CN102539899A - 用于电量计量的集成mosfet电流感测 - Google Patents

用于电量计量的集成mosfet电流感测 Download PDF

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Abstract

用于电量计量的集成MOSFET电流感测。要被感测所通过的电流的第一MOSFET耦合于相同类型的第二MOSFET，该第二MOSFET偏置成具有与该第一MOSFET相同的电阻。该第二MOSFET具有比该第一MOSFET小得多的面积，并且耦合于代表通过该第一MOSFET的最大电流的电流源。相对于该第二MOSFET两端的电压的第一MOSFET两端的电压提供通过该第一MOSFET的电流的测量。公开各种实施例，包括在电池组中的实施例，其用于消除对额外的以及昂贵的外部部件的需要。

Description

用于电量计量的集成MOSFET电流感测
相关申请的交叉引用
该申请要求2010年9月21日提交的美国临时专利申请号61/385,090和2010年9月22日提交的美国临时专利申请号61/385,475的权益。
技术领域
本发明涉及用于监测电池充电或电池充电状态(state of charge)的电量计量(fuel gauging)的领域。
背景技术
电量计量技术可以通过监测电池特性和充电状态并且根据需要对充电参数做出调节而预测并且增加电池寿命。对于大多数电量计量算法需要的重要输入数据中的一个是电池电流的准确采样。电池电流测量所需要的高准确度，以及在所有条件下测量电池充电和放电电流的需要在以前需要在电池充电和放电路径内部具有额外感测元件。该额外感测元件(典型地是小电阻器)在电池充电和放电两者期间增加功率损耗，其与通过电池电流感测元件的电压和电流成比例。
图1示出前面的现有技术。电流感测元件(典型地如由Rsense示出的电阻器)与电池组串联连接。该电流感测元件然后用于通过将该感测电阻器两端的电压降转换成数字表示来测量电池电流。典型地，还提供热敏电阻来感测电池的温度以用于电池性能的更准确预测并且用于故障检测(该读数也被数字化)。该信息然后提供给电量计量算法。
蜂窝电话、膝上型计算机等的典型的电池组将包括过电流保护，其将保护以防御过大的充电和放电电流。为该目的，当然需要测量电池电流，并且因此典型的电池组将包括与实际电池串联的电流感测电阻器，外加两个具有相反本体连接的串联连接的MOSFET以便能够关断过大的充电电流或过大的放电电流。另外，充电电流一般由外部电流感测电阻器感测，该电阻器与耦合于开关调整器的输出的另一个晶体管开关串联。所有这些装置必须能够传导所允许的最大电流，并且因此都是相对大的，并且在感测电阻器的情况下由于它们的容量和准确度要求从而是相对昂贵的。
此外，当然特别地与充电器串联的许多开关和感测电阻器是发热和功率损耗的可观来源，并且对于实际上封装在电池组中的那些装置而言，开关和感测电阻器两端的电压降在系统关闭前将要求更高的电池电压，由此将放电电压限制于更高的电压并且从而将电池的有用容量限制于更低的容量。
附图说明
图1是图示导致更高的功率耗散的额外电流感测元件(Rsense)的现有技术使用的图。
图2是用于充电/放电功率MOSFET在三极管区域中的操作的本发明的实施例。
图3示出图2的实施例，但具有对MOSFET A和MOSFET A/K的不同源极漏极电压的校正。
图4图示用于充电功率MOSFET在饱和区中的操作的本发明的实施例，其包括图3的不同源极漏极电压的校正。
图5图示包含进入电池组的与图2的相似的实施例。
图6图示包含进入电池组的与图3的相似的实施例。
具体实施方式
本发明的一些实施例在所有条件下测量电池充电和放电电流，同时排除对与电池电流串联的额外感测元件的需要并且消除该额外感测元件。这减少了功率耗散从而实现当电池向负载供电时更长的电池放电时间，以及当将电池充电时更低的装置温度和功率要求。电池电流测量通过以下完成：
1.创建参考电压，其代表在全量程电流(即，将碰到的最大充电/放电电流)时将出现在电池充电/放电功率MOSFET两端的电压(V_Full_scale)。
2.使用开关电容器或其他模数转换技术将电池充电/放电功率MOSFET两端的电压(作为V_Full_scale参考电压的分数)转换成数字表示。
