CN102360236B - 高电压端电流检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了高电压端电流检测电路。该电路包括映射单元，矫正反馈单元，调制单元，执行单元及负载，其中矫正反馈单元包括电阻分压网络、基准电压单元、减法运算单元、第一对数运算单元、第二对数运算单元、电流叠加单元、电压/电流转换单元及加法器。本发明的电路具有电流检测精度高，应用范围广和系统成本低的特点。

Description

高电压端电流检测电路

技术领域

本发明涉及高电压端电流检测电路，主要应用于高电压供电时的电流调制。

背景技术

在高电压供电的系统中，经常遇到需要对高电压端的电流量进行检测和控制的情况。如果完全使用高电压器件对高电压端的电流量进行检测和控制，成本将会很高，在电压很高的情况下，有时还是不可能实现的。

为了对高电压端的电流量进行检测和控制，目前主要采用的方法包括：

(1)采用折中方案，在电流回路的低电压端进行电流检测和控制。

(2)用高压集成电路对电流量进行检测，处理和控制。

上述第一个方法易于实现，成本低廉。缺点是有时低电压端检测的电流同高电压端的电流并不一样，甚至有很大的误差，所以在某些情况下这种方法检测精度和控制精度比较低。

上述第二个方法在电压不是很高的情况下，检测精度可以满足要求，但是在电压比较高的情况下，由于器件工作电压的限制，可能成本很高或者没有办法实现高电压端的电流检测，所以这种方法具有成本比较高，应用范围受限制的缺点。

本发明对高电压端电流进行采样，采用分立器件双极型PNP晶体管构成电流镜，把高电压端电流映射到低电压端，然后利用低压器件对电流信号进行矫正以抵消基区宽度调制效应等因素对电路镜映射精度的影响，从而达到了既能实现对高电压端电流的精确控制，又能有效降低系统成本的目的。

由于采用双极型PNP晶体管构成的电流镜对高电压端电流进行映射，所以对最高输入电压的限制只由分立器件PNP晶体管决定，而与信号处理与控制的器件无关，所以本发明的电路应用范围更加广泛，并且可以有效控制成本。

发明内容

本发明解决了在电压比较高时，无法实现高电压端电流精确检测的问题，并且可以有效降低系统成本。

本发明提供了高电压端电流检测电路，采用双极型PNP晶体管构成电流镜，把高电压端电流映射到低电压端，然后对电流信号进行处理以消除基区宽度调制效应对电流镜映射精度的影响，从而实现对高电压端电流的精确控制。

高电压端电流检测电路，包括映射单元，矫正反馈单元，调制单元，执行单元及负载，其中，矫正反馈单元由电阻分压网络、基准电压单元、减法运算单元、第一对数运算单元、第二对数运算单元、电流叠加单元、电压/电流转换单元及加法器组成；

其中，矫正反馈单元的第一输入端连接的是高电压端VCC，矫正反馈单元的第二输入端连接的是映射单元输出的初级电流Ii，矫正反馈单元的输出端是反馈电流Ifb；

电阻分压网络位于高电压端VCC和地之间；加法器的第一输入端连接电阻分压网络的输出端，加法器的第二输入端连接基准电压单元的输出端，加法器的输出端连接第一对数运算单元的输入端；第一对数运算单元的输出端连接减法单元的第一输入端；第二对数运算单元的输出端连接减法单元的第二输入端；减法单元的输出端连接电压/电流转换单元的输入端；电压/电流转换单元的输出端连接电流叠加单元的输入端。

电阻分压网络由第四电阻R4和第五电阻R5组成；减法运算单元包括第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9和运算放大器。

其中，第四电阻R4和第五电阻R5采用串联方式连接；第六电阻R6和第七电阻R7采用串联方式连接，且第六电阻R6和第七电阻R7的连接点与运算放大器的第一输入端相连；第八电阻R8和第九电阻R9采用串联方式连接，且第八电阻R8和第九电阻R9的连接点与运算放大器的第二输入端相连。

映射单元采用电流镜结构，包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一PNP双极晶体管Q1及第二PNP双极晶体管Q2；其中第一PNP双极晶体管Q1和第二PNP双极晶体管Q2的厄利电压VA相等。

第一PNP双极晶体管Q1的基极与第二PNP双极晶体管Q2的基极相连；第一电阻R1与第三电阻R3采用串联方式连接，并位于第一PNP双极晶体管Q1的发射极与第二PNP双极晶体管Q2的发射极之间；用导线短接第二PNP双极晶体管Q2的基极与集电极；第二电阻R2位于第二PNP双极晶体管Q2的集电极与地之间。

