DE112021005654T5

DE112021005654T5 - Leckstromkompensationstechnik für Stromsensor

Info

Publication number: DE112021005654T5
Application number: DE112021005654.9T
Authority: DE
Inventors: Hio Leong Chao
Original assignee: Analog Devices Inc
Current assignee: Analog Devices Inc
Priority date: 2020-10-26
Filing date: 2021-09-23
Publication date: 2023-08-03
Also published as: WO2022093449A1; US20220128605A1; US11499995B2; CN116324456A

Abstract

Eine Stromsensorschaltung weist Folgendes auf: mehrere Widerstandsschaltungselemente mit unterschiedlichen elektrischen Widerstandswerten, die zwischen mindestens einem Eingangsanschluss der Stromsensorschaltung und einem Ausgangsanschluss angeordnet sind; eine erste Vielzahl von Umschaltschaltungen, die zwischen den Eingangsanschluss und die Widerstandsschaltungselemente gekoppelt sind, wobei jede Umschaltschaltung der ersten Vielzahl von Umschaltschaltungen ein Paar von in Reihe geschalteten Transistoren aufweist; mindestens einen Ansteuerungsverstärker, der einen Ausgang und einen Eingang aufweist, die mit dem Ausgangsanschluss verbunden sind; und eine zweite Vielzahl von Umschaltschaltungen, wobei jede Umschaltschaltung einen ersten Schaltanschluss, der mit dem mindestens einen Ansteuerungsverstärkerausgang gekoppelt ist, und einen zweiten Schaltanschluss, der mit einer gemeinsamen Verbindung eines Paars von Transistoren der ersten Vielzahl von Umschaltschaltungen gekoppelt ist, aufweist.

Description

PRIORITÄTSANSPRUCH
Diese Anmeldung ist eine PCT-Anmeldung, die die Priorität der am 26. Oktober 2020 eingereichten US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 17/079,845 beansprucht, die hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen wird.
GEBIET DER OFFENBARUNG
Dieses Dokument betrifft elektronische Schaltungen zum Überwachen des Stroms eines elektronischen Systems.
HINTERGRUND
Eine Stromüberwachungsschaltung wird verwendet, um die Laststrominformationen eines elektronischen Systems zu überwachen und zu melden. In einigen Systemen ist es erforderlich, die Laststrominformationen mit hoher Genauigkeit über einen großen Strombereich, der mehrere Größenordnungsdekaden umfassen kann, zu melden. Eine Stromsensorschaltung weist typischerweise einen Erfassungswiderstand und einen Stromerfassungsverstärker zum Erzeugen eines Ausgangssignals auf. Der Strom durch den Erfassungswiderstand wird gemessen, indem die Spannung, die sich an dem über den Erfassungswiderstand entwickelt, durch die Eingänge des Stromerfassungsverstärkers beobachtet wird. Aufgrund des ohmschen Gesetzes ist die Spannung an den Widerstandsanschlüssen proportional zu dem Strom durch den Widerstand. Eine Fehlerquelle für eine Stromsensorschaltung ist ein Offset-Fehler, der durch eine endliche Leerlaufverstärkung und eine Fehlanpassung von Vorrichtungen der Stromüberwachungsschaltung verursacht wird.
KURZDARSTELLUNG DER OFFENBARUNG
Dieses Dokument betrifft allgemein elektronische Schaltungen zum Überwachen von Strom. In einigen Aspekten weist eine Stromsensorschaltung Folgendes auf: mehrere Widerstandsschaltungselemente mit unterschiedlichen elektrischen Widerstandswerten, die zwischen mindestens einem Eingangsanschluss der Stromsensorschaltung und einem Ausgangsanschluss angeordnet sind; eine erste Vielzahl von Umschaltschaltungen, die zwischen den Eingangsanschluss und die Widerstandsschaltungselemente gekoppelt sind, wobei jede Umschaltschaltung der ersten Vielzahl von Umschaltschaltungen ein Paar von in Reihe geschalteten Transistoren aufweist; mindestens einen Ansteuerungsverstärker, der einen Ausgang und einen Eingang aufweist, die mit dem Ausgangsanschluss verbunden sind; und eine zweite Vielzahl von Umschaltschaltungen, wobei jede Umschaltschaltung einen ersten Schaltanschluss, der mit dem mindestens einen Ansteuerungsverstärkerausgang gekoppelt ist, und einen zweiten Schaltanschluss, der mit einer gemeinsamen Verbindung eines Paars von Transistoren der ersten Vielzahl von Umschaltschaltungen gekoppelt ist, aufweist.
In einigen Aspekten weist ein Verfahren zum Betreiben einer Stromüberwachung Folgendes auf: Schalten eines ersten Widerstandsschaltungselements, das zum Überwachen von Strom ausgewählt ist, zwischen einen ersten Eingangsanschluss und einen Ausgangsanschluss der Stromüberwachungsschaltung durch Aktivieren eines ersten Paars von Transistoren, die mit dem ersten Widerstandsschaltungselement verbunden sind, wobei das Paar von Transistoren in Reihe geschaltet ist; Ansteuern einer gemeinsamen Verbindung von Transistorpaaren, die mit nicht ausgewählten Widerstandsschaltungselementen verbunden sind, mit einer Ausgangsspannung des Ausgangsanschlusses; und Erfassen einer Spannung an dem ausgewählten ersten Widerstandsschaltungselement.
In einigen Aspekten weist ein elektronisches System eine erste Schaltungsversorgungsschiene, eine Schaltungslast und eine mit der ersten Schaltungsversorgungsschiene und der Schaltungslast gekoppelte Stromüberwachungsschaltung auf. Die Stromüberwachungsschaltung weist Folgendes auf: mehrere Widerstandsschaltungselemente mit unterschiedlichen elektrischen Widerstandswerten, die zwischen mindestens einem Eingangsanschluss der Stromsensorschaltung und einem Ausgangsanschluss angeordnet sind; eine erste Vielzahl von Umschaltschaltungen, die zwischen den mindestens einen Eingangsanschluss und die Widerstandsschaltungselemente gekoppelt sind, wobei jede Umschaltschaltung der ersten Vielzahl von Umschaltschaltungen ein Paar von in Reihe geschalteten Transistoren aufweist, wobei Drain-Gebiete der Transistoren miteinander verbunden sind; mindestens einen Ansteuerungsverstärker, der einen Ausgang und einen mit dem Ausgangsanschluss verbundenen Eingang aufweist; eine zweite Vielzahl von Umschaltschaltungen, wobei jede Umschaltschaltung einen ersten Schaltanschluss, der mit dem mindestens einen Ansteuerungsverstärkerausgang gekoppelt ist, und einen zweiten Schaltanschluss, der mit einer gemeinsamen Drain-Verbindung eines Paars von Transistoren der ersten Vielzahl von Umschaltschaltungen gekoppelt ist, aufweist; und einen Erfassungsverstärker, ausgebildet zum Liefern eines Ausgangssignals, das mindestens einen Teil des Laststroms repräsentiert, an den Ausgangsanschluss.
Dieser Abschnitt soll eine Übersicht über den Gegenstand der vorliegenden Patentanmeldung bereitstellen. Er soll keine ausschließliche oder erschöpfende Erläuterung der Erfindung bereitstellen. Die ausführliche Beschreibung ist aufgenommen, um weitere Informationen über die vorliegende Patentanmeldung bereitzustellen.
Figurenliste
In den Zeichnungen, die nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet sind, können gleiche Ziffern ähnliche Komponenten in unterschiedlichen Ansichten beschreiben. Gleiche Ziffern mit unterschiedlichen Buchstabenzusätzen können unterschiedliche Fälle von ähnlichen Komponenten repräsentieren. Die Zeichnungen veranschaulichen allgemein beispielhaft jedoch nicht einschränkend verschiedene in dem vorliegenden Dokument erörterte Ausführungsformen.

1 ist ein Schaltbild eines Beispiels einer Mehrbereichs-Stromüberwachungsschaltung.
2 ist ein Schaltbild einer Schaltung, die zum Simulieren eines Leckstroms verwendet wird.
3 ist ein Graph von Simulationsergebnissen des Leckstroms als Funktion der Temperatur der Schaltung in 2.
4 ist ein Graph von Simulationsergebnissen des Leckstroms als Funktion der Drain-Source-Spannung der Schaltung in 2 bei konstant gehaltener Temperatur.
5 ist ein Schaltbild eines Beispiels einer Mehrbereichs-Stromsensorschaltung.
6 zeigt den Querschnitt einer typischen isolierten n-Metall-Oxid-Halbleiter(NMOS)-Vorrichtung.
7 zeigt ein Beispiel einer Mehrbereichs-Stromsensorschaltung.
8 ist ein Blockdiagramm eines Beispiels eines Stromüberwachungssystems.
9 ist ein Blockdiagramm eines weiteren Beispiels eines Stromüberwachungssystems.
