一种带有自诊断功能的高边开关电路的制作方法

1.本发明属于高边功率输出控制技术领域，具体涉及一种带有自诊断功能的高边开关电路。


背景技术：

2.高边开关电路中的高边开关通常使用mosfet(金属氧化物半导体场效应晶体管)，mosfet具有导通阻抗小、无电火花、体积小等诸多优点，被广泛应用于汽车零部件中，以替代传统继电器电路。为预防mosfet在故障模式下损坏，半导体厂商使用mosfet结合短路保护、过电流保护以及过热保护等电路统一封装后，制成高边开关，实现了当电流或温度超过门限值时，高边开关立即启动自保护功能，关闭输出通道。通常情况下，该保护机制可以有效地保护高边开关不被短路电流烧毁，但是，当驱动容性负载或感性负载时，因后端负载启动时冲击电流过大，很容易突破高边开关的保护门限，触发高边开关过流保护，从而导致负载无法正常启动。另外，在负载电路短路条件下打开高边开关，即便其保护机制保护功能有效，能够关闭mosfet，但短路冲击电流已经对mosfet造成不可逆的损伤，严重影响高边开关的使用寿命，当短路容量足够大时，甚至会直接损毁高边开关，导致车辆功能严重失效。
3.针对该问题，目前行业内的主要解决方法是采用多路高边开关并联，以在一条支路的高边开关故障时运用其他支路的高边开关，来增强输出能力。但是这种方法存在难以克服的缺点，由于元器件特性的离散性，并联之后的保护性能会降低。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种带有自诊断功能的高边开关电路，用以解决现有技术带有保护功能的高边开关控制电路存在误保护的问题。
5.为解决上述技术问题，本发明提供了一种带有自诊断功能的高边开关电路，包括高边开关以及控制单元，所述高边开关设置在电源与负载之间，所述控制单元控制连接高边开关，以控制高边开关的通断，还包括自诊断电路，所述自诊断电路包括信号采集电路以及驱动电路，驱动电路包括串设在电源与负载之间并与高边开关并联的驱动开关和限流电阻，并且驱动开关连接控制单元；采集电路包括电源端电压检测口以及负载端电压检测口，电源端电压检测口经电源端采集电路连接至控制单元，负载端电压检测口经负载端采集电路连接至控制单元；
6.所述控制单元用于在接收到开启高边开关指令时，向驱动开关发送诊断开启指令，对驱动开关进行诊断控制，实现导通或阻断驱动开关所在电路的电源对负载的供电，并在诊断开启后采集电源端电压信号以及负载端电压信号，并根据电源端电压信号以及负载端电压信号判断负载类型，并在负载类型为感性负载类型或容性负载类型时，进行预充处理，以在开启高边开关电路时减少电流冲击。
7.其有益效果为：因现有技术中的高边开关电路会有过流保护电路的存在，所以通过设置包括高边开关、自诊断电路以及控制单元的高边开关电路，能够实现在开启高边开
关电路前，对负载进行初步诊断，并在诊断结果为感性负载或容性负载时，需要进行对应负载的预充处理，以在开启高边电路时无电流冲击，通过此电路的设置，避免了在开启高边开关电路时，因负载原因造成开启瞬间高边开关电路的电流过大的现象，进而避免了过流误保护的问题。
8.进一步地，在负载类型为感性负载类型或容性负载类型时，所述预充处理为：控制单元控制自诊断电路的驱动电路导通设定时间。
9.通过在负载类型为感性负载类型或容性负载类型时，对负载进行预充处理，以减小负载的容量，进而避免在高边开关电路开启时有冲击电流的存在，影响高边开关电路的正常开启，进而避免了高边开关电路的过流保护电路误保护的情况，并且通过运用自诊断电路的驱动电路进行预充处理，避免了再次设置预充电路的成本。
10.进一步地，所述诊断控制为：控制驱动开关开启设定第一时间，再控制驱动开关关闭设定第二时间；所述电源端电压信号包括：在第一时间段内的电源端电压信号的均值v
ad1
以及在第二时间段内的电源端电压信号的均值v
ad4
；所述负载端电压信号包括在第一时间段内的负载端电压信号的均值v
ad2
以及在第二时间段内的负载端电压信号的均值v
ad3
。
11.因在负载类型不同时，在电路开启与闭合时的电压数据存在不同，因此通过采集诊断电路开启与关闭时的电压数据，并将开启时的电压数据进行平均处理以及关闭时的电压数据进行平均处理，能够分析出具体地负载类型。
