CN102193019A - 用于高精度电流检测的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于检测流过电感器的输入电流的装置包括一RC电路，该RC电路在一集成电路的第一和第二输入引脚上与该电感器并联连接。电压监控电路监控该集成电路的第一输入引脚处的第一电压，还监控该集成电路的第二输入引脚处的第二电压。运算放大器将第一电压与第二电压进行比较，并且响应于这种比较产生控制输出。电流吸收电路响应于这种指示，以控制第一电压使其基本上等于第二电压。

Description

用于高精度电流检测的系统和方法
有关申请的交叉参照
本申请要求2010年1月27日提交的题为“HIGH PRECISION CURRENTSENSING METHOD FOR USE IN AN INTEGRATED CIRCUIT”的美国临时申请61/298,686的优先权，该申请引用在此作为参考。
技术领域
本发明涉及电流传感器，尤其涉及用于检测流过开关电源中的电感器的输入电流的电路。
背景技术
在集成开关电源之内，需要能够准确地检测输入到电源的输入电流。准确地检测输入电流可以防止电源芯片在灾难性的故障期间受损。可得到的准确的实时电流测量能够计算输入到电源的瞬时输入功率。关于输入电流和输入功率的可得到的信息能在许多方面使电路设计者和设备使用者得益。
一种监控输入电流的方式包括将输入电感器的DC电阻(DCR)用作电流检测电阻器。输入电感器的DC电阻通常是在0.3-0.5毫欧姆的范围中。在典型的应用中，具有满负载的电感器DCR两端的应用压降仅仅是6-10毫伏，并且DCR的共模电压远高于可用于给相关联的集成电路供电的电源电压。这些因素使得获取精确的输入电流信息是一项很有挑战性的任务。另外，当使用开关模式的电源时，输入电感器端子处的信号通常是有噪声的，这是因开关动作而导致的，从而进一步增大了准确地检测实时输入电流的困难。由此，若能改进用于检测输入到开关电源的输入电源电流的方式，则将是非常有益的。
发明内容
根据这里揭示的和描述的本发明的一个方面，本发明包括一种用于检测流过电感器的输入电流的装置。RC电路与电感器并联连接而横跨集成电路的第一和第二输入引脚。电压监控电路监控该集成电路的第一输入引脚处的第一电压，还监控该集成电路的第二输入引脚处的第二电压。运算放大器将第一电压与第二电压进行比较，并且响应于这种比较产生一控制输出。电流吸收电路响应于该控制输出，以便控制第一电压使其基本上等于第二电压。
附图说明
为了更完整地理解，现在参照下面的描述并结合附图，其中：
图1是一种开关电源的示意图；
图2是用于提供高精度电流检测的电路的功能框图；
图3是更具体地示出用于提供高精度电流检测的电路的示意图；以及
图4是用于描述图3的电路的操作的流程图。
具体实施方式
现在参照附图，这里在所有的附图中用相同的标号来指代相同的元件，示出和描述了用于高精度电流检测的系统和方法的各种视图和实施方式，也描述了其它可能的实施方式。并非必然按比例绘制附图，在一些实例中，已经夸大和/或简化了附图，其目的仅仅是便于示出。本领域普通技术人员应该理解，许多可能的应用和变体均基于可能的实施方式的下列示例。
在集成开关电源之内，需要能够准确地检测输入到电源的输入电流。准确地检测输入电流可以防止电源芯片在灾难性的故障期间受损。另外，可得到的准确的实时电流测量能够计算输入到电路的瞬时输入功率。关于输入电流和输入功率的可得到的信息使电路设计者和设备使用者得益。一种监控输入电流的方式包括将输入电感器的DC电阻(DCR)用作电流检测电阻器。输入电感器的DC电阻通常是在0.3-0.5毫欧姆的范围中。在典型的应用中，具有满负载的电感器DCR两端的电压降仅仅是6-10毫伏，并且DCR的共模电压远高于可用于给相关联的集成电路供电的电源电压。这些因素使得获取精确的输入电流信息是一项很有挑战性的任务。另外，当使用开关模式的电源时，输入电感器端子处的信号通常是有噪声的，这是因开关动作而导致的，从而进一步增大了准确地检测实时输入电流的困难。
