CN110261668A - 电流检测电路及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电流检测电路及检测方法，所述电流检测电路包括采样电阻等效电路、一个或多个第一匹配阻抗、第二匹配阻抗和运算放大器，其中：所述采样电阻等效电路包括采样电阻和寄生电感；多个第一匹配阻抗分别连接在运算放大器一输入端与所述采样电阻之间，以及连接在运算放大器另一输入端与所述寄生电感之间；或者，一个或多个第一匹配阻抗仅连接在运算放大器一输入端与所述采样电阻或所述寄生电感之间；所述第二匹配阻抗连接在运算放大器的两个输入端之间；所述第一匹配阻抗和所述第二匹配阻抗的取值满足所述采样电阻两端的电压等于第二匹配阻抗两端的电压。

Description

电流检测电路及检测方法

技术领域

本发明涉及电流检测技术领域，特别涉及一种电流检测电路及检测方法。

背景技术

电子电路中，电流检测电路的应用极为普遍,尤其是峰值电流的精确检测，对电路的过流保护有重要意义。关于电流检测电路种类比较多，最为常用且简单的方法是串联电阻采样法。对于直流电流的检测，串联电阻能够很好的保证其精度。但是对于检测高频电流的峰值来说，由于采样电阻自身的寄生电感影响凸显，采样精度急剧下降。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电流检测电路及检测方法，以解决现有的采样电阻检测精度低的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种电流检测电路，所述电流检测电路包括采样电阻等效电路、一个或多个第一匹配阻抗、第二匹配阻抗和运算放大器，其中：

所述采样电阻等效电路包括采样电阻和寄生电感；

多个第一匹配阻抗分别连接在运算放大器一输入端与所述采样电阻之间，以及连接在运算放大器另一输入端与所述寄生电感之间；

或者，一个或多个第一匹配阻抗仅连接在运算放大器一输入端与所述采样电阻或所述寄生电感之间；

所述第二匹配阻抗连接在运算放大器的两个输入端之间；

所述第一匹配阻抗和所述第二匹配阻抗的取值满足所述采样电阻两端的电压等于第二匹配阻抗两端的电压。

可选的，在所述的电流检测电路中，所述第一匹配阻抗和所述第二匹配阻抗的取值满足：

Z1/Z2＝|jω*ESL|/R

其中：Z1为第一匹配阻抗的阻抗值，Z2为第二匹配阻抗的阻抗值，ESL为所述寄生电感的感抗值，R为所述采样电阻的阻值。

可选的，在所述的电流检测电路中，所述采样电阻一端直接连接所述运算放大器的负输入端，或通过所述第一匹配阻抗连接所述运算放大器的负输入端，另一端连接所述寄生电感，需检测的电流沿连接所述运算放大器一端流经所述采样电阻。

可选的，在所述的电流检测电路中，所述寄生电感一端连接所述采样电阻，另一端直接连接所述运算放大器的正输入端，或通过所述第一匹配阻抗连接所述运算放大器的正输入端，需检测的电流沿连接所述采样电阻的一端流经所述寄生电容。

可选的，在所述的电流检测电路中，所述第一匹配阻抗包括第一电阻和第二电阻。

可选的，在所述的电流检测电路中，所述第二匹配阻抗包括第一电容。

可选的，在所述的电流检测电路中，所述第一电阻、第二电阻和所述第一电容的取值满足：

ESL/R＝(R1+R2)*C

其中：R1为第一电阻的阻值，R2为第二电阻的阻值，C为第一电容的容抗值，ESL为所述寄生电感的感抗，R为所述采样电阻的阻值。

可选的，在所述的电流检测电路中，所述电流检测电路还包括模数转换控制器，所述模数转换控制器对所述运算放大器输出的电压进行模数转换。

本发明还提供一种基于上述电流检测电路的电流检测方法，包括：

获取采样电阻的阻值；

获取寄生电感的感抗值；

使需检测的电流流经采样电阻和寄生电感；

测量第二匹配阻抗两端的电压。

可选的，在所述的电流检测方法中，获取寄生电感的感抗值包括：

向采样电阻等效电路输入一锯齿波电流，且已知所述锯齿波电流的上升沿和下降沿的持续时间，和所述锯齿波最大电流和最小电流之间差值；

测量寄生电感两侧的电压值，且获取所述寄生电感两侧电压值最大电压和最小电压差值；

计算寄生电感的感抗值：ESL＝ΔV*(t1+t2)/Δi，其中：ΔV为所述寄生电感两侧电压值最大电压和最小电压差值，Δi为锯齿波最大电流和最小电流之间差值；t1和t2分别为所述锯齿波电流的上升沿的持续时间和下降沿的持续时间。

