2 设计挑战

与低侧分流检测相比，直列式相电流检测可实现更高的性能、连续测量并在整个 PWM 周期内更精确地控制电机相电流。在低侧分流检测系统中，电流不连续，相电流只能在低侧电源开关导通时的部分 PWM 周期内进行测量。这些系统通常会导致不太精确且带宽更低的相电流闭环控制。因此，伺服驱动器和机器人应用通常选择直列式相电流检测。然而，相电压经过脉宽调制，并在 GND 和直流母线电压（通常为 48V）之间定期切换。微控制器以 GND 为基准。这意味着相电流检测子系统需要处理高共模电压和高共模瞬态。共模瞬态的压摆率在 10V/ns 范围内。使用新出现的快速开关 GaN-FET，压摆率会明显更高。最好在微控制器和电流传感器之间使用数字接口，利用该接口提高信号完整性，并消除开关期间接地反弹的问题。

图 2-1 显示了一个 PWM 周期内电机相电流之一和相应 PWM 电压的简化图表。对于闭环控制，只需测量 PWM 中心的相电流即可。对于小 PWM 占空比，PWM 开关的上升沿或下降沿会下降到 Δ-Σ ADC 的采样窗口内。占空比定义为高侧 FET 的导通时间与 PWM 周期之比。

一种替代方法是以远高于 PWM 频率的采样率持续对相电流进行采样。对各个样本求平均值，以获得准确的平均电流测量结果并消除固有的电流纹波。该方法还支持快速短路和过流检测，并且采样率高达 2.5Msps 的情况并不少见。预测性维护就是持续过采样的一个高级用例。例如，通过分析相电流频谱特征，可以检测轴承故障的发生。

对于这两种方法，PWM 开关都在相电流采样期间发生。因此，至关重要的是相电流传感器不受高共模电压瞬态干扰，并且 PWM 开关也不影响测量精度。

图 2-1 闭环相电流控制和短路检测中的电流采样

用于高性能伺服驱动器的电流检测子系统应当满足以下要求：

• 高精度：优于 1%
• 高分辨率：优于 12 个有效位数 (ENOB)
• 低传播延迟（延时）：<20µs
• 高共模电压：>60V
• 高共模瞬态抗扰度 (CMTI)： >>10V/ns
• 快速短路检测：<2µs
• 具有高电磁干扰度（例如传导射频和快速瞬态突发）的数字接口
• 对外部磁场的抗扰度
• 小巧的 PCB 设计尺寸和薄型封装