H桥电路的电流检测装置、检测方法及开关电路与流程

h桥电路的电流检测装置、检测方法及开关电路
技术领域
1.本发明涉及电力电子领域，特别涉及一种h桥电路及h桥电路的输入电流（有功电流）检测。


背景技术：

2.在无线充电等h桥电路的应用场景中，需要实时监控h桥输入电源的平均电流（有功电流）以实现系统的正常运行以及快速故障保护功能。目前主流方案是在h桥输入侧放置高精度采样电阻rcs，实现对输入电流的高精度采样，完成各种控制和保护功能，h桥电路原理图如图1、图2所示。
3.现有的外置采样电阻的方案增加了物料成本，并使得pcb布板难度大增，降低了产品的效率，同时系统设计复杂度增加，降低了整体产品的良率，增加了整个产品的运营成本。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种高效、简单、成本低的h桥电路的电流检测装置、检测方法及开关电路，用于解决现有技术的pcb布板难度大、物料成本高、效率低、设计难度大等技术问题。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种h桥电路的电流检测装置，所述h桥电路包括连接成第一桥臂的第一开关管和第二开关管，连接成第二桥臂的第三开关管和第四开关管，所述第一开关管和所述第三开关管开关状态相同，所述第二开关管和所述第四开关管开关状态相同，包括：第一电路，在所述第一开关管导通期间，用于对流过所述第一开关管的电流进行积分得到第一积分信号；第二电路，在所述第二开关管导通期间，用于对流过所述第二开关管的电流进行积分得到第二积分信号；运算装置，用于计算所述第一积分信号和所述第二积分信号之和与开关周期的比值得到表征h桥电路平均输入电流的电流检测信号。
6.可选的，还包括时序控制电路，分别连接所述第一电路和所述第二电路，用于根据所述第一开关管的控制信号和所述第二开关管的控制信号控制所述第一电路和所述第二电路的工作状态。
7.可选的，所述第一电路包括，第一电流检测电路，在所述第一开关管导通期间，用于检测流经第一开关管的电流得到第一电流检测信号；第一积分电路，在所述第一开关管导通期间，用于对所述第一电流检测信号进行积分得到所述第一积分信号；采样保持器，用于在所述第一开关管关断之前检测并保持所述第一积分信号。
8.可选的，所述第二电路包括，第二电流检测电路，在所述第二开关管导通期间，用于检测流经第二开关管的电流得到第二电流检测信号； 第二积分电路，在所述第二开关管导通期间，用于对所述第二电流检测信号进行积分得到所述第二积分信号。
9.可选的，所述计算装置还接收偏置电压，计算所述第一积分信号和所述第二积分信号之和与开关周期的比值后再叠加所述偏置电压得到所述电流检测信号。
10.可选的，所述第一积分电路和所述第二积分电路分别包括第一电容和第二电容，根据所述第一电流检测信号产生第一电流，所述第一电流用于给所述第一电容充电得到所述第一积分信号；根据所述第二电流检测信号产生第二电流，所述第二电流用于给所述第二电容充电得到所述第二积分信号；所述采样保持器包括采样保持开关和第三电容，所述采样保持开关连接在所述第一电容和所述第三电容之间；当所述第一开关管导通时，所述采样保持开关导通，当所述第一开关管关断后，所述采样保持开关先关断，随后所述第一电容电压复位，所述第三电容上电压为所述第一积分信号采样保持后的电压。
11.可选的，连接成第一桥臂的第一开关管和第二开关管，及连接成第二桥臂的第三开关管和第四开关管与所述电流检测装置的至少部分器件集成在一个芯片中。
12.本发明还提供一种h桥电路的电流检测方法，所述h桥电路包括连接成第一桥臂的第一开关管和第二开关管，连接成第二桥臂的第三开关管和第四开关管，所述第一开关管和所述第三开关管同时导通，所述第二开关管和所述第四开关管同时导通，其特征在于：在所述第一开关管导通期间，对流过所述第一开关管的电流进行积分得到第一积分信号；在所述第二开关管导通期间，对流过所述第二开关管的电流进行积分得到第二积分信号；根据所述第一积分信号和所述第二积分信号之和与开关周期的比值得到表征h桥电路的输入电流的电流检测信号。
13.本发明还提供一种包括h桥电路、控制器及以上任意一种所述的电流检测装置，所述电流检测装置用于检测所述h桥电路的平均输入电流得到电流检测信号，所述控制器根据所述电流检测信号控制所述开关电路的工作状态，及根据所述电流检测信号得到所述开关电路的有功功率。
