采用电压跟随结构的精密电流检测系统设计*

2019-03-05雷杰锋黄生祥柯建源何伊妮廖聪维邓联文

传感器与微系统 2019年3期

雷杰锋，黄生祥，柯建源，何伊妮，廖聪维，邓联文

(中南大学物理与电子学院，湖南长沙 410083)

0 引言

一直以来，电流信号的精准测量在科学研究、工业生产等领域中都具有重要的意义[1～3]。以直流(direct current,DC)—直流转换器的设计为例，需要通过负载电流的检测对电路设计合适的过流保护，高性能的电流检测电路被广泛应用于DC-DC转换器中[4～7]。在测量DC-DC转换器的效率时[8～10]，负载电流的实时检测是判定电源电路功能正常与否的基本依据。

电流测量的方法中利用磁性传感器检测电流的方法[11～13]准确度较高，且抗外界磁场干扰能力较强，但不适用于小电流检测，且体积较大、价格较昂贵。场效应管检测法[14，15]是将工作于饱和区的场效应管等效为电阻，通过检测场效应管的压降来反映电流变化,但场效应管的导通电阻受温度及制造工艺影响较大，电流检测精度较低。积分检测法[16]通过将电感两端的电压与时间积分得到负载电流值，这种方法设计难度大、电路较复杂。此外，电阻采样法[17～20]可以通过放大取样电阻两端的压降，从而获得与电流成等比例的电压。相比于其他的三种方法，电阻采样法结构简单，可精确地检测较大的电流，但其在检测小电流时准确性较差。如何提高小电流检测的准确度是电阻采样法检测电流的主要挑战。

本文设计了一种基于电阻采样法的电流检测电路。在现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)的控制下，A/D转换电路将模拟电压量转换为数字电压量；基于通用异步收发器(universal asynchronous receiver/transmitter,UART)实现了检测电路与上位机的通信。本文详细地分析该电流检测系统的误差来源，并给出电流检测系统对较小电流的实时测量结果。

1 电流检测电路设计

图1为电流检测系统的原理图。电流检测 (current detection,CD) 电路将待检测电流IL转换为输出电压VO，ADC电路在FPGA的控制下将输出电压VO转换为数字电压量，然后通过UART串口通信协议将信号量发送至上位机(upper PC)。其中上位机界面由Visual Basic实现。

图1 电流检测系统原理

图2为电流检测电路，取样电阻器RS串联于负载电流IL的回路之中，RS两端压降VS被放大为正比于负载电流IL的电压信号VC。

图2 电流检测电路原理

由于VS+>VS-，运放A1/A2输出为高/低，三极管Q1/Q2导通/截止。此时流过RG的电流为IO，RE中无电流流过，于是A,B点的电压VA,VB分别为

VA=VCC-IO·RG,VB=VCC-IL·RS

(1)

根据运放“虚短”原理(VA=VB)，流过RO的电流IO为

(2)

于是C点的电压为VC=RO·IO，最终在CD电路的输出端C点的电压VC正比于负载电流IL

(3)

电压VC的准确性决定了电流测量的精度。本文设计的特点在于电流检测电路和A/D电路之间引入了电压跟随结构(voltage follower,VF)，其作用是消除后级A/D电路对电流检测电路的输出电压VC的扰动。由于电压跟随结构的输入阻抗高、输出阻抗低，这就很好地“隔离”了后级电路对CD电路的影响，降低了VC的测量误差。

2 误差分析

电流检测的误差主要来源于CD电路的I/V转换误差及A/D电路的失调误差。在CD电路中，取样电阻器RS的误差以及运放A1的失调电压将会导致CD电路输出电压VC与式(3)不一致。若CD电路中RS的误差为ΔRS，运放A1的失调电压为VOS，则A，B两点电压实际为

VA=VCC-IO·RG+VOS

(4)

VB=VCC-IL·(RS+ΔRS)

(5)

则CD电路的实际输出电压VC为

(6)

又由于A/D电路在模数转换过程中会存在失调误差VM，最终上位机接收的电压VP为

(7)

