充电桩电流电压采样的要求及解决方案

电子发烧友网报道（文/李诚）在“碳中和”的共同目标下，汽车产业能源架构开始由化石能源向清洁能源转变，不断构建完整的低碳发展体系。碳中和的概念一经提出便引起了资本市场的躁动，电动汽车产业也呈异军突起之势屡创新高，与此同时，作为电动汽车配套应用的充电桩也开始进入大家的视野。

电动汽车充电桩电流电压采样位置及其他要求

随着电动汽车的普及，人们对充电桩的要求也随之提高。在充电桩的应用中，电流电压采样会直接影响充电桩与汽车之间的数据判断，能否对输出电流电压进行精确的采样，是充电桩能否完成充电操作的关键。

图源：TI

上图为电动汽车充电桩的电路拓扑，在电动汽车充电桩系统中，电路系统主要分为四个部分，分别为交流电AC电网输入端、PFC升压功率级、DC/DC转换功率级与输出电池端。在这一电路系统中需要分别对电网侧、PFC环路、DC/DC环路以及DC/DC与电池之间进行电压电流的采集和监控。

由于电压电流采样在电动汽车充电桩电路系统中多用于环路控制，因此采样的精度以及采样时间在环路控制中起到了至关重要的作用。在通常情况下，电流电压采样精度一般要求在1%以内，系统控制的响应速度与开关频率有着密切的关系，开关频率在半个开关周期以内。如果采用的是峰值电流控制或滞环控制等此类的变频，那么将会对采样的精度以及响应速度有着更高的要求。

电流电压采样功能除了可以对环路进行控制，在电源系统中还会用于瞬态过电流和短路保护，在此类应用中对响应速度的要求会更高，响应速度的要求主要取决于所使用的开关管，如果使用的是IGBT，短路保护的响应时间通常5μS以内。如果使用的是碳化硅开关管，由于碳化硅开关管的短路耐受时间比IGBT更短，为避免炸管的风险出现，通常将响应速度控制在1μs以内。

在实际应用中，电流电压采样通常会横跨在控制单元与功率单元两个 部分，在进行数据采集时有可能会引发危险，因此电流电压隔离也是需要考虑的一个问题。

隔离电压电流采样类别

隔离电流采样通常会被划分为两类，一种是基于分流电阻，例如隔离运放和隔离Δ∑调制器；另一种是基于电磁感应的原理，例如CT和罗氏环。其中隔离运放是目前在电动汽车充电桩中运用得较为普遍的一种，带宽能达到310kHz以上，抗共模干扰能力能达到120kV/μs。同时，基于Δ∑调制器采用的是模拟输入数字输出的方式，因此在抗干扰能力方面也有不俗的表现。

隔离电压采样的实现同样也可以分为两大类，一类是个隔离运放，另一类为隔离Δ∑调制器，性能优势与电流采样类似。

TI充电桩隔离型电流采样方案

在电动汽车充电桩隔离电流电压采样方面，TI推出了数个基于不同工作原理的电流电压采样方案，例如用于隔离型电流采样方案的AMC1305M25，用于隔离型电压采样的AMC1311。

图源：TI

本小节主要是对TI的AMC1305M25隔离型电流采样方案进行讲解。AMC1305M25的原理是基于分流电阻实现的。在信号输出方面，单端信号输出极易出现信号干扰的问题，TI为解决这一问题，在该芯片中采用了差分输出，当差分信号传输至MCU附近使，再将差分信号转化为单端信号的方式降低信号干扰。

同时，AMC3301 的输入针对直接连接低阻抗分流电阻器或其他具有低信号电平的低阻抗电压源的情况进行了优化。失调误差最高为失调误差150μV，失调漂移为1.3 μV /℃，增益误差为±0.3％，增益漂移为±40 ppm /℃。出色的直流精度和低温漂能够保证在–40℃至+125℃的工作温度范围内进行精确的电流测量。

在供电方面，芯片内部集成了隔离型DC/DC，可以直接采用充电桩系统控制电路的低压侧电源为其供电，再通过芯片内部的隔离型DC/DC生成一个隔离电源向高压侧供给。内置隔离DC/DC的方式不仅缩小了PCB的面积，还简化了设计与验证的流程。

纳芯微电动汽车充电桩隔离电压采样方案

纳芯微此前推出了一款可用于充电桩电动汽车隔离采样的解决方案NSi1311，NSi1311采用的是自家的NOVOSENSE电容隔离技术，支持单端0.1V至2V信号输入。由于NSi1311具有较高的输入阻抗，因此其非常适用于高压电阻分压器或其他具有高输出电阻的电压信号源进行连接。

同时该芯片的带宽为310kHz，共模抑制比为100kV/μs，固定增益为1，最大偏置误差为±1.5mV，最大增益误差为±0.3% ，通过极低的失调电压和增益误差，确保了其在全温度范围内的采样精度。

图源：纳芯微

上图为纳芯微NSi1311的内部框架，通过观察可以看出他与TI用于电流采样的AMC1305M25在整体架构上存在着相似性。为提高输出信号的抗干扰能力，纳芯微和TI一样都采用了差分输出的结构。但不同之处在于NSi1311在隔离层的两侧都各需要一个电源为其供电。

结语

在电流电压采样方面共总结出以下几点，失调电压和增益误差的值越低，采样精度受到环境温度的影响就越小。较高的抗共模抑制比，才能保证在电动汽车充电桩等此类高压应用中，具有更强的稳定性。差分信号输出的方式可以提高信号传输的抗干扰能力。