CN108427027B

CN108427027B - 用于检测电流的设备

Info

Publication number: CN108427027B
Application number: CN201710470523.6A
Authority: CN
Inventors: 宣钟局
Original assignee: LSIS Co Ltd
Current assignee: LS Electric Co Ltd
Priority date: 2017-02-15
Filing date: 2017-06-20
Publication date: 2021-03-02
Anticipated expiration: 2037-06-20
Also published as: EP3364198A1; KR20180094344A; US10509059B2; EP3364198B1; CN108427027A; US20180231589A1

Abstract

用于检测电流的设备包括：充电级，具有连接到电源的一端和连接到电感器的另一端，并且被构造成给电感器充加电流；放电级，具有连接到电感器的一端和连接到地电位的另一端，并且被构造成释放电感器中所充的电流；以及检测级，被构造成基于当电感器被充电级充电时从充电级的第一输出节点输出的第一输出电压或基于当电感器被放电级放电时从放电级的第二输出节点输出的第二输出电压来检测流过电感器的电流的幅值。

Description

用于检测电流的设备

技术领域

本公开涉及一种用于检测电流的设备，更具体地涉及一种用于基于从充电级和放电级中所包括的晶体管输出的输出电压来检测流过电感器的电流的设备。

背景技术

在电路设计中，为了确定设计的电路是否正常操作，对在电路的特定元件中流动的电流进行测量，或者对施加于该元件的电压进行测量。如果测得的电流值和电压值位于与理论值的误差容限内，则开发者确定电路正常操作。

最近，能够储存电流和电压的无源元件已经被用于高效地利用功率，并且比如晶体管的半导体元件正被用于在这样的无源元件中充上功率或从这样的无源元件释放功率。

作为这样的无源元件的例子，电感器可储存电流，并且可通过输出储存的电流来产生功率。这样的电感器产生的功率可通过检测当电感器被充电或放电时电感器中流动的电流或施加于电感器的电压来测得。例如，当电感器根据高频切换被充电或放电时，通过检测流过电感器的电流，可确定电路是否正常操作并且测量储存在电感器中的电能量。

图1是用于例示说明用于检测电感器中流动的电流的现有电路。在下文中，将参照图1来详细描述检测流过电感器的电流的现有方法。

参照图1，当晶体管M_a导通并且晶体管M_b截止时，电源V_s产生的电流流过电感器，使得电感器被充加电流。另一方面，当晶体管M_a截止并且晶体管M_b导通时，电感器中所充的电流通过晶体管M_b释放。晶体管M_a的操作相位φ₁被设置成与晶体管M_b的操作相位φ₂相反，以使得电感器被重复地充电和放电。

根据用于检测电流的现有方法，检测与电感器串联连接的精密电阻器R_sense上的电压V_sense，并且放大该电压以检测电感器中流动的电流。然而，这样的方法具有如下问题，即，它需要昂贵的精密电阻器R_sense，因此设计该电路的成本高昂。

另外，根据现有方法，因为使用具有非常小的电阻的精密电阻器R_sense，所以施加于精密电阻器R_sense的电压V_sense的幅值也非常小。因此，存在电流检测准确度在该电压的放大过程中降低的问题。

此外，根据现有方法，因为能量另外由于精密电阻器R_sense而有所损失，所以存在功率不能被高效使用、因此难以在低功率电路中使用它的问题。

发明内容

本公开的目的是提供一种用于检测电流的设备，该设备通过在测量流过电感器的电流时使用晶体管来代替昂贵的精密电阻器，能够使得电路可被高度集成并且挽救功率损失。

本公开的另一个目的是提供一种用于检测电流的设备，该设备通过使用始终保持导通的晶体管来减小从电感器输出的输出电压，能够改进用于检测电流的电路的稳定性。

本公开的另一个目的是提供一种用于检测电流的设备，在该设备中，根据晶体管的宽度减小从晶体管输出的输出电压，以使得将被检测的输出电压的幅值可被适当地调整。

本公开的另一个目的是提供一种用于检测电流的设备，该设备通过将电路构造成施加于感测电阻器的电压与电感器中流动的电流成比例，能够改进检测准确度。

本公开的目的不限于上述目的，其他目的和优点可被本领域技术人员从以下描述领会。此外，将容易意识到，本公开的目的和优点可通过记载在所附权利要求书中的手段及其组合来实施。

