電流測量電路的制作方法
【專利摘要】一種電流測量電路，包括：主晶體管，具有：與第一控制端子相連的主柵極；限定了主漏極-源極路徑的與第一端子相連的主漏極和與第二端子相連的主源極；感測晶體管，具有：與第一控制端子相連的感測柵極；限定了感測漏極-源極路徑的與第一端子相連的感測漏極和感測源極；旁路開關(guān)，具有：可控導(dǎo)電路徑，與主漏極-源極路徑并聯(lián)連接；以及第二控制端子，使能或阻止電流通過可控導(dǎo)電路徑；輸出放大器，具有：輸入端，與感測源極和可控導(dǎo)電路徑相連；輸出端，提供電流信號；以及控制器，根據(jù)電流信號設(shè)置第一控制端子的第一控制信號和第二控制端子的第二控制信號，以使能電流通過主晶體管和感測晶體管的每個相應(yīng)漏極-源極路徑或者可控導(dǎo)電路徑。
【專利說明】電流測量電路

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開涉及一種電流測量電路，用于提供對第一端子和第二端子之間的電流加以表示的電流信號。具體而非排他地，本公開涉及一種包括電流感測功率場效應(yīng)晶體管(FET)的電流測量電路。

【背景技術(shù)】
[0002]在許多應(yīng)用中要求可以確定負(fù)載中流過的電流量的電路?？赡苄枰娏鳒y量電路來檢測可能損壞電子部件的電流電平，例如可能引起過熱的電流電平。一旦確定，可以相應(yīng)地控制電流電平。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提出了一種電流測量電路，用于提供對第一端子和第二端子之間的電流加以表示的電流信號，所述電流測量電路包括:
[0004]主晶體管，具有主漏極、主源極和主柵極，其中主漏極和主源極限定了主漏極-源極路徑，主漏極與第一端子相連，主源極與第二端子相連，并且主柵極與第一控制端子相連；
[0005]感測晶體管，具有感測漏極、感測源極和感測柵極，其中感測漏極和感測源極限定了感測漏極-源極路徑，感測漏極與第一端子相連，并且感測柵極與第一控制端子相連；
[0006]旁路開關(guān)，具有:
[0007]可控導(dǎo)電路徑，在第一端子和第二端子之間與主晶體管的主漏極-源極路徑并聯(lián)連接；以及
[0008]第二控制端子，用于使能或阻止電流通過可控導(dǎo)電路徑；
[0009]輸出放大器，具有:
[0010]輸入端，與感測晶體管的感測源極和旁路開關(guān)的可控導(dǎo)電路徑兩者相連；以及
[0011]輸出端，用于提供電流信號；以及
[0012]控制器，配置為根據(jù)電流信號來設(shè)置第一控制端子的第一控制信號以及第二控制端子的第二控制信號，以便使能電流通過:
[0013]主晶體管和感測晶體管的每一個相應(yīng)漏極-源極路徑；或者
[0014]旁路開關(guān)的可控導(dǎo)電路徑。
[0015]通過提供與主晶體管和感測晶體管并聯(lián)的旁路開關(guān)，可以通過一個路徑測量大電流并且通過第二路徑測量小電流。提供給輸出放大器的輸入端的電流值的范圍可以小于測量的電流值的范圍，因此可以減小輸出放大器的動態(tài)范圍。因此，可以減小所要求的放大器的復(fù)雜度。相反，可以改進(jìn)放大器在動態(tài)范圍內(nèi)的精度。同樣，當(dāng)兩個路徑都使用公共放大器時，可以減小電路的復(fù)雜度.
[0016]控制器可以配置為:如果使能電流通過可控導(dǎo)電路徑，則當(dāng)電流信號大于第一閾值時，設(shè)置第一控制信號以便使能電流通過主晶體管和感測晶體管的每一個相應(yīng)漏極-源極路徑，并且設(shè)置第二控制信號以便阻止電流通過旁路開關(guān)的可控導(dǎo)電路徑?？刂破骺梢耘渲脼?如果使能電流通過主晶體管和感測晶體管的每一個相應(yīng)漏極-源極路徑，則當(dāng)電流信號小于第二閾值時，設(shè)置第一控制信號以便阻止電流通過主晶體管和感測晶體管的每一個相應(yīng)漏極-源極路徑，并且設(shè)置第二控制信號以便使能電流通過旁路開關(guān)的可控導(dǎo)電路徑。
[0017]控制器可以配置為:如果使能電流通過主晶體管和感測晶體管的每一個相應(yīng)漏極-源極路徑，則當(dāng)電流信號超過第三閾值時，設(shè)置第一控制信號以便阻止電流通過主晶體管和感測晶體管的每一個相應(yīng)漏極-源極路徑，并且設(shè)置第二控制信號以便阻止電流通過旁路開關(guān)的可控導(dǎo)電路徑。
[0018]控制器可以配置為:在已經(jīng)超過第三閾值的情況下，響應(yīng)于用戶輸入或者在預(yù)定的時間間隔之后，設(shè)置第一控制信號以便使能電流通過旁路開關(guān)的可控導(dǎo)電路徑和主晶體管和感測晶體管的每一個相應(yīng)漏極-源極路徑。
[0019]主晶體管的漏極面積可以至少比感測晶體管的漏極面積大一個數(shù)量級。感測比定義為主晶體管的漏極面積與感測晶體管的漏極面積之比。第一閾值可以近似等于第二閾值除以感測比。
[0020]主晶體管和感測晶體管可以設(shè)置在相同的襯底/管芯上。主晶體管和感測晶體管可以由電流感測晶體管構(gòu)成。
