CN204832328U - 一种电流检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电流检测系统，包括电流检测单元、切档触发单元、分流电阻单元、切档开关和控制单元；分流电阻单元串联在待测电流母线上，其第二输入端连接切档开关输出端；电流检测单元的输入端连接分流电阻单元的第二输出端，控制单元的检测电流输入端连接电流检测单元的输出端，切档触发信号输入端连接切档触发单元的输出端；切档触发单元的输入端连接分流电阻单元的第三输出端；切档开关的输入端连接控制单元的输出端；根据切档触发单元检测到的电流生成切档触发信号，控制切档开关切换分流电阻；本实用新型提供的电流检测系统，其切档触发信号为模拟信号，且在电流检测与档位切换之间无时延，提高了电阻分流式电流检测中档位切换的实时性。

Description

一种电流检测系统

技术领域

本实用新型属于电流检测技术领域，更具体地，涉及一种电流检测系统。

背景技术

在供电设备中常采用电阻分流的方式来检测母线电流，随着负载的变化，输出电流也会发生变化；当电流变化范围较大时，电流检测电路需要切换分流电阻，以适应不同幅度的电流值；现有的档位切换方法一般为：当检测到的电流值超过某一档位的阈值时，使用开关器件将此档位的分流电阻断开，同时将另一档位的分流电阻导通，同时检测这个导通的分流电阻的端电压以获取电流值。

这种利用电流的检测值来判断是否切档，并给出切档命令的方式在电流变化的瞬间不能及时切档，因为在高精度电流检测中，往往要经过复杂的数字信号处理之后才更新电流输出值，从检测并读取符合精度要求的电流值到切档之间有一定的时延；档位在电流跳变的瞬间不能及时切换，输出至负载的电压值将发生较大跳变，影响检测的准确度；小电流至大电流变化时也会对分流电阻造成较大的冲击，甚至会烧坏电阻；另一方面，现有的切档装置中，切档开关与分流电阻串联，在切档的瞬间会造成电路断开，同样造成输出电压的跳变影响检测准确度。

实用新型内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种电流检测系统，其目的在于解决现有电流检测技术中在电流跳变瞬间档位不能即时切换的问题。

为实现上述目的，按照本实用新型的一个方面，提供了一种电流检测系统，包括电流检测单元、切档触发单元、分流电阻单元、切档开关和控制单元；

其中，分流电阻单元串联在待测电流母线上，其第一输入端用于连接待测电源，第一输出端用于连接负载，第二输入端连接切档开关输出端；电流检测单元的输入端连接分流电阻单元的第二输出端，控制单元的检测电流输入端连接电流检测单元的输出端，根据电流检测单元输出的信号获取电流检测值，切档触发信号输入端连接切档触发单元的输出端；切档触发单元的输入端连接分流电阻单元的第三输出端；切档开关的输入端连接控制单元的输出端；

其中，分流电阻单元包括至少两个不同档位的分流电阻；切档触发单元具有检测电流和切换分流电阻的功能，其检测到的电流仅用于生成切档触发信号；切档开关根据该切档触发信号切换分流电阻。

优选的，分流电阻单元包括微安档分流电阻和安培档分流电阻，两档分流电阻串联；

且电流检测单元包括微安档电流检测电路和安培档电流检测电路；

切档开关并联在微安档分流电阻的两端；微安档电流检测电路的输入端连接微安档分流电阻；安培档电流检测电路的输入端连接安培档分流电阻；

当切档开关断开时，微安档电流检测单元与安培档电流检测单元均被接入母线，根据微安档电流检测单元的检测值获取系统的电流检测值；当切档开关导通时，微安档分流电阻以及微安档电流检测单元被短路，不再提供有效的检测值，取安培档电流检测单元的检测结果作为系统的电流检测值。

