专利名称：用于测量电流的方法和用于此目的的设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于在插入电流路径中的场效应晶体管的协助下测量电流的方法，其中测量电流路径中晶体管处的漏极与源极之间的电压降，并且基于所述电压降和漏极-源极电流与漏极-源极电压之间的已知关系来确定所关注电流的值。本发明还涉及用于测量电流的设备，其包括用于插入电流路径中的晶体管，用于确定电流路径中晶体管的漏极与源极之间的电压降的器件，和用于基于所述电压降和漏极-源极电流与漏极-源极电压之间的已知关系确定所关注电流的值的器件。
现有技术通常，借助于横跨欧姆测量电阻器或者“分路器”的电压降来测量电流。这些分路器由特殊合金构成，并且具有恒定的阻力值。横跨分路器测得的电压降于是直接与电流成正比(I=U/R)。一段时间以来，场效应晶体管(FET)已用于代替欧姆电阻器进行电流测量。 分路器在这里被场效应晶体管的可控沟道电阻Rds取代。MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)，Rds的沟道电阻取决于晶体管的温度(或者，更确切地说，晶体管的基体的温度)、栅极电压Ugs和漏极-源极电压Uds。图I示出了在自身已知背景中的一个示例。在漏极-源极电流Ids对漏极-源极电压Uds的曲线图上，示出了用于各个栅极-源极电压Ugsl... Ugs5的特性曲线。众所周知的是沟道电阻Rds从Uds/Ids确定。图I中的虚线还使FET晶体管的线性区域与饱和区域Bs分开。图2进一步示出了沟道电阻Rds与温度T的相关性。从现有技术已知用于在场效应晶体管的协助下测量电流的若干解决方案。例如，WO 1998/010301A1公开了这样一种电流测量电路，其中经由晶体管为负载供给电能。由电流引起的横跨晶体管的电压降和晶体管的温度被测量。有效沟道电阻在所测得的温度的协助下得到确定，并且沟道电阻和所测得的电压降于是用于确定所关注电流的值。此外DE 10 2004 039 392B3公开了用于根据脉冲宽度调制方法确定电气装置中的电流的方法，所述电气装置受控于与其耦合的场效应晶体管。根据该方法，横跨场效应晶体管的源极-漏极区域的电压被测量，场效应晶体管附近的温度也如此。从测量值，以及脉冲宽度，并在温度补偿的协助下，确定电流的当前值。US 6，867，576B2也公开了具有较小电容的场效应晶体管可以与电源场效应晶体管并联连接，以允许横跨电源场效应晶体管的电压降用于确定流经它的电流。该测量的结果被用来在所测得的电压超过特定阈值的情况下关闭电源场效应晶体管。最后，US 7，154，291B2公开了一种用于测量通过场效应晶体管的电流的方法,其中为此目的而测量漏极-源极电压。场效应晶体管的温度也被测量，以便其沟道电阻能够被精确地确定。从同一电压和沟道电阻，于是容易确定流经晶体管的所关注电流的值。图3则示出了场效应晶体管FET的自身已知的配置，所述场效应晶体管与温度测量二极管D位于公共基体S上。场效应晶体管FET包括用于栅极g、漏极d和源极s的连接。这样，温度测量二极管D的温度在很大程度上是晶体管的温度T，由此能够大幅地避免测量误差。图4此外示出了横跨温度测量二极管D下降的电压Ut与温度T之间的关系。这些已知方法的一个缺点是只能够测量值的范围比较小的电流。已知的电路因此不适于较大的测量范围，或者必须使用复杂的电路延伸以扩大测量范围。
发明内容
因此本发明的目的是公开一种用于测量电流的改善的方法或者改善的设备，具体说用于比较大的测量范围。本发明的问题借助于一种用于在插入电流路径中的场效应晶体管的协助下测量电流的方法，其包括以下步骤-在所述晶体管的栅极与源极之间施加控制电压，以使所述电流路径中所述晶体管处的漏极与源极之间的电压降保持在可指定的范围内，
