|
現代汽車(chē)電氣系統設計目前正處于有史以來(lái)變化最大的時(shí)期之一。從革命性的電動(dòng)機/發(fā)電機混合電推進(jìn)和“電傳操縱”電力傳動(dòng)裝置到用于延長(cháng)使用壽命和提高效率的智能附件(例如：無(wú)帶式泵和LED照明)等等，都被一一集成到新型車(chē)輛之中。用戶(hù)越來(lái)越期望擁有自動(dòng)化車(chē)載診斷系統和預測性保養功能，這也促進(jìn)了各種新式車(chē)體和發(fā)動(dòng)機管理系統設計的出現。在許多此類(lèi)系統重新設計領(lǐng)域中，一項重要的信息反饋就是特殊負載所使用的電流。電流測量用來(lái)分析狀態(tài)是否正常，為故障保護和控制規則實(shí)施提供依據。在這一領(lǐng)域出現的基本變化是，智能高效的“閉環(huán)”設計正在取代過(guò)去傳統的“開(kāi)環(huán)”系統。 1 基本電流檢測拓撲 盡管非接觸式電流測量是可以實(shí)現，但是這種方法一般需要高成本的儀器或昂貴的電源單元產(chǎn)品，因此在成本和復雜性都允許的情況下才會(huì )使用這種方法。在汽車(chē)領(lǐng)域，低成本是關(guān)鍵因素，所以采用檢測電阻測量方法是最適合的。串聯(lián)一個(gè)小阻值的檢測電阻(毫歐姆量級)到負載上，并在向負載供電時(shí)測量電阻上產(chǎn)生的壓降，就可以準確推算出電流值。 就開(kāi)關(guān)、負載和檢測電阻的串聯(lián)連接而言，基本上有6種不同的拓撲，如圖1(a)至圖1(f)所示。這些拓撲可以根據開(kāi)關(guān)相對于負載的位置歸類(lèi)為高壓端開(kāi)關(guān)或低壓端開(kāi)關(guān)；以及根據電阻相對于電源軌的位置歸類(lèi)為低壓端檢測、“浮置”檢測或高壓端檢測。每種方案就某些特定應用而言都有可能是最佳解決方案。另一種需要考慮的情況是出現故障時(shí)，故障視負載特性的不同而有所不同。作為一個(gè)經(jīng)驗法則，人們一般會(huì )假定，最可能發(fā)生的故障是與機架(電氣地)相連，這或者是由扳手觸碰帶電的裸露端子引起，或者由外皮磨破的電線(xiàn)與接地的金屬部件接觸引起。在這種情況下，低壓端檢測具有與生俱來(lái)的缺點(diǎn)。在大多數應用中，圖1(c)的配置都是優(yōu)選拓撲，因為它允許把開(kāi)關(guān)和監視功能集中到一起，同時(shí)還可保持較少的連線(xiàn)數。 2 現代負載與智能開(kāi)關(guān) 自從功率MOSFET器件推出以來(lái)，設計師們一直將它們視作繼電器的潛在替代產(chǎn)品�，F代N-MOSFET開(kāi)關(guān)的導通電阻值在一位數毫歐姆范圍內，允許使用沒(méi)有笨拙散熱結構的標準表面貼裝技術(shù)。目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了低價(jià)集成電路解決方案，這種方案可提供自含式升壓柵極驅動(dòng)功能。這些電路還采用了快速故障保護機制，這樣MOSFET就永遠不會(huì )有出現故障的風(fēng)險。凌力爾特公司的LT1910就是這樣的“智能開(kāi)關(guān)”控制集成電路，該器件利用低阻值高壓端電流檢測電阻(類(lèi)似圖1(c))檢測電路過(guò)載，并在發(fā)生損害之前關(guān)斷正在工作的MOSFET。該集成電路一檢測到過(guò)載情況，就設置一個(gè)警告標記，并周期性地嘗試重新啟動(dòng)該負載，直到故障清除為止。盡管這個(gè)集成電路本質(zhì)上只是二進(jìn)制，但是就用電流檢測形成如圖2所示的堅固“閉環(huán)”電子繼電器解決方案而言，這是一個(gè)不錯的實(shí)例。 3 實(shí)時(shí)電流監視 電流檢測除了提供智能開(kāi)關(guān)保護，檢測電阻上的信號放大和轉換后還允許數字化，并將數字化后的信號作為控制環(huán)路的“模擬”反饋信號。