專利名稱：雙向mos電流讀出電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及穩(wěn)壓器電路，而更詳細(xì)地涉及用于通過開關(guān)模式穩(wěn)壓 器電路開關(guān)器件來測量雙向電流的電路。
背景技術(shù)：
在把有效直流(DC)電位電壓轉(zhuǎn)換到另一 DC電位電壓的技術(shù) 方面大家知道一些開關(guān)模式穩(wěn)壓器(也稱之為開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器)。 一種開關(guān)模式穩(wěn)壓器通過開關(guān)流入到輸出電感器內(nèi)的電流選擇儲(chǔ)存在 與負(fù)載耦接的輸出電感器內(nèi)的能量來向負(fù)載提供穩(wěn)定DC輸出電壓。 反向轉(zhuǎn)換器是包含一般由MOSFET晶體管構(gòu)成的二個(gè)功率開關(guān)的一 種特殊類型開關(guān)模式穩(wěn)壓器。這些功率開關(guān)當(dāng)參考電壓源和接地時(shí)各 自對(duì)應(yīng)于其在反向轉(zhuǎn)換器中的位置而分別稱之為高端開關(guān)和低端開 關(guān)。與負(fù)載并聯(lián)耦接的濾波器電容器減少輸出電流波動(dòng)。脈沖寬度調(diào)
在輸出電感器中的流動(dòng)。PWM控^電路根據(jù)負(fù)載條件變化的輸出電° 壓和/或電流強(qiáng)度的反饋信號(hào)來調(diào)節(jié)應(yīng)用于功率開關(guān)的工作循環(huán)。
大家知道通過讀出流過與負(fù)載連接的電阻器的電流來測量輸出 電流強(qiáng)度。使用讀出放大器來檢測在檢測電阻器二端之間的電壓以產(chǎn) 生相當(dāng)于輸出電流的信號(hào)。這種類型的電流讀出電路有由在檢測電阻 器二端之間的電壓降造成降低穩(wěn)壓器效率的缺點(diǎn)。 一種替換方法，大
家知道用其中一個(gè)功率開關(guān)作為檢測電阻器并且檢測在MOS器件的 漏和源之間的內(nèi)部電阻(RDSON) 二端間的電壓降。這種替換方法克月良 由檢測電阻器引起的效率降低。盡管如此，由于通過功率器件的電流 是雙向的，因此測量雙向電流往往還是困難的或者^故不到的。
圖1表示測量通過具有有效面積A的MOS功率器件12的電流Ip的示范性電路10。用具有有效面積A/K的第二 MOS器件14來分 流負(fù)載電流。柵激勵(lì)器16提供啟動(dòng)功率器件12和第二器件14的脈沖 調(diào)制信號(hào)。運(yùn)算放大器20裝有與功率器件12的源連接的同相端子以 及與第二器件14的源連接的反相端子。運(yùn)算放大器20包含連接在反 相端子和輸出端子之間的反饋電阻器18。運(yùn)算放大器20使第二器件 14的源電壓保持在與功率器件12相同的電位上，使得通過第二器件 14的電流為Ip/k。運(yùn)算放大器20輸出端子提供與負(fù)載電流Ip成正比 的讀出電壓Vsense。用該電路能夠測量電流Ip的兩個(gè)方向，但是， 應(yīng)當(dāng)理解，讀出電壓Vsense相對(duì)于用于正負(fù)載電流Ip的功率器12源 端子將是負(fù)的。對(duì)運(yùn)算放大器20來說，這就需要輔助負(fù)電源，在許多 情況中輔助負(fù)電源是沒有用的或者是浪費(fèi)的。
其他一些已知的電流讀出電路能夠通過高端分流電阻器測量雙 向電流而不需要輔助電源。但是，這些已知電路不適合測量不斷接通 和關(guān)斷的MOS功率器件的電流。還有其他一些已知的電流讀出電路 能夠測量通過功率開關(guān)的電流，然而也有受限制的線性工作范圍。這 些電路也是不合乎需要的，因?yàn)檫@些電路要求一些按比避免測量誤差 所必需的比例大得多的比例縮小的讀出器件。
因而，本發(fā)明將有助于提供具有寬的線性工作范圍、最低的匹配 要求和快速響應(yīng)的一種用于功率器件的雙向電流讀出電路。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過提供一種測量流過功率開關(guān)器件的雙向電流而不需 要輔助負(fù)電源的電流讀出電路來克服現(xiàn)有技術(shù)的一些不足之處。
更詳細(xì)地說，電流讀出電路包括適合于在其第一和第二端子之間 傳導(dǎo)雙向電流的功率器件、可操作地與功率器件連接的第一和第二讀 出器件、向第一和第二讀出器件提供第一和第二電壓的讀出放大器以 及提供功率開關(guān)器件及第一和第二讀出器件的一些激活信號(hào)的柵激勵(lì) 器件。第一和第二讀出器件各具有大體上相同的而且顯著小于功率開 關(guān)器件相應(yīng)有效面積的有效面積。讀出放大器測量第一讀出器件的電壓而且通過把附加電流引入到第二讀出器件內(nèi)來使第二讀出器件上電 壓保持在與第 一讀出器件相同的電位上。讀出放大器進(jìn)一步提供與雙 向電流成正比的輸出信號(hào)。第一和第二讀出器件在工作狀態(tài)時(shí)具有比
