CN111355456A - 具有故障检测的电流监视器 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及具有故障检测的电流监视器。差分放大器可用于提供通过负载设备的感应电流的放大表示。单独的信号路径可用于提供快速的故障检测，而无需使用差分放大器。例如，电压缩放电路可用于缩放指示负载电流的差分输入信号。然后可以将缩放表示与对应于故障电流值的指定阈值进行比较。以此方式，可以使用高速低压比较器来提供对故障电流的检测，否则该故障电流会超出差分放大器的输入范围，其中差分放大器单独用于精密电流监控。作为说明性示例，即使当差分放大器的输入饱和时，这种方案也可以提供故障检测。

Description

具有故障检测的电流监视器
技术领域
该文件总体上但非限制性地涉及电流监视电路和相关技术，并且更具体地涉及包括故障检测的电流监视。
背景技术
在各种应用中，可以感测电流，例如出于监视、保护或控制负载设备的目的。可以相对于单相或多相负载执行这种电流感测。通常，可以将电流感测元件(例如感测电阻器)与电源和负载串联放置。在多相系统中，可以将电流感应元件与电源和对应于每个相的负载串联放置。流过电源和相应负载的电流(例如瞬时电流)可以例如通过放大和测量代表传感设备产生的电压降的差分信号来确定。这种放大的输出可以用于监视或控制负载设备的目的。
发明内容
如上所述，指示电流流过负载的信号可以被放大。在一个示例中，诸如差分放大器之类的模拟放大器可以用于放大指示这种负载电流的差分信号。在一种方法中，这样的差分放大器的输出也可以被路由到差分放大器下游的其他设备，例如用于保护负载(例如，故障检测)。本发明人已经认识到这种方法会带来挑战。例如，作为说明性示例，差分放大器可以被配置为提供相对宽的共模输入电压容限，诸如在大约-20V至大约80V之间的容差。差分放大器还可具有规定的差分输入电压范围，以涵盖与所需负载电流测量范围相对应的电压范围。通常，差分放大器将下游设备与相对较高的共模电压隔离，同时放大指示负载电流的相对较低的差模电压。
如果差分放大器还用于为下游故障检测设备(如故障电流检测比较器)提供信号调理，则差分放大器的差分输入电压范围也必须包含与故障电流阈值相对应的电压幅值。该故障电流阈值可能是正常运行期间预期的负载电流大小的值的许多倍。因此，如果差分放大器具有较宽的差分输入电压范围以驱动下游故障检测装置，则当差分信号幅度不接近故障阈值时，可牺牲一个或多个精度或精度。
为了解决这些挑战，本发明人已经认识到可以使用单独的信号路径来提供快速的故障检测，而不是依赖于与用于精确负载电流监视的相同的差分放大器。例如，可以使用电压缩放电路，例如包括各个电阻分压器网络的无源电路，来缩放表示负载电流的差分输入信号。然后可以将缩放表示与对应于故障电流值的指定阈值进行比较。以此方式，可以使用高速低压比较器来提供故障电流的检测，否则该故障电流将超出单独用于精密电流监控的差分放大器的输入范围。作为说明性示例，即使当差分放大器的输入饱和时，这种方案也可以提供故障检测。
可以使用阈值信号输入来提供用于故障电流检测的阈值。比较器电路可以将阈值信号与指示负载电流的差分信号的正极性和负极性成分相加。以这种方式，可以建立可调节的故障电流阈值。
在一个示例中，电流监视电路可以在存在共模电压的情况下提供增强的动态范围和快速的故障检测。电流监视电路可包括差分放大器电路，包括：两端输入，用于接收指示被监视电流的差分信号；以及输出，用于提供具有指示被监视电流的幅度的信号；电压缩放电路；和比较器电路，包括两端输入，用于从所述电压缩放电路接收被监视电流的差分信号的缩放表示，以便与指示故障电流阈值的阈值信号进行比较。比较器电路可以被安排为具有连续时间输入方案或离散时间(例如，离散时间开关电容器)输入方案来操作。在一个示例中，用于电流监视的方法可以包括接收指示被监视电流的差分信号，以及响应地提供包括具有指示被监视电流的幅度的信号的输出。该方法可包括缩放指示被监视电流的差分信号以提供缩放表示，以及使用比较器电路将所述缩放表示与指示故障电流阈值的阈值信号进行比较。
