CN108345343A

CN108345343A - 一种双向电流检测电路

Info

Publication number: CN108345343A
Application number: CN201810117497.3A
Authority: CN
Inventors: 黄胜明; 郭天; 冯多力; 黄鑫
Original assignee: SUZHOU RUIGE ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SUZHOU RUIGE ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2018-02-06
Filing date: 2018-02-06
Publication date: 2018-07-31
Anticipated expiration: 2038-02-06
Also published as: CN108345343B

Abstract

本发明公开了一种双向电流检测电路，包括第一放大电路、第二放大电路、第一电流镜、第二电流镜、第三电流镜、第一开关电路、第二开关电路、比较器Comp1、放大器Amp1、反相器INV1、电阻R1～R4；测试接入端Vin1与测试接入端Vin2之间设有电阻Rsen；测试接入端Vin1通过电阻R1接比较器Comp1的反向输入端，测试接入端Vin2通过电阻R2接到比较器Comp1的正向输入端；比较器Comp1的输出端接第二开关电路；第二开关电路用来控制第一开关电路的关断；该双向电流检测电路可以检测电流的大小，同时也可以检测电流的流向。

Description

一种双向电流检测电路

技术领域

本发明涉及电流检测技术领域，特别涉及一种双向电流检测电路。

背景技术

电流检测放大器广泛应用于焊接设备、电脑、手机、电信设备、汽车用、电源管理、电池充电器等。通过监测电流大小和流动方向，可以最好地监视电动机扭矩、螺线管受力、LED密度、太阳能电池受光量和电池电量等。因此，需要一个能准确测量电流并将电流转换成电压的电路，这样就可以用现有的电压器件(放大器、比较器、ADC等)来放大、调节和测量电压。在这些应用中，电流检测电路中的放大器用来从高共模电压中抽取通过小检测电阻的电流产生的小差分电压，如图1所示。被检测的电流Is流过电流检测电阻Rs，产生电压Vsen＝(Vin₊-Vin_-)＝Is*Rs。由于放大器A的作用，其正负输入端的电位必须相等，即放大器A驱动晶体管Q₀开通，使得流经Vin₊到Q₀，再经R_L到地的电流I_RL在电阻R上产生的电压等于Vsen，即I_RL*R＝Vsen＝(Vin₊-Vin_-)，I_RL＝(Vin₊-Vin_-)/R。I_RL流过电阻R_L转换成以地为基准的输出电压V_out＝(Vin₊-Vin_-)*(R_L/R)。R_L/R的比值就是放大倍数。所以，经过应用电流检测放大器后，通过测量输出电压V_out，就能够知道电流Is的大小。

双向电能变换器能够实现能量的双向传输，在电池充电器、UPS电源、电动汽车等领域广泛使用。在能量变换控制中需要采样电流，由于电能传递方向不同，电流方向也会不同，选用的电流检测放大器需要既能检测正电流，又能检测负电流，并能够把采样得到的电流信号转换成电压信号。因此需要电流检测放大器既能检测正电压，又能检测负电压。但大多数此类电流检测放大器控制芯片一般不具备接受正负两个极性的电压的能力，为此需采用额外的电路对电压进行电平位移，这一方面增加了电路的成本和复杂性，另一方面降低了采样精度。而有些电流检测放大器控制芯片即使能够检测双向流动的电流，但应用范围仅限于正电压之间的电流流动。

发明内容

本发明的目的是提供一种双向电流检测电路。

为此，本发明技术方案如下：

一种双向电流检测电路，包括第一放大电路、第二放大电路、第一电流镜、第二电流镜、第三电流镜、第一开关电路、第二开关电路、比较器Comp1、放大器Amp1、反相器INV1、电阻R1～R4；

测试接入端Vin1与测试接入端Vin2之间设有电阻Rsen；测试接入端Vin1通过电阻R1接比较器Comp1的反向输入端，测试接入端Vin2通过电阻R2接到比较器Comp1的正向输入端；比较器Comp1的输出用来控制第一开关电路和第二开关电路；

