具有偏移校准的电流感测电路

摘要

切换设备由微处理器控制，以在电流测量模式和校准模式之间选择性地配置电路。当开关被设置到“打开”状态时，电路充当正常的现有技术电路，其中输出V

说明书

相关申请的交叉引用

本发明要求于2013年7月16日提交的、针对题为“CURRENTSENSEWITH OFFSETCALIBRATIONALGORITHM”的美国临时专利申请号61/846,913的 优先权。

技术领域

本发明涉及一种用于确定电路的无负载输出电压的电路，并且更特别地涉 及一种电路，该电路用于感测系统中的特定点处的电流，并且用于间歇地更新 无负载偏移，以便更精确地确定电流。

背景技术

为了确定通过电路中的特定点的电流，经常使用基于分流的电流测量电路。 这样的电路使用电流分流电阻器和放大器。如本领域中公知的，跨电阻器的电 压降等于通过电阻器的电流倍乘电阻器的电阻：V＝IR。电流分流电阻器的电阻 典型地非常小并且精确地已知，并且跨电阻器的电压降可以被精确地测量。这 允许计算通过电阻器的电流。在图1中示出现有技术电路的示例。

U₁是放大器电路，其测量跨电流分流电阻器R_shunt的小电压(V₊和V_-)，并 且施加固定的已知增益。U₁的输出然后被传递到微控制器10，用于诸如通过模 数转换器进行处理。通过从U₁确定电压V_out，可以确定跨R_shunt的电压，这允许 确定跨R_shunt的负载电流。这样的系统在本领域中是公知的。

然而，电路中的电流和电压测量受连接到电路的负载影响。相比于当不存 在连接到电路的负载时，当负载连接到电路时，跨分流电阻器的电压并且因此 通过分流电阻器的电流不同。电路的“无负载输出电压”或“无负载偏移”是 指当负载电流为零时的该电路的输出电压。当偏移不是已知的或在操作期间变 化时，测量误差发生。图2图示具有考虑的偏移的示例传递函数。

如图2中所图示，线性传递函数在非零数字处交叉电压接入，非零数字是 无负载偏移。因此，当确定通过分流电阻器流动的电流时，应当考虑无负载偏 移。

该偏移实际上可能随着时间推移而漂移。无负载偏移可能受电路中的组件 的温度和/或老化影响。照此，为了正确地校准任何电流确定，有时应当重新计 算无负载偏移。计算无负载偏移的最简单的方式是将负载与电路的其余部分断 开，即将负载电流设置到零。遗憾的是，这在许多电路中是困难的、不切实际 的或不可能的。

因此期望提供一种系统，该系统将允许重新计算无负载偏移而不从电路移 除负载。优选地，这样的系统将可适于高侧或者低侧电路。“高侧”电路包括与 正电压源串联并且在负载之前的分流电阻器。“低侧”电路包括在负电压侧上的 负载之后串联的分流电阻器。分别在图3和4中示出示例现有技术的高侧和低 侧电路。

发明内容

本发明涉及一种系统，该系统测量无负载偏移电压而不将负载电流设置到 零。切换设备由微处理器控制，以在电流测量模式和校准模式之间选择性地配 置电路。当开关被设置到“打开”状态时，电路充当正常的现有技术电路，其 中输出V_out由微处理器读取以确定到负载的电流。然而，当开关被设置到“关 闭”状态时，小值电阻器(其可大于R_shunt大约三个数量级)连接测量电路的输 入端，使得电路可以生成对应于零负载电流的输出V_out。通过将V₊和V_-输入一 起与低电阻的电阻器连接，无负载条件V_diff＝V₊-V_-≈0适用。在该状态中，无 负载偏移可以在不关闭负载的情况下通过则量电路的输出电压来确定。

开关在其中电流总是在一个方向上通过分流电阻器流动的应用中可能是单 向的。然而，在电流可能在任一方向上通过分流电阻器流动的情况下，双向开 关是优选的。

另外，系统可被应用于高侧或者低侧电路。虽然电路的整体布置可能不同， 但电路的偏移校准部分将优选地包括具有输入端和输出端的分流电阻器，其中 分流电阻器的输入端还通向放大器的一个输入端，并且分流电阻器的输出端还 通向放大器的第二输入端。另外，开关由微控制器控制，并且开关的一侧连接 到分流电阻器的输入端或者输出端。还使用小值电阻器，其中小值电阻器的一 端连接到分流电阻器的另一输入端或输出端，并且小值电阻器的另一端连接到 开关的第二侧。开关由微控制器致动，以选择性地断开分流电阻器的它的侧和 放大器的各自的输入端之间的连接，使得分流电阻器的另一侧如正常地通向放 大器的一个输入端，并且还通过小值电阻器通向放大器的另一输入端。

