CN103364610B - 用于存在高共模电压时的电流测量的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于存在高共模电压时的电流测量的系统和方法，具体地提供了一种用于在存在大共模电压时通过确定横跨与负载串联的电阻器的差分压降来进行准确的电流测量的系统和方法。产生量值上与共模电压相等但相位差180度的补偿电压，并将其施加于连接到测量放大器的电阻器网络，从而显著减小在测量放大器的输入端的共模电压的量值。产生误差校正电压并将其施加到测量放大器的输出端，以补偿电阻器网络的数值上的误差。

Description

用于存在高共模电压时的电流测量的系统和方法

技术领域

本发明涉及一种用于测量流入负载中的电流的方法和装置。

背景技术

在许多电子系统中，希望测量流过负载的电流。一个此类应用是消费音频设备，其中希望测量从功率放大器流到扬声器的负载电流。测量的电流信息对于确定放大器上的负载是有用的，以便确定过载条件，或者诸如会损坏功率放大器的短路负载之类的异常条件。

通常，通过设置与负载串联的电阻器，并测量横跨该电阻器的压降来进行电流测量。使用欧姆定律可以将压降转换为测量的电流。使得横跨测量电阻器的压降最小化以减小测量对传递到负载的最终电压的影响。差分运算放大器常常用于测量非常小的压降。然而，为了准确地进行该测量，差分放大器必须具有极好的“共模抑制”技术规格。

共模抑制是放大器消减施加到其非反相输入端和反相输入端的相同电压的影响的能力。理想的放大器会具有无限共模抑制比，导致即使将相同的电压施加到其两个输入端，在其输出端也没有影响。在实际实践中，多个因素限制了此类放大器的使用。首先，这些放大器会是昂贵的。其次，运算放大器的共模抑制比是依赖于频率的，经常随频率增大而减小。这使得它们对于AC和复杂音频信号测量而言是不太令人满意的。第三，信号电平的范围局限于测量放大器的电源电压，使得对功率音频应用中遇到的较高电压信号的测量变得困难或者不切实际。

基于阅读以下说明书并研究附图中的几幅图，现有技术的这些及其它限制对于本领域技术人员而言就会变得显而易见。

发明内容

在一个实施例中，示例性而非限制性地提出了一种用于测量流入负载中的电流的方法，包括：提供测量电阻器，其具有第一连接端子和第二连接端子，所述负载电耦合到所述测量电阻器的第二连接端子，所述电流流过所述测量电阻器；提供第一网络电阻器，其具有第一连接端子和第二连接端子，第一连接端子电耦合到所述测量电阻器的第一连接端子；提供第二网络电阻器，其具有第一连接端子和第二连接端子，第一连接端子电耦合到所述测量电阻器的第二连接端子；提供第三网络电阻器，其具有第一连接端子和第二连接端子，第一连接端子电耦合到所述第一网络电阻器的第二连接端子；提供第四网络电阻器，其具有第一连接端子和第二连接端子，第一连接端子电耦合到所述第二网络电阻器的第二连接端子，第二连接端子电耦合到所述第三网络电阻器的第二连接端子；提供第一放大器，其具有反相输入端子、非反相输入端子和输出端子，所述非反相输入端子电耦合到所述第一网络电阻器的第二连接端子，所述反相输入端子电耦合到所述第二网络电阻器的第二连接端子；测量在所述测量电阻器的第二连接端子的共模电压；产生与所述共模电压相位差180度且在量值上等于所述共模电压的补偿电压；将所述补偿电压施加到所述第三和第四网络电阻器的第二连接端子；及测量来自所述第一放大器的输出电压。

在另一个实施例中，示例性而非限制性地提出了一种用于测量流入负载中的电流的方法，包括：提供测量电阻器，其具有第一连接端子和第二连接端子，所述负载电耦合到所述测量电阻器的第二连接端子，所述电流流过所述测量电阻器；提供第一网络电阻器，其具有第一连接端子和第二连接端子，第一连接端子电耦合到所述测量电阻器的第一连接端子；提供第二网络电阻器，其具有第一连接端子和第二连接端子，第一连接端子电耦合到所述测量电阻器的第二连接端子；提供第三网络电阻器，其具有第一连接端子和第二连接端子，第一连接端子电耦合到所述第一网络电阻器的第二连接端子；提供第四网络电阻器，其具有第一连接端子和第二连接端子，第一连接端子电耦合到所述第二网络电阻器的第二连接端子，第二连接端子电耦合到所述第三网络电阻器的第二连接端子；提供第一放大器，具有反相输入端子、非反相输入端子和输出端子，所述非反相输入端子电耦合到所述第一网络电阻器的第二连接端子，所述反相输入端子电耦合到所述第二网络电阻器的第二连接端子；提供DC参考电压；提供第二放大器，其具有反相输入端子、非反相输入端子和输出端子，所述非反相输入端电耦合到所述DC参考电压，所述反相输入端电耦合到所述第二网络电阻器的第二连接端子，所述输出端电耦合到所述第四网络电阻器的第二连接端子；及测量来自所述第一放大器的输出端子的输出电压。