-确定所述电压降，-确定所述控制电压，-基于所述电压降，所述控制电压，以及漏极-源极电流、漏极-源极电压和栅极-源极电压之间的已知关系确定所关注电流的值。控制电压的确定在这里是非常简单的程序，其通常例如不需要测量，因为所描述方法中的控制电压是预定的。此外，本发明的问题通过用于测量电流的设备得到解决，该设备包括-用于插入电流路径中的晶体管，-控制单元，其用于在所述晶体管的栅极与源极之间施加控制电压，以使所述电流路径中所述晶体管处的漏极与源极之间的电压降保持在可指定的范围内，-用于确定所述电压降和控制电压的器件，-用于确定所关注电流的值的器件，其基于所述电压降，所述控制电压，以及漏极-源极电流、漏极-源极电压和栅极-源极电压之间的已知关系确定所关注电流的值。本发明克服现有技术中存在的限制，即场效应晶体管只能在切换模式中或者在饱和区域中操作，因为在已知方案中，仅仅是沟道电阻与温度的相关性被纳入考量。根据本发明，沟道电阻Rds现在被控制成使得电压降Uds保持小，并且被测物体因此不受影响。这使得能够测量大电流(具有小Rds)以及非常小的电流(具有大Rds)。晶体管温度T在很大程度上取决于由电流的流动产生的功率耗散，因此很少能够对它有影响。适当的沟道电阻Rds因此借助于栅极-源极电压Ugs得到设定。为此目的，栅极电压Ugs被控制成使得漏极-源极电压Uds位于确定的极限内(例如10mV-90mV)。因此对被测量对象的影响保持小，并且功率耗散是可管控的。电流变化能够被记录的速度因此只取决于使用中的硬件的计算速度以及ADC (模拟/数字转换器)和DAC (数字/模拟转换器)的取样频率。实现所描述的测量原理的高动态范围的方法之一是场效应晶体管既不用作开关(可变栅极电压Ugs)也不是只在线性区域中使用。漏极与源极之间的电压降Uds的可指定范围可以例如位于10mV_90mV之间。然而，取决于众多因素，特别是所采用的部件和期望的应用，其它范围也可以是更适当的。本发明的有利实施例和其它改进在从属权利要求和结合附图的描述中显现出来。
有利地，只要漏极与源极之间的电压降Uds保持在所述可指定的范围内，则晶体管的栅极与源极之间的控制电压Ugs就保持恒定，而如果漏极与源极之间的电压降Uds离开所述可指定的范围，则所述控制电压Ugs增加或者减小一离散的量。作为结果，当漏极与源极之间的电压降Uds离开可指定的范围时，它再次被坚决地返回该范围。为了确定所关注电流的值，使用了特性曲线(漏极-源极电流与漏极-源极电压之间在不同栅极-源极电压处的关系)的整个阵列。也可以在场效应晶体管的受限区域与线性区域之间的过渡区域中，即在非常小的栅极-源极电压Ugs处，使用特性曲线。结果是用于确定所关注电流的值的特别高的测量范围。如果漏极-源极电流、漏极-源极电压和栅极-源极电压之间的关系在初始步骤中确定，则是有利的。在本发明的该变型中，特定晶体管的漏极-源极电流、漏极-源极电压和栅极-源极电压之间的关系被确定，而不是依赖于制造商在数据表中提供的信息。这样能够避免由于晶体管的制造公差而发生在参数中的离散。如果在以后的时间重复所述关系的确定，则还能够避免由部件的时效产生的测量的不精确性。此外，如果漏极-源极电流、漏极-源极电压和栅极-源极电压之间的关系呈现为 以下多项式形式的沟道电阻，则是有利的Rds=Iic^k1. Uds+k2. Uds2+…+kn. Udsn其中，对于不同控制电压提供不同组的系数V.. kn。由于沟道电阻的非线性，多项式特别适合于这种近似。为了允许实现控制电压的效果，为不同控制电压存储不同的系数组。对于各个多项式之间的区域可以进行线性或者非线性插值。所关注电流的值于是能够使用以下公式轻松地算出