优选的，分流电阻单元包括微安档分流电阻、毫安档分流电阻和安培档分流电阻，三档分流电阻串联；

电流检测单元包括微安档电流检测电路、毫安档电流检测电路和安培档电流检测电路；

切档开关包括第一切档开关和第二切档开关；第一切档开关并联在微安档分流电阻的两端；第二切档开关并联在毫安档分流电阻的两端；

微安档电流检测电路的输入端连接微安档分流电阻，毫安档电流检测电路的输入端连接毫安档分流电阻，安培档电流检测电路的输入端连接安培档分流电阻。

优选的，切档触发单元包括第一电压比较电路和第二电压比较电路；

其中，第一电压比较电路的输入端连接微安档分流电阻，输出端连接控制单元的第一切档触发信号输入端；第二电压比较电路的输入端连接安培档分流电阻，输出端连接控制单元的第二切档触发信号输入端；控制单元的第一检测电流输入端连接微安档电流检测电路的输出端，第二检测电流输入端连接安培档电流检测电路的输出端；

第一电压比较电路用于比较微安档分流电阻两端的电压与第一阈值电压；第二电压比较电路用于比较安培档分流电阻两端的电压与第二阈值电压；

控制单元一方面根据上述两个比较电路的输出的切档条件信号提供模拟的切档触发信号，以触发切档开关断开或导通；另一方面根据微安档电流检测电路与安培档电流检测电路的输出信号获取电流检测值。

优选的，切档触发单元还包括第三电压比较电路，第三电压比较电路的输入端连接毫安档分流电阻，输出端连接控制单元的第三切档触发信号输入端；控制单元的第三检测电流输入端连接毫安档电流检测电路的输出端；第三电压比较电路用于比较毫安档分流电阻两端的电压与第三阈值电压。

优选的，上述第一电压比较电路、第二电压比较电路和第三电压比较电路均包括检测放大电路、阈值电压生成电路和比较器；

各检测放大电路并联在各比较电路连接的分流电阻的两端，用于检测所述分流电阻两端的端电压；阈值电压生成电路在控制单元的控制下生成本档位的阈值电压；比较器用于比较同一档位的分流电阻两端的端电压与阈值电压，获取切档触发信号。

优选的，上述微安档电流检测电路、毫安档电流检测电路和安培档电流检测电路均包括串联的检测放大电路和模数转换电路；检测放大电路用于检测各档位对应的分流电阻两端的电压并放大，模数转换电路用于将所述放大后的电压转换为数字信号。

优选的，第一阈值电压为1mA*微安档分流电阻阻值；第二阈值电压为1A*安培档分流电阻阻值；第三阈值电压为1mA*毫安档分流电阻阻值；其中，*符号表示相乘。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)由于本实用新型提供的电流检测系统，其切档开关是并联在分流电阻的两端，切档开关闭合切档时，只是将某一个或两个电流档位分流电阻短路，至少有一个分流电阻与其对应的电流检测电路处于正常的接入状态，切档不会导致电路断开，不影响母线电流的正常输出；

而另一方面，某一档位分流电阻被短路后，该分流电阻不再提供有效的检测值，可以避免因切档开关与分流电阻串联时开关介入分流电阻而造成检测误差，将因切档对输出电压和输出电流的影响降到最低；

(2)由于本实用新型提供的电流检测系统，其电流检测单元与切档触发单元互相独立；切档触发单元与电流检测单元同步的检测电流，切档触发单元根据其检测到的电流提供模拟信号作为档位切换的触发信号，不需经过数字信号转换及处理的过程，减少了信号转换和数字处理到档位切换之间的时延，在待测电流瞬变时可及时自动切档，提高了切档实时性，避免切档不及时造成的输出电压和电流的跳变；同时减小因档位切换、尤其是避免了从低电流档位切换至高电流档位时大电流对分流电阻的冲击。

附图说明

图1是本实用新型提供的电流检测系统的系统框图；

图2是本实用新型实施例1提供的电流检测系统的电路示意图；

图3是本实用新型实施例2提供的电流检测系统的电路示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本实用新型提供的电流检测系统的系统框图如图1所示，具体包括电流检测单元、切档触发单元、分流电阻单元、切档开关和控制单元；

