CN103926447A - 一种信号取得电路及其开关电源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种信号取得电路，包括设置在印制电路板一面的、其工作时有电流流过的非屏蔽电感线圈；还包括设置在所述非屏蔽电感线圈所在印制电路板一面相邻的印制面上的、其中心位置与所述非屏蔽电感线圈中心位置对齐的、由印制线构成的印制线圈；所述印制线圈的端点与信号处理单元的信号输入端连接。本发明还涉及使用上述信号取得电路的开关电源。实施本发明的一种信号取得电路及其开关电源，具有以下有益效果：其成本较低、损耗较少、占用电路板的面积也较小。

Description

一种信号取得电路及其开关电源

【技术领域】

本发明涉及信号采集，更具体地说，涉及一种信号取得电路及其开关电源。

【背景技术】

随着手持设备的不断推广，电源，特别是移动电源的使用数量也得到极大的提升。这是由于基本上每个手持设备均需要至少一个电源。该电源用于将电池电压提升、降低或稳定，以便于为手持设备供电，或者将交流电（通常是市电）转换为适于手持设备使用的直流电压，以便于为手持设备供电或为其中的电池充电。这些电源对于其体积、重量或成本均有较高的要求。在这些电源中，通常会包括一个电流采样电路，用于对输出的电流采样，并将其反馈到该电源的控制部分，使得控制部分能够得知该电源当前的输出电流，从而对输出的电流或电压进行控制，以达到稳定输出的目的。在现有技术中，这些电源的电流采样电路通常会采用电阻取样或电流互感器取样两种方式。电阻取样通过串接一个取样电阻并将该电阻一端的分流电流输入到控制单元，这种方式的缺点在于如果加大电阻值，其消耗在电阻上的功耗较大；如果减小电阻值，其得到的信号不稳定且极易被干扰，使用额外的运算放大器可以消除干扰，但是成本较高。而电流互感器取样需要单独的电流互感器，其成本较高，且会占用额外的电路板面积，使得体积较大。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述成本高、体积大、损耗较大的缺陷，提供一种成本低、体积小、损耗较小的一种信号取得电路及其开关电源。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种信号取得电路，包括设置在印制电路板一面的、其工作时有电流流过的非屏蔽电感线圈；还包括设置在所述非屏蔽电感线圈所在印制电路板一面相邻的印制面上的、其中心位置与所述非屏蔽电感线圈中心位置对齐的、由印制线构成的印制线圈；所述印制线圈的端点与信号处理单元的信号输入端连接。

更进一步地，所述印制线圈是由其中心位置向外扩展的螺旋线，其最外一圈的印制线大于所述非屏蔽电感线圈在所述电路板上的垂直方向的投影；所述螺旋线的形状包括圆形或方形。

更进一步地，所述螺旋线超出所述非屏蔽电感线圈在所述电路板上的垂直方向的投影至少两圈。

更进一步地，所述螺旋线的起始点和其结束点分别为所述印制线圈的端点，所述印制线圈的两个端点分别连接在所述信号处理单元的两个信号输入端上或其一个端点接地，另一个端点连接在所述信号处理单元的信号输入端。

更进一步地，所述螺旋线在其位于所述非屏蔽电感线圈中心位置的端点上还设置有一个连接到所述非屏蔽电感线圈所在一面的金属化的通孔。

更进一步地，所述螺旋线的线宽为3-20密耳，线距为3-20密耳；所述印制电路板两个铜箔面之间的绝缘层厚度为0-4毫米。

更进一步地，所述印制电路板为双层板，所述非屏蔽电感线圈设置在所述电路板的顶层或底层，所述印制线圈设置在所述电路板的底层或顶层；或

所述印制电路板为多层板，所述非屏蔽电感线圈设置在所述电路板的顶层或底层，所述印制线圈设置在紧邻所述顶层或底层的内层。

本发明还涉及一种开关电源，包括储能电感和对所述储能电感流过电流进行采样并将采样信号传输到控制单元的电流采样输入端的电流采样单元，所述储能电感是上述中任意一项所述的非屏蔽电感线圈，所述电流采样单元是上述任意一项所述的印制线圈。

本发明还设一种开关电源，包括储能电感和对所述储能电感流过电流进行采样并依据采样结果控制指示灯点亮或熄灭、以显示所述电源的负载情况的负载显示单元；所述负载显示单元对所述储能电感流过电流进行电流采样的电流采样模块和对所述电流采样信号进行处理并控制指示灯的信号处理模块，所述储能电感是上述任意一项所述的非屏蔽电感线圈，所述电流采样模块是上述任意一项所述的印制线圈。

