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CN111122946B - 用于感性负载驱动电路的电流采样电路 - Google Patents

用于感性负载驱动电路的电流采样电路 Download PDF

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CN111122946B CN202010011311.3A CN202010011311A CN111122946B CN 111122946 B CN111122946 B CN 111122946B CN 202010011311 A CN202010011311 A CN 202010011311A CN 111122946 B CN111122946 B CN 111122946B
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Abstract

一种用于感性负载驱动电路的电流采样电路，包括采样电阻Rs、运放模块、电压源Vs、第一、第二电阻网络。第一电阻网络包括彼此串联的电阻R3和电阻R1，第二电阻网络包括彼此串联的电阻R4和电阻R2；电阻R3的一端和电阻R4的一端共同连接于电压源Vs，电阻R3的另一端与电阻R1的一端的共接点连接运放模块的正相输入端，电阻R1的另一端分别连接感性负载驱动电路的输出端、续流电路的第二端和采样电阻Rs的一端；电阻R4的另一端与电阻R2的一端的共接点连接运放模块的反相输入端，电阻R2的另一端分别连接感性负载L的一端和采样电阻Rs的另一端。本发明用较低的成本扩展了运放模块的共模输入电压的应用下限范围。

Description

用于感性负载驱动电路的电流采样电路
技术领域
本发明涉及感性负载驱动电路的电流采样技术。
背景技术
在驱动感性负载L(感性负载L例如是电磁阀、电机等)时,一般需要采用如图1所示的电流采样电路采集输出到感性负载的输出电流，用以对输出电流进行恒流控制或过流保护。感性负载驱动电路1的输出电流流过精密电阻R12，在精密电阻R12的两端建立一个微弱的电压降，该电压降通过运放模块U1放大，输出一个与流过精密电阻的电流成正比的电压信号给控制电路2。图1中的续流二极管D也可替换为MOSFET从而进行续流(即同步整流)。
图1中示出了四个可以放置精密电阻的位置，除了电阻R12以外，电阻R11、电阻R13和电阻R14所在的位置也可以放置精密电阻。电阻R12所在的位置作为精密电阻具备如下优点：1、可以侦测到与输出电流相同的电流；2、可以侦测到因端口P1、P2短路而造成的过电流，而其它三个位置则不同时具备以上的优点。
精密电阻R12两端S+、S-的电压在驱动感性负载时是一个周期波动的信号，最高可达驱动器的输入电压，最低可低于参考地一个二极管D(或MOSFET)的导通压降，因此用精密电阻R12采集电流对电路器件有一些特殊的要求。它要求运放模块U1具有大共模抑制比，以放大所需的原始信号中的精密电阻两端微弱的差模电压Vd(Vd＝Vs+-Vs-),并且过滤掉原始信号中的共模方波电压Vc(Vc＝(Vs++Vs-)/2)。市面上一些通用的电流检测运放模块一般都具备上述要求的大共模抑制比的特性。但电流检测运放模块对输入共模电压的范围有限制，一般的电流检测运放模块允许输入共模电压的幅值大于运放模块的供电电压,但是不允许过低的共模电压输入，过低的共模输入电压会造成运放模块内部的输入ESD保护二极管导通，从而影响到器件的正常工作，严重的过低共模输入电压甚至会造成器件失效。一般的电流检测运放模块的规格书中把共模输入电压绝对最低值限定为负0.3V。在图1的示例中，续流二极管D续流时,共模输入电压为-Vdrop，Vdrop为续流二极管D的导通压降；当用MOSFET替换二极管D进行续流时，则共模输入电压为-Vdrop，Vdrop为MOSFET的导通压降。根据续流二极管D或MOSFET的选型、实际工作中的电流、温度等条件，精密电阻R12两端S+、S-的电压会低于负0.3V,因此一般的电流检测运放模块不能直接用在R12位置的电流采样中。
为了解决上述问题，目前常见的解决方案有：
1)选用更低共模输入电压的电流检测运放模块，此类运放模块一般对内部模拟输入级或者内部供电电路有特殊设计,以便实现更低的共模输入电压范围，但这样会造成成本的上升；
