CN103380383A - 用于较宽电流感测范围的合成电流感测电阻器 - Google Patents

Abstract

电路（40）具有第一感测电阻器电路（42），该第一感测电阻器电路（42）具有部件，该部件包含第一电路有源元件（36）以提供感测电阻以感测与其串联的负载（14）中的电流（I），感测电阻通过输入命令电压（Vin）被建立。第二感测电阻器电路（42’）具有复制了第一感测电阻器电路（42）的部件的部件，其包含复制的有源元件（36’），复制的有源元件（36’）的电阻也通过输入命令电压（Vin）被建立。精密电阻器（54）耦合到复制的有源元件（36’）上以向其提供负载。当输入命令电压（Vin）在复制的有源元件（36’）两端建立电压（Vref）时，在第一电路有源元件（36）两端建立与其成比例的电压，以控制负载（14）中所期望的电流（I）。

Description

用于较宽电流感测范围的合成电流感测电阻器

技术领域

在此描述的各种电路及方法实施例总体涉及电流感测电路及技术，并且具体涉及使用有源部件来合成感测电阻器的电路和技术，使得能够在较大的动态范围上进行电流感测。

背景技术

电流感测电阻器已被广泛知晓。在图1中示出了典型的电流感测电阻器电路10及其用法的示例，其中感测电阻器11、控制装置（比如MOSFET12）和负载14串联连接在供电电压16和基准电位18之间。感测电阻器11中的电流在感测电阻器11两端产生输出电压，该电压能够通过电流感测比较器20被感测到。典型地，电路10使用电阻器11感测电流并且经由电流感测比较器20监测特定电压，从而表示电流阈值。电流感测电阻器电路10是精确、稳定并且廉价的，但是要求感测电阻器11两端的电压足够大，使得漂移和噪声不明显。

电路10实现了线性调节器，其基于输入电压控制负载电流，但是效果较弱，因为随着施加的控制信号降低，感测电阻器11两端的信号也降低，比较器20的漂移和噪声限制了精确度和性能。

因此，当在使用电流感测电阻器电路的系统中调整电流感测阈值时，需要漂移很低的非常精确的电流感测比较器20，或者需要使用高电阻感测电阻器11。然而，高电阻感测电阻器在高电流时下降过多电压而在低电流时没有足够的电压。因此，这种解决方案是低效的，因为在高电流水平下过多功率被浪费，而在低电流水平下对比较器20有严格的要求。

另一种被使用的电流感测技术是图2所示的电流镜30。电流镜30具有基准侧和镜像侧，基准侧具有串联连接的基准电流源32和MOSFET34，镜像侧具有串联连接在电压源16和基准电位18之间的MOSFET36和12以及负载14。来自基准电流源32的电流被驱动经过MOSFET34，以在MOSFET34的栅极上和感测MOSFET36的栅极上产生电压，由此设定其电阻。经过感测MOSFET36的电流在感测MOSFET36的漏极上产生电压，该电压可以通过比较器20被感测。

通常，电流镜30的基准电流部分是从外部电路提供的。这允许缩放但是并没有真正产生与电流成比例的电压，该电压可以被用于前馈和其它目的。

所需要的是一种电路，该电路提供稳定的和可预测的感测电阻，该电阻能够在较宽的动态范围上感测控制电流，从而为高精确度和高效率提供恒定电压阈值。

发明内容

根据在此公开的概念，采用反馈电路，从而使用MOSFET或其他有源部件来合成电阻器。通过使用两个相互匹配的合成器和可能地使用缩放器件，外部的精密基准电阻器可以被采用，使得合成电阻稳定并且可预测。系统中的乘法器或其他转换器可以用于通过电流命令信号来缩放合成电阻器，使得当要求（command）低电流时，合成高电阻。这允许恒定的电压阈值，用于高精确度和高效率。