通常，本文档中描述的示例可以全部或部分地在集成电路封装中实现，例如使用共同共享的集成电路芯片进行单片集成。该概述旨在提供本专利申请的主题的概述。并不旨在提供本发明的排他性或详尽的解释。包括详细描述以提供关于本专利申请的更多信息。
附图说明
在不一定按比例绘制的附图中，相似的数字可以在不同的视图中描述相似的组件。具有不同字母后缀的相似数字可以表示相似组件的不同实例。附图通过示例而非限制的方式大体上示出了本文档中讨论的各种实施例。
图1总体上示出了用于产生指示所监视的电流的信号的电气设备的示例。
图2A和图2B大体上示出了包括连续时间比较器电路的用于产生指示监视电流的信号的电气设备的各个示例。
图3总体上示出了开关电容器比较器电路的示例，例如可以接收指示故障电流阈值的阈值信号，以与指示监视的负载电流的差分信号进行比较。
图4总体上示出了诸如方法之类的技术，该技术可以包括：接收指示被监视电流的差分信号，以及提供输出，该输出包括指示被监视电流的信号以及缩放表示被监视电流的差分信号，并将缩放后的表示与指示故障电流阈值的阈值信号进行比较。
图5A、图5B、图5C和图5D共同示出了与电流监视电路的说明性示例相对应的仿真结果。
具体实施方式
差分放大器电路可用于放大由电流感测元件提供的信号，以提供“精确”电流监控。电流感测元件可以包括与负载装置串联的电阻器。电流监控器可用于各种应用，例如电机控制、螺线管控制或电源管理。在某些应用中，可能需要快速检测故障电流(例如，大小超过指定阈值的电流)以提供保护(例如，保护设备不受损坏或防止对人员或设施的危险)。如上所述，在一种方法中，差分放大器可以提供输出，然后可以将其馈送到比较器中。以这种方式，差分放大器既提供指示正在被监视的电流的放大输出，又提供输入信号的信号调节以供比较器检测故障状况(例如，差分放大器可以移除高压共模输入，并且可以将接收到的差分输入信号转换为放大的单端信号作为输出)。下游比较器可以将差分放大器的输出与阈值进行比较。万一出现故障状况，例如短路或电感器饱和状况，则希望比较器迅速检测到这种状况。
在差分放大器下游使用比较器的上述方法可能会带来挑战。挑战之一是动态范围减小。作为说明性示例，假设差分放大器提供的电压增益为20，并且“正常”工作负载电流的大小限制为50安培(A)，则差分放大器的输出摆幅与负载成比例为0V至5V电流范围为0A至50A。在此说明性示例中，为了最大化系统动态范围，可以将分流电阻选择为5V除以20，然后除以50A，对应于5毫欧(mΩ)的值。如果将下游比较器用于故障检测，通常，例如，只有在负载电流大到足以对系统造成损坏之前，才应触发比较器。因此，通常将故障电流阈值指定为正常工作电流大小的倍数，例如最大“正常”工作电流的四倍。
在此说明性示例中，如果将分流电阻器选择为5mΩ，则一旦负载电流大于50A，放大器就会饱和，从而排除了任何幅度大于50A的负载电流的检测。可以将分流电阻器的值减小到大约1mΩ，以提供更大的检测范围。然而，通过将分流电阻器值减小五分之一，系统的动态范围也减小了五分之一。
使用差分放大器为故障电流比较器供电的“串行”方法带来的另一个挑战是缺乏冗余。如果差分放大器出现故障或饱和，则可能会阻止下游故障电流比较器检测故障电流。差分放大器的特性(例如，有限的摆率、带宽、相位裕度或建立时间)可能会导致下游故障电流比较器对故障条件的响应发生延迟或延迟。在瞬变期间，差分放大器的输出端可能会出现过冲，因此进一步的信号状况(例如去毛刺)可能会增加故障检测的延迟或延迟。
