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针对定时敏感电路的磁场脉冲电流感测

文献发布时间:2023-06-19 11:21:00


针对定时敏感电路的磁场脉冲电流感测

技术领域

本发明一般涉及基于磁场感测的电流测量电路,并且具体地,涉及用于确定电流脉冲的开始时间和结束时间的一种电流测量电路。

背景技术

在脉冲电流生成器的许多应用中,输出电流脉冲必须满足特定规格,例如精确的开始和结束时间、以及最大或最小电流值。举例来说,在用于自动驾驶车辆的飞行时间(ToF)光检测及测距(光学雷达)系统中,脉冲电流生成器是充当雷射驱动器。发送激光脉冲与检测到其反射之间的时间延迟可被用来确定该雷射与环境中的物体之间的距离。由于光速是每奈秒(ns)30厘米(cm),因此当距离测量的分辨率要求很高时,短激光脉冲是有益的。例如,对于厘米等级的分辨率,激光脉冲宽度通常约为几个ns至数十个ns,而附近物体的反射的时间延迟可能仅几个ns。

因此,为了准确地确定该激光脉冲宽度以及发送该激光脉冲与检测到其反射之间的时间延迟,该ToF光学雷达系统必须要能够在单一ns或更短的时间内精确地确定该激光脉冲的开始及结束时间,常常精确到100皮秒(ps)或更小的时间之内。该ToF光学雷达系统的性能亦受激光脉冲的振幅所影响,随着脉冲振幅增加,会导致在行进增加的距离之后,其反射可被检测到。然而,激光脉冲的最大振幅必须符合眼睛安全法规,因而雷射驱动器必须据以限制电流脉冲的峰值振幅。因此,以满足安全考虑的最大振幅来发射激光脉冲是有益的。

许多脉冲电流生成器包括回馈系统,用于测量输出电流脉冲并且做出适当的调整。此等回馈系统包括电流测量电路、以及用于该脉冲电流生成器的控制器。该电流测量电路产出与测量到的电流成比例的信号,该信号典型地为电压的形式。可从此信号来确定电流脉冲的开始时间和结束时间、以及电流脉冲的峰值振幅,控制器使用其来调整电流脉冲生成器的参数。然而,在一些应用中,输出电流脉冲可能约为数十到数百安培(A),这使得电流感测更为复杂。如果需要极短的脉冲(例如,前面提到的ns脉冲),则电流感测电路的寄生效应会不利于驱动器的运作。

图1示出了具有分流电阻器120的惯常的电流测量电路100的示意。该脉冲生成器110输出电流脉冲I

即使只有mΩ值的R

一些电流测量电路会通过结果的磁感应或磁通密度来间接测量该电流脉冲,进而避免与分路电流测量相关联的功率损失和电感增加。由电流通过导体所引发的磁通密度可通过霍尔效应传感器、磁通门传感器、磁敏电阻器或巨磁敏电阻器等等来进行测量。图2A~B示出了霍尔传感器220相对于承载电流脉冲I

在图2B中,霍尔传感器220将电压输出至高增益放大器240。该高增益放大器将来自霍尔传感器220的小输出电压放大成较大的电压V

一些电流测量电路试图通过替代地测量磁通(即,磁场)的变化率,来避开与通过磁感应来测量电流脉冲相关联的一些主动电路系统的要求。磁场可以通过例如电流互感器或罗哥斯基线圈(Rogowksi coil)来测量。电流互感器包括磁芯,二次绕组布置在磁芯周围。该磁芯会在高电流下饱和并且增加该系统的电感,以使得其他组件的运行会被影响。一些高导磁率的磁芯具有较高的饱和磁通密度,但高频响应较差。

罗哥斯基线圈不包括磁芯,而因此不受饱和影响并且可具有较大带宽,但在其他情况下,罗哥斯基线圈可被视为是具有较小磁化电感以及绕组端子上的近似开路负载的电流互感器。图3示出了使用罗哥斯基线圈320的惯常的电流测量电路300的示意图。该罗哥斯基线圈320被布置在承载电流脉冲I

罗哥斯基线圈与电流互感器二者围绕着承载I

发明内容

通过提供一种包含不需围绕电流导体的拾波线圈的电流测量电路,本发明解决了上文所讨论的功率耗散、主驱动器电路中的电感增加、主动电路系统、大面积及复杂构建的缺点。更具体地,如本文所述,本发明包括拾波线圈以及至少一个阈值交叉检测器。该拾波线圈生成与该电流导体周围的磁场成比例的电压,该磁场与流经该电流导体的电流随时间的变化成比例。该阈值交叉检测器将与该磁场成比例的电压和至少一个阈值电压进行比较,并且根据所选择的阈值电压而基于该比较来生成输出信号,该输出信号指示该电流脉冲的转变时间(例如,开始时间、结束时间、和峰值振幅时间)以及与该磁场成比例的该电压随时间的斜率为正值还是负值。

