电流测量电路的制作方法

电流测量电路的制作方法
【专利摘要】一种电流测量电路，包括：主晶体管，具有：与第一控制端子相连的主栅极；限定了主漏极-源极路径的与第一端子相连的主漏极和与第二端子相连的主源极；感测晶体管，具有：与第一控制端子相连的感测栅极；限定了感测漏极-源极路径的与第一端子相连的感测漏极和感测源极；旁路开关，具有：可控导电路径，与主漏极-源极路径并联连接；以及第二控制端子，使能或阻止电流通过可控导电路径；输出放大器，具有：输入端，与感测源极和可控导电路径相连；输出端，提供电流信号；以及控制器，根据电流信号设置第一控制端子的第一控制信号和第二控制端子的第二控制信号，以使能电流通过主晶体管和感测晶体管的每个相应漏极-源极路径或者可控导电路径。
【专利说明】电流测量电路

【技术领域】
[0001]本公开涉及一种电流测量电路，用于提供对第一端子和第二端子之间的电流加以表示的电流信号。具体而非排他地，本公开涉及一种包括电流感测功率场效应晶体管(FET)的电流测量电路。

【背景技术】
[0002]在许多应用中要求可以确定负载中流过的电流量的电路。可能需要电流测量电路来检测可能损坏电子部件的电流电平，例如可能引起过热的电流电平。一旦确定，可以相应地控制电流电平。


【发明内容】

[0003]根据本发明的第一方面，提出了一种电流测量电路，用于提供对第一端子和第二端子之间的电流加以表示的电流信号，所述电流测量电路包括:
[0004]主晶体管，具有主漏极、主源极和主栅极，其中主漏极和主源极限定了主漏极-源极路径，主漏极与第一端子相连，主源极与第二端子相连，并且主栅极与第一控制端子相连；
[0005]感测晶体管，具有感测漏极、感测源极和感测栅极，其中感测漏极和感测源极限定了感测漏极-源极路径，感测漏极与第一端子相连，并且感测栅极与第一控制端子相连；
[0006]旁路开关，具有:
[0007]可控导电路径，在第一端子和第二端子之间与主晶体管的主漏极-源极路径并联连接；以及
[0008]第二控制端子，用于使能或阻止电流通过可控导电路径；
[0009]输出放大器，具有:
[0010]输入端，与感测晶体管的感测源极和旁路开关的可控导电路径两者相连；以及
[0011]输出端，用于提供电流信号；以及
[0012]控制器，配置为根据电流信号来设置第一控制端子的第一控制信号以及第二控制端子的第二控制信号，以便使能电流通过:
[0013]主晶体管和感测晶体管的每一个相应漏极-源极路径；或者
[0014]旁路开关的可控导电路径。
[0015]通过提供与主晶体管和感测晶体管并联的旁路开关，可以通过一个路径测量大电流并且通过第二路径测量小电流。提供给输出放大器的输入端的电流值的范围可以小于测量的电流值的范围，因此可以减小输出放大器的动态范围。因此，可以减小所要求的放大器的复杂度。相反，可以改进放大器在动态范围内的精度。同样，当两个路径都使用公共放大器时，可以减小电路的复杂度.
[0016]控制器可以配置为:如果使能电流通过可控导电路径，则当电流信号大于第一阈值时，设置第一控制信号以便使能电流通过主晶体管和感测晶体管的每一个相应漏极-源极路径，并且设置第二控制信号以便阻止电流通过旁路开关的可控导电路径。控制器可以配置为:如果使能电流通过主晶体管和感测晶体管的每一个相应漏极-源极路径，则当电流信号小于第二阈值时，设置第一控制信号以便阻止电流通过主晶体管和感测晶体管的每一个相应漏极-源极路径，并且设置第二控制信号以便使能电流通过旁路开关的可控导电路径。
[0017]控制器可以配置为:如果使能电流通过主晶体管和感测晶体管的每一个相应漏极-源极路径，则当电流信号超过第三阈值时，设置第一控制信号以便阻止电流通过主晶体管和感测晶体管的每一个相应漏极-源极路径，并且设置第二控制信号以便阻止电流通过旁路开关的可控导电路径。
[0018]控制器可以配置为:在已经超过第三阈值的情况下，响应于用户输入或者在预定的时间间隔之后，设置第一控制信号以便使能电流通过旁路开关的可控导电路径和主晶体管和感测晶体管的每一个相应漏极-源极路径。
[0019]主晶体管的漏极面积可以至少比感测晶体管的漏极面积大一个数量级。感测比定义为主晶体管的漏极面积与感测晶体管的漏极面积之比。第一阈值可以近似等于第二阈值除以感测比。
[0020]主晶体管和感测晶体管可以设置在相同的衬底/管芯上。主晶体管和感测晶体管可以由电流感测晶体管构成。
