本發(fā)明涉及半導(dǎo)體混合集成電路，具體為抗輻照100V高精度電流檢測(cè)電路。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有技術(shù)中，我國(guó)新一代通訊衛(wèi)星平臺(tái)配電接口單元溫控儀需要具備8路100V、500W加熱器配電，24路100V、200W加熱器配電能力，32路加熱器配電回路需要具備電流檢測(cè)及故障隔離保護(hù)等在軌在自主管理功能。目前國(guó)內(nèi)無抗輻照的100V電流監(jiān)測(cè)器，國(guó)外的同類電流監(jiān)控器無抗輻照特性，同時(shí)成本高，檢測(cè)精度無法滿足星用要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種抗輻照100V高精度電流檢測(cè)電路，能夠滿足了母線電壓100V的抗輻照高壓電流檢測(cè)要求，電流檢測(cè)精度達(dá)高，抗輻照性能好，成本低。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

抗輻照100V高精度電流檢測(cè)電路，包括精密電阻RS、電流檢測(cè)芯片U1和電壓差分放大器U2；

精密電阻RS一端連接母線電壓，另一端接負(fù)載；

電流檢測(cè)芯片U1的電源端分別連接浮地電壓Va和浮地電壓Vb，浮地電壓Va大于浮地電壓Vb；電流檢測(cè)芯片U1的輸入端分別連接精密電阻RS兩端；

電壓差分放大器U2的正相輸入端連接電流檢測(cè)芯片U1的輸出端；負(fù)相輸入端連接浮地電壓Vb，輸出端作為電路的輸出端輸出檢測(cè)信號(hào)。

優(yōu)選的，還包括浮地電壓產(chǎn)生電路；浮地電壓產(chǎn)生電路包括依次串聯(lián)的四個(gè)穩(wěn)壓二極管DZ1、DZ2、DZ3、DZ4；穩(wěn)壓二極管DZ1的正極連接母線電壓，穩(wěn)壓二極管DZ4的負(fù)極接地。

進(jìn)一步，穩(wěn)壓二極管DZ4的負(fù)極經(jīng)厚膜電阻R1接地。

優(yōu)選的，電流檢測(cè)芯片U1包括第一運(yùn)放和第二運(yùn)放；

所述第一運(yùn)放連接母線電壓和正電源供電，第一運(yùn)放包括連接在母線電壓和負(fù)電源之間的分壓電路；第一運(yùn)放的同相輸入端和反相輸入端分別通過電阻R01和電阻R02連接在高邊采樣電阻的兩端，第一運(yùn)放的輸出端連接輸出達(dá)林頓管的基極，第一運(yùn)放的分壓輸出端分別連接對(duì)應(yīng)的分壓達(dá)林頓管的基極，分壓達(dá)林頓管依次級(jí)聯(lián)在第一運(yùn)放的同相輸入端和輸出達(dá)林頓管的集電極之間，輸出達(dá)林頓管的發(fā)射極經(jīng)電阻R03接地；

所述第二運(yùn)放連接第一運(yùn)放的分壓輸出端和正電源供電；第二運(yùn)放的同相輸入端連接輸出達(dá)林頓管的發(fā)射極；第二運(yùn)放的反相輸入端分別經(jīng)電阻R04接地，經(jīng)電阻R05連接第二運(yùn)放的輸出端；第二運(yùn)放的輸出端輸出監(jiān)控信號(hào)。

進(jìn)一步，第二運(yùn)放包括由低溫漂基準(zhǔn)電流產(chǎn)生電路和多級(jí)電流鏡組成的恒流源模塊；恒流源模塊輸出端產(chǎn)生的基準(zhǔn)電流對(duì)應(yīng)連接在第一運(yùn)放的兩個(gè)恒流源輸入端，并為第二運(yùn)放提供偏置電流。

再進(jìn)一步，所述的第一運(yùn)放還包括恒流偏置電路、輸入級(jí)電路和輸出級(jí)電路；

輸入級(jí)電路包括連接在第一運(yùn)放的同相輸入端和反相輸入端的輸入級(jí)差分對(duì)，輸入級(jí)差分對(duì)三極管分別連接母線電壓供電和恒壓偏置電路接入?yún)⒖茧娏鳎?/p>

