CN112955756A - 针对定时敏感电路的磁场脉冲电流感测 - Google Patents

Abstract

一种用于确定流过电流导体的电流脉冲的开始时间t_START、结束时间t_END、及/或尖峰时间t_MAX的电流测量电路。该电流测量电路包括拾波线圈和阈值交叉检测器。该拾波线圈生成与该导体周围的磁场成比例的电压V_SENSE′，该磁场与电流随时间的变化成比例。该阈值交叉检测器比较V_SENSE′和临界电压，并且生成指示转变时间和V_SENSE′的斜率为正值还是负值的输出信号。该电流测量电路还可包括积分器以及取样和保持电路。该积分器将V_SENSE′随时间进行积分，并且生成积分信号V_SENSE。该取样和保持电路比较V_SENSE和t_MAX，并且生成可被用来测量该脉冲电流的第二输出信号。

Description

针对定时敏感电路的磁场脉冲电流感测

技术领域

本发明一般涉及基于磁场感测的电流测量电路，并且具体地，涉及用于确定电流脉冲的开始时间和结束时间的一种电流测量电路。

背景技术

在脉冲电流生成器的许多应用中，输出电流脉冲必须满足特定规格，例如精确的开始和结束时间、以及最大或最小电流值。举例来说，在用于自动驾驶车辆的飞行时间(ToF)光检测及测距(光学雷达)系统中，脉冲电流生成器是充当雷射驱动器。发送激光脉冲与检测到其反射之间的时间延迟可被用来确定该雷射与环境中的物体之间的距离。由于光速是每奈秒(ns)30厘米(cm)，因此当距离测量的分辨率要求很高时，短激光脉冲是有益的。例如，对于厘米等级的分辨率，激光脉冲宽度通常约为几个ns至数十个ns，而附近物体的反射的时间延迟可能仅几个ns。

因此，为了准确地确定该激光脉冲宽度以及发送该激光脉冲与检测到其反射之间的时间延迟，该ToF光学雷达系统必须要能够在单一ns或更短的时间内精确地确定该激光脉冲的开始及结束时间，常常精确到100皮秒(ps)或更小的时间之内。该ToF光学雷达系统的性能亦受激光脉冲的振幅所影响，随着脉冲振幅增加，会导致在行进增加的距离之后，其反射可被检测到。然而，激光脉冲的最大振幅必须符合眼睛安全法规，因而雷射驱动器必须据以限制电流脉冲的峰值振幅。因此，以满足安全考虑的最大振幅来发射激光脉冲是有益的。

许多脉冲电流生成器包括回馈系统，用于测量输出电流脉冲并且做出适当的调整。此等回馈系统包括电流测量电路、以及用于该脉冲电流生成器的控制器。该电流测量电路产出与测量到的电流成比例的信号，该信号典型地为电压的形式。可从此信号来确定电流脉冲的开始时间和结束时间、以及电流脉冲的峰值振幅，控制器使用其来调整电流脉冲生成器的参数。然而，在一些应用中，输出电流脉冲可能约为数十到数百安培(A)，这使得电流感测更为复杂。如果需要极短的脉冲(例如，前面提到的ns脉冲)，则电流感测电路的寄生效应会不利于驱动器的运作。

图1示出了具有分流电阻器120的惯常的电流测量电路100的示意。该脉冲生成器110输出电流脉冲I_PULSE，通过该分流电阻器120被提供至负载130。给定分流电阻值R_SHUNT，则可根据欧姆定律而生成电压V_SHUNT。为了降低分流电阻器对脉冲生成器的影响，R_SHUNT通常非常小，约为数毫欧姆(mΩ)。这导致V_SHUNT的值较小，因此常常将差动放大器140连接至分流电阻器120的端子，并且输出与I_PULSE成比例的放大电压V_SENSE。在一些应用中，这种短的脉冲对放大器140提出了严格的要求，例如高带宽。

即使只有mΩ值的R_SHUNT，非常大振幅的电流脉冲会导致该分流电阻器120以热的形式耗散大量功率，这会损坏该电路上的其他组件或不必要地使该系统的电源或电池过度疲劳而损伤。另外，当分流电阻器120变热时，其会发生热漂移而改变其电阻与V_SENSE，使得计算上昂贵的补偿是必须的以准确地确定该电流脉冲的开始和结束时间与峰值振幅。分流电阻器120直接测量I_PULSE，这意味着其被放置在主驱动器信号链之中并且不利地使该主驱动器电路的电感增加。