[0021]电流感测晶体管可以是电路所需要的唯一“热”部件，因为旁路开关只用于小电流。因为可以避免大电流分流电阻器，所以可以避免与大电流分流电阻器的使用有关的安全性考虑。
[0022]电流测量电路可以包括感测电阻器，配置为接收流过感测晶体管的漏极-源极路径的电流或流过旁路开关的电流，并且其中放大器是电压放大器。该放大器可以配置为对感测电阻器两端的电压进行放大。
[0023]感测电阻器可以具有第一连接和第二连接。第一连接可以与旁路开关以及感测晶体管的感测源极相连。第二连接可以与第二端子相连。
[0024]电流测量电路可以包括具有可控导电路径的控制开关。可控导电路径可以串联地设置在感测晶体管的感测源极和感测电阻器的第一连接之间。
[0025]电流测量电路可以包括电压设置电路，配置为根据主晶体管的源极电压来设置感测晶体管的源极电压。控制开关可以包括控制端子。电压设置电路可以包括差分放大器，所述差分放大器具有与主晶体管的源极相连的反相输入端、与感测晶体管的源极相连的非反相输入端以及与控制开关的控制端子相连的输出端。
[0026]放大器可以是电流放大器。放大器可以是单一的模拟放大器。
[0027]旁路开关可以是场效应晶体管，所述场效应晶体管具有限定其可控导电路径的源极和漏极。
[0028]主晶体管、感测晶体管和/或旁路开关可以设置在相同的器件封装中。主晶体管、感测晶体管和/或旁路开关可以设置在相同的管芯上。
[0029]可以提供一种包括这里公开的任意电流感测电路的车辆。

【专利附图】

【附图说明】
[0030]现在将参考附图通过示例描述实施例，其中:
[0031]图1示出了电流测量电路的示意图；
[0032]图2a示出了另一个电流测量电路的电路图；
[0033]图2b示出了图2a的电流测量电路的示例总电流分布和相应的输出；以及
[0034]图3示出了图2a的电流测量电路的示意图和相关联控制器的方框图。

【具体实施方式】
[0035]这里公开的实施例涉及电流测量电路，所述电流测量电路可以设置为用于智能功率开关的自动范围缩放解决方案的一部分，以使能宽动态范围的电流监测。电流测量电路也可以用于当测量大电流时的过载保护。
[0036]分流电阻器常用于电流测量电路中。为了将额定最大电流下分流电阻器中的电压降和功耗最小化，分流电阻应该较小。因此，分路两端可测量的电压对于小电流将较低。如果需要测量较宽范围的电流，对分路两端的电压进行放大的输出放大器的放大要求可能超过可行要求。这种限制主要是由于输出放大器的偏移电压导致的。现有技术的稳定放大器可以具有小至几个微伏μ V的偏移电压。如果要求高侧电流感测，如针对不具有分割地的应用所要求的，放大器也必须提供足够的共模抑制。具有低至几个毫伏mV的偏移电压的高侧电流感测放大器以及其中在多个分流电阻器之间实现选择的手动调节方案可以用于多用测量设备，但可能不够满足在一些电流测量应用中所要求的较宽电流范围内提供准确和精确测量的要求。
[0037]诸如电流感测功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)之类的电流感测晶体管提供用于保护电子电路免受过流条件的有效装置，并且提供测量负载电流的低损耗方法；在一些示例中，它们可以消除对于大电流分流电阻器的需要。这种功率晶体管技术实现了以低电压降切换大电流，并且同时提供根据固定感测比η的无分流电流测量。
[0038]电流感测功率MOSFET可以包括在并联设置的公共衬底/管芯上的几千个晶体管单元，并且共享公共漏电极和栅电极。电流感测功率MOSFET内的每一个晶体管单元或元件是相同的，使得在电流感测功率MOSFET的漏极端子处施加的电流在每一个晶体管单元或元件之间同样地共享。在这些设计中，几个晶体管的源电极与其余的源电极分离，并且与分离的源极端子相连。因此，可以认为得到的电流感测MOSFET等价于两个并联的晶体管，这两个晶体管具有公共的栅极端子和漏极端子，但是具有分离的源极端子。这两个晶体管可以称作包括大部分晶体管单元的主FET和包括少得多的晶体管单元的感测FET。感测比η由主FET的漏极面积除以感测FET的漏极面积来限定。对于电流感测晶体管(也称作感测功率晶体管)的更多细节在NXP公司2009年6月24日rev.02的申请编号AN10322、题为 “current sensing power MOSFETs” 中提供，通过 NXP 公司的网站可查阅:http://www.nxp.com/documents/applicat1n note/AN10322.pdf.
