电流传感器电路
阅读：349发布：2021-10-27
专利汇可以提供电流传感器电路专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且提供一种 电流 传感器 电路 。所述电流传感器电路包括 电压 积分电路，所述电压积分电路并联地连接至电感元件。电压积分电路被配置成在电感元件的第一端处的第一电位与所述电感元件的第二端处的第二电位之间对穿过所述电感元件的电感元件电流进行积分。电压积分电路提供电感元件电流的电压模拟量。电压电流转换器电路电连接至电压积分电路。电压电流转换器电路被配置成将电压积分电路的电压模拟量转换成输出电流，所述输出电流与电感元件电流成比例。，下面是电流传感器电路专利的具体信息内容。
电流传感器电路
技术领域
[0001] 本发明实施例涉及开关模式电源(switched mode power supply，SMPS)，且更具体来说涉及开关模式电源中的电感器电流感测(inductor current sensing)。
背景技术
[0002] 开关模式电源正越来越常见地用作众多种应用的电源。在开关模式电源中，输入电压是通过开关来调制且经调制波形经由电感器进行传送、并被整流及过滤以输出受控值。为控制开关过程且因此控制输出，经由电感器进行传送的电流可知晓有所帮助。
发明内容
[0003] 本发明实施例公开一种电流传感器电路。所述电路包括电感元件、电压积分电路以及电压电流转换器电路。电压积分电路并联地连接至所述电感元件。所述电压积分电路被配置成在所述电感元件的第一端处的第一电位与所述电感元件的第二端处的第二电位之间对所述电感元件的电感元件电流进行积分。所述电压积分电路被配置成对所述电感元件电流进行积分以提供所述电感元件电流的电压模拟量。电压电流转换器电路电连接至所述电压积分电路。所述电压电流转换器电路被配置成将所述电压模拟量转换成输出电流。所述输出电流与所述电感元件电流成比例。
附图说明
附图说明
[0004] 结合附图阅读以下详细说明，会最好地理解本发明的各个方面。应注意，根据本行业中的标准惯例，各种特征并非按比例绘制。事实上，为论述清晰起见，可任意增大或减小各种特征的尺寸。
[0005] 图1A是根据一些实施例的包括电流传感器电路的示例性环境的组件方块图。
[0006] 图1B是根据一些实施例的电流传感器电路的组件方块图。
[0007] 图1C是根据一些实施例的电压电流转换器的组件方块图。
[0008] 图2A是根据一些实施例的积分电路的示意图。
[0009] 图2B是根据一些实施例的增益电路的示意图。
[0010] 图2C是根据一些实施例的反馈电路的示意图。
[0011] 图2D是根据一些实施例的复制电路的示意图。
[0012] 图3是根据一些实施例的第一电流传感器电路的示意图。
[0013] 图4是根据一些实施例的第二电流传感器电路的示意图。
[0014] 图5是根据一些实施例的第三电流传感器电路的示意图。
[0015] 图6是根据一些实施例的第四电流传感器电路的示意图。
[0016] 图7是说明根据一些实施例的用于确定电感器电流的方法的流程图。
[0017] 图8是说明根据一些实施例的电流传感器电路的运行流程的时序图。
[0018] [符号的说明]
[0019] 102a：电感器L0/电感器
[0020] 102b：DCR/直流电阻DCR
[0021] 104：电流传感器电路
[0022] 106：电压电流转换器电路/电压转换器电路/电流转换器电路
[0023] 108：积分电路/电压积分电路
[0024] 110：源/电压源
[0025] 160：增益电路
[0026] 162：反馈电路
[0027] 164：复制电路/电流复制电路
[0028] 204：Rs/电阻器Rs
[0029] 206：Cs/电容器Cs/第一电容器/第一电容器Cs
[0030] 208：R1/第一电阻器R1/电阻器R1
[0031] 210：R2/第二电阻器R2/电阻器R2
[0032] 212：放大器A0/放大器
[0033] 214：M1/第一电流源M1/电流源M1/N沟道场效晶体管M1
[0034] 216：M2/第二电流源M2/电流源M2/N沟道场效晶体管M2
[0035] 218：第三电流源M0/电流源M0/第三电流源/第三匹配电流源M0/NFET M0/M0[0036] 402：补偿电流Ioffset
[0037] 502：Ilimit/电流源Ilimit/电流限值
[0038] 504：反相器
[0039] 602a：参考电流/第一参考电流Iref
[0040] 602b：参考电流/第二参考电流Iref/2
[0041] 602c、602d：参考电流
[0042] 604：控制逻辑
[0043] 606：锁存库
[0044] 700：方法
[0045] 710、715、720、725、730、735：操作
[0046] A0：放大器/开环增益
[0047] Cs：电容器/第一电容器
[0048] DCR：电阻值/电感器/直流电阻
[0049] I1：第一电流/匹配电流
[0050] I2：第二电流/匹配电流
[0051] IL：电感器电流
[0052] IL(A)、Iout＝I1＝I2(A)、VCOIL(V)、Vplus＝Vminus(V)、VREG(V)、VS(V)：波形[0053] Ilimit：电流源/电流限值
[0054] Io：电流/输出电流
[0055] Ioffset：补偿电流
[0056] Iout：输出电流/单端输出电流
[0057] Iref：第一参考电流
[0058] Iref/2：第二参考电流
[0059] Iref/4、Iref/8：参考电流
[0060] L0：电感器
[0061] M0：电流源/第三电流源/NFET/第三匹配电流源
[0062] M1：电流源/第一电流源/NFET/匹配电流源
[0063] M2：电流源/第二电流源/NFET/匹配电流源
[0064] R1：电阻值/电阻器/第一电阻器
[0065] R2：电阻值/电阻器/第二电阻器
[0066] Rs：电阻器
[0067] V1：第一电位电压/第一电位/电压
[0068] V2：第二电位电压/第二电位/电压
[0069] V3：第三电位
[0070] V4：第四电位
