CN102818925A

CN102818925A - 隔离的电阻式电流传感器

Info

Publication number: CN102818925A
Application number: CN2012101604921A
Authority: CN
Inventors: 米格尔·安琪尔·阿希娜; 约瑟夫·加勃尔
Original assignee: Lear Corp
Current assignee: Lear Corp
Priority date: 2011-06-06
Filing date: 2012-05-22
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2032-05-22
Also published as: DE102012209182A1; CN102818925B; US20120306657A1; US8836525B2; DE102012209182B4

Abstract

本发明涉及隔离的电阻式电流传感器。一种供电阻式电流感测元件使用的隔离的电流传感系统包括模拟前端，其被配置成从电阻式电流感测元件接收电压，并提供模拟输出。处理电路接收模拟输出，并提供指示感测的电流的测量信号。隔离电路提供隔离屏障，并被配置成使测量信号通过。可编程的过流保护警报器可被包括，并配置成当模拟输出超出可编程的阈值时生成报警信号。处理电路可包括电压-PWM转换器。

Description

隔离的电阻式电流传感器

技术领域

本发明涉及一种隔离的电阻式电流传感器。

背景技术

电动交通工具（EV）、混合电动交通工具（HEV）和插入式混合电动交通工具（PHEV）正在变得普遍。EV、HEV和PHEV交通工具使用电力电子系统来执行各种功能，例如，电池充电器、逆变器、DC/DC转换器。在EV、HEV和PHEV交通工具中，集成的电力模块的使用是很典型的。这些电力模块依靠由系统控制器（也称为控制板）驱动并控制的高电压硅器件来执行电力处理功能，比如整流、DC-DC转换、DC-AC转换、AC-DC转换。

控制板通常位于交通工具的低电压网络中。控制器实现了整个电力电子系统的控制回路。相应地，控制器需要对来自发电站的高电压侧的关键信号的隔离测量。例如，可能需要对输入或输出电压和电流的隔离测量。

用于电力电子应用的现有电流传感器包括闭环霍尔效应传感器和磁阻式传感器。霍尔效应传感器和磁阻式传感器提供隔离，并且一般仅提供测量信号。基于分流器的传感器也存在，并且一般提供非隔离的测量。

另外的背景信息可在第4,677,536、5,084,633、5,274,350、5,446,372、5,457,591、5,552,979、5,610,532、6,570,373、7,309,980、7,495,541号美国专利中找到。另外的背景信息可在公布号为2010/0023283的美国专利申请中找到。

发明内容

本发明的目的是提供一种被改进的隔离的电流传感系统，该电流传感系统供电阻式电流感测元件使用。

在一个实施方式中，供电阻式电流感测元件使用的隔离的电流传感系统包括模拟前端、可编程的过流保护警报器、处理电路和隔离电路。模拟前端被配置成从电阻式电流感测元件接收电压。模拟前端提供模拟输出。可编程的过流保护警报器被配置成接收指示阈值的编程信号。可编程的过流保护警报器还接收模拟输出，并且当该模拟输出超出阈值时生成警报信号。

处理电路被配置成接收模拟输出，并且提供指示感测的电流的测量信号。隔离电路提供隔离屏障，并且被配置成使编程信号、警报信号、和测量信号通过。

应认识到，本发明的实施方式可以按各种方式来实现。系统可包括连接到模拟前端的电阻式电流感测元件。模拟前端可对特定应用酌情按各种方式实现。例如，模拟前端可被进一步配置成为来自电阻式电流感测元件的电压提供输入滤波，并且还可被配置成放大来自电阻式电流感测元件的电压以提供模拟输出。

处理电路还可包括模拟-数字转换器，其被配置成接收模拟输出，并被配置成提供测量信号作为指示感测的电流的数字输出。更详细地说，模拟-数字转换器的一种实现方式还包括波形发生器电路和比较电路。该比较电路比较模拟输出和生成的波形以产生指示感测的电流的数字输出。数字输出可采用脉冲宽度调制信号的形式。

