CN102798749B - 电流检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电流检测电路，包括：电压偏置电路、第一放大器、第二放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一NMOS管、第二NMOS管、第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管和一开关元件。本发明的电流检测电路由第一放大器和第一电阻、第二电阻构成的电平移位运算放大器对全相电流取样信号进行电平移位放大，便于由第二放大器、电阻第三电阻、开关元件和第三PMOS管组成的电流鉴相电路准确鉴相，电流鉴相电路输出控制信号，控制开关元件调整信号电流的流向，取代传统的整流桥或二极管完成整流功能，实现单电源供电电路无需整流桥或二极管整流的全相电流检测功能。

Description

电流检测电路

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种实现全相电流检测的电流检测电路的设计。

背景技术

电流检测在电流控制中起着重要的作用，电流检测分为电阻检测和电流互感器检测。在中低功率应用中，电流互感器检测电路中采用线圈带来电路成本高，批量产品一致性较差等问题。

图1给出了现有的单电源供电电路实现交流电流检测的结构示意图，现有的思路通常是先采用整流桥或二极管来实现检测信号整流，将其转化成直流量，间接实现全相电流检测。CN 202217009 U公开了一种检测电路，具体是通过二极管整流，借助光耦转换为与交流信号同相的方波来获取待检测交流信号的信息，但这种非线性化的处理方式丢失了诸如交流信号的幅度和受干扰情况等信息，此外整流桥和二极管的使用造成成本问题比较突出，且不易于在集成电路中应用。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的电流检测电路存在的上述问题，提出了一种电流检测电路。

本发明的技术方案是：一种电流检测电路，包括：电压偏置电路、第一放大器、第二放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一NMOS管、第二NMOS管、第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管和一开关元件，其中，

所述的电压偏置电路为第一放大器和第二放大器提供第一参考电压VREF1和第二参考电压VREF2分别输入到第一放大器和第二放大器的正向输入端，第一电阻的第一端作为所述电流检测电路的输入端用于输入待检测信号，第一电阻的第二端接第一放大器的负向输入端及第二电阻的第一端，第二电阻的第二端与第一放大器的输出端及第三电阻的第一端相连，第三电阻的第二端与第二放大器的负向输入端以及第三PMOS管的源极相连，第二放大器的输出端与开关元件的第一端、第三PMOS管的栅极相连，第三PMOS管的源极与开关元件的第二端相连，第三PMOS管的漏极与第一NMOS管的漏极、第一NMOS管的栅极、第二NMOS管的栅极相连，第一NMOS管的源极和第二NMOS管的源极均接地，第二NMOS管的漏极与开关元件的第三端、第一PMOS管的漏极、第一PMOS管的栅极、第二PMOS管的栅极相连，第一PMOS管的源极和第二PMOS管的源极接外部的电源电压，第二PMOS管的漏极作为所述的电流检测电路输出端并通过第四电阻接地；所述第一参考电压VREF1和第二参考电压VREF2满足其中，R1为第一电阻的阻值，R2为第二电阻的阻值；

所述的第二放大器采用MOS管作为差分对管，开关元件具体为一NMOS管，其中，所述NMOS管的栅极作为开关元件的第一端、源极作为开关元件的第二端、漏极作为开关元件的第三端；

或者，

所述的第二放大器采用双极型三极管作为差分对管，开关元件具体为一双极型三极管，其中，所述双极型三极管的基极作为开关元件的第一端，发射极作为开关元件的第二端，集电极作为开关元件的第三端。

为了解决上述问题，本发明还提出了一种电流检测电路，包括：电压偏置电路、第一放大器、第二放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管和一开关元件，其中，