因此，在此描述的一个示例中，负载电流感测电路具有：第一感测电阻器电路，以感测与其串联的负载中的电流；和第二感测电阻器电路，其具有复制了第一感测电阻器电路的部件的部件。电阻器耦合到第二感测电阻器电路。当输入命令电压施加到第一和第二感测电阻器电路以在第二感测电阻器电路中建立预定的响应时，预定的感测电阻在第一感测电阻器电路中被建立。

在另一个示例中，描述了具有第一感测电阻器电路的电路，该第一感测电阻器电路具有部件，其包含第一电路有源元件以提供由输入命令电压建立的感测电阻，从而感测与其串联的负载中的电流。第二感测电阻器电路具有复制了第一感测电阻器电路的部件的部件，包括复制的有源元件，复制的有源元件的电阻也通过输入命令电压被建立。精密电阻器耦合到复制的有源元件以向其提供负载。当输入命令电压在复制的有源元件两端建立电压时，在第一电路有源元件两端建立与其成比例的电压。

在另一个示例中，描述了一种用于感测负载电流的方法。该方法包含提供第一感测电阻器电路，其具有第一电路有源元件，用于与负载串联连接，以根据向其施加的输入命令电压提供感测电阻。第一感测电阻器电路被复制为具有复制的有源元件的复制的感测电阻器电路。精密电阻器耦合到复制的有源元件。当输入命令电压施加到复制的有源元件并且被调节以在复制的有源元件两端产生预定的电压时，在第一电路有源元件中建立预定的感测电阻。

附图说明

图1是根据现有技术示出典型的电流感测电阻器及其用途的示例的电路原理图。

图2是根据现有技术示出电流镜感测技术的示例的电路原理图。

图3是示出能够合成感测电阻器以在带负载的电路中建立感测电阻的电路的示例的电路原理图。

图4是示出能够合成感测电阻器以在带负载的电路中建立感测电阻的电路的另一个示例的电路原理图。

图5是能够在图4的电路中实例化的乘法器/除法器电路的示例。

图6是说明执行用于合成感测电阻器的方法的步骤的流程图，该感测电阻器用于在带负载的电路中建立感测电阻。

具体实施方式

概括地说，示出一种方法和电路，通过该方法和电路，感测电阻器可以通过在理想环境中生成复制的或合成的精密感测电阻器而被合成，并且根据该方法和电路，可以配置在实际负载下的感测电阻器。这能够以多种方式完成，在图3中示出了一个电路40的示例，现在作为参考。

在电路40中，提供了第一感测电阻器电路42，其具有的元件包括第一电路有源元件，MOSFET36。MOSFET36提供感测电阻以感测与其串联的负载14中的电流I。MOSFET36的电阻如以下所述被建立。

电路40可以被用于多种限流应用中；例如，电路40可以被用于期望控制LED负载中的电流的可变照明应用中，或者类似应用，其中一个电路工作在较宽动态范围上，比如100:1或1000:1的范围。替换地，电路40可以被用作主侧电流感测LED驱动器，或者类似的驱动器，在其中负载14中的电流可以通过控制器件（比如MOSFET12等）以已知的方式被切换或控制。

MOSFET36的电阻通过线路44上的输入命令电压Vin以下面更详细描述的方式进行控制。MOSFET36两端产生的电压连接到比较器或调节放大器20，该比较器或调节放大器20将该电压与所示的阈值电压Vth进行比较。尽管比较器或调节放大器20被示为说明性地用于电路40，但是可以同样有利地使用基于从合成电阻两端的电压导出的信息来进行操作的任何电路或其他电路。而且，电路不需要具有单个固定阈值。

在所示的示例中，第一感测电阻器电路42具有放大器46，该放大器46的输出端与MOSFET36的栅极连接。放大器46可以是比如运算放大器，但是可以具有例如2到5之间的适当增益。反馈电阻器48连接在MOSFET36的漏极和放大器46的输入端之间，并且电阻器50连接在放大器46的输入端和线路44上的输入命令电压Vin之间。