[0071] V5：第五电位/电压电平/电压输入
[0072] V6：第六电位/电压电平/电压输入
[0073] VCOIL：线圈电压/方波
[0074] Vminus：第二输入/电压电平/电压输入
[0075] Vout：输出电压
[0076] Vplus：第一输入/电压电平/电压输入
[0077] VREG：电压/恒定电压
[0078] Vs：电压模拟量
具体实施方式
[0079] 以下公开内容提供用于实作所提供主题的不同特征的许多不同的实施例或实例。以下阐述组件及排列的具体实例以简化本发明实施例。当然，这些仅为实例且不旨在进行限制。举例来说，以下说明中将第一特征形成在第二特征“之上”或第二特征“上”可包括其中第一特征及第二特征被形成为直接接触的实施例，且也可包括其中第一特征与第二特征之间可形成有附加特征、进而使得所述第一特征与所述第二特征可能不直接接触的实施例。另外，本公开内容可能在各种实例中重复使用参考编号及/或字母。这种重复使用是出于简洁及清晰的目的，而不是自身表示所论述的各种实施例及/或配置之间的关系。
[0080] 在本说明书通篇中，提及电感器、电阻器及电容器，所述电感器、电阻器及电容器也可被分别称作电感元件、电阻元件、及电容/电存储元件。所属领域中的技术人员应知，电感器是电感元件中的一种；电阻器是电阻元件中的一种；且电容器是电容/电存储元件中的一种。
[0081] 根据一些实施例，提供用于感测电感器电流的电流传感器电路。电流传感器电路(也被称作电流传感器(current sensor)或电流感测电路(current sense circuit))可用于感测流经开关模式电源的电感器的电感器电流。本文所述电流传感器电路依赖于以下方式：感测电感器(DCR)的电阻值以及生成流经电感器的电流的近似复制品以实现对所述电流的实时控制、测量、或限制。在一些实施例中，电流传感器电路针对未知电感器大小而提供电感器电流的温度不变量感测(temperature invariant sense)。
[0082] 在一些实施例中，所述电流传感器电路包括用于驱动两个匹配电流源的放大器、电阻电容(resistor-capacitor，RC)网络、及温度系数与电感器DCR相似的两个电阻器。放大器的频宽大于开关频率，且其共模范围是电感器输出的共模范围。放大器连续地运行并复制电感器电流波形。本文所述电流传感器电路使得无需使用切断开关(cutoff switch)或断流电路系统(blanking circuitry)来测量开关模式电源的电感器电流。
[0083] 参照图1A，提供包括电流传感器电路的示例性环境的组件方块图。如图1A中所示，示例性环境包括连接在电感器L0 102a两端的电流传感器电路104。电感器L0 102a可为开关模式电源(SMPS)的一部分。举例来说，如图1A中所示，电感器L0 102a连接在电压源110与恒定电压(即，地)之间。由电压源110提供的输入电压通过一个或多个开关(图中未示出)进行调制且经调制的波形经由电感器L0 102a进行传送。电感器L0 102a包括相关联的直流(direct current，DC)电阻DCR 102b。尽管DCR 102b被示出为单独的组件，然而DCR 102b是电感器102a的固有电阻值。
[0084] 在SMPS的运行期间，电压源110通过一个或多个开关进行调制，且经调制的波形经由电感器L0 102a进行传送、并被整流及过滤以输出受控值。电压源110的示例性波形被示出为图8中的VCOIL(V)。如图8中所示，源110的波形通常为方波(square wave)。然而，在阅读本公开内容之后，对于所属领域中的技术人员来说可显而易见，源波形VCOIL(V)并非完美的方波而是实质上为方波。
[0085] 电压源110引发穿过电感器102a的电感器电流(IL)。电感器电流的形状也是通过电压源110的波形来引发。电感器电流IL因此为三角波(triangle wave)。穿过电感器L0 102a的电感器电流的波形的实例被示出为图8中的IL(A)。
[0086] 电流传感器电路104并联地连接至电感器L0 102a。电流传感器电路104被配置成感测流经电感器L0 102a的电感器电流IL并提供与所感测电感器电流成比例的输出电流(Io或Iout)。也就是说，电流传感器电路104执行将穿过电感器L0 102a的电感器电流IL再生为按比例缩放的电流Io的功能。
[0087] 图1B提供电流传感器电路104的组件方块图。如图1B中所示，电流传感器电路104包括电压电流转换器电路106(也被称作电压电流转换器)及积分电路108(也被称作积分器(integrator)或电流-电压转换器)。积分电路108并联地连接至电感器L0 102a。举例来说，如图1B中所示，积分电路108的第一端包括两个输入点。这两个输入点连接在电感器L0 102a两端。举例来说，积分电路108的第一输入点连接至电感器L0 102a的处于第一电位电压V1的第一端，且积分电路108的第二输入点连接至电感器L0 102a的处于第二电位电压V2的第二端。
[0088] 积分电路108被配置成对电感器L0 102a的电感器电流IL进行积分。举例来说，积分电路108可在电感器L0 102a的第一端处的第一电位V1与电感器L0 102a的第二端处的第二电位V2之间对电感器电流IL进行积分。第一电位V1也被称作线圈电压(coil voltage)(即，VCOIL)。第二电位V2也被称作恒定电压(即，VREG)。积分电路108也被称作电压积分电路108。
[0089] 积分电路108对电感器电流IL进行积分并提供与电感器电流IL对应的电压模拟量。电压模拟量是电感器电流IL的电压表示形式或对电感器电流IL的模拟。举例来说，如图1B中所示，积分电路108在其输出点处提供电压模拟量Vs作为第三电位V3与第四电位V4之间的差。电压模拟量Vs的形状相似于电感器电流IL波形。电压模拟量Vs的波形的实例被示出为图8中的Vs(V)。将参照随后将论述的图2A来提供积分电路108的示例性电路图。
