DE102021132633B4

DE102021132633B4 - Verfahren und Schaltung zur Stromerfassung

Info

Publication number: DE102021132633B4
Application number: DE102021132633.8A
Authority: DE
Inventors: Marius-Georghe Neag; Istvan Kovacs; Paul-Nutu Miresan
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2021-12-10
Filing date: 2021-12-10
Publication date: 2023-10-12
Anticipated expiration: 2041-12-11
Also published as: DE102021132633A1; CN116256551A; US20230184813A1

Abstract

Stromerfassungsschaltung, die aufweist:einen ersten Schaltungsknoten (IN1) und einen zweiten Schaltungsknoten (IN2), die dazu ausgebildet sind, mit einem ersten Anschluss bzw. einem zweiten Anschluss eines Stromerfassungswiderstandes (Rs) gekoppelt zu werden;einen Differenzverstärker (OA) mit einem ersten Eingang (-) und einem zweiten Eingang (+), die mit dem ersten Schaltungsknoten (IN1) bzw. dem zweiten Schaltungsknoten (IN2) über einen ersten Eingangswiderstand (RIN,N) bzw. einen zweiten Eingangswiderstand (RIN,P) gekoppelt sind;eine Spannungsquelle (VS1), die dazu ausgebildet ist, die Spannung am ersten Eingang (-) des Differenzverstärkers (OA) auf eine vorgegebene DC-Spannung (VCM) einzustellen;einen steuerbaren Stromspiegel (30), der dazu ausgebildet ist, abhängig von einer oder mehreren Ausgaben des Differenzverstärkers (OA) einen ersten Strom (iA) in seinem Eingangszweig abzuleiten oder bereitzustellen und einen entsprechenden zweiten Strom (iB) in seinem Ausgangszweig zu erzeugen, wobei der Eingangszweig mit dem zweiten Eingang (+) des Differenzverstärkers (OA) gekoppelt ist; undeine Bias-Schaltung (40; CS1), die dazu ausgebildet ist, einen Bias-Strom (iDCP) zu erzeugen, und die mit dem steuerbaren Stromspiegel (30) gekoppelt ist, um den Bias-Strom (iDCP) entweder dem ersten Strom (iA) oder dem zweiten Strom (iB) zu überlagern.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft das Gebiet der Stromerfassung (Strommessung). Insbesondere eine Stromerfassungsschaltung (Strommessschaltung), die in der Lage ist, einen durch einen Stromerfassungswiderstand fließenden Strom zu messen.
HINTERGRUND
Es sind viele Konzepte zum Messen von Strömen bekannt. Viele Ansätze verwenden einen Stromerfassungswiderstand (Strommesswiderstand) und eine Verstärkerschaltung, die dazu ausgebildet ist, den Spannungsabfall über dem Stromerfassungswiderstand zu verstärken. Das Ausgangssignal der Verstärkerschaltung repräsentiert den Strom, der durch den Stromerfassungswiderstand fließt. Die Publikationen Y. Yang and W. Xiaobo, „Design of High-side Current Sense Amplifier with Ultra-wide ICMR ", in: 2009 52nd IEEE International Midwest Symposium on Circuits and Systems, Cancun, Mexico, 2009, pp. 5-8, doi: 10.1109/MWSCAS. 2009.5236167, und H. Zhou, C. Tan and J. Fletcher, "Lossless bidirectional current sense circuit for low-voltage high-current DC/DC converters, " in: IECON 2018 - 44th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, Washington, DC, USA, 2018, pp. 1305-1308, doi: 10.1109/IECON.2018.8591710, beschreiben verschiedene Strommessschaltungen. Des weiteren wird auf die Publikation DE 603 09 155 T2 verwiesen.
Üblichererweise ist der Stromerfassungswiderstand zwischen eine Spannungsquelle und eine Last gekoppelt. Viele bekannte Ansätze, die zum Messen des durch den Stromerfassungswiderstand fließenden Stroms verwendet werden, sind nur zur unidirektionalen Messung geeignet. Das heißt, die Schaltung ist nur in der Lage, Strom in einer Richtung zu messen, z. B. Strom, der von der Quelle zur Last fließt, aber nicht von der Last zur Quelle, was für einige Arten von Lasten der Fall sein kann. Die erwähnte Verstärkerschaltung ist im Wesentlichen ein Differenzverstärker, der dazu ausgebildet ist, die Differenz der an den Eingangsanschlüssen der Stromerfassungsschaltung vorhandenen Spannungen zu messen. Ein daraus resultierendes Problem besteht darin, dass einige Eigenschaften des Differenzverstärkers von der (Gleichtakt-)-Spannung am Verstärkereingang abhängen. Zum Beispiel ändert sich die Offset-Spannung eines Operationsverstärkers im Allgemeinen mit der Gleichtaktspannung an den Verstärkereingängen. Diese Abhängigkeit führt zu einem Fehler, der nicht durch eine Einmal-Kalibrierung kompensiert werden kann. Um diesen Effekt zu verringern, können Operationsverstärker mit einem hohen CMRR (Gleichtaktunterdrückungsverhältnis („common-mode rejection ratio“)) und einer sehr niedrigen Offsetspannung verwendet werden. Dies erhöht j edoch die Komplexität der Gesamtschaltung und steigert die Kosten.
Darüber hinaus wird bei vielen bekannten Stromerfassungsschaltungen der Bereich der Gleichtaktspannungspegel an den Sensoreingängen durch den Bereich der Eingangsgleichtaktspannungspegel, über den der Differenzverstärker arbeiten kann, begrenzt. Darüber hinaus ist eine bidirektionale Stromerfassung mit einem glatten Durchganggang über den Nullpegel ein Problem für viele bekannte Stromerfassungsschaltungen.
Die Erfinder haben es sich zur Aufgabe gemacht Stromerfassungsschaltungen zu verbessern, um zumindest die oben skizzierten Probleme zu verringern.
ÜBERBLICK
Das erwähnte Ziel wird durch die Schaltung von Anspruch 1 erreicht. Verschiedene Ausführungsformen und Weiterentwicklungen werden durch die abhängigen Ansprüche abgedeckt.