实施本发明的一种信号取得电路及其开关电源，具有以下有益效果：由于通过非屏蔽电感泄露的磁场和设置在切割该磁场位置上的印制线圈取得表示该非屏蔽电感线圈上流过电流大小的信号，其并不涉及设置额外的分支或在供电路径中串接电阻，所以，不存在额外的功率消耗问题；同样，由于不需要设置专门的电阻或运算放大器或电流互感器，其成本较低，占用电路板的面积也较小。

【附图说明】

图1是本发明一种信号取得电路及其开关电源实施例中信号取得电路的结构示意图；

图2是所述实施例中印制线圈的结构示意图；

图3是所述实施例中该信号取得电路用于开关电源中电流采样的电路结构示意图；

图4是所述实施例中该信号取得电路用于开关电源中负载指示的电路结构示意图。

【具体实施方式】

下面将结合附图对本发明实施例作进一步说明。

如图1所示，在本发明一种信号取得电路及其开关电源实施例中，其信号取得电路包括非屏蔽电感线圈1和印制线圈3；其中，非屏蔽电感线圈1设置在印制电路板2的一面的（可以是该印制电路板2的顶层top layer或底层bottom layer）；印制线圈3设置在非屏蔽电感线圈1所在印制电路板2一面相邻的印制面上，其中心位置与非屏蔽电感线圈1中心位置对齐；该印制线圈3由印制线构成；该印制线圈3包括两个端点以及连接这两个端点的螺旋状连线（请参见图2），印制线圈3的端点与信号处理单元的信号输入端连接，将该印制线圈3上感应到的信号输入到信号处理单元（请参见图3或图4）。在本实施例中，如图2所示，印制线圈3是由其中心位置（该位置与非屏蔽电感线圈1在电路板上的投影的中心位置重叠）向外扩展的螺旋线，其最外一圈的印制线大于非屏蔽电感线圈1在印制电路板2上的垂直方向的投影；在图2中，示出的螺旋线为方形，在本实施例中，该印制线圈3的螺旋线的形状包括圆形或方形。

在本实施例中，上述螺旋线超出非屏蔽电感线圈1在所述电路板上的垂直方向的投影至少两圈。也就是说，在本实施例中，为了更好地得到信号，上述印制线圈3在抑制电路板2上所占的面积大于非屏蔽电感线圈1在该电路板上的垂直投影面积。这是为了使所述非屏蔽电感线圈1在工作时所产生的磁力线能够有效地穿过上述印制线圈2所在位置，进而得到要检测的信号。此外，在本实施例中，上述非屏蔽电感线圈1和上述印制线圈3附近，禁止设置大面积的铜箔，以便于使得上述非屏蔽电感线圈1所产生的磁力线能够更好地穿过该印制电路板2的绝缘层及上述印制线圈2。在本实施例中，上述螺旋线的起始点和其结束点分别为印制线圈3的端点，印制线圈3的两个端点分别连接在信号处理单元的两个信号输入端上（在该信号处理单元的信号输入端是两个端口时）或其一个端点接地，另一个端点连接在信号处理单元的信号输入端（在该信号处理单元的信号输入端是单端口时）。在本实施例中，上述螺旋线的线宽为3-20密耳，线距为3-20密耳；印制电路板2两个铜箔面（即设置上述非屏蔽电感线圈1的印制面和设置上述印制线圈2的印制面）之间的绝缘层厚度为0-4毫米。

请参见图2，在本实施例中，上述螺旋线在其位于非屏蔽电感线圈1中心位置的端点（即图2中位于图案中央的端点）上还设置有一个连接到非屏蔽电感线圈1所在一面的金属化的通孔。这是为了便于该端点的连接到上述信号处理单元或地。

在本实施例中，如果上述印制电路板2为双层板，则上述非屏蔽电感线圈1设置在该电路板的顶层（top layer）或底层（bottom layer），而印制线圈3设置在所述电路板的底层或顶层；上述通孔贯穿该电路板的顶层到底层。如果上述印制电路板2为多层板，则非屏蔽电感线圈1设置在该电路板的顶层或底层，而印制线圈3设置在紧邻上述非屏蔽电感线圈1所在的顶层或底层的内层，上述通孔贯穿的是上述印制线圈3的内存和上述非屏蔽电感线圈1所在的顶层或底层之间的绝缘层。同时，在多层电路板的情况下，该电路板的所有层或面上靠近该非屏蔽电感线圈1和印制线圈3附近的区域内，均不能设置大面积的铜箔，以防止上述非屏蔽电感线圈1发出的磁力线被屏蔽。