在本发明提供的电流检测电路及检测方法中，通过所述第一匹配阻抗和所述第二匹配阻抗的取值满足所述采样电阻两端的电压等于第二匹配阻抗两端的电压，即第二匹配阻抗两端的电压直接由运算放大器进行检测，也就是，采样电阻两端的电压直接由运算放大器检测获取，将高频电流在寄生电感上产生的感应电动势的影响消除，从而提高了采样电阻的检测精度。

附图说明

图1是现有的电流检测电路及检测方法示意图；

图2(a)～(b)是采样电阻等效电路及检测波形示意图；

图3(a)～(c)是本发明一实施例电流检测电路示意图；

图4是本发明另一实施例电流检测电路示意图；

图5～6是本发明另一实施例电流检测方法示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的电流检测电路及检测方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

常用的串联电阻电流检测方法，如图1所示，对经过T1原边线圈的电流进行检测，其中R101即作为采样电阻，与功率电路中第一开关管Q1串联的电阻。如图1所示，串联电阻电流检测电路包括运算放大器U101、U102、三极管Q3、第二开关管Q2、分压电阻R102、R103、保护电阻R104，第一开关管Q1的占空比调节需检测电流的大小，当Q1导通时，需检测电流在R101上形成检测电压，使运算放大器U101输出第一电平，所述第一电平使Q2导通，R102和R103的分压电压改变，并与参考电压Vref对比，使U102的输出第一电平，从而使三极管Q3导通；当Q1关断时，需检测电流在R101上电压为零，使运算放大器U101输出第二电平，所述第二电平使Q2关断，R103上电压为零，并与参考电压Vref对比，使U102的输出第二电平，从而使三极管Q3关断，尽管通过运算放大器和开关管的设置提高了峰值电流检测精度，以便更准确地做过流保护，但是对于采样电阻R101的寄生电感的忽视，将会导致检测精度的降低。

如何避免寄生电感对高频峰值电流精度的影响是现有技术中待解决的问题。实际采样电阻等效电路模型SR如图2(a)所示，除了自身的采样电阻R之外，还串联了一个寄生电感ESL。当高频电流i_SR流过采样电阻等效电路SR时，i_SR电流上升段，如图2(b)所示，寄生电感ESL感应电动势V_ESL为正，即V_ESL＝ESL*Δi/t1，叠加到等效电阻R上的电压V_R，使得V_SR电压正向增加。当高频电流i_SR流过采样电阻等效电路SR时，i_SR电流下降段，寄生电感ESL感应电动势V_ESL为负，即V_ESL＝-ESL*Δi/t2，叠加到等效电阻R上的电压V_R，使得V_SR电压反向增加。最终使得采样电阻上实际的电压V_R发生畸变成为V_SR，寄生电感的感应电动势的影响，甚至会导致高增益运放输出的饱和，进一步加剧峰值电流精度的降低。

本发明的核心思想在于提供一种电流检测电路及检测方法，以解决现有的采样电阻检测精度低的问题。

为实现上述思想，本发明提供了一种电流检测电路及检测方法，所述电流检测电路包括采样电阻等效电路、一个或多个第一匹配阻抗、第二匹配阻抗和运算放大器，其中：所述采样电阻等效电路包括采样电阻和寄生电感；多个第一匹配阻抗分别连接在运算放大器一输入端与所述采样电阻之间，以及连接在运算放大器另一输入端与所述寄生电感之间；或者，一个或多个第一匹配阻抗仅连接在运算放大器一输入端与所述采样电阻或所述寄生电感之间；所述第二匹配阻抗连接在运算放大器的两个输入端之间；所述第一匹配阻抗和所述第二匹配阻抗的取值满足所述采样电阻两端的电压等于第二匹配阻抗两端的电压。

