用于诊断电机供电防反MOS管故障的电路和方法

技术领域

本发明涉及电子硬件故障诊断技术领域，具体涉及一种用于诊断电机供电防反MOS管故障的电路和方法。

背景技术

电机供电反极性保护在底盘控制器中是必要的，如电子驻车系统EPB中，如果控制器内不设计防反保护电路，则供电线反接就会损坏控制器内部的桥式MOS管电路，导致EPB系统故障。设计中存在MOS管的供电防防护，但如无对此反极性保护模块进行监控，会存在以下几个问题：

1、当控制器检测到电机的供电在正常的工作电压范围内，但因防反模块存在故障，导致内阻大，此时加载到电机端的电压就会减少，从而会影响了电机的性能。

2、因缺少对防反MOS管的监控，无法保证防反模块在电路中正确的运行。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明一种用于诊断电机供电防反MOS管故障的电路和方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

一、一种用于诊断电机供电防反MOS管故障的电路：

包括MOS管Q3、电阻R6～电阻R8、电阻R14～电阻R15、电容C6、复合三极管Q2和复合三极管Q3；MOS管Q3的源极、栅极均和电机的供电线VBAT_MR连接，MOS管Q3的漏极和电机的一端连接，电机的另一端接地；MOS管Q3的源极依次经电阻R6、电阻R15后连接到运算放大器U1的正向输入端，运算放大器U1的正向输入端经电阻R5接地，MOS管Q3的漏极依次经电阻R8、电阻R14后连接到运算放大器U1的反向输入端，运算放大器U1的反向输入端经电阻R10后和自身的输出端连接，运算放大器U1的输出端经电阻R7后接MCU微控制单元的模数转换口ADC_RVPG，MCU微控制单元的模数转换口ADC_RVPG经电容C6接地。

电阻R6和电阻R15之间引出连接到复合三极管Q2，电阻R8和电阻R14之间引出连接到复合三极管Q3，复合三极管Q2和复合三极管Q3分别连接到MCU微控制单元的通用输入输出口DRV_SW1、通用输入输出口DRV_SW2。

所述的复合三极管Q2主要由两个三极管反向布置连接构成，其中第一个三极管的发射极接地，第一个三极管的基极连接MCU微控制单元的通用输入输出口DRV_SW1，第一个三极管的集电极和第二个三极管的基极连接，第二个三极管的发射极连接到工作电压，第二个三极管的集电极连接到电阻R6和电阻R15之间。

所述的复合三极管Q3主要由两个三极管反向布置连接构成，其中第一个三极管的发射极接地，第一个三极管的基极连接MCU微控制单元的通用输入输出口DRV_SW2，第一个三极管的集电极和第二个三极管的基极连接，第二个三极管的发射极连接到工作电压，第二个三极管的集电极连接到电阻R8和电阻R14之间。

所述MOS管Q3为供电防反MOS管。

所述的运算放大器U1工作在负反馈模式。

二、电机供电防反MOS管故障诊断方法：

方法具体为：

当MCU微控制单元的两个通用输入输出口DRV_SW1、DRV_SW2均输出高电平，处于上电自检模式：

若MCU微控制单元的模数转换口ADC_RVPG通过读取到的电压获得运算放大器U1输出端的输出电压VOUT为按照以下公式计算获得的结果时，则此时供电防反MOS管Q3无故障：

具体实施中，MCU微控制单元的模数转换口ADC_RVPG和运算放大器U1输出端之间虽然间隔一个电阻R7，但是电阻R7的阻值为1K与电容C6是构成低通滤波器，MCU的模式转换口输入电阻大，兆欧级别，故其电压基本就是等同，可以由MCU微控制单元的模数转换口ADC_RVPG直接

(U-U’)/R14＝(U’-VOUT)/R10

U’＝U*(R15/(R15+R5))

其中，U为工作电压，U’表示运算放大器U1的正向输入端处的电压，R14、R10分别表示了电阻R14和电阻R10的电阻值，R15、R5分别表示了电阻R15和电阻R5的电阻值；

