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作者：類比半導體 2024年7月17日 摘要 汽車電磁閥作為汽車系統中的關鍵執行器，負責精細調控油、水、氣等流體的流動。在車身穩定控制系統（ESC）及自動變速箱等關鍵應用中，電磁閥的精準操作對于保障系統性能至關重要。特別是比例電磁閥和線性電磁閥，它們的控制精度直接影響系統響應的準確性和可靠性，因此對電流檢測的精度要求極高。 上海類比半導體技術有限公司（以下簡稱“類比半導體”或“類比”）作為國內領先的模擬及數模混合芯片設計商，憑借在線性產品研發領域的深厚技術積累，成功攻克了行業內的技術挑戰，推出了性能卓越的電流檢測放大器系列產品。這些產品不僅完善了運放產品線，而且在關鍵技術指標上展現出色的表現，為汽車電磁閥的精準控制提供了強有力的技術支撐。 一、 電流檢測放大器在電磁閥中的應用挑戰 在電磁閥的電流檢測中，存在兩種典型的電路配置，其中一種如圖一所示。 
圖 1 一種典型的電磁閥工作和續流時的電路配置 綠色路徑代表電磁閥正常工作時的電流流動，而紅色路徑則代表續流時的電流路徑。在續流過程中，由于二極管與線束或PCB走線的寄生電感效應，可能引起節點A的電壓下降至-1V以下。在這種情況下，電流檢測放大器的輸入端IN+和IN-會面臨低于-1V的共模電壓挑戰。鑒于市場上多數電流檢測放大器的共模電壓范圍上限為-0.3V，超出此范圍可能導致電流檢測放大器輸出VOUT異常升高至接近電源電壓VCC。只有當共模電壓恢復至-0.3V以上，輸出才能恢復正常。甚至有些電流檢測放大器，即便共模電壓恢復，輸出也無法自動回正，需要重啟系統。MCU在檢測到VOUT接近VCC時，可能會錯誤地將此現象判斷為過流故障。
圖 2 另一種典型的電磁閥工作和續流時的電路配置 圖二列舉了另一種電磁閥在開關閉合與斷開狀態下的電流行為。 開關閉合時，電磁閥正常工作，節點A電壓為12V，共模電壓為12V。 開關斷開時，由于低邊MOSFET的驅動，寄生電容放電導致電感電流將節點A電壓拉低，形成負電壓。同樣，MCU可能會錯誤地將此讀數判斷為過流。 通過這兩種應用場景，我們認識到電磁閥在操作過程中可能產生低于-1V的共模電壓。因此，電流檢測放大器必須能夠承受較高的負共模電壓，同時確保輸出信號不會發生鉗位現象，避免錯誤的過流故障診斷。 二、 類比半導體CSA601Q電流檢測放大器在負共模電壓下的性能驗證 類比半導體的CSA601Q電流檢測放大器，以其高精度特性，能夠在-6V至40V的共模電壓范圍內穩定運行，同時具備出色的共模抑制比（CMRR）、高精度、寬帶寬和低溫度漂移性能。針對電磁閥控制中的挑戰，我們對CSA601Q進行了在-1V共模電壓條件下的小信號和大信號輸入測試，以驗證其在極端條件下的輸出穩定性，并確保電流檢測放大器輸出不會發生鉗位到供電電壓的現象。實驗電路如圖3所示。
圖 3 類比半導體的CSA601Q電流檢測放大器測試實驗電路 2.1 實驗一：小信號測試（共模電壓-1V，輸入信號0.1V） 在該實驗中，信號發生器產生具有1V偏置（Offset）、0.1V峰-峰值（Vpp）、10Hz頻率(Freq）的兩路信號，相位差為180°。兩路信號的負端接入地線（GND），正端分別接入電流檢測放大器的IN+和IN-(在-1V的共模電壓上疊加0.1V正弦波，模擬兩個反向電流）。 實驗現象表明，電流檢測放大器輸出C1呈現預期的2V峰值半正弦波形，與理論計算的4V峰-峰值（0.2Vpp x Gain20）相符，且負半周期被地線GND正確鉗位。
2.2 實驗二：大信號測試（共模電壓-1V，輸入信號1V） 在第二個實驗中，信號發生器設置與實驗一相同，但輸入信號的Vpp提高至1V。輸出C1的波形接近方波，峰值(Vpeak）為3.3V，理論值40Vpp（2Vpp x Gain20），由于供電為3.3V，所以正半周期被鉗位到3.3V，而負半周期被GND鉗位，符合設計預期。
2.3 實驗結論 實驗結果明確顯示，在-1V的共模電壓下，CSA601Q電流檢測放大器能夠正常工作，其輸出未出現鉗位至供電電壓的現象。CSA601Q的寬共模電壓支持范圍（-6V至40V）證實了其能夠妥善處理絕大多數負共模電壓的應用場景，為電磁閥的精準控制提供了強有力的技術保障。 三、 總結 類比半導體憑借其在模擬及數模混合芯片設計領域的專業優勢，為汽車電子行業帶來了創新的電流檢測解決方案。CSA601Q電流檢測放大器的推出，彰顯了類比在高精度、高穩定性能方面的技術實力，以及對市場需求的敏銳洞察。 CSA601Q電流檢測放大器的寬共模電壓范圍（-6V至40V）、高CMRR（150dB典型值）、精準的增益誤差（最大0.3%）和低靜態電流（1.4mA典型值）等特性，使其在汽車電子系統中電磁閥的電流檢測中表現出色。此外，CSA601Q提供的多種可供選擇的增益（20V/V、50V/V、100V/V），使其能夠靈活適應不同應用場景的需求。這些特性，結合多樣化的增益選項，確保了產品能夠滿足汽車電子應用的嚴苛要求，提升系統性能和可靠性。同時，該系列產品還包括CSA601Q、CSA245Q和CSA240Q等不同型號，覆蓋了從單向電流檢測到雙向電流檢測的不同需求，共模電壓范圍從-6V擴展至80V，為客戶提供了全面的技術選擇和解決方案。 在國家推動自主可控芯片發展的大背景下，類比半導體專注于汽車智能驅動、信號鏈、電源管理、MCU/DSP等領域的芯片設計，致力于為客戶提供高品質芯片，為世界科技化和智能化發展提供最底層的芯片支持。未來，類比半導體將持續引領汽車電子技術的創新浪潮，研發更為先進的芯片解決方案，為構建更安全、更高效的汽車系統貢獻力量。 |
