接车载供电电源(VBAT)，第四电阻(R4)第二端连接车载供电电源(VBAT)。
2.如权利要求1所述车用单低端控制的负载驱动电路，其特征在于：还包括第一二极管(D1)，第一二极管(D1)阴极连接车载供电电源(VBAT)，第一二极管(D1)阳极通过负载(Load)连接车载供电电源(VBAT)。
3.如权利要求1所述车用单低端控制的负载驱动电路，其特征在于：还包括一MOSFET，该MOSFET第一端连接地(GND)，该MOSFET第二端通过负载(Load)连接车载供电电源(VBAT)，该MOSFET第三端与MCU(U1)输出控制信号连接。
4.如权利要求1所述车用单低端控制的负载驱动电路，其特征在于：
Smart开关处于正相逻辑控制时，MCU(U1)的第二通用输入输出端口(GPI02)输入高电平，过流保护开关器件(U2)闭合；MCU(U1)的第二通用输入输出端口(GPI02)输入低电平，过流保护开关器件(U2)断开。
5.如权利要求1所述车用单低端控制的负载驱动电路，其特征在于：
Smart开关处于反相逻辑控制时，MCU(U1)的第二通用输入输出端口(GPI02)输入低电平，过流保护开关器件(U2)闭合；MCU(U1)的第二通用输入输出端口(GPI02)输入高电平，过流保护开关器件(U2)断开。
6.如权利要求1所述车用单低端控制的负载驱动电路，其特征在于：MCU(U1)的第二通用输入输出端口(GPI02)输入为PWM信号时，MCU控制低端过流保护开关器件(U2) 以负载工作的驱动频率工作，并能结合第一通用输入输出端口(GPI01)和驱动输入控制信号端口(ANx)的反馈信号，进行电路异常监控。
7.如权利要求1所述车用单低端控制的负载驱动电路，其特征在于：
单低端控制的负载驱动电路能诊断负载故障至少包括：低边短路到电源故障(STB)、低边短路到地故障(STG)和开路故障(OP)，并能在判断故障时关断负载驱动输出。
8.如权利要求1～7任意一项所述车用单低端控制的负载驱动电路，其特征在于，故障诊断采用以下方式：
过流保护开关器件(U2)为断开时：
MCU(U1)的第二通用输入输出端口(GPI02)为低电平，MCU(U1)的第一通用输入输出端口(GPI01，)为高电平，MCU(U1)的驱动输入控制信号端口(ANx)大于等于2.807V，判断为负载状态为无故障(Normal)或短路到电源故障(STB)；
MCU(U1)的第二通用输入输出端口(GPI02)为低电平，MCU(U1)的第一通用输入输出端口(GPI01)为低电平，MCU(U1)的驱动输入控制信号端口(ANx)输入为小于等于0.3V，判断为短路到地故障(STG)；
MCU(U1)的第二通用输入输出端口(GPI02)为低电平，MCU(U1)的第一通用输入输出端口(GPI01)为低电平，MCU(U1)的驱动输入控制信号端口(ANx)输入为1.019V～2.038V，判断为开路故障(OP)；
过流保护开关器件(U2)为闭合时：
MCU(U1)的第二通用输入输出端口(GPI02)为高电平，MCU(U1)的第一通用输入输出端口(GPI01)为低电平，MCU(U1)的驱动输入控制信号端口(ANx)输入为0V，判断为负载状态为无故障(Normal)、短路到地故障(STG)或开路故障(OP)其中之一；
MCU(U1)的第二通用输入输出端口(GPI02)为高电平，MCU(U1)的第一通用输入输出端口(GPI01)为高电平，MCU(U1)的驱动输入控制信号端口(ANx)输入为大于等于2.807V，判断为短路到电源故障(STB)。
9.如权利要求8所述车用单低端控制的负载驱动电路，其特征在于：第二二极管(D2)为肖特基二极管。
10.如权利要求8所述车用单低端控制的负载驱动电路，其特征在于：过流保护开关器件(U2)为Smart开关。
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