一種高精度的12V汽車電池的高側(cè)檢測設(shè)計和實(shí)現(xiàn)

　　汽車電子化被認(rèn)為是汽車技術(shù)發(fā)展進(jìn)程中的一次革命，汽車電子化的程度被看作是衡量現(xiàn)代汽車水平的重要標(biāo)志，是用來開發(fā)新車型，改進(jìn)汽車性能最重要的技術(shù)措施。汽車制造商認(rèn)為增加汽車電子設(shè)備的數(shù)量、促進(jìn)汽車電子化是奪取未來汽車市場的重要的有效手段。 據(jù)統(tǒng)計，從1989年至2000年，平均每輛車上電子裝置在整個汽車制造成本中所占的比例由16%增至23%以上。一些豪華轎車上，使用單片微型計算機(jī)的數(shù)量已經(jīng)達(dá)到48個，電子產(chǎn)品占到整車成本的50%以上，目前電子技術(shù)的應(yīng)用幾乎已經(jīng)深入到汽車所有的系統(tǒng)。

　　通常情況下，電池傳感器位于電池負(fù)極，用于測量低側(cè)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(tài)測量，并能夠動態(tài)跟蹤電池阻抗。基于分流的低側(cè)電流檢測零偏移高精度測量系統(tǒng)與電壓檢測功能同步運(yùn)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(huán)境下使用。

　　但如果電池傳感器位于正極，作為一個高側(cè)傳感器運(yùn)行時，情況會怎樣呢？汽車設(shè)計師將能夠改變和優(yōu)化控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，例如，通過使用電池傳感器來測量供電系統(tǒng)的各個部分。它也可以結(jié)合相關(guān)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(shè)計趨勢。

　　通過采用一個電荷泵電平轉(zhuǎn)換技術(shù)，或者使用電氣隔離式電源和數(shù)字通信元件，在理論上可以實(shí)現(xiàn)將現(xiàn)有的低側(cè)電池傳感器移到高側(cè)，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(fù)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(fā)的全新汽車電池檢測方法將可以實(shí)現(xiàn)汽車制造商要求的高側(cè)電池檢測的準(zhǔn)確性、精度和魯棒性。它可確保利用電池高側(cè)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(shí)現(xiàn)了極低電流消耗下（約80μA）的待機(jī)電流、電壓和溫度監(jiān)控模式，且在正常運(yùn)行中不會斷開電池-- 這是汽車電池傳感器至關(guān)重要的要求。

　　它的實(shí)施沒有EMC方面的難度，因?yàn)橥ㄟ^共模抑制和ADC濾波器不僅消除了EMC,系統(tǒng)的輸出也可以經(jīng)由一個現(xiàn)有的ECU,降低了BOM成本。

　　分流電阻規(guī)格

　　本文描述著重于傳感器的信號調(diào)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(lián)負(fù)載的電池正極連接（見圖1）。

圖1：用于高側(cè)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

　　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?yàn)槿魏畏至麟娮柚灯贫紝⒅苯佑绊憘鞲衅鳟a(chǎn)生的電流讀數(shù)。

　　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(shù)不僅低，且同樣重要的是它的塞貝克系數(shù)與銅相似。這意味著，當(dāng)插入到一個銅軌時，由于信號產(chǎn)生而形成的熱電偶效應(yīng)是微不足道的。分流電阻值隨時間的變化也很小，且可以預(yù)見。

　　極寬的測量范圍

　　汽車電池傳感器設(shè)計中最有挑戰(zhàn)性的方面是在很寬的電流范圍--1mA至1kA下進(jìn)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(yōu)于1μV.

　　這種測量系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是：

　　* 噪聲非常低

　　* 高線性

　　* 零偏移

　　無偏移測量系統(tǒng)通常采用連續(xù)偏移消除技術(shù)。本文提及的高側(cè)電池傳感器解決方案是通過一系列信號調(diào)理功能實(shí)現(xiàn)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(shù)字化信號

　　* 數(shù)字域再斬波

　　這種架構(gòu)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。

　　如圖1所示，模擬信號斬波器位于AS8525的輸入焊點(diǎn)，它在標(biāo)稱14V共模輸入電壓下接收分流信號。斬波信號通過可編程增益放大器（PGA）放大，電平轉(zhuǎn)換到一個低共模電壓，并轉(zhuǎn)發(fā)到AS8510模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。（在此應(yīng)用中，AS8510的內(nèi)部斬波器必須禁用，且PGA必須旁路。）專用的Chop_Clock引腳必須啟用，以支持平均和斬波功能的同步。

　　對于電壓測量，電池電壓由AS8525內(nèi)部的精密電阻衰減器進(jìn)行衰減，并以差分形式轉(zhuǎn)發(fā)到AS8510的第二個數(shù)據(jù)采集通道（見圖2）。該通道可以復(fù)用外部或內(nèi)部溫度傳感器的輸入通道。

　　從功能模塊的劃分來看，AS8525具備每個與實(shí)際電池電壓相關(guān)的功能，但低電壓信號調(diào)理功能是在AS8510內(nèi)實(shí)現(xiàn)的。AS8525是由0.35微米60V CMOS技術(shù)制造的，它也提供了兩個帶有上電復(fù)位和電壓監(jiān)控的低壓降穩(wěn)壓器（LDO），以及一個LIN總線收發(fā)器和高精度電壓衰減器。系統(tǒng)設(shè)計人員可以選擇使用AS8525內(nèi)的兩個獨(dú)立的LDO,將來自AS8510數(shù)字部分的模擬信號與來自微控制器的信號分離開來。

　　溫度檢測有兩個選擇：如果傳感器位于電池極，AS8510的內(nèi)部溫度傳感器能通過電池極、分流電阻和PCB拾取電池溫度。另外一個選擇，如果傳感器的電子部分位于遠(yuǎn)離電池的另一車廂，就要使用外部溫度傳感器。