KR20200078341A - 결함 검출을 가진 전류 모니터 - Google Patents

결함 검출을 가진 전류 모니터 Download PDF

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아나로그 디바이시즈 인코포레이티드
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Abstract

차동 증폭기는 로드 디바이스를 통해 감지된 전류에 대한 증폭된 표현을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 별개의 신호 경로가, 차동 증폭기의 사용을 필요로 하지 않고, 고속 결함 검출을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 전압 스케일링 회로는 로드 전류를 나타내는 차동 입력 신호를 스케일링하기 위해 사용될 수 있다. 스케일링된 표현은 그 후 결함 전류 값에 대응하는 특정된 임계치에 대하여 비교될 수 있다. 이러한 방식으로, 고속 저-압 비교기가 그 외 차동 증폭기의 입력 범위를 초과하는 결함 전류의 검출을 제공하기 위해 사용될 수 있으며, 여기에서 차동 증폭기는 정말 전류 모니터링을 위해 개별적으로 사용된다. 예시적인 예로서, 이러한 기법은 차동 증폭기의 입력이 포화될 때에도 결함 검출을 제공할 수 있다.

Description

결함 검출을 가진 전류 모니터{CURRENT MONITOR WITH FAULT DETECTION}
본 문서는 제한으로서가 아닌, 일반적으로 전류 모니터링 회로들 및 관련된 기술들과 관련되며, 보다 특히 결함 검출을 포함한 전류 모니터링과 관련된다.
다양한 애플리케이션들에서, 전기 전류는 로드 디바이스의 모니터링, 보호, 또는 제어의 목적들을 위해서와 같이 감지될 수 있다. 이러한 전류 감지는 단상 또는 다중-상 로드들에 관하여 수행될 수 있다. 일반적으로, 감지 저항기와 같은 전류 감지 요소는 전원 공급 장치 및 로드와 일렬로 위치될 수 있다. 다중-상 시스템에서, 전류 감지 요소들은 각각의 상에 대응하는 로드들 및 전원 공급 장치와 일렬로 위치될 수 있다. 순간 전류와 같은, 전원 공급 장치 및 대응하는 로드를 통해 흐르는 전류는, 감지 디바이스에 의해 생성된 전압 강하를 나타내는 차동 신호를 증폭시키고 측정하는 것에 의해서와 같이, 결정될 수 있다. 이러한 증폭의 출력은 로드 디바이스의 모니터링 또는 제어의 목적들을 위해 사용될 수 있다.
상기 언급된 바와 같이, 로드를 통해 흐르는 전류를 나타내는 신호는 증폭될 수 있다. 예에서, 차동 증폭기와 같은 아날로그 증폭기는 이러한 로드 전류를 나타내는 차동 신호를 증폭시키기 위해 사용될 수 있다. 일 접근법에서, 이러한 차동 증폭기의 출력은 또한, 로드의 보호(예컨대, 결함 검출)시 사용을 위해서와 같이, 차동 증폭기의 아래쪽으로 다른 디바이스들로 라우팅될 수 있다. 본 발명자들은 이러한 접근법이 도전들로 나타날 수 있음을 인식하여 왔다. 예를 들어, 차동 증폭기는 예시적인 예로서, 약 -20V 내지 약 80V 사이에서 용인하는 것과 같은, 비교적 넓은 공통-모드 입력 전압 허용오차를 제공하도록 구성될 수 있다. 차동 증폭기는 또한 원하는 로드 전류 측정 범위에 대응하는 전압들의 범위를 포함하기 위해 특정된 차동 입력 전압 범위를 가질 수 있다. 일반적으로, 차동 증폭기는 로드 전류를 나타내는 비교적 더 낮은 차동-모드 전압을 증폭시키면서 비교적 더 높은 공통-모드 전압으로부터 다운스트림 디바이스들을 분리시킨다.
차동 증폭기가 또한 결함-전류-검출 비교기와 같은 다운스트림 결함-검출 디바이스들을 위한 신호 조절을 제공하기 위해 사용된다면, 차동 증폭기의 차동 입력 전압 범위는 또한 결함 전류 임계치에 대응하는 전압 크기를 포함해야 한다. 이러한 결함 전류 임계치는 정상 동작 동안 예상된 로드 전류 크기의 값의 수 배일 수 있다. 따라서, 차동 증폭기가 다운스트림 결합 검출 디바이스들을 구동하기 위해 더 넓은 차동 입력 전압 범위를 갖는다면, 정확도 또는 정밀도 중 하나 이상은 차동 신호 크기가 결함 임계치에 가깝지 않을 때 희생될 수 있다.
이러한 도전들을 처리하기 위해, 본 발명자들은 별개의 신호 경로가, 정밀 로드 전류 모니터링을 위해 사용된 것과 동일한 차동 증폭기에 의존하는 대신에, 고속 결함 검출을 제공하기 위해 사용될 수 있다는 것을 인식하여 왔다. 예를 들어, 로드 전류를 나타내는 차동 입력 신호를 스케일링하기 위해, 각각의 저항 분배기 네트워크들을 포함한 수동형 회로와 같은, 전압 스케일링 회로가 사용될 수 있다. 스케일링된 표현은 그 후 결함 전류 값에 대응하는 특정 임계치에 대해 비교될 수 있다. 이러한 방식으로, 고속 저압 비교기가 그 외 정밀 전류 모니터링을 위해 개별적으로 사용된 차동 증폭기의 입력 범위를 초과하는 결함 전류의 검출을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 예시적인 예로서, 이러한 기법은 차동 증폭기의 입력이 포화될 때에도 결함 검출을 제공할 수 있다.
