用于确定有源负载的电流消耗的方法及相关电子电路与流程

本发明的实施例涉及电子电路并且非常具体地涉及用于对有源负载(例如，处理单元)的电流消耗进行测量的那些电子电路。

背景技术：

常规地，有可能通过测量例如连接在电压源与处理单元之间的电阻器的端子上的电压来对电子设备的电流消耗进行测量。这些电阻器一般连接至运算放大器，该运算放大器将电阻器的端子上的电压递送作为输出。

然而，一些应用要求使用有源负载(例如，处理单元)，该有源负载消耗的电流值在非常短的时间过程中可能变化非常大。例如，处理单元有可能在几秒内消耗平均值为0.3微安的电流，于是，由于具体运行的实现，在0.5毫秒内消耗了3毫安电流。

因此必须能够以高频率测量具有宽动态范围的电流，以便不会错过对极短暂事件(如，电流消耗峰值)的测量。

目前不可能利用连接至放大器的单个电阻器来执行这种测量。实际上，能够以高频率运行的放大器产生过高的噪声而不适于测量非常低的电流。

还存在包括两个电阻器和切换系统的装置，这两个电阻器各自连接至一个放大器，其中一个专用于测量低电流，另一个专用于测量高电流，该切换系统允许读取这两个电阻器中的一者或另一者上的电压；然而，转换进行得不够快速，并且在切换过程中有可能损失了一些样本。

技术实现要素：

因此，在此提出了一种方法和一种测量设备，其允许以高频率测量由有源负载(例如，处理单元(如微处理器或微控制器))消耗的电流，该有源负载消耗具有宽动态范围的电流。根据一个方面，提出了一种方法，该方法用于确定由有源负载(例如，处理单元)消耗的电流值，该有源负载由第一电压源(例如，3伏特)馈电，其中：

-第一电阻器和第二电阻器串联布置在该电压源与该有源负载的第一端子之间，该第一电阻器的值(例如，1000欧姆)大于该第二电阻器的值(例如，2欧姆)，

-考虑到该第一电阻器的值对在该第一电阻器的端子上的最大可允许电压降(例如100mv，对应于最大可允许电流，在此为100微安)进行限定，并且，如果该第一端子上的电压小于阈值(例如，2.9伏特)，则该有源负载的第一端子上的电压稳定在该阈值处，该阈值等于由该第一电压源递送的电压的值减去该可允许电压降，

-同时测量该第一电阻器的端子上的第一电势差和该第二电阻器的端子上的第二电势差，

-如果该第一电势差小于该最大可允许电压降，则基于该第一电势差来确定所消耗的电流的值，

-并且，如果该电压大于或等于该最大可允许电压降，则基于该第二电势差来确定所消耗的电流的值。

因此，根据此方面，专用于测量低电流的第一电阻器和专用于测量高电流的第二电阻器被布置成与电压源串联。

可以通过该第一电阻器来测量由该有源负载汲取的低电流，该第一电阻器在其端子上递送可读电势差，该可读电势差与该第二电阻器的端子上的电势差进行比较。

该有源负载的端子上的电压在电流增加过程中下降，这主要归因于该第一电阻器的端子上的电压降。

当由该有源负载汲取的电流超过对应于该第一电阻器(1000欧姆)的端子上的最大可允许电压降(例如，100mv)的电流阈值(例如，100微安)时，将电流递送至这两个电阻器的公共节点，其方式使得在该有源负载的端子上的电压稳定在该阈值(例如，2.9伏特)处。并且，当存在这种高电流时，可以在该第二电阻器中测量由该有源负载消耗的电流。

因此可以测量高电流和低电流两者。低电流是在其灵敏度比第二电阻器中将存在的灵敏度大n倍的第一电阻器中测量的，n是第一电阻器的值与第二电阻器的值之比。

此外，同时测量这两个电阻器的端子上的这两个电势差允许了任何切换并因此避免了采样损失。

这两个电阻器的值之比n取决于所设想的应用和所期望的灵敏度。

顺便指出，优选的是，能够测量所消耗的电流，其方式使得该第一电阻器的值与该第二电阻器的值之比在100至1000之间。

根据一个实施例，通过将该电压与该阈值进行比较并且通过将同该阈值与该电压的值之间的差值成比例的电流注入到这两个电阻器的公共节点中来使该有源负载的第一端子上的电压稳定。

根据不同的方面，提出了一种电子电路(例如，集成电路)，该电子电路包括旨在连接至第一电压源的输入端子、旨在连接至有源负载的输出端子以及被配置成用于确定该输出端子上的消耗电流的处理装置。

