TWI564573B - 高壓電流偵測器 - Google Patents

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TWI564573B TW103137298A TW103137298A TWI564573B TW I564573 B TWI564573 B TW I564573B TW 103137298 A TW103137298 A TW 103137298A TW 103137298 A TW103137298 A TW 103137298A TW I564573 B TWI564573 B TW I564573B
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王朝欽
盧文哲
王聖雄
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國立中山大學
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高壓電流偵測器
本發明是關於一種高壓電流偵測器，特別是關於一種適用於電池模組電流監控的高壓電流偵測器。
現今能源發展的趨勢中，以電動力驅動的電動車已逐漸地取代傳統石化燃料汽車，電動車根據其動力需求，須選擇使用具有高電壓大電流的電池模組作為能源，而為了電動車的行車安全，必須對電動車之電池模組所輸出電流進行監控，以使電池模組若輸出不正常的電流時，能迅速地啟動保護機制。
於習知技術中是使用IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)為基礎製成的電流偵測器對電池模組之輸出電流的進行偵測，但由於IGBT不容易與其他電路實現於同一晶片上，而使整體系統的佈局面積及製作成本的增加。此外，由於使用於電動車之電池模組的電流偵測器須面對大電壓及大電流的問題，因此，若將電流偵測器與其他控制元件統整至相同晶片上時，則易因電池模組與其他元件不共地的問題而危害整個晶片甚至整個系統的安全性。
本發明藉由將第一感測電阻設置於高壓側，以確實地偵測由電壓模組供應至負載的電流大小，且由於第二感測電阻的阻值為第一感測電阻的K倍，因此，第一感測電阻所感測的電流大小能以倍率降低並流至高壓感測級中，再透過高壓感測級中電流鏡的映射，將電流映射至設置於低壓側的輸出級，使得輸出級輸出之電壓大小與第一感測模組所感測之電流大小之間呈現線性之比例關係，因此，將輸出級之電壓經比例轉換後即可得到電壓模組供應至負載的電流大小。
本發明之一種高壓電流偵測器用以偵測一電池模組供應至一負載的一電流大小，該高壓電流偵測器包含一第一感測電阻、一第二感測電阻、一高壓感測級及一輸出級，該第一感測電阻與該電池模組及該負載串聯，且該電池模組提供的一第一感測電流流經該第一感測電阻，該第二感測電阻連接該電池模組，該第二感測電阻之阻值為該第一感測電阻之阻值的K倍，該電池模組提供的一第二感測電流流經該第二感測電阻，其中該第二感測電流的大小為該第一感測電流的K分之一倍，該高壓感測級連接該第一感測電阻及該第二感測電阻，該高壓感測級接收該第二感測電流並經由複數個電流鏡的映射而輸出一輸出電壓，該輸出級連接該高壓感測級並接收該輸出電壓，該輸出電壓經由該輸出級之一輸出電流鏡的映射而輸出一感測電壓，其中該感測電壓與該第一感測電流之間具有一比例關係。
本發明藉由該第一感測電阻及該第二感測電阻之間的阻值倍率差異，使得流入該高壓感測級的該第二感測電流大小為該第一感測電流大小的K分之一倍，可避免該高壓感測級中的電晶體過壓，並透過該高壓感測級之電流鏡映射至該輸出級，最後再由該輸出級之該輸出電流鏡將電流映射為該感測電壓，其中透過電晶體規格尺寸的設計而可使該感測電壓與該第一感測電流之間具有線性關係，因此可準確地透過該感測電壓求得該第一感測電流的大小。
請參閱第1圖，為本發明之一實施例，一種高壓電流偵測器100，該高壓電流偵測器100用以偵測一電池模組B供應至一負載L的一電流大小，該高壓電流偵測器100包含一第一感測電阻110、一第二感測電阻120、一高壓感測級130及一輸出級140，該第一感測電阻110及該第二感測電阻120連接該電池模組B以接收該電池模組B所提供的一電池電壓Vbattery，其中，該第一感測電阻110與該電池模組B及該負載L串聯，而該電池模組B提供的該電池電壓Vbattery於該第一感測電阻110形成一第一感測電流Isense1並於該第二感測電阻120形成一第二感測電流Isense2，該第一感測電流Isense1流經該第一感測電阻110至該負載L，其中該第一感測電流Isense1即為該電池模組B供應至該負載L的該電流，該第二感測電流Isense2流經該第二感測電流Isense2至該高壓感測級130。
