DE102015222570A1

DE102015222570A1 - Schaltung und verfahren zur stromerfassung mit hoher genauigkeit

Info

Publication number: DE102015222570A1
Application number: DE102015222570.4A
Authority: DE
Inventors: Danilo Gerna; Enrico Pardi
Original assignee: Dialog Semiconductor UK Ltd
Current assignee: Dialog Semiconductor UK Ltd
Priority date: 2015-11-16
Filing date: 2015-11-16
Publication date: 2017-05-18
Anticipated expiration: 2035-11-17
Also published as: DE102015222570B4; US10205378B2; US20170141676A1

Abstract

Diese Anmeldung betrifft eine Schaltung zum Vorsehen eines Stroms, der von einer Versorgungsspannung in eine elektrische Last 30 fließt. Die Schaltung weist auf einen ersten Schaltungszweig, der zwischen der Versorgungsspannung und einem mit der elektrischen Last 30 verbindbaren Ausgangsknoten 15 verbunden ist, wobei der erste Schaltungszweig eine erste Transistorvorrichtung 10 aufweist, einen zweiten Schaltungszweig, der zwischen der Versorgungsspannung und einem vorgegebenen Spannungspegel verbunden ist, wobei der zweite Schaltungszweig eine Serienverbindung einer zweiten Transistorvorrichtung 20, die eine skalierte Replik der ersten Transistorvorrichtung 10 ist, und einer Stromquelle 50 aufweist, und wobei Steueranschlüsse der ersten und zweiten Transistorvorrichtungen 10, 20 miteinander verbunden sind, eine Rückkopplungsschaltung, die Spannungen an jeweiligen Ausgangsanschlüssen der ersten Transistorvorrichtung 10 und der zweiten Transistorvorrichtung 20 als Eingangsspannungen empfängt, wobei die Rückkopplungsschaltung konfiguriert ist zum Durchführen einer Rückkopplungssteuerung, um die Eingangsspannungen auszugleichen, und eine Steuerschaltung zum Steuern einer Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung 10, wobei die Steuerschaltung konfiguriert ist zum Steuern der Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung 10 basierend auf einer Quantität, die einen durch die erste Transistorvorrichtung 10 fließenden Strom angibt oder von diesem abhängt. Die Anmeldung betrifft weiter ein Verfahren für den Betrieb einer derartigen Schaltung.

Description

Technischer Bereich
Diese Anmeldung betrifft Schaltungen und Verfahren zum Erfassen (oder Steuern) eines Stroms, der von einer Versorgungsspannung in eine elektrische Last fließt. Die Anmeldung betrifft insbesondere solche Schaltungen und Verfahren, die eine genaue und schnelle Erfassung (oder Steuerung) des Stroms in einer Direktladearchitektur ermöglichen.
Hintergrund
Eine Stromerfassung ist für viele Anwendungen erforderlich, einschließlich einer Laststromsteuerung, zum Beispiel für Ladegeräte für tragbare Vorrichtungen. Bei derartigen Anwendungen ist es wichtig, eine schnelle und genaue Messung verfügbar zu haben, wie viel Strom in die Last fließt, zum Beispiel für einen zuverlässigen Betrieb und eine Steuerung einer Spannungsversorgung. Für Direktladearchitekturen ist es üblich, einen externen Widerstand zum Messen des Ladestroms zu verwenden, der in die Batterie fließt. Dieses Verfahren erfordert jedoch einen zusätzlichen Anschluss zum Verbinden des externen Widerstands, und dessen Genauigkeit hängt entscheidend von der Genauigkeit des externen Widerstands ab. Weiter muss auf die Gestaltung der Leiterplatte (PCB – printed circuit board) für die Direktladearchitektur, die Baugruppe und den Eingangsverstärker geachtet werden, um eine hohe Genauigkeit sicherzustellen. Insbesondere für niedrige Ladeströme können Probleme einer elektromagnetischen Kompatibilität (EMV) und elektromagnetische Störungen eine Genauigkeit einer Strommessung beeinträchtigen.
Als Alternative zur Verwendung von externen Widerständen kann der Ladestrom durch Anpassen einer Durchlassvorrichtung gemessen werden, die den Ladestrom vorsieht, durch eine kleine Replik derart, dass ein Bruchteil des Ladestroms durch die Replik der Durchlassvorrichtung fließt. Jedoch kann insbesondere bei kleinen Ladeströmen eine Genauigkeit des Verhältnisses des durch die Durchlassvorrichtung fließenden Stroms und des durch die Replik fließenden Stroms in herkömmlichen Direktladearchitekturen nicht sichergestellt werden, wodurch eine Genauigkeit einer Strommessung für kleine Ladeströme beeinträchtigt wird.
Somit besteht ein Bedarf für eine verbesserte Schaltung zum Vorsehen (einschließlich Erfassen und/oder Steuern) eines Stroms, der von einer Versorgungsspannung in eine elektrische Last fließt, und für ein verbessertes Verfahren für einen Betrieb einer derartigen Schaltung. Es besteht weiter ein Bedarf für eine Schaltung zum Vorsehen eines Stroms, der von einer Versorgungsspannung in eine elektrische Last fließt, die eine hohe Genauigkeit der Stromerfassung oder Stromsteuerung auch für kleine Ströme sicherstellt.
Zusammenfassung
Im Hinblick auf diese Notwendigkeit schlägt das vorliegende Dokument eine Schaltung vor zum Vorsehen eines Stroms, der von einer Versorgungsspannung in eine elektrische Last fließt, und ein Verfahren zum Steuern einer derartigen Schaltung, mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Ansprüche.
Ein Aspekt der Offenbarung betrifft eine Schaltung zur Vorsehen eines Stroms, der von einer Versorgungsspannung in eine elektrische Last fließt. Die elektrische Last kann zum Beispiel eine Batterie sein. Demgemäß kann die Schaltung zum Beispiel eine Ladeschaltung sein und der Strom kann ein Ladestrom sein. Die Schaltung kann einen ersten Schaltungszweig aufweisen, der zwischen der Versorgungsspannung und einem Ausgangsknoten verbunden ist, der mit der elektrischen Last verbindbar ist. Der erste Schaltungszweig kann eine erste Transistorvorrichtung (Durchlasstransistor) aufweisen. Die Schaltung kann weiter einen zweiten Schaltungszweig aufweisen, der zwischen der Versorgungsspannung und einem vorgegebenen Spannungspegel verbunden ist. Der vorgegebene Spannungspegel kann zum Beispiel der Massespannungspegel (V_SS) sein. Der zweite Schaltungszweig kann eine Serienverbindung einer zweiten Transistorvorrichtung (Erfassungstransistor), die eine skalierte Replik der ersten Transistorvorrichtung ist, und einer Stromquelle aufweisen. Die ersten und zweiten Transistorvorrichtungen können MOSFETs sein, wie zum Beispiel NMOS- oder PMOS-Transistoren. Wenn die ersten und zweiten Transistorvorrichtungen PMOS-Transistoren sind, kann der vorgegebene Spannungspegel niedriger als die Versorgungsspannung sein. Wenn die ersten und zweiten Transistorvorrichtungen NMOS-Transistoren sind, kann der vorgegebene Spannungspegel höher sein als die Versorgungsspannung. Steueranschlüsse (zum Beispiel Gate-Anschlüsse) der ersten und zweiten Transistorvorrichtungen können miteinander verbunden sein. Die Schaltung kann weiter eine Rückkopplungsschaltung aufweisen, die Spannungen an jeweiligen Ausgangsanschlüssen (zum Beispiel Drain-Anschlüssen) der ersten Transistorvorrichtung und der zweiten Transistorvorrichtung als Eingangsspannungen empfängt. Die Rückkopplungsschaltung kann eine negative Rückkopplungsschaltung sein. Die Rückkopplungsschaltung kann konfiguriert sein zum Durchführen einer Rückkopplungssteuerung, um die Eingangsspannungen auszugleichen. In anderen Worten, die Rückkopplungsschaltung kann konfiguriert sein zum Ausgleichen eines ersten Spannungsabfalls über der ersten Transistorvorrichtung (zum Beispiel die Source-Drain-Spannung V_DS der ersten Transistorvorrichtung) und eines zweiten Spannungsabfalls über der zweiten Transistorvorrichtung (zum Beispiel die Source-Drain-Spannung V_DS der zweiten Transistorvorrichtung), d. h. um eine Differenz zwischen den ersten und dem zweiten Spannungsabfällen im Wesentlichen aufzuheben. Die Rückkopplungsschaltung kann zum Beispiel ein V_DS-Ausgleicher sein. Die Schaltung kann weiter eine Steuerschaltung zum Steuern einer Spannung (zum Beispiel Gate-Spannung) an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung aufweisen. Die Steuerschaltung kann konfiguriert sein zum Steuern der Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung basierend auf einer Quantität, die einen Strom (zum Beispiel Ladestrom) angibt oder von diesem abhängt, der durch die erste Transistorvorrichtung fließt. Die Quantität kann sich auf den ersten Spannungsabfall über die erste Transistorvorrichtung oder auf einen Steuerwert zum Setzen des durch die erste Transistorvorrichtung fließenden Stroms beziehen, zum Beispiel.
