一种自激型闭环磁通门电流传感器电路的制作方法

本实用新型属于电流隔离检测与传感的技术领域，尤其涉及一种自激型闭环磁通门电流传感器电路。

背景技术：

磁通门传感器是利用被测磁场中高导磁率磁芯在交变磁场的饱和激励下，其磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测量弱磁场的。这种物理现象对被测环境磁场来说好像是一道“门”，通过这道“门”，相应的磁通量即被调制，并产生感应电动势。利用这种现象来测量电流所产生的磁场，从而间接的达到测量电流的目的。

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：

本实用新型的目的在于提供一种简单实用、低价格、高性能的闭环磁通门电流传感器控制电路。

本实用新型提供一种自激型闭环磁通门电流传感器电路，其包括：正电源、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；限流电阻、磁场检测线圈电流采样电阻、积分滤波电路以及补偿线圈；其中磁场检测线圈为一可饱和电感；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组成自激振荡电路；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参考零点或负电源；第一H桥开关管的漏极和第三H桥开关管的漏极在第一连接点处连接，第二H桥开关管的漏极和第四H桥开关管的漏极在第二连接点处连接，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；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处连通；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处连通；磁场检测线圈电流采样电阻上的电压为所述积分滤波电路的输入量，所述补偿线圈连接在所述积分滤波电路的输出回路上，所述补偿线圈输出本电路的电流。

进一步，所述积分滤波电路包括运算放大器、积分电阻和积分电容，其中积分电阻串联在磁场检测线圈和运算放大器的反向输入端之间，积分电容串联在运算放大器的反向输入端和运算放大器的输出端连接，运算放大器的正向输入端与磁场检测线圈电流采样电阻连接。

进一步，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。

进一步，还包括第一电路，所述第一电路包括第一起振电阻和第二起振电阻，其中第一起振电阻串联连接在正电源和第二连接点之间，第二起振电阻串联连接在正电源VCC2和第一连接点之间。

进一步，还包括第二电路，第二电路包括积分滤波电路同相输入第四输入电阻和第二滤波电容，其中第四输入电阻串联连接在磁场检测线圈电流采样电阻和运算放大器的正向输入端之间，第二滤波电容通过运算放大器的正向输入端连接到参考零点或负电源。

进一步，还包括第三电路，第三电路是电流放大电路，电流放大电流包括与第七输入电阻、第五三极管和第六三极管，其中，第七输入电阻的一端与运算放大器的输出端连接，第五三极管的基极和第六三极管的基极连接后与第七输入电阻的另一端连接，第五三极管的发射极和第六三极管的发射极连接，第五三极管的集电极连接正电源，第六三极管的集电极连接参考零点或负电源。

进一步，第五三极管为NPN型三极管，第六三极管为PNP型三极管。

进一步，还包括第四电路，第四电路包括第一续流二极管和第二续流二极管，其中第一续流二极管的负极连接正电源，第一续流二极管的正极连接第二续流二极管的负极，第二续流二极管的正极连接参考零点或负电源。

进一步，所述正电源为第一正电源，还包括第五电路和第二正电源，第五电路为降压稳压电路，降压稳压电流包括第八输入电阻、稳压二极管、第七三极管和第三滤波电容；其中第七三极管的发射极连接第二正电源，第七三极管的集电极连接第一正电源，第八输入电阻串联连接在第一正电源和第七三极管的基极之间，第三滤波电容一端连接在第二正电源，第三滤波电路另一端连接参考零点或负电源，稳压二极管的负极连接第七三极管的基极，稳压二极管的正极连接参考零点或负电源。

进一步，第七三极管为NPN型三极管。

本实用新型自激型闭环磁通门电流传感器电路基于磁场检测线圈电流平均值检测，并通过对此电流的滤波积分，最终输出一补偿电流，使磁芯处于零磁通状态的闭环电路，本实用新型电路简单实用，性能好，成本低，一致性好；本实用新型开劈了另外一种不同于集成磁通门控制芯片的闭环磁通门控制电路，电路简单实用，价格低，性能上可与集成磁通门控制芯片相媲美。

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，对本实用新型予以进一步说明。

图1所示为本实用新型自激型闭环磁通门电流传感器电路第一实施例的电路图；

图2所示为本实用新型自激型闭环磁通门电流传感器电路第二实施例的电路图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本实用新型的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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实用新型相关的部分，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实用新型的技术方案。

本实用新型揭示一种自激型闭环磁通门电流传感器电路，本实用新型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流平均值检测的闭环磁通门电流传感器电路。

本实用新型基于磁通门和磁平衡原理，可实现直流或交流的电流隔离检测。

如图1所示为本实用新型自激型闭环磁通门电流传感器电路第一实施例的电路图，自激型闭环磁通门电流传感器电路可采用双电源或单电源供电，自激型闭环磁通门电流传感器电路包括：正电源VCC(电源VCC为双电源或单电源)、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、磁场检测线圈电流采样电阻R2、积分滤波电路以及与积分滤波电路连接的补偿线圈W1，补偿线圈W1输出本电路的电流 Iout。

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，其中可饱和电感是指当电感中的电流大于某一阈值时，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。

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连接到参考零点或负电源；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和磁场检测线圈电流采样电阻R2串联连接在第一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和磁场检测线圈电流采样电阻R2串联连接在A点和B点之间)；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A点连通(可直接连通，也可通过电阻连通)。

