本發(fā)明涉及汽車電子技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種車用單低端控制的負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)代汽車的安全性、舒適性以及排放處理等要求的不斷提高，汽車電子技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，如發(fā)動(dòng)機(jī)燃油的電噴控制、自動(dòng)啟?？刂?、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制、商用車SCR尾氣處理控制等。

在各類汽車電子技術(shù)應(yīng)用中，無論驅(qū)動(dòng)阻性或感性負(fù)載，對(duì)于單低端控制需求越來越普遍，常見的繼電器驅(qū)動(dòng)、油泵電磁閥驅(qū)動(dòng)、儀表盤指示燈驅(qū)動(dòng)等；目前，實(shí)現(xiàn)此類需求的方案有：

1)MCU+低邊預(yù)驅(qū)芯片(不含診斷功能)+驅(qū)動(dòng)開關(guān)(MOSFET、IGBT等)，電路結(jié)構(gòu)如附圖1所示；該方案能實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)故障診斷與保護(hù)功能，但是預(yù)驅(qū)芯片的成本偏高。

2)MCU+集成式低邊驅(qū)動(dòng)芯片(含診斷功能)，電路結(jié)構(gòu)如附圖2所示。該方案能實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)故障診斷與保護(hù)功能，但開關(guān)器件(功率器件)集成于驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部，受器件發(fā)熱影響，只適合小電流、低功率驅(qū)動(dòng)場合應(yīng)用，而且集成芯片的成本高。

3)MCU+普通的低邊預(yù)驅(qū)芯片(不含診斷功能)+驅(qū)動(dòng)開關(guān)(MOSFET、IGBT等)，電路結(jié)構(gòu)如附圖3所示。該方案只能實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)輸出的控制功能，無具體的故障診斷與硬件保護(hù)功能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種能應(yīng)用于汽車電子單低端驅(qū)動(dòng)負(fù)載的輸出控制，本發(fā)明能根據(jù)所選擇電氣元件(Smart開關(guān)、MOSFET、負(fù)載等)的性能適用于高電流、高功耗驅(qū)動(dòng)工況，并實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載驅(qū)動(dòng)故障診斷的負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種車用單低端控制的負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路，包括：

MCU U1、過流保護(hù)開關(guān)器件U2、第一～第四電阻R1、R2、R3、R4、第一二極管D1和第二二極管D2；

MCU U1的第一通用輸入輸出端口GPI01通過第二二極管D2連接MCU供電電源VCC，通過第一電阻R1連接第四電阻R4第一端；

MCU U1的驅(qū)動(dòng)輸入控制信號(hào)端口ANx通過第二電阻R2接地，通過第三電阻R1連接第四電阻R4第一端；

MCU U1的第二通用輸入輸出端口GPI02連接過流保護(hù)開關(guān)器件U2第一端，過流保護(hù)開關(guān)器件U2第二端連接第四電阻R4第一端，過流保護(hù)開關(guān)器件U2第三端接地；

第四電阻R4第一端通過負(fù)載Load連接車載供電電源VBAT，第四電阻R4第二端連接車載供電電源VBAT。

其中，還包括第一二極管D1，第一二極管D1陰極連接車載供電電源VBAT，第一二極管D1陽極通過負(fù)載Load連接車載供電電源VBAT。

其中，第一二極管D1可以由一MOSFET代替，該MOSFET第一端連接地GND，該MOSFET第二端通過負(fù)載Load連接車載供電電源VBAT，該MOSFET第三端與MCU U1輸出控制信號(hào)連接。

以NMOS為例，MSOFET的第一端(源極，即S極)與GND相連，第二端(漏極，即D極)通過負(fù)載連接到VBAT，第三端(柵極，即G極)與MCU輸出控制信號(hào)連接；

其中，Smart開關(guān)處于正相邏輯控制時(shí)，MCU U1的第二通用輸入輸出端口GPI02輸入高電平，過流保護(hù)開關(guān)器件U2閉合；MCU U1的第二通用輸入輸出端口GPI02輸入低電平，過流保護(hù)開關(guān)器件U2斷開。

其中，Smart開關(guān)處于反相邏輯控制時(shí)，MCU U1的第二通用輸入輸出端口GPI02輸入低電平，過流保護(hù)開關(guān)器件U2閉合；MCU U1的第二通用輸入輸出端口GPI02輸入高電平，過流保護(hù)開關(guān)器件U2斷開。

