CN114994392B - 一种芯片内部接近无损的高精度电流采样电路及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种芯片内部接近无损的高精度电流采样电路及方法，所述电路包括金属采样电阻Rsample、开关sw1、开关sw2、修调电阻Rt1、修调电阻Rt2、电阻Rt、运算放大器OS、MOS管Mo、电阻Rsnsout和修调模块trim；其中，所述金属采样电阻Rsample为芯片内部的顶层或次顶层金属电阻。本发明通过利用芯片内部的金属电阻以及采用并联采样方式来实现高精度电流采样，所述金属采样电阻Rsample为芯片内部的顶层或次顶层金属电阻，这样金属电阻下面的面积还可以正常利用，能够解决浪费硅片面积的问题，同时能够将此金属电阻的阻值尽量做小，即可以做到接近无损的高精度电流采样。
Description
技术领域
本发明涉及芯片内部电流采样技术领域，具体而言，涉及一种芯片内部接近无损的高精度电流采样电路及方法。
背景技术
在各种不同的电路系统中，大部分都会有电流采样的需求，以实现过流保护或者系统功率计算或者均流等目的。
传统的芯片外部电流采样方法如下：
(1)通过传感器进行电流采样
通过传感器进行电流采样时需要在芯片外部添加电流互感器或者霍尔电流传感器，从而大大降低了电路的集成度，占用了较大面积。
(2)通过采样电阻进行电流采样
通过采样电阻进行电流采样时需要在芯片外部添加采样电阻，不仅会大大降低了电路的集成度，占用了较大面积，并且还对电阻的精度选择有较高要求，而且在实际产线贴片后的引入的误差需要增加产线的测试校准，成本较高。
(3)通过电流采样芯片进行电流采样
通过专用的电流采样芯片如AD8217等进行电流采样，也存在集成度较低，成本较高，精度也不太高的问题。
由上可知，在芯片外部进行电流采样存在诸多问题，因此在芯片内部集成高精度电流采样方案具有集成度高，不需要额外增加产线校准，对应用比较友好。
传统的芯片内部电流采样方法如下：
在芯片内部运用MOS管作为采样电阻的并联电流采样，如图1所示，其中包括电源Vin、采样MOS管Ms、MOS管Mr、MOS管Mo、电阻Rsnsout、运算放大器OS、电压vos、电压vos_th、控制电压Vbias、MOS管Mo的输出电压Vsns_out、待采样电流Iload。待采样电流Iload的采样MOS管Ms与采样后输出支路的MOS管Mr均为NMOS管，即常见的并联采样模式，这种并联采样模式如果采样MOS管Ms工作在深线性区或者工作于饱和区，都可以获得较高的电流采样精度；但如果此采样MOS管Ms既有可能工作于深线性区也可能工作于饱和区，比如高压NMOSLDO应用，那么电流采样精度就很难保证；这时候需要增加额外的补偿电路来补偿不同区域内的误差；而且补偿后精度最高可能做到±1%以内。
针对类似高压NMOS LDO应用，传统的解决方案是在采样MOS管Ms前面串联一个工作于深线性区的MOS管Mp，然后再做并联采样，如图2所示，其中包括电源Vin、采样MOS管Ms、MOS管Mp、MOS管Mr、MOS管Mo、电阻Rsnsout、运算放大器OS、电压Vgs、控制电压Vbias、MOS管Mo的输出电压Vsns_out、待采样电流Iload。该方案可以解决MOS管Ms工作于深线性区和饱和区的问题，可以获得比较高的电流采样精度，但引入的问题当内部阻抗要求很小，比如从输入到输出要求阻抗小于30mohm等应用场景时，MOS管Mp的阻抗要做到小于10mohm以下的量级时，会浪费比较大的硅片面积，从而增加成本，而且MOS管Mp还需要额外的驱动电路，增加设计的复杂度。
发明内容
本发明旨在提供一种芯片内部接近无损的高精度电流采样电路及方法，以解决传统电流采样方法存在电流采样精度不高或浪费硅片面积的问题。
本发明提供的一种芯片内部接近无损的高精度电流采样电路，包括金属采样电阻Rsample、开关sw1、开关sw2、修调电阻Rt1、修调电阻Rt2、电阻Rr、运算放大器OS、MOS管Mo、电阻Rsnsout和修调模块trim；其中，所述金属采样电阻Rsample为芯片内部的顶层或次顶层金属电阻；
