CN104991115A - 一种斩波式直流电流检测方法及电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种斩波式直流电流检测方法及电路，通过以一定的频率连续实时采集分流电阻两端的正向电压与反向电压，对同一个斩波周期里上半个斩波周期的采样值与下半个斩波周期的采样值进行运算，消除低频噪声和失调电压等噪声对检测结果的影响；检测电路包括分流电阻、模拟开关、放大器、模数转换器和控制单元；模拟开关并联在分流电阻的两端；放大器的输入端连接模拟开关的输出端；模数转换器的输入端连接放大器的输出端；控制单元的输入端连接模数转换器的输出端，控制单元的输出端连接模拟开关的控制信号输入端；控制单元一方面提供数字信号控制模拟开关的切换，另一方面根据数字的正反向电压信号，获取直流电流检测值；本发明提供的电路结构简单，测试准确度高，具有低成本的优势。

Description

一种斩波式直流电流检测方法及电路

技术领域

本发明属于直流电流检测技术领域，更具体地，涉及一种斩波式直流电流检测方法及电路。

背景技术

现有的直流电流检测方法是在母线上串联分流电阻，通过检测分流电阻的端电压来检测流过该分流电阻的电流；当母线电流较小时，分流电阻的端电压信号较小，必须经过放大器进行信号调理；受限于现有信号调理器件的噪声影响，当电流极小时，信噪比极低，导致信号失真，很难准确地检测出电流值；具体的，信号失***要受以下因素影响：

放大器的噪声，滤波器很难处理放大器件的低频噪声；而恰恰是低频噪声对直流信号的检测影响最大；

放大器的失调电压，放大器的失调电压取决于器件内部晶体管的匹配、器件有限的共模抑制比；

温度变化，当工作环境温度变化时，直流检测电路的噪声和失调电压等参数都会随温度发生变化，难以通过定期校准的方法来规避误差。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种斩波式直流电流检测方法及电路，其目的在于，消除低频噪声和失调电压对检测结果的影响，解决现有直流电流检测技术中信号失真的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种斩波式直流电流检测方法，通过分时采集分流电阻两端的正向电压与反向电压，并通过对该正向电压与反向电压相减后求平均的方式，获取直流电压检测值，具体如下：

(1)在第n个斩波周期的上半个周期内，采集分流电阻两端的正向电压V_out1；其中，V_out1＝V_sig+V_os,n取正整数；

(2)在第n个斩波周期的下半个周期内，采集分流电阻两端的反向电压V_out2；其中，V_out2＝-V_sig+V_os；

(3)将上半个斩波周期的正向电压V_out1与下半个斩波周期的反向电压V_out2进行运算，抵消掉所述正向电压与反向电压中的电压噪声，获取分流电阻两端的直流电压检测值V：

$V=\frac{V_{\mathrm{out}1}-V_{\mathrm{out}2}}{2}=\frac{(V_{\mathrm{sig}}+V_{\mathrm{os}})-({-V}_{\mathrm{sig}}+V_{\mathrm{os}})}{2}=V_{\mathrm{sig}};$

(4)根据分流电阻两端的直流电压检测值V与分流电阻的阻值R，获取直流电流检测值；

(5)重复步骤(1)～(4)，实时获取直流电流检测值；

其中，V_sig是拟检测直流电压信号的实际值，V_os是低频噪声、失调电压以及温度变化引起的电压噪声，是时间t和温度T的函数，V_os＝f(t，T)；通过上述方法，消除低频噪声、失调电压以及温度变化引起的电压噪声对检测结果的影响，取得的直流电压检测值就是该电压的实际值。

