專利名稱：確定負載電流的電路和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種確定負載電流的電路和方法。特別是，本發(fā)明 涉及但不只限于這樣的電路其包含可操作地連接到負載上的主晶體 管和感測晶體管以使由負載電流決定的電壓能被確定。
背景技術：
在許多應用中，比如汽車用電路(如發(fā)動機、螺線管和燈驅(qū)動 器)通常需要能夠確定負載中流過的電流的電路。比如，可能需要這 樣的電路去檢測可能損壞電子元件的電流電平，比如能夠造成過熱的 電流電平。電流電平一旦被確定，就能夠被相應地控制。
確定負載電流的一種方法是使用電流感測功率金屬氧化物半導
體場效應管(M0SFET)。電流感測功率M0SFET通常包含幾千個并聯(lián) 并共用相同的漏極、源極和柵極的晶體管單元。在裝置中的每個晶體 管單元或者元件是相同的并且應用到裝置漏極端子上的電流在它們 之間平等均分。在這樣的設計中，通常幾個晶體管的源極與其余的源 極分隔開并被連接到一個單獨的源極端子上。因此，所得的電流感測 M0SFET能夠被認為等同于兩個并聯(lián)的晶體管，它們具有共同的柵極 和漏極端子，以及不同的源極端子。這些晶體管中的第一個通常稱為 主FET，包含電流感測功率M0SFET中的大部分晶體管單元。第二個 稱為感測FET，包含幾個具有單獨的源極端子的晶體管單元。
在使用中，感測FET只傳導應用到共同的漏極端子上的電流的 一小部分，該部分與感測比n成反比，該感測比是由主FET中晶體管 單元數(shù)量與感測FET中晶體管單元數(shù)量之比所決定的電流比。上述的 感測比是針對感測FET和主FET的源極端子保持在相同電勢下的情形 而定義的。主FET的源極端子的Kelvin接點(Kelvin contact)通 常被用來使主FET的源極電勢的確定準確。當感測比已知時，流過裝
置的總電流、裝置所連接負載的負載電流能夠根據(jù)漏極和源極之間的
感測FET的源極電流(即在感測FET的主電流通路中流過的電流)的 測量值中計算得到。
有兩種優(yōu)選的方法，用于提供與感測FET源極電流成比例的輸 出電壓。第一種方法是感測電阻方法，其中感測電阻被連接在感測 FET的源極電流通路中并且測量感測電阻的電壓以確定感測FET的電 流。但是，這個方法有缺點。比如，在這個裝置中包含感測電阻會導 致感測FET源極電壓與主FET (Kelvin)源極電壓不同。這會影響電 流感測功率M0SFET電路的可見的感測比n，并且也造成電路對溫度 的依賴性。這些影響也會受到感測電阻的尺寸的影響，為了最小化測 量中的誤差，因此尺寸在這樣的實現(xiàn)中是有限制的。用于確定感測電 阻電壓的放大器通常要求是真正的差動放大器，并且通常要求使用 M0SFET Kelvin源極連接以獲得對主FET的源極電勢準確的指示讀 數(shù)。
虛接地方法是第二種方法，其提供與感測FET源極電流成比例 的輸出電壓。運算放大器布置在虛接地配置中，具有連接到主FET 的M0SFET Kelvin源極端子的正相輸入(源極端子也被連接到接地端) 和連接到感測FET的源極端子的反相輸入。感測電阻提供來自運算放 大器的輸出的負反饋。該虛接地布置確保感測FET的源極端子與主 FET的源極端子保持相同的電勢。因此，電流感測功率MOSFET的感 測比n不受感測電阻的影響，并且能夠獲得與溫度無關并且與負載電 流線性成比例的感測電阻電流的測量值。
但是，虛接地方法有缺點。比如，為了使感測FET的源極端子 與通常是接地端電勢的主FET的源極端子保持在相同的電勢上，要求 相對于感測FET的源極電勢是負值的電壓為運算放大器供電。通常也 要求使用MOSFET Kelvin源極連接以獲得對主FET源極電勢的準確測 量，并且需要額外的真正的差動放大器以提供地參考輸出電壓。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是至少解決一些上述的問題中。根據(jù)本發(fā)明，提
