CN103245816B - 整合式电流传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种整合式电流传感装置，包括磁场传感元件、电源供应电路、偏移调整电路、增益调整电路以及调节单元。磁场传感元件用以传感磁场，并产生对应的传感电压。电源供应电路电性耦接磁场传感元件，用以产生定电流予磁场传感元件，以控制传感电压。偏移调整电路电性耦接磁场传感元件，用以调整传感电压的偏移量。增益调整电路电性耦接偏移调整电路，用以放大传感电压至额定输出电压。调节单元电性耦接电源供应电路、偏移调整电路以及增益调整电路，用以控制定电流、偏移量以及增益调整电路放大传感电压所需的增益值。

Description

整合式电流传感装置

技术领域

本发明是关于一种电流传感装置，且特别是有关于一种整合式电流传感装置。

背景技术

近年来电流传感电路多以霍尔元件(Hall Element)实现，其具有传感电压与待测物的电流成比例的特性，因此，可通过霍尔元件的传感电压值轻易判断待测物的电流大小。

图1为现有技术的一种电流传感装置100的电路示意图。电流传感装置100包括电源供应电路、霍尔元件U2、偏移调整电路以及增益调整电路，其中电源供应电路通过晶体管Q1提供定电流给霍尔元件U2，以控制传感电压。偏移调整电路主要利用电阻R9与电阻R10的比例调整传感电压的偏移量。随后，增益调整电路利用电阻R8与电阻R7的倍数比例调整传感电压的增益，以产生额定输出电压(例如：0～5V)。

然而，在现有电流传感装置100中的电阻R8、电阻R9与电阻R10的电阻值因切割工艺的稳定性与可靠度上的问题，电阻值无法非常精确且使得电阻比例产生偏差，再者，电阻特性在不同环境温度下亦会产生变化，使得上述电阻值的比例产生偏差，造成电流传感结果不正确。

因此，迄今现有技术仍具有上述缺陷与不足之处需要解决。

发明内容

本发明的目的在提供一种具有调节单元的整合式电流传感装置，其中调节单元可供使用者调节定电流值、偏移量以及增益值。

于一较佳实施例中，本发明提供一种整合式电流传感装置，其包括磁场传感元件、电源供应电路、偏移调整电路、增益调整电路以及调节单元。磁场传感元件用以传感磁场，并产生对应的传感电压。电源供应电路电性耦接磁场传感元件，用以产生定电流给予磁场传感元件，以控制传感电压。偏移调整电路电性耦接磁场传感元件，用以调整传感电压的偏移量。增益调整电路电性耦接偏移调整电路，用以放大传感电压至额定输出电压。调节单元电性耦接电源供应电路、偏移调整电路以及增益调整电路，其中调节单元用以控制定电流、偏移量以及增益调整电路放大该传感电压的增益值。

于一较佳实施例中，调节单元包括电子可擦除只读存储器。

于一较佳实施例中，调节单元可储存分别对应定电流、偏移量以及增益值的设定参数。

于一较佳实施例中，调节单元可通过输入输出接口电性耦接外接装置，并通过外接装置分别调整分别对应定电流、偏移量以及增益值的设定参数。

于一较佳实施例中，整合式电流传感装置还包括温度补偿电路，其中温度补偿电路电性耦接调节单元，用以补偿温度改变下调节单元中分别对应定电流、偏移量的设定参数，使得该调节单元在温度改变状态下控制该电源供应电路、该偏移调整电路，以调整该定电流、该偏移量。

于一较佳实施例中，调节单元用以产生一定电流调节信号予电源供应电路，以调整电源供应电路所产生的定电流的大小。

于一较佳实施例中，调节单元用以产生一增益调节信号予增益调整电路，以调整增益调整电路放大传感电压至额定输出电压所需的一增益值。

于一较佳实施例中，调节单元用以产生一偏移量调节信号予增益调整电路，以调整额定输出电压的偏移量。

于一较佳实施例中，本发明还提供一种整合式电流传感装置，包括磁场传感元件、电源供应电路、增益调整电路、偏移调整电路以及调节单元。磁场传感元件用以传感磁场，并产生对应的传感电压。电源供应电路电性耦接磁场传感元件，用以产生定电流予磁场传感元件，以控制传感电压。增益调整电路电性耦接磁场传感元件，用以放大传感电压至额定输出电压。偏移调整电路电性耦接增益调整电路，用以调整额定输出电压的偏移量。调节单元电性耦接并控制电源供应电路、增益调整电路以及偏移调整电路。