請參閱第1及2圖，該高壓感測級130連接該第一感測電阻110及該第二感測電阻120，該高壓感測級130具有一第一節點N1、一第二節點N2、一第一P型高壓電晶體131、一第一高壓電流鏡對132、一第二高壓電流鏡對133、一第二P型高壓電晶體134及一第一N型電晶體135，該第二感測電阻120及該第一P型高壓電晶體131連接該第一節點N1，該第一高壓電流鏡對132連接該第一P型高壓電晶體131及一接地端，在本實施例中，該第一高壓電流鏡對132具有一第一N型高壓電晶體132a、一第二N型高壓電晶體132b及一第三N型高壓電晶體132c，該第一N型高壓電晶體132a連接該第一P型高壓電晶體131、該第二N型高壓電晶體132b及該第三N型高壓電晶體132c，且該第一N型高壓電晶體132a分別與該第二N型高壓電晶體132b及該第三N型高壓電晶體132c組成電流鏡，由於該第二N型高壓電晶體132b及該第三N型高壓電晶體132c的尺寸相同，因此，流經該第二N型高壓電晶體132b的電流大小與流經該第三N型高壓電晶體132c的電流大小相同。
請參閱第2圖，該高壓感測級130之該第二高壓電流鏡對133連接該第一節點N1、該第二節點N2及該第一高壓電流鏡對132，在本實施例中，該第二高壓電流鏡對133具有一第三P型高壓電晶體133a及一第四P型高壓電晶體133b，該第三P型高壓電晶體133a連接該第一節點N1，該第四P型高壓電晶體133b連接該第二節點N2。其中該第三P型高壓電晶體133a與該第二N型高壓電晶體132b串聯，該第四P型高壓電晶體133b與該第三N型高壓電晶體132c串聯，且由於流經該第二N型高壓電晶體132b的電流大小與流經該第三N型高壓電晶體132c的電流大小相同，因此，流經該第三P型高壓電晶體133a的電流大小與流經該第四P型高壓電晶體133b的電流大小相同。
請參閱第2圖，由於流經該第三P型高壓電晶體133a的電流大小與流經該第四P型高壓電晶體133b的電流大小相同，且該第三P型高壓電晶體133a及該第二N型高壓電晶體132b的尺寸相同，因此，該第一節點N1之電壓Va與該第二節點N2之電壓Vb相等，使該電池模組B之該電池電壓Vbattery亦約等於該第一節點N1之電壓Va與該第二節點N2之電壓Vb，該第一節點N1之電壓Va及該第二節點N2之電壓Vb可表示為： 其中Rsence1為該第一感測電阻110，Rsence2為該第二感測電阻120，由上式可得知：=，因此，當該第二感測電阻120之阻值為該第一感測電阻110之阻值的K倍時，該第二感測電流Isense2的大小為該第一感測電流Isense1的K分之一倍：，因此，若能求得該第二感測電流Isense2的大小即可得到該第一感測電流Isense1。
請參閱第2圖，該第二P型高壓電晶體134連接該第二節點N2、該第一P型高壓電晶體131及該第一N型電晶體135，由於該第一節點N1之電壓Va等於該第二節點N2之電壓Vb，且該第二P型高壓電晶體134之閘極端連接該第一P型高壓電晶體131之閘極端，因此，流經該第一P型高壓電晶體131之電流大小與流經該第二P型高壓電晶體134之電流大小之間具有一第一倍數關係為：並可改寫為： 為流經該第一P型高壓電晶體131之電流大小，為流經該第二P型高壓電晶體134之電流大小，為該第一P型高壓電晶體131的閘極寬度，為該第一P型高壓電晶體131的閘極長度，為該第二P型高壓電晶體134的閘極寬度，為該第二P型高壓電晶體134的閘極長度。
請參閱第2圖，該第二感測電流Isense2等於流經該第一P型高壓電晶體131之電流加上流經該第三P型高壓電晶體133a之電流： 為流經該第一P型高壓電晶體131之電流，為流經該第三P型高壓電晶體133a之電流，且該第一P型高壓電晶體131與該第一N型高壓電晶體132a為串聯，該第三P型高壓電晶體133a與該第二N型高壓電晶體132b為串聯，因此可推導得： 為流經該第一N型高壓電晶體132a之電流，為流經該第二N型高壓電晶體132b之電流，為該第一N型高壓電晶體132a的汲-源極跨壓，為該第二N型高壓電晶體132b的汲-源極跨壓，為該第三P型高壓電晶體133a的閘極長度，並由上式可推導得：代回，可得：接著將及代入上式可得：由此關係式可得知若能求得流經該第二P型高壓電晶體134之電流的大小即可得到該第一感測電流Isense1。