결함 전류 검출을 위해 사용된 임계치는 임계치 신호 입력을 사용하여 제공될 수 있다. 비교기 회로는 로드 전류를 나타내는 차동 신호의 양의 및 음의 극성 성분들을 가진 임계 신호를 종합할 수 있다. 이러한 방식으로, 조정 가능한 결함 전류 임계치가 수립될 수 있다.
예에서, 전류 모니터링 회로는 공통-모드 전압의 존재 시 강화된 동적 범위 및 급속 결함 검출을 제공할 수 있다. 전류 모니터링 회로는 모니터링되는 전류를 나타내는 차동 신호를 수신하기 위한 2-단자 입력 및 모니터링되는 전류를 나타내는 크기를 가진 신호를 제공하기 위한 출력을 포함한 차동 증폭기 회로, 전압 스케일링 회로, 및 결함 전류 임계치를 나타내는 임계 신호에 대한 비교를 위해, 전압 스케일링 회로로부터, 모니터링되는 전류의 차동 신호에 대한 스케일링된 표현을 수신하기 위한 2-단자 입력을 포함한 비교기 회로를 포함할 수 있다. 상기 비교기 회로는 연속-시간 입력 기법, 또는 이산-시간(예컨대, 이산-시간 스위칭 커패시터) 입력 기법을 갖고 동작하도록 배열될 수 있다. 예에서, 전류 모니터링을 위한 방법은 모니터링되는 전류를 나타내는 차동 신호를 수신하는 것, 및 이에 응답하여, 모니터링되는 전류를 나타내는 크기를 가진 신호를 포함한 출력을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 상기 방법은 스케일링된 표현을 제공하기 위해 모니터링되는 전류를 나타내는 차동 신호를 스케일링하는 것, 및 비교기 회로를 사용하여, 결함 전류 임계치를 나타내는 임계 신호에 대해 상기 스케일링된 표현을 비교하는 것을 포함할 수 있다.
일반적으로, 본 문서에서 설명된 예들은 공통으로-공유된 집적 회로 다이를 사용하여 모놀리식으로 통합된 것과 같은, 집적 회로 패키지 내에서 전체적으로 또는 부분적으로 구현될 수 있다. 이러한 요약은 본 특허 출원의 주제의 개요를 제공하도록 의도된다. 그것은 발명의 배타적이거나 또는 철저한 설명을 제공하도록 의도되지 않는다. 상세한 설명은 본 특허 출원에 대한 추가 정보를 제공하기 위해 포함된다.
반드시 일정한 비율로 그려지는 것은 아닌, 도면들에서, 유사한 숫자들은 상이한 뷰들에서 유사한 구성요소들을 기술할 수 있다. 상이한 글자 접미사들을 가진 유사한 숫자들은 유사한 구성요소들의 상이한 인스턴스들을 나타낼 수 있다. 도면들은, 일반적으로, 제한으로서가 아닌, 예로서, 본 문서에서 논의된 다양한 실시예들을 예시한다.
도 1은 일반적으로 모니터링된 전류를 나타내는 신호를 발생시키기 위한 전기 장치의 예를 예시한다.
도 2a 및 도 3b는 일반적으로, 연속-시간 비교기 회로들을 포함한, 모니터링된 전류를 나타내는 신호를 발생시키기 위한 전기 장치의 각각의 예들을 예시한다.
도 3은 일반적으로, 모니터링된 로드 전류를 나타내는 차동 신호와의 비교를 위해, 결함 전류 임계치를 나타내는 임계 신호를 수신할 수 있는 바와 같이, 스위칭-커패시터 비교기 회로의 예를 예시한다.
도 4는 일반적으로, 모니터링되는 전류를 나타내는 차동 신호를 스케일링하는 것 및 결함 전류 임계치를 나타내는 임계 신호와 스케일링된 표현을 비교하는 것과 함께, 모니터링된 전류를 나타내는 차동 신호를 수신하는 것 및 모니터링되는 전류를 나타내는 신호를 포함한 출력을 제공하는 것을 포함할 수 있는, 방법과 같은, 기술을 예시한다.
도 5a, 도 5b, 도 5c, 및 도 5d는 전류 모니터링 회로의 예시적인 예에 대응하는 시뮬레이션 결과들을 종합적으로 예시한다.