可编程的过流保护警报器可被配置成将编程信号转换成代表阈值的DC电压，并且包括比较电路，该比较电路用于比较模拟输出和DC电压并且生成警报信号。

在另一个实施方式中，供电阻式电流感测元件使用的隔离的电流传感系统包括模拟前端、模拟-数字转换器和隔离电路。模拟前端被配置成从电阻式电流感测元件接收电压。模拟前端提供模拟输出。模拟-数字转换器包括波形发生器电路和比较电路。比较电路接收模拟输出，并且比较模拟输出和生成的波形，以便产生测量信号作为指示感测的电流的数字输出。隔离电路提供隔离屏障，并且使测量信号通过。

本发明的各种实施方式根据应用可包括各种设想的特征中的任一个或多个。应认识到，本发明的实施方式具有许多优势和有用的应用。例如，本发明的实施方式可适合于具有可编程的过流保护警报器的隔离的电流传感系统，用于自动化的集成电力模块应用或其他应用。在一个特定的应用中，提供了具有警报信号的完整的专用隔离电流测量探测器，以快速检测在一阈值之上的电流水平，所述阈值能够通过例如高电平控制器来在外部被编程。

附图的简要说明

图1描绘了根据本发明的实施方式制成的隔离的电流传感系统的实施方式的框图；

图2描绘了根据本发明的实施方式制成的隔离的电流传感系统的实施方式的电路图；以及

图3示出描绘了在本发明的实施方式中的电压-PWM转换器的操作的曲线图。

详细描述

根据需要，此处公开了本发明的详细实施方式；然而，应理解，所公开的实施方式仅仅是可体现在各种和可选的形式中的本发明的示例。这些附图不一定按比例绘制；一些特征可以被放大或最小化以便显示特定组件的细节。因此，此处所公开的特定的结构细节和功能细节不应被解释为限制性的，而应仅仅解释为用于教导本领域中的技术人员来不同地使用本发明的代表性的基础。

参考图1，按照本发明的实施方式制成的隔离的电流传感系统总体上用10来指示。在子系统水平上，系统10包括多个组件。电阻式电流感测元件被描绘为分流器12。分流器12连接到模拟前端14。（DC和AC）电流通过分流器12来测量。

模拟前端14从分流器12接收电压，并且提供模拟输出。该电压与通过分流器12的电流成比例。模拟前端14被配置成为来自分流器12的电压提供输入滤波，并且放大该电压。更详细地说，信号调整包括输入滤波加上放大，一般为具有所需的增益-带宽乘积的一个或两个运算放大级。

处理电路从模拟前端14接收模拟输出，并且提供指示感测的电流的测量信号。如所示，高频抑制滤波器16从模拟前端14接收信号。这是在对电流测量结果数字化之前的滤波级。对于特定的实现，该部分由两个滤波器——一个2阶的2.5kHz滤波器以及一个1阶的10kHz滤波器——构成。在所示实施方式中，模拟-数字转换器采用电压-PWM转换器18的形式。电压-PWM转换器18通过来自模拟前端14的经放大和滤波的信号与在本地生成的三角波形的比较来执行模拟-数字转换，以便获得数字的PWM信号，该PWM信号所具有的占空比与所测量的电流成比例并且频率等于三角波形中的一个。

应认识到，所描述的模拟前端14、高频抑制滤波器16以及电压-PWM转换器18只是例子。例如，各种用于模拟-数字转换的方法都是可能的。电压-PWM是一种可能的方法。

也如图1中所示，电压参考20为电压-PWM转换器18和模拟前端14中的第一放大级提供参考信号（以便在第一放大器中生成受控制的偏置）。

可编程的过流保护（OCP）警报器22接收指示阈值的编程信号，并且从模拟前端14接收模拟输出。当模拟输出超出阈值时，可编程的过流保护警报器22生成警报信号。

更详细地说，在所示实施方式中，编程信号是以PWM波形的形式，所述PWM波形具有的占空比与OCP阈值的幅值成比例。PWM编程信号被转换成DC电压。将该DC电压与来自模拟前端的输出进行比较，以便当所测量的电流大于被编程的阈值时生成OCP警报信号。

