CN116679113A - 一种基于tmr的电流检测电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于TMR的电流检测电路，包括精密基准源单元、TMR电流检测单元和误差放大单元；TMR电流检测单元连接精密基准源单元，TMR电流检测单元将电流通路产生的磁场转化为传感器的输出电压；精密基准源单元根据电路检测电流为零时的测试结果微调基准电压，将最终的电流检测输出电压调零；精密基准源单元连接误差放大单元，误差放大单元将TMR电流检测单元的输出电压与基准电压的差值进行放大，放大后的输出电压作为电路的电流监测电压。用于解决现有技术中母线功耗大，造成电能浪费，并且无法实现系统功率地与数字地完全隔离的问题。本发明无需在电流通路中串联电阻，增加额外功耗，电流检测精度高，可实现电流检测与功率部分的完全电气隔离。
Description
技术领域
本发明属于半导体混合集成电路领域，具体属于一种基于TMR的电流检测电路。
背景技术
各类电子系统需要获取通路电流的大小，以便通过有效的功率分配优化系统效率，这种方式的关键是电流检测，现有技术中采用的电流检测技术大多为在母线上串联采样电阻将电流转换为电压进行检测，该种检测方式不仅额外增加了母线功耗，造成了电能的浪费，更重要的是无法实现系统功率地与数字地的完全隔离，给系统的EMC设计造成了极大的难度。
综上所述，现有技术中存在母线功耗大，造成电能浪费，并且无法实现系统功率地与数字地的完全隔离。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于TMR的电流检测电路，用于解决现有技术中母线功耗大，造成电能浪费，并且无法实现系统功率地与数字地完全隔离的问题。本发明无需在电流通路中串联电阻，增加额外功耗，电流检测精度高，可实现电流检测与功率部分的完全电气隔离。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于TMR的电流检测电路，包括精密基准源单元、TMR电流检测单元和误差放大单元；
所述TMR电流检测单元连接所述精密基准源单元，所述TMR电流检测单元将电流通路产生的磁场转化为传感器的输出电压；所述精密基准源单元根据电路检测电流为零时的测试结果微调基准电压，将最终的电流检测输出电压调零；
所述精密基准源单元连接所述误差放大单元，所述误差放大单元将TMR电流检测单元的输出电压与基准电压的差值进行放大，放大后的输出电压作为电路的电流监测电压。
优选的，所述TMR电流检测单元包括隧道磁电阻TMR，所述隧道磁电阻TMR紧贴在电路通路的导带上将电流通路产生的磁场转化为传感器的输出电压。
优选的，所述隧道磁电阻TMR的电源端连接精密基准源单元，隧道磁电阻TMR的地端接地，隧道磁电阻TMR的电流输出端连接误差放大单元。
优选的，所述精密基准源单元包括精密基准源DZ1、电阻R1、电阻R2和电阻R3；
所述精密基准源DZ1的阳极和电阻R3的一端接地；所述电阻R3的另一端连接电阻R2的一端，所述电阻R2的另一端连接电阻R1的一端，所述电阻R1的另一端连接误差放大单元；所述精密基准源DZ1的阴极连接电阻R1的一端，所述精密基准源DZ1的参考端连接误差放大单元。
进一步的，所述精密基准源DZ1的型号为TL431。
优选的，所述精密基准源单元将+12V电源电压转换为+5V电压，为TMR电流检测单元提供电源电压。
优选的，所述精密基准源单元产生2.5V的基准电压作为误差放大单元的一个输入端。
优选的，所述误差放大单元包括运算放大器U2、运算放大器U3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8和电阻RG；
