CN104374983B - 一种电流监测电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电流监测电路，该电路包括：电流采样电路、分压电路、放大电路和输出保护电路；电流采样电路，用于对被监测电路的电流进行采样，将电流采样信号转换为电压采样信号，输出给分压电路；分压电路，用于对电压采样信号进行分压，得到电压分压信号，输出给放大电路；放大电路，用于对电压分压信号进行放大，得到电压放大信号，输出给输出保护电路；输出保护电路，用于对电压放大信号进行分压保护，得到电压监测信号，输出给监测平台进行监测。本发明提供的技术方案结构简单，配置合理，可实施性强，可以实现宽范围、高精度的电流监测。

Description

一种电流监测电路

技术领域

本发明涉及电路设计领域，尤其涉及一种电流监测电路。

背景技术

电气系统是现代工业运转的基石，电路工作状态的稳定与否，关系到整个系统的安全，一旦电路发生故障，其后果是不可预估和承受的，因此对电路的检测历来都是各种行业，尤其是电子行业的重中之重。在稳定的状态下，某个电路的工作电流是固定的，因此对电路工作电流的监测一直都是电路监测的核心途径，以往的电路电流监测方法，一般通过采样电路、电压电流转换电路直接输出给后续监测平台采样处理，可监测电路的电源电压范围有限，且在监测电路自身发生故障时，存在对后续监测平台造成损坏的风险。

因此，如何进一步提高电流监测方案的有效性、可靠性和可实施性，对电子行业的发展具有重要的意义。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供了一种电流监测电路，以解决上述问题或者至少部分地解决上述问题，实现宽范围、高精度的电流监测。

本发明提供了一种电流监测电路，该电路包括：电流采样电路、分压电路、放大电路和输出保护电路；

所述电流采样电路，用于对被监测电路的电流进行采样，将电流采样信号转换为电压采样信号，输出给所述分压电路；

所述分压电路，用于对所述电压采样信号进行分压，得到电压分压信号，输出给所述放大电路；

所述放大电路，用于对所述电压分压信号进行放大，得到电压放大信号，输出给所述输出保护电路；

所述输出保护电路，用于对所述电压放大信号进行分压保护，得到电压监测信号，输出给监测平台进行监测。

可选地，所述采样电路包括：采样电阻R1；

所述采样电阻R1串联在被监测电路中；

其中，所述采样电阻R1的两端电压之差为所述电压采样信号。

可选地，所述分压电路包括：分压电阻R2、R3、R4和R5；

所述分压电阻R2的一端与所述采样电阻R1的一端相连，所述分压电阻R2的另一端与所述分压电阻R3的一端相连；

所述分压电阻R3的另一端接地；

所述分压电阻R4的一端与所述采样电阻R1的另一端相连，所述分压电阻R4的另一端与所述分压电阻R5的一端相连；

所述分压电阻R5的另一端接地；

其中，所述分压电阻R2、R3的连接端与所述分压电阻R4、R5的连接端的电压之差为所述电压分压信号。

可选地，所述放大电路包括：调整电阻R6、R7、R8、R9和运算放大器N；

所述调整电阻R6的一端与所述分压电阻R2、R3的连接端相连，所述调整电阻R6的另一端与所述调整电阻R7的一端相连；所述调整电阻R7的另一端接地；

所述调整电阻R8的一端与所述分压电阻R4、R5的连接端相连，所述调整电阻R8的另一端与所述调整电阻R9的一端相连；所述调整电阻R9的另一端与所述运算放大器N的输出端相连；

所述运算放大器N的反相输入端与所述调整电阻R8、R9的连接端相连，所述运算放大器N的正相输入端与所述调整电阻R6、R7的连接端相连；所述运算放大器N的负电源输入端与电源VEE相连；所述运算放大器N的正电源输入端与电源VCC相连；