本发明人已经认识到可以将各个(例如，单独的)信号路径用于故障电流检测和精确电流监视。例如，一个信号路径可以提供较宽的动态范围，但不一定能够对动态信号做出快速响应以支持电流的精确监视，而另一条路径(例如，故障电流检测)可以配置为对故障信号幅度快速、稳健，并且可靠。与用于精密电流监控的模拟信号路径相比，故障电流检测路径的精度可能较低。图1大体上图示了用于产生指示所监视的电流的信号的电气设备100的示例，其中比较器电路106与诸如通过差分放大器104的信号路径分开地从诸如电阻器110的电流感测元件馈送。
在图1的示例中，可以向负载108提供电流IL，并且可以使用电流感测元件(例如，使用感测电阻器110(RS))来感测该电流。如果将感测电阻器110用作电流感测元件，则作为示例，在分流电阻器两端产生的差分信号通常很小，例如范围从微伏(μV)到数百毫伏(mV)。差分放大器104拒绝共模输入电压并放大差动输入电压，其中差分输入电压通常与被监视的负载电流成比例。然后可以将差分放大器的输出转换为数字信号，例如使用模数转换器。对于工业或汽车应用，根据说明性示例，存在于差分放大器的输入端上的共模电压可以跨越数十伏特或更高，例如范围从大约-20V至大约80V。
跨电阻器110产生的差分信号可以包括正分量IN+和负分量IN-，例如可以提供给差分放大器104，以放大增益因子“A”。差分放大器104的输出VO1可以提供给其他信号调节或处理电路，例如进一步的放大、滤波或数字化块。以这种方式，指示负载电流IL的信号VO1可以用于其他操作，例如监视或控制(例如，作为示例，以控制或调制提供给电动机的脉冲宽度)。
与其他方法相比，图1所示的技术可以包括使用比较器电路106，该比较器电路106接收差分输入而不是单端输入。具有分量VP和VN的差分输入可以直接从感测电阻器110提供，或者可以使用诸如包括相应的分压器电路的电压缩放电路来缩放。如图1所示，包括电阻器R1和R2的第一电阻分压器电路可以缩放节点IN-处的电压以向节点VN提供缩放的输入。类似地，包括电阻器R3和R4的第二电阻分压器电路可以缩放节点IN+处的电压，以将缩放的输入提供给节点VP。以这种方式，存在于节点IN-和IN+上的共模电压可以被衰减(例如，减小)，例如允许将低压高速比较器拓扑结构用于比较器电路106。作为示例，由电阻分压器电路和专用电容器或寄生电容提供的电阻的组合还可以提供低通滤波器，以拒绝破坏性的高压瞬变或电磁干扰。因为电压缩放电路用于比较器电路106的输入而不是差分放大器104的输入，所以电压缩放电路不会显着影响差分放大器104信号链的动态范围或噪声性能。比较器电路106可以包括比差分放大器104的对应特性更高的带宽或更短的时域等待时间。例如，比较器电路106的等待时间(例如，在对应于接收指示故障电流超过故障电流阈值的信号的时刻与比较器的输出达到或超过指定逻辑电平的时刻之间的持续时间)可以小于差分放大器104的相应群时延。
图1的电气设备100可以被共同集成在共同共享的集成电路封装内，例如包括差分放大器104、比较器电路106、电压缩放电路(例如，电阻分压器电路)。集成电路封装102可以包括“引脚”或端子，以接收正电源电压(例如，VCC)和参考节点(例如GND)或负电源电压，以及包括组件IN-和IN+的差分输入。集成电路封装102可以提供输出，例如，VO1对应于指示(例如，成比例的)被监视的电流IL的输出信号，VO2对应于比较器电路的输出，当IL超过指定故障电流阈值时指示故障状况。比较器电路106可以包括输入，以接收指示故障电流阈值的阈值信号VTH，例如以提供可调节的故障电流阈值。VTH可以作为由集成电路封装102提供的另一端子而暴露，或者VTH可以在内部建立。例如，可以使用数模转换器来建立VTH，例如使用数字控制信号来提供可调节性。
可以使用各种比较器电路106拓扑，例如，接受差分输入信号和阈值信号，以及将要提供给两端比较器模块的反相输入和非反相输入的此类信号进行聚合。
