引言

　　现代汽车电气系统设计目前正处于有史以来变化最大的时期之一。从革命性的两用型电动机/发电机混合电力推进和功能可选的电起动装置到使用寿命和效率有所改进的智能附件（例如：无带式泵和 LED 照明）等等正在被迅速地集成到新型车辆之中。用户越来越期望拥有自动化车载诊断系统和预测性保养功能，这也促进了各种新式车体和发动机管理系统设计的出现。在很多上述系统设计领域，一个关键的反馈信息是特定负载上的电流。电流测量用来分析状态是否正常，为故障保护和控制规则实施提供依据。在这一领域出现的基本变化是，智能高效的“闭环”系统正在取代过去传统的“开环”系统。

　　基本电流检测拓扑

　　尽管非接触式电流测量是可以实现的，但是这种方法一般需要高成本的仪器或昂贵的电源单元产品，因此在成本和复杂性都允许的情况下才会使用这种方法。在汽车领域，低成本是关键因素，所以采用检测电阻测量方法是最适合的。

　　这样，串联一个小阻值的检测电阻到负载上，并在向负载供电时测量电阻上产生的压降，就可以准确推算出电流值。因为我们不想让检测电阻分去负载上的电源电压或产生大量热量，所以所选择的电阻值一般都非常小，量级仅为几个mΩ。

　　就开关、负载（LOAD）和检测电阻的串联连接而言，基本上有6种不同的拓扑，如图1(a)~1(f)所示。这些拓扑可以根据开关相对于负载的位置归类为高端开关（HIGH-SIDE SWITCH）或低端开关（LOW-SIDE SWITCH）;以及根据电阻相对于电源的位置归类为低端检测（LOW-SIDE SENSE）、“浮动”检测（“FLYING”SENSE）或高端检测（HIGH-SIDE-SENSE）。每种方案就某些特定应用而言都有可能是最佳解决方案。一般而言，检测电阻浮动连接的情形是最复杂的，因为电阻两端的电位作为负载活动状态的函数变化极大，因此需要具有良好共模抑制能力的差分测量方法。表面上看来，最简单的配置是低端检测，因为电流测量已经以地为基准;但是在使用远端接地的情况下，这种配置会引入底盘压降误差和 / 或额外的连线。另一种需要考虑的情况是出现故障时，故障视负载特性的不同而不同。作为一个经验法则，人们一般会假定，最可能发生的故障是与机架（电气地）相连，这或者是由扳手触碰带电的裸露端子引起，或者由外皮磨破的电线与接地的金属部件接触引起。在这种情况下，低端检测具有与生俱来的缺点。在大多数应用中，图1（c）的配置都是优选拓扑，因为它允许把开关和监视功能集中到一起，同时还可保持较少的连线数。

　　现代负载与智能开关

　　自从功率 MOSFET 器件推出以来，设计师们一直将它们视作继电器的潜在替代产品。尽管硅片结构本身能够胜任这一任务，但是电线连接疲劳、成本（由于大的芯片面积）、电路拓扑和热管理问题妨碍了这一目标的实现。尤其是，白炽灯负载非常严酷，在接通时具有大的浪涌电流，这降低了 MOSFET 解决方案本来很高的可靠性。现在，人们正在迅速放弃传统的白炽灯照明，转而选择采用发光二极管（LED）和高强度气体放电（HID）技术。在有些情况下（像 HID），负载已经以电子方式进行管理了，因此电源动作电路中纳入了软启动功能。就 LED 负载而言，固有启动速度很快，而且工作状态很好（没有电流过冲）。这种基本技术转变现在再次为 MOSFET 开关技术的使用创造了机会，因为疲劳问题可以避免。

　　MOSFET 开关还存在其它一些需要消除的限制因素。其中之一是有限地过载能力：在负载出现故障的情况下（例如短路），MOSFET 在保护性热保险丝将电源与电路断开之前也许跟着出现故障。另一个是，在接通状态，器件中存在必须处理以及大小为I2 x R_ON的功耗。另外，将汽车底盘作为公共返回电气通路以节省连线的传统做法使得MOSFET 开关拓扑必须选择高端配置，这对于以更高性能的 NMOS 器件来说有点不方便，因为在启动时其栅极控制需要比负载/电源更高的电位。

　　幸运的是，MOSFET 制造技术的进步和控制电路的发展已经解决了所有这些问题。现代 N-MOSFET 开关的导通电阻值在mΩ范围内，允许使用没有笨拙散热结构的标准表面贴装技术。为了实现高端配置的方便性和较少的连线数，已经开发出了低价集成电路（IC）解决方案，这种方案可提供自含式升压栅极驱动功能。这些电路还采用了快速故障保护机制，这样 MOSFET 就永远不会有出现故障的风险。凌特公司的 LT1910 就是这样的“智能开关”控制集成电路，该器件利用低阻值高端电流检测电阻（类似图 1（c））检测电路过载，并在发生损害之前关断正在工作的 MOSFET。该集成电路一但检测到过载情况，就设置一个警告标记，并周期性地尝试

