专利名称：电流转换模块的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及用于电子器件的电流源，更具体地说，一种用于弱电流转换的电 流转换模块。
技术背景 在电子电路中经常涉及到不同规格的电压或者电流之间的转换，以适应特定芯片 或者电路的工作电压或电流。以电流转换来说，在由驱动功率器件输出不同大小的电流后， 还需要检测所输出的电流并反馈为前端以精确地控制输出电流。通常，电流的检测可采用电流互感器、霍尔电流传感器等隔离型电流传感器来实 现，这种方法简单可靠，但成本高，且传感器后一般还需要进行信号调理，电路设计较为复 杂。另一种方法是用采样电阻与负载串联，将负载电流经过采样电阻器转换成电压后进行 放大等处理。然而由于高共模电压的存在，负载电流在采样电阻上产生的小差分电压的高 精度测量比较困难，且检测电路的设计很复杂。因此，如何在高共模电压情况下进行小差分 电压检测是实现高精度电流源控制的好方法。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题是提供一种高精度、高稳定度的电流转换模块。本实用新型为解决上述技术问题而采用的技术方案是提出一种电流转换模块包 括电流输入单元、处理单元、电流转换单元和电流检测单元。其中该电流输入单元、该电流 转换单元和该电流检测单元连接该处理单元。并且，该电流检测单元连接该电流转换单元。 电流输入单元用以输入来自一信号源的第一电流信号，并转换为一原始电压。处理单元连 接该电流输入单元用以采用该原始电压根据该原始电压以及一反馈电压计算并输出一脉 冲宽度调制信号。电流转换单元，用以在该脉冲宽度调制信号的调制下，输出第二电流信 号。电流检测单元则用以将该第二电流信号转换为该反馈电压并输入至该处理单元。在上述的电流转换模块中，上述的处理单元可以是由高度集成的单片机构成。在上述的电流转换模块中，上述的电流转换单元包括场效应管及电感。其中该场 效应管的控制端连接上述脉冲宽度调制信号，场效应管的第一端接地，第二端作为上述电 流转换单元的电流负输出端。该电感一端连接到一电源，另一端作为上述电流转换单元的 电流正输出端。在上述的电流转换模块中，上述的电流检测单元包括采样电阻和电压转换单元。 其中该采样电阻连接在上述电流转换单元的电流负输出端以采样上述第二电流信号。该电 压转换单元连接在该采样电阻两端，以将该第二电流信号转换为上述反馈电压。在上述的电流转换模块中，上述的电流转换单元还可包括一二极管，其一端连接 上述场效应管的第二端，另一端连接上述电源。在上述的电流转换模块中，上述的处理单元可包含一 PID控制器。在上述的电流转换模块中，上述电流输入单元包括RCV420芯片。[0012]本实用新型由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，采用高集成度的 AD μ C832单片机，开发方便、控制灵活，使系统智能化大大提高。结合模块化设计思想，采取 隔离抗干扰措施，使系统更加稳定可靠，模块体积小，功耗低，具有广阔的应用前景。
为让本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，
以下结合附图对本实用 新型的具体实施方式
作详细说明，其中图1示出本实用新型一实施例的电流转换模块组成框图。图2示出本实用新型一实施例的4-20毫安电流输入单元框图。图3示出本实用新型一实施例的0-1安培电流转换单元框图。图4示出本实用新型一实施例的主程序流程图。图5示出本实用新型一实施例的电流转换PID算法流程图。图6示出根据本实用新型一实施例的PWM输出波形。图7示出根据本实用新型一实施例的经过三级管放大后用于驱动场效应管PWM波 形。图8示出根据本实用新型一实施例的采样电阻与地之间波形。图9示出根据本实用新型一实施例的负载两端电压波形。
具体实施方式
本实用新型的实施例涉及由相对小的电流转换到相对大的电流。举例来说，将 4-20毫安转为0-1安培电流的转换模块。该电流转换模块通过对外部4-20毫安信号的采 样，转换成电压后，由处理单元进行电压采样，通过内部的数据运算，控制PWM单元按照要 求输出信号，控制诸如晶体管的开关器件的通断，实现电流转换功能的实现。较佳地，电流 转换模块还对转换后输出电流进行监测，实现强鲁棒功能，达到稳定可靠的目标。图1示出本实用新型一实施例的电流转换模块组成框图。参照图1所示，电流转 换模块100包括电流输入单元10、中央处理单元(CPU) 20、电流转换单元30以及电流检测 单元40。电流输入单元10、电流转换单元30以及电流检测单元40均连接到CPU 20。此 外，电流检测单元40连接电流转换单元30。电流输入单元10可以输入来自信号源200的 第一电流信号I1，例如4-20毫安范围内的电流，并转换为例如0-5V的原始电压信号义。处 理单元20可采用电压信号V1,并根据该电压信号计算得到脉冲宽度调制(PWM)信号，以输 出到电流转换单元30。