I lV丨 1=·^以下方法是特别有利的，该方法中-还确定所述晶体管的温度，-漏极-源极电流、漏极-源极电压和栅极-源极电压之间的已知关系还包括与晶体管温度的相关性，并且-当确定所关注电流的值时，将晶体管温度纳入考量。因为场效应晶体管中发生的功率耗散在一些情形中能够导致可观的发热，所以有利的是在确定电流测量值时将其温度纳入考量，因为温度对晶体管的沟道电阻确实具有可观的影响。特别是在小栅极-源极电压的区域中，描述漏极-源极电流与漏极-源极电压之间的关系的特性曲线显示出强烈的温度相关性，因此将晶体管温度纳入考量在该区域中是特别重要的。对场效应晶体管具有影响的非常高或者非常低的环境温度当然也能够显著地扭曲测量结果，如果它未被纳入考量的话。关于这一点，如果为不同晶体管温度提供不同系数的组，则是有利的。如果漏极-源极电流、漏极-源极电压和栅极-源极电压之间的关系被存储为多项式形式的沟道电阻，则能够简单地为不同晶体管温度提供不同组的系数，以应对温度的影响。将晶体管温度纳入考量因此是特别容易的。如果晶体管的漏极与源极之间的电压降在很大程度上保持恒定，并且独立于待测量的电流，则是便利的。这样，晶体管的“测量范围”，从而在晶体管中发生的功率耗散，能够得到特别精确的调节。在本发明的另一有利变型中，至少一个温度测量二极管设置成温度传感器。温度测量二极管是用于温度测量的已被证实的可靠的部件。本发明的设备因此能够以很少的技术复杂性付诸实践，并且还不易发生故障。当然也可以采用用于温度测量的其它部件，例如热敏电阻器。关于这一点，如果最少一个温度测量二极管与恒定电流源或者恒定电压源以及一系列电阻器一起组合操作，则横跨所述最少一个温度测量二极管的电压降被当作晶体管温度的量尺，这是特别优选的。由于温度测量二极管处的电压与温度成比例地变化，所以温度测量在该情况下能够特别轻松地进行。此外，如果用于确定晶体管温度的器件包括与晶体管位于同一基体上的温度传感器，则是特别有利的。这样，晶体管温度的测量误差能够在很大程度上得到避免，因为温度传感器(例如温度测量二极管)与晶体管几乎具有相同的温度。
在本发明的另一有利变型中，多个晶体管并联连接。通过并联连接多个晶体管，如果本发明的设备的测量范围不足，虽然它已经较大，则电流测量范围能够被轻松地延伸。被并联连接的晶体管的性能可以相同，也可以不同。此外，温度测量可以在每个晶体管处逐个地实施。还可以想到的是，如果晶体管例如安装在公用散热器上，并且如果精度的小损失能够被接受的话，则只在一个晶体管处实施温度测量。与各个FET (相同类型的)相关联的温度测量二极管也可以串联连接，以确定平均温度。然而，同样有利的是多个晶体管反并联(antiparallel)地连接。在晶体管被反并联连接的情况下，能测量正电流和负电流。本发明的设备因此能够以双向方式操作。到此，应指出的是对于本发明的方法描述的各种变型以及由它们产生的优点同样适用于本发明的设备，反之亦然。还应指出的是本发明的设备可以在软件、硬件或其组合中再现。如果控制器在软件中执行，则方法所需的步骤和参数可以存储在例如存储器中，并且可以载入处理器中并在运行时在那里得到处理。上述发明的实施例和其它改进可以以任何期望的方式组合。
以下基于示意性附图中的示例性实施例更详细地说明本发明。附图示出了 图I示出了场效应晶体管的输出特性；图2示出了场效应晶体管的沟道电阻与温度的相关性；图3示出了场效应晶体管和温度测量二极管被配置在一个公共基体上的配置；图4示出了横跨温度测量二极管的电压降与温度的相关性；图5示出了本发明的用于测量电流的设备，而图6示出了测量电流与漏极-源极电压之间的关系是如何能够被确定的示例。
