電流檢測測量在汽車系統(tǒng)中的應(yīng)用

現(xiàn)代汽車電氣系統(tǒng)設(shè)計目前正處于有史以來變化最大的時期之一。從革命性的電動機/發(fā)電機混合電推進和“電傳操縱”電力傳動裝置到用于延長使用壽命和提高效率的智能附件(例如：無帶式泵和LED照明)等等，都被一一集成到新型車輛之中。用戶越來越期望擁有自動化車載診斷系統(tǒng)和預(yù)測性保養(yǎng)功能，這也促進了各種新式車體和發(fā)動機管理系統(tǒng)設(shè)計的出現(xiàn)。在許多此類系統(tǒng)重新設(shè)計領(lǐng)域中，一項重要的信息反饋就是特殊負載所使用的電流。電流測量用來分析狀態(tài)是否正常，為故障保護和控制規(guī)則實施提供依據(jù)。在這一領(lǐng)域出現(xiàn)的基本變化是，智能高效的“閉環(huán)”設(shè)計正在取代過去傳統(tǒng)的“開環(huán)”系統(tǒng)。

基本電流檢測拓撲

盡管非接觸式電流測量是可以實現(xiàn)，但是這種方法一般需要高成本的儀器或昂貴的電源單元產(chǎn)品，因此在成本和復(fù)雜性都允許的情況下才會使用這種方法。在汽車領(lǐng)域，低成本是關(guān)鍵因素，所以采用檢測電阻測量方法是最適合的。串聯(lián)一個小阻值的檢測電阻(毫歐姆量級)到負載上，并在向負載供電時測量電阻上產(chǎn)生的壓降，就可以準(zhǔn)確推算出電流值。

就開關(guān)、負載和檢測電阻的串聯(lián)連接而言，基本上有6種不同的拓撲，如圖1(a)至圖1(f)所示。這些拓撲可以根據(jù)開關(guān)相對于負載的位置歸類為高壓端開關(guān)或低壓端開關(guān)；以及根據(jù)電阻相對于電源軌的位置歸類為低壓端檢測、“浮置”檢測或高壓端檢測。每種方案就某些特定應(yīng)用而言都有可能是最佳解決方案。另一種需要考慮的情況是出現(xiàn)故障時，故障視負載特性的不同而有所不同。作為一個經(jīng)驗法則，人們一般會假定，最可能發(fā)生的故障是與機架(電氣地)相連，這或者是由扳手觸碰帶電的裸露端子引起，或者由外皮磨破的電線與接地的金屬部件接觸引起。在這種情況下，低壓端檢測具有與生俱來的缺點。在大多數(shù)應(yīng)用中，圖1(c)的配置都是優(yōu)選拓撲，因為它允許把開關(guān)和監(jiān)視功能集中到一起，同時還可保持較少的連線數(shù)。

現(xiàn)代負載與智能開關(guān)

自從功率MOSFET器件推出以來，設(shè)計師們一直將它們視作繼電器的潛在替代產(chǎn)品。現(xiàn)代N-MOSFET開關(guān)的導(dǎo)通電阻值在一位數(shù)毫歐姆范圍內(nèi)，允許使用沒有笨拙散熱結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)表面貼裝技術(shù)。目前已經(jīng)開發(fā)出了低價集成電路解決方案，這種方案可提供自含式升壓柵極驅(qū)動功能。這些電路還采用了快速故障保護機制，這樣MOSFET就永遠不會有出現(xiàn)故障的風(fēng)險。凌力爾特公司的LT1910就是這樣的“智能開關(guān)”控制集成電路，該器件利用低阻值高壓端電流檢測電阻(類似圖1(c))檢測電路過載，并在發(fā)生損害之前關(guān)斷正在工作的MOSFET。該集成電路一檢測到過載情況，就設(shè)置一個警告標(biāo)記，并周期性地嘗試重新啟動該負載，直到故障清除為止。盡管這個集成電路本質(zhì)上只是二進制，但是就用電流檢測形成如圖2所示的堅固“閉環(huán)”電子繼電器解決方案而言，這是一個不錯的實例。

