TW202011034A - 電流感測器 - Google Patents

Abstract

一種電流感測器，包括電流感測電阻、第一電晶體、第二電晶體、偏壓電壓產生電路以及電流鏡。第一電晶體的第一端耦接至電流感測電阻的第一端。第二電晶體的第一端耦接至電流感測電阻的第二端。偏壓電壓產生電路提供第一偏壓電壓至第一電晶體的控制端，以及提供第二偏壓電壓至第二電晶體的控制端。其中，第一偏壓電壓與第二偏壓電壓相依於第一輸入端的電壓或是第二輸入端的電壓。電流鏡的二電流端分別耦接至第二電晶體的第二端與第一電晶體的第二端。

Description

電流感測器

本發明是有關於一種電子電路，且特別是有關於一種電流感測器。

依照設計需求，電子電路的某個目標電壓（或是目標電流）可能需要被監視。舉例來說，為了避免某個功率路徑發生過電流（overcurrent）事件，一個電阻與一個電壓比較器可以被配置於這個功率路徑中。此電阻可以將這個功率路徑的電流值轉換為電壓值，而此電壓比較器可以偵測此電阻的電壓值（電阻兩端的電壓差）。在一般電壓比較器的輸入級中，輸入級電晶體的閘極被用來作為電壓比較器的輸入端。在高壓應用中，電壓比較器的輸入電壓的擺幅（變動範圍）是很大的，亦即輸入級電晶體(例如N-型金屬氧化物半導體（N-type metal oxide semiconductor，簡稱NMOS）電晶體)的閘源電壓（閘極與源極之間的電壓差）可能會很大。

本發明提供一種電流感測器，以進行電流感測。

本發明的實施例提供一種電流感測器。所述電流感測器包括電流感測電阻、第一電晶體、第二電晶體、偏壓電壓產生電路以及電流鏡。電流感測電阻的第一端與第二端分別耦接至電流感測器的第一輸入端與第二輸入端。第一電晶體的第一端耦接至電流感測器的第一輸入端。第一電晶體的第二端耦接至電流感測器的輸出端。第二電晶體的第一端耦接至電流感測器的第二輸入端。偏壓電壓產生電路耦接至第一電晶體的控制端，以提供第一偏壓電壓。偏壓電壓產生電路耦接至第二電晶體的控制端，以提供第二偏壓電壓。其中，第一偏壓電壓與第二偏壓電壓相依於電流感測器的第一輸入端的電壓或是電流感測器的第二輸入端的電壓。電流鏡的第一電流端耦接至第二電晶體的第二端。電流鏡的第二電流端耦接至第一電晶體的第二端。

基於上述，本發明諸實施例所述電流感測器的輸入端的電壓被送至電晶體的非控制端。電流感測器的偏壓產生電路所產生的兩偏壓相依於電流感測器兩輸入端的電壓之一，使得電流感測器的兩輸入級電晶體的源閘跨壓被控制在小擺幅。優點是此電流感測器可以用來偵測大電壓範圍，例如可應用在通用串列匯流排（Universal Serial Bus，簡稱USB）電力輸送（power delivery，簡稱PD）3.0的領域中，用以偵測流經電源22V或更高的電源之電流路徑是否過電流，然不限於此。當電流由電流感測器的第一輸入端流向電流感測器的第二輸入端時，第一輸入端的電壓大於第二輸入端的電壓，此時連接第一輸入端的電晶體的源閘電壓會大於連接第二輸入端的電晶體的源閘電壓，使得流經連接第一輸入端的電晶體的電流大於流經連接第二輸入端的電晶體的電流。此時連接第一輸入端的電晶體會導通而將電流感測器的輸出端的電壓拉高。

當電流由電流感測器的第二輸入端流向電流感測器的第一輸入端時，第一輸入端的電壓小於第二輸入端的電壓，此時連接第二輸入端的電晶體的源閘電壓會大於連接第一輸入端的電晶體的源閘電壓，使得流經連接第二輸入端的電晶體的電流大於流經連接第一輸入端的電晶體的電流。此時連接第二輸入端的電晶體會導通，進而使得電流鏡將電流感測器的輸出端的電壓拉低。因此，所述電流感測器可以進行電流感測。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

在本案說明書全文(包括申請專利範圍)中所使用的「耦接（或連接）」一詞可指任何直接或間接的連接手段。舉例而言，若文中描述第一裝置耦接（或連接）於第二裝置，則應該被解釋成該第一裝置可以直接連接於該第二裝置，或者該第一裝置可以透過其他裝置或某種連接手段而間接地連接至該第二裝置。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件/步驟代表相同或類似部分。不同實施例中使用相同標號或使用相同用語的元件/構件/步驟可以相互參照相關說明。

