寬電流傳感拓撲實現高精度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。由于電力負荷是由發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總線連接電氣系統的電子控制單元(ECU)，用于顯示充電狀態、正常狀態和功能讀數狀態。

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測量，并能夠動態跟蹤電池阻抗?；诜至鞯牡蛡?a target="_blank">電流檢測零偏移高精度測量系統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字通信元件，在理論上可以實現將現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的全新汽車電池檢測方法將可以實現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，它實現了極低電流消耗下(約80μA)的待機電流、電壓和溫度監控模式，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，系統的輸出也可以經由一個現有的ECU，降低了BOM成本。

分流電阻規格

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。

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。其溫度系數不僅低，且同樣重要的是它的塞貝克系數與銅相似。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，且分辨率優于1μV。

這種測量系統的主要特點是：

* 噪聲非常低

* 高線性

* 零偏移

無偏移測量系統通常采用連續偏移消除技術。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

* 對數字化信號

* 數字域再斬波

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。