功率器件的相應(yīng)電阻高K倍的電阻。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，讀出放大器包括裝有與第一讀出器件 連接的第一輸入端子和與第二讀出器件連接的第二輸入端子的運(yùn)算放 大器、連接在第一輸入端子和運(yùn)算放大器輸出端之間的反饋晶體管以 及分別與第一和第二輸入端子連接的第一和第二電阻器。第一和第二 匹配的CMOS晶體管可以提供第一和第二電阻器。在本發(fā)明的另一個(gè) 實(shí)施例中，讀出放大器包括二個(gè)以上的CMOS晶體管。
根據(jù)下面具體實(shí)施方式
的詳細(xì)描述將給予本領(lǐng)域技術(shù)人員不僅 對(duì)用于功率器件的雙向電流讀出電路的更完整理解而且對(duì)一些別的優(yōu) 點(diǎn)和目的的更完整了解。參閱圖中的一些附加電路圖，首先將簡略描 述附加的電路圖。


圖l描述現(xiàn)有技術(shù)電流讀出電路；
圖2描述示范性的根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的雙向電流讀出電路；
圖3描繪示范性的用于開關(guān)模式穩(wěn)壓器中低端功率器件的雙向電 流讀出電路。
圖4描繪示范性的用于開關(guān)模式穩(wěn)壓器中高端功率器件的雙向電 流讀出電路。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供具有寬的線性工作范圍、最少的匹配要求和快速響應(yīng) 的一種用于功率器件的雙向電流讀出電路。在下面的詳細(xì)描述中，相 同元件數(shù)詞用來描述一個(gè)或更多個(gè)附圖中舉例說明的相同元件。
圖2描繪根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電流讀出電路40。電流讀出電路 40分成四個(gè)部分，包含(1)具有要測量電流通過的有效面積A的
功率元件42; (2) —對(duì)與功率器件42相同類型但是各具有小得多的 有效面積A/K的MOS讀出器件44、 46; (3)包括運(yùn)算放大器48、 MOS器件52和負(fù)載電阻器54、 56的讀出放大器；以及(4)柵激勵(lì) 器件58。柵激勵(lì)器件58根據(jù)所測定的工作循環(huán)把柵電壓施加于功率 器件42和讀出器件44、 46的一些柵端子以控制其導(dǎo)通/斷開狀態(tài)。讀 出器件44、46裝有其分別與功率器件42的漏和源連接的一些漏端子。 假定功率器件42在三極管區(qū)域內(nèi)工作，即在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)數(shù)值RqP的低 電阻器能夠接近該器件特征。讀出器件44、 46也在三極管區(qū)域內(nèi)工作 而所以在接通時(shí)能夠假定讀出器件44、 46具有比功率器件42高K倍
的電阻(R^、 RQ2)。在圖2的實(shí)施例中，功率器件2相當(dāng)于開關(guān)模 式功率轉(zhuǎn)換器的低端開關(guān)。
運(yùn)算放大器48裝有與笫一電壓結(jié)點(diǎn)(Vp)連接的同相端子和與 第二電壓結(jié)點(diǎn)(Vn)連接的反相端子。第一電壓結(jié)點(diǎn)(Vp)與讀出器 件44的源端子連接而且通過電阻器56與功率器件42的漏端子連接。 第二電壓結(jié)點(diǎn)(Vn)與讀出器件46的源端子連接而且通過電阻器54 與功率器件42的漏端子連接。當(dāng)運(yùn)算放大器輸出激勵(lì)MOS器件的柵 端子52和與第二電壓結(jié)點(diǎn)Vn連接的MOS器件52漏端子時(shí)MOS器 件52為運(yùn)算放大器48提供反饋通路。把第一電流源II限定在電源 VoD和第一電壓結(jié)點(diǎn)Vp之間而把第二電流源12限定在電源Vdd和 MOS器件52的源端子之間。
在運(yùn)行中，運(yùn)算放大器48通過把電流In引入到結(jié)點(diǎn)Vn內(nèi)使第 一電壓結(jié)點(diǎn)Vp保持在與第二電壓結(jié)點(diǎn)Vn相同的電位上。按下面公式 確定第二結(jié)點(diǎn)電壓
<formula>complex formula see original document page 8</formula>
公式中R2是電阻器54的電阻而RQ2是讀出器件46的漏-源電阻。如 果功率器件42的漏-源電阻(Rqp)比讀出器件44的漏-源電阻(RQ1) 小得多，則按下面公式確定正結(jié)點(diǎn)電壓<formula>complex formula see original document page 8</formula>
