CN102426285A - 一种用于双向电流采样的电流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明适用于电流传感器领域，提供了一种用于双向电流采样的电流传感器，所述双向电流传感器主要包括：采样电阻，用于将电流信号转换为电压信号；差分信号采集电流镜电路，用于对所述采样电阻两端的高电压信号进行差分，并将差分电压信号转换为电流信号输送给所述的电流电压转换电路；电流源注入电路，用于通过供电电源产生恒定电流源，注入到所述差分信号采集电流镜电路；电流电压转换电路，用于将所述的差分信号采集电流镜电路产生的电流信号转换为电压信号，并进行输出。该双向电流采样电路是通过检测采样电阻上的压降来测量电流，流过采样电阻的电流变化引起采样电压的微小变化，将变化通过采样电路以电压的形式输出，实现双向电流采样。

Description

一种用于双向电流采样的电流传感器

技术领域

本发明属于电流传感器领域，尤其涉及一种电池组充放电调节器、开关电源等用于双向电流采样的电流传感器。

背景技术

电压信号几乎可以在任何电气节点进行测量，也不会影响电路的特性。而电流测量一般需要插入某些感应器件，这样，会对所控制的电路产生一定影响。在电源应用中，电流信号一般被用在电流保护或参与环路控制上，前者要求电流采样有较高的稳态精度，后者则对电流采样的动态特性要求较高。

目前，电流采样的方式主要有：(1)串联电阻采样；(2)PCB上敷铜作采样电阻；(3)电流采样芯片，例如UCC3926；(4)FET的导通电阻做采样电阻；(5)电感采样；(6)DCR方式；(7)电池感应线圈；(8)电流变压器；(9)直流电流变压器；(10)HALL传感器；(11)HALL与电流变压器结合：(12)电流镜。上述采样方式在各方面的特性都各有优缺点，所以在选择采样方式时，需要结合实际电路的要求进行选择。

在以上12种电流检测方法中，(2)PCB上敷铜作采样电阻；(3)电流采样芯片，例如UCC3926；(4)FET的导通电阻做采样电阻均是(1)串联电阻采样的衍生方法，这种方法有可靠性高，原理简单等优点，因此被广泛应用，但是其检测电阻要消耗功率，因此限制了其使用范围，只适用于小功率场合。

(5)电感采样；(6)DCR方式；(7)电池感应线圈；(8)电流变压器；(9)直流电流压器，这些方法由于电磁耦合关系较复杂，受寄生参数影响达不到较高的准确性和动态响应，因此也没有得到广泛应用。

(10)HALL传感器；(11)HALL与电流变压器结合： (11)是(10)的改进，其很好的解决了带宽低、成本价高、线性区有限制、受机械压力及温度影响、频率受限等缺点，能够达到精确检测，高动态响应，高带宽等要求。各种电流检测方法的优缺点如下表所示：

霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。导体中的电荷在电场作用下沿电流方向运动，由于存在垂直于电流方向的磁场，电荷受到洛伦兹力，产生偏转，偏转的方向垂直于电流方向和磁场方向，而且正电荷和负电荷偏转的方向相反，这样就产生了电势差，请参阅图1。其输出电压为：

，其中，I为流过霍尔元件电流，B为磁感应强度，KH为霍尔元件的灵敏系数，该灵敏系数与器件的材料有关。

对于双向电流采样来说，一般采取霍尔传感器方式，因为霍尔传感器可以：实现控制和功率的隔离；线性度好，可测正负电流；损耗小；体积小。然而，霍尔传感器成本价高、线性区有限制、受机械压力及温度影响，频率受限，最大20-40KHz、尤其对于空间电源及其他产品的应用中，霍尔传感器的抗辐照特性较差，工作寿命较短。

电流传感器一般采用霍尔元件与电流变压器结合的方式。它很好的解决了效率低、线性区有限制、带宽低、受机械压力及温度影响、频率受限等缺点，能够达到交、直流精确检测，高动态响应，高带宽等要求。

参阅图2，现有技术提供的利用采样电阻的单向电流采样装置的结构。其中，

为采样电阻，其左侧输入端电压为

，右侧输出端电压为，三极管

、

集电极电压分别为

和

，由于这两个三极管构成电流镜电路，其工作在饱和状态，流过射极和集电极的电流相等。忽略

的基极电流，即令

，从而有

=，设

、

饱和压降为

，列方程式可得：

                         (1)

由上两式可得：

            (1)

所以流过

发射极和集电极的电流为：

                   (1)

如果电流镜的输出接成如图所示的电压型方式，则输出电压为：

                        (1)

从公式中可以看出，单向电流采样电路，只可以对一个方向的电流进行采样，不能够实现双向的电流采样功能。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明实施例的目的在于提供一种用于双向电流采样的电流传感器。

