一种自激型开环磁通门电流传感器电路及其自激振荡方法与流程

本发明属于电流隔离检测与传感领域，具体涉及一种自激型开环磁通门电流传感器电路及其自激振荡方法。

技术背景

传感器是一种检测装置，能检测被检设备的相关信息，按一定规律变换成电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

磁通门电流传感器因其响应时间快(可小于1us)、温度特性好(小于100ppm)，灵敏度高(ua级)，可同时测量直流和交流电流，且测量范围宽(ma级～几ka级)，在高性能的电流测量领域有着重要的地位。目前的磁通门电流传感器产品大多以集成磁通门控制芯片为基础设计，价格较高，而国内的传感器厂商则基本无同类产品(主要是磁材料和技术原因)。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种简单实用、低价格、高性能的自激型开环磁通门电流传感器电路及其自激振荡方法。

本发明提供一种自激型开环磁通门电流传感器电路，其包括：

正电源；负电源或设置的参考零点；自激振荡电路，包括第一h桥开关管、第二h桥开关管、第三h桥开关管、第四h桥开关管、磁场检测线圈和限流电阻；其中所述第一h桥开关管的源极和第二h桥开关管的源极连接并均与正电源连接；第三h桥开关管的源极和第四h桥开关管的源极连接并均通过限电流电阻连接到负电源或设置的参考零点；第一h桥开关管的漏极和第三h桥开关管的漏极连接且连接点为第一连接点；第二h桥开关管的漏极和第四h桥开关管的漏极连接且连接点为第二连接点；磁场检测线圈连接在第一连接点和第二连接点之间；第一h桥开关管的栅极和第三h桥开关管的栅极连接在一起并与第二连接点连通；第二h桥开关管的栅极和第四h桥开关管的栅极连接在一起并第一连接点连通；以及差分滤波放大电路，与所述第一连接点或所述磁场检测线圈连接，所述差分滤波放大电路的输出端所述自激型开环磁通门电流传感器电路的电压输出端。

进一步地，所述差分滤波放大电路包括运算放大器、第一差分电阻、第二差分电阻、第三差分电阻、第四差分电阻、第一积分电容和第二积分电容；其中所述第一差分电阻连接在第一连接点和运算放大器的反向输入端之间，第二差分电阻和第四差分电阻串联连接并连接在第二连接点和运算放大器的正向输入端之间，第三差分电阻和第一积分电容并联连接并连接在运算放大器的反向输入端和运算放大器的输出端之间，第二积分电容一端连接在运算放大器的正向输入端，第二积分电容另一端连接负电源或设置的参考零点。

进一步地，所述自激振荡电路还包括与磁场检测线圈串联连接的磁场检测线圈电流采样电阻，磁场检测线圈和磁场检测线圈电流采样电阻串联连接在第一连接点和第二连接点之间。

进一步地，所述差分滤波放大电路包括运算放大器、第一差分电阻、第二差分电阻、第三差分电阻、第四差分电阻、第一积分电容和第二积分电容；其中所述第一差分电阻一端连接在磁场检测线圈和磁场检测线圈电流采样电阻之间，第一差分电阻另一端与运算放大器的反向输入端连接，第二差分电阻和第四差分电阻串联连接并连接在第二连接点和运算放大器的正向输入端之间，第三差分电阻和第一积分电容并联连接并连接在运算放大器的反向输入端和运算放大器的输出端之间，第二积分电容一端连接在运算放大器的正向输入端，第二积分电容另一端连接负电源或设置的参考零点。

进一步地，所述第一h桥开关管和第二h桥开关管为p型mos管，第三h桥开关管和第四h桥开关管为n型mos管。

本发明又提供一种自激型开环磁通门电流传感器电路的自激振荡方法，包括如下步骤：

第一步：通电时，假设第一h桥开关管先开通，当第一h桥开关管开通时，第一连接点为高电平；

第二步：第一连接点的高电平加到第二h桥开关管的栅极和第四h桥开关管的栅极上，使第二h桥开关管关断和第四h桥开关管开通，使第二连接点为低电平；

第三步：第二连接点的低电平作用于第一h桥开关管的栅极和第三h桥开关管的栅极，使第一h桥开关管开通和第三h桥开关管关断，也即此时建立了第一连接点为高电平、第二连接点为低电平的电路状态；

