基于MOSFET傳感器的精密電流測量電路的制作方法

本發明涉及精密電流測量電路，特別是一種基于MOSFET傳感器的精密電流測量電路，所述MOSFET傳感器是指采用MOSFET的導通電阻作為電流傳感電阻，所述MOSFET分布在電路芯片中被測電流的電流路徑上，所述精密電流測量是指測量精度達到或者接近使用精密電阻傳感器所達到的精度。本發明通過背景校準技術，實現了基于MOSFET傳感器進行電流測量，但是避免了由于MOSFET的導通電阻隨結溫，柵源電壓和工藝離散性而帶來的誤差，從而提高了測量精度，避免了使用精密測量電阻帶來的額外功耗。

背景技術：

當前的精密電流測量所使用的傳感器主要分為兩類：中低電流(<100Amp)使用精密電阻或者借用MOS管的導通電阻，大電流使用霍爾傳感器或者變壓器。對于使用電阻的電流傳感器，電阻會帶來插入損耗，增加系統功耗。電流流過電阻發熱會改變電阻阻值，從而降低測量精度。為了降低自身發熱的影響，不得不選用低溫漂，大面積的電阻，從而提高了系統的成本。對于基于MOS管導通電阻的電流傳感器，測量精度受到MOS管的柵極電壓、工作溫度和工藝離散性的影響，測量精度較低。在很多應用中，電流的測量都是決定系統性能的關鍵因素。和較為直接的電壓測量不一樣，電流一般不能直接測量，而必須通過傳感器把電流轉化為電壓以后再進行測量。傳感器的精度和穩定性直接決定了電流測量的精度和穩定性。

在精密電流測量的許多應用中，例如電池保護電路，電機驅動電路等，被測電流路徑上會有工作在開關狀態的MOSFET，因而MOSFET在導通時的Ron就被用來作為傳感器，測量路徑上的電流。這種方法避免使用額外的精密測量電阻，從而避免了額外的系統功耗。但是和精密測量電阻不一樣，MOSFET的導通電阻Ron受到多方面因素的影響。首先Ron受柵極驅動電壓的影響，柵電壓越高Ron越小；其次Ron受溫度的影響比低溫漂測量電阻要大很多；第三Ron受制造工藝偏差的影響，絕對精度比精密測量電阻低很多。本發明人面對上面三個影響因素，采用周期性背景校準技術對基于MOSFET導通電阻的電流傳感器進行校準，使得基于MOSFET傳感器的電流測量技術能夠實現精密測量，從而完成了本發明基于MOSFET傳感器的精密電流測量電路。

技術實現要素：

本發明針對現有技術中存在的缺陷或不足，提供一種基于MOSFET傳感器的精密電流測量電路，所述MOSFET傳感器是指采用MOSFET的導通電阻作為電流傳感電阻，所述MOSFET分布在電路芯片中被測電流的電流路徑上，所述精密電流測量是指測量精度達到或者接近使用精密電阻傳感器所達到的精度。本發明通過背景校準技術，實現了基于MOSFET傳感器進行電流測量，但是避免了由于MOSFET的導通電阻隨結溫，柵源電壓和工藝離散性而帶來的誤差，從而提高了測量精度，避免了使用精密測量電阻帶來的額外功耗。

本發明技術方案如下：

基于MOSFET傳感器的精密電流測量電路，其特征在于，包括MOSFET傳感器和周期性背景校準電路，所述周期性背景校準電路對所述MOSFET傳感器的差分輸出電壓進行校準后作為系統輸出的精密電流測量結果輸出。

所述周期性背景校準電路包括數字乘法器、模數轉換器和控制邏輯電路，所述數字乘法器分別連接系統輸出端、所述模數轉換器和所述控制邏輯電路，所述模數轉換器連接所述MOSFET傳感器，所述系統輸出端連接所述控制邏輯電路。

