CN116256552B - 非接触式电流检测芯片及其输出限幅电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种非接触式电流检测芯片及其输出限幅电路及方法，所述输出限幅电路包括电压幅值检测电路、输出信号处理电路；所述电压幅值检测电路用以检测非接触式电流检测芯片的第一输出电压；所述输出信号处理电路用以根据所述电压幅值检测电路检测到的第一输出电压输出第二输出电压；当所述电压幅值检测电路检测到的第一输出电压表示芯片内部功能失效或者潜在风险时，使得第二输出电压超出正常工作状态下的电压范围。本发明提出的非接触式电流检测芯片及其输出限幅电路及方法，可降低额外芯片报警管脚的成本，并且省去驱动额外报警信号线的放大器及其功率消耗。

Description

非接触式电流检测芯片及其输出限幅电路及方法

技术领域

本发明属于电流检测技术领域，涉及一种非接触式电流检测芯片，尤其涉及一种非接触式电流检测芯片的输出限幅电路及方法。

背景技术

非接触式电流检测在工业和汽车领域有着广泛的应用；与传统串联电阻检测电流方式相比，在被检测电流电路电压/电流过大时，传统串联电阻检测电流方法会遇到高压浪涌冲击。温度特性恒定的电阻难以获得(或者价格昂贵)，串联电阻降低系统效率和发热等问题。图1中所示的一种基于电流感应磁场原理的非接触式电流检测方法，能够避免以上的困难。

请参阅图1，虚线框中为电流检测模组，其包括待检测电流环路及基于霍尔或者磁阻磁场检测原理的磁传感器芯片。该芯片包括三个管脚(pin)：Vdd，Vss和Out，其芯片内部主要包括磁阻或者霍尔磁场传感器、电压放大器以及一些其他伺服电路(如温度传感器、基准电压、LDO、振荡器等等)。

如图1所示，当待检测电流(箭头所示)流经电流环路时，根据电磁感应原理，会在电流环路周围产生和待检测电流大小等比例的磁场(见图1中的X和●)；该磁场被霍尔或者磁阻传感器转化为等比例大小的感应电压。由于该感应电压较小，需要电压放大器将其等比例地放大到主机检测所需要的电压大小，并且具备一定的输出驱动能力以驱动电流检测模组和主机之间的传输线容性和阻性负载。

在汽车或者工业类应用中，如果对系统的可靠性要求较高，则需要对芯片的各个模块提供持续的自检功能，在探测到功能失效时(比如过温，内部电源失压，霍尔元件灵敏度异常等)，需要通知主机及时地采取应对对策以免系统风险。通知主机报警信号的传统做法是给芯片设计一个专用的报警信号管脚，通过该管脚的高低来通知主机系统当前状态。但是在工业应用中，通常电流检测模块距离主机较远，中间的传输线较长易受干扰，另外新增加的芯片管脚也会增加电流检测模组的成本。

有鉴于此，如今迫切需要设计一种新的非接触式电流检测芯片，以便克服现有非接触式电流检测芯片存在的上述至少部分缺陷。

发明内容

本发明提供一种非接触式电流检测芯片及其输出限幅电路及方法，可降低额外芯片报警管脚的成本，并且省去驱动额外报警信号线的放大器及其功率消耗。

为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，采用如下技术方案：

一种非接触式电流检测芯片的输出限幅电路，所述输出限幅电路包括：电压幅值检测电路、电压幅值回差控制逻辑以及主放大器限幅处理电路；

所述电压幅值检测电路用以检测非接触式电流检测芯片的第一输出电压的幅值，以供电压控制逻辑参考；

所述电压幅值回差控制逻辑连接所述电压幅值检测电路，用以建立进入或退出电压限幅状态的回差；

所述主放大器限幅处理电路连接所述电压幅值回差控制逻辑，用以根据所述电压幅值回差控制逻辑建立的回差执行电压限幅处理。

作为本发明的一种实施方式，所述电压幅值检测电路包括：若干比较器，各比较器分别将非接触式电流检测芯片的第一输出电压与若干阈值电压进行比对。

作为本发明的一种实施方式，所述电压幅值检测电路包括：第一比较器、第二比较器、第三比较器、第四比较器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻及第七电阻；

