新能源汽车电流传感器的采样电路的讲解3

从上图可知，电流传感器的核心主要由两部分组成，第一部分霍尔，第二部分运算电路。

当Vout>Vo，Ip母线电流正方向流动

电流传感器的系统架构

CL<2.2nF EMC保护电容，RC组成低通滤波电路，RL>10KΩ上拉电阻到源VCC，使Vout无输出即高组态的时被拉到高电平VCC（+5V）.Vout开路时，Vin输出为Uc=+5V,当Vout短路时Vin输出为0V.

上图是电流传感器的电气部分数据

测量母线电流的或电机三项U、V、W，取2相各加一个电流传感器，根据IU+IV+IW=0,求出另外一项不加电流传感器的那项电流，这个电流传感器最大的量程范围-800A到800A，电流传感器的量程要根据实际选取，测量的电流要在传感器量程之内。

给电流传感器模块供电的电压是+5V，这个Uc电压波动范围4.75-5.25V,  超过这个值会影响电流传感器的输出精度，所以+5V的电源电压精度要尽量高，纹波率要小。

电流传感器输出的模拟量，Vout=（Uc/5）*（Vo+G*Ip）

Uc是加在电流传感器的实际直流电压，5就是理想的源电压+5V,Vo是失调电压，是由于电流传感器内部工艺等因素造成的失调电压，会影响Vout的输出精度。G代表电流传感器的灵敏度，和运放的压摆率类似，这里的G就是电压/电流,大的电流输出比较小的电压，mV/A，当测得电流为1A时，霍尔输出1mV,Ip指的是采样的母线的电流或者电机三项的相电流。

假设我们检测的Ip电流为0A，对应Vout输出电压是多少呢？这也是检测电流传感器的好坏的重要指标之一，零飘。

根据Vout=（Uc/5）*（Vo+G*Ip），再查询上图的电气性能参数可得：

这里我们取Uc为理想的+5V电源,偏置电压Vo=2.5V,G为电流传感器的灵敏度2.5mV/A,Ip为实测电流0A,可得Vout=2.5V.

当电流传感器的零飘为+-3A时，根据Vout=（Uc/5）*（Vo+G*Ip）算出：

零飘为+3A时，Uc=5V,Vo=2.5V，G=2.5mV/A,

Vout=1*（2.5V+2.5mV/A*3A）=2.5V+7.5mV(7.5*10^-3)

=2.5V+0.0075V=2.5075V

零飘为-3A时,Uc=5V,Vo=2.5V，G=2.5mV/A,

Vout=1*（2.5V+2.5mV/A*-3A）=2.5V-7.5mV(7.5*10^-3)

    =2.5V-0.0075V=2.4925V.

Vout在2.4925V到2.5075V，代表电流传感器零飘在+-3A范围之内，也可初步判定电流传感器合格。

当Ip电流为电机正转时的峰值保护电流+750A，求出电流传感器输出电压Vout=（Uc/5）*（Vo+G*Ip）

Uc=5V,Vo=2.5V，G=2.5mV/A

Vout=1*（2.5V+2.5mV/A*750A）=2.5V+1.875V

=4.375V

当Ip电流为电机反转时的峰值保护电流-750A，求出电流传感器输出电压Vout=（Uc/5）*（Vo+G*Ip）

Uc=5V,Vo=2.5V，G=2.5mV/A

Vout=1*（2.5V+2.5mV/A*750A）=2.5V-1.875V

=0.625V

从上面可得，当电机正反转电流等于750A（+-750）时，Vout的值分别为，电机正转时的保护电流Ip=750A,Vout=4.375V;电机反转时的保护电流Ip=-750A,Vout=0.625V;  也就说明电机正转时Vout的值等于Vout=4.375V（不能大于这个值）时就要实施硬件保护，在理论1ms内关闭IGBT，一般几十us，最大不超过100us；电机反转时Vout的值等于Vout=0.625V（不能比这个值小）时就要实施硬件保护，在理论1ms内关闭IGBT，一般几十us，最大不超过100us；