相應(yīng)的是，運(yùn)算放大器48的反饋回路通過MOS器件52使Vn 保持等于Vp，而且同時(shí)使電阻器54、 56保持相等和使讀出器件44、 46的漏-源電阻保持相等，上述二個(gè)公式將是等同的并且能夠化簡成
<formula>complex formula see original document page 9</formula>
而且同時(shí)
<formula>complex formula see original document page 9</formula>
該式進(jìn)一步簡化成<formula>complex formula see original document page 9</formula>
換言之，電流Iout與通過功率器件42的電流Ip成正比。只要電流In 保持正的，這個(gè)7>式對(duì)Ip的正電流和負(fù)電流就適用。在選擇比Ip/K 最大絕對(duì)值大的1。ffset的情況中，電壓Vp和Vn也將保持正的。應(yīng)當(dāng) 理解，這簡化了運(yùn)算放大器48的設(shè)計(jì)而且排除對(duì)用于運(yùn)算放大器的負(fù) 輔助電源的需要。當(dāng)功率器件42是關(guān)斷時(shí)，由于I^等于R2而且反饋 回路使Vp保持等于Vn因此Iout將等于零。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，柵激勵(lì)器件58把柵電壓同時(shí)施加于 功率器件42和讀出器件44、 46的一些柵端子。用一種替換方法，柵 激勵(lì)器件58可以在順著柵電壓施加于功率器件42的延遲一定量以后 把柵電壓施加于讀出器件44、 46。這樣的延遲周期會(huì)保證功率器件42 在啟動(dòng)讀出器件44、 46以前是導(dǎo)通的，而由此可以用來避免在測量電 流中的任何起始電壓過沖。
圖3描繪在CMOS工藝方法中提供雙向電流讀出的一種交流電 流讀出電路60。像在前面的實(shí)施例中那樣，該電路包含具有要測量電 流通過的有效面積A的功率器件62和一對(duì)與功率器件62相同類型但 是各具有小得多的有效面積A/K的MOS讀出器件64、 66。用在三極 管區(qū)域中工作的CMOS晶體管70、 68替換電阻器54(R2)、 56(RJ。 用組成簡單的放大器電路的CMOS晶體管74、72替換運(yùn)算放大器48, 而晶體管78提供反饋回路。柵激勵(lì)器件76以與以上所描述的相同方 式把柵電壓施加于功率器件62和讀出器件64、 66中的一些柵端子。
在圖3的實(shí)施例中，功率器件62相當(dāng)于開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器中的低端 開關(guān)。
像在前面的實(shí)施例中那樣，第一電壓結(jié)點(diǎn)(Vp)與讀出器件64 的源端子連接而且通過晶體管68的漏-源電阻與功率器件42的漏端子 連接。第二電壓結(jié)點(diǎn)Vn與讀出器件66的源端子連接而且通過晶體管 70的漏-源電阻與功率器件62的漏端子連接。CMOS晶體管74、 72 具有向其源端子和向反饋晶體管78的柵提供偏流的各自電流源。電流 源II向第一電壓結(jié)點(diǎn)Vp提供補(bǔ)償電流而電流源12向MOS器件78 的漏端子提供補(bǔ)償電流，MOS器件78本身又與第二電壓結(jié)點(diǎn)Vn連 接。電流讀出電路60的操作通常是與圖2中的實(shí)施例相同的。
根據(jù)以上所推導(dǎo)的一些公式，應(yīng)當(dāng)理解，Rl需要只和R2相匹配 而R(^必須和Rq2以及Rqp相匹配。所以，晶體管68、 70未必是與讀 出器件64、 66或者功率器件62—樣的類型MOS器件。例如，晶體 管68、 70可以是低電壓器件(例如只承受得住5伏特)，而MOS讀 出器件64、66和功率器件62可以是承受得住較高電壓(例如20伏特) 的器件。因?yàn)橛刹⒙?lián)連接的一些晶體管的陣列組成可以在某些應(yīng)用中 的功率器件62，因此為了達(dá)到最佳匹配，功率器件62將有助于用陣 列中的一些晶體管其中兩個(gè)晶體管來構(gòu)成MOS讀出器件64、 66。由 于MOS讀出器64、66的有效面積為K分之一(例如K等于100,000 )， 因此對(duì)功率器件62的穩(wěn)定性的影響將是最小的。功率器件62也會(huì)有 助于用雙極型器件替換CMOS晶體管72、 74以使放大器的補(bǔ)償電壓 減至最低程度。這將進(jìn)一步改進(jìn)整個(gè)電路的測量準(zhǔn)確度。
