CN109387688A - 一种电流检测电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电流检测电路，涉及集成电路技术领域。该电流检测电路包括依次连接的电流采集器、压频转换器和计数器；电流采集器采集待检测负载的电流信号，并输出带有待检测负载电流信号的待检测电压以及基准电压至压频转换器；压频转换器接收待检测电压并将其转换为第一频率、接收所述基准电压、并将其转换为第二频率；所述计数器包括第一计数器和第二计数器，所述第一计数器和所述第二计数器分别接收所述第一频率和所述第二频率、并分别进行计数，并根据计数值计算得到所述待检测负载的电流。本发明技术方案通过采集待检测负载的电压、转换为频率，通过对检测电压和基准源电压分别计数，以计算得到待检测负载的电流，检测精度高。

Description

一种电流检测电路
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，特别是涉及一种电流检测电路。
背景技术
当今的电子消费市场，便携式电子产品占据了很大一部分。便携式具有的轻巧、速度快以及功耗低等特点决定了其广阔的市场前景，那么，良好的集成芯片，特别是高效率的电源管理芯片更加离不开保护检测芯片，保护检测芯片不仅能直观反映芯片性能的好坏，也能在电路设计过程中起到很好的检测、反馈以及保护作用。高性能的电流检测电路便是现在很多集成电路工程师的研究对象，这也极大推动这一领域的发展，也给电流检测芯片带来了商机。
CMOS电流检测电路通常来说是用于检测某一芯片的工作电流，一般用互感器、分流器等将电流信号转化成电压信号，然后再对其进行处理放大，作为后续电路的保护、检测使用。CMOS电流检测电路主要由电流采集模块和数模转换模块两部分构成，电流采集模块将采集到的电流发送至数模转换模块，数模转换模块将模拟的电流转化成数字量，便于直观的显示出来。
传统的CMOS电流检测电路大多用△ΣADC实现，因为△ΣADC具有分辨率高和高精度等特点，但由于其使用了电容门阵列，消耗的版图面积较大，但其电路架构复杂，温度转化时间也比较长。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种电流检测电路，旨在简化电路结构、提高检测精度。
为实现上述目的，本发明提供一种电流检测电路，所述电流检测电路包括依次连接的电流采集器、压频转换器和计数器；所述电流采集器采集待检测负载的电流信号，并输出带有所述待检测负载电流信号的待检测电压以及基准电压至所述压频转换器；所述压频转换器接收所述待检测电压并将其转换为第一频率、接收所述基准电压、并将其转换为第二频率；所述计数器包括第一计数器和第二计数器，所述第一计数器和所述第二计数器分别接收所述第一频率和所述第二频率、并分别进行计数，并根据计数值计算得到所述待检测负载的电流。
优选地，所述压频转换器包括第一比较器和连接于所述第一比较器的第二比较器和第三比较器，所述第二比较器和所述第三比较器的第一输入端连接于所述待检测电压或所述基准电压；所述第二比较器的第二输入端还连接有第一场效应管和第一电容，所述第三比较器的另一个输入端还连接有第二电容和第二场效应管。
优选地，所述第一比较器的S端连接于所述第二比较器的输出端，所述第一比较器的R端连接于所述第三比较器的输出端，所述第一比较器的Q端连接于所述第一场效应管的栅极、且所述Q端为所述压频转换器的输出端，所述第一比较器的端连接于所述第二场效应管的栅极；所述第二比较器的第一输入端连接于所述第三比较器的第一输入端，所述第二比较器的第二输入端连接于所述第一场效应管的源极和第一电容的一端；所述第三比较器的第二输入端连接于所述第二场效应管的源极和所述第二电容的一端；所述第一场效应管和所述第二场效应管的漏极、所述第一电容的另一端和所述第二电容的另一端接地。
优选地，所述压频转换器包括第一压频转换器和第二压频转换器；所述第一压频转换器和所述第二压频转换器结构相同；所述第一压频转换器的输入端连接于所述电流采集器的输出端、其输出端连接于所述第一计数器的输入端；所述第二压频转换器的输入端连接于所述电流采集器的输出端、其输出端连接于所述第二计数器的输入端。
优选地，所述电流采集器包括电流感应子电路和基准源子电路，所述电流感应子电路用于采集所述待检测负载的电流信号，并将带有所述电流信号的感应电压输入至所述基准源子电路，所述基准源子电路输出所述待检测电压和所述基准电压至所述压频转换器。