具体实施例方式图5示出了用于测量电流Im的根据本发明的设备I的一个变型。设备I包括通过漏极d和源极s连接在电流路径中的晶体管FET。差动放大器2测量漏极-源极电压Uds,并将它供给至控制单元3。漏极-源极电压Uds还供给至测量获取单元4的输入端。控制单元3的输出端连接至晶体管FET的栅极g，并且连接至测量获取单元4的输入端。最后，测量获取单元4连接至存储器5，在其中存储漏极-源极电流Ids、漏极-源极电压Uds和栅极-源极电压Ugs之间的关系，例如以根据漏极-源极电压Uds和栅极-源极电压Ugs变化的漏极-源极电流Ids的函数形式。设备I还包括数据界面6，用于控制单元3、测量获取单元4和存储器5与外部装置的通信。控制单元3、测量获取单元4、存储器5和数据界面6在所示示例中容纳在测量模块7中。这种组合在实际上可能是有利的，但是比较随意。本发明所需的器具当然可以以其它方法组合。例如，差动放大器2也可以是测量模块7的一部分。此外，应指出的是将本发明的功能分成差动放大器、控制单元3、测量获取单元4和存储器5也完全是随意的。这些功能通过其它功能单元同样能得到很好地执行。最后，需要说明的是执行本发明所需的功能可以由硬件和/或软件代表。例如，可以想到的是功能主要由在处理器中运行的程序执行。然而，同样可以想到的是功能实施在ASIC(专用集成电路)中。
因此本发明的设备的基本功能如下在控制单元3的协助下，控制电压Ugs被施加在晶体管FET的栅极g与源极s之间，使得电流路径中晶体管FET处的漏极d与源极s之间的电压降Uds保持在可指定的范围内。在本发明的一个变型中，控制电压Ugs选择成使得电压降Uds在很大程度上完全保持恒定，并且独立于待测量的电流。在测量获取单元4的协助下，控制电压Ugs和所述电压降Uds的具体值现在得到确定。这样，所关注的电流值Im在存储于存储器5中的漏极-源极电流Ids、漏极-源极电压Uds和栅极-源极电压Ugs之间的关系的协助下得到确定。通过已知的晶体管特性曲线、已知的漏极-源极电压Uds和已知的栅极-源极电压Ugs,漏极-源极电流Ids能够得到确定，并且这同时对应于待测量电流Im的值。漏极-源极电流Ids、漏极-源极电压Uds和栅极-源极电压Ugs之间的所述关系可以从数据表得知，或者，更好地，在初始步骤期间确定。在后一情况下，从晶体管FET中的制造公差产生的测量误差能够在很大程度上得到避免。在本发明的一个有利变型中，漏极-源极电流Ids、漏极-源极电压Uds和栅极-源极电压Ugs之间的关系被存储为多项式形式的沟道电阻Rds Rds=Iic^k1. Uds+k2. Uds2+…+kn. Uds11其中，对于不同控制电压Ugs提供不同组的系数1 . . . kn。由于晶体管FET的特性曲线也随其温度强烈地波动，所以在本发明的再一有利变型中，晶体管FET的温度T被额外确定，并纳入考量以确定所关注电流Im的值。为此目的，漏极-源极电流Ids、漏极-源极电压Uds和栅极-源极电压Ugs之间的已知关系被延伸成使得与晶体管温度T的相关性也被并入。如果所述关系被存储为上述多项式的形式，则对于不同晶体管温度T (并且对于不同栅极-源极电压Ugs)，可获得不同组的系数V . . kn。为了确定晶体管温度T，设备还包括两个温度测量二极管D，其与晶体管FET位于同一基体S上，以取得尽可能精确的测量结果。温度测量二极管D连接至恒定电流源8，使得依赖于二极管D的温度从而依赖于晶体管温度T的电压Ut横跨温度测量二极管D发生下降(关于这一点另见图3和4)。该电压Ut由测量获取单元4测量，并被纳入考量以确定漏极-源极电流Ids，例如用于上述沟道电阻Rds的多项式的不同组的系数V . . kn能被获得。其它温度相关的元件当然适合于测量晶体管温度T (例如热敏电阻器)，特别是能够安装在与晶体管FET位于同一基体S上那些元件。具有一系列电阻器的恒定电压源也可以被提供来代替恒定电流源8。在这点上，也应注意的是，所使用的温度测量二极管D的数量应看作纯粹是示例性的。本发明的电路的其它变型包括例如仅仅一个温度测量二极管D。由控制单元3对栅极电压Ugs的控制有利地与测量获取单元4对该电压的测量是分开的。这样，一方面能够构成控制环，而另一方面实际上存在的栅极电压Ugs得到确定。