CN113391252A - 一种用于移动充电***的电流传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种用于移动充电***的电流传感器。它包括分流电阻、分流器、带隙基准电路、动态校准电路和ADC电路，所述分流电阻与移动充电***的电源串联，所述分流器用于测量所述分流电阻的电流，所述动态校准电路用于根据所述带隙基准电路的基准电流对测量电流进行校正，最终所述的测量电流送至所述ADC电路进行模数转换进行输出。该电流传感器采用由金属层制成的分流器，并提出了相应的温度补偿方案，可提高传感器的精确度，并提出动态的误差校正方法，可有效抑制动态带隙基准电路的误差源。
Description
技术领域
本发明涉及储能领域，尤其涉及一种用于移动充电***的电流传感器。
背景技术
近年来，储能材料技术发展迅速，越来越多的移动式储能被应用。现阶段用于估计电池电荷状态的方法中使用最广泛的是库伦计量法。库伦计量法通过测量电池电流来确定电池的净电荷流，但对电流测量误差(增益误差或者偏差)有着关键影响的便是电流传感器。电流传感器的电流损耗以及电流传感偏差最好低于电池自放电率。假设手持设备的保守自放电率为每个月1％，且其标准电池容量为5000mAh，因此，为了精确估计电池电荷状态，要求电流偏差最好低于50μA。但是，如果双向电流高达±7A，现有的各种电流传感器的偏差基本超过500μA，并且增益误差为±3％。因此，电流传感器的精确度都会影响到电池电荷的检测结果。
发明内容
为了解决上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种用于移动充电***的电流传感器，以解决对于电流传感器的精确度低的问题。
本专利提供了一种用于移动充电***的电流传感器，其特征在于，包括分流电阻、分流器、带隙基准电路、动态校准电路和ADC电路，所述分流电阻用于与移动充电***的电源串联，所述分流器用于测量所述分流电阻的电流，所述动态校准电路用于根据所述带隙基准电路的基准电流对测量电流进行校正，所述的测量电流送至所述ADC电路进行模数转换进行输出。
优选地，电流传感器通过分流电阻计算获得，获取分流电阻Rshunt上的电压降Vshunt，进行对电池电流进行测量。
优选地，使用由金属层制成的分流器，分流器由4个并联的金属层(M2～M5)组成，金属层面积为600μm×800μm，分流器的标称值为6mΩ。
优选地，通过重新使用动态带隙基准电路的PNP晶体管测量分流器的温度，然后对分流电阻Rshunt上的电压降数字值进行多项式校正，从而消减动态误差影响。
优选地，将分流器直接放置在PNP晶体管上，进而利用分流器与PNP管附近M1平面之间的热通孔提升耦合。
优选地，开关由最低用电压驱动，如果Ibat＞0则通过接地，如果Ibat＜0则通过V+shunt，从ADC的输出获得最小选择方案所需的Ibat极性。
优选地，带隙基准电路为ADC提供基准电压VRef，并对分流器温度补偿方案所需的温度T进行检测，带隙基准电压在最小电源电压1.35V的工作规定范围为1.35-1.65V。
优选地，采用允许数字化温度T和Vshunt出现的误差，并通过更改的系数α1和α2对温度T和Vshunt进行校正，间接校正曲率g(T)，实现整体的动态控制。
同时，本发明还提供了一种在特征化温度T条件下，数据校正的方法，具体步骤如下：
M1：确定VRef，nom、A和B，已知外部电压用于ADC，产生μT(T)和μIbat(T)。
M2：确定分流器的α1和α2，已知电流(为3A)流经分流器，而ADC用于测量μT(T)和μIbat(T)。获得分流器的温度。将Ibat、VRef，nom和μIbat(T)代入公式后，可获得分流电阻Rshunt。
M3：通过使分流电阻Rshunt适合二阶多项式确定温度系数α1和α2。在获得批量校正数据(α1、α2、VRef，nom、A和B)之后，在室温条件对各个芯片进行校正。
同现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
(1)本发明中采用由金属层制成的分流器，并提出了相应的温度补偿方案，可提高传感器的精确度。
(2)本发明中提出动态的误差校正方法，可有效抑制动态带隙基准电路的误差源。
附图说明
图1为本发明提出的一种用于移动充电***的电流传感器结构图；
图2为本发明提出的所述电流传感器的电流获取原理图；
图3为本发明提出的一种用于移动充电***的电流传感器的分流器结构图；
图4为本专利提出的一种用于移动充电***的电流传感器前端上的电流泄漏原理图；
图5为本专利提供的传感器前端上的电流泄漏的抑制电路图；
图6为本专利提供的电流传感器的带隙基准电路；
图7为本专利提供的一种动态校准电路图。
具体实施方式
