CN109417283B - 通用串行总线(usb)设备的可调过电流检测器电路 - Google Patents

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Abstract

一种电流检测器电路，包括电流感测放大器，该电流感测放大器耦合到感测电阻器，以接收一对输入电压，并响应于由传输通过感测电阻器的感测电流而产生的感测输入电压差，输出第一指示信号。电流检测器电路包括：耦合到电流感测放大器的比较器，该比较器用于将第一指示信号与参考电压信号进行比较，并响应于第一指示信号超过参考电压信号而输出中断信号；以及耦合到比较器的参考电压发生器电路，该参考电压发生器电路用于根据从串行总线连接器设备的配置信道接收的第一选择器信号，从多个参考电压中选择参考电压信号。

Description

通用串行总线(USB)设备的可调过电流检测器电路
相关申请
本申请是于2016年9月29日提交的第15/280,729号美国申请的国际申请，其要求享有于2016年5月16日提交的第62/337,189号美国临时申请和于2016年6月17日提交的第62/351,789号美国临时申请的权益，所有申请通过引用以其整体并入本文。
技术领域
本公开涉及过电流检测领域，并且具体涉及后期处理的可调过电流检测器电路。
背景
连接于电源的电路有时可以采用过电流检测器电路来免受该电源的过电流供应或过电压供应的影响。过电流检测器电路可以检测过电流状况并发出中断信号，以使电源与电路断开连接。
附图简述
在附图的图中，通过示例而非限制的方式说明本公开。
图1是根据一个实施例的示出过电流检测器电路的框图。
图2A示出了根据一个实施例的图1的过电流检测器电路的第一级。
图2B示出了根据另一实施例的图1的过电流检测器电路的第一级。
图3示出了根据一个实施例的图1的过电流检测器电路的第二级。
图4A、图4B、图4C、图4D、图4E示出了根据各个实施例的至少作为图1和图3的参考电压发生器电路的实现而被包括的数模转换器(DAC)。
图5是根据一个实施例的图1和图3的系统的测试引脚模拟设计(ADFT)电路的模拟测试访问和控制参数的数据表。
图6示出了根据一个实施例的一组波形，该波形指示出在将理想与当前设计进行比较时的微调误差的百分比。
图7示出了根据一个实施例的根据输入精度的第一级和第二级精度的数据表。
图8是根据一个实施例的系统的框图，其中在通用串行总线(USB)连接器设备的环境中采用电流感测检测器电路。
图9A是根据一个实施例的示出对从多个参考电压中选择参考电压进行后期处理的方法的流程图。
图9B是根据一个实施例的示出对如图9A中选择的参考电压进行后期处理微调的方法的流程图。
图9C是根据另一实施例的示出对如图9B中更新的参考电压进行后期处理微调以顾及到额外的操作条件的方法的流程图。
详细描述
电子设备(诸如，处理设备)消耗电力。可以作为这种有时消耗来自公共电压源的电力的处理设备的一部分的或者与这种处理设备对接的电气部件也是如此。这种电气部件可以包括使用由USB开发者论坛(USB Implementers Forum)开发的技术的通用串行总线(USBTM)连接器设备、采用PCI特别兴趣小组(PCI Special Interest Group)的技术的基于外围部件互连(PCI)的或基于PCI Express
Figure GDA0002273196190000021
的连接器或接口、由加利福尼亚州圣何塞市的赛普拉斯半导体公司制造的功率可编程片上系统(PowerPSoCTM)、以及类似的这种可采用基于标准的通信协议的部件。为了保护由这些电气部件连接的灵敏电路免受过电流情况的影响，可以采用过电流检测器电路(OCD)，该过电流检测器电路本身可以作为过电流保护(OCP)设备的一部分。因为在各种应用中对于连接的设备所需的电流极限的范围广泛，所以期望后期处理(post-production)手段来对除了其他参数以外的管理OCD检测到的电流电平的电流极限进行调整。
在各个实施例中，OCD可以采用电流感测放大器(CSA)，以用于电力控制和保护应用。在各个实施例中，CSA可以是任意的电流测量电路或电流检测电路。可以部署CSA，以用于感测电流电平并生成将会与参考电压信号(Vref)进行比较的电压输出，该参考电压信号可触发中断信号以断开电压源。因此，在本领域中，参考电压信号有时被称为触发电压(Vrrig)。CSA通常主要可以通过外部模拟装置编程。分立的CSA可以提供高精度且低频性能，而(诸如，在LED应用中的)集成的CSA可以提供高频且几乎为零(little-to-no)的精度或带宽调节能力。然而，所公开的OCD可以允许通过外部数字装置进行编程，并向客户提供在电流保护检测中进行后期处理功率损耗与精度权衡的能力。
在一个实施例中，所公开的OCD包括电流感测放大器(CSA)，以接收一对(例如，来自感测电阻器两端的)输入电压，并响应于从输入电流电平在感测电阻器两端产生的感测输入电压差，输出第一指示信号。OCD还可以包括耦合到电流感测放大器的比较器。比较器可以将第一指示信号与参考电压信号(Vref)进行比较，并响应于第一指示信号超过参考电压信号而输出中断信号。OCD还可以包括耦合到比较器的参考电压发生器电路。参考电压发生器电路可以根据从USB(或其他类型的)连接器设备的配置信道接收的参考电压选择器信号，从多个参考电压中选择参考电压信号。在一个实施例中，参考电压发生器电路包括数模转换器(DAC)，该数模转换器用于根据多个参考电压将第一选择器信号转换为参考电压信号。
在一个实施例中，参考电压发生器电路还基于在多个源电压之间选择的输入参考信号来生成多个参考电压。因此，OCD还可以包括耦合到参考电压发生器的输入参考电路。响应于输入参考选择器信号，输入参考电路可以在与多个输入源电压相对应的多个输入参考信号之间进行选择，以生成输入参考信号。多个输入参考信号可以至少包括例如低功率输入电压和高功率输入电压。在一个实施例中，参考电压选择器信号和输入参考选择器信号可以由电气设备在处理期间或后期处理中在配置信道上发送，以用于校准某些应用的OCD和/或预期输入电流水平，或其他操作条件，这将更详细地解释。