Hier wird eine Stromerfassungsschaltung beschrieben. Gemäß einer Ausführungsform weist die Schaltung auf: einen ersten Schaltungsknoten und einen zweiten Schaltungsknoten, die dazu ausgebildet sind, mit einem ersten Anschluss bzw. einem zweiten Anschluss eines Stromerfassungswiderstandes gekoppelt zu werden; einen Differenzverstärker mit einem ersten Eingang und einem zweiten Eingang, die über einen ersten Eingangswiderstand und einen zweiten Eingangswiderstand mit dem ersten Schaltungsknoten und dem zweiten Schaltungsknoten gekoppelt sind; eine Spannungsquelle, die dazu ausgebildet ist, die Spannung am ersten Eingang des Differenzverstärkers auf eine vorgegebene DC-Spannung zu setzen; und einen steuerbaren Stromspiegel, der dazu ausgebildet ist, einen ersten Strom in seinem Eingangszweig basierend auf einer oder mehr Ausgaben (Outputs, Ausgangssignale) des Differenzverstärkers abzuleiten oder bereitzustellen („to sink or source“) und einen entsprechenden zweiten Strom in seinem Ausgangszweig zu erzeugen. Der Eingangszweig ist mit dem zweiten Eingang des Differenzverstärkers gekoppelt. Eine Bias-Schaltung ist dazu ausgebildet, einen Bias-Strom zu erzeugen und ist mit dem steuerbaren Stromspiegel gekoppelt, um den Bias-Strom entweder mit dem ersten Strom oder dem zweiten Strom zu überlagern.
Ein entsprechendes Verfahren wird ebenfalls beschrieben. Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet das Verfahren das Empfangen einer Erfassungsspannung zwischen einem ersten Schaltungsknoten und einem zweiten Schaltungsknoten, die mit einem ersten Anschluss bzw. einem zweiten Anschluss eines Stromerfassungswiderstandes gekoppelt sind, wobei ein erster Eingang und ein zweiter Eingang eines Differenzverstärkers mit dem ersten Schaltungsknoten und dem zweiten Schaltungsknoten über einen ersten Eingangswiderstand bzw. einen zweiten Eingangswiderstand gekoppelt sind. Das Verfahren beinhaltet weiterhin das Einstellen der Spannung am ersten Eingang des Differenzverstärkers auf eine vordefinierte DC-Spannung und das Ableiten/Bereitstellen (sinking/sourcing) eines ersten Stroms in einen/aus einem Eingangszweig eines steuerbaren Stromspiegels basierend auf einer oder mehr Ausgaben (Outputs) des Differenzverstärkers und das Erzeugen eines entsprechenden zweiten Stroms in seinem Ausgangszweig durch den steuerbaren Stromspiegel. Der Eingangszweig ist mit dem zweiten Eingang des Differenzverstärkers gekoppelt. Darüber hinaus beinhaltet das Verfahren das Erzeugen eines Bias-Stroms und das Überlagern des Bias-Stroms entweder mit dem ersten Strom oder dem zweiten Strom.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen lassen sich unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen und Beschreibungen besser verstehen. Die Komponenten in den Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; stattdessen wird der Schwerpunkt auf das Veranschaulichen der den Ausführungsformen zugrunde liegenden Prinzipien gelegt. Darüber hinaus bezeichnen in den Figuren gleiche Bezugsziffern entsprechende Teile. Zu den Zeichnungen:

1 zeigt ein Beispiel einer bekannten Stromerfassungsschaltung.
2 zeigt ein Beispiel einer Stromerfassungsschaltung gemäß einer Ausführungsform.
3 zeigt ein Beispiel einer Stromerfassungsschaltung gemäß einer anderen Ausführungsform.
4 veranschaulicht eine andere Ausführungsform, die eine Modifikation der Schaltung von 3 darstellt.
5 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform, die eine Modifikation der Schaltung von 2 darstellt. 5 zeigt auch eine beispielhafte Implementierung des steuerbaren Stromspiegels von 2.
6 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform, die eine Abwandlung der Schaltung von 4 darstellt.
7 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform, die eine Vereinfachung der Schaltung von 6 darstellt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
1 zeigt ein Beispiel einer bekannten Stromerfassungsschaltung, die in verschiedenen kommerziell verfügbaren Produkten (z. B. Texas Instruments INA170 High-Side, Bidirectional Current Shunt Monitor) verwendet wird. Wie in 1 gezeigt, ist ein Stromerfassungswiderstand Rs (auch als Shunt-Widerstand bezeichnet) zwischen einer Versorgung 20 und einer Last 10 angeschlossen. Die Verstärkerschaltung enthält einen Operationsverstärker OA, dessen invertierender und nichtinvertierender Eingang über zwei identische Eingangswiderstände R_IN mit den beiden Enden des Stromerfassungswiderstands Rs verbunden ist. Der Ausgang des Operationsverstärkers OA ist mit der Basis eines Bipolar-Transistors T₁, dessen Kollektor mit dem nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OA verbunden ist, verbunden. Der Emitter des Transistors T₁ ist über einen Ausgangswiderstand Ro mit einem Masseknoten verbunden. Die Ausgangsspannung V_OUT ist die Spannung über dem Widerstand Ro, die proportional zum Spannungsabfall R_S·i_S über dem Stromerfassungswiderstand Rs und damit auch proportional zu dem durch den Stromerfassungswiderstand Rs fließenden Strom is ist. Um eine bidirektionale Strommessung zu ermöglichen, ist eine Stromsenke, die einen Offsetstrom ios erzeugt, mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden.
Es lässt sich leicht zeigen, dass die Ausgangsspannung V_OUT der Schaltung von 1 durch V_OUT = R_S·i_S·(R_O/R_IN) + I_OS·R_O gegeben ist. Die Offsetspannung I_OS·R_O lässt den Strom is negativ werden, während die Ausgangsspannung V_OUT der Verstärkerschaltung positiv bleibt. Diese Berechnung vernachlässigt den Basisstrom des Transistors T₁, der die tatsächliche Offset-Spannung erhöhen würde. Der bidirektionale Arbeitsbereich wird durch den Offsetstrom ios festgelegt. Zu Kalibrierungszwecken kann die Stromquelle einstellbar sein.
