一种SENSE电路的制作方法

本发明属于电压测量控制领域，具体涉及一种sense电路。

背景技术：

在电源和源测单元中，输出电压的采样检测来自输出端，因而只能保证输出端电压的稳定。由于从输出端到负载间的线缆存在阻抗，会在线缆两端产生压降，特别是在长距离和大电流的情况下，线缆上的压降急剧变大，导致负载端电压稳定性变差。因此，在高精度大功率程控直流电源和源测单元中，需要采用sense电路进行远端补偿，精确测量负载侧电压，根据测量结果，调整其输出电压，以补偿输出线缆上的压降。该技术利用四线开尔文连接方式来消除线缆压降导致的误差：其中两条输出线连接电源输出端和负载端，进行功率的传输，另外单独设置两条电压检测线(sense线)+sense+和-sense，分别连接至远端的负载端两侧，以检测负载端的电压并进行稳压控制。由于检测线与电源内部高输入阻抗的反馈放大器相连，因此流过的电流极小，线缆上的压降几乎为零，从而可精确测量负载侧的电压，因而可显著提高负载端的电压输出准确度。

sense电路中检测线必须与负载侧良好连接，如果一条或两条检测线虚接或断开，检测线无法检测到实际的负载侧电压，电源会调整其输出电压急剧升高，引起输出功率变大、输出调节性能恶化，甚至可能损坏后级设备，因此，传统电路往往在检测线与电源输出端设置固定阻值的电阻器，当检测线出现连接故障时，可检测输出端的电压进行控制，以防止出现负载侧电压过高现象。但该方法无法对sense电路实时监测，检测sense线连接状态，同时由于输出端的影响，负载侧的电压调整性能变差，特别是在输出侧至负载侧的线压降较大时，负载端的电压输出准确度显著降低，无法满足高精度大功率程控直流电源输出要求。此外，sense电路的线压降补偿能力是有限度的，受最大输出电压(或功率)限制，当传输线上的电压(或功耗)与负载所需的电压(或功率)之和超过电源允许的最大输出能力时，电源就可能工作异常或者损坏，因此需要对电源补偿能力进行限定。传统方式无法实现这些要求，为了获得安全可靠的大功率高精度直流电压输出性能，需要另辟蹊径，采用新的方法。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种sense(remotesense，远端检测)电路，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种sense电路，包括远端补偿检测与保护电路和电压测量电路；远端补偿检测与保护电路包括信号整形电路、波形转换电路、阻抗检测电路、信号缓冲电路、频率选择/信号放大电路、信号比较电路和线压降补偿电压控制电路；电压测量电路包括本地电压测量电路和远端电压测量电路；

信号整形电路，被配置为用于对频率为fo的输入方波信号进行整形；

波形转换电路，被配置为用于将整形后的方波信号转换为正弦波信号；

阻抗检测电路，被配置为用于滤除fo频率以外的多次谐波，检测sense线和输出端的连接状态；

信号缓冲电路，被配置为用于通过电压跟随器将衰减后的正弦波信号进行缓冲；

频率选择/信号放大电路，被配置为用于对频率为fo的正弦信号进行频率选择和放大；

信号比较电路，被配置为用于将参考电压和频率选择/信号放大电路的输出信号进行比较；

线压降补偿电压控制电路，被配置为用于对线压降补偿电压进行控制；

本地电压测量电路，被配置为用于测量电源输出端即+out和-out之间的电压，获得本地电压测量值vlog；

远端电压测量电路，被配置为用于测量sense线即+sense和-sense之间的电压，获得远端电压测量值vmon；

信号整形电路，包括反相器和第一电容；第一电容的一端和反相器的电源端组成公共端连接至+2.5v，第一电容的另一端接地；

波形转换电路，包括第一运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第二电容和第三电容；第一电阻的一端通过线路连接至反相器的输出端，第一电阻的另一端和第二电阻的一端组成公共端连接至第三电容的一端，第二电阻的另一端和第二电容的一端组成公共端连接至第一运算放大器的同相输入端，第二电容的另一端接地，第三电容的另一端和第三电阻的一端组成公共端连接至第一运算放大器的输出端，第三电阻的另一端和第四电阻的一端组成公共端连接至第一运算放大器的反相输入端，第四电阻的另一端接地；

