TW201003082A - Circuits, systems and methods for current sensing - Google Patents

Description

201003082 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種電子電路，特別是一種用於感應 電流的電路、方法及系統。 〜 【先前技術】 電子電路中包含用於檢測電流情況的電流感應電 路。例如，直流/直流轉換器中所採用的電流感應電路 感應一負載電流以便控制負载電流。通常，直流/直冷 轉換器使用一内部阻性元件（例如，一内部電阻或電^ 性直流阻抗（DCR))感應負載電流。然而，内部阻性^ 件是與製作工藝相關的’並且與外部電路的分離的阻性 元件具有不同的溫度系數並受其影響，因此這種方法盔 法勝任準確性要求高的應m μ隸電路採用、 普通電壓放大器來放大内部阻性元件的電壓，並將放大 後的電厘轉換成用於後續信號處理的電流。然而，普通 電壓放大器容易引起電流感應中的穩定性問題。 【發明内容】 本發明要解決的技術問題在於提供—種電流感應 電路、方法及系統，使感應電流的準確性和穩定性提升。 為解決上述技術問題，本發明提供—種電流感應電 路’包括第-電阻’用於將流經該第—電阻的一電 流轉換為該第一電阻之一正端和一負端間之一電壓 降；一第二電阻，㈣妾至該第一電阻的該負端；以及一 感應放大器’其透過該感應放大器之—第—引腳柄接至 0516-TW-CH Spec+Claim(sandra.t-20090622) 4 201003082 該第一電阻的該正端連接，及該感應放大器之一第二引 腳透過該第二電阻耦接至該第一電阻之該負端，且採用 一負回授產生一與流經該第一電阻的該電流成正比的 感應電流。 本發明還提供一種電流感應方法，包括：將流經一 第一電阻的一電流轉換為該第一電阻之一正端和一負 端之間的一電壓降；將該第一電阻的該正端的電壓施加 至一感應放大器的一第一引腳；將該第一電阻的該負端 的電壓透過一第二電阻施加至該感應放大器的一第二 引腳；該感應放大器採用一負回授以使該第二引腳的電 壓跟隨該第一引腳的電壓；以及該感應放大器產生一與 流經該苐·一電阻的該電流成正比的感應電流。 本發明還提供一種電流感應系統，包括：一直流/ 直流轉換器，用於提供一負載電流給一負載；一第一電 阻，耦接至該直流/直流轉換器，用於感應該負載電流； 一第二電阻，耦接至該第一電阻；以及一感應放大器， 該感應放大器的一第一引腳搞接至該第一電阻的一正 端，並且該感應放大器的一第二引腳透過該第二電阻耦 接至該第一電阻的一負端，該感應放大器採用一負回授 以產生一與該負載電流成正比的感應電流。 本發明還提供一種電流感應方法，包括：將流經一 第一電阻的一電流轉換為該第一電阻兩端的一第一電 壓降；將該第一電壓降提供給一感應放大器；透過該感 應放大器向一第二電阻施加與該第一電壓降相等的一 第二電壓降；以及透過該施加步驟，產生與流經該第一 電阻的該電流成正比的一感應電流。 0516-TW-CH Spec+Claim(sandra.t-20090622) 5 201003082 【實施方式】 以下將對本發明的具體實施模式進行闡述。本發明 將結合一些具體實施例進行闡述，但本發明不限制於這 些具體實施例。對本發明進行的修改或者等同替換，均 應涵蓋在本發明的申請專利範圍當中。 圖1所示為根據本發明一實施例電流感應電路100 的電路圖。在一實施例中，電流感應電路100包括一電 流鏡101、一放大器103、一電晶體105、一外部電阻 107和一感應電阻109。電流感應電路100用於感應流 經一電子元件的電流。例如，電子元件係為直流/直流 轉換器中之電感111。 為了感應電感電流，感應電阻109在電容115左側 與電感111串聯耦接。當電感電流流經感應電阻109 時，感應電阻10 9兩端產生一大小為I LXRsense 的感應電 壓Vsense，此處II是電感電流，Rsense是感應電阻109的阻 值。換言之，感應電阻109的正端（positive side)和 負端（negative side)之間產生一大小為IlxRw的電壓 Vsense。另外，在一實施例中，感應電阻109的正端與放 大器103的非反相端連接。