10 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer Mehrbereichs-Stromüberwachungsschaltung eines elektronischen Systems.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Eine Stromsensorschaltung wird verwendet, um den Strom zu überwachen, der einem elektronischen System zugeführt wird. Eine Fehlerquelle für eine Stromsensorschaltung ist ein Offset-Fehler, der durch eine endliche Leerlaufverstärkung und eine Vorrichtungsfehlanpassung verursacht wird. Wenn das Eingangssignal klein ist, ist der Fehlertyp, der am meisten zur Ausgabegenauigkeit beiträgt, der Offset-Fehler des Stromerfassungsverstärkers. Wenn das Eingangssignal relativ zum Offset-Fehler groß ist, verbessert sich die Ausgabegenauigkeit aufgrund des größeren Signal-Rausch-Verhältnisses.
Eine Mehrbereichs-Stromüberwachungsschaltung kann einen Strom über einen großen Eingangsbereich mit guter Genauigkeit erfassen. Eine Mehrbereichs-Stromüberwachungsschaltung verwendet mehrere Shunt-Widerstände mit verschiedenen Werten zur Strommessung bei unterschiedlichen Strompegeln. Je nach Pegel Stroms wird der entsprechende Shunt-Widerstand zum Leiten des Stroms ausgewählt. Die Verwendung mehrerer Shunt-Widerstände ermöglicht, dass die der Stromerfassungsüberwachungsschaltung ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis über einen großen Strombereich aufrechterhält. Dadurch wird die Auswirkung von Offset-Fehlern auf die Ausgabe der Stromüberwachung minimiert, wenn das Eingangssignal zu klein wird.
1 ist ein Schaltbild eines Beispiels einer Mehrbereichs-Stromüberwachungsschaltung 100. Die Schaltung besteht aus Widerstandsschaltungselementen (z. B. Shunt-Widerständen) Rs1 bis Rs7 zum Leiten des Stroms (iload) von dem Eingangsanschluss (IN) durch Schalter (S1 bis S7) zu dem Ausgangsanschluss (OUT). Die Widerstandsschaltungselemente können Widerstände, integrierte Widerstände oder aktive Vorrichtungen (z. B. Transistoren) sein. Der Erfassungsverstärker (A1) erfasst die Spannungen an den Shunt-Widerständen, um eine Ausgabe bereitzustellen, die den Betrag und die Polarität des Stroms angibt. Dies wird erreicht, indem der invertierende Eingang des Erfassungsverstärkers A1 mit der Unterseite der Shunt-Widerstände und dem OUT-Anschluss verbunden wird und indem der nichtinvertierende Eingang über Schalter (S1b bis S7b) mit der Oberseite eines der Shunt-Widerstände verbunden wird. Die Reihenschalter (S1-S7) sind mit einem gemeinsamen Eingangsschaltungsknoten (dem IN-Anschluss) und den Widerstandsschaltungselementen verbunden.
Der IN-Anschluss der Stromsensorschaltung 100 kann durch eine niederimpedante Quelle, wie etwa einen Spannungsregler, angesteuert werden. Er könnte auch mit einem Knoten mit hoher Ausgangsimpedanz, wie etwa einer Stromquelle, verbunden sein. Der Ausgangsanschluss der Stromsensorschaltung kann beispielsweise zur Laststromüberwachung mit einer Schaltungslast verbunden sein. Zu einigen Beispielen einer Schaltungslast gehören ein Elektromotor oder eine Batterie (z. B. zum Laden). Wird eine Last mit dem Ausgangsanschluss verbunden, so fließt der Laststrom (iload) durch den einen der Shunt-Widerstände in die Last, und die Informationen bezüglich des Laststroms wie Betrag und Polarität werden über den Stromüberwachungsanschluss (IMON) gemeldet. Die Ausgabe der Stromüberwachungsschaltung (an IMON) kann in Form von Strom, Spannung, einem digitalen Wert usw. erfolgen.

In der beispielhaften Stromsensorschaltung von 1, gibt es sieben Widerstände, die für die Messung des Laststroms zwischen positiven 2,5 Ampere (2,5 A) und negativen -2,5 A verantwortlich sind. Tabelle 1 zeigt ein Beispiel für Shunt-Widerstand-Werte (in Ohm) und Strombereiche (in Ampere) für die Shunt-Widerstände. Tabelle 1

Widerstand	Widerstandswert	Strombereich
Rs1	20 kΩ	-5 µA bis 5 µA
Rs2	4 kΩ	-25 µA bis -5 µA und 5 µA bis 25 µA
Rs3	400 Ω	-250 µA bis -25 µA und 25 µA bis 250 µA
Rs4	40 Ω	-2,5 mA bis -250 µA und 250 µA bis 2,5 mA
Rs5	40	-25 mA bis -2,5 mA und 2,5 mA bis 25 mA
Rs6	400 mΩ	-250 mA bis -25 mA und 25 mA bis 250 mA
Rs7	40 mΩ	-2,5 A bis -250 mA und 250 mA bis 2,5 A

Jeder Shunt-Widerstand ist für einen bestimmten Strombereich mit einer Vollaussteuerungsspannung von 100 Millivolt (100 mV) ausgelegt. In Anbetracht des Leitungsverlusts und der Genauigkeit verwendet diese Stromüberwachungsschaltung eine Vollaussteuerungsspannung von 100 mV. Eine höhere Vollaussteuerungsspannung führt zu einer besseren Genauigkeit aufgrund eines höheren Signal-Rausch-Verhältnisses, hat jedoch gleichzeitig den Nachteil eines höheren Leitungsverlusts aufgrund des größeren Spannungsabfalls an dem Shunt-Widerstand.
Im Normalbetrieb tritt ein Strom durch den IN-Anschluss in die Stromüberwachungsschaltung ein. Dann fließt er durch einen der Shunt-Widerstände und verlässt die Schaltung durch den OUT-Anschluss. Der aus dem OUT-Anschluss austretende Strom wird als „iload“ bezeichnet. Die Schalter (S1-S7 und S1b-S7b) werden durch eine separate Steuerschaltung gesteuert, die in 1 nicht gezeigt ist. Während des Betriebs wird einer der Schalter (S1-S7) geschlossen, wodurch der entsprechenden Shunt-Widerstand mit dem IN-Anschluss verbunden wird. Die Schalter (S1 b-S7b) verbinden den positiven Eingang des Erfassungsverstärkers A1 mit dem ausgewählten Shunt-Widerstand. Der Zustand der Schalter (S1-S7 und S1 b-S7b) kann manuell durch Benutzereingaben oder automatisch durch die Steuerschaltung basierend auf den Informationen des Stroms (iload) geändert werden. Der Erfassungsverstärker A1 erfasst die Spannung an dem ausgewählten Shunt-Widerstand und gibt ein Signal am Anschluss IMON aus, das den Betrag und die Polarität des Stroms iload angibt.
In einigen Anwendungen, in denen eine hohe Strommessgenauigkeit über den gesamten Strombereich erforderlich ist, kann die Genauigkeit im niedrigen Strombereich durch den Leckstrom der Reihenschalter (S1-S7) begrenzt sein. Dies liegt daran, dass die Reihenschalter groß genug dimensioniert sein müssen, um den Vollaussteuerungsstrom für jeden Bereich zu leiten, und wenn sie ausgeschaltet sind, tragen die Leckströme dieser ausgeschalteten Schalter zum iload-Strom bei und beeinflussen die Stromüberwachungsausgabe.
Als Beispiel zur Veranschaulichung des Problems mit dem Leckstrom der Schalter sei angenommen, dass ein Strom von 5 Mikroampere (5 µA) durch den Schalter S1 und durch den Widerstand Rs1 (20 Kiloohm, 20 kΩ) fließt. Unter der Annahme, dass der Einschaltwiderstand von S1 vernachlässigbar ist, beträgt die Spannungsdifferenz zwischen dem IN-Anschluss und dem OUT-Anschluss 100 mV. Die Reihenschalter (S2-S7) sind ausgeschaltet und die Spannung an den Shunt-Widerständen (Rs2-Rs7) beträgt 0 V. Dies bedeutet, dass die Reihenschalter (S2-S7) zwischen ihren Drain- und Source-Anschlüssen 100 mV aufweisen. Obgleich alle Reihenschalter (S2-S7) einen Leckstrom aufweisen können, stammt der größte Teil des Leckstroms von S7, dem höchsten Strombereich und daher der flächenmäßig größten Vorrichtung. Der Leckstrom steigt exponentiell mit der Temperatur aufgrund der Erzeugung von Ladungsträgern in der Raumladungszone. Der Leckstrom ist auch eine Funktion der Sperrspannung.
2 ist ein Schaltbild einer Schaltung, die zum Simulieren der Temperaturabhängigkeit eines Leckstroms verwendet wird. Die in der Simulation verwendete Vorrichtung ist eine n-Metall-Oxid-Halbleiter(NMOS)-Vorrichtung, deren Source, Body und Gate mit Masse verbunden sind. Der Drain des NMOS ist mit der Spannungsquelle V1 verbunden. Indem Source, Body und Gate miteinander verbunden werden, arbeitet die NMOS-Vorrichtung im Aus-Bereich. Die NMOS-Vorrichtung ist für einen maximalen Strom von 2,5 A bemessen, womit sie die gleiche Strombelastbarkeit wie der Schalter (S7) in dem Schaltungsbeispiel von 1 aufweist.