本OCD可以在选择参考电压信号(Vref)方面提供灵活性，该参考电压信号可以例如介于大约1.3V和1.9V之间的范围内，其可以从步长为10mV的高达64个不同的参考电压之中选择进行后期处理，然而可以设想到额外的或更少的参考电压信号选项。CSA增益和参考电压可调性的组合提供了可用的参考电压信号，该信号可以响应于例如介于大约13mV和190mV之间的感测电压(V感测)而触发。本OCD的功能不限于本文提供的特定值，这些值仅仅是出于解释的目的而公开的。
此外，所公开的OCD可以提供两种操作模式，包括连续模式和锁存模式。例如，在连续模式中，CSA可以测量感测电阻器两端的感测电压差，并且比较器可以提供输出信号以连续跟踪感测电压差与参考电压信号的电压。以及，在锁存操作模式中，当检测到感测电压超过参考电压信号的电压时，比较器可以在输出中断信号之后激活高电平的滞后，以重置比较器。在连续模式中，可以始终固定比较器的参考Vref。然而，在一个锁存模式中，一旦比较器的输出变高，Vref就可以变为较低的电压值。当输入电压低于这个较低的Vref电压时，Vref的原始电压就可以复原。通过这种方式，Vref被切换，以为输入信号的上升和下降转换提供不同的触发阈值。
在一个实施例中，OCD还可以包括模数转换器(ADC)，以在比较器输出中断信号的时刻记录V感测，从而将所感测的电压作为数字输出提供。外加将在下面更详细地解释的软件控制，ADC还可以用作芯片或系统级上实现的过保护检测器。
图1是根据一个实施例的示出过电流检测器电路(OCD)100的框图。图1的OCD 100可以包括第一级110、模数(ADC)转换器、耦合到第一级110的测试引脚模拟设计(ADFT)电路120、耦合到第一级110的第二级140以及耦合到第一级110和第二级140的输入参考电流发生器160。
在一个实施例中，第一级110还包括耦合到金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)116(或类似物)的电流感测放大器(CSA)114，输出电阻器(RL)耦合到该金属氧化物半导体场效应晶体管116。在各个实施例中，CSA 114可以是任意的电流测量电路或电流检测电路。待感测的电流(I感测)穿过感测电阻器(R感测)，并且在感测电阻器两侧的电压差在感测电阻器的两侧被感测为V感测。CSA 114将(取自R感测的两侧的)输入信号pad_inp和pad_inn之间的升高的差分信号转换为接地的第一指示信号(Out1)。第一级110以将V感测电压再现为电阻器RP两端的V’感测并跨电阻器RL发送得到的电流IL的方式来操作。可以将DC输出增益表示为RL/RP的比，并且可以将Out1处的第一指示信号表示如下:
Figure GDA0002273196190000051
CSA 114还可以(在CSA 114的输入端处)包括第一级输入偏移电压(Vios1)，例如，在正焊盘输入电压(pad_inn)附近。稍后将参照图9B和图9C讨论第一级输入偏移电压。
在一个实施例中，第二级140还包括比较器150和参考电压发生器电路(Vrefgen)144。比较器150可以将第一指示信号(VOut1)的电压与(在本领域中也被称作触发器电压的)参考电压信号(Vref)进行比较，并且在第一指示信号超过参考电压信号时，输出中断信号(Out_d)。虽然第一指示信号不是主要输出信号，但是VOut1的值可以通过ADFT电路120接口进行访问。此外，比较器150可以例如在比较器150的正输入端处提供第二级输入偏移电压(vios2)。稍后将参照图9B和图9C讨论第二级输入偏移电压。
在一个实施例中，参考电压发生器电路144可以耦合到比较器150，并且可以根据从电气部件的通信信道(诸如，从USB连接器设备的配置信道(图8))接收的参考电压选择器(Vref_sel)信号，从多个参考电压中选择参考电压信号。
在实施例中，输入参考电流发生器160可以耦合到第一级110，以接收片上系统参考电流(Iref)并产生用于激活第一级110的第一偏置电流(iref_s1)，以及产生用于激活第二级140的第二偏置电流(iref_s2)。
OCD 100还可以提供两种操作模式，包括连续模式和锁存模式。例如，在连续模式中，CSA 114可以测量在感测电阻器两端的V感测，并且比较器可以提供输出信号来连续跟踪感测的电压与Vref信号的电压。
另外，在锁存操作模式中，当检测到V感测超过Vref电压时，比较器150可以在输出中断信号之后激活高电平的滞后，以重置比较器。在连续模式中，可以始终固定比较器的参考Vref。然而，在单次触发模式中，一旦比较器的输出变高，Vref就变为较低的电压值。当输入电压低于这个较低的Vref电压时，Vref的原始电压就可以复原。通过这种方式，Vref被切换，以为输入信号的上升和下降转换提供不同的触发阈值。
在一个实施例中，OCD 100还可以包括模数转换器(ADC)119，以在比较器150输出中断信号的时刻记录V感测，并从而将V感测作为数字输出提供。更具体地，ADC 119可以耦合到ADFT 120，通过ADFT 120接收CSA 114的Out1，Out1也是比较器150的输入。ADC 119可以提供模拟输出信号的数字指示符，以跟踪感测的电压差(V感测)。外加将在下面更详细地解释的软件控制，ADC还可用作芯片或系统级上实现的过保护检测器。
图2A以附加细节示出了根据一个实施例的图1的过电流检测器电路100的第一级110A。在此将不再重复已经参考图1讨论的特征。在一个实施例中，CSA 114是在pg信号处执行放大的电流差放大器，其中CSA 114受到接地参考电流源215A、215B、215C的偏置，以实施I1＝Iinn，并且经由从MOSFET 116的源极到电阻器(Rp)的反馈连接来实施V+等于V_。在一个实施例中，第一接地参考电流源215A和第二接地参考电流源215B是可调节的。当V感测大于零时，维持V+等于V_所需的额外电流作为IRL传送到RL。当IRL穿过RP和RL时，根据方程式(1)界定输出电压增益。第一级110A还可以包括三个功率MOSFET 217A、217B和217C，偏置的接地参考电流源215A、215B和215C可以通过这些MOSFET汲取它们各自的电流。
