CN116594464A - 一种温度补偿电路及电流传感器 - Google Patents

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黄辉
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郭经红
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梁先锋
王冠鹰
付俭定
李春龙
司文荣
江安烽
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    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current
    • G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
    • G05F1/56—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices
    • G05F1/565—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor
    • G05F1/567—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor for temperature compensation

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Abstract

本发明涉及传感器技术领域，公开了一种温度补偿电路及电流传感器，本发明通过在惠通斯电桥上增加接地电路，接地电路使得所述惠通斯电桥的输出电压与温度无关，以完成对传感器温漂的补偿，进行电源管理模块的工作模式切换，提高电流传感器准确性，并且不需要提前测试传感器的性能来进行补偿，对传感器的性能均一性要求较低，适合大规模量产。

Description

一种温度补偿电路及电流传感器
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种温度补偿电路及电流传感器。
背景技术
随着能源行业向清洁低碳、安全高效转型，电网、新能源汽车对高灵敏度、高可靠性传感器有十分迫切的需求。面向电网数字化转型和“源网荷储”广域、分布式全景信息感知，为强化电力系统可观、可测、可控能力，需要微型化、高灵敏、低功耗的磁敏传感器提供复杂工况下的交直流磁场及电流信号高精度感知量测能力，为电网设备安全运行和可靠供电提供重要保障。目前，电流测量的主要方法有电流互感器、分流电阻、光纤电流互感器、零磁通电流互感器以及基于磁敏芯片的电流传感器。隧穿磁阻器件(TMR)是目前最新一代基于磁阻效应的磁场测量技术，其相比传统的霍尔器件、各向异性磁阻器件以及巨磁阻器件拥有更高的灵敏度，在电力系统电流测量领域拥有广泛的应用前景。
但是TMR也存在着温漂的问题，在不同温度下，输出不稳定。常规的补偿方式是需要提前测试TMR的性能，利用相应的算法进行补偿，此方法的弊端是需要对每一个出厂的TMR器件进行性能测试，不适合大规模量产。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种温度补偿电路及电流传感器，以解决常规的TMR补偿方式是需要提前测试TMR的性能，利用算法进行补偿，此方法的弊端是需要对每一个出厂的TMR器件进行性能测试，不适合大规模量产的问题。
第一方面，本发明提供了一种温度补偿电路，应用于基于惠通斯电桥的传感器，惠通斯电桥的第一供电端接入第一供电电源，电路包括：接地电路、放大电路及除法电路，其中，接地电路，其第一端与所述惠通斯电桥的第二供电端连接，其第二端接地，其用于使得惠通斯电桥的输出电压与温度无关；放大电路，其第一输入端、第二输入端分别与所述惠通斯电桥的第一输出端、第二输出端对应连接，其输出端与除法电路的第一输入端连接，其用于对惠通斯电桥的输出电压进行放大；放大电路的输出端与所述惠通斯电桥的第二供电端之间的电压为温度补偿后的惠通斯电桥的电压。
本发明通过增加接地电路，完成对TMR温漂的补偿，提高电流传感器准确性，并且不需要提前测试TMR的性能来进行补偿，对TMR的性能均一性要求较低，适合大规模量产。
