CN107025199A - 补偿组件变化的电流感测 - Google Patents

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Abstract

一种***可在补偿由工艺、电压源、温度或其组合引起的电路组件中的变化的同时，在集成电路(IC)芯片中提供电流检测。所述***可包括具有电力开关电路的IC芯片，所述电力开关电路包括电力电路路径，所述电力电路路径包括第一晶体管，所述第一晶体管通过具有第一电阻值的第一导电迹线连接到电源，并且通过具有第二电阻值的第二导电迹线连接到负载。电流检测电路被配置成使用感测电路路径补偿所述电力开关电路中的变化，所述感测电路路径被配置成匹配所述电力电路路径中的工艺、电压源和温度变化。

Description

补偿组件变化的电流感测
技术领域
各种实施例的各方面是针对在补偿由组件变化引起的电路组件中的变化的同时，在集成电路(IC)芯片中提供电流检测。
背景技术
总线接口协议可被设计成允许通过有线接口提供电力。在一些情况下，这种电力可用于为电池或类似的独立电源充电、直接为电力接收(电力消耗)装置供电，或既充电又直接供电。用于总线接口协议的标准有时可在不同的电力消耗装置之间提供不同的供电能力。例如，不同的电力消耗装置，使用相同的有线接口的每一电力消耗装置可被配置成汲取不同的电流量。与本文中所论述的各种方面相一致，所述电力消耗装置可被配置成在连接之后将它们的供电能力传送到供电装置。在一些情况下，这种传送的至少一部分可发生在电力消耗装置的电源已达到稳定的内部电压之前。能够具有不同电力供应和来源能力可产生对电流检测和限制能力的需要。
特定类型的总线接口协议为通用串行总线(USB)。在USB可用于将外部的***装置附着到个人计算机的同时，它还可用于在***装置之间介接、为其充电，以及大量其它的应用和使用，例如汽车、相机、智能电话、电视和机顶盒。USB也可用作各种移动装置充电方案中的电源。USB提供各种不同的数据传送速度。例如，USB 3.0提供高达5Gbit/s的数据传送速度，以及USB 3.1提供高达10Gbit/s的数据传送速率。USB也提供各种不同的电力提供和耗散(sinking)能力。C型USB可利用500mA/900mA(用于USB 2.0/USB 3.1)、1.5A和3A模式支持5V。USB电力递送(PD)支持电力协商和递送方案，所述递送方案支持高达100W(20Vx5A)。
这些以及其它情况已经呈现出对用于各种应用的电力递送集成电路(IC)和其实施方案的效率的挑战。
发明内容
各种实施例是针对一种***，所述***用于在补偿由工艺、电压源、温度或其组合引起的电路组件中的变化的同时，在集成电路(IC)芯片中提供电流检测。***可包括具有电力开关电路的IC芯片，所述电力开关电路包括电力电路路径，所述电力电路路径包括第一晶体管，所述第一晶体管通过具有第一电阻值的第一导电迹线连接到电源，并且通过具有第二电阻值的第二导电迹线连接到负载。电流检测电路被配置成补偿电源开关电路中的变化。电流检测电路可包括电流源电路和感测电路路径，所述感测电路路径被配置成匹配电力电路路径中的工艺、电压源和温度变化。感测电路路径可包括第二晶体管，所述第二晶体管通过具有第三电阻值的第三导电迹线连接到电源，并且通过具有第四电阻值的第四导电迹线连接到电流源电路。比较器电路可被配置成比较横跨电力电路路径的电压降和横跨感测电路路径的电压降，并且响应于所述比较，提供数据信号到电流检测电路的输出端。
根据一些实施例，方法在补偿由制造IC芯片引起的电路组件中的变化的同时，在集成电路(IC)芯片中提供电流检测。所述方法包括从电源接收电力且通过电源开关电路投送所述电力，所述电源开关电路包括电力电路路径，所述电力电路路径包括第一晶体管，所述第一晶体管通过具有第一电阻值的第一导电迹线连接到电源，并且通过具有第二电阻值的第二导电迹线连接到负载。参考电压可通过从电流源电路投送电流穿过感测电路路径来产生，所述感测电路路径被配置成匹配至少一个组件变化，所述变化从由以下组成的群组中选出：针对电力电路路径中的组件的工艺变化、电源电压变化和温度变化。感测电路路径还包括第二晶体管，所述第二晶体管通过具有第三电阻值的第三导电迹线连接到电源，并且通过具有第四电阻值的第四导电迹线连接到电流源电路。横跨电力电路路径的电压降可与横跨感测电路路径的电压降比较。响应于所述比较，可提供指示通过电力电路路径的电流电平的数据信号。