[0021]電流感測晶體管可以是電路所需要的唯一“熱”部件，因?yàn)榕月烽_關(guān)只用于小電流。因?yàn)榭梢员苊獯箅娏鞣至麟娮杵?，所以可以避免與大電流分流電阻器的使用有關(guān)的安全性考慮。
[0022]電流測量電路可以包括感測電阻器，配置為接收流過感測晶體管的漏極-源極路徑的電流或流過旁路開關(guān)的電流，并且其中放大器是電壓放大器。該放大器可以配置為對感測電阻器兩端的電壓進(jìn)行放大。
[0023]感測電阻器可以具有第一連接和第二連接。第一連接可以與旁路開關(guān)以及感測晶體管的感測源極相連。第二連接可以與第二端子相連。
[0024]電流測量電路可以包括具有可控導(dǎo)電路徑的控制開關(guān)?？煽貙?dǎo)電路徑可以串聯(lián)地設(shè)置在感測晶體管的感測源極和感測電阻器的第一連接之間。
[0025]電流測量電路可以包括電壓設(shè)置電路，配置為根據(jù)主晶體管的源極電壓來設(shè)置感測晶體管的源極電壓。控制開關(guān)可以包括控制端子。電壓設(shè)置電路可以包括差分放大器，所述差分放大器具有與主晶體管的源極相連的反相輸入端、與感測晶體管的源極相連的非反相輸入端以及與控制開關(guān)的控制端子相連的輸出端。
[0026]放大器可以是電流放大器。放大器可以是單一的模擬放大器。
[0027]旁路開關(guān)可以是場效應(yīng)晶體管，所述場效應(yīng)晶體管具有限定其可控導(dǎo)電路徑的源極和漏極。
[0028]主晶體管、感測晶體管和/或旁路開關(guān)可以設(shè)置在相同的器件封裝中。主晶體管、感測晶體管和/或旁路開關(guān)可以設(shè)置在相同的管芯上。
[0029]可以提供一種包括這里公開的任意電流感測電路的車輛。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]現(xiàn)在將參考附圖通過示例描述實(shí)施例，其中:
[0031]圖1示出了電流測量電路的示意圖；
[0032]圖2a示出了另一個電流測量電路的電路圖；
[0033]圖2b示出了圖2a的電流測量電路的示例總電流分布和相應(yīng)的輸出；以及
[0034]圖3示出了圖2a的電流測量電路的示意圖和相關(guān)聯(lián)控制器的方框圖。

【具體實(shí)施方式】
[0035]這里公開的實(shí)施例涉及電流測量電路，所述電流測量電路可以設(shè)置為用于智能功率開關(guān)的自動范圍縮放解決方案的一部分，以使能寬動態(tài)范圍的電流監(jiān)測。電流測量電路也可以用于當(dāng)測量大電流時的過載保護(hù)。
[0036]分流電阻器常用于電流測量電路中。為了將額定最大電流下分流電阻器中的電壓降和功耗最小化，分流電阻應(yīng)該較小。因此，分路兩端可測量的電壓對于小電流將較低。如果需要測量較寬范圍的電流，對分路兩端的電壓進(jìn)行放大的輸出放大器的放大要求可能超過可行要求。這種限制主要是由于輸出放大器的偏移電壓導(dǎo)致的?，F(xiàn)有技術(shù)的穩(wěn)定放大器可以具有小至幾個微伏μ V的偏移電壓。如果要求高側(cè)電流感測，如針對不具有分割地的應(yīng)用所要求的，放大器也必須提供足夠的共模抑制。具有低至幾個毫伏mV的偏移電壓的高側(cè)電流感測放大器以及其中在多個分流電阻器之間實(shí)現(xiàn)選擇的手動調(diào)節(jié)方案可以用于多用測量設(shè)備，但可能不夠滿足在一些電流測量應(yīng)用中所要求的較寬電流范圍內(nèi)提供準(zhǔn)確和精確測量的要求。
[0037]諸如電流感測功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)之類的電流感測晶體管提供用于保護(hù)電子電路免受過流條件的有效裝置，并且提供測量負(fù)載電流的低損耗方法；在一些示例中，它們可以消除對于大電流分流電阻器的需要。這種功率晶體管技術(shù)實(shí)現(xiàn)了以低電壓降切換大電流，并且同時提供根據(jù)固定感測比η的無分流電流測量。
[0038]電流感測功率MOSFET可以包括在并聯(lián)設(shè)置的公共襯底/管芯上的幾千個晶體管單元，并且共享公共漏電極和柵電極。電流感測功率MOSFET內(nèi)的每一個晶體管單元或元件是相同的，使得在電流感測功率MOSFET的漏極端子處施加的電流在每一個晶體管單元或元件之間同樣地共享。在這些設(shè)計(jì)中，幾個晶體管的源電極與其余的源電極分離，并且與分離的源極端子相連。因此，可以認(rèn)為得到的電流感測MOSFET等價于兩個并聯(lián)的晶體管，這兩個晶體管具有公共的柵極端子和漏極端子，但是具有分離的源極端子。這兩個晶體管可以稱作包括大部分晶體管單元的主FET和包括少得多的晶體管單元的感測FET。感測比η由主FET的漏極面積除以感測FET的漏極面積來限定。對于電流感測晶體管(也稱作感測功率晶體管)的更多細(xì)節(jié)在NXP公司2009年6月24日rev.02的申請編號AN10322、題為 “current sensing power MOSFETs” 中提供，通過 NXP 公司的網(wǎng)站可查閱:http://www.nxp.com/documents/applicat1n note/AN10322.pdf.