所述电压幅值回差控制逻辑包括第一或非门、第二或非门、第三或非门及第四或非门；

电压Vsig分别连接第一比较器的正相输入端、第二比较器的反相输入端、第三比较器的正相输入端、第四比较器的反相输入端；

所述第一电阻的第一端连接电压VCC，第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻依次串联，第七电阻的第二端接地；

所述第一比较器的反相输入端分别连接第一电阻的第二端、第二电阻的第一端；所述第二比较器的正相输入端分别连接第三电阻的第二端、第四电阻的第一端；所述第三比较器的反相输入端分别连接第四电阻的第二端、第五电阻的第一端；所述第四比较器的正相输入端分别连接第六电阻的第二端、第七电阻的第一端；

所述第一比较器的输出端连接第一或非门的第一输入端，第一或非门的第二输入端连接第二或非门的输出端，第一或非门的输出端连接第二或非门的第一输入端；第二比较器的输出端连接第二或非门的第二输入端；第二或非门的输出端输出控制第一开关闭合的控制信号；

所述第三比较器的输出端连接第三或非门的第一输入端，第三或非门的第二输入端连接第四或非门的输出端，第三或非门的输出端连接第四或非门的第一输入端；第四比较器的输出端连接第四或非门的第二输入端；第四或非门的输出端输出控制第二开关闭合的控制信号。

作为本发明的一种实施方式，所述主放大器限幅处理电路包括：第五比较器、第六比较器、第一开关及第二开关；

所述第五比较器的正相输入端分别连接第二电阻的第二端、第三电阻的第一端；所述第六比较器的正相输入端分别连接第五电阻的第二端、第六电阻的第一端；

所述第五比较器的反相输入端分别连接第五比较器的输出端、第一开关的第二端，第六比较器的反相输入端分别连接第六比较器的输出端、第二开关的第二端。

根据本发明的另一个方面，采用如下技术方案：一种非接触式电流检测芯片，所述非接触式电流检测芯片包括上述的非接触式电流检测芯片的输出限幅电路。

作为本发明的一种实施方式，所述非接触式电流检测芯片进一步包括霍尔元件、预放大电路及功率放大器；

所述霍尔元件的输出端连接预放大电路的输入端，预放大电路输出电压Vsig；

所述第一开关的第一端分别连接第一电阻的第二端、第二开关的第一端、功率放大器的正相输入端，所述功率放大器的反相输入端连接功率放大器的输出端。

根据本发明的又一个方面，采用如下技术方案：一种非接触式电流检测芯片的输出限幅方法，所述输出限幅方法包括：

电压幅值检测电路检测非接触式电流检测芯片的第一输出电压的幅值，以供电压控制逻辑参考；

电压幅值回差控制逻辑连接所述电压幅值检测电路，建立进入或退出电压限幅状态的回差；

主放大器限幅处理电路连接电压幅值回差控制逻辑，根据电压幅值回差控制逻辑建立的回差执行电压限幅处理。

本发明的有益效果在于：本发明提出的非接触式电流检测芯片及其输出限幅电路及方法，可降低额外芯片报警管脚的成本，并且省去驱动额外报警信号线的放大器及其功率消耗。

附图说明

图1为非接触式电流检测模组工作原理图。

图2为传统电流监测芯片输出电压V_out与检测电流I的关系图。

图3为本发明一实施例中输出限幅电路的电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

该部分的描述只针对几个典型的实施例，本发明并不仅局限于实施例描述的范围。相同或相近的现有技术手段与实施例中的一些技术特征进行相互替换也在本发明描述和保护的范围内。

说明书中各个实施例中的步骤的表述只是为了方便说明，本申请的实现方式不受步骤实现的顺序限制。

说明书中的“连接”既包含直接连接，也包含间接连接，如通过一些有源器件、无源器件或电传导媒介进行的连接；还可包括本领域技术人员公知的在可实现相同或相似功能目的的基础上通过其他有源器件或无源器件的连接，如通过开关、跟随电路等电路或部件的连接。