其中，所述运算放大器N的输出电压为所述电压放大信号。

可选地，所述输出保护电路包括：保护电阻R10和R11；

所述保护电阻R10的一端连接所述调整电阻R9与所述运算放大器N的输出端的相连端，所述保护电阻R10的另一端与所述保护电阻R11的一端相连；

所述保护电阻R11的另一端接地；

其中，所述保护电阻R10、R11的连接端的电压为所述电压监测信号。

可选地，

所述采样电阻R1的取值根据所述被监测电路的总电流确定；

所述采样电阻R1可以为：一个或者多个；

当所述采样电阻R1为多个时，多个采样电阻R1之间并联。

可选地，

所述分压电阻R2、R3的阻值，根据被监测电路的电压值与所述放大电路的工作电压的关系确定；

所述分压电阻R4的阻值等于所述分压电阻R2的阻值，所述分压电阻R5的阻值等于所述分压电阻R3的阻值。

可选地，

所述运算放大器N的放大倍数，根据所述电压分压信号与监测平台的量程之间的关系确定；

所述调整电阻R8、R9的阻值，根据所述运算放大器N的放大倍数确定；

所述调整电阻R6的阻值等于所述调整电阻R8的阻值，所述调整电阻R7的阻值等于所述调整电阻R9的阻值。

可选地，

所述保护电阻R10和R11的阻值的比例关系，根据所述放大电路的工作电压与监测平台最大可承受的输入电压之间的关系确定；

所述保护电阻R11的阻值，根据监测平台对输入阻抗的要求确定；

所述保护电阻R10的阻值，根据所述保护电阻R10和R11的阻值的比例关系与所述保护电阻R11的阻值确定。

可选地，

所述采样电阻R1为RX21系列精密电阻；

所述分压电阻R2、R3、R4、R5、所述调整电阻R6、R7、R8、R9和所述保护电阻R10、R11为带封装的电阻或不带封装的薄膜电阻；

所述运算放大器N为LM158系列。

由上述可知，与现有技术相比，本发明提供的这种电流监测电路，电路结构简单，配置合理，可实施性强，通过高精度采样电路，可以实现对电源电流的高精度采样，通过分压电路，可以实现宽范围的电路电流监测，通过放大电路，可以将电流值转换成一个符合监测平台输入要求的电压值，实现对不同监测平台的匹配设计，通过输出保护电路，可以实现对后续监测平台的保护，进而可以实现宽范围、高精度的电流监测。

附图说明

图1是本发明一个实施例中的一种电流监测电路的结构框图；

图2是本发明一个实施例中的一种电流监测电路的电路图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

图1是本发明一个实施例中的一种电流监测电路的结构框图。如图1所示，该电流监测电路100包括：电流采样电路110、分压电路120、放大电路130和输出保护电路140；

电流采样电路110，用于对被监测电路的电流进行采样，将电流采样信号转换为电压采样信号，输出给分压电路120；

分压电路120，用于对电压采样信号进行分压，得到电压分压信号，输出给放大电路130；

放大电路130，用于对电压分压信号进行放大，得到电压放大信号，输出给输出保护电路140；

输出保护电路140，用于对电压放大信号进行分压保护，得到电压监测信号，输出给监测平台进行监测。

由上述可知，本发明一个实施例提供的电流监测电路100，通过电流采样电路110，可以实现对电源电流的高精度采样；通过分压电路120，可以实现宽范围的电路电流监测；通过放大电路130，可以得到一个符合监测平台输入要求的电压值，实现对不同监测平台的匹配设计；通过输出保护电路140，可以实现对后续监测平台的保护。一方面，本发明满足各种监测平台对宽范围、高精度的电流监测要求；另一方面，本电路结构简单，配置合理，可实施性强，对电流监测领域的发展具有重要的意义。

图2是本发明一个实施例中的一种电流监测电路的电路图。如图2所示，在本实施例中，采样电路包括：采样电阻R1；该采样电阻R1串联在被监测电路中；并且，该采样电阻R1的两端电压之差为采样电路输出的电压采样信号。在本实施例中，分压电路包括：分压电阻R2、R3、R4和R5，其连接方式如图2所示，分压电阻R2的一端与采样电阻R1的一端相连，分压电阻R2的另一端与分压电阻R3的一端相连，分压电阻R3的另一端接地；分压电阻R4的一端与采样电阻R1的另一端相连，分压电阻R4的另一端与分压电阻R5的一端相连，分压电阻R5的另一端接地；其中，分压电阻R2、R3的连接端与分压电阻R4、R5的连接端的电压之差为分压电路输出的电压分压信号。

在本实施例中，放大电路包括：调整电阻R6、R7、R8、R9和运算放大器N，其连接方式如图2所示，调整电阻R6的一端与分压电阻R2、R3的连接端相连，调整电阻R6的另一端与调整电阻R7的一端相连，调整电阻R7的另一端接地；调整电阻R8的一端与分压电阻R4、R5的连接端相连，调整电阻R8的另一端与调整电阻R9的一端相连，调整电阻R9的另一端与运算放大器N的输出端相连；运算放大器N的反相输入端与调整电阻R8、R9的连接端相连，运算放大器N的正相输入端与调整电阻R6、R7的连接端相连，运算放大器N的负电源输入端与电源VEE相连，运算放大器N的正电源输入端与电源VCC相连；其中，运算放大器N的输出电压为放大电路输出的电压放大信号。

在本实施例中，输出保护电路包括：保护电阻R10和R11，其连接方式如图2所示，保护电阻R10的一端连接调整电阻R9与运算放大器N的输出端的相连端，保护电阻R10的另一端与保护电阻R11的一端相连，保护电阻R11的另一端接地；其中，保护电阻R10、R11的连接端的电压为保护电路输出的电压监测信号。