一些电流测量电路会通过结果的磁感应或磁通密度来间接测量该电流脉冲，进而避免与分路电流测量相关联的功率损失和电感增加。由电流通过导体所引发的磁通密度可通过霍尔效应传感器、磁通门传感器、磁敏电阻器或巨磁敏电阻器等等来进行测量。图2A～B示出了霍尔传感器220相对于承载电流脉冲I_PULSE的电流导体210的布置，以及具有霍尔传感器220的惯常的电流测量电路200的示意图。在图2A中，霍尔传感器220放置于该电流导体210附近，使得该导体210周围由I_PULSE引起的磁通量的改变会被霍尔传感器220检测到。

在图2B中，霍尔传感器220将电压输出至高增益放大器240。该高增益放大器将来自霍尔传感器220的小输出电压放大成较大的电压V_SENSE，此电压与来自I_PULSE在导体210周围的磁通密度成比例。然而，霍尔传感器220以及基于磁通密度的其他电流感测方法取决于经受热漂移或表现出非线性行为的半导体材料。热漂移和非线性行为二者需要主动电路来重新校准和补偿装置特性的改变以及分析非线性响应。另外，霍尔传感器所需要的大多数主动电路具有严格的要求，尤其是对于短脉冲应用的高带宽，类似于对于图1中所示的差动放大器140的严格要求。

一些电流测量电路试图通过替代地测量磁通(即，磁场)的变化率，来避开与通过磁感应来测量电流脉冲相关联的一些主动电路系统的要求。磁场可以通过例如电流互感器或罗哥斯基线圈(Rogowksi coil)来测量。电流互感器包括磁芯，二次绕组布置在磁芯周围。该磁芯会在高电流下饱和并且增加该系统的电感，以使得其他组件的运行会被影响。一些高导磁率的磁芯具有较高的饱和磁通密度，但高频响应较差。

罗哥斯基线圈不包括磁芯，而因此不受饱和影响并且可具有较大带宽，但在其他情况下，罗哥斯基线圈可被视为是具有较小磁化电感以及绕组端子上的近似开路负载的电流互感器。图3示出了使用罗哥斯基线圈320的惯常的电流测量电路300的示意图。该罗哥斯基线圈320被布置在承载电流脉冲I_PULSE的导体310周围并且包含带引线330的螺旋线圈，该引线330从该线圈的一端穿过该线圈的中心至另一引线340。引线330和340连接至积分器350，其将该罗哥斯基线圈320的输出对时间进行积分而得到与I_PULSE成比例的电压V_SENSE。

罗哥斯基线圈与电流互感器二者围绕着承载I_PULSE的导体，以减少例如来自地球的其他磁场的影响。然而，围绕导体的需求使得包括罗哥斯基线圈或电流互感器的半导体裸片的建构变得困难。尤其是，电流互感器会占据半导体裸片的大量面积，这在激光雷达系统中是不利条件，举例来说，在激光雷达系统中，激光二极管和其驱动器紧密放置在一起并且准确地对准以简化光学组件(例如镜片)的对准。同样地，将罗哥斯基线圈整合至印刷电路板中会对电路板的多个层生成影响并且需要大量的穿孔。

发明内容

通过提供一种包含不需围绕电流导体的拾波线圈的电流测量电路，本发明解决了上文所讨论的功率耗散、主驱动器电路中的电感增加、主动电路系统、大面积及复杂构建的缺点。更具体地，如本文所述，本发明包括拾波线圈以及至少一个阈值交叉检测器。该拾波线圈生成与该电流导体周围的磁场成比例的电压，该磁场与流经该电流导体的电流随时间的变化成比例。该阈值交叉检测器将与该磁场成比例的电压和至少一个阈值电压进行比较，并且根据所选择的阈值电压而基于该比较来生成输出信号，该输出信号指示该电流脉冲的转变时间(例如，开始时间、结束时间、和峰值振幅时间)以及与该磁场成比例的该电压随时间的斜率为正值还是负值。

