CN105137159B - 用于检测通过晶体管器件的电流的装置及其方法 - Google Patents

用于检测通过晶体管器件的电流的装置及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明披露了用于使用占空比的大范围电流测量的装置、方法和集成电路。用于检测通过晶体管器件的电流的装置可能包括接口，被配置为接收来自晶体管器件的电流用于检测。另外，实施例可能包括耦合到接口的传感器元件，所述传感器元件被配置为接收来自晶体管器件的电流和产生响应的传感器电压。实施例可能包括被配置为控制传感器元件的占空比的检测控制电路。

Description

用于检测通过晶体管器件的电流的装置及其方法
技术领域
本发明涉及半导体领域，特别地，涉及检测通过晶体管器件的电流的装置及其方法。
背景技术
在一些电路中，能够在大的电流范围上准确检测通过晶体管器件的大电流是有用的，晶体管器件例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。在汽车应用中，在大的电流范围上的高精度检测可能特别有用，因为其中使用了高电流电池电源。为了维持一定的有效度，需要检测电流并且不会引起由于检测机制导致的实质损失。
已知的主要检测技术包括提供耦合到主MOSFET器件的检测MOSFET，以抽取与主电流成比例的小检测电流。一般地，检测MOSFET以特定比例小于主MOSFET器件，这限定了由检测MOSFET抽取的电流的比例。为了实现准确检测，该比率通常是低的。然而，比率必须是高的以实现高效。高效一般意味着检测MOSFET引起非常低的功率损失。因此，在已知的电流检测电路中很难在准确度和效率之间设计折衷方案。
现有的检测MOSFET通常只在高电流处用作单点保险丝，或者在非常小的范围上用于检测电流。另外，现有的电流检测电路不能充分解决准确度和效率之间的平衡问题。因此，电流检测被限制到小范围的可测电流并且方案的可行性很低。
发明内容
本申请披露了用于使用占空比的大范围电流测量的装置、方法和集成电路。用于检测通过晶体管器件的电流的装置可能包括接口，被配置为接收来自晶体管器件的电流用于检测。另外，装置可能包括耦合到接口的传感器元件，所述传感器元件被配置为接收来自晶体管器件的电流和产生响应的传感器电压。装置可能包括被配置为控制传感器元件的占空比的检测控制电路。
用于检测通过晶体管器件的电流的集成电路的实施例可能包括接口，所述接口被配置为接收来自晶体管器件的电流用于检测。另外，集成电路可能包括耦合到接口的传感器元件，所述传感器元件被配置为接收来自晶体管器件的电流和产生响应的传感器电压。集成电路可能包括被配置为控制传感器元件的占空比的检测控制电路。
用于检测通过晶体管器件的电流的方法的实施例可能包括接收来自晶体管器件的电流用于在接口处检测，所述接口被配置为从晶体管器件接收电流。另外，实施例可能包括用传感器元件产生传感器电压，传感器电压响应于来自晶体管器件的电流。实施例可能还包括用检测控制电路控制传感器元件的占空比。
附图说明
从以下详细描述结合附图通过本发明思想的示例来说明可以明显得出根据本发明的其它方面。
图1示出了具有电流检测晶体管的晶体管电路的一个实施例的电路原理图；
图2示出了用于在晶体管器件中检测电流的系统的一个实施例的电路原理图；
图3示出了用于使用占空比的大范围电流测量的系统的实施例的电路原理图；
图4示出了用于使用占空比的大范围电流测量的占空比的实施例；
图5示出了用于多通道电流检测的系统的实施例的原理图；.