例如，该信号取得电路是在PCB板上垂直于工字型电感（非屏蔽电感）的安装方向，在PCB的另一面设计多圈环行线圈。其结构如图2。如果该电路板是双面板，板厚度最好不超过4mm。在本实施例中，工字型电感采用体积为1210的贴片电感，设置在电路板的TOP层；在该双面板的BOTOM层布环行线圈或矩形线圈（图2中示出的是矩形线圈）。一个较佳的规则如下：线宽3mil,间距3mil。如果面积足够，也可以采用略微大点的线宽和间距（例如6mil线宽,6mil间距）。如此循环画圈，直到线圈超过工字型电感的最大边缘，至少超过工字型电感边缘至少2圈。至此，在工字型电感的中心（图2中的中点）放一过孔，此端在TOP层布线引出。对于多层板，使用在邻近的、最靠近贴片电感的一层做矩形或环行的线圈。这两层间的距离不能大于4mm。如果在其它层布线，则同样布线层与贴片电感所在层间距不能大于4mm。此外，矩形（环行）线圈与贴片电感正对的夹心层部分不能有大面积的金属层（比如大面积的电源或大面积的地），大面积的金属层会造成电磁屏蔽，使得印制线圈2无法感应到信号。

上述印制线圈3的位置非常重要，为保证很好的取得电感电流的特征，它总是在非屏蔽电感线圈1的正下方。印制线圈3等效为一个与非屏蔽电感线圈1耦合的线圈。在工字型电感电流流过的时候，无论电流方向如何，其磁力线均呈发散分布，并垂直于电流方向，同时也穿过PCB上的环行线圈，垂直于环行线圈方向。根据安培定律，当电感电流变化的时候，磁感应强度随之变化。根据法拉第电磁感应定律，变化的磁场会产生变化的电场，变化的电场在线圈的两端会产生变化的电势。这个变化的电势就完全代表了电感电流的变化。综上所述，通过PCB板上环行线圈跟电感的磁偶合，环行线圈两端的电压，就代表了电感电流的特征值。

由于上述印制线圈得到的信号既可以独立存在，也可以跟板上电源共地。被采样电感体积小则对应的PCB线圈圈数也少，那么取样信号就弱。被采样电感体积大则对应的PCB线圈圈数也多，采样到的信号也强。只要信号能被检出来，通过适当的信号处理电路均能达到要求的效果。在本实施例中，要求被采样电感不被电磁屏蔽，而对PCB板材料没有特殊要求，适用于FR4基板，同样适合陶瓷基板和LCC。

请参见图3，在本实施例中，还涉及一种开关电源，包括储能电感和对所述储能电感流过电流进行采样并将采样信号传输到控制单元的电流采样输入端的电流采样单元，所述储能电感是上述中任意一项所述的非屏蔽电感线圈，所述电流采样单元是上述任意一项所述的印制线圈。也就是说，在图3中，使用了上述的印制线圈代替了现有技术中的电流采样部件，避免了现有技术中的消耗较大、需要专门的器件、需要占用较大的电路板面积等等缺陷。在图3中，标记为L2的电感就是上述的印制线圈，其一端接地，另一端连接到该电源的控制单元的电流采样输入端上。

请参见图4，在本实施例中，还涉及一种开关电源，包括储能电感和对所述储能电感流过电流进行采样并依据采样结果控制指示灯点亮或熄灭、以显示所述电源的负载情况的负载显示单元；所述负载显示单元对所述储能电感流过电流进行电流采样的电流采样模块和对所述电流采样信号进行处理并控制指示灯的信号处理模块，所述储能电感是上述任意一项所述的非屏蔽电感线圈，所述电流采样模块是上述任意一项所述的印制线圈。

在图4中，L2即为PCB上的线圈（印制线圈），当该电源无负载的时候，IC2间歇振荡工作，L1电流变化很小，磁场也变化很小。此时L2感应到微小电压，不足以打开Q1。当负载RL接入时，L1内有电流流过，IC2正常工作，L2从L1上能感应到较强的电压，Q1打开，此时LED灯亮。即有负载的时候LED灯亮，无负载的时候LED不亮。这样就实现了有无负载的自动指示。这样的负载显示单元的设计与主回路功率损耗基本没关系，无论负载大小均能避免主回路的功率损耗，整个电路成本低，同时负载指示（有无）很准确。

