CN110632355A - 一种较高动态范围电流的检测电路及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电路技术领域，尤其涉及一种较高动态范围电流的检测电路及检测方法，其中，检测电路包括至少一个电流检测模块，连接于一电压源与一负载之间，至少一个电流检测模块包括：一整流单元组，包括多级整流单元，以获取每级整流单元的电阻值；一纯电阻单元，纯电阻单元的输入端连接最后一级的整流单元的输出端；两组差分放大单元，用于检测每个电流检测模块的电压模拟值；两组模数转换单元，以将每个电流检测模块的电压模拟值转换为每个电流检测模块的电压数字值；一控制模块，以检测每个电流检测模块的电流值。本发明的技术方案的有益效果在于：使得微小电流和大电流均保证同样的精度，成本低廉，且大小电流的功率电阻选择灵活。

Description

一种较高动态范围电流的检测电路及检测方法

技术领域

本发明涉及电路技术领域，尤其涉及一种较高动态范围电流的检测电路及检测方法。

背景技术

传统的电流检测方式是采用霍尔传感器或者电阻采样检测，但这样的方式很难实现在较高动态范围检测情况下，使得微小电流和较大电流均保证同样的精度，其中，不可避免地造成较大的电流检测误差，形成跷跷板效应。

造成电流检测误差主要有三个来源：检流器件的误差；放大电路的误差和ADC(模数转换器)、电压源的误差。对于较宽范围的电流检测，检流器件输出的模拟信号幅值范围比较宽，需要不同的放大倍数的设计来实现信号调理，如果只用一种放大倍数，则无法兼顾大、小量程的精度，最终的结果就是在小电流段精度比较高，较大电流时器件趋于饱和，精度较低甚至根本无法测量到较大的电流，反之亦然。因此，针对上述问题，成为本领域技术人员亟待解决的难题。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，现提供一种较高动态范围电流的检测电路及检测方法。

具体技术方案如下：

本发明提供一种较高动态范围电流的检测电路，其中，所述检测电路包括至少一个电流检测模块，连接于一电压源与一负载之间，所述负载连接一接地端，至少一个所述电流检测模块包括：

一整流单元组，所述整流单元组包括多级整流单元，第一级的所述整流单元的输入端连接所述电压源，后一级的所述整流单元的输入端连接前一级的所述整流单元的输出端，所述整流单元用于获取每级所述整流单元的电阻值；

一纯电阻单元，所述纯电阻单元的输入端连接最后一级的所述整流单元的输出端，用于向最后一级的所述电流检测模块提供一纯电阻值；

两组差分放大单元，两组所述差分放大单元包括第一组差分放大子单元与第二组差分放大子单元，所述第一组差分放大子单元的输入端连接所述整流单元组的输出端，所述第二组差分放大子单元的输入端连接所述纯电阻单元的输出端，两组所述差分放大单元用于检测每个所述电流检测模块的电压模拟值；

两组模数转换单元，每组所述模数转换单元的输入端分别连接每组所述差分放大单元的输出端，用于将每个所述电流检测模块的所述电压模拟值转换为每个所述电流检测模块的电压数字值；

所述检测电路还包括一控制模块，所述控制模块的输入端连接每个所述电流检测模块的输出端，用于检测每个所述电流检测模块的电流值，以根据不同检测电流范围，选择一最佳电流值。

优选的，每一级所述整流单元包括：

一二极管，所述二极管的正极连接至所述电压源的正极，用于对所述整流单元进行分流；

一第一电阻，所述第一电阻连接于所述二极管的正极和负极之间。

优选的，所述纯电阻单元包括一第二电阻。

优选的，所述第一组差分放大子单元包括复数个第一差分放大器，每个所述第一差分放大器的同相输入端连接所述二极管的正极，每个所述第一差分放大器的反相输入端连接所述二极管的负极。

优选的，所述第二组差分放大子单元包括一第二差分放大器，所述第二电阻连接于所述第二差分放大器的同相输入端和反相输入端之间。

优选的，两组所述模数转换单元包括复数个模数转换器，每个所述模数转换器的输入端分别连接所述第一差分放大器的输出端和所述第二差分放大器的输出端。

优选的，所述控制模块为现场可编程门阵列。

本发明还提供一种较高动态范围电流的检测方法，包括至少一个电流检测模块，采用上述任意一项所述的一种较高动态范围电流的检测电路，所述检测方法包括：

步骤S1、采用一整流单元组，所述整流单元组包括多级整流单元，以获取每级所述整流单元的电阻值；

步骤S2、采用一纯电阻单元，用于向最后一级的所述电流检测模块提供一纯电阻值；

步骤S3、采用两组差分放大单元，两组所述差分放大单元包括第一组差分放大子单元与第二组差分放大子单元，两组所述差分放大单元用于检测每个所述电流检测模块的电压模拟值；