12.进一步地，所述根据电源端电压信号以及负载端电压信号判断负载类型的依据为：
13.若v
ad1-v
ad2
＞v
diff
、v
ad2
＞v
min
且v
ad3
＞v
min
则判断为容性负载；
14.若v
ad1-v
ad2
＜v
diff
、v
ad2
＞v
min
且v
ad3
＜v
min
、v
ad4-v
ad3
＞v
diff
则判断为感性负载；
15.其中，v
min
为高边开关输出端低电压门限值，v
diff
为高边开关两端电压差门限值。
16.进一步地，所述负载类型还包括开路负载类型和短路负载类型；在负载类型为开路负载类型或短路负载类型时，控制单元拒绝执行开启高边开关指令，并向开启高边开关指令发出单元发送报警信息。
17.在外部负载短路或开路时，即外部负载存在故障，不执行开启高边开关电路的指令，并将外部负载故障信息发送至命令下发单元，能够避免在外部负载故障时，开启高边开关电路，对高边开关电路或负载造成损害，进而保证了可靠的控制高边开关电路的过程，即避免了现有技术中存在负载短路时，在开启高边开关电路后，短路冲击电流已经对mosfet造成不可逆的损伤，严重影响高边开关的使用寿命，当短路容量足够大时，甚至会直接损毁高边开关，导致车辆功能严重失效，进而本实施例当外部负载短路时，控制单元拒绝外部打开高边开关电路的命令，保护了车辆安全。
18.进一步地，开路负载类型和短路负载类型的判断依据为：
19.若v
ad1-v
ad2
＜v
diff
、v
ad2
＞v
min
且v
ad3
＜v
min
、v
ad4-v
ad3
＜v
diff
则判断为负载开路；
20.若v
ad1-v
ad2
＞v
diff
、v
ad2
＜v
min
且v
ad3
＜v
min
则判断为负载短路；
21.其中，v
min
为高边开关输出端低电压门限值，v
diff
为高边开关两端电压差门限值，v
ad1
为导通驱动开关时间段内的电源端电压信号的均值，v
ad2
为导通驱动开关时间段内的负载端电压信号的均值，v
ad3
为阻断驱动开关时间段内的负载端电压信号的均值，v
ad4
为阻断驱动开关时间段内的电源端电压信号的均值。
22.进一步地，所述负载类型还包括阻性负载类型；在负载类型为阻性负载时，控制单元执行开启高边开关指令；阻性负载类型的判断依据为：
23.若v
ad1-v
ad2
＞v
diff
、v
ad2
＞v
min
且v
ad3
＜v
min
则判断为阻性负载；其中，v
min
为高边开关输出端低电压门限值，v
diff
为高边开关两端电压差门限值，v
ad1
为导通驱动开关时间段内的电源端电压信号的均值，v
ad2
为导通驱动开关时间段内的负载端电压信号的均值，v
ad3
为阻断驱动开关时间段内的负载端电压信号的均值v
ad3
。
24.因外部负载为阻性负载时，在高边开关开启时不存在冲击电流，因此能够直接开启高边开关，即能够执行开启高边开关指令。
25.进一步地，所述驱动开关包括两个三极管，分别为第一开关管与第二开关管，所述第一开关管的发射极与集电极分别用于连接电源端与负载端，第一开关管的基极连接第二开关管的集电极；第二开关管的发射极用于接地，第二开关管的基极连接控制单元。
26.通过将控制单元连接到第二开关管的控制端(即第二开关管的基极)，能够控制第二开关管的导通与断开，并且第二开关管与第一开关管的控制端相连，以通过第二开关管的开关状态来控制第一开关管的通断，进而通过控制单元能够控制第一开关管的导通与断开，进而能够实现高边开关电路的自诊断过程，并且相较于直接控制一个开关管实现自诊断电路的通断状态，使用两个开关管，并由一个开关管的状态来控制另一个开关管的状态，提高了控制的可靠性。
附图说明
27.图1是本发明的带有自诊断功能的高边开关电路结构示意图；
28.图2是本发明的带有自诊断功能的高边开关电路的控制方法流程图。
具体实施方式
29.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
30.带有自诊断功能的高边开关电路实施例：
