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- 寬電流傳感拓撲實現(xiàn)高精度12V汽車電池的高側(cè)檢測
- 來源：佳工機電網(wǎng) 發(fā)表于 2011/2/10
為了提高新車的燃油經(jīng)濟性，汽車中越來越多的功能正在電子化，以減少內(nèi)燃機的連續(xù)負載。這些功能包括水、油和燃料泵，氣門驅(qū)動和動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。由于電力負荷是由發(fā)動機轉(zhuǎn)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(cè)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�(cè)電流檢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(cè)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(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，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(jié)合相關(guān)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(zhuǎn)換技術(shù)，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(cè)電池傳感器移到高側(cè)，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(cè)電池檢測的準確性、精度和魯棒性。它可確保利用電池高側(cè)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(guān)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(jīng)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(diào)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(cè)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(zhuǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(shù)。本文提及的高側(cè)電池傳感器解決方案是通過一系列信號調(diào)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(gòu)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。
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(zhuǎn)換到一個低共模電壓，并轉(zhuǎn)發(fā)到AS8510模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。(在此應用中，AS8510的內(nèi)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(nèi)部的精密電阻衰減器進行衰減，并以差分形式轉(zhuǎn)發(fā)到AS8510的第二個數(shù)據(jù)采集通道(見圖2)。該通道可以復用外部或內(nèi)部溫度傳感器的輸入通道。
圖2 ：高側(cè)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(nèi)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(guān)的功能，但低電壓信號調(diào)理功能是在AS8510內(nèi)實現(xiàn)的。AS8525是由0.35微米60V CMOS技術(shù)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(nèi)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。
溫度檢測有兩個選擇：如果傳感器位于電池極，AS8510的內(nèi)部溫度傳感器能通過電池極、分流電阻和PCB拾取電池溫度。另外一個選擇，如果傳感器的電子部分位于遠離電池的另一車廂，就要使用外部溫度傳感器。
大共模輸入信號產(chǎn)生的典型電流測量誤差為0.05％/V。由于用于分流電阻的共模輸入信號與電池電壓相同，而且電池電壓是與電流同步測量的，這個誤差可以利用外部微控制器的軟件來糾正。共模誤差的準確值可以通過尾行校準來捕捉：在兩個差分共模分流電壓中施加一個參考電流，作為校準因子來測量偏差并存儲該準確值。
圖 3 ：采用奧地利微電子AS8525和AS8510的高側(cè)汽車電池傳感器電路圖
具備SPI到微控制器輸出的高側(cè)電池傳感器電路見圖3。在PCB設計方面，分流電阻應該用很短且對稱的信號線連接HRSHH和HRSHL。其他來源的任何一種耦合必須避免。最好的結(jié)果是將AS8525和AS8510直接焊接在PCB上的分流電阻上。通過下面的熱板加熱分流電阻直到焊錫熔化就可以實現(xiàn)。
為了獲得良好的EMC性能，所有的差分信號線都需要并攏在一起并盡可能對稱。
結(jié)論
AS8510 + AS8525芯片組為在1kHz的典型采樣率下的12V高側(cè)電流、電壓和溫度檢測系統(tǒng)提供了信號調(diào)理、電源管理和通信層。通過使用100μΩ分流電阻，在1,600A的電流范圍內(nèi)及精度優(yōu)于1%時，其分辨率可下降到2.5mA。電壓測量精度為12位或更高。
在電流監(jiān)測模式下待機電流通常是80μA。它完全符合所有適用的汽車標準。該芯片組的負載突降保護高達42V，并提供了分流和電池電壓檢測輸入極性反接保護。
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