[0039]对于其中需要在合理的精度下测量较大范围的不同电流的应用，例如ΙΟΟμΑ至100Α,需要与感测FET的源极相连的放大器具有非常大的动态范围，以便能够适当地感测整个电流范围。这种放大器由于其复杂性、不灵敏性、功耗或成本而导致对于许多应用是无法实施的。
[0040]图1说明了在输出115处提供对第一端子102和第二端子104之间的电流加以表示的电流信号的电流感测电路100的示意图。电流感测电路100包括电流感测功率晶体管
106、旁路开关108、输出放大器110和控制器118。
[0041]除了功率晶体管106之外还提供旁路开关108允许电流测量电路100提供:(i)通过功率晶体管106的大电流路径，用于测量相对较大的电流；以及(ii)通过旁路开关108的小电流路径，用于测量相对较小的电流。可以通过输出放大器测量通过小电流路径和大电流路径的电流。这种结构允许减小放大器的动态范围要求，如下所述。
[0042]功率晶体管106可以是诸如在NXP申请编号AN10322中描述的功率FET，并且典型地包括许多子晶体管。这些子晶体管可以看作是分组为主晶体管和感测晶体管。
[0043]主晶体管具有主漏极、主源极105和主栅极。主漏极和主源极105限定了主漏极-源极路径。感测晶体管具有感测漏极、感测源极107和感测栅极。感测漏极和感测源极107限定了感测漏极-源极路径。
[0044]主漏极和感测漏极均与第一端子102相连。主栅极和感测栅极每一个均与第一控制端子109相连。因此，认为主晶体管和感测晶体管具有公共漏极(D)和公共栅极(G)。第一控制端子109可以从控制器118接收第一控制信号，用于使能或防止电流通过功率晶体管106的每一个相应漏极-源极路径。
[0045]在使用中，感测晶体管只传导施加至公共漏极端子的电流的一小部分，所述部分与感测比η成反比，所述感测比是依赖于主晶体管中晶体管单元的个数与感测晶体管中晶体管单元的个数之比的电流比(假设每一个晶体管具有相同的漏极面积)。针对将感测晶体管和主晶体管的源极端子105、107保持在相同电势的条件来限定感测比。
[0046]为了确定第一端子102和第二端子104之间的电流，测量功率晶体管106的感测源极107处的电流。这样测量的电流表示在感测晶体管的漏极-源极电流路径中的电流。可以将功率晶体管106的感测源极107处测量的电流与感测比η相乘，以便确定通过主晶体管的漏极-源极电流路径的电流。可以将第一端子102和第二端子104之间的总电流确定为通过感测晶体管的漏极-源极电流路径和主晶体管的漏极-源极电流路径的电流之和。当η较大时，总电流可以近似为主晶体管的漏极-源极路径中的电流。
[0047]主晶体管的漏极-源极路径连接在第一端子和第二端子102、104之间，使得当使能公共栅极时，电流可以流过功率晶体管106。当电流通过功率晶体管106时，总电流的大部分通过主晶体管，而总电流的较小的固定部分通过感测晶体管的漏极-源极路径部分。
[0048]旁路开关108具有在第一端子和第二端子102、140之间与主晶体管的漏极-源极路径并联连接的可控导电路径。旁路开关108具有第二控制端子111，所述第二控制端子可以从控制器118接收第二控制信号，以便使能或防止电流通过可控导电路径。
[0049]按照这种方式，将两个电流路径并联地设置在第一端子和第二端子102、104。在第一电流路径中，电流通过第一端子102和第二端子104之间的功率晶体管106。这可以被称作大电流路径，因为其用于承载相对较大的电流。在第二电流路径中，电流通过第一端子102和第二端子104之间的旁路开关108。这可以被称作小电流路径，因为其用于承载较小的电流。
[0050]控制器118通过适当地控制旁路开关108和功率晶体管106使能在大电流操作模式下使用第一大电流路径测量大电流，并且在小电流操作模式下使用第二小电流路径测量小电流。控制器118的这种操作导致了输出放大器110对通过适当路径的电流进行放大，使得可以按照有效地方式确定第一端子和第二端子102、104之间的总电流。具体地，在高操作模式下，放大器将总电流的在第一端子102和第二端子104之间流动的那部分进行放大。这是因为感测晶体管根据感测比η将通过功率晶体管106的电流的小部分分接出来。当通过感测晶体管的电流电平变得太低以至于不能被输出放大器110适当地放大时，控制器18切换到小电流操作模式，使得代替地将通过旁路开关208的电流提供给输出放大器210的输入。在这种切换之后，提供给输出放大器110的输入的电流的电平将增加，使得所述电平高到足够输出放大器110适当地进行处理。