在另一个实施例中，示例性而非限制性地提出了一种用于测量流入负载中的电流的装置，包括：测量电阻器，具有第一连接端子和第二连接端子，所述负载电耦合到所述测量电阻器的第二连接端子，所述电流流过所述测量电阻器；桥接功率放大器，具有非反相输出端子和反相输出端子，所述非反相输出端子电耦合到所述测量电阻器的第一连接端子，所述反相输出端子连接到所述负载；第一网络电阻器，具有第一连接端子和第二连接端子，第一连接端子电耦合到所述测量电阻器的第一连接端子；第二网络电阻器，具有第一连接端子和第二连接端子，第一连接端子电耦合到所述测量电阻器的第二连接端子；第三网络电阻器，具有第一连接端子和第二连接端子，第一连接端子电耦合到所述第一网络电阻器的第二连接端子；第四网络电阻器，具有第一连接端子和第二连接端子，第一连接端子电耦合到所述第二网络电阻器的第二连接端子，第二连接端子电耦合到所述第三网络电阻器的第二连接端子；第一运算放大器，具有反相输入端子、非反相输入端子和输出端子，所述非反相输入端子电耦合到所述第一网络电阻器的第二连接端子，所述反相输入端子电耦合到所述第二网络电阻器的第二连接端子，其中，通过监控在所述第一运算放大器的输出端子的电压来测量所述电流。

基于阅读以下说明书并研究附图中的几幅图，这些及其他实施例、特征和优点对于本领域技术人员而言会变得显而易见。

附图说明

现在将参考附图来说明几个示例性实施例，其中，为相似的部件提供相似的附图标记。这些示例性实施例旨在举例说明本发明而非限制本发明。附图包括以下的各图：

图1是示例性电流测量系统的示意图；

图2是第二示例性电流测量系统的示意图；

图3是第三示例性电流测量系统的示意图；

图4是在示例性电流测量系统中的节点132和134处的电压的曲线图；以及

图5是在示例性电流测量系统中的节点136和138处的电压的曲线图。

具体实施方式

图1是示例性电流测量系统100的示意图。在这个实例中，功率放大器102用AC信号驱动负载120。将该信号示出为正弦波，但实际上，该信号也可以包括诸如音乐信号之类的复杂波形。功率放大器可以是D类开关放大器或者线性功率放大器，如同本领域技术人员已知的。

在示例性测量系统100中，功率放大器102是单端的，意思是负载从其输出端(在电路节点132处)连接到地。负载电流i从功率放大器102通过测量电阻器104流到负载120。通常，例如测量电阻器104会具有0.1欧姆量级的值，负载120具有范围从2到16欧姆的值，负载电流i范围从毫安培到几安培。通过测量横跨测量电阻器104的压降来确定负载电流i。

由于负载120与测量电阻器104在数值上差别较大，横跨测量电阻器104就存在小的差分电压降，这可以通过两个基本上相等的且大得多的电压相减来测量。共模电压出现在电路节点134处，共模电压加上差分测量电压出现在电路节点132处。将这两个电压相减得到横跨电阻器104的差分测量电压。

参考图4，曲线图400示出了这个实例的共模电压之间的关系。曲线404表示在电路节点134处的示例性共模电压。曲线402表示在电路节点132处的示例性电压。出于说明的目的夸大了在这两个波形之间的差异，而实际上可以非常小以至于在视觉上无法区分。

回来参考图1，对于示例性测量系统100，借助于运算放大器114和116连同网络电阻器106、108、110和112形成横跨电阻器104的差分电压。电阻器106、108、110和112设计为具有基本上相等的电阻值，通常例如为300K欧姆。

