CN216819711U - 一种励磁电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型为一种励磁电路，包括DC‑DC开关电源电路、基于电机驱动芯片的励磁电路和高端电流采样电路；DC‑DC开关电源电路与基于电机驱动芯片的励磁电路和高端电流采样电路连接，基于电机驱动芯片的励磁电路与高端电流采样电路连接；DC‑DC开关电源电路用于输出电压VDD，为基于电机驱动芯片的励磁电路供电；高端电流采样电路用于对励磁电流进行差分采样并将放大处理后的电压反馈给DC‑DC开关电源电路，DC‑DC开关电源电路根据反馈电压大小调节电压VDD。本实用新型利用电机驱动芯片内部H桥构建励磁电路，利用开关电源芯片构建恒流源，提高电源使用效率；利用电机驱动芯片输出控制引脚，关断输出，使电源轻载启动。

Description

一种励磁电路

技术领域

本实用新型涉及流量检测技术领域，具体涉及一种励磁电路。

背景技术

电磁流量计通常由电磁流量传感器和转换器构成，而电磁流量转换器中的励磁电路是为电磁流量传感器提供励磁信号的核心部件。传统的励磁电路，使用大功率三极管和场效应管构建H桥电路，结合恒流源实现经典的恒流励磁驱动。但是大功率三极管和场效应管占用的空间比较大，不易实现小型化，且传统的恒流源实现方式基本上是基于运放和三极管或场效应管构成的，这种方案必然导致较大的功率消耗，存在电源使用效率不高，桥臂发热严重等问题。

实用新型内容

传统的电磁流量计中励磁电路的设计中，通常使用大功率器件构建励磁驱动回路，即大功率H桥。为了保证H桥不会因为过热、过流等原因造成损坏，要避免桥臂单边导通。因此，对桥臂的控制信号有较高的要求，导致实现驱动信号时，要使用具有互补的PWM信号输出单片机，使得桥臂的2个控制信号存在一定的死区时间，避免同侧导通的问题。为了保证磁场的稳定性，通过结合恒流源一起使用，构成恒流励磁驱动的大功率H桥。

由于传统的基于恒流励磁驱动技术的励磁电路中，使用恒流源实现电流控制，因此在恒流源上会有较大的功耗，导致电源的效率不高，为了保证桥路的电源的安全，通常使用大功率元件保证散热问题，导致体积庞大，无法实现小型化。

本实用新型，利用电机驱动芯片内部集成的H桥对传感器进行驱动，有效果地避免了自建H桥参数匹配的问题，选用的电机驱动芯片自带关断能力，可在启动时确保H桥没有电流输出，避免造成过大的启动冲击电流，有利于电源的平稳启动；基于DC-DC开关电源技术构建恒流励磁驱动电路，将采样电阻的电压通过差分放大后，反馈至开关电源芯片的反馈引脚，利用开关电源芯片的内部电压基准构建恒流励磁驱动电路，提高电源的使用效率。

为达到以上目的，本实用新型采取的技术方案是：

一种励磁电路，包括：DC-DC开关电源电路、基于电机驱动芯片的励磁电路和高端电流采样电路；

所述DC-DC开关电源电路分别与基于电机驱动芯片的励磁电路和高端电流采样电路连接，基于电机驱动芯片的励磁电路与高端电流采样电路连接；

所述DC-DC开关电源电路用于输出电压VDD，为基于电机驱动芯片的励磁电路供电；

所述高端电流采样电路用于对励磁电流进行差分采样并将放大处理后的电压反馈给DC-DC开关电源电路，DC-DC开关电源电路根据反馈电压的大小，调节电压VDD。

在上述方案的基础上，所述DC-DC开关电源电路包括：开关电源芯片U1、二极管D1、电阻R1、电感L1、电容C2、电容C3、电容C4、二极管D2、电感L2、电容C7、电阻R2、电容C5和电容C6；

所述开关电源芯片U1的引脚3与电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端接反馈电压VFB，开关电源芯片U1的引脚4与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端与电感L1的一端、电容C3的正极、电容C4的一端和开关电源芯片U1的引脚5连接，电感L1的另一端与二极管D1的负极和电容C2的正极连接后接VCC，二极管D1的正极接励磁电路总电源Vin，电容C2的负极与电容C3的负极和电容C4的另一端连接后接地GND，开关电源芯片U1的引脚6与电容C7的一端、电感L2的一端和二极管D2的负极连接，二极管D2的正极接地GND，电容C7的另一端与开关电源芯片U1的引脚1连接，电感L2的另一端与电容C5的正极和电容C6的一端连接后输出电压VDD，电容C5的负极与电容C6的另一端和开关电源芯片U1的引脚2连接后接地GND；