[0051]输出放大器110具有与小电流路径和大电流路径都相连的输入113，以便依赖于通过控制器118如何设置第一和第二控制信号来接收与流过功率晶体管106或旁路开关108的电流相关的信号。将输出放大器110的输入113参考第二端子104处的信号进行放大。输出放大器110可以包括公共放大器级，并且可以是电压或电流放大器。输出放大器110也具有输出115，所述输出配置为根据被使能的电流路径中的电流来提供电流信号。按照这种方式，公共输出放大器级可以配置为对在小电流路径或大电流路径的任一个上的信号进行放大。公共输出放大器级可以是单一的输出放大器110。
[0052]控制器118配置为根据在放大器110的输出115处提供的电流信号，确定是按照高功率操作模式还是低功率操作模式操作。控制器118配置为使能电流通过以下的任一个:(i)通过在大电流操作模式下设置针对第一控制端子109的第一控制信号来使能电流通过主晶体管和感测晶体管的每一个相应漏极-源极路径(大电流路径)；或者(ii)通过在小电流操作模式下设置针对第二控制端子111的第二控制信号来使能电流通过旁路开关108的可控导电路径(小电流路径)。应该理解的是应该控制功率晶体管106和旁路开关108，使得不能同时使能它们两者，因为这将引起一些电流在每一个路径中流动。
[0053]控制器118还配置为如果第一端子102和第二端子104之间的电流达到或者超过最大电流电平，则禁止电流通过小电流路径和大电流路径两者。在已经经过预定的时间间隔之后或者响应于用户输入，控制器随后可以重新使得电流通过大电流路径。按照这种方式，电流测量电路可以用作可复位熔丝。下面参考图2a、2b和3进一步讨论控制器的操作。
[0054]图2a说明了另一个电流测量电路200的电路图。电流测量电路200的许多元件与图1a的电流测量电路的元件类似，并且不必再参考图2a进行讨论。通常，向附图中类似的部件按照相应的序列分配参考数字。
[0055]主晶体管的主源极205包括两个触点:大电流源极触点(S)和开尔文(Kelvin)源极触点(K)。大电流源极触点(S)可以通过诸如接合引线之类的阻抗来提供，使其可以处理相对较大的电流。开尔文源极触点(K)与主晶体管的主源极端子205相连，以便提供主晶体管源极电势的精确确定。
[0056]旁路开关208通过旁路晶体管提供，在该示例中所述旁路晶体管是场效应晶体管(FET)，但是也可以设置为双极结型晶体管。旁路开关208具有第二控制端子211，在该示例中所述第二控制端子由旁路FET的栅极提供。
[0057]电流测量电路200也包括差分放大器212 (除了参考图1描述的输出放大器210之外)、控制开关214和感测电阻器219。因为在该示例中输出放大器210是电压放大器，使用感测电阻器219。应该理解的是如果代替地使用电流放大器，则不需要感测电阻器219。
[0058]感测电阻器219配置为依赖于使能小电流路径还是大电流路径来接收流过感测晶体管的漏极-源极路径的电流或者流过旁路开关208的电流。感测电阻器219具有第一连接216和第二连接217。感测电阻器219的第一连接216与旁路FET 208的漏极相连，并且也如下面进一步详细讨论的选择性地与感测晶体管的感测源极207相连。感测电阻器219的第二连接217与电流感测电路200的第二端子204相连。因此，感测电阻器219两端的电压降依赖于电流测量电路200是按照大电流模式还是小电流模式操作、而与在第一端子202和第二端子204之间通过功率晶体管206或者旁路FET208的任一个的电流成正比。控制器218根据输出电流信号242确定按照哪一种模式操作，如下面参考图2b的示例所讨论的。
[0059]输出放大器210 (在该示例中是电压放大器)配置为对感测电阻器219两端的电压降进行放大，并且在其输出215处提供电流信号。
[0060]控制器218配置为在大电流模式下，通过设置针对第一控制端子209的第一控制信号，使能电流通过由功率晶体管206提供的大电流路径。控制器218还配置为在大电流模式下，通过相应地设置针对第二控制端子111的第二控制信号来防止电流通过小电流路径(由芳路开关108提供)。
[0061]在大电流模式下，感测电阻器219两端的电压降Vhigh是:
[0062]Vhigh — R.1sense — R.1 卜2/n
[0063]其中R是感测电阻器219的电阻，Isense是通过感测晶体管的漏极-源极电流，I1^2是第一端子202和第二端子204之间的总电流，以及“η”是功率晶体管206的感测比。也就是说在大电流模式下，感测电阻器219两端的电压降与总电流除以感测比(或者以感测比缩放总电流)成正比。
[0064]控制器218配置为在小电流模式下，通过设置第二控制端子111的第二控制信号，来使能电流通过由旁路开关108提供的小电流路径。控制器218也配置为在小电流模式下，通过相应地设置第一控制端子209的第一控制信号来阻止电流通过大电流路径。