图6示出了用于使用占空比的大范围电流测量的方法的一个实施例的流程图；
图7示出了用于使用占空比的大范围电流测量的方法的另一个实施例的流程图。
具体实施方式
在描述中，相似的附图标记可能用于表示相似的元件。
可以理解的是这里一般性描述的实施例中的和附图中示出的元件可以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下各种实施例的更具体的描述，以及图中的示出，并不是为了限制本申请的范围，而只是代表不同的实施例。当实施例的不同方面在图中示出时，除非特别指出，这些图不必是按比例绘制。
本发明可能包括在不离开其思想和基本特征的情况下的其它特定形式。所描述的实施例在各方面中只是作为示例性的而不是限制。因此，本发明的范围由权利要求限定而不是通过这些详细说明表明。与权利要求相当的范围和含义内的所有的变化被包括在它们的范围中。
参考本说明书中的特征，优点，或相似的术语并不意味着本发明实现的所有特征和优点必须或是在一个实施例中。而是，关于这些特征和优点的术语被认识是结合实施例描述的特征，优点或者特色被包含在至少一个实施例中。因此，贯穿说明书的特征和优点的讨论，以及相似的术语，可能但不是必须指相同的实施例。
另外，所描述的本发明的特征，优点和特色在一个或多个实施例中可能以任何合适的方式被组合。本领域技术人员将认识到，根据这里的描述，本发明可以在没有一个或多个具体的特征或特别的实施例的优先下实施。在其它情况中，另外的特征和优点可能在某些实施例中，而不是在本发明的所有实施例中出现。
说明书中的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”或类似的表述意味着与指定的实施例相联系的特定的特征、结构或特性被包含在至少一个实施例中。因此，说明书中的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”和类似的表述可能，但不是必须的，都涉及相同的实施例。
在这里描述了多个实施例，至少部分描述的实施例使能使用占空比的大范围电流测量用于晶体管器件，例如功率MOSFET。有利的是，这种实施例允许准确和高分辨率的电流测量。另外，这种实施例可能是非常有效的，因为电流消耗相对低。特别地，由于通过占空比测量，根据占空比的电流测量可能降低功率损耗，从而增加系统的效率。
用于使用占空比的大范围电流测量的器件的实施例可能以电子器件的许多不同的形式实施。电子器件的一些例子包括用于汽车或海上应用的半导体器件，用于工厂自动化系统的控制器，备用电源系统的元件，等等。不限制可能将这里描述的技术的实施例包含在普通类型的应用上。
现有实施例的优点包括在单个检测电路中提供电流检测，呈现出高准确度和高效率。另一个优点是本实施例不需要大量的电路占用面积，因为在多通道之间可能共享模拟数字转换器(ADC)。另外，在高侧区和低侧区之间的数字电平移位器需要的电路占用面积可能是减少的，因为可能被传感器线路的元件功能性替代。
图1示出了晶体管电路100的一个实施例的电路原理图。在一个实施例中，晶体管电路100包括主晶体管102和检测晶体管104。例如，主晶体管102可能是MOSFET器件。在另外的实施例中，MOSFET器件可能是功率MOSFET，例如，该功率MOSFET被配置为传导高强度电流用于汽车应用。检测晶体管104也可能是MOSFET器件。
在一个实施例中，主晶体管102和检测晶体管104分别连接到漏极节点(D)106和栅极节点(G)108。在一个实施例中，主晶体管102包括Kelvin节点(K)112用于提供主晶体管102的源极节点110处的电势的准确测量。另外，检测晶体管104可能提供检测电流到检测电流节点(ISENSE)114。
图1的实施例提供被配置为传导电流(ISOURCE)的主晶体管102和被配置为提供可测量的检测电流(ISENSE)的检测晶体管，检测电流可能是部分电流(ISOURCE)用于外部检测。在实施例中，检测晶体管104可能被配置为提供检测电流，该检测电流以一预定的比率小于主电流。例如，这个比率可能通过主晶体管102和检测晶体管104的相对大小来确定。如果，例如，主晶体管102比检测晶体管104大n倍，检测晶体管104可能被配置为提供主电流的1/n的检测电流。