圖4描繪在CMOS工藝方法內(nèi)提供雙向電流讀出的交流電流讀 出電路80。在圖4的實(shí)施例中，功率器件82相當(dāng)于開關(guān)模式功率轉(zhuǎn) 換器中的高端開關(guān)，而電流讀出電路80提供浮動(dòng)接地。像在前面的實(shí) 施例中那樣，功率器件82具有有效面積A而MOS讀出器件84、 86 各具有小得多的有效面積A/K。 CMOS晶體管90、 88在三極管區(qū)域 內(nèi)工作以提供電阻器R^ R2。 CMOS晶體管94、 92構(gòu)成放大器電路， 而晶體管96構(gòu)成反饋回路。柵激勵(lì)器件98以與以上所描述的相同方
式把柵電壓施加于功率器件92和讀出器件94、 96中的一些柵端子。
和前面的一些實(shí)施例不一樣，使MOS讀出器件84、 86的取向反 向，使得MOS讀出器件84、 86的源端子分別與功率器件82的漏和 源連接。同樣，和前面的實(shí)施例相反，使CMOS晶體管90、 88和94、 92的一些取向反向。因此，第一電壓結(jié)點(diǎn)(Vp)與讀出器件86的漏 端子連接并通過晶體管88的漏-源電阻與功率器件82的源端子連接， 而第二電壓結(jié)點(diǎn)(Vn)與讀出器件84的漏端子連接，并通過晶體管 90的漏-源電阻與功率器件82的漏端子連接。使電流源Il、 12、 IB1、 IB2各自接地。另外，該電路大體上像面前面的一些實(shí)施例中一樣運(yùn) 作。應(yīng)當(dāng)理解在本實(shí)施方式和前面的實(shí)施方式中按照NMOS功率器件 舉例說明示范性的功率器件82，雖然應(yīng)當(dāng)理解為了和PMOS功率器 件同時(shí)使用，本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)毫不猶豫地采用該電路。
這樣就已描述了用于測量通過開關(guān)模式穩(wěn)壓器電路中開關(guān)器件 的雙向電流的電路的一種具體實(shí)施方式
，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，已 經(jīng)獲得該系統(tǒng)的某些優(yōu)點(diǎn)應(yīng)該是顯而易見的。也應(yīng)當(dāng)理解，在本發(fā)明 的范圍和精神內(nèi)可以進(jìn)行各種各樣變更、修改及其替換實(shí)施例。完全 由下面的權(quán)利要求書劃定本發(fā)明界限。
權(quán)利要求
1.一種電流讀出電路，包括適合在其第一和第二端子之間傳導(dǎo)雙向電流的功率器件；可操作地與該功率器件第一端子連接的第一讀出器件和可操作與該功率器件第二端子連接的第二讀出器件，第一和第二讀出器件各自具有大體上相同而且顯著小于功率器件相應(yīng)有效面積的有效面積，第一和第二讀出器件提供各自的第一和第二電壓；可操作地與第一和第二讀出器件連接的讀出放大器，讀出放大器測量第一和第二電壓而且為了使第一和第二電壓保持互相相等而把電流引入到第二讀出器件，讀出放大器進(jìn)一步提供與雙向電流成正比的輸出電流；以及可操作地與功率器件以及第一和第二讀出器件的激活端子連接的柵激勵(lì)器件，柵激勵(lì)器件向功率器件以及第一和第二讀出器件提供激活信號(hào)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流讀出電路，其中讀出放大器包括 裝有與第 一讀出器件連接的第 一輸入端和與第二讀出器件連接的第二 輸入端的運(yùn)算放大器、連接在運(yùn)算放大器的第一輸入端和輸出端之間 的反饋晶體管，以及分別與第一和第二輸入端連接的第一和第二電阻 器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的電流讀出電路，進(jìn)一步包括適合于把 補(bǔ)償電流引入到第 一和第二輸入端中的至少 一個(gè)輸入端的補(bǔ)償電流 源。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的電流讀出電路，其中第一和第二電阻 器包括第一和第二匹配的CMOS晶體管。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流讀出電路，其中在工作狀態(tài)中時(shí) 第一和第二讀出器件具有比功率器件相應(yīng)電阻高K倍的電阻。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的電流讀出電路，其中讀出放大器包括 二個(gè)以上的CMOS晶體管。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流讀出電路，其中功率器件進(jìn)一步 包括開關(guān)模式電壓轉(zhuǎn)換器中的低端開關(guān)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流讀出電路，其中功率器件進(jìn)一步 包括開關(guān)模式電壓轉(zhuǎn)換器中的高端開關(guān)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流讀出電路，其中柵激勵(lì)器件向功 率器件以及第 一和第二讀出器件同時(shí)提供激活信號(hào)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流讀出電路，其中柵激勵(lì)器件在向 功率器件提供激活信號(hào)后的 一個(gè)延遲周期以后向第 一和第二讀出器件 提供激活信號(hào)。