Wie in 1 zu sehen ist, hängt die Gleichtaktspannung an den Eingängen des Operationsverstärkers OA von der durch die Leistungsversorgung 20 bereitgestellten Versorgungsspannung Vs ab. Infolgedessen kann die Schaltung von 1 nur in einer Situation arbeiten, in der die Versorgungsspannung Vs die maximale Eingangsgleichtaktspannung des Operationsverstärkers OA nicht um mehr als die Spannung an den Eingangswiderständen R_IN überschreitet. Falls die Versorgungsspannung Vs auch als Versorgungsspannung für den Operationsverstärker OA verwendet wird, ist sie auf die angegebene maximale Versorgungsspannung des Operationsverstärkers begrenzt. Außerdem kann eine potentiell veränderliche Gleichtaktspannung an den Eingängen des Operationsverstärkers OA zu einer veränderlichen Offsetspannung des Operationsverstärkers OA, die nicht durch eine Einmal-Kalibrierung kompensiert werden kann, führen. Das endliche CMRR und die endlichen (von Null verschiedenen) Eingangsströme des Operationsverstärkers OA haben ähnliche Effekte.
2 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Stromerfassungsschaltung, die nicht die oben in Bezug auf 1 erwähnten Einschränkungen aufweist. Ähnlich wie bei dem vorherigen Beispiel ist ein Stromerfassungswiderstand Rs zwischen einer Leistungsversorgung 20 und einer Last 10 angeschlossen. Die Schaltungsknoten, zwischen denen der Stromerfassungswiderstand Rs angeschlossen ist, sind mit IN1 und IN2 bezeichnet. Eine Verstärkerschaltung ist mit dem Stromerfassungswiderstand Rs gekoppelt. Die Verstärkerschaltung enthält einen Differenzverstärker (z. B. einen Operationsverstärker OA) mit einem ersten Eingang (invertierender Eingang mit „-“ bezeichet) und einem zweiten Eingang (nicht-invertierender Eingang mit „+“ bezeichnet), die mit dem ersten Schaltungsknoten IN1 und dem zweiten Schaltungsknoten IN2 über einen ersten Eingangswiderstand R_IN,N bzw. einen zweiten Eingangswiderstand R_IN,P gekoppelt sind. Bei den hier beschriebenen Ausführungsformen können die Widerstandswerte der Widerstände R_IN,N und R_IN,P gleich sein (R_IN,N = R_IN,P = R_IN).
Anders als bei dem vorigen Beispiel ist eine Spannungsquelle VS₁ mit dem nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OA gekoppelt und dazu ausgebildet, die Spannung am invertierenden Eingang auf eine vorgegebene DC-Spannung V_CM einzustellen. Infolgedessen fließt während des Betriebs der Schaltung ein Strom i_DCN durch den Widerstand R_IN,N zu der Spannungsquelle VS₁. Der Zweck der Spannungsquelle VS₁ besteht darin, die Gleichspannung an den Eingängen des Operationsverstärkers OA auf einen definierten konstanten Spannungswert V_CM, der sich bei einer veränderlichen Versorgungsspannung Vs nicht ändert, einzustellen. Infolgedessen werden bei der Schaltung von 2 die oben erwähnten Probleme, die sich aus einer a priori unbekannten und möglicherweise veränderlichen Gleichtaktspannung ergeben, vermieden.
Um die Wirkung des Stroms i_DCN zu kompensieren, ist bei dem Beispiel von 2 eine Stromquelle CS₁ mit dem nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OA gekoppelt. Der durch die Stromquelle CS₁ erzeugte Strom i_DCP trägt zu dem durch den Widerstand R_IN,P fließenden Gesamtstrom bei. Dementsprechend ist der durch den Widerstand R_IN,P fließende der Gesamtstrom i_A+i_DCP. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Stromquelle CS₁ so ausgelegt, dass der Strom i_DCP gleich dem Strom i_DCN, der durch den Widerstand R_IN,N zur Spannungsquelle VS₁ fließt, sein kann (d. h. i_DCP = i_DCN = i_DC). Diese Gleichheit der Ströme i_DCP und i_DCN kann zum Beispiel durch Stromspiegel erreicht werden.
Der Strom i_A wird durch einen steuerbaren Stromspiegel 30 mit einem Spiegelverhältnis von 1:K verstärkt. Das heißt, der Ausgangsstrom i_B des Stromspiegels 30 ist gleich K·i_A. Der Stromspiegel 30 ist dazu ausgebildet, basierend auf einer oder mehr Ausgaben des Differenzverstärkers OA einen ersten Strom (der der Strom i_A ist) in seinen/von seinem Eingangszweig abzuleiten/bereitzustellen und einen entsprechenden zweiten Strom (den Ausgangsstrom i_B) in seinem Ausgangszweig zu erzeugen. Bei dem vorliegenden Beispiel stellt der Operationsverstärker OA den Arbeitspunkt des Stromspiegels 30 so ein, dass der Strom im Eingangszweig des Stromspiegels gleich dem Reststrom i_A (Gesamtstrom, der durch den Widerstand R_IN,P fließt, abzüglich des durch die Stromquelle CS₁ erzeugten Stroms i_DCP) ist. Bei der Implementierung liefert der Operationsverstärker an seinem Ausgang eine Spannung V_H, die um die Spannung V_LS (siehe 2, Spannungsquelle VS₂) pegelverschoben wird, um die Spannung V_L zu erhalten. Die Spannung V_L legt den Arbeitspunkt des Stromspiegels 30 für einen positiven Strom i_A fest (d. h., der Stromspiegel 30 leitet den Strom i_A ab), während die Spannung V_L den Arbeitspunkt des Stromspiegels 30 für einen negativen Strom i_A festlegt (der Stromspiegel 30 stellt den Strom i_A bereit).
