TW201333481A

TW201333481A - 整合式電流感測裝置

Info

Publication number: TW201333481A
Application number: TW101103326A
Authority: TW
Inventors: Shih-Tsung Chen
Original assignee: Delta Electronics Inc
Priority date: 2012-02-02
Filing date: 2012-02-02
Publication date: 2013-08-16
Also published as: TWI458992B; US8907656B2; EP2624005A1; US20130200881A1

Abstract

一種整合式電流感測裝置，包括磁場感測元件、電源供應電路、偏移調整電路、增益調整電路以及調節單元。磁場感測元件用以感測磁場，並產生對應之感測電壓。電源供應電路電性耦接磁場感測元件，用以產生定電流予磁場感測元件，以控制感測電壓。偏移調整電路電性耦接磁場感測元件，用以調整感測電壓之偏移量。增益調整電路電性耦接偏移調整電路，用以放大感測電壓至額定輸出電壓。調節單元電性耦接電源供應電路、偏移調整電路以及增益調整電路，用以控制定電流、偏移量以及增益調整電路放大感測電壓所需之增益值。

Description

整合式電流感測裝置

本發明係關於一種電流感測裝置，且特別是有關於一種整合式電流感測裝置。

近年來電流感測電路多以霍爾元件（Hall Element）實現，其具有感測電壓與待測物之電流成比例的特性，因此，可藉由霍爾元件之感測電壓値輕易判斷待測物之電流大小。
第1圖係繪示習知技術的一種電流感測裝置100之電路示意圖。電流感測裝置100包括電源供應電路、霍爾元件U2、偏移調整電路以及增益調整電路，其中電源供應電路透過電晶體Q1提供定電流給霍爾元件U2，以控制感測電壓。偏移調整電路主要利用電阻R9與電阻R10之比例調整感測電壓之偏移量。隨後，增益調整電路利用電阻R8與電阻R7之倍數比例調整感測電壓之增益，以產生額定輸出電壓（例如：0～5 V）。
然而，在習知電流感測裝置100中之電阻R8、電阻R9與電阻R10的電阻值因切割製程之穩定性與可靠度上的問題，電阻値無法非常精確且使得電阻比例產生偏差，再者，電阻特性在不同環境溫度下亦會產生變化，使得上述電阻值之比例產生偏差，造成電流感測結果不正確。
因此，迄今習知技術仍具有上述缺陷與不足之處需要解決。

