用于感测电流的方法和装置制造方法及图纸

所描述的示例包括通过功率半导体器件的电流感测，该功率半导体器件具有对温度和过程变化的降低的灵敏度。一个示例布置(500)包括：功率开关(510)，其耦合在电压输入和向负载(LOAD)供应电流的输出电压端子之间；第一隔离开关(520)，其耦合在电压输入和第一节点(535)之间；比较器放大器(526)，其具有一对差分输入，该对差分输入耦合到第一节点(535)和第二节点(537)，以响应于差分输入处的差值而输出电压；以及第一电流源(II)，其耦合在正电源电压和第一节点(535)之间，以响应于从比较器放大器(526)输出的电压而输出第一电流。第一电流与通过功率开关(510)的电流成比例，并且与功率开关(510)的导通电阻和第一隔离开关(520)的导通电阻的比值成比例。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于感测电流的方法和装置
本申请一般涉及电子电路，并且更具体地涉及用于功率半导体器件中在广泛的温度范围内感测负载电流的方法和电路。
技术介绍
场效应晶体管(FET)自从其引入市场以来已经是低阻电子开关的主要器件。在常见的应用中，使用FET实施的功率FET或开关用于将电源电压耦合到输出电压端子处的负载上。测量流过FET的电流是控制电路的常见要求，其被设计为使系统(FET和控制电路是其中的一部分)保持在其操作参数之内，特别地作为在高负载条件下实施限流以防止FET器件损坏或失效的一种安全措施。当FET导通，并且漏极与源极之间的电阻(RDSon)低时，最大电流发生在导通模式下。在电流路径中加入串联电阻器的常规的电流感测方法可以生成电流测量点，但这种方法在功耗和峰值测量电压之间形成了折衷。串联电阻器值必须足够大，以便感测的信号(测量对应于通过电阻器的电流的电压)在信号本底噪音之上，还尽可能小以降低功耗。另外，分流电阻器的功耗与负载电流的平方成比例，这对系统的效率产生了不利的影响。此外，这种串联电阻元件的寄生电感对于在短时间内切换大电流时确定电路行为具有重要的不利作用，导致电压过冲，使电路负荷过重。另一种常规的方法是使用作为负载一部分的电感器的寄生电阻两端的电压来近似负载电流。图1示出用于估计来自功率FET的负载电流的常规电路的电路图100。在来自Walters等人的专利号US5,982,160的示例电路100中，负载电流是通过重新构建来自电阻器-电容器(RC)网络120两端的串联电感器110的电压来近似负载电流。电感器110的变化归因于所使用的机械的导线量和固有温度灵敏度，该电感器110的变化跨广泛的温度范围将对感测精度有显著的影响。在进一步的工作中，如由Walters等人的专利号US6,870,352的图1所示的，温度补偿电阻器被用于RC网络120中，以帮助遏制温度变化问题。使用这种温度补偿电阻器通常比集成在半导体封装内的电阻器昂贵。在导通模式下，FET具有稍微(somewhat)线性的RDSon，它吸引人们感测FET两端的电压，并使用适当的RDSon值来估计近似的负载电流。然而，电阻RDSon可以具有与8000ppm/℃一样大的热系数，等于在25℃到125℃的典型操作范围内的大约80％。为了克服由于热变化引起的大的变化，具有匹配热系数(TC)的组件的各种布置已经被采用以抵消由于功率FET的固有TC引起的变化。图2示出了温度补偿负载电流感测的另一种常规的解决方案的电路图200。在图2中，由Walter等人的专利号6,870,352的图2的示意图示出另一个热补偿感测电阻器220(RSEN)的使用被设置并且基本上匹配于功率FET210的RDSon的热变化。图3示出了另一种常规的负载电流感测布置300，其使用“电流分支”方法来估计负载电流。主功率FET31由PWM开关布置来切换，并且当负载电流流过负载时，部分电流被转移到感测FET330。感测FET330是比功率FET310具有更高导通电阻的较小的FET。负载电流的样本将产生与负载电流成比例的电阻器Rs两端的电压Vs。使用感测FET330提供了近似负载电流的简单方法，但是它有一些缺点。一个关注点是可实现的电流精度和噪声容限，其由电阻器上产生的电压限制。