TW202028771A - 用於時序敏感電路之磁場脈衝電流感測技術 - Google Patents

Abstract

一種用於判定流過電流導體之電流脈衝的開始時間t_START 、結束時間t_END 、及／或尖峰時間t_MAX 的電流量測電路。該電流量測電路包含一拾波線圈及一臨界值交叉檢測器。該拾波線圈產生與該導體周圍的一磁場成比例的一電壓V_SENSE ´，該磁場與電流隨時間的變化成比例。該臨界值交叉檢測器比較V_SENSE ´和一臨界電壓，並且產生指示一轉變時間及V_SENSE ´的斜率為正值還是負值的一輸出信號。該電流量測電路亦可包含一積分器及一取樣保持電路。該積分器將V_SENSE ´對時間進行積分，並且產生一積分信號V_SENSE 。該取樣保持電路比較V_SENSE 和t_MAX ，並且產生可被用來量測該脈衝電流的一第二輸出信號。

Description

用於時序敏感電路之磁場脈衝電流感測技術

發明領域

本發明一般是關於基於磁場感測的電流量測電路，特別是關於用於判定一電流脈衝的開始時間和結束時間的一種電流量測電路。

發明背景

在脈衝電流產生器的許多應用中，輸出電流脈衝必須特定規格，例如精確的開始和結束時間、以及最大或最小電流值。舉例來說，在用於自動載具的飛行時間（ToF）光檢測及測距（光學雷達）系統中，脈衝電流產生器是充當雷射驅動器。發送雷射脈衝與檢測到其反射之間的時間延遲可被用來判定該雷射與環境中的物體之間的距離。由於光速是每奈秒（ns）30厘米（cm），因此當距離量測的解析度需求是要求很高時，短雷射脈衝是有益的。例如，對於厘米等級的解析度，雷射脈衝寬度通常約為數ns至數十ns，而附近物體的反射之時間延遲可能僅幾ns。

因此，為了準確地判定該雷射脈衝寬度以及發射該雷射脈衝與檢測到其反射之間的時間延遲，該ToF光學雷達系統必須要能夠在單一ns或更短的時間內精確地判定該雷射脈衝的開始及結束時間，常常精確到100皮秒（ps）或更小的時間之內。該ToF光學雷達系統的性能亦受雷射脈衝的振幅所影響，隨著脈衝振幅增加，會導致在行進增加的距離之後，其反射可被檢測到。然而，雷射脈衝的最大振幅必須符合眼睛安全法規，因而雷射驅動器必須據以限制電流脈衝的峰值振幅。因此，以滿足安全考量的最大振幅來發射雷射脈衝是有益的。

許多脈衝電流產生器包括一回饋系統，用於量測輸出電流脈衝並且做出適當的調整。此等回饋系統包括一電流量測電路、以及用於該脈衝電流產生器的一控制器。該電流量測電路產出與量測到的電流成比例的一信號，該信號典型地為電壓的形式。可從此信號來判定該等電流脈衝的開始時間和結束時間、以及該等電流脈衝的峰值振幅，該控制器這些來調整該電流脈衝產生器的參數。然而，在一些應用中，該等輸出電流脈衝可能約為數十到數百安培（A），這使得電流感測更為複雜。若需要極短的脈衝（例如，前面提到的ns脈衝），電流感測電路的寄生效應會不利於該驅動器的運作。

圖1例示說明具有一分路電阻器120的一習知電流量測電路100的示意。該脈衝產生器110輸出一電流脈衝I_PULSE ，透過該分路電阻器120而提供至該負載130。給定一分路電阻值R_SHUNT ，則可根據歐姆定律而產生一電壓V_SHUNT 。為了降低該分路電阻器對該脈衝產生器的影響，R_SHUNT 通常非常小，約為數毫歐姆（mΩ）。此導致V_SHUNT 的值較小，因此常常有一差動放大器140會連接至該分路電阻器120的端子，並且輸出與I_PULSE 成比例的一放大電壓V_SENSE 。在一些應用中，該等短的脈衝對該放大器140提出了嚴格的要求，例如高頻寬。