现在参照图1，示出了开关电源102的简化示意框图。开关电源102包括第一开关晶体管104和第二开关晶体管106。开关晶体管104连接在输入电压节点108和相位节点110之间。相关联的控制器112响应于节点114处所监控到的输出电压，提供每一个功率开关晶体管104、106的开关。电感器116连接在相位节点110和输出电压节点114之间。输出电容器118连接在输出电压节点114和接地点之间。功率开关晶体管106连接在相位节点110和接地点之间。
典型的开关调节器102可以使用12伏或更高的电压作为提供给动力系(多个开关和电感器)的电源，但是控制器112可以仅仅在3.3伏或3.5伏处运行。通过使用输入电感器117的DCR电压降来检测输入电压节点108处的输入电流可能需要添加在控制器112外部且能应对输入电压范围的附加的电路。该电路可以包括相对昂贵的低失调放大器。输入电感器117位于电压调节器的输入节点108与向其施加电源电压Vinsup的节点115之间。电容器119连接在节点108和接地点之间。其它的方法可以是使用电阻桥以使DCR电压落在控制器112的电压范围之内。然而，电阻器匹配的实际限制可能无法满足电流检测的精度要求。
现在参照图2，示出了用于在输入节点108处提供高精度电流检测的电路的功能框图。在节点206处提供电源电压Vinsup。在节点202处提供输入到电压调节器205的输入电压VIN。电源电压Vinsup通过输入电感器204，该输入电感器204在节点202处提供输入电压Vin。通过使用图2所示的附加的电路，可以用电感器204的DC电阻(DCR)来确定输入电流。电阻器208和电容器210均与输入电感器204及其在节点206和202之间的DC电阻并联连接。电阻器208连接在节点206和节点212之间。电容器210连接在节点212和节点202之间。电阻器214连接在节点212与相关联的集成电路芯片218的Iinsense-引脚216之间。
集成电路218的第二引脚220Iinsense+连接到输入电压节点202。Iinsense-电压监控电路222监控Iinsense-引脚216处的电压。相似的是，Iinsense+电压监控电路224监控Iinsense+引脚220处的电压。电路222和电路224将响应于引脚216处检测到的电流的电压与响应于引脚220处检测到的电流的电压分别提供给运算放大器226。将响应于Iinsense+引脚220的电压施加到运算放大器226的反相输入，将响应于Iinsense-引脚216的电压施加到运算放大器226的非反相节点。将运算放大器226的输出提供给一个或多个电流吸收级228，用这些电流吸收级228吸收来自Iinsense-引脚216的电流以尝试使Iinsense-引脚216和Iinsense+引脚220均衡。
现在参照图3，提供了更全面地示出了用于提供高精度电流检测的电路的示意图。典型的开关调节器使用12伏或更高的电源电压并将其提供给动力系(多个开关和电感器)，从而将控制信号施加给电源开关。通过使用输入滤波器的电感器两端的DC电阻电压降来检测输入电流可能需要在控制器外部且能够应对这种输入电压范围的附加的电路。这种电路可以包括相对昂贵的低失调放大器。备选的方法可以使用电阻桥以使DC电阻电压落在控制器的电压范围之内。然而，这一处理过程可能超越了电阻器匹配的实际限制。
图3所示的实现方式提供了一种让开关电源的控制器即使在共模电压远高于控制器电源电压的情况下也能输入并测量一输入处的DCR信号的方式。这种实现方式有效工作时的输入共模电压范围是从3伏到50伏或更高。这种电路实现方式是简单且有效的，仅需要很小的偏置电流。
在节点300处提供输入电压VIN。在节点301处施加电源电压Vinsup。节点300和节点301之间的输入电感是由输入电感器302和串联电阻器304构成的。节点300处所施加的VIN包括用于电源系统的电力轨，线性或开关调节器为该电源系统提取电流。电阻器306、电容器308、电阻器310均是在集成电路外部的部件。用由电阻器306、电容器308、电阻器310构成的网络来滤除输入电流中的AC成分。电阻器306连接在节点301和节点307之间。电容器308与电阻器306串联连接，并且连接在节点307和节点300之间。电阻器310连接在节点307和节点326之间，节点326包括集成电路的Iinsense-引脚。如上文结合图2所讨论的那样，集成电路的Iinsense+引脚与输入电压节点300相关联。
