无线电力系统电流传感器偏移补偿

用于无线电力系统的内部电路偏移自动补偿电流传感器

摘要

本文实现了一种补偿仪表放大器结构内部偏移的方法。所提出的电流传感器应用于输入电压变化的无线功率发射器中。为了降低输入电压，在放大器的输入端进行了电阻分压。当使用该输入电压的电路中发生电压偏移时，闭环电路将切换为开环，校准电路确认开环输出，以补偿电路中产生的电压偏移。我们实现了在放大器和电阻输出误差率5%以内的电流传感器。该电流传感器采用180纳米BCD工艺设计，通过检测0~3A电流，转换为0~1.8 V的电压输出。

关键词

仪表放大器；电压偏移；增益误差；自动校准；开环

一、引言

在线性有源电路中，主要的有源元件是运算放大器（op-amp），电路的主要功能是在其输入端产生零或恒定电压，且不产生电流下降[1]。然而，实际的运算放大器输入电压通常高达1至10 mV，因为它通常受到多种因素的影响。由于热噪声和相位噪声的影响，输出电压会发生变化。通常采用直流偏置补偿技术来补偿运算放大器的偏移，例如自动归零（Auto-Zeroing）和斩波器（Chopper）方法，但难以补偿来自运算放大器以外节点产生的偏移。为了解决这一难题，本文提出了一种在校准期间将反馈结构中的仪表放大器（INA）切换为开环形式，从而补偿直流偏移电压的方法。

二、提出的架构

A. 总体架构

图1显示了所提出的电流传感器的结构。通过使用一个20 mΩ电阻来检测VAD和VPA_BRG之间的电流，电阻两端的电压被馈送到电流传感器的输入端。由于VAD电压为5至21 V，我们通过电阻分压将电压降低后送至运放输入端。

The output voltage of a typical INA is Eq.(1).

然而，在上述电路中，偏移电压是由于电阻失配造成的，且当电流ISEN为0安培时，根据公式(1)，输出电压会发生变化。提出的方法通过在0安培流经ISEN时，将环路#3的闭环切换至具有高电压增益的开环，从而补偿该偏移。

B. 提出的自动校准方法

如图2所示，当用于校准的PEN_CAL信号开启时，电路作为开环运行，输出为高/低（H/L）数字信号。在校准电路中检测VOUT或Cal_OUT，并将VINP改变为RVOFF，以找到使开环输出从“H”变为“L”或从“L”变为“H”的代码。当0安培电流流经ISEN时，通过调节VINP - VINN = 0来补偿偏移。

III. 实验结果

图3显示了所设计的电流传感器的顶层版图。版图尺寸为500微米 x 300微米。版图被尽可能设计成对称结构，以减小电阻失配。

图4是显示输入电流与误差率关系的图表。当输入电流较小时，VINN和 VINP之间的差值较小，误差率变大。

图5是一个图表，显示了当直流偏移电压施加到 INP 和 INN 节点（0 到 30 毫伏）时，通过偏移调整输出电压的结果以及校准后的输出电压。在向每个节点施加偏移后，校准结果的输出电压误差约为 40 毫伏。

技术	CMOS 180纳米
电源电压	3.3V
电流消耗	500 微安
误差率	± 5%
3 dB 带宽	2.4 兆赫

四、结论

本文提出了一种通过将运算放大器的内阻和偏移转换为高电压增益，从而将输入电压自动转换为开环的方法。利用提出的方法，我们设计了一种电流传感器，其输出电压的误差率在 ± 5%以内。