CN108351374A - 可扩展的平均电流传感器系统 - Google Patents

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乔治·许莱因
刘斌
亚力山大·黛宾斯凯
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Abstract

本发明公开了一种配置成用于电流传感器阵列中的电流传感器和并联连接的电流传感器阵列。在一个实施例中，电流传感器包括集成电路电流传感器，并且多个电流传感器以被选择为至少适应待监测电流的最大量值的数量并联连接。当并联配置为传感器阵列时，电流传感器阵列中的至少一个电流传感器提供表示阵列中的多个电流传感器所测量的电流的平均值的输出信号。

Description

可扩展的平均电流传感器系统
相关申请案的交叉参考
本申请案要求2015年10月22日提交的标题为“可扩展的平均电流传感器系统(Scalable Average Current Sensor System)”的美国临时申请案62/245,032的优先权。
背景技术
电流传感器被提供作为许多电子系统的组成部分并且针对电流感测过程采用不同方法。一般来说，电流传感器是提供从电流输入到电流输出的电流路径并产生表示流过电流路径的电流的量值的输出信号的装置。常见的电流感测方法包含电阻分流测量、基于磁性元件的直流电阻的测量、基于变压器的测量、MOSFET导通电阻或比率测量、霍耳效应测量和磁阻测量技术。每一方法具有不同优点和缺点。
电阻分流传感器是最简单的技术之一，也是可能用于感测电流的最准确方法之一。然而，当测量大于大约10安培的电流时，I2R欧姆功率损耗变得显著并且限制此方法的应用。另外，电阻分流技术不是电化板隔离的，因此不适用于高于24V并且肯定高于60V(这被视为人可以直接触摸的最大安全电压)的系统感测电压。电阻分流传感器还具有有限的动态范围。分流电阻器必须进行缩放以提供适当量的压降来进行放大和测量，但是电阻不能太高以致压降过大。
在用于测量50安培到20,000安培的范围中的较高电流的若干配置中，可利用霍耳效应传感器。这些配置一般要求待感测的电流穿过大型磁性元件。用于感测超过200安培的电流的变压器型电流传感器往往是大体积装置。载送待测量的电流的导体通常穿过变压器型电流传感器中的开口，变压器型电流传感器又电耦合到相关联的集成电路以供处理。变压器型电流传感器和集成电路是通常安装到共同衬底，例如，印刷电路板的单独装置。因此，终端用户必须提供外部磁性传感器以及同与集成电路互连的传感器相关联的导体。
通常需要感测大于集成电路传感器的最大额定电流的电流。可以通过将总电流分成两个或多于两个路径，以及确保在具有集成电路的每个路径上测量到的电流不超过相应装置的最大额定电流。然而，由于实际考虑，难以知道分流比并且不同电流可以在不同电流路径中流动。此方法因此可以引起减小的准确度或需要装配后校准。
能够将高电流测量并联互连的型号INA250的一个电流传感器可购自TexasInstrumentsTM。每个INA250电流传感器包含分流电阻器。当并联使用INA250装置时，待感测的电流的一部分穿过分流电阻器中的每一个。在此装置中，感测到的所得电流是由电流传感器中的每一个感测到的电流的总和，并且随着并联连接的传感器的数目增加，所需偏置和输出电压不利地增加，从而需要随着电流传感器的数目增加添加更大电源电压。
因此，需要具有制造为较小集成电路(IC)的电流传感器，从而允许基于IC的电流传感器用于高电流测量应用中。另外，需要具有可扩展的电流传感器，以便准许基于IC的电流传感器满足广泛范围的应用需求，包含高电流测量需求，同时避免需要提供随电流传感器的数目增加而增加的偏置电源和输出电压。
发明内容
根据本发明，公开一种基于IC的电流传感器。所公开的电流传感器被配置成准许多个基于IC的电流传感器并联连接为电流传感器的阵列。当配置为并联互连为阵列的多个电流传感器时，待测量的电流的一部分穿过阵列中的多个电流传感器中的每一个电流传感器。因此，阵列的最大容许电流规格大致是每个电流传感器的最大电流规格乘以阵列中的电流传感器的数目。电流传感器的阵列提供表示通过阵列中的多个电流传感器感测到的电流的平均值的信号作为输出。由于任何数目的基于IC的电流传感器可以并联连接，因此可提供一种可扩展的电流感测方案以满足任何电流感测需求。