步骤S4、采用至少两个模数转换单元，用于将每个所述电流检测模块的所述电压模拟值转换为每个所述电流检测模块的电压数字值；

步骤S5、采用一控制模块，用于检测每个所述电流检测模块的电流值，以根据不同检测电流范围，选择一最佳电流值。

本发明的技术方案的有益效果在于：提供一种较高动态范围电流的检测电路及检测方法，使得微小电流和大电流均保证同样的精度，成本低廉，且大小电流的功率电阻选择灵活。

附图说明

参考所附附图，以更加充分的描述本发明的实施例。然而，所附附图仅用于说明和阐述，并不构成对本发明范围的限制。

图1为本发明的实施例的电路结构图；

图2为本发明的实施例的方法步骤图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

本发明提供一种较高动态范围电流的检测电路，其中，检测电路包括至少一个电流检测模块1，连接于一电压源V与一负载2之间，负载2连接一接地端GND，至少一个电流检测模块1包括：

一整流单元组10，整流单元组10包括多级整流单元100，第一级的整流单元100的输入端连接电压源V，后一级的整流单元100的输入端连接前一级的整流单元100的输出端，整流单元100用于获取每级整流单元100的电阻值；

一纯电阻单元11，纯电阻单元11的输入端连接最后一级的整流单元10的输出端，用于向最后一级的电流检测模块1提供一纯电阻值；

两组差分放大单元12，两组差分放大单元12包括第一组差分放大子单元120与第二组差分放大子单元121，第一组差分放大子单元120的输入端连接整流单元组10的输出端，第二组差分放大子单元121的输入端连接纯电阻单元11的输出端，两组差分放大单元12用于检测每个电流检测模块1的电压模拟值；

两组模数转换单元13，每组模数转换单元13的输入端分别连接每组差分放大单元12的输出端，用于将每个电流检测模块1的电压模拟值转换为每个电流检测模块1的电压数字值；

检测电路还包括一控制模块3，控制模块3的输入端连接每个电流检测模块1的输出端，用于检测每个电流检测模块1的电流值，以根据不同检测电流范围，选择一最佳电流值。

通过上述提供的检测电路，如图1所示，检测电路包括至少一个电流检测模块1，该电流检测模块1连接在电压源V和负载2之间，电压源V用于导通检测电路。

进一步地，上述电流检测模块1包括整流单元组10、纯电阻单元11、两组差分放大单元12、两组模数转换单元13，其中，整流单元组10包括多级整流单元100，整流单元组10中第一级的整流单元100的输入端连接上述电压源V，后一级的整流单元100的输入端连接前一级的整流单元100的输出端，每一级的整流单元100用于获取每级整流单元100的电阻值，即获取不包括纯电阻单元11的每一个电流检测模块1的电阻值。

进一步地，将纯电阻单元11的输入端连接至最后一级的整流单元100的输出端，来获取包括纯电阻单元11的电流检测模块1的电阻值，两组差分放大单元12包括第一组差分放大子单元120与第二组差分放大子单元121，第一组差分放大子单元120的输入端连接整流单元组10的输出端，第二组差分放大子单元121的输入端连接纯电阻单元11的输出端，第一组差分放大子单元120用于将每级整流单元100的电压模拟值检测出来并进行放大，第二组差分放大子单元121用于将纯电阻单元11中的电压模拟值检测出来并放大。

进一步地，两组模数转换单元13，将每组模数转换单元13的输入端分别连接每组差分放大单元12的输出端，通过模数转换单元13将每个电流检测模块1的电压模拟值转换为每个电流检测模块1的电压数字值。

进一步地，将上述每个电流检测模块1的输出端均连接至控制模块3的输出端，根据上述每个电流检测模块1的电阻值和电压数字值，通过控制模块3检测出每个电流检测模块1的电流值，并选出最佳电流值。

本实施例中，将选择高动态范围10mA～100A的电流，划分为3个电流检测模块1，其中划分第一个电流检测模块1的电流范围在10mA～500mA之间，第二个电流检测模块1的电流范围在500mA～10A之间，第三个电流检测模块1在10A～100A之间。