以上论述/总结并非意图描述本发明的每一实施例或每一实施方案。图式和以下详细描述还举例说明了各种实施例。
附图说明
考虑以下详细描述并结合附图可以更全面地理解各种示例实施例，附图中：
图1描绘符合本发明的实施例的包括用于检测电流电平的IC芯片的***的框图；
图2描绘符合本发明的实施例的用于检测电流电平的IC芯片的电路图；以及
图3描绘符合本发明的实施例的用于检测电流电平的IC芯片的流程图。
虽然本文中所论述的各种实施例能够经受各种修改和替代形式，但在附图中已借助于例子示出了实施例的各方面，且将详细描述实施例的各方面。然而，应理解，并不意图将本发明限于所描述的具体实施例。相反，意图涵盖落入本发明的范畴内的包括权利要求书中限定的各方面的所有修改、等效物和替代方案。另外，如在本申请案通篇中使用的术语“例子”仅借助于说明，并且不加限制。
具体实施方式
本发明的各方面被认为适用于涉及匹配IC中的组件变化的多种不同类型的设备、***和方法。在某些实施方案中，当在电流检测和限制的情况中使用时，本发明的各方面示出为有益的。在一些实施例中，电流检测和限制有关于使用USB接口提供的电力。可实施这些和其它方面以解决包括上面在背景技术中所论述的那些的挑战。虽然未必受到如此限制，但是通过使用此类示例性情况对例子的论述可理解各种方面。
本发明的各种实施例是针对在补偿电路组件中的变化的同时，在集成电路(IC)芯片中提供电流检测。具体实施例是针对C型通用串行总线(USB)应用，但是本文所论述的各种实施例不必受到如此限制。在一些情况下，组件变化可包括片上互连件的工艺、电压和温度(PVT)变化效应，以及其它变化。在某些实施例中，IC芯片可被配置成控制从电源到负载的电力流。借助于比较通过已匹配PVT变化效应的两个不同电流路径的电流，IC可用于检测通过IC的电流。举例来说，供电路径可包括数个组件，包括具有电阻值的多个导电迹线和具有电力晶体管的电力开关。电力感测路径可包括与供电路径类似的组件集合，所述组件集合经受类似的PVT变化效应。电流感测电路可被配置成对每一路径进行测量，以使得路径中的每一者的PVT变化效应彼此抵消。
具体实施例是针对包括第一晶体管的第一供电路径，所述第一晶体管通过第一导电迹线连接到电源，并通过第二导电迹线连接到负载。电流感测电路路径配置有匹配电力电路路径中的PVT变化效应的组件。举例来说，感测电路路径包括第二晶体管，所述第二晶体管通过第三导电迹线连接到电源，并通过具有第四电阻值的第四导电迹线连接到电流源电路。通过取得在电流感测路径和供电路径中的每一者上所检测的电压比值，电流检测电路可被配置成补偿电力开关电路中的变化。
在具体实施例中，电流检测电路可包括比较器电路，所述比较器电路被配置成比较横跨电力电路路径的电压降与横跨感测电路路径的电压降，并且响应于所述比较，提供数据信号到电流检测电路的输出端。
各种实施例是针对两个不同电流路径的使用，所述两个不同电流路径具有各自被制造成匹配所述两个不同电流路径之间的PVT变化效应的相应的组件集合。此外，路径可使用不同的但仍匹配PVT变化效应的组件值。这可通过仔细选择组件值以使组件值之间具有所需比值，以及通过基于这个比值设置比较点来实现。
现转而参看图式，图1描绘符合本发明的实施例的包括用于检测电流电平的IC芯片的***的框图。IC芯片102可被配置成从外部电源104接收电力。根据各种实施例，此电源104可为通用串行总线(USB)兼容电源，包括(但不限于)C型USB兼容电源。为了易于论述，图1中所描绘的***相对于C型USB论述；然而，在各种实施例中，IC芯片可被设计成用于其它协议。
与本发明的实施例相一致，IC芯片102可被配置成充当用于USB电力递送(PD)、电池充电(BC)和C型USB产品的电力开关。为了防止通过电力开关电路106的过度电流损害电力负载108、电源104或电力开关电路106，电流检测电路110可用于帮助控制由电力开关106提供的电力量。可提供所感测的电流数据到处理逻辑电路112。在一些实施例中，处理逻辑电路112可被配置成通过二级通信链路或总线(例如，通过集成电路间(I2C)总线)与外部装置通信。处理逻辑还可控制电力开关电路106的操作，并且配置和校准电流检测电路110，如本文中更详细地论述。