这也与两个FET的漏极对源极电压匹配的能力进行了折衷；在电流测量中，失配被转化为非线性的。此外，由于电阻器Rs两端的电压与其它方法相比是小的，所以通常需要放大器332来驱动(IC的)外部负载，这导致电路响应速度、范围和精度的折衷。在这些常规解决方案的每一个中，需要温度补偿电阻器，并且在制造时其具有可用的最佳匹配。这些温度补偿电阻器在FET的集成电路外部，并且是昂贵的。相应地，已经尝试了更多的解决方案来排除它们。图4示出了除TC匹配电阻器之外的另一种常规电流感测拓扑结构的电路示意图400。在图4中，功率FET410由PWM开关电路来切换。负载电流ILOAD流过负载490。Vin通常是比感测电路的击穿电压高的电压。为了保护感测电路免受Vin的高电压的影响，在功率FET410处于关断状态时，使用另一隔离FET420来阻挡高电压。当功率FET410导通时，其两端的电压下降到安全水平，此时感测开关电路将导通隔离FET420并关断保护FET430。此时，电压Vs与功率FET410的导通电阻RDSon和通过它的电流成比例。该电路具有快速跟随能力，并且在给定温度下也具有合理的V-I线性。此外，在典型的应用中，峰值感测电压Vs可以在1伏的范围内，与其他体系结构中的几十毫伏相比，提供良好的范围、分辨率和抗噪性。这种常规布置由于FET410的Rdson的温度依赖性导致的非线性而不足，其可以是如上所述的大值。温度变化，也取决于应用的负载，即使对于通过FET410的给定电流，也会产生很大的变化。一个复杂的系统可以实施校准的方法来减少错误，但是这个过程增加了不必要的复杂性和更多的成本。对于在温度范围内以相对低的成本在功率FET中提供电流感测的方法和装置，持续改进是可取的。
技术实现思路
在所描述的示例中，功率FET由控制电路来切换，以实施诸如功率管理或电机控制系统之类的系统。功率FET将电流从输入电压供应给耦合到输出端子的负载。至少第一隔离FET耦合到功率FET和比较器放大器。至少一个电流源还连接到比较器放大器输入中的一个，并响应比较器的输出而供应电流，产生随着功率FET中的电流而波动的电流输出。输出电流与负载电流相关，与功率FET的导通电阻和至少一个隔离FET的导通电阻的比值(ratio)成比例，该比例与温度无关。将隔离FET与功率FET共同定位/共置(co-locate)在相同衬底上，最小化由于任何温度失配引起的差异。此外，如果隔离FET是与功率FET相同的类型，则由于过程变化而导致的失配效应也被最小化。在一个示例中，一种装置包括功率开关，其具有开关控制输入并且具有耦合在电压输入和输出电压端子之间的电流传导路径，其被配置用于响应于耦合到开关控制输入的开关控制信号向负载供应电流；第一隔离开关，其具有耦合在电压输入第一节点之间的电流传导路径，并且具有耦合到隔离开关控制电路的控制端子；比较器放大器，其具有耦合到第一节点和第二节点的一对差分输入，并且具有至少一个输出，比较器放大器被配置为响应于差分输入处的差值而输出电压；以及第一电流源，其耦合在正电源电压和第一节点之间，并且被配置为响应于从比较器放大器输出的电压而输出第一电流。第一电流与通过功率开关的电流成比例，并且与功率开关的导通电阻和第一隔离开关的导通电阻的比值成比例。在进一步的布置中，该装置进一步包括耦合在输出电压端子和第二节点之间的第二隔离开关；以及耦合在正电源电压和第二节点之间的第二电流源。在另一种布置中，比较器放大器进一步包括第二输出电压和第二电流源，该第二电流源响应于第二输出电压向第二节点供应电流。还有在另一种布置中，第一电流和第二电流之间的差值与通过功率开关供应的电流成比例。还有在另一种布置中，功率开关、第一隔离开关和第二隔离开关每个都包括由常用导体材料形成的场效应晶体管(FET)。在另外进一步的布置中，半导体材料包括氮化镓。还有在另一种替代布置中，半导体材料包括硅。