本发明实施例是这样实现的，一种用于双向电流采样的电流传感器，所述双向电流传感器主要包括：

采样电阻，用于将电流信号转换为电压信号；

差分信号采集电流镜电路，用于对所述采样电阻两端的高电压信号进行差分，并将差分电压信号转换为电流信号输送给所述的电流电压转换电路；

电流源注入电路，用于通过供电电源产生恒定电流源，注入到所述差分信号采集电流镜电路；

电流电压转换电路，用于将所述的差分信号采集电流镜电路产生的电流信号转换为电压信号，并进行输出。

进一步地，所述差分信号采集电流镜电路包括：电阻R1、电阻R11、电阻R2、电阻R22、三极管Q1、三极管Q2以及三极管Q3，

所述电阻R1的一端连接于采样电阻RS一端，另一端连接于三极管Q1的射极，所述三极管Q1的集电极与电阻R2一端相连，所述三极管Q1的基极与所述三极管Q2的基极相连；

所述电阻R11的一端连接于采样电阻RS的另一端，电阻R11的另一端连接于三极管Q2的射极，所述三极管Q2的集电极与电阻R21一端相连，所述电阻R21的另一端连接于所述电阻R2的另一端；

所述三极管Q3的射极连接于所述R1与Q1之间，其基极连接于Q2与R21之间，集电极与所述电流电压转换电路相连。

进一步地，所述电流源注入电路包括：电阻R4、R5、R51、R6，三极管Q4以及三极管Q5，

所述电阻R4的一端与所述差分信号采集电流镜电路相连，另一端与所述三极管Q4的集电极相连，所述三极管Q4的射极与所述电阻R5的一端相连，其基极与所述三极管Q5的基极相连，所述三极管Q5的集电极与电阻R6的一端相连，电阻R6的另一端接+5V的电源，所述三极管Q5的射极与所述电阻R51的一端相连，所述电阻R51的另一端与所述电阻R5的另一端相连。

进一步地，所述电流电压转换电路包括：运算放大器，电阻R3、电容C1，

所述运算放大器的反相输入端与所述差分信号采集电流镜电路相连，所述电阻R3、电容C1并联，并且一端连接于所述运算放大器的反相输入端，另一端连接于所述运算放大器的输出端，所述运算放大器的同相输入端接地。

在本发明的实施例中，该双向电流采样电路是通过检测采样电阻上的压降来测量电流，流过采样电阻的电流变化引起采样电压的微小变化，最后将变化通过采样电路以电压的形式输出。这样，就解决了现有的单向电流采样电路只可以对一个方向的电流进行采样，不能够实现双向的电流采样的问题。

附图说明

图1是现有技术提供的霍尔元件的工作原理图；

图2是现有技术提供的利用采样电阻的单向电流采样装置的结构图；

图3是本发明实施例提供的用于双向电流采样的电流传感器的结构框图；

图4是本发明实施例提供的用于双向电流采样的电流传感器的电路图；

图5是本发明实施例提供的电流镜的输出接成电压型的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图3示出了本发明实施例提供的用于双向电流采样的电流传感器的结构，该用于双向电流采样的电流传感器，主要包括：采样电阻11、差分信号采集电流镜电路12、电流源注入电路13以及电流电压转换电路14。

采样电阻11将电流信号转换为电压信号，差分信号采集电流镜电路，12对所述采样电阻两端的高电压信号进行差分，并将差分电压信号转换为电流信号输送给所述的电流电压转换电路14，电流源注入电路13通过供电电源(例如+5V)产生恒定电流源，注入到所述差分信号采集电流镜电路12，电流电压转换电路14将所述的差分信号采集电流镜电路产生的电流信号转换为电压信号，并进行输出。

图4示出了本发明实施例提供的用于双向电流采样的电流传感器的结构。该双向电流采样电路是通过检测采样电阻上的压降来测量电流，流过采样电阻的电流变化引起采样电压的微小变化，最后将变化通过采样电路以电压的形式输出。

结合图3、4，该差分信号采集电流镜电路12包括：电阻R1、电阻R11、电阻R2、电阻R22、三极管Q1、三极管Q2以及三极管Q3。所述电阻R1的一端连接于采样电阻RS一端，另一端连接于三极管Q1的射极，所述三极管Q1的集电极与电阻R2一端相连，所述三极管Q1的基极与所述三极管Q2的基极相连；所述电阻R11的一端连接于采样电阻RS的另一端，电阻R11的另一端连接于三极管Q2的射极，所述三极管Q2的集电极与电阻R21一端相连，所述电阻R21的另一端连接于所述电阻R2的另一端；所述三极管Q3的射极连接于所述R1与Q1之间，其基极连接于Q2与R21之间，集电极与所述电流电压转换电路相连。

