CN112630498A - 高边采样电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高边采样电路。该高边采样电路包括：第一电源模块，用于提供高边电源；采样电阻，采样电阻的一端与第一电源模块电连接，采样电阻的另一端接地；第一电流镜电路，第一电流镜电路与采样电阻电连接，用于采集采样电阻的第一电信号；第二电流镜电路，与第一电流镜电路电连接，用于根据第一电信号生成第二电信号；阻抗调节模块，分别与第一电流镜电路、第二电流镜电路电连接；采样输出模块，与阻抗调节模块电连接，用于根据第二电信号生成采样结果；第二电源模块，分别与第一电流镜电路、第二电流镜电路电连接，用于提供辅助电源。本发明能够同时兼顾宽电压范围和高精度的电流采样。

Description

高边采样电路

技术领域

本发明涉及采样电路领域，尤其涉及一种高边采样电路。

背景技术

目前，在电气领域，需要对高边电流进行精确采样。

在相关技术中，通过采样电阻及其放大电路来实现高边电流的非隔离采样。但上述方法存在以下问题：第一，电路采样精度与分流电阻功耗存在矛盾关系：若采样电阻阻值减小，则其两端的采样电压降低，后级差分放大电路的放大倍数变大，此时电路的采样精度低，分流电阻的功耗小；若采样电阻阻值增大，则其两端的采样电压升高，后级差分放大电路的放大倍数变小，此时电路的采样精度高，分流电阻的功耗大。第二，高边电压的变化对采样精度的影响大：对于高边电压变化范围很宽的应用场合，上述方法无法同时兼顾宽电压范围和电流采样精度。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种高边采样电路，能够同时兼顾宽电压范围和高精度的电流采样。

根据本发明的第一方面实施例的高边采样电路，包括：第一电源模块，用于提供高边电源；采样电阻，所述采样电阻的一端与所述第一电源模块电连接，所述采样电阻的另一端接地；第一电流镜电路，所述第一电流镜电路与所述采样电阻电连接，用于采集所述采样电阻的第一电信号；第二电流镜电路，与所述第一电流镜电路电连接，用于根据所述第一电信号生成第二电信号；阻抗调节模块，分别与所述第一电流镜电路、所述第二电流镜电路电连接，用于根据所述高边电源调节所述阻抗调节模块的阻抗；采样输出模块，与所述阻抗调节模块电连接，用于根据所述第二电信号生成采样结果；第二电源模块，分别与所述第一电流镜电路、所述第二电流镜电路电连接，用于提供辅助电源。

根据本发明实施例的高边采样电路，至少具有如下有益效果：通过第一电流镜电路和第二电流镜电路实现了微小电压的放大，从而提高了高边采样电路的采样精度。通过阻抗调节模块自动调节阻抗，使得阻抗调节模块承担了高边电源的电压变化，以实现对宽范围高边电源的采样，克服了采样精度与分流电阻功耗之间的矛盾。

根据本发明的一些实施例，所述第一电流镜电路包括：第一电阻，与所述第二电源模块电连接；第二电阻，与所述第二电源模块电连接；第三电阻，与所述采样电阻的一端电连接；第四电阻，与所述采样电阻的另一端电连接；第一控压流元件，所述第一控压流元件的集电极与所述第一电阻电连接，所述第一控压流元件的发射极与所述第三电阻电连接；第二控压流元件，所述第二控压流元件的集电极分别与所述第二电阻、所述第一控压流元件的基极电连接，所述第二控压流元件的基极与所述第一控压流元件的基极电连接，所述第二控压流元件的发射极与所述第四电阻电连接；第三控压流元件，所述第三控压流元件的基极与所述第一控压流元件的集电极电连接，所述第三控压流元件的发射极与所述第二控压流元件的发射极电连接，所述第三控压流元件的集电极与所述第二电流镜电路电连接。

