CN106124840A - 电流检测电路 - Google Patents

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Abstract

公开了一种电流检测电路，可用于检测H桥电路的负载电流。通过控制两个放大器分别对检测电阻器两端的正向电压和负向电压进行交替检测，且一个放大器工作于信号放大状态时另一个放大器工作于调零状态，在检测双向电流的同时避免了现有技术的共模干扰，提供了精确的检测电流信号。

Description

电流检测电路
技术领域
本发明的实施例涉及电子电路，尤其涉及用于检测H桥电路负载电流的电流检测电路。
背景技术
H桥电路采用单电源VIN供电，常用于驱动电机或其他双向运行的负载。图1是H桥电路的简单示意图。如图1所示，开关管M1和M4构成第一开关管对，开关管M2和M3构成第二开关管对。当开关管M1和M4导通，开关管M2和M3断开时，A端的电压大于B端的电压，负载中流过正向电流，并以某一方向运行(例如顺时针)。当开关管M2和M3导通，开关管M1和M4截止时，B端的电压大于A端的电压，负载中流过反向电流，并以相反方向运行(例如逆时针)。
H桥电路常常需要检测负载电流iload来进行反馈控制。传统的负载电流检测将一个阻值很小的检测电阻器RSENSE串入H桥，根据检测电阻器RSENSE两端的电压来反映负载电流的iL的信息。
图2a～2c是现有的三种用于H桥电路负载电流检测的电路示意图。图2a称为低侧(low side)电流检测，检测电阻器RSENSE耦接在负载与参考地之间。图2b称为高侧(highside)电流检测，检测电阻器RSENSE耦接在电源VIN与负载之间。因为流过检测电阻器RSENSE的电流方向是变化的，检测电阻器两端的电压VSENSE是一断续的交流脉冲电压，图3是图2a和图2b中的检测电阻器两端的电压波形图。然而，图2a和图2b所示的检测方式只能检测单向电流。
为实现电流的双向检测，现有的解决方案是采用图2c所示的电流检测方式。如图2c所示，检测电阻器RSENSE与负载串联，通过差分放大器来放大检测电阻器两端的电压。然而这种差分检测方式常常会将显著的共模噪声分量引入检测结果中，从而造成低信噪比(Signal-to-nosie，SNR)，这不是我们所期望的。
为此，本发明提出一种具有较高信噪比的、可以实现双向电流检测的电流检测电路。
发明内容
针对现有技术中的一个或多个问题，本发明的目的是提供一种相对于现有技术具有较高信噪比的电流检测电路，可以实现双向电流检测，并提供精确的电流检测结果。
根据本发明实施例的一种电流检测电路，用于检测H桥电路的负载电流，该H桥电路具有由第一控制信号控制的第一开关管对和由第二控制信号控制的第二开关管对，通过交替导通第一开关管对和第二开关管对以驱动负载，该电流检测电路包括：检测电阻器，具有第一端和第二端，其中第一端耦接至负载，第二端耦接至参考地；第一放大器，具有同相输入端、反相输入端、时钟输入端和输出端，其中同相输入端经第一电阻器耦接至检测电阻器的第一端，反相输入端经第二电阻器耦接至检测电阻器的第二端，时钟输入端接收第一控制信号，第一控制信号作为时钟信号，控制第一放大器交替工作于信号放大状态和调零状态；第二放大器，具有同相输入端、反相输入端、时钟输入端和输出端，其中同相输入端耦接至第一放大器的反相输入端，反相输入端耦接至第一放大器的同相输入端，时钟输入端接收第二控制信号，第二控制信号作为时钟信号，控制第二放大器交替工作于信号放大状态和调零状态；以及输出晶体管，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至输出电路以提供代表负载电流的检测电流信号，第二端电连接至处于信号放大状态的放大器的反相输入端，控制端电连接至处于信号放大状态的放大器的输出端。
