CN114624497A - 一种车载设备输入大电流检测电路结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种车载设备输入大电流检测电路结构，主要由电感扼流圈等效检流电阻、共模滤波电路和差模滤波电路、以及运放电路和CRC低频滤波电路组成。电感扼流圈等效检流电阻，是由输入差模扼流线圈的直流等效电阻构成，通过流经检流电阻上的电流与电阻的乘积得到检流电阻两端的电压差，此电压差即为检流电阻两端的小信号电压差，作为后端电路输入的差分电压。共模滤波电路，由共模电容与检流电阻并联组成，共模电容一端连接差模扼流电感的输入端，另一端接到扼流电感的输出端。本发明可以扼制浪涌脉冲波，抑制EMC干扰，利用直流等效内阻作为检流电阻，实现扼流和检流作用。使用输入差模扼流圈等效内阻，自身热损耗低，简单灵活，兼容性好。

Description

一种车载设备输入大电流检测电路结构

技术领域

本发明涉及电流检测电路结构，尤其是一种车载设备输入大电流检测电路结构。

背景技术

随着汽车产业的蓬勃发展，汽车电子设备越来越多，但是在实际车载电子基本都是有车上的蓄电池供电供电，在具有大功率负载设备中，电压和电流的波动是比较大的，为了保证产品后端电路正常工作而不会因故障或大电流导致输入端过载或短路而引起蓄电池馈电，甚至损伤元器件导致产品永久失效。优秀高可靠性的供电电路通常具有有短路或过载保护，一般都会在输入端加入电流检测电路，通过过流检测设置输出电压与基准电压参考，可以设置系统负载流经检流电阻允许的最大值，输入端是过电流大小的检测设计保证设备启动前自检的一项重要的设计，是优秀产品的一个重要因素。

1、消费类大部分设备采用的是输入端加保险丝的设计，失效模式时大电流直接将保险师熔断来保护后端电路不会被损坏，这种设计虽然简单直接，但是无法保障设备在启动或工作时扼制外部电源信号波动或骚扰脉冲波带来的冲击损害，同时保险丝一旦断开，系统无发正常供电，就无任何的指示提示。输入端没有滤波电感，仅靠保险丝单一设计保护，无任何传导抑制效果，对外部其他设备存在严重的干扰辐射，严重可能影响到整车的EMC性能，且保险丝的成本也不低。

2、车载大部分电子设备在即使在输入前端加入滤波电感，但是为了实现电流检测，用的是通过高侧端串检流电阻RS进行检测计算，高精度的检流电阻，采样精度高，相对稳定性较高；对于大电流50A甚至100A可以通过多个检流电阻并联分流满足额定功率的设计；但检流电阻本身内阻的存在，以热损耗的形式消耗了一部分能量，但在成本选型，布局布线以及空间上等都是需要考虑的，单纯的检流电阻是不具有扼流作用的；即使选用集成RS的HALL检测芯片，但也替代不了扼流的效果，且单价可能比扼流线圈还要贵，在输入大电流的车载电源产品中，输入扼流线圈是必不可少的。

3、市面上一部分低端产品采用低压侧的方式进行电流采样；采用具有低稳压器的电路，虽具有较高的响应速度，但由于稳压器输出电压固定，压差较大，自身损耗高，封装面积大，成本高，且输入电压范围有限，其灵活性也非常有限。

4、部分高端产品会选用电流互感器来进行电流检查，但检测的电流范围小，器件成本高；一部分会选用霍尔传感器类似集成检流电阻的方式实现大电流精密测试，虽适用于高频，但是价格昂贵，不具有任何EMC抑制效果。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种车载设备输入大电流检测电路结构，不仅可以扼制浪涌脉冲波，抑制EMC干扰，而且还可以利用其直流等效内阻作为检流电阻，做到二合一，实现扼流和检流的作用。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：

一种车载设备输入大电流检测电路结构，主要由电感扼流圈等效检流电阻、共模滤波电路和差模滤波电路、以及运放电路和CRC低频滤波电路组成。

所述电感扼流圈等效检流电阻，是由输入差模扼流线圈的直流等效电阻构成，通过流经检流电阻上的电流与电阻的乘积得到检流电阻两端的电压差，此电压差即为检流电阻两端的小信号电压差，作为后端电路输入的差分电压。

