- 車載應(yīng)用中的電流檢測
- 監(jiān)測線路分析
- 電路必須配置為衰減器
- 采用高共模電壓差動(dòng)放大器
車載應(yīng)用中的電流檢測包括控制通過螺線管和噴射器的電流。例如，在柴油噴射時(shí)，我們用48V或更高的電壓迅速地將感應(yīng)噴射器的電流提高到20安培。一旦達(dá)到20A，電流檢測電路就會(huì)向控制電路提供反饋信號，以保持噴射器電流為20A不變。電流檢測通?？稍鰪?qiáng)重要的性能或特性。電動(dòng)車窗系統(tǒng)是展示電流檢測技術(shù)優(yōu)勢的一個(gè)很好的例子。由于馬達(dá)扭矩與電流成正比，因此馬達(dá)在扭矩過大的情況下就會(huì)停止工作，比方說人的胳膊卡在電動(dòng)車窗上，或者機(jī)械系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，馬達(dá)都會(huì)停止工作。
電流檢測的方法
負(fù)載或電源的低壓側(cè)或高壓側(cè)都可進(jìn)行電流檢測。共模電壓是指分路(shunt)上的電壓(不是分路上的差分電壓)，在低壓側(cè)檢測為零伏。低壓側(cè)檢測最簡單，可采用最基本的放大器電路。低壓側(cè)檢測的難點(diǎn)在于：低壓側(cè)檢測會(huì)影響系統(tǒng)的接地端，可能還需要增加更多的線路，而且這種作法通常不利于故障診斷。圖1中的高壓側(cè)分路放大器可檢測很高的電源電壓上極低的差分電壓(通常為100mV或更低)，通常在車載應(yīng)用中為13.8V。不過，如果為無限制的(unconditioned)電池線路，那么會(huì)受瞬變影響：如果無意中將電池方向放錯(cuò)就會(huì)出現(xiàn)–13.5V的情況，如果出現(xiàn)負(fù)載突降或感應(yīng)反沖，那么最大瞬變可達(dá)72V。不妨設(shè)想，放大器通常采用5～12V的單電源供電(5V的電源供電日益常見)，這就需要放大器的輸入引腳連接到共模電位，大大超過了放大器電源軌的限制。
圖1在高壓側(cè)電流檢測中，共模電壓是主要問題老式分路檢測電路基于差動(dòng)放大器，即周圍帶四個(gè)電阻來設(shè)置增益并提供差動(dòng)輸入的運(yùn)算放大器(operationamplifier)。這些電阻使運(yùn)算放大器能接受超過其電源軌的共模電壓。不過，這也會(huì)帶來下面一些負(fù)面問題：一是電路必須配置為衰減器，在隨后的運(yùn)算放大器級中恢復(fù)增益，如圖2A中的IC結(jié)構(gòu)圖所示，運(yùn)算放大器的增益會(huì)成倍增大第一個(gè)放大器的偏置和漂移量，從而降低整體性能。二是采用高共模電壓差動(dòng)放大器要增加電阻網(wǎng)絡(luò)，以使之在仍然只提供單位增益的同時(shí)能夠接受較高的共模電壓。高共模差動(dòng)放大器帶來的影響在于：運(yùn)算放大器的噪聲增益與共模衰減成正比，如圖2B所示的差動(dòng)放大器結(jié)構(gòu)采用了20:1的內(nèi)部共模衰減，此舉使放大器的偏置、漂移和噪聲都比運(yùn)算放大器本身擴(kuò)大了20倍。此外，較大的輸入電阻也會(huì)造成較高的噪聲。
圖2可用于車載電流檢測的電阻型高共模電壓差動(dòng)放大器電流分路監(jiān)控器是專門用于分路電流檢測的高共模電壓差動(dòng)放大器，能夠解決電阻型差動(dòng)放大器的局限性。電流分路監(jiān)控器與差動(dòng)放大器相比的主要區(qū)別在于：其共模電壓功能通常只擴(kuò)展到正電壓，而一些電流分路監(jiān)控器允許共模接地。這會(huì)造成更多的衍生情況，我們隨后還要談到。共模電壓功能也允許擴(kuò)展到負(fù)電壓。電流分路監(jiān)控器從一開始設(shè)計(jì)時(shí)就是以單電源電壓工作的，通常最低電壓可達(dá)2.7V。圖3顯示了兩類電流分路監(jiān)控器，分為電流輸出型分路監(jiān)控器和電壓輸出型分路監(jiān)控器。電流輸出型分路監(jiān)控器通常靜態(tài)電流較低，需要外部輸出電阻，從而使終端用戶能夠設(shè)定增益。電壓輸出器件采用固定增益且不需要其他組件。