Es versteht sich, dass die Spannungsquelle VS₂, die verwendet wird, um die pegelverschobene Spannung V_L bereitzustellen, auch als Teil der Ausgangsstufe des Operationsverstärkers OA oder alternativ als Teil des steuerbaren Stromspiegels 30 betrachtet werden kann. Der wichtige Aspekt ist lediglich, dass der steuerbare Stromspiegel 30 Teil eines Rückkopplungsnetzwerks, das zum Betreiben des Operationsverstärkers OA verwendet wird, ist (der Stromspiegel 30 koppelt den Ausgang des Operationsverstärkers zurück an den nicht-invertierenden Eingang). In einem stabilen Betriebszustand sind die Spannungen an den beiden Eingängen des Operationsverstärkers OA im Wesentlichen gleich (d. h. V_CM≈V_CM'). Es lässt sich leicht zeigen, dass, wenn R_IN,P·i_DCP = R_IN,N·i_DCN zutrifft, der Strom i_A bei dem Beispiel von 2 proportional zu dem Strom is ist, d. h., i_A = R_S·i_S/R_IN,P. Folglich ist i_B = K·R_S·i_S/R_IN,P.
Um eine Ausgangsspannung, die auf den Spannungsabfall R_S·i_S über dem Stromerfassungswiderstand Rs schließen lässt, zu erhalten, muss der Ausgangsstrom i_B des steuerbaren Stromspiegels in eine entsprechende Spannung umgewandelt werden. Der einfachste Weg, dies zu erreichen, besteht darin, den Strom i_B durch einen Ausgangswiderstand Ro zu leiten, der zwischen dem Stromspiegelausgang und einem Schaltungsknoten, der eine Referenzspannung V_REF liefert, angeschlossen ist. Die Differenz V_OUT-V_REF lässt auf den Strom is schließen. Es wird angemerkt, dass die Differenz V_OUT-V_REF (für negative Ströme is) negativ werden kann, während die Ausgangsspannung V_OUT positiv bleibt.
Es wird angemerkt, dass, da die Gleichtaktspannung an den Eingängen des Operationsverstärkers fest ist, die durch die Leistungsversorgung 20 bereitgestellte Versorgungsspannung Vs (signifikant) höher sein kann als die Versorgungsspannung V_DD, die verwendet wird, um den Stromspiegel 30 und den Operationsverstärker OA zu versorgen. Weiterhin kann die Versorgungsspannung Vs niedriger sein als die Versorgungsspannung V_DD (Vs kann sogar negativ sein). Darüber hinaus kann jeder in der Ausgangsspannung V_OUT enthaltene Offset durch Feinabstimmen der Referenzspannung V_REF kompensiert werden.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform, die der vorherigen Ausführungsform von 2 sehr ähnlich ist. Dementsprechend konzentrieren sich die folgenden Erörterungen auf die Unterschiede zwischen den beiden Beispielen der 2 und 3. Bei dem vorherigen Beispiel von 2 besteht der Zweck der gesteuerten Stromquelle CS₁ (Strom i_DCP) im Wesentlichen darin, die Wirkung des durch R_IN,N fließenden Stroms i_DCN zu kompensieren. Wie oben erläutert, ist der Strom i_DCN ein Ergebnis der Spannungsquelle VS₁, die die Gleichtaktspannung an den Eingängen des Operationsverstärkers OA auf den gewünschten Wert V_CM einstellt, und die Auswirkung des resultierenden Spannungsabfalls R_IN,N-i_DCN auf den Strom i_A (Eingangsstrom des Stromspiegels 30) wird durch den entsprechenden Spannungsabfall R_IN,P-i_DCP eliminiert, wenn R_IN,P = R_IN,N und i_DCP = i_DCN. Die Stromquelle CS₁ ist mit dem gemeinsamen Schaltungsknoten des nicht-invertierenden Eingangs des Operationsverstärkers und dem Stromeingang des Stromspiegels 30 verbunden. Derselbe Effekt kann durch eine mit dem Stromausgang des Stromspiegels 30 verbundene Stromquelle CS₁' erzielt werden, wenn der durch die Stromquelle CS₁' erzeugte Bias-Strom i_DCP' gleich dem K-fachen von i_DCN ist (K ist das Spiegelverhältnis des Stromspiegels 30). Diese Situation ist in 3 abgebildet.
Allgemeiner kann die Stromquelle CS₁' als Bias-Schaltung oder Teil einer Bias-Schaltung 40 betrachtet werden. Wenn die Stromquelle CS₁' abstimmbar ist, kann der Strom i_DCP' verwendet warden, um die Ausgangsspannung V_OUT fein abzustimmen. Das Einstellen von i_DCP' hat eine ähnliche Wirkung auf die Ausgangsspannung V_OUT wie das Einstellen der Referenzspannung V_REF. Es wird angemerkt, dass die Stromquelle CS' / Bias-Schaltung 40 entweder von der Versorgung 20 (Versorgungsspannung Vs) oder von der Versorgungsschaltung (nicht gezeigt), die die Versorgungsspannung V_DD (die niedriger als Vs sein kann) bereitstellt, gespeist werden kann. Abgesehen von der Bias-Schaltung 40 (Stromquellen CS, CS') ist das Beispiel von 3 identisch mit dem Beispiel von 2 und es wird auf die entsprechende Beschreibung oben Bezug genommen.
4 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform, die sich von der Schaltung von 3 im Wesentlichen durch die Bias-Schaltung 40 und die Ausgangsstufe 50 unterscheidet. Wenn die Bias-Schaltung 40 mit dem Ausgang des steuerbaren Stromspiegels 30 verbunden ist, kann die Bias-Schaltung 40, wie in 4 gezeigt, auf eine sehr einfache Weise implementiert werden. Dementsprechend kann die Bias-Schaltung 40 ein einfacher Widerstand sein, der einen Widerstand von R_IN,P/K besitzt und zwischen einem Schaltungsknoten, der die Spannung Vs liefert, und dem Ausgang des Stromspiegels 30 angeschlossen ist. Bei der Schaltung von 3 wie auch bei der Schaltung von 4 ist der Ausgangsstrom io gleich i_B-i_DCP' = i_B-K·i_DCN.