[0039]對于其中需要在合理的精度下測量較大范圍的不同電流的應(yīng)用，例如ΙΟΟμΑ至100Α,需要與感測FET的源極相連的放大器具有非常大的動態(tài)范圍，以便能夠適當(dāng)?shù)馗袦y整個電流范圍。這種放大器由于其復(fù)雜性、不靈敏性、功耗或成本而導(dǎo)致對于許多應(yīng)用是無法實(shí)施的。
[0040]圖1說明了在輸出115處提供對第一端子102和第二端子104之間的電流加以表示的電流信號的電流感測電路100的示意圖。電流感測電路100包括電流感測功率晶體管
106、旁路開關(guān)108、輸出放大器110和控制器118。
[0041]除了功率晶體管106之外還提供旁路開關(guān)108允許電流測量電路100提供:(i)通過功率晶體管106的大電流路徑，用于測量相對較大的電流；以及(ii)通過旁路開關(guān)108的小電流路徑，用于測量相對較小的電流?？梢酝ㄟ^輸出放大器測量通過小電流路徑和大電流路徑的電流。這種結(jié)構(gòu)允許減小放大器的動態(tài)范圍要求，如下所述。
[0042]功率晶體管106可以是諸如在NXP申請編號AN10322中描述的功率FET，并且典型地包括許多子晶體管。這些子晶體管可以看作是分組為主晶體管和感測晶體管。
[0043]主晶體管具有主漏極、主源極105和主柵極。主漏極和主源極105限定了主漏極-源極路徑。感測晶體管具有感測漏極、感測源極107和感測柵極。感測漏極和感測源極107限定了感測漏極-源極路徑。
[0044]主漏極和感測漏極均與第一端子102相連。主柵極和感測柵極每一個均與第一控制端子109相連。因此，認(rèn)為主晶體管和感測晶體管具有公共漏極(D)和公共柵極(G)。第一控制端子109可以從控制器118接收第一控制信號，用于使能或防止電流通過功率晶體管106的每一個相應(yīng)漏極-源極路徑。
[0045]在使用中，感測晶體管只傳導(dǎo)施加至公共漏極端子的電流的一小部分，所述部分與感測比η成反比，所述感測比是依賴于主晶體管中晶體管單元的個數(shù)與感測晶體管中晶體管單元的個數(shù)之比的電流比(假設(shè)每一個晶體管具有相同的漏極面積)。針對將感測晶體管和主晶體管的源極端子105、107保持在相同電勢的條件來限定感測比。
[0046]為了確定第一端子102和第二端子104之間的電流，測量功率晶體管106的感測源極107處的電流。這樣測量的電流表示在感測晶體管的漏極-源極電流路徑中的電流。可以將功率晶體管106的感測源極107處測量的電流與感測比η相乘，以便確定通過主晶體管的漏極-源極電流路徑的電流?？梢詫⒌谝欢俗?02和第二端子104之間的總電流確定為通過感測晶體管的漏極-源極電流路徑和主晶體管的漏極-源極電流路徑的電流之和。當(dāng)η較大時，總電流可以近似為主晶體管的漏極-源極路徑中的電流。
[0047]主晶體管的漏極-源極路徑連接在第一端子和第二端子102、104之間，使得當(dāng)使能公共柵極時，電流可以流過功率晶體管106。當(dāng)電流通過功率晶體管106時，總電流的大部分通過主晶體管，而總電流的較小的固定部分通過感測晶體管的漏極-源極路徑部分。
[0048]旁路開關(guān)108具有在第一端子和第二端子102、140之間與主晶體管的漏極-源極路徑并聯(lián)連接的可控導(dǎo)電路徑。旁路開關(guān)108具有第二控制端子111，所述第二控制端子可以從控制器118接收第二控制信號，以便使能或防止電流通過可控導(dǎo)電路徑。
[0049]按照這種方式，將兩個電流路徑并聯(lián)地設(shè)置在第一端子和第二端子102、104。在第一電流路徑中，電流通過第一端子102和第二端子104之間的功率晶體管106。這可以被稱作大電流路徑，因?yàn)槠溆糜诔休d相對較大的電流。在第二電流路徑中，電流通過第一端子102和第二端子104之間的旁路開關(guān)108。這可以被稱作小電流路徑，因?yàn)槠溆糜诔休d較小的電流。
[0050]控制器118通過適當(dāng)?shù)乜刂婆月烽_關(guān)108和功率晶體管106使能在大電流操作模式下使用第一大電流路徑測量大電流，并且在小電流操作模式下使用第二小電流路徑測量小電流。控制器118的這種操作導(dǎo)致了輸出放大器110對通過適當(dāng)路徑的電流進(jìn)行放大，使得可以按照有效地方式確定第一端子和第二端子102、104之間的總電流。具體地，在高操作模式下，放大器將總電流的在第一端子102和第二端子104之間流動的那部分進(jìn)行放大。這是因?yàn)楦袦y晶體管根據(jù)感測比η將通過功率晶體管106的電流的小部分分接出來。當(dāng)通過感測晶體管的電流電平變得太低以至于不能被輸出放大器110適當(dāng)?shù)胤糯髸r，控制器18切換到小電流操作模式，使得代替地將通過旁路開關(guān)208的電流提供給輸出放大器210的輸入。在這種切換之后，提供給輸出放大器110的輸入的電流的電平將增加，使得所述電平高到足夠輸出放大器110適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行處理。
