CN103217570B

CN103217570B - Tmr自温补数字电流传感器

Info

Publication number: CN103217570B
Application number: CN201310093866.7A
Authority: CN
Inventors: 芮胜骏
Original assignee: WUXI LINGHU TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Wuxi Haichuan Semiconductor Co., Ltd.
Priority date: 2013-03-21
Filing date: 2013-03-21
Publication date: 2015-04-15
Anticipated expiration: 2033-03-21
Also published as: CN103217570A

Abstract

本发明公开一种TMR自温补数字电流传感器，包括TMR电桥芯片、温度传感器、第一放大器、第二放大器、第一模数转换器、第二模数转换器以及乘法器；温度传感器将TMR电桥芯片所在位置的温度转换成电压信号；第一放大器提供TMR电桥芯片输出的放大；第二放大器提供温度传感器输出的放大；第一模数转换器将TMR电桥芯片感应到的与被测电流及温度相关的信号进行模数转换成数字信号；第二模数转换器将温度传感器输出的和温度相关的信号进行模数转换成数字信号；两个信号经过乘法器的乘法运算后输出。本发明可以有效地测量电流信号，测量结果不受外界温度及电流导流排上产生的温度的影响，并能有效降低系统的成本。

Description

TMR自温补数字电流传感器

技术领域

本发明属于集成电路的硬件实现方法，尤其涉及一种基于TMR（Tunnelingmagneto Resistive，隧穿磁电阻）技术的具有自动温度补偿功能的数字式电流传感器的硬件设计。

背景技术

电流传感器是测量电流的必要元件，在所有与电流测量有关的领域有着广泛的需求。由于不同的应用条件，电流传感器大致分隔离和非隔离的两大类；而根据其测量的频率范围和工作原理又分为工频传感器和宽频传感器；此外，按照输出的特点又有模拟电流传感器和数字电流传感器。

TMR用于电流测量时能够非常好地满足动态和精度的要求，而且可以从直流一直测量到很高的频率电流，但是其自身特有的温度特性对整个实现方案提出了温度补偿的要求。一旦将温度变化所引起的TMR输出的变化补偿掉，得到一个最终输出只随电流变化而变化的输出时，这个电流传感器就能满足绝大部分电流测量的需要。有鉴于此，一种具有自动温度补偿功能的数字式电流传感器的需求就非常明显了。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单，输出信号不受温度变化影响的TMR自温补数字电流传感器。

本发明的技术方案如下：

一种TMR自温补数字电流传感器，包括TMR电桥芯片、温度传感器、第一放大器、第二放大器、第一模数转换器、第二模数转换器以及乘法器；TMR电桥芯片感应与被测电流及温度相关的信号，其输出与第一放大器的输入相连接；温度传感器将TMR电桥芯片所在位置的温度转换成电压信号，其输出与第二放大器的输入相连接；第一放大器的输入与TMR电桥芯片的输出相连接，提供TMR电桥芯片输出的放大；第一放大器的输出与第一模数转换器的输入相连接；第二放大器的输入与温度传感器的输出相连接，提供温度传感器输出的放大；第二放大器的输出与第二模数转换器的输入相连接；第一模数转换器的输入与第一放大器的输出相连接，将TMR电桥芯片感应到的与被测电流及温度相关的信号进行模数转换成数字信号；第一模数转换器的输出与乘法器的一个输入相连接；第二模数转换器的输入与第二放大器的输出相连接，将温度传感器输出的和温度相关的信号进行模数转换成数字信号；第二模数转换器的输出与乘法器的另一个输入相连接；乘法器的两个输入分别与第一模数转换器、第二模数转换器的输出相连接，将输入的两个信号经过乘法运算后，通过接口输出数字式电流信号。

其进一步的技术方案为：所述温度传感器、第一放大器、第二放大器、第一模数转换器、第二模数转换器及乘法器集成在同一个基片上，生产成第一裸片；所述TMR电桥芯片生产成第二裸片；所述第一裸片和第二裸片封装在同一个芯片内。

其进一步的技术方案为：所述第一放大器、第二放大器、第一模数转换器及第二模数转换器集成在同一个基片上，生产成第一裸片；所述TMR电桥芯片生产成第二裸片；所述温度传感器及乘法器分别采用单独的器件实现；所述第一裸片、第二裸片、温度传感器及乘法器封装在同一个芯片内。

以及，其进一步的技术方案为：所述芯片与电流导线相连接。

本发明的有益技术效果是：

本发明采用多芯片集成电路的设计结构，通过TMR集成温度传感器、驱动放大、数模转换及数字乘法器的电路具体实现。本发明的TMR自温补数字电流传感器可以有效地测量电流信号，测量结果不受外界温度及电流导流排上产生的温度的影响，并能有效降低系统的成本。

本发明附加的优点将在下面具体实施方式部分的描述中给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是本发明的结构框图。

图2是本发明第一种实施例的原理框图。

图3是本发明第二种实施例的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

图1示出了本发明的电路原理图。如图1所示，本发明包括以下电路模块：TMR电桥芯片、温度传感器A、第一放大器B、第二放大器C、第一模数转换器（ADC）D、第二模数转换器（ADC）E以及乘法器（图中符号“”）。

其中，温度传感器A将TMR电桥芯片所在位置的温度转换成电压信号；第一放大器B提供TMR电桥芯片输出的放大；第二放大器C提供温度传感器A输出的放大；第一模数转换器D将TMR电桥芯片感应到的与被测电流及温度相关的信号进行模数转换成数字信号；第二模数转换器E将温度传感器A输出的和温度相关的信号进行模数转换成数字信号；上述两个信号经过乘法器的乘法运算后的输出，最终通过接口按照一定的协议组包后输出数字式电流信号到外部接收端。