即使只有R_SHUNT 的mΩ值，非常大振幅的電流脈衝會導致該分路電阻器120以熱的形式耗散大量功率，這會損壞該電路上的其他組件或不必要地使該系統的電源或電池過度疲勞而損傷。再者，當其變熱時，該分路電阻器120會發生熱漂移而改變其電阻與V_SENSE ，使得計算大量的補償是必須的以準確地判定該電流脈衝的開始和結束時間與峰值振幅。該分路電阻器120直接量測I_PULSE ，這表示其係放置於主要驅動器信號鏈之中並且不利地使該主要驅動器電路的電感增加。

一些電流量測電路會藉由透過產生的磁感應或磁通密度來間接量測該電流脈衝，進而避免與分路電流相關的功率損失及電感增加。由電流通過一導體所誘導的該磁通密度可藉由霍爾效應感測器、磁通閘感測器、磁敏電阻器或巨磁敏電阻器、等等來進行量測。圖2A~B例示說明一霍爾感測器220相對於承載該電流脈衝I_PULSE 的一電流導體210之配置，以及具有該霍爾感測器220的一習知電流量測電路200之示意圖。於圖2A之中，該霍爾感測器220係放置於該電流導體210附近，使得該導體210周圍由I_PULSE 引起的磁通量的改變會被該霍爾感測器220檢測到。

於圖2B之中，該霍爾感測器220輸出一電壓至一高增益放大器240。該高增益放大器將來自該霍爾感測器220的小輸出電壓放大成較大的電壓V_SENSE ，此電壓與源自I_PULSE 在導體210周圍的磁通密度成比例。然而，霍爾感測器220以及基於磁通密度的其他電流感測方法係取決於經受熱漂移或表現出非線性行為的半導體材料。熱漂移和非線性行為皆需要主動電路系統，來重新校準和補償裝置特性的改變以及分析該等非線性響應。再者，霍爾感測器所需要的大多數主動電路系統具有嚴格的要求，尤其是對於短脈衝應用的高頻寬，類似於對於圖1中所示之差動放大器140的嚴格要求。

一些電流量測電路試圖藉由替代地量測磁通（亦即，磁場）的變化率，來避開與透過磁感應來量測該電流脈衝相關的一些主動電路系統的要求。該磁場可以藉由例如比流器或羅哥斯基線圈來量測。比流器包括一磁芯，該二次繞組係置於該磁芯周圍。該磁芯會在高電流下飽和並且增加該系統的電感，以至於其他組件的運作會被影響。一些高導磁係數的磁芯具有較高的飽和磁通密度，但高頻響應較差。

羅哥斯基線圈不包括磁芯，而因此不受飽和影響並且可具有較大頻寬，但在其他情況下，羅哥斯基線圈可被視為是具有較小磁化電感以及繞組端子上的近似開路負載的一比流器。圖3例示說明使用羅哥斯基線圈320的一習知電流量測電路300的示意圖。該羅哥斯基線圈320係置於承載該電流脈衝I_PULSE 的導體310周圍並且包含一螺旋形線圈，該螺旋形線圈具有引線330從該線圈的一端穿過該線圈的中心至另一引線340。該等引線330和340係連接至一積分器350，其將該羅哥斯基線圈320之輸出對時間進行積分而得到與I_PULSE 成比例的該電壓V_SENSE 。

羅哥斯基線圈與比流器皆圍繞著承載I_PULSE 的該導體，以減少例如來自地球的其他磁場之影響。然而，圍繞該導體的需求使得包括羅哥斯基線圈或比流器的半導體晶粒的建構變得困難。尤其是，比流器會佔據半導體晶粒的大量面積，這在光學雷達系統中是不利條件，舉例來說，在光學雷達系統中，雷射二極體和其等之驅動器係緊密放置在一起並且準確地對齊以簡化光學組件（例如鏡片）的對準。同樣地，將一羅哥斯基線圈整合至一印刷電路板中會對該電路板的多個層產生影響並且需要大量的穿孔。