<实施例一>

如图3～4所示，本实施例提供一种电流检测电路，所述电流检测电路包括采样电阻等效电路301、一个或多个第一匹配阻抗Z1、第二匹配阻抗Z2和运算放大器U1，其中：所述采样电阻等效电路301包括采样电阻R和寄生电感ESL；其中，需检测的电流i_SR由采样电阻R的第一端进入，流经采样电阻R到达其第二端，然后流入寄生电感ESL的第一端，流经寄生电感ESL，由其第二端流出。

多个第一匹配阻抗分别连接在运算放大器一输入端与所述采样电阻之间，以及连接在运算放大器另一输入端与所述寄生电感之间，如图3(a)所示，一个第一匹配阻抗Z1连接在运算放大器U1一输入端(负输入端)与所述采样电阻R的第一端之间，另一个第一匹配阻抗Z1连接在运算放大器U1另一输入端(正输入端)与所述寄生电感ESL的第二端之间；或者，一个或多个第一匹配阻抗仅连接在运算放大器一输入端与所述采样电阻或所述寄生电感之间；如图3(b)所示，一个第一匹配阻抗Z1仅连接在运算放大器U1一输入端(负输入端)与所述采样电阻R的第一端之间，如图3(c)所示，一个第一匹配阻抗Z1仅连接在运算放大器U1一输入端(正输入端)与所述寄生电感ESL的第二端之间。

所述第二匹配阻抗Z2连接在运算放大器的两个输入端(正输入端和负输入端)之间；所述第一匹配阻抗Z1和所述第二匹配阻抗Z2的取值满足所述采样电阻R两端的电压等于第二匹配阻抗Z2两端的电压。

具体的，在所述的电流检测电路中，所述第一匹配阻抗Z1和所述第二匹配阻抗Z2的取值满足：

Z1/Z2＝|jω*ESL|/R

其中：Z1为第一匹配阻抗的阻抗值，Z2为第二匹配阻抗的阻抗值，ESL为所述寄生电感的感抗值，R为所述采样电阻的阻值，j是虚数单位，j的平方等于-1，ω＝2πf是角速度的意思,是交流电信号的频率f的2π倍。

具体的，在所述的电流检测电路中，所述采样电阻R一端(第一端)直接连接所述运算放大器U1的负输入端(如图3(c)所示)，或通过所述第一匹配阻抗Z1连接所述运算放大器U1的负输入端(如图3(a)、(b)所示)，另一端(第二端)连接所述寄生电感ESL的第一端，需检测的电流i_SR沿连接所述运算放大器U1一端(采样电阻R的第一端)流经所述采样电阻R。

进一步的，在所述的电流检测电路中，所述寄生电感ESL一端(第一端)连接所述采样电阻R，另一端(第二端)直接连接所述运算放大器U1的正输入端(如图3(b)所示)，或通过所述第一匹配阻抗Z1连接所述运算放大器的正输入端(如图3(a)、(c)所示)，需检测的电流i_SR沿连接所述采样电阻的一端(寄生电感ESL的第一端)流经所述寄生电容ESL。

在所述的电流检测电路中，每个第一匹配阻抗Z1由一个或多个电阻组成，可以为多个电阻串联，多个电阻并联，或多个电阻并联后串联，或多个电阻串联后并联。所述第二匹配阻抗Z2包括一个或多个并联的电容。如图4所示，所述第一匹配阻抗Z1包括第一电阻R1和第二电阻R2，所述第一电阻连接在寄生电感和运算放大器之间，而第二电阻连接在采样电阻和运算放大器之间，可见优选的，运算放大器的两个输入端分别通过一个电阻连接到采样电阻等效电路301的两侧。所述第二匹配阻抗Z2包括第一电容C1。所述第一电阻R1、第二电阻R2和所述第一电容C1的取值满足：

ESL/R＝(R1+R2)*C

其中：R1为第一电阻R1的阻值，R2为第二电阻R2的阻值，C为第一电容C1的容抗值，ESL为所述寄生电感ESL的感抗，R为所述采样电阻R的阻值。所述电流检测电路还包括模数转换控制器10，所述模数转换控制器10对所述运算放大器U1输出的电压进行模数转换。