第一级110还可以提供在至少一对可编程信号中的微调能力。其中一个可编程信号可以是已升高的输入偏移微调信号(os_el)，其调整第一级输入偏移电压(Vios1)。升高的输入偏移微调信号可以调整偏置接地参考电流源215A和215B中的一个或两个，以提供对如图1所示的第一级输入偏移电压Vios1的可变选择。当激活时，升高的偏移微调可以以二进制加权的方式起作用，其中比特零(“0”)表示单个步长，并且比特一(“1”)是两倍大。下表1总结了升高的输入偏移电压(os_el)功能。
Figure GDA0002273196190000071
表1
第一级110A还可以提供通过输入控制总线av1设置标称增益的微调能力，该输入控制总线可以运载至少两个可编程信号中的另一个可编程信号的增益微调信号(av1_tr)。增益微调信号可以调整电阻器RL的电阻，从而调整CSA 114的增益(RL/Rp)。增益微调信号(av1_tr)可以如下表2所示受控。
Figure GDA0002273196190000072
表2
在一个实施例中，第一级110A可以包括与门219，以响应于输入使能信号(enable_hv)以及输入掉电(pd)信号的缺失而设置在MOSFET 217A、217B、217C的栅极处的使能信号(en_hv)。当掉电(PD)信号设置为逻辑高值时，其用于禁用电路。
图2B示出了根据另一实施例的图1的过电流检测器电路100的第一级110B。已经参考图1和图2A讨论的特征在此将不再重复。第一级110B还可以使用由INP界定的升高的电源和升高高于接地信号(el_agnd)。可以在电阻器(R6V)两端提供升高的电力，该电阻器可以下降4V至6V(六伏特)。R6V电阻器可以耦合在CSA 114和两个附加MOSFET中的第一个MB之间。两个附加MOSFET中的第二个Mc可以与MOSFET MB串联连接到接地，并由第一级使能信号驱动。图2B的第一级110B实施例还可以提供采用输入电流微调(REF_TR)来调整穿过R6V电阻器的电流(Iref_s1)量的微调能力。第一级110B还可以类似于在图2A的第一级110A中所提供的那样，将输入偏移微调信号(os_el)作为可变输入偏移电压提供。
图3示出了根据一个实施例的图1的过电流检测器电路100的第二级140。已经参考图1讨论的特征在此可能不会完全重复。如所讨论的那样，当第一级输出(Out1)超过参考电压信号(Vref)时，比较器150触发输出Out2。第二级140还可以包括耦合到比较器150的输出端的与门154。与门154可将比较器150的输出(Out2)与输入隔离信号(iso_n)组合，以生成中断信号(Out_d)。iso_n信号用于防止当OCD电路电源无效时，浮空信号被传送到芯片核心电路。
在一个实施例中，第二级140还提供了可编程特征，其中，外部数字信号可以触发输入源电压和输入参考电压(Vref)以及其他参数的变化，以用于后期处理微调和校准。例如，第二级140还可以包括耦合到CSA 114的输出端的可调电容器156。可调电容器156可以响应于带宽微调信号(bw)而调节输入电容，以选择性地去除高频电源噪声。下面将更详细地讨论该带宽微调信号。此外，可以使用低输入偏移微调信号(os_lv)选择性地调整输入偏移电压(Vios2)。
此外，第二级140可以包括耦合到参考电压发生器电路(Vrefgen)144的输入参考电路148(例如，以多路复用器为例)。输入参考电路148可以响应于输入参考选择器信号(vrefin_sel)在与多个输入源电压对应的多个输入参考信号之间进行选择。在一个实施例中，输入参考选择器信号还可以通过连接器设备(诸如，USB连接器设备)的配置信道发送。多个输入源电压可以包括至少高电压(vrefin_high)和至少低电压(vrefin_low)。例如，在一个实施例中，高电压为1.2V，以及低电压为0.74V。可以设想附加的或不同的输入源电压。
因此，输入参考电路148可以选择的选定的输入参考信号作为参考电压发生器输入(vref_gen_in)被发送到参考电压发生器电路144。选定的输入参考信号可以是高的或低的源电压。在一个实施例中，参考电压发生器电路144可以使用选定的高的或低的参考电压来生成多达特定数量(例如，诸如64或256)的不同参考电压，以供选择作为参考电压信号(Vref)。在一个实施例中，当电压微调信号(Vref_tr)被激活时，其可以对可用于由参考电压发生器电路144选择的多个参考电压执行电压微调，以在获得作为电压触发器被发送到比较器150的参考电压信号高水平的精度的同时还进一步执行校准。下表3中包括了电压微调信号(Vref_tr)功能的概述。
Figure GDA0002273196190000091
表3
参考电压发生器电路144还可以包括多路复用器146，以作为输入端接收多个参考电压，并响应于参考电压选择器信号(Vref_sel)选择参考电压之一。参考电压选择信号可以是例如6位信号(针对64个参考电压)或8位信号(针对256个参考电压)，这取决于可用的参考电压的数量。对于64个步长的情况，如表4所示，Vref可以介于1.3V到1.93V的范围之间，其中步长为10mV。设想到不同的电压步长，并且这些特定值仅是通过示例的方式提供的。
vref_tr 结果
0 1.3V
N 1.3V+N*10mV
表4
参考电压发生器电路144和多路复用器146还可以用数模转换器(DAC)来实现，数模转换器可以基于参考电压选择器信号(Vref_sel)而在DAC的输出端生成参考电压信号(Vref)，其中Vref_sel是二进制输入信号。可以以很多方式来设计DAC。例如，图4A、图4B、图4C、图4D、图4E示出了根据各个实施例的、作为图3的参考电压发生器电路144和多路复用器146的实施方式而包括的DAC。