[0051]輸出放大器110具有與小電流路徑和大電流路徑都相連的輸入113，以便依賴于通過控制器118如何設(shè)置第一和第二控制信號來接收與流過功率晶體管106或旁路開關(guān)108的電流相關(guān)的信號。將輸出放大器110的輸入113參考第二端子104處的信號進(jìn)行放大。輸出放大器110可以包括公共放大器級，并且可以是電壓或電流放大器。輸出放大器110也具有輸出115，所述輸出配置為根據(jù)被使能的電流路徑中的電流來提供電流信號。按照這種方式，公共輸出放大器級可以配置為對在小電流路徑或大電流路徑的任一個上的信號進(jìn)行放大。公共輸出放大器級可以是單一的輸出放大器110。
[0052]控制器118配置為根據(jù)在放大器110的輸出115處提供的電流信號，確定是按照高功率操作模式還是低功率操作模式操作?？刂破?18配置為使能電流通過以下的任一個:(i)通過在大電流操作模式下設(shè)置針對第一控制端子109的第一控制信號來使能電流通過主晶體管和感測晶體管的每一個相應(yīng)漏極-源極路徑(大電流路徑)；或者(ii)通過在小電流操作模式下設(shè)置針對第二控制端子111的第二控制信號來使能電流通過旁路開關(guān)108的可控導(dǎo)電路徑(小電流路徑)。應(yīng)該理解的是應(yīng)該控制功率晶體管106和旁路開關(guān)108，使得不能同時使能它們兩者，因?yàn)檫@將引起一些電流在每一個路徑中流動。
[0053]控制器118還配置為如果第一端子102和第二端子104之間的電流達(dá)到或者超過最大電流電平，則禁止電流通過小電流路徑和大電流路徑兩者。在已經(jīng)經(jīng)過預(yù)定的時間間隔之后或者響應(yīng)于用戶輸入，控制器隨后可以重新使得電流通過大電流路徑。按照這種方式，電流測量電路可以用作可復(fù)位熔絲。下面參考圖2a、2b和3進(jìn)一步討論控制器的操作。
[0054]圖2a說明了另一個電流測量電路200的電路圖。電流測量電路200的許多元件與圖1a的電流測量電路的元件類似，并且不必再參考圖2a進(jìn)行討論。通常，向附圖中類似的部件按照相應(yīng)的序列分配參考數(shù)字。
[0055]主晶體管的主源極205包括兩個觸點(diǎn):大電流源極觸點(diǎn)(S)和開爾文(Kelvin)源極觸點(diǎn)(K)。大電流源極觸點(diǎn)(S)可以通過諸如接合引線之類的阻抗來提供，使其可以處理相對較大的電流。開爾文源極觸點(diǎn)(K)與主晶體管的主源極端子205相連，以便提供主晶體管源極電勢的精確確定。
[0056]旁路開關(guān)208通過旁路晶體管提供，在該示例中所述旁路晶體管是場效應(yīng)晶體管(FET)，但是也可以設(shè)置為雙極結(jié)型晶體管。旁路開關(guān)208具有第二控制端子211，在該示例中所述第二控制端子由旁路FET的柵極提供。
[0057]電流測量電路200也包括差分放大器212 (除了參考圖1描述的輸出放大器210之外)、控制開關(guān)214和感測電阻器219。因?yàn)樵谠撌纠休敵龇糯笃?10是電壓放大器，使用感測電阻器219。應(yīng)該理解的是如果代替地使用電流放大器，則不需要感測電阻器219。
[0058]感測電阻器219配置為依賴于使能小電流路徑還是大電流路徑來接收流過感測晶體管的漏極-源極路徑的電流或者流過旁路開關(guān)208的電流。感測電阻器219具有第一連接216和第二連接217。感測電阻器219的第一連接216與旁路FET 208的漏極相連，并且也如下面進(jìn)一步詳細(xì)討論的選擇性地與感測晶體管的感測源極207相連。感測電阻器219的第二連接217與電流感測電路200的第二端子204相連。因此，感測電阻器219兩端的電壓降依賴于電流測量電路200是按照大電流模式還是小電流模式操作、而與在第一端子202和第二端子204之間通過功率晶體管206或者旁路FET208的任一個的電流成正比?？刂破?18根據(jù)輸出電流信號242確定按照哪一種模式操作，如下面參考圖2b的示例所討論的。
[0059]輸出放大器210 (在該示例中是電壓放大器)配置為對感測電阻器219兩端的電壓降進(jìn)行放大，并且在其輸出215處提供電流信號。
[0060]控制器218配置為在大電流模式下，通過設(shè)置針對第一控制端子209的第一控制信號，使能電流通過由功率晶體管206提供的大電流路徑?？刂破?18還配置為在大電流模式下，通過相應(yīng)地設(shè)置針對第二控制端子111的第二控制信號來防止電流通過小電流路徑(由芳路開關(guān)108提供)。
[0061]在大電流模式下，感測電阻器219兩端的電壓降Vhigh是:
[0062]Vhigh — R.1sense — R.1 卜2/n
[0063]其中R是感測電阻器219的電阻，Isense是通過感測晶體管的漏極-源極電流，I1^2是第一端子202和第二端子204之間的總電流，以及“η”是功率晶體管206的感測比。也就是說在大電流模式下，感測電阻器219兩端的電壓降與總電流除以感測比(或者以感測比縮放總電流)成正比。
