英飞凌技术支持系列｜智能高边开关电流标定

来源:英飞凌官微发布时间:2023-06-295348浏览

询问 AI

卜祥瑞

英飞凌技术支持中心

高级工程师

英飞凌汽车应用中的智能高边开关芯片一般都带有电流检测功能，MCU可以通过对IS PIN进行采样，检测开关的工作状态，及时处理错误工况以及失效问题。IS对于不同工作状态的输出电流可以通过datasheet中的真值表进行查找。

图1. 内部电流检测电路简易原理图

图中是电流检测电路的简易原理图。放大器比较电流镜上端两个MOSFET的源极电压，驱动PMOS在线性区工作，从而得到测量结果。需要特别注意的是: 不同电源供电的两个智能高边芯片IS脚不能连接到一起，否则可能会出现一颗芯片通过内部的晶体管对另一颗芯片倒灌电流的现象。同时，由于IS输出电流能力的能力是有上限的，因此可检测的负载电流也是有范围的，过大的负载电流会触发电路保护功能或使IS的输出电流达到饱和值。

在正常工况下，IS PIN会输出与负载电流成比例的IIS电流。通过配置外接电阻RIS，MCU可以用内部的ADC进行电压采样，从而计算得到当前负载电流值。

但这种电流检测的精度常常受到限制，而引起这种精度问题的主要原因有：

sense offset current：这是由于内部放大器的失调电压所引起，它在小电流时对精度影响较大且易被温度影响。
steepness (slope)：在datasheet中它一般被定义为∆(dkILIS(CAL))或∆dkILIS，在大电流时对精度影响较大。

图2. 反馈电流曲线误差示意图

其中函数曲线的斜率(slope)取决于KIS（也叫dkILIS），它可以在器件对应的datasheet中查到。一般dkILIS会受到以下几个因素的影响：

温度
供电电压
生产过程

英飞凌高精度电流检测技术

ADVANCED SENSE TECHNOLOGY

英飞凌之前的产品部分是使用ADVANCED SENSE技术来提高电流检测精度，它可以通过multiple calibration的方式来以满足不同应用的需求。

图中是ADVANCED SENSE技术的模块示意图，这种技术最明显的特点就是将OFFSET的电压进行内部补偿，从而使得所有的OFFSET为正值。这样在器件关断时，用ADC对IS脚进行采样，就可以得到当前工况下的OFFSET。甚至可以通过在软件中编写补偿算法，在器件工作过程中对OFFSET进行实时补偿，这大大提高了电流检测的精度。

GATE BACK REGULATION TECHNOLOGY

而目前的PROFET+24V系列和一些新品多采用gate back regulation(GBR)技术来提高小电流时的电流检测精度。

通过对内部DMOS的VDS电压进行监测，当VDS变低时，门级驱动减小门级电压来增大通道的阻值Rds(on)。

图3. 使用GBR技术的VDS与未使用时的对比图

图中三条曲线的VDS被限制在VDS(NL)就是应用了GBR技术的体现。一般来说KILIS的计算公式为：

其中KILIS0是目标中心值。而当负载电流接近0时，KILIS会被放大到无穷大。此时，应用GBR技术可以通过对VDS最小值的限制相应进行补偿。

图4. 使用GBR技术与未使用时的KILIS范围对比

但需要注意的是，GBR技术可以极大可能的减小OFFSET，但不能完全解决OFFSET可能为负的问题。而负值的OFFSET会产生一段测量的“盲区”。

智能高边开关电流检测精度提高的方法

硬件外围电路设计

在IS PIN和MCU的ADC之间添加Csense滤波，减少信号的波动和震荡。以下是IS PIN外围电路示意图，绿色虚线中的电路可以在IS PIN输出电压超过MCU的电压等级时，对MCU的ADC进行过压保护。

图5. IS PIN外围电路推荐示例

智能高边开关标定校准

对智能高边开关进行标定可以校准电流传感器，提高电流检测精度。标定一般分为单点标定法和两点标定法。

1. 单点标定法

单点标定法最大的好处是操作简单，节约时间，只需要使用智能高边开关对已知的负载电流进行一次采样即可。具体步骤如下图所示：

图6. 单点标定KILIS范围示意图

在已知温度下（一般为25°C）对任意已知负载（比如IL=10A）用MCU对IS PIN进行采样，并计算得出IIS（IIS=VIS/RIS）
通过已知点(x1,y1)理想情况下斜率为dkILIS典型值的倒数，此时得到与y轴的交点b，为OFFSET。但考虑slope error（以±5%为例），dkILIS会在典型值的95%到105%波动。
在最差情况下dkILIS会处于datasheet中dkILIS的最大最小范围内波动。于是以dkILIS的最大最小值作为边界，考虑两条边界相应的slope error，便会得到4个斜率边界。
此时通过已知点(x1,y1)的四个函数之间所组成的最大面积就是IIS电流的波动范围。

与图2(c)做对比，可知误差范围被缩小了，即电流检测的精度得到提高。但是需要注意的时，不同的选点（即负载电流）会有不同的标定效果。由图6(d)中可以知道，在已知点附近的精度会得到更大的提高。

2. 两点标定法

两点标定相对于单点标定会有更高的精度提升，但相应的需要对两个已知负载电流进行采样标定。具体步骤如下图所示：

图7. 双点标定KILIS范围示意图

在已知温度下（一般为25°C）对2个已知负载（比如IL1=10A，IL2=20A）用MCU对IS PIN进行采样，并计算得出IIS1、IIS2与dkILIS(cal)= ∆IL/∆IIS
使用新求得的1/ dkILIS(cal)取代典型值作为斜率，考虑slope error，得到相应的误差范围。
由新的两条斜率边界交得y轴上的点就是OFFSET的最大范围，叠加考虑相应的斜率即可得到两点标定后的误差范围

使用这种方式可以得到最小的误差区间，以达到最高的电流检测精度。新的负载电流计算公式如下：