优选的，采集分流电阻两端正向电压与反向电压的方法，具体如下：

a、在第n个斩波周期的上半个周期，将分流电阻的近电源端信号接入放大器的同相输入端，将分流电阻的近负载端信号接入放大器的反相输入端，完成正向电压接入；

b、延时xms后开始采集所述正向电压，根据预设的采样频率，在半个斩波周期内采集i次；以i次采样的平均值作为该半个斩波周期内采集到的正向电压值V_out1；其中，i取正整数；

c、采集次数达到i后，在第n个斩波周期的下半个周期，将分流电阻的近电源端端信号接入放大器的反相输入端，将分流电阻的近负载端信号接入放大器的同相输入端，完成反向电压接入；

d、延时xms后开始采集所述反向电压，根据预设的采样频率，在半个斩波周期内采集i次；以i次采样的平均值作为该半个斩波周期内采集到的反向电压值V_out2。

优选的，上述延时x的范围为(0，kt)；其中，0时刻为开关切换时刻，k是V_out(k)-V_out(k-1)≤ε时对应的采样次数；ε为预设的电压测试误差许可范围，t为采样周期；

V_out(k)是指第k个采样值；在正向电压采集中，V_out(k)即为V_out1(k)，在反向电压采集中，V_out(k)即为V_out2(k)。

优选的，斩波频率根据电压噪声特性确定，当在Δt时间段内的电压噪声幅度变化小于预设的电压测试误差许可范围ε，则斩波频率f设为

斩波频率足够高，可以将低频噪声作为随时间变化的失调电压处理，通过本发明的正反向电压相减求平均的方式抵消失调电压。

按照本发明的另一方面，提供了一种斩波式直流电流检测电路，包括分流电阻、模拟开关、放大器、模数转换器和控制单元，将模拟器件和数字控制结合，进行直流电流检测；

其中，分流电阻串联在母线上，将母线电流转换为端电压；模拟开关并联在分流电阻的两端，模拟开关的两个输入端分别连接分流电阻的两端，连接点作为电压采集点；放大器的输入端连接模拟开关的输出端，用于对采集到的分流电阻两端的电压信号进行放大；模数转换器的输入端连接放大器的输出端，用于将放大器输出的模拟的正反向电压信号转换成数字的正反向电压信号；

控制单元的输入端连接模数转换器的输出端，控制单元的输出端连接模拟开关的控制信号输入端；控制单元一方面提供数字信号控制模拟开关的切换，以对分流电阻与放大器的连接方式进行切换，另一方面对数字的正反向电压信号进行运算，获取直流电流检测值；采用单片机、DSP或FPGA实现。

优选的，上述斩波式直流电流检测电路，在工作时，

a、通过数字信号控制模拟开关动作，在第n个斩波周期的上半个周期，将分流电阻的近电源端信号接入放大器的同相输入端，将分流电阻的近负载端信号接入放大器的反相输入端，完成开关动作，接入正向电压；

采用数字信号控制模拟开关这种数模结合的方法，消除了模拟开关带来的寄生电容的影响；

b、开关动作完成后，延时xms后采集放大器输出的正向电压，根据预设的采样频率，在半个斩波周期内采集i次；以i次采样的平均值作为该半个斩波周期内采集到的正向电压值V_out1；

延时待电压稳定后采样，避免了开关频率噪声对检测结果的影响；

c、采集次数达到i后，通过数字信号控制模拟开关切换，在第n个斩波周期的下半个周期，将分流电阻的近电源端端信号接入放大器的反相输入端，将分流电阻的近负载端信号接入放大器的同相输入端，完成开关切换，接入反向电压；

d、当开关切换完成后，延时xms后采集放大器输出的反向电压，根据预设的采样频率，在半个斩波周期内采集i次；以i次采样的平均值作为该半个斩波周期内采集到的反向电压值V_out2；

其中，正向电压是指将采样电阻近电源端的电压接入放大器的正相输入端、近负载端的电压接入反相输入端时，放大器输出端采集的电压值，反向电压是指将采样电阻近负载端的电压送入放大器的正相输入端、近电源端的电压送入反相输入端时，放大器输出端采集的电压值。

