一种高压电流监控电路的制作方法

本发明涉及半导体集成电路领域，具体为一种高压电流监控电路。

背景技术：

电流监控电路，顾名思义，是对系统电流信号进行采样并放大输出的一种电路，其采样电流的一般方法是通过外接的采样电阻将系统的电流信号转换为电压信号，根据采样电阻是接电源或接地而被称为高边采样模式如图2所示，或低边采样模式如图1所示；低边采样的优点是采样电压信号以地电位为参考，后续可直接进行信号处理，但其缺点也很明显，即由于采样电压的存在抬高了系统实际的参考‘地’电位，可能导致系统工作异常。而高边采样由于采样电阻接电源从而避免了该问题，但这种方法对电流监控电路提出了更高的要求，其输入电压范围必须工作到电源电压范围，并将采样电阻上微小的监控信号(差模信号)收集放大。

常用的高压电流监控电路有两种构型，第一类是采用差分放大器构型，如国外TI公司的INA117电路，其应用时的结构如图3所示，这种构型内部使用运算放大器和电阻构建了一个减法器电路，以实现在高共模信号中采集差模信号并输出，但这种构型的主要缺点有①输入共模电压范围由R1、R2电阻比例决定，故此电路较高的输入共模范围要求R1/R2比值很大。这导致了当输入共模电压较低时，运放的输入电压较低。②输入端对地有一定的电流，特别是VIN-端流入的电流会在采样电阻上产生压降，影响采样精度，且该电流随共模电压(母线电压)升高而线性增加。因此设计时(R1+R2)的阻值必须足够大，这会占用大量版图面积。而较大的电阻又会导致运放输入失调电流在其上产生较大的误差电压。③该电路对共模电压抑制能力严重依赖于电阻精度，理想情况下共模增益为零，而实际上电阻相对误差越大，电路共模增益也会随之线性增加，会直接影响到输出精度。

第二类是采用电压-电流-电压转换构型，先将高边的差模信号转换为电流，传输到低边后再转换为电压并放大输出，典型的如国外TI公司的INA19X系列电路。但是，无论采用哪种设计构型，为满足输入电压可覆盖电源电压的要求，其对单片集成电路工艺都提出了较高的要求，即器件耐压必须大于系统电源电压，以DC/DC模块为例，通用的母线电压范围包括47V、100V、200V等，则工艺条件要求至少器件工作耐压高于47V、100V、200V，这对工艺线的技术条件要求很高，同时也限制了普通生产线无法生产该类电路。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种高压电流监控电路，基于常规制造的双极集成电路，线路结构合理，设计巧妙，能够用于高边采样的高压状态。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种高压电流监控电路，包括第一运放和第二运放；

所述第一运放连接母线电压和正电源供电，第一运放包括连接在母线电压和负电源之间的分压电路；第一运放的同相输入端和反相输入端分别通过电阻R1和电阻R2连接在高边采样电阻的两端，第一运放的输出端连接输出达林顿管的基极，第一运放的分压输出端分别连接对应的分压达林顿管的基极，分压达林顿管依次级联在第一运放的同相输入端和输出达林顿管的集电极之间，输出达林顿管的发射极经电阻R3接地；

所述第二运放连接第一运放的分压输出端和正电源供电；第二运放的同相输入端连接输出达林顿管的发射极；第二运放的反相输入端分别经电阻R4接地，经电阻R5连接第二运放的输出端；第二运放的输出端输出监控信号。

优选的，第二运放包括由低温漂基准电流产生电路和多级电流镜组成的恒流源模块；恒流源模块输出端产生的基准电流对应连接在第一运放的两个恒流源输入端，并为第二运放提供偏置电流。

