专利名称：用于di/dt电流感测的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电流感测的领域，并且具体地涉及一种用于DI/DT电流感测的方法及
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背景技术：
包括电流模式控制、电流监控、过电流保护和电流相关操作模式的很多类型的电路操作要求电流感测。感测电路中的电流典型地涉及电阻元件的使用。感测电阻器增加了电阻并降低了效率。可以使用电感器代替感测电阻器来感测电流。在另一个备选方案中， 可以测量MOSFET (金属氧化物半导体场效应晶体管)的漏极到源极导通电阻来确定在电路中流动的电流量。这些传统的电流感测技术中的每一个都要求将感测元件产生的电流感测信号路由回到控制器，该控制器管理电路的一个或多个电流相关功能。例如，当在电源电路的驱动级中实施电流相关操作时，必须提供某些用于感测电流并将关于感测到的电流的信息传达回到电路的构件。对于分立电路，这典型地包括提供附加的反馈迹线来将感测设备连接到电路并将感测到的电流电平反馈到控制器。所有这些附加的反馈迹线必须例如在印刷电路板上或在多层封装内仔细路由，以确保正常电路操作不受电流反馈机构不利地影响，由此使电路板或封装的设计变得复杂。而且，感测到的电流信号的幅值通�：苄〔⑶以谔囟ǖ脑胍籼跫驴赡苤率蛊洳豢煽�。
发明内容
根据电路的实施例，该电路包括电源电路和电流感测电路。电源电路具有主电流回路。该电流感测电路与电源电路间隔开并且电解耦。电流感测电路可操作用于产生与响应于电源电路的主电流回路中的电流变化而产生的电磁场成比例的电压并且基于该电压产生电流信息信号。该电流信息信号描述了主电流回路中的电流。根据一种操作电路的方法，该方法包括响应于电源电路的主电流回路中的电流变化，由电源电路产生电磁场；并且由电流感测电路产生与该电磁场成比例的电压。该方法进一步包括基于该电压由电流感测电路产生电流信息信号，该电流信息信号描述了主电流回路中的电流。根据集成电路封装的实施例，该封装包括电源电路和导电回路。该电源电路包括形成电源电路的主电流回路的一部分的多个晶体管。该多个晶体管设置在集成电路封装的一个或多个层中。该导电回路与该多个晶体管电解耦。该导电回路与该多个晶体管间隔开并与主电流回路的至少一部分足够紧密接近以使得导电回路可操作用于产生与响应于主电流回路中的电流变化而产生的电磁场成比例的电压。第一外部端子可以耦合至该导电回路的一端，而第二外部端子可以耦合至该导电回路的另一端，以在该集成电路封装的外表面提供导电回路的连接点。根据一种制造集成电路封装的方法，该方法包括设置包括多个晶体管的电源电路，该多个晶体管在集成电路封装的一个或多个层中形成电源电路的主电流回路的一部分；并且设置导电回路以使得该回路与该多个晶体管电解耦并间隔开。该导电回路设置成与主电流回路的至少一部分足够紧密接近以使得导电回路可操作用于产生与响应于主电流回路中的电流变化而产生的电磁场成比例的电压。本领域技术人员在阅读下面的详细描述后且在查看附图后将认识到附加的特征和优点。
附图中的部件不必成比例，而是重点在于说明本发明的原理。而且，在附图中，相似的参考数字标明对应的部分。在附图中图I示出了包括电源电路和电磁耦合至该电源电路的电流感测电路的电路的实施例。图2示出了图I中示出的电流感测电路的实施例。图3示出了图I中示出的电流感测电路的另一个实施例和与该电流感测电路的操作关联的波形图。图4示出了与电源电路间隔开并位于电源电路的至少一部分之上的电流感测电路的导电回路的实施例的俯视图。图5示出了包括电源电路和电磁耦合至该电源电路的电流感测电路的集成电路封装的实施例的示意图。图6示出了包括电源电路和电磁耦合至该电源电路的电流感测电路的集成电路封装的另一个实施例的示意图。