图2示出了用于检测在晶体管电路100中电流的系统200的一个实施例的电路原理图。在一个实施例中，系统200在集成电路中实现。在一个实施例中，晶体管电路100是被配置为传导如图1中所示的主电流(ISOURCE)的MOSFET。晶体管电路100可能包括主晶体管102和检测晶体管104，如图1所示。在本实施例中，主晶体管102和检测晶体管104可能被集成到晶体管器件封装中，如图2中的晶体管电路100所示。
在一个实施例中，系统200包括电流检测器件202。电流检测器件202可能耦合到晶体管电路100。例如，电流检测器件可能包括电池接口220用于耦合到晶体管器件的漏极节点106。另外，电流检测器件202可能包括栅极接口222，源极接口226，Kelvin接口224，和检测电流接口228，每一个被配置为分别耦合到晶体管电路110的栅极节点108，漏极节点110，Kelvin节点112，和检测电流节点114。在一个实施例中，电流检测器件202可能是独立的集成电路器件，具有与栅极接口222，源极接口226，Kelvin接口224，和检测电流接口228相应的I/O引脚。
在一个实施例中，检测器件包括使Kelvin接口224和检测电流接口228上的电压相等的运算放大器(OPAMP)204，从而主晶体管102和检测晶体管104在相同的栅极-漏极电压差下工作。因为主晶体管102和检测晶体管104的栅源电压相等，当检测晶体管104比主晶体管102小n倍并在电流检测器件中检测时，比流过主晶体管102的电流小n倍的电流流过检测晶体管104。在一个实施例中，检测电流将流过晶体管(M1)218和产生可能会被进一步处理的传感器电阻器216两端的大电压。虽然电流检测器件202被示为具有某些元件和在这里用一些功能来描述，半导体芯片和相应的系统的其它实施例可能包括更少的或更多的元件以实现相同的，更少的，或更多的功能。
在一个实施例中，栅极驱动器214驱动晶体管电路100的栅极节点108。电荷泵(CP)208可能被配置为提供电压源到晶体管电路100，可能包括被配置为在高侧结构中运作的一个或多个NMOSFET器件。在高侧结构中，栅极电压可能比由电荷泵208产生的电源电压(电池电压，VBAT)大。在一个实施例中，过电流比较器(OC Comp)212检测的电流比额定电流范围大。在一个实施例中，过电流可能由电池端子220和源极端子226之间的电压比较器检测到。在一个实施例中，电流检测模块210可能包括模拟数字转换器(ADC)，该ADC被配置为将传感器电阻器216处的电流检测电压转换为可以被外部数字元件，例如数字控制器使用的数字检测数据。
与图3-4的实施例相比，在图2的实施例中，电源电阻(Rsource)230两端的电压可能是低的(I*Rsource)。例如，在一些实施例中，Rsource230两端的电压可能低至5μV，高至20mV。在这样的实施例中，Rsource230两端的电压不仅在OPAMP 204的非反相输入端，还在OPAMP204的反相输入端，这也代表了用于M1 218和传感器电阻器Rsense 216的所有有效的余量。因此，传感器电阻器216两端的电压大大低于在Rsource230的水平。例如，在传感器电阻器216的电压可能是在Rsource 230处的电压的一半。因此，用于高准确度和高分辨率地检测5μV和10mV之间的电压的电路设计可能是具有挑战性的。
图3示出了用于使用占空比的大范围电流测量的系统300的另一个实施例。在系统300中，OPAMP 204使在K接口224和检测电流接口228处的电压水平相等。检测电流可能比主电流(I)小n倍，以及可能经由传感器元件302中的传感器电阻器216a-n(Rsense1，...n)流到地。在本实施例中，在传感器元件302中的传感器电阻器216a-n两端的电压水平可能大大高于图2的电路200中的相应电压水平。
在进一步的实施例中，检测控制电路310可能配置传感器元件302从而传感器元件302的电阻值根据电流(I)和检测电流(I/n)的绝对值进行调整。在另一个实施例中，检测控制电路310可能包括参考比较器304和自动量程电路306。这种具有可调电阻器的实施例，将在大电流范围上允许高准确度和分辨率的测量。