在另一实施例中,该电流测量电路还包括积分器以及取样和保持电路。该积分器将与该磁场成比例的电压随时间进行积分,并且基于积分的电压而生成积分信号,所得出的信号与要被测量的电流成比例。该取样和保持电路由指示该峰值振幅时间的信号所触发。

在又一实施例中,该拾波线圈是被配置为布置在该电流导体附近的单一圈,该电流导体可整体集成在单个半导体芯片上。在另一实施例中,该拾波线圈可具有一匝或更多匝,其被布置为增加要被测量的该电流流经整个线圈而生成的总磁通量,同时减少来自其他来源的总通量。在其他实施例中,该拾波线圈的一部分与该至少一个阈值交叉检测器集成在半导体芯片上,且该拾波线圈的一部分由裸片端子和外部导体所形成。该外部导体可形成安装基板的一部分,该安装基板例如是包括该电流导体的印刷电路板。

现将参照附图来更具体地描述上述特征及本文中所述的其他优选特征,包括各种新颖的实施细节与组件组合,并且于申请专利范围的权利要求中指出这些特征。应当理解的是,特定的方法及设备仅是以阐释说明的方式来示出,而并非作为对权利要求的限制。如同本领域技术人员将可理解的,在没有偏离权利要求的范围的情况下,本文中教导的原理和特征可被采用于各种数个实施例中。

附图说明

当结合附图时,根据以下给出的详细描述,本揭露内容的特征、目的和优点将变得更加明显,在附图中,相同的参考标号在全文中相应地一致,其中:

图1示出了具有分流电阻器的惯常的电流测量电路的示意图。

图2A~2B示出了霍尔传感器相对于电流导体的布置,以及具有霍尔传感器的惯常的电流测量电路的示意图。

图3示出了具有罗哥斯基线圈的惯常的电流测量电路的示意图。

图4A~4B示出了来自例如图1~3中所示的惯常的电流测量电路的由相同近似形状的电流脉冲所生成的电压输出的曲线,以及上述电压输出的导数的曲线。

图5示出了根据本发明的实施例的电流测量电路。

图6示出了根据本发明的实施例的电流测量电路,其部分地与裸片端子和外部导体所形成的拾波线圈的其余部分集成在一起,该外部导体形成安装基板(例如,印刷电路板)的一部分。

具体实施方式

在下面的详细描述中,参考了某些实施例。通过足够的详细内容来描述这些实施例,以使得本领域技术人员能够实施这些实施例。将可理解的是,可采用其他实施例并且可进行各种结构、逻辑和电气上的改变。对于以最广义地实施该教导而言,组合在下文详细叙述中所揭露的特征可能不是必需的,而是仅被教导来描述本教示内容的特别代表性的示例。

图4A示出了来自例如图1~3中所示的惯常的电流测量电路的电压输出的曲线,图4B示出了来自惯常的电流测量电路的电压输出的导数的曲线。曲线400示出了来自惯常的电流测量电路的关于时间的输出电压V

因此,不准确的t

为了更准确且一致地确定I

图5示出了根据本发明的实施例的电流测量电路500。拾波线圈520放置在承载电流脉冲I

其中,K为常数,其取决于拾波线圈520的特性,例如圈的面积、匝的数量、或者匝相对于承载I

来自引线524和528或来自运算放大器530的输出的V

在本发明的一些实施例中,积分器560可被使用来对V

在此示例中,V

拾波线圈520不包括磁芯,并可以是罗哥斯基线圈。对于非常大振幅的I

由于拾波线圈520相较于罗哥斯基线圈可具有较小的圈面积及较少匝且不需要围绕该导体510,因此其可整体集成至半导体裸片上。同样地,拾波线圈520可被放置于靠近负载或总线电容器的战略位置。此外,电流测量电路500与主驱动器信号链隔绝并且对主驱动器电路增加了可忽略的阻抗,以致于电流测量电路500实质上不会影响主驱动器电路的运行。电流测量电路500与主驱动器电路的间的隔绝使得电流测量电路500甚至在具有零伏特最小电源电压的电路中也能够感测正电流和负电流。

图6例示说明根据本发明的实施例的类似于电流测量电路500的电流测量电路的一部分600。集成电路裸片640以例如端子650的类的端子连接至例如安装基板的其他基板。集成电路裸片640包括电流测量电路的其余部分,例如积分器、阈值交叉检测器、以及取样和保持电路。部分600包括由裸片端子624和628和外部导体626所形成的拾波线圈620的一部分,该外部导体626形成安装基板的一部分。包括导体626的安装基板还可包括承载电流脉冲I

以上描述和附图仅被认为是实现本文中所叙述的特征和优点的特定实施例的例示说明。可以对特定的过程条件进行修改和替换。因此,本发明的实施例不被视为是由前述描述和附图所限制。

相关技术
  • 针对定时敏感电路的磁场脉冲电流感测
  • 三轴磁场传感器、制作磁场感测结构的方法与感测电路
技术分类

06120112893858