實時電流監(jiān)視

電流檢測除了提供智能開關(guān)保護，檢測電阻上的信號放大和轉(zhuǎn)換后還允許數(shù)字化，并將數(shù)字化后的信號作為控制環(huán)路的“模擬”反饋信號。電流監(jiān)視可以實時揭示很多負載的工作特性。例如，電動機消耗的電流與其扭矩成正比，因此可以推算出軸承摩擦阻力的變化趨勢，而且無需另外的傳感器就可檢測各種起動器的狀態(tài)。其它負載(如照明)常常是用共用的電源以并聯(lián)方式驅(qū)動的，因此確定某些部分的負載是否在壽命已到時未能開路只是精確度的問題。

實現(xiàn)上述功能的一個特別簡單的集成電路解決方案是電流檢測放大器，凌力爾特公司的 LTC6102就是這種集成電路的一個實例，該器件為精確的單向高壓端汽車檢測而優(yōu)化。圖3顯示了一個用LTC6102將通用電流檢測輸出連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)輸入的典型電路實例。注意，LTC6102的輸出是電流，因此重建負載(R2)可以放置在與該集成電路有一段距離的地方，而不會引入接地環(huán)路誤差。由于該集成電路具有極高的精確度，甚至低于毫歐姆的RSENSE值也是實用的，因此熱量和電壓損耗最小。這個電路中增加的組件D1和R3提供電源反向瞬態(tài)保護。表1列舉了一些可用檢測放大器及其基本特性。

采用脈沖調(diào)制負載時需考慮的因素

就采用高頻脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)產(chǎn)生可變性能級別的占空比調(diào)制負載來說，在設(shè)計電流監(jiān)視電路時還要考慮其它一些因素。其中主要的一點是響應(yīng)時間需要足夠快，以在波形的接通部分對故障情況做出響應(yīng)。另一點是，開關(guān)動作不應(yīng)該對電流讀數(shù)保真度造成太大干擾。通常情況下，圖1(c)配置再次提供了最佳結(jié)果，因為這個電路的阻抗很低，共模問題最小。在期望得到平均負載電流(直流分量)的情況下，可以使用在模擬或數(shù)字信號處理(DSP)領(lǐng)域使用的后置濾波來去除與PWM有關(guān)的頻率分量。平均電源電流值與負載電流有關(guān)是意料之中的事，這個值為主觀性效果提供了一個良好的指示，不管是燈的強度還是起動力都一樣。

監(jiān)視H橋驅(qū)動器的電流

一個H橋式驅(qū)動器可以看作是以互補信號工作以產(chǎn)生雙向差分輸出的一對半橋。每個半橋可以看作是圖1(c)單向電路的擴展，即在圖1(c)配置上增加與負載并聯(lián)的低壓端開關(guān)。圖4顯示的是用一個LTC6103組成的電路，這兩個器件產(chǎn)生適合直接驅(qū)動ADC的差分輸出。像這樣的電路適用于車窗起落、環(huán)境氣氛控制等機制中的電動機，而且無論在哪里，都可完成逆向動作。

注意，對于負載接地故障，低壓端MOSFET不會受到過大壓力，因此監(jiān)視高壓端的每個半橋就可提供所有需要的信息。負載電流可由兩個半橋的單向電流讀數(shù)差確定。另外，由于有符號數(shù)值控制，因此一個高壓端開關(guān)100%接通時，準(zhǔn)確測量負載電流無需占空比校正。

結(jié)束語

在現(xiàn)代汽車開發(fā)中，電子驅(qū)動功能正在猛增。經(jīng)濟的控制設(shè)計雖然需要堅固性，但是增加了以閉環(huán)方式監(jiān)視系統(tǒng)中負載電流的診斷功能。無論驅(qū)動器是單端還是H橋型，高壓端電流檢測都是最實用的實現(xiàn)監(jiān)視器功能的方法。LT6100系列提供了豐富的電流檢測放大器選擇，該系列集成電路可滿足多種應(yīng)用的特定需求，如組成精確度/效率、工作電壓、高溫工作監(jiān)視解決方案以及經(jīng)濟實用的高壓端監(jiān)視解決方案。