3 ist ein Graph von Simulationsergebnissen des Leckstroms als Funktion der Temperatur der NMOS-Vorrichtung in 2. Die Spannungsquelle V1 ist auf 100 Millivolt (100 mV) eingestellt und die Temperatur wird während der Simulation stufenlos erhöht.
4 ist ein Graph von Simulationsergebnissen des Leckstroms als Funktion der Drain-Source-Spannung (Vds) bei einer konstanten Temperatur von 125 °C. Es sei angemerkt, dass der Leckstrom etwa 1,93 Mikroampere (1,93 µA) bei 100 mV Drain-Source-Spannung beträgt und der Leckstrom abnimmt, wenn sich die Drain-Source-Spannung 0 V nähert.
5 ist ein Schaltbild eines Beispiels einer Mehrbereichs-Stromsensorschaltung 500. Die Schaltung weist einen Eingangsanschluss (IN), einen Ausgangsanschluss (OUT) und einen Stromüberwachungsanschluss (IMON) auf. Die Schaltung weist außerdem mehrere Widerstandsschaltungselemente oder Widerstände (z. B. Shunt-Widerstände Rs1 bis Rs7) auf. Die Widerstandsschaltungselemente können eine beliebige integrierte Vorrichtung mit einem vorbestimmten elektrischen Widerstandswert sein. Um die Schaltung zu vereinfachen, ist die Schaltungsanordnung, die den IMON-Ausgang bereitstellt (z. B. der Erfassungsverstärker und die Schalter, die den Erfassungsverstärker mit den Widerständen verbinden), in 5 nicht gezeigt.
Die Schaltung weist Umschaltschaltungen zum Verbinden der Shunt-Widerstände Rs1-Rs7 mit dem IN-Anschluss auf. Die Umschaltschaltungen sind hintereinander (Back-to-Back-) geschaltete NMOS-Vorrichtungen M1a-M7a und M1b-M7b. Die NMOS-Transistoren in jedem Back-to-Back-Paar teilen sich denselben Drain-Anschluss und denselben Gate-Anschluss (mit g1-g7 bezeichnet). Die Gate-Spannungen der NMOS-Vorrichtungen werden relativ zu den Source-Spannungen auf High getrieben, sodass die NMOS-Vorrichtungen einschalten und einen niederimpedanten Pfad zwischen dem IN-Anschluss und den Shunt-Widerständen bilden. Und wenn die Gate-Source-Spannungen auf Low (kleiner als die Schwellenspannung) getrieben werden, schalten die NMOS-Vorrichtungen aus, um die Shunt-Widerstände von dem IN-Anschluss zu trennen.
Die Shunt-Widerstände sind nach ihrer Strombelastbarkeit nummeriert, wobei Rs7 den höchsten Strom des Iload-Strombereichs erfassen kann und Rs1 den niedrigsten Strom erfassen kann. Die Back-to-Back-NMOS-Vorrichtungen werden so gesteuert, dass der iload-Strom nur durch einen der Shunt-Widerstände fließen kann. Der Ansteuerungsverstärker A2 ist in einer Einheitsverstärkungskonfiguration konfiguriert, wobei sein positiver Eingang mit dem OUT-Anschluss verbunden ist. Die Schalter S1c- S7c weisen jeweils einen Schaltanschluss, der mit dem Ausgang des Ansteuerungsverstärkers A2 verbunden ist, und einen anderen Schalteranschluss, der mit den gemeinsamen Drains der Back-to-Back-NMOS-Vorrichtungen verbunden ist, auf. Die Steuersignale für die Schalter S1c-S7c sind komplementär zu den Gate-Verbindungen g1-g7 der NMOS-Vorrichtungen. Dadurch können die Schalter S1c-S7c im entgegengesetzten Zustand zu den Back-to-Back-NMOS-Vorrichtungen arbeiten (z. B. ist, wenn das NMOS-Vorrichtungs-Paar M7a und M7b eingeschaltet ist, der Schalter S7c ausgeschaltet).
In dem Beispiel von 5 weisen die Back-to-Back-NMOS-Vorrichtungen eine gemeinsame Drain-Verbindung auf. In Variationen weisen die Back-to-Back-NMOS-Vorrichtungen eine gemeinsame Source-Verbindung auf. In anderen Variationen sind die Vorrichtungen M1a-M7a und M1b-M7b p-Metall-Oxid-Halbleiter(PMOS)-Vorrichtungen mit entweder einer gemeinsamen Drain-Verbindung oder einer gemeinsamen Source-Verbindung. Während die Transistorpaare mit einer gemeinsamen Gate-Verbindung zum Aktivieren eines Transistorpaars gezeigt sind, können getrennte Gate-Verbindungen verwendet werden, um die Transistoren eines Back-to-Back-Paares zu aktivieren. Außerdem können, während die beispielhafte Schaltung in 5 einen Ansteuerungsverstärker A2 zeigt, mehrere Ansteuerungsverstärker mit dem OUT-Anschluss gekoppelt und zum Ansteuern der gemeinsamen Verbindungen der Transistorpaare verwendet werden.
Wenn der iload-Strom im höchsten Strombereich liegt, wird die Gate-Verbindung g7 auf High getrieben. Die NMOS-Vorrichtungen M7a und M7b schalten ein und leiten den iload-Strom. Die NMOS-Vorrichtungen M1a-M6a und M1b-M6b werden ausgeschaltet, um jeglichen Strom in den anderen Shunt-Widerständen Rs1-Rs6 zu sperren. Die Schalter S1 c-S6c sind geschlossen oder aktiv und verbinden den Ausgang des Ansteuerungsverstärkers A2 mit der gemeinsamen Verbindung der Back-to-Back-NMOS-Vorrichtungen M1a-M6a und M1b-M6b. Der Ansteuerungsverstärker A2 puffert die Spannung am OUT-Anschlussknoten und steuert die Drains der ausgeschalteten NMOS-Vorrichtungen M1b-M6b über die Schalter S1c-S6c an. Da der Drain-Strom der NMOS-Vorrichtungen M1b-M6b gleich dem Strom in Rs1-Rs6 ist, liegen die Source-Spannungen der NMOS-Vorrichtungen (M1b-M6b) bei der Spannung des OUT-Anschlusses, ebenso wie die Drain-Spannungen der NMOS-Vorrichtungen. Dadurch wird die Drain-Source-Spannungen (Vds) der NMOS-Vorrichtungen M1 b-M6b gleich 0 V. Wie in 4 gezeigt, geht der Drain-Source-(Body-)Leckstrom auf 0 A, wenn sich die Vds-Spannung 0 V nähert. Durch Steuern der Spannung der Drains auf die Spannung der Sources durch den Ansteuerungsverstärker A2 wird der Leckstrom aufgehoben und die Ströme in Rs1-Rs6 betragen 0 A. Das bedeutet, dass der Strom in Rs7 gleich dem Strom iload sein muss. Obgleich sich iload im höchsten Strombereich befindet, in dem der erfasste Strom am größten ist, hat ein von dem NMOS (M1b-M6b) stammender Leckstrom keine große Auswirkung auf den Stromüberwachungsausgang IMON.
Wenn sich der iload-Strom im niedrigsten Strombereich befindet, leitet Rs1 den iload-Strom, wobei die NMOS-Vorrichtungen M1a und M1b eingeschaltet sind. Die NMOS-Vorrichtungen M2a-M7a und M2b-M7b sind ausgeschaltet, um einen Stromfluss in die anderen Shunt-Widerstände Rs2-Rs7 zu sperren. Die Schalter S2c-S7c sind geschlossen und die Drains von M2b-M7b werden durch den Ansteuerungsverstärker A2 auf eine Spannung getrieben, die gleich der Spannung am OUT-Anschluss ist. Dies ermöglicht, dass die Drain-Spannungen der NMOS-Vorrichtungen M2b-M7b gleich den Source-Spannungen sind und daher die Drain-Source-Spannungen (Vds) gleich 0 V sind. Indem bewirkt wird, dass die Drain-Source-Spannungen null betragen, muss der Leckstrom in den NMOS-Vorrichtungen M2b-M7b ebenfalls null betragen, wie durch die Drain-Source-Abhängigkeit in dem Graphen in 7 veranschaulicht.