本发明揭示了一种非接触式电流检测芯片的输出限幅电路，所述输出限幅电路包括：电压幅值检测电路、电压幅值回差控制逻辑以及主放大器限幅处理电路。

所述电压幅值检测电路用以检测非接触式电流检测芯片的第一输出电压的幅值，以供电压控制逻辑参考。

所述电压幅值回差控制逻辑连接所述电压幅值检测电路，用以建立进入或退出电压限幅状态的回差。

所述主放大器限幅处理电路连接所述电压幅值回差控制逻辑，用以根据所述电压幅值回差控制逻辑建立的回差执行电压限幅处理。

在本发明的一实施例中，所述电压幅值检测电路包括：若干比较器，分别将非接触式电流检测芯片的第一输出电压与若干阈值电压进行比对。

图3为本发明一实施例中输出限幅电路的电路示意图；请参阅图3，在本发明的一实施例中，所述电压幅值检测电路包括：第一比较器11、第二比较器12、第三比较器13、第四比较器14、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6及第七电阻R7；所述电压幅值回差控制逻辑包括第一或非门21、第二或非门22、第三或非门23及第四或非门24；所述主放大器限幅处理电路包括：第五比较器31、第六比较器32、第一开关K1及第二开关K2。

电压Vsig分别连接第一比较器11的正相输入端、第二比较器12的反相输入端、第三比较器13的正相输入端、第四比较器14的反相输入端；

所述第一电阻R1的第一端连接电压VCC，第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7依次串联，第七电阻R7的第二端接地。

所述第一比较器11的反相输入端分别连接第一电阻R1的第二端、第二电阻R2的第一端；所述第二比较器12的正相输入端分别连接第三电阻R3的第二端、第四电阻R4的第一端；所述第三比较器13的反相输入端分别连接第四电阻R4的第二端、第五电阻R5的第一端；所述第四比较器14的正相输入端分别连接第六电阻R6的第二端、第七电阻R7的第一端。

所述第一比较器11的输出端连接第一或非门21的第一输入端，第一或非门21的第二输入端连接第二或非门22的输出端，第一或非门21的输出端连接第二或非门22的第一输入端；第二比较器12的输出端连接第二或非门22的第二输入端；第二或非门22的输出端输出控制第一开关K1闭合的控制信号；

所述第三比较器13的输出端连接第三或非门23的第一输入端，第三或非门23的第二输入端连接第四或非门24的输出端，第三或非门23的输出端连接第四或非门24的第一输入端；第四比较器14的输出端连接第四或非门24的第二输入端；第四或非门24的输出端输出控制第二开关K2闭合的控制信号。

所述第五比较器31的正相输入端分别连接第二电阻R2的第二端、第三电阻的第一端；所述第六比较器32的正相输入端分别连接第五电阻R5的第二端、第六电阻R6的第一端；

所述第五比较器31的反相输入端分别连接第五比较器31的输出端、第一开关K1的第二端，第六比较器32的反相输入端分别连接第六比较器32的输出端、第二开关K2的第二端。

本发明还揭示一种非接触式电流检测芯片，所述非接触式电流检测芯片包括上述的非接触式电流检测芯片的输出限幅电路。

在本发明的一实施例中，所述非接触式电流检测芯片进一步包括霍尔元件、预放大电路及功率放大器；所述霍尔元件的输出端连接预放大电路的输入端，预放大电路输出电压Vsig；所述第一开关的第一端分别连接第一电阻的第二端、第二开关的第一端、功率放大器的正相输入端，所述功率放大器的反相输入端连接功率放大器的输出端。

本发明进一步揭示一种非接触式电流检测芯片的输出限幅方法，所述输出限幅方法包括：

电压幅值检测电路检测非接触式电流检测芯片的第一输出电压的幅值，以供电压控制逻辑参考；

电压幅值回差控制逻辑连接所述电压幅值检测电路，建立进入或退出电压限幅状态的回差；

主放大器限幅处理电路连接电压幅值回差控制逻辑，根据电压幅值回差控制逻辑建立的回差执行电压限幅处理。

如图3所示，在本发明的一种使用场景中，霍尔元件和预放大电路是电流检测芯片的前级电路，V_sig是一个被放大到与磁场大小成比例的电压信号，为了驱动负载会在霍尔元件和预放大电路后再加一级输出驱动器(driver)，此驱动器的电压增益为1。