根据图4A所示的第一实施例，DAC 404可以包括二进制输入，在这个示例中是参考电压选择器信号(Vref_sel)，并且可以生成模拟信号输出(Vref)。DAC 404可以生成参考电压信号(Vref)，参考电压信号(Vref)与响应于参考电压选择器信号的多个可能的参考电压中的任意的参考电压相对应，该参考电压选择器信号用作DAC 404的输入。这是每个DAC的一般功能，其将在下文中更详细地进行描述。
根据图4B所示的第二实施例，DAC 414可以包括一组分压器416，每个分压器连接到二进制信号(a0，a1，a2，...an-2，an-1)。基于输入的参考电压选择器信号而断定的二进制信号可以命令哪个分压器被激活并产生合计达到参考电压信号(Vref)的电压降的组合。
根据图4C和图4D所示的第三实施例，DAC 424可以包括电阻变化的一组电阻器426。DAC 424可以基于参考电压选择器信号(Vref_sel)的输入位，从这组电阻器426中选择电阻器。DAC 424还可以包括耦合到这组电阻器426的放大器428。放大器428可以放大这组电阻器426中的所断定的电阻器两端的电压降的总和，以输出参考电压信号(Vref)。图4D是当图4C的DAC 424包括与参考电压选择器信号的输入位相对应的在位3处的第一电压(V1)、在位2处的第二电压(V2)、在位1处的第三电压(V3)以及在位0处无电压的情况下如何计算Vrel的图示。在一个实施例中，电压V1、V2和V3可以对应于不同的输入源电压。
根据图4D所示的第四实施例，DAC 444可以包括一系列电阻器452，以提供可通过解码器448添加的越来越多的电压降。解码器448可以接收数字输入，在这个示例中，该数字输入可以是参考电压选择器信号(Vref_sel)，并且输出另一信号以闭合任意数量的开关458，开关添加在一系列电阻器452的对应的电压降中。然后，这些电压降的总和可以在耦合在这一系列电阻器452的开关和模拟输出(例如，参考电压信号Vref)之间的缓冲器456中得到缓存。
进一步参考图1，测试引脚模拟设计(ADFT)电路120的可以包括连接到在图1、图2A、图2B和图3中所标记的引脚和内部电路节点的双线模拟总线。因此，ADFT电路120可以有助于执行测量并获得OCD 100在不同位置的电压和增益值，从而可以执行调整和微调操作。例如，ADFT电路120可以测量第一级110的CSA 114的增益值(Av)、第一级电压偏移(Vios1)和第二级电压偏移(Vios2)。这些值可用于确定如何改变参考电压选择器信号(Vref_sel)，以调整参考电压信号，从而如将参考图9B和9C更详细讨论的那样进一步校准。相关地，ADFT电路120可以连接参考电压发生器电路144的电压输出(vref_top)。vref_tr可用于调整vref_top，这有助于确保参考电压Vref的精度。此外，Vref_sel还可用于确保Vref选择是准确的。
图5是图1和图3的OCD 100的模拟测试访问和控制参数的数据表500，示出了根据一个实施例的ADFT电路120的连通性。并非数据表500的所有条目都与本讨论相关。从数据表左侧开始的第一组四列的模拟测试配置信号atscfg是系统寄存器(未示出)中的4位控制字，其根据不同的操作状态和测量模式引导ADFT电路连通性。这个4位控制字控制模拟测试I/O信号(atstio[1:0])。
第二组的四列的模拟测试信号包括两个ADFT电路引脚名称，例如，atstio[1]和atstio[0]。作为独立的芯片级引脚的这些模拟测试信号引脚可以映射到芯片系统模拟总线(未示出)，其中atstio[1]对应于amuxbus_a并且atstio[0]对应于amuxbus_b。也请注意，少数的模拟测试信号状态可以使OCD 100的第一级110和/或第二级140无效，或者在不操作时将这些级置于掉电状态。“方向”列的条目说明了引脚是用作atstcfg设置的输入还是输出。“节点/状态”列的条目指示模拟测试信号引脚所连接的节点，或者指示如果引脚未连接或处于高阻抗状态(例如，high-Z状态)时的引脚的状态。
下一列指示了如果使用atscfg位选定时，特定模式的“目的”。随后的列跟据选定的模式而指示出特征是否存在。例如，术语“任务模式”意为CSA 114在正常功能下(例如，不在测试模式下)操作。在“修改任务模式”列中，“否”意为atscfg设置不做中断CSA电路的任务模式运行的事情。当atscfg为0、1、6或8-15时，允许任务模式运行。当atscfg＝1时，第一级110(stg2_in)的输出可以在任务模式期间被路由到芯片模拟总线，在这里该信号可以被系统ADC电路(未示出)拾取以用于比较。
图3所示的带宽微调信号(bw)和图2A所示的输入控制总线信号(av1)的组合可用于提供带宽调整能力和标称增益设置控制。带宽调整能力允许在带宽、时间延迟和电源抑制比方面进行权衡。这种调整使用两位以在四种可能的带宽设置之间进行选择。跟据选择，增加或移除第一级110的模拟输出的电容，从而增加或减少传播延迟。电容越高，PSRR越好。OCD 100的PSRR可以是抑制电源信号振荡的措施。带宽微调信号可以在stag2_in处控制电容负载。因为带宽微调信号与第一级的输出相关联，所以带宽微调信号可以影响两个输出选择模式(sel_out_d＝0,1)，其中，sel_out_d用于禁用或启用第二级输出(Out_d)。带宽微调信号(bw)和输入控制总线信号(av1)可以被设置成如表5所示的影响增益和带宽控制的一对。
av1[2] av1[1] av1[0] bw[1:0] 标称增益
0 0 0 0 10(默认值)
0 0 1 0 15
0 1 0 1 20
0 1 1 1 30
1 0 0 2 40
1 0 1 2 50
1 1 0 3 70
1 1 1 3 100
表5
