宽电流传感拓扑实现高精度12V汽车电池的高侧检测

为了提高新车的燃油经济性，汽车中越来越多的功能正在电子化，以减少内燃机的连续负载。这些功能包括水、油和燃料泵，气门驱动和动力转向系统。由于电力负荷是由发动机转移到汽车电池，保持电池充电和正常工作的要求变得更加重要。
   对于汽车电气系统设计师来说，电池传感器是一个极其重要的元件：它通过LIN总线连接电气系统的电子控制单元(ECU)，用于显示充电状态、正常状态和功能读数状态。
   通常情况下，电池传感器位于电池负极，用于测量低侧电流、电压和温度。电池传感器的工作原理是同时捕捉1kHz的采样率下的电池电流和电压值。这需要极高精度的充电状态测量，并能够动态跟踪电池阻抗。基于分流的低侧电流检测零偏移高精度测量系统与电压检测功能同步运行，可在几乎零插入损耗的情况下满足精度要求。它适于在恶劣的汽车环境下使用。
   但如果电池传感器位于正极，作为一个高侧传感器运行时，情况会怎样呢？汽车设计师将能够改变和优化控制网络拓扑结构，例如，通过使用电池传感器来测量供电系统的各个部分。它也可以结合相关的模块，如配电箱，以及连接一个共享的微控制器，从而降低材料清单(BOM)成本。这也符合使用更少且更集中ECU的汽车设计趋势。
   通过采用一个电荷泵电平转换技术，或者使用电气隔离式电源和数字通信元件，在理论上可以实现将现有的低侧电池传感器移到高侧，使传感器的电源提高到超过电池12V的水平。第一种方法将受到功率脉冲的影响，需要复杂且难度很大的EMC对策。而第二种方法针对其可靠性和功耗问题，需要使用昂贵的分立元件。
   而如今，一个由奥地利微电子开发的全新汽车电池检测方法将可以实现汽车制造商要求的高侧电池检测的准确性、精度和鲁棒性。它可确保利用电池高侧的一个100μΩ分流电阻拾取精确的信号，适用于从1mA到大于1kA的电流范围，几乎没有插入损耗。更重要的是，它实现了极低电流消耗下(约80μA)的待机电流、电压和温度监控模式，且在正常运行中不会断开电池-- 这是汽车电池传感器至关重要的要求。
   它的实施没有EMC方面的难度，因为通过共模抑制和ADC滤波器不仅消除了EMC，系统的输出也可以经由一个现有的ECU，降低了BOM成本。
   分流电阻规格
   本文描述着重于传感器的信号调理、电源管理和通信层。电流检测需要使用一个低插入损耗的100μΩ分流电阻，它与串联负载的电池正极连接(见图1)。
   
   图1：用于高侧汽车电池检测的奥地利微电子双芯片传感器接口功能模块
   (负载、斩波器、PGA+电平转换、禁用斩波、旁路PGA、DSP+接口、Chopclock同步)
   如上所述，汽车电池传感器对精度的要求非常高。显然，分流电阻的温度漂移必须非常小，因为任何分流电阻值漂移都将直接影响传感器产生的电流读数。
   由于这个原因，这里描述的奥地利微电子的电路采用了一个德国伊萨公司(Isabellenhuette)的100μΩ BAS分流电阻。这种分流电阻使用锰铜合金作为电阻性元件。其温度系数不仅低，且同样重要的是它的塞贝克系数与铜相似。这意味着，当插入到一个铜轨时，由于信号产生而形成的热电偶效应是微不足道的。分流电阻值随时间的变化也很小，且可以预见。
   极宽的测量范围
   汽车电池传感器设计中最有挑战性的方面是在很宽的电流范围--1mA至1kA下进行非常精确的测量。这要求传感器接口的测量范围大于100mV，且分辨率优于1μV。
   这种测量系统的主要特点是：
   * 噪声非常低
   * 高线性
   * 零偏移
   无偏移测量系统通常采用连续偏移消除技术。本文提及的高侧电池传感器解决方案是通过一系列信号调理功能实现汽车的零偏移：
   * 斩波模拟传感器信号
   * 放大和电平移位斩波信号
   * 对数字化信号
   * 数字域再斩波
   这种架构有助于消除偏移和传感器接口的整个测量路径的低频噪声成分。
   如图1所示，模拟信号斩波器位于AS8525的输入焊点，它在标称14V共模输入电压下接收分流信号。斩波信号通过可编程增益放大器(PGA)放大，电平转换到一个低共模电压，并转发到AS8510模数转换器(ADC)。(在此应用中，AS8510的内部斩波器必须禁用，且PGA必须旁路。)专用的Chop_Clock引脚必须启用，以支持平均和斩波功能的同步。
   对于电压测量，电池电压由AS8525内部的精密电阻衰减器进行衰减，并以差分形式转发到AS8510的第二个数据采集通道(见图2)。该通道可以复用外部或内部温度传感器的输入通道。
   
   图2 ：高侧汽车电池传感器的电压检测功能。
   (负载、外部温度传感器、斩波器、内部温度传感器、DSP+接口)
   从功能模块的划分来看，AS8525具备每个与实际电池电压相关的功能，但低电压信号调理功能是在AS8510内实现的。AS8525是由0.35微米60V CMOS技术制造的，它也提供了两个带有上电复位和电压监控的低压降稳压器(LDO)，以及一个LIN总线收发器和高精度电压衰减器。系统设计人员可以选择使用AS8525内的两个独立的LDO，将来自AS8510数字部分的模拟信号与来自微控制器的信号分离开来。
   
   温度检测有两个选择：如果传感器位于电池极，AS8510的内部温度传感器能通过电池极、分流电阻和PCB拾取电池温度。另外一个选择，如果传感器的电子部分位于远离电池的另一车厢，就要使用外部温度传感器。
   大共模输入信号产生的典型电流测量误差为0.05％/V。由于用于分流电阻的共模输入信号与电池电压相同，而且电池电压是与电流同步测量的，这个误差可以利用外部微控制器的软件来纠正。共模误差的准确值可以通过尾行校准来捕捉：在两个差分共模分流电压中施加一个参考电流，作为校准因子来测量偏差并存储该准确值。
   
   图 3 ：采用奥地利微电子AS8525和AS8510的高侧汽车电池传感器电路图
   具备SPI到微控制器输出的高侧电池传感器电路见图3。在PCB设计方面，分流电阻应该用很短且对称的信号线连接HRSHH和HRSHL。其他来源的任何一种耦合必须避免。最好的结果是将AS8525和AS8510直接焊接在PCB上的分流电阻上。通过下面的热板加热分流电阻直到焊锡熔化就可以实现。
   为了获得良好的EMC性能，所有的差分信号线都需要并拢在一起并尽可能对称。
   结论
   AS8510 + AS8525芯片组为在1kHz的典型采样率下的12V高侧电流、电压和温度检测系统提供了信号调理、电源管理和通信层。通过使用100μΩ分流电阻，在1,600A的电流范围内及精度优于1%时，其分辨率可下降到2.5mA。电压测量精度为12位或更高。
   在电流监测模式下待机电流通常是80μA。它完全符合所有适用的汽车标准。该芯片组的负载突降保护高达42V，并提供了分流和电池电压检测输入极性反接保护。