圖1是依照本發明的一實施例所繪示的一種電流感測器的電路方塊（circuit block）示意圖。圖1所示電流感測器包括電壓比較器100以及電流感測電阻RS。電壓比較器100包括電晶體110、電晶體120、偏壓電壓產生電路130以及電流鏡140。電晶體110的第一端（例如源極）耦接至電流感測器的第一輸入端CSP。電晶體120的第一端（例如源極）耦接至電流感測器的第二輸入端CSN。電晶體120的第二端（例如汲極）耦接至電流鏡140的第一電流端（例如主電流端）。電晶體110的第二端（例如汲極）耦接至電流感測器的輸出端OCP與電流鏡140的第二電流端（例如僕電流端）。電晶體110的控制端（例如閘極）耦接至偏壓電壓產生電路130以接收偏壓電壓Va。電晶體120的控制端（例如閘極）耦接至偏壓電壓產生電路130以接收偏壓電壓Vb。於圖1所示實施例中，電晶體110與電晶體120是P-型金屬氧化物半導體（P-type metal oxide semiconductor，簡稱PMOS）電晶體。

在圖1所示應用情境中，電流感測器的第一輸入端CSP與第二輸入端CSN分別被耦接至電流感測電阻RS的不同端。電流感測電阻RS與電壓比較器100可以視為一個電流感測器。當電流IS流經電流感測電阻RS時，電流感測電阻RS的兩端（即第一輸入端CSP與第二輸入端CSN）會出現電壓差。舉例來說，當電流IS由第一輸入端CSP流向第二輸入端CSN時，第一輸入端CSP的電壓大於第二輸入端CSN的電壓。當電流IS由第二輸入端CSN流向第一輸入端CSP時，第一輸入端CSP的電壓小於第二輸入端CSN的電壓。電壓比較器100可以比較第一輸入端CSP與第二輸入端CSN的電壓，並將比較結果反應於電流感測器的輸出端OCP。

偏壓電壓產生電路130耦接至電晶體110的控制端，以提供偏壓電壓Va。偏壓電壓產生電路130耦接至電晶體120的控制端，以提供偏壓電壓Vb。偏壓電壓Va與偏壓電壓Vb相依於第一輸入端CSP的電壓或是第二輸入端CSN的電壓。例如，偏壓電壓Va與偏壓電壓Vb相依於第一輸入端CSP的電壓與第二輸入端CSN的電壓二者之一。因為偏壓電壓Va與偏壓電壓Vb相關於第一輸入端CSP的電壓或是第二輸入端CSN的電壓，所以輸入級電晶體（電晶體110與電晶體120）的源閘電壓（源極與閘極之間的電壓差）可以被控制在小擺幅（小變動範圍）。

偏壓電壓Va與偏壓電壓Vb可以依照設計需求來決定。舉例來說，在一些實施例中，偏壓電壓Va可以是第一輸入端CSP的電壓減去電晶體110的閾電壓（threshold voltage）後的一個差值，以及/或者偏壓電壓Vb可以是第二輸入端CSN的電壓減去電晶體120的閾電壓後的一個差值。在一些應用情境中，偏壓電壓Va可以相同於偏壓電壓Vb。

在圖1所示實施例中，電壓比較器100的輸入端的電壓被送至輸入級電晶體的非控制端。例如，第一輸入端CSP的電壓被送至電晶體110的第一端（例如源極），而第二輸入端CSN的電壓被送至電晶體120的第一端（例如源極）。假設偏壓電壓Va相同於偏壓電壓Vb，並且假設電晶體110與電晶體120的尺寸相同，當電流IS由第一輸入端CSP流向第二輸入端CSN時，第一輸入端CSP的電壓大於第二輸入端CSN的電壓，此時電晶體110的源閘電壓會大於電晶體120的源閘電壓，使得流經電晶體110的電流大於流經電晶體120的電流。此時電晶體110會導通（turn on）而拉高電流感測器的輸出端OCP的電壓。當電流IS由第二輸入端CSN流向第一輸入端CSP時，第一輸入端CSP的電壓小於第二輸入端CSN的電壓，此時電晶體120的源閘電壓會大於電晶體110的源閘電壓，使得流經電晶體120的電流大於流經電晶體110的電流。此時電晶體120會導通使得電流鏡140拉低電流感測器的輸出端OCP的電壓。因此，所述電壓比較器100可以進行電壓比較，亦即圖1所示電流感測器進行電流感測。在一實施例中，所述電壓比較器100亦可稱為電流比較器，其可以進行第一輸入端CSP與第二輸入端CSN的電流比較。