在另一种本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种装置，包含：功率开关，其具有开关控制输入并且具有电流传导路径，所述电流传导路径耦合在电压输入和输出电压端子之间，所述功率开关被配置用于响应于耦合到所述开关控制输入的开关控制信号向负载供应电流；第一隔离开关，其具有电流传导路径，所述电流传导路径耦合在所述电压输入第一节点之间，并且具有耦合到隔离开关控制电路的控制端子；比较器放大器，其具有耦合到所述第一节点和第二节点的一对差分输入，并且具有至少一个输出，所述比较器放大器被配置为响应于在所述差分输入处的差值而输出电压；以及第一电流源，其耦合在正电源电压和所述第一节点之间，并且被配置为响应于从所述比较器放大器输出的电压而输出第一电流；其中，所述第一电流与通过所述功率开关的电流成比例，并且与所述功率开关的导通电阻和所述第一隔离开关的导通电阻的比值成比例。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.01.13 US 14/994,5601.一种装置，包含：功率开关，其具有开关控制输入并且具有电流传导路径，所述电流传导路径耦合在电压输入和输出电压端子之间，所述功率开关被配置用于响应于耦合到所述开关控制输入的开关控制信号向负载供应电流；第一隔离开关，其具有电流传导路径，所述电流传导路径耦合在所述电压输入第一节点之间，并且具有耦合到隔离开关控制电路的控制端子；比较器放大器，其具有耦合到所述第一节点和第二节点的一对差分输入，并且具有至少一个输出，所述比较器放大器被配置为响应于在所述差分输入处的差值而输出电压；以及第一电流源，其耦合在正电源电压和所述第一节点之间，并且被配置为响应于从所述比较器放大器输出的电压而输出第一电流；其中，所述第一电流与通过所述功率开关的电流成比例，并且与所述功率开关的导通电阻和所述第一隔离开关的导通电阻的比值成比例。2.根据权利要求1所述的装置，进一步包含：第二隔离开关，其耦合在所述输出电压端子和所述第二节点之间；以及第二电流源，其耦合在所述正电源电压和所述第二节点之间。3.根据权利要求2所述的装置，其中所述比较器放大器进一步包含第二输出电压，并且所述第二电流源响应于所述第二输出电压向所述第二节点供应电流。4.根据权利要求3所述的装置，其中所述第一电流和所述第二电流之间的差值与通过所述功率开关供应的电流成比例。5.根据权利要求2所述的装置，其中所述功率开关、所述第一隔离开关和所述第二隔离开关每个包含由常用半导体材料形成的场效应晶体管即FET。6.根据权利要求5所述的装置，其中所述半导体材料包含氮化镓。7.根据权利要求5所述的装置，其中所述半导体材料是从主要由硅、碳化硅、砷化镓、氮化镓、砷化铟、锗和硅锗组成的组中选择的一种。8.根据权利要求2所述的装置，其中所述功率开关、所述第一隔离开关和所述第二隔离开关每个包含GaNFET器件。9.根据权利要求2所述的装置，其中所述第一隔离开关和所述第二隔离开关包含具有相同尺寸的晶体管。10.根据权利要求1所述的装置，进一步包含：第二电流源，其耦合在所述第一节点和负电源之间，并且从所述第一节点供应第二电流；其中所述比较器放大器的所述第二节点耦合到所述输出电压端子，并且所述第一电流和所述第二电流之间的差值与通过所述功率开关的所述电流成比例。11.根据权利要求10所述的装置，其中所述第一电流与通过所述功率开关的电流乘以所述功率开关的导通电阻与所述第一隔离开关的导通电阻的比值成比例。12.一种方法，包含：在输入电压端子和输出电压端子之间耦合功率开关的电流传导路径，用于响应于开关控制电路向输出电压端子处的负载供应电流；在所述输入电压端子和第一节点之间耦合第一隔离开关的电流传导路径，以及在正电压电源和所述第一节点之间耦合第一电流源，所述第一电流源具有控制输入；将比较器放大器耦合到所述第一节点和第二节点，并且将所述比较器放大器的输出耦合到所述第一电流源的所述控制输入；操作所述功率开关以向耦合到所述电压输出端子的负载供应电流；操作所述比较器以控制来自所述第一电流源的所述第一电流；以及使用所述第一电流，计算通过所述功率开关的负载电流，其中所述第一电流与通过所述功率开关的所述负载电流成比例，以及与所述功率开关的导通电阻和所述第...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·钱德拉塞克兰，C·卡亚，
申请(专利权)人：德克萨斯仪器股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US