其中，MCU U1的第二通用輸入輸出端口GPI02輸入為PWM信號(hào)時(shí)，MCU控制低端過流保護(hù)開關(guān)器件U2以負(fù)載工作的驅(qū)動(dòng)頻率工作，并能結(jié)合反饋信號(hào)，進(jìn)行電路異常監(jiān)控。

其中，MCU U1的第二通用輸入輸出端口GPI02輸入為PWM信號(hào)時(shí)，MCU控制低端過流保護(hù)開關(guān)器件U2以負(fù)載工作的驅(qū)動(dòng)頻率工作，并能結(jié)合第一通用輸入輸出端口GPI01和驅(qū)動(dòng)輸入控制信號(hào)端口ANx的反饋信號(hào)，進(jìn)行電路異常監(jiān)控。

其中，單低端控制的負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路能診斷負(fù)載故障至少包括：低邊短路到電源故障STB、低邊短路到地故障STG和開路故障OP，并能在判斷故障時(shí)關(guān)斷負(fù)載驅(qū)動(dòng)輸出。

其中，故障診斷采用以下方式：

過流保護(hù)開關(guān)器件U2為斷開時(shí)：

MCU U1的第二通用輸入輸出端口GPI02為低電平(GPIO2為MCU輸出控制信號(hào)，控制低端開關(guān)器件)，MCU U1的第一通用輸入輸出端口(GPI01，為驅(qū)動(dòng)端口輸出反饋信號(hào))為高電平，MCU U1的驅(qū)動(dòng)輸入控制信號(hào)端口ANx大于等于2.807，判斷為負(fù)載狀態(tài)為無故障Normal或短路到電源故障STB；此狀態(tài)下，實(shí)際可能狀態(tài)為Normal或STB，無法區(qū)分，而且即使STB也不會(huì)對(duì)控制器或負(fù)載有損壞可能，故此狀態(tài)不做故障判斷；

MCU U1的第二通用輸入輸出端口GPI02為低電平，MCU U1的第一通用輸入輸出端口GPI01為低電平，MCU U1的驅(qū)動(dòng)輸入控制信號(hào)端口ANx輸入為小于等于0.3V，判斷為短路到地故障STG；STG是短路到地故障，地的參考電平為0V，理想狀況下，STG時(shí)完全接地，所有類型負(fù)載均一樣反饋0V；實(shí)際情況，由于不完全接地，可能會(huì)有偏移，會(huì)有一個(gè)小電壓值，如0.3V左右，即ANx電壓≤0.3V。

MCU U1的第二通用輸入輸出端口GPI02為低電平，MCU U1的第一通用輸入輸出端口GPI01為低電平，MCU U1的驅(qū)動(dòng)輸入控制信號(hào)端口ANx輸入為1.019V～2.038V，判斷為開路故障OP；

過流保護(hù)開關(guān)器件U2為閉合時(shí)：

MCU U1的第二通用輸入輸出端口GPI02為高電平，MCU U1的第一通用輸入輸出端口GPI01為低電平，MCU U1的驅(qū)動(dòng)輸入控制信號(hào)端口ANx輸入為0V，判斷為負(fù)載狀態(tài)為無故障Normal、短路到地故障STG或開路故障OP其中之一；此狀態(tài)下，實(shí)際可能狀態(tài)為Normal、OP或STG，無法區(qū)分，即使OP或STG也不會(huì)對(duì)控制器或負(fù)載有損壞可能，故此狀態(tài)不做故障判斷。

MCU U1的第二通用輸入輸出端口GPI02為高電平，MCU U1的第一通用輸入輸出端口GPI01為高電平，MCU U1的驅(qū)動(dòng)輸入控制信號(hào)端口ANx輸入為大于等于2.807V，判斷為短路到電源故障STB。

其中，第二二極管D2為肖特基二極管，過流保護(hù)開關(guān)器件U2為Smart開關(guān)。

本發(fā)明能支持阻性、感性或者指示燈驅(qū)動(dòng)輸出；支持負(fù)載驅(qū)動(dòng)輸出故障診斷與保護(hù)，可診斷負(fù)載故障類型包括：低端短路到電源故障、低端短路到地故障和負(fù)載開路故障；選擇不同額定功率的過流保護(hù)開關(guān)器件，可滿足不同負(fù)載功率應(yīng)用需求。

