隨著汽車行業電子電氣架構的升級, 電氣化、智能化和網聯化進程加速, 車載電子系統對在線OTA升級和在線故障診斷提出了更高的需求, 因此車載中控、ADAS、BMS、車身控制模塊、域控制器等應用對高邊智能開關芯片的需求也在日益增長。

瓴芯推出業界領先的車規級單通道, 100mΩ智能高邊開關LNS37100Q1, 是繼四通道1000mΩ/160mΩ智能高邊開關量產后的第三顆高邊開關芯片。可廣泛用于驅動攝像頭, 儀表, LED燈, 繼電器, 電磁閥, 電阻加熱絲等負載元件。

01產品簡介

LNS37100Q1的導通電阻為100mΩ, 持續工作電流可支持4A, 具有高精度的電流檢測功能, 支持多種故障狀態診斷報錯與保護; LNS37100Q1可以通過外部電阻靈活的配置輸出限流值, 可以實現過流和短路保護; LNS37100Q1還具備失地保護和失電保護功能, 可以極大地提高整個系統的安全性和可靠性。

LNS37100Q1系列分為A、B兩個子版本。LNS37100AQ1AJR具有故障開漏狀態輸出功能, 當發生負載過流、負載短路到地、負載開路、過溫等故障時, 高邊開關能夠迅速輸出報錯信號供控制器監控; LNS37100BQ1AJR具有精確的電流檢測功能, 便于控制器實時獲取負載的工作情況。

LNS37100Q1具有以下特點:

通過AEC-Q100 Grade 1驗證

單通道100mΩ智能高邊開關

額定工作電流4A

電流檢測零電流自校準功能

CS報錯電壓自適應箝位功能

可編程門限值限流保護

輸出短路保護

失地保護和失電保護

感性負載關斷時的負電壓箝位保護

過溫保護

負載開路和負載短電源診斷

輸出過載和短路診斷

-40~ 150℃的工作結溫

TSSOP-EP14 (4.4mm x 5.0mm)

02產品亮點

A) 限流保護策略和優勢

LNS37100Q1具有內部限流模式和外部限流模式兩種模式, 外部限流模式支持外部電阻從 0.5A到 8A 線性配置輸出限流值。在內部限流模式下, 當 CL 引腳開路或者短路到GND時, 輸出限流值為 5A。

傳統的高邊開關會在 CL 引腳電阻開路 (虛焊) 時, 將輸出負載的電流限制到 0A, 影響負載的正常工作。LNS37100Q1會將CL引腳電阻開路時的限流值設定為 5A, 從功能安全角度而言, 這種機制可以將系統的單點失效轉化為潛伏失效, 對系統功能安全級別的提升有很大的幫助。

上圖對比了 CL腳開路時傳統智能高邊開關與LNS37100Q1的表現, 傳統智能高邊開關負載無法輸出電流, LNS37100Q1可以正常輸出4A負載電流。

當LNS37100Q1輸出持續短路引起系統過溫保護時, LNS37100Q1會對輸出限流值進行降額。當芯片進入絕對過溫保護狀態時, 會將限流保護值自動降低到設定值的50%, 從而降低芯片和外部線纜的熱應力, 提高系統的可靠性。下圖可以很好地展示LNS37100Q1從輸出短路進入過溫保護狀態時限流點的調整過程。

B) 硬短路限流策略和優勢

硬短路 (Hard Short) 是智能高邊開關中的常見故障現象。當應對此類故障時, 限流功能雖然最終能夠實現對短路電流的箝制, 但由于限流回路需要一定的時間響應, 因此在短路瞬間會出現高達幾十安培的過沖電流, 給系統的安全運行帶來極大的威脅。

針對硬短路故障, LNS37100Q1提供了限流保護的快速響應環路, 當有較大的短路過沖電流出現時, 該環路具有更快的響應速度, 能夠快速關斷高邊開關的輸出, 從而有效抑制短路時的過沖電流, 保證系統長期安全的運行。