测试接入端Vin2通过电阻R2连接到第一电流镜和第二电流镜；第一电流镜连接到第一放大电路；第二电流镜连接到第二放大电路；测试接入端Vin1通过电阻R1接到第一电流镜和第二电流镜；-

测试接入端Vin2通过电阻R4连接到第一放大电路与第二放大电路的输出；第一放大电路与第二放大电路的输出通过第一开关电路输入到放大器Amp1的输入端；测试接入端Vin1通过电阻R3接到第一电流镜和第二电流镜，第一电流镜连接到第一放大电路，第二电流镜连接到第二放大电路；第一电流镜和第二电流镜的输出通过第一开关电路输入到放大器Amp1的输入端；

放大器Amp1的输出端通过第三电流镜连接到第二开关电路。

进一步的，所述的第一放大电路包括场效应管PM1～PM4；所述的第二放大电路包括场效应管NM1～NM4，第一电流镜包括晶体管PM5～PM7；第二电流镜包括晶体管NM5～NM7；第三电流镜包括晶体管PM11～PM13；所述的第一开关电路包括晶体管NM8～NM11，第二开关电路包括晶体管PM8～PM10。

进一步的，所述的晶体管PM1～PM13为P型MOS管；所述的晶体管NM1～NM11为N型MOS管。

进一步的，所述的晶体管PM1～PM13为PNP型三极管；所述的晶体管NM1～NM11为NPN型三极管。

进一步的，所述的第一放大电路包括P型MOS管PM1～PM4；MOS管PM1和MOS管PM2的源极通过偏置电流源I_bias接到控制参考电压Vdd，MOS管PM2的栅极接参考电压Vref，MOS管PM1的栅极接MOS管PM4的漏极，MOS管PM1的漏极以及MOS管PM2的漏极均连接到第二放大电路；MOS管PM3和MOS管PM4组成镜像电路，且二者的源极均接控制参考电压Vdd，二者的漏极均连接到第二放大电路；

所述的第二放大电路包括N型MOS管NM1～NM4，MOS管NM1、MOS管NM2和MOS管NM3三者组成镜像电路；MOS管NM1～NM4的漏极分别连接到第一放大电路中MOS管PM1～PM4的漏极；MOS管NM1～NM4的源极均接地；MOS管NM4的栅极接MOS管NM2的漏极；MOS管PM4和MOS管NM4的漏极连接点是第一放大电路和第二放大电路的输出端；

第一电流镜包括P型MOS管PM5～PM7；MOS管PM5～PM7的栅极均接到MOS管PM4的栅极；MOS管PM5～PM7的源极均连接到控制参考电压Vdd；MOS管PM5～PM7的漏极均连接到第二电流镜；

第二电流镜包括N型MOS管NM5～NM7；MOS管NM5～NM7的源极均接地，MOS管NM5～NM7的栅极均连接到MOS管NM4的栅极；MOS管NM5～NM7的漏极分别连接到MOS管PM5～PM7的漏极；

第三电流镜包括P型MOS管PM11～PM13；MOS管PM11～PM13的栅极均连接到放大器Amp1的输出端；MOS管PM11～PM12的漏极均接第一开关电路；MOS管PM13的漏极通过电阻Rout接地；MOS管PM11～PM13的源极接第二开关电路。

进一步的，所述的第一开关电路包括N型MOS管NM8～NM11，用来控制放大器Amp1正向输入端和反向输入端的输入；MOS管NM8和MOS管NM10的栅极均连接到反相器INV1的输入端，反相器INV1的输入端连接比较器Comp1的输出端；MOS管NM9和MOS管NM11的栅极均连接到反相器INV1的输出端；MOS管NM8和MOS管NM9的源极均连接到放大器Amp1的正向输入端，MOS管NM10和MOS管NM11的源极均连接到放大器Amp1的反向输入端；MOS管NM8和NM11的漏极均连接到MOS管NM5和PM5的漏极；MOS管NM9和NM10的漏极均连接到MOS管NM4和PM4的漏极；

