一种磁通门电流传感器电路的制作方法

1.本发明涉及隔离采样领域，尤其涉及磁通门电流传感器领域。


背景技术：

2.众所周知，普通的电流互感器只能测量交流电，不能测量直流电，而隔离测量直流电，一般采用霍尔电流传感器和磁通门电流传感器。由于霍尔传感器的磁环需要开口放霍尔器件，磁环的磁导率比较低，一般测量安培以上的电流。而磁通门电流传感器的磁环是闭合的，磁导率较高比较灵敏，可测量毫安级的电流。
3.磁通门电流传感器利用磁调制的原理，让磁环处于对称的交替饱和状态，当有电流从磁环中穿过时，就会在磁环中产生磁通，使磁环交替饱和的状态就不再对称，通过检测这种不对称的状态进行解调来测量电流信号。让磁芯饱和是需要一定的电流的，一般在几毫安到几十毫安之间。让磁芯对称的交替饱和，关键是让正负励磁的电流也是对称的，假如不对称，就相当于有一个毫安级的初始误差。假如磁通门测量的是大电流，这个初始误差可以忽略不计。如果测量是几百毫安量程的电流，那么这个毫安级的初始误差就会显著影响测量精度。
4.磁通门电流传感器一般可分为开环和闭环两种。闭环的磁通门电流传感器有一个补偿绕组用于补偿输入电流产生的磁通，让磁芯的平均磁通始终为零，补偿电流与输入电流成匝比关系，把补偿电流转化为电压信号就可得到输入电流信号的测量值。开环的磁通门电流传感器，通过把检测到的励磁电流的不对称信号经过信号调理电路处理后作为测量值。
5.图1是一种现有的励磁电路方案，当励磁电流增大时电阻r1上的电压也增大，mos管的栅源电压减小，两个桥臂的关断是靠mos管的栅源电压小于栅极开启阈值电压来实现的。mos管的栅极开启阈值会跟随环境温度的变化，并且mos管不同个体之间的栅极开启阈值参数也存在一定的差异，因此在图1的现有方案中，当出现左右两个桥臂栅极开启阈值不一致时，即使被测电流为零，正负两个方向的励磁也会不对称，导致整个传感器的输出有比较明显的零点偏差。以单电源5v供电的磁通门传感器的实际测试为例，在批量样品的测试中发现，会有200mv以上的零点偏差，换算成百分比为0.2v/2.5v＝8％。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明提供一种磁通门电流传感器电路，采用了更优的励磁自激振荡方案用于检测小电流，检测精度更高。
7.本发明提供的技术方案如下：
8.一种磁通门电流传感器电路，其特征在于：包括桥式电路、电流限幅电路和励磁绕组l1，励磁绕组l1连接于桥式电路两个桥臂之间，两个桥臂交替导通在励磁绕组l1上产生正负交替的励磁电流，电流限幅电路与桥式电路两个桥臂相连，分别检测流过桥式电路两个桥臂的电流，当桥臂的电流超过所设定的阈值时，控制对应的桥臂关断，桥式电路两个桥
臂的关断阈值由同一个基准电压ref1控制。
9.作为上述磁通门电流传感器电路的一种具体实施方式，所述桥式电路包括开关管q1、开关管q2、开关管q3、开关管q4、电阻r1、电阻r2、电阻r3和电阻r4，开关管q1的源极与开关管q2的源极相连后与正供电电压vcc连接，开关管q1的漏极与开关管q2的栅极、开关管q3的漏极、电阻r4的一端连接，开关管q2的漏极与开关管q1的栅极、开关管q4的漏极、电阻r3的一端连接，电阻r4的另一端与开关管q4的栅极连接，电阻r3的另一端与开关管q3的栅极连接，开关管q4的源极通过电阻r2接地，开关管q3的源极通过电阻r1接地。
10.作为上述磁通门电流传感器电路的一种具体实施方式，所述电流限幅电路包括比较器comp1和comp2，比较器comp1的同相输入端与比较器comp2的同相输入端、基准电压ref1相连，比较器comp1的反相输入端与开关管q3的源极相连，比较器comp2的反相输入端与开关管q4的源极相连，比较器comp1的输出端与开关管q3的栅极相连，比较器comp2的输出端与开关管q4的栅极相连。
11.优选的，所述磁通门电流传感器电路，还包括补偿绕组l2、误差放大电路、低通滤波器电路和采样电路，励磁绕组l1检测的励磁电流依次经误差放大电路、低通滤波器电路和采样电路后反馈到补偿绕组l2中。
12.优选的，所述励磁绕组l1与补偿绕组l2被绕在同一个磁芯中。
13.作为上述磁通门电流传感器电路的一种具体实施方式，所述误差放大电路包括电阻r5、电容c1、电容c3和运放op1，电阻r5与励磁绕组l1串联后连接于励磁电路两个桥臂之间，运放op1的输入端与电阻r5的两端连接，电容c1连接于运放op1的反相输入端与输出端之间，电容c3连接于运放op1的同相输入端与地之间，运放op1的输出端作为误差放大器的输出端。