[0090] 如图1B中所示，电压电流转换器电路106连接至积分电路108的输出点。举例来说，电压电流转换器电路106的第一输入点连接至积分电路108的处于第三电位V3的第一输出点。另外，电压电流转换器电路106的第二输入点连接至积分电路108的处于第四电位V4的第二输出点。电压电流转换器电路106被配置成将由积分电路108提供的电压模拟量Vs转换成与电感器电流IL成比例的输出电流Io。也就是说，电压电流转换器电路106执行将电感器电流IL再生成按比例缩放的输出电流Io的功能。图1C中说明电压电流转换器电路106的组件方块图。
[0091] 图1C提供电压电流转换器电路106的组件方块图。如图1C中所示，电压电流转换器电路106包括增益电路160、反馈电路162、及复制电路164。增益电路160被配置成对由积分电路108提供的电压模拟量Vs进行放大。增益电路160的输入点连接至积分电路108的输出点。举例来说，增益电路160的第一输入点连接至积分电路108的处于第三电位V3的第一输出点。相似地，增益电路160的第二输入点连接至积分电路108的处于第四电位V4的第二输出点。
[0092] 如图1C中所示，增益电路160在其输出点两端提供经放大的电压模拟量Vs。举例来说，增益电路160将第一输入处的第三电位V3放大至第五电位V5且将第二输入处的第四电位V4放大至第六电位V6。经放大的电压模拟量Vs被确定为第五电位与第六电位之间的差(即，经放大Vs＝V5-V6)。将参照随后将论述的图2B来说明增益电路160的示例性电路图。
[0093] 由增益电路160对电压模拟量Vs进行的放大是提供反馈电路162来调整。反馈电路162在增益电路160的输出点处连接至增益电路160。反馈电路162被配置成将匹配电流注入增益电路160中以使第五电位V5与第六电位V6在幅值上维持实质上相等。举例来说，反馈电路162经由增益电路160的所述两个输出点注入两个匹配电流。反馈电路162以反馈回路配置形式运行以控制被注入增益电路160中的匹配电流的量。将参照随后将论述的图2C来说明反馈电路162的示例性电路图。
[0094] 反馈电路162被配置成驱动复制电路164。举例来说，复制电路164连接至反馈电路162的输出点。复制电路164提供与电感器电流IL成比例的输出电流Io。将参照随后将论述的图2D来说明复制电路164的示例性电路图。
[0095] 参照图2A，提供积分电路108的电路图。如图2A中所示，积分电路108包括电阻器Rs 204及电容器Cs 206。电阻器Rs 204串联地连接至电容器Cs 206(也被称作第一电容器
206)。也就是说，如图2A中所示，电阻器Rs 204的第一端连接至电感器L0 102a的处于第一电位V1的第一端。电阻器Rs 204的第二端连接至电容器Cs 206的第一端。第一电容器206的第二端连接至电感器L0 102a的处于第二电位V2的第二端。在一些实施例中，电阻器Rs 204的温度系数与DCR 102b的温度系数匹配。举例来说，电阻器Rs 204随温度变化的电阻增益实质上相似于DCR 102b的电阻增益。
206)。也就是说，如图2A中所示，电阻器Rs 204的第一端连接至电感器L0 102a的处于第一电位V1的第一端。电阻器Rs 204的第二端连接至电容器Cs 206的第一端。第一电容器206的第二端连接至电感器L0 102a的处于第二电位V2的第二端。在一些实施例中，电阻器Rs 204的温度系数与DCR 102b的温度系数匹配。举例来说，电阻器Rs 204随温度变化的电阻增益实质上相似于DCR 102b的电阻增益。
[0096] 在一些实施例中，如图2A中所示，积分电路108并联地连接至电感器L0 102a且被配置成对流经电感器L0 102a的电感器电流IL进行积分并提供电感器电流IL的电压模拟量Vs。举例来说，如图2A中所示，积分电路108在电感器102a两端的电压之间(即，V1与V2之间)对电感器电流IL进行积分并提供对应的电压模拟量Vs作为电容器Cs 206两端的电压(即，Vs＝V3-V4)。假定时间常数RsXCs与电感器L0 102a的L/DCR匹配，则由积分电路108提供的电压模拟量Vs与电感器电流IL乘以电感器L0 102a的直流电阻DCR 102b成比例。因此，积分电路108被配置成提供实质上跟随电感器电流IL的电压模拟量Vs。电压模拟量Vs的波形是三角波且被绘示为图8中的Vs(V)。
[0097] 在实施例中，如图2A中所示，第二电位V2与第四电位V4二者在幅值上相等。在一些实施例中，尽管积分电路108被示出为包括具有一个电阻器及一个电容器的电阻电容电路，然而在阅读本公开内容之后，对于所属领域中的普通技术人员来说可显而易见，积分电路108可为不同类型的电路，且可包括可变数目的电阻器及电容器。
[0098] 参照图2B，提供增益电路160(也被称作电阻增益电路(resistive gain circuit))的电路图。如图2B中所示，增益电路160包括第一电阻器R1 208及第二电阻器R2 210。第一电阻器R1 208的第一端连接至第三电位V3，即连接至电容器Cs 206的第一端。第二电阻器R2 210的第一端连接至第四电位V4，即连接至电容器Cs 206的第二端。因此，第一电阻器R1 208与第二电阻器R2 210彼此并联地连接在电容器Cs 206两端。在一些实施例中，第一电阻器R1 208的温度系数及第二电阻器R2 210的温度系数与DCR102b的温度系数匹配。也就是说，第一电阻器R1 208的及第二电阻器R2 210的随温度变化的电阻增益实质上相似于DCR 102b的电阻增益。在实施例中，第一电阻器R1 208的电阻值与第二电阻器R2
210的电阻值实质上相同或是彼此按比例缩放的倍数。举例来说，第一电阻器R1 208的电阻值是第二电阻器R2 210的电阻值的两倍。
210的电阻值实质上相同或是彼此按比例缩放的倍数。举例来说，第一电阻器R1 208的电阻值是第二电阻器R2 210的电阻值的两倍。
[0099] 如以上所论述，增益电路160被配置成对由积分电路108提供的电压模拟量Vs进行放大。举例来说，增益电路160将电压模拟量Vs放大预定量。在一些实施例中，放大的量是基于第一电阻器R1 208的电阻值及第二电阻器R2 210的电阻值来确定。经放大的电压模拟量Vs被提供作为增益电路160的输出点两端的电压。举例来说，如图2B中所示，增益电路160将第三电位V3放大至在第一输出点处所提供的第五电位V5且将第四电位V4放大至在第二输出点处所提供的第六电位V6。由增益电路160提供的经放大电压模拟量Vs的示例性波形在图8中被提供为Vplus＝Vminus(V)波形。