应用于电流检测时，分流电阻单元串联在待测电流母线上，其第一输入端用于连接待测电源，第一输出端用于连接负载，第二输入端连接切档开关输出端；电流检测单元的输入端连接分流电阻单元的第二输出端，控制单元的检测电流输入端连接电流检测单元的输出端，切档触发信号输入端连接切档触发单元的输出端；切档触发单元的输入端连接分流电阻单元的第三输出端；切档开关的输入端连接控制单元的输出端，根据切档触发信号选择分流电阻的导通与短接，以此切换电流检测档位；

其中，分流电阻单元包括至少两个不同档位的分流电阻；切档触发单元与电流检测单元同步的检测电流；切档触发单元根据其检测到的电流获取档位切换触发信号，不需经过数字信号转换及处理，减少了信号转换和数字处理到档位切换之间的时延，在待测电流瞬变时实时自动切档，避免切档不及时造成的输出电压和电流的跳变；同时减小因档位切换、尤其是从低电流档位切换至高电流档位时大电流对分流电阻的冲击。

以下结合实施例具体阐述本实用新型提供的电流检测系统及档位切换方法：

实施例1

实施例1提供的电流检测系统的电路如图2所示，具有安培和微安两个检测的档位，具体如下：

其电流检测单元包括微安档电流检测电路和安培档检测电路；由第三放大器INA3和第一模数转换器ADC1构成微安培档电流检测电路；由第四放大器INA4和第二模数转换器ADC2构成安培档检测电路；

其中，微安档的检测范围为0～1mA；安培档的检测范围为1mA～1A；

其分流电阻包括微安档分流电阻Rs-1和安培档分流电阻Rs-2，切档开关并联在微安培档分流电阻Rs-1的两端；实施例1里，微安档分流电阻Rs-1阻值为10Ω，安培档分流电阻Rs-2阻值为10mΩ；

由于Rs-2极小，在微安档采样时，流过Rs-2的电流在微安档，Rs-2上的分压对电路输出电压造成影响可以忽略；

其切档触发单元包括第一电压比较单元和第二电压比较单元；第一电压比较单元用于比较微安档分流电阻两端的电压与微安档阈值Vref1，包括第一放大器INA1第一阈值电压产生模块DA1和第一比较器；INA1检测Rs-1的端电压，并送入比较器1，与DA1设定的微安档阈值Vref1比较；

其中,INA1采用仪表放大器PGA281；第一阈值电压产生模块DA1采用型号为DAC101C085CIMM的数模转换芯片；第一比较器采用LM2903D；

第二电压比较单元用于比较安培档分流电阻两端的电压与安培档阈值电压Vref2；包括第二放大器INA2、第二阈值电压产生模块DA2和第二比较器；INA2检测Rs-2的端电压，并送入第二比较器，与DA2设定的安培档阈值电压Vref2比较；

其中,INA2同样采用仪表放大器PGA281；第二阈值电压产生模块同样采用DAC101C085CIMM型号的数模转换芯片；第二比较器采用LM2903D；

控制单元采用FPGA实现，用于根据两个比较单元输出的比较结果生产切档触发信号，控制开关通断。

同步的，INA3检测Rs-1的端电压并放大，之后送入ADC1进行模数转换；ADC1将模拟的电压信号转换为数字信号后送入控制单元；

INA4检测Rs-2的端电压并放大，之后送入ADC2进行模数转换；ADC2将模拟的电压信号转换为数字信号后送入控制单元；其中，INA3和INA4均采用PGA281；ADC1和ADC2均采用ADS8332。

以下结合实施例1，具体阐述本实用新型提供的电流检测系统的电流检测过程及工作原理：

(1)当待测电流在微安档时，断开切档开关Switch；INA1的输出值低于微安档阈值电压Vref1，INA2输出值低于安培档阈值电压Vref2，MCU采用ADC1的输出值作为系统的检测值；

其中，Vref1＝10Ω*1mA＝10mV，Vref2＝10mΩ*1mA＝10uV；

(2)当待测电流由微安档跳变至安培档时，INA1的输出值超过设定的微安档阈值Vref1，第一比较器跳转；INA2输出值高于安培档阈值电压Vref2，第二比较器跳转，MCU控制切档开关Switch导通，Rs-1被短路；MCU开始根据ADC2的输出值获取系统的电流检测值；