根据本发明另一实施例的一种电流检测电路，包括；检测电阻器，具有第一端和第二端，其中第一端耦接至负载，第二端耦接至参考地；第一放大器和第二放大器，其中第一放大器的同相输入端经第一电阻器耦接至检测电阻器的第一端，第一放大器的反相输入端经第二电阻器耦接至检测电阻器的第二端，第二放大器的反相输入端耦接至第一放大器的同相输入端，第二放大器的同相输入端耦接至第一放大器的反相输入端，第一放大器和第二放大器均为自动调零放大器，当检测电阻器第一端的电压大于第二端的电压时，第一放大器工作于信号放大状态，第二放大器工作于调零状态，当检测电阻器第一端的电压小于第二端的电压时，第二放大器工作于信号放大状态，第一放大器工作于调零状态；以及输出晶体管，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至输出电路以提供代表流过检测电阻器电流的检测电流信号，第二端电连接至处于信号放大状态的放大器的反相输入端，控制端电连接至处于信号放大状态的放大器的输出端。
根据本发明的实施例，通过控制两个放大器分别对检测电阻器两端的正向电压和负向电压进行交替检测，且一个放大器工作于信号放大状态时另一个放大器工作于调零状态，在检测双向电流的同时很好地抑制了共模电压，从而避免了现有技术中的共模干扰，使检测结果精确。
附图说明
图1是H桥电路的简单示意图；
图2a～2c是现有的三种用于H桥电路负载电流检测的电路示意图；
图3是图2a和图2b中的检测电阻器两端的电压波形图；
图4是根据本发明一实施例的用于H桥电路的电流检测电路401的电路原理图；
图5是根据本发明一实施例的图4所示电流检测电路401的波形图；
图6是根据本发明一实施例的电流检测电路601的电路原理图；
图7是根据本发明又一实施例的电流检测电路701的电路原理图；
图8是根据本发明再一实施例的电流检测电路801的电路原理图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是，不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。应当理解，当称“元件”“连接到”或“耦接”到另一元件时，它可以是直接连接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
图4是根据本发明一实施例的电流检测电路401的电路原理图。电流检测电路401可用于检测H桥电路的负载电流iload。H桥电路包括开关管M1～M4，每个开关管由一个控制信号来控制其导通与关断。开关管M1和M4构成第一开关管对，由第一控制信号G1/4来控制，开关管M2和M3构成第二开关管对，由第二控制信号G2/3来控制。H桥电路控制第一开关管对与第二开关管对交替导通，将直流电压VIN转换为驱动电压提供给为负载。在一个实施例中，H桥电路还包括驱动电路，接收控制信号G1～G4，将控制信号G1～G4的驱动能力增大后分别输出至开关管M1～M4的控制端。
对于H桥电路而言，常常需要获得精确的负载电流iload信息来实现环路的电流调整。由于负载电流iload可以从A端流向B端，亦可以从B端流向A端，因此需要电流检测电路401可以实现对电流的双向检测。
如图4所示，电流检测电路401包括检测电阻器RSENSE、放大器AMP1和AMP2以及输出晶体管Q。检测电阻器RSENSE具有第一端和第二端，其中第一端经开关管M2和M4耦接至负载，第二端耦接至参考地。