發明概要

藉由提供一種包含不需圍繞電流導體的拾波線圈之電流量測電路，本發明解決了上文所討論之功率耗散、主要驅動器電路中的電感增加、主動電路系統、大面積及複雜建構的缺點。更具體地，如本文所述，本發明包含一拾波線圈以及至少一個臨界值交叉檢測器。該拾波線圈產生與該電流導體周圍的一磁場成比例的一電壓，該磁場與流經該電流導體之電流隨時間的變化成比例。該臨界值交叉檢測器將與該磁場成比例的該電壓和至少一個臨界電壓進行比較，並且根據所選擇的臨界電壓而基於該比較來產生一輸出信號，該輸出信號指示該電流脈衝的一轉變時間（例如，開始時間、結束時間、和峰值振幅時間）以及與該磁場成比例的該電壓對時間之斜率為正值還是負值。

於進一步的實施例中，該電流量測電路亦包括一積分器及一取樣保持電路。該積分器將與該磁場成比例的該電壓對時間進行積分，並且基於積分的電壓而產生一積分信號，所得出之信號與要被量測之電流成比例。該取樣保持電路係由指示該峰值振幅時間的一信號所觸發。

於進一步的實施例中，該拾波線圈是被配置為佈置在該電流導體附近的單一圈，該電流導體可整體整合至單一個半導體晶片上。於進一步的實施例中，該拾波線圈可具有一或多匝，其等係配置以增加要被量測之該電流流經整個線圈而產生的總磁通量，同時減少來自其他來源的總通量。於其他實施例中，該拾波線圈的一部分係與該至少一個臨界值交叉檢測器整合至一半導體晶片上，且該拾波線圈的一部分係由晶粒端子及一外部導體所形成。該外部導體可形成一安裝基板的一部分，該安裝基板例如是包括該電流導體的印刷電路板。

現將參照所附圖式來更具體地描述上述特徵及本文中所述之其他較佳特徵，包括各種新穎的實施細節與元件組合，並且於申請專利範圍之請求項中指出此等特徵。應當理解的是，特定的方法及設備僅是以例示說明之方式來顯示，而並非作為申請專利範圍之請求項的限制。如同熟此技藝者將可理解的，在沒有偏離申請專利範圍之請求項的範圍的情況下，本文中教示的原理及特徵可被採用於各種數個實施例中。

於下面的詳細描述中，係參考至某些實施例。此等實施例係以足夠的詳細內容來描述，以使得熟此技藝者能夠實施此等實施例。將可理解的是，可採用其他實施例並且可進行各種結構、邏輯和電氣上的改變。在下文詳細敘述中所揭露的特徵之組合對於以最廣義來實施教示可能不是必需的，而是僅被教示來敘述本教示內容的特別代表性的範例。

圖4A顯示來自例如圖1~3中所示該等電路的習知電流量測電路之電壓輸出的曲線，圖4B顯示該來自該習知電流量測電路的電壓輸出之導數的曲線。曲線400顯示來自一習知電流量測電路之關於時間的輸出電壓V_SENSE ，其中V_SENSE 實質上與被感測的電流脈衝I_PULSE 成比例。為了判定該電流脈衝I_PULSE 的開始時間t_START 和結束時間t_END ，一些系統將V_SENSE 對一預定臨界值V_REF 進行比較，並且因應於V_SENSE 增加至V_REF 以上而判定該開始時間t_START *以及因應於V_SENSE 減少至V_REF 以下而判定該結束時間t_END *。如曲線400中所例示說明的，該半正弦曲線V_SENSE 具有比方形波更緩的斜率，並且直到t_START 之後或t_END 之前的時段前不會變化至V_REF 以上或以下。

