CN207908576U - 电流传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种电流传感器，包括：第1电压供给电路，从外部输入偏置电流，并且接收输入电压，输出第1电压；第2电压供给电路，接收所述输入电压，输出第2电压；电流供给电路，与外部的感应电组的两端连接，接收所述第1电压和所述第2电压，输出第1电流和第2电流；电压生成电路，接收所述第1电流和所述第2电流，生成第1控制电压和第2控制电压；和增益控制电路，接收所述第1控制电压和所述第2控制电压，输出用于外部的模数转换器的电压。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种电流传感器，尤其是涉及不受输入电压影响的电流传感器。
背景技术
在无线充电系统中，只有准确感应输入电压下的负载电流，才能实现FOD(ForeignObjects Detection，外部目标检测)等功能。具备这种功能的电流传感器利用外部的小的电阻元件来感应流过该电阻元件的电流。
图1是表示电流传感的示意图。通常，用于无线充电系统中的电流传感器其输入电压范围一般是4.5～21V，即，在很宽的输入电压下工作。因此，这种电流传感器需要与输入电压无关地感应电流。
电流传感器为了感应外部电阻上流过的电流，感应该外部电阻两端的电压，从而将与该电压成比例的电压输入至模数转换器。对于电流传感器而言，有时会输入20V以上的高电压，因此工作时需保证内部各组成元件的端子电压不会超过元件内压。
如图1所示，利用外部电阻RSENSE感应电流后，将该感应结果输入至模数转换器(ADC：Analog-to-Digital Converter，以下简称为ADC)，该ADC向数字电路传递数据。如上所述，通常，用于无线充电系统中的电流传感器其输入电压范围一般是4.5～21V，对应的电流ILOAD的范围是0～3A，可见该电流值较大，因此用于感应的外部电阻RSENSE的电阻值需较小。通常使用20～30mΩ的外部电阻。例如，当外部电阻为20mΩ时，在该外部电阻上流过0～3A的电流而产生的压降是0～60mV。电流传感器需将该压降放大至适合ADC的电压范围。
通常，ADC利用工作电压为5V或3V的低电压元件在3V等较低的电压下工作。根据实现方法，也可以在1.8V或1.2V等更低的电压下实现。相对于此，电流传感器的输入电压的范围是4.5～21V，因此需要利用具有20V以上的内压的高电压元件来实现。
图2是表示现有技术中的电流传感器的电路图。如图2所示，该电流传感器包括由多个电阻构成的分压器和由放大器构成的增益控制器，通过对电阻RSENSE两端的电压进行分压，从而将其结果输入至增益控制器。增益控制器使用低的工作电压VDD。例如，当输入电压VTN＝21V、VDD＝3V时，分压器需要将电压下降至增益控制器可输入的范围，即低于VDD的电压。输入了低于VDD的电压的增益控制器需要对其输入的电压给出适当增益，从而变换成适合ADC所需的电压。
相对于最大输入21V，由于不能超过增益控制器的输入范围，因此按照约1/7的比例进行分压，而对于例如输入电压为5V的情况，也按照1/7的比例进行分压而输入较低电压时，存在分辨率降低的问题。实际情况中，需要将电压降低至增益控制器的放大器的输入电压的范围，因此通常使用1/9～1/8的比例(因为21×1/9≈2.333V)。则可以得到如下数学式(1)的关系。
若ADC的输入范围是1.8V，则为了将60mV的感应电压(RSENSF两端的电压)变换成1.8V，需要30倍的增益。如上述数学式(1)所示，由于现有技术的电流传感器中，VOUTP-VOUTN以约0.111倍的增益将VINP-VINN降低，因此增益控制器需要给出30倍/0.111倍＝270倍的增益，将其换算成分贝是20×log10(270)＝48.6dB。这是因为，电流传感器一开始不能给出增益，反而因上述数学式(1)的0.111而给出了20×log10(0.111)＝-19dB的增益。
发明内容
本实用新型鉴于上述情况而完成，目的在于提供一种利用高电压元件在宽的输入电压范围下能够不受输入电压影响地感应电流的电流传感器。
本实用新型的电流传感器，包括：第1电压供给电路，从外部输入偏置电流，并且接收输入电压，输出第1电压；第2电压供给电路，接收所述输入电压，输出第2电压；电流供给电路，与外部的感应电组的两端连接，接收所述第1电压和所述第2电压，输出第1电流和第2电流；电压生成电路，接收所述第1电流和所述第2电流，生成第1控制电压和第2控制电压；和增益控制电路，接收所述第1控制电压和所述第2控制电压，输出用于外部的模数转换器的电压。