在一實施例中，感應電阻109 的負端透過外部電阻107與放大器103的反相端連接。 放大器103之輸出端與電晶體105的閘極耦接。電 晶體105的〉及極與電流鏡101輛接’且電晶體105的源 極與放大器103的反相端連接。因此，電晶體105被用 作放大器103的負回授電路，且放大器103和電晶體105 構成一電壓隨柄器。換言之，負回授電路驅使放大器103 0516-TW-CH Spec+Claim(sandra.t-20090622) 6 201003082 反相輸入端之電壓相等於放大器103非反相輸入端之電 壓。因此，施於外部電阻107的電壓降也相等於。 因此，一大小為Vsense/Rg的電流隨之形成並從負回授電 路流向外部電阻107，其中Rg為外部電阻1〇7的阻值。 進而，流經電晶體105的電流亦相等於Vsense/Rg。在一 貝施例中，流經電晶體1〇5的電流進而被電流鏡1〇1複 製並在輸出線113上作為一感應電流isense輸出。感應電 流I sense可由方程式（1)得出：

Isense=VSense/Rg=IL x Rsense/Rg---------------------( 1 ) 圖1所示之例子中，感應電阻1〇9耦接於電感m 和電容115之間。另外，感應電阻109能夠在電容115 之右側與電感111串聯柄接。在這種情況下，代表流經 直流/直流轉換器負載的負載電流 I load 等於電感電流II 加上Isense。作又设Rsense/Rg遠大於1，Jsense在實際應用中 可忽略不§}*。因此，11()ad大約等於IL。相應地，感應電 流Isense可由方程式（2)得出：

Isense=Vsense/Rg=Il〇ad x Rsense/Rg-------------------(2) 在實際應用申’電流鏡101、放大器1〇3和電晶體 105能夠整合為一感應放大器120。感應放大器12〇透 過CSP和CSN引腳分別與外部電阻1 〇 7和感應電阻1 〇 9 協調。因此，感應放大器120的增益由外部元件（外部 電阻107和感應電阻1〇9)決定。在一實施例中，由於 外部電阻107和感應電阻1〇9的可配置性和穩定性，感 應放大器120的增益係為使用者可調且持久穩定的。在 一實施例中，由於外部電阻107和感應電阻1 〇9皆被外 置，由内部阻性元件之不同的溫度系數所引起的精確性 0516-TW-CH Spec+Claim(sandra.t-20090622) 7 201003082 問題能夠得以解決。在一實施例中，外部電阻107和/ 或感應電阻109可為與溫度相關的（電熱調節器），進 而使直流/直流轉換器内部的電流感應元件（電感直流 阻抗感應）的熱漂移（thermal dri ft )能夠得到補償 以維持感應電流I sense的穩疋性。 有利的是，除了輸出線113上的感應電流Isense，額 外的感應電流輸出能夠從電流鏡101得到。這些感應電 流輸出能夠用於各種應用，例如過電流保護、負載線控 制和電流監視。 圖2所示為根據本發明一實施例過電流保護（Over Curent Protect, 0CP)電路200電路示意圖。過電流 保護電路2 0 0包括一比較器2 01和一過電流保護電阻 203。在一實施例中，過電流保護電路200能夠用於直 流/直流轉換器。過電流保護電阻203係耦接於比較器 203的非反相端和地之間。 在插作中’感應電流I sense流經過電流保護電阻 2 0 3 5並相應地在過電流保護電阻2 0 3兩端產生·一大小 為IsensexRQCP的電壓Vc^p，其中R〇CP為過電流保護電阻203 的阻值。並且，具有一定電壓值的參考電壓Vref被提供 給比較器201的反相端。在一實施例中，參考電壓Vref 可為400毫伏。比較器201透過比較電壓VDcP和參考電 壓Vref來檢測是否發生過電流情況。 在一實施例中，當電壓Vc^P到達參考電壓Vref位準 時，過電流情況發生，亦即： I sense x Rocp = Vref ---------------------(3) 將方程式（2)代入方程式（3)，引起過電流情況 0516-TW-CH Spec+Claim(sandra.t-20090622) 8 201003082 之負載電流I lead的電流極限值I LIM能透過方程（4 )得出.