该处理装置包括：

-第一电阻器和第二电阻器，该第一电阻器和该第二电阻器串联安装在该输入端子与该输出端子之间，该第一电阻器具有比该第二电阻器大的值，

-第一测量装置和第二测量装置，该第一测量装置和该第二测量装置分别被配置成用于同时测量该第一电阻器的端子上的第一电势差和该第二电阻器的端子上的第二电势差，

-稳定装置，该稳定装置被配置成用于如果该输出端子上的电压小于阈值电压则使该输出端子上的电压稳定在该阈值处，该阈值等于由该第一电压源递送的电压的值减去该第一电阻器的端子上的最大可允许电压降，以及

-确定装置，该确定装置被配置成用于如果该第一电势差小于该最大可允许电压降则基于该第一电势差并且如果该第一电势差大于或等于该最大可允许电压降则基于该第二电势差来确定该输出端子上消耗的电流。

根据一个实施例，该稳定装置包括比较装置和附加装置，该比较装置被配置成用于将该输出端子上存在的该电压与该阈值进行比较，该附加装置被配置成用于将同该输出端子上存在的电压的值与该阈值之间的差值成比例的电流注入到这两个电阻器的公共节点中。

该比较装置可以包括差分放大器，该差分放大器的反相输入端连接至该输出端子，该差分放大器的非反相输入端旨在接收该阈值，该附加装置可以包括晶体管，该晶体管的控制电极连接至该差分放大器的输出端，该晶体管的第一导电电极连接至附加电压源，并且该晶体管的第二导电电极连接至这两个电阻器的该公共节点。

该差分放大器然后有利地被配置成用于递送输出电压，从而导致当该输出端子上存在的电压大于或等于该阈值电压时该晶体管被阻断。

根据一个实施例，该第一电阻器的值与该第二电阻器的值之比在100至1000之间。

根据一个实施例，

-该第一测量装置包括第一运算放大器，该第一运算放大器的输入端连接至该第一电阻器的端子，

-该第二测量装置包括第二运算放大器，该第二运算放大器的输入端连接至该第二电阻器的端子，并且

-该确定装置包括两个模拟/数字转换器和处理模块，这两个模拟/数字转换器分别连接至该第一测量装置和该第二测量装置的输出端，该处理模块被配置成用于将该第一测量装置的输出与该最大可允许电压降进行比较并且根据该比较结果来选择由该相应转换器递送的样本。

-该输出端子可以旨在连接至形成该有源负载的处理单元。

附图说明

本发明的其他优点和特性将通过检查不以任何方式受限的实施例的详细说明以及附图而明显，在附图中：

-图1示意性地示出了本发明的实施例，并且

-图2和图3示出了根据本发明的方法的实施例。

具体实施方式

图1从电学角度示意性地示出了根据本发明的一个实施例的电子电路ce。

电路ce包括输入端子be和输出端子bs，该输出端子连接至有源负载的第一端子b1，该有源负载在此为处理单元ut(例如，微处理器)。电路ce被配置成用于确定由处理单元ut消耗的电流is。

在此，处理单元ut能够消耗电流，该电流的值可以变化一万倍，例如在此为从100毫微安至10毫安的动态范围中。

该电路包括第一电压源s1，该第一电压源连接至输入端子并且被配置成用于将电压v1馈送给处理单元ut。在此，第一电压源v1供应3伏特的电压v1。

两个电阻器r1和r2串联连接在输入端子be与输出端子bs之间。电阻器r1的值比电阻器r2的值高得多。在此，例如，第一电阻器r1和第二电阻器r2的值分别为1000欧姆和2欧姆。

电路ce还包括第一测量装置1，该第一测量装置被配置成用于测量第一电阻器r1的端子上的第一电势差。在此，第一测量装置1包括第一差分放大器10(在此通过运算放大器来实现)，该第一差分放大器的两个输入端连接至第一电阻器r1的端子。

电路ce还包括第二测量装置2，该第二测量装置被配置成用于测量第二电阻器r2的端子上的第二电势差。在此，第二测量装置2包括第二差分放大器20(在此通过运算放大器来实现)，该第二差分放大器的两个输入端连接至第二电阻器r2的端子。

这两个测量装置分别同时且连续地测量这两个电势差。

电路ce还包括稳定装置3，该稳定装置被配置成用于如果输出端子上的电压vs低于阈值电压vr则使输出端子bs上的电压vs稳定在该阈值vr处，该阈值等于由该第一电压源s1递送的电压v1的值减去第一电阻器r1的端子上的最大可允许电压降vd。