Bei dem Beispiel von 4 ist die Ausgangsstufe 50 komplexer als bei den vorherigen Beispielen. Dementsprechend ist die Ausgangsstufe 50 im Wesentlichen ein Strom-Spannungs-Wandler, der unter Verwendung eines Operationsverstärkers OA2, dessen Ausgang über den Widerstand Ro mit seinem invertierenden Eingang gekoppelt ist, implementiert ist. Eine Referenzspannung V_REF kann an den nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OA2 angelegt werden. Die Referenzspannung V_REF führt zu einem Offset bei der Ausgangsspannung V_OUT. Es versteht sich, dass wenn die Bias-Schaltung 40, wie in 4 gezeigt, durch einen einzelnen Widerstand implementiert ist, die Offset-Spannung V_REF dann im Wesentlichen gleich der Gleichtaktspannung V_CM sein muss. Wie in 4 gezeigt, kann die Spannung V_REF fein abgestimmt werden, um den in der Ausgangsspannung V_OUT enthaltenen tatsächlichen Offset einzustellen. Abgesehen von der Bias-Schaltung 40 und der Ausgangsstufe 50 ist die Schaltung von 4 identisch mit der Schaltung von 3 und es wird auf die entsprechende Beschreibung oben Bezug genommen.
5 zeigt eine weitere Ausführungsform, die eine Modifikation der Schaltung von 2 darstellt. Im Wesentlichen ist die Schaltung von 5 dieselbe wie die Schaltung von 2, mit Ausnahme der Ausgangsstufe, die auf dieselbe Weise wie bei dem Beispiel von 4 implementiert ist. Bei dem vorliegenden Beispiel kann die Referenzspannung V_REF, die den Offset der Ausgangsspannung bestimmt, von der Gleichtaktspannung V_CM abweichen.
5 enthält auch eine beispielhafte Implementierung des Stromspiegels 30. Der Eingangszweig des Stromspiegels 30 besteht aus einer Reihenschaltung von zwei Transistoren T₁ und T₃, wobei Reihenschaltung bedeutet, dass die Drain-Source-Strompfade (oder Kollektor-Emitter-Strompfade im Fall von Bipolar-Transistoren). Ähnlich besteht der Ausgangszweig des Stromspiegels 30 aus einer entsprechenden Reihenschaltung von zwei Transistoren T₂ und T₄. Bei dem abgebildeten Beispiel sind die Low-Side-Transistoren T₁ und T₂ n-Kanal-MOS-Transistoren, während die High-Side-Transistoren T₃ und T₄ p-Kanal-MOS-Transistoren sind. Es versteht sich, dass stattdessen auch Bipolar-Transistoren vom Typ npn und vom Typ pnp verwendet werden können. Wie bei jedem Stromspiegel sind die Gates (oder die Basen im Fall von Bipolar-Transistoren) der beiden High-Side-Transistoren T₃ und T₄ miteinander verbunden. In ähnlicher Weise sind auch die Gates der Low-Side-Transistoren T₁ und T₂ miteinander verbunden. Die aktive Fläche der Transistoren T₂ und T₄ im Ausgangszweig ist das K-fache der aktiven Fläche der entsprechenden Transistoren T₁ und T₃ im Eingangszweig, so dass der Ausgangsstrom i_B das K-fache des Eingangsstroms i_A beträgt.
Der Operationsverstärker OA treibt/steuert die Gates der in dem Stromspiegel 30 enthaltenen Transistoren T₁-T₄ so, dass die Spannung V_CM' am nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OA ungefähr gleich der durch die Spannungsquelle VS₁ eingestellten Gleichtaktspannung V_CM ist. Dementsprechend erzeugt der Operationsverstärker OA für einen positiven Strom i_A Spannungen V_H und V_L (wobei V_L=V_H-V_LS), so dass die Spannung V_H hoch genug ist, um die High-Side-Transistoren T₃ und T₄ abzuschalten, während die Spannung V_L einen solchen Wert annimmt, dass die Gleichheit V_CM' = V_CM (näherungsweise) erfüllt ist. Ähnlich erzeugt der Operationsverstärker OA für einen negativen Strom i_A Spannungen V_H und V_L (wobei V_L=V_H-V_LS), so dass die Spannung V_L niedrig genug ist, um die Low-Side-Transistoren T₁ und T₂ auszuschalten, während die Spannung V_H einen solchen Wert annimmt, dass die Gleichheit V_CM' = V_CM (näherungsweise) erfüllt ist. Das heißt, für einen positiven Strom i_A ist nur der aus den Transistoren T₁ und T₂ zusammengesetzte Low-Side-Stromspiegel aktiv, während für einen negativen Strom i_A nur der aus den Transistoren T₃ und T₄ zusammengesetzte High-Side-Stromspiegel aktiv ist. Negative Ströme fließen in einer Richtung, die der durch die Pfeile in 5 angegebenen Richtung entgegengesetzt ist. Es versteht sich jedoch, dass 5 lediglich ein Beispiel, das eine bestimmte Ausführungsform darstellt, ist. Bei einem anderen Beispiel kann die Schaltung so ausgelegt sein, dass immer ein DC-Bias-Strom durch beide Stromspiegel (High-Side und Low-Side Stromspiegel) fließt.
Um die obigen Erläuterungen zusammenzufassen, lässt sich sagen, dass der steuerbare Stromspiegel 30 in der Lage ist, sowohl positive als auch negative Eingangsströme i_A zu spiegeln. Zu diesem Zweck enthält der steuerbare Stromspiegel 30 zwei Transistorpaare, nämlich ein Paar High-Side-Transistoren T₃ und T₄, die einen ersten Stromspiegel, der für negative Eingangsströme i_A aktiv ist, bilden, und ein Paar Low-Side-Transistoren T₁ und T₂, die einen zweiten Stromspiegel, der für positive Eingangsströme i_A aktiv ist, bilden. Der Operationsverstärker OA erzeugt die Spannungen V_H und V_L (wobei V_L=V_H-V_LS), die die Gates (oder Basen im Fall von Bipolar-Transistoren) der Transistorpaare T₃, T₄ bzw. T₁, T₂ ansteuern, so dass die Spannung V_CM' am nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OA näherungsweise der durch die Spannungsquelle VS₁ eingestellten Gleichtaktspannung V_CM entspricht. Wie erwähnt, kann die Spannungsquelle VS₂, die für die Pegelverschiebung zwischen den Spannungen V_H und V_L verantwortlich ist, als Teil der Ausgangsstufe des Operationsverstärkers OA (oder alternativ als Teil des Steuerschaltkreises des Stromspiegels 30) betrachtet werden. Abgesehen von der Ausgangsstufe 50 und der spezifischen Implementierung des Stromspiegels 30 ist die Schaltung von 5 identisch mit der Schaltung von 2 und es wird auf die entsprechende Beschreibung oben Bezug genommen.