图2A和图2B大体上示出了用于产生指示被监视的电流的信号的电气设备的各个示例，包括连续时间(例如，模拟)比较器电路。在图2A的示例中，电气设备200A可以包括与图1的示例类似的电路拓扑。在图2A中，电气设备200A可以包括模拟比较器模块206，该模拟比较器模块206具有通过相应的串联电阻R5和R6耦合到比较器模块206输入的输入节点VP和VN。可以使用电流源ITH建立阈值。可以通过调节ITH或多个电阻值中的一个或多个来设置阈值电压。例如，如图2A所示，通过将ITH连接在比较器模块206的正输入端子和参考节点(GND)之间，阈值电压VTH＝ITH*(R5+R3//R4)(其中，R3//R4表示R3和R4的并联组合的值，(R3*R4/(R3+R4))。类似地，在图2B中，电气设备200B可以包括比较器模块206和串联电阻R5以及R6，其与电流源ITH一起连接在负(例如，反相)输入端子和参考节点(VCC)之间。在图2B的示例中，阈值电压VTH＝ITH*(R6+R1//R2)；(其中R1//R2代表R1和R2的并联组合的值)。其他示例也是可能的，例如通过将ITH电流值应用于比较器模块206的同相和反相输入(例如，结合图2A和图2B的各个方面)。在这样的组合中，阈值电压VTH＝ITH(R5+R6+R1//R2+R3//R4)。
图3总体上示出了具有开关电容器输入拓扑的比较器电路306的示例，该电容器输入拓扑例如可以接收指示故障电流阈值的阈值信号VTH，用于与指示监视的负载电流的差分信号(包括组件VP和VN)进行比较。在图3中，比较器电路可以包括两端比较器模块310，例如具有反相输入(“-”)和同相输入(“+”)。可以使用开关电容器输入电路320，诸如使用控制电路来控制，该控制电路被配置为在第一相位(对应于标记为“p1”的开关)或第二相位(对应于标记为“p2”的开关)期间选择性地闭合各种开关。对应于相位“p1”和“p2”的时钟信号可以不重叠(例如，当“p1”被置位时，闭合标记为“p1”、“p2”的开关无效，反之亦然，这样就没有持续时间可以同时断言“p1”和“p2”)。
在相位1期间，标记为“p1”的开关闭合，从而将输入信号VN、VTH和VP采样到各自的电容器上(例如，由具有值“2C”的电容器采样的VN；由具有值“C”的电容器采样的VTH，以及具有值“2C”的电容器采样的VP)。在相位2期间，将输入信号VN和VP与阈值电压进行比较，其中，单端阈值电压的一部分以差分方式分布在比较器模块310的输入之间。还可以实现磁滞特性，例如通过添加额外的电容器来引入“死区”偏移值。可以使用其他比较器电路拓扑。例如，可以将图3的拓扑修改为包括前置放大器和反馈路径，以支持偏移补偿或“自动归零”行为。前置放大器的输出可以包括提供给两端比较器的输入的差分信号。
图4总体上示出了一种技术400，例如一种方法，其可以包括：在402处接收指示监测到的电流的差分信号，并且作为响应，在404处，提供包括信号的输出，该信号的大小指示被监视电流。在406，可以例如使用分压器电路来缩放指示被监视的电流的差分信号，并且在408，可以使用比较器电路将缩放的表示与指示故障电流阈值的阈值信号进行比较。可以使用一个或多个电子电路来实现图4的技术400，该一个或多个电子电路是相对于本文中的其他示例所示出和描述的，例如以上关于图1、图2或图3所讨论的。
图5A、图5B，图5C和图5D共同示出了与电流监视电路的说明性示例相对应的仿真结果。这样的电流监视电路可以包括类似于图1的示例的结构，诸如具有如图3所示的比较器电路306拓扑用作图1的比较器电路106。在图5A至5D的说明性示例中，仿真条件如下。共模输入电压(如图5A所示)是一个脉宽调制(PWM)信号，其周期对应于200千赫兹(KHz)的频率，幅度范围为-20V至+80V。PWM信号的占空比从20％变为80％，并且差分放大器和比较器电路的电源电压(例如VCC)设置为5V。差模输入信号(如图5B所示)从0.98V上升到1.02V，然后下降到0.92V。比较器电路的阈值电压设置为1V，滞后值为60mV。