电阻器306和电容器308构成RC电路，该RC电路与节点301和300之间的电感(包括电感器302和电阻器304)并联设置。如果由电阻器306和电容器308构成的RC电路的RC时间常数匹配于由电感器302和电阻器304构成的L/DCR电路的时间常数，则电容器308两端的电压将匹配于电阻器304两端的电压。如下文进一步描述的那样，集成电路内的电路迫使节点326处的引脚Iinsense-的电压等于节点300处的引脚Iinsense+的电压。RC时间常数等于电阻器306和电阻器310的并联组合乘以电容器308。这就是应该等于电感器302除以电阻器304的值的RC时间常数。从节点301到节点326流过电阻器306和电阻器310的串联连接的电流变得等于电阻器304两端的电压除以电阻器306的电阻加上电阻器310的电阻之和(即电阻器306、310两端的电压降等于电阻器304两端的电压降)。通过知道电阻器304、306、310的值，流入节点326处的Iinsense-引脚的电流变得与流过电感器302和电阻器304的电流成已知的比例。
迫使节点326处的Iinsense-引脚处检测到的电压等于节点300处的Iinsense+引脚的电压是通过与Iinsense-引脚和Iinsense+引脚相连的集成电路的内部电路来实现的。关于下面的讨论，假定了单行中相应的设备彼此匹配。由此，晶体管312、314、316彼此匹配，正如晶体管318、320、322等彼此匹配那样。
晶体管312、314、316包括NPN晶体管，每一个都配置成发射极跟随器，其集电极都连接到Iinsense+节点300。晶体管312的基极连接到节点326处的Iinsense-引脚。晶体管314、316的基极连接到节点300处的Iinsense+引脚。除了提供给晶体管312的基极电流以外，由此通过节点300处的Iinsense+引脚而获得用于给集成电路的内部电流检测电路供电的电流。与流过电感器302的负载电流相比并且与流过电阻器310的检测到的电流相比，一般可忽略晶体管312的基极电流，所以可忽略晶体管312的基极电流。
晶体管312、314、316的发射极分别连接到在节点319、321、323处的PNP晶体管318、320、322的发射极。晶体管320的基极连接到其集电极以形成参考二极管。晶体管320的基极还另外连接到晶体管318、322的每一个的基极。P沟道晶体管328、330、332的源极分别连接到在节点329、331、333处的晶体管318、320、322的集电极。P沟道晶体管330的栅极连接到其漏极以形成MOS二极管。晶体管330的栅极还另外连接到晶体管328、332的每一个的栅极。晶体管328的漏极连接到NMOS镜像主晶体管334的栅极和漏极。晶体管334的源极通过简并电阻器336而接地。晶体管332的漏极连接到NMOS晶体管338的漏极。晶体管338的源极也通过简并电阻器340而接地。晶体管338和电阻器340形成晶体管334和电阻器336的匹配的镜像从属。
N沟道晶体管342的漏极连接到晶体管330的漏极。电流源344连接到晶体管342的源极，电流源344也接地。电流源344吸收来自节点343的电流。在本实施方式中，将电流源344设为4微安。这使得整个电路仅消耗数十微安。对晶体管342的栅极施加偏置，以使其源极处的电压足够大，从而能够使电流源344起作用。通过电流源344吸收的电流流过晶体管342、晶体管330、晶体管320和晶体管314，使得最终从Iinsense+引脚处的节点300中获得该电流。流过晶体管314、320、330、342的电流在晶体管328、330、332的栅极处设置偏压并在晶体管318、320、322的基极处设置偏压。
通过运算放大器350迫使晶体管338、334的漏极上的电压相等，还迫使晶体管316、322、332这一列中的基极发射极电压、集电极发射极电压、集电极源极电压、漏极源极电压等于晶体管312、318、328构成的右列中相对应的电压，从而因正常匹配而使相等的电流在这些列的每一列中流动，进而使Iinsense-节点326处的电压保持与Iinsense+节点300处的电压相等。晶体管314、320、330所构成的中间一列中的电压将稍稍不同，这是因晶体管330的漏极至源极电压不同于晶体管328、332的漏极至源极电压而导致的，还因从流过晶体管320、314的电流中减去晶体管318、320、322的基极电流而导致的。中间一列晶体管314、320、330的匹配是足够密切的，使得通过将来自电流源344的吸收电流设置在中间一列之内就可以密切地设置来自左列和右列的偏置电流。