在一种可选的实施方式中，温度补偿电路，还包括：除法电路，其第二输入端与所述惠通斯电桥的第二供电端连接，其用于计算放大电路输出电压与所述接地电路电压的电压比值，所述电压比值用于计算电流。
在一种可选的实施方式中，接地电路包括：接地电阻。
在一种可选的实施方式中，除法电路包括：第一对数运算电路、第二对数运算电路、减法运算电路及指数运算电路，其中，第一对数运算电路，其输入端与放大电路的输出端连接，其输出端与减法运算电路的第一输入端连接，其用于对放大电路输出电压取对数；第二对数运算电路，其输入端与惠通斯电桥的第二供电端连接，其输出端与减法运算电路的第二输入端连接，其用于对接地电路电压取对数；减法运算电路，其输出端与指数运算电路的输入端连接，其输出端与指数运算电路的输入端连接，其用于将所输入的两个电压做减法；指数运算电路，其用于对所输入的电压进行指数运算，输出放大电路输出电压与接地电路电压的比值。
在一种可选的实施方式中，第一对数运算电路及第二对数运算电路均包括：第一电阻、第二电阻、第一运算放大器及第一开关，其中，第一运算放大器，其同相输入端通过第一电阻与第二供电电源连接，其反相输入端通过第二电阻与放大电路的输出端或者惠通斯电桥的第二供电端连接，其输出端第一开关的第一端连接；第一开关，其第二端与第一运算放大器的反相输入端连接，其控制端与第三供电电源连接。
在一种可选的实施方式中，减法运算电路包括：第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第二运算放大器及第二开关，其中，第二运算放大器，其同相输入端通过第三电阻与第一对数运算电路的输出端连接，其同相输入端还通过第四电阻与第二供电电源连接，其反相输入端通过第五电阻与第二对数运算电路的输出端连接，其输出端通过第六电阻与其反相输入端连接，其输出端还与第二开关的第一端、第二开关的控制端连接；第二开关，其第二端与指数运算电路的输入端连接。
在一种可选的实施方式中，指数运算电路包括：第七电阻、第八电阻及第三运算放大器，其中，第三运算放大器，其同相输入端通过第七电阻与第二供电电源连接，其反相输入端与减法运算电路的输出端连接，其输出端通过第八电阻与其反相输入端连接，其输出端输出放大电路输出电压与接地电路电压的比值。
在一种可选的实施方式中，除法电路包括：数字信号处理芯片。
在一种可选的实施方式中，数字信号处理芯片依据下述计算公式计算惠通斯电桥所处磁场强度：
式中，V0为放大电路输出电压与接地电路电压的比值，V1为惠通斯电桥的输出电压，V2为接地电路电压，RC为接地电阻阻值，Gain为放大电路增益，Δ为磁场强度相关的系数。
第二方面，本发明提供一种电流传感器，包括：惠通斯电桥及第一方面及其任一可选的实施方式的温度补偿电路。
本发明利用温度补偿电路对惠通斯电桥进行补偿，在温度补偿电路中增加接地电路，使得惠通斯电桥的输出电压与温度无关，从而提高电流检测的准确度。
在一种可选的实施方式中，惠通斯电桥四个桥臂，每个桥臂均设一个第九电阻。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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是根据本发明实施例的温度补偿电路及电流传感器的结构示意图；
图2是根据本发明实施例的另一温度补偿电路及电流传感器的结构示意图；
图3是根据本发明实施例的除法电路的具体电路拓扑图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
根据本发明实施例，提供了一种温度补偿电路，应用于基于惠通斯电桥的传感器，如图1所示，惠通斯电桥由四个桥臂构成，每个桥臂上均设置一个磁敏感电阻(R1～R4)温度补偿电路包括：接地电路11、放大电路12及除法电路13。
如图1所示，惠通斯电桥，其第一供电端接入第一供电电源，其第二供电端通过接地电路11的第一端连接，其第一输出端及第二输出端分别与放大电路12的第一输入端、第二输入端连接。
具体地，如图1所示，四个磁敏电阻中，R1和R4的磁敏感方向相同，R2和R3的磁敏感方向相同，R1和R2的磁敏感方向相反，R1～R4的在没有磁场时，阻值为R。当磁场改变时，R2和R3的阻值增大Δ，R1和R4的阻值减小Δ，此时得到VOUT来表征磁场大小。
但是在温度的影响下，温度使R1～R4阻值变化，可以假设温度使阻值变化量为T，四个电桥电阻在同一温度下，所以变化量相同。