Wie oben konfiguriert, kann die Schaltung zum Vorsehen eines Stroms, der von der Versorgungsspannung in die elektrische Last fließt, eine hohe Genauigkeit der Stromerfassung (Stromsteuerung) erreichen, ohne die Verwendung von externen Komponenten, wie externen Widerständen, zu erfordern. Demgemäß erfordert die Schaltung keine zusätzlichen Anschlüsse zum Verbinden derartiger externer Komponenten und kann somit vereinfacht werden. Da die Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung basierend auf einer Quantität gesteuert wird, die den Strom, der durch die erste Transistorvorrichtung fließt, angibt oder von diesem abhängig ist, kann eine hohe Genauigkeit einer Stromerfassung (oder Steuerung) auch für sehr niedrige Ströme sichergestellt werden. Insbesondere kann durch Vorsehen einer derartigen Steuerung der Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung verhindert werden, dass der Spannungsabfall (zum Beispiel Source-Drain-Spannung V_DS) über der ersten Transistorvorrichtung zu klein wird, zum Beispiel Werte vergleichbar mit einem Offset der Rückkopplungsschaltung annimmt. Durch Sicherstellen eines ausreichend hohen Spannungsabfalls kann verhindert werden, dass der Offset der Rückkopplungsschaltung eine Genauigkeit der Rückkopplungsschaltung und somit der Stromerfassung (oder Stromsteuerung) signifikant beeinträchtigt. Zusätzlich zur Sicherstellung einer hohen Genauigkeit der Stromerfassung ermöglicht die obige Konfiguration auch, Gestaltungsbeschränkungen für die Rückkopplungsschaltung, insbesondere für darin enthaltene Operationsverstärker, zu lockern.
In Ausführungsbeispielen kann die Steuerschaltung konfiguriert sein zum Steuern der Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung basierend auf einer Quantität, die einen Strom angibt, der durch die Stromquelle erzeugt wird (zum Beispiel beseitigt). In der obigen Konfiguration kann der durch die erste Transistorvorrichtung fließende Strom durch den durch die zweite Transistorvorrichtung fließenden Strom gesetzt werden, d. h. durch den von der Stromquelle erzeugten Strom. Somit bietet der von der Stromquelle erzeugte Strom eine Angabe des durch die erste Transistorvorrichtung fließenden Stroms und somit des ersten Spannungsabfalls über der ersten Transistorvorrichtung. Durch Steuern der Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung basierend auf der Quantität, die den Strom angibt, der durch die Stromquelle erzeugt wird, kann eine schnelle Steuerungsreaktion durch die Steuerschaltung auf eine besonders einfache Weise erzielt werden.
In Ausführungsbeispielen kann die Stromquelle eine steuerbare (d. h. programmierbare) Stromquelle sein. Die Steuerschaltung kann konfiguriert sein zum Steuern der Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung basierend auf einem Steuerwert zum Steuern der steuerbaren Stromquelle. Die Steuerschaltung kann einen Digital-zu-Analog-Wandler (DAC – digital-to-analog converter) aufweisen zum Umwandeln des Steuerwerts in eine Spannung, die an den Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung angelegt werden kann oder verwendet werden kann, um anderweitig die Spannung an dem Steueranschluss der erste Transistorvorrichtung zu steuern. Durch direktes Einsetzen des Steuerwerts zum Steuern der Stromquelle auch zum Steuern der Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung kann die Schaltung mit einer besonders einfachen und kostengünstigen Gestaltung implementiert werden.
In Ausführungsbeispielen kann die Steuerschaltung konfiguriert sein zum Steuern der Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung basierend auf einer Spannungsdifferenz zwischen einer Spannung an einem Eingangsanschluss (zum Beispiel Source-Anschluss) der ersten Transistorvorrichtung und der Spannung an dem Ausganganschluss der ersten Transistorvorrichtung (zum Beispiel basierend auf der Source-Drain-Spannung V_DS der ersten Transistorvorrichtung). Da die Spannungsdifferenz eine direkte Angabe des relativen Einflusses des Offsets der Rückkopplungsschaltung bietet, kann zuverlässig verhindert werden, dass der Offset die Genauigkeit einer Stromerfassung (oder Stromsteuerung) auf einem gewünschten Pegel beeinflusst.
In Ausführungsbeispielen kann die Steuerschaltung konfiguriert sein zum Steuern der Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung auf eine erste Spannung, wenn die Spannungsdifferenz über einer ersten Schwellenspannung ist, und auf eine zweite Spannung, die sich von der ersten Spannung unterscheidet, wenn die Spannungsdifferenz unter der ersten Schwellenspannung ist. Die erste Spannung kann dem vorgegebenen Spannungspegel entsprechen. Die zweite Spannung kann derart gewählt werden, dass ein Ein-Zustand-Widerstand (zum Beispiel Ein-Zustand-Source-Drain-Widerstand) der ersten Transistorvorrichtung zwischen ihrem Eingangsanschluss und Ausgangsanschluss zunimmt, wenn sich die Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung von der ersten Spannung zu der zweiten Spannung ändert. Die zweite Spannung kann näher an der Versorgungsspannung sein als die erste Spannung. Die zweite Spannung kann höher sein als die erste Spannung, wenn die ersten und zweiten Transistorvorrichtungen PMOS-Transistoren sind, und kann niedriger sein als die erste Spannung, wenn die ersten und zweiten Transistorvorrichtungen NMOS-Transistoren sind. Demgemäß kann die Gate-Source-Spannung V_GS in dem Fall eines Anlegens der zweiten Spannung an den Gate-Anschluss der ersten Transistorvorrichtung niedriger sein als die Gate-Source-Spannung V_GS in dem Fall eines Anlegens der ersten Spannung an den Gate-Anschluss der ersten Transistorvorrichtung.
Demgemäß kann, sobald der Spannungsabfall über der ersten Transistorvorrichtung zu klein wird, um einen gewünschten Genauigkeitsgrad der Stromerfassung (oder Stromsteuerung) vorzusehen, die Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung derart angepasst werden, dass der Ein-Zustand-Widerstand der ersten Transistorvorrichtung erhöht wird und der Spannungsabfall verstärkt wird. Dadurch kann die Genauigkeit der Stromerfassung (oder Stromsteuerung) verbessert werden, wie oben beschrieben. Andererseits wird eine Leistungseffizienz der Schaltung durch diese Maßnahme nicht signifikant beeinflusst, da die Erhöhung des Ein-Zustand-Widerstands der ersten Transistorvorrichtung nur für niedrige Ströme stattfindet.
In Ausführungsbeispielen kann die Steuerschaltung weiter konfiguriert sein zum Steuern der Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung auf eine dritte Spannung, die sich von den ersten und zweiten Spannungen unterscheidet, wenn die Spannungsdifferenz über einer zweiten Schwellenspannung ist, die größer als die erste Schwellenspannung ist. Die dritte Spannung kann derart gewählt werden, dass ein Ein-Zustand-Widerstand der ersten Transistorvorrichtung zwischen ihrem Eingangsanschluss und Ausgangsanschluss abnimmt, wenn sich die Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung von der ersten Spannung zu der dritten Spannung ändert. Die dritte Spannung kann von der Versorgungsspannung weiter entfernt sein als die erste Spannung. Die dritte Spannung kann niedriger als die erste Spannung sein, wenn die ersten und zweiten Transistorvorrichtungen PMOS-Transistoren sind, und kann höher sein als die erste Spannung, wenn die ersten und zweiten Transistorvorrichtungen NMOS-Transistoren sind. Demgemäß wäre die Gate-Source-Spannung V_GS in dem Fall eines Anlegens der dritten Spannung an den Gate-Anschluss der ersten Transistorvorrichtung höher als die Gate-Source-Spannung V_GS in dem Fall eines Anlegens der ersten Spannung an den Gate-Anschluss der ersten Transistorvorrichtung.
Demgemäß kann der Ein-Zustand-Widerstand der ersten Transistorvorrichtung für hohe Ströme verringert werden, wodurch eine Leistungseffizienz der Schaltung verbessert wird. Andererseits beeinflusst die Abnahme des Ein-Zustand-Widerstands für hohe Ströme die Genauigkeit der Stromerfassung (oder Stromsteuerung) nicht signifikant.