14.可选的，所述第一桥臂和所述第二桥臂的第一端接收直流输入电源，所述第一桥臂的中间节点和所述第二桥臂的中间节点之间连接由谐振电感和谐振电容串联组成的谐振电路。
15.与现有技术相比：本发明通过对流过h桥的电流进行分阶段积分的方式获取表征平均输入电流的电流采样信号，不需要在h桥电路的输入侧放置高精度采样电阻，避免了采样电阻带来的电阻虚焊、短路、开路、精度差和烧毁带来的低可靠性问题，结构简单易实现，节省了成本，降低系统设计复杂度，可靠性高；同时，本发明可以将采样输入平均电流的功能与h桥电路集成到芯片内部，利用芯片内部电路实现电流的采样上报以及故障保护，提高整体产品的良率，使整个产品的更具有竞争力。
附图说明
16.图1为一种现有技术h桥电路的输入电流检测框图；图2为另一种现有技术h桥电路的输入电流检测框图；图3本发明h桥电路的电流检测装置框图；图4为本发明电流检测装置原理图；图5为第一电路原理图；图6为h桥电路的工作波形图。
具体实施方式
17.以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精神和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。
18.为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。
19.在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。需说明的是，附图均采用较为简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
20.如图2所示，示意了本发明h桥电路的电流检测装置框图，本发明h桥电路包括由第一开关管q1和第二开关管q2连接成的第一桥臂，第一开关管q1和第二开关管q2连接端为第一桥臂的中间节点；还包括由第三开关管q3和第四开关管q4连接成的第二桥臂，第三开关管q3和第四开关管q4的连接端为第二桥臂的中间节点；第一控制信号pwm1控制第一开关管q1和第三开关管q3开关状态相同，第二控制信号pwm2控制第二开关管q2和第四开关管q4开关状态相同，第一开关管q1及第三开关管q3与第二开关管q2及第四开关管q4互补工作；在本实施例中，第一桥臂和第二桥臂的第一端接收输入电压vin，第一桥臂和第二桥臂的第二端连接参考地；进一步的，开关电路包括上述h桥电路、谐振电路和整流电路，h桥电路的第一桥臂的中间节点和第二桥臂的中间节点之间间连接该谐振电路，该谐振电路包括谐振电容cr和谐振电感lr，该谐振电感lr可以为变压器原边绕组，电感电流il如图6所示；进一步的，h桥电路的第一桥臂的中间节点和第二桥臂的中间节点之间也可以直接连接负载，例如电机之类，其电感电流il波形也会随之变化，为三角波而非图6中的震荡波；开关电路的输出端连接整流电路，得到整流后的输出电压，本发明不限定h桥电路输入、输出的具体形式。
21.本发明的电流检测装置采样流过第一开关管q1的电流、第二开关管q2的电流，由于第一开关管q1和第三开关管q3在同一导通路径上，第二开关管q2和第四开关管q4在同一导通路径上，因此流过第一开关管q1的电流即流过第三开关管q3的电流，流过第二开关管q2的电流即流过第四开关管q4的电流；本发明电流检测装置将采样到的流过第一开关管q1（第三开关管q3）的电流进行积分并采样保持得到第一积分信号，将采样到的流过第二开关管q2（第四开关管q4）的电流进行积分得到第二积分信号，将采样保持后第一积分信号和第二积分信号进行叠加并除以周期得到表征h桥电路输入平均电流的电流检测信号vs_iin，检测到的电流检测信号vs_iin可用于检测有h桥电路的有功功率以监测电路工作状态，h桥电路的平均输入电流也可以称为有功电流；第一积分信号和第二积分信号累加除以开关周期ts可得到平均电流，若开关周期固定，第一积分信号和第二积分信号之和就可作为电流
检测信号vs_iin用来表征输入平均电流的大小；进一步的，可在第一积分信号和第二积分信号累加除以开关周期ts的基础上进一步叠加偏置电压，以避免得到的电流检测信号为负的电信号。本发明的电流检测装置不需要在母线上设置高精度的采样电阻，避免采样电阻带来的损耗及其他低可靠性问题。此外，在一些开关电路中，包括该h桥电路及相应的电流检测装置、控制器等，控制器用于h桥电路开关管的开关状态，其中，第一开关管q1、第二开关管q2、第三开关管q3和第四开关管q4，及电流检测装置和控制器至少部分或者全部可集成在芯片内，利用芯片内部电路实现电流的采样上报以及故障保护，提高整体产品的良率，使整个产品的更具有竞争力。