所述的电压偏置电路为第一放大器、第二放大器和第三NMOS管提供第一参考电压VREF1、第二参考电压VREF2和第三参考电压VREF3分别输入到第一放大器的正向输入端、第二放大器的正向输入端以及第三NMOS管的栅极，第一电阻的第一端作为所述电流检测电路的输入端用于输入待检测信号，第一电阻的第二端接第一放大器的负向输入端及第二电阻的第一端，第二电阻的第二端与第一放大器的输出端及第三电阻的第一端相连，第三电阻的第二端与第二放大器的负向输入端以及第三PMOS管的源极相连，第二放大器的输出端与开关元件的第一端、第三PMOS管的栅极相连，第三PMOS管的源极与开关元件的第二端相连，第三PMOS管的漏极与第一NMOS管的漏极、第一NMOS管的栅极、第二NMOS管的栅极相连，第一NMOS管的源极和第二NMOS管的源极均接地，第二NMOS管漏极与第三NMOS管的源极相连，第三NMOS管的漏极与开关元件的第三端、第一PMOS管的漏极、第一PMOS管的栅极、第二PMOS管的栅极相连，第一PMOS管的源极和第二PMOS管的源极接外部的电源电压，第二PMOS管的漏极作为所述的电流检测电路输出端并通过第四电阻接地；

所述第一参考电压VREF1和第二参考电压VREF2满足其中，R1为第一电阻的阻值，R2为第二电阻的阻值；

所述的第二放大器采用MOS管作为差分对管，开关元件具体为一NMOS管，其中，所述NMOS管的栅极作为开关元件的第一端、源极作为开关元件的第二端、漏极作为开关元件的第三端；

或者，

所述的第二放大器采用双极型三极管作为差分对管，开关元件具体为一双极型三极管，其中，所述双极型三极管的基极作为开关元件的第一端，发射极作为开关元件的第二端，集电极作为开关元件的第三端。

本发明的有益效果：本发明的电流检测电路由第一放大器和第一电阻、第二电阻构成的电平移位运算放大器对全相电流取样信号进行电平移位放大，便于电流鉴相电路准确鉴相，电流鉴相电路输出控制信号，控制开关元件调整信号电流的流向，取代传统的整流桥或二极管完成整流功能，实现单电源供电电路无需整流桥或二极管整流的全相电流检测功能。本发明的电流检测电路易于低成本集成，且对交流信号的线性化处理克服了现有的电流检测电路待检测交流信号信息丢失问题，不需要整流桥或二极管去实现整流，降低了成本。

附图说明

图1为现有的单电源供电电路实现交流电流检测的结构示意图。

图2为本发明实施例一的电流检测电路的结构示意图。

图3为本发明实施例一的电流检测电路的整流检测功能示意图

图4为本发明实施例二的电流检测电路的结构示意图。

图5为本发明实施例三的电流检测电路的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

实施例一：如图2所示，电流检测电路具体包括：电压偏置电路、第一放大器OPAM1、第二放大器OPAM2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3和一开关元件，其中，所述的电压偏置电路为放大器OPAM1和放大器OPAM2提供第一参考电压VREF1和第二参考电压VREF2分别输入到放大器OPAM1和放大器OPAM2的正向输入端，第一电阻R1的第一端作为所述电流检测电路的输入端用于输入待检测信号Vsense，电阻R1的第二端接放大器OPAM1的负向输入端及电阻R2的第一端，电阻R2的第二端与放大器OPAM1的输出端及第三电阻的第一端相连，第三电阻的第二端与放大器的负向输入端相连，放大器OPAM2的输出端与开关元件的第一端、PMOS管MP3的栅极相连，MP3的源极与开关元件的第二端相连，MP3的漏极与NMOS管MN1的漏极、MN1的栅极、MN2的栅极相连，MN1的源极和MN2的源极均接地，MN2的漏极与开关元件的第三端、MP1的漏极、MP1的栅极、MP2的栅极相连，MP1的源极和MP2的源极接外部的电源电压，MP2的漏极作为所述的电流检测电路输出端Vout并通过电阻R4接地。

