高精度开关电容器MOSFET电流测量技术制造技术

本公开涉及高精度开关电容器MOSFET电流测量技术。一种电流监控器电路，包含：感测晶体管，所述感测晶体管设置在第一电压域中；参考晶体管，所述参考晶体管设置在与第一电压域隔离的第二电压域中；以及感测电路系统，所述感测电路系统被配置为使用参考晶体管中的电流来确定感测晶体管中的电流是否大于或小于指定电流。

【技术实现步骤摘要】
高精度开关电容器MOSFET电流测量技术优先权要求本申请要求于2019年5月31日提交的美国临时专利申请第62/855,041号的优先权的权益，其全部内容通过引用并入本文。
本文件涉及集成电路，并且特别地涉及在集成电路中使用隔离晶体管作为控制元件。
技术介绍
在许多电路应用中，隔离晶体管可以用作控制元件。例如，隔离晶体管可以用于开关、多路复用器(muxes)、断路器、理想二极管、电流或功率限制器、热插拔功能、电池充电器应用等功率电子器件。期望的是有一种用于控制独立于应用的共模电压操作的隔离晶体管的测量技术。附图说明在不一定按比例绘制的附图中，相同的数字可以在不同的视图中描述相似的组件。具有不同字母后缀的相似数字可以代表相似组件的不同示例。附图通过示例的方式而非限制的方式总体示出了本文件中讨论的各种实施例。图1是电子断路器(ECB)电路的示例的框图。图2是ECB电路的另一示例的电路图。图3是驱动图2的ECB电路的开关的驱动电路的电路图。图4是驱动图2的ECB电路的晶体管的驱动电路的电路图。图5是ECB电路的另一示例的电路图。图6是模拟电流监控器电路的示例的电路图。图7是数字电流监控器电路的示例的电路图。图8A和图8B示出了晶体管的分段的示例。图9是控制ECB电路的操作的方法的示例的流程图。具体实施方式隔离晶体管在集成电路中可以用作控制元件。在特定示例中，如果电流低于预定阈值，则电子断路器(ECB)电路可以用于将电源连接到负载，并且如果电流高于预定阈值，则该电子断路器电路使电源与该负载断开。图1是使用理想电路元件的ECB电路的示例的框图。ECB电路包括感测电阻器RSNS、开关SW1、缓冲器和比较器。当ILOAD＜VREF/RSNS时，开关SW1开或闭合，并且当ILOAD＞VREF/RSNS时，SW1关或断开。ECB电路的实际实施方式是用晶体管代替开关SW1。然而，考虑其中输入电压VIN可以是高的正电压、近地电压或负电压的ECB。期望的是有一种用于独立于开关电流路径的共模电压(图1中从IN到OUT)而操作的ECB的测量技术。此外，将有利的是消除与电流感测电阻器RSNS相关联的电压降和功耗。图2是ECB电路的另一示例的电路图。该电路执行如图1中示出的示例中一样的断路器功能，但是输入节点IN和输出节点OUT之间的开关SW1被场效应晶体管(FET)MPWR代替。图1中的电流感测电阻器RSNS、缓冲器和比较器被图2中的不同的监控电路系统代替。监控电路系统的晶体管MPWR、开关X1、X2、X3、X4和电容器C1、C2位于与监控电路系统的其余部分不同的电压域。在图2的示例中，监控电路系统的晶体管MPWR、开关X1、X2、X3、X4和电容器C1、C2位于电路的较高电压(HV)区域，并且监控电路系统的其余部分位于电路的较低电压(LV)区域。HV域和LV域由隔离结构隔开。图2的右下角中示出的是开关电容器电路系统的三相的时序图。在第一相Phi1期间，在隔离电容器C1和C2中的两者上采样输出电压VOUT的输入共模。同时，所有放大器(G1、G2和A3)都自动调零。将G1、G2和A3的增益偏移电压相加并将其存储在自动调零(AZ)电容器CAZ3和CAZ4上。使用开关X12和X13将AZ电容器的“输出”共模设置为共模电压VCM。应当注意的是，G1和G2到电阻R1、R2和放大器A3的组合增益相对较小(例如，增益在5–100的范围内，这取决于预期的输入信号范围)。