该电流源注入电路13包括：电阻R4、R5、R51、R6，三极管Q4以及三极管Q5。所述电阻R4的一端与所述差分信号采集电流镜电路相连，另一端与所述三极管Q4的集电极相连，所述三极管Q4的射极与所述电阻R5的一端相连，其基极与所述三极管Q5的基极相连，所述三极管Q5的集电极与电阻R6的一端相连，电阻R6的另一端接+5V的电源，所述三极管Q5的射极与所述电阻R51的一端相连，所述电阻R51的另一端与所述电阻R5的另一端相连。

该电流电压转换电路14包括：运算放大器，电阻R3、电容C1。所述运算放大器的反相输入端与所述差分信号采集电流镜电路相连，所述电阻R3、电容C1并联，并且一端连接于所述运算放大器的反相输入端，另一端连接于所述运算放大器的输出端，所述运算放大器的同相输入端接地。

电流传感器的对外接口包括：电流输入端子，电流输出端子，+5V供电电源，信号地，功率地，输出信号端子。

Rs为采样电阻，其左侧输入端电压为V1，右侧输出端电压为V2，三极管Q1、Q2集电极电压分别为V3和V4，由于这两个三极管构成电流镜电路，其工作在饱和状态，流过射极和集电极的电流相等。三极管Q4、Q5构成电流镜电路，由此可得：

忽略Q3的基极电流，即令i2=0，从而有V3=V4，设Q1、Q2饱和压降为Vsat，列方程式可得：

由上两式可得：

所以流过Q3发射极和集电极的电流为：

若电流镜的输出接成如图5所示的电压型方式，则电流采样电路输出电压值为：

该电流镜电压型输出时，电阻R3需要使用高精度电阻以保证电流采样的精度，为不影响电流采样信号在电压输出端还需要增加一级高阻抗输入的跟随。上式中的i4·R3为输出电压的偏置值，以保证电流双向流动时输出电压在以某一固定值为基准正负浮动。

双向电流采样电路采取电流型输出，R3的位置可以远离电流采样电路，并可以保证采样电压的精度。另外通过对电阻R6的调整，可以将输出基准电压精确调整至所需电压，而不影响采样电流到输出电压的斜率。另外，将信号地和功率地分开进行处理，输出信号不含有开关电源等功率电路中的噪声成分，因此具有良好的低噪声特性。用于做电流镜采样的两组三极管，采取对管进行，因此可以具有较好的温度特性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于双向电流采样的电流传感器，其特征在于，所述双向电流传感器主要包括：

采样电阻，用于将电流信号转换为电压信号；

差分信号采集电流镜电路，用于对所述采样电阻两端的高电压信号进行差分，并将差分电压信号转换为电流信号输送给所述的电流电压转换电路；

电流源注入电路，用于通过供电电源产生恒定电流源，注入到所述差分信号采集电流镜电路；

电流电压转换电路，用于将所述的差分信号采集电流镜电路产生的电流信号转换为电压信号，并进行输出。

2.根据权利要求1所述的用于双向电流采样的电流传感器，其特征在于，所述差分信号采集电流镜电路包括：电阻R1、电阻R11、电阻R2、电阻R22、三极管Q1、三极管Q2以及三极管Q3，

所述电阻R1的一端连接于采样电阻RS一端，另一端连接于三极管Q1的射极，所述三极管Q1的集电极与电阻R2一端相连，所述三极管Q1的基极与所述三极管Q2的基极相连；

所述电阻R11的一端连接于采样电阻RS的另一端，电阻R11的另一端连接于三极管Q2的射极，所述三极管Q2的集电极与电阻R21一端相连，所述电阻R21的另一端连接于所述电阻R2的另一端；

所述三极管Q3的射极连接于所述R1与Q1之间，其基极连接于Q2与R21之间，集电极与所述电流电压转换电路相连。

3.根据权利要求1所述的用于双向电流采样的电流传感器，其特征在于，所述电流源注入电路包括：电阻R4、R5、R51、R6，三极管Q4以及三极管Q5，

所述电阻R4的一端与所述差分信号采集电流镜电路相连，另一端与所述三极管Q4的集电极相连，所述三极管Q4的射极与所述电阻R5的一端相连，其基极与所述三极管Q5的基极相连，所述三极管Q5的集电极与电阻R6的一端相连，电阻R6的另一端接+5V的电源，所述三极管Q5的射极与所述电阻R51的一端相连，所述电阻R51的另一端与所述电阻R5的另一端相连。

4.根据权利要求1所述的用于双向电流采样的电流传感器，其特征在于，所述电流电压转换电路包括：运算放大器，电阻R3、电容C1，

所述运算放大器的反相输入端与所述差分信号采集电流镜电路相连，所述电阻R3、电容C1并联，并且一端连接于所述运算放大器的反相输入端，另一端连接于所述运算放大器的输出端，所述运算放大器的同相输入端接地。

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