汽車電子電路中電流測量的原理

汽車電子電路中電流測量的原理

在電路設(shè)計中電流測量應(yīng)用十分普遍，主要領(lǐng)域分為3大類：測量中，電表會用來進行電流的測量；保護中，電流往往與功率形成直接的關(guān)系，如果電流過大代表系統(tǒng)中有短路情況出現(xiàn)而需要保護。

?????? 因此用到電流測量；控制中，如馬達控制、電池充放電等都需要電流測量。

?????? 測量電流的方法一般分成直接式和非直接式兩種。直接式一般通過電阻進行，根據(jù)歐姆定律電流的大小和電壓成正比，因此可以通過測量一個小電阻的電壓差得到所經(jīng)過電流的大小。非直接式測量一般通過監(jiān)控電流產(chǎn)生的磁場得到，由于電流周圍本身會產(chǎn)生磁場，電流的大小和磁場成正比，因此可以通過測量磁場的大小得到經(jīng)過電流的大小。直接式用于測量相對較小的電流以及電壓不高的情況，非直接式不帶有任何導(dǎo)電關(guān)系，因此可用于測量相對較大的電流以及相對較高的電壓。

?????? 非直接式電流測量

?????? 非直接式電流測量比較常用的是霍爾傳感器，通過霍爾現(xiàn)象測出電流的大小，輸出為模擬輸出；另外一種新的技術(shù)是利用VAC傳感器，它是德國Vacuumschmelze公司開發(fā)的較新的電流傳感器，與霍爾傳感器不同之處是TI與VAC有一款專門的配套傳感器芯片DRV401，其系統(tǒng)框圖如圖1所示，輸出電流通過DRV401和積分濾波器產(chǎn)生一定的電流源作為反饋達到磁平衡，利用閉環(huán)控制保證整個鐵氧體不受飽和影響，從而保證輸出的精度能夠提高。

?????? 直接式電流測量

?????? 直接式電流測量手段分為兩類：模擬輸出和數(shù)字輸出。

?????? 模擬輸出直接電流測量

?????? 模擬輸出分為低壓（Low Side）和高壓（High Side），數(shù)字輸出可分為隔離式和非隔離式。低壓是指用低壓電流傳感器進行電流測量，高壓即用高壓電流傳感器進行電流測量。

?????? 直接式電流測量用小電阻電流傳感器，這一電阻有較高精度與溫漂特性的要求。絕對值改變可以通過后面的簡單補償實現(xiàn)，但是溫度漂移卻不可以預(yù)測，因此補償相對比較困難。對于電流傳感器而言，溫漂特性是最主要的。如：1個電阻R=1mΩ，精度為±1%，TCR=±200ppm/℃，輸出電流I=33A，輸出功率P=1W。當(dāng)最大電流為45A時輸出功率為2W，這種情況下溫度會有所改變。假設(shè)溫度漂移是75℃，如果TCR=20ppm/℃，輸出精度改變?yōu)門CR=（75℃）×（20ppm/℃）×（0.0001%/ppm）=0.15%；如果是普通電阻，溫漂特性達800ppm/℃，則有TCR=（75℃）×（800ppm/℃）×（0.0001%/ppm）=6%。根據(jù)系統(tǒng)精度要求不同，可以選擇不同溫漂特性的電流傳感器。

?????? 由于通過電阻之后輸出為電壓信號，該信號往往比較小，需用放大器放大。圖2中列出了幾個放大器的基本特性，假設(shè)使用OPA350，其溫漂特性為±4。
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?????? 如果以同樣的75℃溫漂加上本身的偏置電壓誤差，計算出800μV的誤差幅度，相比于45mV，其誤差為1.8%。

?????? 如果電阻本身20個ppm溫漂、誤差0.15%，放大器的誤差遠遠大于電流傳感器的誤差，因此不能接收，如OPA335和OPA333誤差大幅度減小到0.02%和0.03%誤差范圍，相對而言，主要的誤差來源在于電阻而不是放大器，因此配套電路必須選擇本身誤差幅度小于傳感器的誤差幅度。如果選擇OPA335，電阻本身的溫度誤差遠遠大于放大器本身的輸出誤差，從而可以保證系統(tǒng)精度能有所提高；如果選擇溫度性能更高的電阻，則可以保證電路能準(zhǔn)確放大輸出信號。

?????? 此外還有其它不同的誤差源，如焊點、PCB跡線、連接器等的寄生特性導(dǎo)致的誤差也會影響系統(tǒng)精度。使用差分輸入方式可以提高系統(tǒng)的整體精度，排除寄生特性對電路的影響。然而這種精度的提高必須要保證所用電阻的匹配，如果單純選擇分立器件很難保證電阻的匹配性，因此要把所有電阻集成到一個芯片中。如INA132集成了四個電阻，既保證了電阻之間的匹配性，又保證了溫漂特性一致。此外還可以選擇儀表放大器產(chǎn)品，直接把信號放大，如INA326。

