CN115128322A - 用于监测电流源的电流检测电路和集成电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于监测电流源的电流检测电路和集成电路，该电流检测电路包括：感测电阻，与所述电流源的一端相连接；以及分流单元，与所述感测电阻并联，当所述感测电阻的感测电压超过第一预定电压时，所述分流单元开启以使所述感测电压保持恒定。本发明的电流检测电路可以对电流源的电流进行有效准确的检测，可以检测相对较小的电流，还可以使大电流流过时使电压降较小。此外，还具有结构简单，易于实现的有益效果。

Description

用于监测电流源的电流检测电路和集成电路

技术领域

本发明涉及电子线路的技术领域，具体地涉及一种用于监测电流源的电流检测电路和集成电路。

背景技术

在汽车的众多应用中，功能安全是一个关键考虑因素。通常需要在电路功能处于工作状态时对电路功能进行监视。如果检测到不正确的操作，则需要向控制器电路报告，以便于控制器电路采取措施控制或纠正故障。

为了保持电池平衡,新能源汽车的电流源的工作范围很广，工作电流的范围从大约几毫安到几百毫安。为了对新能源汽车的电池系统进行监测，需要一种能够检测相对较小的电流同时导通非常大的电流的电流检测电路。

图1是一种使用感测电阻的电流检测电路的示意图。其中，电流源110和感测电阻Rsense串联，感测电阻Rsense与电流检测器120并联。假设我们需要电流源的输出电流Iout＝5mA，则需要使感测电阻Rsense上的电压降Vsense＝100mV才能得到可靠的检测结果，这一点可以通过设置感测电阻Rsense＝20Ω来实现。然而，当电流源的输出电流为Iout＝200mA时，感测电阻Rsense上的电压降将变为4V。在许多应用中，电流检测电路并不允许产生这么大的电压降，因为这样会限制检测电路所允许的电压空间。

另外一种简单的电流检测电路采用二极管。二极管具有所需的非线性特性，也就是说，当流经二极管的电流较高时，其阻抗较低。但是，二极管的压降通常固定在一个较高的水平，例如0.6V左右。

图2是另一种使用感测电阻的电流检测电路的示意图。参考图2所示，该电流检测电路将一个大的电流源分解成多个小电流源211-214。对于每个电流源211-214都配置了类似图1所示的电流检测器221-224，每个电流源211-214都具有对应的感测电阻231-234，以获得需要的电压降。然而，图2所示的电路所需要的独立的电流检测器的数量较多，增加了电路的复杂性和功耗。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种精确监测电流源电流的电流检测电路。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是一种用于监测电流源的电流检测电路，其特征在于，包括：感测电阻，与所述电流源的一端相连接；以及分流单元，与所述感测电阻并联，当所述感测电阻的感测电压超过第一预定电压时，所述分流单元开启以使所述感测电压保持恒定。

在本发明的一实施例中，所述电流源的输出电流具有第一电流范围，所述第一预定电压和所述感测电阻的比值在所述第一电流范围之内。

在本发明的一实施例中，所述分流单元包括半导体开关元件和第一比较器，其中，所述半导体开关元件包括控制端、输入端和输出端，所述输入端和所述电流源的一端相连接，所述输入端还和所述感测电阻的第一端相连接，所述输出端和所述感测电阻的第二端相连接，所述控制端和所述第一比较器的第一输出端相连接；以及所述第一比较器包括第一正输入端、第一负输入端和第一输出端，所述第一正输入端和所述感测电阻的第一端相连接，所述第一负输入端接所述第一预定电压，所述第一输出端和所述控制端相连接。

在本发明的一实施例中，还包括第二比较器，所述第二比较器包括第二正输入端、第二负输入端和第二输出端，所述第二正输入端和所述控制端相连接，所述第二负输入端接第二预定电压，其中，当所述控制端的控制端电压超过所述第二预定电压时，所述第二输出端输出第一指示信号。

在本发明的一实施例中，还包括：过流检测单元，与所述分流单元连接，所述分流单元具有允许通过的最大电流阈值，当所述分流单元的通过电流大于所述最大电流阈值时，所述过流检测单元输出过流指示信号。

在本发明的一实施例中，还包括：过流检测单元，所述过流检测单元包括第三比较器，所述第三比较器包括第三正输入端、第三负输入端和第三输出端，所述第三正输入端和所述控制端相连接，所述第三负输入端接第三预定电压，其中，当所述控制端的控制端电压超过所述第三预定电压时，所述第三输出端输出过流指示信号。