电容器C1、C2和CAZ3、CAZ4是匹配的电容器对。图2还包括参考晶体管MREF和再生器电路。在第二相Phi2期间，C2上的电压不变，但是MPWR的Vds经由C1和C2差分呈现给G1的输入。同时，MREF的漏极到源极电压(Vds)连接到G2的输入。在集成电路实施方式中，MPWR可以被设计成多个并行MREF器件的的倍数α(例如，α＝20,000)。参考电流(IREF)被迫通过参考晶体管MREF。首先，这确保了当MPWR的电流是IREF的α倍时，MREF的Vds等于MPWR的Vds，而独立于温度和工艺变化。此外，G1和G2被设计为具有相等跨导的匹配跨导放大器。再生器电路包括比较器电路和降低再生器电路的输出处的噪声的电路系统。在Phi2期间，从MPWR的增益的Vds中减去MREF的增益的Vds，并经由CAZ3和CAZ4将其呈现给再生器电路的输入。应该注意的是，CAZ3和CAZ4先前存储了来自Phi1的自动调零动作的偏移信息，从而即使在被测量的Vds非常小时也提供了高精度。在最后的相Phi3期间，再生器电路被供电以判定MPWR的Vds是小于或大于MREF的Vds。这一比较判定锁存在Phi1的下一个上升沿上。以精确的比率(例如，20,000比1)制造晶体管MPWR和MREF。由于MREF和MPWR之间的比率，这两个器件的Vds的比较相当于将MPWR的电流与α倍的IREF(αIREF)进行比较。MPWR的Vds大于MREF的VDS指示MPWR中的电流高于期望的跳转电流水平。锁存器的输出然后可以用于在故障的情况下使晶体管MPWR截止。图2的电路拓扑有几个益处。明显的益处是电流测量不需要串联感测电阻器(RSNS)。这消除了与感测电阻器相关联的电压降和功耗。这一拓扑的另一主要益处是，除了MPWR、MREF、C1和C2(以及驱动开关X1、X2、X3和X4所需的几个电平转换电容器)之外，所有电路系统可以使用低压器件实施。换句话说，如果信号处理电路系统从低电压偏置电源(例如，电源VDD)供电，但是输入共模电压为高(例如，12伏特(12V)、或40V、或60V)，则组件MPWR、MREF、C1和C2需要处理最大输入电压，但是所有其他电路系统可以是与VDD一致的低电压(例如，2.7V或3.3V或5V)。通过简单地改变功率器件(MPWR)、参考器件(MREF)和隔离电容器(C1、C2)，低压器件的使用使得电路拓扑可容易地适应于许多不同的电压电平。此外，电路拓扑同样适用于高共模输入电压、极低共模输入电压(例如接近0V)或者负共模电压。假设C1和C2没有极性问题，则MPWR的Vds到低电压(VDD)域的电平转换将独立于输入/输出共模而工作。该拓扑的另一显著益处是，这一电流测量技术不会以有意义的方式干扰开关电流路径(IN到OUT)。从IN或OUT中提取的平均电流可以远低于100纳安培(100nA)，而不会影响电路操作。虽然在非常高的频率下操作开关电容电路系统会增加电流消耗，但这一电流是由VDD提供的，而不是来自IN或OUT。最后，可以修改架构以适用于在任何方向流动的电流。图3是用于驱动图2中的电路HV侧上的开关X1、X2、X3、X4的驱动电路的电路图。P沟道FET(PFET)M1对应于图2中的开关X1、X2、X3或X4中的任何一个。图3中的电容器C1对应于图2中的电容器C1。图3的驱动电路使用全部的低压器件，除了隔离电容器CDRV(其需要承受最大本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电流监控器电路，包含：/n感测晶体管，所述感测晶体管设置在第一电压域中；/n参考晶体管，所述参考晶体管设置在与所述第一电压域隔离的第二电压域中；以及/n感测电路系统，所述感测电路系统设置在所述第二电压域中并且被配置为使用所述参考晶体管中的电流来确定所述感测晶体管的电流是否大于或小于指定电流。/n