Das Beispiel von 6 ist im Wesentlichen dasselbe wie die Schaltung von 4, jedoch mit einer etwas anderen Implementierung der Ausgangsstufe 50. Weiterhin ist in 6 eine mögliche Implementierung der Spannungsquelle VS₁ gezeigt. Demnach wird die Spannungsquelle VS₁ unter Verwendung eines Pufferverstärkers (mit Verstärkung eins) mit einer Ausgangsstufe, die den Strom i_DCN ableiten kann, realisiert. Die Bias-Schaltung 40 ist auf dieselbe Weise implementiert wie bei dem Beispiel von 4, und die steuerbare Stromquelle 30 ist auf dieselbe Weise implementiert wie bei dem Beispiel von 5. In 6 enthält die Ausgangsstufe 50 einen Strom-Spannungs-Wandler, der ähnlich aufgebaut ist wie in 4 gezeigt. Bei dem vorliegenden Beispiel wird jedoch die Spannung V_CM' am nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OA als Referenzspannung des Operationsverstärkers OA2 in der Ausgangsstufe verwendet. Dementsprechend sind die nicht-invertierenden Eingänge der beiden Operationsverstärker OA und OA2 miteinander verbunden. Die Ausgangsspannung V_OUT kann durch Abstimmen des Stroms i_CAL, der durch die Stromquelle CS₃, die mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OA2 verbunden ist, erzeugt wird, fein abgestimmt werden. Bei einer anderen Ausführungsform wird die Spannung V_CM am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OA als Referenzspannung des Operationsverstärkers OA2 in der Ausgangsstufe verwendet.
Die bis hierhin erörterten Ausführungsformen sind alle für bidirektionale Strommessung geeignet. Das heißt, die Stromerfassungsschaltungen sind nicht nur in der Lage, Ströme zu messen, die von der Leistungsversorgung 20 zur Last 10 fließen, sondern auch Ströme in der Gegenrichtung. Im letzteren Fall ändern der Strom is und damit die Spannung R_S·i_S ihre Polarität. Bei Anwendungen, bei denen eine bidirektionale Strommessung nicht erforderlich ist, kann eine einfachere Schaltung, wie sie zum Beispiel in 7 gezeigt ist, verwendet werden.
Die Schaltung in 7 ist eine vereinfachende Modifikation der Schaltung von 6. Im Wesentlichen besteht der steuerbare Stromspiegel 30 in 7 hauptsächlich aus dem Low-Side-Transistorpaar T₁ und T₂, was die Erzeugung der beiden Ausgangssignale V_L und V_H, die in Bezug aufeinander pegelverschobenen sind, überflüssig macht. Dementsprechend ist in 7 die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers OA nur die Spannung V_L, die den Gates der Transistoren T₁ und T₂ zugeführt wird.
Wie bei allen hier erörterten Beispielen befindet sich der steuerbare Stromspiegel 30 in der Rückkopplungsschleife des Operationsverstärkers OA. Somit steuert der Operationsverstärker OA den Arbeitspunkt des Stromspiegels so, dass die Spannung V_CM' am nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OA im Wesentlichen gleich der von der Spannungsquelle VS₁ gelieferten Gleichtaktspannung V_CM ist. Es versteht sich, dass zwischen den Spannungen V_CM und V_CM' aufgrund der intrinsischen Eigenschaften des Operationsverstärkers OA ein kleiner Offset bestehen wird. Bei dem Beispiel von 7 kann gezeigt werden, dass i_B = K·i_A = K·i_S·R_S/R_IN + K·i_DCN (mit R_IN,P=R_IN,N=R_IN) und i_B=i_O+K·i_DCN. Das Kombinieren der beiden Gleichungen führt zu dem folgenden Ausdruck für den Ausgangsstrom io: io = K·i_S·R_S/R_IN. Der Ausgangsstrom io kann durch die Ausgangsstufe 50 in eine entsprechende Ausgangsspannung V_OUT umgewandelt werden. Es versteht sich, dass für negative Ströme eine entsprechende unidirektionale Stromerfassungsschaltung aufgebaut werden kann. In diesem Fall kann der steuerbare Stromspiegel nur das High-Side-Transistorpaar T₃ und T₄ enthalten.
Einige wichtige Aspekte / Eigenschaften der Ausführungsformen werden im Folgenden zusammengefasst. Es versteht sich, dass das Folgende keine erschöpfende Aufzählung von Eigenschaften darstellt, sondern vielmehr eine beispielhafte Zusammenfassung. Gemäß den hier beschriebenen Ausführungsformen enthält eine Stromerfassungsschaltung einen ersten Schaltungsknoten und einen zweiten Schaltungsknoten, die dazu ausgebildet sind, mit einem ersten Anschluss bzw. einem zweiten Anschluss eines Stromerfassungswiderstandes gekoppelt zu werden (siehe 2-7, Widerstand Rs und Schaltungsknoten IN1 und IN2). Die Schaltung enthält ferner einen Differenzverstärker mit einem ersten Eingang (invertierend) und einem zweiten Eingang (nicht-invertierend), die über einen ersten Eingangswiderstand und einen zweiten Eingangswiderstand mit dem ersten Schaltungsknoten und dem zweiten Schaltungsknoten gekoppelt sind (siehe 2-7, die Knoten IN1 und IN2 sind über die Widerstände R_IN,N und R_IN,P mit den Eingängen des Operationsverstärkers OA verbunden). Die Schaltung enthält ferner eine Spannungsquelle, die dazu ausgebildet ist, die Spannung am ersten Eingang des Differenzverstärkers (z. B. des Operationsverstärkers OA) auf eine vorgegebene DC-Spannung, die als Gleichtaktspannung V_CM bezeichnet wird, einzustellen (vgl. 2-7). Ein steuerbarer Stromspiegel ist dazu ausgebildet, einen ersten Strom in/aus seinem Eingangszweig basierend auf einer oder mehr Ausgaben des Differenzverstärkers abzuleiten oder bereitzustellen und einen entsprechenden zweiten Strom in seinem Ausgangszweig zu erzeugen (vgl. 2-7, Eingangsstrom i_A und Ausgangsstrom i_B des Stromspiegels 30, der durch Spannungen V_L und/oder V_H gesteuert wird). Dabei ist der Eingangszweig des Stromspiegels mit dem zweiten Eingang des Differenzverstärkers gekoppelt. Schließlich enthält die Stromerfassungsschaltung eine Bias-Schaltung, die dazu ausgebildet ist, einen Bias-Strom zu erzeugen, und die mit dem steuerbaren Stromspiegel gekoppelt ist, um den Bias-Strom entweder mit dem ersten Strom oder dem zweiten Strom zu überlagern (siehe 2-7, die Bias-Schaltung 40 ist entweder mit dem Eingang oder mit dem Ausgang des Stromspiegels 40 verbunden).