隔离电路24提供隔离屏障26，并且被配置成使用于主控制器接口的编程信号32、警报信号34和测量信号36经由专用的数字隔离通道通过隔离屏障26。更详细地说，隔离电路24将系统10的高压侧与低压侧分隔开，在控制板和高压网络之间保持所需的隔离屏障26。在一个特定的实现中，屏障26必须承受得住1分钟2.5kVAC。凭借专用的隔离的DC-DC转换器，隔离电路24还从5Vdc供电输入30提供到以上所描述的HV侧的其他组件的隔离的电力供应。凭借专用的隔离的DC-DC转换器，屏障26还向以上所描述的其他组件提供电力供应30。

在图2中，按照本发明的实施方式制成的隔离的电流传感系统的实施方式的电路图一般以50来指示。系统50包括多个组件。分流器元件连接在52处。连接SH_PIN_HS和SH_PIN_LS用于连接到电阻式电流感测元件。模拟前端54由包括电容器C3、C30、C10、C29的输入滤波电路组成。第一放大级由电阻器R10、R7、R9、R3、R8、R5、R12、电容器C26、C12、运算放大器U3组成。第二放大级由电阻器R27、R26、运算放大器U8组成。模拟前端54由包括电容器C3、C30、C10、C29和电阻器R10、R7、R9的输入滤波器电路组成。第一放大级由电阻器R3、R8、R23、R12、电容器C5、C12、运算放大器U3组成。第二放大级由电阻器R27、R26、电容器C25、运算放大器U8组成。

高频抑制滤波器56由电阻器R21、R22、R20、电容器C21、C22、C23、C19、C20、运算放大器U6组成。

电压-PWM转换器由比较电路58和三角波形发生器60组成。比较电路58由运算放大器U2和电容器C17组成。三角波形发生器60由电阻器R18、R14、电容器C16、C13、C15、运算放大器U4（左侧）、电阻器R15、R11、电容器C14、运算放大器U5（右侧）组成。

电压参考70为三角波形发生器60和模拟前端54中的第一放大级提供参考信号，以便生成受控制的偏置。更详细地说，电压参考电路70由二极管DZ1、电阻器R19、电容器C2组成。电压参考直接连接到三角波形发生器60。电压参考通过由电阻器R2、R6、生成偏置的电容器C24、为各自的集成电路提供标准去耦的电阻器R23、电容器C5和C25、以及电阻器R5和电容器C26组成的电路连接到模拟前端54。

可编程的过流保护（OCP）警报器72接收编程信号，该编程信号指示在由电阻器R1、R16、电容器C1、C18、运算放大器U9、电容器C28组成的输入电路处的阈值。OCP警报72从模拟前端54接收模拟输出，并且当模拟输出超出阈值时生成警报信号。更详细地说，比较电路由运算放大器U1组成，该运算放大器U1具有通过电阻器R4、电容器C27接收模拟信号的反相输入。来自运算放大器U9的输出通过电阻器R24连接到运算放大器U1的非反相输入。比较电路还包括反馈电阻器R25、电容器C4。运算放大器U1的输出是警报信号。

在R1处接收的编程信号是以PWM波形的形式，该PWM波形所具有的占空比与OCP阈值的幅值成比例。PWM编程信号被转换成在运算放大器U9的非反相输入处的DC电压。

隔离电路80提供隔离屏障。在所示实施方式中，隔离电路80由耦合组件82组成。组件82包括芯片级变压器以执行耦合。通道以84显示。组件82还包括DC-DC转换器86。更详细地说，以90显示的5V输入连接到输入电容器C8、C9、C11；片上转换器的输出侧连接到电容器C6、C7。为简化附图，以5V_HV标记的连接器被显示为到电路的其余部分的隔离的电力供应电压输出。

组件82还具有用于隔离接地GND_ISO的连接，并且具有接地连接GND（非隔离侧）。所提供的通道使OCP编程信号92（输入）、94（隔离的）；OCP警报信号96（隔离的）、98（输出）；测量信号100（隔离的）、102（输出）通过。

图3示出描绘了本发明的实施方式中的电压-PWM转换器的工作的曲线图。示例性电压-PWM转换器包括波形发生器电路，其生成三角波形120。比较电路比较模拟输出和三角波形120，以便生成指示感测的电流的数字输出。在本例中，数字输出采用了脉冲宽度调制信号130的形式。如所示，当模拟输出超出三角波形时，数字输出在高电平。