放大器AMP1和放大器AMP2均为自动调零放大器，具有两个工作状态，一个是调零工作状态，另一个是信号放大状态。在调零期间，放大器的误差信号被储存在保持电路中，然后在信号放大期间，将此存下来的信号加在主放大器上，以抵消主放大器的失调电压，以保持零失调的状态。由于这两个状态一直交替进行，因而在实际上消除了放大器的失调与漂移。自动调零放大器的两个工作状态一般由定时器产生的时钟信号控制内部的模拟开关完成。在本发明的实施例中，放大器AMP1和AMP2的时钟信号分别由第一控制信号G1/4和第二控制信号G2/3代替。
如图4所示，放大器AMP1用于接收检测电阻器RSENSE两端的正向电压，具有同相输入端、反相输入端、时钟输入端和输出端，其中同相输入端经电阻器R1耦接至检测电阻器RSENSE的第一端，反相输入端经电阻器R2耦接至检测电阻器RSENSE的第二端，时钟输入端CLK接收第一控制信号G1/4。第一控制信号G1/4被用作放大器AMP1的时钟信号，以控制其交替工作于信号放大状态和调零状态。在一个实施例中，当第一控制信号G1/4处于高电平，放大器AMP1工作于信号放大状态；当第一控制信号G1/4处于低电平，放大器AMP1工作于调零状态。放大器AMP2用于接收检测电阻器RSENSE两端的负向电压，具有同相输入端、反相输入端、时钟输入端和输出端，其中同相输入端耦接至放大器AMP1的反相输入端，反相输入端耦接至放大器AMP1的同相输入端，时钟输入端CLK接收第二控制信号G2/3。第二控制信号G2/3被用作放大器AMP2的时钟信号，以控制其交替工作于信号放大状态和调零状态。
输出晶体管Q用于为检测电流信号ISENSE提供输出支路。在图4所示的实施例中，输出晶体管Q为场效应晶体管。输出晶体管Q的漏极耦接至输出电路402以提供代表负载电流iload的检测电流信号iSENSE，源极电连接至处于信号放大状态的放大器的反相输入端，控制端电连接至处于信号放大状态的放大器的输出端。在另一实施例中，输出晶体管Q为双极结型晶体管。
在图4所示的实施例中，电流检测电路401还包括开关阵列。根据H桥电路的工作状态，开关阵列可选择地将放大器AMP1与AMP2之一用于电流检测。开关阵列包括第一组开关管和第二组开关管，分别由第一控制信号G1/4和第二控制信号G2/3控制。
第一组开关管包括开关管S5和S6，其控制端均耦接至第一控制信号G1/4。开关管S5的第一端耦接至放大器AMP1的反相输入端，第二端耦接至输出晶体管Q的源极。开关管S6的第一端耦接至放大器AMP1的输出端，第二端耦接至输出晶体管Q的栅极。第二组开关管包括开关管S7和S8，其控制端均耦接至第二控制信号G2/3。开关管S7的第一端耦接至放大器AMP2的反相输入端，第二端耦接至输出晶体管Q的源极。开关管S8的第一端耦接至放大器AMP2的输出端，第二端耦接至输出晶体管Q的栅极。
在一个实施例中，当第一控制信号G1/4处于高电平时，第一组开关管导通而第二组开关管关断，同时放大器AMP1工作于信号放大状态，其输出端电连接至输出晶体管Q的栅极，放大器AMP1的反相输入端电连接至输出晶体管Q的源极。当第二控制信号G2/3处于高电平时，第二组开关管导通而第一组开关管关断，同时放大器AMP2工作于信号放大状态，其输出端电连接至输出晶体管Q的栅极，放大器AMP2的反相输入端电连接至输出晶体管Q的源极。
输出电路402用于对检测电流信号iSENSE进行放大或进一步处理，提供便于处理的输出信号。在一个实施例中，输出电路402包括电流镜电路。电流镜电路的供电端耦接至供电电源Vp，输入端耦接至输出晶体管Q的漏极以接收检测电流信号iSENSE，输出端经电阻器R4耦接至参考地，提供输出电流信号iOUT。在一个实施例中，电阻器R4两端的电压VIFB作为代表负载电流iload的反馈信号被提供给H桥电路的控制模块。
在一个实施例中，电流检测电路401的各部件集成在同一芯片中。在另一个实施例中，除了检测电阻器RSENSE外置，电流检测电路401的其余各部件集成在同一芯片中。