所述MOSFET傳感器具有被測電流輸入端、被測電流輸出端和傳感器時鐘端，所述周期性背景校準電路包括數字乘法器、模數轉換器和控制邏輯電路，所述MOSFET傳感器的第一傳感電壓輸出端連接所述模數轉換器的正向輸入端，所述MOSFET傳感器的第二傳感電壓輸出端連接所述模數轉換器的負向輸入端，所述模數轉換器的轉換器輸出端連接所述數字乘法器的被乘數輸入端，所述數字乘法器的乘數輸入端連接所述控制邏輯電路的控制邏輯增益輸出端，所述數字乘法器的乘積輸出端連接系統輸出端，所述控制邏輯電路的控制邏輯輸入端連接所述系統輸出端，所述控制邏輯電路具有控制邏輯時鐘端。

所述控制邏輯時鐘端和所述傳感器時鐘端一同連接到外部時鐘電路。

所述控制邏輯電路中存儲有周期性背景增益值，所述周期性背景增益值作為所述數字乘法器的乘數輸入值，所述乘數輸入值乘以被乘數輸入值所得乘積即為系統輸出的精密電流測量結果。

所述周期性背景增益值的獲得方式如下：當傳感器時鐘端為邏輯低時，第一傳感電壓和第二傳感電壓之間形成差分閾值電壓，所述模數轉換器得到所述差分閾值電壓后輸出數字信號，所述數字信號乘以控制邏輯輸出的增益變量后所得乘積反饋到所述控制邏輯輸入端，所述控制邏輯電路調整所述增益變量直到數字信號與增益變量的乘積等于給定的系統輸出滿幅值，對應所述系統輸出滿幅值的增益變量即為所述周期性背景增益值，所述系統輸出滿幅值對應于所述差分閾值電壓。

當傳感器時鐘端為邏輯高時，第一傳感電壓和第二傳感電壓之間的差分電壓正比于輸入的被測電流，所述差分電壓經過所述模數轉換器和所述數字乘法器后成為系統輸出的精密電流測量結果或對應于被測電流的測量結果。

所述MOSFET傳感器包括MOS管串并聯結構和參考電流源。

所述MOSFET傳感器包括四組MOS管，其中第一組MOS管與第二組MOS管串聯后再與第四組MOS管并聯，第一組MOS管與第二組MOS管之間的中間節點通過第三組MOS管連接參考電流源，所述參考電流源的使能端連接第二組MOS管的柵極，第二組MOS管的柵極連接傳感器時鐘端，第三組MOS管與所述參考電流源之間的中間節點連接第一傳感電壓輸出端，第一組MOS管與第四組MOS管之間的中間節點分別連接第二傳感電壓輸出端和被測電流輸出端，第二組MOS管與第四組MOS管之間的中間節點連接被測電流輸入端。

第一組MOS管、第二組MOS管和第四組MOS管均采用若干個MOS管并聯的結構，第三組MOS管采用若干個MOS管源漏串聯的結構。

本發明技術效果如下：本發明基于MOSFET傳感器的精密電流測量電路，通過MOSFET傳感器與ADC背景校準技術的結合，實現了基于MOSFET(即MOS)的Ron(MOS管導通電阻)進行電流測量，但是避免了由于Ron隨結溫，柵源電壓和工藝離散性而帶來的誤差，從而提高了測量精度，避免了使用精密測量電阻帶來的額外功耗。本發明利用電路中必須的MOSFET作為傳感器，在節省精密測量電阻的同時達到相近的測量精度，從而在不降低系統性能的前提下節省了功耗和系統成本。

