专利名称：确定负载电流的电路和方法
技术领域：
本发明涉及一种确定负载电流的电路和方法。特别是，本发明 涉及但不只限于这样的电路其包含可操作地连接到负载上的主晶体 管和感测晶体管以使由负载电流决定的电压能被确定。
背景技术：
在许多应用中，比如汽车用电路(如发动机、螺线管和灯驱动 器)通常需要能够确定负载中流过的电流的电路。比如，可能需要这 样的电路去检测可能损坏电子元件的电流电平，比如能够造成过热的 电流电平。电流电平一旦被确定，就能够被相应地控制。
确定负载电流的一种方法是使用电流感测功率金属氧化物半导
体场效应管(M0SFET)。电流感测功率M0SFET通常包含几千个并联 并共用相同的漏极、源极和栅极的晶体管单元。在装置中的每个晶体 管单元或者元件是相同的并且应用到装置漏极端子上的电流在它们 之间平等均分。在这样的设计中，通常几个晶体管的源极与其余的源 极分隔开并被连接到一个单独的源极端子上。因此，所得的电流感测 M0SFET能够被认为等同于两个并联的晶体管，它们具有共同的栅极 和漏极端子，以及不同的源极端子。这些晶体管中的第一个通常称为 主FET，包含电流感测功率M0SFET中的大部分晶体管单元。第二个 称为感测FET，包含几个具有单独的源极端子的晶体管单元。
在使用中，感测FET只传导应用到共同的漏极端子上的电流的 一小部分，该部分与感测比n成反比，该感测比是由主FET中晶体管 单元数量与感测FET中晶体管单元数量之比所决定的电流比。上述的 感测比是针对感测FET和主FET的源极端子保持在相同电势下的情形 而定义的。主FET的源极端子的Kelvin接点(Kelvin contact)通 常被用来使主FET的源极电势的确定准确。当感测比已知时，流过装
置的总电流、装置所连接负载的负载电流能够根据漏极和源极之间的
感测FET的源极电流(即在感测FET的主电流通路中流过的电流)的 测量值中计算得到。
有两种优选的方法，用于提供与感测FET源极电流成比例的输 出电压。第一种方法是感测电阻方法，其中感测电阻被连接在感测 FET的源极电流通路中并且测量感测电阻的电压以确定感测FET的电 流。但是，这个方法有缺点。比如，在这个装置中包含感测电阻会导 致感测FET源极电压与主FET (Kelvin)源极电压不同。这会影响电 流感测功率M0SFET电路的可见的感测比n，并且也造成电路对温度 的依赖性。这些影响也会受到感测电阻的尺寸的影响，为了最小化测 量中的误差，因此尺寸在这样的实现中是有限制的。用于确定感测电 阻电压的放大器通常要求是真正的差动放大器，并且通常要求使用 M0SFET Kelvin源极连接以获得对主FET的源极电势准确的指示读 数。
虚接地方法是第二种方法，其提供与感测FET源极电流成比例 的输出电压。运算放大器布置在虚接地配置中，具有连接到主FET 的M0SFET Kelvin源极端子的正相输入(源极端子也被连接到接地端) 和连接到感测FET的源极端子的反相输入。感测电阻提供来自运算放 大器的输出的负反馈。该虚接地布置确保感测FET的源极端子与主 FET的源极端子保持相同的电势。因此，电流感测功率MOSFET的感 测比n不受感测电阻的影响，并且能够获得与温度无关并且与负载电 流线性成比例的感测电阻电流的测量值。
但是，虚接地方法有缺点。比如，为了使感测FET的源极端子 与通常是接地端电势的主FET的源极端子保持在相同的电势上，要求 相对于感测FET的源极电势是负值的电压为运算放大器供电。通常也 要求使用MOSFET Kelvin源极连接以获得对主FET源极电势的准确测 量，并且需要额外的真正的差动放大器以提供地参考输出电压。
发明内容
本发明的目的是至少解决一些上述的问题中。根据本发明，提