[0065]在小电流模式下，感测电阻器219两端的电压降V1ot是:
[0066]Vlow = R.1卜2
[0067]也就是说，在小电流模式下，感测电阻器219两端的电压降与总电流成正比。
[0068]因为I"大于Isense,当操作模式从大电流模式改变为小电流模式时，感测电阻器219两端的电压降将增加。类似地，当从小电流模式改变为大电流模式时，电压将下降。按照这种方式，展现给输出放大器210的输入的电压值的范围将小于仅使用第一端子202和第二端子204之间的单电流测量路径的情况。在图2b中图表地示出了这种情况、并且下面将更加详细地描述。
[0069]例如，感测电阻器219可以具有几个毫欧至几欧姆的电阻，并且因此导致了较小的电压降。典型地，选择感测电阻器219的电阻小于主晶体管导通(包括任意接合引线)时的漏极-源极路径的电阻。整体上来说，电流测量电路200因此可以汲取较小的静态电流。
[0070]输出放大器210基于感测电阻器219两端的电压降，提供电流信号作为对电流测量器件的第一端子和第二端子202、204之间的电流加以表不的放大器输出信号。输出放大器210可以通过单一的模拟放大器提供，可以将其称作公共放大器，因为其对于通过功率晶体管206的电流路径(大电流路径)和通过旁路FET 208的电流路径(小电流路径)是公共的。
[0071]图2b在上部曲线中说明了在第一端子和第二端子202、204之间流动的总电流I"的示例分布240。总电流I"具有在O和I",.安培之间的范围。由图2a的输出放大器210的输出215提供的相应电流信号242、243在下部曲线中示出。在该示例中，电流信号242、243等于感测电阻器219两端的电压降乘以输出放大器210的增益G(假设输出放大器按照线性模式操作)。
[0072]在该示例中，针对电流分布起始处的时间段施加大电流操作模式250。大电流操作模式中的电流信号242表示总电流1^240除以功率晶体管的感测比η。也就是说在大电流模式下，电流信号242具有电压V242:
[0073]V242 — G.R.1sense
[0074]= G.R.L_2/n
[0075]在大电流流动时，使总电流I"流过感测电阻器219 (分流电阻器)是不适当的，因为这样使用可能导致:i)感测电阻器219和旁路晶体管208过热；ii)感测电阻器两端上过大的电压降，或者iii)电流超过输出放大器210的最大预期范围(饱和阈值)。
[0076]大电流操作模式250继续，直到电流信号242下降小于第一阈值电平260为止。也就是说，控制器218配置为使得如果电路处于大电流操作模式250，当电流信号242小于第一阈值260时控制器218切换到小电流操作模式252。在该示例中，将第一阈值260直接与电流信号进行比较。
[0077]在小电流操作模式下，电流信号243不再除以感测比η。因此，当操作模式改变时存在电流信号中的不连续性，如在图2b的下部曲线中可以看到的。
[0078]电路保持在小电流操作模式252，直到电流信号243上升大于第二阈值电平262。也就是说，控制器218配置为使得如果电路处于小电流操作模式252，当电流信号243变得大于第二阈值262时控制器218切换到大电流模式254。在该示例中，将第二阈值262与电流信号直接进行比较。可以将第一和第二阈值电平260、262设置为使得提供滞后作用。
[0079]第一阈值电平260可以设置为使得小电流操作模式250中的电流信号242的最大值大致等于(但是由于滞后作用而低于)大电流操作模式252中的电流信号243的最大值。
[0080]这可以有效地使用将接收电流信号的输出放大器的动态范围。因为电流信号242、243中的不连续性是由于感测比η的撤回或施加，可以将第一阈值大致地设置为大电流操作模式250中的电流信号242的最大值除以感测比η。也就是说，可以将第一阈值260设置为用于与大电流模式中的电流信号242的电压V242进行比较的电压V26tl:
[0081]V260 — G.R.1sense, max/n
[0082]= G.R.11^2jfflax/!!2,
[0〇83]其中Isense,max是允许流过感测晶体管的最大电流，并且ISENSE,max = 11-2, max/11 °
[0084]可以将当电路处于小电流操作模式252时使用的第二阈值电平262设置为使得当电路切换到小电流操作模式时，当电流信号242达到电流信号242的最大值或者略微超过电流信号242的最大值时电路立即改变为大电流操作模式。因此，可以将第二阈值262设置为用于与小电流模式中的电流信号243的电压V243进行比较的电压V262:
[0085]V262 = G.R.11^2jmaxZn.