运算放大器350的非反相输入连接到节点351处的晶体管334的漏极，运算放大器350的反相输入连接到节点353处的晶体管338的漏极。运算放大器350将晶体管334、338的漏极处的电压进行比较。由此，在一个示例中，如果流过电阻器306、310的电流使Iinsense-节点326处的电压高于Iinsense+节点300处的电压，则晶体管312的基极发射极电压(VBE)和晶体管318的基极发射极电压将大于晶体管316、322的基极发射极电压。这将使流入晶体管334的电流比流入晶体管338的电流要多。因为晶体管338试图对晶体管334的电流作镜像，所以晶体管334的漏极处的电压将高于晶体管338的漏极处的电压。这将使运算放大器350更强力地驱动晶体管352(从而使其漏极电流增大)。晶体管352包括N沟道晶体管，其漏极/源极路径连接在节点355和节点357之间。电阻器354与节点357处的晶体管352的源极相连，电阻器354还接地。晶体管352的漏极连接到节点355处的第二晶体管356的源极。晶体管356的漏极连接到节点326处的Iinsense-引脚。对晶体管356的栅极施加期望电压的偏置。
运算放大器350的输出可以连接到由N沟道晶体管358构成的附加的级，N沟道晶体管358的栅极连接到运算放大器350的输出。晶体管358的漏极/源极路径连接在节点359和节点361之间。电阻器360连接到节点361处的晶体管358的源极，电阻器360还接地。电流源362将电流发送给晶体管358的漏极处的节点359。可以从节点359中提供一输出，以用作一种灾难性故障检测器。
当运算放大器350驱动晶体管352时，这在电阻器354两端产生一电压并且还产生通过晶体管352的漏极吸收的电流。通过包括晶体管356的共射共基级传递通过晶体管352的漏极的吸收电流，并且从节点326处的Iinsense-引脚中吸收。来自节点326的吸收电流使电阻器306、310两端的电压降增大，并使晶体管312的基极处的电压减小。使晶体管312的基极处的电压减小就使晶体管312、318的基极发射极电压与晶体管316、322的基极发射极电压相比减小了。这使流过左边一列且流入晶体管334的电流减小了。这使晶体管334的电压向下校正，从而使晶体管334、338的漏极处的节点351、353的电压相匹配。因此，使流过左边一列和右边一列的电流匹配，只有与输入电感器的电流成正比的电流流过了晶体管352。
可以添加一个或多个NMOS器件和源极电阻器(比如晶体管358和电阻器360)，以使晶体管352和电阻器354相匹配。如果晶体管358的漏极连接到一个合理地接近于晶体管352的电压的电压，则流过这些晶体管的电流将匹配。由此，可以产生对流过电阻器306、310的电流进行校正所需的电流的一个或多个副本。例如，这种电流副本可以连接到图3所示的电流带的参考电流源362。如果该电流超过参考电流，则将拉低电压并且可以检测到。
在备选的实施方式中，电流的副本也可以连接到电流输入模数转换器，以形成该电流的数字表示。注意到，双极晶体管312、314、316、318、320、322并不要求很高的集电极发射极电压或基极集电极电压。它们能够在不管共模电压具有怎样的Iinsense-和Iinsense+的情况下都浮置于基板之上。需要耐受它们之上的电压(比如漏极至源极电压)的唯一的器件是PDMOS器件328、330、332和NDMOS器件342、356。晶体管330仅需要像双极晶体管那样的高电压浮置能力，但是为了使晶体管328、332匹配，则也将有可能是PDMOS型器件。因此，共模输入电压范围的上端受到双极“浮置”能力以及NDMOS和PDMOS漏极至源极电压击穿的限制。该共模范围的下端是两个基极发射极电压、一个栅极至源极电压以及用于电流吸收的更多一点的电压之和。通常这可能为总共约3伏特。
如果PNP晶体管318、322的集电极发射极电压能力是足够高的，则可以除去PDMOS器件328、330、332。晶体管318、322的集电极将连接到晶体管334、338，并且晶体管320的基极和晶体管320的集电极将连接到晶体管342。如果晶体管352的漏极至源极电压能力是足够高的，则可以除去包括晶体管356的共射共基器件。