在现有的斩波稳零放大器中，使用模拟开关对信号做斩波处理、再通过开关电容对斩波信号进行滤波，以将原信号还原，从而获得低漂移特性；

而模拟开关与电容不可避免地将开关噪声引入信号中，对开关噪声的处理又需要增加复杂的电路，成本增加且不能从根本上消除开关噪声；

对于检测***而言，采用本发明提供的模拟电路和数字处理相结合的方式，不需要昂贵的器件，降低成本的同时使电路设计更为灵活。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的斩波式直流电流检测方法及电路，将放大器等信号调理电路引入的低频噪声作为失调电压；在斩波频率足够高时，低频噪声被作为随时间变化的失调电压；将直流信号斩波，将正反向电压信号相减后求平均，抵消失调电压对直流电流检测的影响；

(2)本发明提供的斩波式直流电流检测方法及电路，采用实时连续斩波采样，对一个斩波周期内的正反向电压进行运算的方法，实时抵消电压噪声V_os；由于工作环境温度在极短的斩波周期内不可能剧变，温度连续变化引起的失调电压在相邻的斩波间隔内也不可能剧变，因此对于温度变化引起的失调电压噪声，本发明提供的方法，同样可以实时抵消，提高了直流电流检测检测电路对工作环境的适应能力；

(3)本发明提供的斩波式直流电流检测方法，每次开关切换后会延时一段时间，在电压趋于稳定后再开始采样，将开关频率噪声对电压采集值的影响降到最低；

(4)本发明提供的斩波式直流电流电路，采用数模结合的方式，采用数字信号控制模拟开关，消除了模拟开关引起的开关频率噪声对电流测试准确性的影响；另一方面，电路结构简单，具有低成本的优势。

附图说明

图1是实施例提供的斩波式直流电流检测电路的***框图；

图2是实施例提供的斩波式直流电流检测电路；

图3是本发明提供的直流电流检测方法里正反向电压的波形示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供的斩波式直流电流检测电路及方法，通过实时采集分流电阻两端的正向电压与反向电压，并对同一个斩波周期内的正反向电压相减后求平均的方式，获取直流电压检测值，然后进一步获取电流检测值。

由于采集到的正向电压与反向电压均带有噪声，包括放大器导致的低频噪声、失调电压以及温度变化导致的噪声等；在相减求平均的过程中，这部分噪声电压直接被抵消掉，消除了噪声电压对检测结果的影响；

本发明采用模拟电路和数字处理相结合的方法，使用数字控制器控制模拟开关的导通与断开；且斩波周期可以根据噪声特性灵活设置；数字处理方法的引入使得采样数据的选取更为灵活，避开开关噪声；采样延时时间可以根据实测获得的经验数据设定，也可以通过对采样数据进行数字处理实时设定；斩波频率的设定可以根据噪声特性灵活设置；使用通用的分立器件、在获得预期检测精度的同时最大程度的降低成本。

本发明提供的检测电路包括分流电阻、模拟开关、放大器、模数转换器和控制单元,其***框图如图1所示；

具体的，模拟开关并联在分流电阻的两端，模拟开关的两个输入端分别连接分流电阻的两端，连接点作为电压采集点；放大器的输入端连接模拟开关的输出端；模数转换器的输入端连接放大器的输出端；控制单元的输入端连接模数转换器的输出端，控制单元的输出端连接模拟开关的控制信号输入端；

控制单元一方面提供数字信号控制模拟开关的切换，以对分流电阻与放大器的连接方式进行切换，另一方面根据数字的正反向电压信号，获取直流电流检测值；实施例中，控制单元可以采用FPGA实现。

实施例提供的直流电流检测方法及电路，用于对LED模组背光源的每一路电源的电流值进行实时检测及监测；由于此类应用中的电源和控制信号并存，因此电流检测只能采用电阻分流、高边检测的方式；将分流电阻串联在电源输出端与负载之间，检测分流电阻两端的电压，根据检测到的电压值与分流电阻的电阻值，获取直流电流值。

以下结合实施例，具体阐述本发明提供的斩波式直流电流检测方法及电路；

实施例提供的直流电流检测电路示意图如图2所示，分流电阻Rs一端连接电源电压Vs，另一端连接负载：模拟开关并联在分流电阻Rs的两端，输入端连接分流电阻两端的电压采集点，输出端连接仪表放大器INA的输入端；模拟开关在控制单元MCU的数字控制下切换，对分流电阻Rs与仪表放大器INA的连接方式进行切换；