优选地，所述电流感应子电路包括放大器和连接于所述放大器的所述待检测负载、检测晶体管、第三场效应管和第四场效应管；所述检测晶体管连接有输出检测电流支路，用于检测并输出感应电压至所述基准源子电路；所述第四场效应管与所述待检测负载之间还连接有第一开关，所述放大器与所述待检测负载之间还连接有第二开关，闭合所述第一开关并断开所述第二开关，以使所述电流感应子电路检测所述待检测负载。
优选地，所述输出检测电流支路包括相连的第五场效应管和第一电阻，所述第五场效应管的源极连接于所述检测晶体管的漏极、其栅极连接于所述第三场效应管的漏极、其漏极连接于所述第一电阻的一端，所述第一电阻的另一端接地。
优选地，所述待检测负载的源极连接于电源、漏极连接于所述第一开关和降压转换子模块、栅极连接于驱动使能信号；所述第二开关一端的一端连接于所述待检测负载的源极、另一端连接于所述放大器的一输入端，所述放大器的另一输入端连接于所述检测晶体管的漏极；所述检测晶体管的源极连接于电源、栅极接地、漏极连接于所述第三场效应管的源极和第五场效应管的源极；所述第三场效应管的栅极与所述第四场效应管的栅极相互连接、并同时连接于所述放大器的输出端，所述第三场效应管和第四场效应管的漏极接地；所述第四场效应管的源极通过所述第一开关连接于所述待检测负载。
优选地，所述降压转换子模块包括第一电感、第二电阻、第三电容和第一二极管；所述第一电感的一端连接于所述待检测负载的漏极，另一端连接于所述第三电容和第二电阻的一端；所述第三电容和第二电阻的另一端接地；所述第一二极管一端与所述第一电感同时连接于所述待检测负载的漏极，另一端接地。
本发明技术方案通过采集带有所述待检测负载电流信号的待检测电压、并将其与基准电压转换为频率，通过对检测电压和基准源电压转换后的频率分别计数，以计算得到待检测负载的电流。本发明技术方案结构简单，易于实现，成本低，检测精度高。
附图说明
图1为本发明电流检测电路的原理示意图；
图2为本发明电流检测电路中压频转换器的原理示意图；
图3为本发明电流检测电路中电流感应子电路的原理示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明进一步说明。
本发明提供一种电流检测电路，如图1所示，所述电流检测电路包括依次连接的电流采集器、压频转换器和计数器；所述电流采集器采集待检测负载的电流信号，并输出带有所述待检测负载电流信号的待检测电压以及基准电压至所述压频转换器；所述压频转换器接收所述待检测电压并将其转换为第一频率、接收所述基准电压、并将其转换为第二频率；所述计数器包括第一计数器和第二计数器，所述第一计数器和所述第二计数器分别接收所述第一频率和所述第二频率、并分别进行计数，并根据计数值计算得到所述待检测负载的电流。
优选地，如图2所示，所述压频转换器包括第一比较器Com1和连接于所述第一比较器Com1的第二比较器Com2和第三比较器Com3，所述第二比较器Com2和所述第三比较器Com3的第一输入端连接于所述待检测电压或所述基准电压VEF；所述第二比较器Com2的第二输入端还连接有第一场效应管M1和第一电容C1，所述第三比较器Com3的另一个输入端还连接有第二电容C2和第二场效应管M2。
具体地，如图2所示，所述第一比较器Com1的S端连接于所述第二比较器Com2的输出端，所述第一比较器Com1的R端连接于所述第三比较器Com3的输出端，所述第一比较器Com1的Q端连接于所述第一场效应管M1的栅极、且所述Q端为所述压频转换器的输出端，所述第一比较器Com1的端连接于所述第二场效应管M2的栅极；所述第二比较器Com2的第一输入端连接于所述第三比较器Com3的第一输入端，所述第二比较器Com2的第二输入端连接于所述第一场效应管M1的源极和第一电容C1的一端；所述第三比较器Com3的第二输入端连接于所述第二场效应管M2的源极和所述第二电容C2的一端；所述第一场效应管M1和所述第二场效应管M2的漏极、所述第一电容C1的另一端和所述第二电容C2的另一端接地VSS。
优选地，如图1所示，所述压频转换器包括第一压频转换器和第二压频转换器；所述第一压频转换器和所述第二压频转换器结构相同；所述第一压频转换器的输入端连接于所述电流采集器的输出端、其输出端连接于所述第一计数器的输入端；所述第二压频转换器的输入端连接于所述电流采集器的输出端、其输出端连接于所述第二计数器的输入端。
