CN214539787U - 一种电流采样电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电流采样技术领域,公开了一种电流采样电路，包括电流镜电路、电压钳位电路和输出cascode电流镜电路；电流镜电路包括采样电路和镜像电路，采样电路包括多个并联的第一MOS管，镜像电路包括多个串联的第二MOS管，第一个第二MOS管的漏极向输出cascode电流镜电路输入第一镜像电流，输出cascode电流镜电路将第一镜像电流比例转换为第二镜像电流，第二镜像电流输入到采样电阻Rsense；电压钳位电路将第一MOS管的漏极电压和第一个第二MOS管的漏极电压钳至到同一电位，在实际使用时，由于第一MOS管和第一个第二MOS管的漏极电压相同，可以保证电流镜电路的采样比例，在需要高采样比例时可以降低采样电阻Rsense的精度要求。

Description

一种电流采样电路

技术领域

本实用新型涉及电流采样技术领域，具体涉及一种电流采样电路。

背景技术

目前，对于许多直流刷式电机或者步进电机来说采样并检测电流是其工作的必要条件，对于刷式电机来说，采样并检测到电流信息可以确定负载条件的变化，也可以用来限制启动电流或者失速电流。当电机处于启动期间，在到达稳态条件之前通常需要保持在某个特定的电流条件，如果没有电流调节功能，有可能会无法满足这种特定的条件从而导致无法正常启动。同时在电机驱动产生过流时，也能够通过电流采样与电流调节对芯片的电流进行调整或者进行过流保护。因此一种高精度的电流采样电路以及相对应的电流调节功能对于电机驱动芯片来说是十分的重要的。而传统的电机电流采用方式大多通过在电机外部并联电阻器接地从而对电流进行限制，产生分流器检测电机的电压降，然后与芯片内部或者外部的参考电压进行比较。这种电流采样方式因为是对于满载电流的采样，因此在外部并联的电阻器往往采用精度较高的功率电阻器，在需要满足高精度的同时也会占用较大的面积以及产生较高的成本。另外现有电流采样电路大多采用常规的电流镜架构，这样当检测很小的电流时对于采样电阻的精度要求很高，很难达到很高的采样比例，除此之外，现有电流采样电路一般都会在电流经过的采样管上进行，电流采样的精度会受到采样比例的影响，采样比例越大，精度越差，采样比例缩小又不仅会给增加电路的面积，还会给电路带来过多的额外功耗。

实用新型内容

鉴于背景技术的不足，本实用新型是提供了一种采样比例可调、高精度的电流采样电路。

为解决以上技术问题，本实用新型提供了如下技术方案：一种电流采样电路，包括电流镜电路、电压钳位电路和输出cascode电流镜电路；电流镜电路包括采样电路和镜像电路，采样电路包括至少两个第一MOS管，所有第一MOS管的漏极分别输入检测电流，所有第一MOS管的栅极输入第一驱动电压VIN，所有第一MOS管的源极接地；镜像电路包括至少两个第二MOS管，所有第二MOS管依次串联，串联是指上一个第二MOS管的源极与下一个第二MOS管的漏极电连接，第一个第二MOS管的漏极向输出cascode电流镜电路输入第一镜像电流，最后一个第二MOS管的源极接地，所有第二MOS管的栅极分别输入第一驱动电压VIN；输出cascode电流镜电路将第一镜像电流比例转换为第二镜像电流，第二镜像电流输入到采样电阻Rsense；电压钳位电路将第一MOS管的漏极电压和第一个第二MOS管的漏极电压钳至到目标电位。

在某种实施方式中，采样电路包括四个第一MOS管，镜像电路包括三个第二MOS管。

在某种实施方式中，电压钳位电路包括误差放大器AMP和输出管MN1，误差放大器AMP的正极与第一MOS管的漏极电连接，误差放大器的负极与第一个第二MOS管的漏极电连接，误差放大器的输出信号输入到输出管MN1的栅极，第一镜像电流通过输出管MN1的源极和漏极输入到输出cascode电流镜电路。