分壓電路的各分壓輸出端分別設(shè)置有并聯(lián)的三組電壓緩沖單元，所有的第一組電壓緩沖單元依次級(jí)聯(lián)在第一運(yùn)放的同相輸入端和輸出級(jí)電路之間，所有的第二組電壓緩沖單元依次級(jí)聯(lián)在第一運(yùn)放的反相輸入端和輸出級(jí)電路之間，所有的第三組電壓緩沖單元依次級(jí)聯(lián)在恒壓偏置電路的輸入端和第一恒流源輸入端之間；

輸出級(jí)電路的供電端連接正電源和負(fù)電源，參考電流端連接第二恒流電源輸入端，輸出端連接第一運(yùn)放輸出端。

優(yōu)選的，電壓差分放大器U2采用高共模電壓差分放大器INA117。

優(yōu)選的，電壓差分放大器U2的電源端連接12V的供電電壓；兩個(gè)參考端均連接電路中的信號(hào)地。

優(yōu)選的，電壓差分放大器U2的輸出端經(jīng)厚膜電阻R2輸出檢測(cè)信號(hào)。

優(yōu)選的，精密電阻RS串聯(lián)負(fù)載電阻RL后接地。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：

本發(fā)明對(duì)抗輻照電流監(jiān)控采用浮地設(shè)計(jì)，將抗輻照電流監(jiān)控器與高共模差分放大器采用級(jí)聯(lián)設(shè)置，通過設(shè)置的精密電阻RS對(duì)電壓進(jìn)行精確采樣，從輸入端、供電端和處理端均進(jìn)行針對(duì)性處理，相互配合實(shí)現(xiàn)了抗輻照100V母線的高精度電流檢測(cè)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)例中所述的電路結(jié)構(gòu)圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)例中所述的電流檢測(cè)芯片U1的電路結(jié)構(gòu)圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)例中所述的第一運(yùn)放的基本結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明實(shí)例中所述的第二運(yùn)放的基本結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，所述是對(duì)本發(fā)明的解釋而不是限定。

本發(fā)明所述的抗輻照100V高精度電流檢測(cè)電路，如圖1所示。

RS為mΩ級(jí)的精密采樣電阻，DZ1～DZ4選用穩(wěn)壓值為15V～16V的2CW78，LZF648電路為抗輻照的電流檢測(cè)芯片U1，是一款具有電流檢測(cè)功能的放大器，其檢測(cè)電壓范圍：3.5mV～100mV；輸入失調(diào)電壓：≤3mV；增益：100；增益誤差：≤±2.5％；單電源供電范圍是+12V～+18V，輸入共模電壓的范圍是25V～80V。為滿足100V的高壓采樣，對(duì)該芯片的地進(jìn)行浮地設(shè)計(jì)，保證了其共模電壓在安全電壓范圍內(nèi)。INA117為TI公司的高共模電壓差分放大器，其共模電壓可達(dá)到200V，放大倍數(shù)為1倍。

母線電壓為100V，電流檢測(cè)芯片U1的電源端連接到Va，地端接到Vb，Va電壓為85V，Vb電壓為70V，即電流檢測(cè)芯片U1浮地到70V，其輸入端共模電壓為30V，滿足I級(jí)降額要求。LZF648的電壓增益為100，以Vb的電壓70V為參考電壓，電流檢測(cè)芯片U1的輸出電壓為V1＝100×Io×RS。

采用抗輻照的電流檢測(cè)芯片U1與高共模差分放大器采用級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了抗輻照100V母線的高精度電流檢測(cè)。

TI公司的INA117為高共模電壓差分放大器U2，其共模電壓可達(dá)到200V，放大倍數(shù)為1倍。初步設(shè)想采用1NA117與抗輻照運(yùn)放構(gòu)成的100倍放大器級(jí)聯(lián)方案。經(jīng)輻照摸底試驗(yàn)，INA117抗總劑量1E5rad(Si)后，其零位電壓變化10mV左右，采樣電阻如果選取5mΩ，輻照后10mV的變化量等效檢測(cè)電流為2A，因此，該方案電流檢測(cè)精度太差，無法滿足5％的電流檢測(cè)精度。其中，1端和5端為兩個(gè)參考端，均連接電路中的信號(hào)地。