[0100] 在一些实施例中，尽管增益电路160被示出为电阻增益电路，然而在阅读本公开内容之后，对于所属领域中的普通技术人员来说将显而易见，增益电路160可包括其他类型的增益电路以对电压模拟量Vs进行放大。此外，尽管增益电路160被示出为包括仅两个彼此并联地连接的电阻器，然而在阅读本公开内容之后，对于所属领域中的普通技术人员来说将显而易见，增益电路160可包括可变数目的电阻器及其他类型的配置以对电压模拟量Vs进行放大。
[0101] 参照图2C，提供反馈电路162的电路图。如图2C中所示，反馈电路162包括放大器A0 212、第一电流源M1 214、及第二电流源M2 216。在一些实施例中，放大器A0 212是比较器。
放大器212在反馈模式中与电流源进行连接。电流源(即，第一电流源M1 214及第二电流源M2 216)是匹配电流源。在一些实施例中，第一电流源M1 214及第二电流源M2 216是相同的或是彼此按比例缩放的倍数。
放大器212在反馈模式中与电流源进行连接。电流源(即，第一电流源M1 214及第二电流源M2 216)是匹配电流源。在一些实施例中，第一电流源M1 214及第二电流源M2 216是相同的或是彼此按比例缩放的倍数。
[0102] 如图2C中所示，反馈电路162包括连接至增益电路160的输出点的两个输入点。举例来说，反馈电路162的第一输入点连接至增益电路160的处于第五电位V5的第一输出点。相似地，反馈电路162的第二输入点连接至增益电路160的处于第六电位V6的第二输出点。
另外，如图2C中所示，放大器A0 212的两个输入点连接在由增益电路160提供的经放大电压模拟量两端。举例来说，放大器A0 212的第一输入Vplus连接至增益电路160的处于第五电位V5的第一输出点。相似地，放大器A0 212的第二输入Vminus连接至增益电路160的处于第六电位V6的第二输出点。
另外，如图2C中所示，放大器A0 212的两个输入点连接在由增益电路160提供的经放大电压模拟量两端。举例来说，放大器A0 212的第一输入Vplus连接至增益电路160的处于第五电位V5的第一输出点。相似地，放大器A0 212的第二输入Vminus连接至增益电路160的处于第六电位V6的第二输出点。
[0103] 在一些实施例中，放大器A0 212对一个电压电平与另一电压电平(即，V5与V6，或Vplus与Vminus)进行比较，并基于所述比较来产生输出电压Vout。作为另外一种选择，放大器A0 212对两个电压输入(V5与V6，或Vplus与Vminus)的幅值进行比较，并确定哪一者是所述二者中的较大者。举例来说，放大器A0 212的输出电压Vout被提供作为Vout＝A0(Vplus-Vminus)，其中A0是放大器A0 212的开环增益(open loop gain)。
[0104] 如图2C中所示，放大器212的输出点连接至第一电流源M1 214的栅极及第二电流源M2 216的栅极。在一些实施例中，第一电流源M1 214及第二电流源M2 216是被配置成分别将第一电流I1及第二电流I2注入增益电路160中的匹配电流源。举例来说，如图2C中所示，第一电流源M1 214的第一端连接至增益电路160的第一输出端。相似地，如图2C中所示，第二电流源M2 216的第一端连接至增益电路160的第二输出端。作为结果，第一电流源M1 214被配置成经由增益电路160的第一输出端将第一电流I1注入增益电路160中。相似地，第二电流源M2 216被配置成经由增益电路160的第二输出端将第二电流I2注入增益电路160中。在一些实施例中，第一电流源M1 214及第二电流源M2 216是场效晶体管(field effect transistor，FET)或更具体来说是N沟道场效晶体管(N-channel FET，NFET)。
[0105] 在一些实施例中，被注入增益电路160中的匹配电流I1及I2的量是由放大器A0 212控制。举例来说，如图2C中所示，放大器A0 212在反馈模式中用于控制被注入增益电路
160中的匹配电流I1及I2的幅值。放大器A0 212的输出电压Vout被提供至第一电流源M1
214的栅极及第二电流源M2 216的栅极，由此控制分别由第一电流源M1 214及第二电流源M2 216注入增益电路160中的第一电流I1及第二电流I2的量。在一些实施例中，第一电流I1及第二电流源I2的量被控制成使得第五电位V5与第六电位V6在增益电路160的输出点处实质上相等(即，V5＝V6)。在另一实施例中，第一电流I1及第二电流I2的量被控制成使得其彼此实质上相等(即，I1＝I2)。在本说明书中“实质上”意指在+5％或-5％以内。
160中的匹配电流I1及I2的幅值。放大器A0 212的输出电压Vout被提供至第一电流源M1
214的栅极及第二电流源M2 216的栅极，由此控制分别由第一电流源M1 214及第二电流源M2 216注入增益电路160中的第一电流I1及第二电流I2的量。在一些实施例中，第一电流I1及第二电流源I2的量被控制成使得第五电位V5与第六电位V6在增益电路160的输出点处实质上相等(即，V5＝V6)。在另一实施例中，第一电流I1及第二电流I2的量被控制成使得其彼此实质上相等(即，I1＝I2)。在本说明书中“实质上”意指在+5％或-5％以内。
[0106] 参照图2D，提供复制电路164的电路图。如图2D中所示，复制电路164包括第三电流源M0 218。第三电流源M0 218是匹配电流源且包括场效晶体管(FET)或更具体来说包括N沟道场效晶体管。在实施例中，第三电流源M0 218与第一电流源M1 214及第二电流源M2 216匹配。举例来说，第三电流源M0 218可操作地提供输出电流Iout，输出电流Iout实质上等于由第一电流源M1 214及第二电流源M2 216注入增益电路160中的电流的量。第三电流源M0 218的栅极连接至放大器A0 212的输出点。作为结果，放大器A0 212被配置成驱动第三电流源M0 218，以使得第三电流源218的输出电流Iout与电感器电流IL成比例。