Wenn der iload-Strom positiv ist, was bedeutet, dass der iload-Strom in den IN-Anschluss und aus dem OUT-Anschluss fließt, liegen die Sources der NMOS-Vorrichtungen M1aM7a auf einem höheren Potenzial als das der Drains (Vs > Vd). Der Spannungsabfall zwischen den IN- und OUT-Anschlüssen hängt vom Einschaltwiderstand der leitenden Back-to-Back-NMOS-Vorrichtungen und der Shunt-Widerstände ab. Die Back-to-Back-NMOS-Vorrichtungen in dieser Schaltung sind so bemessen, dass die Spannung an dem Drain und der Source, wenn sie bei Vollaussteuerungsstrom des entsprechenden Strombereichs leiten, kleiner als die Durchlassspannung der Body-Diode der Vorrichtung ist. Bei einem positiven iload-Strom ist die Spannung am IN-Anschluss höher als die Knotenspannung am OUT-Anschluss. Wenn der Ansteuerungsverstärker A2 die Drains der ausgeschalteten NMOS-Vorrichtungen M1b-M7b über die Schalter S1c-S7c ansteuert, weisen die ausgeschalteten NMOS-Vorrichtungen M1a-M7a eine Spannung an ihrer Source und ihrem Drain auf, die gleich der Spannungsdifferenz zwischen den IN- und OUT-Anschlüssen ist. Beim Design ist es wichtig sicherzustellen, dass der Spannungsabfall vom IN-Anschluss zum OUT-Anschluss die Durchlassspannung der Body-Diode von M1a-M7a nicht überschreiten darf, da sonst die Body-Diode der ausgeschalteten NMOS-Vorrichtungen M1a-M7a einschaltet und gegen die mit dem Ansteuerungsverstärker A2 bereitgestellte Ansteuerung arbeitet.
Wenn der iload-Strom negativ ist, was bedeutet, dass Strom in den OUT-Anschluss und aus dem IN-Anschluss fließt, ist die Spannung am IN-Anschluss niedriger als die Spannung am OUT-Anschluss. Die Spannungsdifferenz zwischen den IN- und OUT-Anschlüssen hängt vom Spannungsabfall an dem leitenden Shunt-Widerstand und der Back-to-Back-NMOS-Vorrichtung ab. Wenn der Ansteuerungsverstärker A2 dahingehend arbeitet, Vds der ausgeschalteten NMOS-Vorrichtungen M1b-M7b auf 0 V zu halten, sind die Vds-Spannungen der ausgeschalteten NMOS-Vorrichtungen M1a-M7a gleich dem Spannungsabfall vom OUT-Anschluss zum IN-Anschluss. Da die Drain-Spannungen der ausgeschalteten NMOS-Vorrichtungen M1a-M7a höher als die Source-Spannungen sind, sind die Body-Dioden dieser NMOS-Vorrichtungen in Sperrrichtung vorgespannt.
Die Leckstromkompensationstechnik in 5 verwendet Back-to-Back-geschaltete NMOS-Vorrichtungen, um den Strom durch die Shunt-Widerstände zu steuern. Wenn eine Back-to-Back-geschaltete NMOS-Vorrichtung ausgeschaltet wird, um den Strom durch einen Shunt-Widerstand zu unterbrechen, treibt der Ansteuerungsverstärker A2 Vds zu den ausgeschalteten NMOS-Vorrichtungen (M1 b-M7b) über die Schalter S1 c-S7c auf 0 V. Obgleich in der Erörterung die Schalter S1-S7 von 1 unter Verwendung von NMOS-Vorrichtungen (M1a-M7a und M1b-M7b von 5) implementiert sind, könnten stattdessen PMOS-Vorrichtungen verwendet werden. Es können auch andere Anordnungen für die Schalter S1-S7 verwendet werden, wie z. B. Back-to-Back-NMOS-Vorrichtungen mit einer gemeinsamen Source-Verbindung, um die Leckstromkompensationstechnik zu implementieren. Die in 5 gezeigte Stromsensorschaltung verwendet einen einzelnen Ansteuerungsverstärker A2, um den Leckstrom durch Treiben der Drain-Source-Spannung der NMOS-Vorrichtungen M1b-M7b auf 0 V aufzuheben. Anstelle eines einzelnen Ansteuerungsverstärkers A2 könnten mehrere Ansteuerungsverstärker verwendet werden, um den gleichen Zweck zu erreichen. Die Shunt-Widerstände in dem Stromsensorschaltungsbeispiel von 5 könnten auf dem Chip integrierte Widerstandsschaltungselemente oder externe diskrete Schaltungskomponenten sein.
Für die Herstellungstechnologie unter Verwendung eines p-Substrats werden die NMOS-Vorrichtungen (M1a-M7a und M1b-M7b) mit n-Material isoliert, um den NMOS-Body von dem Substrat zu trennen. Dieses n-Material, das das Substrat von dem NMOS-Body isoliert, wird allgemein als „Isolation“ bezeichnet. 6 zeigt den Querschnitt einer typischen isolierten NMOS-Vorrichtung. Die NMOS-Vorrichtung wird von einem n-Material (tiefe n-Wanne) umgeben, das die NMOS-Vorrichtung von dem p-Substrat isoliert. Im normalen Vorspannungszustand ist das p-Substrat (sub) immer auf eine niedrigere Spannung als die tiefe n-Wanne (iso) vorgespannt, sodass die Sperrschichtdiode (D_sub) zwischen tiefer n-Wanne und p-Substrat in Sperrrichtung vorgespannt ist. Der Body der NMOS-Vorrichtung ist die isolierte p-Wanne. Der Body der NMOS-Vorrichtung sollte bei einer gleichen oder niedrigeren Spannung als die tiefe n-Wanne (iso) liegen, um zu verhindern, dass die Sperrschichtdiode (D_iso) zwischen der isolierten p-Wanne (Body) und der tiefen n-Wanne (iso) während des normalen Betriebs in Durchlassrichtung vorgespannt wird.
Wird eine isolierte NMOS-Vorrichtung, wie die in 6 gezeigte, in einer Stromsensorschaltung, wie der in 5 gezeigten, verwendet, so ist es hilfreich, der Vorspannung der Isolation (iso) der NMOS-Vorrichtung besondere Aufmerksamkeit zu schenken, da der Leckstrom der Sperrschichtdiode (D_iso) zu dem Fehler in der Stromüberwachungsausgabe beitragen kann. Dies liegt daran, dass jeglicher Leckstrom in der Sperrschichtdiode (D_iso) in den Body der NMOS-Vorrichtungen M1b-M7b fließt. Der Strom iload ist gleich der Summe aller Ströme in den Shunt-Widerständen Rs1-Rs7 und aller Leckströme der Isolation-Body-Sperrschichtdioden (D_iso) der NMOS-Vorrichtungen M1b-M7b. Der Leckstrom von D_iso hängt von der Sperrspannung ab; je größer die Sperrspannung ist, desto größer wird der Leckstrom. Für die Stromsensorschaltung in 5 sollte die Isolation der NMOS-Vorrichtungen (M1b-M7b und M1a-M7a) auf die gleiche Spannung wie ihr Body und ihre Source vorgespannt werden, um die Sperrspannung der Sperrschichtdiode (D_iso) zu minimieren. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht darin, die Isolation (iso) des NMOS (M1b-M7b und M1a-M7a) mit seinem Drain zu verbinden; wenn die NMOS (M1b-M7b) ausgeschaltet sind, treibt der Verstärker A2 die Drain-Isolation des ausgeschalteten NMOS (M1b-M7b) über die Schalter (S1c-S7c) auf seine Source. Der Leckstrom der Sperrschichtdiode (D_sub) zwischen der Isolation (iso) und dem Substrat (sub) wird durch den Ansteuerungsverstärker A2 bereitgestellt, und da dieser Leckstrom nicht zu iload beiträgt, wirkt er sich nicht auf die Genauigkeit der Stromüberwachungsausgabe aus.
7 zeigt ein Beispiel einer Mehrbereichs-Stromsensorschaltung 700, wie die in dem Beispiel von 5, mit zusätzlicher Schutzschaltungsanordnung, um die Differenzspannung zwischen den IN- und OUT-Anschlüssen der Schaltung zu klemmen. Ein Klemmwiderstand R7 (oder ein anderes Klemmwiderstandsschaltungselement) wird zu der Schaltung hinzugefügt, dessen Anschlüsse mit dem Drain und der Source der Back-to-Back-NMOS-Vorrichtungen M7a und M7b für den höchsten iload-Strombereich verbunden sind. Das Gate-Steuersignal für die Gate-Verbindung g7 stammt von einer Schaltungsanordnung, die in 7 nicht gezeigt ist. Wenn Rs7 den iload-Strom leitet, wird g7 relativ zu den Sources auf High gezogen, um die NMOS-Vorrichtungen M7a und M7b einzuschalten. Wenn die NMOS-Vorrichtungen M7a und M7b ausgeschaltet werden müssen, um Strom durch Rs7 zu sperren, wird die g7 ansteuernde Schaltungsanordnung hochimpedant. Dadurch können die mit g7 verbundenen Gates durch den Widerstand R7 auf die Drains heruntergezogen werden. Diese Konfiguration ermöglicht, dass die NMOS-Vorrichtungen M7a und M7b auf die Differenzspannung zwischen den IN- und OUT-Anschlüssen geklemmt werden.