本發明之目的在提供一種具有調節單元之整合式電流感測裝置，其中調節單元係可供使用者調節定電流值、偏移量以及增益值。
於一較佳實施例中，本發明提供一種整合式電流感測裝置，其包括磁場感測元件、電源供應電路、偏移調整電路、增益調整電路以及調節單元。磁場感測元件用以感測磁場，並產生對應之感測電壓。電源供應電路電性耦接磁場感測元件，用以產生定電流給予磁場感測元件，以控制感測電壓。偏移調整電路電性耦接磁場感測元件，用以調整感測電壓之偏移量。增益調整電路電性耦接偏移調整電路，用以放大感測電壓至額定輸出電壓。調節單元電性耦接電源供應電路、偏移調整電路以及增益調整電路，其中調節單元係用以控制定電流、偏移量以及增益調整電路放大該感測電壓之增益値。
於一較佳實施例中，調節單元包括電子可抹拭唯讀記憶體。
於一較佳實施例中，調節單元可儲存分別對應定電流、偏移量以及增益値之設定參數。
於一較佳實施例中，調節單元可透過輸入輸出介面電性耦接外接裝置，並藉由外接裝置分別調整分別對應定電流、偏移量以及增益値之設定參數。
於一較佳實施例中，整合式電流感測裝置更包括溫度補償電路，其中溫度補償電路電性耦接調節單元，用以補償溫度改變下調節單元中分別對應定電流、偏移量之設定參數，使得該調節單元在溫度改變狀態下控制該電源供應電路、該偏移調整電路，以調整該定電流、該偏移量。
於一較佳實施例中，調節單元係用以產生一定電流調節信號予電源供應電路，以調整電源供應電路所產生之定電流之大小。
於一較佳實施例中，調節單元係用以產生一增益調節信號予增益調整電路，以調整增益調整電路放大感測電壓至額定輸出電壓所需之一增益値。
於一較佳實施例中，調節單元係用以產生一偏移量調節信號予增益調整電路，以調整額定輸出電壓之偏移量。
於一較佳實施例中，本發明更提供一種整合式電流感測裝置，包括磁場感測元件、電源供應電路、增益調整電路、偏移調整電路以及調節單元。磁場感測元件用以感測磁場，並產生對應之感測電壓。電源供應電路電性耦接磁場感測元件，用以產生定電流予磁場感測元件，以控制感測電壓。增益調整電路電性耦接磁場感測元件，用以放大感測電壓至額定輸出電壓。偏移調整電路電性耦接增益調整電路，用以調整額定輸出電壓之偏移量。調節單元電性耦接並控制電源供應電路、增益調整電路以及偏移調整電路。
於一較佳實施例中，調節單元透過輸入輸出介面電性耦接外接裝置，並藉由外接裝置調整相對應定電流、增益値以及偏移量之設定參數。
於一較佳實施例中，整合式電流感測裝置更包括溫度補償電路，其中溫度補償電路電性耦接調節單元，用以補償溫度改變下調節單元中分別對應定電流、偏移量以及增益値之設定參數，使得該調節單元輸出在溫度改變狀態下之一定電流調節信號、一偏移量調節信號以及一增益調節信號分別予該電源供應電路、該偏移調整電路以及該增益調整電路。
於一較佳實施例中，調節單元係用以產生一定電流調節信號予電源供應電路，以調整電源供應電路所產生之定電流之大小。
於一較佳實施例中，調節單元係用以產生一增益調節信號予該增益調整電路，以調整該增益調整電路放大該感測電壓至該額定輸出電壓所需之一增益値。
於一較佳實施例中，調節單元係用以產生一偏移量調節信號予該增益調整電路，以調整該額定輸出電壓之該偏移量。
於一較佳實施例中，調節單元係儲存分別對應定電流、偏移量以及增益値之設定參數，並依據設定參數控制電源供應電路、增益調整電路以及偏移調整電路。
因此，運用本發明所揭示之技術內容可改善上述習知技術之缺點與不足之處。