现在参照图4，示出了讨论图3的电路的操作的流程图。首先，在步骤402中，该电路监控Iinsense-节点326处的电压。接下来，在步骤404中，监控Iinsense+节点300处的电压。响应于节点326处监控到的Iinsense-电压，在步骤406中产生与Iinsense-节点相关联的电压。相似的是，响应于Iinsense+节点电压，在步骤408中产生与Iinsense+节点相关联的电压。询问步骤410利用运算放大器350来判定Iinsense-节点处的电压是否等于Iinsense+节点处的电压。如果Iinsense-电压更大，则在步骤412中驱动连接到运算放大器350的输出的电流吸收器。这在步骤414中吸收来自Iinsense-节点的电流，从而使与Iinsense-节点相关联的电压减小了。控制回到步骤402，以继续监控与Iinsense-和Iinsense+节点的每一个相关联的电流。如果询问步骤410判定与Iinsense-和Iinsense+节点相关联的电压是相等的，则在步骤416中电流吸收器吸收与输入电流成正比的电流。控制回到步骤402，以继续监控Iinsense-和Iinsense+电压。
所揭示的电流监控电路能够提供一种让集成电路控制器即使在共模电压远高于控制器电源电压的情况下也能输入并测量通过相关联的电感器的DC电阻信号的方式。该电路有效工作时的输入共模电压是3-50伏特或更高，且不改变所描述的实现方式。这种电路结构是简单且有效的，仅需要很小的偏置电流。
从本揭示中受益的本领域技术人员将会理解，用于高精度电流检测的系统和方法使用了电感器的DC电阻。应该理解，应该将这里的附图和详细描述视为示例性的而非限制性的，并不旨在限于所揭示的特定形式和示例。相反，对于本领域普通技术人员而言，很明显，本申请包括任何进一步的修改、变化、重新排列、替代、替换、设计选择以及实施方式，而不背离本发明的精神和范围。由此，权利要求书旨在包括所有这样的进一步修改、变化、重新排列、替代、替换、设计选择以及实施方式。

Claims (19)

1.一种用于检测流过电感器的输入电流的装置，包括：
RC电路，所述RC电路在集成电路的第一和第二输入引脚上与所述电感器并联连接；
电压监控电路，用于监控所述集成电路的第一输入引脚处的第一电压，还用于监控所述集成电路的第二输入引脚处的第二电压；
运算放大器，用于将第一电压与第二电压进行比较并且响应于这种比较产生一控制输出；以及
电流吸收电路，用于响应于所述控制输出以便控制第一电压使其基本上等于第二电压。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述电压监控电路还包括：
电流镜，用于产生第一电压和第二电压，所述电流镜包括：
第一电压产生电路，用于监控第一输入引脚处的第一电压；
第二电压产生电路，用于监控第二输入引脚处的第二电压；
偏置电路，用于为第一电压产生电路和第二电压产生电路产生偏置电压。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述电流吸收电路响应于第一电压超过第二电压的判定，按第一操作模式吸收来自第一引脚的电流；并且
所述电流吸收电路响应于第一电压基本上等于第二电压的判定，按第二操作模式不吸收来自第一引脚的电流。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，
所述电流吸收电路还包括：
电阻器；
连接在第一输入引脚和电阻器之间的晶体管；以及
其中，当运算放大器的控制输出控制着所述晶体管时尝试使与第一引脚相关联的第一电压基本上等于与第二引脚相关联的第二电压。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，
至少一个附加的电流吸收电路连接到运算放大器的输出。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述RC电路还包括：
连接到电感器的第一端的第一电阻器；
与第一电阻器串联且连接到电感器的第二端的电容器；