新能源汽车电流传感器的采样电路的讲解4

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从上图可知，电流传感器的核心主要由两部分组成，第一部分霍尔，第二部分运算电路。

当Vout>Vo，Ip母线电流正方向流动

电流传感器的系统架构

前面我们讲了，电流传感器的Ip电流为0V时，电流传感器Vout输出2.5V;当Ip等于+750A时，Vout输出为4.375V;当Ip电流等于-750V时，Vout输出为0.625V。从上面的数据可以看到Vout最低为0.625V到4.375V，不需要运放放大处理，进行滤波等处理后，可以直接送到单片机的AD口。如下图所示：

  V相电流采样滤波电路

从上图可以看出，C1和R1组成了低通滤波电路,滤除高频干扰。其实只用一个C1也可以进行对高频的滤波，根据Xc=1/2ΠCf 频率f越高，容抗Xc越小，高频干扰更容易通过电容C1释放到地，防止对信号干扰。加R1的作用：1、其实是对C1进行放电，也就是电动汽车再特殊工况运行时，电流Ip相对突变，也会引起Vout的突变，但是由于加了这个滤波积分电容，电容两端的电压不会突变的，反而会增加电流传感器回路的响应时间，对电流环路的控制就会有不利的影响。2、无论在什么情况可以保持I_VA一个确定电位，防止高阻态出现，扛干扰就差了，很容易触发过流保护等等，实际Ip并没有过流。

D1的主要作用就是防止静电或者其他幅值比较大能量比较小的干扰，比如Vout_V有个正幅值的静电，如果没有D1这个二极管，这个静电可能会破坏这条回路上的器件，由于耐压不够而损坏。加上这个二极管D1，D1的负极为+5V,它的正极最高为+5V+0.7V(二极管的管压降)，也就是I_VA最高电位不会超过+5.7V,从而可以保护这条回路的所有器件，防止被静电的正幅值打坏。同样道理，静电为负幅值时，D1二极管对地就工作了，Vout_V这条回路，不会因为静电的负的幅值太大而损坏回路的器件，此时这个二极管正极接的是地（GND=0），二极管负极的最低电压是-0.7V，也就是说Vout_V最小是-0.7V，这里就是利用二极管的单项导通，钳位原理实现对静电的钳位。

R2和C2组成的低通滤波电路，也叫延时电路，它的带宽F=1/2ΠRC=1/2Π*220*10*10^9=70KHz。低通滤波器可以滤除频率高于截止频率的信号，类似的还有高通滤波器，带通滤波器，带阻滤波器。R2和C2组成了一阶 RC 低通滤波器，高于70KHz的频率会被滤掉。低于70KHz的频率会被保留，我们这里的电流采样频率为10KHz，完全符合要求。经过这个滤波电路之后就可以把I_VA信号直接放心的送到单片机的AD口，进行模数信号的转换。

新能源汽车电流传感器的采样电路的讲解5

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前面我们讲了，电流传感器的Ip电流为0V时，电流传感器Vout输出2.5V;当Ip等于+750A时，Vout输出为4.375V;当Ip电流等于-750V时，Vout输出为0.625V。从上面的数据可以看到Vout最低为0.625V到4.375V，不需要运放放大处理，进行滤波等处理后，可以直接送到单片机的AD口。

一般三项电机，会采样U、V、W三项其中两项电流即可，这样可以节省一个电流传感器，可以根据Iu+Iv+Iw=0计算另外一项电流。现在进行电流过流保护电路设计，即电机正转和反转都要设置过流点。电机正转时电流峰值到+750A就要进行电流保护，同理反转时电流峰值到-750A时，要封波处理关闭PWM。对应的正转Ip=+750A时对应的Vout=4.375V，反转Ip=-750A时对应的Vout=0.625V。

知道这些数据后，设计相关的硬件保护电路。为什么要设计硬件保护，不使用软件保护，这样还节约器件、减少成本等等。最主要的原因就是，软件保护要ms级，硬件保护可以达到us级，保护关断速度根本就不是一个量级，明显硬件保护更快。假设某型号IGBT（大部分大功率器件），可持续1ms极限峰值电流1000A，由于在短时间内电流功耗特别大，热量无论采取什么散热处理，都不可能把热量散出去到一个安全的点。所以要设计在1ms内关闭IGBT，由于软件调整一个闭环大概要5-10ms，根本没办法在1ms内关闭IGBT。所以这里只能使用硬件保护，关闭IGBT.