所述电阻R4的一端连接精密基准源单元，电阻R4的另一端分别连接运算放大器U2的反相输入端和电阻R5的一端，电阻R5的另一端接地；所述电阻R6的一端连接精密基准源单元，电阻R6的另一端分别连接运算放大器U2的同相输入端和电阻R7的一端；电阻R7的另一端连接电阻R8的一端和运算放大器U3的输出端；
运算放大器U3的同相输入端接地，运算放大器U3的反相输入端连接电阻RG的一端和电阻R8的另一端；电阻RG的另一端连接运算放大器U2的输出端，运算放大器U2的输出端做为电流检测输出。
优选的，所述精密基准源单元、TMR电流检测单元和误差放大单元采用厚膜基片印刷工艺和厚膜组装工艺进行集成。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供一种基于TMR的电流检测电路，采用基于厚膜工艺的混合集成电路设计技术，设计基于TMR的高精度全隔离电流检测电路，取代原有电流检测芯片的非隔离电流检测技术，通过采用TMR磁电阻进行电流检测，采用误差放大电路将TMR的输出电压与基准电压的差值进行放大，便于监测，放大后的输出电压作为电路的电流监测电压。
本发明利用磁敏器件可以很好的解决电流检测的全隔离问题，隧道磁电阻器件是继霍尔器件、各向异性磁电阻AMR和巨磁电阻GMR之后的新一代磁敏器件，具有低功耗、低温漂及高灵敏度的特点。此外TMR器件是在电气绝缘的状态下，利用电流所产生的磁场来检测电流值的一种高、低压之间的界面器件，后级采用精密差分放大实现了高精度的电流检测。该优良特性使其实现了完全隔离的高精度电流检测，为其后续应用打下了坚实的基础。
附图说明
图1为本发明中TMR电流检测示意图。
图2为本发明实施例1中一种基于TMR的电流检测电路原理框图。
图3为本发明实施例2中一种基于TMR的电流检测电路示意图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
实施例1
如图1和2所示，本发明的电路一种基于TMR的电流检测电路，包括精密基准源单元、TMR电流检测单元以及误差放大单元。
TMR电流检测单元连接精密基准源单元，TMR电流检测单元将电流通路产生的磁场转化为传感器的输出电压；精密基准源单元根据电路检测电流为零时的测试结果微调基准电压，将最终的电流检测输出电压调零。
精密基准源单元连接误差放大单元，误差放大单元将TMR电流检测单元的输出电压与基准电压的差值进行放大，放大后的输出电压作为电路的电流监测电压。
精密基准源单元：该单元由精密基准源及外围电阻组成，该单元的作用有两个，一是将+12V电源电压转换为+5V电压，为TMR电流检测器提供电源电压；二是产生一个2.5V的基准电压作为误差放大电路的一个输入端。由于后级误差放大单元电路的固有零位问题，该2.5V基准设置为可调电压，可根据电路检测电流为零时的测试结果微调该基准电压，将最终的电流检测输出电压调零，提升电路性能。
TMR电流检测单元：该单元由隧道磁电阻(TMR)组成，采用TMR替代霍尔器件，可显著改善电流传感器的灵敏度和温度特性。该传感器无需将大电流通路接入进电路中，只需将TMR器件紧贴在电路通路的导带上，将电流通路产生的磁场转化为传感器的输出电压，传感器的输出电压即为一个随电流变化的量。这样就实现了电路功率部分与数字部分的完全电气隔离。以5mΩ，10A采样电流为例，可减小的功耗为0.5W。
误差放大单元：该单元由误差放大电路组成，由于TMR传感器的输出电压随检测电流的变化量较小(1A约变化150mV左右)，不便于监测，因此采用误差放大电路，将TMR的输出电压与基准电压的差值进行放大，便于监测，放大后的输出电压作为电路的电流监测电压。可通过调整放大电路的放大倍数，将输出电压值设置在合适的范围内。
本发明的一种基于TMR的电流检测电路，采用国产裸芯片结合成熟的厚膜基片印刷工艺和厚膜组装工艺，全密封金属封装。