在另一实施例中，该电流测量电路还包括积分器以及取样和保持电路。该积分器将与该磁场成比例的电压随时间进行积分，并且基于积分的电压而生成积分信号，所得出的信号与要被测量的电流成比例。该取样和保持电路由指示该峰值振幅时间的信号所触发。

在又一实施例中，该拾波线圈是被配置为布置在该电流导体附近的单一圈，该电流导体可整体集成在单个半导体芯片上。在另一实施例中，该拾波线圈可具有一匝或更多匝，其被布置为增加要被测量的该电流流经整个线圈而生成的总磁通量，同时减少来自其他来源的总通量。在其他实施例中，该拾波线圈的一部分与该至少一个阈值交叉检测器集成在半导体芯片上，且该拾波线圈的一部分由裸片端子和外部导体所形成。该外部导体可形成安装基板的一部分，该安装基板例如是包括该电流导体的印刷电路板。

现将参照附图来更具体地描述上述特征及本文中所述的其他优选特征，包括各种新颖的实施细节与组件组合，并且于申请专利范围的权利要求中指出这些特征。应当理解的是，特定的方法及设备仅是以阐释说明的方式来示出，而并非作为对权利要求的限制。如同本领域技术人员将可理解的，在没有偏离权利要求的范围的情况下，本文中教导的原理和特征可被采用于各种数个实施例中。

附图说明

当结合附图时，根据以下给出的详细描述，本揭露内容的特征、目的和优点将变得更加明显，在附图中，相同的参考标号在全文中相应地一致，其中：

图1示出了具有分流电阻器的惯常的电流测量电路的示意图。

图2A～2B示出了霍尔传感器相对于电流导体的布置，以及具有霍尔传感器的惯常的电流测量电路的示意图。

图3示出了具有罗哥斯基线圈的惯常的电流测量电路的示意图。

图4A～4B示出了来自例如图1～3中所示的惯常的电流测量电路的由相同近似形状的电流脉冲所生成的电压输出的曲线，以及上述电压输出的导数的曲线。

图5示出了根据本发明的实施例的电流测量电路。

图6示出了根据本发明的实施例的电流测量电路，其部分地与裸片端子和外部导体所形成的拾波线圈的其余部分集成在一起，该外部导体形成安装基板(例如，印刷电路板)的一部分。

具体实施方式

在下面的详细描述中，参考了某些实施例。通过足够的详细内容来描述这些实施例，以使得本领域技术人员能够实施这些实施例。将可理解的是，可采用其他实施例并且可进行各种结构、逻辑和电气上的改变。对于以最广义地实施该教导而言，组合在下文详细叙述中所揭露的特征可能不是必需的，而是仅被教导来描述本教示内容的特别代表性的示例。

图4A示出了来自例如图1～3中所示的惯常的电流测量电路的电压输出的曲线，图4B示出了来自惯常的电流测量电路的电压输出的导数的曲线。曲线400示出了来自惯常的电流测量电路的关于时间的输出电压V_SENSE，其中V_SENSE实质上与被感测的电流脉冲I_PULSE成比例。为了确定该电流脉冲I_PULSE的开始时间t_START和结束时间t_END，一些系统将V_SENSE与预定阈值V_REF进行比较，并且响应于V_SENSE增加至V_REF以上而确定该开始时间t_START*以及响应于V_SENSE减少至V_REF以下而确定该结束时间t_END*。如曲线400中所例示说明的，半正弦曲线V_SENSE具有比方形波更缓的斜率，并且直到t_START之后或t_END之前的时段前不会变化至V_REF以上或以下。

因此，不准确的t_START*和t_END*会将误差引入至使用其的计算之中，例如基于发送激光脉冲和从环境检测到该激光脉冲的反射之间的时间延迟的距离计算。另外，t_START*和t_END*的准确度是取决于I_PULSE的斜率和峰值振幅，然后还需要额外的计算来补偿I_PULSE的峰值振幅的变化。尽管当V_SENSE是矩形脉冲时，用于确定t_START和t_END的此方法可能是可接受地准确的，但是当V_SENSE为例如半正弦曲线的非矩形脉冲时，此方法会无法满足所需的一个ns或更小的准确度。