以下將以圖式及詳細敘述清楚說明本揭示內容之精神，任何所屬技術領域中具有通常知識者在瞭解本揭示內容之較佳實施例後，當可由本揭示內容所教示之技術，加以改變及修飾，其並不脫離本揭示內容之精神與範圍。
第2圖係繪示本揭示內容之第一較佳實施例的一種整合式電流感測裝置200之電路方塊示意圖。整合式電流感測裝置200可包括磁場感測元件210、電源供應電路220、偏移調整電路230、增益調整電路240以及調節單元250。
其中，磁場感測元件210係用以感測待測物之電流所產生的磁場，並產生對應之感測電壓。電源供應電路220係電性耦接磁場感測元件210，用以產生一定電流予磁場感測元件210，以控制感測電壓。偏移調整電路230電性耦接磁場感測元件210，用以調整感測電壓之偏移量。增益調整電路240電性耦接偏移調整電路230，用以放大感測電壓至額定輸出電壓（例如：0～5 V），亦即改變增益值。
調節單元250電性耦接電源供應電路220、偏移調整電路230以及增益調整電路240，用以控制電源供應電路220、偏移調整電路230以及增益調整電路240，藉此進一步控制電源供應電路220產生之定電流、偏移調整電路230調整之偏移量以及增益調整電路240放大感測電壓所需之增益値。
於本較佳實施例中，調節單元250中係產生分別對應電源供應電路220、偏移調整電路230以及增益調整電路240之定電流調節信號、偏移量調節信號以及複數個增益調節信號。當定電流調節信號、偏移量調節信號以及複數個增益調節信號被調整時，上述之定電流、偏移量以及增益値將對應產生改變，其詳細控制方法將在以下實施例中描述。
第3圖係繪示本揭示內容之整合式電流感測裝置200中磁場感測元件210的配置示意圖。如第3圖所示，磁場感測元件210係為霍爾元件（Hall Element），並配置相鄰於待測物30（例如：鐵芯），用以感測流經待測物30之電流I所產生的磁場。舉例來說，待測物30上繞有線圈，且磁場感測元件210與待測物30相鄰配置，以感應待測物30依據線圈上電流所產生的磁場。當電流I流經線圈並穿過待測物30之內徑時，待測物30上產生與電流I大小成比例的磁通（Magnetic Flux）B。當磁場感測元件210的平面與磁通B之方向垂直時，磁場感測元件210能據以感應磁通B而取得相對應之感測電壓，例如可利用霍爾效應之特性方程式V_H=K*R_d*I_C*B*Sinθ得到相對應之感測電壓（例如：V_H）（或稱為霍爾電壓），其中K, R_d,Ic, Sinθ均為定値。由此可知，磁場感測元件210所產生之感測電壓與特性方程式中的磁通B成比例，因此可藉由磁場感測元件210之感測電壓判斷待測物30上電流I所產生的磁通B的大小。
請同時參照第4圖。第4圖係繪示本揭示內容之第2圖中整合式電流感測裝置200之電路示意圖。在本較佳實施例中，電源供應電路220係包括運算放大器411、電晶體421、電晶體422、電晶體423以及電阻431所組成之電流鏡（Current Mirror）結構，調節單元250係產生定電流調節信號（例如：電壓信號）給運算放大器411之正輸入端，以控制電晶體423提供給磁場感測元件210之一定電流大小。其中，該定電流(I_C)大小可依據霍爾效應之特性方程式V_H=K*R_d*I_C*B*Sinθ而與磁場感測元件210所產生之感測電壓(V_H)間有一定對應關係，故定電流大小亦會影響磁場感測元件210所產生之感測電壓。
在一實施例中，當待測物30上所通過之電流I為0 安培（A）時，磁場感測元件210所產生之感測電壓不見得為零。因此，可藉由調節單元250輸出偏移量調節信號（例如：電壓信號）給運算放大器413之負輸入端，進一步調整節點4361之分壓，而改變磁場感測元件210產生之感測電壓的偏移量，使當待測物30上所通過之電流I為0 安培（A）時，整合式電流感測裝置200於節點270上產生之額定輸出電壓可校正趨近至0 V。