電流監視可以實(shí)時(shí)揭示很多負載的工作特性。例如，電動(dòng)機消耗的電流與其扭矩成正比，因此可以推算出軸承摩擦阻力的變化趨勢，而且無(wú)需另外的傳感器就可檢測各種起動(dòng)器的狀態(tài)。其它負載(如照明)常常是用共用的電源以并聯(lián)方式驅動(dòng)的，因此確定某些部分的負載是否在壽命已到時(shí)未能開(kāi)路只是精確度的問(wèn)題。 實(shí)現上述功能的一個(gè)特別簡(jiǎn)單的集成電路解決方案是電流檢測放大器，凌力爾特公司的 LTC6102就是這種集成電路的一個(gè)實(shí)例，該器件為精確的單向高壓端汽車(chē)檢測而優(yōu)化。圖3顯示了一個(gè)用LTC6102將通用電流檢測輸出連接到模數轉換器(ADC)輸入的典型電路實(shí)例。注意，LTC6102的輸出是電流，因此重建負載(R2)可以放置在與該集成電路有一段距離的地方，而不會(huì )引入接地環(huán)路誤差。由于該集成電路具有極高的精確度，甚至低于毫歐姆的RSENSE值也是實(shí)用的，因此熱量和電壓損耗最小。這個(gè)電路中增加的組件D1和R3提供電源反向瞬態(tài)保護。表1列舉了一些可用檢測放大器及其基本特性。 4 采用脈沖調制負載時(shí)需考慮的因素 就采用高頻脈沖寬度調制(PWM)技術(shù)產(chǎn)生可變性能級別的占空比調制負載來(lái)說(shuō)，在設計電流監視電路時(shí)還要考慮其它一些因素。其中主要的一點(diǎn)是響應時(shí)間需要足夠快，以在波形的接通部分對故障情況做出響應。另一點(diǎn)是，開(kāi)關(guān)動(dòng)作不應該對電流讀數保真度造成太大干擾。通常情況下，圖1(c)配置再次提供了最佳結果，因為這個(gè)電路的阻抗很低，共模問(wèn)題最小。在期望得到平均負載電流(直流分量)的情況下，可以使用在模擬或數字信號處理(DSP)領(lǐng)域使用的后置濾波來(lái)去除與PWM有關(guān)的頻率分量。平均電源電流值與負載電流有關(guān)是意料之中的事，這個(gè)值為主觀(guān)性效果提供了一個(gè)良好的指示，不管是燈的強度還是起動(dòng)力都一樣。 5 監視H橋驅動(dòng)器的電流 一個(gè)H橋式驅動(dòng)器可以看作是以互補信號工作以產(chǎn)生雙向差分輸出的一對半橋。每個(gè)半橋可以看作是圖1(c)單向電路的擴展，即在圖1(c)配置上增加與負載并聯(lián)的低壓端開(kāi)關(guān)。圖4顯示的是用一個(gè)LTC6103組成的電路，這兩個(gè)器件產(chǎn)生適合直接驅動(dòng)ADC的差分輸出。像這樣的電路適用于車(chē)窗起落、環(huán)境氣氛控制等機制中的電動(dòng)機，而且無(wú)論在哪里，都可完成逆向動(dòng)作。 注意，對于負載接地故障，低壓端MOSFET不會(huì )受到過(guò)大壓力，因此監視高壓端的每個(gè)半橋就可提供所有需要的信息。負載電流可由兩個(gè)半橋的單向電流讀數差確定。另外，由于有符號數值控制，因此一個(gè)高壓端開(kāi)關(guān)100%接通時(shí)，準確測量負載電流無(wú)需占空比校正。 6 結束語(yǔ) 在現代汽車(chē)開(kāi)發(fā)中，電子驅動(dòng)功能正在猛增。經(jīng)濟的控制設計雖然需要堅固性，但是增加了以閉環(huán)方式監視系統中負載電流的診斷功能。無(wú)論驅動(dòng)器是單端還是H橋型，高壓端電流檢測都是最實(shí)用的實(shí)現監視器功能的方法。LT6100系列提供了豐富的電流檢測放大器選擇，該系列集成電路可滿(mǎn)足多種應用的特定需求，如組成精確度/效率、工作電壓、高溫工作監視解決方案以及經(jīng)濟實(shí)用的高壓端監視解決方案。 |