附圖說明

圖1是實施本發明一種基于MOSFET傳感器的精密電流測量電路的結構原理示意圖。

圖2是用于圖1中的一種MOSFET傳感器的結構原理示意圖。

附圖標記列示如下：1-外部被測電流輸入線；2-外部被測電流輸出線；3-外部時鐘電路連接線；4-被測電流輸入端(即In+)；5-被測電流輸出端(即In-)；6-傳感器時鐘端(即CK)；7-MOSFET傳感器(即Sensor)；8-第一傳感電壓輸出端/第一傳感電壓(即Out+)；9-第二傳感電壓輸出端/第二傳感電壓(即Out-)；10-模數轉換器(即ADC)；11-轉換器輸出端(即Dout，Dout即數字信號)；12-數字乘法器；13-被乘數輸入端；14-乘數輸入端；15-乘積輸出端；16-控制邏輯增益輸出端(即GN，GN即增益變量)；17-控制邏輯時鐘端(即CK)；18-控制邏輯輸入端(即IN)；19-控制邏輯電路(即Control)；20-系統輸出端(即Out，Out即系統輸出的精密電流測量結果，用Out1表示系統輸出滿幅值)；Iref-參考電流源；enb-使能端；M1-第一組MOS管；M2-第二組MOS管；M3-第三組MOS管；M0-第四組MOS管。

具體實施方式

下面結合附圖(圖1-圖2)對本發明進行說明。

圖1是實施本發明一種基于MOSFET傳感器的精密電流測量電路的結構原理示意圖。圖2是用于圖1中的一種MOSFET傳感器的結構原理示意圖。如圖1所示，基于MOSFET傳感器的精密電流測量電路，包括MOSFET傳感器7和周期性背景校準電路，所述周期性背景校準電路對所述MOSFET傳感器7的差分輸出電壓進行校準后作為系統輸出的精密電流測量結果輸出。所述周期性背景校準電路包括數字乘法器12、模數轉換器10和控制邏輯電路19，所述數字乘法器12分別連接系統輸出端20、所述模數轉換器10和所述控制邏輯電路19，所述模數轉換器10連接所述MOSFET傳感器7，所述系統輸出端20連接所述控制邏輯電路19。

所述MOSFET傳感器7具有被測電流輸入端4(用于連接外部被測電流輸入線1)、被測電流輸出端5(用于連接外部被測電流輸出線2)和傳感器時鐘端6(用于連接外部時鐘電路連接線3)，所述周期性背景校準電路包括數字乘法器12、模數轉換器10和控制邏輯電路19，所述MOSFET傳感器7的第一傳感電壓輸出端8連接所述模數轉換器10的正向輸入端(+)，所述MOSFET傳感器7的第二傳感電壓輸出端9連接所述模數轉換器10的負向輸入端(-)，所述模數轉換器10的轉換器輸出端11連接所述數字乘法器12的被乘數輸入端13，所述數字乘法器12的乘數輸入端14連接所述控制邏輯電路19的控制邏輯增益輸出端16，所述數字乘法器12的乘積輸出端15連接系統輸出端20，所述控制邏輯電路19的控制邏輯輸入端18連接所述系統輸出端20，所述控制邏輯電路19具有控制邏輯時鐘端17。所述控制邏輯時鐘端17和所述傳感器時鐘端6一同連接到外部時鐘電路(通過外部時鐘電路連接線3)。所述控制邏輯電路19中存儲有周期性背景增益值(GN1)，所述周期性背景增益值(GN1)作為所述數字乘法器12的乘數輸入值，所述乘數輸入值(GN1)乘以被乘數輸入值(Dout)所得乘積即為系統輸出的精密電流測量結果(Out)。所述周期性背景增益值(GN1)的獲得方式如下：當傳感器時鐘端6為邏輯低時，第一傳感電壓Out+和第二傳感電壓Out-之間形成差分閾值電壓Vth1，所述模數轉換器10得到所述差分閾值電壓Vth1后輸出數字信號Dout，所述數字信號Dout乘以控制邏輯輸出的增益變量(GN)后所得乘積反饋到所述控制邏輯輸入端18，所述控制邏輯電路19調整所述增益變量(GN)直到數字信號Dout與增益變量(GN)的乘積等于給定的系統輸出滿幅值(Out1)，對應所述系統輸出滿幅值的增益變量即為所述周期性背景增益值，所述系統輸出滿幅值(Out1)對應于所述差分閾值電壓Vth1。當傳感器時鐘端6為邏輯高時，第一傳感電壓Out+和第二傳感電壓Out-之間的差分電壓正比于輸入的被測電流，所述差分電壓經過所述模數轉換器10和所述數字乘法器12后成為系統輸出的精密電流測量結果(Out)或對應于被測電流的測量結果。