In Ausführungsbeispielen kann die Steuerschaltung einen Analog-zu-Digital-Wandler (ADC – analog-to-digital converter) zum Umwandeln der Spannungsdifferenz in ein digitales Signal aufweisen. Der ADC kann die Spannungsdifferenz als Eingang an seinen Eingangsanschlüssen empfangen. Die Steuerschaltung kann weiter eine digitale Verarbeitungsschaltung zum Verarbeiten des digitalen Signals aufweisen. Die digitale Verarbeitungsschaltung kann eine Proportional-Integral-Derivat(PID – proportional-integral-derivative)-Steuervorrichtung sein. Die Steuerschaltung kann weiter einen DAC aufweisen zum Umwandeln eines Ausgangssignals der digitalen Verarbeitungsschaltung in eine Spannung zum Anlegen an den Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung oder ansonsten zum Steuern der Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung. Dadurch kann die Steuerschaltung auf eine besonders einfache und effiziente Weise implementiert werden.
In Ausführungsbeispielen kann der ADC einen ersten Komparator mit einem ersten Offset aufweisen. Der ADC kann weiter einen zweiten Komparator mit einem zweiten Offset aufweisen, der sich von dem ersten Offset unterscheidet. Der erste und/oder der zweite Offset können/kann ein programmierbarer Offset sein, zum Beispiel durch eine jeweilige programmierbare Spannungsquelle erzeugt, die mit einem der Eingangsanschlüsse des ersten und/oder zweiten Komparators (zum Beispiel dem positiven Eingangsanschluss) verbunden ist. Wenn der ADC nur den ersten Komparator aufweist, kann er als 1-Bit-ADC bezeichnet werden, wohingegen er, wenn er den ersten und den zweiten Komparator aufweist, als ein 2-Bit-ADC bezeichnet werden kann. Dadurch kann der ADC auf eine besonders einfache und effiziente Weise implementiert werden.
In Ausführungsbeispielen kann die Rückkopplungsschaltung konfiguriert sein zum Durchführen eines Spannungsausgleichs durch Steuerung der Versorgungsspannung. Zu diesem Zweck kann die Rückkopplungsschaltung einen Operationsverstärker aufweisen zum Empfangen der Eingangsspannungen an seinen Eingangsanschlüssen. Der Operationsverstärker kann ein zeitdiskreter Auto-Zero-Verstärker sein. Ein Spannungsausgleich kann durch Steuerung eines Leistungswandlers (zum Beispiel eines DC-DC-Wandlers, wie eines Abwärtswandlers) durchgeführt werden, der die Versorgungsspannung ausgibt. Dadurch kann die Rückkopplungsschaltung auf eine besonders einfache und effiziente Weise implementiert werden.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Schaltung gemäß dem obigen Aspekt. Das Verfahren kann aufweisen (a) ein Durchführen einer Rückkopplungssteuerung zum Ausgleichen von Spannungen an jeweiligen Ausgangsanschlüssen der ersten Transistorvorrichtung und der zweiten Transistorvorrichtung. Das Verfahren kann weiter aufweisen (b) ein Steuern einer Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung basierend auf einer Quantität, die einen Strom, der durch die erste Transistorvorrichtung fließt, angibt oder von diesem abhängt.
In Ausführungsbeispielen kann der Schritt (b) ein Steuern der Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung basierend auf einer Quantität umfassen, die einen Strom angibt, der von der Stromquelle erzeugt wird (zum Beispiel beseitigt bzw. verringert).
In Ausführungsbeispielen kann die Stromquelle eine steuerbare (d. h. programmierbare) Stromquelle sein, und der Schritt (b) kann ein Steuern der Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung basierend auf einem Steuerwert (zum Beispiel digitaler Steuerwert) zum Steuern der steuerbaren Stromquelle umfassen.
In Ausführungsbeispielen kann der Schritt (b) ein Steuern der Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung basierend auf einer Spannungsdifferenz zwischen einer Spannung an einem Eingangsanschluss der ersten Transistorvorrichtung und der Spannung an dem Ausgangsanschluss der ersten Transistorvorrichtung umfassen.
In Ausführungsbeispielen kann der Schritt (b) weiter ein Steuern der Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung auf eine erste Spannung umfassen, wenn die Spannungsdifferenz über einer ersten Schwellenspannung ist, und auf eine zweite Spannung, die sich von der ersten Spannung unterscheidet, wenn die Spannungsdifferenz unter der ersten Schwellenspannung ist.
In Ausführungsbeispielen kann der Schritt (b) weiter ein Steuern der Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung auf eine dritte Spannung umfassen, die sich von den ersten und zweiten Spannungen unterscheidet, wenn die Spannungsdifferenz über einer zweiten Schwellenspannung ist, die größer als die erste Schwellenspannung ist.
Es ist offensichtlich, dass Verfahrensschritte und Vorrichtungsmerkmale auf viele Arten ausgetauscht werden können. Insbesondere können die Details des offenbarten Verfahrens als eine Vorrichtung implementiert werden, die ausgebildet ist zum Ausführen einiger oder aller der Schritte des Verfahrens, und umgekehrt, wie für Fachleute offensichtlich ist. Insbesondere ist offensichtlich, dass Verfahren gemäß der Offenbarung Verfahren für einen Betrieb der Schaltungen gemäß den obigen Ausführungsbeispielen und Variationen davon betreffen, und dass jeweilige Aussagen in Bezug auf die Schaltungen ebenfalls die entsprechenden Verfahren betreffen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Offenbarung werden im Folgenden auf beispielhafte Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert, wobei
1 schematisch ein Beispiel einer Schaltung zum Vorsehen eines Stroms zeigt, der von einer Versorgungsspannung in eine elektrische Last fließt,
2 schematisch ein Beispiel einer Schaltung zum Vorsehen eines Stroms zeigt, der von einer Versorgungsspannung in eine elektrische Last fließt, gemäß Ausführungsbeispielen der Offenbarung,
3 schematisch ein weiteres Beispiel einer Schaltung zum Vorsehen eines Stroms zeigt, der von einer Versorgungsspannung in eine elektrische Last fließt, gemäß Ausführungsbeispielen der Offenbarung,
4 schematisch ein weiteres Beispiel einer Schaltung zum Vorsehen eines Stroms zeigt, der von einer Versorgungsspannung in eine elektrische Last fließt, gemäß Ausführungsbeispielen der Offenbarung,
5 schematisch ein Detail eines weiteren Beispiels einer Schaltung zum Vorsehen eines Stroms zeigt, der von einer Versorgungsspannung in eine elektrische Last fließt, gemäß Ausführungsbeispielen der Offenbarung, und
6 schematisch ein Beispiel eines Stroms zeigt, der von einer Versorgungsspannung in eine elektrische Last fließt, wenn Schaltungen gemäß Ausführungsbeispielen der Offenbarung verwendet werden.
Detaillierte Beschreibung
Ein Beispiel für eine Schaltung 100 zum Vorsehen (einschließlich Erfassen und/oder Steuern) eines Stroms, der von einer Versorgungsspannung V_sys in eine elektrische Last 30 fließt, wird in 1 dargestellt. Die Versorgungsspannung V_sys kann durch eine Spannungsversorgung (nicht gezeigt) vorgesehen werden, wie zum Beispiel ein DC-DC-Wandler. Die Spannungsversorgung kann ein Abwärtswandler sein, der eine PWM-Schalteinheit, eine Induktivität und eine Kapazität aufweist, jedoch ist die vorliegende Offenbarung nicht auf den Fall beschränkt, dass die Spannungsversorgung ein Abwärtswandler ist, und andere Implementierungen der Spannungsversorgung sollen in dem Umfang der vorliegenden Offenbarung aufgenommen sein.
Die elektrische Last 30, die eine Batterie sein kann, wie zum Beispiel eine Batterie einer mobilen Vorrichtung, kann mit der Versorgungsspannung V_sys über einen ersten Schaltungszweig verbunden sein, der eine erste Transistorvorrichtung 10 (Durchlassvorrichtung) und einen Ausgangsknoten 15 aufweist, der mit der elektrischen Last 30 verbindbar ist. Ein zweiter Schaltungszweig, der eine Serienverbindung einer zweiten Transistorvorrichtung 20 (Erfassungsvorrichtung), einer dritten Transistorvorrichtung 120 und eines Widerstandselements 130 (zum Beispiel ein Widerstand) aufweist, kann parallel zu dem ersten Schaltungszweig verbunden sein, zum Beispiel zwischen der Versorgungsspannung V_sys und einem vorgegebenen Spannungspegel. Die ersten und zweiten Transistorvorrichtungen 10, 20 können MOSFETs sein, wie zum Beispiel PMOS-Transistoren oder NMOS-Transistoren. In dem Beispiel von 1 sind die ersten und zweiten Transistorvorrichtungen 10, 20 PMOS-Transistoren. Der vorgegebene Spannungspegel kann auf einem niedrigeren Spannungspegel als die Versorgungsspannung V_sys sein, wenn die ersten und zweiten Transistorvorrichtungen PMOS-Transistoren sind, und kann auf einem höheren Pegel als die Versorgungsspannung V_sys sein, wenn die ersten und zweiten Transistorvorrichtungen NMOS-Transistoren sind. Zum Beispiel kann der vorgegebene Spannungspegel Masse (V_SS) entsprechen.
