電流感測量測在汽車系統中的應用

輝輝仔

今日的汽車電氣系統設計正處於有史以來變化最大的時期之一。從革命性的兩用馬達/發電機混合電推進和‘線傳飛控(fly-by-wire)’電力啟動裝置，到用於延長使用壽命和提高效率的智慧型配件(如無帶式幫浦和LED照明)等，都被一一整合至新型車輛中。
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使用者越來越期望擁有自動化車載診斷系統和預測性保養功能，這也促進了各種新式車體和引擎管理系統設計的出現。在許多此類系統重新設計領域中，一項重要的資訊回饋就是特殊負載所使用的電流。電流量測用來分析狀態是否正常，以為故障保護和控制規則實施提供依據。在這一領域出現的基本變化是，智慧型高效率的‘閉迴路’設計正在取代過去傳統的‘開迴路’系統。

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) G) U* O( v. s6 s! X( ^/ m基本電流感測架構

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儘管非接觸式電流測量已可實現，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品，因此在成本和複雜性都允許的情況下，才會使用這種方法。在汽車領域中，低成本是關鍵因素，所以採用感測電阻測量方法是最適合的。串聯一個小電阻值的感測電阻(毫歐姆量級)到負載上，並在向負載供電時測量電阻上產生的壓降，就可以準確推算出電流值。

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就開關、負載和感測電阻的串聯連接而言，基本上有6種不同的架構，如圖1(a)至圖1(f)所示。這些架構可以根據開關相對於負載的位置歸類為高壓端開關或低壓端開關；也可根據電阻相對於電源端的位置歸類為低壓端感測、‘浮置’感測或高壓端感測。就某些特定應用而言，各方案都可能是最佳解決方案。


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圖1：6種基本電流感測配置。
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4 L4 ?0 N; M' y5 H另一種需要考慮的情況是出現故障時，故障視負載特性的不同而有所不同。根據經驗法則，人們一般會假定最可能發生的故障是與機架(電氣接地端)相關，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與接地的金屬元件接觸引起。在這種情況下，低壓端感測具有與生俱來的缺點。在大多數應用中，圖1(c)的配置都是優選架構，因為它允許把開關和監視功能集中在一起，同時還可保持較少的連線數。
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# q" r( ?0 b+ Y$ B6 p: \自從功率MOSFET元件推出以來，設計者一直將它們視作繼電器的潛在替代產品。現代N-MOSFET開關的導通電阻值在一位數毫歐姆範圍內，因此可使用不具笨拙散熱結構的標準表面黏著技術。目前已經開發出低價IC解決方案，這種方案可提供自足式升壓閘極驅動功能。這些電路還採用了快速故障保護機制，如此MOSFET就永遠不會有故障的風險。凌力爾特的LT1910就是此類型的‘智慧型開關’控制IC，該元件利用低阻值高壓端電流感測電阻(類似圖1(c))感測電路過載，並在發生損害之前關斷正在工作的MOSFET。當該IC一感測出過載情況時，便會設定一警告標記，並週期性地嘗試重新啟動該負載，直到故障清除為止。儘管這個IC本質上只是二進位，但是就用電流感測形成如圖2所示的堅固‘閉迴路’電子繼電器解決方案而言，這是一個不錯的實例。
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! ]8 u# N& n0 @  H2 m% R圖2：10A保護的高壓端‘智慧型’開關
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2 ]% w: w6 G0 @即時電流監視
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電流感測除了提供智慧型開關保護，感測電阻上的訊號放大和轉換後還允許數位化，並將數位化後的訊號作為控制迴路的‘類比’回饋訊號。電流監控可即時揭示很多負載的工作特性。例如，馬達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，而且無需額外的感測器就可感測各啟動器的狀態。其他負載(如照明)常常是以共用的電源透過並聯方式驅動，因此，確定某些部分的負載是否因壽命已到而未能開路，則只是精確度的問題。

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# s7 p' p. x9 ]1 d實現上述功能的一個特別簡單的IC解決方案，是電流感測放大器，凌力爾特的LTC6102便是此IC的實例，該元件為精確的單向高壓端汽車感測而最佳化。圖3顯示一個以LTC6102將通用電流感測輸出連接到類比數位轉換器(ADC)輸入的典型電路實例。請注意，LTC6102的輸出是電流，因此重建負載(R2)可以放置在與該IC有一段距離之處，而不會導致接地迴路誤差。由於該IC具有極高的精確度，甚至低於毫歐姆的RSENSE值也是實用的，因此熱量和電壓損耗最小。這個電路中增加的元件D1和R3提供電源逆向暫態保護。

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圖3：具有保護的電流感測電路驅動ADC輸入

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8 H% ~% g+ Y$ _: t; C- ^; r表1列舉一些可用的感測放大器及其基本特性
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表1：各種可用電流感測放大器
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採用脈衝調變負載的考量
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8 v! `) o$ S! I, Y: Q8 P, i就採用高頻脈衝寬度調變(PWM)技術，來產生可變效能級別之工作週期調變負載而言，在設計電流監控電路時，還需考慮一些其他因素，其中，主要為響應時間需夠快，以在波形接通部分對故障情況做出回應。另一點是，開關動作不應該對電流讀數逼真度造成太大干擾。一般情況而言，圖1(c)配定再次提供了最佳結果，因為這個電路的阻抗很低，共模問題最小。在期望得到平均負載電流(直流分部)的情況下，可以使用在類比或數位訊號處理(DSP)領域使用的後置濾波來去除與PWM有關的頻率分量。平均電源電流值與負載電流有關是意料中的事，這個值為主觀性效果提供了一個良好的指示，不管是燈的強度還是啟動力都一樣。
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監視H橋驅動器的電流


H橋式驅動器可是為以互補訊號工作，以產生雙向差動輸出的一對半橋。每個半橋可以看作是圖1(c)單向電路的擴展，即在圖1(c)配置上增加與負載並聯的低壓端開關。圖4顯示的是用一個LTC6103組成的電路，這兩個元件產生適合直接驅動ADC的差動輸出。類似這樣的電路適用於車窗起降、環境氣氛控制等機制中的馬達，而且無論在哪裡都可完成逆向動作。
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圖4：用於H橋式應用的高壓端電流監視器
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% H7 I. K/ n+ `0 J# T0 V' A( y6 ~) p注意，對於負載接地故障，低壓端MOSFET不會受到過大壓力，因此監視高壓端的每個半橋就可提供所有需要的資訊。負載電流可由兩個半橋的單向電流讀數差來確定。另外，由於具備符號數值控制，因此高壓端開關100%接通時，準確測量負載電流無需工作周期校正。
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本文小結
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1 [' R+ `$ S3 s) l在現代汽車開發中，電子驅動功能正迅速提升。經濟性的控制設計雖然需要堅固性，但是增加了以閉迴路方式監視系統中負載電流的診斷功能。無論驅動器是單端還是H橋型，高壓端電流感測都是最實際實現監視器功能的方法。LT6100系列提供了豐富的電流感測放大器選擇，該系列IC可滿足多種應用的特定需求，諸如組成精準/高效率、工作電壓、高溫工作監視解決方案，以及經濟實用的高壓端監視解決方案。

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