[page]圖3兩大類電流分路監(jiān)控器包括：A)電流輸出型分路監(jiān)控器和B)電壓輸出型分路監(jiān)控器車載應(yīng)用的一般性技術(shù)要求
車載電流檢測分為兩大類型：一類是直接連接到電池，另一類是通過限制瞬態(tài)偏移的保護(hù)電路連接。上述情況會(huì)影響電流分路監(jiān)控器上共模電壓額定值的要求。車載的12V電子系統(tǒng)最高電壓為14.4V，但電池總線器件上的瞬態(tài)電壓最高可達(dá)75V，甚至?xí)l(fā)生電池?fù)Q極。我們還要考慮到另一種共模情況：電源線路的分路開啟，且接地短路的情況。這時(shí)共模電壓為零。電流流動(dòng)時(shí)必須進(jìn)行檢測，也就是說，放大器在零共模電壓時(shí)也要能正常工作。最后，我們不妨考慮一下如圖4所示的脈沖寬度調(diào)制(PWM)螺線管驅(qū)動(dòng)器的情況。在本例中，螺線管頂部開啟時(shí)達(dá)到電池電壓。開關(guān)關(guān)閉時(shí)，電壓將回到二極管電壓降大小的負(fù)電平上。這就要求電流分路監(jiān)控器在低至–2V的共模電壓下仍能工作。
圖4PWM應(yīng)用中應(yīng)進(jìn)行電流檢測，即便在共模電壓降至二極管電壓降大小的負(fù)電壓的回掃期間也要進(jìn)行檢測。
在許多應(yīng)用中，電流應(yīng)與某個(gè)設(shè)定值相比較。通常說來，進(jìn)行電流比較還需要電流分路監(jiān)控器、比較器和參考電壓。此外，理想的比較器輸出應(yīng)與大多數(shù)常見的邏輯電路很好地兼容。圖5給出了電流比較的例子。在本例中，將電流與采用TIINA200系列電流分路監(jiān)控器和比較器的簡單單電壓結(jié)點(diǎn)進(jìn)行了比較。R1和R2形成分壓器，以根據(jù)INA200系列比較器的內(nèi)置0.6V電壓結(jié)點(diǎn)來設(shè)置電壓結(jié)點(diǎn)。(INA200系列的增益很有特點(diǎn)：INA200的增益為20，INA201的增益為50，INA202的增益為100。)
圖5簡單的單電壓結(jié)點(diǎn)電流比較某些系統(tǒng)需要不止一個(gè)電流限制電平。舉例來說，系統(tǒng)以較低的電流限制作為故障即將發(fā)生的指示器，而以較高限制作為關(guān)閉系統(tǒng)的標(biāo)志。INA206-INA208系列電流分路監(jiān)控器采用兩個(gè)比較器來實(shí)現(xiàn)上述功能。某些系統(tǒng)會(huì)對較低限制采用延遲輸出，以避免超出最低限制后引起不必要地觸發(fā)瞬態(tài)偏移。圖6中的電路將INA206電流分路監(jiān)控器部分的輸出反饋給兩個(gè)比較器，這會(huì)生成一個(gè)有效的低輸出警報(bào)，并為關(guān)閉MOSFET緩沖路徑提供適當(dāng)極性。
圖6顯示了電流與兩個(gè)電壓結(jié)點(diǎn)比較的電路。較低的電壓結(jié)點(diǎn)激活警報(bào)輸出，我們可為其配置一個(gè)適當(dāng)?shù)难舆t電路，以避免錯(cuò)誤的瞬態(tài)觸發(fā)。較低的電壓結(jié)點(diǎn)在比較器輸入端內(nèi)置閾值為0.6V。Q1為較高電壓結(jié)點(diǎn)輸出提供緩沖，通過電源開關(guān)MOSFET關(guān)閉電源，如果電流超過上限則啟用Q2。較高電壓結(jié)點(diǎn)采用INA206的1.2V參考電壓，INA206具有避免在沒有鎖存功能的電壓結(jié)點(diǎn)發(fā)生振蕩的鎖存功能。
圖6在該雙電平電流比較電路中，低電平延遲輸出可對即將發(fā)生的過載發(fā)出警報(bào)，支持鎖存功能的上限可將負(fù)載電源關(guān)閉。