优选地，所述电流采集器包括电流感应子电路和基准源子电路，所述电流感应子电路用于采集所述待检测负载的电流信号，并将带有所述电流信号的感应电压Vsence输入至所述基准源子电路，所述基准源子电路输出所述待检测电压和所述基准电压至所述压频转换器。
优选地，如图3所示，所述电流感应子电路包括放大器amp和连接于所述放大器amp的所述待检测负载Mp、检测晶体管Ms、第三场效应管M3和第四场效应管M4；所述检测晶体管Ms连接有输出检测电流支路，用于检测并输出感应电压Vsence至所述基准源子电路；所述第四场效应管M4与所述待检测负载Mp之间还连接有第一开关S1，所述放大器amp与所述待检测负载Mp之间还连接有第二开关S2，闭合所述第一开关S1并断开所述第二开关S2，以使所述电流感应子电路检测所述待检测负载Mp。
优选地，如图3所示，所述输出检测电流支路包括相连的第五场效应管M5和第一电阻R1，所述第五场效应管M5的源极连接于所述检测晶体管Ms的漏极、其栅极连接于所述第三场效应管M3的漏极、其漏极连接于所述第一电阻R1的一端，所述第一电阻R1的另一端接地。
优选地，如图3所示，所述待检测负载Mp的源极连接于电源VDD、漏极连接于所述第一开关S1和降压转换子模块、栅极连接于驱动使能信号Q；所述第二开关S2一端的一端连接于所述待检测负载Mp的源极、另一端连接于所述放大器amp的一输入端，所述放大器amp的另一输入端连接于所述检测晶体管Ms的漏极；所述检测晶体管Ms的源极连接于电源VDD、栅极接地VSS、漏极连接于所述第三场效应管M3的源极和第五场效应管M5的源极；所述第三场效应管M3的栅极与所述第四场效应管M4的栅极相互连接、并同时连接于所述放大器amp的输出端，所述第三场效应管M3和第四场效应管M4的漏极接地VSS；所述第四场效应管M4的源极通过所述第一开关S1连接于所述待检测负载Mp。驱动使能信号Q用于驱动待检测负载Mp的导通或截断。
优选地，如图3所示，所述降压转换子模块包括第一电感L、第二电阻R2、第三电容C3和第一二极管D；所述第一电感L的一端连接于所述待检测负载Mp的漏极，另一端连接于所述第三电容C3和第二电阻R2的一端；所述第三电容C3和第二电阻R2的另一端接地；所述第一二极管D一端与所述第一电感L同时连接于所述待检测负载Mp的漏极，另一端接地VSS。
本发明电流检测电路的工作原理为：
电流感应子电路产生带有待检测负载电流信号的感应电压Vsence，并作为输入连接到基准源电路中，基准源电路产生与温度正相关的待检测电压VPTAT和与温度无关的基准电压VREF，且待检测电压VPTAT带有待检测负载电流信号。基准源电路连接到压频转换器，压频转换器分别输出待检测电压VPTAT的相关频率和基准电压VREF的相关频率到第一计数器和第二计数器，第一计数器和第二计数器分别对待检测电压VPTAT相关频率和基准电压VREF的相关频率进行计数。由于与温度无关的基准电压VREF产生的频率较快，对其相关频率进行计数的第二计数器会先计满，通过反馈控制对待检测电压VPTAT的相关频率进行计数的第一计数器停止计数，输出第一计数器当前计数值K。
更具体地，待检测负载Mp为PMOS管，其电流设为Ip，与电流感应子电路输出的感应电压Vsence的关系为：Ip=k0*Vsence，其中k0为常数；
感应电压Vsence作为输入连接到到基准源电路，基准源电路产生待检测电压VPTAT和基准电压VREF，其中感应电压Vsence与待检测电压VPTAT的关系为：Vsence=k1 *VPTAT，其中k1为常数；
基准源电路输出的待检测电压VPTAT和基准电压VREF发送到压频转换器分别转换为频率，然后输出频率到第一计数器和第二计数器中分别进行计数。其中，第二计数器计数满后，第一计数器输出当前计数值K，则有： VPTAT/VREF = K/2n；
通过上述等式，即可得到待检测负载的电流表达式：Ip=k VREF *K/2n +b，其中k=k0*k1；
其中，2n为对待检测电压的相关频率进行计数的计数值，其为满计数值；K为对待检测电压VPTAT的相关频率进行计数的第一计数器的当前计数值，b为校正系数，k为常数。