31.本实施例的带有自诊断功能的高边开关电路包括高边开关、自诊断电路以及控制单元，高边开关为带有过流保护电路的高边开关电路，高边开关串设在电源与负载之间，用于导通或阻断电源对负载的供电，自诊断电路包括信号采集电路以及驱动电路，驱动电路包括串设在电源与负载之间的驱动开关和限流电阻，驱动开关连接控制单元，以在控制单元接收到开启高边开关电路时，向驱动开关发送诊断开启信号，对驱动开关进行相应的通断控制，实现导通或阻断驱动开关所在电路的电源对负载的供电，采集电路包括电源端采集电路与负载端采集电路，电源端采集电路连接电源端电压检测口与控制单元，以在诊断开启后采集电源端信号，负载端采集电路连接负载端电压检测口与控制单元，以在诊断开启后采集负载端信号；控制单元用于接收电源端电压信号以及负载端电压信号后，判断负载类型，并在负载类型为容性负载类型或感性负载类型(感性负载类型和容性负载类型不是单纯的指电感和电容，而是后端负载电路对外呈现的等效电路)时，进行对应负载的预充处理，以在开启高边开关电路时减少电流冲击。
32.通过设置包括高边开关、自诊断电路以及控制单元的高边开关电路，能够实现在
开启高边开关电路前，对负载进行初步诊断，并在诊断结果为感性负载或容性负载时，需要进行对应负载的预处理，以在开启高边电路时无电流冲击，通过此电路的设置，避免了在开启高边开关电路时，因负载原因造成开启瞬间高边开关电路的电流过大的现象，进而避免了误保护的问题。
33.如图1所示，高边开关电路包括第三开关管q3、第四开关管q4、电阻r6、电阻r7、电阻r8以及电阻r9，具体连接关系为：第三开关管q3串设在电源端与负载端之间，电阻r6连接第三开关管q3的漏极与栅极(即控制端)，第三开关管q3的栅极还经电阻r11连接至第四开关管q4的漏极，以通过第四开关管q4实现控制第三开关管q3的通断，第四开关管q4的栅极(即控制端)经电阻r9后接地，并经电阻r8后连接至控制单元，以将控制单元的控制信号传输至第四开关管q4的控制端，进而第四开关管q4能够做出与控制单元传输的控制信号相应的开关状态，并将第四开关管q4的开关状态反应到第三开关管q3的控制端，以实现对第三开关管q3的通断控制，进而实现对电源输入端与电源输出端的通断控制。
34.自诊断电路包括第一开关管q1(pnp型三极管)、第二开关管q2(npn型三极管)、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r5以及电阻r10，具体连接关系为：第一开关管q1串设在电源端与负载端之间(与第三开关管非同一条支路)，并且第一开关管q1与负载端之间还串设限流电阻r4，电阻r1连接第一开关管q1的发射极与基极(第一开关管q1的基极即为第一开关管q1的控制端)，第一开关管q1的控制端还经电阻r2连接至第二开关管q2的集电极，以通过第二开关管q2的开关状态来实现对第一开关管q1的通断控制，第二开关管q2的发射极接地，第二开关管q2的基极(即第二开关管q2的控制端)经电阻r3连接至控制单元，以将控制单元的控制信号传输至第二开关管q2的控制端，进而第二开关管q2能够做出与控制单元传输的控制信号相应的开关状态，并将第二开关管q2的开关状态反应到第一开关管q1的控制端，以实现对第一开关管q1的通断控制；电阻r5连接电源端与控制单元，电阻r6连接负载端与控制端，以将电源端与负载端的信号传输至控制单元。
35.控制单元用于实现高边开关电路的控制、自诊断电路的控制以及信号的接收与处理，即在接收到开启高边开关电路时，对自诊断电路进行相应的控制，在自诊断过程中接收诊断过程中的电源端以及负载端的数据，并将接收到的数据进行分析后，得到负载端的负载类型，并进行相应的开启高边开关的控制过程，如图2所示，具体的带有自诊断功能的高边开关电路的控制方法的过程为：
36.1)当接收到高边开关电路打开指令时，控制自诊断电路开始进行自诊断。
37.本实施例中自诊断电路通过控制单元输出高电平或低电平控制第二开关管q2导通和关闭，当第二开关管q2导通时，电阻r2靠近第二开关管q2侧电气节点被拉低，从而在电阻r1两端形成电压差，这个电压差可使第一开关管q1导通；当第二开关管q2关闭时，电阻r2靠近第二开关管q2侧电气节点电压被电源端(即图1中v_bat)拉高，从而使电阻r1两端压差消失，关闭第一开关管q1。
