CN115327202B - 一种tmr电流传感器 - Google Patents
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Abstract
一种TMR电流传感器，包括：聚磁铁芯、设置于聚磁铁芯气隙处的全桥结构的TMR芯片、绕制于聚磁铁芯外围的反馈线圈、与TMR芯片相连的信号处理电路；所述TMR芯片的供电输入端和方波激励电路相连、信号输出端和所述信号处理电路相连，所述信号处理电路经采样电阻和所述反馈线圈的一端相连，所述反馈线圈的另一端接地。本发明使用方波激励为TMR芯片供电，在TMR芯片内部实现了有用信号的调制，将TMR芯片输出的有用信号调制到高频后与部分噪声信号分离，再通过解调还原有用信号，并将原低频噪声频谱搬移到较高频率进行滤除，使用经提取的有用信号实现零磁通闭环测量，降低了TMR芯片本底噪声对测量系统的影响，以实现小量级测量。
Description
技术领域
本发明属于电流测量技术领域，尤指涉及一种非接触式闭环电流传感器。
背景技术
目前用于直流高精度测量的传感器主要有基于法拉第磁光效应的光电测量传感器、基于磁调制的磁通门传感器、基于霍尔效应的闭环电流传感器以及基于各类磁电阻(AMR\GMR\TMR)效应的闭环电流传感器。其中，基于磁电阻效应的闭环电流传感器通过闭环系统可以实现二次匝比良好跟随一次匝比变化，通过测量二次电流大小可精确间接测量到一次电流大小。
为了获得较高精度，闭环电流传感器通常使用铁芯进行聚磁，通过测量铁芯气隙处剩余磁通反应闭环的稳态误差；为提高灵敏度并获得良好的稳定性，磁阻芯片内部通常为惠斯通电桥结构。由于TMR芯片可通过设计获得极高的灵敏度及带宽，目前市面上的TMR芯片具有高达数百mV/V/Oe的灵敏度及5MHz的带宽，为微弱信号测量提供了良好的前提条件，因此在闭环电流传感器中得到了很多应用。典型的TMR闭环电流传感器通过反馈电流保持聚磁铁芯中的零磁通状态，能够获得较大的量程范围及较高的精度，精度最高可达到个位数ppm级别，而且由于闭环的存在，电路噪声可通过反馈得到良好的抑制。图1为TMR芯片本底噪声的等效图，图1中的Vtmr表示TMR芯片的有用信号，Vn表示TMR芯片的本底噪声，Vtmr_OUT表示TMR芯片的总输出，Vtmr_OUT＝Vtmr+Vn。TMR内部为惠斯通电桥结构，相对桥臂的磁敏感方向相同，相邻桥臂的磁敏感方向相反。全桥结构可以使TMR芯片获得较大的芯片灵敏度，同时抑制各个桥臂的温漂。虽然闭环可以良好地抑制电路噪声，但对外部干扰及TMR芯片的本底噪声没有改善，TMR芯片数个nT/rtHz级别的本底噪声导致即使使用零磁通闭环方式设计传感器，其最低量限也只能到安培级别。如何实现低量限的宽频非接触电流测量是业内研究的重点难点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于TMR芯片的低量限TMR电流传感器，可以降低TMR芯片本底噪声的影响，应用于低量限小电流的测量。
为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：
一种TMR电流传感器，包括：聚磁铁芯、设置于所述聚磁铁芯气隙处的全桥结构的TMR芯片、绕制于所述聚磁铁芯外围的反馈线圈、与所述TMR芯片相连的信号处理电路；所述TMR芯片的供电输入端和方波激励电路相连、信号输出端和所述信号处理电路相连，所述信号处理电路经采样电阻和所述反馈线圈的一端相连，所述反馈线圈的另一端接地。
进一步的，所述信号处理电路包括依次连接的差分放大电路、解调电路、积分放大电路及线圈驱动电路，所述差分放大电路和所述TMR芯片的信号输出端相连，所述线圈驱动电路和所述采样电阻相连，所述方波激励电路的激励信号和所述解调电路的输出信号同步。
进一步的，所述方波激励电路由4个连接成全桥结构的MOS管构成。
