要求電流檢測的車載應(yīng)用

車載應(yīng)用中的電流檢測包括控制通過螺線管和噴射器的電流。例如,，在柴油噴射時,，我們用 48V 或更高的電壓迅速地將感應(yīng)噴射器的電流提高到 20 安培。一旦達(dá)到 20A,，電流檢測電路就會向控制電路提供反饋信號,，以保持噴射器電流為 20A 不變。

電流檢測通?？稍鰪?qiáng)重要的性能或特性,。電動車窗系統(tǒng)是展示電流檢測技術(shù)優(yōu)勢的一個很好的例子。由于馬達(dá)扭矩與電流成正比,，因此馬達(dá)在扭矩過大的情況下就會停止工作,，比方說人的胳膊卡在電動車窗上，或者機(jī)械系統(tǒng)發(fā)生故障時,，馬達(dá)都會停止工作,。

電流檢測的方法

負(fù)載或電源的低壓側(cè)或高壓側(cè)都可進(jìn)行電流檢測。共模電壓" title="共模電壓">共模電壓" title="共模電壓">共模電壓" title="共模電壓">共模電壓" title="共模電壓">共模電壓" title="共模電壓">共模電壓" title="共模電壓">共模電壓" title="共模電壓">共模電壓" title="共模電壓">共模電壓" title="共模電壓">共模電壓" title="共模電壓">共模電壓" title="共模電壓">共模電壓" title="共模電壓">共模電壓" title="共模電壓">共模電壓" title="共模電壓">共模電壓" title="共模電壓">共模電壓" title="共模電壓">共模電壓" title="共模電壓">共模電壓" title="共模電壓">共模電壓" title="共模電壓">共模電壓" title="共模電壓">共模電壓" title="共模電壓">共模電壓" title="共模電壓">共模電壓" title="共模電壓">共模電壓" title="共模電壓">共模電壓" title="共模電壓">共模電壓" title="共模電壓">共模電壓" title="共模電壓">共模電壓" title="共模電壓">共模電壓" title="共模電壓">共模電壓" title="共模電壓">共模電壓" title="共模電壓">共模電壓" title="共模電壓">共模電壓" title="共模電壓">共模電壓" title="共模電壓">共模電壓" title="共模電壓">共模電壓" title="共模電壓">共模電壓" title="共模電壓">共模電壓" title="共模電壓">共模電壓" title="共模電壓">共模電壓" title="共模電壓">共模電壓" title="共模電壓">共模電壓" title="共模電壓">共模電壓" title="共模電壓">共模電壓" title="共模電壓">共模電壓" title="共模電壓">共模電壓" title="共模電壓">共模電壓" title="共模電壓">共模電壓" title="共模電壓">共模電壓" title="共模電壓">共模電壓" title="共模電壓">共模電壓" 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上的電壓（不是分路上的差分電壓）,，在低壓側(cè)檢測為零伏,。低壓側(cè)檢測最簡單，可采用最基本的放大器電路,。低壓側(cè)檢測的難點(diǎn)在于：低壓側(cè)檢測會影響系統(tǒng)的接地端,，可能還需要增加更多的線路，而且這種作法通常不利于故障診斷,。

圖 1 中的高壓側(cè)分路放大器可檢測很高的電源電壓上極低的差分電壓(通常為 100mV 或更低),，通常在車載應(yīng)用中為 13.8V。不過,，如果為無限制的 (unconditioned) 電池線路,，那么會受瞬變影響：如果無意中將電池方向放錯就會出現(xiàn) –13.5V 的情況，如果出現(xiàn)負(fù)載突降或感應(yīng)反沖,，那么最大瞬變可達(dá) 72V,。不妨設(shè)想，放大器通常采用 5～12V 的單電源供電（5V 的電源供電日益常見），這就需要放大器的輸入引腳連接到共模電位,，大大超過了放大器電源軌的限制,。

圖 1 在高壓側(cè)電流檢測中，共模電壓是主要問題

老式分路檢測電路基于差動放大器,，即周圍帶四個電阻來設(shè)置增益并提供差動輸入的運(yùn)算放大器 (operation amplifier),。這些電阻使運(yùn)算放大器能接受超過其電源軌的共模電壓。不過,，這也會帶來下面一些負(fù)面問題：一是電路必須配置為衰減器,，在隨后的運(yùn)算放大器級中恢復(fù)增益，如圖 2A 中的 IC 結(jié)構(gòu)圖所示,，運(yùn)算放大器的增益會成倍增大第一個放大器的偏置和漂移量,，從而降低整體性能。二是采用高共模電壓差動放大器要增加電阻網(wǎng)絡(luò),，以使之在仍然只提供單位增益的同時能夠接受較高的共模電壓,。高共模差動放大器帶來的影響在于：運(yùn)算放大器的噪聲增益與共模衰減成正比，如圖 2B 所示的差動放大器結(jié)構(gòu)采用了 20:1 的內(nèi)部共模衰減,，此舉使放大器的偏置,、漂移和噪聲都比運(yùn)算放大器本身擴(kuò)大了 20 倍。此外,，較大的輸入電阻也會造成較高的噪聲,。