感測電壓可透過運算放大器412以及電阻432、電阻433、電阻434、電阻435所組成之單元增益緩衝器（Unit Gain Buffer）傳送給增益調整電路240。調節單元250係可產生複數個增益調節信號（例如：電壓信號），以分別控制開關SW1以及開關SW2之切換動作，進而彈性調整運算放大器414之增益値，使得感測電壓可放大至額定輸出電壓（例如：0～5 V）。於本較佳實施例中，控制開關SW1以及開關SW2係為數位開關，但在其他較佳實施例中控制開關SW1以及開關SW2係可置換為其他等效電路設計，而不以上述實施方式以及開關數量為限。
舉例來說，當流經待測物30之電流I為0 A時，感測電壓經上述偏移量的調整，使得整合式電流感測裝置200之額定輸出電壓為0 V。當電流I分別為3.75 A、7.5 A、11.25 A以及15 A時，由於感測電壓與電流I成比例關係，並經上述增益値的適當調整，使得整合式電流感測裝置200之額定輸出電壓分別為1 V、2 V、3 V以及4 V。同理，當電流I為-3.75 A、-7.5 A、-11.25 A以及-15 A時，感測電壓係與電流I成比例關係，並經上述增益値的適當調整，使得整合式電流感測裝置200之額定輸出電壓分別為-1 V、-2 V、-3 V以及-4 V。
需說明的是，於本較佳實施例中，調節單元250係可包括電子可抹拭唯讀記憶體（EEPROM）。所以，調節單元250係可儲存分別用以調整定電流、偏移量以及增益値之設定參數，透過調整上述之設定參數可直接影響調節單元250輸出之定電流調節信號、偏移量調節信號以及增益調節信號，使得調節單元250可依據上述設定參數控制電源供應電路220、偏移調整電路230以及增益調整電路240。此外，於本較佳實施例中，調節單元250係可透過輸入輸出介面（例如：輸入輸出介面280與輸入輸出介面290）電性耦接外接裝置（例如：電腦），並藉由外接裝置調整調節單元250中分別對應定電流、偏移量以及增益値之設定參數，以進一步改變整合式電流感測裝置200之定電流、偏移量以及增益値。
在本揭示內容之一較佳實施例中，整合式電流感測裝置200更包括溫度補償電路260，其中溫度補償電路260電性耦接調節單元250，溫度補償電路260係因應溫度改變而補償調節單元250中分別對應定電流、偏移量之設定參數，進一步改變調節單元250輸出之定電流調節信號、偏移量調節信號，使得調節單元250在溫度改變狀態下仍可分別輸出穩定且合適的定電流調節信號、偏移量調節信號予電源供應電路220、偏移調整電路230。
第5圖係繪示本揭示內容之第二較佳實施例的一種整合式電流感測裝置500之電路方塊示意圖。如第5圖所示，整合式電流感測裝置500係包括磁場感測元件510、電源供應電路520、增益調整電路540、偏移調整電路530以及調節單元550。磁場感測元件510係用以感測待測物之電流所產生的磁場，並產生對應之感測電壓。電源供應電路520係電性耦接磁場感測元件510，用以產生一定電流予磁場感測元件510，以控制感測電壓。增益調整電路540電性耦接磁場感測元件510，用以放大感測電壓至額定輸出電壓（例如：0～5 V）。偏移調整電路530電性耦接增益調整電路540，用以調整額定輸出電壓之偏移量。調節單元550電性耦接並控制電源供應電路520、增益調整電路540以及偏移調整電路530，藉此控制定電流、增益調整電路540之增益値以及偏移量。