在实施例一中，开关元件具体通过双极型三极管Q1实现，其中，Q1的基极作为开关元件的第一端，Q1的发射极作为开关元件的第二端，Q1的集电极作为开关元件的第三端。

第一放大器OPAM1和电阻R1、电阻R2构成电平移位运算放大器，实现检测信号Vsense电平移位，且有第二放大器OPAM2、电阻R3、开关三极管Q1和MOS管MP3构成了电流鉴相电路，所述第二输入电阻R3串接在VB与所述第二放大器OPAM2的反相输入端VC之间，Q1和MP3构成选择器，具有开关作用，Q1管的基极和MP3的栅极受OPAM2的输出控制，为控制端；Q1管的发射极和MP3的源极为输入端；Q1管的集电极和MP3的漏极为输出端；MN1管和MN2管构成所述第二镜像电路，镜像流过MP3管的电流，MP2管和MP1管构成第二镜像电路，镜像并放大流过Q1管或MP3管的电流，并在电阻R4上产生压降，最终输出经过整流放大后的检测信号Vout。

如图3所示，电流检测电路以Vsense作为输入端的检测信号，Vout作为输出端的检测信号检测输出，最终可实现Vout＝k*|Vsense|，即将Vsense整流并放大k倍。可以通过设定使得当输入Vsense＝0时，V(VB)＝VREF2。由电路的基本定律和工作原理可知：流过第一输入电阻R1的电流I_R1和第一反馈电阻R2的电流I_R2，VA节点电压V(VA)，VB节点电压V(VB)，VC节点电压V(VC)，则彼此之间存在如下关系：

I_R1＝I_R2，V(VA)＝VREF1，V(VC)＝VREF2   (1)

即：

$\frac{\mathrm{Vsense}-V\left(\mathrm{VA}\right)}{R1}=\frac{V\left(\mathrm{VA}\right)-V\left(\mathrm{VB}\right)}{R2}---\left(2\right)$

$V\left(\mathrm{VB}\right)=V\left(\mathrm{VA}\right)-\frac{R2}{R1}\×[\mathrm{Vsense}-V\left(\mathrm{VA}\right)]=\mathrm{VREF}1-\frac{R2}{R1}\×(\mathrm{Vsense}-\mathrm{VREF}1)---\left(3\right)$

且令MN1的宽长比(w/l)_MN1和MN2的宽长比(w/l)_MN2比值为：

$\frac{{(w/l)}_{\mathrm{MN}2}}{{(w/l)}_{\mathrm{MN}1}}=1---\left(4\right)$

$I_{R3}=\frac{V\left(\mathrm{VC}\right)-V\left(\mathrm{VB}\right)}{R3}=\frac{\mathrm{VREF}2-[\mathrm{VREF}1-\frac{R2}{R1}\×(\mathrm{Vsense}-\mathrm{VREF}1)]}{R6}=\frac{R2\×\mathrm{Vsense}}{R1\×R3}---\left(5\right)$

以图2所示的I_R3的电流方向为正向，I_R3为流过电阻R3的电流，分如下三种情况加以讨论：

(ⅰ)当Vsense＝0时，V(VB)＝V(VC)＝VREF2，I_R3＝0，第二放大器OPAM2的输出将关断Q1管和MP3管，I_MP3，I_R4分别为流过MP3和R4的电流，IC_Q1，IE_Q1分别为管Q1的集电极电流和发射极电流，则有：

IC_Q1＝I_MP3＝I_R4＝0   (6)

所以有：

Vout＝I_R4×R4＝Vsense＝0   (7)

(ⅱ)当Vsense>0时，V(VB)<VREF2，I_R3>0，第二放大器OPAM2的输出将开启Q1，关断MP3管，假定管Q1的β足够大，忽略IB_Q1，MP1的宽长比为(w/l)_MP1和MP2的宽长比为(w/l)_MP2，流过R4的电流为I_R4，则有：

IC_Q1＝IE_Q1＝I_R3   (8)