根据本发明的一些实施例，所述第一控压流元件包括：NPN型三极管，所述第二控压流元件包括：NPN型三极管。

根据本发明的一些实施例，所述第二电流镜电路包括：第五电阻，与所述第二电源模块电连接；第六电阻，与所述第二电源模块电连接；第四控压流元件，所述第四控压流元件的发射极与所述第五电阻电连接，所述第四控压流元件的集电极与所述第一电流镜电路电连接；第五控压流元件，所述第五控压流元件的发射极与所述第六电阻电连接，所述第五控压流元件的基极分别与所述第四控压流元件的基极、所述第四控压流元件的集电极电连接，所述第五控压流元件的集电极与所述阻抗调节模块电连接。

根据本发明的一些实施例，所述第四控压流元件包括：PNP型三极管，所述第五控压流元件包括：PNP型三极管。

根据本发明的一些实施例，所述阻抗调节模块包括：第六控压流元件，所述第六控压流元件的源极与所述第二电流镜电路电连接，所述第六控压流元件的栅极与所述第一电流镜电路电连接，所述第六控压流元件的漏极与所述采样输出模块电连接；第七电阻，所述第七电阻的一端与所述第六控压流元件的源极电连接，所述第七电阻的另一端与所述第六控压流元件的栅极电连接。

根据本发明的一些实施例，所述第六控压流元件包括PMOS管。

根据本发明的一些实施例，所述采样输出模块包括：第八电阻，所述第八电阻的一端与所述阻抗调节模块电连接，所述第八电阻的另一端接地。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：

图1为本发明高边采样电路的一具体实施例的模块框图；

图2为本发明高边采样电路的一具体实施例的电路结构示意图。

附图标记：

第一电源模块100、第一电流镜电路200、第二电流镜电路300、阻抗调节模块400、采样输出模块500、第二电源模块600。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

参照图1，在一些实施例中，高边采样电路包括：第一电源模块100、采样电阻、第一电流镜电路200、第二电流镜电路300、阻抗调节模块400、采样输出模块500和第二电源模块600。第一电源模块100用于提供高边电源；采样电阻的一端与第一电源模块100电连接，采样电阻的另一端接地；第一电流镜电路200与采样电阻电连接，用于采集所述采样电阻的第一电信号；第二电流镜电路300与第一电流镜电路200电连接，用于根据第一电信号生成第二电信号；阻抗调节模块400分别与第一电流镜电路200、第二电流镜电路300电连接，用于根据高边电源调节自身的阻抗；采样输出模块500与阻抗调节模块400电连接，用于根据第二电信号生成采样结果；第二电源模块600分别与第一电流镜电路200、第二电流镜电路300电连接，用于提供辅助电源。具体地，采样电阻与第一电源模块100串联连接，以形成高边采样。第一电流镜电路200的两侧桥臂分别与采样电阻的两端电连接，当电源模块提供的高边电源流经采样电阻时，采样电阻两端产生电压差，根据电流镜的特性，第一电源模块100采集的第一电信号与该电压差等比例。第二电流镜电路300接收第一电信号并生成第二电信号，由电流镜特性可知，第二电信号与第一电信号相等，因此，通过采集第二电信号流经采样输出模块500的电信号即可获得高边采样电压，即采样电阻两端的电压差。当电源模块提供的高边电源电压升高时，阻抗调节模块400增大自身阻抗，以增加分压；当电源模块提供的高边电源电压降低时，阻抗调节模块400减小自身阻抗，以减少分压，从而实现对宽范围高边电源的电压采样，并提高采样的精度。可以理解的是，宽范围的电压可以包括低压为0V，高压为几千V。

本申请实施例提供的高边采样电路通过第一电流镜电路200和第二电流镜电路300实现了微小电压的放大，从而提高了高边采样电路的采样精度。通过阻抗调节模块400自动调节阻抗，使得阻抗调节模块400承担了高边电源的电压变化，以实现对宽范围高边电源的采样，克服了采样精度与分流电阻功耗之间的矛盾。

