新能源汽车电流传感器的采样电路的讲解2

大家好！我是张飞实战电子的郭嘉老师，这篇文章接着聊一聊新新能源汽车电流传感器的采样电路的讲解。

本章重点讲解开环电流传感器：

原理框架图

LEM这款用于直流电子测量，汽车用的大功率、低压交流或脉冲电流信号与BMS主电流回路之间的高低压分离电路，也就是说大功率电路与低压部分隔离，在设计电路中可以选择不通量程的电流传感器，满足不同电驱动对电流测试的要求。比例测量电流传感器的性能和主要特点∶

1、采用霍尔效应的开环传感器

2、实现高压与低压隔离，可以把信号输出给低压电路直接采样

3、电流传感器的供电电源是直流+5V

4、单次电流测量范围+-800A，可以根据不同的功率要求去选择

5、输出电压∶全比例输出

这款霍尔电流传感器的优势：

1、电流采样精度比较高

2、线性度比较好

3、温漂比较低

4、弱电和强电分析

5、带宽比较大

6、硬件和软件比较容易实现。

7、灵敏度高  2.5mV/A

这款开环电流传感器采用的是霍尔效应集成电路，磁通密度是B，有助于霍尔的Vout上升电压，由待测边电流Ip产生。被测的电流Ip由高压电流源提供，在新能源汽车里就是BMS管理系统提供。在滞后周期的线性区域内，也就是说高压输入与输出有延时性，B是成比例的：B(Ip)=a*Ip

霍尔输出电压表示为（未经过运放放大）：VH = (cH / d) × IH × a × Ip，除了电流Ip，上面的方程都是常数。

所以：VH = b × IP   a：常数   b：常数   cH:霍尔系数    d：霍尔板厚度     IH: 穿过霍尔板的电流。测量霍尔输出信号VH,通过运放放大以后输出电压，供MCU采样电流使用。

这款电流传感器的力学特性：PBT GF30塑料外壳，FeSi卷磁芯，重量52g±5%，镀黄铜pin脚，IP水平IP2,连接器的类型是TYCO（泰科） 连接器 P/N号码1473672-1，组装时螺丝刀的扭矩控制在2.2N.m±5%。

电流传感器内部原理图如下：

从上图可知，电流传感器的核心主要由两部分组成，第一部分霍尔，第二部分运算电路。上图的器件清单，霍尔传感器的ASIC,去耦储能电容C1=47nF,EMC保护滤波电容C2=4.7nF,A（Vout）是低压信号的输出，B、D是低压电源地，C（Uc）是5V的电源电压，这个电压决定了Vout输出误差大小。

新能源汽车电流传感器的采样电路的讲解3

从上图可知，电流传感器的核心主要由两部分组成，第一部分霍尔，第二部分运算电路。

当Vout>Vo，Ip母线电流正方向流动

电流传感器的系统架构

CL<2.2nF EMC保护电容，RC组成低通滤波电路，RL>10KΩ上拉电阻到源VCC，使Vout无输出即高组态的时被拉到高电平VCC（+5V）.Vout开路时，Vin输出为Uc=+5V,当Vout短路时Vin输出为0V.

上图是电流传感器的电气部分数据

测量母线电流的或电机三项U、V、W，取2相各加一个电流传感器，根据IU+IV+IW=0,求出另外一项不加电流传感器的那项电流，这个电流传感器最大的量程范围-800A到800A，电流传感器的量程要根据实际选取，测量的电流要在传感器量程之内。

给电流传感器模块供电的电压是+5V，这个Uc电压波动范围4.75-5.25V,  超过这个值会影响电流传感器的输出精度，所以+5V的电源电压精度要尽量高，纹波率要小。

电流传感器输出的模拟量，Vout=（Uc/5）*（Vo+G*Ip）

Uc是加在电流传感器的实际直流电压，5就是理想的源电压+5V,Vo是失调电压，是由于电流传感器内部工艺等因素造成的失调电压，会影响Vout的输出精度。G代表电流传感器的灵敏度，和运放的压摆率类似，这里的G就是电压/电流,大的电流输出比较小的电压，mV/A，当测得电流为1A时，霍尔输出1mV,Ip指的是采样的母线的电流或者电机三项的相电流。

假设我们检测的Ip电流为0A，对应Vout输出电压是多少呢？这也是检测电流传感器的好坏的重要指标之一，零飘。

根据Vout=（Uc/5）*（Vo+G*Ip），再查询上图的电气性能参数可得：

这里我们取Uc为理想的+5V电源,偏置电压Vo=2.5V,G为电流传感器的灵敏度2.5mV/A,Ip为实测电流0A,可得Vout=2.5V.

当电流传感器的零飘为+-3A时，根据Vout=（Uc/5）*（Vo+G*Ip）算出：

零飘为+3A时，Uc=5V,Vo=2.5V，G=2.5mV/A,

Vout=1*（2.5V+2.5mV/A*3A）=2.5V+7.5mV(7.5*10^-3)

=2.5V+0.0075V=2.5075V

零飘为-3A时,Uc=5V,Vo=2.5V，G=2.5mV/A,

Vout=1*（2.5V+2.5mV/A*-3A）=2.5V-7.5mV(7.5*10^-3)

    =2.5V-0.0075V=2.4925V.