根据本公开的一个方面，一种用于检测电流的设备包括：充电级，具有连接到电源的一端和连接到电感器的另一端，并且被构造成给电感器充加电流；放电级，具有连接到电感器的一端和连接到地电位的另一端，并且被构造成释放电感器中所充的电流；以及检测级，被构造成基于当电感器被充电级充电时从充电级的第一输出节点输出的第一输出电压或基于当电感器被放电级放电时从放电级的第二输出节点输出的第二输出电压来检测流过电感器的电流的幅值。

根据本公开的示例性实施例，通过在测量流过电感器的电流时使用晶体管来代替昂贵的精密电阻器，电路可被集成，并且功率损失可被减小。

根据本公开的示例性实施例，通过使用始终保持导通的晶体管来减小从电感器输出的输出电压，用于检测电流的电路的稳定性可得到改进。

根据本公开的示例性实施例，根据晶体管的宽度减小从晶体管输出的输出电压，以使得将被检测的输出电压的幅值可被适当地调整。

根据本公开的示例性实施例，可通过将电路构造成施加于感测电阻器的电压与电感器中流动的电流成比例来改进检测准确度。

附图说明

图1是用于例示说明用于检测电感器中流动的电流的现有电路的电路图；

图2是用于例示说明根据本公开的示例性实施例的用于检测电流的设备的示图，该设备连接到无源电路；

图3是用于例示说明在电感器中充加电流的充电级的电路图；

图4是用于例示说明释放电感器中所充的电流的放电级的电路图；

图5是用于例示说明连接到充电级或放电级的输出节点的检测级的电路图；以及

图6是用于例示说明根据本公开的示例性实施例的用于检测电流的设备的电路图，该设备连接到无源电路。

具体实施方式

以上目的、特征和优点从参照附图的详细描述将变得清楚。实施例被足够详细地描述以使得本领域技术人员能够容易地实施本公开的技术构思。众所周知的功能或构造的详细描述可被省略，以便不会不必要地使本公开的主旨模糊不清。在下文中，将参照附图来详细描述本公开的实施例。在整个附图中，相似的标号指代相似的元件。

图2是用于例示说明根据本公开的示例性实施例的用于检测电流的设备的示图，该设备连接到无源电路。参照图2，根据本公开的示例性实施例的用于检测电流的设备包括充电级110、放电级120以及检测级130。图2所示的设备仅仅是本公开的示例性实施例，并且元件不限于图2所示的那些元件。一些元件可根据需要被添加、修改或除去。

本公开涉及一种用于检测流过电感器的电流的设备，更具体地涉及一种用于检测当电感器根据高频切换被充电或放电时流过电感器的电流的幅值的设备。

参照图2，充电级110的一端连接到电源V_DD，其另一端连接到电感器以给电感器充电。另外，放电级120的一端连接到电感器，其另一端连接到地电位以释放电感器中的电流。

电感器可包括在无源电路210中，无源电路210由不产生电能的无源元件组成。无源电路210可被构造成除图2所示的形式之外的其他形式，只要电感器被外部电源充电/放电即可。

当充电级110在电感器中充加电流时，第一输出电压V₁可从充电级110的第一输出节点输出。当放电级120释放电感器中所充的电流时，第二输出电压V₂可从放电级120的第二输出节点输出。

检测级130可基于从第一输出节点输出的第一输出电压V₁或从第二输出节点输出的第二输出电压V₂来检测电感器中流动的电流的幅值。

图3是用于例示说明在电感器中充加电流的充电级110的电路图。在下文中，将参照图3来更详细地描述充电级110。

参照图3，充电级110可包括：第一主晶体管M₁，具有连接到电源V_DD的一端和连接到电感器的另一端；第一导通晶体管M₂，具有连接到电源V_DD的一端和连接到第一输出节点的另一端，以使得它始终保持导通；以及第一子晶体管M₃，具有连接到第一输出节点的一端和连接到电感器的另一端。