上圖對比了傳統智能高邊開關和LNS37100Q1硬短路瞬間的沖擊電流。傳統智能高邊開關在短路瞬間的過沖電流高達40.6A, 得益于快速限流環路, LNS37100Q1在短路瞬間過沖電流僅為27.3A。

C) 電流檢測策略和優勢

LNS37100BQ1AJR具備電流檢測零電流自校準技術, 可以將25mA負載下的電流檢測精度提升到±10%。

LNS37100BQ1AJR會在如下2種工況下進行零電流自校準:

待機狀態下, 從DIAG_EN OFF轉換為DIAG_EN ON時;

正常工作狀態下, 檢測到DIAG_EN上升沿時;

在VS不斷電的情況下, 可以通過控制DIAG_EN引腳電平觸發零電流自校準功能, 以消除電流檢測電路內部運放輸入失調電壓漂移對檢測精度的影響, 實現對輸出電流的精準檢測。

基于零電流自校準帶來的高精度電流采樣優勢, LNS37100Q1可以在 MOSFET 導通時實現負載的開路檢測, 并且可以省掉檢測負載開路所需的外部電阻, 節省系統待機功耗。

對于LNS37100AQ1AJR, 若負載電流小于12mA, LNS37100AQ1AJR會認為當前負載處于開路狀態, ST管腳輸出低電平報錯。對于LNS37100BQ1AJR而言, 用戶可通過采樣 CS 管腳的電壓, 來判斷負載是否處于開路狀態。

D) CS引腳報錯策略和優勢

在汽車應用中, 通常會使用 MCU 和智能高邊開關進行實時交互, 通過高邊開關的故障 (ST) 輸出引腳, 電流采樣 (CS) 輸出引腳的輸出電壓, 來判斷輸出負載的運行狀態, 同時實現對智能高邊開關的控制。

傳統的高邊開關會存在當MCU3.3V供電時CS引腳輸出報錯電壓為5V的情況, 此時需要額外的分壓電阻網絡/箝位電路將CS引腳的報錯電壓限制到適配MCU I/O口的電壓范圍。LNS37100BQ1AJR集成了 CS引腳報錯箝位電壓 (VCS,H) 自適應技術, 通過DIAG_EN引腳電壓可以得到MCU的供電電壓后, 調節VCS,H使其不超過MCU I/O口的電壓范圍, 自動實現智能高邊開關與MCU之間的電壓匹配。

該技術可有效避免CS引腳報錯電壓和MCU I/O口電壓不匹配所引起的交互異常問題, 簡化用戶設計。

E) 反向電流保護策略

當輸出短接至電池故障 (VOUT>VS) 發生時, 智能高邊開關會存在從VOUT引腳流至VS引腳的反向電流 (Inverse Current) 。若智能高邊開關的功率MOSFET處于關斷狀態, 反向電流會全部由MOSFET的體二極管流過, 過大的體二極管功率損耗會引起MOSFET溫度急劇上升, 甚至引起MOSFET的損壞。

為了避免反向電流流過體二極管時功率損耗帶來的影響, LNS37100Q1可以實現Inverse On的功能, 當用戶檢測到輸出短接至電池故障時通過軟件使能IN來控制MOSFET導通, 使反向電流流過MOSFET的溝道, 大幅減小高邊開關的損耗。

F) 完善的系統應用驗證

LNS37100Q1會通過完善的測試來保證在實際車載應用中的安全性和可靠性, 包括:

車規可靠性測試報告, AEC-Q100 (CNAS實驗室認證)

瓴芯可靠性加嚴測試, AEC-Q100 Grade 1加嚴×2測試, 滿載HTOL測試

開關器件短路測試報告, AEC-Q100-012

系統EMC測試報告, CISPR 25-2016 Class 5

電源瞬態抗干擾測試報告, ISO 7637/ISO 16750

03應用場景

LNS37100Q1是一款單通道, 4V至36V的寬輸入電壓范圍, 帶完整診斷和保護功能的智能高邊開關。該芯片可以廣泛應用對于安全等級要求較高的車載系統應用中, 如：

車載中控和ADAS應用

BMS應用

車身控制模塊

域控制器

通用的阻性，感性和容性負載

審核編輯：湯梓紅