寬電流傳感拓撲實現(xiàn)高精度12V汽車電池的高側檢測

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

對于汽車電氣系統(tǒng)設計師來說，電池傳感器是一個極其重要的元件：它通過LIN總線連接電氣系統(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(tǒng)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足精度要求。它適于在惡劣的汽車環(huán)境下使用。

但如果電池傳感器位于正極，作為一個高側傳感器運行時，情況會怎樣呢？汽車設計師將能夠改變和優(yōu)化控制網絡拓撲結構，例如，通過使用電池傳感器來測量供電系統(tǒng)的各個部分。它也可以結合相關的模塊，如配電箱，以及連接一個共享的微控制器，從而降低材料清單(BOM)成本。這也符合使用更少且更集中ECU的汽車設計趨勢。

通過采用一個電荷泵電平轉換技術，或者使用電氣隔離式電源和數(shù)字通信元件，在理論上可以實現(xiàn)將現(xiàn)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題，需要使用昂貴的分立元件。

而如今，一個由奧地利微電子開發(fā)的全新汽車電池檢測方法將可以實現(xiàn)汽車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，幾乎沒有插入損耗。更重要的是，它實現(xiàn)了極低電流消耗下(約80μA)的待機電流、電壓和溫度監(jiān)控模式，且在正常運行中不會斷開電池-- 這是汽車電池傳感器至關重要的要求。

它的實施沒有EMC方面的難度，因為通過共模抑制和ADC濾波器不僅消除了EMC，系統(tǒng)的輸出也可以經由一個現(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調理、電源管理和通信層。電流檢測需要使用一個低插入損耗的100μΩ分流電阻，它與串聯(lián)負載的電池正極連接(見圖1)。

圖1：用于高側汽車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生的電流讀數(shù)。

由于這個原因，這里描述的奧地利微電子的電路采用了一個德國伊薩公司(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(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，當插入到一個銅軌時，由于信號產生而形成的熱電偶效應是微不足道的。分流電阻值隨時間的變化也很小，且可以預見。

極寬的測量范圍

汽車電池傳感器設計中最有挑戰(zhàn)性的方面是在很寬的電流范圍--1mA至1kA下進行非常精確的測量。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(tǒng)的主要特點是：

* 噪聲非常低

* 高線性

* 零偏移

無偏移測量系統(tǒng)通常采用連續(xù)偏移消除技術。本文提及的高側電池傳感器解決方案是通過一系列信號調理功能實現(xiàn)汽車的零偏移：

* 斬波模擬傳感器信號

* 放大和電平移位斬波信號

* 對數(shù)字化信號

* 數(shù)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測量路徑的低頻噪聲成分。 [!--empirenews.page--]

如圖1所示，模擬信號斬波器位于AS8525的輸入焊點，它在標稱14V共模輸入電壓下接收分流信號。斬波信號通過可編程增益放大器(PGA)放大，電平轉換到一個低共模電壓，并轉發(fā)到AS8510模數(shù)轉換器(ADC)。(在此應用中，AS8510的內部斬波器必須禁用，且PGA必須旁路。)專用的Chop_Clock引腳必須啟用，以支持平均和斬波功能的同步。

對于電壓測量，電池電壓由AS8525內部的精密電阻衰減器進行衰減，并以差分形式轉發(fā)到AS8510的第二個數(shù)據采集通道(見圖2)。該通道可以復用外部或內部溫度傳感器的輸入通道。

圖2 ：高側汽車電池傳感器的電壓檢測功能。

(負載、外部溫度傳感器、斬波器、內部溫度傳感器、DSP+接口)

從功能模塊的劃分來看，AS8525具備每個與實際電池電壓相關的功能，但低電壓信號調理功能是在AS8510內實現(xiàn)的。AS8525是由0.35微米60V CMOS技術制造的，它也提供了兩個帶有上電復位和電壓監(jiān)控的低壓降穩(wěn)壓器(LDO)，以及一個LIN總線收發(fā)器和高精度電壓衰減器。系統(tǒng)設計人員可以選擇使用AS8525內的兩個獨立的LDO，將來自AS8510數(shù)字部分的模擬信號與來自微控制器的信號分離開來。