　　实时电流监视

　　电流检测除了提供智能开关保护，检测电阻上的信号放大和转换后还允许数字化，并将数字化后的信号作为控制环路的“模拟”反馈信号。电流监视可以实时揭示很多负载的工作特性。例如，电动机消耗的电流与其扭矩成正比，因此可以推算出轴承摩擦阻力的变化趋势，而且无需另外的传感器就可检测各种起动器的状态。其它负载（如照明）常常是用共用电源以并联方式驱动的，因此确定某些部分的负载是否在寿命已到时未能开路只是精确度的问题。

　　实现上述功能的一个特别简单的集成电路解决方案是电流检测放大器，凌特公司的 LTC6101 就是这种集成电路的一个实例，该器件为单向高端汽车检测而优化。图3显示了一个用LTC6101将通用电流检测输出连接到模数转换器（ADC）输入的典型电路实例。这个电路中增加的器件D1和R3提供电源反向瞬态保护。

　　在规定电流检测放大器的准确度时，需要考虑几个因素。标度因数准确度将取决于所用检测电阻的质量和放大器增益准确度（或可能使用的增益电阻）。动态范围将由失调规格和检测放大器的增益以及 ADC 的失调和分辨率特性决定。电阻容限决定最初的准确度，温度系数决定标度因数的稳定性。偏移衡量在低输入电平时实际转移函数与理想转移函数的接近程度，在零电流情况下代表最大残留信号输出。表 1 列举了一些可用检测放大器及其基本特性。

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　　采用脉冲调制负载时需考虑的因素

　　就采用高频脉冲宽度调制（PWM）技术产生可变性能级别的占空比调制负载来说，在设计电流监视电路时还要考虑其它一些因素。其中主要的一点是响应时间需要足够快，以在波形的接通部分对故障情况做出响应。另一点是，开关动作不应该对电流读数保真度造成太大干扰。通常情况下，图 1（c）配置再次提供了最佳结果，因为这个电路的阻抗很低，共模问题最小。在期望得到平均负载电流（直流分量）的情况下，可以使用在模拟或数字信号处理（DSP）领域使用的后置滤波来去除与 PWM 有关的频率分量。平均电源电流值与负载电流有关是意料之中的事，这个值为主观性效果提供了一个良好的指示，不管是灯的强度还是起动力都一样。

　　监视H桥式驱动器的电流

　　一个 H桥式驱动器可以看作是以互补信号工作产生双向差分输出的一对半桥。每个半桥可以看作是图1（c）单向电路的扩展，即在图1（c）配置上增加与负载并联的低端开关。

　　注意，对于接地故障，低端 MOSFET 不会受到过大压力，因此监视高端的每个半桥就可提供所有所需的信息。负载电流可由两个半桥的单向电流读数差确定。图4显示的是用一对 LTC6101 组成的电路，这两个器件产生适合直接驱动 ADC 的差分输出。像这样的电路适用于车窗起落、环境气氛控制等要求中的电动机，而且无论在哪里，都可完成逆向动作。

　　注意“浮动”检测电阻的使用，如图5所示。尽管表面上看来这种电路效率更高，但是它不能检测所有接地故障，而且在 PWM 应用中共模馈通问题还会导致时间域保真度差到不可接受。尽管采用滤波后，它仍然可以适用于控制规则反馈（然后，保护再分别实施），但是一般而言，这些缺点使“浮动”电路对快速保护是无效的。

　　监视三相桥式驱动器电流

　　三相桥是 H桥概念的简单延伸，它在 H桥的基础上又增加了一个半桥，并对开关活动重新定时以做出满足所要求相位关系的动作。三相电路在大扭矩双向起动器中是有好处的，因为它们可以产生与无刷交流电动机结构兼容的波形。就像用 H桥时一样，最实际的电流监视方案是高端检测，在这种情况下，使用 3 个监视电路，如图6所示。尽管检测放大器只响应正相位电流（即对交流电流波形进行半波整流），但是输出经过处理后仍然可以代表用于控制规则实施的均方根（RMS）电流（尤其有好处的是将3个输出加在一起最大限度地减少了所需的滤波工作）。瞬时响应为每个半桥部分连续提供故障检测。

　　结论

　　在现代汽车开发中，电子驱动功能正在猛增。经济的控制设计除了需要坚固性，还具有以闭环方式监视系统中负载电流的诊断功能。无论驱动器是单端、H桥型还是三相型，高端电流检测都为实现监视功能提供了最实际的方法。