在实施例中，模拟开关具有6个触点；触点A1、A2、B1和B2是用于连接分流电阻的触点，触点C用于连接放大器INA的同相端，触点D用于连接放大器INA的反相端；

在第n个斩波周期的上半个周期内，模拟开关的触点C连接触点A1，触点D连接触点A2，将仪表放大器INA的同相端与分流电阻RS的高电压端连接，反相端与分流电阻RS的低电压端连接，以采集分流电阻Rs的两端的正向电压；上半个斩波周期结束后，模拟开关切换，使得在下半个斩波周期内，模拟开关的触点C连接触点B1，触点D连接触点B2，将仪表放大器INA的同相输入端与分流电阻RS的低电压端连接，反向输入端与分流电阻RS的高电压端连接，以采集分流电阻Rs的两端的反向电压。

实施例中，仪表放大器INA采集的是分流电阻两端的差分电压信号，如此切换开关，将分流电阻两端与仪表放大器的同相输入端和反相输入端交替连接，以此在仪表放大器INA的输出端获得对分流电阻差分电压信号的正向和反向电压值，其波形如图3所示意；

正向电压值和反向电压值均包含了相同的失调电压Vos，通过运算将Vos抵消；这种方法的另一个优点在于不仅可以将仪表放大器INA自身的失调抵消，还可以抵消因共模电压高、放大器共模抑制比有限而带来失调。

实施例提供的斩波式直流电流检测方法具体如下：

(1)斩波周期为0.5s，在斩波周期的上半个周期内，MCU提供高电平数字信号控制模拟开关打到分流电阻的高电压端和低电压端，将高电压端信号送入仪表放大器的同相输入端，将低电压端信号送入仪表放大器的反相输入端；

(2)经过10ms～50ms延时，避开开关切换瞬间的信号波动，模数转换器开始以128KHz频率采集仪表放大器INA的输出电压，并进行模数转换，控制单元MCU读取模数转换后取得的采样数据，存入控制单元MCU的寄存器，在MCU内对采样数据求平均，获取分流电阻两端的正向电压V_out1；

(3)在斩波周期的下半个周期内，控制单元MCU提供低电平数字信号，控制模拟开关切换，使得将低电压端B1信号送入仪表放大器的同相输入端，将高电压端B2信号送入仪表放大器的反相输入端；

(4)经过10ms～50ms延时，模数转换器开始以128kHz频率采集仪表放大器INA的输出电压，并进行模数转换，控制单元MCU读取模数转换后取得的采样数据，存入控制单元MCU的寄存器，在控制单元MCU内对采样数据求平均，获取分流电阻两端的反向电压V_out2；以上正向电压值V_out1与反向电压值V_out2内是包括了噪声电压的；

(5)获取直流电压检测值V，

(6)根据直流电压检测值V与分流电阻Rs的阻值，获取直流电流值I。

上述实施例提供的直流检测方法，在0～1mA的电流范围内，无需软件校准，能实现1uA的检测精度，且在不同工作环境温度下，均能保持此精度；使用相同的仪表运算放大器和相同的模数转换器，未采用本发明的方法，采用1Ω的分流电阻，在0-1mA的范围内，经软件校准，只能实现10uA的检测精度，并且在0-75℃工作温度范围内，需增加温度补偿电路对输出值做校正。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种斩波式直流电流检测方法，其特征在于，通过连续实时采集分流电阻两端的正向电压与反向电压，根据所述正向电压与反向电压，获取直流电压检测值，具体如下：

(1)在第n个斩波周期的上半个周期内，采集分流电阻两端的正向电压V_out1；其中，V_out1＝V_sig+V_os,n取正整数；

(2)在第n个斩波周期的下半个周期内，采集分流电阻两端的反向电压V_out2；其中，V_out2＝-V_sig+V_os；

(3)将上半个斩波周期的正向电压V_out1与下半个斩波周期的反向电压V_out2进行运算，抵消掉所述正向电压与反向电压中的电压噪声，获取分流电阻两端的直流电压检测值

