CN1800861A - 电流测量电路结构 - Google Patents

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Abstract

一种用于测量流过高电阻用电设备(R1)的电流的电路结构，其包括电流镜像电路(1)，在其第一支路(T1)中串联连接有高电阻用电设备而在其第二支路中连接有求值电路(3，4，5)。高电阻用电设备具体是内燃机的催化转化器中的λ探测器(R1)，其阻值在几MΩ的数量级并且工作在大约400℃的高工作温度下。因此，必须测量在几nA到几μA数量级的小电流。由于电流镜像电路，能够在第二支路中产生等于流过第一支路和用电设备(R1)的电流(ID1)的大小的电流(ID2)。因此，流过第二支路的电流不加载到第一支路。所有的部件都能够集成在诸如ASIC这样的集成电路中。

Description

电流测量电路结构
技术领域
本发明涉及电流测量电路结构。
背景技术
DE 198 44 465 A1描述了一种采用电流镜像电路的电流测量电路结构，并且其具有第一支路和第二支路，其中用电设备连接到第一支路而求值电路连接到第二支路。第一支路由分流电阻器，晶体管，两个附加电阻器和具有接地发射极的开关晶体管的串联电路构成。作为用电设备的欧姆负载连接在将分流电阻器与上述晶体管相连的节点处。电流镜像电路的第二支路由电阻器，晶体管和另一电阻器的串联电路构成，其中电流镜像电路通过将两个晶体管的基极相连来实现。此外，其记载了将齐纳二极管与由电流镜像电路的第一支路中的分流电阻器、第一晶体管和电阻器构成的电路并联连接从而调节电压。在这个电路结构中，流过分流电阻器的电流在电流镜像电路处分支，使得第一部分电流流过用电设备而第二部分电流流过电流镜像电路的第一支路。因此，电流镜像电路的第二支路中的电流不同于通过用电设备的被测电流，使得用于测量通过用电设备的电流的测量精度很差，并且该文献还指出其只有大约5％。此外，由于用电设备旨在用作机动车前灯所以其电阻相对较低。因此，负载电流在大约4A到12A的数量级。
US 5,845,275示出了一种利用非线性元件测量电流的电路结构，该非线性元件利用非线性半导体元件以模糊逻辑处理器的形式将电流变换为电压。
EP 1 298 778 A2描述了一种恒流源，其控制环中采用锯齿波发生器。
EP 1 372 261 A1示出了一种具有由MOS晶体管构成的电流镜像电路的电流测量电路。该电路用于控制光电二极管的电流。
最后，EP 1 211 776 A2描述了一种感应功率分配系统，其具有当因电感而出现谐振时用于将输出电压保持在给定限度内的电路。
发明内容
本发明的目的在于测量几nA到几μA的范围的很小的电流。这样的小电流出现在λ(lambda)探测器中，其用于内燃机的催化转化器中。这种十分小的电流表示由λ探测器检测的气体浓度。普通λ探测器的电阻值为大约500kΩ到几MΩ的数量级，例如5MΩ左右。在机动车辆的通常工作电压下，流过λ探测器的电流则在上述几nA到几μA的数量级。常规λ探测器基于陶瓷材料并且工作在400℃数量级的高温下。在这样的高温下，电阻值就持续升高。因此，流过λ探测器的必须测量的电流就很小。
所以，在实际中，为测量电流会采用非常高精度的测量电阻器，其借助激光束进行修整并且被调节到特定的测量范围。测量电阻器的激光修整非常耗时。此外，这种测量电阻器有相对高的温度依赖性并且在干扰场中的电磁兼容性很差。因此，在像机动车辆这样的不利环境中，使用这种精度的测量电阻器会有问题，而且由于制造成本高使得价格昂贵。
因此，本发明的问题是设计一种电路结构，其能够测量很小的电流，产生高精度的测量结果，不受干扰，并且制造成本低。
该问题通过权利要求1所记载的特征解决。本发明有利的实施例和修改将体现在其从属权利要求中。
本发明的基本原理在于使用电流镜像电路，其第一支路中设置有高电阻用电设备而第二支路中连接有求值电路。在电流镜像电路中，两个支路中流过的电流大小相等。例如，流过第一支路和用电设备像λ探测器的电流，反射到第二电路中，其中第二电路不加载第一电路也因此不窜改测量结果。为了进一步在求值电路中处理这种小电流，将跨阻抗放大器连接到电流镜像电路的第二支路，其将通过第二支路的电流变换为电压值，从而执行用于求值电路的信号调节。
根据本发明的有利的发展，用电设备是具有500kΩ到大约5MΩ数量级的电阻值的λ探测器。
根据另一有利的发展，通过PWM变换器执行信号调节，其将输入的信号变换为脉宽调制信号。这样的好处是即使在像机动车这样的嘈杂环境中，也能够不因长距离的传输而干扰脉宽调制信号。优选地，PWM变换器由比较器和锯齿波发生器构成。