进一步参考图1、图2A、图2B和图3，OCD 100的过电流检测提供了调整V感测目标以匹配应用的需求-后期处理的能力。客户可以通过操纵用于触发系统中断(例如，用于生成中断信号(Out_d))的参考电压Vref以及OCP电路DC增益Av来做到这一点。所输入的V感测信号可以是线性放大的，以产生如方程式(2)所表达的Vout1。
VOUT1＝AVV感测＝AV(VINP-VINN) 方程式(2)
为了选择最佳触发点，可以考虑以下内容。例如，对于有效增益，AV选项可以包括10、15、20、30、40、50、70和100，以及其他可能的值。此外，有效的VREF值可以在步长为10mV的从1.3V到1.93V的范围内。为了选择特定的VREF，客户可以将VOUT1舍入到最接近的几十毫伏(mV)。例如，如果V感测目标为25.2mV，并且将增益选择为60，则VOUT1＝60(25.2)＝1.512V，并且VREF＝1.51V。凭借增益和参考电压选择的组合，V感测覆盖的范围可以从13mV到193mV(即，1.3/100＝13mV,1.93/10＝193mV)。这个覆盖范围中可能存在间隙。
基于相应V感测的选定的VREF值的精度可以表示为如方程式(3)所示的误差百分比:
Figure GDA0002273196190000131
百分比误差可以取决于方程式(3)的参数值。例如，V感测的较高值可以产生较低的感测误差值。此外，增益值(AV)可以在增益选择范围中部的最佳点处。
图6示出了根据一个实施例的指示当理想与本设计相比较时微调误差的百分比的一组波形600。在图6中，对于理想的微调能力，由曲线604表示在理想条件下使用微调可能产生的最大误差。然而，曲线608表示后期处理增益微调的生产测试极限。在方程式(3)中，将曲线608的表达式显示为第二项。根据方程式(3)，第一级110的、第二级140的以及OCD100的整体总误差的示例误差率显示在根据一个实施例的图7的数据表700中。
图8是根据一个实施例的系统800的框图，其中，在通用串行总线(USB)连接器设备810的环境中采用电流感测检测器电路100。USB连接器设备810可以耦合到电气设备812，电气设备812包括用于执行软件指令的处理器814和用于存储指令和其他数据的存储器816。电气设备812可以是主机系统或连接到这种主机系统的通电的电气设备。
在一个实施例中，系统800还可以包括AC适配器820，以提供初始侧AC-DC电力转换。电压总线(V总线)耦合在USB连接器设备810和AC适配器820之间。系统800还可以包括感测电阻器(R感测)和一对串联连接的电源开关(诸如，内联附接到电压总线的FET 824A和824B)。OCD 100电路的输入端(inp，inn)可以耦合到感测电阻器的任一侧，以感测电流。
在一个实施例中，OCD 100可以是CCG(USB Type-C控制器代#)控制器830的一部分，该控制器是高度集成的USBTM Type-C控制器，其符合最新的USB Type-C标准和电力传送(PD)标准，并且由加利福尼亚州圣何塞市的赛普拉斯半导体公司制造。CCG控制器830(例如，其可以是CCG3或CCG4控制器)可以为笔记本电脑、软件狗、监视器、坞站、电源适配器等提供完整的USB Type-C和USB电力传送端口控制的解决方案。
CCG控制器830还可以包括耦合在OCD 100和栅极驱动器836之间的控制器834。栅极驱动器836可耦合到功率FET 824A和824B并用于驱动功率FET 824A和824B。在一个实施例中，控制器834可以接收来自OCD 100的中断信号，并且作为响应，决定断开功率FET 824A和824B，随后通过触发栅极驱动器836断开功率FET。在可替代的实施例中，来自OCD 100的中断信号直接触发栅极驱动器836来断开功率FET。USB连接器设备810还可以包括配置信道(CC)801，该配置信道801与CCG控制器830通信，这将在下面进行解释。
USBTM电力传送规范是添加到用于在主机和设备之间建立V总线电力传送合同的现有USBTM定义中的行业标准。这个PD规范规定了V总线电源选项，其包括了5V至20V的电压范围和支持从500mA至5A的范围的可配置的电流源能力。对于USBTM Type-C，定义了电流极限为1.5A和3A。对于3A和5A之间传送的电流电平，可能没有定义离散的极限。为了防止过电流消耗，感测电阻器(R感测)安装在V总线高侧(例如，主机或集线器内的电源连接)，以允许CSA 114和比较器150(图1、图2A、图2B和图3)产生系统中断。
在一个实施例中，栅极驱动器836可以驱动系统中断，以断开功率FET 824A和824B处的电源(来自AC适配器820)，从而保护USBTM系统电路和电缆连接，其中，电缆额定为500mA、3A和5A。控制块834可以将控制层添加到在系统中断被发送到栅极驱动器836以执行与电源的断开之前的对于系统中断的处理。凭借多个电流极限和高电流范围的可配置性质，将需要用于任意应用的单个USB Type-C连接器设备是灵活的，使得检测到的电流极限对应于由USB Type-C连接器设备的应用定义的适当的极限。
另外参考图1、图2A、图2B和图3，在处理测试过程期间，测试设备可以使用软件来分别消除CSA 114的输入偏移电压Vios1和比较器150的输入偏移电压Vios2的影响。在一个实施例中，在测试过程期间，ADFT电路120可以测量这些偏移电压(Vios1和Vios2)。此外，如前所述，ADFT电路120可以有助于第一级110中的CSA 114的增益值的精确测量。现在假设需要检测V感测的特定值，该值将被称为Vdet。如果给定这个已知的Vdet，则可以精确地测量CSA 114以确定增益AV。进一步假设两个输入偏移电压(Vios1，Vios2)的零偏移电压，则可以将第一级输出可以表示为Vout1＝AV*Vdet。还可以将参考电压(Vref)的值设置为相同的值，例如，Vref＝AV*Vdet。在这种情况下，当感测电压稍微增加时，也就是说V感测＝(AV*Vdet+Δ)，则第二级140中的比较器150的输出可以从低变为高，并检测到对应于过电流情况的过电压。
