對(duì)于汽車電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，電池傳感器是一個(gè)極其重要的元件：它通過(guò)LIN總線連接電氣系統(tǒng)的電子控制單元(ECU)，用于顯示充電狀態(tài)、正常狀態(tài)和功能讀數(shù)狀態(tài)。

　　通常情況下，電池傳感器位于電池負(fù)極，用于測(cè)量低側(cè)電流、電壓和溫度。電池傳感器的工作原理是同時(shí)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(cè)量，并能夠動(dòng)態(tài)跟蹤電池阻抗。基于分流的低側(cè)電流檢測(cè)" title="電流檢測(cè)">電流檢測(cè)零偏移高精度測(cè)量系統(tǒng)與電壓檢測(cè)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(gè)高側(cè)傳感器運(yùn)行時(shí)，情況會(huì)怎樣呢？汽車設(shè)計(jì)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(guò)使用電池傳感器來(lái)測(cè)量供電系統(tǒng)的各個(gè)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(gè)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(jì)趨勢(shì)。

　　通過(guò)采用一個(gè)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(guò)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(duì)策。而第二種方法針對(duì)其可靠性和功耗問(wèn)題，需要使用昂貴的分立元件。

　　而如今，一個(gè)由奧地利微電子開(kāi)發(fā)的全新汽車電池檢測(cè)" title="電池檢測(cè)">電池檢測(cè)方法將可以實(shí)現(xiàn)汽車制造商要求的高側(cè)電池檢測(cè)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(gè)100μΩ分流電阻拾取精確的信號(hào)，適用于從1mA到大于1kA的電流范圍，幾乎沒(méi)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(huì)斷開(kāi)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(méi)有EMC方面的難度，因?yàn)橥ㄟ^(guò)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(gè)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(hào)調(diào)理、電源管理和通信層。電流檢測(cè)需要使用一個(gè)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(jiàn)圖1)。

圖1：用于高側(cè)汽車電池檢測(cè)的奧地利微電子雙芯片傳感器接口功能模塊

　　(負(fù)載、斬波器、PGA+電平轉(zhuǎn)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(duì)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(gè)原因，這里描述的奧地利微電子的電路采用了一個(gè)德國(guó)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(gè)銅軌時(shí)，由于信號(hào)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(shí)間的變化也很小，且可以預(yù)見(jiàn)。

極寬的測(cè)量范圍

　　汽車電池傳感器設(shè)計(jì)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(cè)量。這要求傳感器接口的測(cè)量范圍大于100mV，且分辨率優(yōu)于1μV。

　　這種測(cè)量系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是：

　　* 噪聲非常低

　　* 高線性

　　* 零偏移

　　無(wú)偏移測(cè)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(guò)一系列信號(hào)調(diào)理功能實(shí)現(xiàn)汽車的零偏移：

　　* 斬波模擬傳感器信號(hào)

　　* 放大和電平移位斬波信號(hào)

　　* 對(duì)數(shù)字化信號(hào)

　　* 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(gè)測(cè)量路徑的低頻噪聲成分。

　　如圖1所示，模擬信號(hào)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(hào)。斬波信號(hào)通過(guò)可編程增益放大器(PGA)放大，電平轉(zhuǎn)換到一個(gè)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(duì)于電壓測(cè)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(gè)數(shù)據(jù)采集通道(見(jiàn)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。

圖2 ：高側(cè)汽車電池傳感器的電壓檢測(cè)功能。

　　(負(fù)載、外部溫度傳感器、斬波器、內(nèi)部溫度傳感器、DSP+接口)

　　從功能模塊的劃分來(lái)看，AS8525具備每個(gè)與實(shí)際電池電壓相關(guān)的功能，但低電壓信號(hào)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(gè)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(gè)LIN總線收發(fā)器和高精度電壓衰減器。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以選擇使用AS8525內(nèi)的兩個(gè)獨(dú)立的LDO，將來(lái)自AS8510數(shù)字部分的模擬信號(hào)與來(lái)自微控制器的信號(hào)分離開(kāi)來(lái)。

　　溫度檢測(cè)有兩個(gè)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(guò)電池極、分流電阻和PCB拾取電池溫度" title="電池溫度">電池溫度。另外一個(gè)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。

　　大共模輸入信號(hào)產(chǎn)生的典型電流測(cè)量誤差為0.05％/V。由于用于分流電阻的共模輸入信號(hào)與電池電壓相同，而且電池電壓是與電流同步測(cè)量的，這個(gè)誤差可以利用外部微控制器的軟件來(lái)糾正。共模誤差的準(zhǔn)確值可以通過(guò)尾行校準(zhǔn)來(lái)捕捉：在兩個(gè)差分共模分流電壓中施加一個(gè)參考電流，作為校準(zhǔn)因子來(lái)測(cè)量偏差并存儲(chǔ)該準(zhǔn)確值。

圖 3 ：采用奧地利微電子AS8525和AS8510的高側(cè)汽車電池傳感器電路圖

　　具備SPI到微控制器輸出的高側(cè)電池傳感器電路見(jiàn)圖3。在PCB設(shè)計(jì)方面，分流電阻應(yīng)該用很短且對(duì)稱的信號(hào)線連接HRSHH和HRSHL。其他來(lái)源的任何一種耦合必須避免。最好的結(jié)果是將AS8525和AS8510直接焊接在PCB上的分流電阻上。通過(guò)下面的熱板加熱分流電阻直到焊錫熔化就可以實(shí)現(xiàn)。

　　為了獲得良好的EMC性能，所有的差分信號(hào)線都需要并攏在一起并盡可能對(duì)稱。

結(jié)論

　　AS8510 + AS8525芯片組為在1kHz的典型采樣率下的12V高側(cè)電流、電壓和溫度檢測(cè)系統(tǒng)提供了信號(hào)調(diào)理、電源管理和通信層。通過(guò)使用100μΩ分流電阻，在1,600A的電流范圍內(nèi)及精度優(yōu)于1%時(shí)，其分辨率可下降到2.5mA。電壓測(cè)量精度為12位或更高。

　　在電流監(jiān)測(cè)模式下待機(jī)電流通常是80μA。它完全符合所有適用的汽車標(biāo)準(zhǔn)。該芯片組的負(fù)載突降保護(hù)高達(dá)42V，并提供了分流和電池電壓檢測(cè)輸入極性反接保護(hù)。