差分放大器的增益设置为20。由于差分放大器的电源电压为5V，其增益为20，因此，差分放大器的最大可接受差分输入约为5V/20或250mV。如图5C所示，因为到差分放大器的差分输入信号接近1V，所以电流感测放大器饱和并且其输出大致恒定在约5V。图5D示出，当差分模式输入电压高于1V时(例如，比较器输出从5V转换到0V)，并且在差分输入信号低于0.94V之后(例如，比较器输出从0V过渡到5V)，比较器电路输出阶段都会改变极性。通常，图5D示出了在差分放大器饱和的情况下比较器电路仍然正常工作，因为它不依赖于差分放大器。
各种注释
本文档中的每个非限制性方面可以独立存在，或者可以与本文档中描述的一个或多个其他方面或其他主题以各种排列或组合的方式进行组合。
上面的详细描述包括对附图的引用，这些附图形成了详细描述的一部分。附图通过说明的方式示出了可以实践本发明的特定实施例。这些实施例通常也被称为“示例”。这些示例可以包括除了示出或描述的那些元件之外的元件。然而，本发明人还考虑了仅提供示出或描述的那些元件的示例。此外，本发明人还设想了使用示出或描述的那些元素(或其一个或多个方面)的任何组合或置换的示例，关于此处显示或描述的特定示例(或其一个或多个方面)，或其他示例(或其一个或多个方面)。
如果本文档与通过引用方式并入的任何文档之间的用法不一致，则以本文档中的用法为准。
在本文件中，术语“一个”或“一种”用于专利文件中，包括一个或多个、独立于“至少一个”或“一个或多个”的任何其他情况或用法。在本文中，“或”一词是指非排他性的，使得“A或B”包括“A但不包括B”、“B但不包括A”以及“A和B”，除非另有说明指示。在本文档中，术语“包括”和“其中”用作相应术语“包含”和“其中”的等效词。同样，在以下权利要求中，术语“包括”和“包含”是开放式的，即，除权利要求中在此术语之后列出的元件之外，还包括其他元件的系统、设备、物品、组合物、制剂或方法仍被认为属于该权利要求的范围。此外，在所附权利要求中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标签，并且不旨在对其对象施加数字要求。
本文描述的方法示例可以至少部分地是机器或计算机实现的。一些示例可以包括编码有指令的计算机可读介质或机器可读介质，所述指令可操作以配置电子设备以执行如以上示例中所述的方法。这种方法的实现可以包括代码，例如微代码、汇编语言代码、高级语言代码等。这样的代码可以包括用于执行各种方法的计算机可读指令。该代码可以构成计算机程序产品的一部分。此外，在示例中，代码可以有形地存储在一个或多个易失性、非暂时性或非易失性有形计算机可读介质上，例如在执行期间或在其他时间。这些有形的计算机可读介质的示例可以包括但不限于硬盘、可移动磁盘、可移动光盘(例如光盘和数字视频磁盘)、盒式磁带、存储卡或存储棒、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)等。
上面的描述旨在是说明性的，而不是限制性的。例如，上述示例(或其一个或多个方面)可以彼此组合使用。在回顾以上描述之后，例如可以由本领域的普通技术人员使用其他实施例。提供摘要以允许读者快速地确定技术公开的性质。提交本文档时应理解为不会将其用于解释或限制权利要求的范围或含义。另外，在以上详细描述中，可以将各种特征组合在一起以简化本公开。这不应该被解释为意在意味未声明的公开特征对于任何权利要求是必不可少的。而是，发明主题可以在于少于特定公开实施例的所有特征。因此，以下权利要求由此作为示例或实施例并入详细说明中，每个权利要求作为独立的实施例而独立存在，并且可以预期的是，这样的实施例可以以各种组合或置换彼此组合。本发明的范围应参考所附权利要求书以及这些权利要求书所赋予的等效物的全部范围来确定。

Claims (20)

1.布置为提供增强的动态范围和快速的故障检测的电流监视电路，该电流监视电路包括：
差分放大器电路，包括：两端输入，用于接收指示被监视电流的差分信号；以及输出，用于提供具有指示被监视电流的幅度的信号；