在某种实施方式中，误差放大器包括一级放大电路、二级放大电路、三级放大电路和偏置电流产生电路；

偏置电流产生电路产生第一偏置电流、第二偏置电流和第三偏置电流；

一级放大电路包括MOS管M1、M2、M3、M4和M13，第一偏置电流输入到MOS管M1和M2的源极，MOS管M1的栅极是误差放大器AMP的负极，MOS管M2的栅极是误差放大器AMP的正极，MOS管M1的漏极与MOS管M3的漏极电连接，MOS管M2的漏极与MOS管M4的漏极电连接，MOS管M3、M4和M13的源极分别接地，MOS管M3的栅极、MOS管M4的栅极、MOS管M13的栅极和漏极分别和电源V1电连接；

二级放大电路包括MOS管M14、M15、M16、M17、M18和M19，MOS管M14和M15的源极分别与电源V2电连接，MOS管M14的栅极分别和MOS管M14的漏极、MOS管M15的栅极和MOS管M16的漏极电连接，MOS管M15的漏极与MOS管M17的漏极电连接，MOS管M16和M17的栅极分别输入第二偏置电流，MOS管M16的源极分别与MOS管M2的漏极和MOS管M18的源极电连接，MOS管M17的源极分别与MOS管M1的漏极和MOS管M19的源极电连接，MOS管M18和M19的栅极分别输入使能电压V3和使能电压V4，MOS管M18和M19的漏极分别接地；三级放大电路包括MOS管M20和M21，MOS管M20的源极与电源V2电连接，MOS管M20的栅极与MOS管M15的漏极电连接，MOS管M20的漏极分别和输出管MN1的栅极电连接，第三偏置电流输入到MOS管M21的栅极，MOS管M21的源极接地。

在某种实施方式中，MOS管M18和M19的漏极通过修调模块接地，修调模块包括MOS管M60、M61、M62、M63、M64、M65、M66和M67，MOS管M60、M61、M62和M63的漏极分别与MOS管M18和M19的漏极电连接，MOS管M60、M61、M62和M63的栅极分别接入第一控制信号EN1、第二控制信号EN2、第三控制信号EN3和第四控制信号EN4，MOS管M60、M61、M62和M63的源极分别和MOS管M64、M65、M66和M67的漏极电连接，MOS管M64、M65、M66和M67的栅极分别接入电压Vbias，MOS管M64、M65、M66和M67的源极接地。

在某种实施方式中，输出cascode电流镜电路包括功率管MP1、MP2、MP3和MP4，功率管MP1和MP2的源极分别和电源VDD电连接，功率管MP1的漏极和功率管MP3的漏极电连接，功率管MP2的漏极和功率管MP4的漏极电连接，功率管MP1的栅极分别和功率管MP2的栅极、功率管MP3的源极和输出管MN1的漏极电连接，功率管MP3和MP4的栅极分别和驱动电压V5电连接，功率管MP4的源极与采样电阻Rsense一端电连接，采样电阻Rsense另一端接地。

在某种实施方式中，采样电阻Rsense未接地的一端与MCU的数模转换接口电连接，所述MCU对采样电阻Rsense的电压进行模数转换。

本实用新型与现有技术相比所具有的有益效果是：

1：采样电路由至少两个第一MOS管并联组成，在保证高采样比例的前提下，避免了在需要较高采样比例时单个采样管的尺寸过大，而且也能拥有更好的版图匹配性；

2：通过误差放大器将第一MOS管的漏极电压和第一个第二MOS管的漏极电压钳到同一电位，当第一MOS管的栅极电压和第二MOS管的栅极电压相同时，第一MOS管和第二MOS管能够线性导通，进而确保电流镜电路的采样精度，这样在需要高采样比例时不用额外设置高精度的采样电阻；

3：在实际使用时，通过调节输出cascode电流镜电路的电流转换比例，可以降低在高采样比例时对采样电阻的要求；另外通过输出cascode电流镜电路的功率管MP3和MP4的输出阻抗，可以提高电源抑制比，增大输出cascode电流镜电路的采样精度；