参照图2，在一些实施例中，第一电流镜电路200包括：第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一控压流元件Q1、第二控压流元件Q2和第三控压流元件Q3。第一电阻R1与第二电源模块600电连接；第二电阻R2与第二电源模块600电连接；第三电阻R3与采样电阻Rs的一端电连接；第四电阻R4与采样电阻Rs的另一端电连接；第一控压流元件Q1的集电极与第一电阻R1电连接，第一控压流元件Q1的发射极与第三电阻R3电连接；第二控压流元件Q2的集电极分别与第二电阻R2、第一控压流元件Q1的基极电连接，第二控压流元件Q2的基极与第一控压流元件Q1的基极电连接，第二控压流元件Q2的发射极与第四电阻R4电连接；第三控压流元件Q3的基极与第一控压流元件Q1的集电极电连接，第三控压流元件Q3的发射极与第二控压流元件Q2的发射极电连接，第三控压流元件Q3的集电极与第二电流镜电路300电连接。

具体地，采样电阻Rs为高边采样电阻，第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一控压流元件Q1、第二控压流元件Q2组成包括两个桥臂的电流镜，其中，第一电阻R1与第二电阻R2阻值相等，第三电阻R3与第四电阻R4阻值相等。当电源模块提供高边电源时，电流由V1端流向V2端，V1端与V2端产生电压差Rs*I，V1端电压大于V2端电压，即第一电流镜电路200的左侧桥臂电压大于右侧桥臂电压。此时，第三控压流元件Q3根据第二电源模块600提供的辅助电源Vaux导通，第三控压流元件Q3的发射极电流流向第四电阻R4，使得第一控压流元件Q1和第二控压流元件Q2各自所处桥臂的电流相等，以保持第一电流镜电流的电流镜特性。可以理解的是，当V1端和V2端的电压差增加时，流经第三控压流元件Q3发射极的电流也等比例增加，即第三控压流元件Q3发射极的电流与V1端、V2端之间的电压差等比例。当忽略第三控压流元件Q3的基极电流时，第三控压流元件Q3的集电极电流等于发射极电流，即第三控压流元件Q3的集电极电流与V1端、V2端之间的电压差也等比例。可以理解的是，第三控压流元件Q3为实现第一控压流元件Q1、第二控压流元件Q2构成的第一电流镜电路的两个桥臂的均衡，可自动调节自身的基极电流。第一电流镜电路200可以实现微小电压的放大，放大过程由第一控压流元件Q1、第二控压流元件Q2、第三控压流元件Q3的带宽决定，因此该高边采样电路可以实现高带宽和快响应。

在一些实施例中，第一控压流元件Q1包括NPN型三极管，第二控压流元件Q2包括NPN型三极管。可以理解的是，根据实际需要，可将上述NPN型三极管替换为可实现的MOS管。

在一些实施例中，第二电流镜电路300包括：第五电阻R5、第六电阻R6、第四控压流元件Q4和第五控压流元件Q5。第五电阻R5与第二电源模块600电连接；第六电阻R6与第二电源模块600电连接；第四控压流元件Q4的发射极与第五电阻R5电连接，第四控压流元件Q4的集电极与第一电流镜电路200电连接；第五控压流元件Q5的发射极与第六电阻R6电连接，第五控压流元件Q5的基极分别与第四控压流元件Q4的基极、第四控压流元件Q4的集电极电连接，第五控压流元件Q5的集电极与阻抗调节模块400电连接。具体地，第三控压流元件Q3的集电极分别与第四控压流元件Q4的集电极、第四控压流元件Q4的基极、第五控压流元件Q5的基极电连接。第五电阻R5、第六电阻R6、第四控压流元件Q4、第五控压流元件Q5组成一个电流镜，即流经第四控压流元件Q4的集电极电流与流经第五控压流元件Q5的集电极电流相等，且均等于第三控压流元件Q3的发射极电流。可以理解的是，第一电流镜电路200、第二电流镜电路300可以实现微小电压的放大，放大过程由第一控压流元件Q1、第二控压流元件Q2、第三控压流元件Q3、第四控压流元件Q4和第五控压流元件Q5的带宽决定，因此该高边采样电路可以实现高带宽和快响应。

