ZHCTA11 April   2026 TPS1HB08-Q1

 

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    1.     摘要
    2.     高边开关的负载开路和短路到电池诊断机理
    3.     在高边开关中实现区分负载开路和电池短路故障
    4.     小结
    5.     参考文献

摘要

在汽车应用中，高边开关往往为不同的负载进行供电，这要求系统设需要对不同的负载故障进行区分，尤其针对短路和开路故障，需要实现可靠的故障提示。本文通过 TI 高边开关内部集成的高精度电流检测电路，在最小化外部电路设计的情况下，实现了对负载开路和对电池短路故障的区分，以帮助工程师在功能设计时实现故障区分。

高边开关的负载开路和短路到电池诊断机理

TI的高边开关产品集成了高精度电流检测电路和故障诊断电路，能够检测到负载短路到电池或负载开路故障，下文对TI的高边开关诊断机理进行了介绍。

EN=High

TI 的高边开关 TPSxHxxx 系列产品内部集成了电流检测电路，并且都具有非常高的电流检测精度。例如，TPS1HB08-Q1 在负载＞ 1A 时，具有 ±5% 的精度。

使能高边开关的 EN 引脚后，选择 SNS 输出用于检测负载电流，电流检测电路将输出一个与流经 Power MOSFET 电流 IOUT 成比例 KSNS 的电流 ISNSI，将该电流输入到一个外部电阻器RSNS，可以产生一个与负载电流成正比的电压，如 图 1 所示。该电压可以由ADC进行测量，以判断负载的故障种类，如 表 1 所示。

TPSxHxxx电流检测电路 图 1 TPSxHxxx电流检测电路

由于负载开路或短路到电池时，没有电流流经高边开关的内部 Power MOSFET，因此在 OUT 短路到电池或负载开路的情况下，通过 SNS 引脚测得的负载电流都会远远低于预期值。

表 1 EN=High诊断汇总
负载工况 ISNSI电流/A
正常 IOUT / KSNS
开路 0
短路到电池 0

如上文所述，在 EN=High 时，TI 的高边开关产品能够检测 OUT 短路到电池或负载开路故障，但是无法区分这两种故障。

EN=Low

当 EN=Low，禁用高边开关进行输出时，内部比较器将检测 OUT 的状态来实现故障诊断。具体机理是：Power MOSFET 并联了一个上拉 MOS 和 1MΩ 电阻，如果 DIA_EN=High，上拉 MOS将导通，VOUT通过 1MΩ电阻连接至 VBAT。如果负载开路或短路到电池，VOUT 电压将远高于开路阈值 VOL，SNS 引脚将输出故障电流 ISNSFH，将该电流输入到外部电阻器 RSNS，可以产生一个故障电压以指示故障，如 图 2 所示。VOL和ISNSFH在数据手册的 "Electrical Characteristics" 一节介绍，如 表 2 所示。

表 2 TPS1HB08-Q1 VOL和ISNSFH参数
PARAMETER TEST CONDITIONS MIN TYP MAX UNIT
VOL Open-load (OL) detection voltage VEN = 0V, VDIA_EN = 5V, VSEL1 = 0V 2 3 4 V
ISNSFH ISNS fault high-level VDIA_EN = 5V, VSEL1 = 0V 4 4.5 5.3 mA
负载开路和短路到电池诊断电路 图 2 负载开路和短路到电池诊断电路

如上文所述，在 DIA_EN=HIGH 且 EN=Low 时，TI 的高边开关产品能够检测 OUT 短路到电池或负载开路故障，但是在这两种情况时，VOUT电压都将远高于开路阈值 VOL且 SNS 引脚将输出相同的故障电流 ISNSFH，依旧无法区分这两种故障。

在高边开关中实现区分负载开路和电池短路故障

通过上文的分析，读者会发现在现有机制下无法区分负载开路和电池短路故障。TPSxHxxx-Q1系列产品可以通过高精度电流检测电路和故障诊断电路指示故障信息。根据这个特性，可以进行额外的外部元器件的设计，来实现负载开路和电池短路故障区分。

方案1

Solution1-实现区分负载开路和短路到电池的诊断电路 图 3 Solution1-实现区分负载开路和短路到电池的诊断电路

如果 EN=H，DIAG_EN=H，可读取 SNS 的电流值来判断故障类型：

  • Normal：IL=VBAT/(RDS_ON+RPD//RLOAD)
  • Open Load：IL=VBAT/(RDS_ON+RPD)
  • Short to Battery：VBAT≈VOUT，IL=0A

备注：IL指的是流经高边开关内部 MOS 的电流。

如果 EN=L，DIAG_EN=H，可读取运放的输出来判断故障类型：

  • Normal：SNS将为Hi-Z（不报告故障），由于内部诊断MOS串联一个1MΩ电阻，负载等效下拉电阻的下拉能力相对于内部上拉是更强的，因此VOUT将小于VOL。比较器输出将为Low，这是因为V-＞V+。
  • Open Load：VOUT=VBAT＞VOL，因此SNS将输出故障，但比较器将输出低电平，因为V-＞V+。
  • Short to Battery：VOUT=VBAT＞VOL，因此 SNS 将输出故障，比较器将输出高电平，因为VOUT=VBAT=V+＞V-。

表 3 实现区分负载开路和电池短路故障诊断汇总
EN PIN 负载工况 ISNSI电流/A
High 正常 [VBAT/(RON+RPD//RLOAD)]/KSNS
开路 [VBAT/(RON+RPD)]/KSNS
短路到电池 0
EN PIN 负载工况 ISNSI电流/A 比较器输出
Low 正常 0 Low
开路 ISNSFH Low
短路到电池 ISNSFH High

方案2

Solution2-实现区分负载开路和短路到电池的诊断电路 图 4 Solution2-实现区分负载开路和短路到电池的诊断电路

如果 EN=H，DIAG_EN=H，可读取 SNS 的电流值来判断故障类型：

  • Normal：IL=VBAT/(RDS_ON+RPD//RLOAD)
  • Open Load：IL=VBAT/(RDS_ON+RPD)
  • Short to Battery：VBAT≈VOUT，电流不经过器件，IL=0A

如果EN=L，DIAG_EN=H，可以区分开路负载与电池短路：

  • Normal：SNS将为Hi-Z（不报告故障）无论FET/BJT状态如何
  • Open Load：FET/BJT禁用时SNS不会报故障，只将在FET/BJT导通时显示故障，那么就可以通过切换FET/BJT并查看SNS电压是否变化来确定故障类型。（EN=L，DIAG_EN=H时，需要通过配置RPU和RPD的值，来实现FET/BJT禁用时，VOUT=VBAT＞VOL，FET/BJT导通时，VOUT＜VOL。）
  • Short to Battery：无论FET/BJT状态如何，VOUT=VBAT＞VOL，SNS都会报告故障。

表 4 实现区分负载开路和电池短路故障诊断汇总
EN PIN MCU_GPIO 负载工况 ISNSI电流/A
High Low 正常 [VBAT/(RDS_ON+RPD//RLOAD)]/KSNS
Low 开路 [VBAT/(RDS_ON+RPD)]/KSNS
Low 短路到电池 0
Low Low/High 正常 0
Low 开路 0
High 开路 ISNSFH
Low/High 短路到电池 ISNSFH

小结

上文表述了两种方案，在不驱动负载时实现区分负载开路和短路到电池故障，工程师可以根据需求选择其一进行设计。对于不要求离线诊断的应用，可以在 EN=High 时进行诊断，这样便不需要外部电路的设计。