进一步地，根据第一级的整流单元100的导通电压为1.1V，则可计算出第一个电流检测模块1的电阻R31<1.1V/0.5A＝2.2Ω，则可选择R31＝2Ω，则可计算出第一个电流检测模块1的电压U1的范围在20mV～1V之间，再通过第一个电流检测模块1的差分放大器CMR1将电压U1的电压信号检测出来再进行放大，并将该电压信号传输至控制模块3中。

进一步地，同理获取计算出第二个电流检测模块1的电阻R32<1.1V/10A＝0.11Ω，则可选择R32＝0.1Ω，则可计算出第二个电流检测模块1的电压U2的范围在50mV～1V之间，在通过第二个电流检测模块1中的差分放大器CMR2将电压U2的电压信号检测出来再进行放大，并将该电压信号传输至控制模块3中。

进一步地，同理获取计算出第三个电流检测模块1的电阻R33<1.1V/100A＝11mΩ，则可选择R33＝10mΩ，则可计算出第三个电流检测模块1的电压U3的范围在11mV～1V之间，在通过第三个电流检测模块1中的差分放大器CMR3将电压U3的电压信号检测出来再进行放大，并将该电压信号传输至控制模块3中。

进一步地，控制模块3再根据每个电流检测模块1中的电阻值和电压值检测出每个电流检测模块1的电流值。

进一步地，根据上述获取的电阻，导通电压恒定，当负载2变化时，经过负载2的电流值可根据上述3个电流检测模块1中检测出的电流值进行挑选出最佳电流值，

当计算出的电流值在第一个电流检测模块1的电流值范围内时，则选择第一个电流检测模块1的电流值，当计算出的电流值在第二个电流检测模块1的电流值范围内时，则选择第二个电流检测模块1的电流值，当计算出的电流值在第三个电流检测模块1的电流值范围内时，则选择第三个电流检测模块1的电流值，从而实现了高动态范围10mA～100A的电流的精密检测。

在一种较优的实施例中，每一级整流单元100包括：

一二极管D，二极管D的正极连接至电压源V的正极，用于对整流单元100进行分流；

一第一电阻R1，第一电阻R1连接于二极管D的正极和负极之间。

具体地，每一级整流单元100中的二极管D和第一电阻R1相并联组成电子开关，当第一电阻R1的值过大时，通过的电流值较小，可通过与其并联的二极管D进行分流，从而能检测出微小的电流值。

在一种较优的实施例中，纯电阻单元11包括一第二电阻R2。

在一种较优的实施例中，第一组差分放大子单元120包括复数个第一差分放大器CMR10，每个第一差分放大器CMR10的同相输入端连接二极管D的正极，每个第一差分放大器CMR10的反相输入端连接二极管D的负极。

第二组差分放大子单元121包括一第二差分放大器CMR11，第二电阻R2连接于第二差分放大器CMR11的同相输入端和反相输入端之间。

在一种较优的实施例中，两组模数转换单元13包括复数个模数转换器ADC，每个模数转换器ADC的输入端分别连接第一差分放大器CMR10的输出端和第二差分放大器CMR11的输出端，该模数转换器ADC为高精密模数转换器ADC。

在一种较优的实施例中，控制模块3为现场可编程门阵列。

具体地，本实施例中，控制模块3可以为现场可编程门阵列FPGA，或者位ARM微处理器。

本发明还提供一种较高动态范围电流的检测方法，其中，包括至少一个电流检测模块1，采用上述任意一项的一种较高动态范围电流的检测电路，检测方法包括：

步骤S1、采用一整流单元组10，整流单元组10包括多级整流单元100，以获取每级整流单元100的电阻值；

步骤S2、采用一纯电阻单元11，用于向最后一级的电流检测模块1提供一纯电阻值；

步骤S3、采用两组差分放大单元12，两组差分放大单元12包括第一组差分放大子单元120与第二组差分放大子单元121，两组差分放大单元12用于检测每个电流检测模块1的电压模拟值；

步骤S4、采用至少两个模数转换单元13，用于将每个电流检测模块1的电压模拟值转换为每个电流检测模块1的电压数字值；

步骤S5、采用一控制模块3，用于检测每个电流检测模块1的电流值，以根据不同检测电流范围，选择一最佳电流值。

通过上述提供的检测方法，如图2所示，检测电路包括至少一个电流检测模块1。

进一步地，首先通过整流单元组10获取每级整流单元100的电阻值，即获取不包括纯电阻单元11的每一个电流检测模块1的电阻值。

进一步地，通过纯电阻单元11向最后一级的电流检测模块1提供纯电阻值，即获取包括纯电阻单元11的电流检测模块1的电阻值。

进一步地，两组差分放大单元12包括第一组差分放大子单元120与第二组差分放大子单元121，通过第一组差分放大子单元120将每级整流单元100的电压模拟值检测出来并进行放大，通过第二组差分放大子单元121将纯电阻单元11中的电压模拟值检测出来并放大。