例如，参考比较器304可能被配置为将传感器元件302的输出电压与基准电压比较，并提供反馈到自动量程电路306。在一个实施例中，电压可能是1.8V。然而，本领域技术人员将认可其它可能被使用的适当的基准电压。于是自动量程电路306可能导致在传感器元件302中的另一个传感器电阻器216a-n将被激活。例如，自动量程电路306可能应用电压到开关晶体管308a-n(Mrange1，...n)使电流流过相应的传感器电阻器216a-n。
在一个这种实施例中，检测电流可能在检测电流接口228处被接收到和通过晶体管218(M1)传导到传感器元件302。第一开关晶体管308a(Mrange1)可能被激活，这导致电流流过相应的第一传感器电阻器216a。参考比较器304可能将第一传感器电阻器216两端的电压和基准电压相比较，并决定在第一传感器电阻器216上的电压是过高的。作为响应，反馈信号可能被发送到检测控制电路310，这导致自动量程电路306将第一开关晶体管308a停用和激活第二开关晶体管308b。于是激活第二开关晶体管308b可能导致电流流过第二传感器电阻器216b，第二传感器电阻器216b的电阻值可能与第一传感器电阻器216a不同。因此，根据在检测电流接口228处所接收的电流值可能自动调节或缩放传感器元件302的电阻值。在可替换的实施例中，开关晶体管308a-n可能被同时激活，而不是依次激活。
这种实施例可能满足高准确度要求，但仍然消耗不能被接受的功率数量。在一个实施例中，由检测电路引起的这种消耗可以被表示为：
Pdiss＝I/n*VBAT (1)
其中VBAT是在电池接口220处的电压水平。在一些实施例中，功率损耗可能是高的，其中比率I/n中的n是低的用于提高准确度。
在一些实施例中，如结合附图4的描述，基于测量的占空比可能被实施，这样，根据以下公式的占空比减少了在电流传感器元件302中的功率消耗：
Pdiss＝δ*(I/n*VBAT) (2)
其中δ表示占空比，它是总测量周期(T)中传感器被激活的部分(ton)。
如图4所示，传感器元件302可能被周期性地激活或停用。例如，图4的曲线表示传感器输出电压402随着时间404的变化。传感器元件302可能产生传感器输出信号406，这用于在周期(T)的部分408(ton)被激活和用于在周期410的剩余部分被停用。在这样的实施例中，自动量程电路306可能通过根据预配置的占空比周期性地导通和关断开关晶体管308a-n。例如，在一个实施例中，自动量程电路306可能被预配置以根据预定的占空比函数控制传感器元件302的占空比。
在一个实施例中，基于测量的占空比可能不会对准确度有不利影响，因为n可能不会因为检测MOSFET的尺寸减小而减小。反而，比率n可能通过基于测量的占空比被有效增加。在这样的实施例中，与其它系统相比，准确度和分辨率参数可能都被改善。
在一些实施例中，随着在主电流(ISOURCE)中的变化，基于检测的占空比将减少电流检测器件202的反应速度。尽管如此，占空比低至40％可能适用于本文的实施例。
图5示出了具有四通道高准确度、高效率电流测量器件502的系统500。在一个实施例中，四通道电流测量器件502可能高准确度和高效率地检测通过四个单个通道的电流I1...I4。在一个实施例中，每个通道耦合到分离的晶体管电路100。例如，第一晶体管电路100可能耦合到第一电流检测器件202a，第二晶体管电路100b可能耦合到第二电流检测器件202b，第三晶体管电路100c可能耦合到第三电流检测器件202c，和第四晶体管电路100d可能耦合到第四电流检测器件202d。另外，每个通道可能包含电流检测器件202a-d，每个被耦合到共享的ADC 504，与每一个通道具有单个ADC 210相比，这是更节约面积的方案。
在另一个实施例中，共享ADC的数字输出可能与主数字电路508通信。主数字电路508可能使用由振荡器506产生的频率信息来改善数字传感器信号用于例如，在串行外设接口(SPI)总线接口510上向外部微处理器发送通信，这可能在一实施例中包括多个分离的线路。在一实施例中，电流测量器件502可能是独立的集成电路器件。
