電流感測
貿澤推出Microchip和Vishay電流感測解決方案網站
貿澤電子(Mouser)推出全新的資源網站,專門為客戶提供Microchip Technology和Vishay Intertechnology的電流感測解決方案。電流感測是開發智慧馬達控制與高效率電源供應器時的關鍵要素。新網站將供應Microchip和Vishay一系列的控制器、電阻器和放大器,為尋找可靠電阻器式電流感測解決方案的設計人員提供單一資源來源。
其電流感測解決方案參考網站提供涵蓋各種應用的Microchip和Vishay精選產品連結,這些連結指向的內容包含產品說明和訂購資訊。網站亦提供白皮書的連結,書中說明了有關如何使用電流感測電阻器來測量閉迴路電源控制的電流的豐富資訊。這本白皮書名為《電阻器式電流感測的基本資訊與取捨》,書中探討了高低側感測,說明相關放大器電子元件的資訊,並提供如何判斷電阻器值、選擇適當類型的電阻器以及有關實際的連線因素的資訊。
新網站提供八個產品選項,這些產品都是專為在馬達控制應用中提供可靠的電流感測解決方案所設計。相較於霍爾效應裝置和電流感測線圈,電流感測電阻器通常是更為吸引人的解決方案,而且電流感測電阻器與放大器的組合搭配,更能符合嚴苛工業應用的高需求標準。
Vishay/Dale WSLF Power Metal Strip電阻器支援分壓、電流感測和脈衝應用。這些電阻器具備低熱電磁場(EMF)和極低的電感,電阻值介於0.003Ω至0.0003Ω之間。Microchip的MCP6C02高側電流感測放大器能為非常低的偏移漂移提供輸入偏移電壓校正,是適合馬達控制、工業運算和電池監控應用的理想選擇。
六大感測器成就動力系統 汽車電氣化步步到位
動力系統感測架構剖析
如圖1所示,動力系統中高度準確的電子感測器會負責監控相關條件以提升效率,系統中包含數個模組,各模組彼此獨立運作,並分別具備不同感測器和反饋控制機制。車輛效率主要視動力系統感測器和傳動器的精確度、精確度和反應時間而定。這些感測器可幫助傳輸感測資訊所需的封閉迴路運作,以進行引擎管理和變速箱控制(如表1所述)。
圖1 HEV中的動力系統
表1 動力系統剖析:與建構單元的關係及如何實現頂尖設計目標
促進動力系統發展的主要因素為經濟效益與廢氣排放,兩者都會影響性能與行駛能力。在引擎和變速箱系統中,感測器與反饋控制機制透過監控激發來提高效率,並利用燃燒程序效率提升以減少廢氣排放;且感測器和反饋控制機制透過準確監控激發來提高效率,進而促進引擎和變速箱系統效率。為了增加電動車和油電混合動力車中的電氣化程度,工程師必須針對動力系統架構和控制裝置重新構思。
此外,動力系統感測器在ICE車輛中扮演的角色也同等重要。如圖2所示,車輛電氣化最初從智慧型感測器開始。而減少ICE車輛廢氣排放的主要方式,是運用動力系統感測器與其性能。
圖2 傳統內燃機引擎
動力系統感測器可依提供的測量功能進行分類,如圖3所示。動力系統感測器通常可提供以下特性:
.低功耗(~10mA)。
.高準確性,亦代表提供精確的控制機制。
.對激發改變具高靈敏度。
.在汽車環境中強固耐用。
.電磁干擾(EMI)電磁干擾相容性。
圖3 依測量基礎分類動力系統感測器
舉例而言,德州儀器(TI)汽車高溫感測器(HTS)參考設計可提供高密度、低成本、高準確的熱電偶類比前端。
三種溫度感測器成就動力系統
動力系統共有三種主要溫度感測器類型。
熱電偶溫度
隨著新型柴油引擎問世,對高溫感測器的需求也越來越高,因為排氣系統就在引擎正下方。這種配置需要具備高精確度、高解析度和高整合度的溫度偵測功能,而可承受和偵測高溫的排氣系統溫度感測器通常運用熱電偶,並以多個熱電偶溫度感測器和一個獨立模組來進行控制。