第一导通晶体管M₂可使其栅极端子连接到地电位，以使得它始终保持导通。第一导通晶体管M₂保持导通，以便在电源V_DD和电感器之间分布电压，并且可用作电感器被充电时的电阻器。

当第一主晶体管M₁和第一子晶体管M₃导通时，电感器可被电源V_DD充电。更具体地说，当第一主晶体管M₁和第一子晶体管M₃截止时，电源V_DD和电感器相互分离。当第一主晶体管M₁和第一子晶体管M₃导通时，电源V_DD连接到电感器。

当电源V_DD连接到电感器时，由于从电源V_DD施加的电压，电流在电感器中流动。电感器中流动的电流可在从电源V_DD到无源电路210的方向上流动。

第一主晶体管M₁和第一子晶体管M₃可根据第一操作相位φ₁进行操作。操作相位是指晶体管导通和截止的周期。第一主晶体管M₁和第一子晶体管M₃可根据第一操作相位φ₁导通或截止。

充电级110的第一输出节点可为第一导通晶体管M₂和第一子晶体管M₃之间的节点。从第一输出节点输出的第一输出电压V₁可根据充电级110中所包括的晶体管的宽度确定。

更具体地说，第一输出电压V₁可根据第一主晶体管M₁的宽度与第一子晶体管M₃和第一导通晶体管M₂的宽度之比以及电感器中流动的电流的幅值确定。

晶体管的宽度是确定流过晶体管的电流的幅值的参数，并且可由晶体管的性能确定。更具体地说，假定除宽度之外的其他性能是相同的，那么流过晶体管的电流可与晶体管的宽度成比例。

在本公开的示例性实施例中，第一主晶体管M₁的宽度与第一子晶体管M₃和第一导通晶体管M₂的宽度之比可为m。例如，如果第一子晶体管M₃和第一导通晶体管M₂的宽度等于0.1μm并且第一主晶体管M₁的宽度等于0.7μm，则m的值可等于7。

因此，当第一主晶体管M₁、第一子晶体管M₃和第一导通晶体管M₂除它们的宽度之外具有相同的性能时，流过第一主晶体管M₁的电流的幅值可等于m乘以流过第一子晶体管M₃和第一导通晶体管M₂的电流的幅值。

因此，再次参照图3，假定流过第一子晶体管M₃和第一导通晶体管M₂的电流的幅值为I，那么流过第一主晶体管M₁的电流的幅值可为mI。因为mI和I的和变为流过电感器的电流I_L，所以以下方程可被建立：I＝I_L/(m+1)。

当充电级110的第一主晶体管M₁和第一子晶体管M₃在高频切换操作中导通时，第一导通晶体管M₂可作为如上所述的电阻器工作。因此，施加于第一导通晶体管M₂的电压可为第一导通晶体管M₂中流动的电流和第一导通晶体管M₂的导通电阻的乘积。

例如，如果第一导通晶体管M₂的导通电阻为R₂，则施加于第一导通晶体管M₂的电压V_M2可用

表示。

假定电源的电压为V_DD，那么从第一输出节点输出的第一输出电压可用以下方程1表达：

<方程1>

其中，V₁表示第一输出电压，V_DD表示电源的电压，I_L表示电感器中流动的电流，m表示第一主晶体管的宽度与第一子晶体管和第一导通晶体管的宽度之比，R₂表示第一导通晶体管的导通电阻。

图4是用于例示说明释放电感器中所充的电流的放电级120的电路图。在下文中，将参照图4来更详细地描述放电级120。

参照图4，放电级120包括：第二主晶体管M₄，具有连接到电感器的一端和连接到地电位的另一端；第二子晶体管M₅，具有连接到电感器的一端和连接到第二输出节点的另一端；以及第二导通晶体管M₆，具有连接到第二输出节点的一端和连接到地电位的另一端。