22.如图3所示，示意了本发明电流检测装置原理图，包括第一电路、第二电路、时序控制电路u06和运算装置u07，时序控制电路u06连接第一电路和第二电路，并接收控制第一开关管q1及第三开关管q3的第一控制信号pwm1和控制第二开关管q2及第四开关管q4的第二控制信号pwm2，用于控制第一电路、第二电路工作时序或者工作状态，进一步，时序控制电路u106根据第一控制信号pwm1控制第一电路内相应开关的通断，使得第一电路在第一开关管q1/第三开关管q3导通阶段内对流过第一开关管q1/第三开关管q3的电流进行采样和积分得到第一积分信号vc1并对第一积分信号vc1进行采样，在第一开关管q1/第三开关管q3关断时，对采样得到的第一积分信号vc1进行保持；根据第二控制信号pwm2控制第二电路内相应开关的通断，使得第二电路在第二开关管q2/第四开关管q4导通阶段内对流过第二开关管q2/第四开关管q4的电流进行采样和积分得到第二积分信号vc2。其中，第一电路包括第一电流检测电路u01、第一积分电路u02和采样保持器u03，第一电流检测电路u01用于检测流过第一开关管q1/第三开关管q3的电流得到第一电流检测信号vcs1，第一积分电路u02用于在第一开关管q1导通时，对第一电流检测信号vcs1进行积分得到第一积分信号vc1，采样保持器u03用于对第一积分信号进行采样保持得到保持后的信号vc1；第二电路包括第二电流检测电路u04和第二积分电路u05，第二电流检测电路u04用于检测流过第二开关管q2/第四开关管q4的电流得到第二电流检测信号vcs2，第二积分电路u05用于在第二开关管q2导通时，对第二电流检测信号进行积分得到第二积分信号vc2；运算装置u07用于在第二开关管q2导通结束时，根据采样保持的第一积分信号vc1和第二积分信号vc2之和与开关周期的比值得到表征输入平均电流的电流检测信号vs_iin=(vc1+vc2)/t；在一些实施例中，还将第一积分信号vc1和第二积分信号vc2之和与开关周期相除后再叠加偏置电压voffset得到电流检测信号vs_iin=(vc1+vc2)/t+voffset，voffset》0，偏置电压offset表征平均输入电流为零时电流检测信号的大小，如图6所示，由于开关电路会出现负电流，通过叠加偏置电压voffset可以避免得到的电流检测信号为负压/电流或者零电压/电流，从而以满足一些产品的采样标准，即平均输入电流为零时，得到的电流检测信号不为零而是等于偏置电压voffset的大小，即等于偏置电压voffset的电流检测信号表征大小为零的平均输入电流；另外，偏置电压offset大小可根据采样精度和电路器件参数进行调整，以便得到的电流检测信号更能精准的表征输入平均电流。该电流检测装置结构简单、以实现，节省了成本，降低系统设计复杂度，可靠性高。
23.如图4所示，示意了本发明第一电路原理图，包括第一电流检测电路u01、第一积分电路u02和采样保持器u03，其中，第一电流检测电路u01包括采样电阻rcs、电阻r01、电阻r02、运放u101、运放u102、开关管m101、m102及电流镜u103，采样电阻rcs与第一开关管q1
（或者第三开关管q3）串联，运放u101和运放u102的第一输入端分别通过电阻r101连接采样电阻rcs第一端，运放u101和运放u102的第二入端分别通过电阻r102连接采样电阻rcs第二端，运放u101输出端连接调整管m101控制端，调整管m101第一端连接运放u101第一输入端，其第二端连接第一积分电路u102输入端，运放u102 输出端连接调整管m102控制端，调整管m102第二端连接运放u102第二输入端，调整管m102第一端连接电流镜u103输入端。电流镜u103输出端连接第一积分电路u102输入端。在h桥电路重载时，电感谷底电流大于零，电感电流为正，只有调整管m101导通，流过调整管m101第一电流i1表征流过第一开关管q1电流，第一积分电路u02对第一电流i1进行积分；在h桥电路轻载时，如图6所示，电感电流会出现正电流和负电流，在正电流时，运放u101输出表征第一开关管q1电流的第一电流检测信号以驱动m101导通，流过调整管m101的第一电流i1流入第一积分电路u02 ，第一积分电路u02对流入的第一i1电流进行积分，同时，由于调整管m102为pmos管，调整管m102不导通；在电感电流为负电流时，同理，调整管m101不导通，调整管m102导通，电流镜u103的输出第一电流i1，第一电流的方向为电流流入电流镜方向（图中虚线箭头所指方向），也是第一积分电路u02的放电电流，这种情况下的第一电流i1为负电流，表征流过第一开关管q1的负电流。