采用隧道磁电阻(TMR)的技术，实现功率部分与数字部分的完全隔离的电流检测，提高系统可靠性。电路组装完成后进行测试，将待测电流通过引脚接入电路中，开启+12V电源，调整电流值，监测并记录此时的电流值和输出电压值，进行测试分析。将测试结果与传统的串联采样电阻加电流检测芯片的结构进行对比，证明了该种检测结构的先进性。
表1测试结果
从测试结果可以看出，采用传统的串联采样电阻加电流检测芯片的结构，电流检测输出电压与理论值相比最大偏差为0.180V，平均偏差为0.073V，而采用TMR电流检测结构的电流检测输出电压与理论值相比最大偏差仅为0.003V，平均偏差仅为0.001V。由此可见，采用TMR电流检测结构的电流检测精度得到了大幅提高。
综上所述，采用TMR电流检测电路的优点主要有：①无需在电流通路中串联电阻，增加额外功耗；②电流检测精度高，与理论值的偏差仅为几个mV；③可实现电流检测与功率部分的完全电气隔离。
实施例2
如图3所示，本实施例中的一种基于TMR的电流检测电路包括TMR电流检测单元、精密基准源单元、误差放大单元。
TMR电流检测单元包括隧道磁电阻TMR，本实施例中隧道磁电阻TMR的型号为TMR2103，隧道磁电阻TMR紧贴在电路通路的导带上将电流通路产生的磁场转化为传感器的输出电压。隧道磁电阻TMR的电源端6连接电阻R2的另一端。隧道磁电阻TMR的地端3和电阻R3的另一端均接地。隧道磁电阻TMR的电流输出端5连接电阻R3的一端。
精密基准源单元包括精密基准源DZ1、电阻R1、电阻R2和电阻R3。本实施例中精密基准源DZ1的型号为TL431
精密基准源DZ1的阳极接地；电阻R3的另一端连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接误差放大单元；精密基准源DZ1的阴极连接电阻R1的一端，精密基准源DZ1的参考端连接误差放大单元。
误差放大单元包括运算放大器U2、运算放大器U3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8和电阻RG。
电阻R4的一端连接精密基准源单元，电阻R4的另一端分别连接运算放大器U2的反相输入端和电阻R5的一端，电阻R5的另一端接地；电阻R6的一端连接精密基准源单元，电阻R6的另一端分别连接运算放大器U2的同相输入端和电阻R7的一端；电阻R7的另一端连接电阻R8的一端和运算放大器U3的输出端。
运算放大器U3的同相输入端接地，运算放大器U3的反相输入端连接电阻RG的一端和电阻R8的另一端；电阻RG的另一端连接运算放大器U2的输出端，运算放大器U2的输出端做为电流检测输出。
TMR电流检测单元：该单元由隧道磁电阻TMR(U1)组成，该器件是继霍尔器件、各向异性磁电阻AMR和巨磁阻GMR之后的新一代磁敏器件，具有低功耗、低温漂及高灵敏度的特点。在电流传感器中，采用TMR替代霍尔器件，可显著改善电流传感器的灵敏度和温度特性。该传感器无需将大电流通路接入进电路中，只需将TMR器件紧贴在电路通路的导带上(图1所示)，将电流通路产生的磁场转化为传感器的输出电压，传感器的输出电压即为一个随电流变化的量。这样就实现了电路功率部分与数字部分的完全电气隔离。
(2)精密基准源单元：该单元由精密基准源(DZ1)及外围电阻组成，该单元的作用有两个，一是将+12V电源电压转换为+5V电压，为TMR电流检测器提供电源电压；二是产生一个2.5V的基准电压作为误差放大电路的一个输入端。由于后级误差放大单元电路的固有零位问题，该2.5V基准设置为可调电压，可根据电路检测电流为零时的测试结果微调该基准电压，将最终的电流检测输出电压调零，提升电路性能。
(3)误差放大单元：该单元由误差放大电路(U2、U3)组成，由于TMR传感器的输出电压随检测电流的变化量较小(1A约变化150mV左右)，不便于监测，因此采用误差放大电路，将TMR的输出电压与基准电压的差值进行放大，便于监测，放大后的输出电压作为电路的电流监测电压。可通过调整放大电路的放大倍数，将输出电压值设置在合适的范围内。