阻抗检测电路，包括第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第四电容、第四电容、第五电容、第六电容、第一电感、第二电感、第一变压器和第二变压器组成；其中，第一电感、第七电阻、第五电容和第二电感、第八电阻、第六电容为rlc选频网络；第一电感的一端、第七电阻、第五电容的一端通过线路依次连接，第五电容的另一端通过线路连接至第一变压器的第四引脚，第二电感的一端、第八电阻、第六电容的一端通过线路依次连接，第六电容的另一端通过线路连接至第二变压器的第二引脚，第一电感的另一端、第二电感的另一端分别通过线路连接至电源的正负输出端，第四电容的一端通过线路连接至第一运算放大器的输出端，第四电容的另一端、第五电阻的一端和第六电阻的一端通过线路连接，第五电阻的另一端和第一变压器的第一引脚通过线路连接，第六电阻的另一端和第二变压器的第三引脚通过线路连接，第一变压器的第二引脚与检测线的+sense连接，第二变压器的第四引脚与检测线的-sense连接；

信号缓冲电路，包括第二运算放大器、第三运算放大器、第十一电阻、第十二电阻、第七电容和第八电容；第十一电阻的一端通过线路连接至-12v电压源，第十一电阻的另一端和第七电容的一端组成公共端连接至第二运算放大器的地端，第十二电阻的一端通过线路连接至+12v电压源，第十二电阻的另一端和第八电容的一端组成公共端连接至第二运算放大器的电源端，第二运算放大器的同相输入端与第五电阻的另一端和第一变压器的第一引脚组成的公共端通过线路连接，第二运算放大器的反相输入端与其输出端通过线路连接，第三运算放大器的同相输入端与第六电阻的另一端和第二变压器的第三引脚组成的公共端通过线路连接，第二运算放大器的反相输入端与其输出端通过线路连接，第七电容的另一端和第八电容的另一端接地；

频率选择/信号放大电路，包括第四运算放大器、第五运算放大器、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、第十六电阻、第十七电阻、第十八电阻、第十九电阻、第二十电阻、第二十一电阻、第二十二电阻、第二十三电阻、第二十四电阻、第九电容、第十电容、第十一电容、第十二电容、第十三电容、第十四电容、第十五电容和第十六电容；其中，第十三电阻、第九电容和第十四电阻、第十电容为低通滤波器；

第十三电阻的一端通过线路连接至第二运算放大器的输出端，第十三电阻的另一端和第九电容的一端组成公共端连接至第十一电容的一端，第十一电容的另一端和第十三电容的一端组成公共端连接至第十九电阻的一端，第十三电容的另一端和第十五电阻的一端组成公共端连接至第四运算放大器的同相输入端，第九电容的另一端和第十五电阻的另一端接地，第十九电阻的另一端和第二十一电阻的一端组成公共端连接至第四运算放大器的输出端，第二十一电阻的另一端和第十七电阻的一端组成公共端连接至第四运算放大器的反相输入端，第十七电阻的另一端接地，第二十三电阻的一端通过线路连接至-5v电压源，第二十三电阻的另一端和第十五电容的一端组成公共端连接至第四运算放大器的地，第十五电容的另一端接地，第二十四电阻的一端和第十六电容的一端组成公共端连接至第四运算放大器的电源端，第二十四电阻的另一端通过线路连接至+5v电压源，第十六电容的另一端接地；

第十四电阻的一端通过线路连接至第三运算放大器的输出端，第十四电阻的另一端和第十电容的一端组成公共端连接至第十二电容的一端，第十二电容的另一端和第十四电容的一端组成公共端连接至第二十电阻的一端，第十四电容的另一端和第十六电阻的一端组成公共端连接至第五运算放大器的同相输入端，第十电容的另一端和第十六电阻的另一端接地，第二十电阻的另一端和第二十二电阻的一端组成公共端连接至第五运算放大器的输出端，第二十二电阻的另一端和第十八电阻的一端组成公共端连接至第五运算放大器的反相输入端，第十八电阻的另一端接地；

信号比较电路，包括第六运算放大器、第七运算放大器、第二十五电阻、第二十六电阻、第二十七电阻、第二十八电阻、第二十九电阻、第三十电阻、第三十一电阻、第三十二电阻、第十七电容和第十八电容；