[0064]控制器218配置為在小電流模式下，通過設(shè)置第二控制端子111的第二控制信號，來使能電流通過由旁路開關(guān)108提供的小電流路徑?？刂破?18也配置為在小電流模式下，通過相應(yīng)地設(shè)置第一控制端子209的第一控制信號來阻止電流通過大電流路徑。
[0065]在小電流模式下，感測電阻器219兩端的電壓降V1ot是:
[0066]Vlow = R.1卜2
[0067]也就是說，在小電流模式下，感測電阻器219兩端的電壓降與總電流成正比。
[0068]因?yàn)镮"大于Isense,當(dāng)操作模式從大電流模式改變?yōu)樾‰娏髂Ｊ綍r，感測電阻器219兩端的電壓降將增加。類似地，當(dāng)從小電流模式改變?yōu)榇箅娏髂Ｊ綍r，電壓將下降。按照這種方式，展現(xiàn)給輸出放大器210的輸入的電壓值的范圍將小于僅使用第一端子202和第二端子204之間的單電流測量路徑的情況。在圖2b中圖表地示出了這種情況、并且下面將更加詳細(xì)地描述。
[0069]例如，感測電阻器219可以具有幾個毫歐至幾歐姆的電阻，并且因此導(dǎo)致了較小的電壓降。典型地，選擇感測電阻器219的電阻小于主晶體管導(dǎo)通(包括任意接合引線)時的漏極-源極路徑的電阻。整體上來說，電流測量電路200因此可以汲取較小的靜態(tài)電流。
[0070]輸出放大器210基于感測電阻器219兩端的電壓降，提供電流信號作為對電流測量器件的第一端子和第二端子202、204之間的電流加以表不的放大器輸出信號。輸出放大器210可以通過單一的模擬放大器提供，可以將其稱作公共放大器，因?yàn)槠鋵τ谕ㄟ^功率晶體管206的電流路徑(大電流路徑)和通過旁路FET 208的電流路徑(小電流路徑)是公共的。
[0071]圖2b在上部曲線中說明了在第一端子和第二端子202、204之間流動的總電流I"的示例分布240?？傠娏鱅"具有在O和I",.安培之間的范圍。由圖2a的輸出放大器210的輸出215提供的相應(yīng)電流信號242、243在下部曲線中示出。在該示例中，電流信號242、243等于感測電阻器219兩端的電壓降乘以輸出放大器210的增益G(假設(shè)輸出放大器按照線性模式操作)。
[0072]在該示例中，針對電流分布起始處的時間段施加大電流操作模式250。大電流操作模式中的電流信號242表示總電流1^240除以功率晶體管的感測比η。也就是說在大電流模式下，電流信號242具有電壓V242:
[0073]V242 — G.R.1sense
[0074]= G.R.L_2/n
[0075]在大電流流動時，使總電流I"流過感測電阻器219 (分流電阻器)是不適當(dāng)?shù)?，因?yàn)檫@樣使用可能導(dǎo)致:i)感測電阻器219和旁路晶體管208過熱；ii)感測電阻器兩端上過大的電壓降，或者iii)電流超過輸出放大器210的最大預(yù)期范圍(飽和閾值)。
[0076]大電流操作模式250繼續(xù)，直到電流信號242下降小于第一閾值電平260為止。也就是說，控制器218配置為使得如果電路處于大電流操作模式250，當(dāng)電流信號242小于第一閾值260時控制器218切換到小電流操作模式252。在該示例中，將第一閾值260直接與電流信號進(jìn)行比較。
[0077]在小電流操作模式下，電流信號243不再除以感測比η。因此，當(dāng)操作模式改變時存在電流信號中的不連續(xù)性，如在圖2b的下部曲線中可以看到的。
[0078]電路保持在小電流操作模式252，直到電流信號243上升大于第二閾值電平262。也就是說，控制器218配置為使得如果電路處于小電流操作模式252，當(dāng)電流信號243變得大于第二閾值262時控制器218切換到大電流模式254。在該示例中，將第二閾值262與電流信號直接進(jìn)行比較?？梢詫⒌谝缓偷诙撝惦娖?60、262設(shè)置為使得提供滯后作用。
[0079]第一閾值電平260可以設(shè)置為使得小電流操作模式250中的電流信號242的最大值大致等于(但是由于滯后作用而低于)大電流操作模式252中的電流信號243的最大值。
[0080]這可以有效地使用將接收電流信號的輸出放大器的動態(tài)范圍。因?yàn)殡娏餍盘?42、243中的不連續(xù)性是由于感測比η的撤回或施加，可以將第一閾值大致地設(shè)置為大電流操作模式250中的電流信號242的最大值除以感測比η。也就是說，可以將第一閾值260設(shè)置為用于與大電流模式中的電流信號242的電壓V242進(jìn)行比較的電壓V26tl:
[0081]V260 — G.R.1sense, max/n
[0082]= G.R.11^2jfflax/!!2,
[0〇83]其中Isense,max是允許流過感測晶體管的最大電流，并且ISENSE,max = 11-2, max/11 °
[0084]可以將當(dāng)電路處于小電流操作模式252時使用的第二閾值電平262設(shè)置為使得當(dāng)電路切換到小電流操作模式時，當(dāng)電流信號242達(dá)到電流信號242的最大值或者略微超過電流信號242的最大值時電路立即改變?yōu)榇箅娏鞑僮髂Ｊ?。因此，可以將第二閾?62設(shè)置為用于與小電流模式中的電流信號243的電壓V243進(jìn)行比較的電壓V262:
[0085]V262 = G.R.11^2jmaxZn.
