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新品 | 车规级四通道、160mΩ 智能高边开关

2023-11-02

引言

随着汽车行业电子电气架构的升级, 电气化、智能化和网联化进程加速, 车载电子系统对在线OTA升级和在线故障诊断提出了更高的需求, 因此在车载中控、ADAS、BMS、车身控制模块、域控制器等应用中对高边智能开关芯片的需求也在日益增长。

瓴芯推出业界领先的车规级四通道、160mΩ 智能高边开关LNQ37160Q1, 是继四通道、1000mΩ智能高边开关量产后的第二颗高边开关芯片。可广泛用于摄像头, 仪表, LED灯, 继电器, 电磁阀, 电阻加热丝等负载元件。

1. 产品简介

LNQ37160Q1系列分为A、B两款。LNQ37160AQ1TSR每个通道都有独立的诊断输出, 当有故障发生时高边开关可以准确定位发生故障的通道, 迅速做出响应；LNQ37160BQ1TSR具有精确的电流检测功能, 控制器可以随时获取每个通道的负载状况。

LNQ37160Q1导通电阻为160mΩ, 单通道持续工作电流可支持2.5A, 具有高精度的电流检测功能, 可实现四通道负载的独立控制以及诊断功能。LNQ37160Q1可以通过外部电阻灵活的配置限流值的大小, 通过限制输出电流来实现过载和短路保护, 同时还具备了失地保护和失电保护功能, 极大的提高了整个系统的可靠性。

LNQ37160Q1具有以下特点：

  • 通过AEC-Q100 Grade 1验证

  • 四通道、160mΩ 智能高边开关

  • 单通道额定工作电流2.5A

  • 外部可调的限流保护门限值

  • 输出短路保护

  • 失地保护和失电保护

  • 感性负载关断时的负电压箝位保护

  • 各通道独立的过温保护

  • 全面的负载故障状态检测

  • -40 ~ 150℃的工作结温

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TSSOP-EP28 (4.4mm*9.7mm)


2. 产品优势

a) 可调限流保护功能

LNQ37160Q1具有内部固定限流和外部限流两种模式, 可通过外部电阻从0到6.5A线性配置 4个通道的输出限流值。通过将高边开关的输出电流设定在负载峰值电流附近可以降低系统过载/短路时的最大输出电流, 从而提升系统的可靠性, 并且降低PCB布线, 输入输出线缆、接插件的成本。

在系统过热时, LNQ37160Q1会对系统的限流值进行降额。当器件进入绝对过温保护状态后, 会自动降低限流保护值到设定值的70%, 以此减少器件的热应力, 提高系统的可靠性。下图可以很好的展示输出短路进入过温保护状态后限流点的调整过程。

     

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图1. 输出短路后的过温保护

b) 精准的电流检测功能

LNQ37160BQ1TSR采用了零电流自动校准技术, 电流检测精度在25mA时达到±18%, 可用于检测10mA量级的电流, 因此可以在MOSFET导通时进行负载的开路检测, 不仅可以省掉负载开路所需的检测电阻, 节省待机电流, 而且可以实现负载开路故障和输出短路到电池故障的区分。区分方式如表1所示, 当EN为高, 通过CS脚检测的输出电流<10mA, 且当EN为低时没有故障报告, 可以判定为负载开路故障。当EN为低且有故障报告时, 可判断为发生了输出短路到电池的故障。如此就可以将负载开路故障和输出短路到电池的故障区分开来。


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图2. ICS精度

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表1. 负载开路故障与输出短路到电池故障判断表


c) 感性负载关断时的负电压箝位功能

在汽车电子应用中, 感性负载十分常见, 例如继电器、电机、电磁阀、雨刮器等负载。在开关导通期间, 感性负载会储存能量。当开关断开时, 电感两端将产生反电动势引起负压, 过大的负压可能会损坏芯片内部的电路。如图33所示, LNQ37160Q1内部集成了电压箝位电路, 当电感值较小的感性负载关断时, 开关管两端承受的压降被箝位在VDS (CLAMP) 电压, 在实现感性负载快速关断的同时, 可以将输出负压限制在安全范围内, 保护芯片不被损坏。感性负载关断的电压和电流过程如图44所示。

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图3. 负电压箝位电路示意图

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图4. 感性负载关断示意图

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图5. VDS Clamp波形, VVS = 13.5 V

d) 失地保护和失电保护

LNQ37160Q1在应用过程中可能会存在输入供电线或者地线丢失的情况, 关于这两种工况的分析如下：

  • 失地保护

当发生高边系统失地, 例如输入地线脱落等情况发生时, 无论EN为高或为低, LNQ37160Q1都可以迅速关断输出。图6展示了当高边系统失地时, 高边开关的保护波形。

           

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图6. 失地保护, VVS = 13.5 V

对于感性负载, 瓴芯推荐在芯片地与大地之间加地网络, 并增加外部续流电路以更好地保护芯片。

  • 失电保护

当输入迅速掉电, 例如输入电源线脱落等情况发生时, 对于阻性和容性负载, 无论EN为高或为低, LNQ37160Q1可以迅速关断输出, 不会带来损坏芯片的风险。失电保护波形如图7所示。

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Time (100us/DIV) 

图7. 失电保护波形, VVS = 13.5 V

对于感性负载, 当失电的情况发生时, 感性负载的电流有可能会从LNQ37160Q1内部续流, 泄放能量。瓴芯推荐在芯片地与大地之间加地网络, 并增加外部续流电路。

e) 高可靠性的短路保护功能

短路是汽车应用中常见的故障现象, 芯片能否可靠稳定地工作与短路故障保护能力息息相关。为了评估LNQ37160Q1的短路保护能力, 瓴芯根据AEC-Q100-012标准的要求进行了严格的测试。

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图8. 高边开关短路测试等效电路

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图9. LNQ37160Q1短路测试硬件配置

f) 完善的系统应用验证

针对客户的实际应用工况, LNQ37160Q1通过了一系列系统应用方面的测试, 如：

  • 车规可靠性测试报告, AEC-Q100 (CNAS实验室认证) 

  • 瓴芯可靠性加严测试, AEC-Q100 Grade 1加严测试, 满载HTOL测试

  • 开关器件短路测试报告, AEC-Q100-012

  • 系统EMC测试报告, CISPR 25-2016 Class 5

  • 电源瞬态抗干扰测试报告, ISO 7637/ISO 16750

3. 产品应用场景

LNQ37160Q1是一款4通道, 4V至40V的宽输入电压范围, 带完整诊断和保护功能的智能高边开关。使得该系列芯片可广泛应用对于安全等级要求更高的车载系统应用中：

  • 车载中控和ADAS应用

  • BMS应用

  • 车身控制模块

  • 域控制器

  • 通用的阻性, 感性和容性负载