如圖2所示，所述MOSFET傳感器包括MOS管串并聯結構和參考電流源。所述MOSFET傳感器包括四組MOS管，其中第一組MOS管M1與第二組MOS管M2串聯后再與第四組MOS管M0并聯，第一組MOS管M1與第二組MOS管M2之間的中間節點通過第三組MOS管M3連接參考電流源Iref，所述參考電流源Iref的使能端enb連接第二組MOS管M2的柵極，第二組MOS管M2的柵極連接傳感器時鐘端6，第三組MOS管M3與所述參考電流源Iref之間的中間節點連接第一傳感電壓輸出端8，第一組MOS管M1與第四組MOS管M0之間的中間節點分別連接第二傳感電壓輸出端9和被測電流輸出端5，第二組MOS管M2與第四組MOS管M0之間的中間節點連接被測電流輸入端4。第一組MOS管、第二組MOS管和第四組MOS管均采用若干個MOS管并聯的結構，第三組MOS管M3采用若干個MOS管源漏串聯的結構。

外部被測電流從1流入In+，從In-回流出2。外部時鐘從3輸入到Sensor和控制邏輯的CK端。當3為邏輯低時，Sensor在Out+、Out-輸出一個差分閾值電壓Vth1給ADC，ADC的輸出Dout乘以Control的輸出端GN，得到系統輸出Out。Control不斷調整GN的輸出值，直到Out等于對應于Vth1的給定輸出Out1(即系統輸出滿幅值)。這時得到的GN值GN1被存儲在Control中。在時鐘3為邏輯高時，Sensor輸出差分電壓和輸入電流成正比，比例系數為K，ADC的輸出Dout乘以前述得到的GN1，從而得到對應于輸入電流的最終結果。本發明通過上述連接方式和操作邏輯，把傳感器產生的閾值電壓對應的增益存儲在值GN1中。在隨后進行的AD轉換中，傳感器的輸出被乘以GN1，從而實現了周期性背景校準電路對于傳感器的校準，提高了轉換精度或電流測量精度。

MOSFET傳感器即電流傳感器由M0，M1，M2，M3和參考電流源Iref構成，其中M0，M1，M2由N0，N1，N2個并聯的單位MOSFET構成，M3由N3個源漏串聯的單位MOSFET構成。參考電流源在使能端enb為邏輯低時輸出固定電流到M3，其使能端enb為邏輯高時Iref輸出電流為0。M0，M1，M3的柵端接邏輯高，因而總是處于導通狀態，M2的柵端和Iref的enb端接CK。當CK為邏輯低時，M2截止，Iref輸出固定電流，其流過M1、M3在輸出端Out+，Out-上產生電壓Vth1。當CK為高時，M2導通，Iref輸出電流為0。輸入電流的一部分流過M1，在Out+，Out-上產生和電流成比例的信號電壓。

電流傳感器和系統在CK不同狀態的特定操作方式：CK為低時，Sensor內部元件的開關方式，Sensor輸出一個由其參考電流源產生的電壓，Control模塊調整增益GN值，直到輸出符合預定值。CK為高時，Sensor內部元件的開關方式，Sensor輸出一個和輸入電流成比例的信號電壓，ADC輸出使用第一步產生的GN值，得到最終輸出。

在此指明，以上敘述有助于本領域技術人員理解本發明創造，但并非限制本發明創造的保護范圍。任何沒有脫離本發明創造實質內容的對以上敘述的等同替換、修飾改進和/或刪繁從簡而進行的實施，均落入本發明創造的保護范圍。