CN102955058B

CN102955058B - 电流感测电路

Info

Publication number: CN102955058B
Application number: CN201210286951.0A
Authority: CN
Inventors: 董晓儒; 蒂埃里·詹斯; 彼得·克里斯蒂亚安斯
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: NXP BV
Priority date: 2011-08-16
Filing date: 2012-08-13
Publication date: 2015-07-08
Anticipated expiration: 2032-08-13
Also published as: CN102955058A; US8493097B2; EP2560014A2; US20130043941A1

Abstract

在一个实施例中提供一种电路。该电路包括低欧姆电路和电源节点，该电源节点配置为将低欧姆电路上的电源电压提供给负载，从所述负载可以提取电流。该电路还包括电流参考电路和电流感测电路，该电流参考电路配置为基于来自电源节点的电流的一部分设置电流参考水平。电流感测电路感测并响应流经低欧姆电路的电流。电流感测电路在正常模式下工作，其中电流感测电路感测流经低欧姆电路的电流量小于电流阈值水平，以及在过电流模式下工作，其中电流感测电路感测流经低欧姆电路的电流量大于电流阈值水平。

Description

电流感测电路

技术领域

本发明涉及电流感测电路。

背景技术

电流传感器经常用于许多电应用。例如，许多汽车电路例如发动机、电磁阀和灯驱动器，可能需要确定负载中的电流的电路。例如，可能需要这种电路感测对电子元件具有潜在破坏性的电流水平，例如可能导致过热的电流水平。一旦确定，可以相应地控制该电流水平。

一些电流感测方案是测量低欧姆感测电阻器上的电压以确定流经电阻器的电流。由于工艺变化，这些电阻器可以表现出约10～20％的变化。这种变化可以影响电流感测电路的调节和准确性。一些电流感测方案采用大元件值以试图减少工艺变化的影响来实施电路。然而，不能消除变化的影响，并且大元件的使用增加了实现该感测电路所需要的芯片面积。

发明内容

一个或更多实施例可能解决一个或更多的上述问题。

在一个实施例中提供一种电路。该电路包括低欧姆电路和电源节点，该电源节点配置为用于将低欧姆电路上的电源电压提供给负载(“其它模块”)，从该负载可以提取电流。该电路还包括电流参考电路和电流感测电路，该电流参考电路配置为基于来自电源节点的电流的一部分设置电流阈值水平。电流感测电路感测并响应流经低欧姆电路的电流。电流感测电路在正常模式下工作，其中电流感测电路感测流经低欧姆电路的电流量小于电流阈值水平，以及在过电流模式下工作，其中电流感测电路感测流经低欧姆电路的电流量大于电流阈值水平。

在另一个实施例中，提供一种电路，包括基于晶体管的开关、参考晶体管、电流参考电路和感测电路。基于晶体管的开关位于从电源电压流经与该电路耦合的负载到达地电压的电流路径上。基于晶体管的开关具有配置在电路中的第一源极/漏极和第二源极/漏极，使得第一源极/漏极具有大于第二源极/漏极的电压的电压。参考晶体管具有与第一电压耦合的第一源极/漏极以及具有第三电压的第二源极/漏极。电流感测电路感测并响应经由一对电流路径流经低欧姆电路的电流，该对电流路径包括从第二电压到地电压的第一电流路径以及从第三电压到地电压的第二电流路径。电流感测电路配置为在包括正常模式和过电流模式的两种模式下工作，其中电流感测电路分别感测流经基于晶体管的开关的电流量小于电流阈值水平以及流经基于晶体管的开关的电流量大于电流阈值水平。电流阈值水平等于流经第二电流路径的电流缩放参考晶体管的跨导与基于晶体管的开关的跨导的比率。