(3)当待测电流持续为安培档时，Rs-1处于短路状态，INA1的输出值低于微安档阈值电压Vref1，第一比较器1再次跳转；但是此时的INA2输出值高于安培档阈值电压Vref2，MCU据此判断切档开关Switch继续保持导通，MCU继续根据ADC2的输出值获取系统的电流检测值；

(4)当待测电流由安培档降为微安档时，INA2输出值低于安培档阈值电压Vref2，第二比较器跳转；MCU控制切档开关Switch断开，Rs-1被接入母线，MCU根据ADC1的输出值获取系统的电流检测值。

实施例1提供的电流检测系统和档位切换方法，可以将档位切换时间降到1ms以下，提高了输出电压的瞬变特性，并有效地降低了电流突变对分流电阻的冲击。

实施例2

实施例2提供的电流检测系统的电路如图3所示，具有安培、毫安和微安3个检测的档位，具体如下：

其电流检测单元包括微安档电流检测单元、毫安档检测单元和安培档检测单元；由第四放大器INA4和第一模数转换器ADC1构成微安培档电流检测单元；由第五放大器INA5和第二模数转换器ADC2构成毫安档检测电路；由第六放大器INA6和第三模数转换器ADC3构成安培档检测电路；

其中，微安档检测范围为0～1mA；毫安档检测范围为1mA～1A；安培档检测范围为1A～4A。

其分流电阻包括微安档分流电阻Rs-1、毫安档分流电阻Rs-2和安培档分流电阻Rs-3；第一切档开关Switch1并联在微安培档分流电阻Rs-1的两端，第二切档开关Switch2并联在毫安培档分流电阻Rs-2的两端。

实施例2里，微安档分流电阻Rs-1阻值为100Ω，毫安档分流电阻Rs-2阻值为100mΩ，安培档分流电阻Rs-3阻值为10mΩ；在微安档采样时，由于Rs-2和Rs-3极小，且流过Rs-2和Rs-3的电流也在微安档，Rs-2和Rs-3上的分压对电路输出电压造成影响可以忽略；在毫安档采样时，Rs-3极小，流过Rs-3的电流也在毫安档，Rs-3上的分压对电路输出电压造成影响可以忽略。

其切档触发单元包括第一电压比较单元、第二电压比较单元和第三电压比较单元；第一电压比较单元用于比较微安档分流电阻Rs-1两端的电压与微安档阈值Vref1，包括第一放大器INA1(、第一阈值电压产生模块DA1和第一比较器；INA1检测Rs-1的端电压，并送入第一比较器1，与DA1设定的微安档阈值Vref1比较；

第二电压比较单元用于比较毫安档分流电阻Rs-2两端的电压与毫安档阈值电压Vref2；包括第二放大器INA2、第二阈值电压产生模块DA2和第二比较器；INA2检测Rs-2的端电压，并送入第二比较器2，与DA2设定的毫安档阈值电压Vref2比较；

第三电压比较单元用于比较安培档分流电阻Rs-3两端的电压与安培档阈值电压Vref3；包括第三放大器INA3、第三阈值电压产生模块DA3和第三比较器；INA3检测Rs-3的端电压，并送入第三比较器3，与DA3设定的安培档阈值电压Vref3比较；

控制单元采用FPGA实现，根据上述三个比较结果生产切档触发信号，控制开关通断；

同步的，INA4检测Rs-1的端电压并放大，之后送入ADC1进行模数转换；ADC1将模拟的电压信号转换为数字信号后送入控制单元；

INA5(PGA281)检测Rs-2的端电压并放大，之后送入ADC2进行模数转换；ADC2将模拟的电压信号转换为数字信号后送入控制单元；

INA6检测Rs-3的端电压并放大，之后送入ADC3进行模数转换；ADC3将模拟的电压信号转换为数字信号后送入控制单元。

以下结合实施例2，具体阐述本实用新型提供的电流检测系统的电流检测过程及工作原理：

(1)当待测电流为微安档时，断开第一切档开关Switch1和第二切当开关Switch2；INA1的输出值低于微安档阈值电压Vref1，INA2输出值低于毫安档阈值电压Vref2，INA3输出值低于安培档阈值电压Vref3，MCU采用ADC1的输出值作为系统的检测值；