請參閱第2圖，該第一N型電晶體135與該第二P型高壓電晶體134為串聯，使流經該第一N型電晶體135的電流大小與流經該第二P型高壓電晶體134的電流大小相同，使該第一N型電晶體135由汲極輸出一輸出電壓Vc。
請參閱第2圖，該輸出級140連接該高壓感測級130之該第一N型電晶體135並接收該輸出電壓Vc，該輸出級140具有一輸出電流鏡141、一第二N型電晶體142及一第三N型電晶體143，該輸出電流鏡141具有一第一P型電晶體141a及一第二P型電晶體141b。該第二N型電晶體142連接該第一N型電晶體135及該第一P型電晶體141a，其中該第二N型電晶體142與該第一N型電晶體135構成一電流鏡，使流經該第一N型電晶體135的電流大小與流經該第二N型電晶體142的電流大小之間具有一第二倍數關係：並可改寫為： 為流經該第一N型電晶體135的電流大小，為流經該第二N型電晶體142的電流大小，為該第一N型電晶體135的閘極寬度，為該第一N型電晶體135的閘極長度，為該第二N型電晶體142的閘極寬度，為該第二N型電晶體142的閘極長度。
請參閱第2圖，該輸出電流鏡141的之該第一P型電晶體141a與該第二N型電晶體142為串聯，該第二P型電晶體141b與該第三N型電晶體143為串聯，使得流經該第一P型電晶體141a的電流大小與流經該第二N型電晶體142的電流大小相同，且流經該第二P型電晶體141b的電流大小與流經該第三N型電晶體143的電流大小相同，因此，藉由該輸出電流鏡141的映射，使流經該第二N型電晶體142的電流大小與流經該第三N型電晶體143的電流大小之間具有一第三倍數關係：並可改寫為： 為流經該第三N型電晶體143的電流大小，為該第一P型電晶體141a的閘極寬度，為該第一P型電晶體141a的閘極長度，為該第二P型電晶體141b的閘極寬度，為該第二P型電晶體141b的閘極長度。
接著再將該第三倍數關係代入該第二倍數關係，可得：由於經該第一N型電晶體135的電流大小與流經該第二P型高壓電晶體134的電流大小相同，因此可將上式代回該第一感測電流Isense1與流經該第二P型高壓電晶體134之電流的關係式中，可得：
請參閱第2圖，由該第三N型電晶體143的電流公式： 為該第三N型電晶體143的載子遷移率，為該第三N型電晶體143的閘極電容，為該第三N型電晶體143的閘極寬度，為該第三N型電晶體143的閘極長度，為該第三N型電晶體143輸出之一感測電壓，為該第三N型電晶體143的門檻電壓，若不考慮門檻電壓，上式可簡化為：最後再將上式代回該第一感測電流Isense1與流經該第三N型電晶體143之電流的關係式中，可得到該第一感測電流Isense1與該感測電壓Vsense之間的一比例關係： 由上式可得知：，，可藉由調整值可得到線性之該感測電壓Vsense與該第一感測電流Isense1的關係，因此，經由量測該感測電壓Vsense並經由該比例關係轉換後即可準確地求得該第一感測電流Isense1之大小。
請參閱第3及4圖，為本發明之實際量測圖，其中第3圖為量測該感測電壓Vsense轉換為該第一感測電流Isense1及理想值的比較圖，由圖中可看到實驗數據與理想值相當接近，且該感測電壓Vsense與該第一感測電流Isense1之間的線性關係，因此可透過量測該感測電壓Vsense以轉換求得該第一感測電流Isense1的大小，請參閱第4圖，為該第一感測電流Isense1在0.5A至1A的區間中，該感測電壓Vsense與理想值之間的誤差，其中最大誤差僅約±0.37%，可證明以本發明之該高壓電流偵測器100進行大電壓大電流的量測確實可得到準確之量測結果。
本發明藉由該第一感測電阻110及該第二感測電阻120之間的阻值倍率差異，使得流入該高壓感測級130的該第二感測電流Isense2大小為該第一感測電流Isense1大小的K分之一倍，可避免該高壓感測級130中的電晶體過壓，並透過該高壓感測級130之電流鏡映射至該輸出級140，最後再由該輸出級140之該輸出電流鏡141將電流映射為該感測電壓Vsense，其中透過電晶體規格尺寸的設計而可使該感測電壓Vsense與該第一感測電流Isense1之間具有線性關係，因此可準確地透過該感測電壓Vsense求得該第一感測電流Isense1的大小。