第二十五电阻的一端通过线路连接至第四运算放大器的输出端，第二十五电阻的另一端通过线路连接至第六运算放大器的同相输入端，第六运算放大器的反相输入端通过线路连接至+2.5v参考电压源，第三十一电阻的一端通过线路连接至-5v电压源，第三十一电阻的另一端和第十七电容的一端组成公共端连接至第六运算放大器的地，第十七电容的另一端接地，第三十二电阻的一端通过线路连接至+5v电压源，第三十二电阻的另一端和第十八电容的一端组成公共端连接至第六运算放大器的电源端，第十八电容的另一端接地，第二十九电阻的一端通过线路连接至+3.3v电压源，第二十九电阻的另一端和第二十七电阻的一端组成公共端连接至输出端+osd，第二十七电阻的另一端通过线路连接至第六运算放大器的输出端；

第二十六电阻的一端通过线路连接至第五运算放大器的输出端，第二十六电阻的另一端通过线路连接至第七运算放大器的同相输入端，第七运算放大器的反相输入端通过线路连接至-2.5v参考电压源，第三十电阻的一端通过线路连接至+3.3v电压源，第三十电阻的另一端和第二十八电阻的一端组成公共端连接至输出端-osd，第二十八电阻的另一端通过线路连接至第七运算放大器的输出端；

线压降补偿电压控制电路，包括第一n沟道耗尽型mos场效应管、第二n沟道耗尽型mos场效应管、第三n沟道耗尽型mos场效应管、第四n沟道耗尽型mos场效应管、第九电阻和第十电阻；其中第一n沟道耗尽型mos场效应管、第二n沟道耗尽型mos场效应管和第九电阻完成正端即+out和+sense之间的线压降补偿控制，第三n沟道耗尽型mos场效应管和第四n沟道耗尽型mos场效应管完成负端即+out和+sense之间的线压降补偿控制；

信号整形电路将频率为fo的输入方波信号进行整形和缓冲，送入至波形转换电路，波形转换电路将整形后的方波信号转换为正弦波信号，送入至阻抗检测电路，阻抗检测电路滤除fo频率以外的多次谐波，检测sense线和输出端的连接状态，信号缓冲电路通过电压跟随器将衰减后的正弦波信号进行缓冲，送入至频率选择/信号放大电路，频率选择/信号放大电路，对频率为fo的正弦信号进行频率选择和放大，送入至信号比较电路，信号比较电路将参考电压和频率选择/信号放大电路的输出信号进行比较，当sense线和负载侧没有良好连接时，同相输入端的信号正峰值大于参考电压时，电路输出频率为fo的脉冲信号，反之，当sense线和输出端低阻连接时，同相输入端的信号正峰值小于参考电压时，电路输出低电平，因此，通过测量输出信号+osd和-osd的波形，能够准确检测sense线和输出端的连接状态；

当输出侧至负载侧的线压降，不足以达到n沟道耗尽型mos场效应管的栅极和源极电压门限电压vgs(th)时，漏极和源极导通，将检测线和对应输出端通过第九电阻和第十电阻连接，防止因sense线和输出端断开引起的输出过电压；当输出侧至负载侧的线压降，超过栅极和源极间门限电压vgs(th)时，其漏极和源极夹断截止，将检测线和输出端完全断开。

本发明所带来的有益技术效果：

利用阻抗检测的方法，设置高频输入信号，根据sense线和输出端之间的连接状态，调节输出信号的的幅值，经频率选择和放大比较电路，获得数字输出信号，从而检测sense线的连接状态。由于采用了选频网络，可有效滤除各种其它频率干扰信号，显著提高了电路的抗干扰性；

设置线压降补偿电压控制电路，当输出侧至负载侧的线压降较大时，自动断开检测线与电源输出端的连接，从而可降低线压降的影响，提高负载侧输出电压的准确度；当线压降进一步增大，通过电压测量电路中本地电压的测量值，判断电源是否超出最大补偿能力，进而触发过压保护动作，防止过度线压降引起的电源工作异常和损坏现象；

在整个工作状态进行sense连续检测，在输出未开启时也可检测sense线连接状态，并可在短时间内对检测线故障做出响应，可避免由于保护响应时间引起的输出开启瞬间高电压现象，有效提高电源的保护性能；

电压测量采用差分滤波放大电路，具有良好的共模噪声抑制和信号的线性放大能力，可有效滤除共模噪声信号，消除阻抗检测过程中高频输入信号对放大器的影响，保证良好的电压测量准确度。