14.作为上述磁通门电流传感器电路的一种具体实施方式，所述采样电路包括电阻r6、电阻r7和电容c2，电阻r6的一端与电阻r7的一端的连接点作为采样电路的输入端，电阻r6的另一端通过补偿绕组l2接地，电阻r7的另一通过电容c2接地，电阻r7与电容c2的连接点作为磁通门电流传感器电路的输出端。
15.作为上述磁通门电流传感器电路的一种具体实施方式，所述误差放大电路包括电阻r8、电阻r9、电容c1、电容c3和运放op1，电阻r8和电阻r9串联后并联于励磁绕组l1的两端，运放op1的输入端与电阻r9的两端连接，电容c1连接于运放op1的反相输入端与输出端之间，电容c3连接于运放op1的同相输入端与地之间，运放op1的输出端作为误差放大器的输出端。
16.作为上述磁通门电流传感器电路的一种具体实施方式，所述采样电路包括电阻r6和差分采样电路，电阻r6的一端作为采样电路的输入端，电阻r6的另一端通过补偿绕组l2接地，差分采样电路的两个输入端连接于电阻r6两端，差分采样电路的输出端作为磁通门电流传感器电路的输出端。
17.本发明的工作原理将结合具体的实施例进行分析，在此不赘述，本发明的有益效果为：
18.1、通过比较器控制励磁绕组l1的峰值电路，励磁电路两个桥臂的关断阈值由同一个基准电压ref1来控制，可消除不同开关管个体之间的参数差异问题，并且在不同温度下峰值电流也比较稳定，本发明的方案相比于现有方案，精度更高；
19.2、通过低通滤波器电路来滤除励磁绕组l1上载波频率的信号，误差放大器的截至频率就可以设置得更高，这样就能响应更高的被测电流信号，以提高整个电流传感器的测量带宽。
附图说明
20.图1为现有的励磁电路的电路原理图；
21.图2为本发明磁通门电流传感器电路第一实施例的电路原理图；
22.图3为本发明磁通门电流传感器电路第二实施例的电路原理图。
具体实施方式
23.为了更好地理解本发明相对于现有技术所作出的改进，对本发明的具体实施方式进行详细说明。
24.第一实施例
25.如图1所示，一种磁通门电流传感器电路，包括励磁电路、励磁绕组l1、误差放大电路、低通滤波器电路和采样电路。
26.励磁电路包括开关管q1、开关管q2、开关管q3、开关管q4、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、比较器comp1和比较器comp2，开关管q1的源极与开关管q2的源极相连后与正供电电压vcc连接，开关管q1的漏极与开关管q2的栅极、开关管q3的漏极、电阻r4的一端连接，开关管q2的漏极与开关管q1的栅极、开关管q4的漏极、电阻r3的一端连接，电阻r4的另一端与开关管q4的栅极、比较器comp2的输出端连接，电阻r3的另一端与开关管q3的栅极、比较器comp1的输出端连接，开关管q4的源极与电阻r2的一端、比较器comp2的负输入端连接，开关管q3的源极与电阻r1的一端、比较器comp1的负输入端连接，电阻r1另一端与电阻r2的另一端相连后接地，比较器comp1的正输入端与比较器comp2的正输入端相连后与基准电压ref1连接。
27.误差放大电路包括电阻r5、电容c1、电容c3和运放op1，电阻r5与励磁绕组l1串联后连接于励磁电路两个桥臂之间，运放op1的输入端与电阻r5的两端连接，电容c1连接于运放op1的反相输入端与输出端之间，电容c3连接于运放op1的同相输入端与地之间，运放op1的输出端作为误差放大器的输出端与低通滤波器电路的输入端连接。
28.采样电路包括电阻r6、电阻r7和电容c2，电阻r6的一端与电阻r7的一端的连接点作为采样电路的输入端与低通滤波器电路的输出端连接，电阻r6的另一端通过补偿绕组l2接地，电阻r7的另一通过电容c2接地，电阻r7与电容c2的连接点作为磁通门电流传感器电路的输出端。
29.开关管q1和开关管q2为p型mos管，开关管q3和开关管q4为n型mos管。
30.比较器comp1和比较器comp2的输出端为oc门。
31.本实施例的工作原理如下：
32.励磁电路为一个全桥自激振荡电路，励磁绕组l1连接于励磁电路两个桥臂之间，被交替的方波电压励磁，并且需设置好峰值电流让每一次励磁，励磁绕组l1都会进入饱和状态。由于n-mos管q3与q4栅极的开通阈值不会绝对相等，因此在上电时有一个交叉的桥臂会先导通。假设n-mos管q3先导通，那么n-mos管q3的漏极就会被拉低，这时候p-mos管q2会
导通，而p-mos管q1与n-mos管q4会被关断，这时励磁电感l1上的励磁电压右正左负，电阻r1上的电压不断升高，当电阻r1上的电压达到基准电压ref1后，比较器comp1的输出端会把n-mos管q3的栅极拉到地，这时n-mos管q3被关断漏极变为高电平，同时n-mos管q4与p-mos管q1导通、p-mos管q2关断，励磁电感l1上的励磁电压左正右负，整个电路如上述的工作方式来自激振荡。
