本發(fā)明涉及自動(dòng)控制，具體涉及一種高帶寬電流采集電路、開關(guān)電源及采集方法。

背景技術(shù)：

1、近年來，開關(guān)電源在多個(gè)行業(yè)如航空航天、電動(dòng)汽車車載充電器、通信電源等領(lǐng)域面臨著更高的要求。隨著科技的發(fā)展，這些領(lǐng)域的設(shè)備對開關(guān)電源的需求已經(jīng)不僅限于傳統(tǒng)的性能指標(biāo)，而是更加注重高可靠性、高效率和高功率密度。為了達(dá)到這些目標(biāo)，一方面可以通過改進(jìn)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和選用低損耗的開關(guān)器件與磁性元件來提高電源的效率；另一方面，通過選擇更快的開關(guān)速度的功率器件和減小磁性元件的體積來提升變換器的功率密度。

2、然而，隨著開關(guān)頻率的不斷增加，這對其他相關(guān)電路也提出了新的挑戰(zhàn)，尤其是電源的輸入和輸出電流的采集。準(zhǔn)確且快速地采集電流信息對于確保整個(gè)電源系統(tǒng)的安全運(yùn)行至關(guān)重要。傳統(tǒng)上，宇航級霍爾電流傳感器被用于電流采集，但它們的帶寬通常限制在大約1khz，即便是工業(yè)級別的高速霍爾傳感器，帶寬也只達(dá)到了約100khz，這遠(yuǎn)不能滿足800khz及更高開關(guān)頻率下的電流采集需求。此外，傳統(tǒng)的電流采集電路僅能支持單路輸出電流的采集，當(dāng)需要同時(shí)采集兩路輸出電流時(shí)，往往需要使用兩套獨(dú)立的采集電路，并通過求和的方式反映實(shí)際的總輸出電流大小，這種方法增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種高帶寬電流采集電路、開關(guān)電源及采集方法，其目的在于由此形成一種新的由分立器件組成的高速電流采集方案，適用于航天器應(yīng)用的高可靠和高精度電流采集，為更高工作頻率、更大功率密度和更高轉(zhuǎn)化效率的電源變換系統(tǒng)在航天系統(tǒng)中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

3、本發(fā)明提供了一種高帶寬電流采集電路，包括：

4、采樣電阻rs包括電阻rs1和電阻rs2，用于串聯(lián)在電流通路中；

5、由npn對管組成的差分電流鏡電路，用于檢測采樣電阻兩端的壓差；

6、由pnp對管組成的鏡像電流源補(bǔ)償電路，用于補(bǔ)償發(fā)射極電壓低的對管電流，并將補(bǔ)償電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號；

7、偏置電路，通過偏置電阻的阻值分壓，實(shí)現(xiàn)在零電流輸出時(shí)，采集信號有一個(gè)偏置輸出；

8、放大電路，用于放大采樣電阻上的壓降信號；

9、濾波輸出電路，用于濾除噪聲并提供穩(wěn)定的輸出電壓信號。

10、進(jìn)一步的，所述采樣電阻rs中電阻rs1和電阻rs2的阻值相等，且采樣電阻上的壓降△v與流經(jīng)電阻rs1的電流io1、流經(jīng)電阻rs2的電流io2成正比，滿足公式：

11、△v=?rs1×io1+?rs2×io2

12、=?rs?×?(io1?+?io2)。

13、進(jìn)一步的，所述放大電路中的增益β由電阻r8和r4的比例決定，滿足公式：

14、β?=?(r8?÷?r4)，

15、并且放大的輸出電壓v1與采樣電阻上的總電流呈線性關(guān)系，滿足公式：

16、v1?=?β?×?rs?×?(io1?+?io2)?+?vz，其中vz為偏置電壓。

17、進(jìn)一步的，所述偏置電壓vz由偏置電阻r9與電阻r8的分壓獲得，使得在零電流輸出時(shí)，采集信號具有一個(gè)非零的初始輸出電壓。

18、進(jìn)一步的，所述電路能夠有效地采集800khz以上變化的電流信號，并實(shí)現(xiàn)雙路輸出電流的同時(shí)采集功能，當(dāng)任意一路輸出電流發(fā)生變化時(shí)，均能準(zhǔn)確地檢測到電流的變化幅值。

19、進(jìn)一步的，所述電路適用于航天器應(yīng)用，用于需要高可靠性和高精度電流采集的場合，包括30w、65w以及150w系列的電源產(chǎn)品。

20、一種開關(guān)電源，用于高速和精確地采集電源的輸入和輸出電流，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

21、一種電力變換系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控電流變化，支持快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并實(shí)現(xiàn)高效的能量轉(zhuǎn)換。

22、一種高帶寬電流采集方法，該方法包括以下步驟：

23、將采樣電阻串聯(lián)入電流通路；

24、通過差分電流鏡電路檢測采樣電阻兩端的壓差；

25、通過鏡像電流源補(bǔ)償電路補(bǔ)償電流并將補(bǔ)償電流轉(zhuǎn)換為電壓信號；

26、通過偏置電路設(shè)置偏置電壓；

27、通過放大電路放大電壓信號；

28、通過濾波輸出電路輸出穩(wěn)定的電壓信號，用以反饋給控制系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制或輸出電流遙測。

