精確的高邊電流檢測對于電動助力轉向、自動換檔、變速箱控制、發動機燃油噴射控制、制動閥控制和主動懸架等汽車控制系統至關重要。所有這些應用都需要精確調節通過電機或螺線管的電流，以控制電機的扭矩或螺線管的驅動。本文介紹的電路包括一個精密、高邊電流檢測放大器（MAX9918），用于監測寬輸入共模電壓范圍內的感性負載電流。它適用于輸入共模電壓可能因感應反沖、電池反接條件或瞬態事件而變為負的應用。

電動助力轉向 （EPS） 系統中的電流檢測

與傳統的動力轉向系統不同，EPS系統不包括液壓泵或流體。相反，它具有通過齒輪機構連接到轉向齒條的電動機。當駕駛員轉動方向盤時，轉向傳感器會檢測車輪的位置和旋轉速度。該信息與安裝在轉向軸上的轉向扭矩傳感器的輸入一起饋送到動力轉向控制模塊。為了確定所需的轉向輔助，控制模塊還從車速傳感器、牽引力控制和穩定控制系統獲取輸入（圖 1）。

圖1.典型EPS系統的簡化框圖。

然后，與電源模塊的接口允許控制模塊調節電機中的電流量。增加電機電流會增加動力輔助，反之亦然。電機電流通常通過使用 H 橋電路在電機上饋送脈寬調制 （PWM） 電壓來控制（圖 2）。相關的真值表（表1）總結了全H橋電路的各種工作模式。電機呈現感性負載，因此扭矩是通過平均產生的紋波電流（即提供給驅動器的動力輔助）來確定的。

圖2.該H橋電路的四個柵極的信號相位決定了電機的方向和速度。

電流測量裝置監控電機電流并向控制模塊提供實時反饋，允許該模塊調整PWM占空比，直到電流達到其目標值。測量電機電流的一種常用方法是插入一個與電流路徑串聯的低值檢測電阻，這會產生很小的壓降。該差分電壓由電流檢測放大器放大，以指示電流幅度。

電流檢測有三種選擇：低壓側、高壓側和電機上。因此，您可以將檢測電阻放置在 H 橋和接地之間（低側電流檢測）、直流母線底部或正極電池端子和 H 橋之間（高壓側電流檢測），或者放置在直流總線或電機本身的高側（輸出電機 PWM 電流檢測）。這些替代方案需要不同的權衡。低邊方法很方便，但在接地路徑中增加了不需要的電阻，并且缺乏檢測接地短路故障的診斷能力。無論是高端還是低端方法，都不能連續監測再循環二極管中的電流。然而，PWM電流檢測沒有這些缺點。

PWM電流測量電路看似簡單，但它帶來的性能限制遠非微不足道。電路必須應對從地到電池電壓一路擺動的共模電壓。因此，為了抑制共模偏移，電路不僅必須具有與該擺幅相對應的高輸入電壓范圍，而且還必須在開關頻率和邊沿速率引起的相關頻率下具有出色的CMRR。

PWM信號的共模瞬變和最小占空比也對電流檢測放大器的建立時間提出了嚴格的要求。為了實現精確的線性響應，電流測量電路必須具有高增益、高精度和低失調電壓。由于人為干預是控制回路的一部分，因此線性度和準確性尤其重要。電路中的任何非線性都會在車輛過度轉向時引起振蕩或振動，從而損害駕駛體驗。

在圖3所示的電機電流控制和測量電路中，電機以全H橋配置連接，由于施加的電壓極性很容易反轉，因此可以沿任一方向旋轉。所示IC可承受-20V至+75V的共模電壓，使其不受電感反激、拋負載瞬變和電池反向故障的影響。該器件還集成了一個儀表放大器，其獲得專利的間接電流反饋架構可提供精密電流檢測，輸入失調電壓為 400μV （最大值），增益誤差為 0.6% （最大值）。外部基準電壓支持全H橋所需的雙向電流檢測，以及使用半H橋電路時所需的單向電流檢測。在雙向應用中，當檢測電流為零時，輸出電壓等于基準電壓。可調增益和固定增益特性使該器件能夠在各種應用中提供最大的靈活性。