圖2是依照本發明的一實施例說明圖1所示偏壓電壓產生電路130以及電流鏡140的電路示意圖。於圖2所示實施例中，電流鏡140包括電晶體141以及電晶體142。電晶體141的第一端（例如源極）耦接至接地電壓GND。電晶體141的第二端（例如汲極）耦接至電流鏡140的僕電流端，亦即耦接至電晶體110的第二端。電晶體142的第一端（例如源極）耦接至接地電壓GND。電晶體142的第二端（例如汲極）耦接至電流鏡140的主電流端。電晶體142的控制端（例如閘極）耦接至電晶體142的第二端與電晶體141的控制端（例如閘極）。於圖2所示實施例中，電晶體141以及電晶體142是NMOS電晶體。

於圖2所示實施例中，偏壓電壓產生電路130包括電阻Ra、電阻Rb、電晶體131以及電流源132。電晶體131的第一端（例如源極）耦接至第一輸入端CSP或是第二輸入端CSN。

電晶體131的第二端（例如汲極）耦接至電晶體131的控制端（例如閘極）與電流源132。因此，電晶體131、電晶體110與電晶體120可以被視為一個電流鏡。電阻Ra的第一端耦接至電晶體110的控制端，以提供偏壓電壓Va。電阻Ra的第二端耦接至電晶體131的控制端。電阻Rb的第一端耦接至電晶體120的控制端，以提供偏壓電壓Vb。電阻Rb的第二端耦接至電晶體131的控制端。在圖2所示實施例中，電阻Ra與電阻Rb的阻值設定為相同。在不考慮漏電流的情況下，亦即如果電阻Ra與電阻Rb沒有電流，則Va = Vb = Vs，其中Vs表示電晶體131的控制端的電壓。

在圖2所示應用情境中，假設電流由第一輸入端CSP經由電流感測電阻RS流向第二輸入端CSN時，第二輸入端CSN的電壓是第一輸入端CSP的電壓減去電流感測電阻RS的壓降，亦即CSN = CSP – IS*RS。假設Vsg1表示電晶體110的源閘電壓，以及Vsg2表示電晶體120的源閘電壓，則Vsg1 = CSP – Va，而Vsg2 = CSN – Vb。在不考慮漏電流的情況下，電阻Ra與電阻Rb沒有電流，因此Va = Vb = Vs。當電流IS由第一輸入端CSP流向第二輸入端CSN時，第一輸入端CSP的電壓大於第二輸入端CSN的電壓，此時電晶體110的源閘電壓Vsg1會大於電晶體120的源閘電壓Vsg2，使得流經電晶體110的電流Ia大於流經電晶體120的電流Ib。此時電晶體110會導通（turn on）而拉高電壓比較器100的輸出端OCP的電壓。當電流IS由第二輸入端CSN流向第一輸入端CSP時，第一輸入端CSP的電壓小於第二輸入端CSN的電壓，此時電晶體120的源閘電壓Vsg2會大於電晶體110的源閘電壓Vsg1，使得流經電晶體120的電流Ib大於流經電晶體110的電流Ia。此時電晶體120會導通使得電流鏡140拉低電壓比較器100的輸出端OCP的電壓。

在一實施例中，圖1與圖2中所示的電流感測器更可應用在USB PD 3.0的領域中，用以偵測流經電源22V或更高的電源之電流路徑是否過電流，在此應用中，電晶體110、電晶體120以及電晶體131須選用高壓元件方可承受22V以上的高壓。也就是說，電晶體110、電晶體120以及電晶體131的選用須對應於其所承受的電壓大小，才不至於被損毀。在一實施例中，圖1與圖2中所示的電流感測電阻RS可為mΩ等級，例如5 mΩ、10 mΩ或20 mΩ。