1.MCU為主控芯片，輸出控制信號(hào)INx控制過流保護(hù)開關(guān)器件的導(dǎo)通/關(guān)斷，并監(jiān)控 負(fù)載輸出反饋信號(hào)I_D_FBx1、I_A_FBx2，用于負(fù)載驅(qū)動(dòng)輸出狀態(tài)監(jiān)控與故障診斷。

2.具有過流保護(hù)功能的開關(guān)器件(例如Smart開關(guān))，用于負(fù)載低端的通斷控制。

3.電阻R1、R2、R3、R4組成反饋網(wǎng)絡(luò)，MCU采樣反饋信號(hào)I_D_FB1x和I_A_FB2x，并結(jié)合低端Smart開關(guān)的導(dǎo)通/關(guān)斷狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)負(fù)載驅(qū)動(dòng)輸出的故障監(jiān)控與診斷；肖特基二極管用于MCU輸入信號(hào)I_D_FB1x端口電壓鉗位保護(hù)。

I_D_FB1x為反饋高/低電平(1/0)數(shù)字信號(hào)，I_A_FB2x為反饋0～5V的電壓模擬信號(hào)。

4.二極管D1為續(xù)流二極管，當(dāng)驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載時(shí)，如繼電器、電磁閥等，起到低邊電流的續(xù)流作用。

本發(fā)明通過模擬試驗(yàn)證明能實(shí)現(xiàn)對(duì)尿素液位報(bào)警燈、MIL故障指示燈、加熱水閥、主繼電器等的控制與故障診斷，采用本發(fā)明單低端控制的負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路控制精確、輸出響應(yīng)快；經(jīng)HILL故障模擬臺(tái)架測(cè)試表明負(fù)載的故障診斷無誤報(bào)、漏報(bào)現(xiàn)象。本發(fā)明不但實(shí)現(xiàn)了負(fù)載控制與故障診斷策略，而且大大降低了關(guān)鍵器件(低邊驅(qū)動(dòng)芯片、開關(guān)器件等)的成本，單驅(qū)動(dòng)通道元器件平均成本降低30％以上。

附圖說明

下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明：

圖1是現(xiàn)有單低端控制結(jié)構(gòu)示意圖一。

圖2是現(xiàn)有單低端控制結(jié)構(gòu)示意圖二。

圖3是現(xiàn)有單低端控制結(jié)構(gòu)示意圖三。

圖4是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是本發(fā)明實(shí)施例示意圖一，其顯示加熱水閥控制導(dǎo)通回路。

圖6是本發(fā)明實(shí)施例示意圖二，其顯示加熱水閥控制關(guān)斷回路。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本發(fā)明提供一種能診斷負(fù)載故障至少包括：低邊短路到電源故障STB、低邊短路到地故障STG和開路故障OP，并能在判斷故障時(shí)關(guān)斷負(fù)載驅(qū)動(dòng)輸出的車用單低端控制的負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路，包括：

MCU U1、過流保護(hù)開關(guān)器件U2、第一～第四電阻R1、R2、R3、R4、第一二極管D1和第二二極管D2；其中，第二二極管D2為肖特基二極管，過流保護(hù)開關(guān)器件U2為Smart 開關(guān)。

MCU U1的第一通用輸入輸出端口GPI01通過第二二極管D2連接MCU供電電源VCC，通過第一電阻R1連接第四電阻R4第一端；

MCU U1的驅(qū)動(dòng)輸入控制信號(hào)端口ANx通過第二電阻R2接地，通過第三電阻R1連接第四電阻R4第一端；

MCU U1的第二通用輸入輸出端口GPI02連接過流保護(hù)開關(guān)器件U2第一端，過流保護(hù)開關(guān)器件U2第二端連接第四電阻R4第一端，過流保護(hù)開關(guān)器件U2第三端接地；

