使用优化放大器实现准确可靠的汽车电流检测

随着电子系统在汽车应用中的广泛普及，进行连续的实时电流测量就变得至关重要，因为通过测量电流，可监测潜在的过流情况、告警电路及系统的故障与失效，并提供连续反馈信号以优化控制回路性能。

尽管测量电流的方法和元器件种类繁多，但测量分流（检测）电阻两端电压降的方法原理简单，仍是业内使用最广的方法之一。这种方法不仅具有准确度、精密度、可重复性、便捷性，而且体积小、灵活性强和适应性高。

该检测电阻可置于电源轨和负载之间（高压侧检测）或负载和地之间（低压侧检测）每种电路的布局方式均需在性能表现、对被测电流的影响，以及对跨接于该电阻器两端的电压放大器的使要求方面进行取舍，此外还涉及其他诸多影响因素。与之配套的电流检测放大器 (CSA) 必须具备满足实际应用需求的关键特性，才能在应用中发挥最佳作用。在汽车领域严苛的运行环境中，这一要求更为关键。

本文探讨高压侧和低压侧电流检测方法，以及设计人员在这两种电流检测中面临的问题。然后介绍 onsemi 的 CSA 系列产品，说明如何利用该系列产品解决上述诸多问题。

检测电阻器的两种配置

通过检测与负载并联且已知电阻值的固定电阻器上的电压，可以直接应用欧姆定律来得出电流：电流 = 电压/电阻 (I = V/R)。虽然低压侧（图 1，左）和高压侧（图 1，右）的检测电阻器的位置不会直接影响读数完整性，但在系统层面却造成很多影响。

图 1：所示为基于电阻器的低压侧电流检测电路（左），电阻器位于负载和接地之间；在高压侧检测电路中，电阻器位于电源轨和负载之间（右）。(图片来源：Onsemi）

虽然这种检测电阻器被称为分流电阻器，但这是一种误称。真正的分流电阻器与负载并联，使部分电流绕过负载并通过电阻器。不过，标准使用情况下的电流检测电阻器实际上与负载串联，而非并联。尽管如此，“分流电阻器“一词还是被普遍使用。

从概念上讲，低压侧检测 是最直接的方法，电阻器的一端接地，另一端连接负载的低压侧。这种方法的优点显而易见：

• 电阻器两端的电压以地为基准。
• 放大器两端的电阻器上的电压（共模电压）低。
• 这种电路比较容易设计导入至单电源电路中。

然而，低压侧检测电路本身就很复杂：

• 负载不再接地，这会对系统产生重大影响，并影响使用检测电流值的任何控制回路的性能。
• 负载和接地之间的意外短路会激活负载。
• 检测布局可能会造成接地回路。
• 短路将导致无法检测到高负载电流。

高压侧检测 将电阻器置于电流源和接地之间，其优点如下：

• 负载接地是一大优点，通常也是一项安全要求。
• 如电机等负载的本体可与系统机壳进行物理和电气连接，用作公共接地。
• 这种检测方法可避免增加被测负载的接地路径的电阻。
• 即使电源连接处出现短路，也不会使负载带电。
• 这种方法可以检测到正极电源线与地线之间的短路。

不过，高压侧检测也存在缺点：

• CSA 必须能承受高输入 CMV 和快速共模瞬态；超过其极限值会降低性能，并可能损坏放大器。
• 在电阻器上检测到的电压经电平转换后匹配至系统工作电压，以便进行测量和实际使用。
• 一般来说，实现所需的电路配置较为复杂。

与往常一样，在决定哪种方法更好时，需要在工程方面进行权衡。不过，在许多情况下，高压侧检测是唯一可行之选。

以汽车整车及其搭载的电机等各类电气负载为例进行说明。一辆当前市面上常见的汽车上至少有 30 个电机，用于自动车窗和座椅位置控制等辅助功能。其中，许多电机会安装在汽车的车架、支撑支架或底盘上，这些部件同时还具有电气接地端功能。

虽然有可能将这些负载与车身结构部件实现电气绝缘，但实际上很难做到。为此，需要在材料清单 (BOM) 中增加一个零件、增加一道制造工序，绝缘层久而久之可能会出现磨损，或是在更换零部件时被不慎遗漏安装。此外，机械师可能会将电机本体与底盘短暂接触连接，导致电路短路。

上述考虑因素同样适用于各类非电机类车载负载，包括高级驾驶辅助系统 (ADAS) 功能、安全与碰撞子系统、警报装置以及娱乐与车联控制台。此外，对于未接地负载，从负载到电池的回程电缆线束更为复杂，容易出现故障或人为操作失误问题。

优化型放大器解决方案

对于必须或首选高压侧检测的情况，应用特定型放大器就是解决方案。例如，通过 AEC-Q100 汽车认证的 Onsemi NCV7030 系列中的 NCV7030DM2G014R2G（图 2）CSA。

图 2：NCV7030DM2G014R2G CSA 专为汽车环境中的高压侧电流检测而设计。(图片来源：Onsemi）

该器件采用 Micro8（3 mm × 3 mm）或 SOIC-8（4 mm × 5 mm）（NCV7030D2G014R2G）无引线封装，工作电压为 3 V 至 5.5 V，典型静态电流为 1.5 mA。

NCV7030 系列放大器的输入共模抑制比 (CMRR) 高达 85 dB（最小值），共模输入电压范围为 -6 V 至 80 V（工作电压）和 -14 V 至 85 V（耐受过电压）。该器件可通过检测电阻器实现单向电流检测，提供 14 V/V 固定增益，在整个温度范围内的最大增益误差仅为 ±0.3%，这是严苛的车载工作环境中一项至关重要的技术指标。