进一步的，所述方波激励电路包括第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管和第四MOS管，4个MOS管的栅极均和一驱动芯片相连，所述第一MOS管的漏极和所述第二MOS管的漏极相连，电源端VCC接于所述第一MOS管的漏极和所述第二MOS管的漏极之间，所述第一MOS管的源极和所述第四MOS管的漏极相连，所述第二MOS管的源极和所述第三MOS管的漏极相连，所述第四MOS管的源极和所述第三MOS管的源极相连，所述方波激励电路的接地端接于所述第四MOS管的源极和所述第三MOS管的源极之间，所述方波激励电路的输出端接于第一MOS管的源极和所述第四MOS管的漏极之间以及所述第二MOS管的源极和所述第三MOS管的漏极之间，所述方波激励电路的输出端和所述TMR芯片的供电端相连。
进一步的，所述解调电路包括第五MOS管、第六MOS管、第七MOS管、第八MOS管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻和运算放大器，4个MOS管的栅极均和所述驱动芯片相连，所述第五MOS管和所述第六MOS管的漏极和所述差分放大电路的输出端相连，所述第五MOS管的源极和所述第七MOS管的漏极相连，所述第六MOS管的源极和所述第八MOS管的漏极相连，所述第七MOS管的源极和所述第一电阻相连，所述第一电阻的另一端和所述运算放大器的反相输入端相连，所述第八MOS管的源极和所述第三电阻相连，所述第三电阻的另一端和所述运算放大器的同相输入端相连，所述运算放大器的反相输入端同时经所述第二电阻和运算放大器的输出端相连，所述运算放大器的同相输入端同时经所述第四电阻接地。
进一步的，所述方波激励电路输出的方波的频率小于或等于所述TMR芯片的带宽的一半。
进一步的，所述信号处理电路还包括调零电路，所述调零电路的输出端和所述积分放大电路的输入端相连。
进一步的，所述调零电路包括依次连接的电位器和分压电阻。
进一步的，所述方波激励电路和电流传感器的电源相连，所述电源为线性电源。
进一步的，所述TMR芯片为全桥式TMR芯片。
由以上技术方案可知，本发明使用百赫兹至千赫兹级别的方波激励为TMR芯片供电，通过方波激励在TMR芯片内部实现进行信号的调制，将TMR芯片输出的有用信号调制到高频后与部分噪声信号分离，再通过解调还原有用信号，并且方波激励可以将原低频噪声频谱搬移到较高频率进行滤除，使用经提取的有用信号实现零磁通闭环测量，降低了TMR芯片本底噪声对测量系统的影响，使得采用磁敏感芯片的零磁通闭环传感器突破了原测量量程的限制，实现了更小量级的测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为TMR芯片本底噪声的等效图；
图2为本发明实施例的结构示意图；
图3为本发明实施例方波激励电路的电路图；
图4为TMR芯片的输出在方波激励时的波形图。
图5为本实施例解调电路的电路图；
图6为解调电路解调后的有用信号及噪声波形图；
图7为将解调电路解调后的信号进行傅里叶变换后的频域图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的附图会不依一般比例做局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。需要说明的是，附图采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、清晰地辅助说明本发明实施例的目的。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，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；术语“正”、“反”、“底”、“上”、“下”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。