[0086]如下部曲线中所示，放大器210的饱和电压256在大电流操作模式250、254和小电流操作模式252中均大于电流信号的最大电平。因为当改变操作模式时的不连续性，由于电流信号中的重叠，饱和电压256可以有利地小于当输出放大器只从单一的电流路径接收输入信号时将要求的电压。如果电流信号超过饱和电压256,那么输出放大器210将饱和，导致了输出电流信号的精度损耗。
[0087]控制器218还配置为提供电流过载保护功能。也就是说，当总电流超过最大阈值266,268时，控制器设置“无电流操作模式”，其中禁止电流通过功率晶体管和旁路开关。也就是说，控制器218也配置为如果第一端子和第二端子202、204之间的电流达到或超过最大电流电平I",_，则禁止电流通过小电流路径和大电流路径两者。
[0088]在图2b中，在下部曲线中参考大电流操作模式中的电流信号242说明了最大阈值266。如果电路在大电流模式250、254下操作并且电流信号242将要超过最大阈值266，那么控制器218将设置第一控制信号以便阻止电流通过主晶体管和感测晶体管的每一个相应漏极-源极路径，并且将设置第二控制信号以便阻止电流通过旁路开关208的可控导电路径。最大阈值266可以设置为电压V266，所述电压与大电流模式250、254下可能通过的最大电流电平相关。也就是说:
[0089]V266 — G.R.1sense, max
[0090]=GlImAi
[0091]也就是说，与大电流操作模式250中的电流信号242进行比较的最大阈值266的电压电平V266可以和与小电流操作模式252中的电流信号243进行比较的第二阈值262的电压电平V262相同。应该理解的是即使最大阈值266和第二阈值262具有相同的电压电平，当在不同的操作模式下应用它们时，它们与总电流1卜2的不同值相对应。
[0092]在已经阻止电流超过以停止过载条件之后，控制器218可以在经过预定的时间间隔之后或者响应于用户输入随后重新使得电流通过大电流路。按照这种方式，电流测量电路可以用作可复位熔丝。
[0093]在替代实施例中，控制器可以根据已知的操作模式来处理电流信号，以便确定在第一端子和第二端子202、204之间的总电流I"的值。然后，可以如图2b的顶部曲线所示，将单一的阈值电平264施加至I"以确定电路应该按照大电流操作模式还是小电流操作模式操作。替代地，可以将一对密切相关的阈值施加至1卜2以便提供滞后作用。类似地，可以将最大阈值268施加至总电流I"以确定是否切换到“无电流操作模式”。应该理解的是总电流U40是从电流信号242、243得出的，因此总电流U40与阈值264、268的比较允许根据电流信号间接地控制电路中的电流。
[0094]对于必须处理16: I范围电流、并且具有感测比η为1000的功率晶体管的电流测量电路，通过提供分离的小电流路径和大电流路径可以将公共输出放大器210所要求的动态范围减小至13: I。这是因为输出放大器210的输入213必须处理的电流/电压值的范围小于在第一端子202处接收的电流值的范围，如图2b所示。因此，可以减小对于输出放大器210的设计的限制。因此，电流感测电路200可以使用公共输出放大器210实现足够精确和足够缩放范围的电流感测。利用校准，可以实现整个动态范围上百分之几范围内的电流测量精度。在没有校准的情况下，由于感测比的典型乘积展宽，大电流的精度可以限制为约10%。在将感测晶体管置于与主晶体管相同温度的示例中(例如因为它们在相同的管芯/衬底上)，通常不要求温度补偿。
[0095]返回图2a，差分放大器212是电压设置电路的示例，所述电压设置电路配置为根据主晶体管的源极电压来设置感测晶体管的源极电压，以便补偿两个源极之间的电势差。例如，这种差异可能是由于电路中的损耗产生的。这种结构可以称为提供虚拟地。用于读取感测电流的虚拟地电流感测技术可以在电流感测电路200的操作温度范围内提供在精度和抗噪方面的改进性能。
[0096]差分放大器212具有与主晶体管的主源极205的开尔文源极触点(K)相连的反相输入端、与感测晶体管的感测源极207相连的非反相输入端以及用于对控制开关214进行控制的输出。差分放大器212通过最小化或者减小其反相输入端和非反相输入端之间信号的任意电势差来保持平衡。因此，将感测晶体管的感测源极207处的电势与主晶体管的开尔文源极(K)处的电势平衡。按照这种方式，可以保持流过感测晶体管的漏极-源极路径的电流和流过主晶体管的漏极-源极路径的电流之间的恒定比率，并且因此感测比η可以用于根据大电流操作模式中的电流信号来精确地计算总电流。