提供第二感测电阻器电路42’（在此有时称为复制的感测电阻器电路），其具有基本复制了第一感测电阻器电路42的部件的部件。因此，第二感测电阻器电路42’具有复制的有源元件MOSFET36’，有源元件MOSFET36’的电阻通过线路44上的输入命令电压Vin被建立。与第一感测电阻器电路42一样，第二感测电阻器电路42’具有放大器46’，其输出端连接到MOSFET36’的栅极。放大器46’可以是例如构造与放大器46基本相同的运算放大器。

反馈电阻器48’连接在MOSFET36’的漏极和放大器46’的输入端之间，并且电阻器50’连接在放大器46’的输入端和线路44上的输入命令电压Vin之间。电阻器48’和50’的值可以与第一感测电阻器电路42的电阻器48和50的值基本相同。

基准电阻器54（其可以是精密电阻器）串联连接在供给电压V和MOSFET36’之间，以向MOSFET36’提供精密负载。因此，当线路44上的输入命令电压Vin在MOSFET36’两端建立电压Vref时，它也在第一感测电阻器电路42中的MOSFET36两端建立与之成比例的电压，从而建立由MOSFET36提供的电阻。应当注意的是，MOSFET36和36’自身部分是阻性的，并且当它们用于所述的反馈电路中时，可以使它们的行为像可变线性电阻器。

在图4中示出了感测电阻器合成电路60的另一个实施例，现在进行额外参考。在电路60中，第一感测电阻器电路64具有第一电路有源元件MOSFET36，以向与之串联的负载14中的感测电流I提供感测电阻。MOSFET36的感测电阻通过线路44上的输入命令电压Vin建立，该输入命令电压Vin通过乘法器/除法器电路62被施加到MOSFET36的栅极。线路66将MOSFET36的漏极连接到乘法器/除法器电路62。

以与上面所述类似的方式，MOSFET36两端产生的电压连接到比较器或调节放大器20，该比较器或调节放大器20将该电压与所示阈值电压Vth相比较。尽管比较器或调节放大器20被示为说明性地用于电路60，但是可以同样有利地使用基于从合成电阻两端的电压导出的信息进行操作的任何电路或其他电路。而且，电路不需要具有单个固定阈值。

第二感测电阻器电路64’具有复制了第一电路的部件的部件，包括复制的有源元件MOSFET36’，以提供感测电阻从而感测与之串联的精密基准电阻器54中的电流I。

MOSFET36’的感测电阻也通过线路44上的输入命令电压Vin建立，该输入命令电压Vin通过乘法器/除法器电路62被施加到MOSFET36的栅极。线路66将MOSFET36的漏极连接到乘法器/除法器电路62。

基准电阻器54（其可以是精密电阻器）串联连接在供给电压V和MOSFET36’之间，以向其提供精密负载。当输入命令电压Vin施加到乘法器/除法器电路62’时，在MOSFET36’两端建立电压Vref。此外，在第一感测电阻器电路64中的MOSFET36两端也建立与之成比例的电压。因此，通过在复制的感测电阻器电路64’中建立预定的电流I，建立了第一感测电阻器电路64中的由MOSFET36提供的电阻，因此建立了负载14中的电流I。

应当再次注意到，MOSFET36和36’本身部分是阻性的，并且当MOSFET36和36’与乘法器/除法器电路62和62’被用于反馈电路中时，如所描述的，可以使MOSFET36和36’的行为像可变线性电阻器。此外，尽管MOSFET器件被示出在图3和图4的电路实施例中用于说明，但是任何有源元件，更具体地，电流是输入的函数的任何器件，都可以与反馈电路一起使用，以实现所述的合成的电阻器功能。

现在额外地参考图5，示出了电路62/62’的示例，其实例化可以分别用作图4的电路60中的乘法器/除法器电路62和62’。如可以看到的，电路62/62’具有电压输入，分别来自线路44和关联的MOSFET36或36’的漏极。输出电压连接到关联的MOSFET36和36’的栅极。当然，电路62/62’仅作为示例示出，并且可以同样有利地使用其它乘法器/除法器电路。