附图说明
将通过参考结合附图的本发明的以下详细描述更全面地理解本发明，在附图中：
图1是被配置成准许电流传感器与一个或多个类似电流传感器的并联连接的根据本发明的电流传感器的简化示意图；
图2是描绘根据本发明的多个并联互连的电流传感器的简化示意图；以及
图3是包含用于偏移和增益调整的电路的图1的电流传感器的示意图。
具体实施方式
2015年10月22日提交的标题为“可扩展的平均电流传感器系统(ScalableAverage Current Sensor System)”的美国临时申请案62/245，032特此通过引用全文并入本文中。
图1到3中描绘根据本发明的可扩展的基于IC的电流传感器200以及并联互连的此传感器的阵列。
所公开的电流传感器可以提供为传递高准确度和高带宽两者的完全一体化的双向电流传感器。在一个实施例中，采用提供低噪声、极佳线性和重复性的各向异性磁阻(AMR)电流感测。还可以利用任何其它合适的电流感测技术。
完全隔离的电流路径通过集成到封装中的低电阻铜导体提供，从而使其适用于高端和低端双向电流感测两者。电流传感器具有高带宽，所述高带宽使其适用于电机控制和电源应用中的反馈回路。
参考图1，电流传感器包含电流感测元件202，在所说明实施例中，所述电流感测元件是各向异性磁阻(AMR)传感器。尽管所说明感测元件202描绘为AMR感测元件，但是电流感测元件可以包括分流电阻元件、DC电阻(DCR)、霍耳效应传感器、变压器，或任何其它合适的电流感测元件。电流传感器200提供表示穿过IP+与IP-之间的电流路径210的电流I1的输出信号。电流感测元件202的输出耦合到增益级放大器230的输入，进而耦合到输出级放大器240。输出级增益通过电阻器R5、R6、R7和R8确定。单位增益电压参考缓冲器250配备有为输出级放大器240提供偏置参考的参考输入(Vref输入)。从输出级放大器240的输出是电压信号，所述电压信号表示穿过电流路径210的电流I1并与所述电流成比例。输出级放大器240输出通过电阻器R9耦合到SHARE连接，并且SHARE连接到输出缓冲器260输入。在所说明的实施例中，输出缓冲器示为提供输出信号Vout的放大器260。放大器260的增益通过电阻器R10和R11确定。当前描述的电路可以使用离散电子组件制造为集成电路，或离散组件和一个或多个集成电路组件的组合。当电流传感器200使用一个或多个集成电路制造时，SHARE连接是外部连接，所述集成电路包含用于准许多个电流传感器200的SHARE连接总线连接在一起并因此将一个SHARE连接电互连到另一个的相关电路。
更具体来说，AMR传感器202监视由电流I1产生的磁场，所述电流流过集成电路封装引线框架中的从IP+到IP-的U形电流路径。AMR传感器202产生与通过IP+到IP-电流回路210中的正或负电流形成的磁场成比例的电压，同时抑制外部磁性干扰。电流传感器202输出电压耦合到差分放大器230，所述差分放大器的增益被温度补偿。差分放大器230输出又耦合到输出级放大器240。输出级放大器240产生表示穿过IP+到IP-路径210的电流的输出电压。为了提供正电流数据和负电流数据，Vout输出引脚参考Vref输出引脚。Vref输出上的电压通常约为Vout输出信号的全刻度正和负距离的二分之一。在没有电流流过IP+/IP-引脚的情况下，Vout输出上的电压将通常等于Vref输出上的电压。正IP+/IP-电流使Vout上的电压相对于Vref增加，同时负IP+/IP-电流将使其减小。
电流传感器200可以任选地包含电压调节器220，以将调节后的偏置电压提供到电流感测元件202以及提供来自传感器电阻器R1-R4的固定增益。当采用电压调节器220时，传感器电阻器R1-R4通过固定电压偏置，以便使电流感测电路202对Vcc电源电压的变化免疫。
当省略电压调节器220时，传感器电阻器R1-R4偏置到Vcc电源电压并且产生与Vcc成比率的差分电压。此配置适合于从Vout接收电流传感器输出信号的模/数转换器(A/D)电路通过与电流传感器相同的电源电压偏置并与所述电源电压成比率。与包含调节器220的实施例相比，比率配置提供增加的增益以及增强的电源抑制。