所述二极管D1用于防止电源接反，保证电源极性；

所述电容C2、电感L1和电容C3构成CLC滤波电路，对电源进行储能滤波，减少电压的波动；

所述电容C4为滤波电容，用于滤除高频噪声；

所述电阻R1为开关电源芯片U1的引脚4提供可靠的高电平，对引脚4具有限流保护的作用；

所述电阻R2为限流电阻，保护开关电源芯片U1的引脚3；

所述电感L2为功率电感，所述二极管D2为续流二极管，为电感L2上产生的反向电动势提供电流回路；

所述电容C5为储能电容，电容C6为滤波电容；电容C7为自举电容。

在上述方案的基础上，所述开关电源芯片U1的型号为LV2842XLVDDCR。

在上述方案的基础上，所述基于电机驱动芯片的励磁电路包括：电机驱动芯片U3、采样电阻R6、电容C8、电感L4、电阻R11和电容C15；电感L4表示传感器的励磁线圈；

所述采样电阻R6的一端与电容C8的正极连接后接电压VDD，电容C8的负极接地，采样电阻R6的另一端与高端电流采样电路和电机驱动芯片U3的引脚6连接，电机驱动芯片U3的引脚2接sigA信号，电机驱动芯片U3的引脚8接sigB信号，sigA信号和sigB信号为互补的PWM信号，电机驱动芯片U3的引脚8接sigC信号，电机驱动芯片U3的引脚3接地GND，电机驱动芯片U3的引脚7与电感L4的一端连接，电机驱动芯片U3的引脚5与电感L4的另一端连接，在电感L4的两端并联由电阻R11和电容C15组成的RC电路，用于吸收电感L4的反向电动势，抑制产生的尖峰电压；

当电机驱动芯片U3的引脚8上的sigC信号为低电平时，引脚5和引脚7受输入脉冲信号控制，当电机驱动芯片U3的引脚8上的sigC信号为高电平时，强制引脚5和引脚7为低电平。

在上述方案的基础上，所述电机驱动芯片U3的型号为EG27324。

在上述方案的基础上，所述高端电流采样电路包括：运算放大器U2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R8、电阻R9、电容C9、电容C14、电阻R7、电阻R10、电容C13、电感L3、电容C10、电容C11、电容C12、电容C16、电阻R12和电容C17；

所述电阻R4的一端与采样电阻R6的一端连接后接电压VDD，电阻R8的一端与采样电阻R6的另一端连接，电阻R4的另一端与电容C9的一端和电阻R5的一端连接，电容C9的另一端接地GND，电阻R5的另一端与电阻R3的一端和运算放大器U2的引脚1连接，电阻R3的另一端接地GND，电阻R8的另一端与电容C14的一端和电阻R9的一端连接，电容C14的另一端接地GND，电阻R9的另一端与运算放大器U2的引脚3和电阻R10的一端连接，电阻R10的另一端与运算放大器U2的引脚4和电阻R7的一端连接，电阻R7的另一端与电容C13的一端连接后输出反馈电压VFB，电容C13的另一端接地GND，运算放大器U2的引脚2接地GND，运算放大器U2的引脚5与电阻R12的一端和电容C17的一端连接后接AV，电容C17的另一端接地GND，电阻R12的另一端与电容C16的一端、电容C12的一端、电容C11的正极和电感L3的一端连接，电容C16的另一端接地GND，电感L3的另一端与电容C10的正极连接后接VCC，电容C10的负极与电容C11的负极和电容C12的另一端连接后接地GND；