金属采样电阻Rsample的一端一方面经开关sw1连接修调电阻Rt1的一端、另一方面连接电阻Rr的一端；金属采样电阻Rsample的另一端经开关sw2连接修调电阻Rt1的一端；电阻Rr的另一端一方面连接修调电阻Rt2的一端，另一方面连接MOS管Mo的漏极；修调电阻Rt1的另一端一方面连接修调模块trim的一端，另一方面连接运算放大器OS的负输入端；修调电阻Rt2的另一端一方面连接修调模块trim的另一端，另一方面连接运算放大器OS的正输入端；运算放大器OS的输出端连接MOS管Mo的栅极；MOS管Mo的源极经电阻Rsnsout接地。
在一些实施例中，所述开关sw1和开关sw2采用MOS管实现。
在一些实施例中，所述开关sw1采用MOS管Ma，开关sw2采用MOS管Mb；
金属采样电阻Rsample的一端经MOS管Ma的源极和漏极连接修调电阻Rt1的一端；
金属采样电阻Rsample的另一端经MOS管Mb的源极和漏极连接修调电阻Rt1的一端；
MOS管Ma和MOS管Mb的栅极用于输入控制信号，控制MOS管Ma和MOS管Mb的通断。
在一些实施例中，开关sw1和开关sw2的开关状态相反。
在一些实施例中，所述修调模块trim包括电流输出单元Itrim1和电流输出单元Itrim2；
修调电阻Rt1的另一端经电流输出单元Itrim1接地；
修调电阻Rt2的另一端经电流输出单元Itrim2接地。
在一些实施例中，金属采样电阻的阻值为1mohm~4mohm。
本发明还提供一种芯片内部接近无损的高精度电流采样方法，所述高精度电流采样方法采用上述的芯片内部接近无损的高精度电流采样电路实现；
所述高精度电流采样方法包括：
S100，将金属采样电阻Rsample设置在待检测电路中；
S200，断开开关sw2，闭合开关sw1，开启电流输出单元Itrim1，读取此时的输出电压Vsns_out1：
Vsns_out1=(Itrim1×Rt1+vos)/Rr×Rsnsout (1)
S300，断开开关sw1，闭合开关sw2，保持步骤S200中电流输出单元Itrim1的状态，读取此时输出电压Vsns_out2：
Vsns_out2=(Itrim1×Rt1+vos+Iload×Rsample)/Rr×Rsnsout (2)
S400，由式(1)和式(2)求得待检测电路的采样电流Iload：
Iload=(Vsns_out2-Vsns_out1)×Rr/(Rsample×Rsnsout) (3)
其中，vos为运算放大器OS的失调电压。
在一些实施例中，步骤S100中金属采样电阻Rsample设置在待检测电路的输入端或输出端。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明通过利用芯片内部的金属电阻以及采用并联采样方式来实现高精度电流采样，所述金属采样电阻Rsample为芯片内部的顶层或次顶层金属电阻，这样金属电阻下面的面积还可以正常利用，能够解决浪费硅片面积的问题，同时能够将此金属电阻的阻值尽量做小，比如1mohm~4mohm之间，即可以做到接近无损的高精度电流采样。
2、本发明具有广泛的应用场景，具有高线性度、ATE(Automatic Test Equipment，集成电路自动测试)测试方案简单、成本低的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为在芯片内部运用MOS管作为采样电阻的并联电流采样的原理图。
图2为在芯片内部运用MOS管作为采样电阻的并联电流采样时在采样MOS管Ms前面串联一个工作于深线性区的MOS管的原理图。
图3为本发明实施例中芯片内部接近无损的高精度电流采样电路的结构图，其金属采样电阻Rsample设置在待检测电路的输入端。
图4为本发明实施例中芯片内部接近无损的高精度电流采样电路的结构图，其金属采样电阻Rsample设置在待检测电路的输出端。
图5为本发明实施例中开关sw1和开关sw2采用MOS管实现的芯片内部接近无损的高精度电流采样电路的结构图。
图6为本发明实施例中芯片内部接近无损的高精度电流采样方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
为了解决传统电流采样方法存在电流采样精度不高或浪费硅片面积的问题。本实施例通过利用芯片内部的金属电阻以及采用并联采样方式，来实现高精度电流采样。如图3、图4所示，本实施例提出一种芯片内部接近无损的高精度电流采样电路，包括金属采样电阻Rsample、开关sw1、开关sw2、修调电阻Rt1、修调电阻Rt2、电阻Rr、运算放大器OS、MOS管Mo、电阻Rsnsout和修调模块trim；其中，所述金属采样电阻Rsample为芯片内部的顶层或次顶层金属电阻，这样金属电阻下面的面积还可以正常利用，能够解决浪费硅片面积的问题，同时能够将此金属电阻的阻值尽量做小，比如1mohm~4mohm之间，即可以做到接近无损的高精度电流采样；