29、進(jìn)一步的，所述方法適用于航天器應(yīng)用，特別是在需要高可靠性和高精度電流采集的情況下，如30w、65w以及150w系列的電源產(chǎn)品中。

30、本發(fā)明所達(dá)到的有益效果為：

31、本發(fā)明一種高帶寬電流采集電路，傳統(tǒng)霍爾傳感器的帶寬限制了電流采集的速度，而本發(fā)明的電路能夠有效采集800khz以上變化的電流信號，極大地提升了電流采集的頻率響應(yīng)能力，使得其適用于更高開關(guān)頻率的電源系統(tǒng)。

32、本發(fā)明一種高帶寬電流采集電路，不同于傳統(tǒng)的單路采集方式，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了雙路輸出電流的同時(shí)采集功能。這不僅簡化了系統(tǒng)的復(fù)雜性，降低了成本，還提高了多輸出電源系統(tǒng)的監(jiān)測精度和可靠性。

33、本發(fā)明一種高帶寬電流采集電路，通過使用采樣電阻、差分電流鏡電路以及放大電路等組件，本發(fā)明確保了電流采集的線性和準(zhǔn)確性。即使在零電流輸出時(shí)，由于偏置電壓的存在，也能獲得一個(gè)非零的初始輸出電壓，從而避免了測量盲區(qū)。

34、本發(fā)明一種高帶寬電流采集電路，濾波輸出電路的設(shè)計(jì)有效地減少了外界干擾對電流采集的影響，保證了輸出電壓信號的穩(wěn)定性，這對于需要高精度電流監(jiān)測的應(yīng)用尤為重要。

35、本發(fā)明一種高帶寬電流采集電路，該電路特別適合于航天器應(yīng)用，包括但不限于30w、65w以及150w系列的電源產(chǎn)品。它能夠滿足這些場合對于高可靠性和高精度電流采集的需求，保障了電力變換系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

36、本發(fā)明一種高帶寬電流采集電路，準(zhǔn)確且快速地采集電流信息對于確保整個(gè)電源系統(tǒng)的安全運(yùn)行至關(guān)重要。本發(fā)明提供的高帶寬電流采集方案有助于實(shí)時(shí)監(jiān)控電流變化，支持快速調(diào)整和保護(hù)機(jī)制，從而增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性和可靠性。

37、本發(fā)明一種開關(guān)電源，此發(fā)明為開關(guān)電源領(lǐng)域帶來了新的技術(shù)解決方案，促進(jìn)了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，并為未來更高效、更智能的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

技術(shù)特征：

1.一種高帶寬電流采集電路，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高帶寬電流采集電路，其特征在于，所述采樣電阻rs中電阻rs1和電阻rs2的阻值相等，且采樣電阻上的壓降△v與流經(jīng)電阻rs1的電流io1、流經(jīng)電阻rs2的電流io2成正比，滿足公式：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高帶寬電流采集電路，其特征在于，所述放大電路中的增益β由電阻r8和r4的比例決定，滿足公式：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高帶寬電流采集電路，其特征在于，所述偏置電壓vz由偏置電阻r9與電阻r8的分壓獲得，使得在零電流輸出時(shí)，采集信號具有一個(gè)非零的初始輸出電壓。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高帶寬電流采集電路，其特征在于，所述采集電路可采集800khz以上變化的電流信號，并實(shí)現(xiàn)雙路輸出電流的同時(shí)采集功能，當(dāng)任意一路輸出電流發(fā)生變化時(shí)，均能準(zhǔn)確地檢測到電流的變化幅值。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高帶寬電流采集電路，其特征在于，所述電路適用于航天器應(yīng)用，用于需要高可靠性和高精度電流采集的場合，包括30w、65w以及150w系列的電源產(chǎn)品。

7.一種開關(guān)電源，其特征在于，包含如權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述的高帶寬電流采集電路，用于高速和精確地采集電源的輸入和輸出電流，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

8.一種高帶寬電流采集方法，其特征在于，包括使用如權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述的高帶寬電流采集電路來采集電流信號，方法包括以下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及自動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高帶寬電流采集電路、開關(guān)電源及采集方法。包括：采樣電阻Rs，用于串聯(lián)在電流通路中；由NPN對管組成的差分電流鏡電路，用于檢測采樣電阻兩端的壓差；由PNP對管組成的鏡像電流源補(bǔ)償電路，用于補(bǔ)償發(fā)射極電壓低的對管電流；偏置電路，通過偏置電阻的阻值分壓；放大電路，用于放大采樣電阻上的壓降信號；濾波輸出電路，用于濾除噪聲并提供穩(wěn)定的輸出電壓信號。傳統(tǒng)霍爾傳感器的帶寬限制了電流采集的速度，而本發(fā)明的電路能夠有效采集800kHz以上變化的電流信號，極大地提升了電流采集的頻率響應(yīng)能力，使得其適用于更高開關(guān)頻率的電源系統(tǒng)。

技術(shù)研發(fā)人員：李林,明旭東,趙雷,趙建偉,王磊,劉善宗,姜文宇,趙建樹,國鳳娟,劉楊楊
受保護(hù)的技術(shù)使用者：山東航天電子技術(shù)研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6