圖3.PWM兼容的H橋電流檢測電路。

電磁閥驅動的電流檢測

螺線管被廣泛用作車輛中的機電開關。例如，起動電磁閥向起動電機提供大電流，進而使發動機運動。然而，一些汽車控制系統采用電磁閥驅動器進行精確控制。例如，鐵路的普通柴油發動機系統依賴于電磁閥作為復雜的電子控制閥，在高壓下將適量的燃料直接噴射到各個發動機氣缸中。這些氣門的正時由發動機控制單元精確控制，以確保與柴油發動機同步。結果是一個相對“綠色”的發動機，噪音更小，產生更少的排放，并且更省油。電磁閥控制的其他應用包括自動換檔、變速箱控制、制動控制和主動懸架。

高端開關通常是一個 FET，其柵極由 PWM 信號控制（圖 4）。當 FET 導通時，它將電磁閥連接到 14V 電池電壓，產生為電磁線圈充電的電流。當 FET 關閉時，電磁閥電流通過箝位二極管和分流電阻器放電。PWM頻率和占空比的調節決定了螺線管中產生的平均紋波電流，進而控制施加到執行器的力。

圖4.這種典型的電磁閥驅動電路采用高邊分流器。

為了調節PWM頻率和占空比而檢測電磁閥電流的挑戰與H橋應用中的挑戰相似。電流檢測放大器輸入端的共模電壓范圍從電池電壓到箝位二極管壓降的略微負電平。典型的螺線管需要幾安培的電流，因此承受這種電流的箝位二極管可能會產生高于1V的正向電壓。

同樣，電流檢測放大器的寬輸入共模范圍和響應共模變化的快速建立非常適合此應用。該應用與H橋的主要區別在于，螺線管電流始終沿同一方向流動，因此電流檢測放大器只需要是單向的。（MAX9918當其基準輸入（REFIN）接地時變為單向電流檢測放大器。

實驗室結果

圖5顯示了在實驗室中原型化的螺線管的典型應用電路。電磁閥由一個 2mH 電感器仿真，ESR 低至 1.6Ω。檢測電阻為100mΩ，R4值為15Ω，將最大電磁閥電流限制為：

IMAX = VBAT/(RSENSE + ESR + R4) = 12V/(0.1 + 1.6 + 15)Ω = 0.72A

（請注意，R4 不存在于實際的電磁閥電路中。

該最大電流值是電感完全充電時達到的理論極限。所示的電阻和電感值將電路時間常數設置為約0.12ms，相當于約8.3kHz。增益 80 由外部電阻 R1 = 1kΩ 和 R2 = 79kΩ 設置。

圖5.該電磁閥驅動電路是在實驗室中原型設計的。

圖5電路的工作用5kHzPWM頻率下的波形說明，占空比分別為80%（圖6）和50%（圖7）。頂部波形是R4兩端的電壓，與電感中流動的電流成正比。中間波形是檢流放大器的輸出，底部波形表示PFET漏極處的PWM信號。正如人們所期望的那樣，更高的占空比會產生更高的電流。

圖6.圖 5 中的波形，具有 5kHz PWM 頻率和 80% 占空比。（頂部跡線是R4兩端的電壓，中間是電流檢測放大器的輸出，底部是pFET底部的PWM信號。

圖7.圖5所示的波形，具有5kHz PWM頻率和50%占空比。（頂部跡線是R4兩端的電壓，中間是電流檢測放大器的輸出，底部是pFET底部的PWM信號。

因此，精密高壓、高邊電流檢測放大器（如MAX9918）允許使用更小的檢測電阻進行精確測量。它處理來自 H 橋的雙向電機電流，如 EPS 系統中的電流，以及自動換檔、變速箱控制、制動控制和主動懸架中的單向電磁閥電流。

審核編輯：郭婷