Als Beispiel zur Veranschaulichung des Betriebs der Klemmschaltung in 7 sei angenommen, dass die NMOS-Vorrichtungen M1a-M7a und M1b-M7b zunächst ausgeschaltet sind und ein positiver iload-Strom in den IN-Anschluss fließt. Da alle Back-to-Back-NMOS ausgeschaltet sind, wird der IN-Anschlussknoten durch den positiven Strom hochgezogen. Das Potential des IN-Anschlusses steigt weiter an, bis die Differenzspannung zwischen den IN- und OUT-Anschlüssen gleich der Durchlassdiodenspannung der Body-Diode der Vorrichtung M7a plus der Schwellenspannung der Vorrichtung M7b ist. Mit Anstieg der IN-Anschlussspannung wird die Body-Diode von M7a in Durchlassrichtung vorgespannt und zieht mit ihr das Gate von M7b über den Klemmwiderstand R7 hoch. Wenn die Gate-Source-Spannung (Vgs) von M7b größer als die Schwellenspannung ist, beginnt Strom von dem IN-Anschluss zu dem OUT-Anschluss durch die Body-Diode von M7a, den Kanal von M7b und den Widerstand Rs7 zu fließen. Mit der Klemmschaltungsanordnung wird die Differenzspannung zwischen dem IN-Anschluss und dem OUT-Anschluss auf Vd_M7a+Vgs_M7b+IR begrenzt, wobei Vd_M7a die Durchlassdiodenspannung der Body-Diode der Vorrichtung M7a ist, Vgs_M7b die Gate-Source-Spannung der Vorrichtung M7b ist und IR der Spannungsabfall an dem Shunt-Widerstand Rs7 ist.
Wenn die Back-to-Back-geschalteten NMOS-Vorrichtungen anfänglich ausgeschaltet sind und ein negativer iload-Strom an dem IN-Anschluss nach unten zieht, beginnt die Spannung an dem IN-Anschluss abzunehmen. Wenn die IN-Anschluss-Spannung weiter abnimmt, wird die Body-Diode der Vorrichtung M7b schließlich in Durchlassrichtung vorgespannt und zieht an dem Gate der Vorrichtung M7a über den Klemmwiderstand R7 hoch, bis Vgs von M7a größer als die Schwellenspannung ist. Wenn dies geschieht, beginnt Strom von dem OUT-Anschluss zu dem IN-Anschluss durch den Widerstand Rs7, die Body-Diode von M7b und den Kanal von M7a zu fließen. Dadurch wird die Differenzspannung zwischen den OUT- und IN-Anschlüssen auf Vd_M7b+Vgs_M7a+IR begrenzt, wobei Vd_M7b die Durchlassdiodenspannung der Body-Diode von M7b ist, Vgs_M7a die Gate-Source-Spannung von M7a ist und IR der Spannungsabfall an dem Shunt-Widerstand Rs7 ist.
Die Klemmschaltung kann die Shunt-Widerstände und die Back-to-Back-NMOS (M1aM7b und M1b-M7b) vor Beschädigung schützen, indem sie die maximale Differenzspannung zwischen dem IN-Anschluss und dem OUT-Anschluss in beiden Richtungen begrenzt. Da die Vorrichtungen M7a, M7b und Rs7 für den höchsten Stromerfassungsbereich verwendet werden, macht es ihre Strombelastbarkeit vorteilhaft, sie als Klemmbauelemente zum Begrenzen der IN-OUT-Differenzspannung zu verwenden.
8 ist ein Blockdiagramm eines Beispiels eines Stromüberwachungssystems 800, in dem eine Mehrbereichs-Stromüberwachungsschaltung 802 verwendet wird, um den Laststrom zu überwachen. Die Schaltungslast kann eine beliebige elektrische Last sein, wie etwa eine wiederaufladbare Batterie oder ein Elektromotor. Die Stromüberwachungsschaltung 802 leitet den Strom unter Verwendung mehrerer Shunt-Widerstände von dem IN-Anschluss zu dem OUT-Anschluss. Je nach Betrag des Laststroms leitet einer der Shunt-Widerstände den Laststrom. Der IMON-Anschluss gibt ein Signal aus, das den Betrag und die Polarität des iload-Stroms angibt. Der IMON-Anschluss kann mit dem Ausgang eines Erfassungsverstärkers verbunden sein und das Signal IMON kann in Form einer Spannungsausgabe oder einer Stromausgabe usw. vorliegen. Das System 800 kann eine Analog-Digital-Wandler(ADC)-Schaltung 804 aufweisen, um eine digitale Ausgabe bereitzustellen, die de Betrag des Laststroms angibt.
Der Regler U1 bezieht Leistung von dem Versorgungsanschluss der Schaltung und steuert den IN-Anschluss der Stromüberwachungsschaltung 802 an. Wenn der Regler U1 Strom an die Last liefert, fließt der Laststrom von dem Versorgungsanschluss durch den Regler U1 und die Stromüberwachungsschaltung 802 zu der Last. In einigen Anwendungen kann der Regler U1 die Last entladen. Wenn die Last entladen wird, fließt Strom von der Last durch die Stromüberwachungsschaltung und den Regler U1 zu Masse. Der Regler U1 kann ein Linearregler, ein Schaltwandlerregler oder eine andere Art von Regler sein. Der Strombereich der Stromüberwachungsschaltung 802 kann manuell durch Benutzereingaben zum Einstellen der Schalter geändert werden, um einen Shunt-Widerstand für den Strombereich auszuwählen. In einigen Aspekten weist eine Steuerschaltung 806 eine Logikschaltungsanordnung zum automatischen Auswählen eines Shunt-Widerstands gemäß dem Betrag des erfassten Laststroms auf. Eine oder mehrere Komparatorschaltungen können verwendet werden, um den Betrag des erfassten Laststroms zu detektieren, und die Logikschaltungsanordnung gibt eine Kombination von Schaltern frei, um den geeigneten Shunt-Widerstand auszuwählen. Wenn die Mehrbereichs-Stromüberwachungsschaltung 802 die ADC-Schaltung 804 aufweist, kann die Steuerschaltung wiederholt (z. B. periodisch) eine Umwandlung einer durch den Erfassungsverstärker A1 an dem Widerstandsschaltungselement erfassten Spannung durch die ADC-Schaltung einleiten. Die Steuerschaltung 806 kann den Shunt-Widerstand ändern, wenn sich der Betrag des erfassten Stroms in einen neuen Strombereich bewegt, wie durch die Komparatoren bestimmt.
9 ist ein Blockdiagramm eines weiteren Beispiels eines Stromüberwachungssystems 900, in dem eine Mehrbereichs-Stromüberwachungsschaltung 902 verwendet wird, um den Laststrom zu überwachen. In diesem System gibt es zwei Regler U1 und U2, die durch Schaltungsversorgungsanschlüsse Versorgung1 und Versorgung2 gespeist werden. Jede der Schaltungsversorgungen kann den Laststrom (iload) durch die Mehrbereichs-Stromüberwachungsschaltung 902 an die Schaltungslast liefern. Die Stromüberwachungsschaltung weist zwei Eingangsanschlüsse IN1 und IN2 auf. Die Shunt-Widerstände in der Mehrbereichs-Stromüberwachungsschaltung 902 sind in zwei Gruppen unterteilt, wobei die Shunt-Widerstände Rs6 und Rs7 (in 5) über den IN1-Anschluss mit dem Ausgang des Reglers U1 verbunden sind und die anderen Shunt-Widerstände Rs5-Rs1 über den IN2-Anschluss mit dem Ausgang des Reglers U2 verbunden sind. Wenn der Regler U1 den Laststrom ansteuert, leitet einer der Shunt-Widerstände der ersten Gruppe (Rs7 oder Rs6) den Strom an die Last. Wenn der Regler U2 den Laststrom ansteuert, leitet einer der Shunt-Widerstände der zweiten Gruppe (Rs1-Rs5) den Strom an die Last. In bestimmten Aspekten kann ein DC-DC-Wandler als Regler U1 verwendet werden, um den Laststrom in dem höheren Strombereich bereitzustellen, und ein Linearregler kann als Regler U2 verwendet werden, um den Laststrom in dem niedrigeren Strombereich bereitzustellen. Ein DC-DC-Wandler ist gut geeignet, um eine höhere Ausgangsleistung mit hohem Wirkungsgrad bereitzustellen, während ein Linearregler ideal für eine niedrigere Ausgangsleistung mit besserem Rauschverhalten ist.
Der Vollständigkeit halber zeigt 10 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer Mehrbereichs-Stromüberwachungsschaltung eines elektronischen Systems. Bei 1005 wird ein erstes Widerstandsschaltungselement zum Überwachen von Strom ausgewählt und zwischen einen Eingangsanschluss und einen Ausgangsanschluss der Stromüberwachungsschaltung geschaltet, indem ein erstes Paar von Transistoren aktiviert wird, die mit dem Widerstandsschaltungselement verbunden sind. Das Transistorpaar ist in Reihe geschaltet und das Widerstandsschaltungselement kann ein mit dem Transistorpaar in Reihe geschalteter Shunt-Widerstand sein.
Bei 1010 wird eine gemeinsame Verbindung der Transistorpaare, die mit nicht ausgewählten Widerstandsschaltungselementen verbunden sind, mit einer Ausgangsspannung des Ausgangsanschlusses angesteuert. Die Transistoren können entweder NMOS- oder PMOS-Vorrichtungen sein und die gemeinsame Verbindung kann entweder eine gemeinsame Drain-Verbindung oder eine gemeinsame Source-Verbindung sein. Bei 1015 wird die Spannung an dem ausgewählten Widerstandsschaltungselement erfasst und ein Signal erzeugt, das den überwachten Strom repräsentiert. Das erzeugte Ausgangssignal kann unter Verwendung einer ADC-Schaltung quantifiziert werden.