在第一电阻器和电容器的连接处以及第一输入引脚之间连接着的第二电阻器。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，
流过第一电阻器和第二电阻器进入第一引脚的电流是正比于流过电感器的电流的。
8.一种装置，包括：
电压调节电路，用于响应于输入电压而产生输出电压，
所述电压调节电路包括：
开关晶体管；和
包括输出电感器和电容器的输出滤波器；
连接在输入电源和电压调节电路之间的输入电感器；
电流检测电路，用于检测流过电压调节器的输入电感器的输入电流，所述电流检测电路包括：
RC电路，所述RC电路在集成电路的第一和第二输入引脚上与所述电感器并联连接；
电压监控电路，用于监控所述集成电路的第一输入引脚处的第一电压，还用于监控所述集成电路的第二输入引脚处的第二电压；
运算放大器，用于将第一电压与第二电压进行比较并且响应于这种比较产生控制输出；以及
电流吸收电路，用于响应于所述控制输出以便控制第一电压使其基本上等于第二电压。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，
所述电压监控电路还包括：
电流镜，用于产生第一电压和第二电压，所述电流镜包括：
第一电压产生电路，用于监控第一输入引脚处的第一电压；
第二电压产生电路，用于监控第二输入引脚处的第二电压；
偏置电路，用于为第一电压产生电路和第二电压产生电路产生偏置电压。
10.如权利要求8所述的装置，其特征在于，
所述电流吸收电路响应于第一电压超过第二电压的判定，按第一操作模式吸收来自第一引脚的电流；并且
所述电流吸收电路响应于第一电压基本上等于第二电压的判定，按第二操作模式不吸收来自第一引脚的电流。
11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，
所述电流吸收电路还包括：
电阻器；
连接在第一输入引脚和电阻器之间的晶体管；以及
其中，当运算放大器的控制输出控制着所述晶体管时尝试使与第一引脚相关联的第一电压基本上等于与第二引脚相关联的第二电压。
12.如权利要求8所述的装置，其特征在于，
至少一个附加的电流吸收电路连接到运算放大器的输出。
13.如权利要求8所述的装置，其特征在于，
所述RC电路还包括：
连接到电感器的第一端的第一电阻器；
与第一电阻器串联且连接到电感器的第二端的电容器；
在第一电阻器和电容器的连接处以及第一输入引脚之间连接着的第二电阻器。
14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，
流过第一电阻器和第二电阻器进入第一引脚的电流是正比于流过电感器的电流的。
15.一种用于检测流过电感器的输入电流的方法，包括：
使用RC电路产生第一电压和第二电压，这两个电压之差表示流过电感器的输入电流，所述RC电路在集成电路的第一和第二输入引脚上与所述电感器并联连接；
监控所述集成电路的第一输入引脚处的第一电压以及所述集成电路的第二输入引脚处的第二电压；
将第一电压与第二电压进行比较；
响应于这种比较而产生控制输出；以及
响应于控制输入而吸收到第一输入的电流，以便控制第一电压使其基本上等于第二电压。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，
监控的步骤还包括下列步骤：
响应于受监控的第一电压而产生第一电压，并且响应于受监控的第二电压而产生第二电压。
17.如权利要求15所述的方法，其特征在于，
吸收电流的步骤还包括下列步骤：
响应于指示第一电压超过第二电压的控制输出，按第一操作模式吸收来自第一引脚的电流；并且
响应于指示第一电压基本上等于第二电压的控制输入，按第二操作模式控制来自第一引脚的电流的吸收。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，
吸收的步骤还包括下列步骤：
响应于第一操作模式中的控制输出而驱动电流吸收器以开始吸收来自第一引脚的电流。
19.如权利要求17所述的方法，其特征在于，
控制的步骤还包括下列步骤：
响应于第二操作模式中的控制输出，限制来自电流吸收器的电流。
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