除了很高的共模抑制能力外，NCV7030 放大器还能具有更多的功能。每个放大器都由前置放大器和缓冲器组成，通过“桥接”引脚 A1 和 A2 分别接入输出和输入，以实现中间滤波网络或修改增益。

此外，一个好的 CSA 不只是在高 CMV 的情况下保持性能。NCV7030 放大器具有 75 dB（最小值）的高电源抑制比 (PSRR)，即使在嘈杂的环境中也能确保可靠运行。这些器件的输入失调电压较低，为 ±300 µV（最大值），温度漂移极小，非常适合精密应用。此外，100 kHz 的带宽使这些器件能够对快速变化的电流做出反应。

由于输入失调电压较低，当分流电阻器中没有电流流过时，NCV7030 CSA 的输出与地电位的偏差在 50 mV 以内。当有电流流过时，输出电位正向摆幅，其最大值与施加的电源电压的偏差不超过 100 mV。这一宽摆幅范围可提高检测电压的信噪比 (SNR)。

有一个小的运行限制。NCV7030 放大器内部以地为基准，因此只能测量单向电流。这种限制不严重，因为电池供电型和大多数双极供电型设计只有单向电流。

为简化设计，这些器件可连接与待监测设备相同的电源。如果需要检测负载电源的短路电流，则必须使用单独电源。这种短路情况可能导致负载电源电压骤降至接近 0 V。

NCV7030 放大器无需外接任何元件，仅其原装即可实现固定增益放大，但某些应用可能需要更高或更低的增益。该系列放大器的架构设计可通过 A1 和 A2 引脚满足这一增益调节要求。

如需降低增益，将 A1 与 A2 短接，并在该节点与地之间增加一个电阻器 (R_EXT)，与内部 100 kΩ（千欧）电阻器组成一个电阻器分压网络（图 3）。

图 3：增加一个外置电阻器 (R_EXT) 与内部 100 kΩ 电阻器组成一个电阻器分压网络，以降低 NCV7030 放大器的增益。(图片来源：Onsemi）

反之，可以通过在正反馈回路中增加一个外部电阻器来提高增益（图 4）。在这两种增益情况下，用简单的代数公式即可将外接电阻器的电阻值与所需的降增益或增增益目标值建立对应关系。

图 4：在 NCV7030 放大器的反馈回路中接入外置电阻器可提高增益。(图片来源：Onsemi）

滤波功能如何？

如汽车和工业装置等许多电流检测应用本身就存在噪声。噪声会降低检测电流信号和相关放大器输出电压的完整性。检测电阻器上的低电压增大了与噪声有关的设计难度。

为什么电压低？在确定检测电阻器的大小时，需要进行权衡。一方面，电阻值越高，压降越大，信号幅度也就越大，这会提高 SNR 和分辨率。另一方面，这种电阻值较高的电阻器会增大功耗，产生更多的热量，并对负载回路产生更大的不利影响。

在许多应用中，业内经验法则是选择能产生约 100 mV 压降的电阻器，以此作为折中方案。该值意味着电阻器的阻值通常仅为 1 毫欧（mΩ）或更小，因此其连接线路会被纳入压降和检测电压的计算中。

NCV7030 放大器的真差分输入非常适合可降低噪声的四线开尔文 (Kelven) 连接分流器和传统的两线分流器。此外，真正的差分输入还能抑制共模噪声，即使在低压侧电流检测过程中也经常出现共模噪声。

某些应用可能需要在 CSA 输入端进行滤波。在分流电阻器和放大器输入端之间增加两个电阻器 (R_FILT) 和一个电容器 (C_FILT) 即可轻松实现这一功能（图 5）。

图 5：对于输入滤波，CSA 输入端只需两个匹配电阻器 (R_FILT) 和一个电容器 (C_FILT)。(图片来源：Onsemi）

需注意的是，滤波电阻器引入的额外阻值，以及各滤波电阻器之间相关的阻值失配，让输入滤波变得复杂，而这种情况可能对增益、CMRR 和输入失调电压产生不利影响。数据表解释了如何选择这些值及其影响。

即使不需要输入滤波，也可能需要对放大器的输出进行滤波。由于 NCV7030 放大器采用“分离式”内部架构，因此很容易实施这种滤波。将 A1 和 A2 短接，在该连接节点与地之间接入一个电容器，即可构成低通滤波器（图 6，左）。这样，就利用内部 100 kΩ 电阻器构建了一个简单的单极电阻电容 (RC) 滤波器，且具有每 10 倍频程 20 dB 的衰减特性（dB/decade）。如果需要更高截止频率，可通过添加两个外部电容器和一个电阻器，创建一个具备每十倍频程 40 dB 衰减特性的两极 Sallen-Key 滤波器（图 6，右）。

图 6：在 A1 和 A2 和地之间连接一个电容器，可产生一个衰减特性为每十倍频程 20 dB 的单极滤波器（左图）；增加一个电阻器和电容器，可产生一个衰减为每十倍频程 40 dB 的双极滤波器（右图）。(图片来源：Onsemi）

结语

高压侧电流检测是在电源和负载之间插入一个低值电阻器，是确定汽车电路等许多应用中的关键参数——负载电流的标准技术。虽然这是一种有效的方法，但也对相关 CSA 的性能提出了挑战。如图所示， Onsemi 的 NCV7030 放大器系列针对这一特定应用进行了优化，具有高 CMV 容差和两级设计，提供固定增益和用户可调增益，并在输入和输出端具有滤波功能。