[0107] 在一些实施例中，尽管电流源M0 218、M1 214、及M2 216被示出为N沟道场效晶体管，然而在阅读本公开内容之后，对于所属领域中的普通技术人员将显而易见，电流源M0 218、M1 214、及M2 216中的每一者可包括FET的其他变型，或其他类型的电流源。
[0108] 参照图3，提供连接至电感器L0 102a的电流传感器电路的电路图。在实施例中，图3所示电流传感器电路包括电压电流转换器电路106及积分电路108，积分电路108包括增益电路160、反馈电路162、及复制电路164。举例来说，电阻器Rs 204与第一电容器Cs 206形成电流转换器电路106；第一电阻器R1 208与第二电阻器R2 210形成增益电路160，放大器A0
212、第一电流源M1 214、及第二电流源M2 216形成反馈电路162，且第三电流源218形成复制电路164。如面前所论述，电流传感器电路执行将电感器电流IL再生成与电感器电流IL成比例的按比例缩放的输出电流Iout的功能。
212、第一电流源M1 214、及第二电流源M2 216形成反馈电路162，且第三电流源218形成复制电路164。如面前所论述，电流传感器电路执行将电感器电流IL再生成与电感器电流IL成比例的按比例缩放的输出电流Iout的功能。
[0109] 如图3中所示，电感器L0 102a的一端处于相对恒定的电压Vreg且另一端是由方波VCOIL驱动。连接在VCOIL与VREG之间的电阻电容网络的Rs 204及Cs 206将电感器电流IL从VCOIL积分至VREG并在Cs 206两端产生电压模拟量Vs信号三角波形。在一些实施例中，假定时间常数RsXCs与电感器L0 102a的L/DCR匹配，则电压模拟量Vs与电感器L0 102a中的电感器电流IL乘以电感器L0 102a的直流电阻DCR 102b成比例。包括放大器A0 212、N沟道场效晶体管M0 218、M1 214及M2 216、以及电阻器R1 208及R2 210的电压电流转换器电路106是用于提取电容器Cs 206两端的感测电压并将所述感测电压转变成输出电流Io的电压-电流转换器电路。在一些实施例中，M0 218、M1 214、及M2 216是相同的匹配FET或是彼此按比例缩放的倍数。举例来说，第一电流源M1 214及第二电流源M2 216分别将实质上相等的电流量注入第一电阻器R1 208及第二电阻器R2 210中。在另一实例中，第一电流源M1 214注入由第二电流源216注入的电流的按比例缩放的倍数(例如，所述电流的量的两倍)。同样地，R1 208与R2 210是彼此的按比例缩放的倍数或彼此实质上相同。举例来说，第一电阻器R1 208的电阻值实质上等于或大于第二电阻器R2 210的电阻值。在另一实例中，第一电阻器R1
208的温度增益系数实质上相似于第二电阻器R2 210的温度增益系数。相对于Rs 204及DCR
102b对R1 208及R2 210进行的相对大小确定会决定电流传感器电路的增益。在一些实施例中，R1208及R2 210的大小确定可如以下所论述在稳定性及实用性顾虑方面具有限制。
208的温度增益系数实质上相似于第二电阻器R2 210的温度增益系数。相对于Rs 204及DCR
102b对R1 208及R2 210进行的相对大小确定会决定电流传感器电路的增益。在一些实施例中，R1208及R2 210的大小确定可如以下所论述在稳定性及实用性顾虑方面具有限制。
[0110] 在一些实施例中，对于其中M0＝M1＝M2、IO＝I1＝I2、且R1>R2的情形中，电流传感器电路的直流增益被确定为：
[0111] IO/IL＝DCR/(Rs+R1-R2) (1)
[0112] 在实施例中，电感器102a的时间常数被确定为L/DCR且电流积分电路108的时间常数被确定为CsXRs。为相对于频率来精确地再生电感器电流IL，使包括R1 208及R2 210的电流传感器电路的时间常数与L/DCR时间常数匹配，从而得出以下关系：
[0113] L/DCR＝CsXRs/(R1-R2) (2)
[0114] 用于提供电感器电流IL的合理按比例缩放因数的电阻器Rs 204的值、电容器Cs 206的值、第一电阻器R1 208的值、及第二电阻器R2 210的值是基于时间常数约束条件来选择。举例来说，电阻器Rs 204的值、电容器Cs 206的值、第一电阻器R1 208的值、及第二电阻器R2 210的值是基于方程式(2)的时间常数约束条件来确定。另外，电阻器Rs 204的值、电容器Cs 206的值、第一电阻器R1 208的值、及第二电阻器R2 210的值被确定为满足方程式(1)的约束条件。举例来说，为随温度变化而维持恒定增益，R1 208的温度系数及R2 210的温度系数匹配DCR 102b的温度系数。由于大多数电感器是由铜制成，因此电阻器Rs 204、R1
208、及R2 210具有相似的温度系数以随温度变化而维持恒定增益。
208、及R2 210具有相似的温度系数以随温度变化而维持恒定增益。
[0115] 参照图4，提供添加有补偿电流Ioffset 402的电流传感器电路的电路图。在实施例中，图4所示电流传感器电路包括电压电流转换器电路106及积分电路108，积分电路108包括增益电路160、反馈电路162、及复制电路164(图中未示出)。举例来说，电阻器Rs 204与第一电容器Cs 206形成电流转换器电路106；第一电阻器R1 208与第二电阻器R2 210形成增益电路160，放大器A0 212、第一电流源M1 214、及第二电流源M2 216形成反馈电路162，且第三电流源218形成复制电路164。另外，图4所示电流传感器电路包括补偿电流Ioffset 402。
[0116] 如图4中所示，补偿电流Ioffset 402连接在第二电流源M2 216两端。尽管补偿电流Ioffset 402被示出为连接在第二电流源M2 216两端，然而在阅读本公开内容之后，对于所属领域中的技术人员来说将显而易见，补偿电流Ioffset 402可连接在第一电流源M1 214两端或可连接在电流源M1 214与电流源M2 216二者两端。补偿电流Ioffset 402使得单端输出电流Iout能够表示正电感器电流IL与负电感器电流IL二者。在实施例中，放大器A0