具体实施例方式图I是电路100的实施例，该电路100包括电源电路110和电磁耦合至电源电路 110的电流感测电路120。电源电路110和电流感测电路120可以被集成在相同或不同的半导体管芯上。备选地，电流感测电路120可以是容纳电源电路110的封装组件的一部分。 电源电路110具有主电流回路。在一些实施例中，在相同封装中包括驱动器112作为电源电路110的主电流回路。电源电路110在足够高的电源电平下操作，使得响应于主电流回路中的相变而产生由图I中的曲线所指示的电磁场并且该电磁场足够强以被电流感测电路120感测。电流感测电路120包括位于由电源电路110产生的电磁场内的导电回路122。 导电回路122可以集成在与电源电路110相同的半导体管芯中，或者包括在容纳电源电路 110的封装内或附连至该封装。在导电回路122的端子两端产生与由电源电路110产生的电磁场成比例的电压导电回路122实际上用作天线。由导电回路122产生的电压对应于电源电路110的
主电流回路中的电流并且被包括在电流感测电路120中或与电流感测电路120关联的感测电路124感测。导电回路122的电压可以由感测电路124整流、放大、平滑等以提供可以由包括在电流感测电路120中或与电流感测电路120关联的分析电路126处理的信号vsense。分析电路126基于感测电路124的输出来产生电流信息信号current_info。该电流信息信号描述了主电流回路中的电流并被提供至控制器130。控制器130响应于电流信息信号而管理电源电路110的一个或多个电流相关操作，比如驱动器112的操作。例如，控制器130可以实施电源电路110处的电流模式控制、电流监控、过电流保护和/或一个或多个电流相关操作模式。在一些实施例中，分析电路126可以包括在控制器130而不是电流感测电路120中或与控制器130而不是电流感测电路120关联。根据这些实施例，感测电路124的输出提供给控制器130，该控制器130分析并处理接收到的信号并且采取对应的动作。在任一情况下，控制器130实施一个或多个电流相关功能而电流感测电路120未电耦合至电源电路110。即，电流感测电路120与电源电路110间隔开且与电源电路110电解耦。在电路100的操作期间，响应于电源电路110的主电流回路中的电流变化，电源电路 110产生电磁场。与电磁场成比例的电压产生于包括在电流感测电路120中或与电流感测电路120关联的导电回路122的端子两端。感测电路124感测该电压，并且分析电路126 基于感测到的电压产生电流信息信号并提供该电流信息信号至控制器130以用于基于该电流信息信号在电源电路110处实施一个或多个电流相关操作。图2示出了包括在电流感测电路120中或与电流感测电路120关联的感测电路 124的实施例。该感测电路124包括耦合在一起以形成桥式整流器200的多个二极管Dl、 D2、D3、D4。桥式整流器200耦合至导电回路122的端子并对在导电回路122处电磁感应的电压进行整流。感测电路124也包括耦合至整流器200的电容器210。电容器210响应于整流器输出来累积电荷。由于电流感测电路120的导电回路122和电源电路110之间的电磁耦合而使电容器210两端的电压与主电流回路中的电流相关。感测电路124还包括耦合至电容器210的开关装置220。开关装置220响应于复位信号而周期性地复位电容器210， 例如通过使电容器210向地放电来复位。在一些实施例中，开关装置220被致动，使得在对电容器210复位之前电容器210能够在多个采样周期内积分整流电压以使得在某段时间内平滑或平均感测到的电压。在电流感测电路120的导电回路122中感应的电压幅值受几个因素影响。例如，跨导，即电源电路110处的电流变化与导电回路122处的电压变化之比，是如由下式给出的、 电流的函数gfs = f(ID)(I)跨导单调上升并因此di/dt增加以得到电源电路110处的更高输出电流电平，除非主电流回路处的相变受导电回路122感应限制。此外，相反的恢复电流也随着输出电流而增加。导电回路122中感应的电压是这些效应两者的函数。分析电路126感测电容器电压V。并对感测到的电压进行解释以产生控制器130 使用的电流信息信号。在一个实施例中，分析电路126定义一个或多个与给定的感测电压标记相关的阈值。分析电路126基于这些阈值将感测到的电容器电压转换成电源电路110 的电流值。在一个实施例中，分析电路126比较感测到的电容器电压和阈值并且基于感测到的电压超过哪些阈值来产生电流信息信号。分析电路126可以在几个采样周期内分析感测到的电容器电压，使得提供给控制器130的电流信息信号在某个时间段内进行平滑或平均。分析电路126可以是模数转换器、放大器、触发电路或任何其它适合于感测和解释感测电路电容器210的电压的电路。