抗辐照100V高精度电流检测电路的制作方法

本发明涉及半导体混合集成电路，具体为抗辐照100V高精度电流检测电路。

背景技术：

现有技术中，我国新一代通讯卫星平台配电接口单元温控仪需要具备8路100V、500W加热器配电，24路100V、200W加热器配电能力，32路加热器配电回路需要具备电流检测及故障隔离保护等在轨在自主管理功能。目前国内无抗辐照的100V电流监测器，国外的同类电流监控器无抗辐照特性，同时成本高，检测精度无法满足星用要求。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种抗辐照100V高精度电流检测电路，能够满足了母线电压100V的抗辐照高压电流检测要求，电流检测精度达高，抗辐照性能好，成本低。

本发明是通过以下技术方案来实现：

抗辐照100V高精度电流检测电路，包括精密电阻RS、电流检测芯片U1和电压差分放大器U2；

精密电阻RS一端连接母线电压，另一端接负载；

电流检测芯片U1的电源端分别连接浮地电压Va和浮地电压Vb，浮地电压Va大于浮地电压Vb；电流检测芯片U1的输入端分别连接精密电阻RS两端；

电压差分放大器U2的正相输入端连接电流检测芯片U1的输出端；负相输入端连接浮地电压Vb，输出端作为电路的输出端输出检测信号。

优选的，还包括浮地电压产生电路；浮地电压产生电路包括依次串联的四个稳压二极管DZ1、DZ2、DZ3、DZ4；稳压二极管DZ1的正极连接母线电压，稳压二极管DZ4的负极接地。

进一步，稳压二极管DZ4的负极经厚膜电阻R1接地。

优选的，电流检测芯片U1包括第一运放和第二运放；

所述第一运放连接母线电压和正电源供电，第一运放包括连接在母线电压和负电源之间的分压电路；第一运放的同相输入端和反相输入端分别通过电阻R01和电阻R02连接在高边采样电阻的两端，第一运放的输出端连接输出达林顿管的基极，第一运放的分压输出端分别连接对应的分压达林顿管的基极，分压达林顿管依次级联在第一运放的同相输入端和输出达林顿管的集电极之间，输出达林顿管的发射极经电阻R03接地；

所述第二运放连接第一运放的分压输出端和正电源供电；第二运放的同相输入端连接输出达林顿管的发射极；第二运放的反相输入端分别经电阻R04接地，经电阻R05连接第二运放的输出端；第二运放的输出端输出监控信号。

进一步，第二运放包括由低温漂基准电流产生电路和多级电流镜组成的恒流源模块；恒流源模块输出端产生的基准电流对应连接在第一运放的两个恒流源输入端，并为第二运放提供偏置电流。

再进一步，所述的第一运放还包括恒流偏置电路、输入级电路和输出级电路；

输入级电路包括连接在第一运放的同相输入端和反相输入端的输入级差分对，输入级差分对三极管分别连接母线电压供电和恒压偏置电路接入参考电流；

分压电路的各分压输出端分别设置有并联的三组电压缓冲单元，所有的第一组电压缓冲单元依次级联在第一运放的同相输入端和输出级电路之间，所有的第二组电压缓冲单元依次级联在第一运放的反相输入端和输出级电路之间，所有的第三组电压缓冲单元依次级联在恒压偏置电路的输入端和第一恒流源输入端之间；

输出级电路的供电端连接正电源和负电源，参考电流端连接第二恒流电源输入端，输出端连接第一运放输出端。

优选的，电压差分放大器U2采用高共模电压差分放大器INA117。

优选的，电压差分放大器U2的电源端连接12V的供电电压；两个参考端均连接电路中的信号地。

优选的，电压差分放大器U2的输出端经厚膜电阻R2输出检测信号。

优选的，精密电阻RS串联负载电阻RL后接地。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明对抗辐照电流监控采用浮地设计，将抗辐照电流监控器与高共模差分放大器采用级联设置，通过设置的精密电阻RS对电压进行精确采样，从输入端、供电端和处理端均进行针对性处理，相互配合实现了抗辐照100V母线的高精度电流检测。