可选的，调制单元为线性调制单元。

可选的，调制单元为开关调制单元。

可选的，执行单元包括NPN型晶体管、电感和整流二极管。

可选的，执行单元包括N型场效应晶体管、电感和整流二极管。

第六电阻R6和第八电阻R8的电阻值相等，第七电阻R7和第九电阻R9的电阻值相等。

本发明利用两个双极型PNP晶体管构成电流镜，将高电压端的电流映射到低电压端。该电流镜的工作电压通过两个电阻(第四电阻和第五电阻)进行检测；构成该电流镜的双极型PNP晶体管的厄利电压(Early Voltage)通过基准电压单元产生的基准电压表示。对数运算单元，减法运算单元，电压/电流转换单元和电流叠加单元对前面描述的表示电流镜工作电压和厄利电压的信号进行处理，产生一个矫正电流，该矫正电流同电流镜的输出电流叠加后产生的反馈电流去除了由于基区宽度调制效应所导致的误差，所以反馈电流正确地反映了输出电流。这样调制单元根据反馈电流信号对输出电流进行调制，使得输出电流的调制精度得到了提高。

本发明所提出的电路具有电流检测精度高，应用范围广和系统成本低的特点，特别是基准电压单元，对数运算单元，运算放大器，电压/电流转换单元，电流叠加单元和调制单元都可以用低电压供电，易于用集成电路实现，可有效地简化系统，降低成本。

附图说明

图1所示为本发明所提供的高电压端电流检测电路。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

图1所示为本发明所提供的高电压端电流检测电路：

本发明对应的电路图如图1所示：

高电压端电流检测电路由映射单元、矫正反馈单元11、调制单元、执行单元及负载组成；高电压端的输出电流通过映射单元映射形成初级电流Ii，矫正反馈单元11根据初级电流Ii进行矫正，产生反馈电流Ifb，并反馈给调制单元，而调制单元根据反馈电流Ifb产生控制信号，并传输至执行单元和负载，以实现调制输出电流Iout的目的。

电阻分压网络位于高电压VCC和地之间；加法器的第一输入端连接电阻分压网络的输出端，加法器的第二输入端连接基准电压单元的输出端，加法器的输出端连接对数运算单元1的输入端；对数运算单元1的输出端连接减法单元的第一输入端；对数运算单元2的输出端连接减法单元的第二输入端；减法单元的输出端连接电压/电流转换单元的输入端；电压/电流转换单元的输出端连接电流叠加单元的输入端。

电阻分压网络由第四电阻R4和第五电阻R5组成；减法运算单元包括第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9和运算放大器。

其中，第四电阻R4和第五电阻R5采用串联方式连接；第六电阻R6和第七电阻R7采用串联方式连接，且第六电阻R6和第七电阻R7的连接点与运算放大器的第一输入端相连；第八电阻R8和第九电阻R9采用串联方式连接，且第八电阻R8和第九电阻R9的连接点与运算放大器的第二输入端相连。

其中，映射单元由第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一PNP双极晶体管Q1及第二PNP双极晶体管Q2组成。其中第一PNP双极晶体管Q1和第二PNP双极晶体管Q2的厄利电压VA相等。

第一PNP双极晶体管Q1的基极与第二PNP双极晶体管Q2的基极相连；第一电阻R1与第三电阻R3采用串联方式连接，并位于第一PNP双极晶体管Q1的发射极与第二PNP双极晶体管Q2的发射极之间；用导线短接第二PNP双极晶体管Q2的基极与集电极；第二电阻R2位于第二PNP双极晶体管Q2的集电极与地之间。

第一PNP双极晶体管Q1和第二双极晶体管Q2构成电流镜，将第一电阻R1检测到的输出电流Iout按照一定的比例关系映射到第一PNP双极晶体管Q1集电极的输出电流，即初级电流Ii，并与矫正电流Ic进行求和运算。

第一电阻R1为电流检测电阻，用于检测高电压端的输出电流。

第二电阻R2为第二PNP双极晶体管Q2提供偏置电流。

第三电阻R3和第一电阻R1一起决定了第一PNP双极晶体管Q1的集电极电流同第二PNP双极晶体管Q2的集电极电流的映射比例。

矫正反馈单元11由电阻分压网络、基准电压单元、减法运算单元、对数运算单元1、对数运算单元2、电流叠加单元、电压/电流转换单元及加法器组成。矫正反馈单元11的作用就是产生一个用于消除误差电流影响的矫正电流。