차동 증폭기 회로는 "정밀" 전류 모니터링을 제공하기 위해 전류 감지 요소에 의해 제공된 신호를 증폭시키기 위해 사용될 수 있다. 전류 감지 요소는 로드 디바이스와 직렬로 위치된 저항기를 포함할 수 있다. 전류 모니터링은 모터 제어, 솔레노이드 제어, 또는 전력 관리와 같은 다양한 애플리케이션들을 위해 사용될 수 있다. 특정한 애플리케이션들에서, 결함 전류(예컨대, 특정된 임계치를 초과하는 크기를 가진 전류)는 보호를 제공하기 위해(예컨대, 손상으로부터 장비를 보호하기 위해 또는 인력 또는 설비들에 대한 위험을 억제하기 위해) 빠르게 검출될 필요가 있다. 상기에서 일반적으로 언급된 바와 같이, 일 접근법에서, 차동 증폭기는 그 후 비교기로 공급될 수 있는 출력을 제공할 수 있다. 이러한 방식으로, 차동 증폭기는 모니터링되는 전류를 나타내는 증폭된 출력, 및 결함 상태를 검출하기 위해 비교기에 대한 입력 신호의 신호 조절 양쪽 모두를 제공한다(예컨대, 차동 증폭기는 고 전압 공통-모드 입력을 제거할 수 있으며 수신된 차동 입력 신호를 출력으로서 증폭된 단일-엔드형 신호로 변환할 수 있다). 다운스트림 비교기는 임계치에 차동 증폭기의 출력을 비교할 수 있다. 단락 회로 또는 인덕터 포화 상태와 같은, 결함 상태의 경우에, 비교기는 이러한 상태를 빠르게 검출할 것으로 예상된다.
차동 증폭기의 아래쪽에 있는 비교기를 사용하여, 상기 언급된 접근법은 도전들로 나타낼 수 있다. 하나의 도전은 동적 범위 감소이다. 예시적인 예로서, 차동 증폭기에 의해 제공된 전압 이득이 20이며, "정상" 동작 로드 전류가 크기가 50 암페어(A)로 제한된다고 가정하면, 차동 증폭기의 출력 스윙은 범위가 0A 내지 50A에 이르는 로드 전류에 비례하여 0V 내지 5V이다. 이러한 예시적인 예에서, 시스템 동적 범위를 최대화하기 위해, 분류기(shunt resistor)는, 5 밀리옴(mΩ)의 값에 대응하는 5V를 20으로 나누고, 그 후 50A로 나눈 것으로서 선택될 수 있다. 다운스트림 비교기가 결함 검출을 위해 사용되면, 일반적으로 비교기는 예를 들면, 로드 전류가 시스템에 가능한 손상을 야기하기에 충분히 클 때까지 트리거되지 않아야 한다. 따라서, 결함 전류 임계치는 일반적으로, 최대 "정상" 동작 전류의 4배와 같은, 정상 동작 전류 크기의 배수인 것으로 특정된다.
이러한 예시적인 예에서, 분류기가 5mΩ으로서 선택되면, 증폭기는 일단 로드 전류가 50A보다 크면 포화될 것이며, 50A보다 크기가 큰 임의의 로드 전류의 검출을 불가능하게 한다. 분류기의 값은, 더 큰 검출 범위를 제공하기 위해, 약 1mΩ의 값으로와 같이, 감소될 수 있다. 그러나, 5의 배수만큼 분류기 값을 감소시킴으로써, 시스템의 동적 범위가 또한 약 5의 배수만큼 감소된다.
결함 전류 비교기를 공급하기 위해 차동 증폭기를 사용하는 "직렬" 접근법에 의해 보여진 또 다른 도전은 이중성의 부족이다. 차동 증폭기가 실패하거나 또는 포화되면, 다운스트림 결함 전류 비교기는 결함 전류를 검출하는 것으로부터 불가능해질 수 있다. 한정된 슬루 레이트, 대역폭, 상 마진, 또는 정착 시간과 같은 차동 증폭기의 특성들은 결함 상태에 응답하여 다운스트림 결함 전류 비교기에서 대기시간 또는 지연을 유발할 수 있다. 과도현상들 동안, 오버슈트가 차동 증폭기 출력에서 나타날 수 있으며, 따라서 디글리칭(deglitching)과 같은 추가 신호 상태가 결함 검출 시 대기시간 또는 지연에 부가할 수 있다.
본 발명자들은 각각의(예컨대, 별개의) 신호 경로들이 결함 전류 검출 및 정밀 전류 모니터링을 위해 사용될 수 있다는 것을 인식하여 왔다. 예를 들어, 하나의 신호 경로는 전류의 정밀 모니터링을 지원하기 위해 동적 신호들에 대해 넓은 동적 범위의 반드시는 아니지만 고속 응답을 제공할 수 있으며, 또 다른(예컨대, 결함 전류 검출) 경로는 빠르고, 결함 신호 크기들에 강력하며, 신뢰 가능하도록 구성될 수 있다. 결함 전류 검출 경로는 정밀 전류 모니터링을 위해 사용된 아날로그 신호 경로에 비교하여 더 낮은 정밀도를 가질 수 있다. 도 1은 일반적으로 모니터링된 전류를 나타내는 신호를 발생시키기 위한 전기 장치(100)의 예를 예시하며, 여기에서 비교기 회로(106)는, 차동 증폭기(104)를 통해 신호 경로로부터 별도로, 저항기(110)와 같은 전류 감지 요소로부터 공급된다.