进一步地，通过模数转换单元13将每个电流检测模块1的电压模拟值转换为每个电流检测模块1的电压数字值。

进一步地，通过控制模块3根据上述每个电流检测模块1的电阻值和电压数字值，检测出每个电流检测模块1的电流值，并选出最佳电流值。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种较高动态范围电流的检测电路，其特征在于，所述检测电路包括至少一个电流检测模块，连接于一电压源与一负载之间，所述负载连接一接地端，至少一个所述电流检测模块包括：

一整流单元组，所述整流单元组包括多级整流单元，第一级的所述整流单元的输入端连接所述电压源，后一级的所述整流单元的输入端连接前一级的所述整流单元的输出端，所述整流单元用于获取每级所述整流单元的电阻值；

一纯电阻单元，所述纯电阻单元的输入端连接最后一级的所述整流单元的输出端，用于向最后一级的所述电流检测模块提供一纯电阻值；

两组差分放大单元，两组所述差分放大单元包括第一组差分放大子单元与第二组差分放大子单元，所述第一组差分放大子单元的输入端连接所述整流单元组的输出端，所述第二组差分放大子单元的输入端连接所述纯电阻单元的输出端，两组所述差分放大单元用于检测每个所述电流检测模块的电压模拟值；

两组模数转换单元，每组所述模数转换单元的输入端分别连接每组所述差分放大单元的输出端，用于将每个所述电流检测模块的所述电压模拟值转换为每个所述电流检测模块的电压数字值；所述检测电路还包括一控制模块，所述控制模块的输入端连接每个所述电流检测模块的输出端，用于检测每个所述电流检测模块的电流值，以根据不同检测电流范围，选择一最佳电流值。

2.根据权利要求1所述的一种较高动态范围电流的检测电路，其特征在于，每一级所述整流单元包括：

一二极管，所述二极管的正极连接至所述电压源的正极，用于对所述整流单元进行分流；

一第一电阻，所述第一电阻连接于所述二极管的正极和负极之间。

3.根据权利要求1所述的一种较高动态范围电流的检测电路，其特征在于，所述纯电阻单元包括一第二电阻。

4.根据权利要求1所述的一种较高动态范围电流的检测电路，其特征在于，所述第一组差分放大子单元包括复数个第一差分放大器，每个所述第一差分放大器的同相输入端连接所述二极管的正极，每个所述第一差分放大器的反相输入端连接所述二极管的负极。

5.根据权利要求1所述的一种较高动态范围电流的检测电路，其特征在于，所述第二组差分放大子单元包括一第二差分放大器，所述第二电阻连接于所述第二差分放大器的同相输入端和反相输入端之间。

6.根据权利要求1所述的一种较高动态范围电流的检测电路，其特征在于，两组所述模数转换单元包括复数个模数转换器，每个所述模数转换器的输入端分别连接所述第一差分放大器的输出端和所述第二差分放大器的输出端。

7.根据权利要求1所述的一种较高动态范围电流的检测电路，其特征在于，所述控制模块为现场可编程门阵列。

8.一种较高动态范围电流的检测方法，其特征在于，包括至少一个电流检测模块，采用上述权利要求1-6任意一项所述的一种较高动态范围电流的检测电路，所述检测方法包括：

步骤S1、采用一整流单元组，所述整流单元组包括多级整流单元，以获取每级所述整流单元的电阻值；

步骤S2、采用一纯电阻单元，用于向最后一级的所述电流检测模块提供一纯电阻值；

步骤S3、采用两组差分放大单元，两组所述差分放大单元包括第一组差分放大子单元与第二组差分放大子单元，两组所述差分放大单元用于检测每个所述电流检测模块的电压模拟值；

步骤S4、采用至少两个模数转换单元，用于将每个所述电流检测模块的所述电压模拟值转换为每个所述电流检测模块的电压数字值；

步骤S5、采用一控制模块，用于检测每个所述电流检测模块的电流值，以根据不同检测电流范围，选择一最佳电流值。