IlIM- ( Vref*Rg)/(R0Cp*Rsense) ( 4 ) 當負載電流I load達到電流極限值Ilim，比較器2〇 1 能夠輸出指示過電流情況的一信號0CP。根據方程（4)， 電 '"丨1_極限值ILI係由外部元件Vref、Rocp、Rg和Rsense所決 定。由於這些外部元件的可配置性，電流極限值ILIM能 夠被設定成適用於各種應用。 圖3所示為根據本發明一實施例負載線控制電路 300的電路圖。負載線控制電路300包括一遠程感應放 大器（Remote Sense Amplifier, RSA) 301 和外部電阻 303。在一實施例中’負載線控制電路3〇〇能夠用於一 電子電路以得到相對穩定和精確的輸出阻抗。 在一實施例中，電子電路可為一直流/直流轉換 器。如圖2所示，RFB+線和RFB—線採用Kelvin連接 模式耦接至此電子電路以接收代表此電路負載電壓的 一回授信號。RFB+線還透過外部電阻303與遠程感應 放大器301的非反相端耦接。RFB—線與遠程感應放大 器301的反相端耦接。指示此電子電路之負載電流的感 應電流Isense透過RSP引腳注入負載線控制電路3〇〇。在 一實施例中，遠程感應放大器301能夠整合至一積體電 路（1C)中並透過RSP和RSN引腳與外部元件協調。遠 程感應放大器301的輸出能夠與一參考信號相比較，以 用於控制傳送給負載的電能。傳送至負載的電能可被持 續地或一步一步地限制或調整。 在操作中，透過負載線控制電路300既有的電壓定 位功能，RSP和RSN引腳之間能夠得到一實質定電壓差 0516-TW-CH Spec+Claim(sandra.t-20090622) 9 201003082 載電壓下’當負載電流變化時’回授信號（負 Si 匕能夠被外部電阻3°3兩端的電壓變 直流/直流轉換器的輸出咖^ vlDad/ △ i load=RLL*Rsense/Rg--------------(5) ^ = ’ Ryline是輸出阻抗且Ru是外部電阻3〇3的阻 康5程式（5)，輸出阻抗Rl°adline係由外部電阻 、疋使得Ri〇adiine相對精確並穩定。另外，當負 加時’根據方程式（2)，感應電流1-增加並 卜广電阻303兩端的電壓隨著感應電紅⑽增加而增 應地，社感應放大器3G1的輸出能夠降低負載 電壓2維持RSP#RSN引腳之間㈣電壓差值。因 卜至電子電路負載的電能得以控制。而且，與負 $電流増加而負載電壓維持不變的情況相比，負載能夠 ^耗更v的電i。因此’此電子電路的功能效率得到提 升0 _圖=所不為根據本發明一實施例電流監視電路4〇〇 電路不思圖。電流監視電路4〇〇包括—串聯耦接於參考 電坚原Vrefl和地之間的外部電阻1和外部電阻dog。 在。K苑例中，電流監視電路4〇〇用於一直流/直流轉 換器以提供電壓v_’電壓％係用於指示節點的 負載電流。電壓Vl_能由方程式（6 )得出： v_=vreil*Rb/(Ra+Rb)+IiQad*Rsense/Rg*RaRb/(Ra+Rb) (6) 其中，Ra是外部電阻4〇丨的阻值，Rb是外部電阻4〇3 的阻值。 圖5所示為根據本發明一實施例電流感應方法流程 0516-TW-CH Spec+Claim(sandra.t-20090622) 1 〇 201003082 圖500。儘管圖5中公開了具體步驟，但這些步驟僅為 示例性的。也就是說，本發明適合於執行其它各種步驟 或圖5中所述步驟的變體。圖5將結合圖1進行說明。 在步驟5 01中，流經第一電阻的一電流被轉換成第 一電阻正端和負端之間的壓降。在一實施例中，流經感 應電阻109的電感電流II被轉換成感應電阻109正端和 負端之間的壓降Vsense。 在步驟503中，第一電阻正端的電壓被施加於一感 應放大器的第一引腳。在一實施例中，感應電阻109之 正端的電壓被施加於感應放大器120的CSP引腳，感應 放大器120包括放大器103、電晶體105和電流鏡101。 在步驟505中，第一電阻負端的電壓透過一第二電 阻被施加於感應放大器的第二引腳。在一實施例中，感 應電阻109負端的電壓透過外部電阻107被施加於感應 放大器120的CSN引腳。 在步驟507中，感應放大器採用一負回授以使第二 引腳的電壓跟隨第一引腳的電壓。在一實施例中，電晶 體105耦接至放大器103以形成一負回授電路，因此， 放大器103成為一電壓隨耦器以使CSN引腳的電壓跟隨 CSP引腳的電壓。