本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準，任何熟知此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內所作之任何變化與修改，均屬於本發明之保護範圍。
100‧‧‧高壓電流偵測器
110‧‧‧第一感測電阻
120‧‧‧第二感測電阻
130‧‧‧高壓感測級
131‧‧‧第一P型高壓電晶體
132‧‧‧第一高壓電流鏡對
132a‧‧‧第一N型高壓電晶體
132b‧‧‧第二N型高壓電晶體
132c‧‧‧第三N型高壓電晶體
133‧‧‧第二高壓電流鏡對
133a‧‧‧第三P型高壓電晶體
133b‧‧‧第四P型高壓電晶體
134‧‧‧第二P型高壓電晶體
135‧‧‧第一N型電晶體
140‧‧‧輸出級
141‧‧‧輸出電流鏡
141a‧‧‧第一P型電晶體
141b‧‧‧第二P型電晶體
142‧‧‧第二N型電晶體
143‧‧‧第三N型電晶體
Vbattery‧‧‧電池電壓
Isense1‧‧‧第一感測電流
Isense2‧‧‧第二感測電流
Va‧‧‧第一節點電壓
Vb‧‧‧第二節點電壓
Vc‧‧‧輸出電壓
Vsense‧‧‧感測電壓
VDD‧‧‧電源
B‧‧‧電池模組
L‧‧‧負載
N1‧‧‧第一節點
N2‧‧‧第二節點
第1圖：依據本發明之一實施例，一種高壓電流偵測器的電路方塊圖。 第2圖：依據本發明之一實施例，該高壓電流偵測器的電路圖。 第3圖：依據本發明之一實施例，該高壓電流偵測器之實測結果與理想值之比較圖。 第4圖：依據本發明之一實施例，該高壓電流偵測器之誤差值。
100‧‧‧高壓電流偵測器
110‧‧‧第一感測電阻
120‧‧‧第二感測電阻
130‧‧‧高壓感測級
140‧‧‧輸出級
Vbattery‧‧‧電池電壓
Isense1‧‧‧第一感測電流
Isense2‧‧‧第二感測電流
Va‧‧‧第一節點電壓
Vb‧‧‧第二節點電壓
Vc‧‧‧輸出電壓
Vsense‧‧‧感測電壓
B‧‧‧電池模組
L‧‧‧負載

Claims (10)

  1. 一種高壓電流偵測器，其用以偵測一電池模組供應至一負載的一電流大小，該高壓電流偵測器包含：一第一感測電阻，其與該電池模組及該負載串聯，且該電池模組提供的一第一感測電流流經該第一感測電阻；一第二感測電阻，連接該電池模組，該第二感測電阻之阻值為該第一感測電阻之阻值的K倍，該電池模組提供的一第二感測電流流經該第二感測電阻，其中該第二感測電流的大小為該第一感測電流的K分之一倍；一高壓感測級，具有一第一節點及一第二節點，該第一感測電阻之一端連接該第二感測電阻之一端，該第一感測電阻之另一端連接該第二節點，該第二感測電阻之另一端連接該第一節點，其中該高壓感測級由該第一節點接收該第二感測電流並經由複數個電流鏡的映射而輸出一輸出電壓；以及一輸出級，連接該高壓感測級並接收該輸出電壓，該輸出電壓經由該輸出級之一輸出電流鏡的映射而輸出一感測電壓，其中該感測電壓與該第一感測電流之間具有一比例關係。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之高壓電流偵測器，其中該高壓感測級具有一第一P型高壓電晶體、一第一高壓電流鏡對、一第二高壓電流鏡對、一第二P型高壓電晶體及一第一N型電晶體，該第二感測電阻及該第一P型高壓電晶體連接該第一節點，該第一高壓電流鏡對連接該第一P型高壓電晶體及一接地端，該第二高壓電流鏡對連接該第一節點、該第二節點及該第一高壓電流鏡對，使該第一節點之電壓與該第二節點之電壓相等，該第二P型高壓電晶體連接該第二節點、該第一P型高壓電晶體及該第一N型電晶體，且流經該第一P型高壓電晶體之 電流大小與流經該第二P型高壓電晶體之電流大小之間具有一第一倍數關係。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之高壓電流偵測器，其中流經該第一P型高壓電晶體之電流大小與流經該第二P型高壓電晶體之電流大小之間的該第一倍數關係為： 其中，IHP1為流經該第一P型高壓電晶體之電流大小，IHP2為流經該第二P型高壓電晶體之電流大小，WHP1為該第一P型高壓電晶體的閘極寬度，LHP1為該第一P型高壓電晶體的閘極長度，WHP2為該第二P型高壓電晶體的閘極寬度，LHP2為該第二P型高壓電晶體的閘極長度。