金属采样电阻Rsample的一端一方面经开关sw1连接修调电阻Rt1的一端、另一方面连接电阻Rr的一端；金属采样电阻Rsample的另一端经开关sw2连接修调电阻Rt1的一端；电阻Rr的另一端一方面连接修调电阻Rt2的一端，另一方面连接MOS管Mo的漏极；修调电阻Rt1的另一端一方面连接修调模块trim的一端，另一方面连接运算放大器OS的负输入端；修调电阻Rt2的另一端一方面连接修调模块trim的另一端，另一方面连接运算放大器OS的正输入端；运算放大器OS的输出端连接MOS管Mo的栅极；MOS管Mo的源极经电阻Rsnsout接地。
其中：
待采样电路的采样电流Iload包括但不仅限于稳压器ldo，全桥电路以及半桥电路的电流。
金属采样电阻Rsample的属性为芯片内部连接两个节点之间的金属走线电阻。
运算放大器OS的失调电压为vos。
sw1和sw2为开启状态相反的开关，通过这两个开关顺序开启与关闭，进行多次采样，可以消除运放失调电压的影响。
修调电阻Rt1和修调电阻Rt2配合修调模块以一定的方式消除运算放大器OS失调电压vos的影响。
电阻Rr用以控制输出电流Iout与采样电流Iload的倍数关系。输出电流Iout与电阻Rsnsout产生检测输出电压Vsns_out。
作为一个优选方案，所述开关sw1和开关sw2采用MOS管实现。如图5所示，所述开关sw1采用MOS管Ma，开关sw2采用MOS管Mb；
金属采样电阻Rsample的一端经MOS管Ma的源极和漏极连接修调电阻Rt1的一端；
金属采样电阻Rsample的另一端经MOS管Mb的源极和漏极连接修调电阻Rt1的一端；
MOS管Ma和MOS管Mb的栅极用于输入控制信号ph1和ph1z，控制MOS管Ma和MOS管Mb的通断。
进一步地，所述修调模块trim包括电流输出单元Itrim1和电流输出单元Itrim2；
修调电阻Rt1的另一端经电流输出单元Itrim1接地；
修调电阻Rt2的另一端经电流输出单元Itrim2接地。
由此，所述芯片内部接近无损的高精度电流采样电路的工作原理如下：
首先，将金属采样电阻Rsample设置在待检测电路中；如图3所示，金属采样电阻Rsample设置在待检测电路的输入端；如图4所示，金属采样电阻Rsample设置在待检测电路的输出端；
其次，断开MOS管Mb，闭合MOS管Ma，开启电流输出单元Itrim1，读取此时的输出电压Vsns_out1：
Vsns_out1=(Itrim1×Rt1+vos)/Rr×Rsnsout (1)
其中，vos为运算放大器OS的失调电压；Itrim1×Rt1为电阻Rt1的压降；
然后，断开MOS管Ma，闭合MOS管Mb，保持电流输出单元Itrim1的状态，读取此时输出电压Vsns_out2：
Vsns_out2=(Itrim1×Rt1+vos+Iload×Rsample)/Rr×Rsnsout (2)
其中，vos为运算放大器OS的失调电压；Itrim1×Rt1为电阻Rt1的压降；Iload×Rsample为金属采样电阻的压降；
最后，由式(1)和式(2)求得待检测电路的采样电流Iload：
Iload=(Vsns_out2-Vsns_out1)×Rr/(Rsample×Rsnsout) (3)
示例：采用上述芯片内部接近无损的高精度电流采样电路进行高精度电流采样，在Rsample=4mohm的情况下：
当电流范围在500Ma~5A内，电流采样精度高达±0.5%；
当电流范围在500Ma以下，电流采样误差在±10Ma以内。
实施例2
基于实施例1所述的芯片内部接近无损的高精度电流采样电路，如图6所示，本实施例实现一种芯片内部接近无损的高精度电流采样方法，包括：
S100，将金属采样电阻Rsample设置在待检测电路中；如图3所示，金属采样电阻Rsample设置在待检测电路的输入端；如图4所示，金属采样电阻Rsample设置在待检测电路的输出端；
S200，断开开关sw2，闭合开关sw1，开启电流输出单元Itrim1，读取此时的输出电压Vsns_out1：