圖3是依照本發明的另一實施例所繪示的一種電流感測器的電路方塊示意圖。圖3所示電流感測器包括電壓比較器300以及電流感測電阻RS。電壓比較器300包括電晶體110、電晶體120、偏壓電壓產生電路130、電流鏡140以及閾電路350。圖3所示電晶體110、電晶體120、偏壓電壓產生電路130與電流鏡140可以參照圖1所示電晶體110、電晶體120、偏壓電壓產生電路130與電流鏡140的相關說明，故不再贅述。閾電路350的第一端耦接至電晶體110的控制端。閾電路350的第二端耦接至電晶體120的控制端。閾電路350可以決定電壓比較器300的閾電壓。當第一輸入端CSP的電壓與第二輸入端CSN的電壓二者的電壓差小於電壓比較器300的閾電壓時，輸出端OCP的電壓會維持於低邏輯準位。當第一輸入端CSP的電壓與第二輸入端CSN的電壓二者的電壓差大於電壓比較器300的閾電壓時，輸出端OCP的電壓會從低邏輯準位轉態至高邏輯準位。

圖4是依照本發明的一實施例說明圖3所示偏壓電壓產生電路130、電流鏡140以及閾電路350的電路示意圖。圖4所示電晶體110、電晶體120、偏壓電壓產生電路130與電流鏡140可以參照圖2所示電晶體110、電晶體120、偏壓電壓產生電路130與電流鏡140的相關說明，故不再贅述。於圖4所示實施例中，閾電路350包括開關351、開關352、電流源353以及控制器354。開關351的控制端耦接至控制信號Vtb。開關351的第一端耦接至電流源353。開關351的第二端耦接至閾電路350的第一端，亦即耦接至電晶體110的控制端。開關352的控制端耦接至控制信號Vt。開關352的第一端耦接至電流源353。開關352的第二端耦接至閾電路350的第二端，亦即耦接至電晶體120的控制端。控制器354耦接至開關351的控制端，以提供控制信號Vtb。控制器354耦接至開關352的控制端，以提供控制信號Vt。基於控制器354的控制，開關351與開關352沒有同時導通。

第二輸入端CSN的電壓是第一輸入端CSP的電壓減去電流感測電阻RS的壓降，亦即CSN = CSP – IS*RS。假設Vsg1表示電晶體110的源閘電壓，以及Vsg2表示電晶體120的源閘電壓，則Vsg1 = CSP – Va，而Vsg2 = CSN – Vb。在不考慮漏電流的情況下，如果電阻Ra與電阻Rb沒有電流，則Va = Vb = Vs。在此，電阻Ra的阻值被設定為相同於電阻Rb的阻值。控制器354可以控制開關351與開關352的導通狀態，以便讓電流源353選擇性的對電阻Ra或電阻Rb抽取電流。除此之外，控制器354可以控制電流源353的電流量，以決定電壓比較器300的閾電壓。

為了方便說明，在此假設電流由第一輸入端CSP經由電流感測電阻RS流向第二輸入端CSN時，則第一輸入端CSP的電壓大於第二輸入端CSN的電壓，因此控制器354導通開關352並且截止開關351。當開關352導通時，電流源353經由開關352對電阻Rb抽取電流It，使得偏壓電壓Vb降為Vs – It*Rb。因此，在第一輸入端CSP的電壓等於第二輸入端CSN的電壓的情況下（亦即流經電流感測電阻RS的電流IS為0），電晶體110的源閘電壓Vsg1小於電晶體120的源閘電壓Vsg2，亦即輸出端OCP的電壓會維持於低邏輯準位。在一實施例中，隨著電流IS的增加，相較於第一輸入端CSP的電壓而言，第二輸入端CSN的電壓會逐漸降低。亦即，隨著電流IS的增加，相較於電晶體110的源閘電壓Vsg1而言，電晶體120的源閘電壓Vsg2會逐漸降低。當電晶體110的源閘電壓Vsg1不再小於電晶體120的源閘電壓Vsg2時，可視為第一輸入端CSP的電壓與第二輸入端CSN的電壓二者的電壓差已經到達電壓比較器300的閾電壓。當源閘電壓Vsg1大於源閘電壓Vsg2時，CSP – Va ＞ CSN – Vb，亦即CSP – Vs ＞ (CSP – IS*RS) – (Vs – It*Rb)。由此可知，當第一輸入端CSP與第二輸入端CSN二者的電壓差已經到達電壓比較器300的閾電壓時，IS*RS ＞ It*Rb，此時輸出端OCP的電壓會從低邏輯準位轉態至高邏輯準位。因為上述電流IS與電流感測電阻RS都已是預先決定的數值，因此電路設計者可藉由選定It與Rb(或Ra)的大小，來決定電壓比較器300的閾電壓。