优选地，所述第1电压供给电路包括：至少一个第1晶体管，其第1端接收所述输入电压，栅极与第2端连在一起；和镜像电流源，输入所述偏置电流，向所述第1晶体管的栅极提供所述第1电压，所述第2电压供给电路包括：二极管，负极与所述输入电压连接，正极输出所述第2电压，所述电流供给电路包括分别连接在所述感应电组的两端的两个第1电阻以及第2～第5晶体管，其中，所述第2晶体管和第3晶体管的栅极连接在一起输入所述第1电压，所述第4晶体管和第5晶体管的栅极连接在一起输入所述第2电压，所述第2晶体管的第1端与一方第1电阻的一端连接，所述第2晶体管的第2端与所述第4晶体管的第1端连接，所述第3晶体管的第1端与另一方第1电阻的一端连接，所述第3晶体管的第2端与所述第5晶体管的第1端连接，所述电压生成电路包括：与所述第4晶体管的第2端连接的一方第2电阻；与所述第5晶体管的第2端连接的另一方第2电阻；与所述一方第2电阻串联连接的第3电阻；和与所述另一方第2电阻串联连接的偏置电阻，所述增益控制电路包括：放大器，非反相输入端连接在所述一方第2电阻与所述第3电阻之间，输入所述第1控制电压，反相输入端连接在所述另一方第2电阻与所述偏置电阻之间，输入所述第2控制电压，输出端与所述模数转换器连接。
优选地，所述镜像电流源由高压NMOS晶体管构成，所述第4晶体管和所述第5晶体管是高压PMOS晶体管。
优选地，所述增益控制电路还包括在所述放大器的前级设置的低通滤波器。
优选地，所述第1～第3晶体管是低压PMOS晶体管。
优选地，所述第2电压供给电路还包括：与所述二极管串联连接的第4电阻和第5电阻；和第6晶体管，是高压NMOS晶体管，其第1端与所述第5电阻的一端连接，栅极与所述镜像电流源连接，第2端接地。
优选地，所述第1电压供给电路还包括：第6电阻，连接在所述第1晶体管的第2端与所述镜像电流源之间。
本实用新型的电流传感器不受输入电压的影响，能够实现与输入电压无关的、增益和感应结果恒定的电流传感器。另外，与现有技术相比，由于电流传感器的前级的增益较大，因此能够实现精确度高的电流传感器。
附图说明
图1是表示电流传感的示意图。
图2是表示现有技术中的电流传感器的电路图。
图3是表示本实用新型的电流传感器的框图。
图4是表示图3的电流传感器的电路图。
图5是表示电流传感器的变形例的电路图。
具体实施方式
在以下说明中，特定的结构及说明仅仅是为了更容易理解本实用新型而进行的示意性说明，本实用新型能够以各种方式实施，并不限于本说明书记载的方式。另外，在不超出本实用新型的技术思想的范围内，可对本实用新型实施各种变更、改良等，这些变更、改良等均包含在本实用新型的保护范围内。
此外，在以下说明中使用的“第1”、“第2”等用语可说明具体的构成要素，但是这些用语并不限定这些构成要素。这些用语仅用于区分各构成要素。
以下，参照附图来说明本实用新型的具体实施方式。
图3是表示本实用新型的电流传感器的框图。如图3所示，电流传感器10包括第1电压供给电路1、第2电压供给电路2、电流供给电路3、电压生成电路4和增益控制电路5。
如图3所示，第1电压供给电路1从外部输入偏置电流IBIAS，并接收输入电压VIN，输出第1电压VBP1。第2电压供给电路2也接收输入电压VIN，输出第2电压VBP2。电流供给电路3接收第1电压VBP1和第2电压VBP2，对感应电组RsENsE两端的电流进行感应，输出第1电流I1和第2电流I′2。电压生成电路4输入该第1电流I1和第2电流I′1，生成第1控制电压VOUTP和所述第2控制电压VOUTN。增益控制电路5输入该第1控制电压VOUTP和所述第2控制电压VOUTN，输出适合于ADC的电压。
图4是表示图3的电流传感器的电路图。如图4所示，第1电压供给电路1包括：由晶体管MN0～MN3构成的镜像电流源；串联连接成二极管形式的晶体管MP0、MP1；以及电阻R6。第2电压供给电路2包括二极管D0、电阻R4、R5以及晶体管MN4。电流供给电路3包括两个电阻R1和晶体管MP2～MP5。电压生成电路4包括由两个电阻R2、电阻R3和偏置电阻ROFFSET构成的分压器。增益控制电路5包括放大器51。偏置电阻ROFFSET能够校准增益控制电路5或ADC中产生的偏移电压，例如可通过接收数字信号来改变电阻值的方式实现。
