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, 因此车载中控、ADAS、BMS、车身控制模块、域控制器等应用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单通道, 100mΩ智能高边开关LNS37100Q1, 是继四通道1000mΩ/160mΩ智能高边开关量产后的第三颗高边开关芯片。可广泛用于驱动摄像头, 仪表, LED灯, 继电器, 电磁阀, 电阻加热丝等负载元件。
LNS37100Q1的导通电阻为100mΩ, 持续工作电流可支持4A, 具有高精度的电流检测功能, 支持多种故障状态诊断报错与保护; LNS37100Q1可以通过外部电阻灵活的配置输出限流值, 可以实现过流和短路保护; LNS37100Q1还具备失地保护和失电保护功能, 可以极大地提高整个系统的安全性和可靠性。 LNS37100Q1系列分为A、B两个子版本。LNS37100AQ1AJR具有故障开漏状态输出功能, 当发生负载过流、负载短路到地、负载开路、过温等故障时, 高边开关能够迅速输出报错信号供控制器监控; LNS37100BQ1AJR具有精确的电流检测功能, 便于控制器实时获取负载的工作情况。
TSSOP-EP14 (4.4mm x 5.0mm)
A) 限流保护策略和优势
LNS37100Q1具有内部限流模式和外部限流模式两种模式, 外部限流模式支持外部电阻从 0.5A到 8A 线性配置输出限流值。在内部限流模式下, 当 CL 引脚开路或者短路到GND时, 输出限流值为 5A。 传统的高边开关会在 CL 引脚电阻开路 (虚焊) 时, 将输出负载的电流限制到 0A, 影响负载的正常工作。LNS37100Q1会将CL引脚电阻开路时的限流值设定为 5A, 从功能安全角度而言, 这种机制可以将系统的单点失效转化为潜伏失效, 对系统功能安全级别的提升有很大的帮助。
上图对比了 CL脚开路时传统智能高边开关与LNS37100Q1的表现, 传统智能高边开关负载无法输出电流, LNS37100Q1可以正常输出4A负载电流。 当LNS37100Q1输出持续短路引起系统过温保护时, LNS37100Q1会对输出限流值进行降额。当芯片进入绝对过温保护状态时, 会将限流保护值自动降低到设定值的50%, 从而降低芯片和外部线缆的热应力, 提高系统的可靠性。下图可以很好地展示LNS37100Q1从输出短路进入过温保护状态时限流点的调整过程。
B) 硬短路限流策略和优势
硬短路 (Hard Short) 是智能高边开关中的常见故障现象。当应对此类故障时, 限流功能虽然最终能够实现对短路电流的箝制, 但由于限流回路需要一定的时间响应, 因此在短路瞬间会出现高达几十安培的过冲电流, 给系统的安全运行带来极大的威胁。 针对硬短路故障, LNS37100Q1提供了限流保护的快速响应环路, 当有较大的短路过冲电流出现时, 该环路具有更快的响应速度, 能够快速关断高边开关的输出, 从而有效抑制短路时的过冲电流, 保证系统长期安全的运行。
上图对比了传统智能高边开关和LNS37100Q1硬短路瞬间的冲击电流。传统智能高边开关在短路瞬间的过冲电流高达40.6A, 得益于快速限流环路, LNS37100Q1在短路瞬间过冲电流仅为27.3A。C) 电流检测策略和优势
LNS37100BQ1AJR具备电流检测零电流自校准技术, 可以将25mA负载下的电流检测精度提升到±10%。 LNS37100BQ1AJR会在如下2种工况下进行零电流自校准: - 待机状态下, 从DIAG_EN OFF转换为DIAG_EN ON时;
在VS不断电的情况下, 可以通过控制DIAG_EN引脚电平触发零电流自校准功能, 以消除电流检测电路内部运放输入失调电压漂移对检测精度的影响, 实现对输出电流的精准检测。 基于零电流自校准带来的高精度电流采样优势, LNS37100Q1可以在 MOSFET 导通时实现负载的开路检测, 并且可以省掉检测负载开路所需的外部电阻, 节省系统待机功耗。 对于LNS37100AQ1AJR, 若负载电流小于12mA, LNS37100AQ1AJR会认为当前负载处于开路状态, ST管脚输出低电平报错。对于LNS37100BQ1AJR而言, 用户可通过采样 CS 管脚的电压, 来判断负载是否处于开路状态。
D) CS引脚报错策略和优势
在汽车应用中, 通常会使用 MCU 和智能高边开关进行实时交互, 通过高边开关的故障 (ST) 输出引脚, 电流采样 (CS) 输出引脚的输出电压, 来判断输出负载的运行状态, 同时实现对智能高边开关的控制。 传统的高边开关会存在当MCU3.3V供电时CS引脚输出报错电压为5V的情况, 此时需要额外的分压电阻网络/箝位电路将CS引脚的报错电压限制到适配MCU I/O口的电压范围。LNS37100BQ1AJR集成了 CS引脚报错箝位电压 (VCS,H) 自适应技术, 通过DIAG_EN引脚电压可以得到MCU的供电电压后, 调节VCS,H使其不超过MCU I/O口的电压范围, 自动实现智能高边开关与MCU之间的电压匹配。
该技术可有效避免CS引脚报错电压和MCU I/O口电压不匹配所引起的交互异常问题, 简化用户设计。E) 反向电流保护策略
当输出短接至电池故障 (VOUT>VS) 发生时, 智能高边开关会存在从VOUT引脚流至VS引脚的反向电流 (Inverse Current) 。若智能高边开关的功率MOSFET处于关断状态, 反向电流会全部由MOSFET的体二极管流过, 过大的体二极管功率损耗会引起MOSFET温度急剧上升, 甚至引起MOSFET的损坏。 为了避免反向电流流过体二极管时功率损耗带来的影响, LNS37100Q1可以实现Inverse On的功能, 当用户检测到输出短接至电池故障时通过软件使能IN来控制MOSFET导通, 使反向电流流过MOSFET的沟道, 大幅减小高边开关的损耗。
F) 完善的系统应用验证
LNS37100Q1会通过完善的测试来保证在实际车载应用中的安全性和可靠性, 包括: - 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×2测试, 满载HTOL测试
- 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
LNS37100Q1是一款单通道, 4V至36V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。该芯片可以广泛应用对于安全等级要求较高的车载系统应用中, 如：