Steueranschlüsse (zum Beispiel Gate-Anschlüsse) der ersten und zweiten Transistorvorrichtungen 10, 20 können miteinander verbunden sein, d. h. können auf einem gemeinsamen Spannungspegel gehalten werden. Die Steueranschlüsse können mit dem vorgegebenen Spannungspegel (zum Beispiel Masse) verbunden sein. Weiter kann die zweite Transistorvorrichtung 20 eine (skalierte) Replik der ersten Transistorvorrichtung 10 sein, d. h. die ersten und zweiten Transistorvorrichtungen 10, 20 können vom selben Typ sein, aber unterschiedlich dimensioniert. Insbesondere können Dimensionen der ersten und zweiten Transistorvorrichtungen 10, 20 in einem vorgegebenen Verhältnis N:1 sein, wobei N > 1, zum Beispiel N >> 1. Dann kann ein Ein-Zustand-Widerstand R₂ (zum Beispiel Source-Drain-Widerstand in einem Ein-Zustand) der zweiten Transistorvorrichtung 20 N-mal der Ein-Zustand-Widerstand R₁ (zum Beispiel Source-Drain-Widerstand in dem Ein-Zustand) der ersten Transistorvorrichtung 10 sein, d. h. R₂ = N·R₁, und für gleiche Spannungsabfälle (zum Beispiel Source-Drain-Spannungen V_DS) über den ersten und zweiten Transistorvorrichtungen 10, 20 kann ein Strom I₂ (zum Beispiel Source-Drain-Strom der zweiten Transistorvorrichtung 20), der durch die zweite Transistorvorrichtung 20 fließt, durch 1/N mal dem Strom I₁ (zum Beispiel Source-Drain-Strom der ersten Transistorvorrichtung 10), der durch die erste Transistorvorrichtung 10 fließt, gegeben sein, d. h. I₂ = I₁/N. In anderen Worten, der durch die zweite Transistorvorrichtung 20 fließende Strom I₂ kann ein (vorgegebener) Anteil des durch die erste Transistorvorrichtung 10 fließenden Stroms I₁ sein. Der durch die erste Transistorvorrichtung 10 fließende Strom I₁ kann als Ladestrom bezeichnet werden. Wie oben angegeben, können die ersten und zweiten Transistorvorrichtungen 10, 20 MOSFETs sein, wie zum Beispiel PMOS-Transistoren oder NMOS-Transistoren. Auch die dritte Transistorvorrichtung 130 kann ein MOSFET sein, wie zum Beispiel ein PMOS-Transistor oder ein NMOS-Transistor.
Die Schaltung 100 kann weiter einen Operationsverstärker 110 aufweisen zum Empfangen, an jeweiligen Eingangsanschlüssen, einer Spannung V_bat an dem Ausgangsanschluss (zum Beispiel Drain-Anschluss) der ersten Transistorvorrichtung 10 und einer Spannung an dem Ausgangsanschluss (zum Beispiel Drain-Anschluss) der zweiten Transistorvorrichtung 20. Ein Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 110 kann mit einem Steueranschluss (zum Beispiel Gate-Anschluss) der dritten Transistorvorrichtung 120 verbunden sein. Weiter kann der Operationsverstärker 110 konfiguriert sein zum Steuern einer Spannung an dem Steueranschluss der dritten Transistorvorrichtung 120 auf eine solche Weise, dass die oben angeführten Spannungen ausgeglichen werden, d. h. derart, dass der Spannungsabfall über der ersten Transistorvorrichtung 10 und der Spannungsabfall über der zweiten Transistorvorrichtung 20 ausgeglichen sind. Somit kann festgestellt werden, dass der Operationsverstärker 110 und die dritte Transistorvorrichtung 120 eine negative Rückkopplung vorsehen und eine V_DS-Ausgleichsschaltung (V_DS-Ausgleicher) bilden. In anderen Worten, der Operationsverstärker 110 und die dritte Transistorvorrichtung 120 stellen sicher, dass die ersten und zweiten Transistorvorrichtungen 10, 20 mit denselben Spannungen vorgespannt sind, so dass das Stromverhältnis I₁/I₂ durch N gegeben ist.
Eine Spannung V_ADC, die den durch die zweite Transistorvorrichtung 20 fließenden Strom I₂ angibt, kann an einem Zwischenknoten 125 abgegriffen werden, der zwischen der dritten Transistorvorrichtung 120 und dem Widerstandselement 130 angeordnet ist. Die abgegriffene Spannung V_ADC kann verwendet werden, nach einer optionalen Analog-Digital-Umwandlung an einem ADC 140, um die Spannungsversorgung zu steuern (d. h. um die Versorgungsspannung V_sys zu steuern). Die abgegriffene Spannung V_ADC kann von dem Strom I₂ abhängen, der durch die zweite Transistorvorrichtung 20 fließt, über V_ADC = R_ADC·I₂, wobei R_ADC der Widerstand des Widerstandselements 130 ist. Im Allgemeinen kann festgestellt werden, dass die Versorgungsspannung V_sys in Übereinstimmung mit einer Quantität gesteuert wird, die einen Strom angibt, der durch die dritte Transistorvorrichtung 120 fließt. Durch Steuern der Versorgungsspannung V_sys kann der Strom I₁, der durch die erste Transistorvorrichtung 10 und in die elektrische Last 30 fließt, gesteuert werden.
Für hohe Werte des Stroms I₁, der durch die erste Transistorvorrichtung 10 fließt, ist der Spannungsabfall (zum Beispiel V_DS) über jede der ersten und zweiten Transistorvorrichtungen 10, 20 relativ groß, und jeder Eingangs-Offset des Operationsverstärkers 110 beeinflusst nicht eine Genauigkeit der Rückkopplungssteuerung durch die Rückkopplungsschaltung (zum Beispiel V_DS-Ausgleich) und beeinflusst somit nicht die Genauigkeit der Strommessung.
Jedoch leidet bei niedrigen Ladeströmen die oben beschriebene Schaltung 100 unter einem relativ hohen Stromfehler. Der Grund dafür ist, dass für niedrige Ladeströme der Spannungsabfall (zum Beispiel V_DS) über jede der ersten und zweiten Transistorvorrichtungen 10, 20 relativ klein ist. Das heißt, für einen MOSFET, der in dem linearen Bereich betrieben wird (d. h. in einem Trioden-Modus oder ohmschen Modus), wird der Source-Drain-Strom I_D ungefähr gegeben durch I_D = W/L·μ·C_ox·(V_GS – V_th)·V_DS wobei W die Gate-Breite, L die Gate-Länge, μ die effektive Ladungsträgermobilität, C_ox die Gate-Oxid-Kapazität pro Flächeneinheit, V_GS die Gate-Source-Spannung und V_th die Schwellenspannung ist. Demgemäß wird für einen gegebenen Strom I_D die Source-Drain-Spannung V_DS ungefähr gegeben durch V_DS = I_D/(W/L·μ·C_ox·(V_GS – V_th)).
Dann ist für einen relativ kleinen Spannungsabfall V_DS über den ersten und zweiten Transistorvorrichtungen 10, 20 auch die Spannungsdifferenz zwischen den Spannungsabfällen gering und der Einfluss des Eingangs-Offsets des Operationsverstärkers 110 auf die Genauigkeit des V_DS-Ausgleichs unter den ersten und zweiten Transistorvorrichtungen 10, 20 wird relevant. Für einen relativ schlechten V_DS-Ausgleich unter den ersten und zweiten Transistorvorrichtungen 10, 20 (d. h. wenn eine signifikante V_DS-Fehlanpassung vorliegt), weicht das Verhältnis I₁/I₂ zwischen dem Strom I₁, der durch die erste Transistorvorrichtung 10 fließt, und dem Strom I₂, der durch die zweite Transistorvorrichtung 20 fließt, von dem erwarteten Wert (zum Beispiel N) ab und die Genauigkeit der Stromerfassung (oder Stromsteuerung) wird beeinträchtigt.
2 zeigt ein Beispiel einer Schaltung 200 zum Vorsehen (einschließlich Erfassen und/oder Steuern) eines Stroms, der von einer Versorgungsspannung V_sys in eine elektrische Last 30 fließt, gemäß Ausführungsbeispielen der Offenbarung. Elemente, die mit den gleichen Bezugszeichen in 1 und 2 bezeichnet werden, sind identisch. Soweit nicht anders angeführt, gelten jeweilige Aussagen, die oben unter Bezugnahme auf diese Elemente gemacht wurden, auch hier und in dem verbleibenden Teil des vorliegenden Dokuments.