在另一个实施例中，提供一种电流感测的方法。通过包括低欧姆电路和负载的电流路径从电源节点提供电流。通过参考晶体管从电源节点向地电压提供电流。基于通过参考晶体管提供的电流以及所述低欧姆电路的跨导与所述参考晶体管的跨导的比率，设定电流阈值水平。提供电流感测电路，该电流感测电路响应并感测流经低欧姆电路的电流，该电流感测电路具有正常工作状态和过电流工作状态。感测电路配置为当感测流经低欧姆电路的电流量小于电流阈值水平时在正常模式下工作，当感测流经低欧姆电路的电流量大于电流阈值水平时在过电流模式下工作。

上述讨论并非旨在描述每一种实施例或每一种实现。附图和接下来的描述也举例说明了各种实施方式。

附图说明

考虑接下来结合附图的详细描述，可以更完整地理解各种示例性实施方式，在附图中：

图1示出根据一个或更多实施例的用于过电流感测的电路装置；

图2示出根据一个实施例的电流感测电路；

图3示出根据一个实施例的参考电流电路；

图4示出根据另一个实施例的参考电流电路；以及

图5示出具有附加级的图4的参考电流电路。

具体实施方式

尽管本公开可修改成各种变型和替代形式，但在附图中已经以示例的方式示出其示例，并且将对示例进行详细描述。然而，应当理解，本发明不是要将本公开内容限制为所描述的特定实施方式。相反，本发明是要涵盖落入本公开内容的精神和范围内的所有修改、等同物和替换。

认为所公开的实施例适用于利用电流感测的各种不同类型的工艺、器件和装置。虽然没有必要如此限制实施例，但通过采用本文对示例的描述，可以理解本公开内容的多个方面。

在一个实施例中，电流感测电路包括配置为将低欧姆电路上的电源电压提供给负载，从该负载可以提取电流。低欧姆电路采用与电阻器相比更少受到工艺变化影响的元件实现，例如基于晶体管的开关。参考晶体管设置在从电源节点至地电压的电流路径上。电流感测电路配置为采用从参考晶体管和低欧姆电路至地的一对相应的电流路径，感测流经低欧姆电路的电流。电流感测电路配置为在两种模式下工作，包括正常模式，其中这一对电流路径表明负载提取的电流小于电流阈值水平，以及过电流模式，其中这一对电流路径表明负载提取的电流大于电流阈值水平。

在一个或更多实施例中，电流感测电路配置为根据参考电流偏置流经这一对电流路径中的每一个的电流。负载通过低欧姆电路提取的额外电流导致低欧姆电路上的成比例的电压降。通过比较低欧姆电路和参考晶体管上的电压降量，可以感测负载提取的电流。

例如，图1说明根据一个或更多实施例的配置为感测流经低欧姆电路的电流(I1+I3)的电路。电路100包括位于从电压源Vdd至负载电路的电流路径上的低欧姆电路(开关102)。需要理解，可以感测电流的低欧姆电路可以采用许多电路元件实现。例如，在一些实施例中，低欧姆电路可以采用基于晶体管的开关实现。当在集成电路中实现时，与使用大多晶硅电阻器相比实现开关所需更少面积。电阻器与晶体管相比也更容易受到工艺变化的影响。为了便于解释，低欧姆电路一般描述为开关102并且被称为开关或者感测开关。此外，一些功率调节应用包括当感测到过电流就断开至负载的电源的电源开关。一个或更多实施例可以利用这种电源开关作为用于感测电流的低欧姆电路。

电路100包括参考晶体管104。电流感测电路108配置为提供一对分别从V1经过开关102至地以及从V1经过参考晶体管104至地的电流路径110和112。电流感测电路配置为根据参考电流发生器106提供的参考电流(I_bias)偏置电流。如上所述，负载经由开关102提取的额外电流(I3)导致开关102上的成比例的电压降。因此，电压V2与电压V3相比将降低。以这种方式，电流感测电路108可以不需要任何转换直接感测负载提取的电流I3。

在一些实施例中，电流感测电路配置为输出报警信号(Out)，指示何时感测的电流超过参考电流阈值。根据不同的应用，输出报警信号可以是内部使用的(例如用于控制功率调节电路中的电源开关的反馈)或者用于外部电路如负载的预警信号。