因此，不準確的t_START *和t_END *會將誤差引入至使用其等之計算之中，例如基於發送雷射脈衝和從環境檢測到該雷射脈衝的反射之間的時間延遲之距離計算。再者，t_START *和t_END *的準確度是取決於I_PULSE 的斜率和峰值振幅，然後還需要額外的計算來補償I_PULSE 的峰值振幅的變化。儘管當V_SENSE 是矩形脈衝時，用於判定t_START 和t_END 此方法可能是可接受地準確，但是當V_SENSE 為例如半正弦曲線的非矩形脈衝時，此方法會無法滿足所需之一個ns或更小的準確度。

為了更準確且一致地判定I_PULSE 的t_START 或t_END ，一些系統計算V_SENSE 關於時間的導數V_SENSE ´（示於曲線450中），其由於V_SENSE 的斜率變化而經歷在t_START 時從零開始的急遽增加以及在t_END 時急遽增加至零。該等系統接著將該導數V_SENSE ´與不同的預定臨界值V_REF2 進行比較。在I_PULSE 的t_START 或t_END 時V_SENSE ´的值的顯著變化會降低所判定之開始時間t_START *和結束時間t_END *的誤差，並且消除了對I_PULSE 的峰值振幅和V_REF2 的選定值之依賴性。一些系統設定V_REF2 為零，其允許這些系統亦可判定I_PULSE 達到其峰值振幅的時間t_MAX 。然而，該導數V_SENSE ´的計算會使得相對V_SENSE 的雜訊突出且通常需要濾波以降低雜訊。所引入的雜訊及額外的濾波步驟進一步使得該系統複雜化，並且降低了系統的性能與準確度。判定臨界值何時被跨越以及跨越的斜率的正負號之程序係已知為各種專門名詞，例如邊緣偵測、零交叉偵測、以及臨界值交叉偵測。此程序通常是以比較器和數位邏輯的組合來完成。此類電路及方法是熟此技藝者通常能認識的。

圖5顯示根據本發明的實施例的一電流量測電路500。一拾波線圈520係放置於承載電流脈衝I_PULSE 的導體510附近，以致於該拾波線圈520會檢測到I_PULSE 所感生的時變磁場。該等引線524和528係負載了遠大於感興趣的頻帶內的線圈阻抗之阻抗，導致在該等引線524和528處的電壓會與磁場強度的導數成比例，而該磁場強度其本身係與I_PULSE 成比例。在該等引線524和528處的該電壓可被一運算放大器530放大或著直接輸出為圖4B中的曲線450所例示的該導數V_SENSE ´，其係與I_PULSE 的導數成比例：

其中，K為一常數，其取決於拾波線圈520的特性，例如圈的面積、匝的數量、或者該等匝相對於承載I_PULSE 的該導體510之位置。

來自該等引線524和528抑或來自該運算放大器530之輸出的V_SENSE ´被提供至一臨界值交叉檢測器540，其亦接收該參考電壓V_REF2 並產生一輸出信號550。藉由適當地設定V_REF2 ，輸出信號550可表示t_START 、t_END 或t_MAX ，而無需使用電路或方法來計算導數及所得出的雜訊放大。該電流量測電路500亦避免了與用來取樣V_SENSE 以便數位計算t_START 和t_END 的一高速類比數位轉換器相關的面積、功率消耗及組件成本。