仅仅为了说明方便起见，分析电路126未在图2中示出。图3示出了包括在电流感测电路120中或与电流感测电路120关联的感测电路124的另一个实施例。与图2 —样，仅仅为了说明方便起见在图3中未不出分析电路126。 根据图3所示的实施例，形成桥式整流器200的二极管Dl、D2、D3、D4是硅整流二极管，每一个二极管具有负正向电压温度系数。照此，高温导致二极管D1、D2、D3、D4两端的较低正向电压降。开关装置220实施为MOSFET Ql0 MOSFET Ql的跨导随着温度增加而降低。因此随着感测电路124的温度增加，通信信号电压降低。可以调谐电路100使得因MOSFET Ql 降低的通信电压被桥式整流器200的较低电压降所抵消。例如，可以基于电流感测电路120 和电源电路110之间的耦合来执行调谐。电源电路110和导电回路122之间的相对弱耦合给予二极管D1、D2、D3、D4更高权重。照此，在较低温度时出现较高电流限值而在较高温度时出现较低电流限值。图3还示出了在不同操作周期期间由感测电路124感测到的电容器电压V。的波形图。分析电路126在每一个或多个开关循环后通过激活施加到M0SFETQ1栅极的复位信号而周期性地复位电容器210。当施加到MOSFET Ql栅极的复位信号被每多个采样周期激活一次时，在被复位之前在多个采样周期内电容器210积分整流器输出。备选地，可以通过对应地激活复位信号而使电容器210每米样周期复位一次。在任一1清况下，电容器210累积的电荷取决于在电源电路110的主电流回路处的相变期间收获的能量。电容器210累积的电荷与导电回路122的耦合因子k成比例并且在电容器210两端产生由下式给出的电压Vantenna = k L di/dt (2)其中L是导电回路122的电感，而di/dt是电源电路110的主回路中的电流变化率。如果如本文中先前所描述的，导电回路122的电感限制了电源电路110的主电流回路中的相变，则di/dt被固定而且导电回路122处感应出的电压被衰减。在另一个情形中，感测电路124的MOSFET Ql或者更一般地开关装置220限制了电源电路110的主电流回路的相变。在这一情形中，响应于漏极电流ID的增加，di/dt增力卩。而且，gfs = f(ID)也如本文中先前所描述的那样单调上升。感测电路124的电容器210由导电回路电压Vantema 充电持续时间t，如由下式给出
权利要求
1.一种电路,包括电源电路，具有主电流回路；以及电流感测电路，与该电源电路间隔开且与该电源电路电解稱，该电流感测电路可操作用于产生与响应于电源电路的主电流回路中的电流变化而产生的电磁场成比例的电压并且基于该电压来产生电流信息信号，该电流信息信号描述主电流回路中的电流。
2.根据权利要求I所述的电路，其中电流感测电路包括导电回路，与该电源电路间隔开且布置在主电流回路的至少一部分之上，该导电回路与该电源电路电解耦且可操作用于产生与该电磁场成比例的电压；整流器，耦合至导电回路且可操作用于对导电回路产生的电压进行整流；以及电容器，耦合至整流器且可操作用于响应与整流的电压来累积电荷，其中该电容器两端的电压与主电流回路中的电流相关。
3.根据权利要求2所述的电路，其中整流器包括耦合在一起以形成桥式整流器的多个硅整流二极管，所述多个硅整流二极管中的每一个具有负正向电压温度系数。
4.根据权利要求2所述的电路，其中该电流感测电路包括开关装置，耦合至电容器且可操作用于响应于复位信号而周期性地复位该电容器。
5.根据权利要求4所述的电路，其中开关装置可操作用于在复位该电容器之前允许该电容器在多个采样周期内积分整流的电压。
6.根据权利要求2所述的电路，其中该电流感测电路包括分析电路，该分析电路可操作用于将该电容器两端的电压与多个阈值进行比较且基于该电压超过所述多个阈值中的哪些阈值来产生电流信息信号。
7.根据权利要求6所述的电路，其中该分析电路包括模数转换器、放大器和触发电路中的至少一个。
8.根据权利要求6所述的电路，其中该分析电路可操作用于分析多个采样周期内的电容器两端的电压并且对该多个采样周期内的电流信息信号进行平滑。
9.根据权利要求I所述的电路，进一步包括控制器，该控制器可操作用于基于该电流信息信号来控制电源电路的电流相关操作。