其中，Vref1＝100Ω*1mA＝100mV；Vref2＝100mΩ*1mA＝100uV；Vref3＝10mΩ*1A＝10mV；

(2)当待测电流由微安档跳变至毫安档时，INA1的输出值超过设定的微安档阈值Vref1，第一比较器跳转；INA2输出值高于毫安档阈值电压Vref2，第二比较器跳转，INA3输出值低于安培档阈值电压Vref3，第三比较器不跳转，MCU控制第一切档开关Switch1导通，Rs-1被短路；MCU开始根据ADC2的输出值获取系统的电流检测值；

(3)当待测电流持续为毫安档时，Rs-1处于短路状态，INA1的输出值低于微安档阈值电压Vref1，第一比较器1再次跳转；但是此时的INA2输出值高于毫安档阈值电压Vref2，MCU据此判断第一切档开关Switch1继续保持导通，MCU继续根据ADC2的输出值获取系统的电流检测值；

(4)当待测电流由微安档跳变至安培档时，INA1的输出值超过设定的微安档阈值Vref1，第一比较器跳转；INA2输出值高于毫安档阈值电压Vref2，第二比较器2跳转，INA3输出值高于安培档阈值电压Vref3，第三比较器跳转，MCU控制第一切档开关Switch1和第二切档开关Switch2导通，Rs-1和Rs-2被短路；MCU开始根据ADC3的输出值获取系统的电流检测值；

(5)当待测电流持续为安培档时，Rs-1和Rs-2处于短路状态，INA1的输出值低于微安档阈值电压Vref1，INA2的输出值低于微安档阈值电压Vref2，第一比较器1和第二比较器2再次跳转；但是此时的INA3输出值高于安培档阈值电压Vref3，MCU据此判断第一切档开关Switch1和第二切档开关Switch2继续保持导通，MCU继续根据ADC3的输出值获取系统的电流检测值；

(6)当待测电流由毫安档跳变至安培档时，INA2输出值高于毫安档阈值电压Vref2，第二比较器2跳转，INA3输出值高于安培档阈值电压Vref3，第三比较器跳转，MCU控制保持第一切档开关Switch1的导通，Rs-1保持被短路状态；MCU控制第二切档开关Switch2导通，Rs-2被短路；MCU开始根据ADC3的输出值获取系统的电流检测值；

(7)当待测电流由安培档降为微安档时，INA3输出值低于安培档阈值电压Vref3，第三比较器跳转；MCU控制第一切档开关Switch1和第二切当开关Switch2断开，Rs-1和Rs-2被接入母线，此时INA1输出值低于微安档阈值电压Vref1，INA2输出值低于毫安档阈值电压Vref2，INA3输出值低于安培档阈值电压Vref3；MCU根据ADC1的输出值获取系统的电流检测值。

(8)当待测电流由安培档降为毫安档时，INA3输出值低于安培档阈值电压Vref3，第三比较器跳转；MCU控制第一切档开关Switch1和第二切当开关Switch2断开，Rs-1和Rs-2被接入母线，此时INA1输出值高于微安档阈值电压Vref1，INA2输出值高于毫安档阈值电压Vref2，INA3输出值低于安培档阈值电压Vref3，MCU控制第一切当开关Switch1导通，并保持第二切当开关Switch2的断开状态；MCU根据ADC2的输出值获取系统的电流检测值。

现有技术中具有微安、毫安和安培三档的电流检测系统，从检测到电流瞬变到生成档位切换信号，其中间过程需经过复杂数字处理，才能达到要求的精度，而数字处理至少需要10ms以上；因此从电流瞬变到档位的切换，至少有10ms的延时；

实施例2中，电流瞬变之后的1ms之内有档位切换动作，提高了输出电压的瞬变特性，并有效地降低了电流突变对分流电阻的冲击。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电流检测系统，其特征在于，包括电流检测单元、切档触发单元、分流电阻单元、切档开关和控制单元；