附图说明

图1为本发明实例中所述的电路结构图。

图2为本发明实例中所述的电流检测芯片U1的电路结构图。

图3为本发明实例中所述的第一运放的基本结构示意图。

图4为本发明实例中所述的第二运放的基本结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明所述的抗辐照100V高精度电流检测电路，如图1所示。

RS为mΩ级的精密采样电阻，DZ1～DZ4选用稳压值为15V～16V的2CW78，LZF648电路为抗辐照的电流检测芯片U1，是一款具有电流检测功能的放大器，其检测电压范围：3.5mV～100mV；输入失调电压：≤3mV；增益：100；增益误差：≤±2.5％；单电源供电范围是+12V～+18V，输入共模电压的范围是25V～80V。为满足100V的高压采样，对该芯片的地进行浮地设计，保证了其共模电压在安全电压范围内。INA117为TI公司的高共模电压差分放大器，其共模电压可达到200V，放大倍数为1倍。

母线电压为100V，电流检测芯片U1的电源端连接到Va，地端接到Vb，Va电压为85V，Vb电压为70V，即电流检测芯片U1浮地到70V，其输入端共模电压为30V，满足I级降额要求。LZF648的电压增益为100，以Vb的电压70V为参考电压，电流检测芯片U1的输出电压为V1＝100×Io×RS。

采用抗辐照的电流检测芯片U1与高共模差分放大器采用级联设计，实现了抗辐照100V母线的高精度电流检测。

TI公司的INA117为高共模电压差分放大器U2，其共模电压可达到200V，放大倍数为1倍。初步设想采用1NA117与抗辐照运放构成的100倍放大器级联方案。经辐照摸底试验，INA117抗总剂量1E5rad(Si)后，其零位电压变化10mV左右，采样电阻如果选取5mΩ，辐照后10mV的变化量等效检测电流为2A，因此，该方案电流检测精度太差，无法满足5％的电流检测精度。其中，1端和5端为两个参考端，均连接电路中的信号地。

采用抗辐照的电流检测芯片LZF648与高共模电压差分放大器INA117联技术实现了抗辐照高压高精度电流检测。LZF648电路的输出端连接到INA117芯片的同相输入端，INA117反相输入端连接到Vb，INA117芯片电源端加±12V，输出参考端接地。INA117的共模电压为70V，其共模电压可达到200V，满足I级降额使用要求。

INA117的增益为1，参考端接地，INA117的输出电压为Vout＝100×Io×RS。为减小电路的功耗，电流采样电阻选用5mΩ的精密电阻，RS为5mΩ精度为1％的金属箔电阻。采用该级联技术，检测电流范围为0.1A～6.5A，电流检测精度达到5％。

如图2所示，电流检测芯片U1采用两级运放分别实现了高压采样-电流电压转换和放大的功能。

本发明在电压高边通过接成闭环的第一运放amp1将采样电压(V_IN+—V_IN-)转换为电流信号I，根据运算放大器的虚短-虚断方法，可计算出

(V_IN+－V_IN-)＝R1×I (1)

该电流信号I经三级达林顿管Q1Q2、Q3Q4、Q5Q6传输从电压高边到电压低边，并在电阻R03上转换为电压信号，随后通过第二运放amp2放大输出。其中，达林顿管Q5Q6为输出达林顿管，达林顿管Q1Q2、Q3Q4分别为连接在第一运放分压输出端的分压达林顿管。

第一运放由高压、低压两部分构成，分别通过IN+端和VCC端供电，应用时IN+端和VS端共同接系统的高压母线。

电阻R02电阻值等于电阻R01的阻值，用于平衡第一运放输入偏置电流在电阻R01上产生的电压降，防止其影响电压-电流转换的精度。

达林顿管Q1Q2、Q3Q4、Q5Q6组成了电流传输通路，将电流信号由电压高边传输到电压低边，其基极电位由第一运放内部的分压电路提供，通过这种串联分压的级联形式可以保证每个器件的CE电压被限制在其CE击穿电压内。