38.本实施例中的自诊断过程的控制为：先控制自诊断电路的第一开关管q1打开持续时间t1(例如50ms)，此时电源会经过第一开关管q1和电阻r4给后端负载提供一个小电流；再关闭第一开关管q1持续时间t2(例如50ms，即本实施例的t1＝t2)，即完成自诊断过程的控制，此自诊断过程的总诊断时间t
diag
＝t1+t2。
39.2)在自诊断过程中，采集电源端与负载端的数据。
40.在诊断过程中，通过电阻r5所在的采集电路以设定的采样速率采集电源端的电压数据，通过电阻r10所在的采集电路以设定的采样速率采集负载端的电压数据，本实施例以1ms/次的速率对电源端与负载端进行电压采样，并记录相应的电压数据。
41.3)根据电源端与负载端的数据，判断负载类型。
42.通过在自诊断过程中获取的电压采样数据，计算得出在t1周期内的电源端电压的平均值v
ad1
、在t1周期内的负载端电压的平均值v
ad2
、在t2周期内的负载端电压的平均值v
ad3
以及在t2周期内的电源端电压的平均值v
ad4
，并且基于预先获得的高边开关输出端低电压门限值(v
min
基于试验数据获得，本实施例采用v
min
＝4.8v)以及高边开关两端电压差门限值(v
diff
基于试验数据获得，本实施例中采用v
diff
＝2.5v)，与计算得到的v
ad1
、v
ad2
、v
ad3
以及v
ad4
进行比较，比较后确定负载端的负载类型，本实施例中的负载端的负载类型包括感性负载、容性负载以及阻性负载，并且通过上述的比较还能够得出负载端是否故障，若故障也能够得出具体的故障类型，本实施例负载端的故障类型包括短路与断路，具体的数据比较与负载端的负载类型以及故障类型的判断方法为：
43.①
若v
ad1-v
ad2
＜v
diff
、v
ad2
＞v
min
且v
ad3
＜v
min
、v
ad4-v
ad3
＜v
diff
则判断为外部负载开路。
44.因在负载开路时，在打开第一开关管q1后负载端的电压很快与电源端电压相同，且在关闭第一开关管q1后，负载端电压立刻为0，因此在t1周期内v
ad1-v
ad2
＜v
diff
且v
ad2
＞v
min
，在t2周期内v
ad3
＜v
min
且v
ad4-v
ad3
＜v
diff
时，外部负载为故障状态，且故障类型为开路。
45.②
若v
ad1-v
ad2
＞v
diff
、v
ad2
＜v
min
且v
ad3
＜v
min
则判断为外部负载短路。
46.因在负载短路时，在打开第一开关管q1后，因外部负载对地短路，所以负载端的电压会持续被接地点拉低，处于低电位，并在关闭第一开关管q1后，负载端电压依旧处于低电位，因此在t1周期内v
ad1-v
ad2
＞v
diff
且v
ad2
＜v
min
，在t2周期内v
ad3
＜v
min
时，外部负载为故障状态，且故障类型为短路。
47.③
若v
ad1-v
ad2
＞v
diff
、v
ad2
＞v
min
且v
ad3
＞v
min
则判断为外部负载为容性负载。
48.因在外部负载为容性负载时，在打开第一开关管q1后，容性负载处于充电状态，即打开第一开关管q1后，负载端电压从0升高，但因充电电流受限于电阻r4，使得负载端电压平均值会持续小于电源端电压的平均值，并在关闭第一开关管q1后，容性负载处于放电状态，因此在关闭第一开关管q1后依旧在负载端能够检测到电压值，因此在t1周期内v
ad1-v
ad2
＞v
diff
且v
ad2
＞v
min
，在t2周期内v
ad3
＞v
min
时，外部负载为容性负载。
49.④
若v
ad1-v
ad2
＜v
diff
、v
ad2
＞v
min
且v
ad3
＜v
min
、v
ad4-v
ad3
＞v
diff
则判断外部负载为感性负载。
50.因在外部负载为感性负载时，在打开第一开关管q1后，感性负载能够建立磁场，因此存在v
ad1-v
ad2
＜v
diff
且v
ad2
＞v
min
，并且在关闭第一开关管q1后，基于感性负载自身储能会在电感两端产生感应电压，该感应电压与外部电压方向相反，又因负载与控制单元共地，所以v
ad3
会在该时间内采集到负电压，从而使v
ad4
＞v
ad3
，因此若v
ad1-v
ad2
＜v
diff
、v
ad2
＞v
min
且v
ad3
＜v
min
、v
ad4-v
ad3