第四电阻R4和第五电阻R5构成电阻分压网络，对输入电压VCC按照比例系数k进行分压，其中，k＝R5/(R4+R5)。

基准电压单元产生一个基准电压，该基准电压与电流镜PNP晶体管的厄利电压VA(Early Voltage)的比例系数也为k，即该基准电压为k×VA。

其中电流镜中第一双极晶体管Q1和第二双极晶体管Q2的厄利电压相等，均为VA。

加法器的两个输入端为基准电压和第四电阻R4与第五电阻R5之间的电压，即k×VCC，输出端直接连接对数运算单元1的输入端。

对数运算单元1和对数运算单元2分别对输入信号加法器的输出端，即k×(VCC+VA)和基准电压k×VCC进行对数运算。

减法运算单元包括第六电阻R6，第七电阻R7，第八电阻R8，第九电阻R9和运算放大器。其中，第六电阻R6同第八电阻R8具有相同的电阻值，第七电阻R7同第九电阻R9具有相同的电阻值。此减法运算单元对两个对数运算单元的输出电压值进行相减运算，并对电压差值进行放大。

电压/电流转换单元将减法运算单元的输出电压信号转换成电流信号输出，即为矫正电流Ic。

电流叠加单元将初级电流Ii减去矫正电流而得到反馈电流Ifb，反馈电流Ifb消除了基区宽度调制效应对电流镜造成的映射误差。

调制单元根据反馈电流Ifb产生相应的调制信号，用以控制执行单元。

执行单元根据调制信号对输出电流Iout进行调制。

作为可选的实施例，上述调制单元是线性调制模式；执行单元包括NPN双极晶体管。

作为可选的实施例，上述调制单元是线性调制模式；执行单元包括N型场效应晶体管。

作为可选的实施例，上述调制单元是开关调制模式，且为脉冲宽度调制模式；执行单元包括N型场效应晶体管、电感和整流二极管。

作为可选的实施例，上述调制单元是开关调制模式，且为脉冲宽度调制模式；执行单元包括NPN双极晶体管、电感和整流二极管。

作为可选的实施例，上述调制单元是开关调制模式，且为脉冲频率调制模式；执行单元包括N型场效应晶体管、电感和整流二极管。

作为可选的实施例，上述调制单元是开关调制模式，且为脉冲频率调制模式；执行单元包括NPN双极晶体管、电感和整流二极管。

负载为用电装置。

在图1中的电路工作时，在高电压工作时，第一PNP双极晶体管Q1的集电极-发射极电压Vce1远远大于第二PNP双极晶体管Q2的集电极-发射极电压Vce2，所以第一PNP双极晶体管Q1的基区宽度调制效应将对第一PNP双极晶体管Q1和第二PNP双极晶体管Q2的电流映射比例造成较大的误差。在只考虑PNP晶体管基区宽度调制效应对电流镜映射比例的影响的情况下，电流镜输出的初级电流Ii可以用下式表示：

$\mathrm{Ii}=\frac{R1}{R3}\×\mathrm{Iout}+k1\×\ln (1+\frac{\mathrm{Vce}1}{\mathrm{VA}})+C$

其中，

●Iout为流向负载的输出电流

●k1为同电路参数有关的数值

●C为同电路参数有关的数值，可近似为常数

●Vce1为第一PNP双极晶体管Q1的集电极-发射极电压，在VCC比较高时，第一PNP双极晶体管Q1的集电极-发射极电压Vce1即相当于VCC。

●VA为PNP晶体管的厄利电压(Early Voltage)

上述等式右边的第2项即为PNP晶体管的基区宽度调制效应引起的电流映射误差，即误差电流。

矫正反馈单元11的工作原理如下：

对数运算单元1的输入端电压为：k×(VCC+VA)

对数运算单元2的输入端电压为：k×VA(VA是PNP晶体管的厄利电压)

相对应的，

对数运算单元1的输出端A点电压为：Va＝ln(k×(VCC+VA))

对数运算单元2的输出端B点电压为：Vb＝ln(k×VA)

Va和Vb经过运算放大器同第六电阻R6～第九电阻R9构成的减法运算单元后，因为R6＝R8，R7＝R9，所以：

运算放大器输出端电压＝(R7/R6)×ln((VCC+VA)/VA)