上图所示，用2in1 2903比较器和RC滤波电路组成的U向过流保护电路。U端是电流传感器的Vout，经过R6、R7、和C3组成低通滤波电路，送到比较器2903与参考电压VREF_HI和VREF_LO进行比较。 由于电源用的是5V，防止电流传感器Vout输出饱和，所以比较器输入部分进行分压处理Uin=1/2U(Vout)，防止对比较器输入饱和电平。

当4.375V<U（Vout）<0.625V输出,代表电机正常运行，比较器输出高；当4.375V<U（Vout）代表电机正转过流，我们设计比较器输出低，2in1 比较器OUTA输出低，OUTB输出高但是由于比较器是OC输出，OUTA和OUTB同时接在一个上拉电阻上，所以此时比较器输出仍未低电平;U（Vout）<0.625V时代表电机反转时过流，比较器同样输出低，比较器信号反转和正转过流一样。

从上图可知，电流传感器的核心主要由两部分组成，第一部分霍尔，第二部分运算电路。

当Vout>Vo，Ip母线电流正方向流动

电流传感器的系统架构

新能源汽车电流传感器的采样电路的讲解6

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图1： U相比较过流保护初级电路

上图所示，用2in1 2903比较器和RC滤波电路组成的U向过流保护电路，V相的设计与U相相同。

现在我进行参考电压的设计VREFHI和VREFLO的设计，有条件的用线性电源，精度高而且纹波也小。我现在使用电阻分压的到这两个参考电压，如下图所示：

图2 ： VREF_HI和VREF_LO电压设计

通过电阻分压得到两个所需的电压,VREF_HI=2.197V;

VREF_LO=0.298V。当U或V电流采样信号大于VREF_HI=2.197V时，代表电机正转过流，当小于VREF_LO=0.298V时代表电机反转过流，如果在0.298V到2.197V间说明电机正常运转。

看上图的电阻分压，+5V的电源要与其他电源区分开，有条件可以用隔离电源或者单片机的I/o口提供一个电压，这样扛干扰能力强，不容易受干扰。VREF_LO=0.298V为R5/R1+R2+R3+R4+R5*(+5V),电阻分压得到。VREF_HI=2.197V为R5+R4+R3/R1+R2+R3+R4+R5*(+5V),电阻分压得到,这样两个参考电压就设计好了。

  图3 ：U和V相，电流保护初级电路

如上图3所示，U和V相的电机正转和反转过流保护设计完成了。当U相或V相信号0.625V到4.375V，电机正常运转，当小于0.625V或大于4.375V时，经过U相R6、R7和V相R8、R9分压后低值0.625V/2=0.3125V，高值4.375V/2=2.1875V. 通过上面的数据可以得出电机正转或者反转时达到+-750A时，还不会触发保护，与触发点还有一点差距。

现在计算一下,VREF_HI=2.197V;VREF_LO=0.298V对应母线的Ip电流，根据电流传感器给定的数据算出母线峰值Ip。可以得到电流传感器的Vout低值等于：

VREF_UHI=2.197V*2=4.394V;VREF_ULO=0.298V*2=0.596V;

根据电流传感器的参数，Vout=4.394时，也就是电机正转的过流点。Vout=4.394=（Uc/5）*（Vo+G*Ip），Uc这里我们就按照理想+5V电源计算，实际5v电源可能4.99v、4.98v等等都有可能。Vo补偿电压是2.5V，电流传感器精度

G=2.5mV/A=2.5*10^-3V/A, 代入公式Vout=4.394=（Uc/5）*（Vo+G*Ip），可算出Ip=757.6A；同理算出电机反转时的过流点Vout=0.298V*2=0.596V时，Ip=761.6A。经过理论计算和实际测量过流点有点差别但是不大可以忽略，这里就认为过流点在+-750A。