图6示出了用于使用占空比的大范围电流测量的方法的一个实施例的流程图600。在一实施例中，方法600起始于602以接收来自晶体管器件的电流用于在接口处检测，接口被配置为接收来自晶体管器件的电流。在604中，所述方法包括用传感器元件产生传感器电压，传感器电压响应于来自晶体管器件的电流。在606中，所述方法包括用检测控制电路控制传感器元件的占空比。
例如，栅极驱动器214可能驱动在栅极节点108处的电压，使得电流ISOURCE从电池接口220流经主晶体管102到源极节点110，如602所示。在一个实施例中，检测晶体管104可能同时传送检测电流Is到检测电流节点114。于是检测电流ISENSE可能流经检测电流接口228到OPAMP 204的反相端并流过传感器晶体管218。在一个实施例中，当在K端224和检测电流接口228处的势能相等时，检测电流只流过传感器晶体管218。在这样的实施例中，电流流经传感器晶体管218到传感器元件302，其中在一个或多个传感器电阻器216a-n(Rsense1，...n)上建立电压。然后电压被ADC 210转换和作为数字传感器数据提供给外部元件。
在另一个实施例中，检测可能被根据参考图4的描述设置占空比。例如，由检测控制电路310的占空比设定控制的电压可能只在检测周期410的ton部分408期间被检测。还是在另一个实施例中，多个电流可能流过多个晶体管100a-d并由如图5所示的多通道电流传感器器件502检测。
图7示出了用于使用占空比的大范围电流测量的方法的另一个实施例700。在一个实施例中，方法700起始于702以接收来自晶体管器件的电流用于在接口处检测，接口被配置为接收来自传感器器件的电流。在704中，所述方法包括用传感器元件产生响应的传感器电压，该传感器元件包括可调电阻元件。方法700还包括响应于在接口处所接收的电流水平选择可调电阻元件的值，如706所示。
应该注意的是至少一些用于本申请所描述的方法的操作可以使用固件或存储在可读存储介质上的软件指令来实施用于被可编程逻辑器件执行，如专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、可编程逻辑芯片(PLC)、处理器等等。作为示例，程序产品的一个实施例包括存储在闪存器件上的固件封装和被配置为使FPGA执行本申请所描述的操作。
在以上描述中，提供了各个实施例的具体内容。然而，一些实施例可能用小于这些细节的内容实施。在其它例子中，某些方法、程序、元件、结构、和/或功能为了简明清楚的缘故没有详细介绍，只是能实施各个实施例。
虽然本文集在和示出的方法以特定的顺序运行，但是可能改变方法运行的顺序从而某些运行可以以相反的顺序执行或从而某些运行可能至少部分地与其它运行一致地执行。在另一个实施例中，特定运算的命令或子运算可能已间断的和/或交互的方式执行。
此外，虽然已经描述和描写了本发明具体的实施例，但本发明不限于所描述和描写的特定的形式或部分的布置。因此，本发明的范围由权利要求限定。

Claims (19)

1.一种用于检测通过晶体管器件的电流的装置，其特征在于，包括：
接口，所述接口被配置为接收来自晶体管器件的电流用于检测；
传感器元件，所述传感器耦合到所述接口，并被配置为接收来自晶体管器件的电流和产生响应的传感器电压；和
检测控制电路，所述检测控制电路被配置为根据总的测量周期中传感器被激活的部分的占空比率来控制传感器元件的占空比。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，传感器元件包括可调电阻元件，响应于在接口处接收的电流水平，可调电阻元件的电阻值是可选的。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，检测控制电路还包括自动量程器件，所述自动量程器件被配置为响应于电流的幅值自动缩放电阻。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述自动量程器件被配置为根据传感器元件的占空比来导通和关断到传感器元件中的电阻器的电流。