将电力提供到Vcc与Gnd之间的电流传感器200。
在图1和2中，已省略可以出于温度补偿或组件变化的目的提供的用于偏移和增益调整的输入信号，以更清楚地描述电流传感器200的单独操作以及用于阵列中时的操作。然而，下文结合图3说明和论述此类组件。
当电流传感器200用作单个传感器时，输出信号Vout是表示穿过电流感测元件202的电流路径210的电流I1的电压输出。另外，当单独地使用电流传感器200时，可以通过装置调节和测量的最大电流限于相应传感器200的最大额定电流。
如图2中所说明，电流传感器200可以并联互连和排列，以将制造为集成电路的电流传感器的测量能力扩展到高电流应用。
参考说明性的图2，三个电流传感器200a-200c与相互电连接的三个电流传感器的SHARE连接并联连接。作为电流I1、I2和I3的总和的总电流ITotal穿过电流传感器阵列，其中总电流的第一部分I1穿过第一电流传感器200a，总电流的第二部分I2穿过第二电流传感器200b以及总电流的第三部分I3穿过第三电流传感器200c。尽管在图3所描绘的并联互连的阵列中说明了三个电流传感器，但是任何数目的电流传感器200可以通过SHARE连接并联连接。应进一步注意，电流传感器的所有IP+连接总线连接在一起，并且电流传感器的所有IP-连接总线连接在一起，使得总电流ITotal的部分穿过阵列中的电流传感器中的每一个电流传感器。
由于难以制造多个电流拆分路径，使得穿过每个个别路径的电流都完全相同，因此由相应传感器的电流路径载送的电流I1、I2和I3可以错配。因此，从相应电流传感器中的输出放大器240(参看图1)产生的输出电压可以不同。通过将电流传感器的SHARE连接总线连接在一起以及将每个电阻器R9设定成在可接受和定义的公差内的相同值，SHARE终端上的电压表示不同电流传感器的输出级放大器240的输出上的电压的平均值以及因此表示流过三个电流传感器的电流路径的电流的平均值。由于预先已知电流拆分路径的数目以及传感器的数目，因此电流的平均值传送与总电流相同的信息。更具体来说，总电流是平均电流乘以电流拆分路径的数目。另外，尽管电阻器的值理想地相同，但是应认识到，实际上将任何两个电子组件完全匹配非常困难。电阻器R9的值在定义公差内相同，并且在此情形下，基本上相同。电阻器R9可以在生产期间预先选择或微调到指定公差内的所需值。例如，电阻器R9可以在集成电路的制造期间微调到指定值的1％内。或者，电阻器R9可以提供为可以进行调整以获得图3中所说明的所需值的可控电阻。
SHARE终端连接到Vout缓冲器的输入。Vout缓冲器提供与电流传感器的输出放大器240的电压输出的平均值相对应的电压输出。如图2所说明，采用从Vout缓冲器中的一个产生的输出，但是在所说明实施例中的输出缓冲器中的每一个产生相同输出电压。从其它Vout缓冲器产生的输出未如图2所说明由“X”使用。
电流传感器的阵列因此用作具有理论最大安培数规格的电流传感器，所述理论最大安培数规格等于阵列中的电流传感器的数目乘以电流传感器中的每一个的最大安培数规格。实际上，由于电流可能不会在多个电流路径之间均匀地拆分，因此实际最大安培数规格将小于理论最大安培数规格，因为没有电流路径可以超过相应电流传感器的最大额定电流，并且一些电流路径可以载送小于相应传感器额定的最大电流。
所公开的系统使用并联连接的电流传感器来容纳超过单个电流传感器的最大电流规格的电流测量值来提供优于已知现有技术系统的若干优点。
当上述电流传感器制造为集成电路时，可以提供与用于感测50安培或更大的现有方案相比尺寸小得多的电流感测方案。另外，通过感测由传感器的阵列感测到的平均电流，即使测量到的总电流ITotal不在传感器阵列中的所有个别传感器之间相等地分配，也可以获得准确的电流测量。此外，由于可以并联连接任何数目的电流传感器，因此在互连之后形成的电流传感器的阵列可以容纳任何电平的电流。另外，与随着级数增加而需要具有更高电压的电压电源的已知系统不同，本发明所公开的系统采用单个Vcc电源电压，而与阵列中采用的电流传感器的数目无关。因此，不需要具有不同电压的多个电源。最后，热管理得到简化，因为可以物理地传播电流传感器以最小化局部加热。