而传统的负载指示电路核心为电流检测电阻Rs,精密基准电压源，和低功耗运放组成。精密基准电压源的成本很高，而且需要供电，对电流有较大的消耗；低功耗低静态电流运放的成本也很高。此外，电流检测电阻Rs的选取非常困难，基本不可能有完美的取值，因为负载是变化的、例如，当负载使得输出电流为20mA时，如果选取Rs=10欧，则取样信号为0.2V,这个信号幅度大小合适，符合取样要求。但当负载使得输出电流为1A时，Rs上消耗的功率为10瓦，完全不可取；若选取Rs=0.1欧,当负载为1A时，Rs上消耗的功率为0.1瓦，Rs上消耗的功耗偏大，Rs上取样信号为0.1V,这个信号勉强可以接受。但当负载为20mA时，Rs上取样信号为2mV，这么小的取样信号完全无法准确取样回路电流，不具备任何抗干扰能力，完全不具备使用价值。综上所述，传统的负载指示电路在功耗和抗干扰能力上不能兼顾，只能选取一折中的Rs值，同时线路成本很高，占用PCB面积很大，不利于小型化。

总之，在本实施例中，该信号取得电路及其电源的优点较多，包括：成本低，印制线圈可以直接制作在PCB板上。在印制电路板设计的时候，直接画在电感的背面，通过PCB板的制作，不需要增加任何硬件成本；节能，由于该印制线圈跟主电流回路完全隔离，没有大电流流过，所以避免了较大的功率损耗；灵活，对小电流的取样和输出信号的强弱，可以通过增减线圈的圈数实现。节省系统成本。其直接利用电感的发散磁场，不需要增加磁芯，也无须电流取样绕组，实现了电感电流取样简单化。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种信号取得电路，其特征在于，包括设置在印制电路板一面的、其工作时有电流流过的非屏蔽电感线圈；还包括设置在所述非屏蔽电感线圈所在印制电路板一面相邻的印制面上的、其中心位置与所述非屏蔽电感线圈中心位置对齐的、由印制线构成的印制线圈；所述印制线圈的端点与信号处理单元的信号输入端连接。

2.根据权利要求1所述的信号取得电路，其特征在于，所述印制线圈是由其中心位置向外扩展的螺旋线，其最外一圈的印制线大于所述非屏蔽电感线圈在所述电路板上的垂直方向的投影；所述螺旋线的形状包括圆形或方形。

3.根据权利要求2所述的信号取得电路，其特征在于，所述螺旋线超出所述非屏蔽电感线圈在所述电路板上的垂直方向的投影至少两圈。

4.根据权利要求3所述的信号取得电路，其特征在于，所述螺旋线的起始点和其结束点分别为所述印制线圈的端点，所述印制线圈的两个端点分别连接在所述信号处理单元的两个信号输入端上或其一个端点接地，另一个端点连接在所述信号处理单元的信号输入端。

5.根据权利要求4所述的信号取得电路，其特征在于，所述螺旋线在其位于所述非屏蔽电感线圈中心位置的端点上还设置有一个连接到所述非屏蔽电感线圈所在一面的金属化的通孔。

6.根据权利要求5所述的信号取得电路，其特征在于，所述螺旋线的线宽为3-20密耳，线距为3-20密耳；所述印制电路板两个铜箔面之间的绝缘层厚度为0-4毫米。

7.根据权利要求5所述的信号取得电路，其特征在于，所述印制电路板为双层板，所述非屏蔽电感线圈设置在所述电路板的顶层或底层，所述印制线圈设置在所述电路板的底层或顶层；或

所述印制电路板为多层板，所述非屏蔽电感线圈设置在所述电路板的顶层或底层，所述印制线圈设置在紧邻所述顶层或底层的内层。

8.一种开关电源，包括储能电感和对所述储能电感流过电流进行采样并将采样信号传输到控制单元的电流采样输入端的电流采样单元，其特征在于，所述储能电感是如权利要求1-7中任意一项所述的非屏蔽电感线圈，所述电流采样单元是如权利要求1-7中任意一项所述的印制线圈。

9.一种开关电源，包括储能电感和对所述储能电感流过电流进行采样并依据采样结果控制指示灯点亮或熄灭、以显示所述电源的负载情况的负载显示单元；所述负载显示单元对所述储能电感流过电流进行电流采样的电流采样模块和对所述电流采样信号进行处理并控制指示灯的信号处理模块，其特征在于，所述储能电感是如权利要求1-7中任意一项所述的非屏蔽电感线圈，所述电流采样模块是如权利要求1-7中任意一项所述的印制线圈。