在这个实例中，运算放大器116被配置为产生在量值上等于在电路节点134处的共模电压的波形，其参照了由DC源118提供的电压。由放大器116产生的共模补偿电压尽管在量值上等于共模电压，但存在180度的相位差。这个电压出现在电路节点140、142处。

参考图5，曲线图500示出了示例性共模电压502与补偿电压504之间的关系。将由放大器116产生的补偿电压施加到电路节点140和电阻器110与112导致在电路节点136与138、放大器114的输入端处的共模电压的消除。放大器116将节点138保持在由DC源118设定的参考电压，同时等于参考电压加上横跨电阻器104的差分测量电压的电压出现在电路节点136处。横跨测量放大器114的输入端的共模电压减小到由源118设定的参考电压。这可以设定为与放大器114的操作相适应的任何方便的值，包括地(零电位)。

回到图1，如果网络电阻器106、108、110和112在数值上不同，则它们会产生误差。实际上，无法使得电阻器在数值上与任何其它电阻器“相同”。尽管在制造过程中电阻器106－112的微调是可能的，但公差仍会过大以致于无法提供可接受的误差特性。为了减小由电阻器106－112引起的误差，提供了可变增益放大器/衰减器122。放大器112将由放大器116输出的补偿电压与在节点134、144处的共模电压相结合，以在其输出端128处产生误差校正电压。将这个电压在接合点124处与放大器114的输出130求和，以补偿由电阻器网络106－112产生的任何误差。

在一个实例中，可以通过在得到来自功率放大器102的适合的输出电压的同时去除负载120来确定误差校正电压。由于没有电流流动，来自放大器114的输出应为零。电阻器106－112中的任何误差将在放大器114的输出端产生误差电压，其可以由来自放大器122的误差校正电压“无效”为零，通过改变放大器的增益来调整该误差校正电压。由于误差电压与共模电压的量值成比例，放大器122通过提供同样与共模电压的量值成比例的误差校正电压来补偿该影响。

图2是另一个示例性电流测量系统200的示意图。在这个示例性实施例中，以差分输出放大器202和电阻器204、206来代替图1中的测量放大器114。差分输出放大器提供两个电压输出，每一个都具有相反的极性。求和接合点208被配置为通过将一个输出相移180度来对这两个电压输出的(绝对)量值求和。这个求和输出加到如前所述的来自放大器122的误差校正电压。

图3是再进一步的示例性电流测量系统300的示意图。在这个示例性实施例中，功率放大器302是差分输出放大器，其产生极性相反的两个输出，彼此相位相差180度。这些放大器也可以称为“桥接”放大器，因为可以通过组合两个单端放大器(如图1和2的放大器102)来产生它们。这是通过使一个放大器上的输入反相，并将负载跨接在两个放大器的输出端以代替接地来完成的。

图3的示例性实施例的可能的优点在于共模补偿电压由功率放大器302直接产生，并出现在电路节点308处。如在前述实施例中那样，共模电压仍出现在电路节点134处。在这个实施例中无需放大器116和参考源118。放大器114和122的功能和操作仍如先前在图1中所述的那样。

尽管使用特定术语和设备描述了各种实施例，但这种描述仅是出于说明性目的。所用的措辞是描述性而非限制性的。应该理解，在不脱离受到文字记载的公开内容和附图支持的各种发明的精神或范围的情况下，本领域技术人员可以做出改变和变更。另外，应理解，各种其它实施例的方案可以整体或部分地互换。因此，旨在根据本发明的真实精神和范围来没有限制或者禁止反悔地解释权利要求。

Claims (20)

1.一种用于测量流入负载中的电流的方法，包括：

提供测量电阻器，所述电阻器具有第一连接端子和第二连接端子，所述负载电耦合到所述测量电阻器的所述第二连接端子，所述电流流过所述测量电阻器；

提供第一网络电阻器，所述第一网络电阻器具有第一连接端子和第二连接端子，所述第一网络电阻器的所述第一连接端子电耦合到所述测量电阻器的所述第一连接端子；

提供第二网络电阻器，所述第二网络电阻器具有第一连接端子和第二连接端子，所述第二网络电阻器的所述第一连接端子电耦合到所述测量电阻器的所述第二连接端子；

提供第三网络电阻器，所述第三网络电阻器具有第一连接端子和第二连接端子，所述第三网络电阻器的所述第一连接端子电耦合到所述第一网络电阻器的所述第二连接端子；

提供第四网络电阻器，所述第四网络电阻器具有第一连接端子和第二连接端子，所述第四网络电阻器的所述第一连接端子电耦合到所述第二网络电阻器的所述第二连接端子，所述第四网络电阻器的所述第二连接端子电耦合到所述第三网络电阻器的所述第二连接端子；

