CN110427067A - 一种用模拟电路来提高电流采样精度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用模拟电路来提高电流采样精度的方法，属于电力电子领域。包括电流采样电路、温度采样电路、精度补偿结构几个部分。电流采样电路采集电流信号并输入到精度补偿结构，温度采样电路采集环境温度，并输出到温度补偿结构。从电流采样电路和温度采样电路输出的两组采样信号进入精度补偿结构后，进行相应的运算得到补偿后的精准电流值并输出。其中精度补偿结构可以根据具体电流采样模块的失真特点而调整：若是线性失真，可将温度采样电路的输出电压（电流）按比例加、减到电流采样信号上面；若是非线性失真即可根据每个温度点的差异进行个性化的增减响应的电压（电流）值。

Description

一种用模拟电路来提高电流采样精度的方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种用模拟电路来提高电流采样精度的方法。

背景技术

在电机控制器中，需要对相电流进行采样以实现更精确的控制。现有的电流采样方式主要有电阻采样和霍尔采样两种。其中电阻采样的成本低、适用性好，但是这种方式有一定的功率损耗、最重要的是大功率精密电阻的温漂非常严重。另外一种霍尔采样方式则能够测量大电流、功率耗散比较小，但是这种采样方式虽然进行了一定的温度补偿，其采样精度仍然会受到温度影响，使采样精度降低。由此看来无论哪一种采样方式如果想获得高精准的采样结果一定要对采样数据进行温度补偿。因此，本发明提出了一种通过模拟电路进行温度补偿来提高电流采样精度的方法。

发明内容

针对上述的温度采样方案中采样精度受到温度的影响而发生漂移的现象，本发明提出了一种用模拟电路来进行温度补偿以提高采样精度的方法。

本发明的技术方案为：一种用模拟电路来提高电流采样精度的方法，该方法包括电流采样模块、温度采样模块、精度补偿结构几个部分；

所述电流采样模块采样精度会受到温度影响的器件及电路结构，并把采集到的电流信息转换为电压或电流输出到精度补偿结构；

所述的温度采样模块是对温度敏感、精准的温度传感器，并产生一个反应环境温度信息的电压或电流信号传输至精度补偿结构；

所述的精度补偿结构将温度采集模块采集得到的温度信息进行判断处理并得到在该温度下需要补偿的电压或电流大小，并将该电压或电流与电流采样模块输出的电压或电流信号进行运算并输出一个线性反应被采样电流大小的电压或电流信号：Vout。

优选的，所述温度采样模块输出一个与温度呈线性关系的电压或电流，输入到精度补偿结构，精度补偿结构根据该电压或电流判断温度点，再根据电流采样模块的误差曲线确定需要补偿的电压或电流大小；若误差与温度呈线性关系，则采用线性叠加补偿方式；若误差与温度呈非线性关系，则采用分段补偿方式。

优选的，当误差与温度呈线性关系时，采用线性叠加补偿方式；在这种情况下，准确的电流采样信号输出为Vout，实际电流采样模块的采样信号为Vcs，温度信号为VT，则有：

Vref为所需补偿的直流电压，b和c为系数； 此补偿方式下所述的精度补偿结构包括：运算放大器A、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6；

R1、R2、R3、R4接到运算放大器的正向输入端，R1另一端接直流电压，R2另一端接温度采样电路的输出，R3的另一端接电流采样电路的输出，R4的另一端接地，R5和R6接运算放大器的负向输入端，R5的另一端接地，R6另一端接运算放大器的输出端；如此构成了电压加法器，实现三个电压的按比例相加，最后得到精准的补偿后的电流采样信号。结果为：

若误差曲线与温度呈正相关，温度采样模块的输出与温度也呈正相关则按照图2所接电路即可得到所求，但如果误差曲线与温度呈正相关，而温度采样模块的输出与温度呈负相关，则应将温度采样模块的输出及其所接电阻接到云端放大器的负向输入端，进行减法运算；其他情况也如此分析，如果误差与温度呈现二次方、微分、积分等关系也可利用运放搭建具体运算电路，实现功能。