所述的第二开关电路包括P型MOS管PM8～PM10；MOS管PM8～PM10的漏极分别连接到MOS管PM11～PM13的源极；MOS管PM8～PM10的源极均连接到控制参考电压Vdd；MOS管PM8的栅极接反相器INV1的输出端；MOS管PM9的栅极接比较器Comp1的输出端；MOS管PM10的栅极接地。

进一步的，所述的P型MOS管PM8～PM10具有完全相同的导通电阻。

进一步的，所述的电阻R1与地之间设有齐纳二极管D1，电阻R2与地之间设有齐纳二极管D2，且二极管D1与二极管D2的正极均接地。

进一步的，所述的测试接入端Vin1通过电阻R3与齐纳二极管D3接地，二极管D3的正极接地；测试接入端Vin2通过电阻R4与齐纳二极管D4接地，二极管D4的正极接地。

与现有技术相比，该双向电流检测电路可以检测电流的大小，在不改动应用连接线路的情况下，可用于正电压和负电压之间的电流检测，同时也可以用于正负相反方向电流流动的检测并确定电流流向。

附图说明

图1为现有的电流检测电路图。

图2为本发明提出的双向电流检测电路的电路图。

图3为电流从测试接入端Vin1流向测试接入端Vin2时比较器Comp1的输出电压Vcmp与时间的关系图。

图4为电流从测试接入端Vin1流向测试接入端Vin2时，输出电压Vout与两个测试输入端电压差的对应关系的仿真结果。

图5为电流从测试接入端Vin2流向测试接入端Vin1时比较器Comp1的输出电压Vcmp与时间的关系图。

图6为电流从测试接入端Vin2流向测试接入端Vin1时，输出电压Vout与两个测试输入端电压差的对应关系的仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

实施例1：

一种双向电流检测电路，如图2所示，包括第一放大电路、第二放大电路、第一电流镜、第二电流镜、第三电流镜、第一开关电路、第二开关电路、比较器Comp1、放大器Amp1、反相器INV1、电阻R1～R4；

放大器Amp1的输出端通过第三电流镜连接到第二开关电路。

所述的第一放大电路包括晶体管PM1～PM4；所述的第二放大电路包括晶体管NM1～NM4，第一电流镜包括晶体管PM5～PM7；第二电流镜包括晶体管NM5～NM7；第三电流镜包括晶体管PM11～PM13；所述的第一开关电路包括晶体管NM8～NM11，第二开关电路包括晶体管PM8～PM10。

所述的晶体管PM1～PM13为P型MOS管；所述的晶体管NM1～NM11为N型MOS管。

所述的第一放大电路包括P型MOS管PM1～PM4；MOS管PM1和MOS管PM2的源极通过偏置电流源I_bias接到控制参考电压Vdd，MOS管PM2的栅极接参考电压Vref，MOS管PM1的栅极接MOS管PM4的漏极，MOS管PM1的漏极以及MOS管PM2的漏极均连接到第二放大电路；MOS管PM3和MOS管PM4组成镜像电路，且二者的源极均接控制参考电压Vdd，二者的漏极均连接到第二放大电路；

所述的第一开关电路包括N型MOS管NM8～NM11，用来控制放大器Amp1正向输入端和反向输入端的输入；MOS管NM8和MOS管NM10的栅极均连接到反相器INV1的输入端，反相器INV1的输入端连接比较器Comp1的输出端；MOS管NM9和MOS管NM11的栅极均连接到反相器INV1的输出端；MOS管NM8和MOS管NM9的源极均连接到放大器Amp1的正向输入端，MOS管NM10和MOS管NM11的源极均连接到放大器Amp1的反向输入端；MOS管NM8和NM11的漏极均连接到MOS管NM5和PM5的漏极；MOS管NM9和NM10的漏极均连接到MOS管NM4和PM4的漏极；