所述电容C10、电感L3和电容C11组成CLC，用于储能滤波，滤除低频干扰；

所述电容C12用于滤除高频干扰；

所述电容C16、电阻R12和电容C17组成CRC低通滤波器，用于提高运算放大器U2电源的稳定性，降低对运算放大器U2电源抑制比的要求；

所述电阻R4与电容C9构成RC滤波器；

所述电阻R8和电容C14构成RC滤波器；

所述电阻R7和电容C13构成RC滤波器，对运算放大器U2的输出信号进行低通滤波后，反馈给开关电源芯片U1。

在上述方案的基础上，所述运算放大器U2的型号为LM321。

本实用新型的技术关键点和欲保护点：

1、利用电机驱动芯片内部的H桥构建励磁电路；

2、利用开关电源芯片内部的基准构建恒流源，提高电源使用效率；

3、利用电机驱动芯片的输出控制引脚，关断输出，使得电源轻载启动。

本实用新型的有益效果：

利用开关电源芯片内部的电压基准构建恒流励磁驱动电路，一方面有效地利用了开关电源效率高的特点，另一方面开关电源输出电压的调节性为小体积励磁驱动电路的实现提供了必要条件。利用电机驱动芯片内部集成的H桥，构建电磁流量传感器的励磁电路，减少了电路参数失配的可能性，有效地降低电路设计的复杂度，减小了励磁电路的尺寸。利用电机驱动芯片的输出控制引脚，使得电路在上电启动过程中，保证电机驱动芯片内部的H桥没有电流通过，使得电源可以轻载启动。为了尽可能减少不必要功率消耗，采样电阻使用小值电阻，因此，电阻两端的电压较小，通过差分放大电路对小电压进行放大，再反馈给开关电源芯片。使用此励磁电路，可有效地提高电源的使用效率，降低功耗，减小励磁电路的面积，适应智能仪表小型化的发展趋势。

附图说明

本实用新型有如下附图：

图1恒流励磁驱动电路基本原理。

图2本实用新型所述的励磁电路。

图3DC-DC开关电源电路。

图4基于电机驱动芯片的励磁电路。

图5电机驱动芯片内部框图。

图6高端电流采样电路。

具体实施方式

以下结合附图1-6对本实用新型作进一步详细说明。

恒流励磁驱动电路基本原理如图1所示，开关S1-S4用于控制流过传感器(用电感L1表示)的电流方向，晶体管Q1、运放U1A、采样电阻R2、限流电阻R1、参考电压Vref构成经典的恒流励磁驱动电路。此驱动电路应保证对角的开关同时通断，同侧上下两个开关成互斥关系，才能保证电路电流全部流过电感L1。因此，励磁驱动信号至少应当保证在恒流阶段，电流对角流通，使得流过恒流源的全部电流通过电感L1。

开关S1-S4用晶体管或场效应管等开关管替代，由于三极管导通压降的存在使得不可避免地存在发热问题，必须使用大功率元件，而场效应管具有较低导通电阻，使得基于MOS管的H桥得到广泛应用。

传统的基于MOS管的H桥电路，由于元件存在分散性，不可避免的会存在参数匹配的问题，因此通常要添加额外的电路对其进行驱动。传统的恒流励磁驱动电路使用分立元件进行构建主要是考虑到桥臂的发热问题，这主要是由于传统的励磁驱动电源电压通常比传感器实际所需要的励磁电压要高很多，导致过多的功耗要消耗在H桥上，必然导致桥臂的散热问题，因此，传统方案均使用大功率分立元件构建H桥。

如果可以有效地控制励磁电路的电压，让励磁电压尽可能与传感器实际所需的电压相近，就可以使用小功率元件进行H桥构建，甚至使用集成的H桥，使得驱动电路变得简单。

本实用新型设计基于开关电源技术的恒流励磁驱动电路，电路方案如图2所示。与传统的恒流励磁驱动电路不同，本实用新型中没有明显的运放加三极管形式的恒流源电路，而是使用了开关电源芯片内部的资源，进行恒流控制。

DC-DC开关电源电路输出的电压VDD为基于电机驱动芯片的励磁电路供电，励磁电路上的采样电阻R6对励磁电流进行采样，经过差分放大之后，反馈给开关电源芯片，开关电源芯片根据反馈电压的大小，调节输出电压VDD，使得反馈电压与内部参考电压一致，由于反馈电压与采样电阻R6两端的电压存在比例关系(差分比例运算放大器)，因此，该电路控制了励磁电路的电流，即实现了基于开关电源技术的恒流励磁驱动电路。

DC-DC开关电源电路如图3所示，Vin为励磁电路总电源；二极管D1防止电源接反，保证电源极性；电容C2、电感L1、电容C3构成CLC滤波电路，对电源进行储能滤波，减少电压的波动，电容C4为滤波电容，主要滤除高频噪声信号；电阻R1为开关电源芯片U1的引脚4提供可靠的高电平，对引脚具有限流保护的作用；电阻R2为限流电阻，保护开关电源芯片U1的引脚3；二极管D2为续流二极管，为功率电感L2上产生的反向电动势提供电流回路；电容C5为储能电容，电容C6为滤波电容；电容C7为自举电容。