11. 一種裝有功率開關(guān)器件和適合于讀出通過該功率開關(guān)器件的 雙向電流的電流讀出電路的開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器，電流讀出電路進(jìn)一 步包括可操作地與功率開關(guān)器件第一端子連接的第一讀出器件和可操 作地與功率開關(guān)器件第二端子連接的第二讀出器件，第一和第二讀出器件各自具有大體上相同而且顯著小于功率開關(guān)器件相應(yīng)有效面積的 有效面積，第一和第二讀出器件提供各自的第一和第二電壓；以及可操作地與第一和第二讀出器件連接的讀出放大器，讀出放大器 測量第一和第二電壓而且為了使第一和第二電壓保持互相相等而把電 流引入到第二讀出器件，讀出放大器進(jìn)一步提供與雙向電流成正比的 輸出電流。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器，其中讀出放 大器包括裝有與第 一讀出器件連接的第一輸入端和與第二讀出器件連 接的第二輸入端的運(yùn)算放大器、連接在運(yùn)算放大器的第一輸入端和輸 出端之間的反饋晶體管，以及分別與第 一和第二輸入端連接的第 一和 第二電阻器。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器，其中第一和 第二電阻器包括第一和第二匹配的CMOS晶體管。
14. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器，其中在工作 狀態(tài)中時(shí)第一和第二讀出器件具有比功率開關(guān)器件相應(yīng)電阻高K倍的電阻。
15. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器，其中讀出放 大器把電流引入到第 一和第二讀出器件其中 一個(gè)讀出器件內(nèi)。
16. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器，其中讀出放 大器包括二個(gè)以上CMOS晶體管。
17. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器，其中功率開 關(guān)器件進(jìn)一步包括開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器中的低端開關(guān)。
18. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器，其中功率開 關(guān)器件進(jìn)一步包括開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器中的高端開關(guān)。
全文摘要
一種電流讀出電路包括適合于在其第一和第二端子之間傳導(dǎo)雙向電流的功率器件(42)、可操作地與功率器件(42)連接的第一和第二讀出器件(44、46)、向第一和第二讀出器件(44、46)提供第一和第二電壓的讀出放大器(48)以及提供功率開關(guān)器件(42)及第一和第二讀出器件(44、46)的激活信號(hào)的柵激勵(lì)器件。第一和第二讀出器件(44、46)各具有大體上相同的而且顯著小于功率開關(guān)器件(42)相應(yīng)有效面積的有效面積。讀出放大器(48)測量第一讀出器件(44)的電壓而且通過把附加電流引入到第二讀出器件(46)內(nèi)來使第二讀出器件(46)上電壓保持在與第一讀出器件(44)相同的電位上。讀出放大器(48)進(jìn)一步提供與雙向電流成正比的輸出信號(hào)。第一和第二讀出器件(44、46)在工作狀態(tài)中時(shí)具有比功率器件(42)的相應(yīng)電阻高K倍的電阻。
文檔編號(hào)G01R31/08GK101198877SQ200680021191
公開日2008年6月11日 申請(qǐng)日期2006年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月10日
發(fā)明者阿萊恩·查普斯 申請(qǐng)人:大動(dòng)力公司