应当理解的是，以上仅为本发明的优选实施例，不能因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变 换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种电流检测电路，其特征在于，所述电流检测电路包括依次连接的电流采集器、压频转换器和计数器；所述电流采集器采集待检测负载的电流信号，并输出带有所述待检测负载电流信号的待检测电压以及基准电压至所述压频转换器；所述压频转换器接收所述待检测电压并将其转换为第一频率、接收所述基准电压、并将其转换为第二频率；所述计数器包括第一计数器和第二计数器，所述第一计数器和所述第二计数器分别接收所述第一频率和所述第二频率、并分别进行计数，并根据计数值计算得到所述待检测负载的电流。
2.根据权利要求1所述的电流检测电路，其特征在于，所述压频转换器包括第一比较器和连接于所述第一比较器的第二比较器和第三比较器，所述第二比较器和所述第三比较器的第一输入端连接于所述待检测电压或所述基准电压；所述第二比较器的第二输入端还连接有第一场效应管和第一电容，所述第三比较器的另一个输入端还连接有第二电容和第二场效应管。
3.根据权利要求2所述的电流检测电路，其特征在于，所述第一比较器的S端连接于所述第二比较器的输出端，所述第一比较器的R端连接于所述第三比较器的输出端，所述第一比较器的Q端连接于所述第一场效应管的栅极、且所述Q端为所述压频转换器的输出端，所述第一比较器的端连接于所述第二场效应管的栅极；所述第二比较器的第一输入端连接于所述第三比较器的第一输入端，所述第二比较器的第二输入端连接于所述第一场效应管的源极和第一电容的一端；所述第三比较器的第二输入端连接于所述第二场效应管的源极和所述第二电容的一端；所述第一场效应管和所述第二场效应管的漏极、所述第一电容的另一端和所述第二电容的另一端接地。
4.根据权利要求3所述的电流检测电路，其特征在于，所述压频转换器包括第一压频转换器和第二压频转换器；所述第一压频转换器和所述第二压频转换器结构相同；所述第一压频转换器的输入端连接于所述电流采集器的输出端、其输出端连接于所述第一计数器的输入端；所述第二压频转换器的输入端连接于所述电流采集器的输出端、其输出端连接于所述第二计数器的输入端。
5.根据权利要求1所述的电流检测电路，其特征在于，所述电流采集器包括电流感应子电路和基准源子电路，所述电流感应子电路用于采集所述待检测负载的电流信号，并将带有所述电流信号的感应电压输入至所述基准源子电路，所述基准源子电路输出所述待检测电压和所述基准电压至所述压频转换器。
6.根据权利要求5所述的电流检测电路，其特征在于，所述电流感应子电路包括放大器和连接于所述放大器的所述待检测负载、检测晶体管、第三场效应管和第四场效应管；所述检测晶体管连接有输出检测电流支路，用于检测并输出感应电压至所述基准源子电路；所述第四场效应管与所述待检测负载之间还连接有第一开关，所述放大器与所述待检测负载之间还连接有第二开关，闭合所述第一开关并断开所述第二开关，以使所述电流感应子电路检测所述待检测负载。
7.根据权利要求6所述的电流检测电路，其特征在于，所述输出检测电流支路包括相连的第五场效应管和第一电阻，所述第五场效应管的源极连接于所述检测晶体管的漏极、其栅极连接于所述第三场效应管的漏极、其漏极连接于所述第一电阻的一端，所述第一电阻的另一端接地。
8.根据权利要求7所述的电流检测电路，其特征在于，所述待检测负载的源极连接于电源、漏极连接于所述第一开关和降压转换子模块、栅极连接于驱动使能信号；所述第二开关一端的一端连接于所述待检测负载的源极、另一端连接于所述放大器的一输入端，所述放大器的另一输入端连接于所述检测晶体管的漏极；所述检测晶体管的源极连接于电源、栅极接地、漏极连接于所述第三场效应管的源极和第五场效应管的源极；所述第三场效应管的栅极与所述第四场效应管的栅极相互连接、并同时连接于所述放大器的输出端，所述第三场效应管和第四场效应管的漏极接地；所述第四场效应管的源极通过所述第一开关连接于所述待检测负载。
9.根据权利要求8所述的电流检测电路，其特征在于，所述降压转换子模块包括第一电感、第二电阻、第三电容和第一二极管；所述第一电感的一端连接于所述待检测负载的漏极，另一端连接于所述第三电容和第二电阻的一端；所述第三电容和第二电阻的另一端接地；所述第一二极管一端与所述第一电感同时连接于所述待检测负载的漏极，另一端接地。
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