於本發明的一些實施例中，一積分器560可被使用來對V_SENSE ´進行積分，以得到V_SENSE 用於其他計算：

於此範例中，V_SENSE 被提供至一取樣器或取樣保持電路570，其亦接收t_MAX （從輸出550）並產生可被使用來量測該脈衝電流的一輸出信號580。

該拾波線圈520不包括磁芯，並可以是一羅哥斯基線圈。對於非常大振幅的I_PULSE ，所產生的磁場也非常大，且較少匝及較小圈面積，甚至是鄰近該導體510的單一圈，也足以檢測該磁場。非常大的I_PULSE 的磁場遠大於除了I_PULSE 以外的電流的磁場或周圍磁場，以致於尤其他磁場所引起的誤差可被忽略且該拾波線圈520也不需要圍繞該導體510。該拾波線圈的該匝或該等匝可被配置用來使得由該導體510中透過該線圈的整體來量測的電流所導致的總磁通量達到最大，同時最小化來自其他來源的總通量。由於該拾波線圈520不包括磁芯，該拾波線圈520不會在高電流下飽和，或者經歷基於磁芯的電容率的頻寬限制。該拾波線圈520亦避免了與半導體組件（例如，霍爾感測器及分路電阻器）相關的熱漂移。

由於該拾波線圈520相較於羅哥斯基線圈可具有較小的圈面積及較少匝且不需要圍繞該導體510，因此其可整體整合至一半導體晶粒上。同樣地，該拾波線圈520可被放置於靠近負載或母線電容器的重要位置。此外，該電流量測電路500與該主要驅動器信號鏈絕緣並且對該主要驅動器電路增加了可忽略的阻抗，以致於該電流量測電路500實質上不會影響該主要驅動器電路的運作。該電流量測電路500與該主要驅動器電路之間的絕緣，使得該電流量測電路500甚至在具有零伏特最小供應電壓的電路中也能夠感測正電流和負電流。

圖6例示說明根據本發明的實施例之類似於電流量測電路500的一電流量測電路的一部分600。該積體電路晶粒640以例如端子650之類的端子而連接至例如安裝基板的其他基板。該積體電路晶粒640包括該電流量測電路的其餘部分，例如該積分器、該臨界值交叉檢測器、以及該取樣保持電路。該部分600包括由晶粒端子624和628和一外部導體626所形成的該拾波線圈620的一部分，該外部導體626會形成安裝基板的一部分。包括該導體626的該安裝基板亦可包括承載該電流脈衝I_PULSE 的導體610。該拾波線圈620的該等端子可位於該積體電路晶粒640之中，並且可連接至該電流量測電路的其餘部分。

上文敘述及圖式僅被認為是實現本文中所敘述的特徵和優點的特定實施例的例示說明。可以對特定的程序條件進行修改和替換。因此，本發明的實施例不被視為是由前述敘述和圖式所限制。

100:電流量測電路 110:脈衝產生器 120:分路電阻器 130:負載 140:差動放大器 200:電流量測電路 210:電流導體 220:霍爾感測器 230:電壓調整器 240:高增益放大器 300:電流量測電路 310:導體 320:羅哥斯基線圈 330:引線 340:引線 350:積分器 400:曲線 450:曲線 500:電流量測電路 510:導體 520:拾波線圈 524:引線 528:引線 530:運算放大器 540:臨界值交叉檢測器 550:輸出信號 560:積分器 570:取樣保持電路 580:輸出信號 600:部分 610:導體 624:晶粒端子 626:外部導體 628:晶粒端子 640:積體電路晶粒 650:端子

當結合圖式時，根據以下闡述的詳細描述，本揭露內容的特徵、目的和優點將變得更加明顯，在圖式中，相同的參照符號在全文中相應地一致，其中：

圖1例示說明具有一分路電阻器的一習知電流量測電路的示意圖。

圖2A~2B例示說明一霍爾感測器相對於一電流導體之配置，以及具有霍爾感測器的一習知電流量測電路的示意圖。

圖3例示說明具有羅哥斯基線圈的一習知電流量測電路的示意圖。

圖4A~4B顯示來自例如圖1~3中所示該等電路的習知電流量測電路之由相同近似形狀的電流脈衝所產生之電壓輸出的曲線，以及上述電壓輸出之導數的曲線。

圖5例示說明根據本發明的實施例的一電流量測電路。

圖6例示說明根據本發明的實施例的一電流量測電路，其部分地與晶粒端子和外部導體所形成之拾波線圈的其餘部分整合在一起，該外部導體形成安裝基板的一部分。

500:電流量測電路

510:導體

520:拾波線圈

524:引線

528:引線

530:運算放大器

540:臨界值交叉檢測器

550:輸出信號

560:積分器

570:取樣保持電路

580:輸出信號

Claims (16)