所述的P型MOS管PM8～PM10具有完全相同的导通电阻。

所述的电阻R1与地之间设有齐纳二极管D1，电阻R2与地之间设有齐纳二极管D2，且二极管D1与二极管D2的正极均接地。

所述的测试接入端Vin1通过电阻R3与齐纳二极管D3接地，二极管D3的正极接地；测试接入端Vin2通过电阻R4与齐纳二极管D4接地，二极管D4的正极接地。

所述的晶体管PM1～PM13可以为PNP型三极管；所述的晶体管NM1～NM11可以为NPN型三极管。

本发明提供的双向电流检测电路的工作原理如下：

如图2所示，设R1＝R2＝R3＝R4＝R,Rout＝m*R(m>1)，例如R取值从几KΩ到几十KΩ，测试接入端Vin1和测试接入端Vin2是待检测电流通路的两端，电压变化范围可从-80V到+80V；控制参考电压Vdd是第一放大电路的电源输入端，例如Vdd＝5V；P型MOS管PM1和MOS管PM2构成第一级放大器的差分输入对，N型MOS管NM1和NM2是其有源负载，并且MOS管NM1、NM2和NM3构成电流镜；电流I_bias是差分输入对的偏置电流；MOS管PM3、PM4～PM7构成电流镜，并且MOS管PM4～PM7的尺寸(宽长比)完全相同。同样，MOS管NM4～NM7构成电流镜，并且MOS管NM4～NM7的尺寸(宽长比)完全相同。MOS管NM8～NM11组成第一开关电路，PM8～PM9组成第二开关电路，PM8～PM10具有完全相同的的尺寸(宽长比)。MOS管PM10的栅极接地，因此PM10处于常通状态。MOS管PM11～PM13构成电流镜，也是具有完全相同的尺寸(宽长比)。作为开关器件的NMOSFETs和PMOSFETs的沟道长度L选取的较短，例如L＝0.5微米。而其它的NMOSFETs和PMOSFETs的沟道长度L选取的较长，例如L≥5微米，使其工作在饱和区时漏源电流不会随漏源电压的不同而有显著的变化。二极管D1～D4是齐纳稳压二极管，例如，其反向嵌位电压是5V。当测试接入端Vin1和测试接入端Vin2是正电压时，不论Vin1和Vin2有多大，由于二极管D1～D4的反向嵌位作用，图2中A、B、C和D点的电位都不会超过5V。同样，当测试接入端Vin1和测试接入端Vin2是负电压时，不论Vin1和Vin2有多负，由于二极管D1～D4的正向嵌位作用，图2中A、B、C和D点的电位都不会小于-0.7V(设D1～D4的正向压降是0.7V)。

MOS管PM2的栅极连接到参考电压Vref(例如Vref＝1.2V)，由于MOS管PM1～PM4以及MOS管NM1～NM4构成的放大器的作用，会强制使D点的电压VD等于Vref＝1.2V。如果VD开始大于Vref，流过PM4的电流小于流过MOS管NM4的电流，即电流Ipn＝In-Ip，从D点经MOS管NM4流向地，使得VD最终和Vref相等。如果VD开始小于Vref，流过PM4的电流大于流过NM4的电流，即电流Ipn＝Ip-In，从Vdd经PM4流向D点，使得VD最终和Vref相等。

由于MOS管PM5～PM7和MOS管PM4的尺寸完全相同，MOS管NM5～NM7和MOS管NM4的尺寸完全相同，因此，流出或流向C、A、B各点的电流和流出或流向D点的电流完全一致，即都是Ipn。

当要检测的电流Isen从测试输出端Vin1经Rsen流向测试输入端Vin2时，意味着测试输入端Vin1电压大于测试输入端Vin2的电压。因此，A点电压高于B点电压，导致比较器Comp1输出低电平，MOS管PM9开通，MOS管NM8和NM10关断。比较器Comp1输出的低电平经过反相器INV1后，反相器INV1输出高电平，MOS管PM8关断，MOS管NM9和MOS管NM11开通，把另外一个放大器Amp1的正负输入端分别连接到D、C两点。在放大器Amp1工作前，C点电压高于D点电压。一旦放大器Amp1被连接到D、C两点，放大器Amp1会驱动MOS管PM11～PM13，使之输出电流Iout。MOS管PM12的电流流向D点，MOS管PM13的电流流向地端，并在电阻Rout上产生输出电压Vout。但MOS管PM11的电流被PM8阻断了。因此可得：