4：在实际使用时，本实用新型可以应用于电机驱动芯片在低侧进行电流采样，当电机处于独立的PWM模式且两个低侧MOSFET在同时传感电流的时候，两个低侧MOSFET的电流可以输入到输出cascode电流镜电路中进行检测，只需使用一个电流采样电路便能检测两个低侧MOSFET的电流，减小了功耗和降低了成本，同时也能允许在驱动和制动低侧慢速衰减期间检测电机绕组电流，从而能够在双向有刷直流电机中联系检测电流。

附图说明

本实用新型有如下附图：

图1为本实用新型的电路图；

图2为本实用新型的误差放大器的电路图；

图3为本实用新型的修调模块的电路图；

图4为本实用新型的仿真图。

具体实施方式

现在结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成。

如图1所示，一种电流采样电路，包括电流镜电路1、电压钳位电路2和输出cascode电流镜电路3；电流镜电路1包括采样电路10和镜像电路11，采样电路10包括至少两个第一MOS管M101，所有第一MOS管M101的漏极分别输入检测电流，所有第一MOS管M101的栅极分别输入第一驱动电压VIN，所有第一MOS管M101的源极接地；镜像电路11包括至少两个第二MOS管M102，所有第二MOS管M102依次串联，串联是指上一个第二MOS管M102的源极与下一个第二MOS管M102的漏极电连接，第一个第二MOS管M102的漏极向输出cascode电流镜电路3输入第一镜像电流，最后一个第二MOS管M102的源极接地，所有第二MOS管M102的栅极分别与输入第一驱动电压VIN；输出cascode电流镜电路3将第一镜像电流比例转换为第二镜像电流，第二镜像电流输入到采样电阻Rsense；电压钳位电路2将第一MOS管M101的漏极电压和第一个第二MOS管M102的漏极电压钳至到同一电位。

具体的，本实施例中，采样电路10包括四个第一MOS管M101，镜像电路11包括三个第二MOS管M102，通过将四个第一MOS管M101并联并将三个第二MOS管M102串联，使其电流比例为1：K，使得镜像电路镜像到的理想电流值为I_sense＝I_in/K。在理想情况下MOS管处于线性区的漏极电流应为：

因此若想第二MOS管M102与第一MOS管M101的电流能够与尺寸成比例则需要两个管子的漏极电压与栅极电压相同，而这两个管子的漏极电位的不同会导致漏极电流的不同，同时也会导致严重的沟道长度调制效应，从而导致采样电流的精度较低，因此需要采用电压钳位电路2将第一MOS管M101和第二MOS管M102的漏端电压钳位到目标电位，确保电流镜电路1的高采样比例。

具体的，本实施例中，输出cascode电流镜电路3包括功率管MP1、MP2、MP3和MP4，功率管MP1和MP2的源极分别和电源VDD电连接，功率管MP1的漏极和功率管MP3的漏极电连接，功率管MP2的漏极和功率管MP4的漏极电连接，功率管MP1的栅极分别和功率管MP2的栅极、功率管MP3的源极和输出管MN1的漏极电连接，功率管MP3和MP4的栅极分别和驱动电压V5电连接，功率管MP4的源极与采样电阻Rsense一端电连接，采样电阻Rsense另一端接地，其中功率管MP1和MP2组成了电流镜结构，其比例为1：1，在实际使用时，如果所需采样的电流值过小，可以适当调整该电流镜结构的比例来降低对采样电阻Rsense的精度要求。

具体的，本实施例中，电压钳位电路2包括误差放大器AMP和输出管MN1，误差放大器AMP的正极与第一MOS管M101的漏极电连接，误差放大器AMP的负极与第一个第二MOS管M102的漏极电连接，误差放大器AMP的输出信号输入到输出管MN1的栅极，第一镜像电流通过输出管MN1的源极和漏极输入到输出cascode电流镜电路。