如同电路40一样，电路60可以被用于多种限流应用中；例如，电路60可以被用于期望在较宽动态范围比如100:1或1000:1的范围上用一个电路控制电流的可变照明应用中。替换地，电路60可以被用作主侧电流感测LED驱动器，或者负载14可以是例如LED的类似驱动器等。负载14中的电流可以通过控制器件比如MOSFET12等以已知的方式进行切换或控制。

因此，可以看出，由电路40、电路60等例示的类型的电路能够将所述的由有源元件提供的感测电阻的值建立为任何期望的值。因为有源元件反转了（invert）输入电压，所以输入命令电压越高，有源元件的电阻越低。通过复制的电路，可以实现显著的技术优势，包括高效、低成本和高精确度。

此外，应理解，尽管复制的电路比如感测电阻器电路42’和64’的部件可以与所示的示例中的第一感测电阻器电路42和64的部件基本相同，但是复制的电路的部件可以相对于第一电路的部件具有预定的比例。更具体地，复制的电路中的MOSFET的沟道宽度可以是第一电路中的MOSFET的沟道的两倍、一半或其他因子。复制的电路的电阻器或其他部件的值可以被选定为相对于第一电路的对应部件具有预定的比率等。在这种情况下，复制的电路的基准电阻器中产生的电流值可以与第一电路有源元件中产生的电阻值关联。

根据用于感测负载电流的方法实施例，现在额外地参考图6中的流程图70，方框72说明了提供第一感测电阻器电路，其具有第一电路有源元件，用于与负载串联连接，以根据施加在其上的输入命令电压提供感测电阻。方框74说明了将第一感测电阻器电路复制为具有复制的有源元件的复制的感测电阻器电路。

方框76说明了提供耦合到复制的有源元件的精密电阻器。方框78说明了向复制的有源元件施加输入命令电压，由此当输入命令电压被调整到在复制的有源元件两端生成预定的电压时，在第一电路有源元件中建立预定的感测电阻，由此控制负载14中的电流I。

此外，应理解，此处所公开的多种电路元件为特定类型，例如某些导电类型的MOSFET器件或双极结晶体管（例如P沟道、N沟道、NPN或PNP）。应理解，通过适当地改变电路或供给电压，可以同样有利地使用其它晶体管类型和其他晶体管导电类型。

针对多种器件或元件描述了电连接、耦合及连接。连接和耦合可以是直接或间接的。第一和第二电子器件之间的连接可以是直接电连接或者可以是间接电连接。间接电连接可以包括可以将信号从第一电子器件传递到第二电子器件的插入元件。

本领域技术人员将理解，在本发明的范围内，可以对所述示例实施例进行修改，并且其他多种实施例也是可能的。

Claims (17)

1.一种负载电流感测电路，其包含：

第一感测电阻器电路，用以感测与其串联的负载中的电流；

第二感测电阻器电路，其具有复制了所述第一感测电阻器电路的部件的部件；以及

电阻器，其耦合到所述第二感测电阻器电路；

其中当输入命令电压被施加到所述第一和第二感测电阻器电路以在所述第二感测电阻器电路中建立预定的响应时，预定的感测电阻在所述第一感测电阻器电路中被建立。

2.根据权利要求1所述的电路，其中所述第一感测电阻器电路包含第一电路有源元件以提供感测电阻，并且所述第二感测电阻器电路包含复制的有源元件，其中所述第一电路有源元件的电阻和所述复制的有源元件的电阻通过输入命令电压被建立。