具体而言，晶体管MP0和晶体管MP1串联连接成二极管形式，晶体管MP0的第1端(源极)与输入电压VIN相连，晶体管MP1的第2端(漏极)与电阻R6的一端相连，电阻R6的另一端与由晶体管MN0～MN3构成的镜像电流源相连。二极管D0的负极与输入电压VIN连接，正极与电阻R4和R5的串联连接的一端相连，电阻R5的另一端与晶体管MN4的第1端(漏极)相连，晶体管MN4的栅极与镜像电流源的MN0、MN2的栅极连在一起。两个电阻R1并联连接在感应电组RSENSE的两端，晶体管MP2和MP3共栅连接，输入第1电压VBP1，晶体管MP4和MP5也共栅连接，输入第2电压VBP2，晶体管MP2的第1端(源极)与电阻R1的一端连接，其第2端(漏极)与晶体管MP4的第1端(源极)连接，晶体管MP3和MP5的连接也是相同的。电阻R2与电阻R3串联连接，另一个电阻R2与偏置电阻ROFFSET串联连接，该两个电阻R2中，一个与晶体管MP4的第2端(漏极)连接，另一个与晶体管MP5的第2端(漏极)连接，电阻R2与电阻R3之间的节点OUTP输出第1控制电压VOUTP，另一个电阻R2与偏置电阻ROFFSET之间的节点OUTN输出第2控制电压VOUTN。放大器的非反相输入端接收第1控制电压VOUTP，反相输入端接收第2控制电压VOUTN，放大器的输出与外部的ADC的输入相连。
在此，NMOS晶体管MN0～MN3、MN4、PMOS晶体管MP4和MP5是20V的高压晶体管(highvoltage Transistor)，其余的PMOS晶体管MP0～MP3是3V或5V的低压晶体管。
在第1电压供给电路1中，由晶体管MN0～MN3构成的镜像电流源从外部输入偏置电流IBIAS(例如大小可以是5～10μA)，生成第1电压VBP1。该第1电压VBP1的大小取决于二极管连接的晶体管MP0、MP1的沟道宽度和长度。
在电流供给电路3中，晶体管MP2和MP3进行源跟随动作(sourcefollower)，晶体管MP2和MP3的第1端(源极)电压是VBP1-VTH_P(VTH_P是PMOS晶体管的阈值电压，是负值)。假设输入电压的范围是4.5～21V，感应电组RSENSE＝20mΩ，ILOAD的范围是0～3A，则在RSENSE两端产生0～60mV的压降，因此在两个电阻R1上流过的电流会有所差异。该电流经过晶体管MP4和MP5之后在电阻R3和ROFFSET上产生电压。整理该过程可得下述数学式(2)。
由此可知，VOUTP-VOUTN具有R3/R1的增益。例如，流过电阻R3的电流I3和流过偏置电阻ROFFSET的电流I′3约为10μA，R1＝100KΩ，R3＝250KΩ时，数学式(2)中Gain＝R3/R1＝2.5。此时，VOUTP、VOUTN约为2.5V。
因此，与现有技术的增益0.111相比，能够得到约大于22.5(2.5/0.111≈22.5)倍的大信号。由于最前级的增益占整个信噪比(SNR)的大部分，因此，该Gain影响整个电流传感器的性能。并且，为提供适合于ADC的输入电压的增益也从现有技术的48.6dB降至21.6dB(30倍/2.5倍＝12倍，相当于21.6dB)。因此，能够大幅降低增益控制电路5的增益，能够实现更佳稳定的电路。
图5是表示电流传感器的变形例的电路图。与图4的电流传感器10相比，图5的电流传感器10′的增益控制电路5′还包括低通滤波器61。因此，图5的电流传感器能够过滤高频噪声，从而能够提高装置的信噪比。低通滤波器61可以是由电阻和电容构成无源滤波器，也可以是还包括放大器的有源滤波器。
另外，在图4和图5中，为了提供第1电压VBP1，将两个PMOS晶体管(MP0和MP1)串联连接成了二极管形式，但是也可以仅使用一个PMOS晶体管。设流过两个电阻R1的电流为I1、I′1，则该电流I1、I′1由该第1电压VBP1和R1的电阻值决定，该电流流过电阻R3而形成第1控制电压VOUTP，即VOUTP(≈VOUTN)＝I1×R3，而该电压是增益控制电路5的输入电压，因此要小于工作电压VDD。适当调整VBP1、R1和R3的大小，能够得到最大的数学式(2)的Gain。
此外，本实用新型的另一个特征是，电流传感器10与输入电压无关地感应电流。如以上说明，图4、图5中的晶体管MP4和MP5是20V的高压晶体管，因此这些晶体管的漏极-源极电压VDS可覆盖很宽的范围。输入电压大时，VDS变大，而输入电压小时，VDS变小，其结果流过电阻R3和ROFFSET的电流不会因输入电压而发生变化。因此，数学式(2)的Gain不受输入电压的影响，能够维持一定的数值，其结果ADC的数字输出也不会受到输入电压的影响。