该数字表示则是可以用作电量计量操作的一部分的电池电流测量信息。
前面提到的内容在图2中图示。如可从该图看见的，充电/放电p-MOSFET A(具有面积A)耦合在电池组和系统负载与充电器之间(p-MOSFET在本文中用于表示p沟道MOSFET)。充电/放电p-MOSFET A由充电/放电控制来控制，除异常放电电池外，每当电池正在充电或每当电池正在向系统负载供电时，充电/放电控制将通过将p-MOSFET A的栅极耦合于电路地线来使p-MOSFET A完全导通。在优选实施例中，虽然如果期望的话可使用两个晶体管，p-MOSFET A的本体连接根据电流流过该MOSFET的方向而被切换。在该方面，在跟着的权利要求中对第一场效应晶体管(A)的引用应该解释为对一个场效应晶体管或对串联连接的两个场效应晶体管的引用。同样，当电池正在充电时本文和跟着的权利要求中对该第一场效应晶体管(A)的源极和漏极的引用应该是对该第一场效应晶体管(A)的源极和漏极(因为当电池正通过负载放电时源极和漏极或至少它们的功能反转)。
充电器当然不是一直被供电或甚至连接，使得电池组的充电状态将在全充电状态和认为是全放电状态的充电状况之间的某处变化。具有面积A/K(其中K是大的)的第二p-MOSFET A/K的源极连接到充电/放电p-MOSFET A的源极，并且第二p-MOSFET A/K的栅极连接到充电/放电p-MOSFET A的栅极与充电/放电控制电路。该第二p-MOSFET A/K的漏极耦合于电流参考(I_Full_scale)/K。该电流I_Full_scale代表在该特定应用中充电/放电p-MOSFET A将受到的最大电流。在典型系统中，K值将是大约10,000，使得通过该第二p-MOSFET A/K的电流将代表非常小的功率损耗，即仅当充电/放电p-MOSFET A导通时将出现的功率损耗。
充电/放电p-MOSFET A两端的电压施加于A-D转换器，正如第二p-MOSFET A/K两端的电压。对于由充电/放电控制提供给这两个p-MOSFET的栅极源极电压，第二p-MOSFET A/K的源极到漏极电压将是将出现在充电/放电p-MOSFET A两端的电压(如果对于当前栅极源极电压，它传导全量程电流I_Full_scale的话)。在图2中充电/放电p-MOSFET A的实际源极到漏极电压(标记电池电流表示)将是取决于通过p-MOSFET A的实际电流的第二p-MOSFET A/K两端的电压的某个分数，并且当然将具有将取决于电池组在充电还是在放电的极性。因此，通过使用第二p-MOSFET A/K的源极到漏极电压V_Full_scale参考作为A-D转换器的参考，并且使用充电/放电p-MOSFET A的源极到漏极电压作为输入到A-D转换器的电池电流表示信号，A-D转换器的输出将代表在任何特定时间通过充电/放电p-MOSFET A的该分数的全量程电流I_Full_scale。因为全量程电流I_Full_scale是已知的，将A-D转换器的输出施加于此则提供在大小和方向(充电或放电)两个方面的电池电流信息给电量计。
图2的实施例假设充电/放电p-MOSFET A和第二p-MOSFET A/K在线性区中操作并且具有固定的电阻比(真正的线性)。如果这是真的，在任何时间的充电/放电p-MOSFET A的源极到漏极电压(与充电/放电p-MOSFET A如果完全传导的话则其源极到漏极电压将具有的电压相比)是在任何特定时间通过充电/放电p-MOSFET A的全量程电流的分数的准确测量。在这些条件下，第二p-MOSFET A/K的源极到漏极电压是充电/放电p-MOSFET A如果传导I_Full_scale的话则其源极到漏极电压将具有的电压，因此这两个p-MOSFET的源极到漏极电压的比率提供充电/放电p-MOSFET A实际传导的全量程电流的分数。