基于电机驱动芯片的励磁电路如图4所示，开关电源电路输出的VDD经过电容C8储能滤波后，经过采样电阻R6后，为电机驱动芯片U3进行供电；电机驱动芯片U3的引脚5和7分别与传感器的励磁线圈(用电感L4表示)的两端连接，同时，在引脚5和7上并接RC电路，用于吸收传感器的励磁线圈(用电感L4表示)的反向电动势，抑制产生的尖峰电压；电机驱动芯片U3的引脚2(INA)和引脚4(INB)为脉冲输入口，用于控制内部H桥的开关状态，即控制输出电流的方向；电机驱动芯片U3的引脚8(SD)为输出控制引脚，当该引脚为低电平时，引脚5和7受输入脉冲信号控制，当该引脚为高电平时，强制引脚5和引脚7输出低电平，即刹车，利用该引脚在上电时，拉高，禁止H桥输出电流，使电源以轻载启动，保证电源的安全。电机驱动芯片内部原理，如图5所示。芯片内部集成了H桥、逻辑控制电路、电平移动电路、MOS管驱动电路，极大地简化了驱动电路的设计。

电机驱动芯片U3的引脚2和引脚4输入的PWM信号应为互补的PWM信号，产生互补的PWM信号方式有很多种，其中比较简单的方法是直接使用反相器对信号进行反相处理，这种处理的好处是，可以保证两个输入信号是互斥的，尽可能的避免了全通情况的出现。结合SD引脚，可以很容易地实现低频三值励磁方式。

高端电流采样电路如图6所示，该采样电路实现对图4中采样电阻R6两端的电压进行差分采样。为了避免励磁电路和DC-DC开关电源电路对运算放大器U2的电源造成不良的噪声影响，在运算放大器U2的电源端进行了滤波处理，使用CLC(电容C10-电感L3-电容C11)进行储能滤波，滤除低频干扰，电容C12滤除高频干扰，然后使用CRC(电容C16-电阻R12-电容C17)进行低通滤波，提高运算放大器U2电源的稳定性，降低对运算放大器U2电源抑制比的要求。电阻R4与电容C9构成RC滤波器，电阻R8、电容C14构成RC滤波器，对采样信号进行滤波，电阻R7和电容C13构成RC滤波器，对运算放大器U2的输出信号进行低通滤波后，反馈给开关电源芯片U1。

器件型号：

U1为开关电源芯片，型号LV2842XLVDDCR，也可以使用其他具有内部电压基准和电压反馈的开关电源芯片进行替代，如MP2451、MP2459、BL9352A、SY8301等。

U2为运算放大器，型号为LM321，特点是电压范围相对较宽，可通过线性稳压器后，接入其他型号的低功耗版本的运放实现。

U3为电机驱动芯片，型号为EG27324，可以使用其他具有刹车引脚的电机芯片替代。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种励磁电路，其特征在于，包括：DC-DC开关电源电路、基于电机驱动芯片的励磁电路和高端电流采样电路；

所述DC-DC开关电源电路分别与基于电机驱动芯片的励磁电路和高端电流采样电路连接，基于电机驱动芯片的励磁电路与高端电流采样电路连接；

所述DC-DC开关电源电路用于输出电压VDD，为基于电机驱动芯片的励磁电路供电；

所述高端电流采样电路用于对励磁电流进行差分采样并将放大处理后的电压反馈给DC-DC开关电源电路，DC-DC开关电源电路根据反馈电压的大小，调节电压VDD。

2.如权利要求1所述的励磁电路，其特征在于，所述DC-DC开关电源电路包括：开关电源芯片U1、二极管D1、电阻R1、电感L1、电容C2、电容C3、电容C4、二极管D2、电感L2、电容C7、电阻R2、电容C5和电容C6；

所述开关电源芯片U1的引脚3与电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端接反馈电压VFB，开关电源芯片U1的引脚4与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端与电感L1的一端、电容C3的正极、电容C4的一端和开关电源芯片U1的引脚5连接，电感L1的另一端与二极管D1的负极和电容C2的正极连接后接VCC，二极管D1的正极接励磁电路总电源Vin，电容C2的负极与电容C3的负极和电容C4的另一端连接后接地GND，开关电源芯片U1的引脚6与电容C7的一端、电感L2的一端和二极管D2的负极连接，二极管D2的正极接地GND，电容C7的另一端与开关电源芯片U1的引脚1连接，电感L2的另一端与电容C5的正极和电容C6的一端连接后输出电压VDD，电容C5的负极与电容C6的另一端和开关电源芯片U1的引脚2连接后接地GND；