VD＝Vin2‐Ipn*R4+Iout*R4＝Vin2‐Ipn*R+Iout*R (1)

VC＝Vin1‐Ipn*R3＝Vin1‐Ipn*R (2)

由于放大器Amp1的作用VD＝VC＝Vref，因此：

Vin2-Ipn*R+Iout*R＝Vin1-Ipn*R (3)

即：Iout＝(Vin1‐Vin2)/R (4)

如果设置Rout＝m*R，那么可得

Vout＝m(Vin1-Vin2)＝m*Isen*Rsen (5)

公式(5)表明，输出电压把电流检测电阻上的压降放大了m倍。把公式(5)改写为：

Isen＝Vout/(m*Rsen) (6)

因此，通过设置较小的电流检测电阻Rsen(比如10m欧姆)，根据放大器的输出电压和放大倍数，就可以知道Rsen流过的电流。

同理可分析要检测的电流Isen从测试接入端Vin2经电阻Rsen流向测试接入端Vin1时的情形。此时，A点电压低于B点电压，导致比较器Comp1输出高电平，MOS管PM9关断，MOS管NM8和NM10开通。比较器Comp1输出的高电平经过反相器INV1后，反向器INV1输出低电平，MOS管PM8开通，MOS管NM9和MOS管NM11关断。MOS管NM8和MOS管NM10开通后把另外一个放大器Amp1的正负输入端分别连接到C、D两点。在放大器Amp1工作前，C点电压低于D点电压。一旦放大器Amp1被连接到C、D两点，放大器Amp1会驱动PM11～PM13，使之输出电流Iout。MOS管PM11的电流流向C点，MOS管PM13的电流流向地端，并在电阻Rout上产生输出电压Vout。但MOS管PM12的电流被MOS管PM9阻断了。因此可得：VC＝Vin1-Ipn*R3+Iout*R43＝Vin1-Ipn*R+Iout*R (7)

VD＝Vin2-Ipn*R4＝Vin2-Ipn*R (8)

由于Amp1的作用VC＝VD＝Vref，因此：

Vin1-Ipn*R+Iout*R＝Vin2-Ipn*R (9)

即：Iout＝(Vin2‐Vin1)/R (10)

如果设置Rout＝m*R，那么可得

Vout＝m(Vin1-Vin2)＝m*Isen*Rsen (11)

因此上述(6)式仍然成立。

需要说明的是，在上述分析所用的方程中，如果VD开始大于Vref，电流Ipn＝In-Ip>0，即Ipn流出C、D、A、B各点。如果VD开始小于Vref，Ipn＝In-Ip<0，即Ipn流进C、D、A、B各点。

从上述分析可以看出，本发明提出的电路设计在不改变应用连接图时，能够同时检测电流双向流动。通过检测输出电压Vout和比较器Comp1的输出状态，不仅可知所要检测电流的大小，还能够知道电流的流向。

图3为电流从测试接入端Vin1流向测试接入端Vin2时比较器Comp1的输出电压Vcmp与时间的关系图；当电阻R1＝R2＝R3＝R4＝10K，Rout＝100R1＝1000K(即该电流检测电路放大倍数是100)。当Vdd＝5V，Vin1＝12V，测试接入端Vin2电压分别等于12V、11.99V和11.98V，即Rsen上的压降分别是0mV、10mV和20mV，电流从Vin1流向Vin2。此时，比较器Comp1的输出Vcmp是低电平0V；电流检测电路输出Vout分别是0V、1V和2V；仿真示意图如图4所示；如果Rsen＝10mΩ，由此可得Rsen上流过的电流Isen＝1/(100×0.01)＝1A。