Vsns_out1=(Itrim1×Rt1+vos)/Rr×Rsnsout (1)
其中，vos为运算放大器OS的失调电压；Itrim1×Rt1为电阻Rt1的压降；
S300，断开开关sw1，闭合开关sw2，保持步骤S200中电流输出单元Itrim1的状态，读取此时输出电压Vsns_out2：
Vsns_out2=(Itrim1×Rt1+vos+Iload×Rsample)/Rr×Rsnsout (2)
其中，vos为运算放大器OS的失调电压；Itrim1×Rt1为电阻Rt1的压降；Iload×Rsample为金属采样电阻的压降；
S400，由式(1)和式(2)求得待检测电路的采样电流Iload：
Iload=(Vsns_out2-Vsns_out1)×Rr/(Rsample×Rsnsout) (3)
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种芯片内部接近无损的高精度电流采样电路，其特征在于，包括金属采样电阻Rsample、开关sw1、开关sw2、修调电阻Rt1、修调电阻Rt2、电阻Rr、运算放大器OS、MOS管Mo、电阻Rsnsout和修调模块trim；其中，所述金属采样电阻Rsample为芯片内部的顶层或次顶层金属电阻；
金属采样电阻Rsample的一端一方面经开关sw1连接修调电阻Rt1的一端、另一方面连接电阻Rr的一端；金属采样电阻Rsample的另一端经开关sw2连接修调电阻Rt1的一端；电阻Rr的另一端一方面连接修调电阻Rt2的一端，另一方面连接MOS管Mo的漏极；修调电阻Rt1的另一端一方面连接修调模块trim的一端，另一方面连接运算放大器OS的负输入端；修调电阻Rt2的另一端一方面连接修调模块trim的另一端，另一方面连接运算放大器OS的正输入端；运算放大器OS的输出端连接MOS管Mo的栅极；MOS管Mo的源极经电阻Rsnsout接地；
所述修调模块trim包括电流输出单元Itrim1和电流输出单元Itrim2；
修调电阻Rt1的另一端经电流输出单元Itrim1接地；
修调电阻Rt2的另一端经电流输出单元Itrim2接地。
2.根据权利要求1所述的芯片内部接近无损的高精度电流采样电路，其特征在于，所述开关sw1和开关sw2采用MOS管实现。
3.根据权利要求2所述的芯片内部接近无损的高精度电流采样电路，其特征在于，所述开关sw1采用MOS管Ma，开关sw2采用MOS管Mb；
金属采样电阻Rsample的一端经MOS管Ma的源极和漏极连接修调电阻Rt1的一端；
金属采样电阻Rsample的另一端经MOS管Mb的源极和漏极连接修调电阻Rt1的一端；
MOS管Ma和MOS管Mb的栅极用于输入控制信号，控制MOS管Ma和MOS管Mb的通断。
4.根据权利要求1所述的芯片内部接近无损的高精度电流采样电路，其特征在于，开关sw1和开关sw2的开关状态相反。
5.根据权利要求1所述的芯片内部接近无损的高精度电流采样电路，其特征在于，金属采样电阻的阻值为1mohm~4mohm。
6.一种芯片内部接近无损的高精度电流采样方法，其特征在于，所述高精度电流采样方法采用如权利要求1-5任一项所述的芯片内部接近无损的高精度电流采样电路实现；
所述高精度电流采样方法包括：
S100，将金属采样电阻Rsample设置在待检测电路中；
S200，断开开关sw2，闭合开关sw1，开启电流输出单元Itrim1，读取此时的输出电压Vsns_out1：
Vsns_out1=(Itrim1×Rt1+vos)/Rr×Rsnsout (1)
S300，断开开关sw1，闭合开关sw2，保持步骤S200中电流输出单元Itrim1的状态，读取此时输出电压Vsns_out2：
Vsns_out2=(Itrim1×Rt1+vos+Iload×Rsample)/Rr×Rsnsout (2)
S400，由式(1)和式(2)求得待检测电路的采样电流Iload：
Iload=(Vsns_out2-Vsns_out1)×Rr/(Rsample×Rsnsout) (3)
其中，vos为运算放大器OS的失调电压。
7.根据权利要求6所述的芯片内部接近无损的高精度电流采样方法，其特征在于，步骤S100中金属采样电阻Rsample设置在待检测电路的输入端或输出端。
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