CN108333412B - 一种具有固定频率的pwm输出模式的电流检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种具有固定频率的PWM输出模式的电流检测装置，其特征在于，包括依次连接的方波发生电路、激励电路及信号处理电路，所述方波发生电路包括比较器U1A，所述激励电路包括第一模拟开关N1A、第二模拟开关N1B及磁通门探头L1，比较器U1A与第一模拟开关N1A及第二模拟开关N1B连接，第一模拟开关N1A及第二模拟开关N1B再与磁通门探头L1连接；所述信号处理电路包括迟滞比较器U1B、触发器D1及三极管Q，迟滞比较器U1B与激励电路连接，触发器D1与迟滞比较器U1B连接，三极管Q与触发器D1连接。本发明提供的一种具有固定频率的PWM输出模式的电流检测装置及方法，基于磁通门原理可满足交直流电流隔离式检测，具有灵敏度高，检测精度高，成本低等优点。

Description

一种具有固定频率的PWM输出模式的电流检测装置及方法

技术领域

本发明涉及电流检测技术领域，尤其是一种具有固定频率的PWM输出模式的电流检测装置及方法。

背景技术

在电动汽车充电模式2中，IC-CPD用于连接车载充电机与交流电网，由于充电设备中为直流电池系统，会产生直流剩余电流。直流剩余电流会对电网，对人体造成危害，如引起火灾，危及人身安全，造成设备故障等。因此IEC62752及NB/T42077—2016中均要求即包括剩余电流检测要求，以避免剩余电流造成人身伤害，造成设备伤害，引起火灾等。在光伏逆变器中也强调了剩余电流检测的要求，如VDE-0126-1-1,2006-02标准中，不同的剩余电流需要在相应的时间内断开逆变器与电网的连接。

当前基于磁通门原理的剩余电流检测装置主要应用于直流屏等系统，其核心问题是传感器频率响应较低，一般在10Hz以下，而在Type B型标准中需要检测1kHz剩余电流，显然在频率响应与动作时间上存在很大的差距；另外现有产品体积较大，在IC-CPD中无法适用；现有产品供电一般采用正负电源供电，如典型电压为±12V～±15V，而在IC-CPD中仅有单电源系统，因此也会带来供电问题，电压采集问题等。另外传统产品成本较高，因此无法实现批量化生产及应用。

而在光伏逆变器领域应用较多的剩余电流传感器剩余电流检测范围较大，如瑞士莱姆(LEM)公司推出的CTSR系列检测电流范围在500mA以上，而在IC-CPD中要求的剩余电流检测范围在100mA，因此，采用光伏逆变器领域中的产品在小电流范围也存在问题，如噪声较大，磁滞严重，成本较高等。

综上，现有装置存在较多问题，如频响低，体积大，成本高等问题，限制了在新领域中产品的应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有固定频率的PWM输出模式的电流检测装置及方法，通过产生固定频率信号来驱动磁环，然后通过输出PWM信号，占空比表征待测电流。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种具有固定频率的PWM输出模式的电流检测装置，其特征在于，包括依次连接的方波发生电路、激励电路及信号处理电路，所述方波发生电路包括比较器U1A，所述激励电路包括第一模拟开关N1A、第二模拟开关N1B及磁通门探头L1，比较器U1A与第一模拟开关N1A及第二模拟开关N1B连接，第一模拟开关N1A及第二模拟开关N1B再与磁通门探头L1连接；所述信号处理电路包括迟滞比较器U1B、触发器D1及三极管Q，迟滞比较器U1B与激励电路连接，触发器D1与迟滞比较器U1B连接，三极管Q与触发器D1连接。

优选的，所述第一模拟开关N1A的IN1引脚与第二模拟开关N1B的IN2引脚串接然后与比较器U1A连接，第一模拟开关N1A的Pin5引脚与第二模拟开关N1B的Pin10引脚为电压低端，通过电阻R8连接至Gnd零电平端；所述触发器D1的D引脚与Q非引脚串联然后与三极管Q连接。