Vout在2.4925V到2.5075V，代表电流传感器零飘在+-3A范围之内，也可初步判定电流传感器合格。

当Ip电流为电机正转时的峰值保护电流+750A，求出电流传感器输出电压Vout=（Uc/5）*（Vo+G*Ip）

Uc=5V,Vo=2.5V，G=2.5mV/A

Vout=1*（2.5V+2.5mV/A*750A）=2.5V+1.875V

=4.375V

当Ip电流为电机反转时的峰值保护电流-750A，求出电流传感器输出电压Vout=（Uc/5）*（Vo+G*Ip）

Uc=5V,Vo=2.5V，G=2.5mV/A

Vout=1*（2.5V+2.5mV/A*750A）=2.5V-1.875V

=0.625V

从上面可得，当电机正反转电流等于750A（+-750）时，Vout的值分别为，电机正转时的保护电流Ip=750A,Vout=4.375V;电机反转时的保护电流Ip=-750A,Vout=0.625V;  也就说明电机正转时Vout的值等于Vout=4.375V（不能大于这个值）时就要实施硬件保护，在理论1ms内关闭IGBT，一般几十us，最大不超过100us；电机反转时Vout的值等于Vout=0.625V（不能比这个值小）时就要实施硬件保护，在理论1ms内关闭IGBT，一般几十us，最大不超过100us；

新能源汽车电流传感器的采样电路的讲解6

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图1： U相比较过流保护初级电路

上图所示，用2in1 2903比较器和RC滤波电路组成的U向过流保护电路，V相的设计与U相相同。

现在我进行参考电压的设计VREFHI和VREFLO的设计，有条件的用线性电源，精度高而且纹波也小。我现在使用电阻分压的到这两个参考电压，如下图所示：

图2 ： VREF_HI和VREF_LO电压设计

通过电阻分压得到两个所需的电压,VREF_HI=2.197V;

VREF_LO=0.298V。当U或V电流采样信号大于VREF_HI=2.197V时，代表电机正转过流，当小于VREF_LO=0.298V时代表电机反转过流，如果在0.298V到2.197V间说明电机正常运转。

看上图的电阻分压，+5V的电源要与其他电源区分开，有条件可以用隔离电源或者单片机的I/o口提供一个电压，这样扛干扰能力强，不容易受干扰。VREF_LO=0.298V为R5/R1+R2+R3+R4+R5*(+5V),电阻分压得到。VREF_HI=2.197V为R5+R4+R3/R1+R2+R3+R4+R5*(+5V),电阻分压得到,这样两个参考电压就设计好了。

  图3 ：U和V相，电流保护初级电路

如上图3所示，U和V相的电机正转和反转过流保护设计完成了。当U相或V相信号0.625V到4.375V，电机正常运转，当小于0.625V或大于4.375V时，经过U相R6、R7和V相R8、R9分压后低值0.625V/2=0.3125V，高值4.375V/2=2.1875V. 通过上面的数据可以得出电机正转或者反转时达到+-750A时，还不会触发保护，与触发点还有一点差距。

现在计算一下,VREF_HI=2.197V;VREF_LO=0.298V对应母线的Ip电流，根据电流传感器给定的数据算出母线峰值Ip。可以得到电流传感器的Vout低值等于：

VREF_UHI=2.197V*2=4.394V;VREF_ULO=0.298V*2=0.596V;

根据电流传感器的参数，Vout=4.394时，也就是电机正转的过流点。Vout=4.394=（Uc/5）*（Vo+G*Ip），Uc这里我们就按照理想+5V电源计算，实际5v电源可能4.99v、4.98v等等都有可能。Vo补偿电压是2.5V，电流传感器精度

G=2.5mV/A=2.5*10^-3V/A, 代入公式Vout=4.394=（Uc/5）*（Vo+G*Ip），可算出Ip=757.6A；同理算出电机反转时的过流点Vout=0.298V*2=0.596V时，Ip=761.6A。经过理论计算和实际测量过流点有点差别但是不大可以忽略，这里就认为过流点在+-750A。

从上图可知，电流传感器的核心主要由两部分组成，第一部分霍尔，第二部分运算电路。

当Vout>Vo，Ip母线电流正方向流动

电流传感器的系统架构

新能源汽车旋转变压器驱动电路讲解4

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OCL电路的的输出功率及效率

功率放大电路最重要的技术指标是电路的最大输出功率Pom及效率η （ 伊塔）。为了求解Pom，需首先求出负载上能够得到的最大输出电压幅值。当输入电压足够大，且有不产生饱和失真时，电路的分析如图3.2所示。