电流转换单元30通常包含开关器件，在PWM信号的控制下，开关器 件周期性地开关，从而得到第二电流信号I2，例如0-1安培电流，输出给负载300。不同的 PWM信号的占空比可以得到不同的第二电流信号强度。图2示出本实用新型一实施例的4-20毫安电流输入单元框图。在一实施例中，电 流输入单元10可包含电流环接收器芯片11，其采用RURR-BR0WN公司生产的精密电流环接 收器芯片RCV420。该芯片能够将4-20毫安输入信号转换成为0_5伏输出信号，经过1/2分 压电路12后送给CPU进行电压采样。RCV420包含一个高级运算放大器、一个片内精密电阻 网络和一个精密IOV电压基准，其总转换精度为0. 1%，共模抑制比CMR达86dB，共模输入 范围达士40V。[0026]在一实施例中，选用ADy C832单片机作为处理信号的CPU 20。ADyC812是高度集成的高精度12位数据采集系统，该芯片内不仅集成了可重新编程非易失性闪速/电擦除 程序存储器的高性能8位(与8051兼容)MCU，还包含了高性能的自校准8通道ADC及2通 道12位DAC。参照图1所示，AD μ C832单片机由电源50供电，并由晶振60提供时钟信号。图3示出本实用新型一实施例的0-1安培电流转换单元框图。参照图3所示，电 流转换单元30可包含一个或多个场效应管Ql、二极管Dl、以及电感Li。在一实施例中，场 效应管Ql型号为IRF1301，二极管Dl型号为MUR801。场效应管Ql的源极(第一端)接参 考地，漏极(第二端)作为电流转换单元的电流负输出端。在另一实施例中，如果采用NMOS 的场效应管，则源极和漏极的接法相反。电感Ll 一端连接电源，另一端作为电流转换单元 的电流正输出端。场效应管Ql作为PWM开关，其栅极(即控制端)在PWM信号的驱动下， 在其漏极上产生电流信号I2输出给负载。电流检测单元40可选用采样电阻R13，其放置在电流转换之后的电路之间。具体 地说，是在场效应管Ql的漏极与电流转换单元的电流负输出端之间。当PWM开关闭合时， 采样电阻R13上的共模电压下降到接近负向峰值；当场效应管Ql打开时，电压反转后通过 电感Li，采样电阻R13上产生的共模电压为电源电压加续流二极管的正向压降。采用这种 方式的优点是由于采样电阻置于转换回路中，因而场效应管Ql关闭时采样电阻仍然在电 流回路中，使得负载上的全部电流(包括续流电流)仍然可以监测，另外，这种方式更容易 识别对地短路故障，可以实现电路的短路保护。下面参照图4-5说明本实用新型的电流转换模块的工作原理。图4示出本实用新 型一实施例的主程序流程图。图5示出本实用新型一实施例的电流转换PID算法流程图。在系统CPU、AD (模数转换)、PWM初始化后，CPU 20首先于步骤sO初始输出固定 占空比的P丽波。然后CPU 20进行AD采样si，放到相应内存地址空间。在采样环节，CPU20通过专 用的AD采集通道分别将4-20毫安通过电流输入单元10转换成的电压信号以及电流检测 单元40反馈回来的电压信号Vf采集进入CPU内部并转换成16位的码值。采样的过程中， 包含软件滤波的过程。这里采用的方法就是对同一通道连续采集8次，然后取平均值。经 过实践证明这样得到的码值稳定在2-4个码值之内，误差范围为0. 1毫伏，符合系统要求。在步骤s2，在CPU 20内进行码值换算匹配。由于负载输出回路中加了防止场效应管击穿的过流保护，所以在流程中，也相应 的添加了故障检测环节。具体地说，当于步骤s3检测到反馈电压Vf超过正常范围时，定时 器于步骤s4启动计时，若于步骤s5判断计时未到达时限(如IOs)，流程将跳转至步骤s7 输出调用PID算法，并于步骤s8输出新的PWM占空比。步骤s9的闪灯说明模块工作正常。承上所述，若于步骤s5判断到达时限后，反馈电压仍不在范围内，则为保护负载， 于步骤s6故障灯亮起，流程跳转到步骤sO，PWM信号将输出固定占空比。直至检测到反馈 电压回到正常范围内，则故障消除，重新进行闭环控制。当于步骤S3检测到反馈电压在正常范围内时，输入与反馈的相应码值进行比较， 其之间差的绝对值的大小决定了 PID算法中积分分离阀常量ε的大小。当计算出ε的值 后，就可于步骤s7调用相应的PID/PD算法子程序，进行PWM占空比的计算。然后，于步骤 s8输出调整后的PWM波形。[0036]通常CPU 20根据输入信号和反馈信号，经过运算输出10KHZ占空比可调的PWM波 形，来控制场效应管的通断，使接在电流转换回路中的电流成比例的输出。在自动控制技术中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例(P)、积分(I)、微分 ⑶控制，简称PID控制，又称Pm调节。PID控制原理的关键是测量、比较和执行。PID控制 器将测量受控对象(在本系统中即电压电流值)与设定值相比较，用这个误差来调节系统 的响应。在电源数字PID控制系统中，使用比例环节控制电压电流的输出与输入误差信号 成比例改变，但是实际值与给定值通常会存在偏差，这个偏差称作稳态误差。