图5是根据本发明一实施例的图4所示电流检测电路401的波形图。如图5所示，第一控制信号G1/4和第二控制信号G2/3互补输出，当第一开关管对导通时，第二开关管对必须关断。这种情况理论上要求第一控制信号G1/4和第二控制信号G2/3完全互补。然而本领域的普通技术人员应当理解，为了避免直通短路，常常在第一控制信号G1/4和第二控制信号G2/3之间加入一个足够长的死区时间(未示出)。
在P1阶段，第一控制信号G1/4为高电平，第一开关管对导通，A端的电压(图示103)大于B端的电压(图示104)，负载两端的电压VAB为正，检测电阻器RSENSE两端的电压也为正，放大器AMP1工作于信号放大状态，对检测电阻器RSENSE两端的电压进行检测并经输出晶体管Q提供至输出电路402，得到如图5所示的反馈信号VIFB。此时第二控制信号G2/3为低电平，放大器AMP1工作于调零状态。
在P2阶段，第二控制信号G2/3为高电平，第二开关管对导通，B端的电压小于B端的电压，负载两端的电压VAB为负，检测电阻器RSENSE两端的电压也为负，放大器AMP2工作于信号放大状态，对检测电阻器RSENSE两端的电压进行检测并经输出晶体管Q提供至输出电路402，得到图5所示的反馈电压VIFB。此时第一控制信号G1/4为低电平，放大器AMP2工作于调零状态。
在一个实施例中，当第一控制信号G1/4处于高电平时，第一组开关管导通而第二组开关管关断，放大器AMP1工作于信号放大状态，其输出端电连接至输出晶体管Q的栅极，放大器AMP1的反相输入端电连接至输出晶体管Q的源极。当第二控制信号处于高电平时，第二组开关管导通而第一组开关管关断，放大器AMP2工作于信号放大状态，其输出端电连接至输出晶体管Q的栅极，放大器AMP2的反相输入端电连接至输出晶体管Q的源极。
如图4和5所示，由于电流检测电路401采用低边电流检测方式，两个放大器工作时引入的共模干扰很小，而且耦接至参考地的连接方式也为信号处理提供了方便。此外，由于两个放大器基于第一控制信号和和第二控制信号一直交替工作于信号放大状态和调零状态，可以在进行双向检测的同时保持零失调的状态，使得检测结果精确。
图6是根据本发明一实施例的电流检测电路601的电路原理图。图6所示的电流检测电路601可用于需要检测双向电流的应用中，例如用于电池电量检测。
在图6所示的实施例中，电流检测电路601包括检测电阻器RSENSE、放大器AMP1和AMP2以及输出晶体管Q。检测电阻器RSENSE具有a端和b端，其中a端耦接至负载，b端耦接至参考地，以检测双向的负载电流iload。
放大器AMP1与放大器AMP2均为自动调零放大器，放大器AMP1的同相输入端经电阻器R1耦接至检测电阻器RSENSE的a端，放大器AMP1的反相输入端经电阻器R2耦接至检测电阻器RSENSE的b端。放大器AMP2的同相输入端耦接至放大器AMP1的反相输入端，放大器AMP2的反相输入端耦接至放大器AMP1的同相输入端。根据检测电阻器RSENSEa端电压与b端电压的比较结果，控制放大器AMP1与AMP2切换工作于信号放大状态和调零状态。当a端电压大于b端电压时，放大器AMP1受控工作于信号放大状态，放大器AMP2工作于调零状态。当a端电压小于b端电压时，放大器AMP1受控工作于信号放大状态，放大器AMP1工作于调零状态。
输出晶体管Q的漏极耦接至输出电路402以提供代表负载电流iload的检测电流信号iSENSE，源极电连接至处于信号放大状态的放大器的反相输入端，控制端电连接至处于信号放大状态的放大器的输出端。
在图6所示的实施例中，电流检测电路601还包括开关阵列。根据根据检测电阻器RSENSE的a端电压与b端电压的比较结果，开关阵列可选择地将放大器AMP1与AMP2之一用于电流检测。