Die hier beschriebenen Vorrichtungen, Systeme und Verfahren stellen eine Leckstromkompensationstechnik bereit, die das Genauigkeitsproblem in Mehrbereichs-Stromüberwachungsschaltungen aufgrund von Leckströmen von elektronischen Schaltern löst. Diese Technik verwendet Back-to-Back-NMOS-Vorrichtungen als Reihenschalter, um Strom durch die Shunt-Widerstände zu sperren und zu leiten. Der Leckstrom des Back-to-Back-NMOS wird aufgehoben, indem die Drain-Source-Spannung eines der Back-to-Back-NMOS auf 0 V getrieben wird. Eine Klemmschaltung kann verwendet werden, um die in Reihe geschalteten Vorrichtungen und die Shunt-Widerstände zu schützen. Diese Leckstromkompensationstechnik kann in Systemen verwendet werden, in denen der Laststrom durch einen oder mehrere Regler bereitgestellt wird.
ZUSÄTZLICHE BESCHREIBUNG UND ASPEKTE
Ein erster Aspekt (Aspekt 1) weist einen Gegenstand (wie etwa eine Stromsensorschaltung) auf, der Folgendes aufweist: mehrere Widerstandsschaltungselemente, die zwischen mindestens einem Eingangsanschluss der Stromsensorschaltung und einem Ausgangsanschluss angeordnet sind, wobei die Widerstandsschaltungselemente unterschiedliche elektrische Widerstandswerte aufweisen; eine erste Vielzahl von Umschaltschaltungen, die zwischen den Eingangsanschluss und die Widerstandsschaltungselemente gekoppelt sind, wobei jede Umschaltschaltung der ersten Vielzahl von Umschaltschaltungen ein Paar von in Reihe geschalteten Transistoren aufweist; mindestens einen Ansteuerungsverstärker, der einen Ausgang und einen mit dem Ausgangsanschluss verbundenen Eingang aufweist; und eine zweite Vielzahl von Umschaltschaltungen, wobei jede Umschaltschaltung einen ersten Schaltanschluss, der mit dem mindestens einen Ansteuerungsverstärkerausgang gekoppelt ist, und einen zweiten Schaltanschluss, der mit einer gemeinsamen Verbindung eines Paars von Transistoren der ersten Vielzahl von Umschaltschaltungen gekoppelt ist, aufweist.
In Aspekt 2 weist der Gegenstand von Aspekt 1 optional ein Klemmwiderstandsschaltungselement auf, das zwischen die gemeinsame Drain-Verbindung mindestens eines Transistorpaars der ersten Vielzahl von Umschaltschaltungen und einen gemeinsamen Gate-Anschluss des mindestens einen Transistorpaars gekoppelt ist.
In Aspekt 3 weist der Gegenstand eines oder beider der Aspekte 1 und 2 optional mindestens einen Erfassungsverstärker auf, ausgebildet zum Erfassen einer Spannung an einem Widerstandsschaltungselement der mehreren Widerstandsschaltungselemente und Ausgeben eines elektrischen Signals, das einen Laststrom repräsentiert.
In Aspekt 4 weist der Gegenstand eines oder einer beliebigen Kombination der Aspekte 1 - 3 optional einen Erfassungsverstärker auf, der Folgendes aufweist: einen ersten Eingang, der mit dem Ausgangsanschluss gekoppelt ist; und eine dritte Vielzahl von Umschaltschaltungen, die mit den mehreren Widerstandsschaltungselementen gekoppelt sind, wobei jede Umschaltschaltung einen ersten Schaltanschluss, der mit einem Widerstandsschaltungselement gekoppelt ist, und einen zweiten Schaltanschluss, der mit einem zweiten Eingang des Erfassungsverstärkers gekoppelt ist, aufweist.
In Aspekt 5 weist der Gegenstand von Aspekt 4 optional eine Analog-DigitalWandler(ADC)-Schaltung auf, die mit einem Ausgang des Erfassungsverstärkers gekoppelt ist.
In Aspekt 6 weist der Gegenstand von Aspekt 5 optional Folgendes auf: mehrere Eingangsanschlüsse, wobei ein Teil der mehreren Widerstandsschaltungselemente zwischen jedem Eingangsanschluss der mehreren Eingangsanschlüsse und dem Ausgangsanschluss angeordnet sind; und eine Steuerschaltung, ausgebildet zum wiederholten Verbinden eines Widerstandsschaltungselements mit einem Eingangsanschluss der mehreren Eingangsanschlüsse und Einleiten einer Umwandlung einer durch den Erfassungsverstärker an dem Widerstandsschaltungselement erfassten Spannung durch die ADC-Schaltung.
In Aspekt 7 weist der Gegenstand eines oder einer beliebigen Kombination der Aspekte 1 - 6 optional mehrere Ansteuerungsverstärker auf, die jeweils mit einem Teil der Umschaltschaltungen der zweiten Vielzahl von Umschaltschaltungen verbunden sind.
In Aspekt 8 weist der Gegenstand eines oder einer beliebigen Kombination der Aspekte 1 - 7 optional mindestens eine Komparatorschaltung auf, ausgebildet zum Bestimmen eines Bereichs eines an dem Eingangsanschluss empfangenen Stroms und Auswählen eines Widerstandsschaltungselements der mehreren Widerstandsschaltungselemente durch Freigeben einer ersten Umschaltschaltung der ersten Vielzahl von Umschaltschaltungen und einer zweiten Umschaltschaltung der zweiten Vielzahl von Umschaltschaltungen gemäß dem bestimmten Strombereich.
Aspekt 9 weist einen Gegenstand (wie etwa ein Verfahren zum Betreiben einer Stromüberwachungsschaltung eines elektronischen Systems) auf oder kann optional mit einem oder einer beliebigen Kombination der Aspekte 1-8 kombiniert werden, um einen solchen Gegenstand aufzuweisen, der Folgendes aufweist: Schalten eines ersten Widerstandsschaltungselements, das zum Überwachen von Strom ausgewählt ist, zwischen einen ersten Eingangsanschluss und einen Ausgangsanschluss der Stromüberwachungsschaltung durch Aktivieren eines ersten Paars von Transistoren, die mit dem ersten Widerstandsschaltungselement verbunden sind, wobei das Paar von Transistoren in Reihe geschaltet ist; Ansteuern einer gemeinsamen Verbindung von Transistorpaaren, die mit nicht ausgewählten Widerstandsschaltungselementen verbunden sind, mit einer Ausgangsspannung des Ausgangsanschlusses; und Erfassen einer Spannung an dem ausgewählten ersten Widerstandsschaltungselement.
In Aspekt 10 weist der Gegenstand von Aspekt 9 optional Begrenzen der Spannung zwischen dem Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss auf eine maximale Spannung auf.
In Aspekt 11 weist der Gegenstand von Aspekt 10 optional Klemmen der Spannung zwischen dem Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss unter Verwendung eines Widerstands auf, der zwischen die gemeinsame Verbindung eines Transistorpaars und eine gemeinsame Gate-Verbindung des Transistorpaars geschaltet ist.
In Aspekt 12 weist der Gegenstand eines oder einer beliebigen Kombination der Aspekte 9-11 optional Folgendes auf: Bestimmen eines Strombereichs des zu überwachenden Stroms unter Verwendung der Stromüberwachungsschaltung; und Auswählen des Widerstandsschaltungselements gemäß dem bestimmten Strombereich.
In Aspekt 13 weist der Gegenstand eines oder einer beliebigen Kombination der Aspekte 9-12 optional Erzeugen eines elektrischen Signals auf, das einen Laststrom des elektronischen Systems repräsentiert.
In Aspekt 14 weist der Gegenstand eines oder einer beliebigen Kombination der Aspekte 9-13 optional Quantifizieren der erfassten Spannung unter Verwendung einer ADC-Schaltung auf.
In Aspekt 15 weist der Gegenstand eines oder einer beliebigen Kombination der Aspekte 9-14 optional Folgendes auf: Trennen des ersten Widerstandsschaltungselements von dem ersten Eingangsanschluss; Schalten eines zweiten Widerstandsschaltungselements zwischen einen zweiten Eingangsanschluss der Stromüberwachungsschaltung und den Ausgangsanschluss durch Aktivieren eines zweiten Paars von Transistoren, die mit dem zweiten Widerstandsschaltungselement verbunden sind, wobei das zweite Paar von Transistoren eine gemeinsame Verbindung aufweist; und Erfassen einer Spannung an dem zweiten Widerstandsschaltungselement.