212的频宽及摆率(slew rate)高到足以追踪将处于与开关模式电源相关联的转换器的开关频率的电感器电流波形。在匹配电流源中的一者两端添加补偿电流Ioffset 402使得无需当放大器A0 212在相当恒定的输入电压内连续运行时在放大器A0 212中使用额外的切断开关或断流开关(blanking switch)。放大器A0 212的共模范围包括期望进行电感器电流IL测量的VREG的范围。在降压转换器(buck convertor)中，举例来说，VREG的范围将包括所述降压转换器的输出电压范围。然而，在升压转换器(boost convertor)中，VREG的范围将包括升压转换器的输入电压范围。
212的频宽及摆率(slew rate)高到足以追踪将处于与开关模式电源相关联的转换器的开关频率的电感器电流波形。在匹配电流源中的一者两端添加补偿电流Ioffset 402使得无需当放大器A0 212在相当恒定的输入电压内连续运行时在放大器A0 212中使用额外的切断开关或断流开关(blanking switch)。放大器A0 212的共模范围包括期望进行电感器电流IL测量的VREG的范围。在降压转换器(buck convertor)中，举例来说，VREG的范围将包括所述降压转换器的输出电压范围。然而，在升压转换器(boost convertor)中，VREG的范围将包括升压转换器的输入电压范围。
[0117] 参照图5，提供添加有过电流检测器的电流传感器电路的电路图。在实施例中，图5所示电流传感器电路包括电压电流转换器电路106及积分电路108，积分电路108包括增益电路160、反馈电路162、及复制电路164(图中未示出)。举例来说，电阻器Rs 204与第一电容器Cs 206形成电流转换器电路106；第一电阻器R1 208与第二电阻器R2 210形成增益电路160，放大器A0 212、第一电流源M1 214、及第二电流源M2 216形成反馈电路162，且第三电流源218形成复制电路164。在实施例中，添加独立的电流源Ilimit 502与反相器504会形成过电流检测器。反相器504对与电感器电流IL成比例的输出电流Iout与Ilimit 502进行比较并基于所述比较产生输出。举例来说，每当电感器电流IL高于Ilimit 502乘以按比例缩放因数时，输出(即，过电流)信号为高值。所述按比例缩放因数是可配置的且可动态变化。
[0118] 在一些实施例中，对于高频宽感测来说，电流限值Ilimit 502将为峰值电流的限值。然而，如果RsXCs时间常数被有意地偏斜成较高值以使输出电流Iout为电感器电流IL的低通形式(low passed version)，则输出电流Iout将为平均电流限值。
[0119] 参照图6，其为提供与电感器电流IL对应的数字输出的电流传感器电路的电路图。图6中所示电流传感器电路通过逐次逼近法(successive approximation)来提供数字输出。举例来说，图6中所示电流传感器电路可操作以通过对各种可能的量化水平进行二分搜索(binary search)而将与电感器电流IL对应的输出电流Iout的连续模拟波形转换成分立的数字表示形式。图6所示电流传感器电路包括电压电流转换器电路106及积分电路108，积分电路108包括增益电路160、反馈电路162、及复制电路164(图中未示出)。举例来说，电阻器Rs 204与第一电容器Cs 206形成电流转换器电路106；第一电阻器R1 208与第二电阻器R2 210形成增益电路160，放大器A0 212、第一电流源M1 214、及第二电流源M2 216形成反馈电路162，及第三电流源218形成复制电路164。另外，图6所示电流传感器电路包括反相器
504、控制逻辑604、锁存库(latch bank)606、及多个参考电流602a、602b、602c、602d(统称为602)。在一些实施例中，参考电流602也被称作加权电流(weighted current)602。
504、控制逻辑604、锁存库(latch bank)606、及多个参考电流602a、602b、602c、602d(统称为602)。在一些实施例中，参考电流602也被称作加权电流(weighted current)602。
[0120] 如图6中所示，第三电流源M0 218可操作以提供与电感器电流IL成比例的输出电流Iout。输出电流Iout逐次与一个或多个参考电流602进行比较以提供与输出电流Iout对应的数字输出。举例来说，控制逻辑604可操作以启动输出电流Iout与第一参考电流Iref 602a的比较。反相器504将输出电流Iout与第一参考电流Iref 602a进行比较并作为对所述比较的响应而输出第一位。举例来说，反相器504基于输出电流Iout小于还是大于第一参考电流Iref 602a来输出1或0。所述第一位被存储在锁存库606的第一锁存器中。另外，视输出电流Iout小于还是大于第一参考电流Iref 602a而定，控制逻辑启动输出电流Iout与第二参考电流Iref/2 602b的比较。反相器504响应于与第二参考电流Iref/2 602b的比较而输出第二位。所述第二位被存储在锁存库606的第二锁存器中。在一些实例中，控制逻辑604可被编程为启动预定数目的比较。比较的数目是基于数字输出中的位的数目来确定。存储在锁存库606中的位被提供作为电感器电流IL的数字输出表示形式。
[0121] 参照图7，提供说明用于确定电感器电流IL的方法700的流程图。方法700开始于操作710，在操作710中生成开关模式电源的电感器L0 102a的电感器电流IL的电压模拟量Vs。举例来说，将积分电路108并联地连接至电感器L0 102a并在电感器L0 102a的第一端处的第一电位V1(或VCOIL)与电感器L0 102a的第二端处的第二电位V2(或VREG)之间对电感器电流IL进行积分以生成电压模拟量Vs。
[0122] 在操作710处生成电压模拟量之后，方法700进行至操作715，在操作715中在积分电路108的电容器Cs 206两端提供所生成电压模拟量Vs。举例来说，积分电路108包括电阻器Rs 204及串联地连接至Rs 204的电容器Cs 206，且在电容器Cs 206两端提供对应于电感器电流IL而生成的电压模拟量Vs。