各种实施例是针对电流检测电路110和对应的IC芯片102的低成本、高度集成水平和高度精确的设计。举例来说，电流检测电路可被配置成提供精确的电流检测，而不需使用具有高精度且可能需要IC芯片102的额外输入引脚的外部电阻元件。本发明的实施例是针对电流检测电路110，所述电流检测电路110被配置成检测通过电力开关106的电流，而不需使用此类外部电阻元件。在具体实施例中，可产生IC芯片102，而不需使用成本高的半导体制造工艺，所述工艺可用于提高组件容限，并降低组件PVT变化效应。举例来说，电流检测电路可利用感测电流路径，作为用于检测通过电力电流路径的电流的参照点。感测电流路径可被配置成匹配电力电流路径的PVT变化效应。以此方式，由电流检测电路110使用的参照点将自然地随着PVT变化效应而偏移，并且可有效地抵消对应于电力电流路径的PVT变化效应。
根据具体实施例，在感测电流路径和电力电流路径两者中的组件可在半导体制造工艺的相同步骤期间制造，并且可位于彼此物理地接近的位置。相同处理步骤和类似物理位置的使用可帮助紧密匹配每一路径中的组件的PVT变化效应。
在各种实施例中，电力开关电路可包括电力晶体管，当启动所述电力晶体管时，其供应有可通过电压偏置产生器电路114(例如，带隙或其它类型的电路)产生的偏置电压(Vbias)。考虑到与电力晶体管有关的PVT变化效应，电流感测路径还可包括以类似方式偏置的晶体管。电流检测电路110可检测通过电流路径中的每一者的电压降，并且比较电压降作为检测通过电力电流路径的电流的部分。当路径中的每一者预期具有类似的PVT变化效应，所述比较提供对PVT变化效应的补偿。
根据某些实施例，处理逻辑可被配置成调节由电流感测路径提供的参照点。例如，电流感测路径可包括可变电流源。处理逻辑112可接收指定所需电流电平的命令(例如，通过I2C接口)。响应于命令，处理逻辑112可调节由电流源提供的电流量，由此改变横跨电流感测路径中的组件所见的电压降。
图2描绘符合本发明的实施例的用于检测电流电平的IC芯片的电路图。电流(电力)源202可通过由204所指示的连接引脚、垫或类似的芯片I/O接口而连接到IC芯片。所接收的电力(Pin)可通过包括基于晶体管的电力开关208的电力电流路径发送，并且充当用于提供到如212所指示的输出端的电力的开关控制。接着，输出电力(Pout)可从电流负载214获得。电力电流路径可包括导电(金属)迹线，所述迹线分别连接电力开关208到输入引脚204和输出引脚212中的每一者。被识别为206和210的电阻符号表示在引脚204、212和电力开关208之间提供电阻的组件(例如，导电迹线)。
电流感测路径可包括基于晶体管的感测开关218。导电迹线216和220可分别连接感测开关218、输入引脚204和电流源224。比较器222可被配置成比较在节点B和C处的电压，以提供电流检测输出。
如本文所论述，使用相同技术(例如，互补式金属-氧化物半导体(CMOS)技术)，电流感测路径和电力电流路径中的组件可被设计在相同的基板上。如随后图中所示，当打开电力开关208时，电力电流(I_power)从电流源穿过电力开关到负载。当从节点A传递到节点B时，电流穿过电阻组件(例如，导电迹线)206和210，并穿过电力开关208。在一些实施方案中，电阻组件206和208可具有类似的电阻值(R_metal)。电力开关208的导通电阻可由Ron表示。从节点A到B的电压降(V_AB)可由以下等式表示：
V_AB＝I_power*(R_metal+Ron+R_metal)
在电流检测电路中，获自相同芯片的另一部分的所校准的电流I_cal穿过匹配电阻组件(例如，导电迹线)216、218和感测晶体管218。使用术语“匹配”以表示用于感测电流路径的值，从节点A到C的电压降由以下等式表示：
V_AC＝I_cal*(R_metal_match+Ron_match+R_metal_match)
电压比较器222可被设计成比较V_AB与V_AC。在比较器的跳变点，V_AB＝V_AC。因此，在比较器被设置成跳变的电流由以下等式表示：
I_power＝I_cal*(R_metal_match+Ron_match+R_metal_match)/(R_metal+Ron+R_metal)
在各种设计中，遍及PVT的匹配金属电阻的变化遵循电力开关寄生金属电阻的变化。类似地，匹配晶体管开启电阻的变化可遵循电力开关的晶体管开启电阻的变化。因此，根据先前的等式，电流和感测路径电阻值之间的比值(R_metal_match+Ron_match+R_metal_match)/(R_metal+Ron+R_metal)通过PVT变化效应变得恒定。