在一个或更多实施例中，电流感测电路108可以配置为响应经由开关102感测的电流在正常模式下和过电流模式下工作。电流感测电路108响应于这一对电流路径指示流经开关102的电流(即I1+I3)小于电流阈值水平而在正常模式下工作，以及响应于这一对电流路径指示流经开关102的电流大于电流阈值水平而在过电流模式下工作。在一些实施例中，电流感测电路108可以配置为基于电流感测电路在哪一种模式下工作设置报警信号(Out)的值。

举例来说，图2示出根据一个实施例的电流感测电路。例如，电流感测电路200可以用于实现在图1中示出的电流感测电路108。为了便于解释，参考图1中示出的电流感测应用描述电流感测电路200。正如参考电流感测电路108描述的那样，电流感测电路200可以用于经由一对电流路径(V2至地和V3至地)感测流经开关102的电流I3。在这个示例中，电流路径各自由NMOS电流镜(216、218和220)偏置以使这一对电流路径各自允许与参考电流I_bias成比例的电流通过。

在这个示例中，电流感测电路200通过PMOS电流镜202和204在正常模式和过电流模式下工作。PMOS晶体管202产生与电流I2成正比的参考栅电压(Vg)。假定I_bias和V3保持恒定，则栅电压Vg保持不变。因为电压Vg是恒定的，所以V2电压的增大/减小使得PMOS晶体管204根据感测的电流在不同的工作区工作。

例如，最初，由于PMOS 204和PMOS208的线性工作区，输出(Out)设置为高电压(接近Vdd)，使得小于阈值的电源电流波动不会触发输出。如果栅源电压(V2-Vg)减小，则在线性和饱和区之间的边界漏源电压改变为更低的电压。直到感测的电流达到参考电流阈值，PMOS 204的栅源电压小到足以保持PMOS 204在饱和区工作。当电流超过参考电流阈值，栅源电压导致PMOS 204关断。因此，Out的值将降为更低的电压，并且可以用于指示感测的电流是大于还是小于参考电流阈值。

在一个或更多的实施例中，可以通过调节偏置电流I_bias来调节参考电流阈值。例如，当通过NMOS晶体管218和220的偏置电流增大时，由于在图1中示出的参考晶体管104的一定尺寸，参考晶体管104上的电压降增大(Vref＝Ibias*Rref)。因此，V3和Vg减小，并且调节PMOS204在饱和状态工作的栅源电压的相对于V2的范围，使得电流阈值水平增大。类似地，当通过NMOS晶体管218和220的偏置电流减小时，参考晶体管104上的电压降减小。因此，V3和Vg增大，并且调节PMOS204在饱和状态工作的栅源电压的相对于V2的范围，使得电流阈值水平减小。由下式给出电流阈值水平(I_thresh)，

I_thresh＝I2*(R_ref/R_switch)，

其中R_ref是在图1中示出的参考晶体管104的电阻，并且R_switch是在图1中示出的开关102的电阻。采用这种方式，通过借助于I_bias调节偏置电流，可以调节感测的电流阈值水平。

再次参考图1，在一些实施例中，通过调节PMOS 104的尺寸，电压阈值可以设置为所需的阈值。PMOS 104的尺寸由PMOS 104和电源电流之间的电流比率确定。通过应用PMOS 104的不同的栅极宽度和/或长度，或者如上所述调节偏置电流，可以调节用于感测的电流阈值，以调节感测电路的电流阈值水平。

因为偏置电流是确定电流阈值的主要参数，所以对于一些应用，电流镜216、216和220的晶体管可以选择相当大的尺寸以提供对参考电流阈值的更大的控制。

(NMOS 218 220)的大尺寸将导致在输出端的大寄生电容。在低偏置电流的条件下，结果是电路感测电流的响应时间可能会缩短。一个或更多的实施例包括第三电流镜206和208以及第四电流镜210、212、214，将第一和第二电流镜202、204、216、218、220与输出Out隔离。与晶体管202、204、218和220相比较，晶体管206、208、212和214应该足够小以加快响应时间。

