STMicroelectronics 近推出了新一代汽車智能開(kāi)關(guān)，使用內(nèi)部 A/D 轉(zhuǎn)換器提供有關(guān)負(fù)載電流的數(shù)字信息。在本文中，我們將探討具有電流感應(yīng)功能的電源開(kāi)關(guān)的必要性，并了解現(xiàn)代開(kāi)關(guān)如何實(shí)現(xiàn)此功能。 

ST 表示，新的高邊開(kāi)關(guān)是市場(chǎng)上個(gè)將數(shù)字電流檢測(cè)作為其全數(shù)字片上診斷功能的一部分的產(chǎn)品。圖片由STMicroelectronics提供

電源開(kāi)關(guān)需要保護(hù)功能

高邊開(kāi)關(guān)通常用于各種汽車和工業(yè)應(yīng)用。向負(fù)載供電時(shí)，實(shí)施所需的診斷和故障預(yù)防機(jī)制非常重要。

例如，一個(gè)主要問(wèn)題是從開(kāi)關(guān)輸出到系統(tǒng)接地的短路。如果分配電源的線束不小心接觸到汽車底盤，開(kāi)關(guān)應(yīng)在開(kāi)關(guān)、線束和電源損壞之前立即切斷輸出電源。   

為確保針對(duì)此類故障情況提供強(qiáng)有力的保護(hù)，現(xiàn)代智能電源開(kāi)關(guān)包括多種不同的診斷和故障檢測(cè)功能，例如過(guò)壓、欠壓、過(guò)熱、過(guò)載和短路保護(hù)。

準(zhǔn)確的電流檢測(cè)

在某些應(yīng)用中，我們需要準(zhǔn)確測(cè)量負(fù)載電流。例如，在汽車座椅加熱器中，產(chǎn)生的熱量取決于流過(guò)開(kāi)關(guān)的電流。為了控制熱量，閉環(huán)系統(tǒng)必須監(jiān)控負(fù)載電流并進(jìn)行必要的調(diào)整。高精度電流感測(cè)還可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制應(yīng)用的扭矩控制。

準(zhǔn)確的電流檢測(cè)使我們能夠在驅(qū)動(dòng)一組并聯(lián)的 LED 時(shí)檢測(cè)開(kāi)路負(fù)載情況。足夠的電流檢測(cè)機(jī)制能夠檢測(cè)一大堆 LED 中一個(gè) LED 開(kāi)路的故障情況。

模擬電流檢測(cè)

大多數(shù)具有電流感應(yīng)功能的智能電源開(kāi)關(guān)提供與負(fù)載電流成比例的模擬信號(hào)。下圖顯示了Texas Instruments 的TPS1H100-Q1的模擬電流檢測(cè)機(jī)制。

TPSxHxxx 電流檢測(cè)電路。圖片由德州儀器提供

在這種情況下，電流鏡拓?fù)溆糜谠凇案袘?yīng) MOSFET”分支中創(chuàng)建與輸出電流 I OUT成比例的電流。該復(fù)制電流通過(guò) SNS 引腳傳送至檢測(cè)電阻器 R SNS 。因此，檢測(cè)電阻兩端的電壓與負(fù)載電流成正比。

SNS 引腳和 ADC 輸入之間的 RC 低通濾波器去除了檢測(cè)電阻電壓中不需要的高頻分量。然后將過(guò)濾后的輸出傳送到控制電源開(kāi)關(guān)的 MCU 的 A/D 轉(zhuǎn)換器。輸出電流與感應(yīng)電流之比 I SNS在器件數(shù)據(jù)表中給出，因此 MCU 可以輕松確定負(fù)載電流。   

數(shù)字電流檢測(cè)

意法半導(dǎo)體近推出了VN9D30Q100F和VN9D5D20FN高側(cè)驅(qū)動(dòng)器，可以輸出負(fù)載電流的數(shù)字值。VN9D30Q100F的功能框圖如下所示。

VN9D30Q100F 的框圖。圖片由STMicroelectronics提供

如您所見(jiàn)，該設(shè)備使用內(nèi)部 ADC 將輸出電流值數(shù)字化。集成的 ADC 是一個(gè) 10 位SAR A/D 轉(zhuǎn)換器。由于 VN9D30Q100F 有六個(gè)不同的通道，模擬多路復(fù)用器用于將被監(jiān)控的通道連接到放大器和 ADC 塊。

SPI 接口用于將數(shù)字化信息發(fā)送到 MCU。將 ADC 集成到開(kāi)關(guān)封裝中可以節(jié)省 MCU 側(cè)的資源并減少外部組件的數(shù)量。通過(guò)這種方式，新設(shè)備可以減少 MCU 的工作量以及 I/O 的使用。

STMicroelectronics 聲稱，這些新器件是市場(chǎng)上首批提供數(shù)字電流感應(yīng)功能的智能電源開(kāi)關(guān)。如上圖所示，ADC還可以將內(nèi)部傳感器讀取的溫度信息數(shù)字化。

電流檢測(cè)精度

應(yīng)該注意的是，在較低的負(fù)載電流下，模擬和數(shù)字電流檢測(cè)方法的電流檢測(cè)電路的精度都會(huì)顯著降低。例如，使用 TI 的 TPS1H100-Q1，\[I_{OUT} \geq 1A\] 的電流感測(cè)精度為 ±3%；然而，對(duì)于大約 5 mA 的 I OUT，的精度為 ±80%。 

下圖顯示了在較低輸出電流下精度下降的總體趨勢(shì)。

電流檢測(cè)精度。圖片由德州儀器提供

近發(fā)布的 ST 產(chǎn)品中采用的數(shù)字電流檢測(cè)機(jī)制也觀察到了類似的趨勢(shì)。下表顯示了 VN9D30Q100F 的精度如何在較低的輸出電流下降低。 

數(shù)字電流檢測(cè)。圖片由STMicroelectronics提供

其他特性

VN9D30Q100F 和 VN9D5D20FN 專為由 12 V 電池供電的應(yīng)用而設(shè)計(jì)。新器件采用 ST 一代VIPower* M0-9 技術(shù)，將高效的 40 V 溝槽垂直 MOSFET 與 3.3 V 數(shù)字邏輯和高精度模擬電路結(jié)合在一個(gè) 6 mm x 6 mm QFN 封裝中。

VN9D30Q100F 有兩個(gè) 33 mΩ 和四個(gè) 90 mΩ 通道。VN9D5D20FN 有兩個(gè) 7.6 mΩ 和兩個(gè) 20 mΩ 通道。這些器件還集成了一個(gè)分辨率為 0.1% 的 PWM 發(fā)生器，有助于處理燈調(diào)光等功能。