精確的高邊電流檢測(cè)放大器監(jiān)視PWM負(fù)載電流

精確的高邊電流檢測(cè)對(duì)于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向、自動(dòng)換檔、變速箱控制、發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射控制、制動(dòng)閥控制和主動(dòng)懸架等汽車控制系統(tǒng)至關(guān)重要。所有這些應(yīng)用都需要精確調(diào)節(jié)通過電機(jī)或螺線管的電流，以控制電機(jī)的扭矩或螺線管的驅(qū)動(dòng)。本文介紹的電路包括一個(gè)精密、高邊電流檢測(cè)放大器（MAX9918），用于監(jiān)測(cè)寬輸入共模電壓范圍內(nèi)的感性負(fù)載電流。它適用于輸入共模電壓可能因感應(yīng)反沖、電池反接條件或瞬態(tài)事件而變?yōu)樨?fù)的應(yīng)用。

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向 （EPS） 系統(tǒng)中的電流檢測(cè)

與傳統(tǒng)的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不同，EPS系統(tǒng)不包括液壓泵或流體。相反，它具有通過齒輪機(jī)構(gòu)連接到轉(zhuǎn)向齒條的電動(dòng)機(jī)。當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)，轉(zhuǎn)向傳感器會(huì)檢測(cè)車輪的位置和旋轉(zhuǎn)速度。該信息與安裝在轉(zhuǎn)向軸上的轉(zhuǎn)向扭矩傳感器的輸入一起饋送到動(dòng)力轉(zhuǎn)向控制模塊。為了確定所需的轉(zhuǎn)向輔助，控制模塊還從車速傳感器、牽引力控制和穩(wěn)定控制系統(tǒng)獲取輸入（圖 1）。

圖1.典型EPS系統(tǒng)的簡(jiǎn)化框圖。

然后，與電源模塊的接口允許控制模塊調(diào)節(jié)電機(jī)中的電流量。增加電機(jī)電流會(huì)增加動(dòng)力輔助，反之亦然。電機(jī)電流通常通過使用 H 橋電路在電機(jī)上饋送脈寬調(diào)制 （PWM） 電壓來控制（圖 2）。相關(guān)的真值表（表1）總結(jié)了全H橋電路的各種工作模式。電機(jī)呈現(xiàn)感性負(fù)載，因此扭矩是通過平均產(chǎn)生的紋波電流（即提供給驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)力輔助）來確定的。

圖2.該H橋電路的四個(gè)柵極的信號(hào)相位決定了電機(jī)的方向和速度。

電流測(cè)量裝置監(jiān)控電機(jī)電流并向控制模塊提供實(shí)時(shí)反饋，允許該模塊調(diào)整PWM占空比，直到電流達(dá)到其目標(biāo)值。測(cè)量電機(jī)電流的一種常用方法是插入一個(gè)與電流路徑串聯(lián)的低值檢測(cè)電阻，這會(huì)產(chǎn)生很小的壓降。該差分電壓由電流檢測(cè)放大器放大，以指示電流幅度。

電流檢測(cè)有三種選擇：低壓側(cè)、高壓側(cè)和電機(jī)上。因此，您可以將檢測(cè)電阻放置在 H 橋和接地之間（低側(cè)電流檢測(cè)）、直流母線底部或正極電池端子和 H 橋之間（高壓側(cè)電流檢測(cè)），或者放置在直流總線或電機(jī)本身的高側(cè)（輸出電機(jī) PWM 電流檢測(cè)）。這些替代方案需要不同的權(quán)衡。低邊方法很方便，但在接地路徑中增加了不需要的電阻，并且缺乏檢測(cè)接地短路故障的診斷能力。無論是高端還是低端方法，都不能連續(xù)監(jiān)測(cè)再循環(huán)二極管中的電流。然而，PWM電流檢測(cè)沒有這些缺點(diǎn)。

PWM電流測(cè)量電路看似簡(jiǎn)單，但它帶來的性能限制遠(yuǎn)非微不足道。電路必須應(yīng)對(duì)從地到電池電壓一路擺動(dòng)的共模電壓。因此，為了抑制共模偏移，電路不僅必須具有與該擺幅相對(duì)應(yīng)的高輸入電壓范圍，而且還必須在開關(guān)頻率和邊沿速率引起的相關(guān)頻率下具有出色的CMRR。

PWM信號(hào)的共模瞬變和最小占空比也對(duì)電流檢測(cè)放大器的建立時(shí)間提出了嚴(yán)格的要求。為了實(shí)現(xiàn)精確的線性響應(yīng)，電流測(cè)量電路必須具有高增益、高精度和低失調(diào)電壓。由于人為干預(yù)是控制回路的一部分，因此線性度和準(zhǔn)確性尤其重要。電路中的任何非線性都會(huì)在車輛過度轉(zhuǎn)向時(shí)引起振蕩或振動(dòng)，從而損害駕駛體驗(yàn)。

在圖3所示的電機(jī)電流控制和測(cè)量電路中，電機(jī)以全H橋配置連接，由于施加的電壓極性很容易反轉(zhuǎn)，因此可以沿任一方向旋轉(zhuǎn)。所示IC可承受-20V至+75V的共模電壓，使其不受電感反激、拋負(fù)載瞬變和電池反向故障的影響。該器件還集成了一個(gè)儀表放大器，其獲得專利的間接電流反饋架構(gòu)可提供精密電流檢測(cè)，輸入失調(diào)電壓為 400μV （最大值），增益誤差為 0.6% （最大值）。外部基準(zhǔn)電壓支持全H橋所需的雙向電流檢測(cè)，以及使用半H橋電路時(shí)所需的單向電流檢測(cè)。在雙向應(yīng)用中，當(dāng)檢測(cè)電流為零時(shí)，輸出電壓等于基準(zhǔn)電壓。可調(diào)增益和固定增益特性使該器件能夠在各種應(yīng)用中提供最大的靈活性。