在本实施例提供的电流检测电路中，通过所述第一匹配阻抗和所述第二匹配阻抗的取值满足所述采样电阻两端的电压等于第二匹配阻抗两端的电压，即第二匹配阻抗两端的电压直接由运算放大器进行检测，也就是，采样电阻两端的电压直接由运算放大器检测获取，将高频电流在寄生电感上产生的感应电动势的影响消除，从而提高了采样电阻的检测精度。

综上，上述实施例对电流检测电路的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。

<实施例二>

本实施例还提供一种基于上一实施例中电流检测电路的电流检测方法，包括：获取采样电阻R的阻值；获取寄生电感ESL的感抗值；使需检测的电流i_SR依次流经采样电阻R和寄生电感ESL；测量第二匹配阻抗Z2两端的电压。在所述的电流检测方法中，获取寄生电感ESL的感抗值包括：如图6所示，向采样电阻等效电路301输入一锯齿波电流i_SR1，且已知所述锯齿波电流的上升沿的持续时间t1和下降沿的持续时间t2，和所述锯齿波最大电流和最小电流之间差值Δi；测量寄生电感两侧的电压值V_ESL，且获取所述寄生电感两侧电压值最大电压和最小电压差值ΔV；计算寄生电感的感抗值ESL：

ESL＝ΔV*(t1+t2)/Δi，其中：ΔV为所述寄生电感两侧电压值最大电压和最小电压差值，Δi为锯齿波最大电流和最小电流之间差值；t1和t2分别为所述锯齿波电流的上升沿的持续时间和下降沿的持续时间。

在本发明提供的电流检测电路及检测方法中，通过所述第一匹配阻抗和所述第二匹配阻抗的取值满足所述采样电阻两端的电压等于第二匹配阻抗两端的电压，即第二匹配阻抗两端的电压直接由运算放大器进行检测，也就是，采样电阻两端的电压直接由运算放大器检测获取，将高频电流在寄生电感上产生的感应电动势的影响消除，从而提高了采样电阻的检测精度。

本发明所述两个差分的第一匹配阻抗之和(如图3(a)所示的两个Z1之和)与第二匹配阻抗(如图4所示的第一电容)的乘积，要求等于所述采样电阻的寄生电感与电阻的比值。其原理如下：

如图5(a)所示阻抗网络，若支路上阻抗成比例，则对应阻抗上的电压相等。

即Z1/Z2＝Z3/Z4，则va＝vb。

推导过程如下：va＝(v1－v2)*Z2/(Z1+Z2)和vb＝(v1－v2)*Z4/(Z3+Z4)

根据Z1/Z2＝Z3/Z4

得，va＝vb

进一步的，如图5(b)所示阻抗网络，若Z1/Z2＝(Z3+Z5)/Z4，则Z2上的电压等于Z4上的电压，仍然有va＝vb。

从而，若寄生电感的阻抗与采样电阻的阻抗之比，等于第一电阻与第二电阻之和的阻抗与第一电容的阻抗之比，则采样电阻两端的电压等于第一电容两端的电压。

可知，若|jω*ESL|/R＝(R1+R2)/|1/(jω*C)|，则V_R＝Vc。

即，ESL/R＝(R1+R2)*C，则V_R＝Vc。其中：R1为第一电阻R1的阻值，R2为第二电阻R2的阻值，C为第一电容C1的容抗值，ESL为所述寄生电感ESL的感抗，R为所述采样电阻R的阻值，j是虚数单位，j的平方等于-1，ω＝2πf是角速度的意思,是交流电信号的频率f的2π倍。

本发明所述的两个匹配电阻(R1和R2)可以相同，也可以不同，甚至其中一个可以为零。所述的第一电容根据匹配电阻确定。只要满足以上关系，第一电容上的电压便可以准确地反映采样电阻上的实际电压信号，经过差分运算放大电路U1，再经模数转换控制器10后，可以得到精确地峰值电流。