$I_{R4}=\frac{{(w/l)}_{\mathrm{MP}2}}{{(w/l)}_{\mathrm{MP}1}}\&times;{\mathrm{IC}}_{Q1}=\frac{{(w/l)}_{\mathrm{MP}2}}{{(w/l)}_{\mathrm{MP}1}}\&times;I_{R3}---\left(9\right)$

由(5)式可知，即：

$I_{R4}=\frac{{(w/l)}_{\mathrm{MP}2}}{{(w/l)}_{\mathrm{MP}1}}\&times;\frac{R2}{R1\&times;R3}\&times;\mathrm{Vsense}---\left(10\right)$

$\mathrm{Vout}=R4*I_{R4}=\frac{{(w/l)}_{\mathrm{MP}2}}{{(w/l)}_{\mathrm{MP}1}}\&times;\frac{R2*R4}{R1*R3}\&times;\mathrm{Vsense}---\left(11\right)$

(ⅲ)当Vsense<0时，V(VB)>VREF2，I_R3<0，第二放大器OPAM2的输出将关断Q1，开启MP3，忽略MOS管的沟道长度调制效应，则有：

I_MN3＝I_MP3＝I_R3

$I_{R4}=\frac{{(w/l)}_{\mathrm{MP}2}}{{(w/l)}_{\mathrm{MP}1}}\&times;I_{\mathrm{MN}3}=\frac{{(w/l)}_{\mathrm{MP}2}}{{(w/l)}_{\mathrm{MP}1}}\&times;I_{R3}---\left(12\right)$

即：

$I_{R4}=-\frac{{(w/l)}_{\mathrm{MP}2}}{{(w/l)}_{\mathrm{MP}1}}\&times;I_{R3}---\left(13\right)$

$I_{R4}=-\frac{{(w/l)}_{\mathrm{MP}2}}{{(w/l)}_{\mathrm{MP}1}}\&times;\frac{R2}{R1*R3}\&times;\mathrm{Vsense}---\left(14\right)$

$\mathrm{Vout}=R4*I_{R4}=-\frac{{(w/l)}_{\mathrm{MP}2}}{{(w/l)}_{\mathrm{MP}1}}\&times;\frac{R2*R4}{R1*R3}\&times;\mathrm{Vsense}---\left(\text{15}\right)$

综合上述三种情况，可以统一为下式：

$\mathrm{Vout}=R4*I_{R4}=\frac{{(w/l)}_{\mathrm{MP}2}}{{(w/l)}_{\mathrm{MP}1}}\&times;\frac{R2*R4}{R1*R3}\&times;\left|\mathrm{Vsense}\right|---\left(\text{16}\right)$

即：

Vout＝R4*I_R4＝k|Vsense|   (17)

其中，从而实现了待检测信号Vsense的整流线性化放大功能。

在实施例一中，第二放大器OPAM2采用双极型三极管作为差分对管，开关元件采双极型三极管Q1将可用于减小运放的输入电流导致的检测信号失真，提高电流检测的精度。

实施例二，如图4所示，与实施例一不同的是，此时的第二放大器OPAM2采用MOS管作为差分对管，开关元件采用NMOS管MN0，其中，MN0的栅极作为开关元件的第一端、源极作为开关元件的第二端、漏极作为开关元件的第三端。这里，采用MOS管的开关元件将可减小检测信号失真，提高电流检测的精度。实施例二的原理及工作过程与实施例一相同，不再详细描述。

实施例三，如图5所示，所述的第二镜像电路的输出端与第一镜像电路的输入端之间串联一个NMOS管MN3，其栅极可接第三参考电压VREF3。这种结构将减小第二镜像电路的镜像偏差，进一步提高电流检测的精度，也可应用于实施例二中。实施例三的原理及工作过程与实施例一相同，不再详细描述。

本发明提出的具有全相电流检测功能的电流检测电路，利用放大器进行相判断，电流镜的镜像过程实现电流的变向处理，完成如图3所示的整流线性化放大功能。本发明提出的电流检测电路具有全相电流检测能力，可以实现高精度快速全相电流检测中，可广泛运用于电力电子系统中。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种电流检测电路，包括：电压偏置电路、第一放大器、第二放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一NMOS管、第二NMOS管、第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管和一开关元件，其中，