另外，考虑存在非零输入偏移电压Vios1和Vios2的情况。当V感测＝Vdet时，则Vout1＝AV(Vdet+Vios1)。如果软件将参考设置为Vref＝Av*Vdet的先前值，则Vout1>Vref，并且因此，OCD100由于Vout1上的AVVios1偏移因子而可能会错误地检测过电流情况。还可能存在来自比较器150的输入偏移电压的Vios2的附加因子。使用基于软件的方法，测试设备可以执行指令来降低这些影响的值，其中，更新的Vref值可以通过参考电压选择器信号(Vref_sel)传送到OCD100。
在一个实施例中，测试设备可以首先计算参考电压的变化，作为CSA增益乘以第一输入偏移电压和第二输入偏移电压的总和，或者ΔVref＝AVVios1+Vios2。对于参考电压发生器电路144，其中连续位之间的差是10mV，测试设备可以确定待添加到初始Vref值的位的数量，其可以表示为
ΔBits＝int[(AVVios1+Vios2)/10mV] 方程式(4)
其中“int”表示结果的舍入整数值。因此，可以将Vref_sel表示为：
Vref_sel＝Vref_sel+ΔBits 方程式(5)
在执行完处理测试并将结果分发给客户后，客户可以进行后期处理微调，以调整在上述基于测试的调整中未考虑的误差来源。所考虑到的误差的主要来源是图1、图2A和图2B中的感测电阻器或Rp的不精确性。对于不同的增益值，可以校准OCD 100，以选择触发第二级140中的比较器150的Vref值。针对映射到特定增益值的Vref值可以创建阵列。可以如参考图9C所讨论的那样添加影响CSA 114精确度的其他因素(诸如，温度变化)。最后，电气设备812可以创建查找表，该查找表可被参考以确定Vref_sel，从而为其中的每个操作条件适当地更新Vref。
图9A是示出根据一个实施例的对从多个参考电压中选择参考电压的后期处理的方法900的流程图。例如，该方法可以由图1的过电流检测器(OCD)电路100来执行。方法900可以开始于CSA 114基于流经电压总线的感测电阻器所感测的电流电平生成第一指示信号(904)。方法900可以通过比较器将第一指示信号与参考电压信号(Vref)进行比较(908)来继续。方法900可以通过比较器响应于第一指示信号超过参考电压信号而输出中断信号(912)来继续。方法900可以通过电压发生器电路根据从USB连接器设备或其他类型的电连接器的配置信道接收到的参考电压选择器信号，从多个参考电压中选择参考电压信号(916)来继续。
图9B是示出根据一个实施例的如图9A中选定的参考电压的后期处理微调的方法920的流程图。该方法可以由测试设备执行，在一个实施例中，该测试设备可以是电气设备812。在微调位已被包括在OCD设计中之后，方法920可以从确定输入偏移电压Vios1和Vios2开始(922)。方法920可以通过基于CSA 114的输出增益和第一输入偏移电压(例如，Vout1＝AV(Vdet+Vios1))确定第一级输出电压(Vout1)(926)来继续。在一个实施例中，AFDT 120可用于测量输入偏移电压和增益值。方法920可以通过确定一组偏移消除位来继续，利用这组偏移消除位来调整参考电压信号(Vref),例如，计算方程式(4)(930)。方法920可以通过将消除位添加到参考电压选择器信号(Vref_sel)(例如，通过计算方程式(5))生成更新的参考电压选择器信号(块934)来继续。
图9C是根据另一实施例的流程图，其示出了如图9B中更新的参考电压的后期处理微调的方法940，以考虑附加的操作条件。通过由电气设备812执行的指令结合从ADFT电路120(图1)获得的测量值以及通过传感器检测的操作条件和/或在OCD 100的操作特性方面检测到的操作参数的变化，可以执行该方法。
因此，在一个实施例中，方法940可以通过选择感测电阻器RP(图1、图2A、图2B)的电阻开始，该电阻可以例如是由可变电阻器提供的(块942)。方法940可以通过使用ADFT电路120来确定与选定的电阻相对应的CSA 114的增益值AV(946)来继续。方法942可以通过存储电压代码来继续，该电压代码生成与所确定的增益值相对应的(在图9B的块934中确定的)更新的参考选择器信号(950)。在一个实施例中，与电压代码相对应的更新的参考选择器信号可以将Vref值置于OCD 100的参考电压范围的中部，触发用于OCD 100或CCG控制器830的特定用途的中断信号。
方法940可以通过确定是否检测到CSA 114的操作条件(952)来继续。如果答案为否，则方法940可以通过生成具有映射到电压代码的增益值的查找表来继续，该查找表可以由电气设备812用于基于测量的增益值(AV)来确定参考电压选择器信号(980)。
如果对块952的查询的答案是“是”，则方法940可以采用ADFT电路120测量操作条件(例如，CSA 114的温度)(960)来继续。方法940可以通过调整与操作条件相对应的CSA114的增益值以生成CSA 114的经调整的增益值(964)来继续。方法940通过在存储器中的阵列中存储与经调整的增益值相对应的第二电压代码来继续，其中，与经调整的增益值相关的二电压代码被存储(968)。方法940可以通过检测OCD 100的CSA 114或比较器150的其他操作条件(970)来继续。如果没有检测到附加的操作条件，则方法940可以通过生成查找表来继续，该查找表映射可以由电气设备812用于基于测量的增益值(AV)来确定参考电压选择器信号的多个相对应的操作条件、增益值和电压代码(980)。如果检测到附加的操作条件，则方法940可以继续到块960，以针对附加的操作条件来重复块960、964和968。
在各个实施例中，CCG控制器830可驻留在共载基板上，诸如，例如集成电路(“IC”)晶片衬底、多芯片模块衬底等。可替代地，CCG控制器830的部件可以是一个或更多个独立的集成电路和/或分立部件。在一个示例性实施例中，CCG控制器830是由加利福尼亚州圣何塞市的赛普拉斯半导体公司开发的可编程片上系统