[0086]如下部曲線中所示，放大器210的飽和電壓256在大電流操作模式250、254和小電流操作模式252中均大于電流信號的最大電平。因?yàn)楫?dāng)改變操作模式時的不連續(xù)性，由于電流信號中的重疊，飽和電壓256可以有利地小于當(dāng)輸出放大器只從單一的電流路徑接收輸入信號時將要求的電壓。如果電流信號超過飽和電壓256,那么輸出放大器210將飽和，導(dǎo)致了輸出電流信號的精度損耗。
[0087]控制器218還配置為提供電流過載保護(hù)功能。也就是說，當(dāng)總電流超過最大閾值266,268時，控制器設(shè)置“無電流操作模式”，其中禁止電流通過功率晶體管和旁路開關(guān)。也就是說，控制器218也配置為如果第一端子和第二端子202、204之間的電流達(dá)到或超過最大電流電平I",_，則禁止電流通過小電流路徑和大電流路徑兩者。
[0088]在圖2b中，在下部曲線中參考大電流操作模式中的電流信號242說明了最大閾值266。如果電路在大電流模式250、254下操作并且電流信號242將要超過最大閾值266，那么控制器218將設(shè)置第一控制信號以便阻止電流通過主晶體管和感測晶體管的每一個相應(yīng)漏極-源極路徑，并且將設(shè)置第二控制信號以便阻止電流通過旁路開關(guān)208的可控導(dǎo)電路徑。最大閾值266可以設(shè)置為電壓V266，所述電壓與大電流模式250、254下可能通過的最大電流電平相關(guān)。也就是說:
[0089]V266 — G.R.1sense, max
[0090]=GlImAi
[0091]也就是說，與大電流操作模式250中的電流信號242進(jìn)行比較的最大閾值266的電壓電平V266可以和與小電流操作模式252中的電流信號243進(jìn)行比較的第二閾值262的電壓電平V262相同。應(yīng)該理解的是即使最大閾值266和第二閾值262具有相同的電壓電平，當(dāng)在不同的操作模式下應(yīng)用它們時，它們與總電流1卜2的不同值相對應(yīng)。
[0092]在已經(jīng)阻止電流超過以停止過載條件之后，控制器218可以在經(jīng)過預(yù)定的時間間隔之后或者響應(yīng)于用戶輸入隨后重新使得電流通過大電流路。按照這種方式，電流測量電路可以用作可復(fù)位熔絲。
[0093]在替代實(shí)施例中，控制器可以根據(jù)已知的操作模式來處理電流信號，以便確定在第一端子和第二端子202、204之間的總電流I"的值。然后，可以如圖2b的頂部曲線所示，將單一的閾值電平264施加至I"以確定電路應(yīng)該按照大電流操作模式還是小電流操作模式操作。替代地，可以將一對密切相關(guān)的閾值施加至1卜2以便提供滯后作用。類似地，可以將最大閾值268施加至總電流I"以確定是否切換到“無電流操作模式”。應(yīng)該理解的是總電流U40是從電流信號242、243得出的，因此總電流U40與閾值264、268的比較允許根據(jù)電流信號間接地控制電路中的電流。
[0094]對于必須處理16: I范圍電流、并且具有感測比η為1000的功率晶體管的電流測量電路，通過提供分離的小電流路徑和大電流路徑可以將公共輸出放大器210所要求的動態(tài)范圍減小至13: I。這是因?yàn)檩敵龇糯笃?10的輸入213必須處理的電流/電壓值的范圍小于在第一端子202處接收的電流值的范圍，如圖2b所示。因此，可以減小對于輸出放大器210的設(shè)計(jì)的限制。因此，電流感測電路200可以使用公共輸出放大器210實(shí)現(xiàn)足夠精確和足夠縮放范圍的電流感測。利用校準(zhǔn)，可以實(shí)現(xiàn)整個動態(tài)范圍上百分之幾范圍內(nèi)的電流測量精度。在沒有校準(zhǔn)的情況下，由于感測比的典型乘積展寬，大電流的精度可以限制為約10%。在將感測晶體管置于與主晶體管相同溫度的示例中(例如因?yàn)樗鼈冊谙嗤墓苄?襯底上)，通常不要求溫度補(bǔ)償。
[0095]返回圖2a，差分放大器212是電壓設(shè)置電路的示例，所述電壓設(shè)置電路配置為根據(jù)主晶體管的源極電壓來設(shè)置感測晶體管的源極電壓，以便補(bǔ)償兩個源極之間的電勢差。例如，這種差異可能是由于電路中的損耗產(chǎn)生的。這種結(jié)構(gòu)可以稱為提供虛擬地。用于讀取感測電流的虛擬地電流感測技術(shù)可以在電流感測電路200的操作溫度范圍內(nèi)提供在精度和抗噪方面的改進(jìn)性能。
[0096]差分放大器212具有與主晶體管的主源極205的開爾文源極觸點(diǎn)(K)相連的反相輸入端、與感測晶體管的感測源極207相連的非反相輸入端以及用于對控制開關(guān)214進(jìn)行控制的輸出。差分放大器212通過最小化或者減小其反相輸入端和非反相輸入端之間信號的任意電勢差來保持平衡。因此，將感測晶體管的感測源極207處的電勢與主晶體管的開爾文源極(K)處的電勢平衡。按照這種方式，可以保持流過感測晶體管的漏極-源極路徑的電流和流過主晶體管的漏極-源極路徑的電流之間的恒定比率，并且因此感測比η可以用于根據(jù)大電流操作模式中的電流信號來精確地計(jì)算總電流。
[0097]在該示例中控制開關(guān)214由控制FET提供，然而應(yīng)該理解的是也可以使用雙極型晶體管?？刂崎_關(guān)214具有串聯(lián)地設(shè)置在感測FET的源極和感測電阻器219的第一連接216之間的可控導(dǎo)電路徑?？刂崎_關(guān)214提供感測電流匯合或者返回到通過主晶體管的電流的路徑，并且因此減小了系統(tǒng)中的損耗?？刂崎_關(guān)214也包括控制端子，在該示例中所述控制端子由控制FET的柵極來提供?？刂贫俗优c差分放大器212的輸出相連。
[0098]功率晶體管206是電路中唯一的“熱”部件，因?yàn)榕月烽_關(guān)108只在小電流下操作。另外，通過感測電阻器219的電流小于按照大電流操作模式在第一端子和第二端子202、204之間通過的總電流，因?yàn)橹挥锌傠娏鞯囊徊糠滞ㄟ^感測電阻器219。因此避免了大電流分流電阻器和相關(guān)聯(lián)的安全性考慮。只有單獨(dú)“熱”部件的設(shè)置也有利地減小了電路200的熱管理要求。