第二导通晶体管M₆的栅极端子可连接到电源，以使得它始终保持导通。第二导通晶体管M₆保持导通，以便在电感器处的电压和地电位之间分压，并且可作为电感器被放电时的电阻器工作。

当第二主晶体管M₄和第二子晶体管M₅导通时，电感器中所充的电流可被释放到地上。更具体地说，当第二主晶体管M₄和第二子晶体管M₅截止时，电感器的一端不连接到地电位。当第二主晶体管M₄和第二子晶体管M₅导通时，电感器的该端连接到地电位。

当电感器的该端连接到地电位时，电感器中所充的电流可被释放在地上，以使得电感器中流动的电流可在从电感器到地的方向上流动。

第二主晶体管M₄和第二子晶体管M₅可根据第二操作相位φ₂进行操作。第二操作相位φ₂可与充电级110中所包括的晶体管的第一操作相位φ₁相反。第二主晶体管M₄和第二子晶体管M₅可根据第二操作相位φ₂导通和截止，因此，电感器可被按规律的间隔重复地充电和放电。

放电级120的第二输出节点可为第二子晶体管M₅和第二导通晶体管M₆之间的节点。从第二输出节点输出的第二输出电压V₂可根据放电级120中所包括的晶体管的宽度确定。

更具体地说，第二输出电压V₂可根据第二主晶体管M₄的宽度与第二子晶体管M₅和第二导通晶体管M₆的宽度之比以及电感器中流动的电流的幅值确定。

在本公开的示例性实施例中，第二主晶体管M₄的宽度与第二子晶体管M₅和第二导通晶体管M₆的宽度之比可为n。例如，如果第二子晶体管M₅和第二导通晶体管M₆的宽度等于0.05μm并且第二主晶体管M₄的宽度等于0.5μm，则n的值可等于10。

因此，当第二主晶体管M₄、第二子晶体管M₅和第二导通晶体管M₆除它们的宽度之外具有相同的性能时，流过第二主晶体管M₄的电流的幅值可等于n乘以流过第二子晶体管M₅和第二导通晶体管M₆的电流的幅值。

因此，再次参照图4，假定流过第二子晶体管M₅和第二导通晶体管M₆的电流的幅值为I，那么流过第二主晶体管M₄的电流的幅值可为nI。因为从电感器朝向地流动的电流I_L被划分为I和nI，所以以下方程可被建立：I＝I_L/(n+1)。

当放电级120的第二主晶体管M₄和第二子晶体管M₅在高频切换操作中导通时，第二导通晶体管M₆可作为如上所述的电阻器工作。因此，施加于第二导通晶体管M₆的电压可为第二导通晶体管M₆中流动的电流和第二导通晶体管M₆的导通电阻的乘积。

例如，如果第二导通晶体管M₆的导通电阻为R₆，则施加于第二导通晶体管M₆的电压V_M6可用

表示。

因为施加于第二导通晶体管M₆的电压等于从第二输出节点输出的第二输出电压V₂，所以输出电压V₂可用以下方程2表达：

<方程2>

其中，V₂表示第二输出电压，I_L表示电感器中流动的电流，n表示第二主晶体管的宽度与第二子晶体管和第二导通晶体管的宽度之比，R₆表示第二导通晶体管的导通电阻。

如稍后所描述的，从电感器输出的高电压使过大的电流在感测电阻器R_s中流动，使得电路变为不稳定。如上所述，通过使用始终保持导通的晶体管来减小从电感器输出的输出电压，可改进用于检测电流的电路的稳定性。

另外，根据本公开的示例性实施例，根据晶体管的宽度减小预先设置的通过晶体管输出的输出电压(第一输出电压和第二输出电压)，以使得将被检测的输出电压的幅值可被适当地调整。

图5是用于例示说明连接到充电级110或放电级120的输出节点的检测级130的电路图。在下文中，将参照图5来更详细地描述检测级130。

参照图5，检测级130可包括感测电阻器R_s和电流施加级131，电流施加级131根据第一输出电压V₁或第二输出电压V₂将电流施加于感测电阻器R_s。电流施加级131是可选择性地接收第一输出电压V₁或第二输出电压V₂并且可根据输入电压将电流施加于感测电阻器R_s的电路。

