恒功率驱动方案及热式流量传感器的制作方法

本技术涉及电路，尤其涉及一种恒功率驱动方案及热式流量传感器。

背景技术：

1、呼吸湿化器为例，呼吸湿化器为提供给患者的呼吸气体提供加温和湿化，以维持气道表面黏液纤毛系统的正常清除功能及肺泡上皮正常的舒缩、弥散特性所必需的生理条件，减少气道干燥和炎性症状，因此呼吸湿化器需要精确监测提供给患者的呼吸气体的流量，根据该流量，对水罐中的液体进行加热，使呼吸气体中的湿度达到稳定的设定值，同时根据该流量控制管路的加热功率，使呼吸气体达到设置温度。目前，主流的呼吸湿化器普遍采用热式流量传感器进行流量检测，其工作原理是：向传感器内部的发热元件提供恒定的电流，使其维持在一个稳定的温度；当有气体流过时，会带走发热元件的热量，导致其温度下降，温度下降的幅度与气体流量呈正相关。因此，通过监测发热元件的温度变化（通常转化为电信号）即可推算出气体流量。

2、在现有技术中，向热式流量传感器的发热元件提供驱动能量的主流方案是采用输出固定电流的固定恒流源电路。这种电路通常由纯硬件搭建，其输出电流值在电路设计时即被设定为一个恒定值。工作时，该固定恒流源直接向发热元件输出一个恒定不变的电流，以此作为发热和流量检测的基准。

3、发热元件产生的实际发热功率遵循公式，其中为驱动电流，为发热元件的电阻。固定恒流源只能保证电流的恒定，然而由于发热元件在实际制造中电阻会存在不可避免的工艺误差，在恒定电流下，电阻的差异会导致发热元件的发热功率产生偏差。由于热式流量传感器检测流量依赖于发热元件的发热功率这一基准，发热功率的偏差会导致流量检测信号的失真，特别是在低流量阶段，微小的功率偏差会被放大，导致流量检测精度验证下降，无法满足高精度医疗设备的精度需求。

技术实现思路

1、本技术提供一种恒功率驱动方案及热式流量传感器，用以解决现有技术向热式流量传感器的发热元件提供固定的输出电流，由于实际制造中发热元件的电阻存在不可避免的工艺误差，导致在固定的输出电流下，发热元件的发热功率产生误差，进而导致热式流量传感器的检测精度下降的问题。

2、第一方面，本技术提供一种恒功率驱动方案，所述恒功率驱动方案包括可控恒流源电路、软件控制模块，所述可控恒流源电路包括直流电压转换器、采样电阻、电流采样电路、比较器、输出电压控制电路；

3、直流电源的正极与所述直流电压转换器的电压输入端连接，所述直流电源的负极与所述直流电压转换器的接地端连接；

4、所述直流电压转换器的电压输出端与发热元件的一端连接，所述发热元件的另一端与所述负极连接，所述直流电压转换器用于将所述直流电源输入的直流输入电压转换为输出至所述发热元件的直流输出电压；

5、所述采样电阻串联于流经所述发热元件的工作电流通过的电路上，所述电流采样电路分别与所述采样电阻的两端和所述比较器的第一反相输入端连接，所述电流采样电路用于，将所述采样电阻两端的电压降转换为与所述电压降正相关的采样电压，并将所述采样电压输入至所述第一反相输入端；

6、所述比较器的输出端通过所述输出电压控制电路与所述直流电压转换器的反馈电压输入端连接，所述软件控制模块根据所述发热元件的目标发热功率和所述发热元件的实际电阻确定基准电压后，将所述基准电压输出至所述比较器的第一同相输入端，其中，所述采样电压等于所述基准电压时，所述发热元件的实际发热功率为所述目标发热功率；

7、所述比较器用于：所述采样电压大于所述基准电压时，通过所述比较器的输出端输出第一电平信号以控制所述直流电压转换器降低所述直流输出电压；所述采样电压小于所述基准电压时，通过所述比较器的输出端输出第二电平信号以控制所述直流电压转换器提高所述直流输出电压。

8、可选的，所述采样电阻串联于连接所述电压输出端与所述发热元件的电路。

9、可选的，所述采样电阻串联于连接所述发热元件与所述负极的电路。

10、可选的，所述电流采样电路具体用于，检测到所述电压降后，将所述电压降放大为与所示电压降成正比的放大电压后，将所述放大电压与预设正向偏置电压叠加，以生成所述采样电压；

11、所述预设正向偏置电压的幅值大于所述比较器的输入失调电压的绝对值。

12、可选的，所述电流采样电路包括第一电流检测放大器和第一直流电压源；

13、所述第一电流检测放大器的正负输入端分别与所述采样电阻的两端连接；所述第一电流检测放大器的第一信号输出端与所述第一反相输入端连接；

14、所述第一电流检测放大器的基准电压输入端与所述第一直流电压源连接，所述基准电压输入端用于设置所述第一电流检测放大器的基准输出电平；

15、所述第一直流电压源用于，向所述基准电压输入端输入所述预设正向偏置电压；

16、所述第一电路检测放大器用于，检测到所述电压降后，将所述电压降放大为所述放大电压，将所述放大电压与所述预设正向偏置电压叠加以生成所述采样电压，并通过所述第一信号输出端将所述采样电压输出至所述第一反相输入端。