图3示出根据一个实施例的参考电流电路。例如，参考电路可以用于实现在图1中示出的参考电流发生器106。在这个示例中，参考电流产生电路300包括各自的第一和第二级344和342。第一级344包括按照自举配置(bootstrap configuration)设置的四个晶体管302、304、306和308以及电阻器310。在第一级344中实现的自举配置对电源和电阻器310的工艺变化都是很敏感的，

I_{ref} = \frac{2}{μ C_{ox} {(W / L)}_{N}} * \frac{1}{R^{2}} {(1 - \frac{1}{\sqrt{k}})}^{2}

如上所述，电阻器具有约10～20％的偏差。即使大元件用于减小该变化的影响，也不能消除变化的影响。因此，如果单级自举电路，如在级344中实现的那样，从第一级输出的I_ref也许对于一些应用不足够准确。

为了避免工艺变化的影响，包含具有五个晶体管332、334、336、338和340的第二级342，该第二级342以类似第一级344的自举配置的方式设置，除了电阻器310的功能由NMOS 340执行。与电阻器相比较，晶体管更少受到工艺变化的影响。

然而，电阻器不能简单地由NMOS晶体管代替，因为在不形成正反馈环路的情况下参考输出不能直接反馈以产生偏置栅电压。

第一级的输出I_ref用于产生用于NMOS实现的电阻器340的偏置栅电压。晶体管320和322以类似电流镜的方式工作，将第一级输出电流转变为用于NMOS 340的NMOS栅电压(Vref)。由于在参考电路300中的电阻器310不能直接决定I_bias，可以减少电阻器的任何工艺变化的影响。

级344的电阻器310也可以帮助补偿电路的温度系数。证明实现温度系数TC(-40～85℃)：ΔVref/ΔT＝110ppm/℃，这在正常应用中是个可观的结果。在一个或更多的实施例中，电阻器可以基于包括电流感测电路108、低欧姆开关102和参考晶体管104的整个模块而非参考电路300的温度系数进行优化。例如，当用于实现在图1中示出的参考电流发生器106时，电阻器可以基于输出信号(Out)进行优化以实现温度不敏感。

在这个示例中，参考电流发生器电路300包括启动电路346和348以防止自偏置电路保留在零电流状态。一旦启动完成，启动电路将不影响参考操作。因此，可以通过不会由于工艺变化影响输出偏差的任何普通结构来实现启动电路。

模拟结果显示输出电流的分散比现有的带隙IP小38％。如果电压余量(voltage headroom)足够，则可适用于级联配置，以减小MOS的有限r₀的影响，这对独立的电源也是有利的。图4示出根据另一个实施例的参考电流电路。例如，参考电路400可以用于实现在图1中示出的参考电流发生器106。与图3中示出的参考电路300类似，参考电路400包括设置的第一和第二参考发生级。如参照图3描述的那样，第一级444包括按照自举配置设置的四个晶体管402、404、406和408以及电阻器410。此外，第一级包括按照与PMOS晶体管402和404实现的电流镜级联配置而设置的PMOS电流镜(462和464)。第一级还包括按照与NMOS晶体管406和408实现的电流镜级联配置而设置的NMOS电流镜(466和466)。与参照图3中的级342所描述相类似，第二级342包括按照自举配置设置的五个晶体管332、334、336、338和340。类似于第一级，第二级包括分别按照与晶体管432和434实现的电流镜以及晶体管436和438实现的电流镜级联配置而耦合的PMOS电流镜(452和454)以及NMOS电流镜(456和458)。

如参照图3所描述的那样，第一级444的输出I_ref用于产生用于第二级442的NMOS实现的电阻器440的偏置栅电压。晶体管420、422和242在以类似电流镜的方式工作，将PMOS 420和PMOS 424的输出栅电压转变为用于NMOS 440的NMOS栅电压。

与在图3中示出的参考电流发生器电路300类似，参考电流发生器400还包括启动电路446和448，以防止自偏置电路保持在零电流状态。一旦启动完成，启动电路将不影响参考操作。因此，可以通过不会由于工艺变化影响输出偏差的任何普通结构来实现启动电路。