圖 2 可用于車載電流檢測的電阻型高共模電壓差動放大器

電流分路監(jiān)控器是專門用于分路電流檢測的高共模電壓差動放大器，能夠解決電阻型差動放大器的局限性,。電流分路監(jiān)控器與差動放大器相比的主要區(qū)別在于：其共模電壓功能通常只擴(kuò)展到正電壓,，而一些電流分路監(jiān)控器允許共模接地。這會造成更多的衍生情況,，我們隨后還要談到,。共模電壓功能也允許擴(kuò)展到負(fù)電壓,。電流分路監(jiān)控器從一開始設(shè)計時就是以單電源電壓工作的,，通常最低電壓可達(dá) 2.7V,。圖 3 顯示了兩類電流分路監(jiān)控器，分為電流輸出型分路監(jiān)控器和電壓輸出型分路監(jiān)控器,。電流輸出型分路監(jiān)控器通常靜態(tài)電流較低,，需要外部輸出電阻，從而使終端用戶能夠設(shè)定增益,。電壓輸出器件采用固定增益且不需要其他組件,。

圖 3 兩大類電流分路監(jiān)控器包括：A) 電流輸出型分路監(jiān)控器和B) 電壓輸出型分路監(jiān)控器

車載應(yīng)用的一般性技術(shù)要求

車載電流檢測分為兩大類型：一類是直接連接到電池，另一類是通過限制瞬態(tài)偏移的保護(hù)電路連接,。

上述情況會影響電流分路監(jiān)控器上共模電壓額定值的要求,。車載的 12V 電子系統(tǒng)最高電壓為 14.4V,，但電池總線器件上的瞬態(tài)電壓最高可達(dá) 75V，甚至?xí)l(fā)生電池?fù)Q極,。

我們還要考慮到另一種共模情況：電源線路的分路開啟，且接地短路的情況,。這時共模電壓為零,。電流流動時必須進(jìn)行檢測，也就是說,，放大器在零共模電壓時也要能正常工作,。

最后，我們不妨考慮一下如圖 4 所示的脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 螺線管驅(qū)動器的情況,。在本例中,，螺線管頂部開啟時達(dá)到電池電壓。開關(guān)關(guān)閉時,，電壓將回到二極管電壓降大小的負(fù)電平上,。這就要求電流分路監(jiān)控器在低至 –2V 的共模電壓下仍能工作。

圖 4 PWM 應(yīng)用中應(yīng)進(jìn)行電流檢測,，即便在共模電壓降至二極管電壓降大小的負(fù)電壓的回掃期間也要進(jìn)行檢測,。

電流比較

在許多應(yīng)用中，電流應(yīng)與某個設(shè)定值相比較,。通常說來,，進(jìn)行電流比較還需要電流分路監(jiān)控器、比較器和參考電壓,。此外,，理想的比較器輸出應(yīng)與大多數(shù)常見的邏輯電路很好地兼容。圖 5 給出了電流比較的例子,。在本例中,，將電流與采用 TI INA200 系列電流分路監(jiān)控器和比較器的簡單單電壓結(jié)點(diǎn)進(jìn)行了比較。R1 和 R2 形成分壓器,，以根據(jù) INA200 系列比較器的內(nèi)置 0.6V 電壓結(jié)點(diǎn)來設(shè)置電壓結(jié)點(diǎn),。（INA200 系列的增益很有特點(diǎn)：INA200 的增益為 20，INA201 的增益為 50,，INA202的增益為 100,。）

圖 5 簡單的單電壓結(jié)點(diǎn)電流比較

某些系統(tǒng)需要不止一個電流限制電平。舉例來說,，系統(tǒng)以較低的電流限制作為故障即將發(fā)生的指示器,，而以較高限制作為關(guān)閉系統(tǒng)的標(biāo)志。INA206-INA208 系列電流分路監(jiān)控器采用兩個比較器來實(shí)現(xiàn)上述功能,。某些系統(tǒng)會對較低限制采用延遲輸出,，以避免超出最低限制后引起不必要地觸發(fā)瞬態(tài)偏移,。圖 6 中的電路將 INA206 電流分路監(jiān)控器部分的輸出反饋給兩個比較器，這會生成一個有效的低輸出警報,，并為關(guān)閉 MOSFET 緩沖路徑提供適當(dāng)極性,。

圖 6 顯示了電流與兩個電壓結(jié)點(diǎn)比較的電路。較低的電壓結(jié)點(diǎn)激活警報輸出,，我們可為其配置一個適當(dāng)?shù)难舆t電路,，以避免錯誤的瞬態(tài)觸發(fā)。較低的電壓結(jié)點(diǎn)在比較器輸入端內(nèi)置閾值為 0.6V,。Q1 為較高電壓結(jié)點(diǎn)輸出提供緩沖,，通過電源開關(guān) MOSFET 關(guān)閉電源，如果電流超過上限則啟用 Q2,。較高電壓結(jié)點(diǎn)采用 INA206 的 1.2V 參考電壓,，INA206 具有避免在沒有鎖存功能的電壓結(jié)點(diǎn)發(fā)生振蕩的鎖存功能。

圖 6 在該雙電平電流比較電路中,，低電平延遲輸出可對即將發(fā)生的過載發(fā)出警報,，支持鎖存功能的上限可將負(fù)載電源關(guān)閉。

作者簡介

Gerald Steele 現(xiàn)任 TI 戰(zhàn)略開發(fā)工程師,，主要負(fù)責(zé)電流檢測產(chǎn)品,、差動放大器以及隔離放大器的開發(fā)工作。