TWM594146U - 電流感測電路 - Google Patents

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TWM594146U
TWM594146U TW108215170U TW108215170U TWM594146U TW M594146 U TWM594146 U TW M594146U TW 108215170 U TW108215170 U TW 108215170U TW 108215170 U TW108215170 U TW 108215170U TW M594146 U TWM594146 U TW M594146U
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voltage
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詹義賢
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力智電子股份有限公司
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Abstract

本新型創作提出一種電流感測電路。電流感測電路包括放 大器、輸入電阻、感測電阻以及回授電路。放大器具有第一輸入端、第二輸入端、第三輸入端及輸出端。輸入電阻耦接在放大器的第一輸入端及第二輸入端之間。感測電阻耦接在放大器的第二輸入端及第三輸入端之間。回授電路耦接在第一輸入端及輸出端之間。當輸入電流流經感測電阻時，感測電阻的跨壓等於輸入電阻的跨壓，並且回授電路依據輸入電流而對應輸出感測電壓。

Description

電流感測電路
本新型創作是有關於一種感測電路，且特別是有關於一種電流感測電路。
在傳統的電流感測電路當中，由於電流感測電路的放大器的輸入端需要耦接輸入電阻，而導致放大器的輸入端的輸入電容與輸入電阻形成RC效應，因此傳統的電流感測電路需要額外增外的電阻來平衡RC效應，以致於需要增加額外的電阻元件以及需要進行額外的電阻匹配的設計。習知技術是以多個放大器的架構來克服上述的RC效應，但是卻會導致電路複雜度增加，並且多個放大器可能操作在不同的電源域(Powcr domain)，而使得電路匹配不易。有鑑於此，以下將提出幾個實施例的解決方案。
本新型創作提供一種電流感測電路，可提供有效的電流感測功能。
本新型創作的電流感測電路包括放大器、輸入電阻、感測 電阻以及回授電路。放大器具有第一輸入端、第二輸入端、第三輸入端及輸出端。輸入電阻耦接在第一輸入端及第二輸入端之間。感測電阻耦接在第二輸入端及第三輸入端之間。回授電路耦接在第一輸入端及輸出端之間。當輸入電流流經感測電阻時，感測電阻的跨壓等於輸入電阻的跨壓，並且回授電路依據輸入電流而對應輸出感測電壓。
在本新型創作的一實施例中，上述的第二輸入端耦接輸入電壓。
在本新型創作的一實施例中，上述的回授電路包括回授電晶體以及回授電阻。回授電晶體的第一端耦接放大器的第一輸入端。回授電晶體的控制端耦接放大器的輸出端。回授電晶體的第二端輸出感測電壓。回授電阻耦接於回授電晶體的第二端及接地之間。
在本新型創作的一實施例中，上述的感測電壓滿足以下公式：
Figure 108215170-A0305-02-0004-1
。VOUT1為感測電壓的電壓值。IS1為輸入電流的電流值。RS1為感測電阻的電阻值。R1為輸入電阻的電阻值。R2為回授電阻的電阻值。
在本新型創作的一實施例中，上述的第二輸入端耦接接地電壓，並且第三輸入端耦接輸入電壓。
在本新型創作的一實施例中，上述的回授電路包括回授電晶體以及回授電阻。回授電晶體的第一端耦接參考電壓。回授電晶體的控制端耦接放大器的輸出端。回授電晶體的第二端輸出感 測電壓。回授電阻耦接於回授電晶體的第二端及放大器的第一輸入端之間。
在本新型創作的一實施例中，上述的感測電壓滿足公式：
Figure 108215170-A0305-02-0005-2
。VOUT2為感測電壓的電壓值。IS2為輸入電流的電流值。RS2為感測電阻的電阻值。R3為輸入電阻的電阻值。R4為回授電阻的電阻值。