도 1의 예에서, 로드(108)는 전류(IL)를 공급받을 수 있으며, 이러한 전류는 감지 저항기(110)(RS)를 사용하여서와 같은 전류 감지 요소를 사용하여 감지될 수 있다. 감지 저항기(110)가 전류 감지 요소로서 사용되면, 분류기에 걸쳐 발생된 차동 신호는, 예시적인 예로서, 범위가 마이크로볼트(μV) 내지 수백 밀리볼트(mV)에 이르는 것과 같이, 보통 작다. 차동 증폭기(104)는 공통-모드 입력 전압을 거절하며 차동 입력 전압을 증폭시키고, 여기에서 차동 입력 전압은 일반적으로 모니터링되는 로드 전류에 비례한다. 차동 증폭기의 출력은 그 후, 아날로그-디지털 변환기를 사용해서와 같이, 디지털 신호로 변환될 수 있다. 산업용 또는 자동차 애플리케이션들을 위해, 차동 증폭기로의 입력에 존재하는 공통-모드 전압은, 예시적인 예에 따라, 약 -20V 내지 약 80V의 범위를 갖는 것과 같은, 수십 볼트 이상을 포괄할 수 있다.
저항기(110)에 걸쳐 발생된 차동 신호는, 차동 증폭기(104)로 제공될 수 있는 바와 같이, 이득 인자 "A"에 의해 증폭될, 양의 성분(IN+), 및 음의 성분(IN-)을 포함할 수 있다. 차동 증폭기(104)의 출력(VO1)은 추가 증폭, 필터링, 또는 디지털화 블록들과 같은 다른 신호 조절 또는 프로세싱 회로로 제공될 수 있다. 이러한 방식으로, 로드 전류(IL)를 나타내는 신호(VO1)는 모니터링 또는 제어와 같은(예컨대, 예시적인 예로서, 모터로 공급된 펄스-폭을 제어하거나 또는 변조하기 위해) 다른 동작들을 위해 사용될 수 있다.
다른 접근법들과 대조적으로, 도 1에 도시된 기술은 단일-엔드형 입력보다는 차동 입력을 수신하는 비교기 회로(106)의 사용을 포함할 수 있다. 성분들(VP 및 VN)을 가진, 차동 입력은 감지 저항기(110)로부터 직접 공급될 수 있거나, 또는 각각의 분배기 회로들을 포함하는 것과 같은, 전압 스케일링 회로를 사용하여 스케일링될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 저항기들(R1 및 R2)을 포함한 제 1 저항 분배기 회로는 스케일링된 입력을 노드(VN)에 제공하기 위해 노드(IN-)에서 전압을 스케일링할 수 있다. 유사하게, 저항기들(R3 및 R4)을 포함한 제 2 저항 분배기 회로는 스케일링된 입력을 노드(VP)로 제공하기 위해 노드(IN+)에서 전압을 스케일링할 수 있다. 이러한 방식으로, 노드들(IN- 및 IN+)에 존재하는 공통-모드 전압은, 비교기 회로(106)를 위한 저압 고속 비교기 토폴로지의 사용을 허용하는 것과 같이, 감쇠(예컨대, 감소)될 수 있다. 저항 분배기 회로들에 의해 제공된 저항 및 전용 커패시터들 또는 기생 정전용량의 조합은 또한 예시적인 예들로서, 손상을 주는 고압 과도현상들 또는 전자기 간섭을 거절하기 위해 저역 통과 필터를 제공할 수 있다. 전압 스케일링 회로는 차동 증폭기(104)가 아닌 비교기 회로(106) 입력을 위해 사용되기 때문에, 전압 스케일링 회로는 차동 증폭기(104) 신호 체인의 동적 범위 또는 잡음 성능에 상당한 영향을 주지 않는다. 비교기 회로(106)는 차동 증폭기(104)의 대응 특성들보다 높은 대역폭 또는 짧은 시간-도메인 대기시간을 포함할 수 있다. 예를 들어, 비교기 회로(106)의 대기시간(예컨대, 결함 전류 임계치를 초과하는 결함 전류를 나타내는 신호를 수신하는 것에 대응하는 인스턴트와 비교기의 출력이 특정된 논리 레벨을 충족시키거나 또는 이를 초과하는 인스턴트 사이에서의 지속 기간)은 차동 증폭기(104)의 대응하는 그룹 지연보다 적을 수 있다.
도 1의 전기 장치(100)는, 차동 증폭기(104), 비교기 회로(106), 전압 스케일링 회로(예컨대, 저항 분배기 회로들)를 포함하는 것과 같은, 공통으로-공유된 집적 회로 패키지 내에서 공-적분될 수 있다. 집적 회로 패키지(102)는, 성분들(IN- 및 IN+)을 포함한 차동 입력과 함께, 양의 공급 전압(예컨대, VCC), 및 기준 노드(예컨대, GND) 또는 음의 공급 전압을 수신하기 위해서와 같이, "핀들" 또는 단자들을 포함할 수 있다. 집적 회로 패키지(102)는 모니터링되는 전류(IL)를 나타내는(예컨대, 비례하는) 출력 신호에 대응하는 VO1, 및 IL이 특정된 결함 전류 임계치를 초과할 때 결함 상태를 나타내는 비교기 회로의 출력에 대응하는 VO2와 같은 출력들을 제공할 수 있다. 비교기 회로(106)는 조정 가능한 결함 전류 임계치를 제공하기 위해서와 같이, 결함 전류 임계치를 나타내는, 임계 신호(VTH)를 수신하기 위해 입력을 포함할 수 있다. VTH는 집적 회로 패키지(102)에 의해 제공된 또 다른 단자로서 노출될 수 있거나, 또는 VTH가 내부적으로 수립될 수 있다. 예를 들어, VTH는 디지털 제어 신호를 사용하여 조정 가능성을 제공하는 것과 같은 디지털-아날로그 변환기를 사용하여 수립될 수 있다.