所述分流电阻单元串联在待测电流母线上，其第一输入端用于连接待测电源，第一输出端用于连接负载，第二输入端连接切档开关输出端；所述电流检测单元的输入端连接分流电阻单元的第二输出端；所述控制单元的检测电流输入端连接电流检测单元的输出端，根据电流检测单元输出的信号获取电流检测值；切档触发信号输入端连接切档触发单元的输出端；所述切档触发单元的输入端连接分流电阻单元的第三输出端；所述切档开关的输入端连接控制单元的输出端；

所述分流电阻单元包括至少两个不同档位的分流电阻；所述切档触发单元具有检测电流和切换分流电阻的功能；在控制单元的作用下，切档触发单元根据其检测到的电流生成切档触发信号，切档开关根据所述切档触发信号切换分流电阻。

2.如权利要求1所述的电流检测系统，其特征在于，所述分流电阻单元包括串联连接的微安档分流电阻和安培档分流电阻；

所述电流检测单元包括微安档电流检测电路和安培档电流检测电路；

所述切档开关并联在微安档分流电阻的两端；微安档电流检测电路的输入端连接微安档分流电阻；安培档电流检测电路的输入端连接安培档分流电阻。

3.如权利要求1所述的电流检测系统，其特征在于，所述分流电阻单元包括串联连接的微安档分流电阻、毫安档分流电阻和安培档分流电阻；

所述电流检测单元包括微安档电流检测电路、毫安档电流检测电路和安培档电流检测电路；

所述切档开关包括第一切档开关和第二切档开关；

所述第一切档开关并联在微安档分流电阻的两端；所述第二切档开关并联在毫安档分流电阻的两端；所述微安档电流检测电路的输入端连接微安档分流电阻，毫安档电流检测电路的输入端连接毫安档分流电阻，安培档电流检测电路的输入端连接安培档分流电阻。

4.如权利要求2所述的电流检测系统，其特征在于，所述切档触发单元包括第一电压比较电路和第二电压比较电路；

所述第一电压比较电路的输入端连接微安档分流电阻，输出端连接控制单元的第一切档触发信号输入端；第二电压比较电路的输入端连接安培档分流电阻，输出端连接控制单元的第二切档触发信号输入端；控制单元的第一检测电流输入端连接微安档电流检测电路的输出端，第二检测电流输入端连接安培档电流检测电路的输出端；

所述第一电压比较电路用于比较微安档分流电阻两端的电压与第一阈值电压；所述第二电压比较电路用于比较安培档分流电阻两端的电压与第二阈值电压；

控制单元一方面根据所述两个比较电路的输出的切档条件信号提供模拟的切档触发信号，以触发切档开关断开或导通；另一方面根据微安档电流检测电路与安培档电流检测电路的输出信号获取电流检测值。

5.如权利要求4所述的电流检测系统，其特征在于，所述切档触发单元还包括第三电压比较电路，所述第三电压比较电路的输入端连接毫安档分流电阻，输出端连接控制单元的第三切档触发信号输入端；控制单元的第三检测电流输入端连接毫安档电流检测电路的输出端；所述第三电压比较电路用于比较毫安档分流电阻两端的电压与第三阈值电压。

6.如权利要求5所述的电流检测系统，其特征在于，所述第一电压比较电路、第二电压比较电路和第三电压比较电路均包括检测放大电路、阈值电压生成电路和比较器；

所述各检测放大电路并联在各比较电路连接的分流电阻的两端，用于检测所述分流电阻两端的端电压；阈值电压生成电路在控制单元的控制下生成本档位的阈值电压；比较器用于比较同一档位的分流电阻两端的端电压与阈值电压，获取切档触发信号。

7.如权利要求3所述的电流检测系统，其特征在于，所述微安档电流检测电路、毫安档电流检测电路和安培档电流检测电路均包括串联的检测放大电路和模数转换电路；检测放大电路用于检测各档位对应的分流电阻两端的电压并放大，模数转换电路用于将所述放大后的电压转换为数字信号。

8.如权利要求5所述的电流检测系统，其特征在于，第一阈值电压为1mA*微安档分流电阻阻值；第二阈值电压为1A*安培档分流电阻阻值；第三阈值电压为1mA*毫安档分流电阻阻值。