第四步：建立的第一连接点为高电平和第二连接点为低电平的电压会加到磁场检测线圈上，第一连接点和第二连接点上的电压会使磁场检测线圈上的电流不断增大，此时定义从第一连接点到第二连接点的电流为正电流，此电流会流过限流电阻，使限流电阻上的电压也不断增加，导致第二连接点上的电压也不断升高；

第五步：当磁场检测线圈上的电流大于某一阀值时，磁场检测线圈电感饱和，其电流迅速上升，限流电阻上的电压和第二连接点电压也跟着迅速上升；

第六步：当第二连接点电压大于某一阀值时，第三h桥开关管导通和第一h桥开关管关断第一连接点为低电平，此低电压作用于第二h桥开关管的栅极和第四h桥开关管的栅极，使第二h桥开关管导通和第四h桥开关管关断，第二连接点为高电平，也即此时建立了第一连接点为低电平、第二连接点为高电平的电路状态；这时第一连接点为低电平和第二连接点为高电平的电压会加到磁场检测线圈上，第二连接点和第一连接点上的电压会使磁场检测线圈上的电流反方向不断增大，此时定义从第二连接点到第一连接点的电流为负电流，此电流会流过限流电阻，使限流电阻上的电压也不断增加，导致第一连接点上的电压也不断升高；

第七步：当磁场检测线圈上的电流大于某一阀值时，磁场检测线圈电感饱和，其电流迅速上升，限流电阻上的电压和第一连接点电压也跟着迅速上升；

第八步：当第一连接点电压大于某一阀值时，第四h桥开关管导通和第二h桥开关管关断，第二连接点为低电平，此低电压作用于第一h桥开关管的栅极和第三h桥开关管的栅极，使第一h桥开关管导通和第三h桥开关管关断，第一连接点为高电平，也即此时建立了第一连接点为高电平，第二连接点为低电平的电路状态。

本发明又提供一种自激型开环磁通门电流传感器电路的自激振荡方法，包括如下步骤：

第一步：通电时，假设第一h桥开关管先开通，当第一h桥开关管开通时，第一连接点为高电平；

第二步：第一连接点的高电平加到第二h桥开关管的栅极和第四h桥开关管的栅极上，使第二h桥开关管关断和第四h桥开关管开通，使第二连接点为低电平；

第三步：第二连接点的低电平作用于第一h桥开关管的栅极和第三h桥开关管的栅极，使第一h桥开关管开通和第三h桥开关管关断，也即此时建立了第一连接点为高电平、第二连接点为低电平的电路状态；

第四步：建立的第一连接点为高电平和第二连接点为低电平的电压会加到磁场检测线圈和磁场检测线圈电流采样电阻上，第一连接点和第二连接点上的电压会使磁场检测线圈上的电流不断增大，此时定义从第一连接点到第二连接点的电流为正电流，此电流会流过限流电阻，使限流电阻上的电压也不断增加，导致第二连接点上的电压也不断升高；

第五步：当磁场检测线圈上的电流大于某一阀值时，磁场检测线圈电感饱和，其电流迅速上升，限流电阻上的电压和第二连接点电压也跟着迅速上升；

第六步：当第二连接点电压大于某一阀值时，第三h桥开关管导通和第一h桥开关管关断第一连接点为低电平，此低电压作用于第二h桥开关管的栅极和第四h桥开关管的栅极，使第二h桥开关管导通和第四h桥开关管关断，第二连接点为高电平，也即此时建立了第一连接点为低电平、第二连接点为高电平的电路状态；这时第一连接点为低电平和第二连接点为高电平的电压会加到磁场检测线圈和磁场检测线圈电流采样电阻上，第二连接点和第一连接点上的电压会使磁场检测线圈上的电流反方向不断增大，此时定义从第二连接点到第一连接点的电流为负电流，此电流会流过限流电阻，使限流电阻上的电压也不断增加，导致第一连接点上的电压也不断升高；