24.其中，第一积分电路包括第一电容c01和第一开关k1，h桥电路的电感电流为正时，第一电容c01对流入的第一电流i1进行积分，h桥电路的电感电流为负时，第一电容c01放电，放电电流即为第一电流i1（相当于对为负电流的第一电流i1进行积分）；进一步的，在通常的一些实施例中，第一电容c01还连接电压源voffset，用于在第一电容电压上叠加偏置电压voffset1，该偏置电压voffset1用于对第一电容正极电压进行进一步设置，即对第一积分信号vc1进行进一步设置，使得第一积分信号vc1不会出现负压，第二积分电路的电路结构参照第一积分电路进行设置，得到相应的第二积分信号vc2，在第二积分电路中设置相应的偏置电压voffset2，可以使得第二积分信号也不会出现负压的情况；此外，第一开关k1与第一电容c01并联，用于在第一开关管q1导通结束后给第一积分电路u02输出复位，具体的，当第一开关管q1导通时，pwm1信号控制第一开关k1关断。其中，采样保持器u03包括采样保持开关k2和第三电容c02，在第一开关管q1导通时，该采样保持开关k2导通，在第一开关管q1导通结束时，该采样保持开关k2关断，随后开关k1导通，第一电容c01正极的电压复位，第二电容c04上的电压为采样保持后的第一积分信号vc1。第二电路获取到第二积分信号后，该采样保持器u03输出第一积分信号vc1给运算装置，运算装置计算保持的第一积分信号与第二积分信号之和与开关周期的比值得到电流检测信号vs_iin，运算电路可以为模拟运算电路或者数字计算器。本发明的第一电流检测电路也可以采用其他采样结构实现对流过第一开关管q1/第三开关管q3的电流的采样，第一积分电路和采样保持器也可以采用其他电路结构实现，不限于本发明给出的实施例。
25.本发明没有进一步给出第二电路原理图，但第二电路和第一电路的原理一致，参考本发明给出的第一电路原理图，可得到第二电路原理图，也就得到第二电流检测电路原理图，第二积分电路原理图，本发明在这里不做赘述。本发明通过对电流信号的采样和积分运算得到输入电流平均信号，避免了母线设置高精度采样电阻带来的电阻虚焊、短路、开路、精度差和烧毁带来的低可靠性问题。
26.如图6所示，示意了轻载时h桥电路的波形图，第一桥臂中间节点sw1的电压为v
sw1
，第二桥臂中间节点sw2的电压为v
sw2
，sw1节点和sw2节点之间的电压差v
sw1-v
sw2
波形图如图
中方形波所示，第一开关管q1和第三开关管q3导通时v
sw1-v
sw2
为正压，第二开关管q2和第四开关管q4导通时v
sw1-v
sw2
为负压，h桥电路的电感电流il为如图所示，谷值为负，峰值为正；在一些实施例中，在检测平均输入电流时，可叠加大于零的偏置电压voffset，使得获取的电流检测信号不会出现负电压，具体的，可在对流过第一开关管q1/第三开关管q3上的电流进行积分得到的第一积分信号vc1上叠加一个偏置电压voffset1，在对流过第二开关管q2/第四开关管q4上的电流进行积分得到的第二积分信号vc2上也叠加一个偏置电压voffset2，voffset=voffset1+voffset2，以避免得到的积分信号、电流检测信号为零电压/电流，偏置电压的大小一般根据采样要求来设置。
27.虽然以上将实施例分开说明和阐述，但涉及部分共通之技术，在本领域普通技术人员看来，可以在实施例之间进行替换和整合，涉及其中一个实施例未明确记载的内容，则可参考有记载的另一个实施例。
28.以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。

技术特征：