在一些实施例中，第四控压流元件Q4包括PNP型三极管，第五控压流元件Q5包括PNP型三极管。可以理解的是，根据实际需要，可将上述PNP型三极管替换为可实现的MOS管。

在一些实施例中，阻抗调节模块400包括：第六控压流元件Q6和第七电阻R7。第六控压流元件Q6的源极与第二电流镜电路300电连接，第六控压流元件Q6的栅极与第一电流镜电路200电连接，第六控压流元件Q6的漏极与采样输出模块500电连接；第七电阻R7的一端与第六控压流元件Q6的源极电连接，第七电阻R7的另一端与第六控压流元件Q6的栅极电连接。具体地，第六控压流元件Q6的源极与第五控压流元件Q5的集电极电连接，第七电阻R7的一端分别与第六控压流元件Q6的栅极、第四电阻R4电连接。第七电阻R7用于防止静电，并用于调节电路的采样动态响应。第六控压流元件Q6工作在线性区，以自动调节高边电源对采样输出模块500采样精度的影响。当电源模块100提供的高边电源电压升高时，第六控压流元件Q6的源极与漏极之间的阻抗变大，以提高第六控压流元件Q6的分压。当电源模块100提供的高边电源电压降低时，第六控压流元件Q6的源极与漏极之间的阻抗变小，以降低第六控压流元件Q6的分压。当电源模块100提供的高边电源电压变化时，第六控压流元件Q6源极与漏极之间的阻抗也随时变化，以使第六控压流元件Q6承担电源模块变化的电压，此时采样输出模块500的分压无变化，从而提高了电路的采样精度，并实现电路对电源模块宽电压范围的采样。阻抗调节模块400将高边采样电压自动转换为低边电压信号，高边电源电压的大小不影响高低边的自动阻值转换，从而实现对宽范围高边电源的高边电流采样。可以理解的是，高边电源的最高电压变化范围，受隔离辅助供电Vaux的隔离耐压程度、第六控压流元件Q6的耐压等级的影响。

在一些实施例中，第六控压流元件Q6包括PMOS管。可以理解的是，根据实际需要，可将上述PMOS管替换为可实现的三极管。

在一些实施例中，采样输出模块500包括：第八电阻R8。第八电阻R8的一端与阻抗调节模块400电连接，第八电阻R8的另一端接地。具体地，第八电阻R8的一端与第六控压流元件Q6的漏极电连接，第八电阻R8的另一端接地。第六控压流元件Q6导通后，第五控压流元件Q5的集电极电流流向第八电阻R8，第六控压流元件Q6源极与漏极之间的阻抗根据高边电源电压的变化而变化，以保证第四控压流元件Q4的集电极电流与第五控压流元件Q5的集电极电流相等，使得流经第八电阻R8的电流与V1端、V2端的电压差等比例，即第八电阻R8两端的电压即为高边采样电压

其中I表示流经采样电阻Rs的电流。

在一个具体的实施例中，第二电源模块600用于提供辅助电源Vaux，该辅助电源的地(Vaux_GND)与高边采样电阻Rs的V2端相同。当电源模块100提供的高边电源电流流经采样电阻Rs时，V1端的电压大于V2端的电压，即第一电流镜电路200的左侧桥臂电压大于右侧桥臂电压。此时，第三控压流元件Q3的基极流过电流，第三控压流元件Q3导通，第三控压流元件Q3的发射极电流流向第四电阻R4，使得第一控压流元件Q1与第二控压流元件Q2所属桥臂电流保持一致。当V1端与V2端的电压差增加时，流经第三控压流元件Q3发射极的电流等比例增加，以保持第三控压流元件Q3的发射极电流与V1端、V2端之间的电压差等比例的状态。若忽略第三控压流元件Q3的基极电流，则第三控压流元件Q3的集电极电流等于发射极电流，且第三控压流元件Q3的集电极电流与V1端、V2端之间的电压差等比例。此时，流经第八电阻R8的电流与V1端、V2端之间的电压差等比例，即第八电阻R8两端的电压为高边采样电压，与低边电流的基准地相同。