于一较佳实施例中，调节单元通过输入输出接口电性耦接外接装置，并通过外接装置调整相对应定电流、增益值以及偏移量的设定参数。

于一较佳实施例中，整合式电流传感装置还包括温度补偿电路，其中温度补偿电路电性耦接调节单元，用以补偿温度改变下调节单元中分别对应定电流、偏移量以及增益值的设定参数，使得该调节单元输出在温度改变状态下的一定电流调节信号、一偏移量调节信号以及一增益调节信号分别予该电源供应电路、该偏移调整电路以及该增益调整电路。

于一较佳实施例中，调节单元用以产生一定电流调节信号予电源供应电路，以调整电源供应电路所产生的定电流的大小。

于一较佳实施例中，调节单元用以产生一增益调节信号予该增益调整电路，以调整该增益调整电路放大该传感电压至该额定输出电压所需的一增益值。

于一较佳实施例中，调节单元用以产生一偏移量调节信号予该增益调整电路，以调整该额定输出电压的该偏移量。

于一较佳实施例中，调节单元储存分别对应定电流、偏移量以及增益值的设定参数，并依据设定参数控制电源供应电路、增益调整电路以及偏移调整电路。

因此，运用本发明所揭示的技术内容可改善上述现有技术的缺点与不足之处。

附图说明

为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附图式的说明如下：

图1为现有技术的一种电流传感装置的电路示意图；

图2为本揭示内容的第一实施方式的一种整合式电流传感装置的电路方块示意图；

图3为本揭示内容的整合式电流传感装置中磁场传感元件的配置示意图；

图4为本揭示内容的图2中整合式电流传感装置的电路示意图；

图5为本揭示内容的第二实施方式的一种整合式电流传感装置的电路方块示意图。

其中，附图标记说明如下：

100：电流传感装置；

Q1：晶体管；

U1A、U1B：运算放大器；

U2：霍尔元件；

R1～R10：电阻；

C1～C8：电容；

200、500：整合式电流传感装置；

210、510：磁场传感元件；

220、520：电源供应电路；

230、530：偏移调整电路；

240、540：增益调整电路；

250、550：调节单元；

260、560：温度补偿电路；

270、570：输出端；

280、580：输入输出接口；

290、590：输入输出接口；

30：待测物；

411～414：运算放大器；

421～423：晶体管；

431～445：电阻；

4361：节点；

SW1、SW2：开关。

具体实施方式

以下将以图式及详细叙述清楚说明本揭示内容的精神，任何所属技术领域中具有通常知识者在了解本揭示内容的较佳实施例后，当可由本揭示内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本揭示内容的精神与范围。

图2为本揭示内容的第一较佳实施例的一种整合式电流传感装置200的电路方块示意图。整合式电流传感装置200可包括磁场传感元件210、电源供应电路220、偏移调整电路230、增益调整电路240以及调节单元250。

其中，磁场传感元件210用以传感待测物的电流所产生的磁场，并产生对应的传感电压。电源供应电路220电性耦接磁场传感元件210，用以产生一定电流予磁场传感元件210，以控制传感电压。偏移调整电路230电性耦接磁场传感元件210，用以调整传感电压的偏移量。增益调整电路240电性耦接偏移调整电路230，用以放大传感电压至额定输出电压(例如：0～5V)，亦即改变增益值。

调节单元250电性耦接电源供应电路220、偏移调整电路230以及增益调整电路240，用以控制电源供应电路220、偏移调整电路230以及增益调整电路240，藉此进一步控制电源供应电路220产生的定电流、偏移调整电路230调整的偏移量以及增益调整电路240放大传感电压所需的增益值。

于本较佳实施例中，调节单元250中产生分别对应电源供应电路220、偏移调整电路230以及增益调整电路240的定电流调节信号、偏移量调节信号以及多个增益调节信号。当定电流调节信号、偏移量调节信号以及多个增益调节信号被调整时，上述的定电流、偏移量以及增益值将对应产生改变，其详细控制方法将在以下实施例中描述。