Bei einer Ausführungsform ist die Bias-Schaltung dazu ausgebildet, einen Bias-Strom zu erzeugen, der die Wirkung eines durch die Spannungsquelle fließenden Stroms kompensiert. Wie oben erörtert muss der Bias-Strom bei Implementierungen, bei denen die Bias-Schaltung mit dem Ausgang des Stromspiegels gekoppelt ist, K-mal größer sein als bei Implementierungen, bei denen die Bias-Schaltung mit dem Eingang des Stromspiegels gekoppelt ist, wobei K das Spiegelverhältnis des Stromspiegels ist. Bei praktisch allen Ausführungsformen kann die Bias-Schaltung 40 dazu ausgebildet sein, eine Feinabstimmung/Kalibrierung der Ausgangsspannung der Stromerfassungsschaltung zu ermöglichen. Dieser Aspekt ist bei den Beispielen von 4, 6 und 7, bei denen die Bias-Schaltung im Wesentlichen durch den Widerstand mit dem Widerstand R_IN/K gebildet wird, besonders nützlich.
Bei einigen Ausführungsformen ist die Bias-Schaltung mit dem Eingangszweig des steuerbaren Stromspiegels gekoppelt, und der Bias-Strom ist gleich dem Strom, der durch die Spannungsquelle fließt. Bei einigen anderen Ausführungsformen ist die Bias-Schaltung mit dem Ausgangszweig des steuerbaren Stromspiegels gekoppelt, und der Bias-Strom ist gleich dem Strom, der durch die Spannungsquelle fließt, multipliziert mit einem Übertragungsverhältnis (Spiegelverhältnis) des steuerbaren Stromspiegels.
Die Spannungsquelle kann bei einigen Ausführungsformen einen Pufferverstärker, der dazu ausgebildet ist, die gewünschte Gleichtaktspannung V_CM entsprechend einer an den Pufferverstärker angelegten Eingangsspannung auszugeben, enthalten (siehe z. B. 6).
Eine Ausgangsstufe kann mit dem Ausgangszweig des steuerbaren Stromspiegels gekoppelt sein. Die Ausgangsstufe kann dazu ausgebildet sein, ein Ausgangssignal (z. B. die Spannung V_OUT oder den Strom io), das auf den durch den Stromerfassungswiderstand Rs fließenden Strom schließen lässt, bereitzustellen. Bei einigen Ausführungsformen besteht der Zweck der Ausgangsstufe darin, die Spannung am Ausgang des Stromspiegels auf einen gewünschten Spannungswert (z. B. auf die Spannung V_CM oder V_CM', vgl. 6 oder 7, oder auf eine Referenzspannung V_REF) einzustellen. Bei einigen Ausführungsformen kann die Ausgangsstufe dazu ausgebildet sein, die Ausgangsspannung basierend auf dem Ausgangsstrom des Stromspiegels und einem einstellbaren Offsetstrom oder einer einstellbaren Offsetspannung (vgl. 5 und 6, einstellbare Spannung V_REF, einstellbarer Strom i_CAL) zu erzeugen.
Bei den hier beschriebenen Ausführungsformen kann die Kalibrierung/Feinabstimmung des Ausgangssignals sinnvollerweise in einer Einmal-Kalibrierung durchgeführt werden, z. B. bei einem End-of-Line-Test oder einem bestimmten Produkt. Dies ist möglich, da sich die Offset-Spannung des Operationsverstärkers OA nicht verändert, da die Gleichtaktspannung grundsätzlich auf V_CM festgelegt ist. Schließlich wird angemerkt, dass die hier unter Bezugnahme auf verschiedene Ausführungsformen beschriebenen Aspekte / Merkmale kombiniert werden können, um weitere Ausführungsformen zu erhalten.
Obwohl die Erfindung in Bezug auf eine oder mehr Implementierungen dargestellt und beschrieben wurde, können an den dargestellten Beispielen Änderungen und/oder Modifikationen vorgenommen werden, ohne den Gedanken und den Umfang der beigefügten Ansprüche zu verlassen. Zum Beispiel könnte bei verschiedenen hier beschriebenen Beispielen der Stromspiegel so gestaltet sein, dass er das Signal invertiert. Infolgedessen müssen der invertierende und der nicht-invertierende Eingangsknoten des Operationsverstärkers vertauscht werden. Insbesondere im Hinblick auf die verschiedenen Funktionen, die durch die oben beschriebenen Komponenten oder Strukturen (Einheiten, Baugruppen, Einrichtungen, Schaltungen, Systeme usw.) ausgeführt werden, sollen die Begriffe (einschließlich eines Verweises auf ein „Mittel“), die verwendet werden, um solche Komponenten zu beschreiben - sofern nicht anders angegeben - jeder Komponente oder Struktur entsprechen, die die spezifizierte Funktion der beschriebenen Komponente ausführt (z. B. die funktionell äquivalent ist), auch wenn sie strukturell nicht äquivalent zu der offengelegten Struktur, die die Funktion bei den hier dargestellten beispielhaften Implementierungen der Erfindung ausführt, ist.