[0097]在该示例中控制开关214由控制FET提供，然而应该理解的是也可以使用双极型晶体管。控制开关214具有串联地设置在感测FET的源极和感测电阻器219的第一连接216之间的可控导电路径。控制开关214提供感测电流汇合或者返回到通过主晶体管的电流的路径，并且因此减小了系统中的损耗。控制开关214也包括控制端子，在该示例中所述控制端子由控制FET的栅极来提供。控制端子与差分放大器212的输出相连。
[0098]功率晶体管206是电路中唯一的“热”部件，因为旁路开关108只在小电流下操作。另外，通过感测电阻器219的电流小于按照大电流操作模式在第一端子和第二端子202、204之间通过的总电流，因为只有总电流的一部分通过感测电阻器219。因此避免了大电流分流电阻器和相关联的安全性考虑。只有单独“热”部件的设置也有利地减小了电路200的热管理要求。
[0099]电流测量电路200可以用作高侧测量电路或者低侧测量电路，在高侧测量电路的情况下第一端子204与电源相连、而第二端子206与负载相连，在低侧测量电路的情况下第一端子204与负载相连、而第二端子206接地。高侧测量可以展现出公共地的优势。低侧测量意味着负载的地通过测量电路200与电源地相分离，导致了分离的地拓扑结构。可以有利地避免分离的地，以便可以自由地互连地以限定低噪声公共信号基准。然而，高侧测量可能导致控制电路的附加复杂性，因为高侧测量要求DC/DC上转换器来驱动控制电路。通常，低侧测量可以在低复杂度、良好包含的系统中使用，而高侧测量可以有利地用于更复杂的系统。
[0100]图3说明了与图2a类似的电流测量电路300的示意图，示出了控制器318的附加细节。
[0101]在该示例中，差分放大器312、控制开关314和感测电阻器319设置在相同的器件封装中。诸如旁路开关308和/或输出放大器310之类的其他部件也可以设置在器件封装内。诸如功率晶体管106之类的“热”部件可以设置在分离的封装中。替代地，功率晶体管106可以设置在与旁路开关308相同的器件封装中，以便减少部件管脚。将旁路开关308和功率晶体管306设置在相同封装中也意味着这些部件的温度将是类似的，并且因此减小了测量时可能的温差效应。实际上，功率晶体管306和旁路开关308可以设置在相同的管芯/衬底上。
[0102]控制器318执行图2的控制器的功能，并且包括微控制器320、过载检测器322和敏捷控制电路324。控制器318可以可选地包括过温检测器326。过温检测器326可以与可选的温度传感器328 (例如设置在与功率晶体管306相同封装中的温度感测二极管)相连。
[0103]微控制器320可以通过诸如多路复用器、模数转换器(ADC)、微处理器、存储器和其他外围电路之类的传统硬件来提供。多路复用器从输出放大器310接收电流信号、并且从温度传感器328接收温度指示。ADC320将放大器310提供的电流信号数字化。通过小电流路径和大电流路径的提供也减小了对于ADC的设计限制，因为如上所述，通过感测比减小了放大器输出信号的动态范围。因此，也减小了需要通过ADC数字化的信号的动态范围。
[0104]可以将数字化的信号提供为电流监测电路300的输出。微控制器320配置为根据数字化的信号向敏捷控制电路324发送命令。微控制器320也可以从敏捷控制电路324接收信息，所述信息使能微控制器320根据电路是处于大电流操作模式还是处于小电流操作模式来处理数字化的信号。如上所述，可能要求这种信息以便正确地解释ADC输出信号的范围，以便向输出信号施加正确的缩放因子，并且确定第一端子和第二端子302、304之间的总电流。同样，应该知晓操作模式以便施加正确的阈值。
[0105]当初始化时，微控制器320可以假设大电流通过第一端子和第二端子302、304之间，并且因此命令敏捷控制电路使能功率FET 306并且禁用旁路开关308。这可以是安全性预防以便减小大电流通过感测电阻器319的可能性。
[0106]过载检测器322配置为从输出放大器310接收电流信号，并且当电流信号大于过载电平时向敏捷控制电路324提供过流信号。如果电流信号大于过载电平，这意味着通过感测电阻器319的电流太高。因此，将过载检测器322作为专用电路提供以确保通过敏捷控制电路324尽可能快地停止过载。如果电流信号太高，过载检测器322向敏捷控制电路324发送过载信号，如果先前使能了旁路开关，所述过载信号使能功率FET 306并且禁用旁路开关308 ;或者如果先前使能了功率FET 306，所述过载信号禁用两个路径。
[0107]微控制器320可以在使能功率晶体管306并且数字化的信号下降到小于阈值电平的情况下命令敏捷控制电路324使能旁路开关308并且禁用功率晶体管306，表示小电流在第一端子和第二端子之间流动。通过从测量大电流路径改变到小电流路径，可以如上所述改进测量的精度。
[0108]微控制器320可以提供可开关熔丝的功能。作为熔丝，其可以通过微控制器接通/关断。作为熔丝，如果电流超过给定阈值，两个支路都被关断，使得没有电流流到负载。可以在预定的时间段之后或者响应于用户输入来通过微控制器复位熔丝。