供了一种用于确定负载电流的电路，其包含第一和第二晶体管，每个 晶体管具有主电流通路和控制端子，主电流通路的每一个可操作地并 联在负载和公共参考点之间，其中控制端子连接在一起，以及提供用 于把第二晶体管的主电流通路的电压设置为对应于第一晶体管的主 电流通路的电压的预定部分的电压电平的方法。
将第二晶体管(如电流感测功率M0SFET的感测FET)的电压设 置为不是等于第一晶体管(如电流感测功率M0SFET的主FET)的电 压而是其预定的一部分的值，这相对于己知的设计是有优势的。如， 电路被配置成没有负电源时能够运行，在考虑到把由复杂性和所需元 件的数量引起的电路成本最小化时，这样有明显的好处。
电路还可以包含同第二晶体管的主电流通路串联的感测电阻。
电路还可以包含控制电路，用于设置第二晶体管的主电流通路 的电压，控制电路由相对于公共参考点是正值的单独电源电压供电。
控制电路可以包含控制晶体管，其具有串联在第二晶体管的主 电流通路和公共参考点之间的主电流通路。控制电路可以包含用于提 供信号以控制该控制晶体管的装置，信号由第二晶体管的主电流通路 的电压和所述的电压电平之差决定。
信号提供装置可以包含差动放大器。差动放大器可以包含运算 放大器装置。
差动放大器还可以包含连接到串联在第二晶体管和控制晶体管 之间的一个结点上的第一输入端子和连接到分压器装置上的第二输 入端子。
分压器装置可以包含串联的第一电阻和第二电阻，分压器装置 并联到第一晶体管的主电流通路上。可以选择第一和第二电阻的阻值 以设置电路要求的有效的电流感测比，而不用改变主FET和感测FET 中的晶体管单元的实际比。这能使主晶体管的主电流通路中的电流与 感测晶体管的主电流通路中的电流的感测比为特殊的应用而优化。第 一和第二电阻中的一个或者两个可以具有可调节的阻值。因此，在这
种情况下，有效的感测比并不需要被预定，但是能够比如在电路使用 期间或者在电路使用前的校准期间动态地设置。
第二电阻的一个端子可以使用Kelvin接点连接到第一晶体管的 源极端子上。
感测电阻能够串联在控制晶体管的主电流通路和公共参考点之 间，并且电路可以包含用于确定感测电阻电压的装置。控制晶体管能 够有效地把感测电阻和与之相关的缺陷同感测FET源极分开。因此， 能够使用比其它的可能更大的感测电阻来提供只需稍微放大或者不 用放大的输出电压，并且具有比感测电阻方法更好的信噪比。
第一和第二晶体管可以包含结合在一个半导体包中的金属氧化
物半导体场效应管。第二晶体管的主电流通路可以具有比第一晶体管 的主电流通路更高的阻值。第一晶体管可以包含多个并联的晶体管， 第二晶体管可以包含一个或者多个并联的晶体管。
根据本发明，还提供了一种用于确定负载电流的方法，其中负
载可操作地串联到第一和第二晶体管的并联装置上，第一和第二晶体 管均具有主电流通路和控制端子，上述的方法包含把第二晶体管的主
电流通路的电压设置为与第一晶体管的主电流通路的电压的预定部 分相对应的电压电平。
为了帮助理解本发明，现在将参照附图完全以示例的方式说明
其实施例，其中
图1是示出本发明用于确定负载电流的电路的示意图。
具体实施例方式
参照图1，电路1包含第一和第二晶体管2、 3，每个晶体管具 有并联在负载电阻6和公共参考点或者接地端7之间的各自的主电流 通路4、 5。负载电阻6依次连接到电源端8上。尽管可以使用其它 晶体管或者等效的元件，在本示例中，第一晶体管2是电流感测功率 M0SFET的主金属氧化物半导体场效应管(M0SFET)，第二晶体管3 是电流感测功率M0SFET的感测M0SFET。主晶体管控制端子或者栅极 9连接到感测晶体管3的栅极10上。栅极9、 IO连接到栅极驱动电
路11上。
