[發明專利]基準電壓源電路及使用此電路的芯片與計量表

無效

• 申請號: 201210545966.4
• 申請日: 2012-12-14
• 公開（公告）號: CN103425175A
• 公開（公告）日: 2013-12-04
• 發明（設計）人: 鐘書鵬
• 申請（專利權）人: 萬高（杭州）科技有限公司
• 主分類號: G05F3/16
• 分類號: G05F3/16;G01R22/06
• 代理公司: 上海和躍知識產權代理事務所(普通合伙) 31239
• 代理人: 孟建勇

【技術領域】

本發明有關一種電壓源電路，特別是指一種溫度系數可調節的基準電壓源電路及使用該基準電壓源電路的電能計量芯片及電能計量表。

【背景技術】

電能計量表的計量模塊一般包含傳感器和電能計量芯片。對電能的計量涉及電壓信號和電流信號的測量，因此傳感器也包括電壓信號傳感器和電流信號傳感器，其中電流信號傳感器分為錳銅、CT、羅斯線圈等幾種，而電壓信號傳感器更為簡單，一般采用一串電阻分壓的結構。

電能計量表要求在-40～80攝氏度范圍內計量精度不發生大的偏差，希望控制在0.5%之內或甚至更小，對應80ppm/℃左右的溫度系數。電能計量表隨溫度改變而產生的偏差主要來源于傳感器和計量芯片，這兩者的信號轉換系數會隨溫度變化而發生改變，這些改變通常用溫度系數來衡量，單位為1ppm/℃，即每攝氏度改變百萬分之一。

在電流傳感器之中，錳銅和羅斯線圈全金屬材料，在-40~80攝氏度范圍內，信號轉換系數的改變很小，一般在0.1%之內。CT傳感器包含一個CT和取樣電阻，CT的溫度系數同樣很小，但取樣電阻可能較大。因此取樣電阻的溫度系數決定了CT傳感器信號轉換的溫度系數，要獲得良好的溫度性能，就需要選用高精度、低溫漂的取樣電阻，與普通電阻相比較，這類取樣電阻的價格非常高。電壓傳感器通常由一串電阻組成，因此同樣面臨精度和成本之間折中的問題。

電能計量芯片主要包括電壓ADC、電流ADC、基準電壓源和數字信號處理單元（DSP），其中電壓ADC和電流ADC負責將傳感器產生的電壓、電流信號轉換為數字信號，基準電壓源為ADC提供參考電壓。DSP對ADC產生的信號進行運算，得到功率值、用電量、電壓有效值、電流有效值等參量。DSP是數字電路，不存在溫度偏差問題。電壓ADC和電流ADC的溫度系數則大部分取決于基準電壓源的溫度系數。

基準電壓源一般采用Bandgap（帶隙）電路結構實現，該電路結構利用具有正溫度系數和負溫度系數的兩個電壓疊加，通過合理的設計，使這兩個電壓的溫度系數相互抵消，從而獲得接近于零的溫度系數。

典型的Bandgap電路結構如圖1所示，該Bandgap電路包括第二三極管J2和第一三極管J1，并且第二三極管J2和第一三極管J1的基極與集電極均與地連接，而第一三極管J1的發射極與運算放大器（AMP）的同相輸入端連接，而第二三極管J2的發射極與通過一電阻R₁與運算放大器（AMP）的反相輸入端連接。并且該運算放大器（AMP）的輸出端與同相輸入端之間接到第三電阻R₃，而該運算放大器（AMP）的輸出端與反相輸入端之間接到第二電阻R₂，通過上述的電路結構其中負溫度系數的電壓取自第二三極管J2的V_be，其具有約-1.5mV/℃的溫度系數。正溫度系數的電壓來自于兩個三極管的V_be之差，即ΔV_be=V_TlnN，其中N為第二三極管J2和第一三極管J1的發射極面積之比，與溫度成正線性相關。由于運算放大器（AMP）的作用，放大器正負兩個輸入端的電壓相等，因此第一電阻R₁兩端的電壓即等于ΔV_be，第二電阻R₂兩端的電壓等于因此Bandgap電路輸出的基準電壓設計第二電阻R₂與第一電阻R₁的比值使得的正溫度系數與V_be的負溫度系數正好抵消，就得到一個隨溫度變化較恒定的基準電壓。

目前電能計量芯片的設計原則都是將電能計量芯片的溫度系數做到最好，即將基準電壓隨溫度變化的曲線做得最平緩。當前較好的水平是基準電壓隨溫度變化幅度在0.1%左右，約16.7ppm/℃?；鶞孰妷弘S溫度0.1%的變化對應電能計量芯片0.2%的精度變化，約33ppm/℃。常溫下基準電壓一般為1.2V，隨溫度變化曲線是一個開口向下的拋物線，如圖2所示。

為節省成本，傳感器所用的電阻不一定采用高精度、低溫漂規格的，這決定了傳感器較高的溫度系數，一般會有100～200ppm/℃的溫度系數，對應-40~80攝氏度范圍內0.6~1.2%的誤差變化。