如图2所示，本实施例中，误差放大器AMP包括一级放大电路21、二级放大电路22、三级放大电路23和偏置电流产生电路20；

偏置电流产生电路20产生第一偏置电流、第二偏置电流和第三偏置电流；

偏置电流产生电路20包括MOS管M5、M6、M7、M8、M9、M10、M11、M12、M22、M23和两个电阻，其中MOS管M5、M6、M7和M8构成了共源共栅电流镜，由电源I2提供偏置电流，共源共栅电流镜产生第一偏置电流和第二偏置电流，增大了误差放大器AMP的电源抑制比，其中第一偏置电流通过MOS管M5的漏极输入到一级放大电路21，第二偏置电流通过MOS管M7的漏极输入到二级放大电路22；

一级放大电路21包括MOS管M1、M2、M3、M4和M13，第一偏置电流输入到MOS管M1和M2的源极，MOS管M1的栅极是误差放大器AMP的负极，MOS管M2的栅极是误差放大器AMP的正极，MOS管M1的漏极与MOS管M3的漏极电连接，MOS管M2的漏极与MOS管M4的漏极电连接，MOS管M3、M4和M13的源极分别接地，MOS管M3的栅极、MOS管M4的栅极、MOS管M13的栅极和漏极分别和电源V1电连接；

另外，本实施例中，为了保证一级放大电路20在使用时的频率特性和稳定性，MOS管M1和M2的漏极分别连接有补偿电容；

二级放大电路22包括MOS管M14、M15、M16、M17、M18和M19，MOS管M14和M15的源极分别与电源V2电连接，MOS管M14的栅极分别和MOS管M14的漏极、MOS管M15的栅极和MOS管M16的漏极电连接，MOS管M15的漏极与MOS管M17的漏极电连接，MOS管M16和M17的栅极分别输入第二偏置电流，MOS管M16的源极分别与MOS管M2的漏极和MOS管M18的源极电连接，MOS管M17的源极分别与MOS管M1的漏极和MOS管M19的源极电连接，MOS管M18和M19的栅极分别输入使能电压V3和使能电压V4，使能电压V3和使能电压V4使MOS管M18和M19导通，MOS管M18和M19的漏极分别接地；在实际实用时，一级放大电路21的双端输出电压输入到MOS管M16和M17的源极，二级放大电路22将双端输入转换为单独电压输出到三级放大电路23；

三级放大电路23包括MOS管M20和M21，MOS管M21和M22构成了电流镜结构，电源I2向三级放大电路23提供第三偏置电流，第三偏置电流输入到MOS管M21的栅极，MOS管M20的源极与电源V2电连接，MOS管M20的栅极与功率管M15的漏极电连接，MOS管M20的漏极分别和输出管MN1的栅极电连接，第三偏置电流输入到MOS管M21的栅极，MOS管M21的源极接地。

在设计过程中，误差放大器AMP中地所有MOS管可以是NMOS管或者PMOS管。

作为改进，本实施例中，MOS管M18和M19的漏极通过修调模块接地，修调模块包括N型MOS管M60、M61、M62、M63、M64、M65、M66和M67，MOS管M60、M61、M62和M63的漏极分别与MOS管M18和M19的漏极电连接，MOS管M60、M61、M62和M63的栅极分别接入第一控制信号EN1、第二控制信号EN2、第三控制信号EN3和第四控制信号EN4，MOS管M60、M61、M62和M63的源极分别和所述MOS管M64、M65、M66和M67的漏极电连接，MOS管M64、M65、M66和M67的栅极分别接入电压Vbias，MOS管M64、M65、M66和M67的源极接地。

在实际使用时，通过控制第一控制信号EN1、第二控制信号EN2、第三控制信号EN3和第四控制信号EN4的高低电平可以使相应的MOS管导通或者关闭，而MOS管M60、M61、M62和M63中的一个或者多个关闭时会改变二级放大电路22的偏置电流，进而能减小误差放大器的失调。