所述的电压偏置电路为第一放大器和第二放大器提供第一参考电压VREF1和第二参考电压VREF2分别输入到第一放大器和第二放大器的正向输入端，第一电阻的第一端作为所述电流检测电路的输入端用于输入待检测信号，第一电阻的第二端接第一放大器的负向输入端及第二电阻的第一端，第二电阻的第二端与第一放大器的输出端及第三电阻的第一端相连，第三电阻的第二端与第二放大器的负向输入端以及第三PMOS管的源极相连，第二放大器的输出端与开关元件的第一端、第三PMOS管的栅极相连，第三PMOS管的源极与开关元件的第二端相连，第三PMOS管的漏极与第一NMOS管的漏极、第一NMOS管的栅极、第二NMOS管的栅极相连，第一NMOS管的源极和第二NMOS管的源极均接地，第二NMOS管的漏极与开关元件的第三端、第一PMOS管的漏极、第一PMOS管的栅极、第二PMOS管的栅极相连，第一PMOS管的源极和第二PMOS管的源极接外部的电源电压，第二PMOS管的漏极作为所述的电流检测电路输出端并通过第四电阻接地；

所述第一参考电压VREF1和第二参考电压VREF2满足其中，R1为第一电阻的阻值，R2为第二电阻的阻值；

所述的第二放大器采用MOS管作为差分对管，开关元件具体为一NMOS管，其中，所述NMOS管的栅极作为开关元件的第一端、源极作为开关元件的第二端、漏极作为开关元件的第三端；

或者，

所述的第二放大器采用双极型三极管作为差分对管，开关元件具体为一双极型三极管，其中，所述双极型三极管的基极作为开关元件的第一端，发射极作为开关元件的第二端，集电极作为开关元件的第三端。

2.一种电流检测电路，包括：电压偏置电路、第一放大器、第二放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管和一开关元件，其中，

所述的电压偏置电路为第一放大器、第二放大器和第三NMOS管提供第一参考电压VREF1、第二参考电压VREF2和第三参考电压VREF3分别输入到第一放大器的正向输入端、第二放大器的正向输入端以及第三NMOS管的栅极，第一电阻的第一端作为所述电流检测电路的输入端用于输入待检测信号，第一电阻的第二端接第一放大器的负向输入端及第二电阻的第一端，第二电阻的第二端与第一放大器的输出端及第三电阻的第一端相连，第三电阻的第二端与第二放大器的负向输入端以及第三PMOS管的源极相连，第二放大器的输出端与开关元件的第一端、第三PMOS管的栅极相连，第三PMOS管的源极与开关元件的第二端相连，第三PMOS管的漏极与第一NMOS管的漏极、第一NMOS管的栅极、第二NMOS管的栅极相连，第一NMOS管的源极和第二NMOS管的源极均接地，第二NMOS管漏极与第三NMOS管的源极相连，第三NMOS管的漏极与开关元件的第三端、第一PMOS管的漏极、第一PMOS管的栅极、第二PMOS管的栅极相连，第一PMOS管的源极和第二PMOS管的源极接外部的电源电压，第二PMOS管的漏极作为所述的电流检测电路输出端并通过第四电阻接地；

所述第一参考电压VREF1和第二参考电压VREF2满足其中，R1为第一电阻的阻值，R2为第二电阻的阻值；

所述的第二放大器采用MOS管作为差分对管，开关元件具体为一NMOS管，其中，所述NMOS管的栅极作为开关元件的第一端、源极作为开关元件的第二端、漏极作为开关元件的第三端；

或者，

所述的第二放大器采用双极型三极管作为差分对管，开关元件具体为一双极型三极管，其中，所述双极型三极管的基极作为开关元件的第一端，发射极作为开关元件的第二端，集电极作为开关元件的第三端。