ZHCY211 December 2024 AMC0106M05 , AMC0106M25 , AMC0136 , AMC0311D , AMC0311S , AMC0386 , AMC0386-Q1 , AMC1100 , AMC1106M05 , AMC1200 , AMC1200-Q1 , AMC1202 , AMC1203 , AMC1204 , AMC1211-Q1 , AMC1300 , AMC1300B-Q1 , AMC1301 , AMC1301-Q1 , AMC1302-Q1 , AMC1303M2510 , AMC1304L25 , AMC1304M25 , AMC1305M25 , AMC1305M25-Q1 , AMC1306M05 , AMC1306M25 , AMC1311 , AMC1311-Q1 , AMC131M03 , AMC1336 , AMC1336-Q1 , AMC1350 , AMC1350-Q1 , AMC23C12 , AMC3301 , AMC3330 , AMC3330-Q1
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- 引言
- 隔離式信號鏈簡介
- 選擇樹
- 電流檢測
- 電壓感測
- EMI 性能
- 終端設備
- 其他參考設計/電路
引言
與汽油或柴油車輛相比，電動汽車 (EV) 和混合動力汽車 (HEV) 具有更高的燃油效率和更低的排放量，并且使用可再生能源供電，因此其全球市場正以迅猛速度增長。要控制 HEV/EV 動力總成子系統（例如牽引逆變器、車載充電器(OBC)、直流/直流轉換器和電池管理系統 (BMS)）的能量流并優化效率，精準的電流測量至關重要。這些高電壓子系統必須在通常大于 400V 的高電壓下測量大電流。因此，在嚴苛的汽車環境中進行此類電流測量時需要實現隔離和高性能。
不同的隔離式電流測量方法
每個 HEV/EV 應用都具有不同的成本、精度、信號帶寬、延遲、測量范圍、隔離等級和封裝尺寸要求，有多種隔離式電流測量方法可供使用。不過，HEV/EV 子系統中使用的主要方法有兩種，一種是基于采樣電阻：使用隔離式放大器（圖 68）或隔離式調制器（圖 69），另一種是基于霍爾傳感器：使用開環（圖 70）或閉環（圖 71）霍爾傳感器。
 圖 68 隔離式放大器 |
 圖 69 隔離式調制器 |
 圖 70 開環霍爾傳感器 |
 圖 71 閉環霍爾傳感器 |
基于采樣電阻和基于霍爾傳感器方法的比較
過去，設計人員更偏向將基于采樣電阻的解決方案用于低電流 (<50A) 測量，將基于霍爾傳感器的解決方案用于高電流 (>50A) 測量。但是，由于電流測量精度要求越來越高，汽車供應商逐漸從基于霍爾傳感器的方法轉而采用基于采樣電阻的方法，尤其是在高電流環境中。汽車供應商甚至趨向于從基于隔離式放大器的解決方案轉向基于隔離式調制器的解決方案，以便進一步提高測量精度。
德州儀器 (TI) 提供先進的隔離式放大器和隔離式調制器，配合高精度采樣電阻使用，可幫助在整個溫度范圍內實現非常精確的隔離式電流測量。表 10 顯示了在高電流汽車環境中，基于采樣電阻和基于霍爾傳感器的隔離式電流檢測解決方案的基本差異。
| 類別 | 基于采樣電阻 | 基于霍爾傳感器 |
|---|---|---|
| 解決方案尺寸 | 類似 | 類似 |
| 偏移 | 超低 | 中 |
| 不同溫度下的溫漂 | 低 | 中 |
| 精度 | 校準后 <0.5% | 校準后 <2% |
| 噪聲 | 超低 | 高 |
| 帶寬 | 類似 | 類似 |
| 延遲 | 類似 | 類似 |