在本新型創作的一實施例中，上述的放大器包括第一電壓電流轉換元件、第二電壓電流轉換元件、第三電壓電流轉換元件、第四電壓電流轉換元件以及減法電路。第一電壓電流轉換元件耦接放大器的第一輸入端，並且用以輸出第一電流至第一電流節點。第二電壓電流轉換元件耦接放大器的第二輸入端，並且用以輸出第二電流至第一電流節點。第三電壓電流轉換元件耦接放大器的第二輸入端，並且用以輸出第三電流至第二電流節點。第四電壓電流轉換元件耦接放大器的第二輸入端，並且用以輸出第四電流至第二電流節點。減法電路耦接第一電流節點以及第二電流節點。減法電路用以接收第一電流節點所輸出的第一參考電流，以及接收第二電流節點所輸出第二參考電流。減法電路將第一參考電流以及第二參考電流相減，以輸出第三參考電流。電流電壓轉換元件耦接減法電路，用以依據第三參考電流提供輸出電壓至回授電路。
基於上述，本新型創作的電流感測電路可降低甚至消除輸入電阻輸入電容的RC效應的影響，電路簡單且具有良好電路匹配，以提供良好的電流感測功能。
100、200、300:電流感測電路
110、210、310、410、510、610:放大器
111、211、311、411、511、611:第一輸入端
112、212、312、412、512、612:第二輸入端
113、213、313、413、513、613:第三輸入端
114、214、314:輸出端
120、220、320:回授電路
121、221、321:電壓輸出端
130、230、330:輸入電阻
140、240、340:感測電阻
222、322:回授電晶體
223、323:回授電阻
414~417:電壓電流轉換元件
418:減法電路
419:電流電壓轉換元件
519、619:負載單元
501~505、601~605:參考電流源
514~517、581~584、614~617、681~684:電晶體
IM1、IM2、IM3、IM4、IA、IB、IC、IS、IS1、IS2:電流
VOUT、VOUT1、VOUT2、VO、VO1、VO2、VBAT、VDD、VBIAS:電壓
VIN1、VIN2、VR1、VR3:跨壓
P1、P2:電流節點
圖1是依照本新型創作的一實施例的電流感測電路的示意圖。
圖2是依照本新型創作的第一實施例的電流感測電路的電路示意圖。
圖3是依照本新型創作的第二實施例的電流感測電路的電路示意圖。
圖4是依照本新型創作的一實施例的放大器的示意圖。
圖5是依照本新型創作的第一實施例的放大器的電路示意圖。
圖6是依照本新型創作的第二實施例的放大器的電路示意圖。
為了使本新型創作之內容可以被更容易明瞭，以下特舉實施例做為本新型創作確實能夠據以實施的範例。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件/步驟，係代表相同或類似部件。並且，本新型創作的說明書或申請專利範圍中提及的“第一”、“第二”等用語僅用以命名元件(element)的名稱或區別不同實施例或範圍，而並非用來限制元件數量上的上限或下限， 或是元件順序。
圖1是依照本新型創作的一實施例的電流感測電路的示意圖。參考圖1，電流感測電路100包括放大器110、回授電路120、輸入電阻130以及感測電阻140。在本實施例中，放大器110具有第一輸入端111、第二輸入端112、第三輸入端113以及輸出端114。輸入電阻130耦接在放大器110的第一輸入端111以及第二輸入端112之間。感測電阻140耦接在放大器110的第二輸入端112以及第三輸入端113之間。回授電路120耦接在第一輸入端111以及放大器110的輸出端之間，並且耦接電壓輸出端121。放大器110的輸出端114提供輸出電壓VO至回授電路120。當輸入電流IS流經感測電阻140時，感測電阻140的跨壓等於輸入電阻130的跨壓，並且回授電路120依據輸入電流IS而對應從電壓輸出端121輸出感測電壓VOUT。值得注意的是，由於輸入電流IS經由感測電阻140產生的跨壓將直接輸入至放大器110的第二輸入端112以及第三輸入端113，因此本實施例的放大器110的輸入不會有RC效應的問題。