采用抗輻照的電流檢測(cè)芯片LZF648與高共模電壓差分放大器INA117聯(lián)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了抗輻照高壓高精度電流檢測(cè)。LZF648電路的輸出端連接到INA117芯片的同相輸入端，INA117反相輸入端連接到Vb，INA117芯片電源端加±12V，輸出參考端接地。INA117的共模電壓為70V，其共模電壓可達(dá)到200V，滿足I級(jí)降額使用要求。

INA117的增益為1，參考端接地，INA117的輸出電壓為Vout＝100×Io×RS。為減小電路的功耗，電流采樣電阻選用5mΩ的精密電阻，RS為5mΩ精度為1％的金屬箔電阻。采用該級(jí)聯(lián)技術(shù)，檢測(cè)電流范圍為0.1A～6.5A，電流檢測(cè)精度達(dá)到5％。

如圖2所示，電流檢測(cè)芯片U1采用兩級(jí)運(yùn)放分別實(shí)現(xiàn)了高壓采樣-電流電壓轉(zhuǎn)換和放大的功能。

本發(fā)明在電壓高邊通過接成閉環(huán)的第一運(yùn)放amp1將采樣電壓(V_IN+—V_IN-)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)I，根據(jù)運(yùn)算放大器的虛短-虛斷方法，可計(jì)算出

(V_IN+－V_IN-)＝R1×I (1)

該電流信號(hào)I經(jīng)三級(jí)達(dá)林頓管Q1Q2、Q3Q4、Q5Q6傳輸從電壓高邊到電壓低邊，并在電阻R03上轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，隨后通過第二運(yùn)放amp2放大輸出。其中，達(dá)林頓管Q5Q6為輸出達(dá)林頓管，達(dá)林頓管Q1Q2、Q3Q4分別為連接在第一運(yùn)放分壓輸出端的分壓達(dá)林頓管。

第一運(yùn)放由高壓、低壓兩部分構(gòu)成，分別通過IN+端和VCC端供電，應(yīng)用時(shí)IN+端和VS端共同接系統(tǒng)的高壓母線。

電阻R02電阻值等于電阻R01的阻值，用于平衡第一運(yùn)放輸入偏置電流在電阻R01上產(chǎn)生的電壓降，防止其影響電壓-電流轉(zhuǎn)換的精度。

達(dá)林頓管Q1Q2、Q3Q4、Q5Q6組成了電流傳輸通路，將電流信號(hào)由電壓高邊傳輸?shù)诫妷旱瓦叄浠鶚O電位由第一運(yùn)放內(nèi)部的分壓電路提供，通過這種串聯(lián)分壓的級(jí)聯(lián)形式可以保證每個(gè)器件的CE電壓被限制在其CE擊穿電壓內(nèi)。

第二運(yùn)放通過閉環(huán)電阻R04、R05設(shè)置為同相放大器，將R03×I的電壓信號(hào)再次放大輸出。第二運(yùn)放內(nèi)部還包含了該電路的偏置模塊。

如圖3所示，第一運(yùn)放主要由分壓電路、恒流偏置電路、輸入級(jí)電路、輸出級(jí)電路四部分構(gòu)成，其中輸入級(jí)電路和恒流偏置電路因涉及高壓邊，均通過串接電壓緩沖單元來實(shí)現(xiàn)高耐壓能力，本優(yōu)選實(shí)例中采用達(dá)林頓降壓緩沖結(jié)構(gòu)。

Q7Q8為輸入級(jí)差分對(duì)，Q9Q10Q11Q12是給差分對(duì)提供恒流偏置的，差分對(duì)的電流信號(hào)通過達(dá)林頓降壓緩沖結(jié)構(gòu)(Q16Q17、Q18Q19和Q22Q23、Q24Q25)傳輸給有源負(fù)載Q29Q30，并經(jīng)過雙轉(zhuǎn)單結(jié)構(gòu)Q28、Q31和共射放大級(jí)Q32輸出。

第一運(yùn)放的第一、二恒流源輸入端LB1和LB2端口由第二運(yùn)放的恒流源模塊提供的基準(zhǔn)電流，Q33Q34組成與Q9Q10Q11Q12比例相同的電流鏡結(jié)構(gòu)，保證LB1、LB2端口的電流信號(hào)不經(jīng)損失的傳輸給各自的放大級(jí)器件。