附图说明

图1是本发明的远端补偿检测与保护电路原理框图；

图2是本发明的远端补偿检测与保护电路原理图；

图3是本发明的电压测量电路原理图；

图4是本发明实施例的测试波形图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

远端补偿检测与保护电路工作过程如图2所示。反相器n1和第一电容c1构成信号整形电路信号，将频率为fo的输入方波信号整形和缓冲，送入波形转换电路。波形转换电路由运放第一运算放大器n2b、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4和第二电容c2、第三电容c3组成，通过构建有源低通滤波器，将截止频率设计为fo,滤除高频谐波，保留fo的基波分量，从而将方波信号转换为正弦波信号，送入阻抗检测电路。阻抗检测电路由第五电阻r5、第六电阻r6、第七电阻r7、第八电阻r8、第四电容c4、第五电容c5、第六电容c6、第一电感l1、第二电感l2、第一变压器t1和第二变压器t2组成，其中第一电感l1、第五电容c5、第七电阻r7和第二电感l2、第六电容c6、第八电阻r8为rlc选频网络，其谐振频率设计为fo，利用lc谐振频率时阻抗最小的原理，滤除fo频率以外的多次谐波。变压器t1、t2起阻抗变换作用，其初级阻抗(引脚1、3间)通过次级(引脚2、4)阻抗的反射而变化。当检测线(+sense和-sense)和负载侧良好连接时，检测线与电源输出端(+out和-out)呈交流低阻抗连接，等效变压器第一变压器t1、第二变压器t2初级阻抗为低阻状态，正弦波信号经阻抗网络分压后，幅值大幅衰减；而当sense线和负载侧没有良好连接时，等效变压器第一变压器t1、第二变压器t2初级阻抗为高阻状态，正弦波信号经阻抗网络分压后，幅值衰减量较小，这样，通过检测正弦波信号的衰减程度，可检测sense线和输出端的连接状态。信号缓冲电路由运放第二运算放大器n3a、第三运算放大器n3b和第十一电阻r11、第十二电阻r12、第七电容c7和第八电容c8构成，通过电压跟随器将衰减后的正弦波信号进行缓冲，送入频率选择/信号放大电路。频率选择/信号放大电路由运放第四运算放大器n4a、第五运算放大器n4b、第十三电阻r13、第十四电阻r14、第十五电阻r15、第十六电阻r16、第十七电阻r17、第十八电阻r18、第十九电阻r19、第二十电阻r20、第二十一电阻r21、第二十二电阻r22、第二十三电阻r23、第二十四电阻r24、第九电容c9、第十电容c10、第十一电容c11、第十二电容c12、第十三电容c13、第十四电容c14、第十五电容c15和第十六电容c16构成，其中第十三电阻r13、第九电容c9和第十四电阻r14、第十电容c10为低通滤波器，截止频率设计为f2，其余器件构成两路压控电压源高通滤波器，其通带频率设计为f1(其中f2＞fo＞f1)，两者组合成两路通带为f1-f2的带通滤波器，可完成对频率为fo的正弦信号进行频率选择和放大功能。第六运算放大器n3a、第七运算放大器n3b、第二十五电阻r25、第二十六电阻r26、第二十七电阻r27、第二十八电阻r28、第二十九电阻29、第三十电阻r30、第三十一电阻r31、第三十二电阻r32、第十七电容c17和第十八电容c18构成信号比较电路，将第六运算放大器n3a和第七运算放大器n3b的同相输入端接频率选择/信号放大电路的输出信号，其反相输入端接入参考电压+2v5r，这样，当sense线和负载侧没有良好连接时，同相输入端的信号正峰值大于2.5v，电路输出频率为fo的脉冲信号，反之，当sense线和输出端低阻连接时，同相输入端的信号正峰值小于2.5v，电路输出低电平。因此，通过测量输出信号+osd和-osd的波形，可准确检测sense线和输出端的连接状态。