圖2是依照本新型創作的第一實施例的電流感測電路的電路示意圖。參考圖2，圖2的電流感測電路200為一種輸入平衡的差分放大器(Input-Balance Differential Amplifier,IBDA)架構，適用於輸入電壓VBAT側的高側電流感測(High-Side Current Sensing)。電流感測電路200包括放大器210、回授電路220、輸入電阻230以及感測電阻240。在本實施例中，放大器210具有第 一輸入端211、第二輸入端212、第三輸入端213以及輸出端214。輸入電阻230耦接在放大器210的第一輸入端211以及第二輸入端212之間。感測電阻240耦接在放大器210的第二輸入端212以及第三輸入端213之間。回授電路220耦接在第一輸入端211以及輸出端214之間，並且耦接電壓輸出端221。回授電路220包括回授電晶體222以及回授電阻223。在本實施例中，回授電晶體222為P型電晶體。回授電晶體222的第一端耦接放大器210的第一輸入端211。回授電晶體222的控制端耦接放大器210的輸出端214。回授電晶體222的第二端耦接電壓輸出端221以及回授電阻223的一端。回授電阻223的另一端接地。
在本實施例中，放大器210的第一輸入端211為正相輸入端(+)。放大器210的第二輸入端212為共模輸入端(Vcom)，避免差動輸入端有不同共模。放大器210的第三輸入端213為反相輸入端(-)。在本實施例中，放大器210的第二輸入端212耦接輸入電壓VBAT。當輸入電流IS1流經感測電阻240時，會在感測電阻240上產生跨壓VIN1。由於第二輸入端212作為共模輸入端耦接輸入電壓VBAT，並且放大器210的第一輸入端211及第三輸入端213為等電位，因此感測電阻240的跨壓VIN1等於輸入電阻230的跨壓VR1。並且，放大器210的輸出端214提供輸出電壓VO1至回授電晶體222的控制端，以開啟回授電晶體222，以使回授電流從輸入電壓VBAT流至回授電晶體222以及回授電阻223。因此，電壓輸出端221將因為回授電流在回授電阻223所產生的壓降， 而對應輸出感測電壓VOUT1。
在本實施例中，電流感測電路200的電壓輸出端221所輸出的感測電壓VOUT1可由以下公式(1)~(3)推導而出。在以下公式(1)~(3)，RS1為感測電阻240的電阻值，R1為輸入電阻230的電阻值，並且R2為回授電阻223的電阻值。
V IN1=I S1×R S1.................公式(1)
Figure 108215170-A0305-02-0009-3
Figure 108215170-A0305-02-0009-4
因此，本實施例的電流感測電路200可有效地感測輸入電流IS1，以對應輸出感測電壓VOUT1。並且，由於輸入電流IS1經由感測電阻240產生的跨壓VIN1將直接輸入至放大器210的第二輸入端212以及第三輸入端213，因此本實施例的放大器210的輸入不會有RC效應的問題。另外，由於放大器210也操作在輸入電壓VBAT的相同電源域(Power domain)下，因此電流感測電路200不需要考慮不同電源域之間的電路匹配問題。
圖3是依照本新型創作的第二實施例的電流感測電路的電路示意圖。圖3是依照本新型創作的第二實施例的電流感測電路的電路示意圖。參考圖3，圖3的電流感測電路300為一種輸入平衡的差分放大器(Input-Balance Differential Amplifier,IBDA)架構，適用於接地側的低側電流感測(Low-Side Current Sensing)。電流感測電路300包括放大器310、回授電路320、輸入電阻330以及感測電阻340。在本實施例中，放大器310具有第一輸入端 311、第二輸入端312、第三輸入端313以及輸出端314。輸入電阻330耦接在放大器310的第一輸入端311以及第二輸入端312之間。感測電阻340耦接在放大器310的第二輸入端312以及第三輸入端313之間。回授電路320耦接在第一輸入端311以及輸出端314之間，並且耦接電壓輸出端321。回授電路320包括回授電晶體322以及回授電阻323。在本實施例中，回授電晶體322為N型電晶體。回授電晶體322的第一端耦接輸入電壓VDD。回授電晶體322的控制端耦接放大器310的輸出端314。回授電晶體322的第二端耦接電壓輸出端321以及回授電阻323的一端。回授電阻323的另一端接地。