在图2中，即使当在线性区中操作p-MOSFET A和第二A/K时，将存在由于第二p-MOSFET A/K随通过充电/放电p-MOSFET A的电流而变化的源极到漏极电压引起的错误。特别地，这两个p-MOSFET的源极电压是相同的，但这两个p-MOSFET的漏极电压仅当充电/放电p-MOSFET A中的电流等于I_Full_scale时是相同的。当充电/放电p-MOSFET A中的电流较小时，电流源I_Full_scale/K将把第二p-MOSFET A/K的漏极电压拉低，使得这两个p-MOSFET用不同的源极漏极电压操作。该效应可以如在图3中示出的通过在充电/放电pp-MOSFET A的栅极和第二p-MOSFET A/K的栅极之间增加补偿电压VCOMP来补偿。
特别地，第二p-MOSFET A/K的目的是在缩放基础上复制充电/放电pp-MOSFET A的电阻，使得在这两个p-MOSFET中，相对源极漏极电压反映相对源极漏极电流。然而，在p-MOSFET的线性操作区中，由于对于线性区中的任何特定栅极源极电压的该漏极电流与漏极到源极电压的关系的曲线的曲率，p-MOSFET的源极漏极电压中的增加将不会完全增加与源极漏极电压中的该增加成比例的通过p-MOSFET的电流。该效应可通过向第二p-MOSFET A/K提供与第二pp-MOSFET晶体管A/K的漏极源极电压成比例的栅极电压增量VCOMP来补偿。这维持两个p-MOSFET的电阻中的比率很好地处于系统所需要的准确度内。在一个实施例中，该补偿通过考虑两个晶体管在沟道的中点的栅极到沟道电压来设置。特别地，参照图3，如果Vrep小于Vbatt，那么p-MOSFET A/K的沟道的中点将比p-MOSFETA的中点低(Vbatt-Vrep)/2。因此p-MOSFET A/K的栅极电压比p-MOSFET A的栅极电压低数量(Vbatt-Vrep)/2。
现在参照图4，可以看见本发明的另外的实施例。该实施例适合当充电/放电p-MOSFET A操作时使用或可在饱和区中操作。该实施例具有一些对应于在之前描述的实施例中的部件的部件，并且因此这里将不重复这样的描述。如可在图4中看见的，已经增加第三和第四MOSFET A/K，其也是p-MOSFET并且具有面积A/K。另外，提供第五p-MOS器件MP5，其具有由放大器AMP1控制的栅极。放大器AMP1是差分输入放大器，其具有连接到充电/放电p-MOSFET A的漏极和该第四MOSFET的漏极的输入，并且控制p-MOSFET MP5的栅极来确保充电/放电p-MOSFET A和该第四MOSFET的漏极电压是相等的。因此通过该第四MOSFET A/K的电流将与通过充电/放电p-MOSFET A的电流成正比(1/K倍)(即使充电/放电p-MOSFET A在饱和区中操作)。该电流由电流镜IMIRROR镜像到该第三MOSFET的漏极，该第三MOSFET的栅极连接到电路地线。这确保该第三MOSFET将在所有情况下在线性区中操作，其中从该第三MOSFET的源极流到漏极的电流等于镜像电流IMIRROR。
在图4中，注意如果电流镜IMIRROR相应地成比例，第二和第三MOSFET的K值可不同于第四MOSFET和MOSFET A的K值(虽然没有原因不使用相同的K值)。同样注意，放大器AMP 1确保第四MOSFET的漏极处于与MOSFET A的漏极相同的电压，并且电流镜IMIRROR迫使相同的电流通过第三MOSFET(当流过第四MOSFET时)，使得第三MOSFET的漏极将处于与MOSFET A的漏极相同的电压，或Vbatt。
如在图3中，第二MOSFET的源极漏极电压的变化的影响通过相对于第三MOSFET的栅极的地线连接而在它的栅极上施加电压VCOMP来抵消第二MOSFET随它的源极到漏极电压的电阻变化，从而得到抵消。因此，虽然因为如果主充电p-MOSFET A在线性区中操作则电路也将同样操作，它的使用没有被这样限制，可使用图4的实施例，其中主充电p-MOSFET在饱和区中操作。然而它仅在一个方向操作，可以说而非在充电和放电期间。然而该实施例和较早描述的实施例可在超出电池充电器的应用中使用，例如其中需要监测通过开关晶体管的电流并且感测电阻器由于它的大小、成本、电压和功率损耗或任何其他原因而没有吸引力的任何应用等。