第七步：当磁场检测线圈上的电流大于某一阀值时，磁场检测线圈电感饱和，其电流迅速上升，限流电阻上的电压和第一连接点电压也跟着迅速上升；

第八步：当第一连接点电压大于某一阀值时，第四h桥开关管导通和第二h桥开关管关断，第二连接点为低电平，此低电压作用于第一h桥开关管的栅极和第三h桥开关管的栅极，使第一h桥开关管导通和第三h桥开关管关断，第一连接点为高电平，也即此时建立了第一连接点为高电平，第二连接点为低电平的电路状态。

本发明基于磁场检测线圈电压或电流平均值检测，并通过对此电压或电流的做差分滤形放大，最终输出一检测信号，磁场检测线圈的电压或电流采样电阻上的电压为差分滤波放大电路的输入量，本发明电路简单实用，性能好，成本低，一致性好。

附图说明

下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对本发明予以进一步说明。

图1为本发明自激型开环磁通门电流传感器电路第一实施例基于线圈电压平均值检测电路；

图2为本发明自激型开环磁通门电流传感器电路第二实施例基于线圈电流平均值检测电路。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

下面以具体实施例详细介绍本发明的技术方案。

本发明揭示一种自激型开环磁通门电流传感器电路，本发明实际是基于磁场检测线圈(又叫磁探头线圈)自激振荡型和线圈电压或电流平均值检测的开环磁通门电流传感器电路。

本发明基于开环磁通门检测原理，可实现直流或交流的电流隔离检测，属于电流隔离检测与传感领域

如图1所示为本发明自激型开环磁通门电流传感器电路第一实施例的电路图，本发明自激型开环磁通门电流传感器电路可采用双电源或单电源供电，自激型开环磁通门电流传感器电路包括：正电源vcc(正电源vcc为双电源或单电源)、负电源(负电源根据设计的需要，可以有也可以没有)或设置的参考零点、与正电源连接的自激振荡电路以及与自激振荡电路连接的差分滤波放大电路，差分滤波放大电路的输出端自激型开环磁通门电流传感器电路的电压输出端vout。

当自激型开环磁通门电流传感器电路设有负电源时，自激振荡电路设置在正电源和负电源之间；当自激型开环磁通门电流传感器电路没有设置负电源时，自激振荡电路设置在正电源和设置的参考零点之间。

自激振荡电路包括第一h桥开关管q1、第二h桥开关管q2、第三h桥开关管q3、第四h桥开关管q4、磁场检测线圈ls和限流电阻r1。

第一h桥开关管q1、第二h桥开关管q2、第三h桥开关管q3、第四h桥开关管q4、磁场检测线圈ls、限流电阻r1、以及差分滤波放大电路，差分滤波放大电路输出本电路的电压vout。

其中，第一h桥开关管q1和第二h桥开关管q2为p型mos管，第三h桥开关管q3和第四h桥开关管q4为n型mos管；磁场检测线圈ls为一可饱和电感，其线圈内部的磁材通常由那些高初始磁导率、低饱和磁感应强度的磁性材料构成，所述的可饱和电感是指当电感中的电流大于某一阀值时，其电感量会迅速减小，电流会快速上升，表示为电感饱和。

第一h桥开关管q1、第二h桥开关管q2、第三h桥开关管q3、第四h桥开关管q4、磁场检测线圈ls和限流电阻r1组成自激振荡电路。

差分滤波放大电路包括运算放大器u1、第一差分电阻r3、第二差分电阻r4、第三差分电阻r5、第四差分电阻r6、第一积分电容c1和第二积分电容c2，差分滤波放大电路的运算放大器u1的输出端输出本电路的电压端vout。