根据本发明的另一有利的发展，电流镜像电路在高于车辆的电池电压的更高的工作电压下运行。为此，设置升压变换器或者电荷泵，其从现有电池电压产生用于电流镜像电路的更高工作电压。
优选地，升压变换器或者电荷泵在其工作中与负载相关，使得开关频率作为通过用电设备的电流的函数来变化。其目的是给电流镜像电路提供恒定的工作电压，而不管给定的负载。
根据本发明的另一发展，整个电路的电源的输入和/或电路的信号输出各自具有防止电压浪涌和静电电荷积累的电路，其优选通过变阻器来实现。
根据本发明的另一发展，除用电设备即负载之外，整个电路结构构造为一个专用集成电路(ASIC)。
附图说明
下面将结合附图通过实施例对本发明进行详细描述。所示为：
图1是本发明的电路结构的方框图；和
图2是对电流镜像电路的漏源电压所绘制的电流曲线图。
具体实施方式
图1示出了本发明的电路结构，其用于测量流过用电设备R1的电流。用电设备R1在此用电阻器表示。例如，它可以是λ探测器，其在正常工作期间(例如，在大约400℃的环境温度下)具有几MΩ数量级的很高的电阻值。为测量流过用电设备R1的电流，设置电流镜像电路1，其具有两个并联支路，每个都由晶体管T1和T2形成。优选地，采用工作在夹断区的自偏压FET晶体管。两个晶体管T1和T2的源极端S连接在一起并且由工作电压UB供电，这将进一步在下文讨论。第一支路中晶体管T1的漏极端D连接到用电设备R1的一个端子，其另一端接地。两个晶体管T1和T2的栅极端G彼此相连并且连接到晶体管T1的漏极端。由于第一晶体管T1的栅极和漏极被短路：
UDS＝UGS并且UGD＝0
借助电流镜像电路的特性，流过用电设备R1的电流ID1，其也流过晶体管T1的源漏沟道，正好对应于流过第二晶体管T2的源漏沟道的电流ID2。该电流ID2被输入到跨阻抗放大器2，在此转换为比例电压并且从此处流向PWM变换器3，该PWM变换器3将跨阻抗放大器2的输出信号转换为脉宽调制信号。PWM变换器3包括例如比较器4，其一个输入接收跨阻抗放大器2的输出信号而另一输入接收锯齿波发生器5的输出信号。锯齿波发生器5以公知的方式产生随时间线性增加并接着基本垂直下降的周期性输出信号。如果锯齿波发生器5的锯齿波电压超出了跨阻抗放大器的输出电压，则比较器4就根据端子的极性从“高电平”转换到“低电平”或者从“低电平”转换到“高电平”，从而形成脉宽调制信号。
本发明的电路结构主要用于测量通过机动车辆的λ探测器的电流。在大多数机动车辆中根据车辆的类型常规电池电压Ubatt为12或24V。另一方面，大多数λ探测器必须工作在30V数量级的更高电压UB下，以获得合适的测量结果。为了将电池电压Ubatt转换为较高的工作电压UB，设置电压转换器6，其优选地被配置为具有电荷泵的升压变换器。然而，也可以采用具有电感器的升压变换器。这种公知的变换器通过电子开关来操作，该电子开关根据负载以变化速率启动，以在它们的输出端产生恒定的电压。升压变换器6因此具有连接到晶体管T1的漏极端D的控制输入7，并以此来改变作为电流ID1的大小的函数的升压变换器6的开关频率，使得在升压变换器的输出端8上出现例如30V的期望电压。这个电压UB被施加到两个晶体管T1和T2的源极端S。
升压变换器的一个输入端9通过线性电压控制器10和保护电路11连接到电池电压Vbatt。保护电路11包括充当换极保护的正向偏压二极管D1，以及用于防止电压浪涌和形成静电积累的变阻器V1。这样的部件也是公知的ESD(静电放电)保护器件并且如所示，连接在电池电压Ubatt和地之间。
在利用λ探测器测量电流的实际应用中，PWM变换器3的输出还连接到限流器12，具有开路漏极输出。该输出还可以以变阻器V2的形式来提供ESD保护。
两个晶体管T1和T2优选为(p沟道)增强型并且是自偏压的。
所有部件可以组合在集成电路中，如ASIC中。
一个实施例中的锯齿波发生器工作在100kHz左右的恒定频率下。上述应用中PWM变换器3输出的PWM信号因此具有10比特的分辨率。通过将锯齿波电压的频率增加到400kHz或1.6MHz，也可以分别得到12或14比特的分辨率。
结合图2对电流镜像电路1的工作模式进行说明。自偏压FET晶体管T1和T2工作在夹断区。因此，工作点是电阻线R1的交叉点。由于晶体管T2受与晶体管T1相同的电压UGS的控制，所以漏极电流ID2等于负载电流ID1。
最后，还应该提及用作集成电路的几个模块是可买到的。例如，AnalogDevices制造的ADP667型的“低压降线性电压调节器”可以用作图1中的线性电压10。Linear Technology公司制造的LT1615型的“小系统运行试验(ThinSOT)中微功率升压DC/DC变换器”，或者STMicroelectronics制造的AN603型的“PFC升压变换器中的涡轮开关(turboswitch)”可以用作图1的升压变换器6。