所述共模滤波电路，由共模电容与检流电阻并联组成，共模电容一端连接差模扼流电感的输入端，另一端接到扼流电感的输出端。

所述差模滤波电路，为串电阻和对地并电容后分别接到运放芯片的输入正极端和负极端，所述小信号电压差经共模和差模滤波后输入到运放电路的输入端。

所述运放电路，由运放芯片和运放输出端对地接设计有增益偏置电阻，所述小信号电压差经运放芯与增益偏置电阻后放大输出。

所述CRC低频滤波电路是输出对地电容组和经串电阻和对地电容组成的CRC低频滤波电路，所述小信号电压差经运放芯片经增益电阻设置后输出增益后的电压，增益输出电压经CRC滤波后输出干净稳定的电平信号输送到后端电路中。

本发明的有益效果是，

1、设计使用输入差模扼流圈等效内阻作为检流电阻，适合大电流，自身热损耗低，电路设计简单灵活，兼容性好，电感可以根据设计场景灵活选择绕线，缺芯的时代可以规避使用集成芯片的供货问题，配合其他分离的贴片电阻电容，设计调试更简单，成本更低。

2、使用具有扼流能力的差模电感，电感具有储能作用，配合后端差模电容，不仅可以抑制车载线路中发动机启动或线缆环路感应或引入的脉冲干扰，具有抑制高频干扰和阻碍交流变化的作用，平滑系统电压波动，提升系统稳定性和抗干扰能力。

3、高边电流检测比较简单，具有极高的线性度不需校准，设计使用简便；避免了低边检测电路设计时地网络的影响和差模噪声的影响。

4、通过电路设计实现对输入电流点大小的设计和自检，系统可以自行判断输入负载电流达到允许的最大值时，实现不同电压与电流的线性采集，精确判断等。

5、输入差分小信号经过共模滤波和差模滤波后不仅可以增强检测信号抗ESD的能力，还能抑制共模电压峰值和输入瞬时过压来带的浮动，平滑检流线路上的电流尖峰，维持检流线路中的灌电流和检测信号的稳定性。通过RC可以滤波缓冲电压的跌落，平滑稳定系统输入电源，从而保证系统稳定可靠的运行。

6、运放输出后的CRC滤波电路可以滤除运放开关MOS以及电路中的高频开关噪声，后级串RC电路放置在后端检测输入端，可以滤除走线过程中引入的干扰或噪声，保持输入到后端检测采样电路上的信号稳定性与可靠性。

附图说明

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

图1为本发明的使用的电感扼流圈等效检流电阻的技术原理图。

图2是本发明电路结构框图。

图3是本发明的电流检测的电路图。

具体实施方式

为使本发明所解决的技术问题、技术方案、以及有益效果方面进行详细说明，以下通过实施例和附图对本发明做详细清晰的描述。应当理解，此处的描述针对本实施例仅仅是解释本发明，并不用于限定本发明。

如图2所示，是本发明实施例的电路结构框图，在图2中包含电感等效采样电阻、共模与差模滤波电路、运放电路、CRC滤波电路。

如图3电路图描述所示，包括电感等效采样电路201、共模与差模滤波电路202、运放电路203、CRC滤波电路204，所述CRC滤波电路204是增益设计电阻与RC低频滤波。本实施例中，设计电路为应用于车载电子系统，支持输入电压范围为6V-32V，具有很宽的输入电压范围。

如图1所示，输入扼流差模电感对交流脉冲信号有阻碍电流变化的能力，其感抗较大，电感量越大阻碍的能力越强，电感电流不能突变，在电感量一定的情况下，输入信号频率越高，电感阻碍的能力越强，频率越低阻碍的能力越弱，即电感具有阻碍交流通过而让直流通过的能力；因此输入端有浪涌电流侵入时，除了TVS管外，输入电感也可以抑制，将浪涌电流降到安全范围内，配合后端的电解电容可以平滑稳定输入电压和电流，维持系统稳定的电源系统。

如图1所示，在本实施例中，使用电桥实测电感Lr的感值为10uH，电阻测试仪器测试电感Lr的直流内阻DCR为1.2mΩ，即Rs=1.2mΩ。

如图1所示，设备正常启动后，流经输入差模电感上的电流Is和等效检流电阻Rs的乘积即Rs * Is = ΔV，即变化的电流在扼流电感两段形成小信号电压差ΔV，ΔV经过差模和共模滤波电路后送入到芯片内，经过串电阻滤除噪声得到更稳定的电平信号，经运放后输出经过RC滤波消除开关噪声，经过RC可以进一步消除低频交流信号或走线环路上的差模噪声，避免Vout的波动给后端电路造成的波动，影响检测精度。