在本較佳實施例中，磁場感測元件510係可為霍爾元件（Hall Element），用以感測流經待測物之電流所產生的磁場。類似地，如待測物上繞有線圈，且磁場感測元件510與待測物相鄰配置時，磁場感測元件510係可感應待測物依據線圈上電流所產生的磁場，其中磁場感測元件510與待測物的配置方式係與第3圖中磁場感測元件210與待測物30的配置方式相同或相似。同樣地，當電流流經待測物或待測物上的線圈時，待測物上產生與電流大小成比例的磁通，且當磁場感測元件510的平面與磁通之方向垂直時，磁場感測元件510能據以感應磁通而取得相對應之感測電壓（例如：可利用霍爾效應之特性方程式V_H=K*R_d*I_C*B*Sinθ得到相對應之霍爾電壓，其中K, R_d,Ic, Sinθ均為定値）。如此一來，便可藉由磁場感測元件510感應磁場而取得之感測電壓來判斷待測物上電流所產生磁通B的大小。
在本較佳實施例中，調節單元550可產生定電流調節信號（例如：電壓信號）給電源供應電路520，用以調整電源供應電路520提供給磁場感測元件510之定電流大小，其中此定電流大小亦會影響磁場感測元件510所產生之感測電壓。此外，調節單元550可產生增益調節信號（例如：電壓信號）予增益調整電路540，以調整增益調整電路540放大感測電壓至額定輸出電壓所需的增益値，使得感測電壓可放大至額定輸出電壓（例如：0～5 V）。
在一實施例中，當待測物所通過之電流I為0 安培（A）時，磁場感測元件510所產生之感測電壓不見得為零，使得額定輸出電壓亦不為零。此時，調節單元550可輸出偏移量調節信號（例如：電壓信號）給偏移調整電路530，以調整額定輸出電壓之偏移量，使得當待測物所通過之電流I為0 安培（A）時，額定輸出電壓可校正至0 V。
在本較佳實施例中，調節單元550係可包括電子可抹拭唯讀記憶體（EEPROM）。所以，調節單元550係可儲存分別用以調整定電流、偏移量以及增益値的設定參數，透過調整上述設定參數可直接影響調節單元550輸出之定電流調節信號、偏移量調節信號以及增益調節信號。此外，調節單元550係可透過輸入輸出介面（例如：輸入輸出介面580與輸入輸出介面590）電性耦接外接裝置（例如：電腦），並藉由外接裝置調整調節單元550所分別對應定電流、偏移量以及增益値之設定參數，以進一步改變整合式電流感測裝置500之定電流、偏移量以及增益値。
此外，整合式電流感測裝置500更可包括溫度補償電路560，其中溫度補償電路560電性耦接調節單元550，溫度補償電路560係因應溫度改變而補償調節單元550中之設定參數，以改變定電流、偏移量，使得調節單元550在溫度改變狀態下仍可分別輸出穩定的定電流調節信號、偏移量調節信號分別予電源供應電路520、偏移調整電路530。
在本較佳實施例中，電源供應電路520、偏移調整電路530以及增益調整電路540均可以第4圖所示之電路來實現，且調節單元550輸出定電流調節信號、偏移量調節信號以及增益調節信號分別予電源供應電路520、偏移調整電路530以及增益調整電路540之操作也可與第4圖所述之實施例類似或相同，但需注意的是，其電路結構和操作並不以第4圖所示之實施態樣為限。
相較於習知作法，在本揭示內容上述實施例中，可利用調節單元調整電源供應電路之定電流輸出、調整偏移調整電路之偏移量以及調整增益調整電路之增益値，以避免習知技術中因電阻切割製程與精準度上的問題，使得電阻比例產生偏差，而造成電流量測結果不正確的現象。再者，本揭示內容之整合式電流感測裝置可採用積體電路之方式實現，因此，各元件電路之精確度可大幅提升，達到電流精確感測的功效。
在本揭示內容中所提及的步驟，除特別敘明其順序者外，均可依實際需要調整其前後順序，甚至可同時或部分同時執行，而不以上述為限。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．電流感測裝置