在本實施例中，放大器310的第一輸入端311為反相輸入端(-)。放大器310的第二輸入端312為共模輸入端(Vcom)，避免差動輸入端有不同共模。放大器310的第三輸入端313為正相輸入端(+)。在本實施例中，放大器310的第二輸入端312耦接接地電壓。輸入電流IS2流經感測電阻340，並且在感測電阻340上產生跨壓VIN2。由於第二輸入端312耦接接地電壓，並且放大器310的第一輸入端311及第三輸入端313為等電位，因此感測電阻340的跨壓VIN2等於輸入電阻330的跨壓VR3。並且，放大器310的輸出端314輸出輸出電壓VO2至回授電晶體322的控制端，以開啟回授電晶體322，以使回授電流將從接地電壓流至回授電晶體322以及回授電阻323。因此，電壓輸出端321將因為回授電流在回授電阻323所產生的壓降，而對應輸出感測電壓VOUT2。
在本實施例中，電流感測電路300的電壓輸出端321所輸出的感測電壓VOUT2可由以下公式(4)~(6)推導而出。在以下公式(4)~(6)，RS2為感測電阻340的電阻值，R3為輸入電阻330的電阻值，並且R4為回授電阻323的電阻值。
V IN2=I S2×R S2.................公式(4)
Figure 108215170-A0305-02-0011-5
Figure 108215170-A0305-02-0011-6
因此，本實施例的電流感測電路300可有效地感測輸入電流IS2，以對應輸出感測電壓VOUT2。並且，由於輸入電流IS2經由感測電阻340產生的跨壓VIN2將直接輸入至放大器310的第二輸入端312以及第三輸入端313，因此本實施例的放大器310的輸入不會有RC效應的問題。另外，由於放大器310也操作在與回授電晶體322的相同電源域(power domain)下，因此電流感測電路300不需要考慮不同電源域之間的電路匹配問題。
圖4是依照本新型創作的一實施例的放大器的示意圖。參考圖4，本實施例的放大器410的系統架構可適用於上述圖1至圖3實施例的放大器110~310。在本實施例中，放大器410包括電壓電流轉換元件414~417、減法電路418以及電流電壓轉換元件419。電壓電流轉換元件414耦接放大器410的第一輸入端411，並且用以進行電壓轉電流轉換，以輸出電流IM1至電流節點P1。電壓電流轉換元件415耦接放大器410的第二輸入端412(共模輸入端)，並且用以進行電壓轉電流轉換，以輸出電流IM2至電流節 點P1。電壓電流轉換元件416耦接放大器410的第二輸入端412，並且用以電壓轉電流轉換，以輸出電流IM3至電流節點P2。電壓電流轉換元件417耦接放大器410的第三輸入端413，並且用以進行電壓轉電流轉換，以輸出電流IM4至電流節點P2。
在本實施例中，電流IM1以電流IM2在電流節點P1相加後，電流節點P1輸出參考電流IA。電流IM3以電流IM4在電流節點P2相加後，電流節點P2輸出參考電流IB。減法電路418耦接電流節點P1、P2，並且用以接收電流節點P1、P2所輸出的參考電流IA、IB，並將參考電流IA、IB相減以輸出參考電流IC。電流電壓轉換元件419耦接減法電路418，依據參考電流IC產生輸出電壓VO。值得注意的是，本實施例的電壓電流轉換元件414~417係由電晶體組成(將詳述於以下圖5以及圖6)。對此，由於本實施例的放大器410的第一輸入端411、第二輸入端412以及第三輸入端413無須外掛額外的電阻，因此電壓電流轉換元件414~417的轉導(GM)將不受電阻限制，並可將各電晶體配置於同一阱區中，並且在同一製程下製作，而具有良好的匹配(Matching)效果。
圖5是依照本新型創作的第一實施例的放大器的電路示意圖。參考圖5，圖5的放大器510為上述圖2實施例的放大器的電路架構。在本實施例中，放大器510包括電晶體514~517(對應於圖4的電壓電流轉換元件414~417)，並且電晶體514~517為N型電晶體。電晶體514的第一端以及電晶體515的第一端耦接電流節點P1。電流節點P1耦接參考電流源502。電晶體514的控制 端耦接放大器510的第一輸入端511(正相輸入端)。電晶體515的控制端耦接放大器510的第二輸入端512(共模輸入端)。電晶體516的第一端以及電晶體517的第一端耦接電流節點P2。電流節點P2耦接參考電流源501。電晶體516的控制端耦接放大器510的第二輸入端512。電晶體517的控制端耦接放大器510的第三輸入端513(反相輸入端)。電晶體514~517各別的第二端耦接至等電位節點，並且耦接共同的參考電流源505。