然而，同样可能的是只控制栅极电压ugs，并直接使用其设定值来确定所关注电流Im的值。电路的该变型得到的结果并不十分精确，但却更容易构成。图5最后示出了与本发明的设备I连接的外部装置，即用于数据显示并且用于进一步处理测量值的个人计算机(PC) 9，具有集成的恒定电流源11的校正单元10，和连接至校正单元10的加热器12。替代地，或者额外地，例如如果操作温度低或者待校正电流高，则也可以提供冷却单元。在校正过程的期间，用于沟道电阻Rds的系数V . . kn的矩阵得到确定，并且被记 录在测量模块7的非易失性存储器5中。校正单元10在这里控制加热器12，使得最好位于气温受控室中的设备I能够被带至特定温度。如果测量模块7现在要被校正，则它(临时地)连接至校正单元10，并通过经由界面6传来的特殊指令切换至校正模式。在校正模式中，一确定范围的操作温度(例如0°C-80°C)被操作经过若干阶段(例如32个阶段)。各个增量可以是恒定的(例如每次2. 5°C)，也可以是波动的。在达到由温度测量二极管D测得的特定温度T后，施加用于控制的开始值或者栅极电压Ugs。如果温度T和栅极电压Ugs是恒定的，则来自恒定电流源11的校正电流被调节成使得一指定的电压降Uds (例如40mV)在晶体管FET处发生。如上所述，并且如在图I中可看出的，沟道电阻Rds只在一小范围内是大致线性的。为了精确测量，因此有必要通过比较高级的多项式来描述沟道电阻。为此，如图6所示，指定用于Uds的多个值(例如20、40和60mV)，并且确定相关联的测试电流(^、、、‘等)。在其它步骤中，描述基体或者晶体管的温度T和特定栅极电压Ugs处的动态沟道电阻Rds的多项式系数1 . . . kn被算出，并经由数据界面6写入测量模块7的Rds系数矩阵中。Rds=Iic^k1. Uds+k2. Uds2+…+kn. Udsn该程序对各栅极电压Ugs (例如50增量)实施。与温度增量的情况一样，这里的各个增量可以是恒定的或者可变的。在对于一个道次已找出用于所有栅极电压值Ugs的系数k0...匕后，在加热器12的协助下设定下一较高温度，并继续校正过程。在完成所有温度级别和栅极电压值Ugs后，校正过程得以完成，并且测量模块7已准备好使用。当然，可以在任何阶段重复校正，以便例如避免由时效效果产生的不精确测量。虽然原则上能够确定任意组数的系数V . . kn，即特性曲线的阵列，但是该情况的本质是在确定漏极-源极电流Im时，经常也有必要处理电压Ut和栅极电压Ugs的中间值。在该情况下，用于Rds的多项式系数V .. kn可以从相邻多项式确定。插值处理可以是线性或者非线性的。通过并联连接具有不同性能的多个晶体管FET，还能够延伸可测量电流的范围。在晶体管FET被反并联连接的情况下，还能测量正电流和负电流。被并联连接的晶体管FET的性能可以是不同的，也可以是相同的。当使用了相同类型的晶体管FET时，使用公用控制单元是有利且足够的。以增强模式η-沟道MOSFET描述了测量方法。然而，也可以使用其它场效应晶体管，比如耗尽模式FET、P-沟道MOSFET等。 最后应指出的是附图中的图示只是示意性的，并且实际上可以存在额外的元件或者更少的元件。图中示出的各个变型也可以是独立发明的对象。
权利要求
1.一种在插入电流路径中的场效应晶体管(FET)的协助下测量电流(Im)的方法，包括以下步骤 -在所述晶体管(FET)的栅极(g)与源极(s)之间施加控制电压(Ugs)，以使所述电流路径中所述晶体管(FET)处的漏极(d)与源极(s)之间的电压降(Uds)保持在可指定的范围内， -确定所述电压降(Uds)， -确定所述控制电压(Ugs)， -基于所述电压降(Uds)，所述控制电压(Ugs)，以及漏极-源极电流(Ids)、漏极-源极电压(Uds)和栅极-源极电压(Ugs)之间的已知关系确定所关注的电流(Im)的值。
