車(chē)載應用中的電流檢測技術(shù)

要求電流檢測的車(chē)載應用

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

電流檢測技術(shù)通?？稍鰪娭匾男阅芑蛱匦?。電動(dòng)車(chē)窗系統是展示電流檢測技術(shù)優(yōu)勢的一個(gè)很好的例子。由于馬達扭矩與電流成正比，因此馬達在扭矩過(guò)大的情況下就會(huì )停止工作，比方說(shuō)人的胳膊卡在電動(dòng)車(chē)窗上，或者機械系統發(fā)生故障時(shí)，馬達都會(huì )停止工作。

電流檢測的方法

負載或電源的低壓側或高壓側都可進(jìn)行電流檢測。共模電壓是指分路 (shunt) 上的電壓（不是分路上的差分電壓），在低壓側檢測為零伏。低壓側檢測最簡(jiǎn)單，可采用最基本的放大器電路。低壓側檢測的難點(diǎn)在于：低壓側檢測會(huì )影響系統的接地端，可能還需要增加更多的線(xiàn)路，而且這種作法通常不利于故障診斷。

圖 1 中的高壓側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(chē)載應用中為 13.8V。不過(guò)，如果為無(wú)限制的 (unconditioned) 電池線(xiàn)路，那么會(huì )受瞬變影響：如果無(wú)意中將電池方向放錯就會(huì )出現 –13.5V 的情況，如果出現負載突降或感應反沖，那么最大瞬變可達 72V。不妨設想，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(jiàn)），這就需要放大器的輸入引腳連接到共模電位，大大超過(guò)了放大器電源軌的限制。

圖 1 在高壓側電流檢測中，共模電壓是主要問(wèn)題

老式分路檢測電路基于差動(dòng)放大器，即周?chē)鷰膫€(gè)電阻來(lái)設置增益并提供差動(dòng)輸入的運算放大器 (operation amplifier)。這些電阻使運算放大器能接受超過(guò)其電源軌的共模電壓。不過(guò)，這也會(huì )帶來(lái)下面一些負面問(wèn)題：一是電路必須配置為衰減器，在隨后的運算放大器級中恢復增益，如圖 2A 中的 IC 結構圖所示，運算放大器的增益會(huì )成倍增大第一個(gè)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(dòng)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(shí)能夠接受較高的共模電壓。高共模差動(dòng)放大器帶來(lái)的影響在于：運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(dòng)放大器結構采用了 20:1 的內部共模衰減，此舉使放大器的偏置、漂移和噪聲都比運算放大器本身擴大了 20 倍。此外，較大的輸入電阻也會(huì )造成較高的噪聲。

圖 2 可用于車(chē)載電流檢測的電阻型高共模電壓差動(dòng)放大器

電流分路.是專(zhuān)門(mén)用于分路電流檢測的高共模電壓差動(dòng)放大器，能夠解決電阻型差動(dòng)放大器的局限性。電流分路.與差動(dòng)放大器相比的主要區別在于：其共模電壓功能通常只擴展到正電壓，而一些電流分路.允許共模接地。這會(huì )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展到負電壓。電流分路.從一開(kāi)始設計時(shí)就是以單電源電壓工作的，通常最低電壓可達 2.7V。圖 3 顯示了兩類(lèi)電流分路.，分為電流輸出型分路.和電壓輸出型分路.。電流輸出型分路.通常靜態(tài)電流較低，需要外部輸出電阻，從而使終端用戶(hù)能夠設定增益。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(lèi)電流分路.包括：A) 電流輸出型分路.和B) 電壓輸出型分路.

車(chē)載應用的一般性技術(shù)要求

車(chē)載電流檢測分為兩大類(lèi)型：一類(lèi)是直接連接到電池，另一類(lèi)是通過(guò)限制瞬態(tài)偏移的保護電路連接。

上述情況會(huì )影響電流分路.上共模電壓額定值的要求。車(chē)載的 12V 電子系統最高電壓為 14.4V，但電池總線(xiàn)器件上的瞬態(tài)電壓最高可達 75V，甚至會(huì )發(fā)生電池換極。

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

最后，我們不妨考慮一下如圖 4 所示的脈沖寬度調制 (PWM) 螺線(xiàn)管驅動(dòng)器的情況。在本例中，螺線(xiàn)管頂部開(kāi)啟時(shí)達到電池電壓。開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，電壓將回到二極管電壓降大小的負電平上。這就要求電流分路.在低至 –2V 的共模電壓下仍能工作。

圖 4 PWM 應用中應進(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電壓的回掃期間也要進(jìn)行檢測。