控制器常用驱动口的诊断都是怎么实现的？

xiaocheng

对于普通的控制器来说，硬件的接口通常有模拟输入接口，数字输入接口，PWM输入接口，输出接口也有高边驱动、低边驱动、H桥驱动，还有通讯类的接口包括CAN、LIN、以太网、sent接口，FlexRay等等，电源类的接口包括5V电源输出，9V电源输出，还会有一些特殊的接口，例如BMS的单体电压采样接口，是一种特殊的模拟输入接口；还有高底边组合的继电器驱动接口；还有针对智能附件的输入输出集成在一起的双向接口。

对于以上所有类型的接口，在有线束从控制器往外连接的应用场景中，都是需要进行诊断的，一部分是通过相对应的芯片直接进行诊断，一部分是根据应用场景，通过软件获取到的信息来进行合理性的诊断。

因为经常会有同事就诊断方面的问题提出一些疑问，索性自己也系统的整理一下常见的接口的诊断原理。对于有线束接出来的管脚，故障类型通常分为三类，一是线束短路到地，二是线束短路到电源，三是线束开路。

这里就最常用的两种端口的诊断状态进行分享，分别是高边驱动和低边驱动。

首先来看一下低边驱动，对于低边驱动，分为On state和Off state，对于两种状态下的诊断必要性简单的说明一下，当处于On state的时候，这时候驱动口就是把MOSFET打开，使负载的另外一端接到地，从而形成回路，这时候是不太好诊断短路到地的故障的，当处于Off state的时候，驱动口的电压就是外部负载上拉到电源的电压，这时候驱动口短路到电源也不会使能负载，也是不太好诊断短路到电源故障的。所以以上简单的分析，我们并不是需要在任何时候都能诊断出来所有的故障，而是要在关键的时候诊断出来有用的故障信息。



上图是我们常用的一款底边驱动芯片的内部拓扑图，在off state的时候，也就是MOSFET不导通的时候，是根据端口的电压来进行诊断的，在正常情况下，低边驱动不使能的时候，驱动口的电压应该就是外部负载上拉的电压，也就是VBAT，一般是12V。如果这根线束短路到地，那端口的电压肯定就是0V或者很接近0V的一个电压，这时候外部负载就会使能，当然对于这种故障是需要能够诊断出来的。同样在这根线束发生开路的时候，它的端口电压是多少呢？失去了外部负载的上拉，电压应该不是12V，但是MOSFET没有导通，电压应该也不是0V，所以芯片设计了一个快速的上拉电压，在开路的时候，电压会维持在Vopen状态下，当然这个电压是没有带载能力的。

所以基于以上的说明，在off state的时候，是基于端口的电压来做诊断的，例如图中所示的两个比较器，当端口的电压低于VTGND的时候，这时候是认为端口短路到地，当端口的电压在Vopen的时候，认为端口是开路状态。

同样在On state的时候，也是基于端口的电压来做诊断的，在On state的时候，端口的电压会变成12V，这样相当于12V直接加载到MOSFET的两端，电流会变得非常大，这时候芯片内部会过热，然后关断输出，当内部的比较器检测到端口的电压大于一定的阈值时，就会认为端口短路到了电源，将相关的内部寄存器标志位置位。

总结一下，就是在低边驱动导通的时候，当内部比较器检测到端口的电压大于一定的值时，可以诊断短路到电源的故障；在低边驱动不使能的时候，当端口电压低于一定值（选择这个芯片是1.9V）时，认为是短路到地的故障，当端口电压在2.5V左右的时候，认为端口是开路故障。

对于智能高边驱动芯片，诊断原理也是类似的，只是在off state的时候诊断电路到电源故障和开路故障，在On state的时候诊短路到地的故障。诊断的原理也是与低边驱动类似，最底层原理都是对端口的电压进行比较从而判断故障状态。

但是目前用的最多的高边驱动芯片，性价比比较高的也是ST公司的VNDxxxx或者VNQxxxx，这一类的芯片之前在选型的时候认真的对比过，最主要的一点就是诊断的原理有些差别，其主要的驱动原理都是类似的，今天随便挑一个VN5050J-E。



STATUS这个脚的主要作用就是配合高边驱动的状态以及外部故障的状态进行诊断的，芯片手册里面只介绍了他自己能够诊断的一种情况，就是开路诊断。也就是下面这个图片的情况，分别为On state下和off state下。

在On state的时候，如果输出口的电流小于K*Iref的时候，通过比较器就将STATUS口的电压拉低，这时候通过MCU来检测STATUS的电平就能知道发生了开路故障。

在Off state的时候，需要驱动口的外部有一个上拉电阻，这时候由于高边驱动口是一个高阻态，端口的电压是基本上等于上拉电压的，这时候通过内部的比较器，检测到端口的电压大于Vol，把Status口的电平置低，当MCU检测到诊断口的电平为低时，就知道是发生了开路故障。





对于诊断口的开路故障诊断，基本的原理是上面这么说的，当然关于STATUS的电路设计，以及输出口的上拉电阻的选择，都是需要根据实际的负载类型来进行选择的，并不一定是通用的选型。

当然以上只是高边驱动诊断开路故障的一点点基础而已，如果需要诊断端口的短路到电源的故障，或者短路到地的故障，需要在端口处增加模拟检测口来检测端口的状态。这里说到的诊断是数字口的诊断状态，简称为数字高边驱动，还有一种类型的高边驱动口，诊断口是电流信号，根据诊断口的下拉电阻，将电流型号转变为电压信号再做诊断，我们称为模拟高边驱动。具体就不说了，原理都是类似的，大家可以参考ST的芯片application note，里面都有具体的讲解。

针对上述各种控制器接口的诊断实现方式，我们通常会采取以下专业方法：

1. 对于模拟输入、数字输入及PWM接口，会进行信号质量和范围检测，验证其是否在正常工作范围内。
2. 对于高边驱动、低边驱动及H桥驱动等输出接口，会测试其驱动能力、响应时间及短路保护等功能。
3. 对于通信接口如CAN、LIN、以太网等，会进行通信质量、数据传输速率及协议一致性诊断。
4. 电源类接口会检测电压输出是否稳定，以及过流、过压保护等功能。
5. 特殊接口如BMS单体电压采样接口，会进行精度和响应速度测试。
6. 继电器驱动接口会测试其触点状态、驱动效能及安全性。
7. 智能附件的双向接口会综合测试输入输出功能及集成性能。

诊断主要通过专业诊断工具和软件，结合实际应用场景进行功能测试和性能评估。同时，也会利用芯片自带诊断功能进行快速定位问题。