[0099]電流測量電路200可以用作高側(cè)測量電路或者低側(cè)測量電路，在高側(cè)測量電路的情況下第一端子204與電源相連、而第二端子206與負(fù)載相連，在低側(cè)測量電路的情況下第一端子204與負(fù)載相連、而第二端子206接地。高側(cè)測量可以展現(xiàn)出公共地的優(yōu)勢。低側(cè)測量意味著負(fù)載的地通過測量電路200與電源地相分離，導(dǎo)致了分離的地拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?？梢杂欣乇苊夥蛛x的地，以便可以自由地互連地以限定低噪聲公共信號基準(zhǔn)。然而，高側(cè)測量可能導(dǎo)致控制電路的附加復(fù)雜性，因?yàn)楦邆?cè)測量要求DC/DC上轉(zhuǎn)換器來驅(qū)動控制電路。通常，低側(cè)測量可以在低復(fù)雜度、良好包含的系統(tǒng)中使用，而高側(cè)測量可以有利地用于更復(fù)雜的系統(tǒng)。
[0100]圖3說明了與圖2a類似的電流測量電路300的示意圖，示出了控制器318的附加細(xì)節(jié)。
[0101]在該示例中，差分放大器312、控制開關(guān)314和感測電阻器319設(shè)置在相同的器件封裝中。諸如旁路開關(guān)308和/或輸出放大器310之類的其他部件也可以設(shè)置在器件封裝內(nèi)。諸如功率晶體管106之類的“熱”部件可以設(shè)置在分離的封裝中。替代地，功率晶體管106可以設(shè)置在與旁路開關(guān)308相同的器件封裝中，以便減少部件管腳。將旁路開關(guān)308和功率晶體管306設(shè)置在相同封裝中也意味著這些部件的溫度將是類似的，并且因此減小了測量時可能的溫差效應(yīng)。實(shí)際上，功率晶體管306和旁路開關(guān)308可以設(shè)置在相同的管芯/襯底上。
[0102]控制器318執(zhí)行圖2的控制器的功能，并且包括微控制器320、過載檢測器322和敏捷控制電路324?？刂破?18可以可選地包括過溫檢測器326。過溫檢測器326可以與可選的溫度傳感器328 (例如設(shè)置在與功率晶體管306相同封裝中的溫度感測二極管)相連。
[0103]微控制器320可以通過諸如多路復(fù)用器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、微處理器、存儲器和其他外圍電路之類的傳統(tǒng)硬件來提供。多路復(fù)用器從輸出放大器310接收電流信號、并且從溫度傳感器328接收溫度指示。ADC320將放大器310提供的電流信號數(shù)字化。通過小電流路徑和大電流路徑的提供也減小了對于ADC的設(shè)計(jì)限制，因?yàn)槿缟纤觯ㄟ^感測比減小了放大器輸出信號的動態(tài)范圍。因此，也減小了需要通過ADC數(shù)字化的信號的動態(tài)范圍。
[0104]可以將數(shù)字化的信號提供為電流監(jiān)測電路300的輸出。微控制器320配置為根據(jù)數(shù)字化的信號向敏捷控制電路324發(fā)送命令。微控制器320也可以從敏捷控制電路324接收信息，所述信息使能微控制器320根據(jù)電路是處于大電流操作模式還是處于小電流操作模式來處理數(shù)字化的信號。如上所述，可能要求這種信息以便正確地解釋ADC輸出信號的范圍，以便向輸出信號施加正確的縮放因子，并且確定第一端子和第二端子302、304之間的總電流。同樣，應(yīng)該知曉操作模式以便施加正確的閾值。
[0105]當(dāng)初始化時，微控制器320可以假設(shè)大電流通過第一端子和第二端子302、304之間，并且因此命令敏捷控制電路使能功率FET 306并且禁用旁路開關(guān)308。這可以是安全性預(yù)防以便減小大電流通過感測電阻器319的可能性。
[0106]過載檢測器322配置為從輸出放大器310接收電流信號，并且當(dāng)電流信號大于過載電平時向敏捷控制電路324提供過流信號。如果電流信號大于過載電平，這意味著通過感測電阻器319的電流太高。因此，將過載檢測器322作為專用電路提供以確保通過敏捷控制電路324盡可能快地停止過載。如果電流信號太高，過載檢測器322向敏捷控制電路324發(fā)送過載信號，如果先前使能了旁路開關(guān)，所述過載信號使能功率FET 306并且禁用旁路開關(guān)308 ;或者如果先前使能了功率FET 306，所述過載信號禁用兩個路徑。
[0107]微控制器320可以在使能功率晶體管306并且數(shù)字化的信號下降到小于閾值電平的情況下命令敏捷控制電路324使能旁路開關(guān)308并且禁用功率晶體管306，表示小電流在第一端子和第二端子之間流動。通過從測量大電流路徑改變到小電流路徑，可以如上所述改進(jìn)測量的精度。
[0108]微控制器320可以提供可開關(guān)熔絲的功能。作為熔絲，其可以通過微控制器接通/關(guān)斷。作為熔絲，如果電流超過給定閾值，兩個支路都被關(guān)斷，使得沒有電流流到負(fù)載?？梢栽陬A(yù)定的時間段之后或者響應(yīng)于用戶輸入來通過微控制器復(fù)位熔絲。
[0109]這里描述為“耦接”或“連接”的任意部件可以直接或間接耦接或連接。也就是說，一個或多個部件可以位于描述為耦接或連接的兩個部件之間，同時仍然使能實(shí)現(xiàn)所要求的功能。
【權(quán)利要求】