在本发明的一实施例中，所述第三预定电压大于所述第二预定电压。

在本发明的一实施例中，所述感测电阻包括可变电阻。

本发明为解决上述技术问题还一种用于监测电流源的集成电路，包括如上所述的电流检测电路。

根据本发明的电流检测电路和集成电路，通过与感测电阻并联的分流单元对电流源的输出电流进行分流，使感测电阻上的感测电压不会随着输出电流不断增大，而是保持在一定的电压水平上。本发明的电流检测电路可以对电流源中相对小的电流进行监测，并且当电流较大时，该电流检测电路的压降仍然较小，从而可以对电流源进行有效准确的检测。同时，本发明的电流检测电路还具有结构简单，易于实现的有益效果。

附图说明

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：

图1是一种使用感测电阻的电流检测电路的示意图；

图2是另一种使用感测电阻的电流检测电路的示意图；

图3是本发明一实施例的电流检测电路的结构示意图；

图4是本发明另一实施例的电流检测电路的结构示意图；

图5是本发明另一实施例的电流检测电路的结构示意图；

图6是图5所示实施例的电流检测电路在工作状态下的信号波形图。

具体实施方式

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。此外，尽管本申请中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本申请说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本申请。

应当理解，当一个部件被称为“在另一个部件上”、“连接到另一个部件”、“耦合于另一个部件”或“接触另一个部件”时，它可以直接在该另一个部件之上、连接于或耦合于、或接触该另一个部件，或者可以存在插入部件。相比之下，当一个部件被称为“直接在另一个部件上”、“直接连接于”、“直接耦合于”或“直接接触”另一个部件时，不存在插入部件。同样的，当第一个部件被称为“电接触”或“电耦合于”第二个部件，在该第一部件和该第二部件之间存在允许电流流动的电路径。该电路径可以包括电容器、耦合的电感器和/或允许电流流动的其它部件，甚至在导电部件之间没有直接接触。

图3是本发明一实施例的电流检测电路的结构示意图。参考图3所示，该实施例的电流检测电路300包括感测电阻Rsense和分流单元310，感测电阻Rsense与电流源301的一端相连接，分流单元310与感测电阻Rsense并联，当感测电阻Rsense的感测电压Vsense超过第一预定电压Vth1时，分流单元310开启以使感测电压Vsense保持恒定。

需要说明，本发明中的超过可以指大于或大于等于。感测电压Vsense超过第一预定电压Vth1包括Vsense>Vth1和Vsense≥Vth1两种情况，都在本发明所要保护的范围内。

根据本发明的电流检测电路，可以准确地测量较小的电流，同时还可以使大电流通过电路，不会在电路中产生大的压降。

在一些实施例中，电流源301的输出电流具有第一电流范围，在设置第一预定电压Vth1时，要使第一预定电压Vth1和感测电阻Rsense的比值在该第一电流范围之内。

参考图3所示，该实施例的分流单元310包括半导体开关元件320和第一比较器330，其中，半导体开关元件320包括控制端321、输入端322和输出端323，输入端322和电流源301的一端相连接，输入端322还和感测电阻Rsense的第一端311相连接，输出端323和感测电阻Rsense的第二端312相连接，控制端321和第一比较器330的第一输出端333相连接。第一比较器330包括第一正输入端331、第一负输入端332和第一输出端333，第一正输入端331和感测电阻Rsense的第一端311相连接，第一负输入端332接第一预定电压Vth1，第一输出端333和控制端321相连接。

本发明对半导体开关元件320的具体实施方式不做限制，可以是具有控制端、输入端和输出端这样三个端子的半导体开关元件，或者是由电子元件组成的电子元件网络。通常的半导体开关元件可以包括三极管和场效应管等元件，包括但不限于PMOS、NMOS、DMOS，BJT等。

感测电阻Rsense和第一预定电压Vth1一起可以设定该电流检测电路所要检测的检测电流Idetect的大小，即Idetect＝Vth1/Rsense。

当电流源301的输出电流Iout>Idetect时，半导体开关元件320的控制端321的电压Vgate将会快速上升，使半导体开关元件320处于开状态。由于半导体开关元件320被打开，对电流源301的输出电流Iout产生分流作用，就可以使感测电阻Rsense上的压降保持不变，也就是使感测电压Vsense几乎维持不变。

图4是本发明另一实施例的电流检测电路的结构示意图。参考图4所示，该实施例的电流检测电路400与图3所示的电流检测电路300相比，在分流单元310中增加了一个第二比较器410。第二比较器410包括第二正输入端411、第二负输入端412和第二输出端413，第二正输入端411和控制端321相连接，第二负输入端412接第二预定电压Vth2，其中，当控制端321的控制端电压Vgate超过第二预定电压Vth2时，第二输出端413输出第一指示信号OUT。