供了一種用于確定負載電流的電路，其包含第一和第二晶體管，每個 晶體管具有主電流通路和控制端子，主電流通路的每一個可操作地并 聯(lián)在負載和公共參考點之間，其中控制端子連接在一起，以及提供用 于把第二晶體管的主電流通路的電壓設置為對應于第一晶體管的主 電流通路的電壓的預定部分的電壓電平的方法。
將第二晶體管(如電流感測功率M0SFET的感測FET)的電壓設 置為不是等于第一晶體管(如電流感測功率M0SFET的主FET)的電 壓而是其預定的一部分的值，這相對于己知的設計是有優(yōu)勢的。如， 電路被配置成沒有負電源時能夠運行，在考慮到把由復雜性和所需元 件的數(shù)量引起的電路成本最小化時，這樣有明顯的好處。
電路還可以包含同第二晶體管的主電流通路串聯(lián)的感測電阻。
電路還可以包含控制電路，用于設置第二晶體管的主電流通路 的電壓，控制電路由相對于公共參考點是正值的單獨電源電壓供電。
控制電路可以包含控制晶體管，其具有串聯(lián)在第二晶體管的主 電流通路和公共參考點之間的主電流通路?？刂齐娐房梢园糜谔?供信號以控制該控制晶體管的裝置，信號由第二晶體管的主電流通路 的電壓和所述的電壓電平之差決定。
信號提供裝置可以包含差動放大器。差動放大器可以包含運算 放大器裝置。
差動放大器還可以包含連接到串聯(lián)在第二晶體管和控制晶體管 之間的一個結(jié)點上的第一輸入端子和連接到分壓器裝置上的第二輸 入端子。
分壓器裝置可以包含串聯(lián)的第一電阻和第二電阻，分壓器裝置 并聯(lián)到第一晶體管的主電流通路上?？梢赃x擇第一和第二電阻的阻值 以設置電路要求的有效的電流感測比，而不用改變主FET和感測FET 中的晶體管單元的實際比。這能使主晶體管的主電流通路中的電流與 感測晶體管的主電流通路中的電流的感測比為特殊的應用而優(yōu)化。第 一和第二電阻中的一個或者兩個可以具有可調(diào)節(jié)的阻值。因此，在這
種情況下，有效的感測比并不需要被預定，但是能夠比如在電路使用 期間或者在電路使用前的校準期間動態(tài)地設置。
第二電阻的一個端子可以使用Kelvin接點連接到第一晶體管的 源極端子上。
感測電阻能夠串聯(lián)在控制晶體管的主電流通路和公共參考點之 間，并且電路可以包含用于確定感測電阻電壓的裝置?？刂凭w管能 夠有效地把感測電阻和與之相關的缺陷同感測FET源極分開。因此， 能夠使用比其它的可能更大的感測電阻來提供只需稍微放大或者不 用放大的輸出電壓，并且具有比感測電阻方法更好的信噪比。
第一和第二晶體管可以包含結(jié)合在一個半導體包中的金屬氧化
物半導體場效應管。第二晶體管的主電流通路可以具有比第一晶體管 的主電流通路更高的阻值。第一晶體管可以包含多個并聯(lián)的晶體管， 第二晶體管可以包含一個或者多個并聯(lián)的晶體管。
根據(jù)本發(fā)明，還提供了一種用于確定負載電流的方法，其中負
載可操作地串聯(lián)到第一和第二晶體管的并聯(lián)裝置上，第一和第二晶體 管均具有主電流通路和控制端子，上述的方法包含把第二晶體管的主
電流通路的電壓設置為與第一晶體管的主電流通路的電壓的預定部 分相對應的電壓電平。


為了幫助理解本發(fā)明，現(xiàn)在將參照附圖完全以示例的方式說明
其實施例，其中
圖1是示出本發(fā)明用于確定負載電流的電路的示意圖。
具體實施例方式
參照圖1，電路1包含第一和第二晶體管2、 3，每個晶體管具 有并聯(lián)在負載電阻6和公共參考點或者接地端7之間的各自的主電流 通路4、 5。負載電阻6依次連接到電源端8上。盡管可以使用其它 晶體管或者等效的元件，在本示例中，第一晶體管2是電流感測功率 M0SFET的主金屬氧化物半導體場效應管(M0SFET)，第二晶體管3 是電流感測功率M0SFET的感測M0SFET。主晶體管控制端子或者柵極 9連接到感測晶體管3的柵極10上。柵極9、 IO連接到柵極驅(qū)動電
路11上。