＞v
diff
时，外部负载为感性负载。
51.⑤
若v
ad1-v
ad2
＞v
diff
、v
ad2
＞v
min
且v
ad3
＜v
min
则判断外部负载为阻性负载。
52.因在外部负载为阻性负载时，在打开第一开关管q1后，阻性负载与电阻r4形成分压，导致v
ad1-v
ad2
＞v
diff
、v
ad2
＞v
min
，并且在关闭第一开关管q1后，负载端的电压立刻为0，因
此在t1周期内v
ad1-v
ad2
＞v
diff
且v
ad2
＞v
min
，在t2周期内v
ad3
＜v
min
时，外部负载为阻性负载。
53.4)根据负载类型，进行相应的高边开关电路的启动控制。
54.①
当外部负载开路时，控制单元拒绝外部打开高边开关电路的命令，并将故障信息反馈给命令发出单元。在外部负载开路时，即外部负载存在故障，因此不执行开启高边开关电路的指令，并将外部负载故障信息发送至命令下发单元，进而避免了在外部负载故障时，开启高边开关电路，对高边开关电路或负载造成损害，进而保证了可靠的控制高边开关电路的过程。
55.②
当外部负载短路时，控制单元拒绝外部打开高边开关电路的命令，并将故障信息反馈给命令发出单元。在外部负载短路时，即外部负载存在故障，因此不执行开启高边开关电路的指令，并将外部负载故障信息发送至命令下发单元，进而避免了在外部负载故障时，开启高边开关电路，对高边开关电路或负载造成损害，进而保证了可靠的控制高边开关电路的过程，即避免了现有技术中存在负载短路时，在开启高边开关电路后，短路冲击电流已经对mosfet造成不可逆的损伤，严重影响高边开关的使用寿命，当短路容量足够大时，甚至会直接损毁高边开关，导致车辆功能严重失效，进而本实施例当外部负载短路时，控制单元拒绝外部打开高边开关电路的命令，保护了车辆安全。
56.③
当外部负载为容性负载时，控制单元进行对负载的预充处理，即打开第一开关管q1持续t3时间周期(例如100ms，此时间的设定是为了减小容性负载的容量，避免在打开高边开关电路后，因容性负载的冲击电流，使得高边开关电路打开失败)，再打开高边开关电路，并在5ms后再关闭第一开关管q1。通过在外部负载为容性负载时，先对容性负载进行预充处理，以减小容性负载的容量，使得容性负载的容量不足以产生冲击电流后，再打开高边开关电路，进而避免在开启高边开关电路瞬间，因容性负载的冲击电流的影响使得高边开关电路误保护的问题，并且基于先打开高边开关电路设定时间(例如本实施例此设定时间为5ms)后再将预充关闭，避免预充后直接关断再打开高边开关电路时，依旧会有冲击电流存在的情况。
57.④
当外部负载为感性负载时，控制单元进行对负载的预充处理，即打开第一开关管q1持续t4(例如50ms，此时间的设定是为了减小感性负载的容量，避免在打开高边开关电路后，因感性负载的冲击电流，使得高边开关电路打开失败)，再打开高边开关开关电路，并在5ms后再关闭第一开关管q1。与外部负载为容性负载相同，因感性负载与容性负载在高边开关电路打开的瞬间都会有冲击电流，因此在外部负载为感性负载时也需要进行预充处理，以将感性负载的容量减小，避免在高边开关开启瞬间受到冲击电流的影响。并且基于先打开高边开关电路设定时间(例如本实施例此设定时间为5ms)后再将预充关闭，避免预充后直接关断再打开高边开关电路时，依旧会有冲击电流存在的情况。
58.⑤
当外部负载为阻性负载时，控制单元直接开启高边开关电路。在外部负载为阻性负载时，在高边开关电路打开后不会存在冲击电流，因此可直接打开高边开关电路。
59.通过本实施例的控制方法，能够准确判断外部负载类型或外部故障类型，并在外部负载存在故障时，拒绝执行开启高边开关电路的命令，并将外部负载故障信号传输到命令下发端，避免了在外部负载故障时，打开高边开关后对高边开关电路造成不可逆的损害；并在外部负载为感性负载或容性负载时，对外部负载进行预充处理，以减小外部负载的容量，进而在开启高边开关电路时，无冲击电流的影响，有助于高边开关的顺利开启，即通过
本实施例的带有自诊断功能的高边开关电路的设置以及控制方法，实现了安全顺利开启高边开关电路的过程。
60.以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。