根据图4所示的实施例，第二比较器410对控制端电压Vgate和第二预定电压Vth2进行比较，当电流源301的输出电流Iout超过了预定的检测电流Idetect时，第二比较器410就输出第一提示信号OUT，以给出提示。

在一些实施例中，第二比较器410输出高电平或低电平，假设当Iout<Idetect时，第二比较器410的第二输出端413输出低电平；则当Iout>Idetect时，第二比较器410的第二输出端413输出高电平。

图5是本发明另一实施例的电流检测电路的结构示意图。参考图5所示，该实施例的电流检测电路500与图4所示的电流检测电路400相比还增加了过流检测单元510。分流单元310具有允许通过的最大电流阈值Imax，该过流检测单元510与分流单元310相连接，当分流单元310的通过电流大于该最大电流阈值Imax时，过流检测单元510输出过流指示信号OC。

尽管图3和图4所示的电流检测电路可以通过分流单元310使感测电阻Rsense的上的感测电压Vsense几乎保持不变。但是当电流源301的输出电流Iout增大到一定程度的时候，分流单元310已无法发挥正常的功能，感测电压Vsense有可能会继续增加。

本发明对过流检测单元510的具体实施方式不做限制。

参考图5所示，在一些实施例中，过流检测单元510包括第三比较器520，第三比较器520包括第三正输入端521、第三负输入端522和第三输出端523，第三正输入端521和控制端321相连接，第三负输入端522接第三预定电压Vth3，其中，当控制端321的控制端电压Vgate超过第三预定电压Vth3时，第三输出端523输出过流指示信号OC(Over Current)。

根据图5所示的实施例，当控制端电压Vgate超过第三预定电压Vth3时，分流单元310的通过电流大于其所能承受的最大电流阈值Imax。因此，第三预定电压Vth3的设置和分流单元310的最大电流阈值Imax相关。具体地，可以根据分流单元310中所采用的元件的性能获得最大电流阈值Imax，进而设置第三预定电压Vth3。在一些实施例中，根据半导体开关元件320的性能来设置第三预定电压Vth3。

在一些实施例中，第三预定电压Vth3大于第二预定电压Vth2。

图3-4所示的电流检测电路不仅可以对电流源进行有效准确的检测，还具有结构简单，易于实现的有益效果。

图6是图5所示实施例的电流检测电路在工作状态下的信号波形图。参考图6所示，其中包括3个坐标系，每个坐标系的横轴都是电流源301的输出电流Iout。需要说明，图6所示仅为示意，横轴Iout并不表示为线性坐标，而可能是对数坐标等非线性坐标。

参考图6所示，坐标系610的纵轴为感测电压Vsense，坐标系610用来表示感测电压Vsense和输出电流Iout之间的关系。坐标系620的纵轴为控制端电压Vgate，坐标系620用来表示控制端电压Vgate和输出电流Iout之间的关系。坐标系630的纵轴为第一提示信号OUT，坐标系630用来表示第一提示信号OUT和输出电流Iout之间的关系。其中，用垂直穿过三个坐标系的虚线640表示电流检测电路所要检测的检测电流Idetect在横轴Iout上的位置。

参考图6所示，当Iout<Idetect时，感测电压Vsense和输出电流Iout之间具有线性关系，感测电压Vsense随着输出电流Iout的增大而增大。在该阶段，可以精确地对输出电流Iout进行检测。当感测电压Vsense超过第一预定电压Vth1时，由于分流单元310开启，使输出电流Iout的一部分通过分流单元310，从而使感测电压Vsense保持不变。如图6所示，感测电压Vsense在第一段611随着输出电流Iout的增大有略微的增大，可以认为其基本上保持平稳。

参考图6所示，当Iout<Idetect时，控制端电压Vgate为0，表示分流单元310处于关闭状态，半导体开关元件320尚未导通，还没有开启其分流功能。当Iout>Idetect时，控制端电压Vgate逐渐增大，分流单元310开启，半导体开关元件320导通，开始发挥分流功能。

参考图6所示，当Iout<Idetect时，第一提示信号OUT为0。当控制端电压Vgate超过第二预定电压Vth2时，第一提示信号OUT被切换到1，表示电流源301的输出电流Iout超过了预定的检测电流Idetect。可以理解，第一提示信号OUT变为1的时刻与输出电流Iout达到检测电流Idetect实际时刻之间具有一定的延时。由于半导体开关元件320此时仍然处于正常的动态范围内，因此，感测电压Vsense仍处于保持不变的状态。该延时不影响电流检测电路的正常运行。