电路采用成熟的厚膜基片印刷工艺和厚膜组装工艺，电路内部实现全裸芯组装，金属全密封封装。内部关键元器件均采用自产芯片，主要包括TMR器件、精密基准源、运算放大器芯片等，实现了全隔离的高精度电流检测。
Claims (9)
1.一种基于TMR的电流检测电路，其特征在于，包括精密基准源单元、TMR电流检测单元和误差放大单元；
所述TMR电流检测单元连接所述精密基准源单元，所述TMR电流检测单元将电流通路产生的磁场转化为传感器的输出电压；所述精密基准源单元根据电路检测电流为零时的测试结果微调基准电压，将最终的电流检测输出电压调零；
所述精密基准源单元连接所述误差放大单元，所述误差放大单元将TMR电流检测单元的输出电压与基准电压的差值进行放大，放大后的输出电压作为电路的电流监测电压。
2.根据权利要求1所述的一种基于TMR的电流检测电路，其特征在于，
所述TMR电流检测单元包括隧道磁电阻TMR，所述隧道磁电阻TMR紧贴在电路通路的导带上将电流通路产生的磁场转化为传感器的输出电压。
3.根据权利要求2所述的一种基于TMR的电流检测电路，其特征在于，所述隧道磁电阻TMR的电源端连接精密基准源单元，隧道磁电阻TMR的地端接地，隧道磁电阻TMR的电流输出端连接误差放大单元。
4.根据权利要求1所述的一种基于TMR的电流检测电路，其特征在于，所述精密基准源单元包括精密基准源DZ1、电阻R1、电阻R2和电阻R3；
所述精密基准源DZ1的阳极和电阻R3的一端接地；所述电阻R3的另一端连接电阻R2的一端，所述电阻R2的另一端连接电阻R1的一端，所述电阻R1的另一端连接误差放大单元；所述精密基准源DZ1的阴极连接电阻R1的一端，所述精密基准源DZ1的参考端连接误差放大单元。
5.根据权利要求4所述的一种基于TMR的电流检测电路，其特征在于，所述精密基准源DZ1的型号为TL431。
6.根据权利要求1所述的一种基于TMR的电流检测电路，其特征在于，所述精密基准源单元将+12V电源电压转换为+5V电压，为TMR电流检测单元提供电源电压。
7.根据权利要求1所述的一种基于TMR的电流检测电路，其特征在于，所述精密基准源单元产生2.5V的基准电压作为误差放大单元的一个输入端。
8.根据权利要求1所述的一种基于TMR的电流检测电路，其特征在于，所述误差放大单元包括运算放大器U2、运算放大器U3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8和电阻RG；
所述电阻R4的一端连接精密基准源单元，电阻R4的另一端分别连接运算放大器U2的反相输入端和电阻R5的一端，电阻R5的另一端接地；所述电阻R6的一端连接精密基准源单元，电阻R6的另一端分别连接运算放大器U2的同相输入端和电阻R7的一端；电阻R7的另一端连接电阻R8的一端和运算放大器U3的输出端；
运算放大器U3的同相输入端接地，运算放大器U3的反相输入端连接电阻RG的一端和电阻R8的另一端；电阻RG的另一端连接运算放大器U2的输出端，运算放大器U2的输出端做为电流检测输出。
9.根据权利要求1所述的一种基于TMR的电流检测电路，其特征在于，所述精密基准源单元、TMR电流检测单元和误差放大单元采用厚膜基片印刷工艺和厚膜组装工艺进行集成。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN117969939A (zh) * | 2024-03-28 | 2024-05-03 | 成都赛迪育宏检测技术有限公司 | 一种基于tmr的fa级微电流检测电路、方法及设备 |
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