第四電阻R4第一端通過負(fù)載Load連接車載供電電源VBAT，第四電阻R4第二端連接車載供電電源VBAT。

其中，還包括第一二極管D1，第一二極管D1陰極連接車載供電電源VBAT，第一二極管D1陽極通過負(fù)載Load連接車載供電電源VBAT。

其中，第一二極管D1可以由一MOSFET代替，該MOSFET第一端連接地GND，該MOSFET第二端通過負(fù)載Load連接車載供電電源VBAT，該MOSFET第三端與MCU U1輸出控制信號(hào)連接。

以NMOS為例，MSOFET的第一端(源極，即S極)與GND相連，第二端(漏極，即D極)通過負(fù)載連接到VBAT，第三端(柵極，即G極)與MCU輸出控制信號(hào)連接；

其中，Smart開關(guān)處于正相邏輯控制時(shí)，MCU U1的第二通用輸入輸出端口GPI02輸入高電平，過流保護(hù)開關(guān)器件U2閉合；MCU U1的第二通用輸入輸出端口GPI02輸入低電平，過流保護(hù)開關(guān)器件U2斷開。

其中，Smart開關(guān)處于反相邏輯控制時(shí)，MCU U1的第二通用輸入輸出端口GPI02輸入低電平，過流保護(hù)開關(guān)器件U2閉合；MCU U1的第二通用輸入輸出端口GPI02輸入高電平，過流保護(hù)開關(guān)器件U2斷開。

其中，MCU U1的第二通用輸入輸出端口GPI02輸入為PWM信號(hào)時(shí)，MCU控制低端過流保護(hù)開關(guān)器件U2以負(fù)載工作的驅(qū)動(dòng)頻率工作，并能結(jié)合第一通用輸入輸出端口GPI01和驅(qū)動(dòng)輸入控制信號(hào)端口ANx的反饋信號(hào)，指GPIO1的I_D_FB1x(數(shù)字量反饋信號(hào))和ANx的I_A_FB2x(電壓模擬量反饋信號(hào))，進(jìn)行電路異常監(jiān)控。

其中，單低端控制的負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路能診斷負(fù)載故障至少包括：低邊短路到電源故障STB、低邊短路到地故障STG和開路故障OP，并能在判斷故障時(shí)關(guān)斷負(fù)載驅(qū)動(dòng)輸出。

其中，故障診斷采用以下方式：

過流保護(hù)開關(guān)器件U2為斷開時(shí)：

MCU U1的第二通用輸入輸出端口GPI02為低電平(GPIO2為MCU輸出控制信號(hào)，控制低端開關(guān)器件)，MCU U1的第一通用輸入輸出端口(GPI01，為驅(qū)動(dòng)端口輸出反饋信號(hào))為高電平，MCU U1的驅(qū)動(dòng)輸入控制信號(hào)端口ANx大于等于2.807，判斷為負(fù)載狀態(tài)為無故障Normal或短路到電源故障STB；此狀態(tài)下，實(shí)際可能狀態(tài)為Normal或STB，無法區(qū)分，而且即使STB也不會(huì)對(duì)控制器或負(fù)載有損壞可能，故此狀態(tài)不做故障判斷；

MCU U1的第二通用輸入輸出端口GPI02為低電平，MCU U1的第一通用輸入輸出端口GPI01為低電平，MCU U1的驅(qū)動(dòng)輸入控制信號(hào)端口ANx輸入為小于等于0.3V，判斷為短路到地故障STG；STG是短路到地故障，地的參考電平為0V，理想狀況下，STG時(shí)完全接地，所有類型負(fù)載均一樣反饋0V；實(shí)際情況，由于不完全接地，可能會(huì)有偏移，會(huì)有一個(gè)小電壓值，如0.3V左右，即ANx電壓≤0.3V。

MCU U1的第二通用輸入輸出端口GPI02為低電平，MCU U1的第一通用輸入輸出端口GPI01為低電平，MCU U1的驅(qū)動(dòng)輸入控制信號(hào)端口ANx輸入為1.019V～2.038V，判斷為開路故障OP；

過流保護(hù)開關(guān)器件U2為閉合時(shí)：

MCU U1的第二通用輸入輸出端口GPI02為高電平，MCU U1的第一通用輸入輸出端口GPI01為低電平，MCU U1的驅(qū)動(dòng)輸入控制信號(hào)端口ANx輸入為0V，判斷為負(fù)載狀態(tài)為無故障Normal、短路到地故障STG或開路故障(OP)其中之一；此狀態(tài)下，實(shí)際可能狀態(tài)為Normal、OP或STG，無法區(qū)分，即使OP或STG也不會(huì)對(duì)控制器或負(fù)載有損壞可能，故此狀態(tài)不做故障判斷。