检测级130可基于施加于感测电阻器R_s的电压V_s来检测流过电感器的电流的幅值。更具体地说，施加于感测电阻器R_s的电压V_s可根据第一输出电压V₁或第二输出电压V₂测得。如上所述，第一输出电压V₁和第二输出电压V₂包含关于电感器中流动的电流的幅值的信息。因此，检测级130基于在感测电阻器R_s上测得的电压V_s来检测电感器中流动的电流的幅值。

再次参照图5，电流施加级131可包括反馈电阻器R_f、差分放大器以及输出端晶体管。电流施加级131可包括在电子电路领域中已知的任何恒流源电路，只要它包括反馈电阻器、差分放大器和供给恒定电流的输出端晶体管以及图5所示的电路即可。图5所示的电流施加级131仅仅是一个例子。电流施加级131可被修改为各种类型的电流源以用于将恒定电流施加于感测电阻器R_s。

差分放大器可包括连接到第一输出节点或第二输出节点的第一输入端子、连接到反馈电阻器R_f的一端的第二输入端子以及连接到输出端晶体管的输出端子。电流施加级131包括如此构造的差分放大器，以使得它可根据反馈电阻器R_f来调整感测电阻器R_s中流动的电流的幅值。

差分放大器的第一输入端子可选择性地连接到第一输出节点或第二输出节点。更具体地说，当充电级110在电感器中充加电流时，第一输入端子可连接到第一输出节点，并且当放电级120释放电感器中所充的电流时，第一输入端子可连接到第二输出节点。

为此，差分放大器可进一步包括在第一输入端子的一端的开关元件，其根据充电或放电周期进行操作。该开关元件可通过使用多路复用器(MUX)来构造。

为了使差分放大器正常操作，施加于第一输入端子和第二输入端子的电压的幅值可具有某个范围。因此，电流施加级131可进一步包括电平移位器，其用于改变施加于第一输入端子或第二输入端子的电压的幅值。

电平移位器可改变从第一输出节点或第二输出节点输出的第一输出电压V₁或第二输出电压V₂的幅值以将它施加于差分放大器的第一输入端子。此外，电平移位器可改变在反馈电阻器R_f的一端输出的电压的幅值以将它施加于差分放大器的第二输入端子。

图6是用于例示说明根据本公开的示例性实施例的用于检测电流的设备的电路图，该设备连接到无源电路。在下文中，将参照图6来详细描述用于检测电流的设备的总体操作以及测量施加于感测电阻器R_s的电压V_s的方法。

首先，当充电级110中所包括的晶体管M₁和M₃导通时，放电级120中所包括的晶体管M₄和M₅截止。因此，充电级110使用来自电源V_DD的电压来将电流供给无源电路210，并且电感器被充加供给的电流。如上所述，从第一输出节点输出的第一输出电压V₁可用

表达。

因为输入到差分放大器的第一输入端子的电压和输入到第二输入端子的电压保持为相同电平，所以第一输出电压V₁等于从反馈电阻器R_f的一端输出的电压。再次参照图6，施加于反馈电阻器R_f的电压用V_f＝R_f×I_f表达，并且从反馈电阻器R_f的一端输出的电压用V_DD-V_f表达。因此，关系

被建立。

另一方面，施加于感测电阻器R_s的电压用V_s＝R_s×I_f表达，并且关系

被建立，使得关系

被建立。如上所述，方程

被建立，当电感器被充电级110充电时施加于感测电阻器R_s的电压可用以下方程3表达：

<方程3>

其中，V_s表示施加于感测电阻器的电压，I_L表示电感器中流动的电流，R_s表示感测电阻器，R₂表示第一导通晶体管的导通电阻，R_f表示反馈电阻器，m表示第一主晶体管的宽度与第一子晶体管和第一导通晶体管的宽度之比。

另一方面，当放电级120中所包括的晶体管M₄和M₅导通时，充电级110中所包括的晶体管M₁和M₃截止。因此，放电级120将电感器中所充的电流释放到地上。如上所述，从第二输出节点输出的第二输出电压V₂可用