提供了控制电路12，其包含控制晶体管13，在本示例中，M0SFET 具有主电流通路14和控制端子15。控制晶体管13的主电流通路14 串联在感测晶体管3的主电流通路5和接地端7之间。控制电路12 也包含差动放大器16，在这个示例中是运算放大器，其具有连接到 感测晶体管3和控制晶体管13的主电流通路5、 14之间的结点18 上的正相输入端17和连接到分压器网络或者装置21的结点20上的 反相输入端19。分压器装置21由具有阻值Rl的第一电阻22、结点 20和具有阻值R2的第二电阻23串联形成。分压器装置21与主晶体 管2的主电流通路4并联。特别是，在本示例中分压器装置21的第 二电阻23使用Kelvin接点连接25连接到主晶体管2的源极端子24 上。运算放大器16的输出26连接到控制晶体管13的栅极15上，正 电源端子27连接到电源轨8上，负电源端子28连接到接地端7上。
具有阻值Rs的感测电阻29，串联在控制晶体管13的主电流通 路14和接地端7之间。感测电阻29上的电压30提供电路1的输出 V。ut，在本示例中，其是参照地电势的。输出电路31用于对输出电压 V。ut进行信号处理，以确定负载6中的电流1^d的指示读数。
在使用中，栅极驱动电路11给主晶体管2和感测晶体管3的栅 极9、 IO提供信号，以导通晶体管2、 3。因此，电流流过主晶体管2 和感测晶体管3的各自主电流通路4、 5，也流过分压器装置21。运 算放大器16把控制信号提供给控制晶体管13的栅极15。控制信号 由感测晶体管3和控制晶体管13的主电流通路5、 14间的结点18 的电压电平和分压器装置21中的结点20的电压电平之差决定。因此， 控制信号用来设置感测晶体管3和控制晶体管13之间的结点18处的 电压电平，也是感测晶体管3的源极端子32处的电压电平，使其完 全等于分压器装置21中的结点20的电压电平。
分压器装置21用于把主晶体管2的主电流通路4的电压分成由 作为总分压器电阻Rl+R2的一部分的Rl所定义的第一电压部分和由 作为总分压器电阻Rl+R2的一部分的R2所定义的第二电压部分。因 此，分压器网络21的结点20处的电压对应于主晶体管2的主电流通
路的电压的预定部分R2/ (Rl+R2)。因此，设置感测晶体管源极端 子32为结点20处的电压就设置了感测晶体管3的主电流通路5的电 压使其对应于主晶体管2的主电流通路4的电压的Rl/ (Rl+R2)部 分。这确保感测晶体管源极电流与主晶体管源极电流成比例。
控制晶体管13有效地使感测电阻29与感测晶体管3的源极端 子32分开。感测电阻29中的电流等于感测晶体管3的主电流通路5 中的电流或者其源极电流，如上所述，该电流是主晶体管2中的电流 的预定部分。这个预定部分由电流感测M0SFET的感测比n和分压器 装置21中的第一和第二电阻22、 23的阻值Rl和R2的比来定义。知 道感测电阻29的阻值Rs和感测电阻29的电压30，就能够确定感测 电阻29中的电流。因此，根据感测电阻29的电压30，输出电路31 能够确定负载电阻6中的电流IlDad。
在本示例中，主晶体管2的主电流通路4中的电流能够通过下 面的方程式来计算<formula>formula see original document page 10</formula>
其中/^。是主晶体管2的源极电流，厶_是感测晶体管3的源 极电流，n是包含主晶体管2和感测晶体管3的电流感测功率MOSFET 的感测比，也是已知的几何单元比。因此，在Z吣n和厶^之间的比 率能够通过设置分压器网络21中的第一和第二电阻22、 23的阻值 Rl和R2的比来调节。第一和第二电阻22、 23的一个或者两个可以 是可调节的电阻或者是具有能够改变的阻值的其它元件，这样i*^ 和乙，之间的比率不需要被预定，但是能够比如在电路使用期间或 者在电路使用前的校准期间动态地设置。
