基于MOSFET传感器的精密电流测量电路的制作方法

本发明涉及精密电流测量电路，特别是一种基于MOSFET传感器的精密电流测量电路，所述MOSFET传感器是指采用MOSFET的导通电阻作为电流传感电阻，所述MOSFET分布在电路芯片中被测电流的电流路径上，所述精密电流测量是指测量精度达到或者接近使用精密电阻传感器所达到的精度。本发明通过背景校准技术，实现了基于MOSFET传感器进行电流测量，但是避免了由于MOSFET的导通电阻随结温，栅源电压和工艺离散性而带来的误差，从而提高了测量精度，避免了使用精密测量电阻带来的额外功耗。

背景技术：

当前的精密电流测量所使用的传感器主要分为两类：中低电流(<100Amp)使用精密电阻或者借用MOS管的导通电阻，大电流使用霍尔传感器或者变压器。对于使用电阻的电流传感器，电阻会带来插入损耗，增加系统功耗。电流流过电阻发热会改变电阻阻值，从而降低测量精度。为了降低自身发热的影响，不得不选用低温漂，大面积的电阻，从而提高了系统的成本。对于基于MOS管导通电阻的电流传感器，测量精度受到MOS管的栅极电压、工作温度和工艺离散性的影响，测量精度较低。在很多应用中，电流的测量都是决定系统性能的关键因素。和较为直接的电压测量不一样，电流一般不能直接测量，而必须通过传感器把电流转化为电压以后再进行测量。传感器的精度和稳定性直接决定了电流测量的精度和稳定性。

在精密电流测量的许多应用中，例如电池保护电路，电机驱动电路等，被测电流路径上会有工作在开关状态的MOSFET，因而MOSFET在导通时的Ron就被用来作为传感器，测量路径上的电流。这种方法避免使用额外的精密测量电阻，从而避免了额外的系统功耗。但是和精密测量电阻不一样，MOSFET的导通电阻Ron受到多方面因素的影响。首先Ron受栅极驱动电压的影响，栅电压越高Ron越小；其次Ron受温度的影响比低温漂测量电阻要大很多；第三Ron受制造工艺偏差的影响，绝对精度比精密测量电阻低很多。本发明人面对上面三个影响因素，采用周期性背景校准技术对基于MOSFET导通电阻的电流传感器进行校准，使得基于MOSFET传感器的电流测量技术能够实现精密测量，从而完成了本发明基于MOSFET传感器的精密电流测量电路。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种基于MOSFET传感器的精密电流测量电路，所述MOSFET传感器是指采用MOSFET的导通电阻作为电流传感电阻，所述MOSFET分布在电路芯片中被测电流的电流路径上，所述精密电流测量是指测量精度达到或者接近使用精密电阻传感器所达到的精度。本发明通过背景校准技术，实现了基于MOSFET传感器进行电流测量，但是避免了由于MOSFET的导通电阻随结温，栅源电压和工艺离散性而带来的误差，从而提高了测量精度，避免了使用精密测量电阻带来的额外功耗。

本发明技术方案如下：

基于MOSFET传感器的精密电流测量电路，其特征在于，包括MOSFET传感器和周期性背景校准电路，所述周期性背景校准电路对所述MOSFET传感器的差分输出电压进行校准后作为系统输出的精密电流测量结果输出。

所述周期性背景校准电路包括数字乘法器、模数转换器和控制逻辑电路，所述数字乘法器分别连接系统输出端、所述模数转换器和所述控制逻辑电路，所述模数转换器连接所述MOSFET传感器，所述系统输出端连接所述控制逻辑电路。

所述MOSFET传感器具有被测电流输入端、被测电流输出端和传感器时钟端，所述周期性背景校准电路包括数字乘法器、模数转换器和控制逻辑电路，所述MOSFET传感器的第一传感电压输出端连接所述模数转换器的正向输入端，所述MOSFET传感器的第二传感电压输出端连接所述模数转换器的负向输入端，所述模数转换器的转换器输出端连接所述数字乘法器的被乘数输入端，所述数字乘法器的乘数输入端连接所述控制逻辑电路的控制逻辑增益输出端，所述数字乘法器的乘积输出端连接系统输出端，所述控制逻辑电路的控制逻辑输入端连接所述系统输出端，所述控制逻辑电路具有控制逻辑时钟端。

所述控制逻辑时钟端和所述传感器时钟端一同连接到外部时钟电路。

所述控制逻辑电路中存储有周期性背景增益值，所述周期性背景增益值作为所述数字乘法器的乘数输入值，所述乘数输入值乘以被乘数输入值所得乘积即为系统输出的精密电流测量结果。