Figure GDA0002273196190000181
处理设备。可替代地，CCG控制器830可以是本领域普通技术人员已知的一个或更多个其他处理设备，诸如微处理器或中央处理单元、控制器、专用处理器、数字信号处理器(“DSP”)、专用集成电路(“ASIC”)、现场可编程门阵列(“FPGA”)等等。
还应当注意的是，本文描述的实施例不限于具有将处理设备耦合到应用处理器的配置，而且可包括测量指示感测设备上的电容的信号并将原始数据发送到通过应用程序对其分析的主机计算机的系统。实际上，由CCG控制器830执行的处理也可以在应用处理器中执行。
OCD 100可集成到CCG控制器830的IC中，或者可替代地集成在独立的IC中。可替代地，可以生成和编译对OCD 100的描述，以并入到其它集成电路中。例如，描述OCD 100或其部分的行为级代码可使用硬件描述语言(诸如，VHDL或Verilog)来生成，并且存储到机器可访问介质(例如，CD-ROM、硬盘、软盘等)。另外，行为级代码可被编译成寄存器传送级(“RTL”)代码、网表或者甚至电路布局，并被存储到机器可访问介质。行为级代码、RTL代码、网表和电路布局可表示各种抽象等级以描述OCD 100。
应当注意的是，系统800的部件可包括上述全部部件。可替代地，系统800可包括上述部件中的一些。在一个实施例中，系统800用在平板计算机中。可替代地，电子设备可用于其他的应用中，诸如笔记本电脑、移动手持终端、个人数据助理(“PDA”)、键盘、电视、远程控制器、监控器、手持多媒体设备、手持媒体(音频和/或视频)播放器、手持游戏机设备、用于销售交易点的签名输入设备、电子书阅读器、全球定位系统(“GPS”)或控制面板。
某些实施例可被实现为可包括储存在机器可读介质上的指令的计算机程序产品。这些指令可以用来对通用或专用处理器编程以执行所描述的操作。机器可读介质包括用于存储或传输以由机器(例如，计算机)可读的形式的信息的任何机制(如，软件、处理应用)。机器可读介质可以包括但不限于磁存储介质(例如，软盘)、光学存储介质(例如，CD-ROM)、磁光存储介质、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、可擦除可编程存储器(例如，EPROM和EEPROM)、闪存或适合于存储电子指令的其他类型的介质。
此外，一些实施例可以在分布式计算环境中得到实践，其中，机器可读介质被存储在多于一个的计算机系统上和/或由多于一个的计算机系统执行。另外，在计算机系统之间传送的信息可以进出于在连接计算机系统的通信介质当中。
虽然本文方法的操作以特定的顺序示出和描述，但是每种方法的操作顺序可以被改变，使得某些操作可以以相反的顺序执行，或使得某些操作可与其他操作至少部分地同时执行。在其它实施例中，不同操作的子操作或指令可以是间歇和/或交替的方式。本文使用的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等意在作为区分不同元素的标签，并且可能不必具有根据其数字标号的序数含义。如本文所使用的，术语“耦合”可意味着直接连接或通过一个或更多个中间部件间接连接。通过本文中所描述的各个总线提供的任意信号可与其他信号时间复用，并通过一个或更多个公共片上总线提供。此外，在电路部件或块之间的互连和对接可被示为总线或单信号线。可替代地，每个总线可以是一个或更多个单信号线，并且可替代地，每个单信号线可以是总线。
上面的描述阐述了诸如特定的系统、组件、方法等的示例的许多特定细节，以便提供对本发明的若干实施例的理解。然而，对于本领域的技术人员可能明显的是，本发明的至少一些实施例可在没有这些特定细节的情况下被实践。在其他实例中，众所周知的组件或方法没有具体描述或者是以简单的框图的形式来呈现，以避免不必要地使本发明模糊。因此，阐述的特定细节仅仅是示例性的。特定的实现可以与这些示例性细节不同并且仍然被视为在本发明的范围内。

Claims (20)

1.一种电流检测器电路，包括：
电流感测放大器，所述电流感测放大器耦合到感测电阻器，以接收一对输入电压，并响应于由传输通过所述感测电阻器的感测电流而产生的感测输入电压差，输出第一指示信号；
比较器，所述比较器耦合到所述电流感测放大器，所述比较器用于将所述第一指示信号与参考电压信号进行比较，并响应于所述第一指示信号超过所述参考电压信号而输出中断信号；以及
参考电压发生器电路，所述参考电压发生器电路耦合到所述比较器，所述参考电压发生器电路用于根据从通用串行总线(USB)连接器设备的配置信道接收的第一选择器信号，从多个预置参考电压中选择所述参考电压信号。
2.根据权利要求1所述的电流检测器电路，其中，所述比较器还用于提供输出信号，以相对于所述参考电压信号的电压连续跟踪所述感测输入电压差。
3.根据权利要求2所述的电流检测器电路，还包括模数转换器(ADC)，所述模数转换器耦合到所述电流感测放大器的输出端和所述比较器的输入端，其中，所述模数转换器提供模拟输出信号的数字指示符，以跟踪所述感测电压差。
4.根据权利要求1所述的电流检测器电路，其中，在锁存操作模式期间，当检测到所述感测电压超过所述参考电压信号的电压时，所述比较器还用于在输出所述中断信号之后激活高电平的滞后。
5.根据权利要求1所述的电流检测器电路，其中，所述参考电压发生器电路包括数模转换器(DAC)，所述数模转换器用于根据所述多个预置参考电压将所述第一选择器信号转换为所述参考电压信号。
6.根据权利要求1所述的电流检测器电路，其中，所述参考电压发生器电路还用于基于输入参考信号生成所述多个预置参考电压，所述电流检测器电路还包括输入参考电路，所述输入参考电路耦合到所述参考电压发生器电路，所述输入参考电路用于响应于第二选择器信号而在多个输入源电压所对应的多个输入参考信号之间进行选择，以生成所述输入参考信号，并且其中，所述多个输入参考信号至少包括低功率输入电压和高功率输入电压。