熱敏電阻
市面上新熱敏電阻提供高溫度範圍,以滿足高溫感測器的需求。以矽基線性熱敏電阻取代標準負溫度係數和正溫度係數類型,也是目前的趨勢。透過新式智慧型熱敏電阻,汽車動力系統的特定需求便得以滿足,可在廣泛的動態範圍中實現高線性。
矽晶
由於具備以下優點,矽晶溫度感測器在HEV/EV和ICE車輛中扮演著關鍵角色:
.於廣泛的溫度範圍中提供高線性。
.可在支援溫度範圍內維持精確度。
.提供溫度感測器高解析度和第0級認證。
.提供數位輸出介面,促進資料數位傳輸。
.提供觸發警示功能,大幅提升控制作業效率。
.成本低廉且執行簡單。
壓力感測器多線束防短路
整合式動力系統壓力感測器運用電容與電阻原理,搭配放大器、類比至數位轉換器、微控制器和數位至類比轉換器/數位介面,在一個晶片上進行訊號調整。一般來說,壓力感測元件在溫度方面多呈非線性,因此傳統壓力感測器訊號調整電路中包含溫度與線性補償機制;由於壓力感測器模組線路需要多個線束,因此最好能防止線束發生過電流、過電壓或短路等故障。
舉例而言,汽車電阻橋壓力感測器參考設計和汽車電容式壓力感測器參考設計可助使用者避免線束故障。
動力系統壓力感測器的基本考量包含:
.訊號調整元件需具備較高的絕對最大額定值。
.容許線束故障。
.高靈敏、壓電電阻壓力感測器需求增加。
在汽車應用中,動力系統壓力感測器的訊號調整必須讓感測器能在極惡劣環境中運作,並且能承受各種震動、溫度波動、各種電磁條件和撞擊。
液位與濃度感測器以超音波維持系統運作
動力系統液位與濃度感測器通常以超音波電容運作基礎。液位必須在車內數個位置進行測量,如水箱、油箱、液壓油箱、機油箱與尿素箱等,皆位於車輛動力傳輸系統內。
為了讓控制迴路運作更有效率,必須監控這些液體的液位與濃度。以超音波法進行液體感測有以下優點:
.縮短量測時間。
.可在廣泛偵測範圍內驅動各種轉換器。
.適合各種中型儲槽和中等距離。
.可與高電壓電路介接,進而驅動轉換器以進入更深的儲槽中。
.能夠整合各種保護級。
.可使用控制器區域網路(CAN)介面。
在排氣系統中,AdBlue噴射會在柴油微粒過濾器(DFP)之後執行,以減少廢氣中的氨氣濃度;液體濃度與液位感測器在液體濃度與adblue液位量測中扮演重要角色。
磁性/電感奠定位置感測器運作基礎
位置感測器是另一種運用在ICE、HEV和EV動力系統中的感測器,可在電動轉向、牽引反相器、自動變速和防鎖死煞車系統等重要操作下,測量轉速、角度、速度和開啟/關閉位置。
供應商如TI的液位、濃度與流動感測超音波感測類比前端,以及汽車超音波訊號處理器和轉換器驅動器,皆支援這些超音波參數。
位置感測器主要以磁性(霍爾式和磁電阻)與電感為運作基礎,依應用而有所不同(表2)。動力系統位置感測器的考量與需求包含:
.在重要位置提供耐用性。
.具備偵測較小變化的靈敏度。
.提供高頻寬以進行速度感測。
.整合式數位輸出。
.輸入處低雜訊。
.陣列感測器或其他靈敏度軸。
.可耐受溫度與震動。
.非線性磁鐵。
.能夠實現高頻寬位置感測。
表2 位置感測器類型(依使用原理分類)
電感式位置感測器可透過減少維修來提升耐用性與精確度。
RF排氣感測器提升精確度
所有ICE車(包括油電混合車)皆採用排氣感測器。為了因應廢氣排放新規定,越來越多國家/地區皆針對廢氣排放訂立規範,對排氣感測器的相關要求亦隨之增加。
如圖4所示,車輛排氣系統中有各種類型的感測器。過去的感測器採用化學方式,利用兩個電極和電極電位基礎來進行感測,這種化學式感測器需要較多維護成本和反應時間。
圖4 汽車排氣系統內的感測器類型