参考图6所示，随着输出电流Iout的继续增大，当控制端电压Vgate超过第三预定电压Vth3时，表示分流单元310的通过电流大于其所能承受的最大电流阈值Imax，则第三输出端523输出过流指示信号OC。参考图6所示，当控制端电压Vgate超过第三预定电压Vth3时，感测电压Vsense在第二段612明显开始上升，表示该电流检测电路中导通的电流源301的输出电流Iout异常大，指示电流源301可能发生了错误。在一些情况下，电流源301的错误包括短路。

在一些实施例中，感测电阻Rsense包括可变电阻。在这些实施例中，可以根据所要检测的电流源的大小来调整感测电阻Rsense的大小，使感测电阻Rsense与所要检测的电流源相匹配，从而使本发明的电流检测电路可以适用于不同量程的电流源。

本发明还包括一种用于监测电流源的集成电路，该集成电路包括图3-5中所示的任意一种电流检测电路。

根据本发明的电流检测电路以及包含该电流检测电路的集成电路，可以对具有较大动态范围的电流源进行准确的监测。

上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述发明披露仅仅作为示例，而并不构成对本申请的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本申请进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本申请中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本申请示范实施例的精神和范围。

同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

一些实施例中使用了描述成分、属性数量的数字，应当理解的是，此类用于实施例描述的数字，在一些示例中使用了修饰词“大约”、“近似”或“大体上”来修饰。除非另外说明，“大约”、“近似”或“大体上”表明所述数字允许有±20％的变化。相应地，在一些实施例中，说明书和权利要求中使用的数值参数均为近似值，该近似值根据个别实施例所需特点可以发生改变。在一些实施例中，数值参数应考虑规定的有效数位并采用一般位数保留的方法。尽管本申请一些实施例中用于确认其范围广度的数值域和参数为近似值，在具体实施例中，此类数值的设定在可行范围内尽可能精确。

Claims (9)

1.一种用于监测电流源的电流检测电路，其特征在于，包括：

感测电阻，与所述电流源的一端相连接；以及

分流单元，与所述感测电阻并联，当所述感测电阻的感测电压超过第一预定电压时，所述分流单元开启以使所述感测电压保持恒定。

2.如权利要求1所述的电流检测电路，其特征在于，所述电流源的输出电流具有第一电流范围，所述第一预定电压和所述感测电阻的比值在所述第一电流范围之内。

3.如权利要求1所述的电流检测电路，其特征在于，所述分流单元包括半导体开关元件和第一比较器，其中，

所述半导体开关元件包括控制端、输入端和输出端，所述输入端和所述电流源的一端相连接，所述输入端还和所述感测电阻的第一端相连接，所述输出端和所述感测电阻的第二端相连接，所述控制端和所述第一比较器的第一输出端相连接；以及

所述第一比较器包括第一正输入端、第一负输入端和第一输出端，所述第一正输入端和所述感测电阻的第一端相连接，所述第一负输入端接所述第一预定电压，所述第一输出端和所述控制端相连接。

4.如权利要求3所述的电流检测电路，其特征在于，还包括第二比较器，所述第二比较器包括第二正输入端、第二负输入端和第二输出端，所述第二正输入端和所述控制端相连接，所述第二负输入端接第二预定电压，其中，当所述控制端的控制端电压超过所述第二预定电压时，所述第二输出端输出第一指示信号。

5.如权利要求1所述的电流检测电路，其特征在于，还包括：过流检测单元，与所述分流单元连接，所述分流单元具有允许通过的最大电流阈值，当所述分流单元的通过电流大于所述最大电流阈值时，所述过流检测单元输出过流指示信号。

6.如权利要求3或4所述的电流检测电路，其特征在于，还包括：过流检测单元，所述过流检测单元包括第三比较器，所述第三比较器包括第三正输入端、第三负输入端和第三输出端，所述第三正输入端和所述控制端相连接，所述第三负输入端接第三预定电压，其中，当所述控制端的控制端电压超过所述第三预定电压时，所述第三输出端输出过流指示信号。

7.如权利要求4所述的电流检测电路，其特征在于，所述第二预定电压大于等于所述第一预定电压。

8.如权利要求1所述的电流检测电路，其特征在于，所述感测电阻包括可变电阻。

9.一种用于监测电流源的集成电路，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的电流检测电路。

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