图中的I区为Q1的输出特性，II区为Q2的输出特性。因两只管子的静态电流很小，所以可以认为静态工作点在横轴上，如上图所标注的，因而最大输出电压幅值等于电源电压减去晶体管的饱和压降，即（Vcc-Vces1）。

实际上，即使不画出图形，也能得到同样的结论。可以想象，在正旋波的正半周，Ui从0逐渐增大，输出电压也随之逐渐增大，Q1管的管压降必然逐渐减小，当管压降下降到饱和压降时，输出电压达到最大值，其值为（Vcc-Vces1），因此最大不失真输出电压的有效值：

最大输出功率：Pom=Uom^2/R2=(Vcc-Vces）^2/2RL

在忽略基极回路电流的情况下，电源Vcc提供的电流：

Ic=（Vcc-Vces）/RLsinwt

电源在负载获得最大交流功率时，所消耗的的平均功率等于平均电流于电源电压之积，

整理后得到，转换效率

η.=Pom/Pv=Π/4*（Vcc-Vces）/Vcc

在理想情况下，即饱和管的压降可忽略不计的情况下

Pom=Uom^2/RL=Vcc^2/2RL

Pv=2/Π*Vcc^2/RL

η.=Pom/Pv=Π/4=78.5%

应当指出，大功率饱和管压降为2-3v，因而一般情况下不能忽略饱和管的压降，即不能用上面的三个式子。

用于AD2S1210 RDC参考信号输出的高电流缓冲器（图1）

图（2）消除交越失真的OCL电路

图（3.1）  输入特性的中的图解分析

模拟电路设计1-教你如何分析电路

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按单元电路的功能可以把它们分成若干类，每一类又有好多种，全部单元电路大概总有几百种。下面我们选最常用的基本单元电路来介绍。让我们从电源电路开始。

一、电源电路的功能和组成

每 个电子设备都有一个供给能量的电源电路。电源电路有整流电源、逆变电源和变频器三种。常见的家用电器中多数要用到直流电源。直流电源的最简单的供电方法是 用电池。但电池有成本高、体积大、需要不时更换（蓄电池则要经常充电）的缺点，因此最经济可靠而又方便的是使用整流电源。

电 子电路中的电源一般是低压直流电，所以要想从 220 伏市电变换成直流电，应该先把 220 伏交流变成低压交流电，再用整流电路变成脉动的直流电，最后用滤波电路滤除脉动直流电中的交流成分后才能得到直流电。有的电子设备对电源的质量要求很高， 所以有时还需要再增加一个稳压电路。因此整流电源的组成一般有四大部分，见图 1 。其中变压电路其实就是一个铁芯变压器，需要介绍的只是后面三种单元电路。

二、整流电路

整流电路是利用半导体二极管的单向导电性能把交流电变成单向脉动直流电的电路。

（ 1 ）半波整流

半波整流电路只需一个二极管，见图 2 （ a ）。在交流电正半周时 VD 导通，负半周时 VD 截止，负载 R 上得到的是脉动的直流电

（ 2 ）全波整流

全波整流要用两个二极管，而且要求变压器有带中心抽头的两个圈数相同的次级线圈，见图 2 （ b ）。负载 R L 上得到的是脉动的全波整流电流，输出电压比半波整流电路高。

（ 3 ）全波桥式整流

用 4 个二极管组成的桥式整流电路可以使用只有单个次级线圈的变压器，见图 2 （ c ）。负载上的电流波形和输出电压值与全波整流电路相同。

（ 4 ）倍压整流

用多个二极管和 电容器可以获得较高的直流电压。图 2 （ d ）是一个二倍压整流电路。当 U2 为负半周时 VD1 导通， C1 被充电， C1 上最高电压可接近 1.4U2 ；当 U2 正半周时 VD2 导通， C1 上的电压和 U2 叠加在一起对 C2 充电，使 C2 上电压接近 2.8U2 ，是 C1 上电压的 2 倍，所以叫倍压整流电路。

三、滤波电路

整流后得到的是脉动直流电，如果加上滤波电路滤除脉动直流电中的交流成分，就可得到平滑的直流电。

  （ 1 ）电容滤波

    把电容器和负载并联，如图 3 （ a ），正半周时电容被充电，负半周时电容放电，就可使负载上得到平滑的直流电。

（ 2 ）电感滤波

    把电感和负载串联起来，如图 3 （ b ），也能滤除脉动电流中的交流成分。

（ 3 ） L 、 C 滤波

    用 1 个电感和 1 个电容组成的滤波电路因为象一个倒写的字母“ L ”，被称为 L 型，见图 3 （ c ）。用 1 个电感和 2 个电容的滤波电路因为象字母“ π ”，被称为 π 型，见图 3 （ d ），这是滤波效果较好的电路。

（ 4 ） RC 滤波

    电感器的成本高、体积大，所以在电流不太大的电子电路中常用电阻器取代电感器而组成 RC 滤波电路。同样，它也有 L 型，见图 3 （ e ）； π 型，见图 3 （ f ）。

因本文篇幅较长，余下内容请各位下载附件查阅

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