Aspekt 16 weist einen Gegenstand (wie etwa ein elektronisches System) auf oder kann optional mit einem oder einer beliebigen Kombination der Aspekte 1-15 kombiniert werden, um einen solchen Gegenstand aufzuweisen, der Folgendes aufweist: eine erste Schaltungsversorgungsschiene; eine Schaltungslast; und eine Stromüberwachungsschaltung, die mit der der ersten Schaltungsversorgungsschiene und der Schaltungslast gekoppelt ist. Die Stromüberwachungsschaltung weist Folgendes auf: mehrere Widerstandsschaltungselemente, die zwischen mindestens einem Eingangsanschluss der Stromsensorschaltung und einem Ausgangsanschluss angeordnet sind, wobei die Widerstandsschaltungselemente unterschiedliche elektrische Widerstandswerte aufweisen; eine erste Vielzahl von Umschaltschaltungen, die zwischen den mindestens einen Eingangsanschluss und die Widerstandsschaltungselemente gekoppelt sind, wobei jede Umschaltschaltung der ersten Vielzahl von Umschaltschaltungen ein Paar von in Reihe geschalteten Transistoren aufweist, wobei Drain-Gebiete der Transistoren miteinander verbunden sind; mindestens einen Ansteuerungsverstärker, der einen Ausgang und einen mit dem Ausgangsanschluss verbundenen Eingang aufweist; eine zweite Vielzahl von Umschaltschaltungen, wobei jede Umschaltschaltung einen ersten Schaltanschluss, der mit dem mindestens einen Ansteuerungsverstärkerausgang gekoppelt ist, und einen zweiten Schaltanschluss, der mit einer gemeinsamen Drain-Verbindung eines Paars von Transistoren der ersten Vielzahl von Umschaltschaltungen gekoppelt ist, aufweist; und einen Erfassungsverstärker, ausgebildet zum Liefern eines Ausgangssignals, das mindestens einen Teil des Laststroms repräsentiert, an den Ausgangsanschluss.
In Aspekt 17 weist der Gegenstand von Aspekt 16 optional eine zweite Schaltungsversorgungsschiene und mindestens einen ersten Eingangsanschluss und einen zweiten Eingangsanschluss auf. Der erste Eingangsanschluss ist mit der ersten Schaltungsversorgungsschiene und einem ersten Teil der ersten Vielzahl von Umschaltschaltungen gekoppelt und der zweite Eingangsanschluss ist mit der zweiten Schaltungsversorgungsschiene und einem zweiten Teil der ersten Vielzahl von Umschaltschaltungen gekoppelt.
In Aspekt 18 weist der Gegenstand von Aspekt 17 optional Folgendes auf: eine Analog-Digital-Wandler(ADC)-Schaltung, die mit dem Erfassungsverstärker gekoppelt ist; und eine Steuerschaltung, ausgebildet zum wiederholten Einleiten einer Messung eines erfassten Stroms von der ersten Schaltungsversorgungsschiene und eines erfassten Stroms von der zweiten Schaltungsversorgungsschiene unter Verwendung einer ADC-Schaltung.
In Aspekt 19 weist der Gegenstand eines oder einer beliebigen Kombination der Aspekte 16-18 optional eine dritte Vielzahl von Umschaltschaltungen auf, die mit den mehreren Widerstandsschaltungselementen gekoppelt sind, wobei jede Umschaltschaltung einen ersten Schaltanschluss, der mit einem Widerstandsschaltungselement gekoppelt ist, und einen zweiten Schaltanschluss, der mit einem nichtinvertierenden Eingang des Erfassungsverstärkers gekoppelt ist, aufweist. Der invertierende Eingang des Erfassungsverstärkers ist mit dem Ausgangsanschluss gekoppelt.
In Aspekt 20 weist der Gegenstand eines oder einer beliebigen Kombination der Aspekte 16-19 optional ein Klemmwiderstandsschaltungselement auf, das zwischen die gemeinsame Drain-Verbindung mindestens eines Transistorpaars der ersten Vielzahl von Umschaltschaltungen und einen gemeinsamen Gate-Anschluss des mindestens einen Transistorpaars gekoppelt ist.
Diese nicht einschränkenden Aspekte können in beliebiger Permutation oder Kombination kombiniert werden. Die obige ausführliche Beschreibung weist Bezugnahmen auf die begleitenden Zeichnungen auf, die einen Teil der ausführlichen Beschreibung bilden. Die Zeichnungen zeigen spezielle Ausführungsformen, in denen die Erfindung umgesetzt werden kann, als Veranschaulichung. Diese Ausführungsformen werden hier auch als „Beispiele“ oder „Aspekte“ bezeichnet. Alle Publikationen, Patente und Patentdokumente, auf die in diesem Dokument Bezug genommen wird, werden hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit so aufgenommen, als würden sie einzeln durch Bezugnahme aufgenommen. Im Fall eines widersprüchlichen Gebrauchs zwischen diesem Dokuments und den durch Bezugnahme aufgenommenen Dokumenten sollte der Gebrauch in der einen oder den mehreren aufgenommenen Bezugnahmen als Ergänzung zu der in diesem Dokument betrachtet werden; für unvereinbare Widersprüche überwiegt der Gebrauch in diesem Dokument.
In diesem Dokument werden die Ausdrücke „ein“, oder „eine“, wie in Patentdokumenten üblich, so verwendet, dass sie ein/eine/einen oder mehr als ein/eine/einen einschließen, unabhängig von jeglichen anderen Instanzen oder Verwendungen von „mindestens einem/einer“ oder „einem/einer oder mehreren“. In diesem Dokument wird der Ausdruck „oder“ verwendet, um auf ein nicht ausschließendes oder zu verweisen, sodass „A oder B“ „A, aber nicht B“, „B, aber nicht A“ und „A und B“ einschließt, sofern nichts anderes angegeben ist. In den angehängten Ansprüchen werden die Ausdrücke „einschließlich“ und „in dem“ als die Äquivalente der jeweiligen Ausdrücke „aufweisend“ und „wobei“ in gewöhnlichem Deutsch verwendet. Außerdem sind die Ausdrücke „einschließlich“ und „aufweisend“ in den folgenden Ansprüchen offene Ausdrücke, das heißt, ein System, eine Vorrichtung, ein Gegenstand oder ein Prozess, der/die/das Elemente zusätzlich zu jenen nach einem solchen Begriff aufgelisteten in einem Anspruch aufweist, wird immer noch als in den Schutzumfang dieses Anspruchs fallend erachtet. Zudem werden in den folgenden Ansprüchen die Begriffe „erster“, „zweiter“ und „dritter“ usw. lediglich als Bezeichnungen verwendet und sollen nicht als numerische Vorgaben für ihre Objekte gelten. Hier beschriebene Verfahrensbeispiele können zumindest teilweise maschinen- oder computerimplementiert sein.
Die obige Beschreibung soll veranschaulichend und nicht beschränkend sein. Zum Beispiel können die oben beschriebenen Beispiele (oder ein oder mehrere Aspekte davon) in Kombination miteinander verwendet werden. Andere Ausführungsformen können verwendet werden, etwa durch Durchschnittsfachleute bei der Durchsicht der obigen Beschreibung. Die Zusammenfassung ist so bereitgestellt, dass sie 37 C.F.R. §1.72(b) entspricht, um dem Leser zu ermöglichen, das Wesen der technischen Offenbarung schnell zu erkennen. Sie ist mit dem Verständnis vorgelegt, dass sie nicht verwendet wird, um den Schutzumfang oder die Bedeutung der Ansprüche zu interpretieren oder zu beschränken. Auch können in der obigen ausführlichen Beschreibung verschiedene Merkmale zusammen gruppiert werden, um die Offenbarung zu straffen. Dies sollte nicht als die Absicht interpretiert werden, dass ein nicht beanspruchtes offenbartes Merkmal für einen beliebigen Anspruch wesentlich ist. Vielmehr kann der Erfindungsgegenstand in weniger als allen Merkmalen einer speziellen offenbarten Ausführungsform liegen. Dementsprechend werden die folgenden Ansprüche hiermit in die Ausführliche Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch für sich allein als eine separate Ausführungsform steht. Der Schutzumfang der Erfindung sollte unter Bezugnahme auf die angehängten Ansprüche zusammen mit dem vollen Schutzumfang von Äquivalenten, zu welchen solche Ansprüche berechtigen, bestimmt werden.
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

US 17/079845 [0001]

Claims

Stromsensorschaltung, die Folgendes aufweist: mehrere Widerstandsschaltungselemente, die zwischen mindestens einem Eingangsanschluss der Stromsensorschaltung und einem Ausgangsanschluss angeordnet sind, wobei die Widerstandsschaltungselemente unterschiedliche elektrische Widerstandswerte aufweisen; eine erste Vielzahl von Umschaltschaltungen, die zwischen den Eingangsanschluss und die Widerstandsschaltungselemente gekoppelt sind, wobei jede Umschaltschaltung der ersten Vielzahl von Umschaltschaltungen ein Paar von in Reihe geschalteten Transistoren aufweist; mindestens einen Ansteuerungsverstärker, der einen Ausgang und einen mit dem Ausgangsanschluss verbundenen Eingang aufweist; und eine zweite Vielzahl von Umschaltschaltungen, wobei jede Umschaltschaltung einen ersten Schaltanschluss, der mit dem mindestens einen Ansteuerungsverstärkerausgang gekoppelt ist, und einen zweiten Schaltanschluss, der mit einer gemeinsamen Verbindung eines Paars von Transistoren der ersten Vielzahl von Umschaltschaltungen gekoppelt ist, aufweist.