积分滤波电路包括运算放大器U1、积分电阻R3和积分电容C1，其中积分电阻R3串联在磁场检测线圈LS和运算放大器U1的反向输入端之间，积分电容C1 串联在运算放大器的反向输入端和运算放大器U1的输出端连接，运算放大器U1 的正向输入端与磁场检测线圈电流采样电阻R2连接。

磁场检测线圈电流采样电阻R2上的电压为积分滤波电路的输入量，补偿线圈W1接于积分滤波电路的输出回路上(即补偿线圈W1与运算放大器U1的输出端连接，包括直接连接或通过电流放大电路图连接)。

如图2所示为本实用新型自激型闭环磁通门电流传感器电路第二实施例的电路图，与第一实施例相比，自激型闭环磁通门电流传感器电路采用双电源(即第一正电源VCC1和第二正电源VCC2)或单电源，自激型闭环磁通门电流传感器电路还包括一个电路或多个电路或所有五个电路，一个电路或多个电路或所有五个电路增加在图1所示的电路中。

五个电路分别为第一电路、第二电路、第三电路、第四电路和第五电路。

其中，第一电路包括第一起振电阻R5和第二起振电阻R6，第一起振电阻R5 串联连接在第二正电源VCC2和B点之间，第二起振电阻R6串联连接在第二正电源VCC2和A点之间。

第二电路包括积分滤波电路同相输入第四输入电阻R4和第二滤波电容C2，第四输入电阻R4串联连接在磁场检测线圈电流采样电阻R2和运算放大器U1的正向输入端之间，第二滤波电容C2通过运算放大器U1的正向输入端连接到参考零点或负电源。

第三电路是电流放大电路，电流放大电流包括与第七输入电阻R7、第五三极管Q5和第六三极管Q6，其中，第五三极管Q5为NPN型三极管，第六三极管 Q6为PNP型三极管，第五三极管Q5和第六三极管Q6均工作在线区。

第七输入电阻R7的一端与运算放大器U1的输出端连接，第五三极管Q5的基极和第六三极管Q6的基极连接后与第七输入电阻R7的另一端连接，第五三极管Q5的发射极和第六三极管Q6的发射极连接，第五三极管Q5的集电极连接第一正电源VCC1，第六三极管Q6的集电极连接参考零点或负电源。

第四电路包括第一续流二极管D1和第二续流二极管D2，第一续流二极管D1 的负极连接第一正电源VCC1，第一续流二极管D1的正极连接第二续流二极管D2 的负极，第二续流二极管D2的正极连接参考零点或负电源。

第五电路为降压稳压电路，降压稳压电流包括第八输入电阻R8、稳压二极管Z1、第七三极管Q7和第三滤波电容C3。其中第七三极管Q7为NPN型三极管，第七三极管Q7工作在线区。

第七三极管Q7的发射极连接第二正电源VCC2，第七三极管Q7的集电极连接第一正电源VCC1，第八输入电阻R8串联连接在第一正电源VCC1和第七三极管Q7的基极之间，第三滤波电容C3一端连接在第二正电源VCC2，第三滤波电路C3另一端连接参考零点或负电源，稳压二极管Z1的负极连接第七三极管Q7 的基极，稳压二极管Z1的正极连接参考零点或负电源。自激型闭环磁通门电流传感器电路的自激振荡是这样完成的：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开关管优先开通(在图2中引入的第一起振电阻 R5和第二起振电阻R6会加速这开通过程)；这里假设是第一H桥开关管Q1先开通，则A点为高电平，A的高电平加到第二H桥开关管Q2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，从而使B点为低电平，B点的低电平又作用于第一H桥开关管Q1和第三H桥开关管Q3的栅极上，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A 为高电平、B为低电平的电路状态；这时A高B低的电压会加到磁场检测线圈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A、B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A到B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B点电压也不断升高；当磁场检测线圈LS上的电流大于某一阈值时，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B点电压也跟着迅速上升，当B点电压大于某一阈值时，第三H桥开关管Q3导通和第一H桥开关管Q1关断，A点为低电平，此低电压作用于第二H 桥开关管Q2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，B点为高电平，也即此时建立了A为低电平，B为高电平的电路状态；这时A低B高的电压会加到磁场检测线圈LS和磁场检测线圈电流采样电阻R2上，由于LS为一电感元件，其电流不能突变，故B、A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B到A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A点电压也不断升高；当磁场检测线圈LS上的电流大于某一阈值时，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A点电压也跟着迅速上升，当A点电压大于某一阈值时，第四H桥开关管Q4导通和第二H桥开关管Q2 关断，B点为低电平，此低电压作用于第一H桥开关管Q1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，A点为高电平，也即此时又建立了A为高电平，B为低电平的电路状态；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、磁场检测线圈电流采样电阻R2参数，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；由于本实用新型的磁通门为单电源工作(注：本实用新型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，此电压被后续的滤波积分电路放大后，输出至补偿线圈W1，补偿线圈W1上的电流所形成的磁场方向与原边电流磁场方向相反，在稳态情况下，使磁通门又工作于零电流(平均值)状态，从而形成闭环电流检测。

本实用新型自激型闭环磁通门电流传感器电路基于磁场检测线圈电流平均值检测，并通过对此电流的滤波积分，最终输出一补偿电流，使磁芯处于零磁通状态的闭环电路。电路简单实用，性能好，成本低，一致性好；本实用新型开劈了另外一种不同于集成磁通门控制芯片的闭环磁通门控制电路，电路简单实用，价格低，性能上可与集成磁通门控制芯片相媲美。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，但是本实用新型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，在本实用新型的技术构思范围内，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，对本实用新型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实用新型的保护范围。