开关阵列包括第一组开关管(S5和S6)和第二组开关管(S7和S8)。当a端电压大于b端电压时，第一组开关管导通而第二组开关管关断，当a端电压小于b端电压时，第二组开关管导通而第一组开关管关断。
图7是根据本发明又一实施例的电流检测电路701的电路原理图，在图7所示的实施例中，开关阵列包括第一选择电路705和第二选择电路706。
当检测电阻器RSENSE的a端电压大于b端的电压时，放大器AMP1受控工作于信号放大状态，第一选择电路705由位置“2”转向“1”，将放大器AMP2的反相输入端与输出晶体管Q源极的连接断开，并将放大器AMP1的反相输入端连接至输出晶体管Q的源极。第二选择电路706由位置“2”转向“1”，将放大器AMP1的输出端连接至输出晶体管Q的栅极，将放大器AMP2的输出端与输出晶体管Q栅极的连接断开。
当检测电阻器RSENSE的a端电压小于b端的电压时，放大器AMP2受控工作于信号放大状态，第一选择电路705由位置“1”转向“2”，将放大器AMP1的反相输入端与输出晶体管Q源极的连接断开，并将放大器AMP2的反相输入端连接至输出晶体管Q的源极。第二选择电路706由位置“1”转向“2”，将放大器AMP2的输出端连接至输出晶体管Q的栅极，将放大器AMP1的输出端与输出晶体管Q栅极的连接断开。
图8是根据本发明再一实施例的电流检测电路801的电路原理图。在图8所示的实施例中，输出电路802包括耦接于供电电源Vp与输出晶体管Q漏极端的电阻器R4。电阻器R4两端的电压可用于表示负载电流iload的反馈信号。
虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种电流检测电路，用于检测H桥电路的负载电流，该H桥电路具有由第一控制信号控制的第一开关管对和由第二控制信号控制的第二开关管对，通过交替导通第一开关管对和第二开关管对以驱动负载，该电流检测电路包括：
检测电阻器，具有第一端和第二端，其中第一端耦接至负载，第二端耦接至参考地；
第一放大器，具有同相输入端、反相输入端、时钟输入端和输出端，其中同相输入端经第一电阻器耦接至检测电阻器的第一端，反相输入端经第二电阻器耦接至检测电阻器的第二端，时钟输入端接收第一控制信号，第一控制信号作为时钟信号，控制第一放大器交替工作于信号放大状态和调零状态；
第二放大器，具有同相输入端、反相输入端、时钟输入端和输出端，其中同相输入端耦接至第一放大器的反相输入端，反相输入端耦接至第一放大器的同相输入端，时钟输入端接收第二控制信号，第二控制信号作为时钟信号，控制第二放大器交替工作于信号放大状态和调零状态；以及
输出晶体管，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至输出电路以提供代表负载电流的检测电流信号，第二端电连接至处于信号放大状态的放大器的反相输入端，控制端电连接至处于信号放大状态的放大器的输出端。
2.如权利要求1所述的电流检测电路，进一步包括第一组开关管和第二组开关管，其中在第一控制信号处于有效状态时，第一组开关管导通而第二组开关管关断，第一放大器的输出端电连接至输出晶体管的控制端，第一放大器的反相输入端电连接至输出晶体管的第二端，在第二控制信号处于有效状态时，第二组开关管导通而第一组开关管关断，第二放大器的输出端电连接至输出晶体管的控制端，第二放大器的反相输入端电连接至输出晶体管的第二端。
3.如权利要求2所述的电流检测电路，其中该第一组开关管包括第五开关管和第六开关管，第五开关管的第一端耦接至第一放大器的反相输入端，第五开关管的第二端耦接至输出晶体管的第二端，第六开关管的第一端耦接至第一放大器的输出端，第六开关管的第二端耦接至输出晶体管的控制端，第五开关管和第六开关管的控制端均耦接至第一控制信号，第二组开关管包括第七开关管和第八开关管，第七开关管的第一端耦接至第二放大器的反相输入端，第七开关管的第二端耦接至输出晶体管的第二端，第八开关管的第一端耦接至第二放大器的输出端，第八开关管的第二端耦接至输出晶体管的控制端，第七开关管和第八开关管的控制端均耦接至第二控制信号。
