高边检流放大器监测PWM负载电流

高精度、高边电流检测对于汽车控制系统至关重要，例如电动助力转向、自动变速、传动控制、发动机燃料喷射控制、制动阀控制、以及主动悬挂系统。所有这些应用都需要精密调节通过电机或螺线管的电流，以控制电机扭矩或螺线管驱动。本文介绍的电路采用精密、高边检流放大器，用于监测宽输入共模电压范围内的负载电流。该电路适用于由于电感、电池反接或瞬态事件会造成输入共模电压达到负压的应用。

电动助力转向(EPS)系统中的电流检测

EPS不同于传统的助力转向系统，它没有液压泵或液体。而是将一个电机通过齿轮机构安装在转向齿条上。驾驶员转动方向盘时，转向传感器检测方向盘的位置和转速。该信息与来自安装在转向轴上的转向扭矩传感器输入一起馈送至助力转向控制模块。为确定所需的转向助力，控制模块接受来自车速传感器、牵引力控制和稳定性控制系统的输入(图1)。

连接动力模块的接口允许控制模块调节电机电流。增大电机电流则增大助力，反之亦然。电机电流往往通过采用H桥电路(图2)送入脉宽调制(PWM)电压进行控制。以下的真值表(表1)汇总了H桥电路的不同工作模式。电机可作为电感负载，因此扭矩通过对产生的纹波电流进行平均来确定，即为驾驶员提供的最终助力。

电流测量器件监测电机电流并向控制模块提供实时反馈，从而使该模块调节PWM占空比，直到电流达到其目标值。测量电机电流的常用方法是与电流路径串联一个低值检测电阻，该电阻上产生一个小压降。该差分电压被电流检测放大器放大，以表示电流幅值。

电流检测提供三个选项：低边、高边和电机上。相对应地，可将检测电阻置于H桥和地之间(低边电流检测)、直流总线基部或电池正极端子和H桥之间(高边电流检测)，或者直流总线的高边或电机本身(输出电机PWM电流检测)。需要对这些替代方案进行不同的折衷。低边方法较方便，但是在接地回路增加了不需要的电阻，并且它缺少检测对地短路故障的诊断能力。无论是高边还是低边方法，都能够持续监测二极管中的电流。不过PWM电流检测没有这些缺点。

PWM电流测量电路可能看起来简单，但是它必须的性能条件却非比寻常。电路必须处理从地到电池电压之间的满摆幅共模电压。因此，为抑制共模电压偏移，电路不仅必须具有与该摆幅对应的高输入电压范围，而且必须在开关频率及信号缘变化率(edge rate)引起的相关频率处具有出色的CMRR。

共模瞬态和PWM信号的最小占空比也对电流检测放大器的建立时间提出了苛刻要求。为获得高精度和线性响应，电流测量电路必须具有高增益、高精度，以及低失调电压。由于人工干预是控制环路的一部分，因此线性度和精度尤其关键。电路中的任何非线性特征都会造成车辆在转向过度时产生摆动或振动，从而影响驾驶体验。

在图3所示的电机电流控制和测量电路中，电机采用H桥配置连接(这是因为外加电压极性很容易反接)，使其能够向任何方向转动。图中IC能够承受的共模电压从-20V至+75V，因此不受电感反激电路、抛负荷瞬态电压及电池反接故障的影响。该器件还集成了测量放大器，拥有专利的直流反馈架构提供精密电流检测，输入失调电压为400μV(最大)，增益误差为0.6%(最大)。外部基准电压支持H桥所需的双向电流检测，以及工作于半桥H桥电路时的单向电流检测。双向应用中，当检测电压为零时，输出电压等于基准电压。可调增益和固定增益方式使得该部件能够在各种应用中都具有最大灵活性。

面向螺线管驱动的电流检测

螺线管被广泛用作汽车中的机电开关。例如，启动器螺线管为启动电机提供大电流驱动，进而将发动机设为工作状态。不过，多种汽车控制系统采用螺线管驱动进行精密控制。例如，铁路上使用的柴油机系统将螺线管作为精密的电子控制阀，它将正确的油量直接喷射至发动机的每个高压汽缸。这些阀门的定时由发动机控制单元精密控制，确保与柴油发动机同步。这样就能形成较“绿色”的发动机，其噪声更低，排放更少，燃油效率更高。螺线管控制的其它应用包括自动变速、传动控制、制动控制以及主动悬挂系统。

高边开关通常为FET，其栅极由PWM信号控制(图4)。当FET导通时，它将螺线管连接至14V电池电压，产生电流对螺线管线圈充电；FET截止时，螺线管通过箝位二极管和分流电阻放电。PWM频率和占空比的调节决定了螺线管中的平均纹波电流，进而控制施加至制动器上的力。

为调节PWM频率和占空比而检测螺线管电流时的挑战与H桥应用中类似。电流检测放大器输入端的共模电压范围从电池电压低至略低于零电位(箝位二极管的压降)。典型螺线管需要几个安培的电流，所以能承受这一电