附图说明

图1是图示现有技术的分流电阻器的电路图。

图2是示出具有考虑的偏移的示例传递函数的图形。

图3是图示具有用于测量电流的分流电阻器的常规的现有技术的双向高侧 嵌入式系统的电路图。

图4是图示常规的现有技术的低侧电流测量电路的电路图。

图5是类似于图3中示出的电路图的具有额外偏移校准组件的电流测量系 统的电路图。

图6是其中电流仅在一个方向上流动的类似于图5中示出的电路图的电路 图。

图7是其中电流仅在另一个方向上流动的类似于图6中示出的电路图的电 路图。

图8是类似于图4中示出的电路图的具有额外偏移校准组件的电流测量系 统的电路图。

图9是来自示出电流测量系统的电压输出的示波器的标记的图像。该系统 在测量和校准模式之间切换，并且在取样之前等待Δt_stable。

图10是示出微控制器的逻辑的流程图。

应当理解的是：本附图不一定按比例，并且本文中公开的实施例有时通过 片段视图来图示。在某些情况下，可能已经省略对于理解本发明不是必要的或 致使其它细节难以感知的细节。还应当理解的是：本发明不一定限于本文中图 示的特定实施例。贯穿各种附图利用的同样数字指定同样或类似的部件或结构。

具体实施方式

本系统和电路涉及一种自校正的电流测量系统，其使用电流分流、用模拟 开关和短路电阻器修改的放大器电路以及微处理器来产生与具有某一增益的电 流成比例的电压。在这样的电路中，电流可以由下述线性方程来建模：I＝m· (v-v₀)，其中v是电流测量电路的输出电压，v₀是当负载电流为零时的相同电流 测量电路的输出电压，并且m是电路的跨导(即电压到电流转换因子)。

返回来参考图3，现有技术的电路由电流分流电阻器R_shunt、可选的偏置和 保护电阻器R1和R2、跨导放大器U1、输出增益电阻器R_out、可选的偏移偏置 电流Ib1和Ib2、以及可选的滤波电容器C1、C2、C3和C_out构成。当在电路的 输出中期望负偏移偏置时，使用通过R1的可选的偏置电流Ib1的动作，并且当 在输出中期望正偏移偏置时，施加通过R2的偏置电流Ib2。这分别对应于图2 中的线性传递函数的向下和向上漂移。典型地，在任何一次将使用仅仅一个偏 置电流。

可以容易地从图3中的电路拓扑导出DC传递函数。U1表示跨导放大器， 其增益由项g_m给出，项g_m是指以(安培/伏特)为单位的线性差分电压对电流 增益。用于电路的V_out的DC输出电压传递函数可以通过忽略ICU₁的输入偏置 电流的检查来导出：

$V_{out}=g_{m·(V_{+}-V_{-})·R_{out}}$

通过将输出U1上的电流转换成电压，电阻器R_out给电路提供额外增益，所述电 压然后可以由微控制器上的模数转换器处理。该方程可以被改写成通过电流分 流电阻器R_shunt的负载电流的函数，给定：