本发明还设计了线压降补偿控制，由第一n沟道耗尽型mos场效应管v1、第二n沟道耗尽型mos场效应管v2、第三n沟道耗尽型mos场效应管v3、第四n沟道耗尽型mos场效应管v4、第九电阻r9和第十电阻r10构成，其中第一n沟道耗尽型mos场效应管v1、第二n沟道耗尽型mos场效应管v2和第九电阻r9完成正端(+out和+sense之间)线压降补偿控制，第三n沟道耗尽型mos场效应管v3和第四n沟道耗尽型mos场效应管v4完成负端(+out和+sense之间)线压降补偿控制。当输出侧至负载侧的线压降较小时，不足以达到n沟道耗尽型mos场效应管的栅极和源极电压门限电压vgs(th)时，漏极和源极导通，将检测线和对应输出端通过第九电阻r9和第十电阻r10连接，防止因sense线和输出端断开引起的输出过电压。当输出侧至负载侧的线压降增大，超过栅极和源极间门限电压vgs(th)时，其漏极和源极夹断截止，例如+sense和+out之间的电压差超过vgs(th)时，第一n沟道耗尽型mos场效应管v1或第二n沟道耗尽型mos场效应管v2夹断截止，同理，当-sense和-out之间的电压超过mos场效应管的夹断电压，第三n沟道耗尽型mos场效应管v3或第四n沟道耗尽型mos场效应管v4截止，这样，将检测线和输出端完全断开，从而可降低线压降的影响，提高负载侧输出电压的准确度。当线压降进一步增大，通过电压测量电路中本地电压的测量值，判断电源是否超出最大补偿能力，进而触发过压保护动作，可有效防止过度线压降引起的电源工作异常和损坏。

本发明的电压测量电路如图3所示，其中第八运算放大器n101、第三十三电阻r101、第三十四电阻r102、第三十五电阻r103、第三十六电阻r104、第三十七电阻r105、第三十八电阻r106、第三十九电阻r107、第四十电阻r108、第四十一电阻r109、第四十二电阻r110、第四十三电阻r111、第十九电容c101、第二十电容c102、第二十一电容c103、第二十二电容c104、第二十三电容c105、第二十四电容c106、第二十五电容c107、第二十六电容c108、第二十七电容c109、第二十八电容c110c101-c110和第三电感l101构成本地电压测量电路；第九运算放大器n201、第四十四电阻r201、第四十五电阻r202、第四十六电阻r203、第四十七电阻r204、第四十八电阻r205、第四十九电阻r206、第五十电阻r207、第五十一电阻r208、第五十二电阻r209、第五十三电阻r210、第五十四电阻r211、第五十五电阻r212、第二十九电容c201、第三十电容c202、第三十一电容c203、第三十二电容c204、第三十三电容c205、第三十四电容c206、第三十五电容c207、第三十六电容c208、第三十七电容c209和第四电感l201为远端电压测量电路，分别测量电源输出端(+out和-out之间)和sense线(+sense和-sense之间)上的电压，获得本地电压测量值vlog和远端电压测量值vmon。为了减小信号传输过程的干扰，本地电压信号采用第三电感l101和第十九电容c101、第二十四电容c106、第三十七电阻r105、第四十二电阻r110抑制共模干扰信号，第三十六电阻r104和第二十三电容c105抑制差模干扰信号；远端电压信号采用第四电感l201和第二十九电容c201、第三十一电容c203、第三十四电容c206、第三十五电容c207、第四十七电阻r204、第四十八电阻r205、第五十二电阻r209、第五十五电阻r212抑制共模干扰信号。信号放大电路采用差分滤波放大形式，具有良好的共模噪声抑制和信号的线性放大能力，可有效滤除共模噪声信号，消除阻抗检测过程中高频输入信号对放大器的影响，保证良好的电压测量准确度。

本实施例设计一款40v/25a的高精度大功率程控直流电源，实施例中，为使系统具有快速保护响应时间，fo应取较高的频率值，但频率值过高会造成输出脉宽范围降低，不利于信号的检测。因此选择fo为200khz，可确保系统在5μs内对检测线故障做出响应。为保证良好的频率选择性能，带通滤波器的带宽不宜设计过大，因此f1取值为160khz，f2取值为250khz，可保证系统具有良好抗干扰性能。

图4为样机电路sense检测功能的测试结果，当sense线和输出端连接断开时，输出波形从低电平变为开关频率为200khz的脉冲信号，可见，通过检测输出波形，样机在整个工作状态进行sense连续检测，可在5μs内对检测线连接故障做出响应，同时可在输出未开启时就可检测sense线连接状态，有效地提高电源的保护性能。

在线压降补偿控制电路中，v1-v4采用bss139，其典型vgs(th)为-1.4v，可保证在线压降超过1.4v时，断开检测线与输出端的连接，从而显著降低线压降的影响，提高负载侧输出电压的准确度，实现了引线压降等于10v情况下电压输出准确度0.03％的良好指标。为防止过度线压降引起的电源工作异常和损坏，将本地电压的限值设置为41.2v，当电源输出端电压超过该限值时，触发过压保护动作，显著地提高了电源的安全防护能力。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。