CN1748150A - 采用双向电流传感器的电流监测系统 - Google Patents

Abstract

一种功率管理系统(100)，包括：一个电源(1)，向一个负载(2)提供电源信号(Vchg)，一个浮动可控双向电流传感器(N1)，通过第一连接(10)与电源相连、通过第二连接(20)与负载(2)相连来检测从电源(1)流向负载(2)的正向电流(pos)和从负载(2)流向电源(1)的负向电流(neg)。根据发明，一个电流管理模块(3)，连接在浮动可控双向电流传感器(N1)的控制端(G)上对其实施控制，并连接在第一和第二连接(10，20)上，控制其间的等效电压，进而提供与正向电流(pos)成比例的第一电流Ipos和与负向电流(neg)成比例的第二电流Ineg。

Description

采用双向电流传感器的电流监测系统

本发明涉及一种功率管理系统，包括：

一个功率发生器，向一个负载提供供电信号，

一个浮动可控双向电流传感器，通过第一连接与功率发生器相连、通过第二连接与负载相连，来检测从电源流向负载的正向电流和从负载流向电源的负向电流。

电力管理系统在现代技术中为多种目的广泛使用，如在电力系统中监控功率消耗、防止过载等。例如，负载端可能是个电池。当有充电器时，电池可以被视为负载，但没有充电器时，电池不得不提供某种辅助功能，电池即成为功率发生器。所以什么端是电源，什么端是负载决定于应用和环境。

US-A-6215338描述了对通过一个DMOS驱动器的低电流的监测，即一个电源放大器的输出级的监测系统。一个反馈电路对加到DMOS功率三极管栅极上的电压进行响应，来限制漏-源电压可以下降来保持其足够的最小值，而且即使在相对较低的水平，也容许对通过功率三极管的电流进行可靠的监控。这是通过提高功率三极管在低电流电平时的阻抗来实现的。可以观察到，DMOS三极管的源极与参照端子连接，即源极接地。而且，没有通过三极管的反相电流显示。应该指出的是，在一些应用如电池充电时，最好能监测浮动电流，即不与地这样的参照端子相连，电流或者从电源流向负载或者相反。所以，现有技术中提供的方案不能加以变更后应用到浮动电流的电力管理系统中。

因此，本发明的目的就是为上述问题提供一个经济的方案。

根据本发明，在第一段中描述的系统中实现这一方案，其特征在于：一个电流管理模块，连接在浮动可控双向电流传感器的控制端上，控制浮动可控双向电流传感器，以控制第一连接10与第二连接20之间的等效电阻，进而提供与正向电流成比例的第一电流和与负向电流成比例的第二电流。浮动可控双向电流传感器可以是一个MOS三极管，其漏-源电阻(Rds)由栅-源电压控制。电流管理模块控制栅极电压，使得MOS三极管的Rds在低漏-源电流下升高。通过低电流下较高的Rds，在浮动可控双向电流传感器上产生更多的电压降，使得电流方向的检测更加容易，例如由一个比较器来检测。图3描述了浮动可控双向电流传感器初始的导通和新的导通特性之间的区别。在低电流下，电流管理模块开始变为工作并控制浮动可控双向电流传感器的可控端，使得第二连接和第一连接之间的电压至少等于Vreg。

这种方式能提高浮动可控双向电流传感器的Rds。在较高的电流下，电流管理模块就不能使第一连接和第二连接之间的电压其实上等于Vreg，这样Rds就等于浮动可控双向电流传感器的Rdson。当MOS三极管处于完全导通时，Rdson等于MOS三极管的阻抗。当Ids＞Vreg/Rdson或Ids＜-Vreg/Rdson时为真。当第一连接与第二连接的电压在零值左右时，浮动可控双向电流传感器的控制端子进入钳位，这时Rds是一个常量，数值大于Rdson，例如Rds(clamped)＝40Ω，而Rdson典型值为欧姆的几分之一。浮动可控双向电流传感器的常值具有的范围为-Ids＝Vreg/Rds(clamped)或+Ids＝Vreg/Rds(clamped)。这样按表格1所示，可以区分为三种不同的工作范围。

表1

范围	Rds阻抗
		电流在零值附近	Rds几乎为常值但远大于Rdson(例如40Ω)
低电流	Rds调整，不是常量
		高电流	Rds＝Rdson(e.g.＝0.3Ω)