本申请实施例提供的高边采样电路通过阻抗调节模块承担电源模块提供的高边电源变化时的分压，使得高边采样电路可应用于宽电压范围的应用中，且避免了高边电源的变化幅度、频率对采样的动态响应及采用精度的影响。该高边采样电路可使用阻值小的采样电阻，实现低功耗、高精度、高动态响应的高边电流信号采样，并将该采样得到的信号传递到低边进行计算。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (8)

1.高边采样电路，其特征在于，包括：

第一电源模块，用于提供高边电源；

采样电阻，所述采样电阻的一端与所述第一电源模块电连接，所述采样电阻的另一端接地；

第一电流镜电路，所述第一电流镜电路与所述采样电阻电连接，用于采集所述采样电阻的第一电信号；

第二电流镜电路，与所述第一电流镜电路电连接，用于根据所述第一电信号生成第二电信号；

阻抗调节模块，分别与所述第一电流镜电路、所述第二电流镜电路电连接，用于根据所述高边电源调节所述阻抗调节模块的阻抗；

采样输出模块，与所述阻抗调节模块电连接，用于根据所述第二电信号生成采样结果；

第二电源模块，分别与所述第一电流镜电路、所述第二电流镜电路电连接，用于提供辅助电源。

2.根据权利要求1所述的高边采样电路，其特征在于，所述第一电流镜电路包括：

第一电阻，与所述第二电源模块电连接；

第二电阻，与所述第二电源模块电连接；

第三电阻，与所述采样电阻的一端电连接；

第四电阻，与所述采样电阻的另一端电连接；

第一控压流元件，所述第一控压流元件的集电极与所述第一电阻电连接，所述第一控压流元件的发射极与所述第三电阻电连接；

第二控压流元件，所述第二控压流元件的集电极分别与所述第二电阻、所述第一控压流元件的基极电连接，所述第二控压流元件的基极与所述第一控压流元件的基极电连接，所述第二控压流元件的发射极与所述第四电阻电连接；

第三控压流元件，所述第三控压流元件的基极与所述第一控压流元件的集电极电连接，所述第三控压流元件的发射极与所述第二控压流元件的发射极电连接，所述第三控压流元件的集电极与所述第二电流镜电路电连接。

3.根据权利要求2所述的高边采样电路，其特征在于，所述第一控压流元件包括：NPN型三极管，所述第二控压流元件包括：NPN型三极管。

4.根据权利要求1所述的高边采样电路，其特征在于，所述第二电流镜电路包括：

第五电阻，与所述第二电源模块电连接；

第六电阻，与所述第二电源模块电连接；

第四控压流元件，所述第四控压流元件的发射极与所述第五电阻电连接，所述第四控压流元件的集电极与所述第一电流镜电路电连接；

第五控压流元件，所述第五控压流元件的发射极与所述第六电阻电连接，所述第五控压流元件的基极分别与所述第四控压流元件的基极、所述第四控压流元件的集电极电连接，所述第五控压流元件的集电极与所述阻抗调节模块电连接。

5.根据权利要求4所述的高边采样电路，其特征在于，所述第四控压流元件包括：PNP型三极管，所述第五控压流元件包括：PNP型三极管。

6.根据权利要求1所述的高边采样电路，其特征在于，所述阻抗调节模块包括：

第六控压流元件，所述第六控压流元件的源极与所述第二电流镜电路电连接，所述第六控压流元件的栅极与所述第一电流镜电路电连接，所述第六控压流元件的漏极与所述采样输出模块电连接；

第七电阻，所述第七电阻的一端与所述第六控压流元件的源极电连接，所述第七电阻的另一端与所述第六控压流元件的栅极电连接。

7.根据权利要求6所述的高边采样电路，其特征在于，所述第六控压流元件包括PMOS管。

8.根据权利要求1所述的高边采样电路，其特征在于，所述采样输出模块包括：

第八电阻，所述第八电阻的一端与所述阻抗调节模块电连接，所述第八电阻的另一端接地。

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