2.如权利要求I所述的方法，其特征在于，只要漏极⑷与源极(s)之间的电压降(Uds)保持在所述可指定的范围内，则晶体管(FET)的栅极(g)与源极(s)之间的控制电压(Ugs)就保持恒定，而如果漏极(d)与源极(s)之间的电压降(Uds)离开所述可指定的范围，则所述控制电压(Ugs)增加或者减小一离散的量。
3.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述晶体管(FET)处漏极(d)与源极(s)之间的电压降(Uds)的可指定的范围位于10mV-90mV之间。
4.如权利要求I所述的方法，其特征在于，漏极-源极电流(Ids)、漏极-源极电压(Uds)和栅极-源极电压(Ugs)之间的关系在初始步骤中确定。
5.如权利要求I所述的方法，其特征在于，漏极-源极电流(Ids)、漏极-源极电压(Uds)和栅极-源极电压(Ugs)之间的关系呈现为以下多项式形式的沟道电阻(Rds) RdS=k0+k1. Uds+k2. Uds2+…+kn. Udsn 其中，对于不同控制电压Ugs提供不同组的系数V . . kn。
6.如权利要求I所述的方法，其特征在于， -还确定所述晶体管(FET)的温度(T)， -漏极-源极电流(Ids)、漏极-源极电压(Uds)和栅极-源极电压(Ugs)之间的已知关系还包括与晶体管温度(T)的相关性，并且 -当确定所关注电流(Im)的值时，将晶体管温度(T)纳入考量。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，对于不同晶体管温度(T)提供不同组的系数O
8.用于测量电流(Im)的设备(I)，包括用于插入电流路径中的晶体管(FET)， 其特征在于 -控制单元(3)，其用于在所述晶体管(FET)的栅极(g)与源极(s)之间施加控制电压(Ugs)，以使所述电流路径中所述晶体管(FET)处的漏极(d)与源极(s)之间的电压降(Uds)保持在可指定的范围内， -用于确定所述电压降(Uds)和控制电压(Ugs)的器件(4)， -用于确定所关注电流(Im)的值的器件(5)，其基于所述电压降(Uds)，所述控制电压(Ugs)，以及漏极-源极电流(Ids)、漏极-源极电压(Uds)和栅极-源极电压(Ugs)之间的已知关系确定所关注电流(Im)的值。
9.如权利要求8所述的设备(I)，其特征在于， -它包括用于确定所述晶体管(FET)的温度的器件(D)，-支配在初始步骤中确定的晶体管电流(Ids)的关系还包括晶体管电流(Ids)与晶体管温度(T)的相关性，并且 -用于确定所关注电流(Im)的值的器件被执行为将晶体管温度(T)纳入考量。
10.如权利要求8所述的设备(I)，其特征在于，多个晶体管(FET)并联连接。
11.如权利要求8所述的设备(1)，其特征在于，多个晶体管(FET)反并联连接。
全文摘要
本发明公开了一种用于在插入电流路径中的场效应晶体管(FET)的协助下测量电流(IM)的方法，其中在晶体管(FET)的栅极(g)与源极(s)之间施加控制电压(Ugs)，以使漏极(d)与源极(s)之间横跨晶体管(FET)的电压降(Uds)在电流路径中保持于预先限定的范围内。还确定所述电压降(Uds)和控制电压(Ugs)。现在能够使用这两个值以及漏极-源极电流(Ids)/漏极-源极电压(Uds)和栅极-源极电压(Ugs)之间的已知关系来确定所关注的电流(IM)。还公开了用于执行本发明的方法的设备(1)。
文档编号G01R19/00GK102822686SQ201180014173
公开日2012年12月12日 申请日期2011年3月18日 优先权日2010年3月18日
发明者K.皮尔兹 申请人:马格纳斯泰尔汽车技术两合公司