分压器网络21中的第一和第二电阻22和23的阻值Rl、 R2被 设置得比第一和第二晶体管的各个主电流通路4、 5的阻值高得多。 因此，流过分压器网络21的电流比第一和第二晶体管2、 3的源极电 流小的多。因此由分压器网络电流在被确定的负载电流Iwd中引起的 误差是可忽略的。此外，分压器网络21的温度系数也是可忽略的。 在本示例中，电阻22、 23均选择具有低功率损耗和小电阻温度系数 的类型，这样它们就不会有显著的温度漂移误差。而且，第一和第二
电阻22、 23是匹配的，这样发生在第一电阻22中的任何温度漂移也 会发生在第二电阻23中，因此温度漂移的影响可以抵偿。
根据本发明，感测电阻的电压30的确定从而负载电流Ibd的确 定在准确性和线性方面相对于以前的设计具有优势。特别是，输出电 压将与诸如温度和偏压的变量无关，并且电路1不需要虚接地方法中 使用的负电源。
在电路1中的元件的特定参数将根据应用而变化。但是，在典 型的实现中，主晶体管电流通路4具有1到100毫欧之间的阻值，感 测晶体管电流通路5具有1到100欧姆之间的阻值，在分压器装置 21中的第一和第二电阻22、 23具有10千欧或者更大的阻值，负载 电阻6在100毫欧和IO欧姆之间的范围中。
通过阅读本说明，其它改变和修改对于本领域所属技术人员来 说是明显的。这样的改变和修改可以包含在设计、制造和使用电流检 测和/或确定装置时等效的或者己知的其它特点并且其可以被用来替 代或者增加在此已经说明的特点。
比如，尽管电路1中的感测感测晶体管和主晶体管被提供在电 流感测功率M0SFET包中，但也可使用其它的实现方法。比如，电路 的其余元件如控制晶体管13、运算放大器16、感测电阻29和分压器 装置21中的一些或者所有可以整合在MOSFET包中。另一种方案是， 主M0SFET 2和感测M0SFET3可以是分立的元件并不只限于功率 M0SFET;可以使用其它类型的晶体管来对电路1进行适当的改变。此 外，Kelvin接点连接25提供在主晶体管2的源极24处，这不是必 须的。另一种方案是，这样的连接可以被省略和/或使用在主晶体管 2和感测晶体管3中任一个的其它极上。此外，感测晶体管电流通路 中的感测电阻29的位置也不只限于在控制晶体管13的主电流通路 14和接地端7之间，也可以使用感测晶体管3的电流通路中的其它 位置。
尽管已说明的电路1包含输出电路31，其用于处理电路输出电 压30以得出负载电阻6中的电流Ii。ad，但此电路不是必须的。根据 应用的要求，其它实现可以使用可选择的处理电路或者根本不使用。
本发明有许多各式各样的应用。它们包括汽车用电路(如发动 机、螺线管和灯驱动器)。在这样的应用中，本发明的电路和方法能 够比如被执行以检测可能损坏电子元件的电流电平，如，能够造成过 热的电流电平。电流电平一旦被确定，就能够被相应地控制。
尽管在本申请中针对特定的特点组合阐明了权利要求，应该理 解的是，无论它是否涉及到与现在任一权利要求中声明的相同发明以 及是否像本发明一样解决了相同的技术问题的一个或者全部，本发明 的公开范围都包含己在此清楚地或者含蓄地或者概括性地公开的新 颖特点或特点的新颖组合。据此，申请者给出提示，在本申请的执行 期间或者由此推及的任何其它申请的执行期间，可以针对这样的特点 和/或这样的特点组合阐明新的权利要求。
权利要求
1.一种用于确定负载(6)中的电流的电路(1)，其包含第一和第二晶体管(2、3)，每个晶体管具有主电流通路(4、5)和控制端子(9、10)，所述主电流通路的每一个可操作地并联在负载和公共参考点(7)之间并且所述控制端子连接在一起；以及装置(12)，用于把第二晶体管的主电流通路的电压设置为对应于第一晶体管的主电流通路的电压的预定部分的电压电平。