而新型射頻(RF)排氣感測器可縮短反應時間、降低維護成本並提升精確度;這類感測器的運作基礎是各種氣體都有其發生共振的吸收頻率,並由一個傳送天線和一個接收天線負責感測氣體。若想降低廢氣排放,TI的汽車RF煤灰感測器參考設計中有針對RF感測器在各種汽車排氣系統上的氣體偵測功能加以說明。
排氣感測需具備以下條件:
.符合第0級資格的產品。
.由於每個排氣感測器都具備不同模組,因此需透過CAN協定與主要電子控制單元通訊。
.高精確度。
.降低維護成本。
.高溫下的耐用性與耐受性。由於排氣感測系統位於引擎蓋下方,因此排氣感測器溫度範圍將近可達1,500°C。
電流感測器三子系統重要需求
不論是燃油引擎、HEV還是EV,電流感測器都是車輛動力系統中最重要的一環。磁性分流基礎可滿足車輛電流感測的需求,使用者可依感測器位置來選擇適當運作基礎。燃油車輛中的電流感測主要為12V,HEV/EV車輛則為48V,其中EV的範圍可從400V到600或800V。
以下是電流感測各子系統的重要需求:
ICE
ICE的電流感測適用12V電池,其中精確度和高度整合是主要影響因素。這種電流感測器必須能在高溫下提供精確度;溫度和補償演算法可在廣泛溫度範圍內維持精確度,以避免獨立式電流感測器發生線數故障。
HEV
HEV中的電流感測器適用於12V和48V電池、DC/DC轉換器和馬達控制。毫安培至千安培範圍內的電流感測對電池來說尤其重要,必須以共模電壓電流分流感測器來耐受48V電池;電池電流感測必須能在低電流下提供高準確性,才能進行電池充電狀態(State of Charge, SoC)和健康狀態(State of Health, SoH)計算;DC-DC轉換器電流感測需要更高頻寬,才能針對故障快速進行反應;馬達控制電流感測需高電壓轉換率和低反應時間。
EV
EV的車載充電器、DC/DC轉換器、牽引馬達和400V至800V高電壓電池都需要進行電流感測。此外,也需隔離電流感測,以進行高電壓處理。分流式電阻器可提供磁性或強化型隔離、高頻率隔離和高線性。
電阻器低功率消耗和隔離式放大器電流感測的設計廣受歡迎,其中EV高電壓電池的低側電流感測結果較為理想,必須透過低電流下的準確度、高整合度及廣泛動態範圍電流感測,來進行電池充電狀態和健康狀態計算。
在精確感測非常重要的情況下,供應商如TI的汽車分流式±500A精確電流感測參考設計可在-40°C至+125°C溫度範圍內,為電池管理系統、馬達電流與其他汽車應用提供<0.2%的全幅範圍。
至於其他用途,電磁閥和其他數個閥門也需要電流感測才能在整個溫度範圍內得到準確結果,因此必須減少溫度漂移和偏移,並須降低分流容忍度。在這種情況下,較理想的方式是採用整合式分流。
感測器設計推動車輛電氣化進程
針對EV與HEV中的高容量電池,如TI的汽車、mA至kA範圍、電流分流感測器參考設計亦說明如何利用匯流排式分流電阻器,偵測來自毫安培至千安培範圍的電流。
隨著新汽車技術的推出和車輛持續電氣化,也對動力系統感測器與相關電子元件帶來許多影響。在HEV和EV中,電流和位置感測器的設計需求出現大幅提升(表3);而具高度準確性的訊號調節器和高精確度的運算放大器,是讓動力系統感測器在嚴峻汽車環境下可靠運作的主要功臣;感測器訊號調節電子元件可幫助克服許多挑戰,如高溫和震動條件、EMI保護,以及汽車安全標準相符性等。
表3 HEV/EV各類感測器及相關配置
在最終分析中,可看到動力系統感測器已準備好面對本時代最大的顛覆性創新科技之一:車輛電氣化。但選擇動力系統感測器和相關訊號調節電子元件時,應仔細回顧基本的設計考量。
(本文作者為德州儀器汽車系統工程師)