在本申请中，V_sig和待检测电流I的关系和传统设计一样，但在驱动级的设计上，本申请进行了如下改进：

(1)增加了对V_sig幅值的检测，一旦其高于V_{th ph}或者低于V_{th nl}，就会使得信号SWP或者SWN为高；

(2)SWP，SWN是接在驱动driver输入处V_A的两个开关Switchp和Switchn的控制信号，这两个开关的另外一端分别接两个参考电压的缓冲输出：V_refh和V_refl；

(3)当待检测输入电流方向为正，并且电流值过大使得V_sig>V_{th ph}时，SWP＝1，Switchp开关开启，V_refh电压缓冲输出被接到了驱动driver的输入端V_A，所以此时V_out＝V_A＝V_refh；

(4)和(3)类似地，当待检测输入电流方向为负，并且电流值过大使得V_sig<V_{th nl}时，SWN＝1，Switchn开关开启，V_refl电压缓冲输出被接到了驱动driver的输入端V_A，所以此时V_out＝V_A＝V_refl；

(5)当芯片已经处于状态3)时，待检测电流绝对值需要降低到使得V_sig≤V_{th nh}，信号SWP才会恢复到0并且关闭开关Switchp，此时由于开关关闭，驱动放大器输入信号V_A＝V_sig，所以芯片输出

(6)当芯片已经处于状态4)时，待检测电流绝对值需要降低到使得V_sig≥V_{th pl}，信号SWN才会恢复到0并且关闭开关Switchn，此时由于开关关闭，驱动放大器输入信号V_A＝V_sig，所以芯片输出

(7)图3中电阻分压网络的作用是产生阈值电压V_{th ph}，V_{th nh}，V_{th pl}和V_{th nl}以及输出参考电压V_refh和V_refl；

(8)图3中四个比较器Cmp_ph，Cmp_nh，Cmp_pl和Cmp_nl，以及两个RS触发器是设计来建立3)～5)高低位限幅进入和退出回差阈值控制，进入和退出高位和低位限幅状态的回差分别为：(V_{th ph}-V_{th nh})和(V_{th pl}-V_{th nl})。建立进入/退出限幅状态回差控制的目的是避免系统噪声对V_sig的影响而导致系统在进入和退出限幅状态来回切换，从而避免了输出的相应来回跳变。

(9)芯片前级电路和输出驱动放大器之间插入的电阻Rx，是被设计来在限幅状态时隔离前级放大器和V_refh或者V_refl电压缓冲放大器的，而当在正常状态时(非限幅状态)，由于Switchp和Switchn开关都是关闭的，此时驱动放大器的输入端是高阻状态，所以此时芯片前级电路可以通过Rx来驱动输出驱动器的输入端V_A；

综上所述，本设计的芯片输出在待检测电流过大时，会根据待检测电流方向将芯片输出锁定在一个确定的输出值V_refh或者V_refl，而不再像传统设计那样在待检测电流过大时将输出推送到电源电压V_dd或者地电压0。

本专利提出的电流检测芯片输出限幅技术，相比于传统设计，增加了在待检测电流过大时对输出电压的限幅功能，这保证了在芯片内部没有功能失效报警情况下，芯片输出V_out最大最小电压值分别小于电源电压V_dd和大于地电压0。而在芯片内部检测到功能失效时，可以将输出驱动器关闭，从而使得输出电压V_out被负载端下拉电阻拉低至0电压(图3所示)或者被上拉负载电阻拉高至V_dd，此时主机端就可以得知芯片内部有失效报警而不需要额外的报警信号线。这一改进，降低了额外芯片报警管脚的成本，并且省去了驱动额外报警信号线的放大器及其功率消耗。

本发明进一步揭示一种非接触式电流检测芯片，所述非接触式电流检测芯片包括上述的非接触式电流检测芯片的输出限幅电路。

综上所述，本发明提出的非接触式电流检测芯片及其输出限幅电路及方法，可降低额外芯片报警管脚的成本，并且省去驱动额外报警信号线的放大器及其功率消耗。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。实施例中所涉及的效果或优点可因多种因素干扰而可能不能在实施例中体现，对于效果或优点的描述不用于对实施例进行限制。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (5)