7.根据权利要求1所述的电流检测器电路，其中，所述电流感测放大器还用于从所述通用串行总线连接器设备接收至少一个可编程信号，所述至少一个可编程信号包括用于调整所述电流感测放大器的输出增益的增益微调信号或者用于调整所述电流感测放大器的输入偏移的输入偏移微调信号中的至少一个。
8.根据权利要求1所述的电流检测器电路，其中，所述参考电压发生器电路还用于响应于电压微调信号来微调所述多个预置参考电压。
9.根据权利要求1所述的电流检测器电路，还包括可调电容器，所述可调电容器耦合到所述电流感测放大器的输出端，所述可调电容器用于响应于带宽微调信号来调整电容，以选择性地去除高频电源噪声。
10.一种过电流检测系统，包括：
通用串行总线(USB)连接器设备；
电压总线，所述电压总线从电压源起耦合到所述通用串行总线连接器设备；
电源开关，所述电源开关在所述电压总线上，用于响应于接收到中断信号而断开；
感测电阻器，所述感测电阻器在所述电压总线上并耦合到所述电源开关；以及
电流检测器电路，所述电流检测器电路耦合到所述感测电阻器、所述电源开关和所述通用串行总线连接器设备，所述电流检测器电路包括：
电流感测放大器，所述电流感测放大器耦合到所述感测电阻器，以接收一对输入电压，并响应于由传输通过所述感测电阻器的感测电流而产生的感测输入电压差，输出第一指示信号；
比较器，所述比较器耦合到所述电流感测放大器，所述比较器用于将所述第一指示信号与参考电压信号进行比较，并响应于所述第一指示信号超过所述参考电压信号而输出所述中断信号；以及
参考电压发生器电路，所述参考电压发生器电路耦合到所述比较器，所述参考电压发生器电路用于根据从所述通用串行总线连接器设备的配置信道接收的第一选择器信号，从多个预置参考电压中选择所述参考电压信号。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述参考电压发生器电路包括数模转换器(DAC)，所述数模转换器用于根据所述多个预置参考电压将所述第一选择器信号转换为所述参考电压信号。
12.根据权利要求10所述的系统，其中，所述参考电压发生器电路还用于基于输入参考信号生成所述多个预置参考电压，所述电流检测器电路还包括输入参考电路，所述输入参考电路耦合到所述参考电压发生器电路，所述输入参考电路用于响应于第二选择器信号而在多个输入源电压所对应的多个输入参考信号之间进行选择，以生成所述输入参考信号。
13.根据权利要求10所述的系统，其中，所述电流检测器电路还用于：
测量所述电流感测放大器的第一偏移电压；
测量所述比较器的第二偏移电压；以及
测量所述电流感测放大器的增益值；并且
其中，所述系统还包括电气设备，所述电气设备经由所述通用串行总线连接器设备通信，并且生成所述第一选择器信号，所述电气设备用于执行指令以使所述第一选择器信号的值增加与以下项的总和相对应的位的数量：1)所述增益值乘以所述第一偏移电压；和2)所述第二偏移电压。
14.根据权利要求10所述的系统，其中，所述电流感测放大器还用于从所述通用串行总线连接器设备接收至少一个可编程信号，所述至少一个可编程信号包括用于调整所述放大器的输出增益的增益微调信号或者用于调整所述电流感测放大器的输入偏移的输入偏移微调信号中的至少一个，并且其中所述参考电压发生器电路还用于响应于电压微调信号而微调所述多个预置参考电压。
15.一种过电流检测方法，包括：
采用电流检测器电路，响应于由传输通过感测电阻器的感测电流产生的感测输入电压差，产生第一指示信号；
采用所述电流检测器电路将所述第一指示信号与参考电压信号进行比较；
由所述电流检测器电路响应于所述第一指示信号超过所述参考电压信号而输出中断信号；以及
采用所述电流检测器电路的电压发生器电路，根据从通用串行总线(USB)连接器设备的配置信道接收的第一选择器信号，从多个预置参考电压中选择所述参考电压信号。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括输出一输出信号，以相对于所述参考电压信号的电压连续跟踪所述感测输入电压差。
17.根据权利要求15所述的方法，还包括通过所述电压发生器电路的数模转换器(DAC)访问所述多个预置参考电压而将所述第一选择器信号转换为所述参考电压信号。
18.根据权利要求15所述的方法，还包括：
测量所述电流检测器电路的电流感测放大器的第一偏移电压；
测量所述电流检测器电路的比较器的第二偏移电压；
测量所述电流感测放大器的增益值；以及
通过耦合到所述通用串行总线连接器设备的电气设备，使所述第一选择器信号的值增加与以下项的总和相对应的位的数量：1)所述增益值乘以所述第一偏移电压；和2)所述第二偏移电压，以生成更新的第一选择器信号。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括：
通过所述电气设备，根据待由所述电流感测放大器感测的电流电平来选择所述感测电阻器的电阻；
通过所述电气设备确定与所述电阻相对应的所述电流感测放大器的增益值；以及
在所述电气设备内存储电压代码，所述电压代码生成所述更新的第一选择器信号，其中，所述电压代码对应于所述增益值。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括：
i)检测作为所述电流感测放大器的操作条件的操作温度；
ii)通过所述电气设备，基于所述操作温度来调整所述电流感测放大器的增益值，以生成所述电流感测放大器的经调整的增益值；
iii)在所述电气设备内存储与所述经调整的增益值相对应的第二电压代码；以及
重复(i)和(ii)，以至少考虑第二操作条件；
在所述电气设备内至少存储第三电压代码，所述第三电压代码对应于所述电流感测放大器的、至少基于所述第二操作条件的进一步调整的增益值；以及
生成查找表，所述查找表包括在生成所述更新的第一选择器信号中使用的多个相应的操作条件、增益值和电压代码。
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