提供了控制電路12，其包含控制晶體管13，在本示例中，M0SFET 具有主電流通路14和控制端子15?？刂凭w管13的主電流通路14 串聯(lián)在感測晶體管3的主電流通路5和接地端7之間?？刂齐娐?2 也包含差動放大器16，在這個示例中是運算放大器，其具有連接到 感測晶體管3和控制晶體管13的主電流通路5、 14之間的結(jié)點18 上的正相輸入端17和連接到分壓器網(wǎng)絡或者裝置21的結(jié)點20上的 反相輸入端19。分壓器裝置21由具有阻值Rl的第一電阻22、結(jié)點 20和具有阻值R2的第二電阻23串聯(lián)形成。分壓器裝置21與主晶體 管2的主電流通路4并聯(lián)。特別是，在本示例中分壓器裝置21的第 二電阻23使用Kelvin接點連接25連接到主晶體管2的源極端子24 上。運算放大器16的輸出26連接到控制晶體管13的柵極15上，正 電源端子27連接到電源軌8上，負電源端子28連接到接地端7上。
具有阻值Rs的感測電阻29，串聯(lián)在控制晶體管13的主電流通 路14和接地端7之間。感測電阻29上的電壓30提供電路1的輸出 V。ut，在本示例中，其是參照地電勢的。輸出電路31用于對輸出電壓 V。ut進行信號處理，以確定負載6中的電流1^d的指示讀數(shù)。
在使用中，柵極驅(qū)動電路11給主晶體管2和感測晶體管3的柵 極9、 IO提供信號，以導通晶體管2、 3。因此，電流流過主晶體管2 和感測晶體管3的各自主電流通路4、 5，也流過分壓器裝置21。運 算放大器16把控制信號提供給控制晶體管13的柵極15?？刂菩盘?由感測晶體管3和控制晶體管13的主電流通路5、 14間的結(jié)點18 的電壓電平和分壓器裝置21中的結(jié)點20的電壓電平之差決定。因此， 控制信號用來設置感測晶體管3和控制晶體管13之間的結(jié)點18處的 電壓電平，也是感測晶體管3的源極端子32處的電壓電平，使其完 全等于分壓器裝置21中的結(jié)點20的電壓電平。
分壓器裝置21用于把主晶體管2的主電流通路4的電壓分成由 作為總分壓器電阻Rl+R2的一部分的Rl所定義的第一電壓部分和由 作為總分壓器電阻Rl+R2的一部分的R2所定義的第二電壓部分。因 此，分壓器網(wǎng)絡21的結(jié)點20處的電壓對應于主晶體管2的主電流通
路的電壓的預定部分R2/ (Rl+R2)。因此，設置感測晶體管源極端 子32為結(jié)點20處的電壓就設置了感測晶體管3的主電流通路5的電 壓使其對應于主晶體管2的主電流通路4的電壓的Rl/ (Rl+R2)部 分。這確保感測晶體管源極電流與主晶體管源極電流成比例。
控制晶體管13有效地使感測電阻29與感測晶體管3的源極端 子32分開。感測電阻29中的電流等于感測晶體管3的主電流通路5 中的電流或者其源極電流，如上所述，該電流是主晶體管2中的電流 的預定部分。這個預定部分由電流感測M0SFET的感測比n和分壓器 裝置21中的第一和第二電阻22、 23的阻值Rl和R2的比來定義。知 道感測電阻29的阻值Rs和感測電阻29的電壓30，就能夠確定感測 電阻29中的電流。因此，根據(jù)感測電阻29的電壓30，輸出電路31 能夠確定負載電阻6中的電流IlDad。
在本示例中，主晶體管2的主電流通路4中的電流能夠通過下 面的方程式來計算<formula>formula see original document page 10</formula>
其中/^。是主晶體管2的源極電流，厶_是感測晶體管3的源 極電流，n是包含主晶體管2和感測晶體管3的電流感測功率MOSFET 的感測比，也是已知的幾何單元比。因此，在Z吣n和厶^之間的比 率能夠通過設置分壓器網(wǎng)絡21中的第一和第二電阻22、 23的阻值 Rl和R2的比來調(diào)節(jié)。第一和第二電阻22、 23的一個或者兩個可以 是可調(diào)節(jié)的電阻或者是具有能夠改變的阻值的其它元件，這樣i*^ 和乙，之間的比率不需要被預定，但是能夠比如在電路使用期間或 者在電路使用前的校準期間動態(tài)地設置。