温度传感器A、第一放大器B、第二放大器C、第一模数转换器D、第二模数转换器E及乘法器采用CMOS工艺设计，集成在同一个基片上，生产成第一裸片Die 1。TMR电桥芯片则生产成第二裸片Die 2。最后将第一裸片Die1和第二裸片Die 2封装在同一个芯片内，组成本发明的芯片部分。

此外，可以将第一放大器B、第二放大器C、第一模数转换器D、第二模数转换器E集成在第一裸片Die 1上，而乘法器及温度传感器A既可以集成在第一裸片Die 1上，也可以分别采用单独的器件实现。例如，采用现有的软件算法实现乘法器；采用独立的温度传感器来实现测温。

如图1所示，还需要在本发明的芯片部分的外部加入引导电流流过的电流导线I。本发明的芯片部分可以粘贴在电流导线I上，或者采用机械安装结构来固定本发明的芯片部分和电流导线I的位置。

以下简述本发明的实现原理：

TMR电桥芯片的输出信号和温度成反比，和被测电流成正比，可以用如下公式表述：

V=K*i*f(t)

f(t)=temp/t

V为传感器输出电压，K为灵敏度，i为被测电流，temp为温度系数。

温度系数为：

temp=(V(i=Ib,t=t₀)-V(i=Ib,t=t₁))÷(t₀-t₁)

Ib为标称电流值，t0,t1为两个标定测温点。

温度传感器A的输出和温度成正比，可以用如下公式表述：

T=f'(t)=C*t

T为温度传感器输出电压，C为温度转换系数，t为温度。

经过乘法器后：

Vo=K*i*f(t)*f'(t)=K*i*temp/t*C*t

当C=1/temp，

Vo=K*i

即输出电压只和被测电流成正比。

以下为本发明的两个实施例。

实施例一

图2为本发明采用数字乘法器实现的原理图。如图2所示，TMR电桥芯片检测到电流信号后经第一放大器B放大，并由第一模数转换器D转换成数字信号，此数据内包含了电流和温度的影响量；根据TMR的特性，此输出和温度成反比。温度传感器A输出的信号经第二放大器C放大，并由第二模数转换器E转换成数字信号，此数据和温度成正比。上述两个数据经过乘法器后，得到一个最终的输出数据。

通过调节第一放大器B和第二放大器C的系数，最终实现温度传感器A侧的输出数据中的温度转换系数和TMR电桥芯片侧的输出数据中的温度系数成反比时，最终乘法器的输出数据就和温度无关了，即实现了电流检测的温度自动补偿。

实施例二

图3为本发明采用MCU实现乘法器功能的原理图。如图3所示，TMR电桥芯片检测到电流信号后经第一放大器B放大，并由第一模数转换器D转换成数字信号，此数据内包含了电流和温度的影响量；根据TMR的特性，此输出和温度成反比。温度传感器A输出的信号经第二放大器C放大，并由第二模数转换器E转换成数字信号，此数据和温度成正比。上述两个数据被MCU（微处理器）采集，MCU内部进行乘法运算后，得到一个最终的输出数据。

通过MCU内部软件程序对温度采样数据进行比例调整，最终实现温度传感器A侧的输出数据中的温度转换系数和TMR电桥芯片侧的输出数据中的温度系数成反比时，最终MCU乘法运算的输出数据就和温度无关了，即实现了电流检测的温度自动补偿。

根据采用定律，MCU的乘法运算速度必须不低于模数转换器的采样速率，即至少两倍于被测信号带宽。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的基本构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种TMR自温补数字电流传感器，其特征在于：包括TMR电桥芯片、温度传感器、第一放大器、第二放大器、第一模数转换器、第二模数转换器以及乘法器；

TMR电桥芯片感应与被测电流及温度相关的信号，其输出与第一放大器的输入相连接；

温度传感器将TMR电桥芯片所在位置的温度转换成电压信号，其输出与第二放大器的输入相连接；

第一放大器的输入与TMR电桥芯片的输出相连接，提供TMR电桥芯片输出的放大；第一放大器的输出与第一模数转换器的输入相连接；

第二放大器的输入与温度传感器的输出相连接，提供温度传感器输出的放大；第二放大器的输出与第二模数转换器的输入相连接；

第一模数转换器的输入与第一放大器的输出相连接，将TMR电桥芯片感应到的与被测电流及温度相关的信号进行模数转换成数字信号；第一模数转换器的输出与乘法器的一个输入相连接；

第二模数转换器的输入与第二放大器的输出相连接，将温度传感器输出的和温度相关的信号进行模数转换成数字信号；第二模数转换器的输出与乘法器的另一个输入相连接；

乘法器的两个输入分别与第一模数转换器、第二模数转换器的输出相连接，将输入的两个信号经过乘法运算后，通过接口输出数字式电流信号；

所述温度传感器、第一放大器、第二放大器、第一模数转换器、第二模数转换器及乘法器集成在同一个基片上，生产成第一裸片；所述TMR电桥芯片生产成第二裸片；所述第一裸片和第二裸片封装在同一个芯片内；

或者，所述第一放大器、第二放大器、第一模数转换器及第二模数转换器集成在同一个基片上，生产成第一裸片；所述TMR电桥芯片生产成第二裸片；所述温度传感器及乘法器分别采用单独的器件实现；所述第一裸片、第二裸片、温度传感器及乘法器封装在同一个芯片内；

所述芯片与电流导线相连接。