电压缩放电路；和
比较器电路，包括：
两端输入，用于从所述电压缩放电路接收被监视电流的差分信号的缩放表示，以便与指示故障电流阈值的阈值信号进行比较。
2.权利要求1所述的电流监视电路，其中所述电压缩放电路包括：
第一分压器电路，耦合到所述比较器电路的两端输入的第一输入；和
第二分压器电路，耦合到所述比较器电路的两端输入的第二输入。
3.权利要求2所述的电流监视电路，其中所述第一分压器电路包括第一电阻分压器电路；和
其中所述第二分压器电路包括第二电阻分压器电路。
4.权利要求1至3中任一项所述的电流监视电路，其中所述比较器电路的潜伏期比所述差分放大器电路的相应群时延短。
5.权利要求1所述的电流监视电路，其中所述比较器电路包括连续时间电路拓扑；和
其中所述电流监视电路包括耦合到所述比较器电路的输入以提供阈值信号的电流源。
6.权利要求1所述的电流监视电路，其中所述比较器电路包括开关电容器输入电路，该开关电容器输入电路包括用于接收所述差分信号和所述阈值信号的缩放表示的输入。
7.权利要求6所述的电流监视电路，其中所述比较器电路包括全差分前置放大器模块。
8.权利要求1所述的电流监视电路，还包括电流感测电阻器，被配置为提供表示在所述电流感测电阻器两端形成的指示被监视电流的电压的差分信号。
9.一种使用提供增强的动态范围和快速故障检测的电流监视电路进行电流监视的方法，该方法包括：
接收指示被监视电流的差分信号；
响应地提供包括具有指示被监视电流的幅度的信号的输出；
缩放指示被监视电流的差分信号以提供缩放表示；和
使用比较器电路将所述缩放表示与指示故障电流阈值的阈值信号进行比较。
10.权利要求9所述的方法，其中缩放差分信号包括：
使用耦合到所述比较器电路的两端输入的第一输入的第一分压器电路来缩放所述差分信号的第一极性；和
使用耦合到所述比较器电路的两端输入的第二输入的第二分压器电路来缩放所述差分信号的第二极性。
11.权利要求9所述的方法，其中提供包括具有指示被监视电流的幅度的信号的输出包括使用差分放大器；和
其中当差分放大器输入饱和时，发生所述缩放表示与所述阈值信号的比较。
12.权利要求9至11中任一项所述的方法，其中所述阈值信号被提供为所述比较器电路的输入。
13.权利要求12所述的方法，其中所述阈值信号包括与特定阈值电压成比例的特定电流。
14.权利要求12所述的方法，其中所述比较器电路包括具有反相输入和同相输入的比较器模块；和
其中所述比较器电路包括开关电容器输入电路；和
其中该方法包括使用所述开关电容器输入电路将所述阈值信号与包括所述被监视电流的缩放表示的差分信号的第一和第二极性进行聚合，并将所述差分信号和所述阈值信号的聚合的表示提供给所述比较器模块的反相和同相输入。
15.权利要求14所述的方法，包括在通过将指定的磁滞偏移注入到所述反相输入或所述同相输入中的至少一种中来比较缩放表示中提供磁滞。
16.布置为提供增强的动态范围和快速的故障检测的电流监视电路，该电流监视电路包括:
放大构件，用于接收指示被监视电流的差分信号，以及响应地提供包括具有指示被监视电流的幅度的信号的输出；
电压缩放构件，用于缩放表示被监视电流的差分信号以提供缩放表示；和
用于将所述缩放表示与指示故障电流阈值的阈值信号进行比较的构件。
17.权利要求16所述的电流监视电路，其中所述电压缩放构件包括：
第一分压器构件，耦合到用于比较缩放表示的构件的第一输入；和
第二分压器构件，耦合到用于比较缩放表示的构件的第二输入。
18.权利要求16或17中任一项所述的电流监视电路，其中当所述放大构件饱和时，用于将缩放表示与阈值信号进行比较的构件继续可操作。
19.权利要求16所述的电流监视电路，其中所述阈值信号是可调节的。
20.权利要求19所述的电流监视电路，包括阈值信号产生构件以提供所述阈值信号。
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