[0123] 在操作715处提供电压模拟量Vs之后，方法700进行至操作720，在操作720中通过增益电路160对电压模拟量Vs进行放大。举例来说，增益电路160包括连接在电容器Cs 206两端的第一电阻器R1 208与第二电阻器R2 210。增益电路160将电压模拟量Vs放大预定量，所述预定量是通过电阻器R1 208的电阻值及电阻器R2 210的电阻值而界定。
[0124] 在操作720处对电压模拟量Vs进行放大之后，方法700进行至操作725，在操作725中在增益电路160的输出端两端提供经放大电压模拟量Vs。举例来说，将经放大电压模拟量Vs提供作为增益电路160的第二端处的两个输出端两端的电位差(Vplus-Vminus)。
[0125] 在操作725处提供经放大电压之后，方法700进行至操作730，在操作730中使用在反馈中的放大器A0 212以将匹配电流I1及I2注入增益电路160中。举例来说，将反馈电路162连接在增益电路160的第二端处。反馈电路162包括放大器A0 212及一对电流源M1 214、M2 216。将电流源M1 214与电流源M2 216连接至增益电路160的所述两个输出点，并将电流源M1 214与电流源M2 216配置成经由所述两个输出点将匹配电流I1及I2注入增益电路160中。还将放大器A0 212的两个输入点连接至增益电路160的所述两个输出点。将放大器A0
212的输出点连接至匹配电流源M1 214及M2 216的控制部(例如，栅极)。将放大器A0 212配置成调整被注入增益电路160中的匹配电流I1及I2的量，以使得增益电路160的输出点之间的电位差实质上等于零，即增益电路160的两个输出点实质上处于相同电位。
212的输出点连接至匹配电流源M1 214及M2 216的控制部(例如，栅极)。将放大器A0 212配置成调整被注入增益电路160中的匹配电流I1及I2的量，以使得增益电路160的输出点之间的电位差实质上等于零，即增益电路160的两个输出点实质上处于相同电位。
[0126] 在操作730处注入匹配电流之后，方法700进行至操作735，在操作735中在电流复制电路164处复制所注入匹配电流来作为输出电流Io，输出电流Io与电感器电流IL成比例。举例来说，电流复制电路164包括第三匹配电流源M0 218。将放大器A0 212的输出点连接至第三匹配电流源M0 218的控制部(例如，栅极)。因此，将放大器A0 212配置成驱动第三匹配电流源M0 218，以使得复制电感器电流IL的波形来作为第三匹配电流源M0 218的输出电流Io，且使得输出电流Io与电感器电流IL成比例。在提供输出电流Io之后，方法700结束。在实施例中，本文所述方法可通过对所公开方法进行代替、重排序、跳过、或添加阶段来加以修改。
[0127] 在一些实施例中，参照图1A至图6所述的电流传感器电路无需在接通时间(ontime)或断开时间(offtime)期间仅感测电感器电流的一部分且无需应对输入处的大的共模范围摆动。电流传感器电路进一步使得不再需要限制设定所用的时间量。因此，电流传感器电路以较高频率运行且会降低放大器的设计复杂度。
[0128] 在实施例中，参照图1A至图6所述的电流传感器电路可用于开关模式电源领域中。举例来说，由电流传感器电路提供的输出电流可用于控制、反馈、电流监测(current monitoring)、过电流检测、功率限制(power limiting)、负载线路调整(load line regulation)、电流分配(current sharing)、切相(phase shedding)、及负载平衡(load balancing)。另外，电流传感器电路适用于许多转换器拓扑(convertor topology)，例如降压转换器、升压转换器、降压-升压转换器(buck-boost convertor)、及单端初级电感转换器(sepic convertor)。
[0129] 根据一些实施例，一种电路包括：电压积分电路，并联地连接至电感元件，所述电压积分电路被配置成在所述电感元件的第一端处的第一电位与所述电感元件的第二端处的第二电位之间对所述电感元件的电感元件电流进行积分，且被进一步配置成提供与经积分的电感元件电流对应的电压模拟量；电压电流转换器电路，电连接至电压积分电路，所述电压电流转换器电路被配置成将电压模拟量转换成输出电流，所述输出电流与电感元件电流成比例。
[0130] 根据实施例，一种电流传感器电路包括：积分电路，并联地电连接至开关模式电源的电感元件，所述积分电路被配置成提供流经所述电感元件的电感元件电流的电压模拟量；增益电路，包括第一端及第二端，所述增益电路的所述第一端电连接至积分电路，且所述增益电路被配置成对电压模拟量进行放大并在所述第二端处提供经放大的所述电压模拟量；反馈电路，电连接至增益电路的第二端，所述反馈电路被配置成使用在反馈中的放大器以将匹配电流驱动至所述增益电路中；以及复制电路，电连接至反馈电路，所述复制电路被配置成在第一电流源处复制匹配电流来作为输出电流，所述第一电流源处的所述输出电流与电感元件电流成比例。
[0131] 根据一些实施例，提供一种用于感测电感元件电流的方法。所述方法包括生成开关模式电源的电感元件的电感元件电流的电压模拟量，所述电压模拟量是通过在所述电感元件的第一端处的第一电位与所述电感元件的第二端处的第二电位之间对所述电感元件电流进行积分而生成，所述电压模拟量被提供在电压积分电路的电容器两端，且所述电压积分电路并联地电连接至所述开关模式电源的所述电感元件。所述方法进一步包括通过增益电路对被提供在电容器两端的电压模拟量进行放大，在所述电容器的第一端上将所述电压模拟量从第三电位放大至第四电位且在所述电容器的第二端上将电压模拟量从第二电位放大至第五电位，将增益电路的第一端电连接在所述电压积分电路的电容器两端，并且在增益电路的第二端的两端提供经放大的所述模拟电压。所述方法进一步包括在使用反馈中的放大器以经由增益电路的第二端注入匹配电流，所述放大器电连接至增益电路的第二端，且放大器的输出端连接至被配置成将匹配电流注入增益电路的第二端的至少两个匹配电流源。所述方法进一步包括在复制电路的第一匹配电流源处复制匹配电流来作为输出电流，所述第一匹配电流源处的所述输出电流与电感元件电流成比例。