1.一种h桥电路的电流检测装置，所述h桥电路包括连接成第一桥臂的第一开关管和第二开关管，连接成第二桥臂的第三开关管和第四开关管，所述第一开关管和所述第三开关管开关状态相同，所述第二开关管和所述第四开关管开关状态相同，其特征在于，包括：第一电路，在所述第一开关管导通期间，用于对流过所述第一开关管的电流进行积分得到第一积分信号；第二电路，在所述第二开关管导通期间，用于对流过所述第二开关管的电流进行积分得到第二积分信号；运算装置，用于计算所述第一积分信号和所述第二积分信号之和与开关周期的比值得到表征h桥电路平均输入电流的电流检测信号。2.根据权利要求1所述的电流检测装置，其特征在于：还包括时序控制电路，分别连接所述第一电路和所述第二电路，用于根据所述第一开关管的控制信号和所述第二开关管的控制信号控制所述第一电路和所述第二电路的工作状态。3.根据权利要求2所述的电流检测装置，其特征在于：所述第一电路包括，第一电流检测电路，在所述第一开关管导通期间，用于检测流经第一开关管的电流得到第一电流检测信号；第一积分电路，在所述第一开关管导通期间，用于对所述第一电流检测信号进行积分得到所述第一积分信号；采样保持器，用于在所述第一开关管关断之前检测并保持所述第一积分信号。4.根据权利要求3所述的电流检测装置，其特征在于：所述第二电路包括，第二电流检测电路，在所述第二开关管导通期间，用于检测流经第二开关管的电流得到第二电流检测信号； 第二积分电路，在所述第二开关管导通期间，用于对所述第二电流检测信号进行积分得到所述第二积分信号。5.根据权利要求1所述的电流检测装置，其特征在于：所述计算装置还接收偏置电压，计算所述第一积分信号和所述第二积分信号之和与开关周期的比值后再叠加所述偏置电压得到所述电流检测信号。6.根据权利要求4所述的电流检测装置，其特征在于：所述第一积分电路和所述第二积分电路分别包括第一电容和第二电容，根据所述第一电流检测信号产生第一电流，所述第一电流用于给所述第一电容充电得到所述第一积分信号；根据所述第二电流检测信号产生第二电流，所述第二电流用于给所述第二电容充电得到所述第二积分信号；所述采样保持器包括采样保持开关和第三电容，所述采样保持开关连接在所述第一电容和所述第三电容之间；当所述第一开关管导通时，所述采样保持开关导通，当所述第一开关管关断后，所述采样保持开关先关断，随后所述第一电容电压复位，所述第三电容上电压为所述第一积分信号采样保持后的电压。7.根据权利要求1所述的电流检测装置，其特征在于：连接成第一桥臂的第一开关管和第二开关管，及连接成第二桥臂的第三开关管和第四开关管与所述电流检测装置的至少部分器件集成在一个芯片中。
8.一种h桥电路的电流检测方法，所述h桥电路包括连接成第一桥臂的第一开关管和第二开关管，连接成第二桥臂的第三开关管和第四开关管，所述第一开关管和所述第三开关管同时导通，所述第二开关管和所述第四开关管同时导通，其特征在于：在所述第一开关管导通期间，对流过所述第一开关管的电流进行积分得到第一积分信号；在所述第二开关管导通期间，对流过所述第二开关管的电流进行积分得到第二积分信号；根据所述第一积分信号和所述第二积分信号之和与开关周期的比值得到表征h桥电路的输入电流的电流检测信号。9.一种开关电路，其特征在于：包括h桥电路、控制器及权利要求1-7任意一种所述的电流检测装置，所述电流检测装置用于检测所述h桥电路的平均输入电流得到电流检测信号，所述控制器根据所述电流检测信号控制所述开关电路的工作状态，及根据所述电流检测信号得到所述开关电路的有功功率。10.根据权利要求9所述的开关电路，其特征在于：所述第一桥臂和所述第二桥臂的第一端接收直流输入电源，所述第一桥臂的中间节点和所述第二桥臂的中间节点之间连接由谐振电感和谐振电容串联组成的谐振电路。

技术总结
本发明公开了一种H桥电路的电流检测装置、检测方法及开关电路，所述H桥电路包括连接成第一桥臂的第一开关管和第二开关管，连接成第二桥臂的第三开关管和第四开关管；所述电流检测装置在所述第一开关管导通期间，对流过所述第一开关管的电流进行积分得到第一积分信号；在所述第二开关管导通期间，对流过所述第二开关管的电流进行积分得到第二积分信号；根据所述第一积分信号和所述第二积分信号之和与开关周期的比值得到H桥电路的输入电流检测信号。本发明不需要外置高精度的采样电阻来采样输入电流，可靠性好，效率高，成本低廉。成本低廉。成本低廉。


技术研发人员：温海涛 刘自森 俞杨威
受保护的技术使用者：杰华特微电子股份有限公司
技术研发日：2023.07.04
技术公布日：2023/8/6