本发明的电流传感器是含有聚磁铁芯并使用桥式TMR芯片作为磁敏感芯片的闭环电流传感器。如图2所示，本实施例的TMR电流传感器包括带有气隙的聚磁铁芯1、TMR芯片2、方波激励电路3以及信号处理电路4。聚磁铁芯1具有气隙(未标号)，TMR芯片2设置于聚磁铁芯1的气隙处，用于检测气隙处的磁场强度。在聚磁铁芯1外围绕制有反馈线圈5，反馈电流通过反馈线圈5形成反馈磁场，从而达到闭环的效果。反馈线圈5的一端接地，另一端经采样电阻6和信号处理电路4相连。TMR芯片2的供电输入端和方波激励电路3相连，信号输出端和信号处理电路4相连。聚磁铁芯1可采用软磁合金材料制成，本实施例的聚磁铁芯1采用1j85坡莫合金制成，1j85坡莫合金具有高初始磁导率低磁滞的优点。本实施例的TMR芯片2内部为全桥结构，TMR芯片2的供电引脚和方波激励电路3的输出端相连。方波激励电路3和电源(未图示)相连，本发明电流传感器的电源使用低噪声低负载调整率的线性电源。方波激励电路3为TMR芯片供电，即TMR芯片激励为稳定的直流电压信号，通过方波激励可以进行噪声的滤除。方波激励电路3输出的方波的频率为TMR芯片2的带宽的一半以下，本实施例方波激励电路3输出的方波的频率为500Hz，在其他的实施例中，方波激励电路3输出的方波的频率最高可为10KHz。采样电阻6采集反馈电流的大小，将反馈电流转换为电压的形式输出。根据闭环特性，反馈电流与被测电流安匝比相等，反馈电流可以良好反应一次电流大小，通过采样电阻6形成压降后作为传感器的总输出，可以实现高线性度的测量。
信号处理电路4用于提取TMR芯片2的输出信号中的有用信号并进行放大及补偿后向外输出，采样电阻6接于信号处理电路4的输出端。本实施例的信号处理电路4包括依次连接的差分放大电路4-1、解调电路4-2、积分放大电路4-3及线圈驱动电路4-4。差分放大电路4-1用于采集TMR芯片2输出的差分信号并转化为单端信号。解调电路4-2用于将差分放大电路4-1输出的经方波调制的信号进行解调，提取其中的有用信号并输出。积分放大电路4-3用于对解调后信号进行滤波及放大，实现闭环系统的无静差，积分放大电路4-3一方面可以作为环路滤波器用于滤除被调制到高频的噪声扰动，另一方面积分放大电路4-3对直流有近似无限增益，可以用于消除静差。线圈驱动电路4-4为具有较大电流输出的放大电路，其经采样电阻6和反馈线圈5相连，用于将积分放大电路4-3的输出进行功率放大使其足以驱动反馈线圈5。反馈线圈5将线圈驱动电路4-4输出的信号转化为磁场信号反馈到磁路部分，保证TMR芯片2处的磁场为零，系统达到稳态。聚磁铁芯1作为高导磁率材料对外界干扰起到一定的屏蔽作用。
可选的，本发明的信号处理电路4还包括一调零电路4-5，本实施例的调零电路4-5包括依次连接的电位器和分压电阻，通过调节电位器实现不同电平的输出。调零电路4-5的输出端和积分放大电路4-3的输入端相连，用于抵消传感器自带的失调电压，使传感器输入为零时输出为零或固定偏置。本发明的调零电路和常规的TMR传感器中的调零电路结构及作用相同，不是本发明的创新之处，在此不做赘述。
解调电路4-2和方波激励电路3根据一同步信号工作，该同步信号用于使方波激励电路3的激励信号和解调电路4-2的输出信号同步。图3为本发明实施例的方波激励电路的电路图，位于图3虚线框内的电路是全桥结构的TMR芯片电路。如图3所示，本实施例的方波激励电路3由4个MOS管(Q1、Q2、Q3、Q4)组成，4个MOS管连接成全桥结构，4个MOS管的栅极均和一驱动芯片(未图示)相连，本实施例的驱动芯片为用于驱动MOS管的栅极驱动芯片，如型号为EG3033的驱动芯片，第一MOS管Q1的漏极和第二MOS管Q2的漏极相连，电源端VCC接于第一MOS管Q1的漏极和第二MOS管Q2的漏极之间，第一MOS管Q1的源极和第四MOS管Q4的漏极相连，第二MOS管Q2的源极和第三MOS管Q3的漏极相连，第四MOS管Q4的源极和第三MOS管Q3的源极相连，全桥电路(方波激励电路3)的接地端接于第四MOS管Q4的源极和第三MOS管Q3的源极之间，全桥电路(方波激励电路3)的输出端(VDD1、VDD2)接于第一MOS管Q1的源极和第四MOS管Q4的漏极之间以及第二MOS管Q2的源极和第三MOS管Q3的漏极之间，全桥电路(方波激励电路3)的输出端和TMR芯片2的供电输入端相连。驱动芯片的输入控制信号为50％固定占空比的PWM信号。方波激励电路3通过全桥逆变得到方波信号作为TMR芯片2的激励信号。驱动芯片的输入控制信号即为使方波激励电路3的激励信号和解调电路4-2的输出信号同步的同步信号，本实施例中，该输入控制信号同时也用于驱动解调电路4-2中的MOS管。