图3说明了图1的电流传感器，但包含用于为偏置和温度补偿提供偏移和增益调整的组件。更具体来说，如图3中所说明，电流传感器200还包含温度传感器310、介接到处理器(未示出)的算术逻辑单元(ALU)320，以及为ALU 320提供时钟的振荡器330。ALU 320包含耦合到数/模转换器(DAC)360、370、380、390、395的数字输出，所述DAC又具有耦合到输出状态放大器240、增益级放大器210、Vref缓冲器250、任选地R9(如果R9可调整)，以及Vout缓冲器260以准许在适当时对相应组件的增益、偏移或值调整的模拟输出。控制信号IReady提供为来自ALU的输出，所述ALU耦合到处理器的输入以允许处理器在通电序列之后检测ALU何时通电。
数字补偿方案允许由于传感器敏感性的变化以及温度偏移引起的补偿。整个信号路径的偏移和增益两者使用数/模转换器(DAC)可调整。高分辨率(16位)数字温度传感器310测量传感器200的温度。算术逻辑单元(ALU)320基于温度传感器310输入计算用于放大器230、240、250、260的偏移和增益的修整码。当这些代码发生变化时，在输出端处存在一个步骤：在必要时提供增益或偏移的校正。DAC具有较小步长以在传感器输出电压中提供微调能力。在一个实施例中，收集温度读数并且以大致2kHz的速率重新计算输出代码，但是可以采用任何合适的速率。控制码不会一次改变多于1LSB，这保证输出端处的小步长。滤波用于温度传感器310输出上，以最小化温度传感器310输出信号上的噪声。初始准确度可以通过两个TST插脚预编程到一次性可编程(OTP)存储器中。
尽管所公开的实施例利用用于控制温度补偿和偏移调整的数字技术，但是本领域普通技术人员将认识到，可以替代地采用用于此控制的模拟技术。
尽管所说明的电流传感器200提供模拟输出，但是应认识到，模/数转换器(A/D)可以用于将模拟输出转换成表示总电流ITotal的数字输出。
如上所述，所公开的电流传感器和使用方法准许类似电流传感器以可扩展方式并联互连以提供大电流的测量。当并联互连时，系统提供作为流过相应互连电流传感器的电流的平均值的输出。本领域普通技术人员将了解，在不脱离本文所公开的发明性概念的情况下，可以对上述电流传感器和方法作出变化和修改。因此，除了由所附权利要求书的范围和精神限制之外，本发明不应被视为限制性的。

Claims (13)

1.一种用于产生表示流过电流感测系统的总电流的输出信号的电流感测系统，所述电流感测系统包括：
多个类似电流传感器，每个电流传感器包含：
电流路径，其延伸穿过相应电流传感器并载送所述总电流的一部分，
电流感测电路，其具有用于产生表示流过相应电流路径的所述总电流的所述部分的第一信号的输出；以及
输出级，其耦合到所述电流感测电路的所述输出，所述输出级包含电触点；
其中：
所述多个电流传感器的所述电流路径并联连接，使得所述总电流等于流过所述多个电流传感器的所述总电流的所述部分的总和；
每个输出级的所述电触点电互连到所述多个电流传感器的每一其它输出级的所述电触点；以及
配置所述多个电流传感器的所述输出级，以便产生所述多个电流传感器的所述输出级中的至少一个输出级的输出信号，所述输出信号对应于流过多个电流路径的所述总电流的所述部分的平均值。
2.根据权利要求1所述的电流感测系统，其中所述电流传感器中的每一电流传感器包括集成电路电流传感器。
3.根据权利要求1所述的电流感测系统，其中所述多个电流传感器中的每一电流传感器的所述电流感测电路包含用于产生表示流过所述相应电流路径的所述总电流的所述部分的第一电流信号的至少一个各向异性磁限制电流感测组件。
4.根据权利要求1所述的电流感测系统，其中每个电流传感器的所述输出级包含：
输出级放大器，其具有输出级放大器输入和输出级放大器输出，并且其中第一电流信号耦合到所述相应电流传感器的所述输出级放大器输入；
输出缓冲器，其具有输出缓冲器输入和输出缓冲器输出；
电阻器，其耦合在所述输出级放大器的输出与所述输出缓冲器输入之间，其中在所述电流传感器中的每一个中的所述电阻器的电阻基本上相同；以及
其中所述电触点耦合到所述输出缓冲器的输入。
5.一种电流传感器，其包括：