Claims (14)

1、一种用于测量流过用电设备的电流的电流测量电路结构，有具有第一支路(T1)和第二支路(T2)的电流镜像电路(1)，其中所述用电设备(R1)连接到所述第一支路(T1)，而求值电路(3，4，5)连接到所述第二支路(T2)，其特征在于：所述用电设备(R1)具有高电阻，所述用电设备(R1)与所述第一支路(T1)串联连接，并且跨阻抗放大器(2)连接在所述电流镜像电路(1)的第二支路(T2)和所述求值电路(3，4，5)之间。
2、权利要求1所述的电路结构，其特征在于：所述用电设备(R1)是具有500kΩ到5MΩ数量级的电阻值的λ探测器。
3、权利要求1或2所述的电路结构，其特征在于：所述求值电路具有电压/脉宽调制变换器(3)。
4、权利要求3所述的电路结构，其特征在于：所述电压/脉宽调制变换器具有锯齿波发生器(5)和比较器(4)，所述比较器(4)的一个输入端接收所述锯齿波发生器(5)的输出信号而另一输入端接收所述电流镜像电路(1)或所述跨阻抗放大器(2)的输出信号。
5、权利要求1至4之一所述的电路结构，其特征在于：所述电流镜像电路(1)具有两个增强型自偏压场效应晶体管(T1，T2)。
6、权利要求1至5之一所述的电路结构，其特征在于：所述电流镜像电路(1)的电流由升压变换器(6)提供，所述升压变换器(6)由电池电压(Ubatt)供电并且产生高于所述电池电压的输出电压(UB)。
7、权利要求6所述的电路结构，其特征在于：所述电流镜像电路(1)的一个支路连接到所述升压变换器(6)的控制输入(7)，所述升压变换器(6)的开关频率因此作为流过所述电流镜像电路(1)的该支路的电流的函数受到控制。
8、权利要求6或7所述的电路结构，其特征在于：线性电压控制器(10)与所述升压变换器(6)串联连接。
9、权利要求6、7或8之一所述的电路结构，其特征在于：保护电路(11)与所述升压变换器(6)串联连接。
10、权利要求9所述的电路结构，其特征在于：所述保护电路(11)具有至少一个变阻器(V1)。
11、权利要求9或10所述的电路结构，其特征在于：所述保护电路具有正向偏压二极管(D1)。
12、权利要求3或4所述的电路结构，其特征在于：限流器(12)连接到负载侧的所述电压/脉宽调制变换器。
13、权利要求3、4或12所述的电路结构，其特征在于：变阻器(V2)连接到负载侧的限流器(12)或电压/脉宽调制变换器(3)。
14、权利要求1至13之一所述的电路结构，其特征在于：除所述用电设备(R1)之外，电路结构的所有模块都组合在一个集成电路中。
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