4.如权利要求1所述的电流检测电路，进一步包括第一选择电路和第二选择电路，其中
在第一放大器工作于信号放大状态时，第一选择电路选择将第二放大器的反相输入端与输出晶体管的第二端的连接断开，并将第一放大器的反相输入端连接至输出晶体管的第二端，第二选择电路选择将第一放大器的输出端连接至输出晶体管的控制端，将第二放大器的输出端与输出晶体管的控制端的连接断开；以及
在第二放大器工作于信号放大状态时，第一选择电路选择将第一放大器的反相输入端与输出晶体管的第二端的连接断开，并将第二放大器的反相输入端连接至输出晶体管的第二端，第二选择电路选择将第二放大器的输出端连接至输出晶体管的控制端，将第一放大器的输出端与输出晶体管控制端的连接断开。
5.如权利要求1所述的电流检测电路，其中该输出电路包括电流镜电路，该电流镜电路的输入端耦接至输出晶体管的第一端，电流镜电路的供电端耦接至供电电源，电流镜电路的输出端经第三电阻器耦接至参考地。
6.如权利要求1所述的电流检测电路，其中电流检测电路的各部件集成在同一芯片中。
7.一种电流检测电路，包括；
检测电阻器，具有第一端和第二端，其中第一端耦接至负载，第二端耦接至参考地；
第一放大器和第二放大器，其中第一放大器的同相输入端经第一电阻器耦接至检测电阻器的第一端，第一放大器的反相输入端经第二电阻器耦接至检测电阻器的第二端，第二放大器的反相输入端耦接至第一放大器的同相输入端，第二放大器的同相输入端耦接至第一放大器的反相输入端，第一放大器和第二放大器均为自动调零放大器，当检测电阻器第一端的电压大于第二端的电压时，第一放大器工作于信号放大状态，第二放大器工作于调零状态，当检测电阻器第一端的电压小于第二端的电压时，第二放大器工作于信号放大状态，第一放大器工作于调零状态；以及
输出晶体管，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至输出电路以提供代表流过检测电阻器电流的检测电流信号，第二端电连接至处于信号放大状态的放大器的反相输入端，控制端电连接至处于信号放大状态的放大器的输出端。
8.如权利要求7所述的电流检测电路，进一步包括第一组开关管和第二组开关管，在第一放大器工作于信号放大状态时，第一组开关管导通而第二组开关管关断，在第二放大器工作于信号放大状态时，第二组开关管导通而第一组开关管关断。
9.如权利要求7所述的电流检测电路，进一步包括第一选择电路和第二选择电路，其中
在第一放大器工作于信号放大状态时，第一选择电路选择将第二放大器的反相输入端与输出晶体管的第二端的连接断开，并将第一放大器的反相输入端连接至输出晶体管的第二端，第二选择电路选择将第一放大器的输出端连接至输出晶体管的控制端，将第二放大器的输出端与输出晶体管的控制端的连接断开；以及
在第二放大器工作于信号放大状态时，第一选择电路选择将第一放大器的反相输入端与输出晶体管的第二端的连接断开，并将第二放大器的反相输入端连接至输出晶体管的第二端，第二选择电路选择将第二放大器的输出端连接至输出晶体管的控制端，将第一放大器的输出端与输出晶体管控制端的连接断开。
10.如权利要求7所述的电流检测电路，其中该输出电路包括电流镜电路，该电流镜电路的输入端耦接至输出晶体管的第一端，电流镜电路的供电端耦接至供电电源，电流镜电路的输出端经第三电阻器耦接至参考地。
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