所述周期性背景增益值的获得方式如下：当传感器时钟端为逻辑低时，第一传感电压和第二传感电压之间形成差分阈值电压，所述模数转换器得到所述差分阈值电压后输出数字信号，所述数字信号乘以控制逻辑输出的增益变量后所得乘积反馈到所述控制逻辑输入端，所述控制逻辑电路调整所述增益变量直到数字信号与增益变量的乘积等于给定的系统输出满幅值，对应所述系统输出满幅值的增益变量即为所述周期性背景增益值，所述系统输出满幅值对应于所述差分阈值电压。

当传感器时钟端为逻辑高时，第一传感电压和第二传感电压之间的差分电压正比于输入的被测电流，所述差分电压经过所述模数转换器和所述数字乘法器后成为系统输出的精密电流测量结果或对应于被测电流的测量结果。

所述MOSFET传感器包括MOS管串并联结构和参考电流源。

所述MOSFET传感器包括四组MOS管，其中第一组MOS管与第二组MOS管串联后再与第四组MOS管并联，第一组MOS管与第二组MOS管之间的中间节点通过第三组MOS管连接参考电流源，所述参考电流源的使能端连接第二组MOS管的栅极，第二组MOS管的栅极连接传感器时钟端，第三组MOS管与所述参考电流源之间的中间节点连接第一传感电压输出端，第一组MOS管与第四组MOS管之间的中间节点分别连接第二传感电压输出端和被测电流输出端，第二组MOS管与第四组MOS管之间的中间节点连接被测电流输入端。

第一组MOS管、第二组MOS管和第四组MOS管均采用若干个MOS管并联的结构，第三组MOS管采用若干个MOS管源漏串联的结构。

本发明技术效果如下：本发明基于MOSFET传感器的精密电流测量电路，通过MOSFET传感器与ADC背景校准技术的结合，实现了基于MOSFET(即MOS)的Ron(MOS管导通电阻)进行电流测量，但是避免了由于Ron随结温，栅源电压和工艺离散性而带来的误差，从而提高了测量精度，避免了使用精密测量电阻带来的额外功耗。本发明利用电路中必须的MOSFET作为传感器，在节省精密测量电阻的同时达到相近的测量精度，从而在不降低系统性能的前提下节省了功耗和系统成本。

附图说明

图1是实施本发明一种基于MOSFET传感器的精密电流测量电路的结构原理示意图。

图2是用于图1中的一种MOSFET传感器的结构原理示意图。

附图标记列示如下：1-外部被测电流输入线；2-外部被测电流输出线；3-外部时钟电路连接线；4-被测电流输入端(即In+)；5-被测电流输出端(即In-)；6-传感器时钟端(即CK)；7-MOSFET传感器(即Sensor)；8-第一传感电压输出端/第一传感电压(即Out+)；9-第二传感电压输出端/第二传感电压(即Out-)；10-模数转换器(即ADC)；11-转换器输出端(即Dout，Dout即数字信号)；12-数字乘法器；13-被乘数输入端；14-乘数输入端；15-乘积输出端；16-控制逻辑增益输出端(即GN，GN即增益变量)；17-控制逻辑时钟端(即CK)；18-控制逻辑输入端(即IN)；19-控制逻辑电路(即Control)；20-系统输出端(即Out，Out即系统输出的精密电流测量结果，用Out1表示系统输出满幅值)；Iref-参考电流源；enb-使能端；M1-第一组MOS管；M2-第二组MOS管；M3-第三组MOS管；M0-第四组MOS管。

具体实施方式

下面结合附图(图1-图2)对本发明进行说明。

图1是实施本发明一种基于MOSFET传感器的精密电流测量电路的结构原理示意图。图2是用于图1中的一种MOSFET传感器的结构原理示意图。如图1所示，基于MOSFET传感器的精密电流测量电路，包括MOSFET传感器7和周期性背景校准电路，所述周期性背景校准电路对所述MOSFET传感器7的差分输出电压进行校准后作为系统输出的精密电流测量结果输出。所述周期性背景校准电路包括数字乘法器12、模数转换器10和控制逻辑电路19，所述数字乘法器12分别连接系统输出端20、所述模数转换器10和所述控制逻辑电路19，所述模数转换器10连接所述MOSFET传感器7，所述系统输出端20连接所述控制逻辑电路19。