Stromsensorschaltung nach Anspruch 1, die ein Klemmwiderstandsschaltungselement aufweist, das zwischen die gemeinsame Drain-Verbindung mindestens eines Transistorpaars der ersten Vielzahl von Umschaltschaltungen und einen gemeinsamen Gate-Anschluss des mindestens einen Transistorpaars gekoppelt ist.
Stromsensorschaltung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, die mindestens einen Erfassungsverstärker aufweist, ausgebildet zum Erfassen einer Spannung an einem Widerstandsschaltungselement der mehreren Widerstandsschaltungselemente und Ausgeben eines elektrischen Signals, das einen Laststrom repräsentiert.
Stromsensorschaltung nach einem der Ansprüche 1-3, die Folgendes aufweist: einen Erfassungsverstärker, der einen ersten Eingang aufweist, der mit dem Ausgangsanschluss gekoppelt ist; und eine dritte Vielzahl von Umschaltschaltungen, die mit den mehreren Widerstandsschaltungselementen gekoppelt sind, wobei jede Umschaltschaltung einen ersten Schaltanschluss, der mit einem Widerstandsschaltungselement gekoppelt ist, und einen zweiten Schaltanschluss, der mit einem zweiten Eingang des Erfassungsverstärkers gekoppelt ist, aufweist.
Stromsensor nach Anspruch 4, der eine Analog-Digital-Wandler-(ADC)-Schaltung aufweist, die mit einem Ausgang des Erfassungsverstärkers gekoppelt ist.
Stromsensorschaltung nach Anspruch 5, die Folgendes aufweist: mehrere Eingangsanschlüsse, wobei ein Teil der mehreren Widerstandsschaltungselemente zwischen jedem Eingangsanschluss der mehreren Eingangsanschlüsse und dem Ausgangsanschluss angeordnet sind; und eine Steuerschaltung, ausgebildet zum wiederholten Verbinden eines Widerstandsschaltungselements mit einem Eingangsanschluss der mehreren Eingangsanschlüsse und Einleiten einer Umwandlung einer durch den Erfassungsverstärker an dem Widerstandsschaltungselement erfassten Spannung durch die ADC-Schaltung.
Stromsensorschaltung nach einem der Ansprüche 1-6, die mehrere Ansteuerungsverstärker aufweist, die jeweils mit einem Teil der Umschaltschaltungen der zweiten Vielzahl von Umschaltschaltungen verbunden sind.
Stromsensorschaltung nach einem der Ansprüche 1-7, die mindestens eine Komparatorschaltung aufweist, ausgebildet zum Bestimmen eines Bereichs eines an dem Eingangsanschluss empfangenen Stroms und Auswählen eines Widerstandsschaltungselements der mehreren Widerstandsschaltungselemente durch Freigeben einer ersten Umschaltschaltung der ersten Vielzahl von Umschaltschaltungen und einer zweiten Umschaltschaltung der zweiten Vielzahl von Umschaltschaltungen gemäß dem bestimmten Strombereich.
Verfahren zum Betreiben einer Stromüberwachungsschaltung eines elektronischen Systems, wobei das Verfahren Folgendes aufweist: Schalten eines ersten Widerstandsschaltungselements, das zum Überwachen von Strom ausgewählt ist, zwischen einen ersten Eingangsanschluss und einen Ausgangsanschluss der Stromüberwachungsschaltung durch Aktivieren eines ersten Paars von Transistoren, die mit dem ersten Widerstandsschaltungselement verbunden sind, wobei das Paar von Transistoren in Reihe geschaltet ist; Ansteuern einer gemeinsamen Verbindung von Transistorpaaren, die mit nicht ausgewählten Widerstandsschaltungselementen verbunden sind, mit einer Ausgangsspannung des Ausgangsanschlusses; und Erfassen einer Spannung an dem ausgewählten ersten Widerstandsschaltungselement.
Verfahren nach Anspruch 9, das Begrenzen der Spannung zwischen dem Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss auf eine maximale Spannung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Begrenzen der Spannung Klemmen der Spannung zwischen dem Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss unter Verwendung eines Widerstands aufweist, der zwischen die gemeinsame Verbindung eines Transistorpaars und eine gemeinsame Gate-Verbindung des Transistorpaars geschaltet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9-11, das Folgendes aufweist: Bestimmen eines Strombereichs des zu überwachenden Stroms unter Verwendung der Stromüberwachungsschaltung; und Auswählen des Widerstandsschaltungselements gemäß dem bestimmten Strombereich.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9-12, das Erzeugen eines elektrischen Signals aufweist, das einen Laststrom des elektronischen Systems repräsentiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9-13, das Quantifizieren der erfassten Spannung unter Verwendung einer Analog-Digital-Wandler-(ADC)-Schaltung aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9-14, das Folgendes aufweist: Trennen des ersten Widerstandsschaltungselements von dem ersten Eingangsanschluss; Schalten eines zweiten Widerstandsschaltungselements zwischen einen zweiten Eingangsanschluss der Stromüberwachungsschaltung und den Ausgangsanschluss durch Aktivieren eines zweiten Paars von Transistoren, die mit dem zweiten Widerstandsschaltungselement verbunden sind, wobei das zweite Paar von Transistoren eine gemeinsame Verbindung aufweist; und Erfassen einer Spannung an dem zweiten Widerstandsschaltungselement.
Elektronisches System, das Folgendes aufweist: eine erste Schaltungsversorgungsschiene; eine Schaltungslast; und eine Stromüberwachungsschaltung, die mit der ersten Schaltungsversorgungsschiene und der Schaltungslast gekoppelt ist und Folgendes aufweist: mehrere Widerstandsschaltungselemente, die zwischen mindestens einem Eingangsanschluss der Stromsensorschaltung und einem Ausgangsanschluss angeordnet sind, wobei die Widerstandsschaltungselemente unterschiedliche elektrische Widerstandswerte aufweisen; eine erste Vielzahl von Umschaltschaltungen, die zwischen den mindestens einen Eingangsanschluss und die Widerstandsschaltungselemente gekoppelt sind, wobei jede Umschaltschaltung der ersten Vielzahl von Umschaltschaltungen ein Paar von in Reihe geschalteten Transistoren aufweist, wobei Drain-Gebiete der Transistoren miteinander verbunden sind; mindestens einen Ansteuerungsverstärker, der einen Ausgang und einen mit dem Ausgangsanschluss verbundenen Eingang aufweist; eine zweite Vielzahl von Umschaltschaltungen, wobei jede Umschaltschaltung einen ersten Schaltanschluss, der mit dem mindestens einen Ansteuerungsverstärkerausgang gekoppelt ist, und einen zweiten Schaltanschluss, der mit einer gemeinsamen Drain-Verbindung eines Paars von Transistoren der ersten Vielzahl von Umschaltschaltungen gekoppelt ist, aufweist; und einen Erfassungsverstärker, ausgebildet zum Liefern eines Ausgangssignals, das mindestens einen Teil des Laststroms repräsentiert, an den Ausgangsanschluss.
Elektronisches System nach Anspruch 16, das Folgendes aufweist: eine zweite Schaltungsversorgungsschiene; und mindestens einen ersten Eingangsanschluss und einen zweiten Eingangsanschluss; wobei der erste Eingangsanschluss mit der ersten Schaltungsversorgungsschiene und einem ersten Teil der ersten Vielzahl von Umschaltschaltungen gekoppelt ist und der zweite Eingangsanschluss mit der zweiten Schaltungsversorgungsschiene und einem zweiten Teil der ersten Vielzahl von Umschaltschaltungen gekoppelt ist.
Elektronisches System nach Anspruch 17, das Folgendes aufweist: eine Analog-Digital-Wandler-(ADC)-Schaltung, die mit dem Erfassungsverstärker gekoppelt ist; und eine Steuerschaltung, ausgebildet zum wiederholten Einleiten einer Messung eines erfassten Stroms von der ersten Schaltungsversorgungsschiene und eines erfassten Stroms von der zweiten Schaltungsversorgungsschiene unter Verwendung einer ADC-Schaltung.
Elektronisches System nach einem der Ansprüche 16-18, das Folgendes aufweist: eine dritte Vielzahl von Umschaltschaltungen, die mit den mehreren Widerstandsschaltungselementen gekoppelt sind, wobei jede Umschaltschaltung einen ersten Schaltanschluss, der mit einem Widerstandsschaltungselement gekoppelt ist, und einen zweiten Schaltanschluss, der mit einem nichtinvertierenden Eingang des Erfassungsverstärkers gekoppelt ist, aufweist; und wobei ein invertierender Eingang des Erfassungsverstärkers mit dem Ausgangsanschluss gekoppelt ist.
Elektronisches System nach einem der Ansprüche 16-19, das ein Klemmwiderstandsschaltungselement aufweist, das zwischen die gemeinsame Drain-Verbindung mindestens eines Transistorpaars der ersten Vielzahl von Umschaltschaltungen und einen gemeinsamen Gate-Anschluss des mindestens einen Transistorpaars gekoppelt ist.