2)在运放模块U1的输入端增加由电阻R5、电阻R6和电容C组成的滤波电路，如图2所示，图2还示出了运放模块U1的内部结构。在续流二极管D或MOSFET的续流过程中，精密电阻Rs两端S+、S-的电压为-Vdrop时，运放模块U1内部的ESD保护二极管D1、D2会导通，它们的导通电流分别通过电阻R5、电阻R6，在电阻R5、电阻R6上建立电压降，电阻R5、电阻R6限制了通过ESD保护二极管D1、D2的电流值，并且抬高了运放模块U1的输入端IN+和IN-的电压，在过低的共模输入电压的情况下保护了器件。但这样做的缺点是，因为ESD保护二极管D1、D2的导通钳位住了运放模块U1输入端的输入信号，造成输入差模信号与精密电阻Rs两端的电压降不符,因此放大后的信号不能反映真实的电流大小，产生大的采样误差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种用于感性负载驱动电路的电流采样电路，其用较低的成本扩展了电流检测运放模块的共模输入电压的应用下限范围，并具有良好的采样精度。
本发明实施例提供了一种用于感性负载驱动电路的电流采样电路，该电流采样电路包括采样电阻Rs和运放模块；采样电阻Rs串联在感性负载L的一端与感性负载驱动电路的输出端之间，感性负载L的另一端与续流电路的第一端共同接地，续流电路的第二端连接于感性负载驱动电路的输出端和采样电阻Rs的共接点，其特点在于，该电流采样电路还包括电压源Vs、第一电阻网络和第二电阻网络；第一电阻网络包括彼此串联的电阻R3和电阻R1，第二电阻网络包括彼此串联的电阻R4和电阻R2；电阻R3的一端和电阻R4的一端共同连接于电压源Vs，电阻R3的另一端与电阻R1的一端的共接点连接运放模块的正相输入端，电阻R1的另一端分别连接感性负载驱动电路的输出端、续流电路的第二端和采样电阻Rs的一端；电阻R4的另一端与电阻R2的一端的共接点连接运放模块的反相输入端，电阻R2的另一端分别连接感性负载L的一端和采样电阻Rs的另一端。
本发明至少具有以下技术效果：
1、本发明实施例的电流采样电路通过设置电压源Vs、第一电阻网络和第二电阻网络，抬升了运放模块U1的正相输入端和反相输入端的输入电压，因而可以使用低成本的电流检测运放模块来采样低于运放模块的共模输入电压下限的原始信号；
2、本发明实施例的电流采样电路的运放模块放大后的输出信号与真实电流相符，保证了电流的采样精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了现有的一种用于感性负载驱动电路的电流采样电路的电路原理图。
图2示出了现有的另一种用于感性负载驱动电路的电流采样电路的电路原理图。
图3示出了根据本发明一实施例的用于感性负载驱动电路的电流采样电路的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
请参阅图3。根据本发明一实施例的用于感性负载驱动电路的电流采样电路包括采样电阻Rs、运放模块U1、电压源Vs、第一电阻网络和第二电阻网络。
采样电阻Rs串联在感性负载L的一端与感性负载驱动电路1的输出端之间，感性负载L的另一端与续流二极管D的正极共同接地，续流二级管D的负极连接于感性负载驱动电路1的输出端和采样电阻Rs的共接点。
第一电阻网络包括彼此串联的电阻R3和电阻R1，第二电阻网络包括彼此串联的电阻R4和电阻R2。
电阻R3的一端和电阻R4的一端共同连接于电压源Vs，电阻R3的另一端与电阻R1的一端的共接点连接运放模块U1的正相输入端IN+，电阻R1的另一端分别连接感性负载驱动电路1的输出端、续流二级管D的负极和采样电阻Rs的一端S+。
电阻R4的另一端与电阻R2的一端的共接点连接运放模块U1的反相输入端IN-，电阻R2的另一端分别连接感性负载L的一端和采样电阻Rs的另一端S-。
进一步地，电流采样电路还包括电容C，电容C的一端分别连接运放模块U1的正相输入端以及电阻R3的另一端与电阻R1的一端的共接点，电容C的另一端分别连接运放模块的反相输入端以及电阻R4的另一端与电阻R2的一端的共接点。电容C具有滤波的作用。
可选地，第一电阻网络和第二电阻网络均为线性电阻网络。
作为另一替换实施例，也可采用MOSFET替换图3中的续流二极管D。
根据叠加原理，运放模块U1的正相输入端IN+的开路电压VIN+(即第一电阻网络不连接运放模块U1的输入电阻负载时)是原始信号电压Vs+(即点S+处的电压)和电压源Vs分别对点IN+的开路电压的叠加，即 Vs为电压源Vs的输出电压。由此公式可知，在续流二极管D续流(或MOSFET替换续流二极管D进行续流)、点S+的电压Vs+为负时，电阻R3和电压源Vs可以把点IN+的电压VIN+向上提升。通过调整电阻R1、电阻R3的阻值大小，可以使VIN+在续流二极管D(或MOSFET)续流时大于或等于0V。类似地，点IN-的开路电压在续流二极管D(或MOSFET)续流时可以通过电阻R4和电压源Vs向上提升到大于或等于0V。