D1．．．二極體

Q1．．．電晶體

U1A、U1B．．．運算放大器

U2．．．霍爾元件

R1~R10．．．電阻

C1~C8．．．電容

200、500．．．整合式電流感測裝置

210、510．．．磁場感測元件

220、520．．．電源供應電路

230、530．．．偏移調整電路

240、540．．．增益調整電路

250、550．．．調節單元

260、560．．．溫度補償電路

270、570．．．輸出端

280、580．．．輸入輸出介面

290、590．．．輸入輸出介面

30．．．待測物

411~414．．．運算放大器

421~423．．．電晶體

431~445．．．電阻

4361．．．節點

SW1、SW2．．．開關

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：
第1圖係繪示習知技術的一種電流感測裝置之電路示意圖。
第2圖係繪示本揭示內容之第一實施方式的一種整合式電流感測裝置之電路方塊示意圖。
第3圖係繪示本揭示內容之整合式電流感測裝置中磁場感測元件的配置示意圖。
第4圖係繪示本揭示內容之第2圖中整合式電流感測裝置之電路示意圖。
第5圖係繪示本揭示內容之第二實施方式的一種整合式電流感測裝置之電路方塊示意圖。

200．．．整合式電流感測裝置

210．．．磁場感測元件

220．．．電源供應電路

230．．．偏移調整電路

240．．．增益調整電路

250．．．調節單元

260．．．溫度補償電路

270．．．輸出端

280．．．輸入輸出介面

290．．．輸入輸出介面

Claims

一種整合式電流感測裝置，包括：
一磁場感測元件，用以感測磁場，並產生對應之一感測電壓；
一電源供應電路，電性耦接該磁場感測元件，用以產生一定電流予該磁場感測元件，以控制該感測電壓；
一偏移調整電路，電性耦接該磁場感測元件，用以調整該感測電壓之一偏移量；
一增益調整電路，電性耦接該偏移調整電路，用以放大該感測電壓至一額定輸出電壓；以及
一調節單元，電性耦接該電源供應電路、該偏移調整電路以及該增益調整電路，該調節單元係用以控制該定電流、該偏移量以及該增益調整電路放大該感測電壓所需之一增益値。
如請求項1所述之整合式電流感測裝置，其中該調節單元包括一電子可抹拭唯讀記憶體。
如請求項2所述之整合式電流感測裝置，其中該調節單元係儲存分別對應該定電流、該偏移量以及該增益値之設定參數。
如請求項1所述之整合式電流感測裝置，其中該調節單元透過一輸入輸出介面電性耦接一外接裝置，並藉由該外接裝置分別調整分別對應該定電流、該偏移量以及該增益値之設定參數。
如請求項1所述之整合式電流感測裝置，更包括：
一溫度補償電路，電性耦接該調節單元，用以補償溫度改變下該調節單元中分別對應該定電流、該偏移量之設定參數，使得該調節單元在溫度改變狀態下控制該電源供應電路、該偏移調整電路，以調整該定電流、該偏移量。
如請求項1所述之整合式電流感測裝置，其中該調節單元係用以產生一定電流調節信號予該電源供應電路，以調整該電源供應電路所產生之該定電流之大小。
如請求項1所述之整合式電流感測裝置，其中該調節單元係用以產生一增益調節信號予該增益調整電路，以調整該增益調整電路放大該感測電壓至該額定輸出電壓所需之一增益値。
如請求項1所述之整合式電流感測裝置，其中該調節單元係用以產生一偏移量調節信號予該增益調整電路，以調整該額定輸出電壓之該偏移量。
一種整合式電流感測裝置，包括：
一磁場感測元件，用以感測磁場，並產生對應之一感測電壓；
一電源供應電路，電性耦接該磁場感測元件，用以產生一定電流予該磁場感測元件，以控制該感測電壓；
一增益調整電路，電性耦接該磁場感測元件，用以放大該感測電壓至一額定輸出電壓；
一偏移調整電路，電性耦接該增益調整電路，用以調整該額定輸出電壓之一偏移量；以及
一調節單元，電性耦接並控制該電源供應電路、該增益調整電路以及該偏移調整電路。
如請求項9所述之整合式電流感測裝置，其中該調節單元透過一輸入輸出介面電性耦接一外接裝置，並藉由該外接裝置調整分別對應該定電流、該增益値以及該偏移量之設定參數。
如請求項9所述之整合式電流感測裝置，更包括：
一溫度補償電路，電性耦接該調節單元，用以補償溫度改變下該調節單元中分別對應該定電流、該偏移量以及該增益値之設定參數，使得該調節單元輸出在溫度改變狀態下之一定電流調節信號、一偏移量調節信號分別予該電源供應電路、該偏移調整電路。
如請求項9所述之整合式電流感測裝置，其中該調節單元係用以產生一定電流調節信號予該電源供應電路，以調整該電源供應電路所產生之該定電流之大小。
如請求項9所述之整合式電流感測裝置，其中該調節單元係用以產生一增益調節信號予該增益調整電路，以調整該增益調整電路放大該感測電壓至該額定輸出電壓所需之一增益値。
如請求項9所述之整合式電流感測裝置，其中該調節單元係用以產生一偏移量調節信號予該增益調整電路，以調整該額定輸出電壓之該偏移量。
如請求項9所述之整合式電流感測裝置，其中該調節單元係儲存分別對應該定電流、該偏移量以及該增益値之設定參數，並依據該些設定參數控制該電源供應電路、該增益調整電路以及該偏移調整電路。