1.一种非接触式电流检测芯片，其特征在于，所述芯片包括输出限幅电路；其中，所述芯片还包括芯片前级电路和输出驱动器；所述芯片前级电路包括霍尔元件和预放大电路；所述输出限幅电路包括：电压幅值检测电路、电压幅值回差控制逻辑以及主放大器限幅处理电路；

所述电压幅值检测电路用以检测非接触式电流检测芯片的第一输出电压的幅值，以供电压控制逻辑参考；

所述电压幅值回差控制逻辑连接所述电压幅值检测电路，用以建立进入或退出电压限幅状态的回差；

所述主放大器限幅处理电路连接所述电压幅值回差控制逻辑，用以根据所述电压幅值回差控制逻辑建立的回差执行电压限幅处理；

在所述芯片内部没有功能失效报警情况下，所述芯片输出Vout最大电压值小于电源电压Vdd，最小电压值大于地电压0；

在所述芯片内部检测到功能失效时，将输出驱动器关闭，从而使得输出电压Vout被负载端下拉电阻拉低至0电压或者被上拉负载电阻拉高至Vdd。

2.根据权利要求1所述的非接触式电流检测芯片，其特征在于：

所述电压幅值检测电路包括：若干比较器，各比较器分别将非接触式电流检测芯片的第一输出电压与若干阈值电压进行比对。

3.根据权利要求2所述的非接触式电流检测芯片，其特征在于：

所述电压幅值检测电路包括：第一比较器、第二比较器、第三比较器、第四比较器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻及第七电阻；

所述电压幅值回差控制逻辑包括第一或非门、第二或非门、第三或非门及第四或非门；

电压Vsig分别连接第一比较器的正相输入端、第二比较器的反相输入端、第三比较器的正相输入端、第四比较器的反相输入端；

所述第一电阻的第一端连接电压VCC，第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻依次串联，第七电阻的第二端接地；

所述第一比较器的反相输入端分别连接第一电阻的第二端、第二电阻的第一端；所述第二比较器的正相输入端分别连接第三电阻的第二端、第四电阻的第一端；所述第三比较器的反相输入端分别连接第四电阻的第二端、第五电阻的第一端；所述第四比较器的正相输入端分别连接第六电阻的第二端、第七电阻的第一端；

所述第一比较器的输出端连接第一或非门的第一输入端，第一或非门的第二输入端连接第二或非门的输出端，第一或非门的输出端连接第二或非门的第一输入端；第二比较器的输出端连接第二或非门的第二输入端；第二或非门的输出端输出控制第一开关闭合的控制信号；

所述第三比较器的输出端连接第三或非门的第一输入端，第三或非门的第二输入端连接第四或非门的输出端，第三或非门的输出端连接第四或非门的第一输入端；第四比较器的输出端连接第四或非门的第二输入端；第三或非门的输出端输出控制第二开关闭合的控制信号。

4.根据权利要求3所述的非接触式电流检测芯片，其特征在于：

所述主放大器限幅处理电路进一步包括：第五电压缓冲放大器、第六电压缓冲放大器、第一开关、第二开关；

所述第五电压缓冲放大器的正相输入端分别连接第二电阻的第二端、第三电阻的第一端；所述第六电压缓冲放大器的正相输入端分别连接第五电阻的第二端、第六电阻的第一端；

所述第五电压缓冲放大器的反相输入端分别连接所述第五电压缓冲放大器的输出端、第一开关的第二端，第六电压缓冲放大器的反相输入端分别连接第六电压缓冲放大器的输出端、第二开关的第二端。

5.一种权利要求1至4任一项所述非接触式电流检测芯片的输出限幅方法，其特征在于，所述输出限幅方法包括：

电压幅值检测电路检测非接触式电流检测芯片的第一输出电压的幅值，以供电压控制逻辑参考；

电压幅值回差控制逻辑连接所述电压幅值检测电路，建立进入或退出电压限幅状态的回差；

主放大器限幅处理电路连接电压幅值回差控制逻辑，根据电压幅值回差控制逻辑建立的回差执行电压限幅处理；

在所述芯片内部没有功能失效报警情况下，芯片输出Vout最大电压值小于电源电压Vdd，最小电压值大于地电压0；

在所述芯片内部检测到功能失效时，将输出驱动器关闭，从而使得输出电压Vout被负载端下拉电阻拉低至0电压或者被上拉负载电阻拉高至Vdd。