[0109]这里描述为“耦接”或“连接”的任意部件可以直接或间接耦接或连接。也就是说，一个或多个部件可以位于描述为耦接或连接的两个部件之间，同时仍然使能实现所要求的功能。
【权利要求】
1.一种电流测量电路，用于提供对第一端子和第二端子之间的电流加以表示的电流信号，所述电流测量电路包括: 主晶体管，具有主漏极、主源极和主栅极，其中主漏极和主源极限定了主漏极-源极路径，主漏极与第一端子相连，主源极与第二端子相连，并且主栅极与第一控制端子相连；感测晶体管，具有感测漏极、感测源极和感测栅极，其中感测漏极和感测源极限定了感测漏极-源极路径，感测漏极与第一端子相连，并且感测栅极与第一控制端子相连； 芳路开关，具有: 可控导电路径，在第一端子和第二端子之间与主晶体管的主漏极-源极路径并联连接；以及 第二控制端子，用于使能或阻止电流通过可控导电路径； 输出放大器，具有: 输入端，与感测晶体管的感测源极和旁路开关的可控导电路径两者相连；以及 输出端，用于提供电流信号；以及 控制器，配置为根据电流信号来设置第一控制端子的第一控制信号以及第二控制端子的第二控制信号，以便使能电流通过: 主晶体管和感测晶体管的每一个相应漏极-源极路径；或者 旁路开关的可控导电路径。
2.根据权利要求1所述的电流测量电路，其中控制器配置为: 如果使能电流通过可控导电路径，则当电流信号大于第一阈值时，设置第一控制信号以便使能电流通过主晶体管和感测晶体管的每一个相应漏极-源极路径，并且设置第二控制信号以便阻止电流通过旁路开关的可控导电路径；以及 如果使能电流通过主晶体管和感测晶体管的每一个相应漏极-源极路径，则当电流信号小于第二阈值时，设置第一控制信号以便阻止电流通过主晶体管和感测晶体管的每一个相应漏极-源极路径，并且设置第二控制信号以便使能电流通过旁路开关的可控导电路径。
3.根据权利要求1或2所述的电流测量电路，其中控制器配置为: 如果使能电流通过主晶体管和感测晶体管的每一个相应漏极-源极路径，则当电流信号超过第三阈值时，设置第一控制信号以便阻止电流通过主晶体管和感测晶体管的每一个相应漏极-源极路径，并且设置第二控制信号以便阻止电流通过旁路开关的可控导电路径。
4.根据权利要求3所述的电流测量电路，其中控制器配置为:在已经超过第三阈值的情况下，响应于用户输入或者在预定的时间间隔之后，设置第一控制信号以便使能电流通过旁路开关的可控导电路径和主晶体管和感测晶体管的每一个相应漏极-源极路径。
5.根据任一前述权利要求所述的电流测量电路，其中主晶体管的漏极面积至少比感测晶体管的漏极面积大一个数量级，其中感测比定义为主晶体管的漏极面积与感测晶体管的漏极面积之比。
6.根据权利要求5所述的电流测量电路，其中第一阈值近似等于第二阈值除以感测比。
7.根据任一前述权利要求所述的电流感测电路，其中主晶体管和感测晶体管设置在相同的管芯上。
8.根据权利要求7所述的电流感测电路，其中主晶体管和感测晶体管由电流感测晶体管构成。
9.根据任一前述权利要求所述的电流测量电路，包括:感测电阻器，配置为接收流过感测晶体管的漏极-源极路径的电流或流过旁路开关的电流，并且其中放大器是配置为对感测电阻器两端的电压进行放大的电压放大器。
10.根据权利要求9所述的电流感测电路，其中感测电阻器具有第一连接和第二连接，其中第一连接与旁路开关以及感测晶体管的感测源极相连，并且第二连接与第二端子相连。
11.根据权利要求10所述的电流感测电路，还包括: 具有可控导电路径的控制开关，可控导电路径串联地设置在感测晶体管的感测源极和感测电阻器的第一连接之间；以及 电压设置电路，配置为根据主晶体管的源极电压来设置感测晶体管的源极电压；其中控制开关包括控制端子，并且电压设置电路包括差分放大器，所述差分放大器具有与主晶体管的源极相连的反相输入端、与感测晶体管的源极相连的非反相输入端以及与控制开关的控制端子相连的输出端。
12.根据权利要求1至8中任一项所述的电流测量电路，其中输出放大器是电流放大器。
13.根据任一前述权利要求所述的电流测量电路，其中输出放大器是单一的模拟放大器。
14.根据任一前述权利要求所述的电流测量电路，其中旁路开关是场效应晶体管，所述场效应晶体管具有限定其可控导电路径的源极和漏极。
15.根据权利要求13所述的电流测量电路，其中主晶体管、感测晶体管和/或旁路开关设置在相同的管芯上。
【文档编号】G01R19/00GK104422810SQ201410424334
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2014年8月26日 优先权日:2013年8月27日
【发明者】史蒂文·埃尔兹 申请人:恩智浦有限公司