在一个或更多的实施例中，在图3和图4中示出的参考电流发生器电路也适合于包括附加级以进一步稳定产生的输出电流。例如，图5示出采用三个级442、444和502实现图4中示出的参考电流发生器电路。前面的两个级是442和444，并且如参照图4的描述的那样实现。附加级502包括晶体管520-558以及启动电路546和548，与参照图4所描述的那样按照与级442的晶体管420-458和启动电路446和548类似的方式配置。晶体管540的偏置栅电压由级442的输出电流控制。

因此，晶体管540的偏置栅电压与晶体管440的偏置栅电压相比更稳定。采用这种方式，可以产生与单个带隙相比非常稳定的参考电流。模拟结果显示附加级502可以实现比前一级442的输出减小大约30％的分散。需要理解，参考电流发生器500可以采用任何数量的级来实现。

基于上述讨论和图示，本领域技术人员将容易认识到，可以进行多种修改和改变，而不用严格地遵循在此图示和描述的示例性实施方式和应用。并且，不同的实施例的各种特征可以在各种组合中实现。这种修改未偏离包括在接下来的权利要求中提出的本公开内容的真实精神和范围。

Claims

1.一种电路，包括：

低欧姆电路；

电源节点，配置为将低欧姆电路上的电源电压提供给负载，从所述负载可以提取电流；

电流参考电路，配置为基于并提取来自电源节点的电流的一部分而设置电流阈值水平；以及

电流感测电路，响应并感测流经所述低欧姆电路的电流，配置为在正常模式下工作，其中所述电流感测电路感测流经所述低欧姆电路的电流量小于所述电流阈值水平，以及在过电流模式下工作，其中所述电流感测电路感测流经所述低欧姆电路的电流量大于所述电流阈值水平。

2.根据权利要求1所述的电路，其中所述低欧姆电路包括基于FET的开关而不包括电阻器。

3.根据权利要求1所述的电路，其中所述电流参考电路包括具有镜电路的至少一个单元。

4.根据权利要求1所述的电路，其中：

所述电流参考电路具有输出节点并具有至少两级，所述输出节点配置为提供所述电流阈值水平；

所述至少两级中的每一级包括各自的第一电流镜；

所述至少两级中的第一级具有电阻器，所述电阻器配置为补偿温度系数；以及

所述至少两级中的第二级具有基于晶体管的结构，所述基于晶体管的结构配置为减少所述输出节点的输出电流的工艺变化，所述基于晶体管的结构的栅电压由所述两级中的第一级的输出电流控制。

5.根据权利要求4所述的电路，其中所述至少两级中的每一级包括附加电流镜，每一级的所述附加电流镜与其第一电流镜以级联方式耦合。

6.根据权利要求4所述的电路，其中所述电流参考电路还包括具有电流镜和基于晶体管的结构的附加级，所述附加级的基于晶体管的结构配置为减少所述输出节点的输出电流的工艺变化，所述附加级的基于晶体管的结构的栅电压由所述至少两级中的第二级的输出电流控制。

7.根据权利要求1所述的电路，其中：

所述低欧姆电路是电源开关；

所述电流感测电路配置为响应在过电流工作状态中工作而产生信号；以及

所述电源开关配置为响应所述信号切断至负载的电流路径。

8.一种电路，包括：

基于晶体管的开关，位于从电源电压流经与所述电路耦合的负载到达地电压的电流路径上，所述基于晶体管的开关具有第一源极/漏极和第二源极/漏极，所述第一源极/漏极具有大于所述第二源极/漏极的第二电压的第一电压；

参考晶体管，具有与所述第一电压耦合的第三源极/漏极以及具有第三电压的第四源极/漏极；以及

电流感测电路，响应并感测经由一对电流路径流经基于晶体管的开关的电流，所述电流路径包括从第二电压到地电压的第一电流路径以及从第三电压到地电压的第二电流路径，所述电流感测电路配置为在正常模式下工作，其中所述电流感测电路感测流经所述基于晶体管的开关的电流量小于电流阈值水平，以及在过电流模式下工作，其中流经所述基于晶体管的开关的电流量大于所述电流阈值水平，所述电流阈值水平等于通过第二电流路径的电流缩放参考晶体管的跨导与基于晶体管的开关的跨导的比率。