須注意的是，前段說明內容是基於「電流由第一輸入端CSP經由電流感測電阻RS流向第二輸入端CSN時，第一輸入端CSP的電壓大於第二輸入端CSN的電壓」的假設。在其他實施例中，當電流由第二輸入端CSN經由電流感測電阻RS流向第一輸入端CSP時，第二輸入端CSN的電壓大於第一輸入端CSP的電壓，控制器354導通開關351並且截止開關352。當開關351導通時，電流源353經由開關351對電阻Ra抽取電流It，使得偏壓電壓Va降為Vs – It*Ra。因此，當第一輸入端CSP與第二輸入端CSN二者的電壓差已經到達電壓比較器300的閾電壓時，IS*RS ＞ It*Ra，此時輸出端OCP的電壓會從高邏輯準位轉態至低邏輯準位(此時輸出端OCP的電壓信號為負邏輯)。因為上述電流IS與電流感測電阻RS都已是預先決定的數值，因此電路設計者可藉由選定It與Ra(或Rb)的大小，來決定電壓比較器300的閾電壓。

在一實施例中，當圖3與圖4中所示的電流感測器應用在USB PD 3.0的領域中，用以偵測流經電源22V或更高的電源之電流路徑是否過電流，電晶體110、電晶體120、電晶體131、電晶體351以及電晶體352須選用高壓元件方可承受22V以上的高壓。也就是說，電晶體110、電晶體120以及電晶體131、電晶體351以及電晶體352的選用須對應於其所承受的電壓大小，才不至於被損毀。

圖5是依照本發明的又一實施例所繪示的一種電壓比較器500的電路方塊示意圖。圖3所示電流感測器包括電壓比較器500以及電流感測電阻RS。電壓比較器500包括電晶體110、電晶體120、偏壓電壓產生電路130、電流鏡140以及校正電路560。圖5所示電晶體110、電晶體120、偏壓電壓產生電路130與電流鏡140可以參照圖1所示電晶體110、電晶體120、偏壓電壓產生電路130與電流鏡140的相關說明，故不再贅述。校正電路560的第一端耦接至電晶體110的控制端。校正電路560的第二端耦接至電晶體120的控制端。校正電路560可以校正/補償因為製程漂移（製程變異）所導致的電晶體誤差。

在初始化期間，第一輸入端CSP須被直接連接至第二輸入端CSN，使得第一輸入端CSP的電壓等於第二輸入端CSN的電壓。在一實施例中，可藉由導通一開關SW來連接第一輸入端CSP與第二輸入端CSN。在初始化期間，校正電路560可以選擇性地調整偏壓電壓Va與/或偏壓電壓Vb，同時檢查電壓比較器500的輸出端OCP是否發生轉態事件。當輸出端OCP發生轉態事件時，校正電路560可以記錄在當下偏壓電壓Va與/或偏壓電壓Vb所相關的校正參數。在正常操作期間，開關SW則不導通，校正電路560可以依照所述校正參數來調整偏壓電壓Va與/或偏壓電壓Vb，以校正/補償因為製程漂移（製程變異）所導致的電晶體誤差。

圖6是依照本發明的一實施例說明圖5所示偏壓電壓產生電路130、電流鏡140以及校正電路560的電路示意圖。圖6所示電晶體110、電晶體120、偏壓電壓產生電路130與電流鏡140可以參照圖2所示電晶體110、電晶體120、偏壓電壓產生電路130與電流鏡140的相關說明，故不再贅述。於圖6所示實施例中，校正電路560包括開關561、開關562、電流源563以及控制器564。開關561的控制端耦接至控制信號Vcb。開關561的第一端耦接至電流源563。開關561的第二端耦接至校正電路560的第一端，亦即耦接至電晶體110的控制端。開關562的控制端耦接至控制信號Vc。開關562的第一端耦接至電流源563。開關562的第二端耦接至校正電路560的第二端，亦即耦接至電晶體120的控制端。

控制器564耦接至開關561的控制端，以提供控制信號Vcb。控制器564耦接至開關562的控制端，以提供控制信號Vc。基於控制器564的控制，開關561與開關562沒有同時導通。控制器564耦接至電流源563，以設定電流源563的電流。控制器564耦接至電壓比較器500的輸出端OCP，以檢查轉態事件。