在本實施例中，放大器510還包括電晶體581~584(對應於圖4的減法電路418)以及負載單元519(對應於圖4的電流電壓轉換元件419)。電晶體581、582為P型電晶體，並且電晶體583、584為N型電晶體。電晶體581的第一端耦接電流節點P1以及參考電流源504，並且電晶體581的控制端耦接參考電壓VBIAS。電晶體581的第二端耦接負載單元519以及電晶體583的第一端。電晶體582的第一端耦接電流節點P2以及參考電流源503，並且電晶體582的控制端耦接參考電壓VBIAS。在本實施例中，電晶體581的第二端可對應輸出參考電流IA至負載單元519，並且電晶體582的第二端可對應輸出參考電流IB至電晶體584的第一端。電晶體583與電晶體583組成電流鏡(Current mirror)電路。電晶體583可提供對應的參考電流IB至負載單元519。因此，負載單元519可取得參考電流IA與參考電流IB相減後的參考電流IC。然而，需說明的是，圖5中的電流方向不代表實際電流方向，僅用於表示電流所流通的位置。
在本實施例中，負載單元519可例如包括電阻或電容等電路，本實施例並不加以限制。負載單元519可將參考電流IC轉為輸出電壓VO。值得注意的是，由於本實施例的放大器510的第一輸入端511、第二輸入端512以及第三輸入端513無須外掛額外的電阻，並且電晶體514~517各別的第二端耦接至等電位，因此本實施例的電晶體514~517的轉導將不受電阻限制，而且各電晶體在製程中可配置於同一阱區中，並且在同一道製程下製作，使得三個輸入端元件均在同一阱區中而具有良好的匹配效果。
圖6是依照本新型創作的第二實施例的放大器的電路示意圖。參考圖6，圖6的放大器610的電路架構為上述圖4實施例的另一實施範例，並且適用於上述圖3實施例的放大器310。在本實施例中，放大器610包括電晶體614~617(對應於圖4的電壓電流轉換元件414~417)，並且電晶體614~617為P型電晶體。電晶體614的第二端以及電晶體615的第二端耦接電流節點P1。電流節點P1耦接參考電流源601。電晶體614的控制端耦接放大器610的第一輸入端611(反相輸入端)。電晶體615的控制端耦接放大器610的第二輸入端612(共模輸入端)。電晶體616的第一端以及電晶體617的第一端耦接電流節點P2。電流節點P2耦接參考電流源602。電晶體616的控制端耦接放大器610的第二輸入端612。電晶體617的控制端耦接放大器610的第三輸入端613(正相輸入端)。電晶體614~617各別的第一端耦接至等電位節點，並且耦接共同的參考電流源605。
在本實施例中，放大器610還包括電晶體681~684(對應於圖4的減法電路418)以及負載單元619(對應於圖4的電流電壓轉換元件419)。電晶體681、682為N型電晶體，並且電晶體683、684為P型電晶體。電晶體681的第一端耦接電流節點P1以及參考電流源604，並且電晶體681的控制端耦接參考電壓VBIAS。電晶體681的第一端耦接負載單元619以及電晶體683的第二端。電晶體682的第一端耦接電流節點P2以及參考電流源603，並且電晶體682的控制端耦接參考電壓VBIAS。在本實施例中，電晶體681的第二端可對應產生參考電流IA至負載單元619，並且電晶體682的第二端可對應產生參考電流IB至電晶體684的第一端。電晶體683與電晶體683組成電流鏡電路。電晶體683可提供對應的參考電流IB至負載單元619。因此，負載單元619可取得參考電流IA與參考電流IB相減後的參考電流IC。然而，需說明的是，圖6中的電流方向不代表實際電流方向，僅用於表示電流所流通的位置。
在本實施例中，負載單元619可例如包括電阻或電容等電路，本實施例並不加以限制。負載單元619可將參考電流IC轉為輸出電壓VO。值得注意的是，由於本實施例的放大器610的第一輸入端611、第二輸入端612以及第三輸入端613無須外掛額外的電阻，並且電晶體614~617各別的第一端耦接至等電位，因此本實施例的電晶體614~617的轉導將不受電阻限制，而且各電晶體在製程中可配置於同一阱區中，並且在同一道製程製作，使得三 個輸入端元件均在同一阱區中而具有良好的匹配效果。
綜上所述，本新型創作的電流感測電路可適用於高側電流感測以及低側電流感測，且無需在放大器的輸入端耦接額外的電阻，以有效降低或消除RC效應的影響。並且，本新型創作的電流感測電路的放大器的內部電晶體可具有良好的轉導匹配，以提供有效的電流感測功能。