다양한 비교기 회로(106)가 차동 입력 신호 및 임계 신호를 수용하기 위해, 및 2-단자 비교기 블록의 반전 입력 및 비-반전 입력으로 제공될 이러한 신호들을 종합하기 위해서와 같이, 사용될 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 일반적으로 연속-시간(예컨대, 아날로그) 비교기 회로들을 포함한, 모니터링된 전류를 나타내는 신호를 발생시키기 위한 전기 장치의 각각의 예들을 예시한다. 도 2a의 예에서, 전기 장치(200A)는 도 1의 예와 유사한 회로 토폴로지를 포함할 수 있다. 도 2a에서, 전기 장치(200A)는 각각의 직렬 저항기들(R5 및 R6)을 통해 비교기 블록(206) 입력들에 결합된 입력 노드들(VP 및 VN)을 가진 아날로그 비교기 블록(206)을 포함할 수 있다. 임계치는 전류 소스(ITH)를 사용하여 수립될 수 있다. 임계 전압은 ITH 또는 다양한 저항기 값들 중 하나 이상을 조정함으로써 설정될 수 있다. 예를 들어, 도 2a에 도시된 바와 같이 비교기 블록(206)의 양의 입력 단자와 기준 노드(GN) 사이에 연결된 ITH를 갖고, 임계 전압 VTH = ITH * (R5 + R3 // R4)(여기에서, R3 // R4는 R3 및 R4의 병렬 조합의 값을 나타낸다, (R3*R4/(R3+R4)). 유사하게, 도 2b에서, 전기 장치(200B)는 음의(예컨대, 반전) 입력 단자 및 기준 노드(VCC) 사이에 연결된, 전류 소스(ITH)와 함께, 비교기 블록(206) 및 직렬 저항기들(R5 및 R6)을 포함할 수 있다. 도 2b의 예에서, 임계 전압 VTH = ITH * (R6 + R1 // R2)(여기에서 R1 // R2는 R1 및 R2의 병렬 조합의 값을 나타낸다). 비교기 블록(206)의 비-반전 및 반전 입력들에 ITH 전류 값들을 적용함으로써와 같이(예컨대, 도 2a 및 도 2b의 양상들을 조합한), 다른 예들이 가능하다. 이와 같은 조합에서, 임계 전압 VTH = ITH(R5 + R6 + R1 // R2 + R3 // R4).
도 3은 일반적으로, 모니터링된 로드 전류를 나타내는 차동 신호(성분들(VP 및 VN)을 포함하는)와의 비교를 위해, 결함 전류 임계치를 나타내는 임계 신호(VTH)를 수신할 수 있는 바와 같은, 스위칭-커패시터 입력 토폴로지를 가진 비교기 회로(306)의 예를 예시한다. 도 3에서, 비교기 회로는 반전 입력("-") 및 비-반전 입력("+")을 갖는 것과 같은, 2-단자 비교기 블록(310)을 포함할 수 있다. 스위칭-커패시터 입력 회로(320)는, 제 1 상("p1"로 라벨링된 스위치들에 대응하는) 또는 제 2 상("p2"로 라벨링된 스위치들에 대응하는) 동안 다양한 스위치들을 선택적으로 닫도록 구성된 제어 회로를 사용하여 제어되는 바와 같이, 사용될 수 있다. 상("p1" 및 "p2")에 대응하는 클록 신호들은 중첩하지 않을 수 있다(예컨대, "p1"이 어서팅될 때, "p1"로 라벨링된 스위치들을 닫고, "p2"가 디-어서팅되며, 그 역 또한 마찬가지이고, 따라서 "p1" 및 "p2" 양쪽 모두가 어서팅되는 지속 기간은 없다).
상 1 동안, "p1"로 라벨링된 스위치들은 폐쇄되어, 각각의 커패시터들로 입력 신호들(VN, VTH, 및 VP)의 전압 샘플링을 야기한다(예컨대, VN은 값 "2C"를 가진 커패시터에 의해 샘플링되고; VTH는 값 "C"를 가진 커패시터에 의해 샘플링되며, VP는 값 "2C"를 가진 커패시터에 의해 샘플링된다). 상 2 동안, 입력 신호들(VN 및 VP)은 임계 전압에 대해 비교되며, 여기에서 단일-엔드형 임계 전압의 부분들은 비교기 블록(310)의 입력들에 걸쳐 차동 방식으로 분배된다. 히스테리시스 거동이 또한, "데드-밴드(dead-band)" 오프셋 값을 도입하기 위해 부가적인 커패시터들을 부가함으로써와 같이, 구현될 수 있다. 다른 비교기 회로 토폴로지들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 3의 토폴로지는 오프셋 보상 또는 "자동-제로" 거동을 지원하기 위해서와 같이, 전치-증폭기 및 피드백 경로들을 포함하도록 수정될 수 있다. 전치-증폭기의 출력은 2-단자 비교기의 입력에 제공된 차동 신호를 포함할 수 있다.