MCU U1的第二通用輸入輸出端口GPI02為高電平，MCU U1的第一通用輸入輸出端口GPI01為高電平，MCU U1的驅(qū)動(dòng)輸入控制信號(hào)端口ANx輸入為大于等于2.807V，判斷為短路到電源故障STB。

以SCR尾氣處理控制器項(xiàng)目中的加熱水閥驅(qū)動(dòng)控制為例，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的工作進(jìn)行具體說明；

SCR尾氣處理控制器利用1路低端驅(qū)動(dòng)輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱水閥的單低端驅(qū)動(dòng)控制，其中：

SCR尾氣處理控制器應(yīng)用于商用車尾氣處理，整車由24V車載蓄電池供電，控制器正常工作時(shí)車載供電電壓范圍：16V≤VBAT≤32V。

VCC為5V標(biāo)準(zhǔn)電源電壓，由SCR控制器內(nèi)部產(chǎn)生，給MCU等邏輯電路供電。

加熱水閥為電磁閥，負(fù)載呈電感性，低端驅(qū)動(dòng)回路需要續(xù)流電路，通過續(xù)流二極管回路實(shí)現(xiàn)，

續(xù)流二極管根據(jù)加熱水閥的功率、電流大小進(jìn)行選型；

汽車SCR尾氣處理系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用需求，實(shí)時(shí)地對(duì)加熱水閥進(jìn)行控制并實(shí)際可能產(chǎn)生的故障進(jìn)行檢測(cè)，具體實(shí)施方式如下：

如圖4所示，當(dāng)負(fù)載端口無故障發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)加熱水閥的控制需求，MCU輸出控制信號(hào)INx給低端Smart開關(guān)，控制后者芯片內(nèi)部的電子開關(guān)的導(dǎo)通/關(guān)斷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱水閥的開/關(guān)控制。

1)對(duì)于正邏輯控制的Smart開關(guān)，INx信號(hào)輸入高電平‘1’，Smart開關(guān)閉合，加熱水閥驅(qū)動(dòng)打開，負(fù)載回路如圖5所示；反之，INx信號(hào)輸入低電平‘0’，Smart開關(guān)斷開，加熱水閥驅(qū)動(dòng)關(guān)斷，負(fù)載回路如圖6所示。

低端Smart開關(guān)也可以是反相邏輯控制，即：INx信號(hào)輸入低電平‘0’，Smart開關(guān)閉合，加熱水閥驅(qū)動(dòng)打開；反之，INx信號(hào)輸入高電平‘1’，Smart開關(guān)斷開，加熱水閥驅(qū)動(dòng)關(guān)斷。

2)當(dāng)INx輸入PWM信號(hào)時(shí)，MCU控制低端Smart開關(guān)以負(fù)載工作的驅(qū)動(dòng)頻率工作，并結(jié)合反饋信號(hào)，進(jìn)行電路異常監(jiān)控。

本發(fā)明實(shí)現(xiàn)單低端驅(qū)動(dòng)負(fù)載的故障診斷與硬件保護(hù)。

以加熱水閥驅(qū)動(dòng)控制為例，本發(fā)明可診斷負(fù)載故障至少包括：低邊短路到電源故障STB、低邊短路到地故障STG和開路故障OP等故障，并判斷出故障時(shí)關(guān)斷負(fù)載驅(qū)動(dòng)輸出。

在圖4中，MCU實(shí)時(shí)采樣I_D_FBx1、I_A_FBx2反饋信號(hào)，并結(jié)合低端smart開關(guān)的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)故障類型判斷和硬件保護(hù)。

以正邏輯的Smart開關(guān)控制熱水閥驅(qū)動(dòng)輸出為例，故障診斷策略如表1、表2所示：

表1 加熱水閥故障診斷與硬件保護(hù)真值表(OFF狀態(tài))

表2 加熱水閥故障診斷與硬件保護(hù)真值表(ON狀態(tài))

以上通過具體實(shí)施方式和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，但這些并非構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。在不脫離本發(fā)明原理的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員還可做出許多變形和改進(jìn)，這些也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。