充電樁電流電壓采樣的要求及解決方案

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/李誠）在“碳中和”的共同目標(biāo)下，汽車產(chǎn)業(yè)能源架構(gòu)開始由化石能源向清潔能源轉(zhuǎn)變，不斷構(gòu)建完整的低碳發(fā)展體系。碳中和的概念一經(jīng)提出便引起了資本市場的躁動，電動汽車產(chǎn)業(yè)也呈異軍突起之勢屢創(chuàng)新高，與此同時，作為電動汽車配套應(yīng)用的充電樁也開始進(jìn)入大家的視野。

電動汽車充電樁電流電壓采樣位置及其他要求

隨著電動汽車的普及，人們對充電樁的要求也隨之提高。在充電樁的應(yīng)用中，電流電壓采樣會直接影響充電樁與汽車之間的數(shù)據(jù)判斷，能否對輸出電流電壓進(jìn)行精確的采樣，是充電樁能否完成充電操作的關(guān)鍵。

圖源：TI

上圖為電動汽車充電樁的電路拓?fù)?，在電動汽車充電樁系統(tǒng)中，電路系統(tǒng)主要分為四個部分，分別為交流電AC電網(wǎng)輸入端、PFC升壓功率級、DC/DC轉(zhuǎn)換功率級與輸出電池端。在這一電路系統(tǒng)中需要分別對電網(wǎng)側(cè)、PFC環(huán)路、DC/DC環(huán)路以及DC/DC與電池之間進(jìn)行電壓電流的采集和監(jiān)控。

由于電壓電流采樣在電動汽車充電樁電路系統(tǒng)中多用于環(huán)路控制，因此采樣的精度以及采樣時間在環(huán)路控制中起到了至關(guān)重要的作用。在通常情況下，電流電壓采樣精度一般要求在1%以內(nèi)，系統(tǒng)控制的響應(yīng)速度與開關(guān)頻率有著密切的關(guān)系，開關(guān)頻率在半個開關(guān)周期以內(nèi)。如果采用的是峰值電流控制或滯環(huán)控制等此類的變頻，那么將會對采樣的精度以及響應(yīng)速度有著更高的要求。

電流電壓采樣功能除了可以對環(huán)路進(jìn)行控制，在電源系統(tǒng)中還會用于瞬態(tài)過電流和短路保護(hù)，在此類應(yīng)用中對響應(yīng)速度的要求會更高，響應(yīng)速度的要求主要取決于所使用的開關(guān)管，如果使用的是IGBT，短路保護(hù)的響應(yīng)時間通常5μS以內(nèi)。如果使用的是碳化硅開關(guān)管，由于碳化硅開關(guān)管的短路耐受時間比IGBT更短，為避免炸管的風(fēng)險出現(xiàn)，通常將響應(yīng)速度控制在1μs以內(nèi)。

在實(shí)際應(yīng)用中，電流電壓采樣通常會橫跨在控制單元與功率單元兩個 部分，在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時有可能會引發(fā)危險，因此電流電壓隔離也是需要考慮的一個問題。

隔離電壓電流采樣類別

隔離電流采樣通常會被劃分為兩類，一種是基于分流電阻，例如隔離運(yùn)放和隔離Δ∑調(diào)制器；另一種是基于電磁感應(yīng)的原理，例如CT和羅氏環(huán)。其中隔離運(yùn)放是目前在電動汽車充電樁中運(yùn)用得較為普遍的一種，帶寬能達(dá)到310kHz以上，抗共模干擾能力能達(dá)到120kV/μs。同時，基于Δ∑調(diào)制器采用的是模擬輸入數(shù)字輸出的方式，因此在抗干擾能力方面也有不俗的表現(xiàn)。

隔離電壓采樣的實(shí)現(xiàn)同樣也可以分為兩大類，一類是個隔離運(yùn)放，另一類為隔離Δ∑調(diào)制器，性能優(yōu)勢與電流采樣類似。

TI充電樁隔離型電流采樣方案

在電動汽車充電樁隔離電流電壓采樣方面，TI推出了數(shù)個基于不同工作原理的電流電壓采樣方案，例如用于隔離型電流采樣方案的AMC1305M25，用于隔離型電壓采樣的AMC1311。

圖源：TI

本小節(jié)主要是對TI的AMC1305M25隔離型電流采樣方案進(jìn)行講解。AMC1305M25的原理是基于分流電阻實(shí)現(xiàn)的。在信號輸出方面，單端信號輸出極易出現(xiàn)信號干擾的問題，TI為解決這一問題，在該芯片中采用了差分輸出，當(dāng)差分信號傳輸至MCU附近使，再將差分信號轉(zhuǎn)化為單端信號的方式降低信號干擾。

同時，AMC3301 的輸入針對直接連接低阻抗分流電阻器或其他具有低信號電平的低阻抗電壓源的情況進(jìn)行了優(yōu)化。失調(diào)誤差最高為失調(diào)誤差150μV，失調(diào)漂移為1.3 μV /℃，增益誤差為±0.3％，增益漂移為±40 ppm /℃。出色的直流精度和低溫漂能夠保證在–40℃至+125℃的工作溫度范圍內(nèi)進(jìn)行精確的電流測量。

在供電方面，芯片內(nèi)部集成了隔離型DC/DC，可以直接采用充電樁系統(tǒng)控制電路的低壓側(cè)電源為其供電，再通過芯片內(nèi)部的隔離型DC/DC生成一個隔離電源向高壓側(cè)供給。內(nèi)置隔離DC/DC的方式不僅縮小了PCB的面積，還簡化了設(shè)計與驗證的流程。

納芯微電動汽車充電樁隔離電壓采樣方案

納芯微此前推出了一款可用于充電樁電動汽車隔離采樣的解決方案NSi1311，NSi1311采用的是自家的NOVOSENSE電容隔離技術(shù)，支持單端0.1V至2V信號輸入。由于NSi1311具有較高的輸入阻抗，因此其非常適用于高壓電阻分壓器或其他具有高輸出電阻的電壓信號源進(jìn)行連接。

同時該芯片的帶寬為310kHz，共模抑制比為100kV/μs，固定增益為1，最大偏置誤差為±1.5mV，最大增益誤差為±0.3% ，通過極低的失調(diào)電壓和增益誤差，確保了其在全溫度范圍內(nèi)的采樣精度。

圖源：納芯微

上圖為納芯微NSi1311的內(nèi)部框架，通過觀察可以看出他與TI用于電流采樣的AMC1305M25在整體架構(gòu)上存在著相似性。為提高輸出信號的抗干擾能力，納芯微和TI一樣都采用了差分輸出的結(jié)構(gòu)。但不同之處在于NSi1311在隔離層的兩側(cè)都各需要一個電源為其供電。

結(jié)語

在電流電壓采樣方面共總結(jié)出以下幾點(diǎn)，失調(diào)電壓和增益誤差的值越低，采樣精度受到環(huán)境溫度的影響就越小。較高的抗共模抑制比，才能保證在電動汽車充電樁等此類高壓應(yīng)用中，具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性。差分信號輸出的方式可以提高信號傳輸?shù)目垢蓴_能力。