具体地，在本实施例中，采样电阻R1的取值根据被监测电路的总电流确定，其原则是采样电阻R1两端产生的压降，即电压采样信号，既不影响被监测电路正常工作，且通过分压电路、放大电路后得到的电压放大信号在电流采样电路的工作范围内。其中，采样电阻R1可以是RX21系列的精密电阻，包括但不仅限于碳膜绕线精密电阻。在本发明的其他实施例中，采样电阻R1可以为：一个或者多个；当采样电阻R1为多个时，多个采样电阻R1之间并联。

在本实施例中，分压电阻R2、R3的阻值根据被监测电路的电压值与放大电路中的运算放大器N的工作电压的关系确定，其原则是确保分压后加载在调整电阻R6输入端的电压值低于电流采样电路工作电压2 V以上，同时该电压应该尽可能地设计在放大电路工作电压的1/2。在确定分压电阻R2、R3的阻值后，令R2＝R4，R3＝R5，从而得到分压电阻R4、R5的阻值。其中，分压电阻R2-R5为表贴电阻。在本发明的其他实施例中，分压电阻R2-R5可为带封装的电阻，封装形式包括但不局限于表贴封装，分压电阻R2-R5也可以是不带封装的薄膜电阻，所使用的薄膜材料包括但不局限于氮化钽(TaN)材料。

在本实施例中，运算放大器N的放大倍数根据电压分压信号与监测平台的量程之间的关系确定，原则是放大后的电压放大信号的电压值比后续监测平台的最大量程略低。设调整电阻R6的一端的电压为V1，调整电阻R8的一端的电压为V2，则电压分压信号＝V1-V2，根据运放特性，运算放大器N的正相输入端电压等于反相输入端电压，且运算放大器N的正相输入端电流和反相输入端电流均为0，可以计算出运算放大器N的输出电压即电压放大信号V3为：

在本实施例中，令R6＝R8，R7＝R9，则电压放大信号即电压放大信号是电压分压信号的R9/R8倍，即运算放大器N的放大倍数为R9/R8。调整电阻R8一般取1KΩ左右，确定R8后根据所需的放大倍数可以确定调整电阻R9的阻值，再由R6＝R8，R7＝R9，从而得到调整电阻R6、R7的阻值。其中，分压电阻R6-R9为表贴电阻。在本发明的其他实施例中，分压电阻R6-R9可为带封装的电阻，封装形式包括但不局限于表贴封装，分压电阻R6-R9也可以是不带封装的薄膜电阻，所使用的薄膜材料包括但不局限于氮化钽(TaN)材料；运算放大器N包含但不局限于LM158系列。

在本实施例中，保护电阻R10和R11的阻值的比例关系，根据放大电路的工作电压与监测平台最大可承受的输入电压之间的关系确定，原则是确保最终的输出电压接近但不超过后续监测平台的最大可承受的输入电压。保护电阻R11的阻值根据监测平台对输入阻抗的要求确定，一般在1KΩ左右，确定了R11后根据比例关系确定R10。其中，分压电阻R10-R11为表贴电阻。在本发明的其他实施例中，分压电阻R10-R11可为带封装的电阻，封装形式包括但不局限于表贴封装，分压电阻R10-R11也可以是不带封装的薄膜电阻，所使用的薄膜材料包括但不局限于氮化钽(TaN)材料。

图2所示的这种电流监测电路的工作原理是：采样电阻R1串联在被监测电路中，当被监测电路工作时，电流I_IN流经采样电阻R1，产生一个压降I_IN R1，即电压采样信号；该压降通过包括分压电阻R2-R5的分压电路，分压电路中，因为R2＝R4，R3＝R5，电压采样信号按比例降低，该比例为R3/(R2+R3)，其中R3/(R2+R3)＝R5/(R4+R5)，使得电压采样信号降至后续放大电路的正常工作范围内，从而可以实现对任意电压的电流监测，即得到电压分压信号；电压分压信号通过放大电路后，可以将电压分压信号变换成一个合理的电压值，该电压值满足监测平台的输入要求，即得到电压放大信号，放大倍数为R9/R8；输出保护电路根据放大电路的工作电压和监测平台的最大不损坏输入电平来确定，得到电压监测信号，该电压监测信号是电压放大信号的R11/(R10+R11)倍，从而保证在极端环境下，即使在本发明的电流监测电路发生故障导致放大电路中的运算放大器N的输出电压为其电源电压时，也不会对监测平台造成损害。则由上述可知，被监测电路的电流I_IN与电流监测电路最终输出的电压检测信号V_OUT的关系式：