如图1所示，所述输入差模电感，为保证在额定电流工作下，输入电感直流偏置损耗较小，我们在实际绕线时利用内阻测试仪器测试电感的内阻为DCR为1.2mΩ，对应4根2.0mm直径的铜线并行绕制而成。初步估算在100A时其两段的直流偏置压差是是ΔV =0.0012Ω * 100A= 0.12V；较小的检测电压不仅受到测量误差的影响，而且还受偏置电流的影响，放运算放大器的输入失调电压以及输出放大增益倍数的影响等。因此在实施例中，所述集成运放芯片本身的输入失调电压为±550uV，运放芯片检测的电压推荐范围为50mV-500mV，根据本实施例设计关注的过流点100A，设计选择对应运放芯片推荐的典型值150mV左右。

如图3所示，在本实施例中，我们的产品需求设置的过流点为100A，考虑到运放芯片输出的电压经放大后输出幅度Vout不能超出MCU芯片检测的电平，即小于或等于5V，设计预留余量，我们选择100A时对应的电压幅度在4.5V左右。本实施例中，选择的MCU芯片为KF8A100FNG，IO支持的ADC检测电平为0V-5V。

如图3所示，所述运放芯片具有较宽的输入供电电压范围，支持2.7V到36V，实施例中设计选择单端电压5V供电。运放芯片为SGM8198，支持最大差分输入电压为VS=0.5V，即RS检测输入差分电压ΔV（ Vi–Vo）最大到500mV，并且具有500uA的驱动电流。由于运放芯片内部和外出均有串电阻，即使ΔV有2V的输入电压差也不会对芯片的输入端口带来任何的损伤。芯片的输入管脚Vin+/- 是单相的，即电流流向具有单向性，采用高边检测，即高压侧电流必须是Vin+端流向Vin-端。

本实施例中，即使电流经Vin-流向Vin+也不会对芯片带来损坏，因本实施例中所选集成运放芯片与外围电路设计具有限流限压等保护作用。

如图3所示，集成运放芯片选择单端VDD为5V供电，设计选择工作时输入电流达到100A时集成运放输出的电平Vout也小于5V。所述选择的集成运放芯片的输入共模电压范围为0-500mV，典型值为100mV，即0-100A时能检测到最大输入差分电压ΔV浮动不超过500mV为宜。本实施例中，我们实际设计的产品关注和允许的电流最大值为100A。

如图1所示，过输入差模电感等效的直流检流电阻(Rs)两端产生压降，由运算放大器检测后并驱动MOSFET管吸收电流，电流流经电阻Rs，Rs上的压降ΔV等于检测电阻两段的电压。

如图3所示，输入差分电压ΔV经共模电容滤波后在经RC滤波电路后分别输入到运放芯片的Vin+和Vin-端；在上电时共模电容具有吸收瞬间电压峰值纹波的作用，电容波动较大时，电感具有抑制交流变化的作用，电容通过反向放电维持电感输入端的电压，保持输入共模电压摆幅的稳定。

如图1所示，共模电容的这里推荐1uF或以上，对电压纹波和交流滤波都有一定的效果；对电容C4或C5充电的过程中也保证了VIN+端有电流流经芯片内部，维持运放输入和输出的线性变化；Vi端电压波动较大时，输入电感本身具有抑制作用，R3与C4组成的RC滤波电路也会同步滤波减缓电压波动作用，考虑到R3，R4不能影响到输入失调电压的精度，因此输入串电阻R3，R4的阻值相对运放芯片内部的1KΩ需要足够的小，因此，如图1所示，所述R3，R4的阻值为10Ω；小信号电压ΔV经外部RC滤波后，在经芯片内部串1K平滑稳定后输入到运放芯片内部，最后小信号电压ΔV进入芯片内部运放电路时此时已很平缓了。

如图3所示，根据运放芯片规格书提供的传递函数得知，分流电阻流经MOSFET管的电流为

Iout = Gm(Vin+ - Vin-)，即Vg=Iout*R5;

优选的，根据芯片规格书得知传递系数：

Gm 为1000μA/V；

则Vout = (I) (R) (1000μA/V)* (R)；

因此当电流为100A时，直流内阻为1.2mΩ时，即输入端Rs两端的电压差：

ΔV = 100A*1.2mΩ = 0.12V。

从而得到：

Iout = 1000μA/V*0.12V = 120uA ;