所述MOSFET传感器7具有被测电流输入端4(用于连接外部被测电流输入线1)、被测电流输出端5(用于连接外部被测电流输出线2)和传感器时钟端6(用于连接外部时钟电路连接线3)，所述周期性背景校准电路包括数字乘法器12、模数转换器10和控制逻辑电路19，所述MOSFET传感器7的第一传感电压输出端8连接所述模数转换器10的正向输入端(+)，所述MOSFET传感器7的第二传感电压输出端9连接所述模数转换器10的负向输入端(-)，所述模数转换器10的转换器输出端11连接所述数字乘法器12的被乘数输入端13，所述数字乘法器12的乘数输入端14连接所述控制逻辑电路19的控制逻辑增益输出端16，所述数字乘法器12的乘积输出端15连接系统输出端20，所述控制逻辑电路19的控制逻辑输入端18连接所述系统输出端20，所述控制逻辑电路19具有控制逻辑时钟端17。所述控制逻辑时钟端17和所述传感器时钟端6一同连接到外部时钟电路(通过外部时钟电路连接线3)。所述控制逻辑电路19中存储有周期性背景增益值(GN1)，所述周期性背景增益值(GN1)作为所述数字乘法器12的乘数输入值，所述乘数输入值(GN1)乘以被乘数输入值(Dout)所得乘积即为系统输出的精密电流测量结果(Out)。所述周期性背景增益值(GN1)的获得方式如下：当传感器时钟端6为逻辑低时，第一传感电压Out+和第二传感电压Out-之间形成差分阈值电压Vth1，所述模数转换器10得到所述差分阈值电压Vth1后输出数字信号Dout，所述数字信号Dout乘以控制逻辑输出的增益变量(GN)后所得乘积反馈到所述控制逻辑输入端18，所述控制逻辑电路19调整所述增益变量(GN)直到数字信号Dout与增益变量(GN)的乘积等于给定的系统输出满幅值(Out1)，对应所述系统输出满幅值的增益变量即为所述周期性背景增益值，所述系统输出满幅值(Out1)对应于所述差分阈值电压Vth1。当传感器时钟端6为逻辑高时，第一传感电压Out+和第二传感电压Out-之间的差分电压正比于输入的被测电流，所述差分电压经过所述模数转换器10和所述数字乘法器12后成为系统输出的精密电流测量结果(Out)或对应于被测电流的测量结果。

如图2所示，所述MOSFET传感器包括MOS管串并联结构和参考电流源。所述MOSFET传感器包括四组MOS管，其中第一组MOS管M1与第二组MOS管M2串联后再与第四组MOS管M0并联，第一组MOS管M1与第二组MOS管M2之间的中间节点通过第三组MOS管M3连接参考电流源Iref，所述参考电流源Iref的使能端enb连接第二组MOS管M2的栅极，第二组MOS管M2的栅极连接传感器时钟端6，第三组MOS管M3与所述参考电流源Iref之间的中间节点连接第一传感电压输出端8，第一组MOS管M1与第四组MOS管M0之间的中间节点分别连接第二传感电压输出端9和被测电流输出端5，第二组MOS管M2与第四组MOS管M0之间的中间节点连接被测电流输入端4。第一组MOS管、第二组MOS管和第四组MOS管均采用若干个MOS管并联的结构，第三组MOS管M3采用若干个MOS管源漏串联的结构。

外部被测电流从1流入In+，从In-回流出2。外部时钟从3输入到Sensor和控制逻辑的CK端。当3为逻辑低时，Sensor在Out+、Out-输出一个差分阈值电压Vth1给ADC，ADC的输出Dout乘以Control的输出端GN，得到系统输出Out。Control不断调整GN的输出值，直到Out等于对应于Vth1的给定输出Out1(即系统输出满幅值)。这时得到的GN值GN1被存储在Control中。在时钟3为逻辑高时，Sensor输出差分电压和输入电流成正比，比例系数为K，ADC的输出Dout乘以前述得到的GN1，从而得到对应于输入电流的最终结果。本发明通过上述连接方式和操作逻辑，把传感器产生的阈值电压对应的增益存储在值GN1中。在随后进行的AD转换中，传感器的输出被乘以GN1，从而实现了周期性背景校准电路对于传感器的校准，提高了转换精度或电流测量精度。

MOSFET传感器即电流传感器由M0，M1，M2，M3和参考电流源Iref构成，其中M0，M1，M2由N0，N1，N2个并联的单位MOSFET构成，M3由N3个源漏串联的单位MOSFET构成。参考电流源在使能端enb为逻辑低时输出固定电流到M3，其使能端enb为逻辑高时Iref输出电流为0。M0，M1，M3的栅端接逻辑高，因而总是处于导通状态，M2的栅端和Iref的enb端接CK。当CK为逻辑低时，M2截止，Iref输出固定电流，其流过M1、M3在输出端Out+，Out-上产生电压Vth1。当CK为高时，M2导通，Iref输出电流为0。输入电流的一部分流过M1，在Out+，Out-上产生和电流成比例的信号电压。

电流传感器和系统在CK不同状态的特定操作方式：CK为低时，Sensor内部元件的开关方式，Sensor输出一个由其参考电流源产生的电压，Control模块调整增益GN值，直到输出符合预定值。CK为高时，Sensor内部元件的开关方式，Sensor输出一个和输入电流成比例的信号电压，ADC输出使用第一步产生的GN值，得到最终输出。

在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。