Die Versorgungsspannung V_sys kann zum Beispiel durch eine Spannungsversorgung 45, wie einen DC-DC-Wandler, erzeugt werden. Die Spannungsversorgung 45 kann ein Abwärtswandler sein, der eine PWM-Schalteinheit, eine Induktivität und eine Kapazität aufweist, aber die vorliegende Offenbarung ist nicht auf den Fall beschränkt, dass die Spannungsversorgung ein Abwärtswandler ist, und andere Implementierungen der Spannungsversorgung 45 sollen in dem Umfang der vorliegenden Offenbarung enthalten sein.
Ähnlich zu der Schaltung 100, die oben unter Bezugnahme auf 1 beschrieben wird, kann die Schaltung 200 einen ersten Schaltungszweig und eine elektrische Last 30 aufweisen. Die Schaltung 200 kann weiter einen zweiten Schaltungszweig aufweisen, der parallel zu dem ersten Schaltungszweig verbunden ist, zum Beispiel zwischen der Versorgungsspannung V_sys und dem vorgegebenen Spannungspegel. Der zweite Schaltungszweig kann eine Serienverbindung der zweiten Transistorvorrichtung 20 (Erfassungsvorrichtung) und einer Stromquelle 50 aufweisen. Die Stromquelle 50 kann eine steuerbare (d. h. programmierbare) Stromquelle sein, zum Beispiel IDAC. Ein Strom I_source, der durch die Stromquelle 50 erzeugt wird (zum Beispiel beseitigt), kann mittels eines (digitalen) Steuerwerts gesteuert werden, der zum Beispiel durch eine Steuerlogik 60 ausgegeben werden kann. Der Steuerwert ist ein Beispiel einer Quantität, die den Strom I_source angibt, der von der Stromquelle 50 erzeugt wird.
Die Schaltung 200 kann weiter eine Rückkopplungsschaltung aufweisen, die als Eingangsspannungen die Spannung V_bat an dem Ausgangsanschluss der ersten Transistorvorrichtung 10 und die Spannung an dem Ausgangsanschluss der zweiten Transistorvorrichtung 20 empfängt. Die Rückkopplungsschaltung kann konfiguriert sein zum Durchführen einer (negativen) Rückkopplungssteuerung, um dadurch die Eingangsspannungen auszugleichen, d. h. die Spannungsabfälle über den ersten und zweiten Transistorvorrichtungen 10, 20 auszugleichen. In anderen Worten, die Rückkopplungsschaltung kann die Spannungsdifferenz zwischen ihren Eingangsspannungen aufheben. Die Rückkopplungsschaltung kann einen Operationsverstärker 40 aufweisen, der die oben angeführten Eingangsspannungen an seinen positiven und negativen Eingangsanschlüssen empfängt. Ein Ausgang des Operationsverstärkers 40 (d. h. eine Spannung, die eine Spannungsdifferenz zwischen den Eingangsspannungen angibt) kann der Spannungsversorgung 45 zugeführt werden zum Steuern der Versorgungsspannung V_sys, die von der Spannungsversorgung 45 ausgegeben wird. Wenn zum Beispiel die Energieversorgung 45 ein Abwärtswandler ist, kann eine Steuerung der Versorgungsspannung V_sys mittels einer PWM-Steuerung der PWM-Schalteinheit des Abwärtswandlers durchgeführt werden, in Übereinstimmung mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 40. Dadurch kann die Versorgungsspannung V_sys auf einen Wert gesetzt werden, der einen V_DS-Ausgleich zwischen den ersten und zweiten Transistorvorrichtungen 10, 20 sicherstellt. In anderen Worten, die Rückkopplungsschaltung kann sicherstellen, dass die ersten und zweiten Transistorvorrichtungen 10, 20 mit denselben Spannungen vorgespannt sind, so dass das Stromverhältnis I₁/I₂ einen vorgegebenen Wert (zum Beispiel N) in Übereinstimmung mit den relativen Dimensionen der ersten und zweiten Transistorvorrichtungen 10, 20 hat. Der Operationsverstärker 40 kann mit Mitteln zur Offset-Kompensation vorgesehen sein, wie zum Beispiel in den gleichzeitig anhängigen Deutschen Patentanmeldungen 10 2015 204519,6 , mit dem Titel „Accurate Current Sensing” (”Genaue Stromerfassung”) und 10 2015 204518,8 , mit dem Titel „VDS equalizer offset compensation for a Current Sense Circuit” (”Offset-Kompensation für einen VDS-Ausgleicher in einer Stromerfassungsschaltung”), die hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen sind.
Die Schaltung 200 kann weiter eine Steuerschaltung aufweisen zum Steuern einer Spannung (zum Beispiel Gate-Spannung) an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung 10. Da die Steueranschlüsse der ersten und zweiten Transistorvorrichtungen 10, 20 verbunden sein können, d. h. Spannungen an den Steueranschlüssen der ersten und zweiten Transistorvorrichtungen 10, 20 können auf einem gemeinsamen Spannungspegel gehalten werden, kann die Steuerschaltung auch eine Spannung (zum Beispiel Gate-Spannung) an dem Steueranschluss der zweiten Transistorvorrichtung 20 steuern. Demgemäß sind die Steueranschlüsse der ersten und zweiten Transistorvorrichtungen 10, 20 nicht notwendigerweise mit dem vorgegebenen Spannungspegel verbunden. Die Steuerschaltung kann konfiguriert sein zum Steuern der Spannung in Übereinstimmung mit einer Quantität, die den durch die erste Transistorvorrichtung 10 fließenden Strom I₁ angibt oder von diesem abhängig ist. In dem Beispiel von 2 wird diese Spannung in Übereinstimmung mit dem (digitalen) Steuerwert gesteuert, um die Stromquelle 50 zu steuern, die von der Steuerlogik 60 ausgegeben werden kann. Dieser Steuerwert kann mittels eines DACs 65 in eine Spannung umgewandelt werden und die von dem DAC 65 ausgegebene Spannung kann an den Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung 10 angelegt werden oder anderweitig verwendet werden, um die Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung 10 zu steuern. Da der Strom I₂, der durch die zweite Transistorvorrichtung 20 fließt, durch den Steuerwert bestimmt wird, und da der Strom I₁, der durch die erste Transistorvorrichtung 10 fließt, ein vorgegebenes Vielfaches des Stroms I₂ ist, der durch die zweite Transistorvorrichtung 20 fließt, (d. h. I₁ = N·I₂), repräsentiert der Steuerwert eine Quantität, die den Strom I₁ angibt, der durch die erste Transistorvorrichtung 10 fließt. Die Steuerschaltung kann die Steuerlogik 60 und den DAC 65 aufweisen. Insbesondere kann der Steuerwert sowohl zur Einstellung des von der Stromquelle 50 erzeugten Stroms als auch der Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung 10 verwendet werden.
In Ausführungsbeispielen der Offenbarung kann eine Steuerung der Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung 10 durch die Steuerschaltung derart durchgeführt werden, dass sich die Spannung der Versorgungsspannung V_sys nähert (d. h. auf einen Spannungswert angepasst ist, der näher an der Versorgungsspannung V_sys ist), wenn der durch die Stromquelle 50 erzeugte Strom (und folglich der durch die erste Transistorvorrichtung 10 fließende Strom I₁) abnimmt und umgekehrt. Wenn die erste Transistorvorrichtung ein PMOS-Transistor ist, kann die Steuerung der Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung 10 durch die Steuerschaltung derart durchgeführt werden, dass die Spannung zunimmt (in Richtung der Versorgungsspannung), wenn der von der Stromquelle 50 erzeugte Strom (und folglich der durch die erste Transistorvorrichtung 10 fließende Strom I₁) abnimmt, und umgekehrt. Wenn die erste Transistorvorrichtung ein NMOS-Transistor ist, kann die Steuerung der Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung 10 durch die Steuerschaltung derart durchgeführt werden, dass die Spannung abnimmt (in Richtung der Versorgungsspannung), wenn der von der Stromquelle 50 erzeugte Strom (und folglich der durch die erste Transistorvorrichtung 10 fließende Strom I₁) abnimmt, und umgekehrt. Dadurch wird die (der absolute Wert der) Spannungsdifferenz (V_GS – V_th) für sowohl die erste als auch für die zweite Transistorvorrichtung 10, 20 für niedrige Ströme verringert, und folglich werden die Ein-Zustand-Widerstände R₁, R₂ für sowohl die erste als auch die zweite Transistorvorrichtung 10, 20 erhöht. Dies führt zu einer Zunahme der jeweiligen Spannungsabfälle (zum Beispiel V_DS) über den ersten und zweiten Transistorvorrichtungen 10, 20, so dass der relative Effekt des Eingangs-Offsets des Operationsverstärkers 40 abnimmt und eine Genauigkeit einer Rückkopplungssteuerung durch die Rückkopplungsschaltung (z. B. V_DS-Ausgleich) verbessert wird. Als allgemeine Richtlinie kann die Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung 10 gleich dem vorgegebenen Spannungspegel sein (zum Beispiel Masse), wenn dann der Strom I₁ gleich zu dem maximalen Gestaltungsstrom der Schaltung 200 ist, und sollte auf einen Spannungswert angepasst werden, der näher an der Versorgungsspannung ist, um den Strom I₁ zu verringern, d. h. die Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung 10 sollte zunehmen für den Fall, dass die erste Transistorvorrichtung ein PMOS-Transistor ist, und sollte abnehmen für den Fall, dass die erste Transistorvorrichtung ein NMOS-Transistor ist.