优选的，所述磁通门探头L1包括磁芯及激励线圈，激励线圈绕设于慈心外。

一种具有固定频率的PWM输出模式的电流检测装置的检测方法，包括以下步骤：

步骤一、通过比较器U1A产生固定的方波信号；

步骤二、在方波信号的作用下，第一模拟开关N1A及第二模拟开关N1B动作，让激励线圈两端翻转，调节电流方向，进行反复磁化；

步骤三、对V1和V2进行比较产生方波信号，迟滞比较器U1B对波形进行整形，提供一个上升沿；

步骤四、触发器D1对上升沿电平进行捕捉，输出信号；

步骤五、计算占空比。

优选的，所述迟滞比较器U1B的输出端由低电平到高电平变化时，触发器D1的CP端可以捕获到上升沿电平，触发器D1实现状态反转。

本发明提供的一种具有固定频率的PWM输出模式的电流检测装置及方法，基于磁通门原理可满足交直流电流隔离式检测，具有灵敏度高，检测精度高，成本低等优点。主要包括方波发生电路，激励电路，信号处理电路。其中U1A为比较器，可以产生固定频率方波，方波信号控制模拟开关N1A、N1B接通和断开，这样相当于改变线圈上电流方向，让线圈反复磁化，最后通过比较器和触发器捕捉信号输出。当没有待测电流时，磁化时间与退磁时间相同，占空比为50％；当有待测电流时，磁化时间与退磁时间不再相等，此时占空比将发生变化。根据占空比的变化即可检测待测电流。本发明可实现微弱电流检测，交直流剩余电流检测，并能实现低成本，小型化。以该方法研制的产品可满足Type B型剩余电流检测标准，可适用于电动汽车充电模式2中缆上控制与保护装置(IC-CPD)剩余电流检测，光伏逆变器剩余电流检测，也可应用做闭环电流传感器检测探头。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明的结构示意图；

图2a为本发明磁通门探头状态A的结构示意图；

图2b为本发明磁通门探头状态B的结构示意图；

图3为本发明磁通门探头的充电模型图；

图4a为本发明无待测电流时工作点示意图；

图4b为本发明有待测电流时工作点示意图；

图5为本发明磁化过程示意图；

图6为本发明待测电流与占空比对应关系图；

图7为传感器线性度误差图。

具体实施方式

如图1中，一种具有固定频率的PWM输出模式的电流检测装置，其特征在于，包括依次连接的方波发生电路、激励电路及信号处理电路，所述方波发生电路包括比较器(U1A)，所述激励电路包括第一模拟开关N1A、第二模拟开关N1B及磁通门探头L1，比较器U1A与第一模拟开关N1A及第二模拟开关N1B连接，第一模拟开关N1A及第二模拟开关N1B再与磁通门探头L1连接；所述信号处理电路包括迟滞比较器U1B、触发器D1及三极管Q，迟滞比较器U1B与激励电路连接，触发器D1与迟滞比较器U1B连接，三极管Q与触发器D1连接。

优选的，所述第一模拟开关N1A的IN1引脚与第二模拟开关N1B的IN2引脚串接然后与比较器U1A连接，第一模拟开关N1A的Pin5引脚与第二模拟开关N1B的Pin10引脚为电压低端，通过电阻R8连接至Gnd零电平端；所述触发器D1的D引脚与Q非引脚串联然后与三极管Q连接。

优选的，所述磁通门探头L1包括磁芯及激励线圈，激励线圈绕设于慈心外。

一种具有固定频率的PWM输出模式的电流检测装置的检测方法，包括以下步骤：

步骤一、通过比较器U1A产生固定的方波信号；

步骤二、在方波信号的作用下，第一模拟开关N1A及第二模拟开关N1B动作，让激励线圈两端翻转，调节电流方向，进行反复磁化；

步骤三、对V1和V2进行比较产生方波信号，迟滞比较器U1B对波形进行整形，提供一个上升沿；通过R17和R19两个电阻分压产生固定电压V2，正常情况下R16和R18不焊，这两个电阻可以很方便调节电压。V1上的电压是反复震荡的，所以在一个震荡周期有一个电压点大于V2还有一个电压点小于V2，当V1大于V2时U1B 7脚输出高电平，当V1小于V2时U1B 7脚输出低电平。