当处理单元ut运行时，其可以执行需要消耗电流is的操作。根据这些操作，所消耗的电流is更高或更低并且可以例如在100毫微安至10毫安之间变化。

电流is流过第一电阻器r1和第二电阻器r2引起这些电阻器的端子上的电压增加，并因此引起处理单元ut的端子上的等效电压下降。电阻器r1由于其值比电阻器r2的值高得多而成为此电压降的主要原因。

实际上，过度电压下降可能干扰处理单元的正确运行。

因此设置阈值电压vr，处理单元的端子上的电压vs不能下降低于该阈值。

在此，例如，阈值电压被设置为2.9伏特，即，尝试避免处理单元的端子上并因此主要负责于此的第一电阻器r1的端子上的电压降vd多于0.1伏特。第一电阻器r1的端子上的电压降的这个最大可允许值vd在此对应于等于100微安的阈值电流。

电路ce因此还包括稳定装置3，该稳定装置被配置成用于如果输出端子上的电压vs低于阈值电压vr则使输出端子bs上的电压vs稳定在该阈值vr处，该阈值等于由该第一电压源s1递送的电压v1的值减去第一电阻器r1的端子上的最大可允许电压降vd。

在此，稳定装置3包括比较装置5和附加装置50，该比较装置被配置成用于将输出端子bs上存在的该电压vs与该阈值vr进行比较，该附加装置被配置成用于将同输出端子上存在的电压vs的值与该阈值vr之间的差值成比例的电流注入到这两个电阻器r1和r2的公共节点nc中。

该比较装置包括差分放大器5，该差分放大器的“-”输入端连接至递送阈值电压vr(等于v1-vd)的第二电压源sr。

差分放大器的“+”输入端连接至跟踪放大器4的输出端，该跟踪放大器的“+”输入端连接至第三输出端子bs。

该附加装置包括第三电阻器r3，该第三电阻器连接至晶体管(在此为双极型晶体管tr)的基极(控制电极)，该晶体管的第一导电电极连接至递送电压v3的附加电压源s3，并且该晶体管的第二导电电极连接至二极管d1的阳极。

二极管d1的阴极连接至公共节点nc。

在此，电阻器r3的角色是保护晶体管tr免受过载电流。

差分放大器5被配置成用于在此通过其高增益(例如，200)来递送输出电压，从而导致当输出端子bs上存在的电压大于或等于阈值电压vr时该晶体管tr被阻断。

更确切地，如果通过跟踪放大器4复制到差分放大器5的反相输入端上的电压vs在电压v1与阈值电压vr之间(对应于由负载汲取低电流)，则放大器5由于其高增益而递送非常低或甚至几乎为零的输出电压，从而阻断晶体管tr。于是没有电流注入该公共节点中。

如果电压vs变得小于阈值电压vr(对应于由负载汲取高电流)，则放大器5在晶体管的基极上递送正向输出电压，足以允许其递送与其基极上存在的电压成比例并因此与差值vs-vr成比例的电流。于是电流注入公共节点nc中，其方式使得电压vs稳定在阈值电压vr处。

该电路还包括确定装置6，该确定装置被配置成用于如果这个第一电势差小于该最大可允许电压降vd则基于(r1的端子上的)该电势差并且如果(r1的端子上的)第一电势差大于或等于该最大可允许电压降vd则基于(r2的端子上的)第二电势差来确定输出端子bs上消耗的电流is。

更确切地，在这个示例实施例中，该确定装置包括两个模拟/数字转换器can1、can2和处理模块mdt(例如，微处理器)，这两个模拟/数字转换器分别连接至第一测量装置1和第二测量装置2的输出端，该处理模块被配置成用于将第一装置的输出与该最大可允许电压降vd进行比较并且根据该比较结果来选择由该相应转换器递送的样本。

更确切地，如在图2中示出的，这两个放大器10和20的这两个输出被同时采样。

如果处理模块mdt确定第一电阻器r1的端子上的电势差小于vd(即，如果汲取的电流较低，在此小于100微安)，则由处理模块mdt选择源自转换器can1的样本来确定所消耗的电流is的值(图2)。并且在这种情况下，没有电流注入到公共节点nc中。

相反地，如在图3中示出的，如果处理模块mdt确定第一电阻器r1的端子上的电势差大于vd(即，如果汲取的电流较高，在此多于100微安)，则由处理模块mdt选择源自转换器can2的样本来确定所消耗的电流is的值。并且在这种情况下，没有电流注入到公共节点nc中以将输出电压vs稳定在阈值电压vr处。

于是有可能使用计算机(例如使用usb连接(未示出))来检索由微处理器6确定的值。