Im Allgemeinen kann in der Schaltung 200 die Stromquelle 50 den Strom I₂, der durch die zweite Transistorvorrichtung 20 (Erfassungsvorrichtung) fließt, und folglich auch den Strom I₁ setzen, der durch die erste Transistorvorrichtung 10 (Durchlassvorrichtung) fließt. Die Rückkopplungsschaltung (V_DS-Ausgleicher) kann die Spannungsdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen der ersten und der zweiten Transistorvorrichtungen 10, 20 erfassen und ihr Ausgang kann als ein Fehlersignal für die Energieversorgung 45 (zum Beispiel der Abwärtswandler) verwendet werden. Abhängig von dem durch die zweite Transistorvorrichtung 20 fließenden Strom I₂ (und folglich abhängig von dem durch die erste Transistorvorrichtung 10 fließenden Strom) kann die Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung 10 derart eingestellt werden, um eine Genauigkeit des durch die erste Transistorvorrichtung 10 fließenden Stroms I₁ zu maximieren. Für jeden Wert der Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung 10 stellt die Rückkopplungsschaltung sicher, dass das Stromverhältnis I₁/I₂ zwischen dem Strom I₁, der durch die erste Transistorvorrichtung 10 fließt, und dem Strom I₂, der durch die zweite Transistorvorrichtung 20 fließt, durch den erwarteten Wert (zum Beispiel N) gegeben ist.
3 zeigt ein weiteres Beispiel einer Schaltung 300 zum Vorsehen (einschließlich Erfassen und/oder Steuern) eines Stroms, der von einer Versorgungsspannung V_sys in eine elektrische Last 30 fließt, gemäß Ausführungsbeispielen der Offenbarung.
Die Schaltung 300 unterscheidet sich von der in 2 gezeigten Schaltung 200 darin, dass die Steuerschaltung einen ADC 70, eine digitale Verarbeitungsschaltung 80 und einen DAC 75 aufweist. Der Operationsverstärker 40 kann ein zeitdiskreter Auto-Zero-Verstärker sein.
Die digitale Verarbeitungsschaltung 80 kann eine PID-Steuervorrichtung sein. Der ADC 70 kann als einen Eingang eine Spannungsdifferenz zwischen einer Spannung an einem Eingangsanschluss (zum Beispiel Source-Anschluss) und einer Spannung an dem Ausgangsanschluss (zum Beispiel Drain-Anschluss) der ersten Transistorvorrichtung 10 empfangen und die Spannungsdifferenz digitalisieren (d. h. in einen digitalen Wert umwandeln). Die digitalisierte Spannungsdifferenz kann durch die digitale Verarbeitungsschaltung 80 verarbeitet werden. Dann kann ein Verarbeitungsergebnis (d. h. ein Ausgang der Verarbeitungsschaltung 80) durch den DAC 75 zurück in die analoge Domäne umgewandelt werden und kann an den Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung 10 angewendet werden oder anderweitig verwendet werden, um die Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung 10 zu steuern.
Im Allgemeinen kann die Steuerschaltung angesehen werden als die Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung 10 basierend auf (d. h. in Übereinstimmung mit) der Spannungsdifferenz (oder einem absoluten Wert davon) zwischen der Spannung an dem Eingangsanschluss und der Spannung an dem Ausgangsanschluss der ersten Transistorvorrichtung 10 steuernd. Dabei kann die Steuerung der Spannung durchgeführt werden (zum Beispiel unter Steuerung eines Verarbeitungsalgorithmus der digitalen Verarbeitungsschaltung 80) derart, dass sich die Spannung der Versorgungsspannung V_sys nähert (d. h. zunimmt, wenn die erste Transistorvorrichtung ein PMOS-Transistor ist, oder abnimmt, wenn die erste Transistorvorrichtung ein NMOS-Transistor ist), wenn der Strom I₁, der durch die erste Transistorvorrichtung 10 fließt, abnimmt (und entsprechend, wenn die Spannungsdifferenz abnimmt). Zum Beispiel kann ein unterer Schwellenwert für die Spannungsdifferenz gesetzt werden. Solange die Spannungsdifferenz über der unteren Schwelle ist, kann der Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung 10 mit dem vorgegebenen Spannungspegel verbunden sein. Sobald die Spannungsdifferenz unter den unteren Schwellenwert fällt, kann die Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung 10 angepasst werden, um sich der Versorgungsspannung V_sys zu nähern, bis die Spannungsdifferenz wieder über den unteren Schwellenwert ansteigt. D. h. die Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung 10 kann erhöht werden, wenn die erste Transistorvorrichtung ein PMOS-Transistor ist, oder kann verringert werden, wenn die erste Transistorvorrichtung ein NMOS-Transistor ist.
Um einen Betrieb der Rückkopplungsschaltung nicht zu stören, kann die Steuerschaltung einer Regelschleife mit niedriger Bandbreite entsprechen, d. h. eine signifikant niedrigere Bandbreite als die Rückkopplungsschaltung haben. Während die oben beschriebene Steuerschaltung eine Verarbeitung in dem digitalen Bereich durchführen kann, kann die Steuerschaltung auch vollständig in dem analogen Bereich implementiert werden, wie für Fachleute offensichtlich ist.
Obwohl in 3 nicht gezeigt, kann die Schaltung 300 auch die Steuerlogik 60 zum Einstellen des von der Stromquelle 50 erzeugten Stroms aufweisen. Dieses Mal wird jedoch der Steuerwert, der durch die Steuerlogik 60 ausgegeben wird, nicht zum Einstellen der Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung 10 verwendet.
Abgesehen von den obigen Unterschieden ist die Schaltung 300 identisch zu der in 2 dargestellten Schaltung 200 und entsprechende Aussagen, die oben unter Bezugnahme auf 2 gemacht werden, gelten auch hier.
4 zeigt ein weiteres Beispiel einer Schaltung 400 zum Vorsehen (einschließlich Erfassen und/oder Steuern) eines Stroms, der von einer Versorgungsspannung V_sys in eine elektrische Last 30 fließt, gemäß Ausführungsbeispielen der Offenbarung.
Die Schaltung 400 unterscheidet sich von der in 3 gezeigten Schaltung 300 in der Implementierung des ADCs 70. Das heißt, in der Schaltung 400 kann der ADC 70 durch einen ersten Komparator 90 und eine erste Spannungsquelle 92 implementiert werden. Der erste Komparator 90 kann entweder getaktet oder kontinuierlich sein, wobei in dem zweiten Fall der erste Komparator 90 mit einer Hysteresefunktion implementiert wird. Der erste Komparator 90 kann an seinen jeweiligen Eingangsanschlüssen die Spannung an dem Eingangsanschluss der ersten Transistorvorrichtung 10 und die Spannung an dem Ausgangsanschluss der ersten Transistorvorrichtung 10 empfangen. Die erste Spannungsquelle 92 kann mit einem der Eingangsanschlüsse des ersten Komparators 90 verbunden sein (zum Beispiel dem positiven Eingangsanschluss), wodurch ein erster Offset für den ersten Komparator 90 erzeugt wird. Die erste Spannungsquelle kann eine steuerbare (d. h. programmierbare) Spannungsquelle sein zum Erzeugen eines variablen ersten Offsets, d. h. der erste Komparator 90 kann einen variablen ersten Offset haben. Derart implementiert, kann der ADC 70 als ein 1-Bit-ADC bezeichnet werden.