本实用新型的电压钳位电路的工作原理如下：在实际使用时，如果电压V_SENSE下降则输入到二级放大电路22的电压则会增大，增大的电压输入到MOS管M15的栅极使其输入到MOS管M20的栅极的电压变小，而MOS管M20由于其栅极的输入电压变小，MOS管M20的漏极输出电压变大即误差放大器AMP输入到输出管MN1的栅极电压变大，进而使得减小的电压V_SENSE增大，达到电压钳位的作用；如果电压V_SENSE增大，则反之，MOS管M20的漏极输入到输出管MN1的栅极电压变小；如果电压V_DRV增大，则A点输入到二级放大电路22的电压将会变小，则二级放大电路22输入到三级放大电路23的电压将会变小，即MOS管M20的栅极电压会变小，因此最后输入到输出管MN1的栅极电压将会变大，使第一MOS管M101的漏极电压变大,保持和第二MOS管M102的漏极电压相同，从而能够达到电压钳位的作用。

在某种实施方式中，采样电阻Rsense未接地的一端与MCU的数模转换接口电连接，MCU对采样电阻Rsense的电压进行模数转换，以此实现电流检测。

图4中，IDRV为待检测电流，Isense为流过采样电阻Rsense的检测电流，MNDRV为第一功率管M101的漏极电压，MNsense为第二功率管M102的漏极电压，从图4中可以得到，在进行仿真时，可见第一功率管M101和第二功率管M102的漏极电压相差仅为0.7MV，Isense为采样比例1：1000后的采样电流为1.0339mA，IDRV为所需采样的电流为969.72mA，可采样电流的绝对精度约为百分之6。

综上，本实用新型在实际使用时具有以下效果：

1：采样电路10由至少两个第一MOS管M101并联组成，在保证高采样比例的前提下，避免了在需要较高采样比例时单个采样管的尺寸过大，而且也能拥有更好的版图匹配性；

2：通过误差放大器AMP将第一MOS管M101的漏极电压和第一个第二MOS管M102的漏极电压钳到同一电位，当第一MOS管M101的栅极电压和第二MOS管M02的栅极电压相同时，第一MOS管M101和第二MOS管M102能够线性导通，进而确保电流镜电路1的采样精度，这样在需要高采样比例时不用额外设置高精度的采样电阻Rsense；

3：在实际使用时，通过调节输出cascode电流镜电路3的电流转换比例，可以降低在高采样比例时对采样电阻Rsene的要求；另外通过输出cascode电流镜电路3的功率管MP3和MP4的输出阻抗，可以提高电源抑制比，增大电流镜电路的采样精度；

4：在实际使用时，本实用新型可以应用于电机驱动芯片在低侧进行电流采样，减小了功耗和降低了成本，同时也能允许在驱动和制动低侧慢速衰减期间检测电机绕组电流，从而能够在双向有刷直流电机中联系检测电流。当电机驱动芯片处于独立的PWM模式且两个低侧的MOSFET在同时传输电流时，两路采样电流都可以输入到输出cascode电流镜电路中，此时流过采样电阻Rsense的检测电流为两个低侧MOSFET的电流之和，能够达到1：1000的采样比例且感应电流与采样电流之间的绝对误差为6％。

上述依据本实用新型为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (7)

1.一种电流采样电路，其特征在于：包括电流镜电路、电压钳位电路和输出cascode电流镜电路；所述电流镜电路包括采样电路和镜像电路，所述采样电路包括至少两个第一MOS管，所有第一MOS管的漏极分别输入检测电流，所有第一MOS管的栅极输入第一驱动电压VIN，所有第一MOS管的源极接地；所述镜像电路包括至少两个第二MOS管，所有第二MOS管依次串联，所述串联是指上一个第二MOS管的源极与下一个第二MOS管的漏极电连接，第一个第二MOS管的漏极向所述输出cascode电流镜电路输入第一镜像电流，最后一个第二MOS管的源极接地，所有第二MOS管的栅极分别输入所述第一驱动电压VIN；所述输出cascode电流镜电路将所述第一镜像电流比例转换为第二镜像电流，所述第二镜像电流输入到采样电阻Rsense；所述电压钳位电路将第一MOS管的漏极电压和第一个第二MOS管的漏极电压钳至到目标电位。