V_diff＝V₊-V_-并且V_diff＝I_load·R_shunt

对于电路输出电压，可以将表达式导出为I_load的函数：

$V_{out}=g_{m·(I_{load}·R_{shunt})·R_{out}}$

求解I_load：

$I_{load}=\frac{V_{out}}{g_{m·R_{shunt}.R_{out}}}$

注意：前述的计算忽略由电阻器R_cal导致的小误差，电阻器R_cal与R_shunt并联。 实际上，由于该设置，V_diff也取决于R_cal的电阻。

假定在电流测量中不存在固有的偏移来写出该方程。然而，在实际应用中， 该偏移从不为零，并且其本身表现为电流测量中的误差。改写该方程以解释和 校正偏移项产生：

$I_{load}=\frac{(V_{out}-V_{offset})}{g_{m·R_{shunt}.R_{out}}}$

当然，该方程假定偏移可以被测量并且是已知的。在其中不可以测量偏移的系 统中，通过改写该方程，电流误差项可以被量化：

$I_{load}=\frac{V_{out}}{g_{m·R_{shunt}.R_{out}}}+I_{error}$

其中，

$I_{error}=\frac{-V_{offset}}{g_{m·R_{shunt}.R_{out}}}$

为了测量I_error项，对常规硬件电路的修改是必要的。

现在参考附图，并且更特别地参考图5，示出图示几个组件的添加的电路图。

如可以看到的，电路图非常类似于图3中示出的电路图。电路是高侧、双 向电流测量电路。然而，与图3相比，已经添加了两个组件。首先，开关S1已 经被放置在R_shunt的一侧和到放大器U1的相应输入端之间。由于电路本身是双 向电路，开关是双向的，在于它可以阻断两个方向上的电流。其次，电阻器R_cal已被添加，将两个输入连接到放大器U1。R_cal优选地大于R_shunt大约三个数量级。 开关S1连接到微控制器10，使得微控制器10可以根据需要打开和关闭开关S1。 在开关S1关闭的情况下，电路如正常地操作。在R_cal大于R_shunt的情况下，电流 通常通过R_shunt而非R_cal流动，并且通过R_shunt的电流可以被测量。然而，当微控 制器10打开开关S1时，将已经通过R_shunt的任何电流无处可去，使得电流替代 地通过R_cal流动。将V₊和V_-输入一起与低电阻的电阻器连接模拟无负载条件。 在该状态中，无负载偏移可以在不关闭负载的情况下通过测量电路的输出电压 来确定。

迄今以上已经将开关S1通用化为“理想”的开关，在于它被关闭时可以被 视为断开的线。然而，图5和6下面图示不是双向的电路。如可以看到的，在 这种情况下的开关S1中的二极管取决于电流的方向而朝向一个方向或另一个方 向。

图6是与图4中示出的电路图非常类似的电路图。电路是低侧、单向电流 测量电路。然而，如上，已经添加开关和低值电阻器。使得开关S1是在其中可 以在两个方向上截止电流的双向开关容易地将电路从单向改变到双向版本。如 上，已经添加R_cal，将两个输入连接到放大器U1。开关S1再次连接到微控制器 10，使得微控制器10可以根据需要打开和关闭开关S1。在开关S1关闭的情况 下，电路如正常地操作。在R_cal大于R_shunt的情况下，电流通常通过R_shunt而非 R_cal流动，并且通过R_shunt的电流可以被测量。然而，当微控制器10打开开关S1 时，R_cal将输入连接到放大器U1。将V₊和V_-输入一起与低电阻的电阻器连接模 拟无负载条件。在该状态中，无负载偏移可以在不关闭负载的情况下通过测量 电路的输出电压来确定。

在操作中，微控制器10有时从测量模式切换到校准模式，以便确保电流测 量模式中的所有测量随着偏移漂移而保持精确。

图10图示由微控制器10采取以在测量模式中正确地校准测量的过程的流 程图。在测量模式中，关闭开关S1并且读取V_out。然后，在方程中使用V_out的 测量值以及用于V_offset的先前确定的值：

I_load＝g_m*(V_out-V_offset)*R_shunt*R_out

以确定通过负载的电流。然而，一旦启动校准模式，微控制器10使开关S1打 开。假定在电流测量模式期间的电压输出将相对高。因此，当电路进入校准模 式时，系统暂停达时间Δt_stable，以允许由R_out和C_out组成的低通滤波器有足够的 时间来放电。这确保输出电压将到达V_offset的真值，以便避免电流测量中的不精 确性。在一段时间通过Δt_stable后，几个V_out样本被测量和平均，以得到然后被存 储的用于V_offset的新值。开关S1然后被关闭，并且系统再次暂停达Δt_stable，以允 许电路在开始进一步的电流测量之前对电容器C_out再充电。注意：优选是在校 准模式期间采取V_offset的多个样本，并且平均它们的总和，为了最小的误差。

微控制器10输出信号到开关S1以控制其打开和关闭。信号可能与用于校 准模式(并且因此打开开关S1)的0和用于测量模式(并且因此关闭开关S1) 的1一样简单。类似地，输入到微控制器10的“V_out”取决于模式被保存到不 同位置。在校准模式中，输入被存储为V_offset，而在正常测量模式中，输入被存 储为V_out。