Der erste Komparator 90 kann einen ersten Signalpegel ausgeben, wenn die Spannungsdifferenz zwischen der Spannung an dem Eingangsanschluss der ersten Transistorvorrichtung 10 und der Spannung an dem Ausgangsanschluss der ersten Transistorvorrichtung 10 über einer ersten Schwellenspannung ist, und kann einen zweiten Signalpegel ausgeben, wenn die Spannungsdifferenz unter der ersten Schwellenspannung ist, wobei die erste Schwellenspannung durch den ersten Offset bestimmt werden kann. Weiter kann die erste Schwellenspannung dem oben angeführten unteren Schwellenwert entsprechen. Die digitale Verarbeitungsschaltung 80 kann eine Verarbeitung auf dem Ausgang des ersten Komparators 90 durchführen derart, dass die Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung 10 auf eine erste Spannung gesetzt wird, wenn die Spannungsdifferenz über der ersten Schwellenspannung ist, und auf eine zweite Spannung, die von der ersten Spannung verschieden ist, wenn die Spannungsdifferenz unter dem ersten Schwellenwert ist. Dabei kann die erste Spannung dem vorgegebenen Spannungspegel entsprechen, zum Beispiel Masse (V_SS). Weiter kann die zweite Spannung derart gewählt werden, dass, wenn die zweite Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung 10 vorhanden ist, der Ein-Zustand-Widerstand (zum Beispiel Source-Drain-Widerstand in dem Ein-Zustand) der ersten Transistorvorrichtung 10 zwischen ihren Eingangs- und Ausgangsanschlüssen größer ist, als wenn die erste Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung 10 vorhanden ist. Dies impliziert, dass, wenn die zweite Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung 10 vorhanden ist, zum Beispiel (V_GS – V_th) niedriger ist, als wenn die erste Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung 10 vorhanden ist. Demgemäß kann die zweite Spannung höher sein als die erste Spannung, wenn die erste Transistorvorrichtung ein PMOS-Transistor ist, oder kann niedriger sein als die erste Spannung, wenn die erste Transistorvorrichtung ein NMOS-Transistor ist. Zum Beispiel kann die zweite Spannung zwischen dem vorgegebenen Spannungspegel und der Versorgungsspannung sein.
Im Allgemeinen kann angemerkt werden, dass die Steuerschaltung die oben angeführte Steuerung der Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung 10 durchführt.
Abgesehen von den obigen Unterschieden ist die Schaltung 400 identisch zu der in 3 gezeigten Schaltung 300 und entsprechende Aussagen, die oben unter Bezugnahme auf 3 gemacht werden, gelten auch hier.
5 zeigt schematisch ein Detail eines weiteren Beispiels einer Schaltung zum Vorsehen (einschließlich Erfassen und/oder Steuern) eines Stroms, der von einer Versorgungsspannung in eine elektrische Last fließt, gemäß Ausführungsbeispielen der Offenbarung. Insbesondere zeigt 5 schematisch eine weitere Implementierung des ADCs 70 der Schaltung 300, die in 3 gezeigt wird.
Zusätzlich zu dem ersten Komparator 90 und der ersten Spannungsquelle 92 kann die Implementierung des in 5 gezeigten ADCs 70 einen zweiten Komparator 94 und eine zweite Spannungsquelle 96 aufweisen. Auch kann der zweite Komparator 94 entweder getaktet oder kontinuierlich sein, wobei in dem zweiten Fall der zweite Komparator 94 mit einer Hysteresefunktion implementiert sein kann. Der erste und der zweite Komparator 90, 94 können parallel verbunden sein, d. h. auch der zweite Komparator 94 kann an seinen jeweiligen Eingangsanschlüssen die Spannung an dem Eingangsanschluss der ersten Transistorvorrichtung 10 und die Spannung an dem Ausgangsanschluss der erste Transistorvorrichtung 10 empfangen. Die zweite Spannungsquelle 96 kann mit einem der Eingangsanschlüsse des zweiten Komparators 94 verbunden sein (zum Beispiel dem positiven Eingangsanschluss), wodurch ein zweiter Offset für den zweiten Komparator 94 erzeugt wird. Die zweite Spannungsquelle kann eine steuerbare (d. h. programmierbare) Spannungsquelle sein zum Erzeugen eines variablen zweiten Offsets, d. h. der zweite Komparator 94 kann einen variablen zweiten Offset haben. Derart implementiert, kann der ADC 70 als ein 2-Bit-ADC bezeichnet werden.
Der zweite Komparator 94 kann einen dritten Signalpegel ausgeben (der derselbe wie der erste Signalpegel sein kann), wenn die Spannungsdifferenz zwischen der Spannung an dem Eingangsanschluss der ersten Transistorvorrichtung 10 und der Spannung an dem Ausgangsanschluss der ersten Transistorvorrichtung 10 über einer zweiten Schwellenspannung ist, und kann einen vierten Signalpegel ausgeben (der derselbe wie der zweite Signalpegel sein kann), wenn die Spannungsdifferenz unter der zweiten Schwellenspannung ist, wobei die zweite Schwellenspannung durch den zweiten Offset bestimmt werden kann und größer als die erste Schwellenspannung sein kann. Die digitale Verarbeitungsschaltung 80 kann eine Verarbeitung auf dem Ausgang der ersten und zweiten Komparatoren 90, 94 durchführen derart, dass die Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung 10 auf die erste Spannung gesetzt wird, wenn die Spannungsdifferenz über der ersten Schwellenspannung und unter der zweiten Schwellenspannung ist, auf die zweite Spannung, wenn die Spannungsdifferenz unter dem ersten Schwellenwert ist, und auf eine dritte Spannung, die sich von den ersten und zweiten Spannungen unterscheidet, wenn die Spannungsdifferenz über der zweiten Schwellenspannung ist. Dabei kann die dritte Spannung derart gewählt werden, dass, wenn die dritte Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung 10 vorhanden ist, der Ein-Zustand-Widerstand (zum Beispiel Source-Drain-Widerstand in dem Ein-Zustand) der ersten Transistorvorrichtung 10 zwischen ihren Eingangs- und Ausgangsanschlüssen kleiner ist, als wenn die erste Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung 10 vorhanden ist. Dies impliziert, dass, wenn die dritte Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung 10 vorhanden ist, zum Beispiel (V_GS – V_th) höher ist, als wenn die erste Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung 10 vorhanden ist. Demgemäß, für den Fall, dass die erste Transistorvorrichtung ein PMOS-Transistor ist, kann die dritte Spannung niedriger als die erste Spannung sein, z. B. unter dem vorgegebenen Spannungspegel, und für den Fall, dass die erste Transistorvorrichtung ein NMOS-Transistor ist, kann die dritte Spannung höher sein als die erste Spannung, zum Beispiel über dem vorgegebenen Spannungspegel.
Im Allgemeinen kann angemerkt werden, dass die Steuerschaltung die oben angeführte Steuerung der Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung 10 durchführt.
6 zeigt schematisch ein Beispiel eines Stroms I_charge, der von einer Versorgungsspannung in eine elektrische Last fließt in Abhängigkeit von der Spannungsdifferenz V_DS zwischen den Eingangs- und Ausgangsanschlüssen der ersten Transistorvorrichtung 10, wenn Schaltungen gemäß Ausführungsbeispielen der Offenbarung verwendet werden. Wie aus 6 zu entnehmen ist, kann die Beziehung zwischen I_charge und V_DS von einer linearen Beziehung zumindest für einen Bereich von Werten von I_charge abweichen, insbesondere für niedrige Werte von I_charge.
Es sollte angemerkt werden, dass in den oben beschriebenen Figuren die ersten und zweiten Transistorvorrichtungen als PMOS-Transistoren dargestellt sind. Jedoch können die ersten und zweiten Transistorvorrichtungen auch zum Beispiel NMOS-Transistoren sein. In diesem Fall wäre der vorgegebene Spannungspegel höher als die Versorgungsspannung V_sys. Während in dem Fall, dass die ersten und zweiten Transistorvorrichtungen PMOS-Transistoren sind, die Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung in Richtung der Versorgungsspannung V_sys erhöht wird, wenn der Strom I₁, der durch die erste Transistorvorrichtung 10 fließt, abnimmt, würde die Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung in Richtung der Versorgungsspannung V_sys verringert, wenn der Strom I₁, der durch die erste Transistorvorrichtung 10 fließt, abnimmt in dem Fall, dass die ersten und zweiten Transistorvorrichtungen NMOS-Transistoren sind. Weitere Anpassungen, die erforderlich sind, durch Ersetzen der PMOS-Transistoren in den Figuren durch NMOS-Transistoren, sind für Fachleute offensichtlich und sollen in dem Umfang der vorliegenden Offenbarung enthalten sein.
Es sollte weiter angemerkt werden, dass die oben beschriebenen Vorrichtungsmerkmale jeweiligen Verfahrensmerkmalen entsprechen, die jedoch aus Gründen der Prägnanz nicht explizit beschrieben werden. Die Offenbarung des vorliegenden Dokuments gilt auch für derartige Verfahrensmerkmale. Insbesondere soll sich die vorliegende Offenbarung auf Verfahren für einen Betrieb der oben beschriebenen Schaltungen beziehen.