从上图可知，电流传感器的核心主要由两部分组成，第一部分霍尔，第二部分运算电路。

当Vout>Vo，Ip母线电流正方向流动

电流传感器的系统架构

2个N三极管实现宽电压输入恒流电路讲解

大家好！我是张飞实战电子的郭嘉老师，这篇文章聊一聊2个N三极管实现宽电压输入恒流电路讲解。

恒流源顾名思义，一定功率下，电流几乎不变电压可以变的电流源。一般常用在电机温度采样，即用PTC当作恒流源的负载，由于电流不变，PTC的内阻会随着温度的变化而变化，从而变化压降得到对应温度的变化。还有用在LED等驱动电路，可以同时控制数个或以上个LED灯，而且它的亮度基本一样。恒流源用途很多，就不一一举例了。

上图，用两个三极管搭建的恒流源电路，RL是负载，接LED或PTC都可以。

当Q1的b极电位大于等于0.7V的电压，Q1会导通。这里就加大Q1的b极电压, 当Q1导通后，形成Ic、Ie、Ib电流会流过R1，当R1两端的压降大于0.7V时，三极管Q2就会导通，R1两端压降会被Q2的be钳位在0.7V(Q1的b极电位大于等于1.4V的电压),此时Q1的b极到地的电压为：VR1+VBE(Q1)，所以可以计算I/O口输出的电压：令Q1的基极Vb，得发射极Ve为Vb-0.7V，三极管的β=100，整理上面数据可得：（Vio-Vb）/R2*β=(Vb-0.7V)/R1+（Vio-Vb）/R2,Ie=Ibβ+Ib，Ib和Ie、Ic不是一个量级100倍以上的关系，所以Ib可以忽略，（Vio-Vb）/R2可以忽略，公式整理得（Vio-Vb）/R2*β=(Vb-0.7V)/R1，公式整理得：Vio=Vb+（Vb-0.7）*R2/（R1*β）。

只要Q1的基极Vb大于1.4V的电压，R1两端的压降始终会维持在0.7V,Q1的Ie电流恒为0.7V/R1，Ic即负载RL的电流约等于0.7V/R1。

现在分析通过Q1和Q2怎么实现1mA恒流的，无论VCC和Vin怎么变化都可以实现恒流，实现宽电压输入：上图所示这个电路中，单片机的的I/O口输出Vin：Vio=Vb+（Vb-0.7）*R2/（R1*β）=Vb+（Vb-0.7）*3.5k/0.7K*100

=Vb+0.05Vb-0.035

=1.05Vb-0.035=Vin，令Vin=1.4V，可得Vb=1.36V,

当令Vb=1.4V时，Vin=1.05*1.4-0.035=1.435V,以上三极管的Vbe压降按照0.7V算，VCES按照0.3V算。

只要Vin大于等于1.435V，VCC大于等于VRL+VCES1+VR1。如果把RL用PTC100代替，设计恒流源为1mA,根据VCC大于等于VRL+VCES1+VR1=100Ω*1mA+0.3V(Q1的饱和压降)+700Ω*1mA=1.1V。

综上所述，恒流必须要满足VCC大于等于1.1V,Vin大于等于1.435V,这个恒流源恒成立。Q1的Ie=Ic+Ib，通过公式可以看出Ie的电流由Ic和Ib共同决定，即Ic提供不了1mA电流Ib会补，正常Ic电流远远大于Ib，所以Q1实现了恒流。当负载Ic突然变大时，Ve的电位会升高，Q1的Vbe压降会变小，Ib也会变小，Ic也会变小。当负载Ic变小时，Ve会变小，Vbe会变大，Ib会变大，Ic变大。这样就实现了闭环调节。当Vin不断变大时，R1的压降大于等于0.7V时Q2会导通，Ve会被Q2的BE压降钳位在0.7V,此时仍能保持Q1的Ie稳定1mA输出。