圖3.PWM兼容的H橋電流檢測(cè)電路。

電磁閥驅(qū)動(dòng)的電流檢測(cè)

螺線管被廣泛用作車輛中的機(jī)電開關(guān)。例如，起動(dòng)電磁閥向起動(dòng)電機(jī)提供大電流，進(jìn)而使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)。然而，一些汽車控制系統(tǒng)采用電磁閥驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行精確控制。例如，鐵路的普通柴油發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)依賴于電磁閥作為復(fù)雜的電子控制閥，在高壓下將適量的燃料直接噴射到各個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸中。這些氣門的正時(shí)由發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元精確控制，以確保與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)同步。結(jié)果是一個(gè)相對(duì)“綠色”的發(fā)動(dòng)機(jī)，噪音更小，產(chǎn)生更少的排放，并且更省油。電磁閥控制的其他應(yīng)用包括自動(dòng)換檔、變速箱控制、制動(dòng)控制和主動(dòng)懸架。

高端開關(guān)通常是一個(gè) FET，其柵極由 PWM 信號(hào)控制（圖 4）。當(dāng) FET 導(dǎo)通時(shí)，它將電磁閥連接到 14V 電池電壓，產(chǎn)生為電磁線圈充電的電流。當(dāng) FET 關(guān)閉時(shí)，電磁閥電流通過箝位二極管和分流電阻器放電。PWM頻率和占空比的調(diào)節(jié)決定了螺線管中產(chǎn)生的平均紋波電流，進(jìn)而控制施加到執(zhí)行器的力。

圖4.這種典型的電磁閥驅(qū)動(dòng)電路采用高邊分流器。

為了調(diào)節(jié)PWM頻率和占空比而檢測(cè)電磁閥電流的挑戰(zhàn)與H橋應(yīng)用中的挑戰(zhàn)相似。電流檢測(cè)放大器輸入端的共模電壓范圍從電池電壓到箝位二極管壓降的略微負(fù)電平。典型的螺線管需要幾安培的電流，因此承受這種電流的箝位二極管可能會(huì)產(chǎn)生高于1V的正向電壓。

同樣，電流檢測(cè)放大器的寬輸入共模范圍和響應(yīng)共模變化的快速建立非常適合此應(yīng)用。該應(yīng)用與H橋的主要區(qū)別在于，螺線管電流始終沿同一方向流動(dòng)，因此電流檢測(cè)放大器只需要是單向的。（MAX9918當(dāng)其基準(zhǔn)輸入（REFIN）接地時(shí)變?yōu)閱蜗螂娏鳈z測(cè)放大器。

實(shí)驗(yàn)室結(jié)果

圖5顯示了在實(shí)驗(yàn)室中原型化的螺線管的典型應(yīng)用電路。電磁閥由一個(gè) 2mH 電感器仿真，ESR 低至 1.6Ω。檢測(cè)電阻為100mΩ，R4值為15Ω，將最大電磁閥電流限制為：

IMAX = VBAT/(RSENSE + ESR + R4) = 12V/(0.1 + 1.6 + 15)Ω = 0.72A

（請(qǐng)注意，R4 不存在于實(shí)際的電磁閥電路中。

該最大電流值是電感完全充電時(shí)達(dá)到的理論極限。所示的電阻和電感值將電路時(shí)間常數(shù)設(shè)置為約0.12ms，相當(dāng)于約8.3kHz。增益 80 由外部電阻 R1 = 1kΩ 和 R2 = 79kΩ 設(shè)置。

圖5.該電磁閥驅(qū)動(dòng)電路是在實(shí)驗(yàn)室中原型設(shè)計(jì)的。

圖5電路的工作用5kHzPWM頻率下的波形說明，占空比分別為80%（圖6）和50%（圖7）。頂部波形是R4兩端的電壓，與電感中流動(dòng)的電流成正比。中間波形是檢流放大器的輸出，底部波形表示PFET漏極處的PWM信號(hào)。正如人們所期望的那樣，更高的占空比會(huì)產(chǎn)生更高的電流。

圖6.圖 5 中的波形，具有 5kHz PWM 頻率和 80% 占空比。（頂部跡線是R4兩端的電壓，中間是電流檢測(cè)放大器的輸出，底部是pFET底部的PWM信號(hào)。

圖7.圖5所示的波形，具有5kHz PWM頻率和50%占空比。（頂部跡線是R4兩端的電壓，中間是電流檢測(cè)放大器的輸出，底部是pFET底部的PWM信號(hào)。

因此，精密高壓、高邊電流檢測(cè)放大器（如MAX9918）允許使用更小的檢測(cè)電阻進(jìn)行精確測(cè)量。它處理來自 H 橋的雙向電機(jī)電流，如 EPS 系統(tǒng)中的電流，以及自動(dòng)換檔、變速箱控制、制動(dòng)控制和主動(dòng)懸架中的單向電磁閥電流。

審核編輯：郭婷