根据各种实施例，应认识到，电流源224可被配置成提供相对较高的精确性，而不需相应的高成本(例如，相对于使用精度电阻器)。举例来说，可易于将I_cal的精确性控制在所需水平的3％内。因此，可相对较高精确地检测I_power。
本发明的各方面基于以下认识：金属电阻的变化可不遵循晶体管开启电阻的变化。因此，为了使(R_metal_match+Ron_match+R_metal_match)/(R_metal+Ron+R_metal)具有定值，首先需要满足以下等式：
(R_metal_match+R_metal_match)/Ron_match＝(R_metal+R_metal)/Ron
另外认识到，数个额外的因素可对电流检测的精确性产生影响。这些因素可包括(但不必限于)匹配金属和电力开关的寄生金属电阻之间的不匹配、匹配晶体管和电力开关晶体管之间的不匹配，以及比较器的偏移。数个因素可有助于降低这些不匹配的影响，包括(但不必限于)电力开关和电流检测放置在相同芯片、相同基板上，并且在芯片上非常接近于彼此，以及电力开关的相对较大的尺寸。并且，在仔细设计比较器和提供I_cal的电流源电路的情况下，可提高电流检测的精确性。
图3描绘符合本发明的实施例的用于检测电流电平的IC芯片的流程图。在各种实施例中，IC芯片可包括处理逻辑，所述处理逻辑可允许感测路径的电流值通过校准过程调节，如判定框302所描绘。电流的校准可发生在启动IC芯片时，或响应于之后的校准请求(例如，通过I2C接口从SoC装置的处理器接收到的)。根据框304，如果存在校准输入，那么用于感测路径的电流源的电流值可进行修改。
根据判定框306，各种实施例允许响应于启用信号或命令，选择性地启用和禁用电力开关。如果未接收到启用信号，那么几乎不存在电力，并且分别根据框302和306，方法可继续监测校准输入或电力开关的启用。根据框308，如果接收到电力开关启用信号，那么IC芯片可启用电力开关，以使得它可从电源接收电力。根据框310，可通过电力路径将接收电力投送到负载。
如本文所论述，参考电压可由通过感测电流路径投送电流产生，如框312所示。在一些实施例中，电流可在任何时间(例如，不是正当启用电力开关的时间)进行投送，因为电流汲取相对较低。各种实施例还允许当禁用电力开关时，禁用电流的晶体管开关。
根据框314，比较器电路可用于比较横跨电力电流路径和感测电流路径的电压降。根据框316，可随后将比较结果提供为电流检测电路的输出。例如，电流检测和电力开关电路可为SoC的部分。比较器的输出可指示过电流情况，并且它可被提供到SoC的处理器电路，所述处理器电路可采适当的动作(例如，减少负载的电流汲取，或禁用电力开关)。
尽管在一些情况下可以单独的图式描述方面和特征，但应了解，来自一个图式的特征可与另一图式的特征组合，即使所述组合未明确地示出或明确地描述为组合。
可以实施各种块、模块或其它电路以执行本文中描述和/或图式中所示的操作和活动中的一个或多个操作和活动。在这些情形中，可以使用执行这些或相关的操作/活动中的一个或多个的电路来实现“块”(有时也称为“电路”、“逻辑电路”、或“模块”)。在各种实施例中，在有限的可挠性足够的情况下，硬连线控制块可用于最小化用于此类实施方案的面积。可替换的是和/或此外，在以上论述的实施例中的某些中，一个或多个模块为被配置且被布置成用于实施这些操作/活动的精密的逻辑电路或可编程逻辑电路。
基于以上论述和说明，本领域的技术人员将易于认识到可以对各种实施例作出各种修改和改变，而无需严格地遵循在本文中所说明的且描述的示例性实施例和应用。例如，设备可被设计成用于与除C型USB以外的不同接口、协议和配置一起使用。此类修改不脱离本发明的各个方面的真实精神和范畴，包括在权利要求书中阐述的各方面。

Claims (16)

1.一种***，其用于在补偿由工艺、电压源、温度或其组合引起的电路组件中的变化的同时，在集成电路(IC)芯片中提供电流检测，其特征在于，所述***包括：
所述IC芯片包括：
包括电力电路路径的电力开关电路，所述电力电路路径包括第一晶体管，所述第一晶体管连接到：
电源，通过具有第一电阻值的第一导电迹线，以及
负载，通过具有第二电阻值的第二导电迹线；以及
电流检测电路，其被配置成补偿所述电力开关电路中的所述变化，所述电流检测电路包括：
电流源电路，
