汽车电子中的精准电流检测：类比半导体电磁阀控制革新
作者: 类比半导体
摘要
汽车电磁阀作为汽车系统中的关键执行器，负责精细调控油、水、气等流体的流动。在车身稳定控制系统（ESC）及自动变速箱等关键应用中，电磁阀的精准操作对于保障系统性能至关重要。特别是比例电磁阀和线性电磁阀，它们的控制精度直接影响系统响应的准确性和可靠性，因此对电流检测的精度要求极高。
上海类比半导体技术有限公司（以下简称“类比半导体”或“类比”）作为国内领先的模拟及数模混合芯片设计商，凭借在线性产品研发领域的深厚技术积累，成功攻克了行业内的技术挑战，推出了性能卓越的电流检测放大器系列产品。这些产品不仅完善了运放产品线，而且在关键技术指标上展现出色的表现，为汽车电磁阀的精准控制提供了强有力的技术支撑。
一、电流检测放大器在电磁阀中的应用挑战
在电磁阀的电流检测中，存在两种典型的电路配置，其中一种如图一所示。
图 1 一种典型的电磁阀工作和续流时的电路配置
绿色路径代表电磁阀正常工作时的电流流动，而红色路径则代表续流时的电流路径。在续流过程中，由于二极管与线束或PCB走线的寄生电感效应，可能引起节点A的电压下降至-1V以下。在这种情况下，电流检测放大器的输入端IN+和IN-会面临低于-1V的共模电压挑战。鉴于市场上多数电流检测放大器的共模电压范围上限为-0.3V，超出此范围可能导致电流检测放大器输出VOUT异常升高至接近电源电压VCC。只有当共模电压恢复至-0.3V以上，输出才能恢复正常。甚至有些电流检测放大器，即便共模电压恢复，输出也无法自动回正，需要重启系统。MCU在检测到VOUT接近VCC时，可能会错误地将此现象判断为过流故障。
图 2 另一种典型的电磁阀工作和续流时的电路配置
图二列举了另一种电磁阀在开关闭合与断开状态下的电流行为。
开关闭合时，电磁阀正常工作，节点A电压为12V，共模电压为12V。
开关断开时，由于低边MOSFET的驱动，寄生电容放电导致电感电流将节点A电压拉低，形成负电压。同样，MCU可能会错误地将此读数判断为过流。
通过这两种应用场景，我们认识到电磁阀在操作过程中可能产生低于-1V的共模电压。因此，电流检测放大器必须能够承受较高的负共模电压，同时确保输出信号不会发生钳位现象，避免错误的过流故障诊断。
二、类比半导体CSA601Q电流检测放大器在负共模电压下的性能验证
类比半导体的CSA601Q电流检测放大器，以其高精度特性，能够在-6V至40V的共模电压范围内稳定运行，同时具备出色的共模抑制比（CMRR）、高精度、宽带宽和低温度漂移性能。针对电磁阀控制中的挑战，我们对CSA601Q进行了在-1V共模电压条件下的小信号和大信号输入测试，以验证其在极端条件下的输出稳定性，并确保电流检测放大器输出不会发生钳位到供电电压的现象。实验电路如图3所示。
图 3 类比半导体的CSA601Q电流检测放大器测试实验电路
2.1 实验一：小信号测试（共模电压-1V，输入信号0.1V）
在该实验中，信号发生器产生具有1V偏置（Offset）、0.1V峰-峰值（Vpp）、10Hz频率(Freq）的两路信号，相位差为180°。两路信号的负端接入地线（GND），正端分别接入电流检测放大器的IN+和IN-(在-1V的共模电压上叠加0.1V正弦波，模拟两个反向电流）。
实验现象表明，电流检测放大器输出C1呈现预期的2V峰值半正弦波形，与理论计算的4V峰-峰值（0.2Vpp x Gain20）相符，且负半周期被地线GND正确钳位。
2.2 实验二：大信号测试（共模电压-1V，输入信号1V）
在第二个实验中，信号发生器设置与实验一相同，但输入信号的Vpp提高至1V。输出C1的波形接近方波，峰值(Vpeak）为3.3V，理论值40Vpp（2Vpp x Gain20），由于供电为3.3V，所以正半周期被钳位到3.3V，而负半周期被GND钳位，符合设计预期。
2.3 实验结论
实验结果明确显示，在-1V的共模电压下，CSA601Q电流检测放大器能够正常工作，其输出未出现钳位至供电电压的现象。CSA601Q的宽共模电压支持范围（-6V至40V）证实了其能够妥善处理绝大多数负共模电压的应用场景，为电磁阀的精准控制提供了强有力的技术保障。
三、总结
类比半导体凭借其在模拟及数模混合芯片设计领域的专业优势，为汽车电子行业带来了创新的电流检测解决方案。CSA601Q电流检测放大器的推出，彰显了类比在高精度、高稳定性能方面的技术实力，以及对市场需求的敏锐洞察。
CSA601Q电流检测放大器的宽共模电压范围（-6V至40V）、高CMRR（150dB典型值）、精准的增益误差（最大0.3%）和低静态电流（1.4mA典型值）等特性，使其在汽车电子系统中电磁阀的电流检测中表现出色。此外，CSA601Q提供的多种可供选择的增益（20V/V、50V/V、100V/V），使其能够灵活适应不同应用场景的需求。这些特性，结合多样化的增益选项，确保了产品能够满足汽车电子应用的严苛要求，提升系统性能和可靠性。同时，该系列产品还包括CSA601Q、CSA245Q和CSA240Q等不同型号，覆盖了从单向电流检测到双向电流检测的不同需求，共模电压范围从-6V扩展至80V，为客户提供了全面的技术选择和解决方案。
在国家推动自主可控芯片发展的大背景下，类比半导体专注于汽车智能驱动、信号链、电源管理、MCU/DSP等领域的芯片设计，致力于为客户提供高品质芯片，为世界科技化和智能化发展提供最底层的芯片支持。未来，类比半导体将持续引领汽车电子技术的创新浪潮，研发更为先进的芯片解决方案，为构建更安全、更高效的汽车系统贡献力量。