根据预设Vg为4.5V，则增益设置电阻值为R5=4.5V/120 uA =37.5KΩ

即当芯片管脚输入电压达到4.32V或以上时，即流经输入差模上的电流达到了100A；

即增益电阻R5的阻值为37.5KΩ±1%的贴片电阻，也符合规格书中给出的推荐0-100倍的增益范围选择的阻值。

如图1所示，在输出信号靠近运放端放置一个RC电路即R5与C6组成低通滤波器，消除运放输出的高频噪声，将交流成分滤除。

如图1所示，增益电阻经过计算选择为37.5KΩ，如果需要满足不同的噪声设计，滤除不同频率端的噪声，其截止频率可以根据以下公式

F = 1/(2ПR_LC_L) ，计算获得；

采用ADC电平检测可以提高检测的精确度，运放本身输出具有很高的阻抗，Vout是不建议直接芯片的ADC检测脚，会与芯片内部设置阻抗并联，影响实际的增益大小，为了消除MCU接口端芯片内部电路对阻抗并联的影响，MCU对应ADC接口需要移除上下拉配置。

如图3所示，为了滤除运放芯片走线到后端ADC管脚线路上的一些噪声或干扰波动，通过串RC电路，即R6与C7靠近后端采样管脚位置布局放置器件，R6与C7组成的RC滤波电路可以进一步消除剩余的交流成分，缓存信号波动的作用；C6的电容值通常比C7小，R5与C6可以消除高频成分，R6与C7可以消除低频交流成分。考虑电阻对交流直流都具有降压的作用，串电阻R6的阻值不宜较大，也可以根据低通滤波器计算，推荐100Ω左右为宜，C7电容值推荐为470PF到1000PF。

最后通过系统软件设置采样保持一定的点数（单位时间采样的平均值）均大于4.5V时，系统即认为供电电流达到了允许的最大电流值。在本实施例中，经实测试中，因本电路具有软开关技术，上电启动后带不同的感性负载或切换负载大小，均能稳定的响应检测到电压Vout值，并且在环境40℃下，输入差模达到120度以上时运放输出电路依然保持比较稳定的采样输出。

以上，可以根据设计计算和实测的VOUT值在电路中串电压比较器，经比较器输出反转逻辑电平，利用MCU对应IO配置具有较高优先级的中断即可快速实现系统检测判断。

如图1所示，扼流圈流经的电流较大达到100A，持续工作时，电感发热也较大，实际布局时，需要将输入滤波电路，运放等电路的器件布局远离输入差模电感。

本领域的技术人员可以对本发明进行各种改型和改变。因此，本发明覆盖了落入所附的权利要求书及其等同物的范围内的各种改型和改变。

Claims (4)

1.一种车载设备输入大电流检测电路结构，主要由电感扼流圈等效检流电阻、共模滤波电路和差模滤波电路、以及运放电路和CRC低频滤波电路组成，其特征是：所述电感扼流圈等效检流电阻，是由输入差模扼流线圈的直流等效电阻构成，通过流经检流电阻上的电流与电阻的乘积得到检流电阻两端的电压差，此电压差即为检流电阻两端的小信号电压差，作为后端电路输入的差分电压；所述共模滤波电路，由共模电容与检流电阻并联组成，共模电容一端连接差模扼流电感的输入端，另一端接到扼流电感的输出端。

2.根据权利要求1所述的一种车载设备输入大电流检测电路结构，其特征是：所述差模滤波电路，为串电阻和对地并电容后分别接到运放芯片的输入正极端和负极端，所述小信号电压差经共模和差模滤波后输入到运放电路的输入端。

3.根据权利要求1所述的一种车载设备输入大电流检测电路结构，其特征是：所述运放电路，由运放芯片和运放输出端对地接设计有增益偏置电阻，所述小信号电压差经运放芯与增益偏置电阻后放大输出。

4.根据权利要求1所述的一种车载设备输入大电流检测电路结构，其特征是：所述CRC低频滤波电路是输出对地电容、串电阻和对地电容组成的CRC低频滤波电路，所述小信号电压差经运放芯片经增益电阻设置后输出增益后的电压，增益输出电压经CRC滤波后输出干净稳定的电平信号输送到后端电路中。

Images