2.根据权利要求1所述的一种电流采样电路，其特征在于：所述采样电路包括四个第一MOS管，所述镜像电路包括三个第二MOS管。

3.根据权利要求1或2所述的一种电流采样电路，其特征在于：所述电压钳位电路包括误差放大器AMP和输出管MN1，所述误差放大器AMP的正极与所述第一MOS管的漏极电连接，所述误差放大器的负极与第一个第二MOS管的漏极电连接，所述误差放大器的输出信号输入到输出管MN1的栅极，所述第一镜像电流通过输出管MN1的源极和漏极输入到所述输出cascode电流镜电路。

4.根据权利要求3所述的一种电流采样电路，其特征在于：所述误差放大器包括一级放大电路、二级放大电路、三级放大电路和偏置电流产生电路；所述偏置电流产生电路产生第一偏置电流、第二偏置电流和第三偏置电流；所述一级放大电路包括MOS管M1、M2、M3、M4和M13，所述第一偏置电流输入到MOS管M1和M2的源极，所述MOS管M1的栅极是误差放大器AMP的负极，所述MOS管M2的栅极是误差放大器AMP的正极，所述MOS管M1的漏极与MOS管M3的漏极电连接，所述MOS管M2的漏极与MOS管M4的漏极电连接，所述MOS管M3、M4和M13的源极分别接地，所述MOS管M3的栅极、MOS管M4的栅极、MOS管M13的栅极和漏极分别和电源V1电连接；所述二级放大电路包括MOS管M14、M15、M16、M17、M18和M19，所述MOS管M14和M15的源极分别与电源V2电连接，所述MOS管M14的栅极分别和MOS管M14的漏极、MOS管M15的栅极和MOS管M16的漏极电连接，所述MOS管M15的漏极与MOS管M17的漏极电连接，所述MOS管M16和M17的栅极分别输入第二偏置电流，所述MOS管M16的源极分别与MOS管M2的漏极和MOS管M18的源极电连接，所述MOS管M17的源极分别与MOS管M1的漏极和MOS管M19的源极电连接，所述MOS管M18和M19的栅极分别输入使能电压V3和使能电压V4，所述MOS管M18和M19的漏极分别接地；所述三级放大电路包括MOS管M20和M21，所述MOS管M20的源极与电源V2电连接，所述MOS管M20的栅极与MOS管M15的漏极电连接，MOS管M20的漏极分别和输出管MN1的栅极电连接，第三偏置电流输入到MOS管M21的栅极，MOS管M21的源极接地。

5.根据权利要求4所述的一种电流采样电路，其特征在于：所述MOS管M18和M19的漏极通过修调模块接地，所述修调模块包括MOS管M60、M61、M62、M63、M64、M65、M66和M67，所述MOS管M60、M61、M62和M63的漏极分别与MOS管M18和M19的漏极电连接，所述MOS管M60、M61、M62和M63的栅极分别接入第一控制信号EN1、第二控制信号EN2、第三控制信号EN3和第四控制信号EN4，所述MOS管M60、M61、M62和M63的源极分别和所述MOS管M64、M65、M66和M67的漏极电连接，所述MOS管M64、M65、M66和M67的栅极分别接入电压Vbias，所述MOS管M64、M65、M66和M67的源极接地。

6.根据权利要求3所述的一种电流采样电路，其特征在于：所述输出cascode电流镜电路包括功率管MP1、MP2、MP3和MP4，功率管MP1和MP2的源极分别和电源VDD电连接，功率管MP1的漏极和功率管MP3的漏极电连接，功率管MP2的漏极和功率管MP4的漏极电连接，功率管MP1的栅极分别和功率管MP2的栅极、功率管MP3的源极和输出管MN1的漏极电连接，功率管MP3和MP4的栅极分别和驱动电压V5电连接，功率管MP4的源极与采样电阻Rsense一端电连接，所述采样电阻Rsense另一端接地。

7.根据权利要求6所述的一种电流采样电路，其特征在于：所述采样电阻Rsense未接地的一端与MCU的数模转换接口电连接，所述MCU对采样电阻Rsense的电压进行模数转换。

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