在第一、第二电阻网络连接入运放模块U1的输入端负载时，因为运放模块U1具有较大的输入阻抗，调整电阻网络可以使它的输出阻抗远小于运放模块U1的输入阻抗，在工程上可以忽略连接运放模块对电压VIN+和VIN-的影响。
可选地，电阻R1的阻值与电阻R2的阻值相等，电阻R3的阻值与电阻R4的阻值相等，通过使电阻R1的阻值与电阻R2的阻值相等，电阻R3的阻值与电阻R4的阻值相等，可以确保运放模块U1的输出正比于运放模块U1的输入输出放大倍数。
进一步地，电阻R3和电阻R4的阻值均小于等于Vs*R1/Vdrop，Vdrop为续流二极管D(或MOSFET)在续流时的电压降，电压源Vs的电压是Vs，进而可确保运放模块U1的共模输入电压在续流二极管D导通续流时大于等于0V，避免过低的共模输入电压。
可选地，R1＝R2＝100ohm，R3＝R4＝Vs*R1/Vdrop。电阻R1、R2、R3和R4的阻值过大会使原始信号到达运放模块的输出电阻过大，造成额外的误差，而电阻R1、R2的阻值过小会使电阻网损耗过大，选择电阻R1、R2的阻值为100ohm则可以在实际应用中达到平衡。
此外，在增加了电阻R3、电阻R4、电压源Vs之后，在R1＝R2、R3＝R4的情况下，无论是续流二极管D处于续流状态还是感性负载驱动电路1的功率开关管M处于导通状态时，运放模块U1的输出电压(即电流采样电路的输出电压)都等于使电流采样电路在不同状态下具有一致的放大倍数，其中A是运放模块U1的输入输出放大倍数，Vd是原始信号中的差模电压。
本发明实施例的电流采样电路使一般的运放模块可以使用在原始信号电压低于该运放模块的共模输入电压的下限的应用里，降低了成本，并且在感性负载驱动电路输出驱动信号以及续流状态下，该电流采样电路都具有一致的放大倍数，保证了良好的采样精度。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种用于感性负载驱动电路的电流采样电路，所述电流采样电路包括采样电阻Rs和运放模块；所述采样电阻Rs串联在感性负载L的一端与所述感性负载驱动电路的输出端之间，所述感性负载L的另一端与续流电路的第一端共同接地，续流电路的第二端连接于所述感性负载驱动电路的输出端和采样电阻Rs的共接点，其特征在于，所述电流采样电路还包括电压源Vs、第一电阻网络和第二电阻网络；
所述第一电阻网络包括彼此串联的电阻R3和电阻R1，所述第二电阻网络包括彼此串联的电阻R4和电阻R2；
电阻R3的一端和电阻R4的一端共同连接于电压源Vs，电阻R3的另一端与电阻R1的一端的共接点连接所述运放模块的正相输入端，电阻R1的另一端分别连接感性负载驱动电路的输出端、续流电路的第二端和采样电阻Rs的一端；
电阻R4的另一端与电阻R2的一端的共接点连接所述运放模块的反相输入端，电阻R2的另一端分别连接感性负载L的一端和采样电阻Rs的另一端。
2.根据权利要求1所述的用于感性负载驱动电路的电流采样电路，其特征在于，电阻R1的阻值与电阻R2的阻值相等，电阻R3的阻值与电阻R4的阻值相等。
3.根据权利要求2所述的用于感性负载驱动电路的电流采样电路，其特征在于，电阻R3和电阻R4的阻值均小于等于Vs*R1/Vdrop，其中Vdrop为续流电路的导通压降。
4.根据权利要求2所述的用于感性负载驱动电路的电流采样电路，其特征在于，电阻R1和电阻R2的阻值均为100ohm，电阻R3和电阻R4的阻值均等于Vs*R1/Vdrop，其中Vdrop为续流电路的导通压降。
5.根据权利要求1所述的用于感性负载驱动电路的电流采样电路，其特征在于，所述电流采样电路还包括电容C，电容C的一端分别连接所述运放模块的正相输入端以及电阻R3的另一端与电阻R1的一端的共接点，电容C的另一端分别连接所述运放模块的反相输入端以及电阻R4的另一端与电阻R2的一端的共接点。
6.根据权利要求1所述的用于感性负载驱动电路的电流采样电路，其特征在于，所述第一电阻网络和所述第二电阻网络均为线性电阻网络。
7.根据权利要求1所述的用于感性负载驱动电路的电流采样电路，其特征在于，所述续流电路为续流二极管，所述续流二极管的正极为该续流电路的第一端，所述续流二极管的负极为该续流电路的第二端。
8.根据权利要求1所述的用于感性负载驱动电路的电流采样电路，其特征在于，所述续流电路为MOSFET。
9.根据权利要求1所述的用于感性负载驱动电路的电流采样电路，其特征在于，所述感性负载驱动电路为电磁阀驱动电路或电机驱动电路。
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