9.根据权利要求8所述的电路，还包括控制电路和输出信号，所述输出信号配置为指示在两种模式中的哪一种模式中工作，其中所述控制电路配置为通过产生导致基于晶体管的开关切断至所述负载的电流路径的信号而响应所述输出信号。

10.根据权利要求8所述的电路，其中电流感测电路包括基于FET的电路，所述基于FET的电路配置为通过在线性和饱和工作区之间转换所述基于FET的电路而在正常模式和过电流模式之间切换。

11.根据权利要求8所述的电路，还包括：

控制电路和输出信号，所述输出信号配置为指示在两种模式的哪一种模式中工作，其中所述控制电路配置为通过产生导致基于晶体管的开关切断至所述负载的电流路径的信号而响应所述输出信号。

12.根据权利要求8所述的电路，其中所述电流感测电路包括第一电流镜，所述第一电流镜具有在所述第一电流路径上的第一晶体管和在所述第二电流路径上的第二晶体管。

13.根据权利要求12所述的电路，其中：

所述第一电流镜的第一和第二晶体管是PMOS晶体管；以及

所述电流感测电路包括偏置电路，所述偏置电路配置为根据由电流参考电路产生的参考电流偏置在所述电流感测电路的第一和第二电流路径中每一个路径中的电流，使得所述第一电流镜的第一晶体管的栅源电压与流经所述基于晶体管的开关的电流成反比。

14.根据权利要求13所述的电路，其中所述电流感测电路配置为偏置在所述电流感测电路的第一和第二电流路径中每一个路径中的电流，使其等于所述电流阈值水平缩放所述基于晶体管的开关的跨导与所述参考晶体管的跨导的比率。

15.根据权利要求13所述的电路，其中所述偏置电路包括：

第二电流镜，位于所述第一电流镜和地电压之间的第一和第二电流路径中的每一个上，所述第二电流镜配置为根据所述电流阈值水平偏置所述第一电流路径上的电流，并根据所述电流阈值水平偏置所述第二电流路径上的电流。

16.根据权利要求15所述的电路，其中：

所述电流感测电路包括：

输出节点，位于所述感测电路的第一电流路径上所述第一和第二电流镜之间；

第三电流镜，位于所述第一电流路径上所述第一电流镜和所述输出节点之间；以及

第四电流镜，位于所述第一电流路径上所述第二电流镜和所述输出节点之间。

17.根据权利要求16所述的电路，其中所述第一电流镜和第二电流镜的晶体管的栅极尺寸大于所述第三和第四电流镜的晶体管的栅极尺寸。

18.一种电流感测方法，包括：

通过包括低欧姆电路和负载的电流路径从电源节点提供电流；

通过参考晶体管从所述电源节点至地电压提供电流；

基于通过参考晶体管提供的电流以及所述低欧姆电路的跨导与所述参考晶体管的跨导的比率设定电流阈值水平；

提供电流感测电路，响应并感测流经所述低欧姆电路的电流，所述电流感测电路具有正常工作状态和过电流工作状态；

在正常状态工作期间，感测通过所述低欧姆电路的电流量小于所述电流阈值水平；以及

在过电流工作状态期间，感测通过所述低欧姆电路的电流量大于所述电流阈值水平。

19.根据权利要求18所述的方法，还包括产生输出信号以指示所述电流感测电路处于哪种状态，其中所述输出信号导致切断至负载的电流路径。

20.根据权利要求18所述的方法，其中设定电流阈值水平包括：

产生参考电流；

根据所述参考电流缩放通过参考晶体管从所述电源提供至所述地电压的电流，以产生参考电压，所述参考电流等于所述电流阈值水平缩放所述低欧姆电路的跨导与所述参考晶体管的跨导的比率。