进一步，所述的第一运放还包括恒流偏置电路、输入级电路和输出级电路；

输入级电路包括连接在第一运放的同相输入端和反相输入端的输入级差分对，输入级差分对三极管分别连接母线电压供电和恒压偏置电路接入参考电流；

分压电路的各分压输出端分别设置有并联的三组电压缓冲单元，所有的第一组电压缓冲单元依次级联在第一运放的同相输入端和输出级电路之间，所有的第二组电压缓冲单元依次级联在第一运放的反相输入端和输出级电路之间，所有的第三组电压缓冲单元依次级联在恒压偏置电路的输入端和第一恒流源输入端之间；

输出级电路的供电端连接正电源和负电源，参考电流端连接第二恒流电源输入端，输出端连接第一运放输出端。

再进一步，恒压偏置电路经输入电流镜连接第一恒流源输入端；第一运放输出端经输出电流镜连接第二恒流电源输入端，输入电流镜和输出电流镜的比例相同。

再进一步，电压缓冲单元采用达林顿管或MOS复合管构成。

优选的，电阻R1和电阻R2的阻值相等。

优选的，输出达林顿管和分压达林顿管均采用同极型达林顿管。

优选的，所述的分压电路由串联的二极管和多个电阻组成，电阻的两端分别设置分压输出端。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

根据半导体集成电路工艺的一般原则，以三极管CE击穿电压作为工艺的特征电压值，而其大结(即N型外延和P型衬底)间击穿电压可调整至远大于工艺特征电压。因此本发明首先通过设置分压电路，并分压电阻值的常规设置保证电阻上的分压值最高不超过工艺特征电压，电路内部所有涉及高压到低压转换的器件均通过达林顿结构进行了分压和缓冲，保证了任何一个器件的工作电压均在正常范围内。而由于大结击穿耐压很高，只要电路内部所有器件涉及的N外延区电压不超过大结耐压，该电路结构均可正常工作，因此本发明实现了50V工艺制作的器件可工作在100V母线下的电流监控电路。本发明通过采用常规双极工艺实现了较高的输入电压范围和采样放大精度，可应用于电源系统的高边电压采样和电流监控，解决了一般高压电流监控电路对工艺条件要求较高的问题，该技术还可扩展至其他多种工艺平台，如CMOS等其他半导体工艺类型；易于与其它功能电路集成，具有广阔的应用前景和经济效益。

附图说明

图1为现有技术中电流监控低边采样示意框图。

图2为现有技术中电流监控高边采样示意框图。

图3为现有技术中TI公司的INA117电路示意图。

图4为本发明实例中所述的电路结构示意图。

图5为本发明实例中所述第一运放的基本结构示意图。

图6为本发明实例中所述包括多级联的分压电路和电压缓冲单元的第一运放结构示意图。

图7为本发明实例中所述第一运放的具体结构示意图。

图8为本发明实例中所述第二运放的基本结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明一种高压电流监控电路，如图4所示，采用两级运放分别实现了高压采样-电流电压转换和放大的功能。

本发明在电压高边通过接成闭环的第一运放amp1将采样电压(V_IN+—V_IN-)转换为电流信号I，根据运算放大器的虚短-虚断方法，可计算出

(V_IN+－V_IN-)＝R1×I (1)

该电流信号I经三级达林顿管Q1Q2、Q3Q4、Q5Q6传输从电压高边到电压低边，并在电阻R3上转换为电压信号，随后通过第二运放amp2放大输出。其中，达林顿管Q5Q6为输出达林顿管，达林顿管Q1Q2、Q3Q4分别为连接在第一运放分压输出端的分压达林顿管。

第一运放由高压、低压两部分构成，分别通过IN+端和VCC端供电，应用时IN+端和VS端共同接系统的高压母线。

电阻R2电阻值等于电阻R1的阻值，用于平衡第一运放输入偏置电流在电阻R1上产生的电压降，防止其影响电压-电流转换的精度。

达林顿管Q1Q2、Q3Q4、Q5Q6组成了电流传输通路，将电流信号由电压高边传输到电压低边，其基极电位由第一运放内部的分压电路提供，通过这种串联分压的级联形式可以保证每个器件的CE电压被限制在其CE击穿电压内。