现在参照图5，可看见本发明的另一个实施例。该实施例的概念是集成MOSFET电流感测电路包括在电池组自身内，并且因此具有当否则将出现过大负载或过大充电电流时断开电池的能力。图5图示包含在电池组内的与图2的相似的实施例，具有耦合于电量计用于与系统控制器通信的接口。这样，消除了电池组中现有技术的感测电阻器(正如在电池组外面的现有技术的感测电阻器和耦合晶体管或多个耦合晶体管)。这导致显著的成本节省以及给定电池的电池性能的提高。图6是相似的，并且包含与本文之前描述的图3的相似的实施例，再次具有耦合于接口来提供通过数据端口的通信能力的电量计。在该方面，不要求高数据率，并且因此可使用相对简单的接口，例如通过示例I2C和
Figure BSA00000589482000071
(Dallas semiconductor的串行通信系统，Dallassemiconductor现在是本发明的受让人Maxim Integrated Products的全资子公司)等。当传感器位于电池组中时，当电流开始变得过大时，传感器还可关断主晶体管p-MOSFET A(通过将模数转换器的范围限制于小于全计数输出的某个值)，使得稍微超过该计数的任何值可被认为是过大电流。
本质上，本发明的电路采用电流流动的幅度和方向的形式提供电池电流信息，其可集成来提供库仑计数器类型的输出。本发明的优选使用是与电压电量计一起，其将电池模拟的最佳特性与库仑计数器的最佳特性结合来提供电池组的充电状态，其具有如主要由库仑计数器确定的良好短期特性，以及如主要由电池模拟提供的良好长期特性，而不管电池组究竟是完全充电还是完全放电。从而电池模拟基本消除库仑计数器的长期漂移特性，同时基本消除由于库仑计数器的电池模拟中的短期不准确度。这实现了在电池组的所有操作状态下监测电池组的充电状态中的高准确度而与它的充电率、它的放电率或它在不使用期间的自放电率无关。
本发明已经使用实现p-MOSFET的示范性实施例说明，虽然可根据期望使用例如但不限于n-MOSFET等其他器件类型和其他电路。从而尽管本发明的优选实施例已经为说明的目的而不为限制的目的在本文中公开并且描述，本领域内技术人员将理解可在其中做出形式和细节上的各种改变而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (19)

1.在用于感测流过场效应晶体管的电流的电流传感器中，设备包括：
第一场效应晶体管；
第二场效应晶体管，所述第一和第二场效应晶体管具有相同类型，每个具有源极、漏极和栅极；
所述第一和第二场效应晶体管的源极耦合在一起，以及所述第一和第二场效应晶体管的栅极耦合在一起；
所述第二场效应晶体管的漏极耦合于电流源；以及
电路，其耦合于所述第一和第二场效应晶体管的源极和漏极以用于提供指示流过所述第一场效应晶体管的电流的输出。
2.如权利要求1所述的电流传感器，其中耦合于所述第一和第二场效应晶体管的源极和漏极以用于提供指示流过所述第一场效应晶体管的电流的输出的所述电路包括：
对相对于所述第二场效应晶体管的源极到漏极电压的所述第一场效应晶体管的源极到漏极电压做出响应的电路。
3.如权利要求2所述的电流传感器，其中对所述第二场效应晶体管的源极到漏极电压与所述第一场效应晶体管的源极到漏极电压的比率做出响应的所述电路包括：
模数转换器，所述模数转换器将所述第二场效应晶体管的源极到漏极电压作为参考，以及将所述第一场效应晶体管的源极到漏极电压作为输入。
4.如权利要求1所述的电流传感器，其中所述第一和第二场效应晶体管的栅极通过电压源耦合在一起来向所述第二场效应晶体管的栅极电压提供校正以校正所述第一和第二场效应晶体管的不同漏极电压。
5.如权利要求4所述的电流传感器，其中所述电压源的电压具有等于所述第一和第二场效应晶体管之间的漏极电压之差除以2的幅度。
6.如权利要求5所述的电流传感器，其中所述第一场效应晶体管是所述电流传感器要感测流过其的电流的场效应晶体管。
7.如权利要求6所述的电流传感器，其中所述第一场效应晶体管具有比所述第二场效应晶体管更大的面积。
8.如权利要求1所述的电流传感器，进一步包括：
第三和第四场效应晶体管，所述第一、第二和第四场效应晶体管具有比所述第三场效应晶体管更小的面积；
所述第一、第二、第三和第四场效应晶体管的源极耦合在一起，以及所述第三和第四场效应晶体管的栅极耦合在一起；
使所述第三和第四场效应晶体管的漏极保持在相同电压的电路；
将所述第四场效应晶体管的漏极中的电流镜像到所述第一场效应晶体管的漏极的电流镜；
所述第一场效应晶体管的栅极偏置成使得所述第一场效应晶体管在线性区中操作；
