汽车电子中的检测电流.docx

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汽车电子中的检测电流

汽车电子中的检测电流

低成本检测电流

这是我以前写的一篇文章，这里主要介绍电流的检测。

我所涉及的车身电子部分中，用的运放非常少。

因此我觉得还是把一些考虑结合使用中，让大家发现设计中容易被忽略的一些因素吧。

首先考虑两种不同的方法：

基于磁场的检测方法和基于分流器的检测方法。

1.基于磁场的检测方法（以电流互感器和霍尔传感器为代表）具有良好的隔离和较低的功率损耗等优点，在电源驱动技术和大电流领域应用较多，但它的缺点是体积较大，补偿特性、线性以及温度特性不理想。

2.分流器的方法

高精度低阻值电阻器目前具有大功率和小体积的特点，这种方法成本较低，精度较高。

在汽车电子中用的较多。

以车窗控制为例，想要实现防夹的功能，通常是同时使用两种方法进行检测的。

我们面对的车身电子控制系统的工作电流，一般都在在1-100A之间，当然大部分负载都有Inrush电流，这也是我们需要注意的。

今天需要涉及的还是分流器的方法。

分流器的方法是在电流路径中以串联的方式插入一个低阻值的检测电阻会形成一个小的电压降，该压降可被放大从而被当作一个正比于电流的信号。

这是我们检测的原理。

当然有两种最为基本的拓扑：

低边电流检测

将检测电阻放在负载和电路地之间，那么该电阻上形成的压降可以用简单的运放进行放大。

高边检测

将检测电阻放在电源和负载之间。

如果更要细分，可将开关的位置一并考虑进去，因为我们面对的是感性负载。

对于高端检测的运放电路入下图所示：

对于低端检测的运放电路如图所示：

这两个图都是原理级别的，实际上有很多问题，值得我们去思考。

1.低端检测的缺点

先看系统性的问题，检测电阻引入的可能会造成地线干扰，比如5毫欧电阻，在Inrush电流100A下，会到0.5V.事实上，一般检测电源的地线与运放的地线不同，有可能产生1V的地线偏移。

而大部分AECQ的运放如LM2902和LM2904的输入电压最大为-0.3V。

-1V的电压会让运放在几秒内烧毁。

事实上六中配置中的flying是需要慎重用的，如果产生了高压和低压的脉冲波形，同样对运放来说是个灾难。

最主要的是，本来低端检测就是低成本方案，如果添加TVS，BOM成本会很难看。

解决的方法，在运放输入端上加入电容和肖特基二极管。

2.高端检测的潜在风险

高端检测的风险其实是很大的，首先是精度误差：

电阻精度的误差，运放的输入偏置电压和输入偏置电流的误差，当然图中的电阻取值全部要方法，10K和100K。

最大的风险在于运放的钳位电压，普通的MOS工艺最高工作电压为18V，高压MOS为36V，再高需要采用特殊的工艺了。

因此我们将运放的输入端至于电源上，将要直接面对电源线的干扰。

传统的保护汽车电源TVS，能够在40V以下完全开启，因此我们需要选择特殊的TVS。

而TVS开启是需要区间的，电压的前移意味着静态电流的增大。

属于的电源与运放的电源不是同一个，在潜入路径电子模块熔丝取出，而另一路电源没取出的时候，运放直接烧毁。

如果采取二极管并联一起供电，则需要对运放的电源端采取TVS保护，问题同上面是一样的。

e，f的配置会产生巨大的电压，也是需要被排除的。

因此运放用起来不容易啊，我看到的很少。

而且成本也是一个很大的问题，LT有很多检测电流的运放，成本较高。

一个电阻+运放的配置还不如直接加电流传感器呢。

电子设备可靠性设计的本质

一提到可靠性，就让人想到纷繁复杂的各类技术，就让人无从下手。

热设计重要、电磁兼容重要、环境防护也重要，那到底该如何下手呢？

可靠性设计与常规设计还是有些方.法.论和思维方法上的差别，其本质是三部分：

系统设计、微观设计、过渡过程。

系统设计的核心是组成电子设备的各部分之间相互影响，需要从系统的角度考虑设计问题，不要头痛医头，脚痛医脚。

比如，一个散热片的选用和安装，热设计上要考虑其热阻选用时否合适，为了增加热阻还要考虑材料，工艺上要考虑安装方法，结构设计上要考虑通风量、散热片周围的接地布线要考虑电磁兼容，结温的温升要考虑降额，用在海边还要考虑腐蚀，如果设备有震动，还要考虑抗震设计，这是一个很综合的问题。