电流管理模块产生与正向电流成比例的第一电流和与负向电流成比例的第二电流。这些电流可以进一步用来指示系统的状态。

在发明的一个实施例中，系统进一步包括一个差分比较器，来比较一个与第一电流成比例的信号和一个参照信号，当正向电流大于预先设定值时，产生一个第一反馈信号给充电控制器。这一功能在功率管理系统中，对于防止由于负载增加的功率需求而带来的损害是必要的。控制器中断功率发生器和负载之间的连接，例如向电流管理模块提供一个OFF信号。当电池已经充电过度时，这一功能是必要的。

在发明的另一个实施例中，功率管理系统进一步包括一个差分比较器，它与第一连接和第二连接相连并且提供一个反向电流信号给充电控制器，根据系统的状态，防止从负载到功率发生器的反向电流或从电源到负载的充电电流通过。

当电池过度充电时，需要防止充电电流，当电池过度放电时，需要防止反向或放电电流。

这一功能是有用的，例如，当电池已经过度放电时。应该看到上述提到的反向电流可以有一个相对低的值，因此第一连接和第二连接之间相对大的Rds值就使相对低的反向电流的检测成为可能。

本发明的一个实施例中，电流管理模块包括一个第一定向检测器，与第一连接和第一差分放大器的同相输入端连接。经过连接在第一差分放大器输出端的第一电流发生器的一个电流与正向电流成比例。

电流管理器模块进一步包括连接在第二连接和第二差分放大器的同相输入端之间的第二定向检测器。经过连接在第二差分放大器输出端的第二电流发生器的一个电流与负向电流成比例。电流管理模块进一步包括一个钳位电路，用于当正向或者负向电流有一个相对较低值时，钳位浮动可控双向电流传感器。电流管理模块包括一个连接到钳位电路上的调节器，用于调节浮动可控双向电流传感器的正向和负向电流的整流。定向检测器可以是，例如，一个MOS三极管，与用作浮动可控双向电流传感器的MOS相比面积较小，对经过定向检测器消耗的功率进行最小化。差分放大器给三极管源极提供实质上相同的电位，即一个共公的浮动电位。放大器控制不同的电流源，提供与正向或负向电流成比例的电流，节器在低电流下调整浮动可控双向电流传感器的导通电阻Rds，使电流为零值左右时的Rds几乎保持为一个常值。

通过下面对实施例的描述和参照附图，可以明显看出本发明的上述的和其它的特征和优点。

图1描述了根据发明的功率管理系统的模块图，

图2描述了发明的一个实施例的电流管理模块，

图3描述了用作浮动可控双向电流传感器的MOS三极管的VDS与电流的函数曲线。

图1描述了根据本发明的功率管理系统的模块图。功率管理系统100包括一个功率发生器l，向负载2提供电源信号Vchg。该系统进一步包括一个浮动可控双向电流传感器N1，用MOS三极管示出。三极管N1通过第一连接10与功率发生器1相连，通过第二连接20与负载2连接。三极管N1检测从功率发生器1流向负载2的正向电流pos和从负载2流向功率发生器1的负向电流neg。MOS三极管N1由电流管理模块3控制，该模块连接在控制端子，如MOS三极管的栅极G上，来控制第一连接10和第二连接20之间的等效电阻。

电流管理模块3提供第一电流Ipos，其与正向电流pos成比例，第二电流Ineg，其与反向电流neg成比例。三极管N1的漏-源阻抗Rds由栅-源电压决定。电流管理模块3控制栅极电压，使得MOS三极管N1的Rds在低漏-源电流下升高。在低电流时有较高的Rds，通过三极管N1时就会有较大的电压降，即漏-源电压升高，这样利用如比较器等对电流方向检测更加容易。图3描述了三极管N1的初始导通和新的导通特性之间的区别。在较低电流下，电流管理模块开始工作并控制三极管N1的可控端子G，使得第二连接20和第一连接10之间的电压至少等于Vreg。当低电流通过三极管N1时，Vreg是使漏-源电阻Rds足够高的方便的漏源电压。这种方式使提高三极管N1的Rds成为可能。允许提高Rds是因为在低电流时三极管N1的损耗影响不大。电流较高时，电流管理模块3不能使第二连接20和第一连接10之间的电压实质上等于Vreg，这样Rds就等于三极管N1的Rdson。当Ids＞Vreg/Rdson或Ids＜-Vreg/Rdson时，为真。当第二连接20与第一连接10之间的电压在零值左右时，三极管N1的控制端子G被钳位，这时Rds是一个常量，数值大于Rdson，例如Rds(clamped)＝40Ω，而Rdson典型值为一欧姆的几分之一。浮动可控双向电流传感器的常值Rds具有的范围为-Ids＝Vreg/Rds(clamped)或+Ids＝Vreg/Rds(clamped)。这样就有三种不同的的工作区域，如表格1所示。