所述第三场效应晶体管是所述电流传感器要感测流过其的电流的场效应晶体管，所述电流与所述第一场效应晶体管中的电流成比例。
9.如权利要求8所述的电流传感器，其中耦合于所述第一和第二场效应晶体管的源极和漏极以用于提供指示流过所述第一场效应晶体管的电流的输出的所述电路包括：
对相对于所述第二场效应晶体管的源极到漏极电压的所述第一场效应晶体管的源极到漏极电压做出响应的电路。
10.如权利要求9所述的电流传感器，其中对相对于所述第二场效应晶体管的源极到漏极电压的所述第一场效应晶体管的源极到漏极电压做出响应的所述电路包括：
模数转换器，所述模数转换器将所述第二场效应晶体管的源极到漏极电压作为参考，以及将所述第一场效应晶体管的源极到漏极电压作为输入。
11.如权利要求1所述的电流传感器，进一步包括：
电池组；
模数转换器，其对相对于所述第一场效应晶体管的源极到漏极电压的所述第二场效应晶体管的源极到漏极电压做出响应；
耦合于所述模数转换器的输出的电量计；
耦合于所述电量计的输出的接口；
所述传感器、模数转换器、电量计和接口位于所述电池组中；
所述接口能够从所述电池组外面访问。
12.如权利要求11所述的电流传感器，其中所述传感器配置成当通过所述第一场效应晶体管的电流开始变得过大时关断所述第一场效应晶体管。
13.在用于感测流过第一场效应晶体管的电流的电流传感器中，设备包括：
第二场效应晶体管，所述第一和第二场效应晶体管具有相同类型，每个具有源极、漏极和栅极，所述第二场效应晶体管小于所述第一场效应晶体管；
所述第一和第二场效应晶体管的源极耦合在一起，以及所述第一和第二场效应晶体管的栅极耦合在一起；
所述第二场效应晶体管的漏极耦合于电流源；以及
电路，其耦合于所述第一和第二场效应晶体管的源极和漏极，并且对相对于所述第二场效应晶体管的源极到漏极电压的所述第一场效应晶体管的源极到漏极电压做出响应以用于提供指示流过所述第一场效应晶体管的电流的输出。
14.如权利要求13所述的电流传感器，其中对相对于所述第一场效应晶体管的源极到漏极电压的所述第二场效应晶体管的源极到漏极电压做出响应的所述电路包括：
模数转换器，所述模数转换器将所述第二场效应晶体管的源极到漏极电压作为参考，以及将所述第一场效应晶体管的源极到漏极电压作为输入。
15.如权利要求13所述的电流传感器，其中所述第一和第二场效应晶体管的栅极通过电压源耦合在一起来向所述第二场效应晶体管的栅极电压提供校正以校正所述第一和第二场效应晶体管的不同漏极电压。
16.如权利要求15所述的电流传感器，其中所述电压源的电压具有等于所述第一和第二场效应晶体管之间的漏极电压之差除以2的幅度。
17.在用于感测流过第一场效应晶体管的电流的电流传感器中，设备包括：
第二、第三和第四场效应晶体管，其中全部具有相同类型并且全部具有比所述第一场效应晶体管更小的面积，每个场效应晶体管具有源极、漏极和栅极；
所有所述场效应晶体管的源极耦合在一起，所述第一和第二场效应晶体管的栅极耦合在一起，以及所述第三和第四场效应晶体管的栅极耦合在一起；
使所述第一和第二场效应晶体管的漏极保持在相同电压的电路；
将所述第二场效应晶体管的漏极中的电流镜像到所述第三场效应晶体管的漏极的电流镜；
所述第三场效应晶体管的栅极偏置成使得所述第三场效应晶体管在线性区中操作；
所述第四场效应晶体管的漏极耦合于电流源；以及
电路，其耦合于所述第三和第四场效应晶体管的源极和漏极以用于提供指示流过所述第一场效应晶体管的电流的输出。
18.如权利要求17所述的电流传感器，其中耦合于所述第三和第四场效应晶体管的源极和漏极以用于提供指示流过所述第一场效应晶体管的电流的输出的所述电路包括：
对相对于所述第四场效应晶体管的源极到漏极电压的所述第三场效应晶体管的源极到漏极电压做出响应的电路。
19.如权利要求17所述的电流传感器，其中对相对于所述第四场效应晶体管的源极到漏极电压的所述第三场效应晶体管的源极到漏极电压做出响应的所述电路包括：
模数转换器，所述模数转换器将所述第四场效应晶体管的源极到漏极电压作为参考，以及将所述第三场效应晶体管的源极到漏极电压作为输入。
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