所述差分匹配电阻和差分第一电容，按ESL/R＝(R1+R2)*C进行匹配，确定两个差分匹配电阻(R1和R2)和差分第一电容(C1)。所述差分放大器，输入端连接到所述第一电容两端，可以消除采样电阻寄生电感对峰值电流检测精度的影响。

本发明解决采样电阻上寄生电感影响峰值电流检测精度的问题，与现有技术对比，通过选择匹配的电阻和电容，采样得到的峰值电流精度得到了有效提升。对本发明所作的匹配电阻(R1和R2)可以不相等，以及电阻和电容参数的不同组合的实例，也应包含在本发明的范围内。对本发明所作的匹配电阻(R1和R2)，其中一个可以为零，也应包含在本发明的范围内。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (10)

1.一种电流检测电路，其特征在于，所述电流检测电路包括采样电阻等效电路、一个或多个第一匹配阻抗、第二匹配阻抗和运算放大器，其中：

所述采样电阻等效电路包括采样电阻和寄生电感；

多个第一匹配阻抗分别连接在运算放大器一输入端与所述采样电阻之间，以及连接在运算放大器另一输入端与所述寄生电感之间；

或者，一个或多个第一匹配阻抗仅连接在运算放大器一输入端与所述采样电阻或所述寄生电感之间；

所述第二匹配阻抗连接在运算放大器的两个输入端之间；

所述第一匹配阻抗和所述第二匹配阻抗的取值满足所述采样电阻两端的电压等于第二匹配阻抗两端的电压。

2.如权利要求1所述的电流检测电路，其特征在于，所述第一匹配阻抗和所述第二匹配阻抗的取值满足：

Z1/Z2＝|jω*ESL|/R

其中：Z1为第一匹配阻抗的阻抗值，Z2为第二匹配阻抗的阻抗值，ESL为所述寄生电感的感抗值，R为所述采样电阻的阻值。

3.如权利要求1所述的电流检测电路，其特征在于，所述采样电阻一端直接连接所述运算放大器的负输入端，或通过所述第一匹配阻抗连接所述运算放大器的负输入端，另一端连接所述寄生电感，需检测的电流沿连接所述运算放大器一端流经所述采样电阻。

4.如权利要求1所述的电流检测电路，其特征在于，所述寄生电感一端连接所述采样电阻，另一端直接连接所述运算放大器的正输入端，或通过所述第一匹配阻抗连接所述运算放大器的正输入端，需检测的电流沿连接所述采样电阻的一端流经所述寄生电容。

5.如权利要求1所述的电流检测电路，其特征在于，所述第一匹配阻抗包括第一电阻和第二电阻。

6.如权利要求5所述的电流检测电路，其特征在于，所述第二匹配阻抗包括第一电容。

7.如权利要求6所述的电流检测电路，其特征在于，所述第一电阻、第二电阻和所述第一电容的取值满足：

ESL/R＝(R1+R2)*C

其中：R1为第一电阻的阻值，R2为第二电阻的阻值，C为第一电容的容抗值，ESL为所述寄生电感的感抗，R为所述采样电阻的阻值。

8.如权利要求1所述的电流检测电路，其特征在于，所述电流检测电路还包括模数转换控制器，所述模数转换控制器对所述运算放大器输出的电压进行模数转换。

9.一种基于权利要求1中的电流检测电路的电流检测方法，其特征在于，包括：

获取采样电阻的阻值；

获取寄生电感的感抗值；

使需检测的电流流经采样电阻和寄生电感；

测量第二匹配阻抗两端的电压。

10.如权利要求9所述的电流检测方法，其特征在于，获取寄生电感的感抗值包括：

向采样电阻等效电路输入一锯齿波电流，且已知所述锯齿波电流的上升沿和下降沿的持续时间，和所述锯齿波最大电流和最小电流之间差值；

测量寄生电感两侧的电压值，且获取所述寄生电感两侧电压值最大电压和最小电压差值；

计算寄生电感的感抗值：ESL＝ΔV*(t1+t2)/Δi，其中：ΔV为所述寄生电感两侧电压值最大电压和最小电压差值，Δi为锯齿波最大电流和最小电流之间差值；t1和t2分别为所述锯齿波电流的上升沿的持续时间和下降沿的持续时间。