在自激振荡电路中：第一h桥开关管q1的源极和第二h桥开关管q2的源极连接并均与正电源vcc连接；第三h桥开关管q3的源极和第四h桥开关管q4的源极连接并均通过限电流电阻r1连接到负电源或设置的参考零点；第一h桥开关管q1的漏极和第三h桥开关管q3的漏极连接(连接点为图1所示的a点，即第一连接点)；第二h桥开关管q2的漏极和第四h桥开关管q4的漏极连接(连接点为图1所示的b点，即第二连接点)；磁场检测线圈ls连接在第一h桥开关管q1的漏极和第三h桥开关管q3的漏极的连接点与第二h桥开关管q2的漏极和第四h桥开关管q4的漏极的连接点之间(即磁场检测线圈ls连接在a点和b点之间，图1所示实施例)；第一h桥开关管q1的栅极和第三h桥开关管q3的栅极连接在一起并与第二连接点(即b点)连通(可直接连通，也可通过电阻连通)；第二h桥开关管q2的栅极和第四h桥开关管q4的栅极连接在一起并第一连接点(即a点)连通(可直接连通，也可通过电阻连通)。

在差分滤波放大电路中，第一差分电阻r3连接在第一连接点(即a点)和运算放大器u1的反向输入端之间，第二差分电阻r4和第四差分电阻r6串联连接并连接在第二连接点(即b点)和运算放大器u1的正向输入端之间，第三差分电阻r5和第一积分电容c1并联连接并连接在运算放大器u1的反向输入端和运算放大器u1的输出端之间，第二积分电容c2一端连接在运算放大器u1的正向输入端，第二积分电容c2另一端连接负电源或设置的参考零点。

如图2所示为本发明自激型开环磁通门电流传感器电路第二实施例的电路图，第二实施例与上述第一实施例的区别是：自激振荡电路还包括与磁场检测线圈ls串联连接的磁场检测线圈电流采样电阻r2，磁场检测线圈ls和磁场检测线圈电流采样电阻r2串联连接在第一连接点(即a点)和第二连接点(即b点)之间。

第二实施例与上述第一实施例的区别是：差分滤波放大电路的第一差分电阻r3一端连接在磁场检测线圈ls和的磁场检测线圈电流采样电阻r2之间，第一差分电阻r3另一端与运算放大器u1的反向输入端连接。

本发明还提供一种自激型开环磁通门电流传感器电路的自激振荡方法，包括如下步骤：

在刚上电时，第一h桥开关管q1、第二h桥开关管q2、第三h桥开关管q3和第四h桥开关管q4会因器件参数的不完全一致性，势必会造成其中的一个h桥开关管优先开通(在图1和图2中后续放大电路的差分电阻r3、r4、r5、r6会加速这开通过程)；

第一步：通电时，假设第一h桥开关管q1先开通(在刚通电时，第一h桥开关管q1、第二h桥开关管q2、第三h桥开关管q3和第四h桥开关管q4会因器件参数的不完全一致性，势必会造成其中的一个h桥开关管优先开通(在图1中差分滤波放大电路的差分电阻r3、r4、r5、r6会加速这开通过程))，当第一h桥开关管q1开通时，第一连接点(即a点)为高电平；

第二步：第一连接点(即a点)的高电平加到第二h桥开关管q2的栅极和第四h桥开关管q4的栅极上，使第二h桥开关管q2关断和第四h桥开关管q4开通，使第二连接点(即b点)为低电平；

第三步：第二连接点(即b点)的低电平作用于第一h桥开关管q1的栅极和第三h桥开关管q3的栅极，使第一h桥开关管q1开通和第三h桥开关管q3关断，也即此时建立了第一连接点(即a点)为高电平、第二连接点(即b点)为低电平的电路状态；

第四步：建立的第一连接点(即a点)为高电平和第二连接点(即b点)为低电平的电压会加到磁场检测线圈ls上(或磁场检测线圈ls和磁场检测线圈电流采样电阻r2上)，由于磁场检测线圈ls为一电感元件，其电流不能突变，故第一连接点(即a点)和第二连接点(即b点)上的电压会使磁场检测线圈ls上的电流不断增大(此时定义从第一连接点(即a点)到第二连接点(即b点)的电流为正电流)，此电流会流过限流电阻r1，使限流电阻r1上的电压也不断增加，从而导致第二连接点(即b点)电压也不断升高；