电流路径，其在第一电触点和第二电触点之间延伸，用于载送穿过所述电流传感器的电流；
电流测量电路，其包含表示流过所述电流路径的所述电流的输出；
输出缓冲器，其具有输出缓冲器输入和输出缓冲器输出；
电阻器，其具有第一端和第二端，所述第一端电耦合到表示流过所述电流路径的所述电流的所述输出，并且所述第二端耦合到所述输出缓冲器输入；以及
第三电触点，其耦合到所述电阻器的所述第二端以及所述输出缓冲器的输入。
6.根据权利要求5所述的电流传感器，其中所述电流传感器包括集成电路电流传感器，第一电触点、第二电触点和第三电触点包括集成电路的第一外部触点、第二外部触点和第三外部触点。
7.根据权利要求5所述的电流传感器，其中所述电流传感器包含用于产生表示流过所述电流路径的所述电流的第一信号的各向异性磁限制电流传感器。
8.一种包含根据权利要求1所述的多个电流传感器的电流感测系统，其中：
所述多个电流传感器中的每一电流传感器的第一电触点电互连到所述多个电流传感器中的每一其它电流传感器的所述第一电触点中的每一个以提供第一电气节点；
所述多个电流传感器中的每一电流传感器的第二电触点电互连以提供第二电气节点；
所述多个电流传感器中的每一电流传感器的第三电触点电互连以提供第三电气节点；以及
响应于在所述第一电气节点和第二电气节点之间流动的总电流的施加，所述总电流在适当时在所述多个电流传感器的两个或多个之间分配，并且输出缓冲器输出用于提供表示流过所述多个电流传感器的电流的平均值的输出信号。
9.根据权利要求8所述的电流感测系统，其中在所述多个电流传感器中的每一电流传感器中的电阻器具有基本上相同的电阻值。
10.一种用于产生与总电流成比例的输出信号的电流感测系统，所述电流感测系统包括：
多个电流传感器，每个电流传感器包含：
电流路径，其在第一电触点和第二电触点之间延伸，用于载送穿过相应电流传感器的所述总电流的一部分，
电流测量电路，其包含表示流过所述相应电流传感器的所述电流路径的所述总电流的所述部分的输出；
具有输出缓冲器输入和输出缓冲器输出的输出缓冲器；
具有第一端和第二端的电阻器，所述第一端电耦合到电流测量电路输出并且所述第二端耦合到所述输出缓冲器输入，以及
第三电触点，其耦合到所述电阻器的所述第二端以及所述输出缓冲器输入；
其中：
所述多个电流传感器中的每一电流传感器的所述第一电触点与所述多个电流传感器中的每一其它电流传感器的所述第一电触点电互连，并且所述多个电流传感器中的每一电流传感器的所述第二电触点与所述多个电流传感器中的每一其它电流传感器的所述第二电触点电互连，使得所述总电流的一部分流过所述多个电流传感器中的每一电流传感器的电流路径，并且流过所述多个电流传感器的所述电流路径的所述总电流的所述部分的总和等于所述总电流；以及
所述多个电流传感器中的每一电流传感器的所述第三电触点电互连到所述多个电流传感器中的每一其它电流传感器的所述第三电触点；以及
所述多个电流传感器中的每一电流传感器的所述电阻器的电阻值与所述多个电流传感器中的每一其它电流传感器的所述电阻器的电阻值基本上相同；以及
其中所述输出缓冲器输出是与流过所述多个电流传感器的所述电流路径的所述电流的所述部分的平均值相对应的信号。
11.一种用于感测总电流的方法，其包括：
并联连接多个电流传感器，使得所述总电流的一部分流过所述多个电流传感器中的每一电流传感器中的电流路径；
测量流过所述多个电流传感器中的每一电流传感器中的所述电流路径的所述总电流的所述部分；
产生表示流过所述多个电流传感器中的每一电流传感器的所述电流路径的电流的所述部分的多个第一信号；
从表示流过所述多个电流传感器中的每一电流传感器的所述电流路径的所述电流的输出信号中产生表示流过所述多个电流传感器的所述电流路径的所述电流的平均值的第二信号。
12.根据权利要求11所述的方法，其中产生步骤包括通过具有基本上相同电阻值的多个对应电阻器将所述多个第一信号中的每一个耦合到共同节点的步骤。
13.根据权利要求12所述的方法，其进一步包含调整所述多个电阻器中的至少一些的电阻值，使得所述多个电阻器中的每一电阻器具有相同电阻值的步骤。
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