此时：
R1＝R4＝R-Δ+T (4)
R2＝R3＝R+Δ+T (5)
VOUT中存在与温度有关的变量T，影响磁场的计算结果。
如图1所示，接地电路11，其第二端接地，其用于使得惠通斯电桥的输出电压与温度无关。
具体地，本实施例在图1所示的在普通惠斯通电桥的基础上，加入一个对温度不敏感的接地电路11，该接地电路11的阻值不会随着温度变化而变化，并且使得式(8)与变量T无关，从而实现温度补偿。
如图1所示，放大电路12，其输出端与除法电路13的第一输入端连接，其用于对惠通斯电桥的输出电压进行放大。
可选地，本实施例的放大电路12可以包括运算放大器，但仅以此举例，并不以此为限制。
如图1所示，除法电路13，其第二输入端与惠通斯电桥的第二供电端连接，其用于基于放大电路输出电压及接地电路电压，计算惠通斯电桥所处磁场强度。
具体地，本实施例除法电路13将放大电路输出电压及接地电路电压进行除法运算，得到与变量T无关的电压比值。
在一些可选的实施方式中，如图1所示，接地电路11包括：接地电阻RC。
具体地，本实施例的接地电阻RC为对温度不敏感的高精密电阻，阻值不随温度变化而变化。在温度和磁场的同时影响下：
在一些可选的实施方式中，如图2所示，除法电路13包括：第一对数运算电路131、第二对数运算电路132、减法运算电路133及指数运算电路134。
如图2所示，第一对数运算电路131，其输入端与放大电路12的输出端连接，其输出端与减法运算电路133的第一输入端连接，其用于对放大电路输出电压取对数。
如图2所示，第二对数运算电路132，其输入端与惠通斯电桥的第二供电端连接，其输出端与减法运算电路133的第二输入端连接，其用于对接地电路电压取对数。
可选地，如图3所示，第一对数运算电路131及第二对数运算电路132均包括：第一电阻(R6、R8)、第二电阻(R5、R7)、第一运算放大器(U1、U2)及第一开关(S1、S2)，其中，第一运算放大器，其同相输入端通过第一电阻与第二供电电源VDD2连接，其反相输入端通过第二电阻与放大电路12的输出端或者惠通斯电桥的第二供电端连接，其输出端第一开关的第一端连接；第一开关，其第二端与第一运算放大器的反相输入端连接，其控制端与第三供电电源VDD1连接。
如图2所示，减法运算电路133，其输出端与指数运算电路134的输入端连接，其输出端与指数运算电路134的输入端连接，其用于将所输入的两个电压做减法。
可选地，如图3所示，减法运算电路133包括：第三电阻R9、第四电阻R11、第五电阻R10、第六电阻R12、第二运算放大器U3及第二开关S3，其中，第二运算放大器U3，其同相输入端通过第三电阻R9与第一对数运算电路131的输出端连接，其同相输入端还通过第四电阻R11与第二供电电源VDD2连接，其反相输入端通过第五电阻R10与第二对数运算电路132的输出端连接，其输出端通过第六电阻R12与其反相输入端连接，其输出端还与第二开关S3的第一端、第二开关S3的控制端连接；第二开关S3，其第二端与指数运算电路134的输入端连接。
如图2所示，指数运算电路134，其用于对所输入的电压进行指数运算，输出放大电路输出电压与接地电路电压的比值。
可选地，如图3所示，指数运算电路134包括：第七电阻R13、第八电阻R14及第三运算放大器U4，其中，第三运算放大器U4，其同相输入端通过第七电阻R13与第二供电电源VDD2连接，其反相输入端与减法运算电路133的输出端连接，其输出端通过第八电阻R14与其反相输入端连接，其输出端输出放大电路输出电压与接地电路电压的比值。
在一些可选的实施方式中，除法电路13包括：数字信号处理芯片。
具体地，在改进后的惠斯通电桥上，把电桥输出接入到放大电路12中，之后在接入一个除法电路13，完成相关信号处理。经过以上计算，得到：
数字信号处理芯片依据下述计算公式计算惠通斯电桥所处磁场强度：
式中，V0为放大电路输出电压与接地电路电压的比值，V1为惠通斯电桥的输出电压，V2为接地电路电压，RC为接地电阻阻值，Gain为放大电路增益，Δ为磁场强度相关的系数。
基于图1～图3，式(13)得到的Vo是一个与温度不相关的函数，从而通过增加一个精密电阻，完成对TMR温漂的补偿，进行电源管理模块的工作模式切换，提高电流传感器准确性。本实施例适用范围广泛，可应用于电流传感器、电线电缆的监测等。
本实施例提供一种电流传感器，如图1所示，包括：惠通斯电桥及以上实施例及其任一可选的实施方式的温度补偿电路。其中，惠通斯电桥四个桥臂，每个桥臂均设一个第九电阻。