高压晶体管的漏极-源极电压VDS可以很大，但是其中有一些元件不能输入较高的栅极-源极电压VGS。例如，20V的DEMOS管(Drain-extended MOS)或20V的LDMOS管(LaterallyDiffused MOS)的情况下，VDS可达20V，但是VGS的范围是5～6V。本实用新型的高压晶体管可以是DEMOS管，但是并不限于此，也可以利用其它元件。
另外，二极管D0提供晶体管MP4和MP5的栅极电压VBP2，可以是齐纳二极管，具有约6V的击穿电压，因此能够防止晶体管MP4和MP5的栅极-源极电压VGs过分变大。
此外，在本实用新型中，电阻R4、R5和R6起到稳定电流的作用，大小例如可以是几百kΩ，可根据用户的需求适当选择。这些电阻元件能够提高系统的稳定性，但是即便不设置这些电阻也不会影响电流传感器的动作。此外，晶体管MN4形成经由电阻R5的电流路径，使得二极管D0工作，当电流传感器不工作时，即IBLAS＝0时，晶体管MN4的栅极电压也变为零，因此能够消除经由二极管D0流过的漏电流。但是，即便不设置该晶体管MN4也不会影响电流传感器的动作。另外，偏置电流IBLAS例如可以是5～10μA，可根据用户的需求适当选择。
以上，详细说明了本实用新型的实施方式，但是本实用新型并不限于以上的实施方式，在本实用新型的技术思想范围内进行的变更、改进等均在本实用新型的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种电流传感器，包括：
第1电压供给电路，从外部输入偏置电流，并且接收输入电压，输出第1电压；
第2电压供给电路，接收所述输入电压，输出第2电压；
电流供给电路，连接在外部的感应电组的两端，接收所述第1电压和所述第2电压，输出第1电流和第2电流；
电压生成电路，接收所述第1电流和所述第2电流，生成第1控制电压和第2控制电压；和
增益控制电路，接收所述第1控制电压和所述第2控制电压，输出用于外部的模数转换器的电压。
2.根据权利要求1所述的电流传感器，其中，
所述第1电压供给电路包括：至少一个第1晶体管，其第1端接收所述输入电压，栅极与第2端连在一起；和镜像电流源，输入所述偏置电流，向所述第1晶体管的栅极提供所述第1电压，
所述第2电压供给电路包括：二极管，负极与所述输入电压连接，正极输出所述第2电压，
所述电流供给电路包括分别连接在所述感应电组的两端的两个第1电阻以及第2～第5晶体管，其中，所述第2晶体管和第3晶体管的栅极连接在一起输入所述第1电压，所述第4晶体管和第5晶体管的栅极连接在一起输入所述第2电压，所述第2晶体管的第1端与一方第1电阻的一端连接，所述第2晶体管的第2端与所述第4晶体管的第1端连接，所述第3晶体管的第1端与另一方第1电阻的一端连接，所述第3晶体管的第2端与所述第5晶体管的第1端连接，
所述电压生成电路包括：与所述第4晶体管的第2端连接的一方第2电阻；与所述第5晶体管的第2端连接的另一方第2电阻；与所述一方第2电阻串联连接的第3电阻；和与所述另一方第2电阻串联连接的偏置电阻，
所述增益控制电路包括：放大器，非反相输入端连接在所述一方第2电阻与所述第3电阻之间，输入所述第1控制电压，反相输入端连接在所述另一方第2电阻与所述偏置电阻之间，输入所述第2控制电压，输出端与所述模数转换器连接。
3.根据权利要求2所述的电流传感器，其中，
所述镜像电流源由高压NMOS晶体管构成，所述第4晶体管和所述第5晶体管是高压PMOS晶体管。
4.根据权利要求3所述的电流传感器，其中，
所述增益控制电路还包括在所述放大器的前级设置的低通滤波器。
5.根据权利要求4所述的电流传感器，其中，
所述第1～第3晶体管是低压PMOS晶体管。
6.根据权利要求2～5中任一项所述的电流传感器，其中，
所述第2电压供给电路还包括：与所述二极管串联连接的第4电阻和第5电阻；和第6晶体管，是高压NMOS晶体管，其第1端与所述第5电阻的一端连接，栅极与所述镜像电流源连接，第2端接地。
7.根据权利要求6所述的电流传感器，其中，
所述第1电压供给电路还包括：第6电阻，连接在所述第1晶体管的第2端与所述镜像电流源之间。
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|---|---|---|---|---|
| CN108226624A (zh) * | 2018-01-11 | 2018-06-29 | 江西联智集成电路有限公司 | 电流传感器以及电流感应方法 |
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