否则，供电防反MOS管Q3有故障；

当MCU微控制单元的两个通用输入输出口DRV_SW1、DRV_SW2均输出低电平，处于正常模式：按照以下公式计算获得电压差△U和输出电压VOUT：

(U1-U3/2)/(R8+R14)＝(U3/2-VOUT)/R10

U3-U1＝△U

其中，U3表示MOS管Q3的3端源极的电压，U1表示MOS管Q3的1端漏极的电压；R8、R14分别表示了电阻R8和电阻R14的电阻值，R10表示了电阻R10的电阻值；△U表示电压差；

当MCU微控制单元的模数转换口ADC_RVPG通过读取到的电压获得运算放大器U1输出端的输出电压VOUT≤电压差△U，此时诊断出供电防反MOS管Q3无故障；

当MCU微控制单元的模数转换口ADC_RVPG通过读取到的电压获得运算放大器U1输出端的输出电压VOUT大于电压差△U，则说明供电防反MOS管Q3存在故障。

本发明的有益效果：

本发明通过运算放大器构成的电路，实时检测供电防反MOS管两端的电压降，通过此压降来判断防反MOS管是否存在导通内阻过大等问题。运放检测模块集成自检模块，降低了运放检测电路的潜在失效率，从而提升对电子硬件的功能安全需求。

附图说明

图1为一种用于诊断电机供电防反MOS管故障的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。

如图1所示，包括MCU微控制单元、MOS管Q3、电阻R6～电阻R8、电阻R14～电阻R15、电容C6、复合三极管Q2和复合三极管Q3。

MOS管Q3的3号引脚源极、2号引脚栅极均和电机的供电线VBAT_MR连接，MOS管Q3的1号引脚漏极和电机的一端连接，电机的另一端接地；MOS管Q3的3号引脚源极依次经电阻R6、电阻R15后连接到运算放大器U1的正向输入端，运算放大器U1的正向输入端经电阻R5接地，MOS管Q3的1号引脚漏极依次经电阻R8、电阻R14后连接到运算放大器U1的反向输入端，运算放大器U1的反向输入端经电阻R10后和自身的输出端连接，运算放大器U1的输出端经电阻R7后接MCU微控制单元的模数转换口ADC_RVPG，MCU微控制单元的模数转换口ADC_RVPG经电容C6接地；运算放大器的8号引脚V+连接工作电压5V，4号引脚V-接地。

电阻R6和电阻R15之间引出连接到复合三极管Q2，电阻R8和电阻R14之间引出连接到复合三极管Q3，复合三极管Q2和复合三极管Q3分别连接到MCU微控制单元的通用输入输出口DRV_SW1、通用输入输出口DRV_SW2。

如图1所示，复合三极管Q2主要由两个三极管反向布置连接构成，其中第一个三极管的发射极1号引脚接地，第一个三极管的基极2号引脚连接MCU微控制单元的通用输入输出口DRV_SW1，第一个三极管的集电极6号引脚和第二个三极管的基极5号引脚连接，第二个三极管的发射极4号引脚连接到工作电压5V，第二个三极管的集电极3号引脚连接到电阻R6和电阻R15之间。

如图1所示，复合三极管Q3也主要由两个三极管反向布置连接构成，其中第一个三极管的发射极1号引脚接地，第一个三极管的基极2号引脚连接MCU微控制单元的通用输入输出口DRV_SW2，第一个三极管的集电极6号引脚和第二个三极管的基极5号引脚连接，第二个三极管的发射极4号引脚连接到工作电压5V，第二个三极管的集电极3号引脚连接到电阻R8和电阻R14之间。

MOS管Q3为供电防反MOS管，主要利用内部的体二极管做单向导通。运算放大器U1工作在负反馈模式。

复合三极管Q4与Q2构成运放自检驱动模块，用来上电自检验证运放模块是否存在故障。运算放大器U1的输出端口OUT通过电阻R10连接到运算放大器U1的反向输入端2号引脚，此时运算放大器U1工作在负反馈模式。