1. 一種用於量測流經一電流導體的電流脈衝之特性的電流量測電路，其包含： 一拾波線圈，用於產生與該電流導體周圍的一磁場成比例的一電壓V_SENSE ´，其中該磁場與通過該電流導體之電流隨時間的變化成比例；以及 至少一個臨界值交叉檢測器，用於將V_SENSE ´與至少一個臨界電壓進行比較並且基於該比較來產生一輸出信號，其中該輸出信號係指示該電流脈衝的一轉變時間以及V_SENSE ´的斜率為正值還是負值。
2. 如請求項1所述的電流量測電路，其中該至少一個臨界電壓為接地。
3. 如請求項2所述的電流量測電路，其中，當該輸出信號指示該電流脈衝的一第一轉變時間且V_SENSE ´的該斜率在一第一情況中從正值變為負值或者在一第二情況中從負值變為正值時，該輸出信號係指示該電流脈衝的一開始時間。
4. 如請求項3所述的電流量測電路，其中，當該輸出信號指示該電流脈衝於該第一轉變時間之後的一第二轉變時間且V_SENSE ´的該斜率維持正值或維持負值時，該輸出信號係指示該電流脈衝的一峰值振幅時間。
5. 如請求項3所述的電流量測電路，其中，當該輸出信號指示該電流脈衝於該第一轉變時間之後的一第三轉變時間且V_SENSE ´的該斜率在該第一情況中從負值變為正值或者在該第二情況中從正值變為負值時，該輸出信號係指示該電流脈衝的一結束時間。
6. 如請求項1所述的電流量測電路，更包含用於放大V_SENSE ´並且連接至該拾波線圈及該至少一個臨界值交叉檢測器的一放大器，其中該至少一個臨界值交叉檢測器對經放大的V_SENSE ´進行比較。
7. 如請求項1所述的電流量測電路，更包含： 一積分器，用於將V_SENSE ´對時間進行積分，並且基於積分後的電壓來產生一積分信號V_SENSE ；以及 一取樣保持電路，用於將V_SENSE 與該電流脈衝的峰值振幅時間進行比較，並且產生可被用來量測該脈衝電流的一第二輸出信號。
8. 如請求項1所述的電流量測電路，其中該拾波線圈包含被配置來佈置在該電流導體附近的單一圈。
9. 如請求項1所述的電流量測電路，其中該拾波線圈被配置為不圍繞該電流導體。
10. 如請求項1所述的電流量測電路，其中該拾波線圈包含一羅哥斯基類型線圈。
11. 如請求項1所述的電流量測電路，其中該拾波線圈包含一或多個匝，且其中該一或多個匝被佈置來增加來自該電流脈衝的總磁通量並且減少來自其他來源的總磁通量。
12. 如請求項1所述的電流量測電路，其中該電流量測電路係整合至單一個半導體晶片上。
13. 如請求項12所述的電流量測電路，其中該單一個半導體晶片更包含該電流導體。
14. 如請求項1所述的電流量測電路，其中該至少一個臨界值交叉檢測器以及該拾波線圈的一第一部分係整合至一半導體晶片上，且其中該拾波線圈的一第二部分係由至少兩個晶粒端子和一外部導體所形成。
15. 如請求項14所述的電流量測電路，其中該外部導體形成一安裝基板的一部分。
16. 如請求項15所述的電流量測電路，其中該安裝基板更包含該電流導體的一部分。

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