[0132] 根据实施例，一种电路包括电感元件、电压积分电路以及电压电流转换器电路。电压积分电路并联地连接至电感元件，所述电压积分电路被配置成在所述电感元件的第一端处的第一电位与所述电感元件的第二端处的第二电位之间对所述电感元件的电感元件电流进行积分。所述电压积分电路被配置成对所述电感元件电流进行积分以提供所述电感元件电流的电压模拟量。电压电流转换器电路电连接至电压积分电路。所述电压电流转换器电路被配置成将电压模拟量转换成输出电流，所述输出电流与电感元件电流成比例。
[0133] 在一些实施例中，所述电压积分电路包括第一电阻元件及与所述第一电阻元件串联地电连接的第一电存储元件，且其中所述电压积分电路被配置成在所述第一电存储元件两端提供所述电压模拟量。
[0134] 在一些实施例中，所述电压电流转换器电路包括增益电路、反馈电路、及复制电路，其中所述增益电路的第一端电连接在所述第一电存储元件两端且被配置成对所述电压模拟量进行放大，其中所述反馈电路电连接至所述增益电路的第二端且被配置成将匹配电流注入所述增益电路中，且其中所述复制电路电连接至所述反馈电路且被配置成复制所述匹配电流来作为所述输出电路。
[0135] 在一些实施例中，所述增益电路被配置成将所述第一电存储元件两端的所述电压模拟量在所述增益电路的所述第二端处的第一输出点处放大至第四电位且在所述增益电路的所述第二端处的第二输出点处放大至第五电位。
[0136] 在一些实施例中，所述反馈电路包括放大器、第一电流源、及第二电流源，其中所述放大器的第一输入点电连接至所述增益电路的所述第一输出点，其中所述放大器的第二输入点电连接至所述增益电路的所述第二输出点，其中所述放大器的输出点电连接至所述第一电流源及所述第二电流源，且其中所述放大器被配置成驱动所述第一电流源及所述第二电流源以将所述匹配电流注入所述增益电路中，以使得所述第四电位与所述第五电位实质上相同。
[0137] 在一些实施例中，所述反馈电路进一步包括连接在以下中的一者的两端的补偿电流源：所述第一电流源及所述第二电流源。
[0138] 在一些实施例中，所述复制电路电连接至所述反馈电路且包括第三电流源，其中所述放大器的所述输出点连接至第三匹配电流源，且其中所述第三电流源被配置成提供与所述电感元件电流成比例的所述输出电流。
[0139] 在一些实施例中，所述输出电流对所述电感元件电流的比率被确定为DCR/(R1+R2-R3)，其中DCR是所述电感元件的电阻值，R1是所述第一电阻元件的电阻值，R2是第二电阻元件的电阻值，R3是第三电阻元件的电阻值，其中所述第二电阻元件与所述第三电阻元件形成所述增益电路。
[0140] 根据实施例，一种电路包括积分电路、增益电路、反馈电路以及复制电路。积分电路并联地电连接至电感元件，所述积分电路被配置成提供流经所述电感元件的电感元件电流的电压模拟量。增益电路包括第一端及第二端，所述增益电路的所述第一端电连接至所述积分电路，且所述增益电路被配置成对所述电压模拟量进行放大并在所述第二端处提供经放大的所述电压模拟量。反馈电路电连接至所述增益电路的所述第二端，所述反馈电路被配置成使用在反馈中的放大器以将匹配电流驱动至所述增益电路中。复制电路电连接至所述反馈电路，所述复制电路被配置成在第一电流源处复制所述匹配电流来作为输出电流，所述第一电流源处的所述输出电流与所述电感元件电流成比例。
[0141] 在一些实施例中，所述积分电路包括电阻电容(RC)电路，所述电阻电容电路包括串联地连接至第一电存储元件的第一电阻元件，且其中所述电阻电容电路并联地电连接至所述电感元件。
[0142] 在一些实施例中，所述第一电阻元件的温度系数实质上相似于所述电感元件的直流(DC)电阻的温度系数。
[0143] 在一些实施例中，所述增益电路包括并联地电连接在所述第一电存储元件的两端的第二电阻元件与第三电阻元件，且其中所述第一电阻元件的所述温度系数实质上相似于所述电感元件的直流(DC)电阻的所述温度系数。
[0144] 在一些实施例中，所述反馈电路包括所述放大器、第二电流源、及第三电流源，其中所述第二电流源电连接至所述第二电阻元件且被配置成将第一匹配电流注入所述增益电路中，其中所述第三电流源电连接至所述第三电阻元件且被配置成将第二匹配电流注入所述增益电路中，其中所述放大器电连接至所述第二电流源与所述第三电流源二者，且其中所述放大器被配置成控制被注射至所述增益电路的所述匹配电流的量。
[0145] 在一些实施例中，所述第二电流源与所述第三电流源是匹配电流源。
[0146] 在一些实施例中，所述放大器被配置成控制所述匹配电流的所述量以在所述增益电路的输出点两端生成实质上相同的电位。
[0147] 在一些实施例中，所述放大器被配置成驱动所述第一电流源以提供与所述电感元件电流成比例的所述输出电流。
[0148] 在一些实施例中，所述输出电流与所述电感元件电流的比率被确定为DCR/(R1+R2-R3)，其中DCR是所述电感元件的直流电阻值，R1是所述第一电阻元件的电阻值，R2是所述第二电阻元件的电阻值，且R3是所述第三电阻元件的电阻值。
[0149] 在一些实施例中，所述电感元件电流的波形在所述输出电流处被复制。
[0150] 根据实施例，一种方法包括下列步骤：生成电感元件电流的电压模拟量；通过增益电路对所述电压模拟量进行放大；使用在反馈中的放大器以将电流注入所述增益电路中；以及，在复制电路的第一电流源处复制所注入的所述电流来作为输出电流，其中所述第一电流源处的所述输出电流与所述电感元件电流成比例。
[0151] 在一些实施例中，所述方法还包括：将所述电流注入所述增益电路中包括驱动第二电流源的第一电流及第三电流源的第二电流，以使得所述增益电路的输出点处的电位差实质上为零。
[0152] 以上概述了若干实施例的特征，以使所属领域中的技术人员可更好地理解本发明的各个方面。所属领域中的技术人员应知，其可容易地使用本发明作为设计或修改其他工艺及结构的基础来实施与本文中所介绍的实施例相同的目的及/或实现与本文中所介绍的实施例相同的优点。所属领域中的技术人员还应认识到，这些等效构造并不背离本发明的精神及范围，而且他们可在不背离本发明的精神及范围的条件下对其作出各种改变、代替、及变更。
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