本实施例的方波激励电路3的工作原理具体为：当Q1、Q3导通而Q2、Q4断开时，TMR芯片2获得正向激励；当Q2、Q4导通而Q1、Q3断开时，TMR芯片2获得反向激励。由于TMR芯片2内部的全桥结构，TMR芯片2的输出Vtmr_OUT也为方波输出，将TMR芯片2获得正向激励时的输出的有用信号记为Vtmr+，获得负向激励时输出的有用信号记为Vtmr-，则两种状态下TMR芯片2的输出分别为Vtmr_OUT+＝Vtmr++Vn，Vtmr_OUT-＝Vtmr-+Vn。对两种状态下的输出进行解调即获得原有用信号及频谱被移到方波激励同频的噪声信号Vn。图4为TMR芯片的输出在方波激励时的波形图。本发明使用方波激励，将本底噪声中的部分分量调制到高频，在解调电路进行解调后这部分本底噪声的分量会被滤除，从而去除本底噪声对后续电路的影响，实现低量限测量。
如图5为本实施例解调电路的电路图。如图5所示，本实施例的解调电路4-2包括4个MOS管(Q5、Q6、Q7、Q8)、4个电阻(R1、R2、R3、R4)及一个运算放大器U1。4个MOS管的栅极均和驱动方波激励电路3中的MOS管的驱动芯片相连，即两个电路中的MOS管由同一驱动芯片驱动。第五MOS管Q5和第六MOS管Q6的漏极和差分放大电路4-1的输出端相连，第五MOS管Q5的源极和第七MOS管Q7的漏极相连，第六MOS管Q6的源极和第八MOS管Q8的漏极相连，第七MOS管Q7的源极和第一电阻R1相连，第一电阻R1的另一端和运算放大器U1的反相输入端相连，第八MOS管Q8的源极和第三电阻R3相连，第三电阻R3的另一端和运算放大器U1的同相输入端相连。运算放大器U1的反相输入端同时还经第二电阻R2和运算放大器U1的输出端相连；运算放大器U1的同相输入端同时还经第四电阻R4接地。由于被同一驱动芯片驱动，4个MOS管组成了同步解调电路，方波激励电路中的MOS管Q1、Q3和解调电路中的MOS管Q5、Q7同时导通，方波激励电路中的MOS管Q2、Q4和解调电路中的MOS管Q6、Q8同时导通，当Q5、Q7导通而Q6、Q8断开时，输入信号经解调电路得到反相输出；当Q5、Q7断开而Q6、Q8导通时，输入信号经解调电路得到同相输出。四个电阻和运算放大器组成差分放大电路，使得无论电路实现正相还是反相功能时，对信号增益相同。驱动芯片同时向解调电路及方波激励电路输出同步信号(输入控制信号)，同步信号用于同步方波激励及解调电路中各组开关管的通断，使其开断时间及顺序一一对应。
图6为经解调及滤波后的有用信号及噪声波形图，解调电路将信号进行解调，积分放大电路对解调后的信号进行滤波。从图6可以看出，有用信号经解调被还原为直流信号，同时噪声被调制到解调电路的开关频率上。本实施例的开关频率为MOS管的导通及关断的频率，每一个MOS的导通及关断的时间组成该MOS管的开关周期，开关周期的倒数即为MOS管的导通及关断的频率，也就是开关频率。对有用信号及噪声的波形图进行傅里叶分解，得到的频域图如图7所示，图7中频率为0的点为有用信号点，直流分量为有用信号分量。从图7可以看出，进行傅里叶分解后得到的主要分量为直流的有用信号，其次为开关噪声分量，低频噪声被调制到开关频率上，有用信号点的幅值相对其他频率点的幅值大数个数量级，即有用信号占主导位，经积分电路的交流衰减作用得到平整的有用信号波形。解调电路的MOS管Q5-Q8将方波激励的TMR输出调制回正常激励时的TMR输出，等效出来的1/f噪声依然处于高频段，可以用简单的低通滤波电路滤除。对调制解调的两个信号分析，解调电路输出Vout＝1/2(Vtmr_OUT+-Vtmr_OUT-)＝1/2(Vtmr+-Vtmr-)＝Vtmr，调制解调实现了不同时间段内TMR有用信号保持不变，1/f噪声相互抵消的功能。1/f噪声是致使传感器量程无法做小的重要原因，本发明能够降低1/f噪声，从而实现小测量量程。