5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述检测控制电路还包括比较器，所述比较器被配置为响应于传感器元件的输出电压跨过由基准电压设定的阈值，触发可调电阻元件的调整。
6.一种用于检测通过晶体管器件的电流的集成电路，其特征在于，所述集成电路包括：
接口，所述接口被配置为接收来自晶体管器件的电流用于检测；
传感器元件，所述传感器元件耦合到接口，并被配置为接收来自晶体管器件的电流和产生响应的传感器电压；和
检测控制电路，所述检测控制电路被配置为根据总的测量周期中传感器被激活的部分的占空比率来控制传感器元件的占空比。
7.根据权利要求6所述的集成电路，其特征在于，检测控制电路还包括自动量程器件，所述自动量程器件被配置为响应于电流的幅值自动缩放电阻。
8.根据权利要求7所述的集成电路，其特征在于，所述自动量程器件被配置为根据传感器元件的占空比来导通和关断到传感器元件中的电阻器的电流。
9.根据权利要求7所述的集成电路，其特征在于，检测控制电路还包括比较器，所述比较器被配置为响应于传感器元件的输出电压跨过由基准电压设定的阈值，触发可调电阻元件的调整。
10.根据权利要求6所述的集成电路，其特征在于，所述接口包括：
栅极节点接口，被配置为与晶体管器件的栅极节点连接；
漏极节点接口，被配置为与晶体管器件的漏极节点连接；
源极节点接口，被配置为与晶体管器件的源极节点连接；
Kelvin节点接口，被配置为与晶体管器件的Kelvin节点连接；
检测电流节点接口，被配置为接收来自晶体管器件的检测电流节点的电流，该电流为检测电流，该检测电流按预定比率小于流经晶体管器件的主电流。
11.根据权利要求10所述的集成电路，其特征在于，还包括运算放大器(OPAMP),所述运算放大器(OPAMP)耦合到检测节点接口和Kelvin节点接口，并被配置为使检测节点接口和Kelvin节点接口处的电压值相等。
12.根据权利要求11所述的集成电路，其特征在于，还包括耦合到运算放大器的电流检测晶体管，所述电流检测晶体管被配置为驱动电流到传感器元件用于产生电流传感器元件两端的传感器电压。
13.根据权利要求6所述的集成电路，其特征在于，所述集成电路还包括：
多个接口，每个接口被配置为接收来自多个晶体管器件中的一个的电流用于检测；
多个传感器元件，每个传感器元件耦合到多个接口中的一个；和
共享的模拟数字转换器(ADC)，被配置为耦合到多个传感器元件中的每一个，模拟数字转换器(ADC)被配置为将模拟传感器数据转换为数字传感器数据。
14.根据权利要求13所述的集成电路，其特征在于，还包括数字格式转换器，所述数字格式转换器被配置为将数字传感器数据重新格式化为能被外部数据处理器件读取的数字数据格式。
15.一种用于检测通过晶体管器件的电流的方法，其特征在于，所述方法包括：
接收来自晶体管器件的电流用于在接口处检测，所述接口被配置为接收来自晶体管器件的电流；
用传感器元件产生传感器电压，传感器电压响应于来自晶体管器件的电流；和
用检测控制电路根据总的测量周期中传感器被激活的部分的占空比率来控制传感器元件的占空比。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括响应于在接口处接收的电流水平选择可调电阻元件的电阻值，传感器元件包括可调电阻元件。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括响应于电流的幅值自动缩放电阻，其中检测控制电路还包括配置为控制自动缩放的自动量程器件。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括根据使用自动量程器件的传感器元件的占空比导通和关断到传感器元件中的电阻器的电流。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括响应于传感器元件的输出电压跨过由基准电压设定的阈值，触发可调电阻元件的调整。
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