步骤四、触发器D1对上升沿电平进行捕捉，输出信号；

步骤五、计算占空比。

优选的，所述迟滞比较器U1B的输出端由低电平到高电平变化时，触发器D1的CP端可以捕获到上升沿电平，触发器D1实现状态反转。

相比于以往的产品该方案具有高频响，小体积，高性价比，工作温度-40℃到+125℃，并能适用于汽车行业，满足汽车电子行业相关要求。在汽车电子领域，常用PWM输出模式来表征传感器信号。PWM为数字信号，与模拟信号相同具有传输距离远，驱动能力强，抗干扰能力强等优点。

其中传感器探头，由磁芯，磁芯护盒，绕线组成。其中磁芯采用高导磁率磁性材料卷绕制成或高导磁率磁性材料冲片制成，所用磁芯的相对磁导率在一定范围内具有极好的线性度，磁芯为闭合磁路，一般采用环形磁芯，其中“环形”或“环”不限于圆形，而是磁性材料形成一个孔，孔内允许一根或多根导线穿过，磁性材料形成的形状可以包括正方形，长方形，跑道形，圆形，或其他规则的或不规则的形成闭合或近似闭合的形状。磁性材料的加工方式可以采用卷绕，单片冲片，冲片叠加或冲片拼接而成。可以根据需要在磁芯外面安装护盒或采用各种方式以保护磁芯，如喷涂，注塑等方式。在磁芯外部绕制线圈，线圈与内部磁芯形成传感器探头。

当线圈中通有电流时，根据麦克斯韦方程相关公式可知，磁芯的磁场强度会随通电电流变化，相应磁通密度会随磁场强度变化而变化。线圈中典型的电流为正负激励电流。

其中第一模拟开关N1A及第二模拟开关N1B为典型的换向电路，其包含控制引脚，线圈公共引脚，供电高端与电压低端引脚。换向电路具有2个功能状态。其中IN1,IN2为控制引脚串接在一起，通过IN1,IN2可实现2个功能状态的切换：当IN1,IN2为高电平时控制线圈正向磁化，线圈电路为正向电流，当IN1,IN2为低电平时控制线圈反向磁化，线圈电路内为反向电流。如图2a、2b所示，其中Vcc为供电电源，为线圈提供电能。N1A的Pin5与N1B的Pin10为电压低端，通过电阻R8连接至Gnd零电平端，如图3所示。通过IN1,IN2电平的变化即可控制线圈激励电流方向，由于磁芯的特性，磁芯在一定区域表现为线性，通过调整频率让磁芯工作在线性区，这样就会有非常好的线性度。换向电路可采用开关电路，如单刀双掷开关，也可采用具有类似功能的电路，如以晶体三极管或MOS搭建而成的H桥电路，也可采用以运算放大器等器件搭建而成的电路。换向电路具有的典型功能即在某个输入状态时，传感器探头激励线圈为正向磁化，而在另外一个状态时，传感器探头激励线圈为反向磁化，进一步讲，换向电路功能在某个状态实现传感器内部磁场强度(也即磁通量)正向达到峰值，在另一个状态时，传感器内部磁场强度(也即磁通量)反向达到峰值。

其中触发器D1实现状态控制功能，输入信号为CP端上升沿电平。具有的典型状态为CP端高电平输入时，D引脚与Q非引脚串联。当CP端高电平时，D1捕获上升沿，此时无论D引脚状态如何，Q非电平均为D电平的翻转状态。可以表述如下，当D为低电平时，Q非也为低电平，当CP为高电平上升沿变化时，Q非变化为高电平，此时D也变化为高电平，当下一次CP上升沿变化时，Q非变化为低电平，此时D也变化为低电平，进而在每个CP上升沿变化时，D与Q非即可实现状态反转。其中模块D1仅是功能描述，可采用多种器件以实现此功能，包括单片机、MCU、DSP、FPGA等芯片，典型芯片为上升沿D型触发器。其实现主要功能是CP端上升沿变化，输出状态翻转。