在步驟509中，感應放大器產生一與流經第一電阻 的電流成正比的感應電流。在·一實施例中，感應放大 120内的電流鏡101產生一大小為hxRsense/Rg的電流從 電晶體105流向外部電阻107。由於電流鏡101既有的 複製功能，流經電流鏡101的輸出線113上的感應電流 也相當於lLxRsense/Rg，其與流經感應電阻109的電流II 0516-TW-CH Spec+Claim(sandra.t-20090622) 11 201003082 成正比 ^描述之實施罐為本發_常見實_，用㈣ 理解。本技術領域中具有通常知識者應可以 二利範圍所界定的本發 辑和判祀_4下’可以有眾多其它的實 外，在此描述或申請專·圍中要求保護的本發 為轉，在棚確制的航τ其複數形式 Η樣視為處於本發明的保護範圍之内。 【圖式簡單說明】 —〆X下"ό合附圖和具體實施例對本發明的技術方法進 行詳細的描述，以使本發明的特徵和優點更為明顯。其中： 圖1所示為根據本發明一實施例電流感應電路的電 路圖。 圖2所示為根據本發明一實施例過電流保護電路電 路示意圖。 圖3所示為根據本發明一實施例負載線控制電路的 電路圖。 一圖4所示為根據本發明一實施例電流監視電路電路 示意圖。 圖5所示為根據本發明一實施例電流感應方法流程 圖。 【主要元件符號說明】 1〇〇 ··電流感應電路 ι〇ι :電流鏡 0516 TW CH Spec+Claim(sandra.t-20090622) 201003082 103 放大器 105 電晶體 107 外部電阻 109 感應電阻 111 電感 113 輸出線 115 電容 120 感應放大器 200 過電流保護電路 201 比較器 203 過電流保護電阻 300 負載線控制電路 301 遠程感應放大器 303 外部電阻 400 電流監視電路 401 外部電阻 403 外部電阻 500 流程圖 501: 步驟 503: 步驟 505: 步驟 507: 步驟 509: 步驟 0516-TW-CH Spec+Claim(sandra.t-20090622) 13

Claims (1)

1. 201003082 七、申請專利範圍： 1. 一種電流感應電路，包括： 一第一電阻，用於將流經該第一電阻的一電流轉換 為該第一電阻之一正端和一負端間之一電壓降； 一第二電阻，耦接至該第一電阻的該負端；以及 一感應放大器，其透過該感應放大器之一第一引腳 耦接至該第一電阻的該正端連接，及該感應放大器 之一第二引腳透過該第二電阻耦接至該第一電阻 之該負端，且採用一負回授產生與流經該第一電阻 的該電流成正比的一感應電流。 2. 如申請專利範圍第1項的電流感應電路，其中該感 應放大器包括： 一電壓隨耦器，其一非反相端和一反相端分別耦接 至該第一引腳和該第二引腳，以使該第二引腳的電 壓跟隨該第一引腳的電壓；以及 一電流鏡，耦接至該電壓隨耦器，用於提供與流經 該弟·一電阻的該電流成正比的該感應電流。 3. 如申請專利範圍第1項的電流感應電路，其中，該 感應電流和流經該第一電阻的該電流之間的一比 例係由該第一電阻和該第二電阻的阻值所決定。 4. 如申請專利範圍第1項的電流感應電路，進一步包 括： 一第三電阻，用於將該感應電流轉換為一輸入電 壓；以及 一比較器，其係耦接至該第三電阻，用於透過比較 該輸入電壓和一參考電壓以產生指示一過電流情 0516-TW-CH Spec+Claim(sandra.t-20090622) 14 201003082 況的一信號。 5.如申請專利範圍第4項的電 流感應電路，其中，引 發5亥過電流情況的一極限電流係由該參考電壓和 該第一電阻、該第二電阻和該第三電阻的阻值所決 定。 、 6·如申請專利範圍第1項的電流感應電路，進一步包 括： —第三電阻，用於將該感應電流轉換為該第三電阻 兩端之一電壓，其中，該感應電流指示一電子電路 之—負載電流；以及 —遠程感應放大器，其係透過該第三電阻耦接至該 電子電路，用於根據該第三電阻兩端的該電壓穩定 該電子電路的一輸出阻抗。 7. 