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之高壓電流偵測器，其中該第一高壓電流鏡對具有一第一N型高壓電晶體、一第二N型高壓電晶體及一第三N型高壓電晶體，該第一N型高壓電晶體連接該第一P型高壓電晶體、該第二N型高壓電晶體及該第三N型高壓電晶體，且該第一N型高壓電晶體分別與該第二N型高壓電晶體及該第三N型高壓電晶體組成電流鏡，使流經該第二N型高壓電晶體的電流大小與流經該第三N型高壓電晶體的電流大小相同。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之高壓電流偵測器，其中該第二高壓電流鏡對具有一第三P型高壓電晶體及一第四P型高壓電晶體，該第三P型高壓電晶體連接該第一節點，該第四P型高壓電晶體連接該第二節點，其中該第三P型高壓電晶體與該第二N型高壓電晶體串聯，該第四P型高壓電晶體與該第三N型高壓電晶體串聯，使流經該第三P型高壓電晶體的電流大小與流經該第四P型高壓電晶體的電流大小相同。
  6. 如申請專利範圍第3項所述之高壓電流偵測器，其中該第一N型電晶體與該第二P型高壓電晶體為串聯，使流經該第一N型電晶體的電流大小與流經該第二P型高壓電晶體的電流大小相同。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之高壓電流偵測器，其中該第一N型電晶體與該第二P型高壓電晶體為串聯，使流經該第一N型電晶體的電流大小與流經該第二P型高壓電晶體的電流大小相同。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之高壓電流偵測器，其中該輸出級具有一第二N型電晶體及一第三N型電晶體，該輸出電流鏡具有一第一P型電晶體及一第二P型電晶體，該第二N型電晶體連接該第一N型電晶體及該第一P型電晶體，其中該第二N型電晶體與該第一N型電晶體構成一電流鏡，使流經該第一N型電晶體的電流大小與流經該第二N型電晶體的電流大小之間具有一第二倍數關係，且藉由該輸出電流鏡的映射，使流經該第二N型電晶體的電流大小與流經該第三N型電晶體的電流大小之間具有一第三倍數關係。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之高壓電流偵測器，其中流經該第一N型電晶體的電流大小與流經該第二N型電晶體的電流大小之間的該第二倍數關係為： 其中，IN1為流經該第一N型電晶體的電流大小，IN2為流經該第二N型電晶體的電流大小，WN1為該第一N型電晶體的閘極寬度，LN1為該第一N型電晶體的閘極長度，WN2為該第二N型電晶體的閘極寬度，LN2為該第二N型電晶體的閘極長度，流經該第二N型電晶體的電流大小與流經該第三N型電晶體的電流大小 之間的該第三倍數關係為： 其中，IN3為流經該第三N型電晶體的電流大小，WP1為該第一P型電晶體的閘極寬度，LP1為該第一P型電晶體的閘極長度，WP2為該第二P型電晶體的閘極寬度，LP2為該第二P型電晶體的閘極長度。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之高壓電流偵測器，其中該感測電壓與該第一感測電流之間的該比例關係為： 其中，Isense1為該第一感測電流，K為該第二感測電阻之阻值與該第一感測電阻之間的倍率，LHP1為該第一P型高壓電晶體的閘極長度，LHP3為該第三P型高壓電晶體的閘極長度，μn為該第三N型電晶體的載子遷移率，Cox為該第三N型電晶體的閘極電容，WN3為該第三N型電晶體的閘極寬度，LN3為該第三N型電晶體的閘極長度，Vsence為該感測電壓，WHP1為該第一P型高壓電晶體的閘極寬度，LHP1為該第一P型高壓電晶體的閘極長度，WHP2為該第二P型高壓電晶體的閘極寬度，LHP2為該第二P型高壓電晶體的閘極長度。
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Citations (5)

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