为了更准确且一致地确定I_PULSE的t_START或t_END，一些系统计算V_SENSE关于时间的导数V_SENSE′(示于曲线450中)，其由于V_SENSE的斜率变化而经历在t_START时从零开始的急剧增加以及在t_END时急剧增加至零。系统接着将该导数V_SENSE′与不同的预定阈值V_REF2进行比较。在I_PULSE的t_START或t_END时V_SENSE′的值的显著变化会降低所确定的开始时间t_START*和结束时间t_END*的误差，并且消除了对I_PULSE的峰值振幅和V_REF2的选定值的依赖性。一些系统设定V_REF2为零，其允许这些系统还可确定I_PULSE达到其峰值振幅的时间t_MAX。然而，该导数V_SENSE′的计算会使得相对V_SENSE的噪声突出且通常需要滤波以降低噪声。所引入的噪声及额外的滤波步骤进一步使得该系统复杂化，并且降低了系统的性能与准确度。确定阈值何时被跨越以及跨越的斜率的正负号的过程通过各种专门名词(例如边沿检测、零交叉检测、以及阈值交叉检测)是已知的。其通常是以比较器和数字逻辑的组合来完成的。这种电路和方法是本领域技术人员通常能认识的。

图5示出了根据本发明的实施例的电流测量电路500。拾波线圈520放置在承载电流脉冲I_PULSE的导体510附近，以使得拾波线圈520检测到I_PULSE所感生的时变磁场。引线524和528负载了远大于感兴趣的频带内的线圈阻抗的阻抗，导致在引线524和528处的电压会与磁场强度的导数成比例，而该磁场强度其本身与I_PULSE成比例。在引线524和528处的电压可被运算放大器530放大或着直接输出为图4B中的曲线450所示的导数V_SENSE′，其与I_PULSE的导数成比例：

其中，K为常数，其取决于拾波线圈520的特性，例如圈的面积、匝的数量、或者匝相对于承载I_PULSE的导体510的位置。

来自引线524和528或来自运算放大器530的输出的V_SENSE′被提供至一阈值交叉检测器540，其还接收参考电压V_REF2并生成输出信号550。通过适当地设置V_REF2，输出信号550可指示t_START、t_END或t_MAX，而无需使用电路或方法来计算导数和所得出的噪声放大。电流测量电路500还避免了与用来采样V_SENSE以便数字计算t_START和t_END的高速模拟数字转换器相关联的面积、功率消耗及组件成本。

在本发明的一些实施例中，积分器560可被使用来对V_SENSE′进行积分，以得到V_SENSE用于其他计算：

在此示例中，V_SENSE被提供至取样器或取样和保持电路570，其还接收t_MAX(从输出550)并生成可被使用来测量脉冲电流的输出信号580。

拾波线圈520不包括磁芯，并可以是罗哥斯基线圈。对于非常大振幅的I_PULSE，所生成的磁场也非常大，且较少匝及较小圈面积，甚至是邻近该导体510的单一圈，也足以检测该磁场。非常大的I_PULSE的磁场远大于除了I_PULSE以外的电流的磁场或周围磁场，以使得尤其他磁场所引起的误差可被忽略且该拾波线圈520也不需要围绕该导体510。拾波线圈的匝或多个匝可被布置用来使得由导体510中通过线圈的整体来测量的电流所导致的总磁通量达到最大，同时最小化来自其他来源的总通量。由于拾波线圈520不包括磁芯，因此，拾波线圈520不会在高电流下饱和，或者经历基于磁芯的电容率的带宽限制。拾波线圈520还避免了与半导体组件(例如，霍尔传感器和分流电阻器)相关联的热漂移。

由于拾波线圈520相较于罗哥斯基线圈可具有较小的圈面积及较少匝且不需要围绕该导体510，因此其可整体集成至半导体裸片上。同样地，拾波线圈520可被放置于靠近负载或总线电容器的战略位置。此外，电流测量电路500与主驱动器信号链隔绝并且对主驱动器电路增加了可忽略的阻抗，以致于电流测量电路500实质上不会影响主驱动器电路的运行。电流测量电路500与主驱动器电路的间的隔绝使得电流测量电路500甚至在具有零伏特最小电源电压的电路中也能够感测正电流和负电流。