(4)根据所述直流电压检测值V与分流电阻的阻值R，获取直流电流检测值；

(5)重复步骤(1)～(4)，实时获取直流电流检测值；

其中，V_sig是拟检测直流电压信号的实际值，V_os是由低频噪声、失调电压以及温度变化引起的电压噪声。

2.如权利要求1所述的直流电流检测方法，其特征在于，所述采集分流电阻两端正向电压与反向电压的方法具体如下：

a、在第n个斩波周期的上半个周期，将分流电阻的近电源端信号接入放大器的同相输入端，将分流电阻的近负载端信号接入放大器的反相输入端，完成正向电压接入；

b、延时x_ms后开始采集所述正向电压，根据预设的采样频率，在半个斩波周期内采集i次；以i次采样的平均值作为该半个斩波周期内采集到的正向电压值V_out1；其中，i取正整数；

c、采集次数达到i后，在第n个斩波周期的下半个周期，将分流电阻的近电源端端信号接入放大器的反相输入端，将分流电阻的近负载端信号接入放大器的同相输入端，完成反向电压接入；

d、延时x_ms后开始采集所述反向电压，根据预设的采样频率，在半个斩波周期内采集i次；以i次采样的平均值作为该半个斩波周期内采集到的反向电压值V_out2。

3.如权利要求2所述的直流电流检测方法，其特征在于，所述延时x的范围为(0，kt)；

其中，0时刻为开关切换时刻，k是V_out(k)-V_out(k-1)≤ε时对应的采样次数；ε为预设的电压测试误差许可范围，t为采样周期；V_out(k)是指第k个采样值；在正向电压采集中，V_out(k)即为V_out1(k)，在反向电压采集中，V_out(k)即为V_out2(k)。

4.如权利要求2或3所述的直流电流检测方法，其特征在于，所述延时x为10ms～50ms。

5.如权利要求2或3所述的直流电流检测方法，其特征在于，采集放大器的输出电压的采样频率为128kHz。

6.一种斩波式直流电流检测电路，其特征在于，包括分流电阻、模拟开关、放大器、模数转换器和控制单元；

所述分流电阻用于将母线电流转换为端电压；所述模拟开关并联在分流电阻的两端，模拟开关的两个输入端分别连接分流电阻的两端；所述放大器的输入端连接模拟开关的输出端，用于对采集到的分流电阻两端的电压信号进行放大；所述模数转换器的输入端连接放大器的输出端，用于将放大器输出的模拟的正反向电压信号转换成数字的正反向电压信号；

所述控制单元的输入端连接模数转换器的输出端，控制单元的输出端连接模拟开关的控制信号输入端；控制单元用于提供数字信号控制模拟开关的切换，以对分流电阻与放大器的连接方式进行切换，还根据数字的正向电压信号与反向电压信号，获取直流电流检测值。

7.如权利要求6所述的斩波式直流电流检测电路，其特征在于，工作时，

a、通过数字信号控制模拟开关动作，在第n个斩波周期的上半个周期，将分流电阻的近电源端信号接入放大器的同相输入端，将分流电阻的近负载端信号接入放大器的反相输入端，完成开关动作，接入正向电压；

b、当开关动作完成后，延时x_ms后采集放大器输出的正向电压，根据预设的采样频率，在半个斩波周期内采集i次；以i次采样的平均值作为该半个斩波周期内采集到的正向电压值V_out1；其中，i取正整数；

c、采集次数达到i后，通过数字信号控制模拟开关切换，在第n个斩波周期的下半个周期，将分流电阻的近电源端端信号接入放大器的反相输入端，将分流电阻的近负载端信号接入放大器的同相输入端，完成开关切换，接入反向电压；

d、当开关切换完成后，延时x_ms后采集放大器输出的反向电压，根据预设的采样频率，在半个斩波周期内采集i次；以i次采样的平均值作为该半个斩波周期内采集到的反向电压值V_out2。