| 非線性度 | 超低 | 高 |
| 長期穩定性 | 非常高 | 中 |
| 成本 | 類似 | 類似 |
| 振動影響 | 超低 | 低 |
| 功率耗散 | 低 | 超低 |
| 定制 | 靈活 | 受限 |
基于采樣電阻和基于霍爾傳感器方法的分析
- 霍爾傳感器本來就是隔離的，允許采用單模塊方法。另一方面，基于采樣電阻的解決方案則需要一個隔離式放大器或調制器，以及一個用于高共模電壓側的隔離式電源。
- 基于采樣電阻的解決方案具有非常低的初始失調電壓，隨溫度變化的溫漂較低并且不易受到外部磁場的影響。
- 與基于霍爾傳感器的非線性解決方案相比，基于采樣電阻的解決方案在整個電壓范圍內是線性的，尤其是在過零點處和磁芯飽和區域附近時。
- 基于霍爾傳感器的解決方案只能進行一次基本校準，而基于采樣電阻的解決方案可在整個溫度范圍內實現更高的直流精度。由于對外部磁場的敏感度有限，基于采樣電阻的解決方案的準確度要高得多，在低電流情況下尤其如此。
- 直列式采樣電阻上的壓降會導致產生熱耗散和功率損耗。但是，隨著采樣電阻技術的改進，采樣電阻變得更輕便、歐姆值更小、精度和漂移性能也得到改善。使用低歐姆值采樣電阻可降低熱耗散。此外，德州儀器 (TI) 的隔離式放大器和調制器支持非常小的輸入電壓范圍（±50mV 和 ±250mV），并具有出色的總體精度。采樣電阻技術的這些改進，加上可以使用具有小輸入范圍的隔離式器件，可使系統在不影響總體測量精度的情況下實現更低的熱耗散。
- 霍爾傳感器的工作溫度范圍一般是有限的（通常為 –40°C 至 +85°C），而基于采樣電阻的解決方案可支持更高的工作溫度范圍（通常為 –40°C 至 +125°C）。
- 基于霍爾傳感器的解決方案和基于采樣電阻的隔離式放大器解決方案提供類似的信號帶寬，通常高達幾百千赫茲 (kHz)。不過，隔離式調制器提供一個高速位流輸出，支持用戶在外部實施和自定義數字濾波。借助此類定制，用戶可以開發具有高信號帶寬和低延遲的解決方案。
牽引逆變器中基于采樣電阻的隔離式電流檢測
牽引逆變器控制電機，是 HEV/EV 傳動系統中的關鍵元件。牽引逆變器需要在高共模電壓下進行準確的電流檢測。因此，可以使用兩種基于采樣電阻的方法之一來實現牽引逆變器中的電流測量。
圖 72 展示了熱側（高共模電壓）采樣電阻上的壓降通過汽車級增強型隔離式放大器（如 AMC1301-Q1）與冷側隔離。
圖 73 展示了第二種基于采樣電阻的測量方法，該方法使用汽車級增強型隔離式調制器（如 AMC1305M25-Q1）將熱側采樣電阻上的壓降與冷側隔離。
圖 72 使用隔離式放大器進行隔離式電流測量
圖 73 使用隔離式調制器進行隔離式電流測量為了提高測量精度，請使用隔離式調制器，因為該解決方案無需額外的模數轉換級，并可以避免因此造成的相關誤差。隔離式調制器的高速位流輸出由 TI C2000 系列（具有內置 Σ-Δ 濾波器模塊 (SDFM)）等微控制器 (MCU) 進行濾波，或由 FPGA 進行濾波，從而使用戶能夠對信號帶寬和精度進行微調。
汽車隔離式器件建議
| 器件 | 隔離 | 說明 |
|---|---|---|
| AMC1305-Q1 | 增強型 | ±50mV、±250mV 隔離式調制器 |
| AMC1301-Q1 | 增強型 | ±250mV 隔離式放大器 |
| AMC1302-Q1 | 增強型 | ±50mV 隔離式放大器 |
結語
HEV/EV 子系統中的隔離式電流檢測有多種測量方法，包括基于采樣電阻的方法和基于霍爾傳感器的方法。隨著經濟實惠的高精度采樣電阻以及高性能隔離式放大器和調制器的不斷發展，基于采樣電阻的解決方案已成為基于霍爾傳感器的傳統解決方案的良好替代方案。