雖然本新型創作已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本新型創作，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本新型創作的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本新型創作的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100:電流感測電路
110:放大器
111:第一輸入端
112:第二輸入端
113:第三輸入端
114:輸出端
120:回授電路
121:電壓輸出端
130:輸入電阻
140:感測電阻
VOUT、VO:電壓
IS:電流

Claims (8)

  1. 一種電流感測電路，包括： 一放大器，具有一第一輸入端、一第二輸入端、一第三輸入端及一輸出端； 一輸入電阻，耦接在該第一輸入端及該第二輸入端之間； 一感測電阻，耦接在該第二輸入端及該第三輸入端之間；以及 一回授電路，耦接在該第一輸入端及該輸出端之間， 其中當一輸入電流流經該感測電阻時，該感測電阻的跨壓等於該輸入電阻的跨壓，並且該回授電路依據該輸入電流而對應輸出一感測電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的電流感測電路，其中該第二輸入端耦接一輸入電壓。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的電流感測電路，其中該回授電路包括： 一回授電晶體，其一第一端耦接該放大器的該第一輸入端，其一控制端耦接該放大器的該輸出端，並且其一第二端輸出該感測電壓；以及 一回授電阻，耦接於該回授電晶體的該第二端及接地之間。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的電流感測電路，其中該感測電壓滿足以下公式：
    Figure 03_image013
    其中V OUT1為該感測電壓的電壓值，I S1為該輸入電流的電流值，R S1為該感測電阻的電阻值，R 1為該輸入電阻的電阻值，並且R 2為該回授電阻的電阻值。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的電流感測電路，其中該第二輸入端耦接一接地電壓，並且該第三輸入端耦接一輸入電壓。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的電流感測電路，其中該回授電路包括： 一回授電晶體，其一第一端耦接一參考電壓，其一控制端耦接該放大器的該輸出端，並且其一第二端輸出該感測電壓；以及 一回授電阻，耦接於該回授電晶體的該第二端及該放大器的該第一輸入端之間。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的電流感測電路，其中該感測電壓滿足以下公式：
    Figure 03_image015
    其中V OUT2為該感測電壓的電壓值，I S2為該輸入電流的電流值，R S2為該感測電阻的電阻值，R 3為該輸入電阻的電阻值，並且R 4為該回授電阻的電阻值。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的電流感測電路，其中該放大器包括： 一第一電壓電流轉換元件，耦接該放大器的該第一輸入端，並且用以輸出一第一電流至一第一電流節點； 一第二電壓電流轉換元件，耦接該放大器的該第二輸入端，並且用以輸出一第二電流至該第一電流節點； 一第三電壓電流轉換元件，耦接該放大器的該第二輸入端，並且用以輸出一第三電流至一第二電流節點； 一第四電壓電流轉換元件，耦接該放大器的該第三輸入端，並且用以輸出一第四電流至該第二電流節點； 一減法電路，耦接該第一電流節點以及該第二電流節點，用以接收該第一電流節點所輸出的一第一參考電流，以及接收該第二電流節點所輸出一第二參考電流，其中該減法電路將該第一參考電流以及該第二參考電流相減，以輸出一第三參考電流；以及 一電流電壓轉換元件，耦接該減法電路，用以依據該第三參考電流提供輸出電壓至該回授電路。
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