图3为本揭示内容的整合式电流传感装置200中磁场传感元件210的配置示意图。如图3所示，磁场传感元件210为霍尔元件(Hall Element)，并配置相邻于待测物30(例如：铁芯)，用以传感流经待测物30的电流I所产生的磁场。举例来说，待测物30上绕有线圈，且磁场传感元件210与待测物30相邻配置，以感应待测物30依据线圈上电流所产生的磁场。当电流I流经线圈并穿过待测物30的内径时，待测物30上产生与电流I大小成比例的磁通(Magnetic Flux)B。当磁场传感元件210的平面与磁通B的方向垂直时，磁场传感元件210能据以感应磁通B而取得相对应的传感电压，例如可利用霍尔效应的特性方程式VH＝K*Rd*IC*B*Sinθ得到相对应的传感电压(例如：VH)(或称为霍尔电压)，其中K，Rd，Ic，Sinθ均为定值。由此可知，磁场传感元件210所产生的传感电压与特性方程式中的磁通B成比例，因此可通过磁场传感元件210的传感电压判断待测物30上电流I所产生的磁通B的大小。

请同时参照图4。图4为本揭示内容的图2中整合式电流传感装置200的电路示意图。在本较佳实施例中，电源供应电路220包括运算放大器411、晶体管421、晶体管422、晶体管423以及电阻431所组成的电流镜(CurrentMirror)结构，调节单元250产生定电流调节信号(例如：电压信号)给运算放大器411的正输入端，以控制晶体管423提供给磁场传感元件210的一定电流大小。其中，该定电流(IC)大小可依据霍尔效应的特性方程式VH＝K*Rd*IC*B*Sinθ而与磁场传感元件210所产生的传感电压(VH)间有一定对应关系，故定电流大小亦会影响磁场传感元件210所产生的传感电压。

在一实施例中，当待测物30上所通过的电流I为0安培(A)时，磁场传感元件210所产生的传感电压不见得为零。因此，可通过调节单元250输出偏移量调节信号(例如：电压信号)给运算放大器413的负输入端，进一步调整节点4361的分压，而改变磁场传感元件210产生的传感电压的偏移量，使当待测物30上所通过的电流I为0安培(A)时，整合式电流传感装置200于节点270上产生的额定输出电压可校正趋近至0V。

传感电压可通过运算放大器412以及电阻432、电阻433、电阻434、电阻435所组成的单元增益缓冲器(Unit Gain Buffer)传送给增益调整电路240。调节单元250可产生多个增益调节信号(例如：电压信号)，以分别控制开关SW1以及开关SW2的切换动作，进而弹性调整运算放大器414的增益值，使得传感电压可放大至额定输出电压(例如：0～5V)。于本较佳实施例中，控制开关SW1以及开关SW2为数字开关，但在其他较佳实施例中控制开关SW1以及开关SW2可置换为其他等效电路设计，而不以上述实施方式以及开关数量为限。

举例来说，当流经待测物30的电流I为0A时，传感电压经上述偏移量的调整，使得整合式电流传感装置200的额定输出电压为0V。当电流I分别为3.75A、7.5A、11.25A以及15A时，由于传感电压与电流I成比例关系，并经上述增益值的适当调整，使得整合式电流传感装置200的额定输出电压分别为1V、2V、3V以及4V。同理，当电流I为-3.75A、-7.5A、-11.25A以及-15A时，传感电压与电流I成比例关系，并经上述增益值的适当调整，使得整合式电流传感装置200的额定输出电压分别为-1V、-2V、-3V以及-4V。

需说明的是，于本较佳实施例中，调节单元250可包括电子可擦除只读存储器(EEPROM)。所以，调节单元250可储存分别用以调整定电流、偏移量以及增益值的设定参数，通过调整上述的设定参数可直接影响调节单元250输出的定电流调节信号、偏移量调节信号以及增益调节信号，使得调节单元250可依据上述设定参数控制电源供应电路220、偏移调整电路230以及增益调整电路240。此外，于本较佳实施例中，调节单元250可通过输入输出接口(例如：输入输出接口280与输入输出接口290)电性耦接外接装置(例如：电脑)，并通过外接装置调整调节单元250中分别对应定电流、偏移量以及增益值的设定参数，以进一步改变整合式电流传感装置200的定电流、偏移量以及增益值。

在本揭示内容的一较佳实施例中，整合式电流传感装置200还包括温度补偿电路260，其中温度补偿电路260电性耦接调节单元250，温度补偿电路260因应温度改变而补偿调节单元250中分别对应定电流、偏移量的设定参数，进一步改变调节单元250输出的定电流调节信号、偏移量调节信号，使得调节单元250在温度改变状态下仍可分别输出稳定且合适的定电流调节信号、偏移量调节信号予电源供应电路220、偏移调整电路230。