第二运放通过闭环电阻R04、R05设置为同相放大器，将R03×I的电压信号再次放大输出。第二运放内部还包含了该电路的偏置模块。

如图3所示，第一运放主要由分压电路、恒流偏置电路、输入级电路、输出级电路四部分构成，其中输入级电路和恒流偏置电路因涉及高压边，均通过串接电压缓冲单元来实现高耐压能力，本优选实例中采用达林顿降压缓冲结构。

Q7Q8为输入级差分对，Q9Q10Q11Q12是给差分对提供恒流偏置的，差分对的电流信号通过达林顿降压缓冲结构(Q16Q17、Q18Q19和Q22Q23、Q24Q25)传输给有源负载Q29Q30，并经过双转单结构Q28、Q31和共射放大级Q32输出。

第一运放的第一、二恒流源输入端LB1和LB2端口由第二运放的恒流源模块提供的基准电流，Q33Q34组成与Q9Q10Q11Q12比例相同的电流镜结构，保证LB1、LB2端口的电流信号不经损失的传输给各自的放大级器件。

分压电路的分压值vb1和vb2提供给达林顿电压缓冲单元(Q16Q17、Q18Q19、Q20Q21和Q22Q23、Q24Q25、Q26Q27)，电压缓冲单元也可使用其他达林顿结构或MOS复合管构成。

如图4所示，第二运放内部主要分为恒流源、输入级、中间放大级和输出级四个功能模块，Q37、Q38为输入差分对管，Q39、Q40、Q41、Q42给输入差分对管提供偏置电流，Q43、Q44是电流镜结构的有源负载，共同构成了输入级模块；中间放大级由接成共射极结构的Q51和电流源三极管Q52组成，作为第二运放的主要增益级，单电源输出级保证输出电压信号可低至VEE负电源轨，恒流源模块由低温漂基准电流产生电路和多级电流镜构成，为第二运放各级提供偏置电流，并产生基准电流由LB1和LB2端提供给第一运放对应的恒流源输入端。

具体的，电路包含1个U1:抗辐照电流检测芯片LZF648、U2高共模电压差分放大器INA117，四个稳压二极管DZ1、DZ2、DZ3、DZ4，一个采样电阻RS，2个厚膜电阻R1、R2。100V电源接采样电阻RS的一端、DZ1的正端、LZF648的1端，RS的另一端外接负载到地；DZ1的负端接DZ2的正端、LZF648的6端；DZ2的负端接DZ3的正端、LZF648的2端、INA117的2端，DZ3的负端接DZ4的正端，DZ4的负端接R1的一端，R1的另一端接地，接DZ2的负端，LZF648的5端接INA117的3端，INA117的1端、5端接电路中的等电位，INA117的6端接R2到输出端，INA117的7端接电源VI+端，INA117的4端接电源VI-端。

新一代通讯卫星平台配套电路星用固态电子开关电路LHB725、星用固态限流开关电路LHB728采用该技术，满足了母线电压100V的抗辐照高压电流检测要求，电流检测精度达到5％，抗辐照指标：电路抗辐照指标：抗总剂量：1E5rad(Si)，抗单粒子效应LET值：75MeV·cm²/mg。可广泛应用于航天飞行器的控温系统，应用前景和市场潜力非常广阔。

使用时，星用固态限流开关电路LHB728采用该技术，满足了母线电压100V的抗辐照高压电流检测要求，电流检测精度达到5％，抗辐照指标：电路抗辐照指标：抗总剂量：1E5rad(Si)，抗单粒子效应LET值：75MeV·cm²/mg。可广泛应用于航天飞行器的控温系统，应用前景和市场潜力非常广阔。该开关电路LHB728包含2路工作电压100V输出电流5A的安全开关开关，每组安全开关具有开关、过流/短路保护和锁定和高精度电流检测功能。该电路具有关键器件自主可控，抗辐照、驱动能力强，导通电阻小、电流检测/过流保护精度高等特点。

LHB728电路检测的具体数据如下。