为了能够进一步了解本发明的结构、特征及其他目的，现结合所附较佳实施例附以附图详细说明如下，本附图所说明的实施例仅用于说明本发明的技术方案，并非限定本发明。
如图1所示，为本发明提出的一种用于移动充电***的电流传感器结构图。所述用于移动充电***的电流传感器包括，分流电阻、分流器、带隙基准电路、动态校准电路和ADC电路。其中，所述分流电阻用于与与移动充电***的电源串联，所述分流器用于测量所述分流电阻的电流，所述动态校准电路用于根据所述带隙基准电路的基准电流对测量电流进行校正，最终所述的测量电流送至所述ADC电路进行模数转换进行输出。
如图2所示，为本发明提出的一种用于移动充电***的电流获取原理图。其中电流传感器通过分流电阻计算获得，获取分流电阻Rshunt上的电压降Vshunt，进行对电池电流进行测量。利用此方式进行测量时成本较低，并可与标准CMOS工艺兼容。但是，增益误差较大的主要原因在于Rshunt与温度的相关性，以及ADC基准电压的扩散。因此，需要进一步对该误差进行补偿。
如图3所示，为本发明提出的一种用于移动充电***的电流传感器的分流器结构图。为了完全与标准封装工艺兼容，使用由金属层制成的分流器，分流器由4个并联的金属层(M2～M5)组成，金属层面积为600μm×800μm，能够较好地处理较大电流(多达8A)，能够与外部进行低欧姆接触，分流器的标称值为6mΩ。
对于标准塑料封装(连接环境热阻为100℃/W)，8A电流通过6mΩ分流器会导致温度上升25℃。由于分流器的TCR为0.35％/℃，会引起明显测量误差。因此，需要进步的对测量误差的动态校正，利用动态误差校正分流器扩散，校正范围为±15％。
为了解决此误差，本专利提出温度补偿方案，通过重新使用动态带隙基准电路的PNP晶体管测量分流器的温度，然后对Vshunt的数字值进行多项式校正，从而消减动态误差影响。
在温度T条件下，分流电阻Rshunt(T)可以近似表示为：
Rshunt(T)＝Rshunt(T0_shunt)[1+α1(T-T0_shunt)+α2(T-T0_shunt)2](1)
式中，α1和α2分别表示电阻的一阶和二阶温度系数，给定过程中温度系数均为恒量；T0_shunt表示校正分流器时的温度。通过片上PNP晶体管可以检测到T0_shunt，因此，无需在温度稳定的环境下进行校正，从而降低了校正时间以及成本。
本专利将分流器直接放置在PNP晶体管上，进而利用分流器与PNP管附近M1平面之间的热通孔提升耦合。基于该方式能够增强热耦合，分流器与温度传感PNP管之间的热耦合增强确保能够准确评估分流器的自热效应。经过校正后，由焦耳加热引起的分流器温度上升的精确度提升了3倍。
通过下列步骤使寄生电阻最小化：
S1：直接将芯片安装在PCB上，并使用32根短(长度＜1mm)且细(直径为25μm)的封装接线将其与分流器连接；
S2：将芯片封装在较小的(3mm×6mm×0.85mm)耐热增强型32引脚QFN封装(HVQFN32)内，并使用八根短(长度约1mm)且厚(直径为50μm)的封装接线将其与分流器连接。
通过步骤S1和S2，总寄生电阻可低于10mΩ。
如图4所示，本专利提供了传感器前端上的电流泄漏原理图。泄漏电流Ileak由Ibat开始，流经输入开关的导通电阻RON。假设4个输入开关均匹配，通过RON的电压降落会导致通过CS1的取样电压出现微分误差Ve＝2RON*Ileak。为了避免出现电流的传感误差，与Rshunt连接的开关应能够最小化泄漏电流。Ileak是Vshunt(或者Ibat)的非线性函数。如果Ibat处于毫微安培范围内，在高温(＞125℃)以及负数Ibat条件下，此误差尤其明显(多达0.5％)。
为了解决上述电流泄漏误差，采用低漏电高阈值电压NMOS晶体管实现输入开关。
如图5所示，本专利提供了传感器前端上的电流泄漏的抑制电路图。由于高级断开MOS开关的漏电现象显著减少，“OFF”开关由最低用电压驱动，如果Ibat＞0则通过接地，如果Ibat＜0则通过V+shunt，从ADC的输出获得最小选择方案所需的Ibat极性。因为其断开电阻比正常NMOS晶体管断开电阻高大约15倍，降低因Ileak造成的最差条件下的增益误差：＜0.01％。
如图6所示，本专利提供了电流传感器的带隙基准电路。带隙基准电路为ADC提供基准电压VRef，并对分流器温度补偿方案所需的温度T进行检测。此外，带隙基准电压必须在最小电源电压即1.35V条件下工作(规定范围为1.5V±10％)。本发明中使用的是发射极面积较小的PNP晶体管，能够获得相等的PNP跨导，能够使总偏置电流最小，以确保对VBE和ΔVBE进行取样时能够精确稳定。