本发明的实施方式不限于此处所描述的实施方式。在本发明的范围内可能有各种其他的实施方式。

虽然以上描述了示例性的实施方式，然而意图不是这些实施方式描述本发明所有的可能形式。相反，在说明书中所使用的词语是描述性的词语而非限制性的词语，并且应理解，可做出各种改变而不偏离本发明的精神和范围。此外，各种实现的实施方式的特征可被组合以形成本发明的另外的实施方式。

Claims

1.一种供电阻式电流感测元件使用的隔离的电流传感系统，所述系统包括：

模拟前端，其被配置成从所述电阻式电流感测元件接收电压，并且提供模拟输出；

可编程的过流保护警报器，其被配置成接收指示阈值的编程信号和接收所述模拟输出，并且被配置成在所述模拟输出超出所述阈值时生成警报信号；

处理电路，其被配置成接收所述模拟输出，并且提供指示感测的电流的测量信号；以及

隔离电路，其提供隔离屏障，并且被配置成使所述编程信号、所述警报信号和所述测量信号通过。

2.如权利要求1所述的系统，还包括：

电阻式电流感测元件，其连接到所述模拟前端。

3.如权利要求1所述的系统，其中所述模拟前端还被配置成为来自所述电阻式电流感测元件的电压提供输入滤波。

4.如权利要求1所述的系统，其中所述模拟前端还被配置成放大来自所述电阻式电流感测元件的电压以提供所述模拟输出。

5.如权利要求1所述的系统，其中所述处理电路还包括：

模拟-数字转换器，其被配置成接收所述模拟输出，并且被配置成提供所述测量信号作为指示所述感测的电流的数字输出。

6.如权利要求5所述的系统，其中所述模拟-数字转换器还包括：

波形发生器电路；以及

比较电路，其比较所述模拟输出和生成的波形，以便产生指示所述感测的电流的所述数字输出。

7.如权利要求6所述的系统，其中所述数字输出是脉冲宽度调制信号。

8.如权利要求1所述的系统，其中所述可编程的过流保护警报器被配置成将所述编程信号转换成代表所述阈值的DC电压，并且包括比较电路，所述比较电路用于比较所述模拟输出与所述DC电压并生成所述警报信号。

9.如权利要求1所述的系统，其中所述隔离电路还被配置成提供电力供应。

10.如权利要求1所述的系统，还包括：

高频抑制滤波器，其在所述模拟前端与所述处理电路之间。

11.一种供电阻式电流感测元件使用的隔离的电流传感系统，所述系统包括：

模拟-数字转换器，其包括波形发生器电路和比较电路，所述比较电路接收所述模拟输出，并且比较所述模拟输出和生成的波形，以便产生测量信号作为指示感测的电流的数字输出；以及

隔离电路，其提供隔离屏障，并且被配置成使所述测量信号通过。

12.如权利要求11所述的系统，其中所述数字输出是脉冲宽度调制信号。

13.如权利要求11所述的系统，还包括：

可编程的过流保护警报器，其被配置成接收指示阈值的编程信号并且接收所述模拟输出，并且被配置成当所述模拟输出超出所述阈值时生成警报信号；

其中所述隔离电路还被配置成使所述编程信号和所述警报信号通过。

14.如权利要求13所述的系统，其中所述可编程的过流保护警报器被配置成将所述编程信号转换为代表所述阈值的DC电压，并且包括比较电路，所述比较电路用于比较所述模拟输出与所述DC电压，并且生成所述警报信号。

15.如权利要求11所述的系统，还包括：

电阻式电流感测元件，其连接到所述模拟前端。

16.如权利要求11所述的系统，其中所述模拟前端还被配置成为来自所述电阻式电流感测元件的电压提供输入滤波。

17.如权利要求11所述的系统，其中所述模拟前端还被配置成放大来自所述电阻式电流感测元件的电压，以便提供所述模拟输出。

18.如权利要求11所述的系统，其中所述隔离电路还被配置成提供电力供应。

19.如权利要求11所述的系统，还包括：

高频抑制滤波器，其在所述模拟前端与所述模拟-数字转换器之间。