10.一种操作电路的方法，该电路包括具有主电流回路的电源电路和与电源电路间隔开且与电源电路电解耦的电流感测电路，该方法包括响应于电源电路的主电流回路中的电流变化，由电源电路产生电磁场；由电流感测电路产生与该电磁场成比例的电压；和基于该电压，由该电流感测电路产生电流信息信号，该电流信息信号描述主电流回路中的电流。
11.根据权利要求10所述的方法，包括由电流感测电路的导电回路产生至电磁场的电压，该导电回路与电源电路间隔开、布置在该主电流回路的至少一部分之上且电磁耦合至该电源电路的至少一部分；整流由导电回路产生的电压；以及响应于整流的电压而在电容器中累积电荷，其中该电容器两端的电压是主电流回路中的电流变化的函数。
12.根据权利要求11所述的方法，包括响应于复位信号来周期性地复位该电容器。
13.根据权利要求12所述的方法，包括在复位该电容器之前允许该电容器在多个采样周期内积分整流的电压。
14.根据权利要求11所述的方法，包括将电容器两端的电压与多个阈值进行比较；和基于该电压超过所述多个阈值中的哪些阈值来产生该电流信息信号。
15.根据权利要求10所述的方法，包括基于该电流信息信号来控制该电源电路的电流相关操作。
16.—种集成电路封装,包括电源电路，包括形成电源电路的主电流回路的一部分的多个晶体管，该多个晶体管设置在该集成电路封装的一个或多个层中；和导电回路，与该多个晶体管电解耦，该导电回路与该多个晶体管间隔开且与该主电流回路的至少一部分足够紧密接近，使得该导电回路可操作用于产生与响应于该主电流回路中的电流变化而产生的电磁场成比例的电压。
17.根据权利要求16所述的集成电路封装，其中该导电回路在该集成电路封装内设置在与该集成电路封装的与该多个晶体管不同的层中。
18.根据权利要求16所述的集成电路封装，其中该导电回路附连至该集成电路封装的外表面。
19.根据权利要求16所述的集成电路封装，进一步包括耦合至该导电回路的一个末端的第一外部端子和耦合至该导电回路的另一末端的第二外部端子，第一和第二外部端子在该集成电路封装的外表面处提供该导电回路的连接点。
20.根据权利要求16所述的集成电路封装，其中该电源电路包括第一MOSFET和第二 M0SFET，该导电回路位于该第一 MOSFET的至少一部分和该第二 MOSFET的至少一部分之上， 且绝缘体层插入在该导电回路与第一和第二 MOSFET之间。
21.根据权利要求20所述的集成电路封装，其中该第一MOSFET是电源转换器电路的高侧MOSFET而该第二 MOSFET是该电源转换器电路的低侧MOSFET。
22.—种制造集成电路封装的方法，包括设置电源电路，该电源电路包括在该集成电路封装的一个或多个层中形成该电源电路的主电流回路的一部分的多个晶体管；和设置导电回路，该导电回路与该多个晶体管电解耦且与该多个晶体管间隔开，该导电回路设置成足够紧密接近该主电流回路的至少一部分使得该导电回路可操作用于产生与响应于该主电流回路中的电流变化而产生的电磁场成比例的电压。
23.根据权利要求22所述的方法，包括将第一外部端子耦合至该导电回路的一个末端并将第二外部端子耦合至该导电回路的另一末端，使得第一和第二外部端子在该集成电路封装的外表面处提供导电回路的连接点。
24.根据权利要求22所述的方法，包括在该电源电路的第一和第二 MOSFET之上设置该导电回路；并且在该导电回路与第一和第二 MOSFET之间设置绝缘体层。
25.根据权利要求24所述的方法，包括将该导电回路定位在该第一MOSFET的至少一部分和该第二 MOSFET的至少一部分之上。
全文摘要
本发明涉及用于DI/DT电流感测的方法及装置。一种电路包括电源电路和电流感测电路。该电源电路具有主电流回路。该电流感测电路与该电源电路间隔开且与该电源电路电解耦。该电流感测电路可操作用于产生与响应于该电源电路的主电流回路中的电流变化而产生的电磁场成比例的电压并且基于该电压产生电流信息信号。该电流信息信号描述主电流回路中的电流。
文档编号G01R19/00GK102590579SQ201110348419
公开日2012年7月18日 申请日期2011年9月22日 优先权日2010年9月22日
发明者J·A·埃尤里 申请人:英飞凌科技股份有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