Claims

Stromerfassungsschaltung, die aufweist: einen ersten Schaltungsknoten (IN1) und einen zweiten Schaltungsknoten (IN2), die dazu ausgebildet sind, mit einem ersten Anschluss bzw. einem zweiten Anschluss eines Stromerfassungswiderstandes (Rs) gekoppelt zu werden; einen Differenzverstärker (OA) mit einem ersten Eingang (-) und einem zweiten Eingang (+), die mit dem ersten Schaltungsknoten (IN1) bzw. dem zweiten Schaltungsknoten (IN2) über einen ersten Eingangswiderstand (R_IN,N) bzw. einen zweiten Eingangswiderstand (R_IN,P) gekoppelt sind; eine Spannungsquelle (VS₁), die dazu ausgebildet ist, die Spannung am ersten Eingang (-) des Differenzverstärkers (OA) auf eine vorgegebene DC-Spannung (V_CM) einzustellen; einen steuerbaren Stromspiegel (30), der dazu ausgebildet ist, abhängig von einer oder mehreren Ausgaben des Differenzverstärkers (OA) einen ersten Strom (i_A) in seinem Eingangszweig abzuleiten oder bereitzustellen und einen entsprechenden zweiten Strom (i_B) in seinem Ausgangszweig zu erzeugen, wobei der Eingangszweig mit dem zweiten Eingang (+) des Differenzverstärkers (OA) gekoppelt ist; und eine Bias-Schaltung (40; CS₁), die dazu ausgebildet ist, einen Bias-Strom (i_DCP) zu erzeugen, und die mit dem steuerbaren Stromspiegel (30) gekoppelt ist, um den Bias-Strom (i_DCP) entweder dem ersten Strom (i_A) oder dem zweiten Strom (i_B) zu überlagern.
Stromerfassungsschaltung nach Anspruch 1, wobei die Bias-Schaltung (CS₁) dazu ausgebildet ist, den Bias-Strom (i_DCP) so zu erzeugen, dass er die Wirkung eines durch die Spannungsquelle (VS₁) fließenden Stroms (i_DCN) kompensiert.
Stromerfassungsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Bias-Schaltung (CS₁) mit dem Eingangszweig des steuerbaren Stromspiegels (30) gekoppelt ist und der Bias-Strom (i_DCP) gleich dem durch die Spannungsquelle (VS₁) fließenden Strom (i_DCN) ist.
Stromerfassungsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Bias-Schaltung (40) mit dem Ausgangszweig des steuerbaren Stromspiegels (30) gekoppelt ist und der Bias-Strom (i_DCP') gleich dem durch die Spannungsquelle (VS₁) fließenden Strom (i_DCN) mal einem Übertragungsverhältnis (K) des steuerbaren Stromspiegels (30) ist.
Stromerfassungsschaltung nach einem der Ansprüche 1-4, wobei die Spannungsquelle (VS₁) einen Pufferverstärker aufweist, der dazu ausgebildet ist, die vorgegebene DC-Spannung (V_CM) nach Maßgabe einer an den Pufferverstärker angelegten Eingangsspannung (V_REF,CM) auszugeben.
Stromerfassungsschaltung nach einem der Ansprüche 1-5, die weiter aufweist: eine Ausgangsstufe (R_O, 50), die mit dem Ausgangszweig des steuerbaren Stromspiegels (30) gekoppelt und dazu ausgebildet ist, ein Ausgangssignal bereitzustellen, das einen durch den Stromerfassungswiderstand (R_S) fließenden Strom (is) anzeigt.
Stromerfassungsschaltung nach Anspruch 6, wobei die Ausgangsstufe (R_O, 50) dazu ausgebildet ist, eine Spannung am Ausgang des Stromspiegels auf eine gewünschte Referenzspannung einzustellen.
Stromerfassungsschaltung nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Ausgangsstufe (50) dazu ausgebildet ist, das Ausgangssignal basierend auf dem zweiten Strom (i_B) und einem einstellbaren Offsetstrom oder einer einstellbaren Offsetspannung (i_CAL, V_CAL) zu erzeugen.
Stromerfassungsschaltung nach einem der Ansprüche 1-8, wobei die Bias-Schaltung (CS₁) einen Widerstand (R_IN/K) aufweist, der zwischen den ersten Schaltungsknoten (IN1) und den Ausgangszweig des steuerbaren Stromspiegels gekoppelt ist.
Stromerfassungsschaltung nach einem der Ansprüche 1-9, wobei der steuerbare Stromspiegel so ausgebildet ist, dass er in der Lage ist, den ersten Strom (i_A) und den entsprechenden zweiten Strom (i_B) mit positivem und negativem Vorzeichen zu erzeugen.
Verfahren, das aufweist: Empfangen einer Spannung (R_S·i_S) zwischen einem ersten Schaltungsknoten (IN1) und einem zweiten Schaltungsknoten (IN2), die mit einem ersten Anschluss bzw. einem zweiten Anschluss eines Stromerfassungswiderstands (Rs) gekoppelt sind, wobei ein erster Eingang (-) und ein zweiter Eingang (+) eines Differenzverstärkers (OA) mit dem ersten Schaltungsknoten (IN1) bzw. dem zweiten Schaltungsknoten (IN2) über einen ersten Eingangswiderstand (R_IN,N) bzw. einen zweiten Eingangswiderstand (R_IN,P) gekoppelt sind; Einstellen einer Spannung am ersten Eingang (-) des Differenzverstärkers (OA) auf eine vorgegebene DC-Spannung (V_CM); Ableiten oder Bereitstellen eines ersten Stroms (i_A) in oder von einem Eingangszweig eines steuerbaren Stromspiegels (30) abhängig von einer oder mehreren Ausgaben des Differenzverstärkers (OA) und Erzeugen - mittels des steuerbaren Stromspiegels (30) - eines entsprechenden zweiten Stroms (i_B) in einem Ausgangszweig des steuerbaren Stromspiegels (30); wobei der Eingangszweig mit dem zweiten Eingang (+) des Differenzverstärkers (OA) gekoppelt ist; und Erzeugen eines Bias-Stroms (i_DCP) und Überlagern des Bias-Stroms (i_DCP) mit entweder dem ersten Strom (i_A) oder dem zweiten Strom (i_B).