提供第一放大器，所述第一放大器具有反相输入端子、非反相输入端子和输出端子，所述第一放大器的所述非反相输入端子电耦合到所述第一网络电阻器的所述第二连接端子，所述第一放大器的所述反相输入端子电耦合到所述第二网络电阻器的所述第二连接端子；

测量在所述测量电阻器的所述第二连接端子的共模电压；

产生在量值上等于所述共模电压的补偿电压，所述补偿电压与所述共模电压的相位差为180度；

将所述补偿电压施加到所述第三网络电阻器和所述第四网络电阻器的所述第二连接端子；以及

测量来自所述第一放大器的所述输出端子的输出电压。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，产生所述补偿电压进一步包括：

提供DC参考电压；以及

提供第二放大器，所述第二放大器具有反相输入端子、非反相输入端子和输出端子，所述第二放大器的所述非反相输入端电耦合到所述DC参考电压，所述第二放大器的所述反相输入端电耦合到所述第二网络电阻器的所述第二连接端子，所述第二放大器的所述输出端电耦合到所述第四网络电阻器的所述第二连接端子。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第一放大器和所述第二放大器是运算放大器。

4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

从所述共模电压和所述补偿电压产生误差校正电压；以及

对所述误差校正电压与来自所述第一放大器的所述输出电压求和。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，产生所述误差校正电压包括提供第三放大器，所述第三放大器具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第三放大器的所述第一输入端电耦合到所述第二网络电阻器的所述第一连接端子，所述第三放大器的所述第二输入端电耦合到所述第三网络电阻器和所述第四网络电阻器的所述第二连接端子，在所述第三放大器的所述输出端产生所述误差校正电压。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述第三放大器具有可调整的增益。

7.根据权利要求6所述的方法，包括：

使参考电流流过所述测量电阻器；

调整所述第三放大器的所述增益，以使得所述误差校正电压与来自所述第一放大器的所述输出电压的总和表示所述参考电流被测量。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述参考电流约为零，并且调整所述第三放大器的所述增益，以使得所述误差校正电压与来自所述第一放大器的所述输出电压的所述总和约为零。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述测量电阻器约为0.1欧姆。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一网络电阻器、所述第二网络电阻器、所述第三网络电阻器和所述第四网络电阻器具有100K欧姆到500K欧姆之间的值。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述第一网络电阻器、所述第二网络电阻器、所述第三网络电阻器和所述第四网络电阻器具有约为300K欧姆的值。

12.一种用于测量流入负载中的电流的方法，包括：

提供测量电阻器，所述电阻器具有第一连接端子和第二连接端子，所述负载电耦合到所述测量电阻器的所述第二连接端子，所述电流流过所述测量电阻器；

提供第一网络电阻器，所述第一网络电阻器具有第一连接端子和第二连接端子，所述第一网络电阻器的所述第一连接端子电耦合到所述测量电阻器的所述第一连接端子；

提供第二网络电阻器，所述第二网络电阻器具有第一连接端子和第二连接端子，所述第二网络电阻器的所述第一连接端子电耦合到所述测量电阻器的所述第二连接端子；

提供第三网络电阻器，所述第三网络电阻器具有第一连接端子和第二连接端子，所述第三网络电阻器的所述第一连接端子电耦合到所述第一网络电阻器的所述第二连接端子；

提供第四网络电阻器，所述第四网络电阻器具有第一连接端子和第二连接端子，所述第四网络电阻器的所述第一连接端子电耦合到所述第二网络电阻器的所述第二连接端子，所述第四网络电阻器的所述第二连接端子电耦合到所述第三网络电阻器的所述第二连接端子；

提供第一放大器，所述第一放大器具有反相输入端子、非反相输入端子和输出端子，所述第一放大器的所述非反相输入端子电耦合到所述第一网络电阻器的所述第二连接端子，所述第一放大器的所述反相输入端子电耦合到所述第二网络电阻器的所述第二连接端子；

