為了提高新車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性，汽車(chē)中越來(lái)越多的功能正在電子化,，以減少內(nèi)燃機(jī)的連續(xù)負(fù)載,。這些功能包括水,、油和燃料泵,，氣門(mén)驅(qū)動(dòng)和動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng),。由于電力負(fù)荷是由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)移到汽車(chē)電池,，保持電池充電和正常工作的要求變得更加重要,。

對(duì)于汽車(chē)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō),，電池傳感器是一個(gè)極其重要的元件：它通過(guò)LIN總線(xiàn)連接電氣系統(tǒng)的電子控制單元(ECU)，用于顯示充電狀態(tài),、正常狀態(tài)和功能讀數(shù)狀態(tài),。

通常情況下，電池傳感器位于電池負(fù)極,，用于測(cè)量低側(cè)電流,、電壓和溫度。電池傳感器的工作原理是同時(shí)捕捉1kHz的采樣率下的電池電流和電壓值,。這需要極高精度的充電狀態(tài)測(cè)量,，并能夠動(dòng)態(tài)跟蹤電池阻抗?；诜至鞯牡蛡?cè)電流檢測(cè)零偏移高精度測(cè)量系統(tǒng)與電壓檢測(cè)功能同步運(yùn)行,，可在幾乎零插入損耗的情況下滿(mǎn)足精度要求。它適于在惡劣的汽車(chē)環(huán)境下使用,。

但如果電池傳感器位于正極,，作為一個(gè)高側(cè)傳感器運(yùn)行時(shí)，情況會(huì)怎樣呢,？汽車(chē)設(shè)計(jì)師將能夠改變和優(yōu)化控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，例如，通過(guò)使用電池傳感器來(lái)測(cè)量供電系統(tǒng)的各個(gè)部分。它也可以結(jié)合相關(guān)的模塊,，如配電箱,，以及連接一個(gè)共享的微控制器，從而降低材料清單(BOM)成本,。這也符合使用更少且更集中ECU的汽車(chē)設(shè)計(jì)趨勢(shì),。

通過(guò)采用一個(gè)電荷泵電平轉(zhuǎn)換技術(shù)，或者使用電氣隔離式電源和數(shù)字通信元件,，在理論上可以實(shí)現(xiàn)將現(xiàn)有的低側(cè)電池傳感器移到高側(cè)，使傳感器的電源提高到超過(guò)電池12V的水平,。第一種方法將受到功率脈沖的影響,，需要復(fù)雜且難度很大的EMC對(duì)策。而第二種方法針對(duì)其可靠性和功耗問(wèn)題,，需要使用昂貴的分立元件,。

而如今，一個(gè)由奧地利微電子開(kāi)發(fā)的全新汽車(chē)電池檢測(cè)方法將可以實(shí)現(xiàn)汽車(chē)制造商要求的高側(cè)電池檢測(cè)的準(zhǔn)確性,、精度和魯棒性,。它可確保利用電池高側(cè)的一個(gè)100μΩ分流電阻拾取精確的信號(hào)，適用于從1mA到大于1kA的電流范圍,，幾乎沒(méi)有插入損耗,。更重要的是，它實(shí)現(xiàn)了極低電流消耗下(約80μA)的待機(jī)電流,、電壓和溫度監(jiān)控模式,，且在正常運(yùn)行中不會(huì)斷開(kāi)電池-- 這是汽車(chē)電池傳感器至關(guān)重要的要求。

它的實(shí)施沒(méi)有EMC方面的難度,，因?yàn)橥ㄟ^(guò)共模抑制和ADC濾波器不僅消除了EMC,，系統(tǒng)的輸出也可以經(jīng)由一個(gè)現(xiàn)有的ECU，降低了BOM成本,。

分流電阻規(guī)格

本文描述著重于傳感器的信號(hào)調(diào)理,、電源管理和通信層。電流檢測(cè)需要使用一個(gè)低插入損耗的100μΩ分流電阻,，它與串聯(lián)負(fù)載的電池正極連接(見(jiàn)圖1),。

圖1：用于高側(cè)汽車(chē)電池檢測(cè)的奧地利微電子雙芯片傳感器接口功能模塊

(負(fù)載、斬波器,、PGA+電平轉(zhuǎn)換,、禁用斬波、旁路PGA,、DSP+接口,、Chopclock同步)

如上所述，汽車(chē)電池傳感器對(duì)精度的要求非常高。顯然,，分流電阻的溫度漂移必須非常小,，因?yàn)槿魏畏至麟娮柚灯贫紝⒅苯佑绊憘鞲衅鳟a(chǎn)生的電流讀數(shù)。

由于這個(gè)原因,，這里描述的奧地利微電子的電路采用了一個(gè)德國(guó)伊薩公司(Isabellenhuette)的100μΩ BAS分流電阻,。這種分流電阻使用錳銅合金作為電阻性元件。其溫度系數(shù)不僅低,，且同樣重要的是它的塞貝克系數(shù)與銅相似,。這意味著，當(dāng)插入到一個(gè)銅軌時(shí),，由于信號(hào)產(chǎn)生而形成的熱電偶效應(yīng)是微不足道的,。分流電阻值隨時(shí)間的變化也很小，且可以預(yù)見(jiàn),。

極寬的測(cè)量范圍

汽車(chē)電池傳感器設(shè)計(jì)中最有挑戰(zhàn)性的方面是在很寬的電流范圍--1mA至1kA下進(jìn)行非常精確的測(cè)量,。這要求傳感器接口的測(cè)量范圍大于100mV，且分辨率優(yōu)于1μV,。