图5为电流从测试接入端Vin2流向测试接入端Vin1时比较器Comp1的输出电压Vcmp与时间的关系图；当电阻R1＝R2＝R3＝R4＝10K，Rout＝100R1＝1000K(即该电流检测电路放大倍数是100)。；Vdd＝5V，Vin1＝-12V，测试接入端Vin2电压分别等于-12V、-11.99V和-11.98V，即Rsen上的压降分别是0mV、-10mV和-20mV，即电阻Rsen上的电流从Vin2流向Vin1，并且Vin1和Vin2都是负电压。此时，比较器Comp1的输出Vcmp是高电平5V；电流检测电路输出Vout分别是0V、1V和2V，仿真示意图如图6所示，如果Rsen＝10mΩ，由此可得Rsen上流过的电流Isen＝2/(100×0.02)＝1A。

Claims

1.一种双向电流检测电路，其特征在于，包括第一放大电路、第二放大电路、第一电流镜、第二电流镜、第三电流镜、第一开关电路、第二开关电路、比较器Comp1、放大器Amp1、反相器INV1、电阻R1～R4；

放大器Amp1的输出端通过第三电流镜连接到第二开关电路。

2.根据权利要求1所述的双向电流检测电路，其特征在于，所述的第一放大电路包括场效应管PM1～PM4；所述的第二放大电路包括场效应管NM1～NM4，第一电流镜包括晶体管PM5～PM7；第二电流镜包括晶体管NM5～NM7；第三电流镜包括晶体管PM11～PM13；所述的第一开关电路包括晶体管NM8～NM11，第二开关电路包括晶体管PM8～PM10。

3.根据权利要求2所述的双向电流检测电路，其特征在于，所述的晶体管PM1～PM13为P型MOS管；所述的晶体管NM1～NM11为N型MOS管。

4.根据权利要求2所述的双向电流检测电路，其特征在于，所述的晶体管PM1～PM13为PNP型三极管；所述的晶体管NM1～NM11为NPN型三极管。

5.根据权利要求3所述的双向电流检测电路，其特征在于，所述的第一放大电路包括P型MOS管PM1～PM4；MOS管PM1和MOS管PM2的源极通过偏置电流源I_bias接到控制参考电压Vdd，MOS管PM2的栅极接参考电压Vref，MOS管PM1的栅极接MOS管PM4的漏极，MOS管PM1的漏极以及MOS管PM2的漏极均连接到第二放大电路；MOS管PM3和MOS管PM4组成镜像电路，且二者的源极均接控制参考电压Vdd，二者的漏极均连接到第二放大电路；

6.根据权利要求5所述的双向电流检测电路，其特征在于，所述的第一开关电路包括N型MOS管NM8～NM11，用来控制放大器Amp1正向输入端和反向输入端的输入；MOS管NM8和MOS管NM10的栅极均连接到反相器INV1的输入端，反相器INV1的输入端连接比较器Comp1的输出端；MOS管NM9和MOS管NM11的栅极均连接到反相器INV1的输出端；MOS管NM8和MOS管NM9的源极均连接到放大器Amp1的正向输入端，MOS管NM10和MOS管NM11的源极均连接到放大器Amp1的反向输入端；MOS管NM8和NM11的漏极均连接到MOS管NM5和PM5的漏极；MOS管NM9和NM10的漏极均连接到MOS管NM4和PM4的漏极；

7.根据权利要求6所述的双向电流检测电路，其特征在于，所述的P型MOS管PM8～PM10具有完全相同的导通电阻。

8.根据权利要求1所述的双向电流检测电路，其特征在于，所述的电阻R1与地之间设有齐纳二极管D1，电阻R2与地之间设有齐纳二极管D2，且二极管D1与二极管D2的正极均接地。

9.根据权利要求1所述的双向电流检测电路，其特征在于，所述的测试接入端Vin1通过电阻R3与齐纳二极管D3接地，二极管D3的正极接地；测试接入端Vin2通过电阻R4与齐纳二极管D4接地，二极管D4的正极接地。