图5为本揭示内容的第二较佳实施例的一种整合式电流传感装置500的电路方块示意图。如图5所示，整合式电流传感装置500包括磁场传感元件510、电源供应电路520、增益调整电路540、偏移调整电路530以及调节单元550。磁场传感元件510用以传感待测物的电流所产生的磁场，并产生对应的传感电压。电源供应电路520电性耦接磁场传感元件510，用以产生一定电流予磁场传感元件510，以控制传感电压。增益调整电路540电性耦接磁场传感元件510，用以放大传感电压至额定输出电压(例如：0～5V)。偏移调整电路530电性耦接增益调整电路540，用以调整额定输出电压的偏移量。调节单元550电性耦接并控制电源供应电路520、增益调整电路540以及偏移调整电路530，藉此控制定电流、增益调整电路540的增益值以及偏移量。

在本较佳实施例中，磁场传感元件510可为霍尔元件(Hall Element)，用以传感流经待测物的电流所产生的磁场。类似地，如待测物上绕有线圈，且磁场传感元件510与待测物相邻配置时，磁场传感元件510可感应待测物依据线圈上电流所产生的磁场，其中磁场传感元件510与待测物的配置方式与图3中磁场传感元件210与待测物30的配置方式相同或相似。同样地，当电流流经待测物或待测物上的线圈时，待测物上产生与电流大小成比例的磁通，且当磁场传感元件510的平面与磁通的方向垂直时，磁场传感元件510能据以感应磁通而取得相对应的传感电压(例如：可利用霍尔效应的特性方程式VH＝K*Rd*IC*B*Sinθ得到相对应的霍尔电压，其中K，Rd，Ic，Sinθ均为定值)。如此一来，便可通过磁场传感元件510感应磁场而取得的传感电压来判断待测物上电流所产生磁通B的大小。

在本较佳实施例中，调节单元550可产生定电流调节信号(例如：电压信号)给电源供应电路520，用以调整电源供应电路520提供给磁场传感元件510的定电流大小，其中此定电流大小亦会影响磁场传感元件510所产生的传感电压。此外，调节单元550可产生增益调节信号(例如：电压信号)予增益调整电路540，以调整增益调整电路540放大传感电压至额定输出电压所需的增益值，使得传感电压可放大至额定输出电压(例如：0～5V)。

在一实施例中，当待测物所通过的电流I为0安培(A)时，磁场传感元件510所产生的传感电压不见得为零，使得额定输出电压亦不为零。此时，调节单元550可输出偏移量调节信号(例如：电压信号)给偏移调整电路530，以调整额定输出电压的偏移量，使得当待测物所通过的电流I为0安培(A)时，额定输出电压可校正至0V。

在本较佳实施例中，调节单元550可包括电子可擦除只读存储器(EEPROM)。所以，调节单元550可储存分别用以调整定电流、偏移量以及增益值的设定参数，通过调整上述设定参数可直接影响调节单元550输出的定电流调节信号、偏移量调节信号以及增益调节信号。此外，调节单元550可通过输入输出接口(例如：输入输出接口580与输入输出接口590)电性耦接外接装置(例如：电脑)，并通过外接装置调整调节单元550所分别对应定电流、偏移量以及增益值的设定参数，以进一步改变整合式电流传感装置500的定电流、偏移量以及增益值。

此外，整合式电流传感装置500还可包括温度补偿电路560，其中温度补偿电路560电性耦接调节单元550，温度补偿电路560因应温度改变而补偿调节单元550中的设定参数，以改变定电流、偏移量，使得调节单元550在温度改变状态下仍可分别输出稳定的定电流调节信号、偏移量调节信号分别予电源供应电路520、偏移调整电路530。

在本较佳实施例中，电源供应电路520、偏移调整电路530以及增益调整电路540均可以图4所示的电路来实现，且调节单元550输出定电流调节信号、偏移量调节信号以及增益调节信号分别予电源供应电路520、偏移调整电路530以及增益调整电路540的操作也可与图4所述的实施例类似或相同，但需注意的是，其电路结构和操作并不以图4所示的实施方式为限。

相较于现有做法，在本揭示内容上述实施例中，可利用调节单元调整电源供应电路的定电流输出、调整偏移调整电路的偏移量以及调整增益调整电路的增益值，以避免现有技术中因电阻切割工艺与精准度上的问题，使得电阻比例产生偏差，而造成电流量测结果不正确的现象。再者，本揭示内容的整合式电流传感装置可采用集成电路的方式实现，因此，各元件电路的精确度可大幅提升，达到电流精确传感的功效。