分壓電路的分壓值vb1和vb2提供給達(dá)林頓電壓緩沖單元(Q16Q17、Q18Q19、Q20Q21和Q22Q23、Q24Q25、Q26Q27)，電壓緩沖單元也可使用其他達(dá)林頓結(jié)構(gòu)或MOS復(fù)合管構(gòu)成。

如圖4所示，第二運(yùn)放內(nèi)部主要分為恒流源、輸入級(jí)、中間放大級(jí)和輸出級(jí)四個(gè)功能模塊，Q37、Q38為輸入差分對(duì)管，Q39、Q40、Q41、Q42給輸入差分對(duì)管提供偏置電流，Q43、Q44是電流鏡結(jié)構(gòu)的有源負(fù)載，共同構(gòu)成了輸入級(jí)模塊；中間放大級(jí)由接成共射極結(jié)構(gòu)的Q51和電流源三極管Q52組成，作為第二運(yùn)放的主要增益級(jí)，單電源輸出級(jí)保證輸出電壓信號(hào)可低至VEE負(fù)電源軌，恒流源模塊由低溫漂基準(zhǔn)電流產(chǎn)生電路和多級(jí)電流鏡構(gòu)成，為第二運(yùn)放各級(jí)提供偏置電流，并產(chǎn)生基準(zhǔn)電流由LB1和LB2端提供給第一運(yùn)放對(duì)應(yīng)的恒流源輸入端。

具體的，電路包含1個(gè)U1:抗輻照電流檢測(cè)芯片LZF648、U2高共模電壓差分放大器INA117，四個(gè)穩(wěn)壓二極管DZ1、DZ2、DZ3、DZ4，一個(gè)采樣電阻RS，2個(gè)厚膜電阻R1、R2。100V電源接采樣電阻RS的一端、DZ1的正端、LZF648的1端，RS的另一端外接負(fù)載到地；DZ1的負(fù)端接DZ2的正端、LZF648的6端；DZ2的負(fù)端接DZ3的正端、LZF648的2端、INA117的2端，DZ3的負(fù)端接DZ4的正端，DZ4的負(fù)端接R1的一端，R1的另一端接地，接DZ2的負(fù)端，LZF648的5端接INA117的3端，INA117的1端、5端接電路中的等電位，INA117的6端接R2到輸出端，INA117的7端接電源VI+端，INA117的4端接電源VI-端。

新一代通訊衛(wèi)星平臺(tái)配套電路星用固態(tài)電子開關(guān)電路LHB725、星用固態(tài)限流開關(guān)電路LHB728采用該技術(shù)，滿足了母線電壓100V的抗輻照高壓電流檢測(cè)要求，電流檢測(cè)精度達(dá)到5％，抗輻照指標(biāo)：電路抗輻照指標(biāo)：抗總劑量：1E5rad(Si)，抗單粒子效應(yīng)LET值：75MeV·cm²/mg?？蓮V泛應(yīng)用于航天飛行器的控溫系統(tǒng)，應(yīng)用前景和市場(chǎng)潛力非常廣闊。

使用時(shí)，星用固態(tài)限流開關(guān)電路LHB728采用該技術(shù)，滿足了母線電壓100V的抗輻照高壓電流檢測(cè)要求，電流檢測(cè)精度達(dá)到5％，抗輻照指標(biāo)：電路抗輻照指標(biāo)：抗總劑量：1E5rad(Si)，抗單粒子效應(yīng)LET值：75MeV·cm²/mg。可廣泛應(yīng)用于航天飛行器的控溫系統(tǒng)，應(yīng)用前景和市場(chǎng)潛力非常廣闊。該開關(guān)電路LHB728包含2路工作電壓100V輸出電流5A的安全開關(guān)開關(guān)，每組安全開關(guān)具有開關(guān)、過流/短路保護(hù)和鎖定和高精度電流檢測(cè)功能。該電路具有關(guān)鍵器件自主可控，抗輻照、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，導(dǎo)通電阻小、電流檢測(cè)/過流保護(hù)精度高等特點(diǎn)。

LHB728電路檢測(cè)的具體數(shù)據(jù)如下。