优选的，当误差与温度呈非线性关系时，采用分段补偿方式，采用至少一个比较器且补偿精度与比较器的个数紧密相关，温度采样电路的输出接到每一个比较器的输入端，比较器的另一个输入端接不通的基准电压V1、V2、V3、V4……；若温度采样模块输出的电压为随温度升高而升高的电压，则V1、V2、V3、V4……按照一定的步长依次升高，反之则依次降低；每一个比较器的输出控制一个NMOS管做为开关，控制一路基准电流的开关，基准电流来自于Iref的镜像电流；以第一路为例：MP0的源端接电源，漏端与栅极相连接到Iref，形成自偏置；MP0的栅极接到后边所有PMOS的栅极形成电流镜，电流镜的镜像比例根据V1、V2、V3、V4……的步长及他们所代表的温度点的误差进行设置；MP1的源端接电源电压，MP1的漏极接MN1的漏极，MN1的源级接电阻R12的上端，MN1的栅极接比较器COMP1的输出，受比较器COMP1的控制；第一路中V1接COMP1的正输入端，温度采样电路接COMP1的负输入端，若温度升高使温度采样电路的输出降低，低到V1以下，则比较器输出为高，MN1导通，MP1上的电流注入到R12，使R12上的电压升高；从而误差补偿的值增加；其它各路依照此路连接，若温度升高到某个值，误差减小，则应减小所补偿的电压，故而温度采样电路在该温度点对应的基准电压应该接到比较器的负输入端，而温度采样电路的输出接到该比较器的正输入端，当温度升高到该点，关断该路电流，从而使电阻R12上的电压减小；每一路的镜像电流值设置为相对于前一温度点应该增加或减少的误差电压除以R；若某一哭相对基准电流的镜像比例为1：K，且该路的基准点想对前一基准点的误差电压为VN，那么有：

每一个比较器输入端的连接方式视温度到达该点视误差补偿应该增加还是减少而定；

R12上首先有一个基准电流Iref1流过，即首先补偿一个直流电压，具体值根据误差情况确定，然后所有支路的电流流过R12之后形成一个总的误差补偿电压，该电压输入到运算放大器A2的正向输入端；云算放大器A2的负向输入端接到它的输出，并接到R7的一端，形成单位增益负反馈，通过A2的嵌位和隔离，使R12上的电压不受后级电路影响；电流采样电路的输出接到R8，R7、R8的另一端和R9接到运算放大器A1的证输入端，R9的另一端接地.运算放大器的负向输入端接R10和R11，R10另一端接地，R11另一端接运算放大器的输出并作为整个***的输出；R7、R8、R9、R10、R11和运算放大器A1与上述一样构成加法运算电路，将补偿的误差电压与电流采样电路的输出相加形成精准的输出。

与现有技术相比，本申请具有以下优点：

所述的电流采样电路可以是电阻采样、霍尔电流采样等任何种类采样电路，属于本方案中***的第一个输入级；该采样电路的采样结果受到温度的影响而存在一定的误差，通过后面的补偿结构进行修正。

所述的温度采样电路能够采集环境温度，并输出一个电压（或电流）信号，该信号值与温度呈线性关系；温度采样电路属于本方案***中的第二个输入级。温度采样电路所输出的电流或电压信号传输到补偿结构中，对电流采样模块的采样结果进行补偿。

所述的补偿结构可以采取多种补偿方式，不同的采样电路具有不同的特点，采样精度所出现的偏差也有所不同。本申请提供的方案适用于所有需要提供温度补偿的应用场景，无论采样误差与温度呈线性关系还是非线性关系。如果误差与温度呈线性关系则采用线性叠加补偿方式，见实施例一；如果误差与温度呈非线性关系或无法用函数来拟合误差曲线则可采用分段补偿方式，见实施例二。

附图说明

图1是本发明提出的一种用模拟电路来提高电流采样精度的方案架构；

图2是典型的电流采样误差与温度成线性关系的线性叠加补偿结构；

图3是电流采样误差与温度成非线性关系的分段补偿结构。

具体实施方式

下面根据附图和实施例，详细描述本发明的工作原理。

本发明提出的一种用模拟电路来提高电流采样精度的方案包括电流采样电路、温度采样电路、精度补偿结构几个部分。

温度采样可以通过NTC电阻、二极管等温敏器件实现。以NTC电阻为例，用一个基准电流（不随温度变化）流过NTC电阻，电阻两端电压随温度的升高而降低，该电压即线性的反应温度值。可以将此值输入到精度补偿结构中，也可以通过一定的转换、加、减结构将该电压转换为随温度升高而升高的电压或者与温度呈线性关系的电流，具体视情况而定。

电流采样电路可以用采样电阻或霍尔元件实现。所采集到的反映被采样电流大小的电压（或电流）信号会受到温度的影响而产生一定误差。与实际值相比可能会偏高也可能会偏低。

在设计精度补偿结构之前需要对电流采样结构进行测试，以得到采样误差随温度变化的关系曲线。然后根据曲线来确定在某一确定温度下应该补偿多少电压（或电流）到所测得的信号中，以得到实际的准确值。其中最简单的情况就是误差与温度成线性关系。下面将线性误差的情况和非线性误差的情况分为两个实施例来讨论。