如图7所述，本专利提供了一种动态校准电路图。为降低电流I以及VBE中的扩散，通过斩波来减少运算放大器的偏差，并通过把DEM技术用于PNP晶体管，来确保ΔVBE变得更加准确。因此，采用RON足够低的宽MOS开关减少出现较大误差。但是，在高温条件下，该方法会导致出现较大的泄漏电流。为此本发明中采用允许数字化T和Vshunt出现的误差，并通过更改式(1)中的系数α1和α2对T和Vshunt进行校正，间接校正曲率g(T)。进而电流传感误差的增加可忽略不计(＜0.01％)。
校正过程以及用于电流传感器的数字后端计算。在进行下列校正步骤时应注意，并未明确考虑到曲率g(T)。通过特征化温度T条件下的芯片获得了批量校正数据，如下所示：
M1：确定VRef，nom、A和B，已知外部电压用于ADC，能够产生μT(T)和μIbat(T)。将μT(T)代入如下公式：
T＝A*μT-B (2)
式中，A＝600，B＝270。使用线性拟合之后，可获得A和B。根据式(3)可获得VRef(T)以及室温条件下的基准电压VRef，nom。
M2：确定分流器的α1和α2，已知电流(为3A)流经分流器，而ADC用于测量μT(T)和μIbat(T)。根据式(3)可获得分流器的温度。将Ibat、VRef，nom和μIbat(T)代入公式后，可获得Rshunt(T)。
μIbat＝Vshunt/VRef＝Rshunt*Ibat/VRef (3)
M3：通过使Rshunt(T)适合二阶多项式确定温度系数α1和α2。在获得批量校正数据(α1、α2、VRef，nom、A和B)之后，在室温条件对各个芯片进行校正。
通过上述方式可以实现对用于移动充电***的电流传感器的精度提升。
需要声明的是，上述发明内容及具体实施方式意在证明本发明所提供技术方案的实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的精神和原理内，当可作各种修改、等同替换或改进。本发明的保护范围以所附权利要求书为准。
Claims (9)
1.一种用于移动充电***的电流传感器，其特征在于，所述电流传感器包括分流电阻、分流器、带隙基准电路、动态校准电路和ADC电路；其中，所述分流器与所述分流电阻、所述带隙基准电路、所述动态校准电路电连接，所述分流电阻与移动充电***的电源串联，所述分流器用于测量所述分流电阻的电流，所述动态校准电路用于根据所述带隙基准电路的基准电流对测量电流进行校正，所述测量电流送至所述ADC电路进行模数转换进行输出。
2.根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，所述电流传感器通过测量所述分流电阻的电流等效为所述移动充电***的电源的电流。
3.根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，所述分流器由金属层制成，所述分流器由4个并联的金属层组成，所述金属层面积为600μm×800μm，所述分流器的标称值为6mΩ。
4.根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，所述动态带隙基准电路包括PNP晶体管，所述动态带隙基准电路通过所述PNP晶体管多次测量所述分流器的温度，通过对所述分流电阻上的电压降数字值进行多项式校正。
5.根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，所述分流器直接放置在所述PNP晶体管上方，所述分流器与所述PNP管的平面之间通过热通孔相互耦合。
6.根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，所述动态校准电路采用MOS开关，所述MOS开关采用电压驱动。
7.根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，所述带隙基准电路为ADC提供基准电压，所述带隙基准电路用于对所述分流器进行温度补偿，所述带隙基准电路的最小基准电压为1.35V，所述带隙基准电路的工作规定范围为1.35-1.65V。
8.根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，所述电流传感器采用数字化温度修正所述分流电阻上产生的电压差的误差，通过更改的系数利用温度进行校正，通过间接校正曲率实现对电流测量的动态控制。
9.一种根据权利要求1所述的电流传感器的数据校正方法，其特征在于，所述数据校正方法包括如下步骤：
M1：在已知外部电压的情况下计算某个温度条件，产生电压降和泄漏电压；
M2：确定所述分流器的温度系数，假设流经所述分流器的测量电流为3A，计算分流电阻；
M3：通过分流电阻确定适合二阶多项式的温度系数，在室温条件对所述电流传感器的测量数据进行校正。
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