這種測(cè)量系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是：

* 噪聲非常低

* 高線(xiàn)性

* 零偏移

無(wú)偏移測(cè)量系統(tǒng)通常采用連續(xù)偏移消除技術(shù),。本文提及的高側(cè)電池傳感器解決方案是通過(guò)一系列信號(hào)調(diào)理功能實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的零偏移：

* 斬波模擬傳感器信號(hào)

* 放大和電平移位斬波信號(hào)

* 對(duì)數(shù)字化信號(hào)

* 數(shù)字域再斬波

這種架構(gòu)有助于消除偏移和傳感器接口的整個(gè)測(cè)量路徑的低頻噪聲成分。

如圖1所示,，模擬信號(hào)斬波器位于AS8525的輸入焊點(diǎn),，它在標(biāo)稱(chēng)14V共模輸入電壓下接收分流信號(hào)。斬波信號(hào)通過(guò)可編程增益放大器(PGA)放大,，電平轉(zhuǎn)換到一個(gè)低共模電壓,，并轉(zhuǎn)發(fā)到AS8510模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。(在此應(yīng)用中,，AS8510的內(nèi)部斬波器必須禁用,，且PGA必須旁路。)專(zhuān)用的Chop_Clock引腳必須啟用,，以支持平均和斬波功能的同步,。

對(duì)于電壓測(cè)量，電池電壓由AS8525內(nèi)部的精密電阻衰減器進(jìn)行衰減,，并以差分形式轉(zhuǎn)發(fā)到AS8510的第二個(gè)數(shù)據(jù)采集通道(見(jiàn)圖2),。該通道可以復(fù)用外部或內(nèi)部溫度傳感器的輸入通道。

圖2 ：高側(cè)汽車(chē)電池傳感器的電壓檢測(cè)功能,。

(負(fù)載,、外部溫度傳感器、斬波器,、內(nèi)部溫度傳感器,、DSP+接口)

從功能模塊的劃分來(lái)看,，AS8525具備每個(gè)與實(shí)際電池電壓相關(guān)的功能，但低電壓信號(hào)調(diào)理功能是在AS8510內(nèi)實(shí)現(xiàn)的,。AS8525是由0.35微米60V CMOS技術(shù)制造的,，它也提供了兩個(gè)帶有上電復(fù)位和電壓監(jiān)控的低壓降穩(wěn)壓器(LDO)，以及一個(gè)LIN總線(xiàn)收發(fā)器和高精度電壓衰減器,。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以選擇使用AS8525內(nèi)的兩個(gè)獨(dú)立的LDO,，將來(lái)自AS8510數(shù)字部分的模擬信號(hào)與來(lái)自微控制器的信號(hào)分離開(kāi)來(lái)。

溫度檢測(cè)有兩個(gè)選擇：如果傳感器位于電池極,，AS8510的內(nèi)部溫度傳感器能通過(guò)電池極,、分流電阻和PCB拾取電池溫度。另外一個(gè)選擇,，如果傳感器的電子部分位于遠(yuǎn)離電池的另一車(chē)廂,，就要使用外部溫度傳感器。

大共模輸入信號(hào)產(chǎn)生的典型電流測(cè)量誤差為0.05％/V,。由于用于分流電阻的共模輸入信號(hào)與電池電壓相同,，而且電池電壓是與電流同步測(cè)量的,，這個(gè)誤差可以利用外部微控制器的軟件來(lái)糾正,。共模誤差的準(zhǔn)確值可以通過(guò)尾行校準(zhǔn)來(lái)捕捉：在兩個(gè)差分共模分流電壓中施加一個(gè)參考電流，作為校準(zhǔn)因子來(lái)測(cè)量偏差并存儲(chǔ)該準(zhǔn)確值,。

圖 3 ：采用奧地利微電子AS8525和AS8510的高側(cè)汽車(chē)電池傳感器電路圖

具備SPI到微控制器輸出的高側(cè)電池傳感器電路見(jiàn)圖3,。在PCB設(shè)計(jì)方面，分流電阻應(yīng)該用很短且對(duì)稱(chēng)的信號(hào)線(xiàn)連接HRSHH和HRSHL,。其他來(lái)源的任何一種耦合必須避免,。最好的結(jié)果是將AS8525和AS8510直接焊接在PCB上的分流電阻上。通過(guò)下面的熱板加熱分流電阻直到焊錫熔化就可以實(shí)現(xiàn),。

為了獲得良好的EMC性能,，所有的差分信號(hào)線(xiàn)都需要并攏在一起并盡可能對(duì)稱(chēng)。

結(jié)論

AS8510 + AS8525芯片組為在1kHz的典型采樣率下的12V高側(cè)電流,、電壓和溫度檢測(cè)系統(tǒng)提供了信號(hào)調(diào)理,、電源管理和通信層。通過(guò)使用100μΩ分流電阻,，在1,600A的電流范圍內(nèi)及精度優(yōu)于1%時(shí),，其分辨率可下降到2.5mA。電壓測(cè)量精度為12位或更高,。

在電流監(jiān)測(cè)模式下待機(jī)電流通常是80μA,。它完全符合所有適用的汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)。該芯片組的負(fù)載突降保護(hù)高達(dá)42V,，并提供了分流和電池電壓檢測(cè)輸入極性反接保護(hù),。