当电流采样电路的输出与实际值的误差为线性时，真实值与采样值的关系可以表述为：

其中Vout为真实反应被采样电流大小的电压，即温度补偿电路的输出，Vcs为电流采样电路的输出，该电压所反映的信息含有一定误差，VT为与温度呈线性关系的电压值，Vref为所需补偿的直流电压值，b和c为系数。根据此关系式，精度补偿结构可以设计为如图2所示，通过电压加法器将两个电压按照比例相加。得到精确的输出值。

若误差曲线与温度呈正相关，温度采样模块的输出与温度也呈正相关则按照图2所接电路即可得到所求，但如果误差曲线与温度呈正相关，而温度采样模块的输出与温度呈负相关，则应将温度采样模块的输出及其所接电阻接到云端放大器的负向输入端，进行减法运算。其他情况也如此分析。如果误差与温度呈现二次方、微分、积分等关系也可利用运放搭建具体运算电路，实现功能。

由于具体采样电路的采样误差随温度变化关系非常复杂，很难用某一具体函数来拟合，或者说，拟合后误差仍然不可忽略，即可采用补偿精度更高，相对更灵活且可以更普遍的应用于各种误差补偿的分段补偿方式。

在分段补偿这种方案当中补偿精度与比较器的个数紧密相关，为方便理解，以图3中四个比较器为例，温度采样电路的输出接到每一个比较器的输入端，比较器的另一个输入端接不通的基准电压V1、V2、V3、V4……，若温度采样模块输出的电压为随温度升高而升高的电压，则V1、V2、V3、V4……按照一定的步长依次升高，反之则依次降低。每一个比较器的输出控制一个NMOS管做为开关，控制一路基准电流的开关，基准电流来自于Iref的镜像电流。以第一路为例：MP0的源端接电源，漏端与栅极相连接到Iref，形成自偏置。MP0的栅极接到后边所有PMOS的栅极形成电流镜，电流镜的镜像比例根据V1、V2、V3、V4……的步长及他们所代表的温度点的误差进行设置。MP1的源端接电源电压。MP1的漏极接MN1的漏极。MN1的源级接电阻R12的上端，MN1的栅极接比较器COMP1的输出，受比较器COMP1的控制。第一路中V1接COMP1的正输入端，温度采样电路接COMP1的负输入端，若温度升高使温度采样电路的输出降低，低到V1以下，则比较器输出为高，MN1导通，MP1上的电流注入到R12，使R12上的电压升高。从而误差补偿的值增加。其它各路依照此路连接，若温度升高到某个值，误差减小，则应减小所补偿的电压，故而温度采样电路在该温度点对应的基准电压应该接到比较器的负输入端，而温度采样电路的输出接到该比较器的正输入端，当温度升高到该点，关断该路电流，从而使电阻R12上的电压减小。每一路的镜像电流值设置为相对于前一温度点应该增加（或减少）的误差电压(设为VN)除以R。若某一哭相对基准电流的镜像比例为1：K，且该路的基准点想对前一基准点的误差电压为VN，那么有：

每一个比较器输入端的连接方式视温度到达该点视误差补偿应该增加还是减少而定。

R12上首先有一个基准电流Iref1流过，即首先补偿一个直流电压，具体值根据误差情况确定，然后所有支路的电流流过R12之后形成一个总误差补偿的电压，该电压输入到运算放大器A2的正向输入端。运算放大器A2的负向输入端接到它的输出，并接到R7的一端，形成单位增益负反馈。通过A2的嵌位和隔离，使R12上的电压不受后级电路影响。电流采样电路的输出接到R8。R7、R8的另一端和R9接到运算放大器A1的正向输入端，R9的另一端接地。运算放大器的负向输入端接R10和R11，R10另一端接地，R11另一端接运算放大器的输出并作为整个***的输出。R7、R8、R9、R10、R11和运算放大器A1与上一实施例一样构成加法运算电路，将补偿的误差电压与电流采样电路的输出相加形成精准的输出。

为了提高精度补偿结构的补偿精度，需要将V1、V2、V3……之间的步长减小，同时增加比较器的个数。具体情况根据应用需要进行调整。

可以理解的是，本发明不限于上文示出的精确配置和组件。在不脱离权利要求书的保护范围基础上，可以对上文方法和结构的步骤顺序、细节及操作做出各种修改、改变和优化。

Claims (4)

1.一种用模拟电路来提高电流采样精度的方法，其特征在于：该方法包括电流采样模块、温度采样模块、精度补偿结构几个部分；

所述电流采样模块采样精度会受到温度影响的器件及电路结构，并把采集到的电流信息转换为电压或电流输出到精度补偿结构；

所述的温度采样模块是对温度敏感、精准的温度传感器，并产生一个反应环境温度信息的电压或电流信号传输至精度补偿结构；

所述的精度补偿结构将温度采集模块采集得到的温度信息进行判断处理并得到在该温度下需要补偿的电压或电流大小，并将该电压或电流与电流采样模块输出的电压或电流信号进行运算并输出一个线性反应被采样电流大小的电压或电流信号：Vout。

