寬電流傳感拓撲實(shí)現高精度12V汽車(chē)電池的高側檢測

為了提高新車(chē)的燃油經(jīng)濟性，汽車(chē)中越來(lái)越多的功能正在電子化，以減少內燃機的連續負載。這些功能包括水、油和燃料泵，氣門(mén)驅動(dòng)和動(dòng)力轉向系統。由于電力負荷是由發(fā)動(dòng)機轉移到汽車(chē)電池，保持電池充電和正常工作的要求變得更加重要。

對于汽車(chē)電氣系統設計師來(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)和功能讀數狀態(tài)。

通常情況下，電池傳感器位于電池負極，用于測量低側電流、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)測量，并能夠動(dòng)態(tài)跟蹤電池阻抗?；诜至鞯牡蛡入娏鳈z測零偏移高精度測量系統與電壓檢測功能同步運行，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)高側傳感器運行時(shí)，情況會(huì )怎樣呢？汽車(chē)設計師將能夠改變和優(yōu)化控制網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，例如，通過(guò)使用電池傳感器來(lái)測量供電系統的各個(gè)部分。它也可以結合相關(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)設計趨勢。

通過(guò)采用一個(gè)電荷泵電平轉換技術(shù)，或者使用電氣隔離式電源和數字通信元件，在理論上可以實(shí)現將現有的低側電池傳感器移到高側，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，需要復雜且難度很大的EMC對策。而第二種方法針對其可靠性和功耗問(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)電池檢測方法將可以實(shí)現汽車(chē)制造商要求的高側電池檢測的準確性、精度和魯棒性。它可確保利用電池高側的一個(gè)100μΩ分流電阻拾取精確的信號，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)現了極低電流消耗下(約80μA)的待機電流、電壓和溫度監控模式，且在正常運行中不會(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，因為通過(guò)共模抑制和ADC濾波器不僅消除了EMC，系統的輸出也可以經(jīng)由一個(gè)現有的ECU，降低了BOM成本。

分流電阻規格

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

圖1：用于高側汽車(chē)電池檢測的奧地利微電子雙芯片傳感器接口功能模塊

(負載、斬波器、PGA+電平轉換、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，因為任何分流電阻值漂移都將直接影響傳感器產(chǎn)生的電流讀數。

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。其溫度系數不僅低，且同樣重要的是它的塞貝克系數與銅相似。這意味著(zhù)，當插入到一個(gè)銅軌時(shí)，由于信號產(chǎn)生而形成的熱電偶效應是微不足道的。分流電阻值隨時(shí)間的變化也很小，且可以預見(jiàn)。

極寬的測量范圍

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

這種測量系統的主要特點(diǎn)是：

* 噪聲非常低

* 高線(xiàn)性

* 零偏移

無(wú)偏移測量系統通常采用連續偏移消除技術(shù)。本文提及的高側電池傳感器解決方案是通過(guò)一系列信號調理功能實(shí)現汽車(chē)的零偏移：

* 斬波模擬傳感器信號

* 放大和電平移位斬波信號

* 對數字化信號

* 數字域再斬波

這種架構有助于消除偏移和傳感器接口的整個(gè)測量路徑的低頻噪聲成分。