電流檢測(cè)測(cè)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(jì)目前正處于有史以來(lái)變化最大的時(shí)期之一。從革命性的電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)混合電推進(jìn)和“電傳操縱”電力傳動(dòng)裝置到用于延長(zhǎng)使用壽命和提高效率的智能附件(例如：無(wú)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(lái)越期望擁有自動(dòng)化車載診斷系統(tǒng)和預(yù)測(cè)性保養(yǎng)功能，這也促進(jìn)了各種新式車體和發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的出現(xiàn)。在許多此類系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，一項(xiàng)重要的信息反饋就是特殊負(fù)載所使用的電流。電流測(cè)量用來(lái)分析狀態(tài)是否正常，為故障保護(hù)和控制規(guī)則實(shí)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(jì)正在取代過(guò)去傳統(tǒng)的“開環(huán)”系統(tǒng)。

基本電流檢測(cè)拓?fù)?/strong>

盡管非接觸式電流測(cè)量是可以實(shí)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(huì)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(cè)電阻測(cè)量方法是最適合的。串聯(lián)一個(gè)小阻值的檢測(cè)電阻(毫歐姆量級(jí))到負(fù)載上，并在向負(fù)載供電時(shí)測(cè)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(fù)載和檢測(cè)電阻的串聯(lián)連接而言，基本上有6種不同的拓?fù)?，如圖1(a)至圖1(f)所示。這些拓?fù)淇梢愿鶕?jù)開關(guān)相對(duì)于負(fù)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(duì)于電源軌的位置歸類為低壓端檢測(cè)、“浮置”檢測(cè)或高壓端檢測(cè)。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(shí)，故障視負(fù)載特性的不同而有所不同。作為一個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則，人們一般會(huì)假定，最可能發(fā)生的故障是與機(jī)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(cè)具有與生俱來(lái)的缺點(diǎn)。在大多數(shù)應(yīng)用中，圖1(c)的配置都是優(yōu)選拓?fù)?，因?yàn)樗试S把開關(guān)和監(jiān)視功能集中到一起，同時(shí)還可保持較少的連線數(shù)。

現(xiàn)代負(fù)載與智能開關(guān)

自從功率MOSFET器件推出以來(lái)，設(shè)計(jì)師們一直將它們視作繼電器的潛在替代產(chǎn)品?，F(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(jià)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(dòng)功能。這些電路還采用了快速故障保護(hù)機(jī)制，這樣MOSFET就永遠(yuǎn)不會(huì)有出現(xiàn)故障的風(fēng)險(xiǎn)。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(cè)電阻(類似圖1(c))檢測(cè)電路過(guò)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(cè)到過(guò)載情況，就設(shè)置一個(gè)警告標(biāo)記，并周期性地嘗試重新啟動(dòng)該負(fù)載，直到故障清除為止。盡管這個(gè)集成電路本質(zhì)上只是二進(jìn)制，但是就用電流檢測(cè)形成如圖2所示的堅(jiān)固“閉環(huán)”電子繼電器解決方案而言，這是一個(gè)不錯(cuò)的實(shí)例。

實(shí)時(shí)電流監(jiān)視

電流檢測(cè)除了提供智能開關(guān)保護(hù)，檢測(cè)電阻上的信號(hào)放大和轉(zhuǎn)換后還允許數(shù)字化，并將數(shù)字化后的信號(hào)作為控制環(huán)路的“模擬”反饋信號(hào)。電流監(jiān)視可以實(shí)時(shí)揭示很多負(fù)載的工作特性。例如，電動(dòng)機(jī)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(shì)，而且無(wú)需另外的傳感器就可檢測(cè)各種起動(dòng)器的狀態(tài)。其它負(fù)載(如照明)常常是用共用的電源以并聯(lián)方式驅(qū)動(dòng)的，因此確定某些部分的負(fù)載是否在壽命已到時(shí)未能開路只是精確度的問(wèn)題。

實(shí)現(xiàn)上述功能的一個(gè)特別簡(jiǎn)單的集成電路解決方案是電流檢測(cè)放大器，凌力爾特公司的 LTC6102就是這種集成電路的一個(gè)實(shí)例，該器件為精確的單向高壓端汽車檢測(cè)而優(yōu)化。圖3顯示了一個(gè)用LTC6102將通用電流檢測(cè)輸出連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)輸入的典型電路實(shí)例。注意，LTC6102的輸出是電流，因此重建負(fù)載(R2)可以放置在與該集成電路有一段距離的地方，而不會(huì)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(shí)用的，因此熱量和電壓損耗最小。這個(gè)電路中增加的組件D1和R3提供電源反向瞬態(tài)保護(hù)。表1列舉了一些可用檢測(cè)放大器及其基本特性。

采用脈沖調(diào)制負(fù)載時(shí)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(jí)別的占空比調(diào)制負(fù)載來(lái)說(shuō)，在設(shè)計(jì)電流監(jiān)視電路時(shí)還要考慮其它一些因素。其中主要的一點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間需要足夠快，以在波形的接通部分對(duì)故障情況做出響應(yīng)。另一點(diǎn)是，開關(guān)動(dòng)作不應(yīng)該對(duì)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?yàn)檫@個(gè)電路的阻抗很低，共模問(wèn)題最小。在期望得到平均負(fù)載電流(直流分量)的情況下，可以使用在模擬或數(shù)字信號(hào)處理(DSP)領(lǐng)域使用的后置濾波來(lái)去除與PWM有關(guān)的頻率分量。平均電源電流值與負(fù)載電流有關(guān)是意料之中的事，這個(gè)值為主觀性效果提供了一個(gè)良好的指示，不管是燈的強(qiáng)度還是起動(dòng)力都一樣。

監(jiān)視H橋驅(qū)動(dòng)器的電流

一個(gè)H橋式驅(qū)動(dòng)器可以看作是以互補(bǔ)信號(hào)工作以產(chǎn)生雙向差分輸出的一對(duì)半橋。每個(gè)半橋可以看作是圖1(c)單向電路的擴(kuò)展，即在圖1(c)配置上增加與負(fù)載并聯(lián)的低壓端開關(guān)。圖4顯示的是用一個(gè)LTC6103組成的電路，這兩個(gè)器件產(chǎn)生適合直接驅(qū)動(dòng)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(jī)制中的電動(dòng)機(jī)，而且無(wú)論在哪里，都可完成逆向動(dòng)作。

注意，對(duì)于負(fù)載接地故障，低壓端MOSFET不會(huì)受到過(guò)大壓力，因此監(jiān)視高壓端的每個(gè)半橋就可提供所有需要的信息。負(fù)載電流可由兩個(gè)半橋的單向電流讀數(shù)差確定。另外，由于有符號(hào)數(shù)值控制，因此一個(gè)高壓端開關(guān)100%接通時(shí)，準(zhǔn)確測(cè)量負(fù)載電流無(wú)需占空比校正。

結(jié)束語(yǔ)

在現(xiàn)代汽車開發(fā)中，電子驅(qū)動(dòng)功能正在猛增。經(jīng)濟(jì)的控制設(shè)計(jì)雖然需要堅(jiān)固性，但是增加了以閉環(huán)方式監(jiān)視系統(tǒng)中負(fù)載電流的診斷功能。無(wú)論驅(qū)動(dòng)器是單端還是H橋型，高壓端電流檢測(cè)都是最實(shí)用的實(shí)現(xiàn)監(jiān)視器功能的方法。LT6100系列提供了豐富的電流檢測(cè)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(jì)實(shí)用的高壓端監(jiān)視解決方案。