第二运放通过闭环电阻R4、R5设置为同相放大器，将R3×I的电压信号再次放大输出。第二运放内部还包含了该电路的偏置模块。

其中，如图5所示，第一运放主要由分压电路、恒流偏置电路、输入级电路、输出级电路四部分构成，其中输入级电路和恒流偏置电路因涉及高压边，均通过串接电压缓冲单元来实现高耐压能力，本优选实例中采用达林顿降压缓冲结构。

Q7Q8为输入级差分对，Q9Q10Q11Q12是给差分对提供恒流偏置的，差分对的电流信号通过达林顿降压缓冲结构(Q16Q17、Q18Q19和Q22Q23、Q24Q25)传输给有源负载Q29Q30，并经过双转单结构Q28、Q31和共射放大级Q32输出。

第一运放的第一、二恒流源输入端LB1和LB2端口由第二运放的恒流源模块提供的基准电流，Q33Q34组成与Q9Q10Q11Q12比例相同的电流镜结构，保证LB1、LB2端口的电流信号不经损失的传输给各自的放大级器件。

分压电路的分压值vb1和vb2提供给达林顿电压缓冲单元(Q16Q17、Q18Q19、Q20Q21和Q22Q23、Q24Q25、Q26Q27)，电压缓冲单元也可使用其他达林顿结构或MOS复合管构成，同时，分压电路和电压缓冲结构也可根据需要扩展为多级联的形式，如图6所示。

具体的，如图7所示，第一运放分为高压、低压两个部分，其中高压部分仅实现采样输入差分电压(V_IN+－V_IN-)的作用，并通过与前述类似的降压缓冲结构将信号传给低压部分，其功耗电流设置较低，仅由差分对的电流源和缓冲分压的电流组成。

二极管D1、D2和电阻R11、R12串联构成了分压电路，其分压值vb1和vb2提供给达林顿降压缓冲单元(Q16Q17、Q18Q19、Q20Q21和Q22Q23、Q24Q25、Q26Q27)。

Q7Q8为输入级差分对，Q9Q10Q11Q12和Q13Q14Q15是给差分对提供恒流偏置的，差分对的电流信号通过达林顿降压缓冲单元(Q16Q17、Q18Q19和Q22Q23、Q24Q25)传输给有源负载Q29Q30，并经过双转单结构Q28、Q31和共射放大级Q32输出。

第一运放的第一、二恒流源输入端LB1和LB2端口接第二运放amp2的第一、二恒流源输出端LB1和LB2提供的恒流源信号，Q33Q34Q35Q36组成与Q9Q10Q11Q12和Q13Q14Q15比例相同的电流镜结构，保证LB1、LB2端口的电流信号不经损失的传输给各自的放大级器件。

C5电容为密勒补偿电容，C1C2C3C4为滤波电容，均用于稳定电路工作的频率特性。

如图8所示，第二运放内部主要分为恒流源、输入级、中间放大级和输出级四个功能模块，Q37、Q38为输入差分对管，Q39、Q40、Q41、Q42给输入差分对管提供偏置电流，Q43、Q44是电流镜结构的有源负载，共同构成了输入级模块；中间放大级由接成共射极结构的Q51和电流源三极管Q52组成，作为第二运放的主要增益级，单电源输出级保证输出电压信号可低至VEE负电源轨，恒流源模块由低温漂基准电流产生电路和多级电流镜构成，为第二运放各级提供偏置电流，并产生基准电流由LB1和LB2端提供给第一运放对应的恒流源输入端。

本发明的实施例用于监控系统母线上流过的电流，通过外接电阻将系统电流采样为电压，并放大100倍输出。其输入共模电压范围可达100V，具有零位误差小、增益精度高、增益误差小、增益线性度好、抗低剂量率总剂量辐射达100k rad(Si)等特点。该电路通过合理的线路结构设计，在50V工艺平台上实现了电路最高输入电压可达100V的性能，满足了高压应用要求；该电路已应用于多款温控设备核心模块，其电参数和抗辐射性能优于国外同类型电路。