故该系统总的误差电压VE为

(8)

PC机在接收到VP后，根据式(4)计算得到的等比例系数β，将电压转换为电流，最终系统总的误差电流IE为

(9)

综上所述，系统误差主要由电阻误差率η=ΔRS/RS,运放A1失调电压VOS以及ADC失调误差VM三部分造成的。由式(9)知：在进行电路设计时，采用高精度电阻器RS可降低由电阻误差率η导致的系统误差；在不影响负载电流条件下，适当增大取样RS可降低由运放A1失调电压VOS导致的系统误差；增大CD电路的比例系数β可降低由ADC失调误差VM导致的系统误差。

3 仿真分析

采用Pspice对CD电路进行仿真验证，RS，RG及RO分别设置为5 Ω，100 Ω,10 kΩ(由式(3)知，β为500)。图3为CD电路在不同负载电流IL时输出电压VC的模拟结果。

图3 不同负载电流IL时输出电压VC的模拟结果

当CD电路无误差时(η为0 %或VOS为0 mV)，VC与IL成正比例关系，比例系数为500。当电阻值存在误差时(η为2 %或0.2 %)，VC变大且误差ΔVC随着η的减小而减小，当η为0.2 %时，误差ΔVC接近0 mV，这表明采用η为0.1 %级别的电阻器，由η造成的误差ΔVC可被忽略。当运放A1存在失调电压VOS时，ΔVC随着VOS的增大而增大，且误差ΔVC为定值，如，当VOS为0.2/0.3 mV时，ΔVC为20/30 mV，仿真结果证明了式(6)分析的正确性。

综上所述，当η为0.1 %级别时，由η造成的误差ΔVC可忽略，CD电路的误差主要由运放的失调电压VOS决定。

4 实际检测结果与分析

基于FPGA开发板和PC等实验平台，搭建了实际的电流检测电路。采用OPA2277运放芯片搭建CD电路，等比例系数β设置为500，选择逐次逼近型模数转换器AD7606芯片实现A/D功能。

图4(a)是有VF结构和无VF结构时，输出电压VC的测量值和负载电流IL的关系。当负载电流为500 μA时，无VF结构时VC的实测结果为281.8 mV；增加VF结构后VC的实测结果为269.1 mV。引入VF结构后，VC的实测结果更接近理想值250 mV。实验结果表明，VF结构的引入可以消除A/D电路对CD电路输出电压VC的扰动，降低测量误差。

如图4(a)所示，在对负载电流IL测量时，CD电路的输出电压VC实测值与理论值的差约19.1 mV。由式(6)可知，这是由于运放A1的失调电压VOS造成的。该误差可在上位机通过算法消除。

图4(b)为输入电压VN为0～1 000 mV时，ADC的失调误差VM测量结果。经模/数转换(ADC)后，上位机测量到的电压VP与输入电压VN基本一致。ADC失调误差VM约为0.5 mV。根据式(9)，由于CD电路的系数β设置为500，由ADC失调误差VM造成电流误差为1 μA，该误差较小且能在上位机实现中消除。

图4 测量结果

采用该系统对10 μA的输入电流进行了测量，上位机检测电流波形，电流值稳定在9.6～10.4 μA之间，与输入电流值10 μA接近。

图5为该系统测量误差率随输入电流IL的变化。由测量结果知，在系统无校正措施时，IL在0～300 μA范围时系统测量误差率远大于20 %。当IL为10 μA时，误差率高达600 %以上，这是由于在IL较小时(≤300 μA)无VF结构时A/D电路反馈作用会造成CD电路输出电压VC增大。另一方面，CD电路自身运放的失调也会造成CD电路输出电压VC增大。为系统引入VF结构并在上位机消除系统误差后，由测量结果知，IL在0～300 μA范围时，系统测量误差率低于5 %。通过硬件结构改进、软件算法优化两方面的结合，可提高该电流检测系统的精度、降低测量误差率。在IL较大时(≥1 mA)，即使未引入校正措施，系统误差率仍低于7 %，这是由于IL较大时对应的VC真实结果远大于误差电压ΔVC。