本发明进行磁敏电流传感器电路设计，通过在电桥中加入温度不敏感的高精密电阻和除法运算电路，实现磁敏电流传感器的温度补偿。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (11)

1.一种温度补偿电路，其特征在于，应用于基于惠通斯电桥的传感器，所述惠通斯电桥的第一供电端接入第一供电电源，所述电路包括：接地电路、放大电路及除法电路，其中，
接地电路，其第一端与所述惠通斯电桥的第二供电端连接，其第二端接地，其用于使得所述惠通斯电桥的输出电压与温度无关；
放大电路，其第一输入端、第二输入端分别与所述惠通斯电桥的第一输出端、第二输出端对应连接，其输出端与所述除法电路的第一输入端连接，其用于对所述惠通斯电桥的输出电压进行放大；
所述放大电路的输出端与所述惠通斯电桥的第二供电端之间的电压为温度补偿后的惠通斯电桥的电压。
2.根据权利要求1所述的温度补偿电路，其特征在于，还包括：
除法电路，其第二输入端与所述惠通斯电桥的第二供电端连接，其用于计算放大电路输出电压与所述接地电路电压的电压比值，所述电压比值用于计算电流。
3.根据权利要求1所述的温度补偿电路，其特征在于，所述接地电路包括：接地电阻。
4.根据权利要求2所述的温度补偿电路，其特征在于，所述除法电路包括：第一对数运算电路、第二对数运算电路、减法运算电路及指数运算电路，其中，
第一对数运算电路，其输入端与所述放大电路的输出端连接，其输出端与所述减法运算电路的第一输入端连接，其用于对所述放大电路输出电压取对数；
第二对数运算电路，其输入端与所述惠通斯电桥的第二供电端连接，其输出端与所述减法运算电路的第二输入端连接，其用于对所述接地电路电压取对数；
减法运算电路，其输出端与所述指数运算电路的输入端连接，其输出端与所述指数运算电路的输入端连接，其用于将所输入的两个电压做减法；
指数运算电路，其用于对所输入的电压进行指数运算，输出放大电路输出电压与所述接地电路电压的比值。
5.根据权利要求4所述的温度补偿电路，其特征在于，所述第一对数运算电路及所述第二对数运算电路均包括：第一电阻、第二电阻、第一运算放大器及第一开关，其中，
第一运算放大器，其同相输入端通过所述第一电阻与第二供电电源连接，其反相输入端通过所述第二电阻与所述放大电路的输出端或者所述惠通斯电桥的第二供电端连接，其输出端所述第一开关的第一端连接；
第一开关，其第二端与所述第一运算放大器的反相输入端连接，其控制端与第三供电电源连接。
6.根据权利要求4所述的温度补偿电路，其特征在于，所述减法运算电路包括：第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第二运算放大器及第二开关，其中，
第二运算放大器，其同相输入端通过所述第三电阻与所述第一对数运算电路的输出端连接，其同相输入端还通过所述第四电阻与第二供电电源连接，其反相输入端通过所述第五电阻与所述第二对数运算电路的输出端连接，其输出端通过所述第六电阻与其反相输入端连接，其输出端还与所述第二开关的第一端、所述第二开关的控制端连接；
第二开关，其第二端与所述指数运算电路的输入端连接。
7.根据权利要求4所述的温度补偿电路，其特征在于，所述指数运算电路包括：第七电阻、第八电阻及第三运算放大器，其中，
第三运算放大器，其同相输入端通过所述第七电阻与第二供电电源连接，其反相输入端与所述减法运算电路的输出端连接，其输出端通过所述第八电阻与其反相输入端连接，其输出端输出所述放大电路输出电压与所述接地电路电压的比值。
8.根据权利要求3所述的温度补偿电路，其特征在于，所述除法电路包括：数字信号处理芯片。
9.根据权利要求8所述的温度补偿电路，其特征在于，所述数字信号处理芯片依据下述计算公式计算所述惠通斯电桥所处磁场强度：
式中，V0为所述放大电路输出电压与所述接地电路电压的比值，V1为所述惠通斯电桥的输出电压，V2为接地电路电压，RC为接地电阻阻值，Gain为放大电路增益，Δ为磁场强度相关的系数。
10.一种电流传感器，其特征在于，包括：惠通斯电桥及权利要求1-9任一项所述的温度补偿电路。
11.根据权利要求10所述的电流传感器，其特征在于，所述惠通斯电桥四个桥臂，每个桥臂均设一个第九电阻。
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