本发明针对闭环无法处理的TMR本底噪声问题，使用方波激励为TMR供电，通过调制解调的方法实现了高信噪比的采样，再结合闭环传感器优良线性度的特点，实现了TMR芯片运用于小信号、弱电流隔离测量领域的应用。
当然，本发明的技术构思并不仅限于上述实施例，还可以依据本发明的构思得到许多不同的具体方案，例如，除了可以采用图3所示的方波激励电路外，也可以采用磁通门电路振荡产生方波，或单片机的PWM调制产生方波，但前述实施例中所采用的桥式方波激励电路，在给TMR芯片内部的惠斯通电桥激励时，可以实现电源直接反转供电，正向供电及负向供电的电平完全一致，从而降低电源不对称产生的影响，也不会引入噪声；诸如此等改变以及等效变换均应包含在本发明所述的范围之内。
Claims (5)
1.一种TMR电流传感器，包括：聚磁铁芯、设置于所述聚磁铁芯气隙处的全桥结构的TMR芯片、绕制于所述聚磁铁芯外围的反馈线圈、与所述TMR芯片相连的信号处理电路；
其特征在于：
所述TMR芯片的供电输入端和方波激励电路相连，信号输出端和所述信号处理电路相连，所述信号处理电路经采样电阻和所述反馈线圈的一端相连，所述反馈线圈的另一端接地；
所述信号处理电路用于提取所述TMR芯片的输出信号中的有用信号并进行放大及补偿后向外输出；
所述信号处理电路包括依次连接的差分放大电路、解调电路、积分放大电路及线圈驱动电路，所述差分放大电路和所述TMR芯片的信号输出端相连，所述线圈驱动电路和所述采样电阻相连，所述方波激励电路的激励信号和所述解调电路的输出信号同步；
所述方波激励电路由4个连接成全桥结构的MOS管构成；所述方波激励电路包括第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管和第四MOS管，4个MOS管的栅极均和一驱动芯片相连，所述第一MOS管的漏极和所述第二MOS管的漏极相连，电源端VCC接于所述第一MOS管的漏极和所述第二MOS管的漏极之间，所述第一MOS管的源极和所述第四MOS管的漏极相连，所述第二MOS管的源极和所述第三MOS管的漏极相连，所述第四MOS管的源极和所述第三MOS管的源极相连，所述方波激励电路的接地端接于所述第四MOS管的源极和所述第三MOS管的源极之间，所述方波激励电路的输出端接于第一MOS管的源极和所述第四MOS管的漏极之间以及所述第二MOS管的源极和所述第三MOS管的漏极之间，所述方波激励电路的输出端和所述TMR芯片的供电端相连；
所述解调电路包括第五MOS管、第六MOS管、第七MOS管、第八MOS管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻和运算放大器，4个MOS管的栅极均和所述驱动芯片相连，所述第五MOS管和所述第六MOS管的漏极和所述差分放大电路的输出端相连，所述第五MOS管的源极和所述第七MOS管的漏极相连，所述第六MOS管的源极和所述第八MOS管的漏极相连，所述第七MOS管的源极和所述第一电阻相连，所述第一电阻的另一端和所述运算放大器的反相输入端相连，所述第八MOS管的源极和所述第三电阻相连，所述第三电阻的另一端和所述运算放大器的同相输入端相连，所述运算放大器的反相输入端同时经所述第二电阻和运算放大器的输出端相连，所述运算放大器的同相输入端同时经所述第四电阻接地。
2.如权利要求1所述的TMR电流传感器，其特征在于：所述方波激励电路输出的方波的频率小于或等于所述TMR芯片的带宽的一半。
3.如权利要求1所述的TMR电流传感器，其特征在于：所述信号处理电路还包括调零电路，所述调零电路的输出端和所述积分放大电路的输入端相连。
4.如权利要求3所述的TMR电流传感器，其特征在于：所述调零电路包括依次连接的电位器和分压电阻。
5.如权利要求1所述的TMR电流传感器，其特征在于：所述方波激励电路和电流传感器的电源相连，所述电源为线性电源。
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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