33.mos管的栅极开启阈值会跟随环境温度的变化，并且不同mos管个体之间的栅极开启阈值参数也存在一定的差异，因此在图1的现有方案中，当出现左右两个桥臂栅极开启阈值不一致时，就会导致正负两个方向的励磁不对称，导致整个传感器的输出有比较明显的误差。在本发明中，采用比较器控制励磁绕组l1的峰值电路，励磁电路两个桥臂的关断阈值由同一个基准电压ref1来控制，可消除不同mos管个体之间的参数差异问题，并且在不同温度下峰值电流也比较稳定。
34.本发明一种磁通门电流传感器电路可以显著消除原有传感器输出的零点偏差，以单电源5v供电的磁通门传感器的实际测试为例，经过实际样品的批量测试，零点偏差为30mv左右，换算成百分比为0.03v/2.5v＝1.2％，现相比于现有方案，精度更高。
35.励磁绕组l1与补偿绕组l2被绕在同一个磁芯中，一般磁芯为o型的拓扑形状，被测电流的导线从磁芯中间穿过。当被测电流为0时，励磁绕组l1上的励磁电流是正负对称的，并且磁芯内部的平均磁通为零。当被测电流不为零时，被测电流在磁芯中就会产生一个偏置磁通，这时正负励磁不再平衡，有一个方向的励磁更容易饱和，另一个方向的励磁不容易饱和，这时励磁绕组上l1的励磁电流不是正负对称的。
36.电阻r5用于采样励磁绕组l1上的电流，当励磁电流l1的励磁电流不对称时，电阻r5上的平均电压也不为零，这时由运放op1构成的误差放大器就会把电阻r5上的电压信号放大，经过一级低通滤波后反馈到补偿绕组l2中，流过补偿绕组l2的电流会在磁芯中产生另个一磁通，与被测电流产生的磁通相互抵消，使得磁芯中的平均磁通始终为零，因此通过测量流过补偿绕组l2的电流，就可知道被测电流的值。
37.励磁绕组l1上的励磁电流可称为载波信号，误差放大器的截至频率需远低于载波频率，否则传感器的输出信号会出现明显的载波信号，影响检测质量，而多加一级低通滤波器特别是高阶滤波器来滤除载波频率的信号，误差放大器的截至频率就可以设置得更高，这样就能响应更高的被测电流信号，因此误差放大器的输出再接一级低通滤波器，主要的作用是提高整个电流传感器的测量带宽。
38.第二实施例
39.如图3所示，一种磁通门电流传感器电路，包括励磁电路、励磁绕组l1、补偿绕组l2、误差放大电路、低通滤波器电路和采样电路。
40.励磁电路包括开关管q1、开关管q2、开关管q3、开关管q4、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、比较器comp1和比较器comp2，开关管q1的源极与开关管q2的源极相连后与正供电电压vcc连接，开关管q1的漏极与开关管q2的栅极、开关管q3的漏极、电阻r4的一端连接，开关管q2的漏极与开关管q1的栅极、开关管q4的漏极、电阻r3的一端连接，电阻r4的另一端与开关管q4的栅极、比较器comp2的输出端连接，电阻r3的另一端与开关管q3的栅极、比较器comp1的输出端连接，开关管q4的源极与电阻r2的一端、比较器comp2的负输入端连接，开关管q3的源极与电阻r1的一端、比较器comp1的负输入端连接，电阻r1另一端与电阻r2的另一
端相连后接地，比较器comp1的正输入端与比较器comp2的正输入端相连后与基准电压ref1连接；
41.误差放大电路包括电阻r8、电阻r9、电容c1、电容c3和运放op1，电阻r8和电阻r9串联后并联于励磁绕组l1的两端，运放op1的输入端与电阻r9的两端连接，电容c1连接于运放op1的反相输入端与输出端之间，电容c3连接于运放op1的同相输入端与地之间，运放op1的输出端作为误差放大器的输出端与低通滤波器电路的输入端连接；
42.采样电路包括电阻r6和差分采样电路，电阻r6的一端作为采样电路的输入端与低通滤波器电路的输出端连接，电阻r6的另一端通过补偿绕组l2接地，差分采样电路的两个输入端连接于电阻r6两端，差分采样电路的输出端作为磁通门电流传感器电路的输出端。
43.开关管q1和开关管q2为p型mos管，开关管q3和开关管q4为n型mos管。
44.比较器comp1和比较器comp2的输出端为oc门。
45.本实施例的工作原理与第一实施例类似，主要的不同点是本实施例的误差放大电路采样的是励磁电感两端的电压信号，由于励磁电感两端的电压较高，需进行分压后再进行采样。当被测电流为零时，励磁电感l1两端的励磁电压时对称的，平均值为零，当被测电流不为零时，励磁电感l1两端的励磁电压不对称，误差放大器就可检测出该不对称的状态，从而输出一定的电流补偿到补偿绕组l2上，使得磁芯的磁通平均值为零。同样地，通过测量流过补偿绕组l2的电流，就可知道被测电流的值。
46.以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。