3.根据权利要求2所述的电路，其中所述第一电路有源元件和所述复制的有源元件为MOSFET。

4.根据权利要求3所述的电路，其中所述第一感测电阻器电路和所述第二感测电阻器电路包含基本相似构造的电路，所述基本相似构造的电路包含：

放大器，其具有连接到相应的MOSFET的栅极的输出端；

第一电阻器，其连接在所述相应的MOSFET的漏极和所述放大器的输入端之间；以及

第二电阻器，其连接到所述输入命令电压。

5.根据权利要求3所述的电路，其中所述第一感测电阻器电路和所述第二感测电阻器电路包含基本相似构造的电路，所述基本相似构造的电路包含乘法器/除法器电路，所述乘法器/除法器电路连接在所述输入命令电压和相应的MOSFET之间，以响应于所述输入命令电压控制所述相应的MOSFET的电阻。

6.根据权利要求1所述的电路，进一步包含控制器件，所述控制器件连接在所述负载和所述第一电路有源元件之间，以可切换地控制所述负载中的所述电流。

7.一种电路，其包含：

第一感测电阻器电路，其具有的部件包含第一电路有源元件，以提供感测电阻从而感测与其串联的负载中的电流，所述感测电阻通过输入命令电压被建立；

第二感测电阻器电路，其具有复制了所述第一感测电阻器电路的部件的部件，包括复制的有源元件，所述复制的有源元件的电阻也通过所述输入命令电压被建立；以及

电阻器，其耦合到所述复制的有源元件以向其提供负载；

其中当所述输入命令电压在所述复制的有源元件两端建立电压时，通过所述负载中的所述电流在所述第一电路有源元件两端建立与所述输入命令电压成比例的电压。

8.根据权利要求7所述的电路，其中所述第一电路有源元件是MOSFET，并且所述电路进一步包含：

放大器，其具有连接到所述MOSFET的栅极的输出端；

第一电阻器，其连接在所述MOSFET的漏极和所述放大器的输入端之间；以及

第二电阻器，其连接到所述输入命令电压。

9.根据权利要求7所述的电路，其中所述第一电路有源元件是MOSFET，并且所述电路进一步包含乘法器/除法器电路，所述乘法器/除法器电路连接在所述输入命令电压和所述MOSFET之间，以响应于所述输入命令电压控制所述MOSFET的电阻。

10.根据权利要求7所述的电路，其中所述第一和第二电路的部件值和配置是相同的。

11.根据权利要求7所述的电路，进一步包含比较器，所述比较器经连接以比较所述感测电阻两端的电压和阈值电压。

12.根据权利要求7所述的电路，进一步包含控制器件，所述控制器件连接在所述负载和所述第一电路有源元件之间，以可切换地控制所述负载中的所述电流。

13.根据权利要求12所述的电路，其中所述控制器件是MOSFET。

14.一种用于感测负载电流的方法，其包含:

提供第一感测电阻器电路，所述第一感测电阻器电路具有第一电路有源元件，用于与负载串联连接，以根据向其施加的输入命令电压提供具有感测电阻的负载电流感测电阻器；

将所述第一感测电阻器电路复制为具有复制的有源元件的复制的感测电阻器电路；

提供耦合到所述复制的有源元件的电阻器；以及

将所述输入命令电压施加到所述复制的有源元件；

其中当所述输入命令电压被调整以在所述复制的有源元件两端生成预定的电压时，预定的感测电阻在所述第一电路有源元件中被建立。

15.根据权利要求14所述的方法，其中:

提供第一电路有源元件包含提供MOSFET；以及

提供第一感测电阻器电路包含提供放大器，所述放大器具有连接到所述MOSFET栅极的输出端、连接在所述MOSFET的漏极和所述放大器的输入端之间的第一电阻器以及连接到所述输入命令电压的第二电阻器。

16.根据权利要求14所述的方法，其中提供第一电路有源元件包含提供MOSFET，并且所述方法进一步包含提供乘法器/除法器电路，所述乘法器/除法器电路连接在所述输入命令电压和所述MOSFET之间，以响应于所述输入命令电压控制所述MOSFET的电阻。

17.根据权利要求14所述的方法，其中复制所述第一感测电阻器电路包含使所述第一感测电阻器电路和复制的电路的部件值及配置相同。

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