第五步：当磁场检测线圈ls上的电流大于某一阀值时，磁场检测线圈ls电感饱和，其电流迅速上升，限流电阻r1上的电压和第二连接点(即b点)电压也跟着迅速上升；

第六步：当第二连接点(即b点)电压大于某一阀值时，第三h桥开关管q3导通和第一h桥开关管q1关断第一连接点(即a点)为低电平，此低电压作用于第二h桥开关管q2的栅极和第四h桥开关管q4的栅极，使第二h桥开关管q2导通和第四h桥开关管q4关断，第二连接点(即b点)为高电平，也即此时建立了第一连接点(即a点)为低电平、第二连接点(即b点)为高电平的电路状态；这时第一连接点(即a点)为低电平和第二连接点(即b点)为高电平的电压会加到磁场检测线圈ls上(或磁场检测线圈ls和磁场检测线圈电流采样电阻r2上)，由于磁场检测线圈ls为一电感元件，其电流不能突变，故第二连接点(即b点)和第一连接点(即a点)上的电压会使磁场检测线圈ls上的电流反方向不断增大(此时定义从第二连接点(即b点)到第一连接点(即a点)的电流为负电流)，此电流会流过限流电阻r1，使限流电阻r1上的电压也不断增加，从而导致第一连接点(即a点)电压也不断升高；

第七步：当磁场检测线圈ls上的电流大于某一阀值时，磁场检测线圈ls电感饱和，其电流迅速上升，限流电阻r1上的电压和第一连接点(即a点)电压也跟着迅速上升；

第八步：当第一连接点(即a点)电压大于某一阀值时，第四h桥开关管q4导通和第二h桥开关管q2关断，第二连接点(即b点)为低电平，此低电压作用于第一h桥开关管q1的栅极和第三h桥开关管q3的栅极，使第一h桥开关管q1导通和第三h桥开关管q3关断，第一连接点(即a点)为高电平，也即此时建立了第一连接点(即a点)为高电平，第二连接点(即b点)为低电平的电路状态。

本发明通过如此不断反复振荡，其振荡频率与电源电压、磁场检测线圈ls的电感量、限流电阻r1、磁场检测线圈电流采样电阻r2的参数有关。

磁场检测线圈ls通过选择合适的磁材和绕制恰当的圈数，同时设计合适的限流电阻r1和磁场检测线圈电流采样电阻r2的参数，使磁场检测线圈ls工作于正反磁场饱和状态(称之为磁通门)，正常情况下磁通门正反对称，在无外部磁场影响下，其磁场检测线圈ls两端的工作电压或其工作电流平均值为零，也即磁场检测线圈电流采样电阻r2上电压的平均值为零。

由于本发明的磁通门为单电源工作(本发明电路图可工作于双电源或单电源，但其振荡电路为单电源工作)，其对称性不受电源影响(比双电源工作的磁通门具有更好的对称性)，从而保证电路具有极高的灵敏度和检测精度。

当有外部磁场影响时(电流传感器通常为原边电流的磁场)，磁通门的正反对称性会被打破，此时其工作电压(第一连接点(即a点)减去第二连接点(即b点)上的电压)平均值或电流平均值不为零，也即磁场检测线圈电流采样电阻r2上的电压平均值不为零，此电压被后续的差分滤波放大电路放大后，直接输出。

本发明基于磁场检测线圈电压或电流平均值检测，并通过对此电压或电流的做差分滤形放大，最终输出一检测信号，磁场检测线圈ls的电压或电流采样电阻r2上的电压为差分滤波放大电路的输入量，本发明电路简单实用，性能好，成本低，一致性好。

本发明开劈了一种不同于集成磁通门控制芯片的开环磁通门控制电路，本发明电路简单实用，价格低，性能高，因磁通门为开环工作，故会受磁通门磁饱和的影响，通常可测量毫安级到几百安级的电流，在一定的电流范围内，其输出与输出电流成正比。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明的技术构思范围内，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些改进、润饰和等同变换也应视为本发明的保护范围。