运算放大器的输出电压经过电压/电流转换单元后，产生的矫正电流Ic：

Ic＝k1×ln(1+VCC/VA)

我们看到，矫正电流同初级电流表达式中的误差电流是相同的。

所以，通过电流叠加单元，初级电流减去矫正电流，得到的反馈电流Ifb就可以用下式表示：

$\mathrm{Ifb}=\frac{R1}{R3}\×\mathrm{Iout}$

我们看到，反馈电流Ifb已经消除了基区宽度调制效应引起的误差，该电流同输出电流Iout的比例由第一电阻R1和第三电阻R3的电阻比值决定。所以根据反馈电流Ifb，电流调制单元和执行单元就可以精确地调制输出电流。

在不偏离本发明的精神和范围的情况下还可以构成许多有很大差别的实施例。应当理解，除了如所附的权利要求所限定的，本发明不限于在说明书中所述的具体实施例。

Claims (8)

1.高电压端电流检测电路，包括映射单元，矫正反馈单元，调制单元，执行单元及负载，其特征在于，所述矫正反馈单元由电阻分压网络、基准电压单元、减法运算单元、第一对数运算单元、第二对数运算单元、电流叠加单元、电压/电流转换单元及加法器组成；

其中，

所述矫正反馈单元的第一输入端连接的是高电压端（VCC），所述矫正反馈单元的第二输入端连接的是所述映射单元输出的初级电流（Ii），所述矫正反馈单元的输出端是反馈电流（Ifb）；

所述电阻分压网络位于所述高电压端（VCC）和地之间；所述加法器的第一输入端连接所述电阻分压网络的输出端，所述加法器的第二输入端连接所述基准电压单元的输出端，所述加法器的输出端连接所述第一对数运算单元的输入端；所述第一对数运算单元的输出端连接所述减法单元的第一输入端；所述第二对数运算单元的输出端连接所述减法单元的第二输入端；所述减法单元的输出端连接所述电压/电流转换单元的输入端；所述电压/电流转换单元的输出端连接所述电流叠加单元的输入端。

2.根据权利要求1所述高电压端电流检测电路，其特征在于，所述电阻分压网络由第四电阻（R4）和第五电阻（R5）组成；所述减法运算单元包括第六电阻（R6）、第七电阻（R7）、第八电阻（R8）、第九电阻（R9）和运算放大器；

其中，所述第四电阻（R4）和第五电阻（R5）采用串联方式连接；所述第六电阻（R6）和第七电阻（R7）采用串联方式连接，且所述第六电阻（R6）和第七电阻（R7）的连接点与所述运算放大器的第一输入端相连；

所述第八电阻（R8）和第九电阻（R9）采用串联方式连接，且所述第八电阻（R8）和第九电阻（R9）的连接点与所述运算放大器的第二输入端相连。

3.根据权利要求1所述高电压端电流检测电路，其特征在于，所述映射单元采用电流镜结构，包括第一电阻（R1）、第二电阻（R2）、第三电阻（R3）、第一PNP双极晶体管（Q1）及第二PNP双极晶体管（Q2）；其中所述第一PNP双极晶体管（Q1）和第二PNP双极晶体管（Q2）的厄利电压（VA）相等；

所述第一PNP双极晶体管（Q1）的基极与第二PNP双极晶体管（Q2）的基极相连；所述第一电阻（R1）与第三电阻（R3）采用串联方式连接，并位于所述第一PNP双极晶体管（Q1）的发射极与第二PNP双极晶体管（Q2）的发射极之间；用导线短接所述第二PNP双极晶体管（Q2）的基极与集电极；所述第二电阻（R2）位于所述第二PNP双极晶体管（Q2）的集电极与地之间。

4.根据权利要求1所述高电压端电流检测电路，其特征在于，所述调制单元为线性调制单元。

5.根据权利要求1所述高电压端电流检测电路，其特征在于，所述调制单元为开关调制单元。

6.根据权利要求1所述高电压端电流检测电路，其特征在于，所述执行单元包括NPN型晶体管、电感和整流二极管。

7.根据权利要求1所述高电压端电流检测电路，其特征在于，所述执行单元包括N型场效应晶体管、电感和整流二极管。

8.根据权利要求2所述高电压端电流检测电路，其特征在于，所述第六电阻（R6）和第八电阻（R8）的电阻值相等，所述第七电阻（R7）和第九电阻（R9）的电阻值相等。

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