本文作者：儒卓力公司汽車事業部產品銷售經理Ralf Hickl

隨著電動汽車逐漸成為人們日常生活的一部分，對能夠雙向測量交流電和直流電的傳感器的需求也在增長。它們要高效、準確、緊湊，并且使用靈活。一款全新電流傳感器可以滿足所有這些要求。

越來越多的車輛應用從電池供電，特別是在具有電動驅動的車輛上。同時，車輛電池和消費電子裝置的功能也變得越來越強大，這導致了車輛電氣系統中出現更高的電壓和電流。為了應對更高的電壓，業界提出了其他標準和安全規定，例如與電氣系統的其他電壓層電隔離，以及更高成本的保護接觸。大電流導致電纜和任何存在歐姆電阻之組件的功率損耗更大。因此，電流測量需要使用能夠耗散高功率損耗的超低歐姆分流電阻。然而，它們相對較大，這意味著較多的材料、重量和成本。

為了保護電池和車輛電氣系統的電氣線路不受過載影響，必須測量電流，因為如果線束著火，可能很快就讓車輛變成廢品。這種保護功能過去是由保險絲來完成的。未來，在發生過流或短路的情況下，關閉電源將是半導體開關的工作，前提是準確的電流測量；此外，若要通過牽引變頻器來控制驅動運作，精準電流測量也是必需的。

用于電隔離的磁場傳感器

由于車輛中存在12V、48V和高壓等不同的電壓等級，對于這些電壓等級之間電隔離需求越來越多。特別是在大電流情況下，傳感器測量電流產生的磁場，并將其作為模擬信號傳輸，這樣具有很大的優勢：與使用分流器的基于電阻的電流測量方法相比，磁場傳感器在提供電隔離的同時，還能顯著降低功率損耗。這些特性對于高壓和大電流應用尤為重要，因為電隔離確保了對接觸的保護，而低功耗則保證了低自熱。

為了應對這些難題，英飛凌針對TLI4971電流傳感器進行了專門用于汽車應用的進一步開發。在新型TLE4972中，測量電流并不像TLI4971那樣流經具有內部電流路徑的IC封裝；相反，傳感器放置在PCB上或靠近帶電線路的電源軌上，而且沒有接觸。

圖1：TLE4972電流傳感器的目標應用

TLE4972是無芯的...

功能更強大的電池系統允許在正常運行和發生短路時出現更高的峰值電流。如果電流傳感器具有帶有磁芯材料的磁通量集中器，則必須有相應的較大尺寸，否則，短路電流可能使其永久磁化，從而扭曲了系統的傳輸特性（圖2）。由于TLE4972是無芯的，即使在短路導致過流的情況下，也不會發生磁芯飽和以及隨后的剩磁效應。這支持實現高線性度，并避免了傳輸特性中的滯后現象。

圖2：帶有磁通量集中器的磁場傳感器必須具有較大的尺寸，以避免因短路而導致的永久磁化和系統傳輸特性的失真。(圖片來源：英飛凌)

...快速...

需要進行快速的過流和短路檢測，特別是主電池開關。由于TLE4972有兩個獨立的開漏輸出，具有可配置的觸發閾值和可編程的噪聲脈沖濾波器，因此可以滿足要求。它們向微控制器或柵極驅動器等發出過流信號，過電流檢測（OCD）開漏輸出引腳的典型響應時間小于1μs。TLE4972具有從0Hz到至少120kHz的較寬頻率范圍，有助于實現快速過流檢測，而沒有軟件引起的延遲。

差分模擬輸出也提供了高帶寬，因此可用于電動汽車中驅動電機的扭矩控制。

...精準...

由于采用差分測量方法，因此，由于相鄰導體的電流流動等引起的多余的雜散場，不會對測量信號造成任何影響。芯片上的附加傳感器還可以補償溫度和機械應力的影響。因此，在組件的整個使用壽命期間，準確性和穩定性得到了提高。產品數據表顯示，在使用壽命內的溫度測量誤差小于2%。

用戶可通過軟件配置和整個系統的機械設計來擴展TLE4972的測量范圍。

整體系統，即傳感器加上PCB或電源軌上的電流導體，可以在組裝后進行校準，從而補償生產公差。通過Aout引腳在電源開啟的情況下進行通信。

...安全...

英飛凌根據ISO 26262汽車工業功能安全國際標準開發TLE4972傳感器。由于具有高度的自我診斷能力，該傳感器符合ASIL B標準安全組件功能安全要求（SEooC）。

因此，特別推薦TLE4972用于需要滿足高度功能安全的應用。開發人員可以向英飛凌索取相關文檔資料。這些數據可用于輕松計算并快速證明整體系統的可靠性。

...以及靈活性

TLE4972以模擬形式輸出測量值。輸出可以配置為全差分、半差分或單端。對于單端輸出模式，傳感器從外部來源導入參考電壓，例如連接的模擬/數字轉換器（ADC）。在半差分模式下，它將內部Vref輸出到一個引腳，與連接的ADC共享。這樣可以抵消共模噪聲，只要它在整個ADC轉換時間內是恒定的。

在全差分模式下，TLE4972提供兩個相位相反的輸出信號。這種工作模式與具有差分輸入的ADC結合在一起，可確保最好地抑制模擬傳輸路徑上的共模噪聲信號。在這方面，TLE4972是英飛凌可編程系統級芯片（PSoC）系列4、5和6的理想選擇，因為它們具有帶差分輸入的12位ADC，并與傳感器共享3.3V左右電源電壓范圍。

兩種封裝形式

TLE4972有兩種封裝形式：在TDSO-16封裝中，適用于測量在普通多層板上流經軌道的高達約400 A電流。對于最高大約800 A的更高電流，英飛凌建議將之安裝在特殊形狀的銅軌上（圖3和4）。

圖3：安裝在銅軌上方或下方，TLE4972適用于測量最高大約800A電流。(圖片來源：英飛凌)

圖4：TLE4972兩個封裝型款提供多種安裝選項，適用于測量200 A至800 A電流。

對于400 A和2 kA之間電流測量，TSON-6封裝TLE4972是理想的選擇，它的尺寸為4.5 mm × 3.5 mm，可以垂直安裝在電源導軌切口處。

原廠提供支持

英飛凌通過全新仿真工具支持使用TLE4972的開發項目，這款工具可通過英飛凌合作平臺（Infineon’s Collaboration Platform）在線使用（需要激活）。此外，英飛凌還為各種測量范圍提供了四塊評測板。TLE4972 EVAL STD PCB（最高約200 A電流）、TLE4972 EVAL INLAY（最高約400 A電流）、TLE4972 EVAL LAT BAR（最高約580 A電流）和TLE4972 EVAL VER（最高約830 A電流）。

結論

TLE4972是用于高雙向電流應用的無電位測量組件，它還能自主地發出過流信號，并符合ASIL B標準SEooC要求。這款傳感器特別適用于電機控制。此外，它可以結合PSoC的模擬和數字功能，精妙地實現高壓熔斷器電子部件。

儒卓力汽車事業部（Automotive Business Unit）專業團隊設想這款組件在眾多目標應用中得到應用，包括測量牽引BLDC驅動、輔助驅動、電子渦輪(e-turbo)、集成啟動器/發生器、皮帶啟動器/發生器，以及高壓路徑中的電子保險絲、電池管理系統（BMS）和電池或負載斷路開關的電機相位電流。

審核編輯 黃宇