此负反馈模式下会有两个特征，在运算放大器U1稳定工作时，有运算放大器U1的3号引脚正向输入端引脚与2号引脚反向输入端的引脚的电压大小一致类似于短路，运算放大器U1的3号引脚、2号引脚将不会有电流流入，相当于引脚断开。

具体实施中，运算放大器U1的型号为OPA1013，复合三极管Q4的型号为PUMD16，复合三极管Q2的型号为PUMD16；电阻R6阻值6K，电阻R8阻值5K，电阻R15阻值8K，电阻R14阻值5K，电阻R5阻值2K，电阻R10阻值10K，电阻R7阻值1K，电容C6容值100nF，电机MOS管Q3的型号为IPD50N04S4L08ATMA1。

具体工作方式包含两种模式：上电自检模式与正常运行模式。

上电自检模式：

此模式下，MCU微控制单元的两个通用输入输出口DRV_SW1、DRV_SW2均输出高电平，使得复合三极管Q2和复合三极管Q3均导通。此时复合三极管Q2和复合三极管Q3导通下，其自身的4号引脚发射极的工作电压5V均加载到3号引脚的集电极引脚上。

此时运算放大器U1的正向输入端+的电压信号为电阻R15的1号引脚，即为工作电压5V，反向输入端-的电压信号为R14的1号引脚。

电阻R5和运算放大器U1的正向输入端之间连接处的电压为：

5V*(R15/(R15+R5))＝5*8K/(8K+2K)＝4V

因运算放大器U1工作在负反馈模式，运算放大器U1的正向输入端与反向输入端的电压大小一致，故其反向输入端的电压为4V。

且因运算放大器U1工作在负反馈模式，运算放大器U1的2号引脚反向输入端将不会有电流流入，使得流过电阻R14的电流等于流过R10的电流：

(5V-4V)/R14＝(4V-VOUT)/R10

具体为(5V-4V)/5K＝(4V-VOUT)/10K

由此求解可得：VOUT＝2V

在上电自检模式，当MCU微控制单元的模数转换口ADC_RVPG通过读取到的电压获得运算放大器U1输出端的输出电压VOUT为2V，此时供电防反MOS管Q3无故障。

正常模式：

此模式下，MCU微控制单元的两个通用输入输出口DRV_SW1、DRV_SW2均输出低电平，使得复合三极管Q2和复合三极管Q3均断开。此时复合三极管Q2和复合三极管Q3断开下，其自身的4号引脚发射极的工作电压5V均无法加载到3号引脚的集电极引脚上。

此时运算放大器U1的正向输入端+的电压信号为电阻R6的1号引脚，即为工作电压5V，反向输入端-的电压信号为R8的1号引脚。

电源防反是依靠MOS管Q3的体二极管，故正常工作时MOS管Q3的3端源极与1端漏极自己的电压差为0.7V(MOS管自有的属性，内部寄生二级管大约是0.7V)。即：

U3-U1＝0.7V

其中，U3表示MOS管Q3的3端源极的电压，U1表示MOS管Q3的1端漏极的电压。

因运算放大器U1工作在负反馈模式，运算放大器U1的3号引脚正向输入端与2号引脚反向输入端的电压大小一致，故其2号引脚反向输入端的电压为U3*(R5/(R5+R15+R6))＝U3/2。

因运算放大器U1工作在负反馈模式，运算放大器U1的2号引脚反向输入端将不会有电流流入，故流过电阻R8的电压压降为：

(U1-U3/2)/(R8+R14)＝(U3/2-VOUT)/R10

具体计算为(U1-U3/2)/10K＝(U3/2-VOUT)/10K

得出U1-U3＝-VOUT，VOUT＝U3-U1

因MOS管寄生二极管的固有属性为U3-U1＝0.7V。

在正常模式下，当MCU微控制单元的模数转换口ADC_RVPG通过读取到的电压获得运算放大器U1输出端的输出电压VOUT≤0.7V，此时诊断出供电防反MOS管Q3无故障。

当MCU微控制单元的模数转换口ADC_RVPG通过读取到的电压获得运算放大器U1输出端的输出电压VOUT大于0.7V，则说明供电防反MOS管Q3存在故障。