2. 如权利要求1所述的电路，还包含同第二晶体管(3)的主 电流通路(5)串联的感测电阻(29)。
3. 如权利要求1或2所述的电路，还包含控制电路(12)，用 于设置第二晶体管(3)的主电流通路(5)的电压，所述控制电路由 相对于公共参考点(7)是正值的单独的电源电压供电。
4. 如权利要求3所述的电路，其中控制电路(12)包含控制晶 体管(13)，其具有串联在第二晶体管(3)的主电流通路(5)和公 共参考点(7)之间的主电流通路(14)。
5. 如权利要求4所述的电路，其中控制电路(12)包含提供用 于控制所述控制晶体管(13)的信号的装置(16、 21)，该信号由第 二晶体管(3)的主电流通路(5)的电压和所述电压电平之差决定。
6. 如权利要求5所述的电路，其中信号提供装置包含差动放大器°
7. 如权利要求6所述的电路，其中差动放大器包含运算放大器 装置。
8. 如权利要求6或7所述的电路，其中差动放大器还包含连接到串联在第二晶体管(3)和控制晶体管(13)之间的一个 结点(18)上的第一输入端子(17);和连接到分压器装置(21)上的第二输入端子(19)。
9. 如权利要求8所述的电路，其中分压器装置(21)包含串联 的第一电阻(22)和第二电阻(23)，所述分压器装置并联到第一晶 体管(2)的主电流通路(4)上。
10. 如权利要求9所述的电路，其中第一和第二电阻(22、 23) 中的一个或者两个具有可调节的阻值(Rl、 R2)。
11. 如权利要求9或IO所述的电路，其中第二电阻(23)的一 个端子以Kelvin接点(25)连接到第一晶体管(2)的源极端子(24) 上。
12. 如前述的任一个权利要求所述的电路，其中感测电阻(29) 串联在控制晶体管(13)的主电流通路(14)和公共参考点(7)之 间，并且还包含用于确定感测电阻的电压(30)的装置(31)。
13. 如前述的任一个权利要求所述的电路，其中第一和第二晶 体管(2、 3)包含结合在一个半导体包中的金属氧化物半导体场效应 管。
14. 如前述的任一个权利要求所述的电路，其中第二晶体管(3) 的主电流通路(5)具有比第一晶体管(2)的主电流通路(4)更高 的阻值。
15. 如前述的任一个权利要求所述的电路，其中第一晶体管(2) 包含多个并联的晶体管，第二晶体管(3)包含一个或者多个并联的晶体管。
16. —种用于确定负载(6)中的电流的方法，该负载可操作地串联到第一和第二晶体管(2、 3)的并联装置上，第一和第二晶体管 的每个具有主电流通路(4、 5)和控制端子(9、 10)，所述方法包括步骤把第二晶体管(3)的主电流通路(5)的电压设置为对应于第 一晶体管的主电流通路(4)的电压的预定部分的电压电平。
全文摘要
说明了一种用于确定负载(6)中的电流(I<sub>load</sub>)的电路(1)，所述的电路具有主晶体管(2)和感测晶体管(3)，每个晶体管具有主电流通路(4、5)和控制端子(9、10)，所述的主电流通路的每一个可操作地并联在负载和接地端(7)之间并且所述的控制端子连接在一起。提供了这样一种方法，用于把感测晶体管(3)的主电流通路(5)的电压设置为实际上等于主晶体管(2)的主电流通路(4)的电压的预定部分的电压电平。
文档编号H03K17/082GK101189796SQ200680019361
公开日2008年5月28日 申请日期2006年5月30日 优先权日2005年6月1日
发明者凯斯·赫彭斯托尔 申请人:Nxp股份有限公司