도 4는 일반적으로, 402에서 모니터링된 전류를 나타내는 차동 신호를 수신하는 것, 및 이에 응답하여, 404에서, 모니터링되는 전류를 나타내는 크기를 가진 신호를 포함한 출력을 제공하는 것을 포함할 수 있는 방법과 같은, 기술(400)을 예시한다. 406에서, 모니터링되는 전류를 나타내는 차동 신호가 분배기 회로를 사용하여서와 같이, 스케일링될 수 있으며, 408에서, 스케일링된 표현은 비교기 회로를 사용하여, 결함 전류 임계치를 나타내는 임계 신호에 대해 비교될 수 있다. 도 4의, 기술(400)은 도 1, 도 2, 또는 도 3에 관하여 상기 논의된 바와 같이, 여기에서의 다른 예들에 관하여 도시되고 설명된 바와 같이 하나 이상의 전자 회로를 사용하여 구현될 수 있다.
도 5a, 도 5b, 도 5c, 및 도 5d는 전류 모니터링 회로의 예시적인 예에 대응하는 시뮬레이션 결과들을 종합적으로 예시한다. 이러한 전류 모니터링 회로는 도 1의 비교기 회로(106)로서 사용된 도 3에 도시된 바와 같이 비교기 회로(306) 토폴로지를 갖는 것과 같은, 도 1의 예와 유사한 구조를 포함할 수 있다. 도 5a 내지 도 5d의 예시적인 예들에서, 시뮬레이션 상태들은 다음과 같다. 공통-모드 입력 전압(도 5a에서 예시적으로 도시된 바와 같이)은 200 킬로헤르츠(KHz)의 주파수에 대응하는 기간을 가지며, -20V 내지 +80V를 포괄하는 진폭을 가진 펄스-폭 변조(PWM) 신호이다. PWM 신호의 듀티 사이클은 20퍼센트에서 80퍼센트까지 변경되며, 차동 증폭기 및 비교기 회로들을 위한 전력 공급 전압(예컨대, VCC)은 5V로 설정된다. 차동-코드 입력 신호(도 5b에서 예시적으로 도시된)는 0.98V에서 1.02V로 늘리고, 그 후 0.92V로 줄인다. 비교기 회로 임계 전압은 60mV의 히스테리시스 값을 갖고 1V로 설정된다.
차동 증폭기의 이득은 20으로 설정된다. 차동 증폭기에 대한 전력 공급 전압이 5V이며, 그것의 이득이 20이기 때문에, 차동 증폭기에 대한 최대 수용 가능한 차동 입력은 5V/20 또는 250mV로 근사될 수 있다. 도 5c에서 도시된 바와 같이, 차동 증폭기로의 차동 입력 신호는 1V에 가깝기 때문에, 전류 감지 증폭기는 포화되며 그것의 출력은 약 5V에서 대략 일정하다. 도 5d는 비교기 회로 출력 스테이지가 차동-모드 입력 전압이 1V보다 위에 있을 때(예컨대, 비교기 출력은 5V에서 0V로 전이한다), 및 다시 차동 입력 신호가 0.94V 미만(예컨대, 비교기 출력이 0V에서 5V로 전이한다)인 후 한 번 극성을 변경한다는 것을 예시한다. 일반적으로, 도 5d는 비교기 회로가, 그것이 차동 증폭기에 의존하지 않기 때문에, 차동 증폭기의 포화의 존재 시 여전히 적절하게 기능한다는 것을 보여준다.
다양한 주석들
본 문서에서 비-제한적인 양상들의 각각은 그 자체로 성립할 수 있거나, 또는 본 문서에서 설명된 다른 양상들 또는 다른 주제 중 하나 이상과의 다양한 순열들 또는 조합들로 조합될 수 있다.
상기 상세한 설명은 상세한 설명의 부분을 형성하는, 수반된 도면들에 대한 참조들을 포함한다. 도면들은, 예시로서, 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예들을 도시한다. 이들 실시예들은 또한 일반적으로 "예들"로서 불리운다. 이러한 예들은 도시되거나 또는 설명된 것들 외에 요소들을 포함할 수 있다. 그러나, 본 발명자들은 또한 도시되거나 또는 설명된 이들 요소들만이 제공되는 예들을 고려한다. 게다가, 본 발명자들은 또한 특정한 예(또는 그것의 하나 이상의 양상들)에 대하여, 또는 여기에서 도시되거나 또는 설명된 다른 예들(또는 그것의 하나 이상의 양상들)에 대하여, 도시되거나 또는 설명된 이들 요소들(또는 그것의 하나 이상의 양상들)의 임의의 조합 또는 순열을 사용하여 예들을 고려한다.
본 문서 및 참조로서 그렇게 통합된 임의의 문서들 사이에서의 일관되지 않은 사용들의 경우에, 본 문서에서의 사용은 통제된다.
본 문서에서, 용어("a" 또는 "an")는, "적어도 하나" 또는 "하나 이상"의 임의의 다른 인스턴스들 또는 사용들에 독립적으로 하나 또는 하나 이상을 포함하기 위해, 특허 문서들에서 일반적인 바와 같이, 사용된다. 본 문서에서, 용어("또는")는 비배타적 또는을 나타내기 위해 사용되며, 따라서 달리 표시되지 않는다면 "A 또는 B"는 "B가 아닌 A", "A가 아닌 B", 및 "A 및 B"를 포함한다. 본 문서에서, 용어들("포함시키는" 및 "여기에서")은 각각의 용어들("포함한" 및 "여기에서")의 쉬운-영어 등가물들로서 사용된다. 또한, 다음의 청구항들에서, 용어들("포함하는" 및 "포함시키는")은 제한을 두지 않으며, 즉 청구항에서 이러한 용어 뒤에 나열된 것들 외에 요소들을 포함하는 시스템, 디바이스, 물품, 조성, 제제, 또는 프로세스는 여전히 상기 청구항의 범위 내에 있는 것으로 간주된다. 게다가, 다음의 청구항들에서, 용어들("제 1", "제 2", 및 "제 3" 등)은 단지 라벨들로서 사용되며, 그것들의 오브젝트들에 대한 수치적 요건들을 부여하도록 의도되지 않는다.