需要对全生命周期、全影响技术两方面（如下图）进行设计，实际技术并不难，难的是全面，因为一个工程师很难掌握如此全面的知识，解决办法一是参加《电子设备系统可靠性设计》的培训，让每一个设计师掌握系统设计的思维方法和设计技术；二是设立系统工程师、总体设计组或总体设计部，专门的人研究各部分的相互影响，具体的设计师研究分项的专业设计和测试技术。

微观设计的内容是注意细节，莫里哀的经典名言“很多人不是死于疾病，而是死于治疗本身”，出现问题的设计，设计师没考虑到该做哪方面的防护只占很少一部分，绝大部分是做了防护设计的考虑，但考虑的深度不够。

比如磁环的选择，大小选对了，阻抗选对了，材料呢？

适用的频率范围呢？

信号线实际的滤波频率呢？

安装方式呢？

安装的位置呢？

一系列的问题，有一个细节没做对，磁环的效果就大打折扣，甚至不发挥作用。

很多器件的选择是基于经验，而不是基于实际的工程计算和测试结果，经验的东西（尤其是别人的经验），是在特定的条件下才有效，世易时移，此时此刻的应用方法未必合适，退耦电容、接地方法、布线、屏蔽壳体等方面都存在类似的问题。

最后一个是过渡过程的影响，一台设备，一旦被设计出来，能在实验室中通过测试，一般来说原理是没问题的了，但为啥最后到了现场就出问题呢？

问题就出在过渡过程上。

君不见，机器的开关机过程极容易出现故障，尤其是频繁开关机，原因何在？

稳态工作状态下的问题和过渡过程启停状态下，其工作状态是不一样的。

比如机器上电瞬间，电流是波动的，有人说了，波动有啥啊，退耦电容和上电复位监控电路起作用阿，可是一块大电路板上，两个大芯片，它们的VCC电压在瞬间上电过程永远是同步的吗？

一个已经启动了工作，另一个尚未启动的话，他俩之间如果发生信号传输，结果会怎样？

数据错乱会如何后果我不知道，但发生闩锁是很正常的事情。

如果发生频繁波动，或者继电器的开合瞬间总线数据的受干扰等等。

尤其是瞬态的过渡过程，往往和我们常规对稳态工作的理解是不一样的。

考虑了过渡过程的潜在风险和规避方法，问题将会大大减少。

如果在电子设备的设计中，能做到系统设计、微观设计、过渡过程三方面都考虑周到了，产品将会变得很可靠，这方面的技术并不难，它只是一种另类的思维方法，每次设计检查的时候，都来自省下，自省的结果将会带来难以预期的商业价值，Idobelive！

不花钱的可靠性设计

今天和几个朋友吃饭，席间请朋友们帮助推介我的业务，其中有几位大倒苦水，“现在经济危机呵，可靠性一直就想做，可拿不出钱来添置设备、增加产品的成本啊”，还都是曾经有过机电技术经历的人，有感而发，完成此文，展示给大家看，原来“可靠性设计是可以不花钱的”。

我们有时候会遇到一种情况，一块电路板在机器上装着的时候，机器工作不正常，拆下来后，单板工作正常，甚至摊在桌面上工作也是正常的，但装上就不好好工作，或者在厂子里烤几天机也是好的，或者在用户处前几个月也是没问题的，但就是长期使用下来就报故障，也能初步认定可能是虚焊，可到底是在哪里呢，让人一筹莫展。

看下图电路板的安装方式，如果电路板的安装机壳是开模具的，加工误差较小，这个问题不明显，如果是钣金或焊接的，四个固定柱的加工误差超过1mm是很正常的事情，于是就出现了左侧的翘曲，初期没事，长期应力下去，表贴器件的焊接力强度又不是很大，就容易出现焊盘脱落或虚开。

这个问题的解决也容易，不在一条直线的三点决定一个平面，那就三点支撑；如果还是四点支撑，支撑柱弹性强一点，用尼龙或橡胶柱，使电路板翘曲没有那么大应力。

类似的问题在电路板布局上也会出现，一个可插拔的插座装在远离固定柱的地方，在插拔的时候，电路板会受力，这个应力也会产生虚焊的情况，解决方法不用多解释了吧，或者把插拔方向做成平行于电路板的而不是垂直的，或者把插座安装在固定柱的旁边，或者查做附近几厘米内只焊接直插器件，不放置表贴焊接器件，或者干脆就不设插座，把线缆焊在板上引出来，在漂浮的线上焊可插拔的插头插座等等。