17、可选的，所述电流采样电路包括运算放大器、第二电流检测放大器、第二直流电压源；

18、所述第二电流检测放大器的正负输入端分别与所述采样电阻的两端连接；所述第二电流检测放大器的第二信号输出端通过第一输入电阻与所述运算放大器的第二同相输入端连接，所述第二电流检测放大器用于检测到所述电压降后，将所述电压降放大为所述放大电压，通过所述第二信号输出端将所述放大电压输出至所述第二同相输入端；

19、所述运算放大器的第二反相输入端通过接地电阻接地，所述第二同相输入端通过第二输入电阻与所述第二直流电压源连接，所述第二直流电压源用于向所述第二同相输入端输入所述预设正向偏置电压；

20、所述运算放大器的第三信号输出端通过反馈电阻与所述第二反相输入端连接，所述第三信号输出端与所述第一反相输入端连接；

21、所述运算放大器用于，将所述放大电压与所述预设正向偏置电压叠加以生成所述采样电压，并将所述采样电压通过所述第三信号输出端输入至所述第一反相输入端。

22、可选的，所述软件控制模块包括控制器、电压采样元件、基准电压设定元件；所述控制器与所述电压采样元件、所述基准电压设定元件通信连接，所述基准电压设定元件与所述第一同相输入端连接；

23、所述电压采样元件用于采集所述发热元件两端的实际电压；

24、所述控制器用于：

25、获取所述工作电流的电流值，以及自所述电压采样元件获取所述实际电压；

26、根据所述实际电压和所述电流值，计算所述实际电阻；

27、根据所述目标发热功率和所述实际电阻，计算所述发热元件的实际发热功率为所述目标发热功率时，所述工作电流的目标值；

28、计算所述目标值和所述采样电阻的电阻值的乘积作为目标电压值，将所述目标电压值叠加所述预设正向偏置电压后得到所述基准电压；

29、根据所述基准电压，生成数字指令，并将所述数字指令发送至所述基准电压设定元件，以控制所述基准电压设定元件向所述第一同相输入端输入所述基准电压。

30、可选的，所述电压采样元件包括模数转换器；

31、和\或，

32、所述基准电压设定元件包括数模转换器。

33、可选的，所述输出电压控制电路包括分压电路，所述分压电路并联于所述电压输出端和所述负极之间，分压电路包括串联的第一分压电阻和第二分压电阻，所述第一分压电阻的一端与所述电压输出端连接，所述第一分压电阻的另一端与中间节点连接；所述第二分压电阻的一端与所述中间节点连接，所述第二分压电阻的另一端与所述负极连接；所述中间节点与所述反馈电压输入端连接；

34、所述恒功率驱动方案还包括n型场效应管，所述n型场效应管的栅极与所述比较器的输出端连接，所述n型场效应管的漏极与所述中间节点连接，所述n型场效应管的源极与所述负极连接；

35、所述场效应管被配置为：

36、所述栅极接收到所述第一电平信号时，控制所述漏极和所述源极之间截止，以控制所述直流电压转换器降低所述直流输出电压；

37、所述栅极接收到所述第二电平信号时，控制所述漏极和所述源极之间导通，以控制所述直流电压转换器升高所述直流输出电压。

38、第二方面，本技术提供一种热式流量传感器，所述传感器包括如第一方面所述的恒功率驱动方案；

39、所述传感器还包括：

40、设置于流体流路中的发热元件；

41、至少一个设置于所述流体流路中的温度检测元件，所述温度检测元件用于检测流体流经所述发热元件前后的温差；

42、所述恒功率驱动方案中的可控恒流源电路与所述发热元件连接，所述恒功率驱动方案通过所述可控恒流源电路向所述发热元件提供驱动电流，并使所述发热元件的发热功率维持在目标发热功率。

43、本技术提供的恒功率驱动方案及热式流量传感器，具有以下技术效果：

44、该方案在流经发热元件的工作电流通过的电路上串联采样电阻，采样电阻的电压降大小与工作电流的大小正相关，通过配置采样电路，能够实时获取与工作电流大小正相关的采样电压作为后续控制的基准。

45、进一步的，根据发热元件的目标发热功率和其实际电阻值，计算并设定一个对应的基准电压，比较器持续将反映实际工作电流的采样电压与该基准电压进行比较，这一比较过程，实质上是将发热元件的实时发热功率与目标发热功率进行比较，当采样电压大于基准电压（意味着实际工作电流偏大，可能导致实际发热功率超过目标发热功率）时，比较器输出第一电平信号，此信号控制直流电压转换器降低其直流输出电压。反之，当采样电压小于基准电压（意味着实际工作电流偏小，实际发热功率不足）时，比较器输出第二电平信号，控制直流电压转换器提高直流输出电压。直流电压转换器输出电压的改变，会使流经发热元件的工作电流发生相应变化，通过这种持续的、动态的调节，可使采样电压无限逼近基准电压，从而保证流经发热元件的工作电流始终被修正到能使发热元件产生目标发热功率的精确值上，在保证发热元件保持目标发热功率的前提下，可提高热式流量传感器的检测精度。