Es sollte weiter angemerkt werden, dass die Beschreibung und die Zeichnungen lediglich die Prinzipien der vorgeschlagenen Vorrichtung veranschaulichen. Fachleute werden in der Lage sein, verschiedene Anordnungen zu implementieren, die, obwohl hier nicht explizit beschrieben oder gezeigt, die Prinzipien der Erfindung verkörpern und in ihrem Sinn und Umfang aufgenommen sind. Weiter sollen alle in dem vorliegenden Dokument beschriebenen Beispiele und Ausführungsbeispiele hauptsächlich ausdrücklich nur zu erläuternden Zwecken dienen, um den Leser bei einem Verständnis der Prinzipien des vorgeschlagenen Verfahrens zu unterstützen. Weiter sollen alle hier enthaltenen Aussagen, die Prinzipien, Aspekte und Ausführungsbeispiele der Erfindung vorsehen, sowie spezifische Beispiele davon, deren Äquivalente umfassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102015204519 [0043]
DE 102015204518 [0043]

Claims

Schaltung zum Vorsehen eines Stroms, der von einer Versorgungsspannung in eine elektrische Last (30) fließt, wobei die Schaltung aufweist: einen ersten Schaltungszweig, der zwischen der Versorgungsspannung und einem mit der elektrischen Last (30) verbindbaren Ausgangsknoten (15) verbunden ist, wobei der erste Schaltungszweig eine erste Transistorvorrichtung (10) aufweist; einen zweiten Schaltungszweig, der zwischen der Versorgungsspannung und einem vorgegebenen Spannungspegel verbunden ist, wobei der zweite Schaltungszweig eine Serienverbindung einer zweiten Transistorvorrichtung (20), die eine skalierte Replik der ersten Transistorvorrichtung (10) ist, und einer Stromquelle (50) aufweist, wobei Steueranschlüsse der ersten und zweiten Transistorvorrichtungen (10, 20) miteinander verbunden sind; eine Rückkopplungsschaltung, die Spannungen an jeweiligen Ausgangsanschlüssen der ersten Transistorvorrichtung (10) und der zweiten Transistorvorrichtung (20) als Eingangsspannungen empfängt, wobei die Rückkopplungsschaltung konfiguriert ist zum Durchführen einer Rückkopplungssteuerung, um die Eingangsspannungen auszugleichen; und eine Steuerschaltung zum Steuern einer Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung (10), wobei die Steuerschaltung konfiguriert ist zum Steuern der Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung (10) basierend auf einer Quantität, die einen durch die erste Transistorvorrichtung (10) fließenden Strom angibt oder von diesem abhängt.
Die Schaltung gemäß Anspruch 1, wobei die Steuerschaltung konfiguriert ist zum Steuern der Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung (10) basierend auf einer Quantität, die einen von der Stromquelle (50) erzeugten Strom angibt.
Die Schaltung gemäß Anspruch 2, wobei die Stromquelle (50) eine steuerbare Stromquelle ist; und die Steuerschaltung konfiguriert ist zum Steuern der Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung (10) basierend auf einem Steuerwert zum Steuern der steuerbaren Stromquelle.
Die Schaltung gemäß Anspruch 1, wobei die Steuerschaltung konfiguriert ist zum Steuern der Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung (10) basierend auf einer Spannungsdifferenz zwischen einer Spannung an einem Eingangsanschluss der ersten Transistorvorrichtung (10) und der Spannung an dem Ausgangsanschluss der ersten Transistorvorrichtung (10).
Die Schaltung gemäß Anspruch 4, wobei die Steuerschaltung konfiguriert ist zum Steuern der Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung (10) auf eine erste Spannung, wenn die Spannungsdifferenz über einer ersten Schwellenspannung ist, und auf eine zweite Spannung, die von der ersten Spannung verschieden ist, wenn die Spannungsdifferenz unter der ersten Schwellenspannung ist.
Die Schaltung gemäß Anspruch 5, wobei die zweite Spannung derart gewählt ist, dass ein Ein-Zustand-Widerstand der ersten Transistorvorrichtung (10) zwischen ihrem Eingangsanschluss und Ausgangsanschluss zunimmt, wenn sich die Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung (10) von der ersten Spannung zu der zweiten Spannung ändert.
Die Schaltung gemäß Anspruch 5 oder 6, wobei die Steuerschaltung weiter konfiguriert ist zum Steuern der Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung (10) auf eine dritte Spannung, die von den ersten und zweiten Spannungen verschieden ist, wenn die Spannungsdifferenz über einer zweiten Schwellenspannung ist, die größer als die erste Schwellenspannung ist.
Die Schaltung gemäß Anspruch 7, wobei die dritte Spannung derart gewählt ist, dass ein Ein-Zustand-Widerstand der ersten Transistorvorrichtung (10) zwischen ihrem Eingangsanschluss und Ausgangsanschluss abnimmt, wenn sich die Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung (10) von der ersten Spannung zu der dritten Spannung ändert.
Die Schaltung gemäß einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die Steuerschaltung aufweist: einen Analog-zu-Digital-Wandler (ADC – analog-to-digital converter) (70) zum Umwandeln der Spannungsdifferenz in ein digitales Signal; eine digitale Verarbeitungsschaltung (80) zum Verarbeiten des digitalen Signals; und einen Digital-zu-Analog-Wandler (DAC – digital-to-analog converter) (75) zum Umwandeln eines Ausgangssignals der digitalen Verarbeitungsschaltung (80) in eine Spannung zum Anlegen an den Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung (10).
Die Schaltung gemäß Anspruch 9, wobei der ADC (70) einen ersten Komparator (90) mit einem ersten Offset aufweist.
Die Schaltung gemäß Anspruch 9, wobei der ADC (70) einen zweiten Komparator (94) mit einem zweiten Offset aufweist, der von dem ersten Offset verschieden ist.
Die Schaltung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rückkopplungsschaltung konfiguriert ist zum Durchführen eines Spannungsausgleichs durch Steuerung der Versorgungsspannung.
Verfahren zum Steuern einer Schaltung zum Vorsehen eines Stroms, der von einer Versorgungsspannung in eine elektrische Last (30) fließt, wobei die Schaltung aufweist: eine erste Transistorvorrichtung (10), die zwischen der Versorgungsspannung und einem mit der elektrischen Last (30) verbindbaren Ausgangsknoten (15) verbunden ist; und eine Serienverbindung einer zweiten Transistorvorrichtung (20), die eine skalierte Replik der ersten Transistorvorrichtung (10) ist, und einer Stromquelle (50), verbunden zwischen der Versorgungsspannung und einem vorgegebenen Spannungspegel, wobei Steueranschlüsse der ersten und zweiten Transistorvorrichtungen (10, 20) miteinander verbunden sind, wobei das Verfahren aufweist: (a) Durchführen einer Rückkopplungssteuerung, um Spannungen an jeweiligen Ausgangsanschlüssen der ersten Transistorvorrichtung (10) und der zweiten Transistorvorrichtung (20) auszugleichen; und (b) Steuern einer Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung (10) basierend auf einer Quantität, die einen durch die erste Transistorvorrichtung (10) fließenden Strom angibt oder von diesem abhängt.
Das Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei der Schritt (b) ein Steuern der Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung (10) basierend auf einer Quantität umfasst, die einen von der Stromquelle (50) erzeugten Strom angibt.
Das Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei die Stromquelle (50) eine steuerbare Stromquelle ist; und der Schritt (b) ein Steuern der Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung (10) basierend auf einem Steuerwert zum Steuern der steuerbaren Stromquelle umfasst.
Das Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei der Schritt (b) ein Steuern der Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung (10) basierend auf einer Spannungsdifferenz zwischen einer Spannung an einem Eingangsanschluss der ersten Transistorvorrichtung (10) und der Spannung an dem Ausgangsanschluss der ersten Transistorvorrichtung (10) umfasst.
Das Verfahren gemäß Anspruch 16, wobei der Schritt (b) weiter ein Steuern der Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung (10) auf eine erste Spannung, wenn die Spannungsdifferenz über einer ersten Schwellenspannung ist, und auf eine zweite Spannung umfasst, die von der ersten Spannung verschieden ist, wenn die Spannungsdifferenz unter der ersten Schwellenspannung ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 17, wobei der Schritt (b) weiter ein Steuern der Spannung an dem Steueranschluss der ersten Transistorvorrichtung (10) auf eine dritte Spannung umfasst, die von den ersten und zweiten Spannungen verschieden ist, wenn die Spannungsdifferenz über einer zweiten Schwellenspannung ist, die größer als die erste Schwellenspannung ist.