詳而言之，在初始化期間，第一輸入端CSP須被直接連接至第二輸入端CSN，使得第一輸入端CSP的電壓等於第二輸入端CSN的電壓。在一實施例中，可藉由導通一開關SW來連接第一輸入端CSP與第二輸入端CSN。在不考慮漏電流的情況下，如果電阻Ra與電阻Rb沒有電流，則Va = Vb = Vs。在初始化期間，控制器564選擇性地導通開關561或開關562，以及選擇性地設定電流源563的電流，以便於檢查電壓比較器500的輸出端OCP是否發生該轉態事件。舉例來說，控制器564導通開關561並截止開關562，使得電流源563可以對電阻Ra抽取電流。在開關561為導通的期間，控制器564控制電流源563以改變電流源563的電流，直到輸出端OCP發生轉態事件。在開關561為導通的期間，若在電流源563的電流的調整範圍內輸出端OCP都沒有發生轉態事件，則控制器564可以截止開關561並導通開關562，使得電流源563可以對電阻Rb抽取電流。在開關562為導通的期間，控制器564控制電流源563以改變電流源563的電流，直到輸出端OCP發生轉態事件。

在電壓比較器500的輸出端OCP發生轉態事件後，初始化期間可以被結束，開關SW則不導通，使得第一輸入端CSP與第二輸入端CSN之間的直接連接可以被解除。當輸出端OCP發生轉態事件時，控制器564可以將在當下開關561的導通狀態、開關562的導通狀態以及電流源563的電流設定狀態記錄至校正參數。在正常操作期間，開關SW則不導通，控制器564可以依照校正參數去控制開關561的導通狀態、開關562的導通狀態以及電流源563的電流設定狀態。

舉例來說，在初始化期間，假設在「開關562為導通」以及「電流源563的電流為Ic」的情況下，輸出端OCP發生了轉態事件。所謂轉態事件，是指輸出端OCP的電壓從低邏輯準位轉為高邏輯準位，或是從高邏輯準位轉為低邏輯準位。此時，因為電流源563經由開關562對電阻Rb抽取電流Ic，使得偏壓電壓Vb降為Vs – Ic*Rb。控制器564可以將「開關561為截止」、「開關562為導通」以及「電流源563的電流為Ic」記錄至校正參數。在正常操作期間，依照所述校正參數，控制器564可以保持截止開關561，保持導通開關562，以及使電流源563的電流保持為Ic。

在一實施例中，當圖5與圖6中所示的電流感測器應用在USB PD 3.0的領域中，用以偵測流經電源22V或更高的電源之電流路徑是否過電流，電晶體110、電晶體120、電晶體131、電晶體561以及電晶體562須選用高壓元件方可承受22V以上的高壓。也就是說，電晶體110、電晶體120以及電晶體131、電晶體561以及電晶體562的選用須對應於其所承受的電壓大小，才不至於被損毀。

圖7是依照本發明的再一實施例所繪示的一種電壓比較器700的電路方塊示意圖。圖7所示電流感測器包括電壓比較器700以及電流感測電阻RS。電壓比較器700包括電晶體110、電晶體120、偏壓電壓產生電路130、電流鏡140、閾電路350以及校正電路560。圖7所示電晶體110、電晶體120、偏壓電壓產生電路130與電流鏡140可以參照圖1至圖6所示電晶體110、電晶體120、偏壓電壓產生電路130與電流鏡140的相關說明，圖7所示閾電路350可以參照圖3至圖4所示閾電路350的相關說明，圖7所示校正電路560可以參照圖5至圖6所示校正電路560的相關說明，故不再贅述。圖7的電壓比較器700在初始化期間，先藉由導通一開關SW來連接第一輸入端CSP與第二輸入端CSN，此時僅有校正電路560運作以當輸出端OCP發生轉態事件時，記錄當下校正電路560中的開關的導通狀態以及電流源的電流設定狀態至校正參數。當初始化期間結束時，開關SW則不導通，使得第一輸入端CSP與第二輸入端CSN之間的直接連接可以被解除，此時閾電路350運作在一正常操作期間，而校正電路560依照先前記錄的校正參數去控制校正電路560中的開關的導通狀態以及電流源的電流設定狀態。