?????? 以上討論了電流傳感器高壓和低壓的差別，即利用儀表放大器在低壓端測量電流，利用差分放大器內(nèi)在分壓的形式可以做高壓端的電流測量。

?????? 差分輸入中會用到共模電壓，其定義是正負(fù)輸入端加起來除以2。如果差分電路電流通過電阻流向地則整個共模電壓是正，反之如果電流從地流進差分電路，則共模電壓為負(fù)。

?????? 圖4中列出了TI公司用于電流測量的一些產(chǎn)品，可以看到不同的共模電壓范圍。表中列出了高端和低端最高最低電壓承受范圍，最高可達75V，如果是單電源供電INA326，則只能達到5V。

?????? 此外，TI公司具有INA168/9以及INA138/9產(chǎn)品，可以用外部電阻控制其增益。INA19X系列的共模范圍非常寬，使用較為方便，由于內(nèi)部帶有緩沖驅(qū)動能力，因此外部無需緩沖，但是INA19X系列增益是芯片內(nèi)部固定好的，如圖5所示?？梢钥吹?，在增益部分INA19X系列有20、50、100倍增益可供選擇。

?????? 還有一個較新的INA270和INA271產(chǎn)品系列，其基本結(jié)構(gòu)與INA19X系列類似，唯一的差別在于緩沖輸出在芯片外，用戶可以通過在中間加以濾波以減小噪聲輸出。

?????? 然而，為了進一步提高系統(tǒng)整體精度，新產(chǎn)品中引入了“零溫漂”技術(shù)。由于采集電流時溫度很重要，而電阻本身會發(fā)熱導(dǎo)致出現(xiàn)溫漂，因此引入了“零溫漂”技術(shù)以達到進一步提高總體精度的目的。INA209是基于零溫漂技術(shù)的第一代產(chǎn)品。

?????? 圖6顯示了TI的所有電流采集產(chǎn)品，其中包括了共模電壓范圍和供電范圍?？梢钥吹絀NA19X、INA27X產(chǎn)品以及INA203-206產(chǎn)品都提供了較寬的共模電壓范圍，INA209是最新的“零溫漂”雙向電流采集器。

?????? 數(shù)字輸出直接電流測量

?????? 對于數(shù)字輸出電流采集器則必定需要隔離或AD轉(zhuǎn)換。

?????? 由于ADS8361帶有兩路AD轉(zhuǎn)換，可同時進行兩路同步采樣，因此應(yīng)用非常普遍。其前端有一個二選一的開關(guān)，可以允許四路輸入，兩路AD對其同步采樣。因為電流必須要兩路同步采集以保證三相電機的工作，因此同步采集在電流測量中至關(guān)重要。

?????? 除了傳統(tǒng)的AD轉(zhuǎn)換外，TI還開發(fā)了一系列專門針對電流采集應(yīng)用的AD轉(zhuǎn)換器。ADS120X系列是專門為數(shù)字化電流開發(fā)的產(chǎn)品，針對不同電流傳感器還有不同的產(chǎn)品系列，如非接觸性的ADS1204/5/8等。這些產(chǎn)品不是傳統(tǒng)的串口或并口的輸出，而是∑?Δ 輸出，它們利用∑?Δ工作原理完成AD轉(zhuǎn)換，其輸出類似PWM，但是頻率是可變的，通過脈沖密度形式進行AD轉(zhuǎn)換。ADS1208是針對霍爾傳感器開發(fā)的產(chǎn)品，本身有一個可編程電流源。原因在于霍爾傳感器需要有電流源驅(qū)動以進行平衡使用，因此將可編程電流源集成到芯片中。ADS1205是專門針對需要兩路同步采集開發(fā)的產(chǎn)品，具有兩個差分輸入，如用于馬達控制。ADS1204具有四路差分輸入，不僅可以監(jiān)控三相電流，還可以對其它環(huán)境的不同參數(shù)進行采樣。此外，TI公司還有專門針對單路相電流采樣產(chǎn)品，如ADS1202和ADS1203，還提供ISO72XX系列專門用于高速數(shù)據(jù)流的數(shù)字隔離，它使用電容隔離方式，不受外界磁場影響。TI還將推出一款將數(shù)據(jù)采集前端和隔離集成在一起的產(chǎn)品，從而在單芯片上實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與信號隔離的功能，如AMC1203。

?????? 上文提到的產(chǎn)品系列輸出是∑?Δ數(shù)據(jù)流，可以使用專用芯片AMC1210將其還原成一個串口或并口的輸出。它不僅集成了∑?Δ后端數(shù)據(jù)濾波器，還加入了一些比較器，因此可以實現(xiàn)非常多的數(shù)字功能