图6例示说明根据本发明的实施例的类似于电流测量电路500的电流测量电路的一部分600。集成电路裸片640以例如端子650的类的端子连接至例如安装基板的其他基板。集成电路裸片640包括电流测量电路的其余部分，例如积分器、阈值交叉检测器、以及取样和保持电路。部分600包括由裸片端子624和628和外部导体626所形成的拾波线圈620的一部分，该外部导体626形成安装基板的一部分。包括导体626的安装基板还可包括承载电流脉冲I_PULSE的导体610。拾波线圈620的端子可位于集成电路裸片640之中，并且可连接至电流测量电路的其余部分。

以上描述和附图仅被认为是实现本文中所叙述的特征和优点的特定实施例的例示说明。可以对特定的过程条件进行修改和替换。因此，本发明的实施例不被视为是由前述描述和附图所限制。

Claims (16)

1.一种电流测量电路，用于测量流经电流导体的电流脉冲的特性，所述电流测量电路包括：

拾波线圈，用于生成与所述电流导体周围的磁场成比例的电压V_SENSE′，其中所述磁场与通过所述电流导体的电流随时间的变化成比例；以及

至少一个阈值交叉检测器，用于将V_SENSE′与至少一个阈值电压进行比较，并且基于所述比较来生成输出信号，其中所述输出信号指示所述电流脉冲的转变时间以及V_SENSE′的斜率为正值还是负值。

2.如权利要求1所述的电流测量电路，其中所述至少一个阈值电压为接地。

3.如权利要求2所述的电流测量电路，其中，当所述输出信号指示所述电流脉冲的第一转变时间且V_SENSE′的所述斜率在第一情况中从正值变为负值或者在第二情况中从负值变为正值时，所述输出信号指示所述电流脉冲的开始时间。

4.如权利要求3所述的电流测量电路，其中，当所述输出信号指示所述电流脉冲在所述第一转变时间之后的第二转变时间且V_SENSE′的所述斜率保持正值或保持负值时，所述输出信号指示所述电流脉冲的峰值振幅时间。

5.如权利要求3所述的电流测量电路，其中，当所述输出信号指示所述电流脉冲在所述第一转变时间之后的第三转变时间且V_SENSE′的所述斜率在所述第一情况中从负值变为正值或者在所述第二情况中从正值变为负值时，所述输出信号指示所述电流脉冲的结束时间。

6.如权利要求1所述的电流测量电路，还包括放大器，所述放大器用于放大V_SENSE′并且连接至所述拾波线圈和所述至少一个阈值交叉检测器，其中所述至少一个阈值交叉检测器对经放大的V_SENSE′进行比较。

7.如权利要求1所述的电流测量电路，还包括：

积分器，用于将V_SENSE′随时间进行积分，并且基于积分后的电压来生成积分信号V_SENSE；以及

取样和保持电路，用于将V_SENSE与所述电流脉冲的峰值振幅时间进行比较，并且生成可被用来测量所述脉冲电流的第二输出信号。

8.如权利要求1所述的电流测量电路，其中所述拾波线圈包括被配置为布置在所述电流导体附近的单个圈。

9.如权利要求1所述的电流测量电路，其中所述拾波线圈被配置为不围绕所述电流导体。

10.如权利要求1所述的电流测量电路，其中所述拾波线圈包括罗哥斯基类型线圈。

11.如权利要求1所述的电流测量电路，其中所述拾波线圈包括一匝或更多匝，并且其中，所述一匝或更多匝被布置以增加由所述电流脉冲产生的总磁通量并且减少由其他来源产生的总磁通量。

12.如权利要求1所述的电流测量电路，其中所述电流测量电路集成在单个半导体芯片上。

13.如权利要求12所述的电流测量电路，其中所述单个半导体芯片还包括所述电流导体。

14.如权利要求1所述的电流测量电路，其中所述至少一个阈值交叉检测器以及所述拾波线圈的第一部分系集成在半导体芯片上，并且其中，所述拾波线圈的第二部分由至少两个裸片端子和外部导体所形成。

15.如权利要求14所述的电流测量电路，其中所述外部导体形成安装基板的一部分。

16.如权利要求15所述的电流测量电路，其中所述安装基板还包括所述电流导体的一部分。

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