分壓器網(wǎng)絡21中的第一和第二電阻22和23的阻值Rl、 R2被 設置得比第一和第二晶體管的各個主電流通路4、 5的阻值高得多。 因此，流過分壓器網(wǎng)絡21的電流比第一和第二晶體管2、 3的源極電 流小的多。因此由分壓器網(wǎng)絡電流在被確定的負載電流Iwd中引起的 誤差是可忽略的。此外，分壓器網(wǎng)絡21的溫度系數(shù)也是可忽略的。 在本示例中，電阻22、 23均選擇具有低功率損耗和小電阻溫度系數(shù) 的類型，這樣它們就不會有顯著的溫度漂移誤差。而且，第一和第二
電阻22、 23是匹配的，這樣發(fā)生在第一電阻22中的任何溫度漂移也 會發(fā)生在第二電阻23中，因此溫度漂移的影響可以抵償。
根據(jù)本發(fā)明，感測電阻的電壓30的確定從而負載電流Ibd的確 定在準確性和線性方面相對于以前的設計具有優(yōu)勢。特別是，輸出電 壓將與諸如溫度和偏壓的變量無關，并且電路1不需要虛接地方法中 使用的負電源。
在電路1中的元件的特定參數(shù)將根據(jù)應用而變化。但是，在典 型的實現(xiàn)中，主晶體管電流通路4具有1到100毫歐之間的阻值，感 測晶體管電流通路5具有1到100歐姆之間的阻值，在分壓器裝置 21中的第一和第二電阻22、 23具有10千歐或者更大的阻值，負載 電阻6在100毫歐和IO歐姆之間的范圍中。
通過閱讀本說明，其它改變和修改對于本領域所屬技術人員來 說是明顯的。這樣的改變和修改可以包含在設計、制造和使用電流檢 測和/或確定裝置時等效的或者己知的其它特點并且其可以被用來替 代或者增加在此已經(jīng)說明的特點。
比如，盡管電路1中的感測感測晶體管和主晶體管被提供在電 流感測功率M0SFET包中，但也可使用其它的實現(xiàn)方法。比如，電路 的其余元件如控制晶體管13、運算放大器16、感測電阻29和分壓器 裝置21中的一些或者所有可以整合在MOSFET包中。另一種方案是， 主M0SFET 2和感測M0SFET3可以是分立的元件并不只限于功率 M0SFET;可以使用其它類型的晶體管來對電路1進行適當?shù)母淖儭４?外，Kelvin接點連接25提供在主晶體管2的源極24處，這不是必 須的。另一種方案是，這樣的連接可以被省略和/或使用在主晶體管 2和感測晶體管3中任一個的其它極上。此外，感測晶體管電流通路 中的感測電阻29的位置也不只限于在控制晶體管13的主電流通路 14和接地端7之間，也可以使用感測晶體管3的電流通路中的其它 位置。
盡管已說明的電路1包含輸出電路31，其用于處理電路輸出電 壓30以得出負載電阻6中的電流Ii。ad，但此電路不是必須的。根據(jù) 應用的要求，其它實現(xiàn)可以使用可選擇的處理電路或者根本不使用。
本發(fā)明有許多各式各樣的應用。它們包括汽車用電路(如發(fā)動 機、螺線管和燈驅(qū)動器)。在這樣的應用中，本發(fā)明的電路和方法能 夠比如被執(zhí)行以檢測可能損壞電子元件的電流電平，如，能夠造成過 熱的電流電平。電流電平一旦被確定，就能夠被相應地控制。
盡管在本申請中針對特定的特點組合闡明了權(quán)利要求，應該理 解的是，無論它是否涉及到與現(xiàn)在任一權(quán)利要求中聲明的相同發(fā)明以 及是否像本發(fā)明一樣解決了相同的技術問題的一個或者全部，本發(fā)明 的公開范圍都包含己在此清楚地或者含蓄地或者概括性地公開的新 穎特點或特點的新穎組合。據(jù)此，申請者給出提示，在本申請的執(zhí)行 期間或者由此推及的任何其它申請的執(zhí)行期間，可以針對這樣的特點 和/或這樣的特點組合闡明新的權(quán)利要求。
權(quán)利要求
1.一種用于確定負載(6)中的電流的電路(1)，其包含第一和第二晶體管(2、3)，每個晶體管具有主電流通路(4、5)和控制端子(9、10)，所述主電流通路的每一個可操作地并聯(lián)在負載和公共參考點(7)之間并且所述控制端子連接在一起；以及裝置(12)，用于把第二晶體管的主電流通路的電壓設置為對應于第一晶體管的主電流通路的電壓的預定部分的電壓電平。