所述二极管D1用于防止电源接反，保证电源极性；

所述电容C2、电感L1和电容C3构成CLC滤波电路，对电源进行储能滤波，减少电压的波动；

所述电容C4为滤波电容，用于滤除高频噪声；

所述电阻R1为开关电源芯片U1的引脚4提供可靠的高电平，对引脚4具有限流保护的作用；

所述电阻R2为限流电阻，保护开关电源芯片U1的引脚3；

所述电感L2为功率电感，所述二极管D2为续流二极管，为电感L2上产生的反向电动势提供电流回路；

所述电容C5为储能电容，电容C6为滤波电容；电容C7为自举电容。

3.如权利要求2所述的励磁电路，其特征在于，所述开关电源芯片U1的型号为LV2842XLVDDCR。

4.如权利要求2所述的励磁电路，其特征在于，所述基于电机驱动芯片的励磁电路包括：电机驱动芯片U3、采样电阻R6、电容C8、电感L4、电阻R11和电容C15；电感L4表示传感器的励磁线圈；

所述采样电阻R6的一端与电容C8的正极连接后接电压VDD，电容C8的负极接地，采样电阻R6的另一端与高端电流采样电路和电机驱动芯片U3的引脚6连接，电机驱动芯片U3的引脚2接sigA信号，电机驱动芯片U3的引脚8接sigB信号，sigA信号和sigB信号为互补的PWM信号，电机驱动芯片U3的引脚8接sigC信号，电机驱动芯片U3的引脚3接地GND，电机驱动芯片U3的引脚7与电感L4的一端连接，电机驱动芯片U3的引脚5与电感L4的另一端连接，在电感L4的两端并联由电阻R11和电容C15组成的RC电路，用于吸收电感L4的反向电动势，抑制产生的尖峰电压；

当电机驱动芯片U3的引脚8上的sigC信号为低电平时，引脚5和引脚7受输入脉冲信号控制，当电机驱动芯片U3的引脚8上的sigC信号为高电平时，强制引脚5和引脚7为低电平。

5.如权利要求4所述的励磁电路，其特征在于，所述电机驱动芯片U3的型号为EG27324。

6.如权利要求4所述的励磁电路，其特征在于，所述高端电流采样电路包括：运算放大器U2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R8、电阻R9、电容C9、电容C14、电阻R7、电阻R10、电容C13、电感L3、电容C10、电容C11、电容C12、电容C16、电阻R12和电容C17；

所述电阻R4的一端与采样电阻R6的一端连接后接电压VDD，电阻R8的一端与采样电阻R6的另一端连接，电阻R4的另一端与电容C9的一端和电阻R5的一端连接，电容C9的另一端接地GND，电阻R5的另一端与电阻R3的一端和运算放大器U2的引脚1连接，电阻R3的另一端接地GND，电阻R8的另一端与电容C14的一端和电阻R9的一端连接，电容C14的另一端接地GND，电阻R9的另一端与运算放大器U2的引脚3和电阻R10的一端连接，电阻R10的另一端与运算放大器U2的引脚4和电阻R7的一端连接，电阻R7的另一端与电容C13的一端连接后输出反馈电压VFB，电容C13的另一端接地GND，运算放大器U2的引脚2接地GND，运算放大器U2的引脚5与电阻R12的一端和电容C17的一端连接后接AV，电容C17的另一端接地GND，电阻R12的另一端与电容C16的一端、电容C12的一端、电容C11的正极和电感L3的一端连接，电容C16的另一端接地GND，电感L3的另一端与电容C10的正极连接后接VCC，电容C10的负极与电容C11的负极和电容C12的另一端连接后接地GND；

所述电容C10、电感L3和电容C11组成CLC，用于储能滤波，滤除低频干扰；

所述电容C12用于滤除高频干扰；

所述电容C16、电阻R12和电容C17组成CRC低通滤波器，用于提高运算放大器U2电源的稳定性，降低对运算放大器U2电源抑制比的要求；

所述电阻R4与电容C9构成RC滤波器；

所述电阻R8和电容C14构成RC滤波器；

所述电阻R7和电容C13构成RC滤波器，对运算放大器U2的输出信号进行低通滤波后，反馈给开关电源芯片U1。

7.如权利要求6所述的励磁电路，其特征在于，所述运算放大器U2的型号为LM321。

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