在本揭示内容中所提及的步骤，除特别叙明其顺序者外，均可依实际需要调整其前后顺序，甚至可同时或部分同时执行，而不以上述为限。

虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求范围所界定者为准。

Claims (15)

1.一种整合式电流传感装置，包括：

一磁场传感元件，用以传感磁场，并产生对应的一传感电压；

一电源供应电路，电性耦接该磁场传感元件，用以产生一定电流予该磁场传感元件，以控制该传感电压；

一偏移调整电路，电性耦接该磁场传感元件，用以调整该传感电压的一偏移量；

一增益调整电路，电性耦接该偏移调整电路，用以放大该传感电压至一额定输出电压；以及

一调节单元，电性耦接该电源供应电路、该偏移调整电路以及该增益调整电路，该调节单元用以控制该定电流、该偏移量以及该增益调整电路放大该传感电压所需的一增益值。

2.如权利要求1所述的整合式电流传感装置，其中该调节单元包括一电子可擦除只读存储器。

3.如权利要求2所述的整合式电流传感装置，其中该调节单元储存分别对应该定电流、该偏移量以及该增益值的设定参数。

4.如权利要求1所述的整合式电流传感装置，其中该调节单元通过一输入输出接口电性耦接一外接装置，并通过该外接装置分别调整分别对应该定电流、该偏移量以及该增益值的设定参数。

5.如权利要求1所述的整合式电流传感装置，还包括：

一温度补偿电路，电性耦接该调节单元，用以补偿温度改变下该调节单元中分别对应该定电流和该偏移量的设定参数，使得该调节单元在温度改变状态下控制该电源供应电路和该偏移调整电路，以调整该定电流和该偏移量。

6.如权利要求1所述的整合式电流传感装置，其中该调节单元用以产生一定电流调节信号予该电源供应电路，以调整该电源供应电路所产生的该定电流的大小。

7.如权利要求1所述的整合式电流传感装置，其中该调节单元用以产生一增益调节信号予该增益调整电路，以调整该增益调整电路放大该传感电压至该额定输出电压所需的一增益值。

8.如权利要求1所述的整合式电流传感装置，其中该调节单元用以产生一偏移量调节信号予该增益调整电路，以调整该额定输出电压的该偏移量。

9.一种整合式电流传感装置，包括：

一磁场传感元件，用以传感磁场，并产生对应的一传感电压；

一电源供应电路，电性耦接该磁场传感元件，用以产生一定电流予该磁场传感元件，以控制该传感电压；

一增益调整电路，电性耦接该磁场传感元件，用以放大该传感电压至一额定输出电压；

一偏移调整电路，电性耦接该增益调整电路，用以调整该额定输出电压的一偏移量；以及

一调节单元，电性耦接并控制该电源供应电路、该增益调整电路以及该偏移调整电路，该调节单元用以控制该定电流、该偏移量以及该增益调整电路的一增益值。

10.如权利要求9所述的整合式电流传感装置，其中该调节单元通过一输入输出接口电性耦接一外接装置，并通过该外接装置调整分别对应该定电流、该增益值以及该偏移量的设定参数。

11.如权利要求9所述的整合式电流传感装置，还包括：

一温度补偿电路，电性耦接该调节单元，用以补偿温度改变下该调节单元中分别对应该定电流和该偏移量以及该增益值的设定参数，使得该调节单元输出在温度改变状态下的一定电流调节信号和一偏移量调节信号分别予该电源供应电路和该偏移调整电路。

12.如权利要求9所述的整合式电流传感装置，其中该调节单元用以产生一定电流调节信号予该电源供应电路，以调整该电源供应电路所产生的该定电流的大小。

13.如权利要求9所述的整合式电流传感装置，其中该调节单元用以产生一增益调节信号予该增益调整电路，以调整该增益调整电路放大该传感电压至该额定输出电压所需的一增益值。

14.如权利要求9所述的整合式电流传感装置，其中该调节单元用以产生一偏移量调节信号予该增益调整电路，以调整该额定输出电压的该偏移量。

15.如权利要求9所述的整合式电流传感装置，其中该调节单元储存分别对应该定电流、该偏移量以及该增益值的设定参数，并依据该些设定参数控制该电源供应电路、该增益调整电路以及该偏移调整电路。