其中，物理量的单位均为国际单位制。监测平台可根据该关系式实时监测电路中的电流状态。

综上所述，本发明提供的技术方案，通过电流采样电路、分压电路、放大电路和输出保护电路的设计，使得宽范围、高精度的电流监测方案的实现对任意电压的采样和任意监测平台的匹配，具有以下有益效果：1、采样精度高，可实时高精度监测电路工作电流；2、可监测的电压范围大，适用范围广；3、电路简单，仅由11个电阻和1个集成运放组成，可靠性高；4、通过保护电路的保护，可以和任意监测平台进行匹配，安全性高，可实施性强。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种电流监测电路，其特征在于，该电路包括：电流采样电路、分压电路、放大电路和输出保护电路；

所述电流采样电路，用于对被监测电路的电流进行采样，将电流采样信号转换为电压采样信号，输出给所述分压电路；所述采样电路包括：采样电阻R1；所述采样电阻R1串联在被监测电路中；其中，所述采样电阻R1的两端电压之差为所述电压采样信号；

所述分压电路，用于对所述电压采样信号进行分压，得到电压分压信号，输出给所述放大电路；所述分压电路包括：分压电阻R2、R3、R4和R5；所述分压电阻R2的一端与所述采样电阻R1的一端相连，所述分压电阻R2的另一端与所述分压电阻R3的一端相连；所述分压电阻R3的另一端接地；所述分压电阻R4的一端与所述采样电阻R1的另一端相连，所述分压电阻R4的另一端与所述分压电阻R5的一端相连；所述分压电阻R5的另一端接地；其中，所述分压电阻R2、R3的连接端与所述分压电阻R4、R5的连接端的电压之差为所述电压分压信号；所述分压电阻R4的阻值等于所述分压电阻R2的阻值，所述分压电阻R5的阻值等于所述分压电阻R3的阻值；

所述放大电路，用于对所述电压分压信号进行放大，得到电压放大信号，输出给所述输出保护电路；

所述输出保护电路，用于对所述电压放大信号进行分压保护，得到电压监测信号，输出给监测平台进行监测。

2.如权利要求1所述的电流监测电路，其特征在于，所述放大电路包括：调整电阻R6、R7、R8、R9和运算放大器N；

所述调整电阻R6的一端与所述分压电阻R2、R3的连接端相连，所述调整电阻R6的另一端与所述调整电阻R7的一端相连；所述调整电阻R7的另一端接地；

所述调整电阻R8的一端与所述分压电阻R4、R5的连接端相连，所述调整电阻R8的另一端与所述调整电阻R9的一端相连；所述调整电阻R9的另一端与所述运算放大器N的输出端相连；

所述运算放大器N的反相输入端与所述调整电阻R8、R9的连接端相连，所述运算放大器N的正相输入端与所述调整电阻R6、R7的连接端相连；所述运算放大器N的负电源输入端与电源VEE相连；所述运算放大器N的正电源输入端与电源VCC相连；

其中，所述运算放大器N的输出电压为所述电压放大信号。

3.如权利要求2所述的电流监测电路，其特征在于，所述输出保护电路包括：保护电阻R10和R11；

所述输出保护电阻R10的一端连接所述调整电阻R9与所述运算放大器N的输出端的相连端，所述保护电阻R10的另一端与所述保护电阻R11的一端相连；

所述保护电阻R11的另一端接地；

其中，所述保护电阻R10、R11的连接端的电压为所述电压监测信号。

4.如权利要求1所述的电流监测电路，其特征在于，

所述采样电阻R1的取值根据所述被监测电路的总电流确定；

所述采样电阻R1可以为：一个或者多个；

当所述采样电阻R1为多个时，多个采样电阻R1之间并联。

5.如权利要求1所述的电流监测电路，其特征在于，

所述分压电阻R2、R3的阻值，根据被监测电路的电压值与所述放大电路的工作电压的关系确定。

6.如权利要求2所述的电流监测电路，其特征在于，

所述运算放大器N的放大倍数，根据所述电压分压信号与监测平台的量程之间的关系确定；

所述调整电阻R8、R9的阻值，根据所述运算放大器N的放大倍数确定；

所述调整电阻R6的阻值等于所述调整电阻R8的阻值，所述调整电阻R7的阻值等于所述调整电阻R9的阻值。

7.如权利要求3所述的电流监测电路，其特征在于，

所述保护电阻R10和R11的阻值的比例关系，根据所述放大电路的工作电压与监测平台最大可承受的输入电压之间的关系确定；

所述保护电阻R11的阻值，根据监测平台对输入阻抗的要求确定；

所述保护电阻R10的阻值，根据所述保护电阻R10和R11的阻值的比例关系与所述保护电阻R11的阻值确定。

8.如权利要求3或7所述的电流监测电路，其特征在于，

所述采样电阻R1为RX21系列精密电阻；

所述分压电阻R2、R3、R4、R5、所述调整电阻R6、R7、R8、R9和所述保护电阻R10、R11为带封装的电阻或不带封装的薄膜电阻；

所述运算放大器N为LM158系列。