这个电路可用做一个“充电系统状态”，当负载2是一个电池时指示电池剩余电量。当电流Ipos增大时，Rpos上的电压降也增大。同样，对于负向电流Ineg也如此，即当Ineg增大时，Rneg上的电压降也增大。一个模数转换器(ADC)5，采样频率例如为8KHz，将Rpos和Rneg上的电压降的差值转换为二进制信号。二进制信号输入所谓的“簿记系统”6，来计算电池的剩余能量是多少。如果测量到正向电流(电池在充电)，簿记系统中的一个寄存器的值随通过三极管N1的电流成比例增加。电池在放电时，即通过三极管N1的电流是负向的，情形将相反，即簿记系统中的一个寄存器的值随通过三极管N1的电流值成比例减少。

系统100进一步包括一个差分比较器C1，它有一个反相输入端，接收与第一电流Ipos成比例的一个信号，还有一个同相输入端，接收参照信号Vref。当正向电流pos大于一个预先设定值时，差分比较器C1向充电控制器4产生一个第一反馈信号Curlim1。正向电流Ipos与通过三极管N1的正向电流成比例。当电流Ipos增大时，Rpos上的电压降也增大。Rpos上的电压与一个带隙参照电压Vref比较。当此电压超过带隙电压时，达到电流限位并且第一反馈信号Curlim1变为高电平。系统100的充电控制器4这时动作并切断三极管N1并因为安全原因停止给电池充电。检测到电流限位的电平由Ipos*Rpos中的Rpos来决定，因此可以通过改变电阻Rpos的值来调整。可以理解，作为选择，可以采用一些电流限位器来代替上述的电流保护，这种情况下，C1是一个驱动电流发生器的差分放大器，它直接控制N1栅极。这样，可以限位电流，并且没有任何切断发生。

在电池充电的应用时，当电池电压低于一个确定的预充电电平时，为了保护电池的使用寿命，电池用所谓预充电电流充电，该电流相对较低，典型的数量级为100mA。本发明中，使用调节器来提高预充电电流的精度。

进一步，充电电流的限位可以通过一个外部电阻来调整，该电阻接地。流过该电阻的电流与流过(电流)定向检测器的电流相同，所以该电阻上的电压是通过浮动可控双向电流传感器的正向电流的一个测量值。由于调节器的作用，即使在低电流时，这些电流之间也存在准确的线性关系。上述的Rpos也同样如此，但是这里的电阻也调整电流限位。

系统100进一步包括一个差分比较器C3，用于比较与第二电流Ineg成比例的一个信号和参照信号Vref，当负向电流neg大于一个预先设定值时，差分比较器C3向充电控制器4产生一个第二反馈信号Curlim2。比较器C3与比较器C1工作情况相似，前一段中所有相关方面做必要变更后也适应C3。

系统100进一步包括一个差分比较器C2，连接到第一连接和第二连接，向充电控制器4提供一个反相电流信号Chgload，防止反相电流从负载2流向功率发生器1。这种方案在硅晶体上成功实施，能转换到任何科技。因安全原因，此电路用于防止电流从电池2流向充电器，即通过N1的负向电流。当第二比较器C2检测到从电池2流向功率发生器2的电流时，比较器C2即向控制器4提供一个反相电流信号Chgload，充电控制器4随之产生一个OFF信号并阻断三极管。这里要提到的是，因为三极管N1的阻抗Rds在相对低的正向pos电流和负向neg电流下增大，所以可以使用比较器C1和C2。这减少了技术上扩展时对阈值电平的依赖性。比较器C2的输出在需要时能视为一个方向指示器并能这样使用，必要时也能防止其它方向的电流。确切的是，当有负向电流时，无论其如何小，比较器C2永远不会指示一个正向电流方向，它不得不被给予一个确定的偏压，该值稍大于它的补偿电压。这就使很小的电压检测不出来。因此，增大Rclamped将降低未检测电流的大小。

根据本发明的实施例。图2描述了电流管理模块。电流管理模块3包括一个第一定向检测器N6，由MOS三极管实现，连接在第一连接10和第一差分放大器A1的同相输入端之间。电流Ipos经过第一电流发生器N10，与正向电流pos成比例，第一电流发生器是一个MOS三极管，连接在第一差分放大器A1的一个输出端。三极管N6的区域与N1相比较小。由于三极管N6与N1有共同的栅极和漏极连接，且源极连接到具有相同的电势的不同节点，即第一差分放大器A1的输入端，所以经过N6的电流与经过N1的电流成比例。电流管理模块3进一步包括一个第二定向检测器N5，由MOS三极管实现，区域与N1相比较小，连接在第一连接20和第一差分放大器A2的同相输入端之间。电流Ineg经过第二电流发生器N7，电流发生器是一个MOS三极管，连接在第二差分放大器A2的一个输出端，与负向电流neg成比例。以上这些要件经过必要的变更后，可以适用在放大器A2和三极管N5和N7。