綜上所述，本發明諸實施例所述電流感測器包括電壓比較器以及電流感測電阻。電流感測電阻的第一端與第二端分別耦接至電流感測器的第一輸入端與第二輸入端。電流感測器的輸入端的電壓被送至輸入級電晶體的非控制端（非閘極）。電流感測器的偏壓產生電路所產生的兩偏壓相依於電流感測器兩輸入端的電壓之一，使得電流感測器的兩輸入級電晶體的源閘跨壓被控制在小擺幅。優點是此電流感測器可以用來偵測大電壓範圍，例如可應用在USB PD 3.0的領域中，用以偵測流經電源22V或更高的電源之電流路徑是否過電流，然不限於此。當電流IS由第一輸入端CSP流向第二輸入端CSN時，電流感測的第一輸入端CSP的電壓大於電流感測器的第二輸入端CSN的電壓，此時電晶體110的源閘電壓會大於電晶體120的源閘電壓，使得流經電晶體110的電流大於流經電晶體120的電流。此時電晶體110會導通而將電流感測器的輸出端OCP的電壓拉高。當電流IS由第二輸入端CSN流向第一輸入端CSP時，電流感測的第一輸入端CSP的電壓小於電流感測器的第二輸入端CSN的電壓，此時電晶體120的源閘電壓會大於電晶體110的源閘電壓，使得流經電晶體120的電流大於流經電晶體110的電流。此時電晶體120會導通，進而使得電流鏡140將電流感測器的輸出端OCP的電壓拉低。因此，所述電流感測器可以進行電流感測。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100:電壓比較器110:電晶體120:電晶體130:偏壓電壓產生電路131:電晶體132:電流源140:電流鏡141、142:電晶體300:電壓比較器350:閾電路351、352:開關353:電流源354:控制器500:電壓比較器560:校正電路561、562、SW:開關563:電流源564:控制器700:電壓比較器CSN:第二輸入端CSP:第一輸入端GND:接地電壓Ia、Ib、IS、It:電流OCP:輸出端Ra、Rb:電阻RS:電流感測電阻Va、Vb:偏壓電壓Vc、Vcb:控制信號Vs:電壓Vt、Vtb:控制信號

圖1是依照本發明的一實施例所繪示的一種電流感測器的電路方塊（circuit block）示意圖。 圖2是依照本發明的一實施例說明圖1所示偏壓電壓產生電路以及電流鏡的電路示意圖。 圖3是依照本發明的另一實施例所繪示的一種電流感測器的電路方塊示意圖。 圖4是依照本發明的一實施例說明圖3所示偏壓電壓產生電路、電流鏡以及閾電路的電路示意圖。 圖5是依照本發明的又一實施例所繪示的一種電流感測器的電路方塊示意圖。 圖6是依照本發明的一實施例說明圖5所示偏壓電壓產生電路、電流鏡以及校正電路的電路示意圖。 圖7是依照本發明的再一實施例所繪示的一種電流感測器的電路方塊示意圖。

100:電壓比較器

110:電晶體

120:電晶體

130:偏壓電壓產生電路

140:電流鏡

CSN:第二輸入端

CSP:第一輸入端

IS:電流

OCP:輸出端

RS:電流感測電阻

Va、Vb:偏壓電壓

Claims (13)