因此，需要引 入积分环节的消除稳态误差功能提高精度，但是考虑到电源系统开机、关机或大幅增加电 压电流工作设定值时，产生积分积累，就会引起电压电流超调，甚至在设定值上下振荡。所 以为减小在运行过程中积分环节对电压电流动态性能的影响，采用了积分分离PID控制电 压电流，即当电压电流与设定工作值的误差小于一个范围时，再采用积分环节去消除系统 比例环节产生的稳态误差。积分分离PID控制算法需设定积分分离阀ε，当| e (k) | > ε时，即偏差值较大 时，仅采用PD控制环节，减少超调量，使系统有较快响应；当|e(k)l彡ε时，即偏差值比较 小时，采用PID控制，以保证电压电流精度和稳定度。在开机后，按照固定步长打开PWM波 宽度，使得电压升高。在达到设定值一定范围后，为防止电压过冲，需要加入积分分离PID 控制算法进行控制，防止电压超调。在电压达到千分之一进度范围后，需要加入积分环节， 完成电源开机时迅速稳定的输出。图6示出根据本实用新型一实施例的PWM信号的输出波形。作为CPU 20的单片 机输出的PWM波峰值较小，不能驱动场效应管Ql的通断，所以首先要经过放大。这里采用 的是三极管上拉电阻的方法进行放大。这样放大出来的波形不失真且峰值符合要求。但由 于电阻的上拉，使得波形反相，但对于PWM波驱动MOS管来说，不影响其功能。图7为经过 三级管放大后用于驱动场效应管的PWM波形。PWM波控制场效应管Ql的开关，进而使得采样电阻R13以及负载端电路获得高频 的震荡电压。图8示出采样电阻R13与公共地之间的波形。可以看出，由于场效应管开关 作用明显，波形为标准的方波。对于负载，可采用电感加快速泄放二极管的方法加以滤波，使得负载获得稳定的 电流。图8为负载两端波形，可以看出，波形较为平滑，只在开断阶段有少许的阻尼震荡。这 对于产生稳定的直流电流影响很少。本实用新型的上述实施例在基于单片机的4-20毫安转0-1安培电流转换模块的 设计中，采用高集成度的AD μ C832单片机，开发方便、控制灵活，使系统智能化大大提高， 结合模块化设计思想，采取隔离抗干扰措施，使系统更加稳定可靠，模块体积小，功耗低，具 有广阔的应用前景。虽然本实用新型已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本实用新型，任何 本领域普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因 此本实用新型的保护范围当以权利要求书所界定的为准。
权利要求一种电流转换模块，其特征在于包括电流输入单元，用以输入来自一信号源的第一电流信号，并转换为一原始电压；处理单元，连接该电流输入单元，用以采用该原始电压，根据该原始电压以及一反馈电压计算并输出一脉冲宽度调制信号；电流转换单元，连接该处理单元，用以在该脉冲宽度调制信号的调制下，输出第二电流信号；以及电流检测单元，连接该电流转换单元与该处理单元，用以将该第二电流信号转换为该反馈电压并输入至该处理单元。
2.如权利要求1所述的电流转换模块，其特征在于，所述处理单元是由单片机构成。
3.如权利要求1所述的电流转换模块，其特征在于，所述电流转换单元包括场效应管 及电感，所述场效应管的控制端连接所述脉冲宽度调制信号，所述场效应管的第一端接地， 第二端作为所述电流转换单元的电流负输出端，所述电感一端连接到一电源，另一端作为 所述电流转换单元的电流正输出端。
4.如权利要求3所述的电流转换模块，其特征在于，所述电流检测单元包括采样电阻 和电压转换单元，所述采样电阻连接在所述电流转换单元的电流负输出端以采样所述第二 电流信号，所述电压转换单元连接在所述采样电阻两端，以将该第二电流信号转换为该反 馈电压。
5.如权利要求4所述的电流转换模块，其特征在于，所述电流转换单元还包括一二极 管，其一端连接所述场效应管的第二端，另一端连接所述电源。
6.如权利要求1所述的电流转换模块，其特征在于，所述处理单元包含一PID控制器。
7.如权利要求1所述的电流转换模块，其特征在于，所述电流输入单元包括RCV420芯片。
专利摘要本实用新型涉及一种电流转换模块，包括电流输入单元、处理单元、电流转换单元和电流检测单元。其中该电流输入单元、该电流转换单元和该电流检测单元连接该处理单元。并且，该电流检测单元连接该电流转换单元。电流输入单元用以输入来自一信号源的第一电流信号，并转换为一原始电压。处理单元连接该电流输入单元用以采用该原始电压根据该原始电压以及一反馈电压计算并输出一脉冲宽度调制信号。电流转换单元用以在该脉冲宽度调制信号的调制下，输出第二电流信号。电流检测单元则用以将该第二电流信号转换为该反馈电压并输入至该处理单元。
文档编号H02M3/155GK201623631SQ200920213058
公开日2010年11月3日 申请日期2009年12月15日 优先权日2009年12月15日
发明者孙小强, 张呈龙, 李文荣, 李明, 许峰, 都劲松, 黄滔 申请人:中国船舶重工集团公司第七一一研究所