前几天，我把MSN和QQ的签名改成了“降额设计是提升可靠性的最简手段之一”，此言不虚。

器件降额也是不增加成本的，举个通俗的例子，一个人最多能背100斤的袋子，我就让他背100斤走路，常规情况下肯定没问题，但是在路灯口，突然来辆车，紧急避让下就会较慢可能会出事，前面有片水洼，背个100斤就蹦不动；如果他现在只背50斤，走起来就很轻松，即使遇到意外情况也会避让过去，水洼也能跳过去。

这就是降额的最通俗解释，在设计的时候，就是我们必须要背100斤的话，我就选一个能背150斤的人来背，或者让2个能背100斤的人分着背。

拿个具体电路举例来说，1/8W，1%，510K电阻，额定耐压150V，用于电源系统，实际耐压140V，额定耐压和实际耐压很接近了，在启停或浪涌的时候，加在电阻上的耐压可能会瞬时超过150V，按照III级降额的设计方法，电压的降额因子是0.75，则140V/0.75=186V，选择耐压>186V的电阻，后来发现这个耐压比较难选，就采用两只电阻串联，改用两个250k左右的电阻串联分压用。

另一个类似的事例，用LM324驱动一小负载，用2路运放驱动一个负载，各分担1/2的电流。

电阻、电容、IC、分立半导体器件、电感、继电器、开关、光纤器件、微波与声表面波器件、连接器、导线电缆、保险丝、晶体、灯泡、断路器等等均会涉及到这个问题，只是选择一个不同的器件差别，可靠性会增加很多。

在工艺上，接地线缆的焊点大都习惯加个热缩套管，这个习惯也挺好，如果是一个三孔的220V插座，安装时，地线在火零线的下面，且不加套管，结果会怎么样？

就是火线万一没焊好，搭接在地线焊点上的概率会增大，可能能防范一起触电事故。

机箱内部的电线对，常见的是一匝匝的线缆散着，去流和回流信号在两块电路板之间形成环状，如果附近有大电流的变化而产生磁场，就会在这个环状线缆上产生感生电流，这个电流倒是不大，但叠加在一个弱信号上、或者叠加在一个被采样的模拟信号上，数据失真则在所难免，解决方法简单得很，将去流和回流的电线对拧结一下，有效减小环路面积，也可以将内部线缆改成带屏蔽层的也可以，都是举手之劳而已。

以上说的是机械和电路上的，其实软件上也有可以做工作的地方，如果一个单片机，输出一个控制信号给继电器，控制一个电磁阀工作，大电流的冲击就容易产生辐射和耦合干扰信号出来，这个时候总线上的信号容易被串扰到，如果在输出大电流信号的时候，程序控制上关闭总线上的数据传输，就比如知道今天刮大风，我们可以先不出门，这阵风过去再出去。

通过布局可以减少电磁干扰，电磁兼容有三个要素，干扰源、干扰路径、敏感电路，利用机架、空间布局，让干扰源和敏感电路远离一点，尤其是容易引入干扰或辐射干扰信号的线缆，就会在没有增加任何内成本的基础上，让干扰降低。

我们都知道温度高会对产品可靠稳定工作产生较大影响，这也可以通过布局解决，让怕热的器件远离热源，让热源的器件在出风孔附近，这样散出的热量只影响它自己。

电路安装服从空气流动方向，进风口→放大电路→逻辑电路→敏感电路→集成电路→小功率电阻电路→有发热元件电路→出风口，构成良好散热通道；发热元器件在机箱上方，热敏感元器件在机箱下方，热源器件紧贴装在机箱金属壳体上散热等等。

不花钱的可靠性设计方法还有挺多，但确实需要花些脑细胞，也需要些时间的积累和实践的经历经验体会，这些倒还好办，最怕的还是畏难情绪，怕没有专业的人，怕没有资深的经验和水平，怕没有钱来做可靠性，怕是没用的，我们唯一的选择就是勇敢地去实践，只要努力了，我们就会有机会。

如果这个过程需要技术上的帮助，该知道找谁吧？