其中U1B为控制端模拟比较器，其具有的典型功能是同相端V1电压大于参考电压值V2时，输出端为高电平；当V1电压小于参考电压V2时，输出端为低电平。当然也可更改为V2小于V1时输出高电平，V2大于V1时，输出低电平。

没有检测电流时的振荡过程，每个振荡周期内正向磁化与反向磁化时间相同，因此占空比为50％，当有待测电流通过磁芯时，正向和反向磁化时间发生了变化，又由于磁芯工作在线性区，所以待测电流的大小能反映在输出的占空比上。

如图4a、4b所示，采用图示说明，横坐标为电流，电流与磁场强度为线性关系，纵坐标为磁感应强度。

当没有待测电流时，正向磁化面积与负向磁化面积相同，因此具有相同的时间，即占空比相同。

当有待测电流Ir时，由磁场叠加原理，相当于磁滞回线沿横坐标上向右侧移动了一定距离，移动距离与待测电流对应。此时对应于翻转电流点Ip位置的磁感应强度变小，对应于-Ip电流点的磁感应强度增大。此时正向磁化面积小于负向磁化面积。

如图5，图6，图7所示，理论计算传感器具有较好的线性度，通过合理的磁路设计，理论线性度可达0.02％，可满足常规传感器使用。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种具有固定频率的PWM输出模式的电流检测装置，其特征在于，包括依次连接的方波发生电路、激励电路及信号处理电路，所述方波发生电路包括比较器（U1A），所述激励电路包括第一模拟开关（N1A）、第二模拟开关（N1B）及磁通门探头（L1），比较器（U1A）与第一模拟开关（N1A）及第二模拟开关（N1B）连接，第一模拟开关（N1A）及第二模拟开关（N1B）再与磁通门探头（L1）连接；所述信号处理电路包括迟滞比较器（U1B）、触发器（D1）及三极管（Q），迟滞比较器（U1B）与激励电路连接，触发器（D1）与迟滞比较器（U1B）连接，三极管（Q）与触发器（D1）连接；

所述第一模拟开关（N1A）的IN1引脚与第二模拟开关（N1B）的IN2引脚串接然后与比较器（U1A）连接，第一模拟开关（N1A）的Pin5引脚与第二模拟开关（N1B）的Pin10引脚为电压低端，通过电阻R8连接至Gnd零电平端；所述触发器（D1）的D引脚与Q非引脚串联然后与三极管（Q）连接；所述磁通门探头（L1）包括磁芯及激励线圈，激励线圈绕设于磁芯外；IN1引脚和IN2引脚分别为第一模拟开关（N1A）和第二模拟开关（N1B）的控制引脚，用于控制实现磁通门探头激励线圈电流方向的变换；第一模拟开关（N1A）的Pin5引脚与第二模拟开关（N1B）的Pin10引脚连接后接入迟滞比较器同向端。

2.根据权利要求1所述一种具有固定频率的PWM输出模式的电流检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、通过比较器（U1A）产生固定的方波信号；

步骤二、在方波信号的作用下，第一模拟开关（N1A）及第二模拟开关（N1B）动作，让激励线圈两端翻转，调节电流方向，进行反复磁化；

步骤三、对V1和V2进行比较产生方波信号，迟滞比较器（U1B）对波形进行整形，提供一个上升沿； V1为第一模拟开关（N1A）的Pin5引脚与第二模拟开关（N1B）的Pin10引脚连接后的电压，V2为迟滞比较器反向端的参考电压；

步骤四、触发器（D1）对上升沿电平进行捕捉，输出信号；

步骤五、计算占空比。

3.根据权利要求2所述一种具有固定频率的PWM输出模式的电流检测装置的检测方法，其特征在于，所述迟滞比较器（U1B）的输出端由低电平到高电平变化时，触发器（D1）的CP端可以捕获到上升沿电平，触发器（D1）实现状态反转。

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