여기에서 설명된 방법 예들은 적어도 부분적으로 기계 또는 컴퓨터-구현될 수 있다. 몇몇 예들은 상기 예들에서 설명된 바와 같이 방법들을 수행하기 위해 전자 디바이스를 구성하도록 동작 가능한 지시들로 인코딩된 컴퓨터-판독 가능한 매체 또는 기계-판독 가능한 매체를 포함할 수 있다. 이러한 방법들의 구현은, 마이크로코드, 어셈블리어 코드, 상위-레벨 언어 코드 등을 포함할 수 있다. 이러한 코드는 다양한 방법들을 수행하기 위한 컴퓨터 판독 가능한 지시들을 포함할 수 있다. 코드는 컴퓨터 프로그램 제품들의 부분들을 형성할 수 있다. 뿐만 아니라, 예에서, 코드는 실행 동안 또는 다른 시간들에서와 같이, 하나 이상의 휘발성, 비-일시적, 또는 비-휘발성 유형의 컴퓨터-판독 가능한 미디어 상에 유형으로 저장될 수 있다. 이들 유형의 컴퓨터-판독 가능한 미디어의 예들은, 이에 제한되지 않지만, 하드 디스크들, 착탈 가능한 자기 디스크들, 착탈 가능한 광 디스크들(예컨대, 컴팩트 디스크들 및 디지털 비디오 디스크들), 자기 카세트들, 메모리 카드들 또는 스틱들, 랜덤 액세스 메모리들(RAM들), 판독 전용 메모리들(ROM들) 등을 포함할 수 있다.
상기 설명은 제한적이 아닌, 예시적이도록 의도된다. 예를 들어, 상기 설명된 예들(또는 그것의 하나 이상의 양상들)은 서로 조합하여 사용될 수 있다. 다른 실시예들이, 상기 설명을 검토할 때 이 기술분야에서의 통상의 기술자에 의해서와 같이, 사용될 수 있다. 요약은 판독자가 기술적 개시의 특징을 빨리 알아내도록 허용하기 위해 제공된다. 그것은 청구항들의 범위 또는 의미를 해석하거나 또는 제한하기 위해 사용되지 않을 것이라는 조건하에 진술된다. 또한, 상기 상세한 설명에서, 다양한 특징들은 개시를 간소화하기 위해 함께 그룹핑된다. 이것은 청구되지 않은 개시된 특징이 임의의 청구항에 필수적이라는 의도로서 해석되어서는 안된다. 오히려, 발명의 주제는 특정한 개시된 실시예의 모두보다 적은 특징들에 있을 수 있다. 따라서, 다음의 청구항들은 예들 또는 실시예들로서 상세한 설명으로 통합되고, 각각의 청구항은 별개의 실시예로서 그 자체로 성립하며, 이러한 실시예들은 다양한 조합들 또는 순열들로 서로 조합될 수 있다는 것이 고려된다. 발명의 범위는, 이러한 청구항들이 자격을 부여받은 등가물들의 전체 범위와 함께, 첨부된 청구항들을 참조하여 결정되어야 한다.

Claims (20)

  1. 강화된 동적 범위 및 급속 결함 검출을 제공하도록 배열된 전류 모니터링 회로에 있어서,
    모니터링되는 전류를 나타내는 차동 신호를 수신하기 위한 2-단자 입력 및 모니터링되는 상기 전류를 나타내는 크기를 가진 신호를 제공하기 위한 출력을 포함한 차동 증폭기 회로;
    전압 스케일링 회로; 및
    비교기 회로로서:
    결함 전류 임계치를 나타내는 임계 신호에 대한 비교를 위해, 상기 전압 스케일링 회로로부터, 상기 모니터링되는 전류의 차동 신호를 나타내는 스케일링된 표현을 수신하기 위한 2-단자 입력을 포함한, 상기 비교기 회로를 포함하는, 전류 모니터링 회로.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전압 스케일링 회로는:
    상기 비교기 회로의 2-단자 입력 중 제 1 입력에 결합된 제 1 분압기 회로; 및
    상기 비교기 회로의 2-단자 입력 중 제 2 입력에 결합된 제 2 분압기 회로를 포함하는, 전류 모니터링 회로.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제 1 분압기 회로는 제 1 저항 분배기 회로를 포함하며;
    상기 제 2 분압기 회로는 제 2 저항 분배기 회로를 포함하는, 전류 모니터링 회로.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비교기 회로의 대기시간은 상기 차동 증폭기 회로의 대응하는 그룹 지연보다 지속 기간이 더 짧은, 전류 모니터링 회로.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 비교기 회로는 연속-시간 회로 토폴로지를 포함하며;
    상기 전류 모니터링 회로는 상기 임계 신호를 제공하기 위해 상기 비교기 회로의 입력에 결합된 전류 소스를 포함하는, 전류 모니터링 회로.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 비교기 회로는 스위칭-커패시터 입력 회로를 포함하며, 상기 스위칭-커패시터 입력 회로는 상기 차동 신호의 스케일링된 표현, 및 상기 임계 신호를 수신하기 위한 입력들을 포함하는, 전류 모니터링 회로.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 비교기 회로는 전체-차동 전치-증폭기 블록을 포함하는, 전류 모니터링 회로.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 모니터링되는 전류를 나타내는 상기 전류 감지 저항기에 걸쳐 발생된 전압을 나타내는 상기 차동 신호를 제공하도록 구성된 전류 감지 저항기를 더 포함하는, 전류 모니터링 회로.