电流管理模块3包括钳位电路P1，P2，N2和I1，当正向电流pos或负向电流neg相对较低时，用于钳位三极管N1。电流管理模块3进一步包括调节器A3、A4、V1、V2、N3、N4和CP，这些调节器与钳位电路P1、P2、N2和I1连接，当电流较低时，调整三极管N1的漏-源电压，使之等于Vref。

当正向电流pos流经三极管N1时，第三放大器A3负责对三极管N1进行整流。当反向电流neg流经三极管N1时，第四放大器A4对三极管N1进行整流。当电流接近零值时，由三极管P1、P2、N2和电流源I1组成的钳位电路对N1的栅极G进行钳位。

这种布局用其它型号的三极管也能实现，其它极性也能完成这一功能。

这里要提及的是，电阻可以连接在电源N8、N9和地之间。从而N7和N10也通过电阻接地。

更好地，第三放大器A3具有限制的电流源性能，这种性能也可以通过在第三放大器输出端A3和三极管N3的栅极之间连接一个电阻实现。

进一步，在三极管N4的栅极和漏极之间联结一个电阻和电容，可提高电路的稳定性。

本专利的保护范围并不受这里描述的实施例的限制，也不受权利要求中数字引用的限制。词语“包括”不排除在权利要求中涉及部分以外的其它部分。部件前的词语“一个”不排除这些部件的复数。构成本发明一部分的方法可以通过专用的硬件的形式或以编程的处理器的形式实现。发明在于每一个新特征或特征的组合。

Claims (8)

1.一种功率管理系统(100)，包括：

一个功率发生器(1)，向一个负载(2)提供供电信号(Vchg)，

一个浮动的可控的双向电流传感器(N1)，通过第一连接(10)与功率发生器相连、通过第二连接(20)与负载(2)相连，来检测从电源(1)流向负载(2)的正向电流(pos)和从负载(2)流向电源(1)的负向电流(neg)，

一个电流管理模块(3)，连接到浮动可控双向电流传感器(N1)的控制端(G)和第一和第二连接(10，20)，控制第一连接(10)与第二连接(20)之间的等效电阻，进而提供与正向电流(pos)成比例的第一电流(Ipos)和与负向电流(neg)成比例的第二电流(Ineg)。

2.根据权利要求1所述的系统(100)，进一步包括一个差分比较器(C1)，比较与第一电流(Ipos)成比例的一个信号和一个参照信号(Vref)，当正向电流(pos)大于一个预先设定值时，差分比较器C1向充电控制器(4)产生一个第一反馈信号(Curlim 1)。

3.根据权利要求1所述的系统(100)，进一步包括一个差分比较器(C3)，比较与第二电流(Ineg)成比例的一个信号和一个参照信号(Vref)，当负向电流(neg)大于一个预先设定值时，差分比较器(C3)向充电控制器(4)产生一个第二反馈信号(Curlim 2)。

4.根据权利要求1所述的系统(100)，进一步包括一个差分比较器(C2)，连接到第一连接(10)和第二连接(20)，向充电控制器4提供一个反相电流信号(Chgload)，根据系统的状态防止反相电流从负载(2)流向电源(1)或防止充电电流从电源(1)流向负载(2)。

5.根据前述任一权利要求所述的系统，其特征在于电流管理模块(3)包括一个第一定向检测器(N6)，连接在第一连接(10)和第一差分放大器(A1)的同相输入端之间，第一电流发生器(N10)，连接在第一差分放大器(A1)的输出端上，流经该电流发生器的电流Ipos与正向电流(pos)成比例。

6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于电流管理模块(3)还包括一个第二定向检测器(N5)，连接在第二连接(20)和第二差分放大器(A2)的同相输入端之间，第二电流发生器(N7)，连接在第二差分放大器(A2)的输出端上，流经该电流发生器的电流(Ineg)与负向电流(neg)成比例。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于电流管理模块(3)包括钳位电路(P1、P2、N2和I1)，当正向电流(pos)或负向电流(neg)相对较低时，钳位浮动可控双向电流传感器(N1)。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，电流管理模块(3)包括调节器(A3、A4、V1、V2、N3、N4和CP)，这些调节器与钳位电路(P1、P2、N2和I1)连接，调整浮动可控双向电流传感器(N1)的漏-源电压Vds。

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