2. 如權(quán)利要求1所述的電路，還包含同第二晶體管(3)的主 電流通路(5)串聯(lián)的感測電阻(29)。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的電路，還包含控制電路(12)，用 于設置第二晶體管(3)的主電流通路(5)的電壓，所述控制電路由 相對于公共參考點(7)是正值的單獨的電源電壓供電。
4. 如權(quán)利要求3所述的電路，其中控制電路(12)包含控制晶 體管(13)，其具有串聯(lián)在第二晶體管(3)的主電流通路(5)和公 共參考點(7)之間的主電流通路(14)。
5. 如權(quán)利要求4所述的電路，其中控制電路(12)包含提供用 于控制所述控制晶體管(13)的信號的裝置(16、 21)，該信號由第 二晶體管(3)的主電流通路(5)的電壓和所述電壓電平之差決定。
6. 如權(quán)利要求5所述的電路，其中信號提供裝置包含差動放大器°
7. 如權(quán)利要求6所述的電路，其中差動放大器包含運算放大器 裝置。
8. 如權(quán)利要求6或7所述的電路，其中差動放大器還包含連接到串聯(lián)在第二晶體管(3)和控制晶體管(13)之間的一個 結(jié)點(18)上的第一輸入端子(17);和連接到分壓器裝置(21)上的第二輸入端子(19)。
9. 如權(quán)利要求8所述的電路，其中分壓器裝置(21)包含串聯(lián) 的第一電阻(22)和第二電阻(23)，所述分壓器裝置并聯(lián)到第一晶 體管(2)的主電流通路(4)上。
10. 如權(quán)利要求9所述的電路，其中第一和第二電阻(22、 23) 中的一個或者兩個具有可調(diào)節(jié)的阻值(Rl、 R2)。
11. 如權(quán)利要求9或IO所述的電路，其中第二電阻(23)的一 個端子以Kelvin接點(25)連接到第一晶體管(2)的源極端子(24) 上。
12. 如前述的任一個權(quán)利要求所述的電路，其中感測電阻(29) 串聯(lián)在控制晶體管(13)的主電流通路(14)和公共參考點(7)之 間，并且還包含用于確定感測電阻的電壓(30)的裝置(31)。
13. 如前述的任一個權(quán)利要求所述的電路，其中第一和第二晶 體管(2、 3)包含結(jié)合在一個半導體包中的金屬氧化物半導體場效應 管。
14. 如前述的任一個權(quán)利要求所述的電路，其中第二晶體管(3) 的主電流通路(5)具有比第一晶體管(2)的主電流通路(4)更高 的阻值。
15. 如前述的任一個權(quán)利要求所述的電路，其中第一晶體管(2) 包含多個并聯(lián)的晶體管，第二晶體管(3)包含一個或者多個并聯(lián)的晶體管。
16. —種用于確定負載(6)中的電流的方法，該負載可操作地串聯(lián)到第一和第二晶體管(2、 3)的并聯(lián)裝置上，第一和第二晶體管 的每個具有主電流通路(4、 5)和控制端子(9、 10)，所述方法包括步驟把第二晶體管(3)的主電流通路(5)的電壓設置為對應于第 一晶體管的主電流通路(4)的電壓的預定部分的電壓電平。
全文摘要
說明了一種用于確定負載(6)中的電流(I_load)的電路(1)，所述的電路具有主晶體管(2)和感測晶體管(3)，每個晶體管具有主電流通路(4、5)和控制端子(9、10)，所述的主電流通路的每一個可操作地并聯(lián)在負載和接地端(7)之間并且所述的控制端子連接在一起。提供了這樣一種方法，用于把感測晶體管(3)的主電流通路(5)的電壓設置為實際上等于主晶體管(2)的主電流通路(4)的電壓的預定部分的電壓電平。
文檔編號H03K17/082GK101189796SQ200680019361
公開日2008年5月28日 申請日期2006年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月1日
發(fā)明者凱斯·赫彭斯托爾 申請人:Nxp股份有限公司