  9. 강화된 동적 범위 및 급속 결함 검출을 제공하는 전류 모니터링 회로를 사용한 전류 모니터링을 위한 방법에 있어서,
    모니터링되는 전류를 나타내는 차동 신호를 수신하는 단계;
    이에 응답하여, 상기 모니터링되는 전류를 나타내는 크기를 가진 신호를 포함한 출력을 제공하는 단계;
    스케일링된 표현을 제공하기 위해 상기 모니터링되는 전류를 나타내는 상기 차동 신호를 스케일링하는 단계; 및
    비교기 회로를 사용하여, 결함 전류 임계치를 나타내는 임계 신호에 대해 상기 스케일링된 표현을 비교하는 단계를 포함하는, 전류 모니터링을 위한 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 차동 신호를 스케일링하는 단계는 상기 차동 신호의 제 1 극성을 스케일링하기 위해 상기 비교기 회로의 2-단자 입력 중 제 1 입력에 결합된 제 1 분압기 회로를 사용하는 단계; 및
    상기 차동 신호의 제 2 극성을 스케일링하기 위해 상기 비교기 회로의 2-단자 입력 중 제 2 입력에 결합된 제 2 분압기 회로를 사용하는 단계를 포함하는, 전류 모니터링을 위한 방법.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 모니터링되는 전류를 나타내는 크기를 가진 신호를 포함한 출력을 제공하는 단계는 차동 증폭기를 사용하는 단계를 포함하며;
    상기 임계 신호에 대해 상기 스케일링된 표현을 비교하는 단계는 상기 차동 증폭기 입력이 포화될 때 발생하는, 전류 모니터링을 위한 방법.
  12. 청구항 9 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 임계 신호는 입력으로서 상기 비교기 회로에 제공되는, 전류 모니터링을 위한 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 임계 신호는 특정된 임계 전압에 비례하는 특정된 전류를 포함하는, 전류 모니터링을 위한 방법.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 비교기 회로는 반전 입력 및 비-반전 입력을 가진 비교기 블록을 포함하며;
    상기 비교기 회로는 스위칭-커패시터 입력 회로를 포함하며;
    상기 방법은 상기 스위칭-커패시터 입력 회로를 사용하여, 상기 모니터링되는 전류의 스케일링된 표현을 포함한 상기 차동 신호의 제 1 및 제 2 극성을 가진 상기 임계 신호를 종합하는 단계, 및 상기 차동 신호 및 상기 임계 신호의 종합된 표현을 상기 비교기 블록의 반전 및 비-반전 입력들로 제공하는 단계를 포함하는, 전류 모니터링을 위한 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 반전 입력 또는 상기 비-반전 입력 중 적어도 하나로 특정된 히스테리시스 오프셋을 주입함으로써 상기 스케일링된 표현을 비교할 때 히스테리시스를 제공하는 단계를 포함하는, 전류 모니터링을 위한 방법.
  16. 강화된 동적 범위 및 급속 결함 검출을 제공하도록 배열된 전류 모니터링 회로에 있어서,
    모니터링되는 전류를 나타내는 차동 신호를 수신하며, 이에 응답하여 상기 모니터링되는 전류를 나타내는 크기를 가진 신호를 포함한 출력을 제공하기 위한 증폭 수단;
    스케일링된 표현을 제공하기 위해 상기 모니터링되는 전류를 나타내는 상기 차동 신호를 스케일링하기 위한 전압 스케일링 수단; 및
    결함 전류 임계치를 나타내는 임계 신호에 대하여 상기 스케일링된 표현을 비교하기 위한 수단을 포함하는, 전류 모니터링 회로.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 전압 스케일링 수단은:
    상기 스케일링된 표현을 비교하기 위한 수단의 제 1 입력에 결합된 제 1 분배기 수단; 및
    상기 스케일링된 표현을 비교하기 위한 수단의 제 2 입력에 결합된 제 2 분배기 수단을 포함하는, 전류 모니터링 회로.
  18. 청구항 16 또는 청구항 17에 있어서,
    상기 임계 신호에 대하여 상기 스케일링된 표현을 비교하기 위한 수단은 상기 증폭 수단이 포화될 때 계속해서 동작 가능한, 전류 모니터링 회로.
  19. 청구항 16에 있어서,
    상기 임계 신호는 조정 가능한, 전류 모니터링 회로.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 임계 신호를 제공하기 위해 임계 신호 발생 수단을 포함하는, 전류 모니터링 회로.
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