【技术特征摘要】
20190531 US 62/855,041;20200428 US 16/860,5981.一种电流监控器电路，包含：
感测晶体管，所述感测晶体管设置在第一电压域中；
参考晶体管，所述参考晶体管设置在与所述第一电压域隔离的第二电压域中；以及
感测电路系统，所述感测电路系统设置在所述第二电压域中并且被配置为使用所述参考晶体管中的电流来确定所述感测晶体管的电流是否大于或小于指定电流。


2.根据权利要求1所述的电流监控器电路，其中所述感测电路系统包括：
开关电容器电路，所述开关电容器电路被配置为对所述感测晶体管的漏极到源极电压(Vds)进行采样；以及
比较电路系统，所述比较电路系统设置在所述第二电压域中并且被配置为确定所述采样的所述感测晶体管的Vds是否大于或小于所述参考晶体管的Vds。


3.根据权利要求2所述的电流监控器电路，包括可调电流源，所述可调电流源向所述参考晶体管施加参考电流以生成所述参考晶体管的可调Vds。


4.根据权利要求1所述的电流监控器电路，其中所述感测电路系统被配置为生成与所述感测晶体管的电流成比例的电压，并且将所生成的电压与指定电压进行比较，以确定所述感测晶体管中的所述电流是否大于或小于所述指定电流。


5.根据权利要求1所述的电流监控器电路，其中所述感测电路系统包括：
开关电容器电路，所述开关电容器电路被配置为对所述感测晶体管的漏极到源极电压(Vds)进行采样；
误差放大器，所述误差放大器设置在所述第二电压域中，并且被配置为调节参考晶体管的电流，以使所述参考晶体管的Vds与所述感测晶体管的所述Vds匹配；以及
比较电路系统，所述比较电路系统被配置为确定所述参考晶体管的所述电流是否大于或小于所述指定电流。


6.根据权利要求5所述的电流监控器电路，包括：
电阻式电路元件，所述电阻式电路元件使用所述参考晶体管的所述电流生成电压；
其中所述比较电路系统被配置为将所述生成的电压与参考电压进行比较，以实施指示所述参考晶体管的所述电流何时大于所述指定电流的跳转阈值；并且
其中所述电阻式电路元件是可调的以实施可编程的跳转阈值。


7.根据权利要求1所述的电流监控器电路，其中所述感测电路系统包括：
开关电容器电路，所述开关电容器电路被配置为对所述感测晶体管的漏极到源极电压(Vds)进行采样；以及
模数转换器(ADC)电路，所述模数转换器电路用于生成与所述感测晶体管中的所述电流成比例的数字值，并将所述数字值与指定的数字值进行比较，以确定所述感测晶体管中的所述电流是否大于或小于所述指定电流。


8.根据权利要求1所述的电流监控器电路，其中所述感测晶体管是由按尺寸加权的不同晶体管分段构成的分段晶体管，并且所述不同晶体管分段独立地激活。


9.根据权利要求1至8中任一项所述的电流监控器电路，其中所述感测晶体管是开关晶体管，并且所述感测电路系统包括比较器，所述比较器在所述感测晶体管的所述电流大于所述指定电流时生成用于使所述感测晶体管截止的故障信号。


10.一种电子断路器(ECB)电路，包含：
开关晶体管，所述开关晶体管设置在第一电压域中；
参考晶体管，所述参考晶体管设置在与所述第一电压域隔离的第二电压域中；以及
感测电路系统，所述感测电路系统被配置为：
使用所述参考晶体管中的电流来确定所述开关晶体管的电流是否大于或小于指定电流，并且
当所述参考晶体管中的所述电流指示所述开关晶体管的所述电流大于所述指定电流时，使所述开关晶体管截止。


11.根据权利要求10所述的ECB电路，其中所述感测电路系统被配置为生成与所述开关晶体管的所述电流成比例的电压，并且将所述生成的电压与指定电压进行比较，以确定所述开关晶体管中的所述电流何时大于所述指定电流。


12.根据权利要求10所述的ECB电路，其中所述感测电路系统包括：
开关电容器电路，所述开关电容器电路被配置为对所述感测晶体管的漏极到源极电压(Vds)进行采样；以及
比较电路系统，所述比较电路系统设置在所述第二电...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·F·施耐德，T·W·巴瑟洛，
申请(专利权)人：亚德诺半导体国际无限责任公司，
类型：发明
国别省市：爱尔兰;IE