1.一種電流測量電路，用于提供對第一端子和第二端子之間的電流加以表示的電流信號，所述電流測量電路包括: 主晶體管，具有主漏極、主源極和主柵極，其中主漏極和主源極限定了主漏極-源極路徑，主漏極與第一端子相連，主源極與第二端子相連，并且主柵極與第一控制端子相連；感測晶體管，具有感測漏極、感測源極和感測柵極，其中感測漏極和感測源極限定了感測漏極-源極路徑，感測漏極與第一端子相連，并且感測柵極與第一控制端子相連； 芳路開關(guān)，具有: 可控導(dǎo)電路徑，在第一端子和第二端子之間與主晶體管的主漏極-源極路徑并聯(lián)連接；以及 第二控制端子，用于使能或阻止電流通過可控導(dǎo)電路徑； 輸出放大器，具有: 輸入端，與感測晶體管的感測源極和旁路開關(guān)的可控導(dǎo)電路徑兩者相連；以及 輸出端，用于提供電流信號；以及 控制器，配置為根據(jù)電流信號來設(shè)置第一控制端子的第一控制信號以及第二控制端子的第二控制信號，以便使能電流通過: 主晶體管和感測晶體管的每一個相應(yīng)漏極-源極路徑；或者 旁路開關(guān)的可控導(dǎo)電路徑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流測量電路，其中控制器配置為: 如果使能電流通過可控導(dǎo)電路徑，則當(dāng)電流信號大于第一閾值時，設(shè)置第一控制信號以便使能電流通過主晶體管和感測晶體管的每一個相應(yīng)漏極-源極路徑，并且設(shè)置第二控制信號以便阻止電流通過旁路開關(guān)的可控導(dǎo)電路徑；以及 如果使能電流通過主晶體管和感測晶體管的每一個相應(yīng)漏極-源極路徑，則當(dāng)電流信號小于第二閾值時，設(shè)置第一控制信號以便阻止電流通過主晶體管和感測晶體管的每一個相應(yīng)漏極-源極路徑，并且設(shè)置第二控制信號以便使能電流通過旁路開關(guān)的可控導(dǎo)電路徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電流測量電路，其中控制器配置為: 如果使能電流通過主晶體管和感測晶體管的每一個相應(yīng)漏極-源極路徑，則當(dāng)電流信號超過第三閾值時，設(shè)置第一控制信號以便阻止電流通過主晶體管和感測晶體管的每一個相應(yīng)漏極-源極路徑，并且設(shè)置第二控制信號以便阻止電流通過旁路開關(guān)的可控導(dǎo)電路徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電流測量電路，其中控制器配置為:在已經(jīng)超過第三閾值的情況下，響應(yīng)于用戶輸入或者在預(yù)定的時間間隔之后，設(shè)置第一控制信號以便使能電流通過旁路開關(guān)的可控導(dǎo)電路徑和主晶體管和感測晶體管的每一個相應(yīng)漏極-源極路徑。
5.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的電流測量電路，其中主晶體管的漏極面積至少比感測晶體管的漏極面積大一個數(shù)量級，其中感測比定義為主晶體管的漏極面積與感測晶體管的漏極面積之比。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電流測量電路，其中第一閾值近似等于第二閾值除以感測比。
7.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的電流感測電路，其中主晶體管和感測晶體管設(shè)置在相同的管芯上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電流感測電路，其中主晶體管和感測晶體管由電流感測晶體管構(gòu)成。
9.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的電流測量電路，包括:感測電阻器，配置為接收流過感測晶體管的漏極-源極路徑的電流或流過旁路開關(guān)的電流，并且其中放大器是配置為對感測電阻器兩端的電壓進(jìn)行放大的電壓放大器。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電流感測電路，其中感測電阻器具有第一連接和第二連接，其中第一連接與旁路開關(guān)以及感測晶體管的感測源極相連，并且第二連接與第二端子相連。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的電流感測電路，還包括: 具有可控導(dǎo)電路徑的控制開關(guān)，可控導(dǎo)電路徑串聯(lián)地設(shè)置在感測晶體管的感測源極和感測電阻器的第一連接之間；以及 電壓設(shè)置電路，配置為根據(jù)主晶體管的源極電壓來設(shè)置感測晶體管的源極電壓；其中控制開關(guān)包括控制端子，并且電壓設(shè)置電路包括差分放大器，所述差分放大器具有與主晶體管的源極相連的反相輸入端、與感測晶體管的源極相連的非反相輸入端以及與控制開關(guān)的控制端子相連的輸出端。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的電流測量電路，其中輸出放大器是電流放大器。
13.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的電流測量電路，其中輸出放大器是單一的模擬放大器。
14.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的電流測量電路，其中旁路開關(guān)是場效應(yīng)晶體管，所述場效應(yīng)晶體管具有限定其可控導(dǎo)電路徑的源極和漏極。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電流測量電路，其中主晶體管、感測晶體管和/或旁路開關(guān)設(shè)置在相同的管芯上。
【文檔編號】G01R19/00GK104422810SQ201410424334
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2014年8月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月27日
【發(fā)明者】史蒂文·埃爾茲 申請人:恩智浦有限公司