2.根据权利要求1所述的用模拟电路来提高电流采样精度的方法，其特征在于：所述温度采样模块输出一个与温度呈线性关系的电压或电流，输入到精度补偿结构，精度补偿结构根据该电压或电流判断温度点，再根据电流采样模块的误差曲线确定需要补偿的电压或电流大小；若误差与温度呈线性关系，则采用线性叠加补偿方式；若误差与温度呈非线性关系，则采用分段补偿方式。

3.根据权利要求2所述的用模拟电路来提高电流采样精度的方法，其特征在于：当误差与温度呈线性关系时，采用线性叠加补偿方式；在这种情况下，准确的电流采样信号输出为Vout，实际电流采样模块的采样信号为Vcs，温度信号为V_T，则有：

Vref为所需补偿的直流电压，b和c为系数；

此补偿方式下所述的精度补偿结构包括：运算放大器A、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6；

R1、R2、R3、R4接到运算放大器的正向输入端，R1另一端接直流电压，R2另一端接温度采样电路的输出，R3的另一端接电流采样电路的输出，R4的另一端接地，R5和R6接运算放大器的负向输入端，R5的另一端接地，R6另一端接运算放大器的输出端；如此构成了电压加法器，实现三个电压的按比例相加，最后得到精准的补偿后的电流采样信号，

结果为：

若误差曲线与温度呈正相关，温度采样模块的输出与温度也呈正相关则按照图2所接电路即可得到所求，但如果误差曲线与温度呈正相关，而温度采样模块的输出与温度呈负相关，则应将温度采样模块的输出及其所接电阻接到云端放大器的负向输入端，进行减法运算；其他情况也如此分析，如果误差与温度呈现二次方、微分、积分等关系也可利用运放搭建具体运算电路，实现功能。

4.根据权利要求2所述的用模拟电路来提高电流采样精度的方法，其特征在于：当误差与温度呈非线性关系时，采用分段补偿方式，采用至少一个比较器且补偿精度与比较器的个数紧密相关，温度采样电路的输出接到每一个比较器的输入端，比较器的另一个输入端接不通的基准电压V1、V2、V3、V4……；若温度采样模块输出的电压为随温度升高而升高的电压，则V1、V2、V3、V4……按照一定的步长依次升高，反之则依次降低；每一个比较器的输出控制一个NMOS管做为开关，控制一路基准电流的开关，基准电流来自于I_ref的镜像电流；以第一路为例：MP0的源端接电源，漏端与栅极相连接到I_ref，形成自偏置；MP0的栅极接到后边所有PMOS的栅极形成电流镜，电流镜的镜像比例根据V1、V2、V3、V4……的步长及他们所代表的温度点的误差进行设置；MP1的源端接电源电压，MP1的漏极接MN1的漏极，MN1的源级接电阻R12的上端，MN1的栅极接比较器COMP1的输出，受比较器COMP1的控制；第一路中V1接COMP1的正输入端，温度采样电路接COMP1的负输入端，若温度升高使温度采样电路的输出降低，低到V1以下，则比较器输出为高，MN1导通，MP1上的电流注入到R12，使R12上的电压升高；从而误差补偿的值增加；其它各路依照此路连接，若温度升高到某个值，误差减小，则应减小所补偿的电压，故而温度采样电路在该温度点对应的基准电压应该接到比较器的负输入端，而温度采样电路的输出接到该比较器的正输入端，当温度升高到该点，关断该路电流，从而使电阻R12上的电压减小；每一路的镜像电流值设置为相对于前一温度点应该增加或减少的误差电压除以R；若某一哭相对基准电流的镜像比例为1：K，且该路的基准点想对前一基准点的误差电压为VN，那么有：

每一个比较器输入端的连接方式视温度到达该点视误差补偿应该增加还是减少而定；

R12上首先有一个基准电流Iref1流过，即首先补偿一个直流电压，具体值根据误差情况确定，然后所有支路的电流流过R12之后形成一个总的误差补偿电压，该电压输入到运算放大器A2的正向输入端；云算放大器A2的负向输入端接到它的输出，并接到R7的一端，形成单位增益负反馈，通过A2的嵌位和隔离，使R12上的电压不受后级电路影响；电流采样电路的输出接到R8，R7、R8的另一端和R9接到运算放大器A1的证输入端，R9的另一端接地.运算放大器的负向输入端接R10和R11，R10另一端接地，R11另一端接运算放大器的输出并作为整个***的输出；R7、R8、R9、R10、R11和运算放大器A1与上述一样构成加法运算电路，将补偿的误差电压与电流采样电路的输出相加形成精准的输出。