如申請專利範圍第6項的電流感應電路，其中，該 第三電阻兩端的電壓變化抵消該電子電路的一負 栽電壓之變化’進而穩定該輸出阻抗。 8. 如申晴專利範圍第6項的電流感應電路，其中，該 輸出阻抗係由該第一電阻、該第二電阻和該第三電 阻的阻抗所決定。 9. 如申睛專利範圍第6項的電流感應電路，其中，該 電子電路包括一直流/直流轉換器。 10·如申请專利範圍第6項的電流感應電路，其中，當 該電子電路的一負載電流增加時，該電子電路的一 負载電壓隨著該第三電阻兩端的該電壓的增加而 減小。 η·如申請專利範圍第1項的電流感應電路，進一步包 0516-TW-CHSpec+Claim(sandra.t-20090622) 15 201003082 括： 一第三電阻及一第四電阻，其係串聯耦接於一參考 電壓源和地之間；以及 一監視節點，其耦接於該第三電阻和電阻第四電阻 接點處，用於接收該感應電流並提供指示該監視節 點處電流的電壓。 12. —種電流感應方法，包括： 將流經一第一電阻的一電流轉換為該第一電阻之 一正端和一負端之間的一電壓降； 將該第一電阻的該正端的電壓施加至一感應放大 器的一第一引腳； 將該第一電阻的該負端的電壓透過一第二電阻施 加至該感應放大器的一第二引腳； 該感應放大器採用一負回授以使該第二引腳的電 壓跟隨該第一引腳的電壓；以及 該感應放大器產生與流經該第一電阻的該電流成 正比的一感應電流。 13. 如申請專利範圍第12項的電流感應方法，其中，該 該感應電流和流經該第一電阻的該電流之間的一 比例係由該第一和第二電阻的阻抗決定。 14. 如申請專利範圍第12項的電流感應方法，進一步包 括： 將該感應電流轉換為一輸入電壓；以及 比較該輸入電壓和一參考電壓以產生指示一過電 流情況的一信號。 15. 如申請專利範圍第12項的電流感應方法，進一步包 0516-TW-CH Spec+Claim(sandra.t-20090622) 16 201003082 括： 將該感應電流轉換成一第三電阻兩端的電壓，其中 該感應電流指示一電子電路的一負載電流；以及 用該第三電阻兩端的電壓變化來抵消該電子電路 的一負載電壓的變化，進而穩定該電子電路的一輸 出阻抗。 16. —種電流感應系統，包括： 一直流/直流轉換器，用於提供一負載電流給一負 載； 一第一電阻，耦接至該直流/直流轉換器，用於感 應該負載電流； 一第二電阻，耦接至該第一電阻；以及 一感應放大器，該感應放大器的一第一引腳搞接至 該第一電阻的一正端，並且該感應放大器的一第二 引腳透過該第二電阻耦接至該第一電阻的一負 端，該感應放大器採用一負回授以產生與該負載電 流成正比的一感應電流。 17. 如申請專利範圍第16項的電流感應系統，其中，該 感應放大器包括： 一電壓隨耦器，其一非反相端和一反相端分別耦接 至該第一引腳和該第二引腳，以使該第二引腳的電 壓跟隨該第一引腳的電壓；以及 一電流鏡，耦接至該電壓隨耦器，用於提供與流經 該第一電阻的該電流成正比的該感應電流。 18. 如申請專利範圍第16項的電流感應系統，進一步包 括： 0516-TW-CH Spec+Claim(sandra.t-20090622) 17 201003082 一過電流保護電路’用於接收該感應電流並根據該 感應電流防範一過電流情況，以保護該直流/直流 轉換器。 19. 如申請專利範圍第16項的電流感應系統，進一步包 括： 一輸出線控制電路，用於接收該感應電流並根據該 感應電流穩定該直流/直流轉換器的一輸出阻抗。 20. 如申請專利範圍第16項的電流感應系統，進一步包 括： 一電流監視電路，用於接收該感應電流並根據該感 應電流監視該直流/直流轉換器的一監視節點的電 流。 21. —種電流感應方法，包括： 將流經一第一電阻的一電流轉換為該第一電阻兩 端的一第一電壓降； 將該第一電壓降提供給一感應放大器； 透過該感應放大器向一第二電阻施加與該第一電 壓降相等的一第二電壓降；以及 透過該施加步驟，產生與流經該第一電阻的該電流 成正比的一感應電流。 22. 如申請專利範圍第21項的電流感應方法，進一步包 括： 該感應放大器採用一負回授以產生該第二電壓降。 0516-TW-CH Spec+Claim(sandra.t-20090622) 38