被配置成匹配所述电力电路路径中的工艺、电压源和温度变化的感测电路路径，所述感测电路路径包括第二晶体管，所述第二晶体管通过具有第三电阻值的第三导电迹线连接到所述电源，并且通过具有第四电阻值的第四导电迹线连接到所述电流源电路，以及
比较器电路，其被配置成比较横跨所述电力电路路径的电压降与横跨所述感测电路路径的电压降，并且响应于所述比较，提供数据信号到所述电流检测电路的输出端。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述第三和第四电阻值分别不同于所述第一和第二电阻值。
3.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述第三和第四导电迹线分别比所述第一和第二导电迹线更细。
4.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述第一晶体管具有小于所述第二晶体管的导通电阻的导通电阻。
5.根据权利要求4所述的***，其特征在于，偏置电压连接到所述第一和第二晶体管两者的栅极。
6.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述数据信号指示通过所述电力电路路径的电流超过阈值电流电平。
7.根据权利要求6所述的***，其特征在于，所述电流检测电路被配置成响应于输入信号，调节所述阈值电流电平。
8.根据权利要求6所述的***，其特征在于，所述电流检测电路被配置成响应于输入信号，通过改变从所述电流源电路获得的电流量来调节所述阈值电流电平。
9.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述第一晶体管配置有第一导通电阻值，并且所述第二晶体管配置有第二导通电阻值，并且其中所述第一和第二电阻值与所述第一导通电阻值的比值大体上等于所述第三和第四电阻值与所述第二导通电阻值的比值。
10.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述电流检测电路和所述电力开关电路位于单个集成电路(IC)管芯上。
11.一种方法，其用于在补偿由制造所述IC芯片引起的电路组件中的变化的同时，在集成电路(IC)芯片中提供电流检测，其特征在于，所述方法包括：
从电源接收电力；
通过包括电力电路路径的电力开关电路投送所述电力，所述电力电路路径包括第一晶体管，所述第一晶体管通过具有第一电阻值的第一导电迹线连接到所述电源，并且通过具有第二电阻值的第二导电迹线连接到负载；
通过从电流源电路投送电流穿过感测电路路径来产生参考电压，所述感测电路路径被配置成匹配至少一个组件变化，所述变化从由以下组成的群组中选出：针对所述电力电路路径中的组件的工艺变化、供应电压变化和温度变化，并且包括第二晶体管，所述第二晶体管通过具有第三电阻值的第三导电迹线连接到所述电源，并且通过具有第四电阻值的第四导电迹线连接到所述电流源电路；
比较横跨所述电力电路路径的电压降与横跨所述感测电路路径的电压降；以及
响应于所述比较，提供指示通过所述电力电路路径的电流电平的数据信号。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，另外包括接收调节数据信号，并且响应于所述调节数据信号，改变从所述电流源电路获得的电流量。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第三和第四电阻值分别不同于所述第一和第二电阻值。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，另外包括提供偏置电压到所述第一和第二晶体管两者的栅极。
15.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第一晶体管配置有第一导通电阻值，并且所述第二晶体管配置有第二导通电阻值，并且其中所述第一和第二电阻值与所述第一导通电阻值的比值大体上等于所述第三和第四电阻值与所述第二导通电阻值的比值。
16.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述感测电路路径的组件和所述电力电路路径的组件被制造为相同制造步骤的部分，并且在所述IC芯片的基板上物理地接近彼此。
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