表达。

因为输入到差分放大器的第一输入端子的电压和输入到第二输入端子的电压保持为相同电平，所以第二输出电压V₂等于从反馈电阻器R_f的一端输出的电压。如上所述，从反馈电阻器R_f的所述一端输出的电压用V_DD-V_f表达，因此它用

表达。

被建立，使得关系

被建立。如上所述，方程

被建立，当电感器被充电级120充电时施加于感测电阻器R_s的电压可用以下方程4表达。

<方程4>

其中，V_s表示施加于感测电阻器的电压，V_DD表示电源的电压，I_L表示电感器中流动的电流，R_s表示感测电阻器，R₆表示第二导通晶体管的导通电阻，R_f表示反馈电阻器，n表示第二主晶体管的宽度与第二子晶体管和第二导通晶体管的宽度之比。

如上所述，根据本公开的示例性实施例，施加于感测电阻器R_s的电压与电感器中流动的电流成比例，从而改进检测准确度。结果，通过在测量流过电感器的电流时使用晶体管来代替昂贵的精密电阻器，电路可被高度集成，功率损失可被减小，并且电流检测准确度可得到改进。

上述本公开可在不脱离本公开的范围和精神的情况下被本发明有关的领域的技术人员各式各样地替换、改变和修改。因此，本公开不限于上述示例性实施例和附图。

Claims

1.一种用于检测流过电感器的电流的设备，其中所述设备包括：

充电级，具有连接到电源的一端和连接到电感器的另一端，并且被构造成给所述电感器充加电流；

放电级，具有连接到所述电感器的一端和连接到地电位的另一端，并且被构造成释放所述电感器中所充的电流；以及

检测级，被构造成基于当所述电感器被所述充电级充电时从所述充电级的第一输出节点输出的第一输出电压或基于当所述电感器被所述放电级放电时从所述放电级的第二输出节点输出的第二输出电压来检测流过所述电感器的电流的幅值，

所述检测级包括：

反馈电阻器；

输出端晶体管；

差分放大器，包括连接到所述第一输出节点或所述第二输出节点的第一输入端子、连接到所述反馈电阻器的一端的第二输入端子以及连接到所述输出端晶体管的一端的输出端子；以及

感测电阻器，连接到所述输出端晶体管的另一端，

所述检测级基于施加于所述感测电阻器的电压来检测流过所述电感器的电流的幅值，

在所述第一输入端子的一端还包括根据充电或放电周期来切换所述充电级和所述放电极的开关元件。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述充电级包括：

第一主晶体管，具有连接到所述电源的一端和连接到所述电感器的另一端；

第一导通晶体管，具有连接到所述电源的一端和连接到所述第一输出节点的另一端，并且保持导通；以及

第一子晶体管，具有连接到所述第一输出节点的一端和连接到所述电感器的另一端，并且

其中所述放电级包括：

第二主晶体管，具有连接到所述电感器的一端和连接到地电位的另一端；

第二子晶体管，具有连接到所述电感器的一端和连接到所述第二输出节点的另一端；以及

第二导通晶体管，具有连接到所述第二输出节点的一端和连接到地电位的另一端。

3.根据权利要求2所述的设备，其中当所述第一主晶体管和所述第一子晶体管导通时，所述电感器被所述电源充加电流，并且

其中当所述第二主晶体管和所述第二子晶体管导通时，所述电感器中所充的电流被释放。

4.根据权利要求2所述的设备，其中所述第一输出电压由所述第一主晶体管的宽度与所述第一子晶体管和所述第一导通晶体管的宽度之比以及所述电感器中流动的电流的幅值确定，并且其中所述第二输出电压由所述第二主晶体管的宽度与所述第二子晶体管和所述第二导通晶体管的宽度之比以及所述电感器中流动的电流的幅值确定。

5.根据权利要求1所述的设备，其中所述检测级进一步包括电平移位器，所述电平移位器被构造成改变施加于所述第一输入端子或所述第二输入端子的电压的电平。