1. 一種電流感測器，包括： 一電流感測電阻，具有一第一端與一第二端分別耦接至該電流感測器的一第一輸入端與一第二輸入端； 一第一電晶體，具有一第一端、一第二端與一控制端，其中該第一電晶體的該第一端耦接至該電流感測器的該第一輸入端，該第一電晶體的該第二端耦接至該電流感測器的一輸出端； 一第二電晶體，具有一第一端、一第二端與一控制端，其中該第二電晶體的該第一端耦接至該電流感測器的該第二輸入端； 一偏壓電壓產生電路，耦接至該第一電晶體的該控制端以提供一第一偏壓電壓，以及耦接至該第二電晶體的該控制端以提供一第二偏壓電壓，其中該第一偏壓電壓與該第二偏壓電壓相依於該電流感測器的該第一輸入端的電壓或是該電流感測器的該第二輸入端的電壓；以及 一電流鏡，具有一第一電流端與一第二電流端，其中該電流鏡的該第一電流端耦接至該第二電晶體的該第二端，該電流鏡的該第二電流端耦接至該第一電晶體的該第二端。
2. 如申請專利範圍第1項所述的電流感測器，其中該第一偏壓電壓與該第二偏壓電壓相依於該第一輸入端的電壓與該第二輸入端的電壓二者之一。
3. 如申請專利範圍第2項所述的電流感測器，其中該第一偏壓電壓為該第一輸入端的電壓減去該第一電晶體的一閾電壓後的一差值，或者該第二偏壓電壓為該第二輸入端的電壓減去該第二電晶體的一閾電壓後的一差值。
4. 如申請專利範圍第1項所述的電流感測器，其中該電流鏡的該第一電流端為一主電流端，以及該電流鏡的該第二電流端為一僕電流端。
5. 如申請專利範圍第4項所述的電流感測器，其中該電流鏡包括： 一第三電晶體，具有一第一端、一第二端與一控制端，其中該第三電晶體的該第一端耦接至一接地電壓，該第三電晶體的該第二端耦接至該僕電流端；以及 一第四電晶體，具有一第一端、一第二端與一控制端，其中該第四電晶體的該第一端耦接至該接地電壓，該第四電晶體的該第二端耦接至該主電流端，該第四電晶體的該控制端耦接至該第四電晶體的該第二端與該第三電晶體的該控制端。
6. 如申請專利範圍第1項所述的電流感測器，其中該偏壓電壓產生電路包括： 一第三電晶體，具有一第一端、一第二端與一控制端，其中該第三電晶體的該第一端耦接至該電流感測器的該第一輸入端或是該電流感測器的該第二輸入端，以及該第三電晶體的該第二端耦接至該第三電晶體的該控制端； 一電流源，耦接至該第三電晶體的該第二端； 一第一電阻，具有一第一端與一第二端，其中該第一電阻的該第一端耦接至該第一電晶體的該控制端以提供該第一偏壓電壓，以及該第一電阻的該第二端耦接至該第三電晶體的該控制端；以及 一第二電阻，具有一第一端與一第二端，其中該第二電阻的該第一端耦接至該第二電晶體的該控制端以提供該第二偏壓電壓，以及該第二電阻的該第二端耦接至該第三電晶體的該控制端。
7. 如申請專利範圍第1項所述的電流感測器，更包括： 一閾電路，具有一第一端與一第二端，其中該閾電路的該第一端耦接至該第一電晶體的該控制端，以及該閾電路的該第二端耦接至該第二電晶體的該控制端。
8. 如申請專利範圍第7項所述的電流感測器，其中該閾電路包括： 一電流源； 一第一開關，具有一第一端、一第二端與一控制端，其中該第一開關的該控制端耦接至一第一控制信號，該第一開關的該第一端耦接至該電流源，以及該第一開關的該第二端耦接至該閾電路的該第一端； 一第二開關，具有一第一端、一第二端與一控制端，其中該第二開關的該控制端耦接至一第二控制信號，該第二開關的該第一端耦接至該電流源，以及該第二開關的該第二端耦接至該閾電路的該第二端；以及 一控制器，耦接至該第一開關的該控制端以提供該第一控制信號，以及耦接至該第二開關的該控制端以提供該第二控制信號。
9. 如申請專利範圍第8項所述的電流感測器，其中該第一開關與該第二開關沒有同時導通。
10. 如申請專利範圍第1項所述的電流感測器，更包括： 一校正電路，具有一第一端與一第二端，其中該校正電路的該第一端耦接至該第一電晶體的該控制端，以及該校正電路的該第二端耦接至該第二電晶體的該控制端。
11. 如申請專利範圍第10項所述的電流感測器，其中該校正電路包括： 一電流源； 一第一開關，具有一第一端、一第二端與一控制端，其中該第一開關的該控制端耦接至一第一控制信號，該第一開關的該第一端耦接至該電流源，以及該第一開關的該第二端耦接至該校正電路的該第一端； 一第二開關，具有一第一端、一第二端與一控制端，其中該第二開關的該控制端耦接至一第二控制信號，該第二開關的該第一端耦接至該電流源，以及該第二開關的該第二端耦接至該校正電路的該第二端；以及 一控制器，耦接至該電流源以設定該電流源的一電流，耦接至該第一開關的該控制端以提供該第一控制信號，耦接至該第二開關的該控制端以提供該第二控制信號，以及耦接至該電流感測器的該輸出端以檢查一轉態事件。
12. 如申請專利範圍第11項所述的電流感測器，其中 在一初始化期間，該控制器選擇性地導通該第一開關或該第二開關，以及選擇性地設定該電流源的該電流，以便於檢查該電流感測器的該輸出端是否發生該轉態事件； 當該電流感測器的該輸出端發生該轉態事件時，該控制器將在當下該第一開關的一導通狀態、該第二開關的一導通狀態以及該電流源的一電流設定狀態記錄至一校正參數；以及 在一正常操作期間，該控制器依照該校正參數控制該第一開關的該導通狀態、該第二開關的該導通狀態以及該電流源的該電流設定狀態。
13. 如申請專利範圍第11項所述的電流感測器，其中在一初始化期間，該電流感測器的該第一輸入端被直接連接至該電流感測器的該第二輸入端，使得該第一輸入端的電壓等於該第二輸入端的電壓。

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