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

背景技術(shù)：

現(xiàn)有技術(shù)中，我國新一代通訊衛(wèi)星平臺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及故障隔離保護等在軌在自主管理功能。目前國內(nèi)無抗輻照的100V電流監(jiān)測器，國外的同類電流監(jiān)控器無抗輻照特性，同時成本高，檢測精度無法滿足星用要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

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

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

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

精密電阻RS一端連接母線電壓，另一端接負載；

電流檢測芯片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芯片U1的輸出端；負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信號。

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的負極接地。

進一步，穩(wěn)壓二極管DZ4的負極經(jīng)厚膜電阻R1接地。

優(yōu)選的，電流檢測芯片U1包括第一運放和第二運放；

所述第一運放連接母線電壓和正電源供電，第一運放包括連接在母線電壓和負電源之間的分壓電路；第一運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，第一運放的輸出端連接輸出達林頓管的基極，第一運放的分壓輸出端分別連接對應(yīng)的分壓達林頓管的基極，分壓達林頓管依次級聯(lián)在第一運放的同相輸入端和輸出達林頓管的集電極之間，輸出達林頓管的發(fā)射極經(jīng)電阻R03接地；

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

進一步，第二運放包括由低溫漂基準電流產(chǎn)生電路和多級電流鏡組成的恒流源模塊；恒流源模塊輸出端產(chǎn)生的基準電流對應(yīng)連接在第一運放的兩個恒流源輸入端，并為第二運放提供偏置電流。

再進一步，所述的第一運放還包括恒流偏置電路、輸入級電路和輸出級電路；

輸入級電路包括連接在第一運放的同相輸入端和反相輸入端的輸入級差分對，輸入級差分對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聯(lián)在第一運放的同相輸入端和輸出級電路之間，所有的第二組電壓緩沖單元依次級聯(lián)在第一運放的反相輸入端和輸出級電路之間，所有的第三組電壓緩沖單元依次級聯(lián)在恒壓偏置電路的輸入端和第一恒流源輸入端之間；

輸出級電路的供電端連接正電源和負電源，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；兩個參考端均連接電路中的信號地。

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

優(yōu)選的，精密電阻RS串聯(lián)負載電阻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)明對抗輻照電流監(jiān)控采用浮地設(shè)計，將抗輻照電流監(jiān)控器與高共模差分放大器采用級聯(lián)設(shè)置，通過設(shè)置的精密電阻RS對電壓進行精確采樣，從輸入端、供電端和處理端均進行針對性處理，相互配合實現(xiàn)了抗輻照100V母線的高精度電流檢測。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實例中所述的電路結(jié)構(gòu)圖。

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

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

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

具體實施方式

下面結(jié)合具體的實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明，所述是對本發(fā)明的解釋而不是限定。

本發(fā)明所述的抗輻照100V高精度電流檢測電路，如圖1所示。

RS為mΩ級的精密采樣電阻，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芯片U1，是一款具有電流檢測功能的放大器，其檢測電壓范圍：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，對該芯片的地進行浮地設(shè)計，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，其共模電壓可達到200V，放大倍數(shù)為1倍。

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

采用抗輻照的電流檢測芯片U1與高共模差分放大器采用級聯(lián)設(shè)計，實現(xiàn)了抗輻照100V母線的高精度電流檢測。

TI公司的INA117為高共模電壓差分放大器U2，其共模電壓可達到200V，放大倍數(shù)為1倍。初步設(shè)想采用1NA117與抗輻照運放構(gòu)成的100倍放大器級聯(lián)方案。經(jīng)輻照摸底試驗，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的變化量等效檢測電流為2A，因此，該方案電流檢測精度太差，無法滿足5％的電流檢測精度。其中，1端和5端為兩個參考端，均連接電路中的信號地。

采用抗輻照的電流檢測芯片LZF648與高共模電壓差分放大器INA117聯(lián)技術(shù)實現(xiàn)了抗輻照高壓高精度電流檢測。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，其共模電壓可達到200V，滿足I級降額使用要求。

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。采用該級聯(lián)技術(shù)，檢測電流范圍為0.1A～6.5A，電流檢測精度達到5％。

如圖2所示，電流檢測芯片U1采用兩級運放分別實現(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)的第一運放amp1將采樣電壓(V_IN+—V_IN-)轉(zhuǎn)換為電流信號I，根據(jù)運算放大器的虛短-虛斷方法，可計算出

(V_IN+－V_IN-)＝R1×I (1)

該電流信號I經(jīng)三級達林頓管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，隨后通過第二運放amp2放大輸出。其中，達林頓管Q5Q6為輸出達林頓管，達林頓管Q1Q2、Q3Q4分別為連接在第一運放分壓輸出端的分壓達林頓管。

第一運放由高壓、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。

達林頓管Q1Q2、Q3Q4、Q5Q6組成了電流傳輸通路，將電流信號由電壓高邊傳輸?shù)诫妷旱瓦?，其基極電位由第一運放內(nèi)部的分壓電路提供，通過這種串聯(lián)分壓的級聯(lián)形式可以保證每個器件的CE電壓被限制在其CE擊穿電壓內(nèi)。

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

如圖3所示，第一運放主要由分壓電路、恒流偏置電路、輸入級電路、輸出級電路四部分構(gòu)成，其中輸入級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現(xiàn)高耐壓能力，本優(yōu)選實例中采用達林頓降壓緩沖結(jié)構(gòu)。

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

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

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

如圖4所示，第二運放內(nèi)部主要分為恒流源、輸入級、中間放大級和輸出級四個功能模塊，Q37、Q38為輸入差分對管，Q39、Q40、Q41、Q42給輸入差分對管提供偏置電流，Q43、Q44是電流鏡結(jié)構(gòu)的有源負載，共同構(gòu)成了輸入級模塊；中間放大級由接成共射極結(jié)構(gòu)的Q51和電流源三極管Q52組成，作為第二運放的主要增益級，單電源輸出級保證輸出電壓信號可低至VEE負電源軌，恒流源模塊由低溫漂基準電流產(chǎn)生電路和多級電流鏡構(gòu)成，為第二運放各級提供偏置電流，并產(chǎn)生基準電流由LB1和LB2端提供給第一運放對應(yīng)的恒流源輸入端。

具體的，電路包含1個U1:抗輻照電流檢測芯片LZF648、U2高共模電壓差分放大器INA117，四個穩(wěn)壓二極管DZ1、DZ2、DZ3、DZ4，一個采樣電阻RS，2個厚膜電阻R1、R2。100V電源接采樣電阻RS的一端、DZ1的正端、LZF648的1端，RS的另一端外接負載到地；DZ1的負端接DZ2的正端、LZF648的6端；DZ2的負端接DZ3的正端、LZF648的2端、INA117的2端，DZ3的負端接DZ4的正端，DZ4的負端接R1的一端，R1的另一端接地，接DZ2的負端，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要求，電流檢測精度達到5％，抗輻照指標：電路抗輻照指標：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)用前景和市場潛力非常廣闊。

使用時，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要求，電流檢測精度達到5％，抗輻照指標：電路抗輻照指標：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/短路保護和鎖定和高精度電流檢測功能。該電路具有關(guān)鍵器件自主可控，抗輻照、驅(qū)動能力強，導(dǎo)通電阻小、電流檢測/過流保護精度高等特點。

LHB728電路檢測的具體數(shù)據(jù)如下。