提供DC参考电压；

提供第二放大器，所述第二放大器具有反相输入端子、非反相输入端子和输出端子，所述第二放大器的所述非反相输入端电耦合到所述DC参考电压，所述第二放大器的所述反相输入端电耦合到所述第二网络电阻器的所述第二连接端子，所述第二放大器的所述输出端电耦合到所述第四网络电阻器的所述第二连接端子；以及

测量来自所述第一放大器的所述输出端子的输出电压。

13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括：

提供第三放大器，所述第三放大器具有可变增益，所述第三放大器具有第一输入端子、第二输入端子和输出端子，所述第三放大器的所述第一输入端子电耦合到所述第二网络电阻器的所述第一连接端子，所述第三放大器的所述第二输入端子电耦合到所述第三网络电阻器和所述第四网络电阻器的所述第二连接端子；

通过调整所述第三放大器的所述可变增益在所述第三放大器的所述输出端产生误差校正电压；

将所述误差校正电压加到所述第一放大器的所述输出电压。

14.根据权利要求13所述的方法，包括：

使参考电流流过所述测量电阻器；

调整所述第三放大器的所述增益，以使得所述误差校正电压与来自所述第一放大器的所述输出电压的总和表示所述参考电流被测量。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述参考电流约为零，并且调整所述第三放大器的所述增益，以使得所述误差校正电压与来自所述第一放大器的所述输出电压的所述总和约为零。

16.一种用于测量流入负载中的电流的装置，包括：

测量电阻器，所述电阻器具有第一连接端子和第二连接端子，所述负载电耦合到所述测量电阻器的所述第二连接端子，所述电流流过所述测量电阻器；

桥接功率放大器，所述功率放大器具有非反相输出端子和反相输出端子，所述功率放大器的所述非反相输出端子电耦合到所述测量电阻器的所述第一连接端子，所述功率放大器的所述反相输出端子连接到所述负载；

第一网络电阻器，所述第一网络电阻器具有第一连接端子和第二连接端子，所述第一网络电阻器的所述第一连接端子电耦合到所述测量电阻器的所述第一连接端子；

第二网络电阻器，所述第二网络电阻器具有第一连接端子和第二连接端子，所述第二网络电阻器的所述第一连接端子电耦合到所述测量电阻器的所述第二连接端子；

第三网络电阻器，所述第三网络电阻器具有第一连接端子和第二连接端子，所述第三网络电阻器的所述第一连接端子电耦合到所述第一网络电阻器的所述第二连接端子；

第四网络电阻器，所述第四网络电阻器具有第一连接端子和第二连接端子，所述第四网络电阻器的所述第一连接端子电耦合到所述第二网络电阻器的所述第二连接端子，所述第四网络电阻器的所述第二连接端子电耦合到所述第三网络电阻器的所述第二连接端子和所述功率放大器的所述反相输出端子；以及

第一运算放大器，所述第一运算放大器具有反相输入端子、非反相输入端子和输出端子，所述第一运算放大器的所述非反相输入端子电耦合到所述第一网络电阻器的所述第二连接端子，所述第一运算放大器的所述反相输入端子电耦合到所述第二网络电阻器的所述第二连接端子，

其中，通过监控所述第一运算放大器的所述输出端子的电压来测量所述电流。

17.根据权利要求16所述的装置，进一步包括：

第二运算放大器，所述第二运算放大器具有可变增益，所述第二运算放大器具有第一输入端子、第二输入端子和输出端子，所述第二运算放大器的所述第一输入端子电耦合到所述功率放大器的所述非反相输出端，所述第二运算放大器的所述第二输入端电耦合到所述功率放大器的所述反相输出端；

求和接合点，所述求和接合点具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述求和接合点的所述第一输入端电耦合到所述第一运算放大器的所述输出端子，所述求和接合点的所述第二输入端电耦合到所述第二运算放大器的所述输出端子，

其中，通过监控所述求和接合点的所述输出端的电压来测量所述电流。

18.根据权利要求16所述的装置，其中，所述测量电阻器约为0.1欧姆。

19.根据权利要求16所述的装置，其中，所述第一网络电阻器、所述第二网络电阻器、所述第三网络电阻器和所述第四网络电阻器具有100K欧姆到500K欧姆之间的值。

20.根据权利要求16所述的装置，其中，所述第一网络电阻器、所述第二网络电阻器、所述第三网络电阻器和所述第四网络电阻器具有约为300K欧姆的值。