-
GEBIET DER OFFENBARUNG
-
Die vorliegende Anmeldung bezieht sich allgemein auf elektrische Sensoren und insbesondere auf Stromerfassungselemente und stromgeregelte Schaltungen unter Verwendung von Stromerfassungselementen.
-
HINTERGRUND
-
Verschiedene elektromechanische Systeme verwenden Zylinderspulen zum Schalten oder Betätigen von Hochstromkreisen. Zum Beispiel in Kraftfahrzeugen verwendet ein Getriebesystem einen Schalthebel, um eine Zylinderspule mechanisch zu aktivieren, um einen Satz von Zahnrädern in Eingriff zu bringen. In einem anderen Beispiel verwendet ein Zündschlüssel oder eine Zündtaste eine Zylinderspule, um einen Anlasser zu betätigen. In noch einem weiteren Beispiel betätigt ein Anti-Blockier-System (ABS) elektronisch Kraftfahrzeugbremsen in kontrollierter Weise, um ein Blockieren und Rutschen des Rads zu verhindern. Die elektronischen Steuerungen in diesen Systemen müssen die Strommenge durch die Zylinderspulen genau regeln. Beispielsweise kann eine Getriebesteuereinheit (engl. transmission control unit, TCU) für ein Getriebesystem einen Zylinderspulenstrom auf 1 bis 2 Ampere (A) mit einer Genauigkeit von etwa 1,5% oder weniger regeln.
-
Elektronische Steuerungen verwenden zur Regelung ein Stromerfassungselement entlang einer Rückkopplungsschleife, um eine genaue Stromregelung durchzuführen. Es ist schwierig, Stromerfassungselemente zu entwerfen, die sowohl preiswert sind als auch die erforderliche Genauigkeit erzielen. Beispielsweise erfasst eine typische Stromerfassungselementschaltung einen Strom durch Messen einer Spannung über einen niederwertigen Widerstand, der mit der Zylinderspule in Reihe geschaltet ist. Ist der Wert des Widerstands im Wesentlichen konstant, so ist die gemessene Spannung mit der erforderlichen Genauigkeit proportional zum Strom. Die Werte der Erfassungswiderstände variieren jedoch mit der Temperatur und über ihre Betriebslebensdauer. Darüber hinaus werden diese Abweichungen schlechter, wenn der Widerstand mit anderen Komponenten in einer kostengünstigen integrierten Halbleiterschaltung kombiniert wird. Zusätzlich ist der Verstärker, der verwendet wird, um die Spannung zu messen, auch anfällig für verschiedene Quellen von Ungenauigkeit, wie beispielsweise die Genauigkeit des Verstärkungsfaktors, wenn er mit einer großen Gleichtaktspannung und einem Temperaturdrift arbeitet. Um diese Probleme zu überwinden, haben bekannte Stromerfassungselemente verschiedene Trimm- und Kalibrierungstechniken verwendet, aber diese Techniken erhöhen die Systemkomplexität und Kosten.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1 veranschaulicht in der Form eines Teilblockdiagramms und Teilschaltbilds eine stromgeregelte Schaltung nach dem Stand der Technik;
-
2 veranschaulicht in der Form eines Teilblockdiagramms und Teilschaltbilds eine stromgeregelte Schaltung gemäß einer Ausführungsform;
-
3 veranschaulicht in der Form eines Teilblockdiagramms und Teilschaltbilds eine stromgeregelte Schaltung gemäß einer Ausführungsform der stromgeregelten Schaltung von 2;
-
4 veranschaulicht in der Form eines Teilblockdiagramms und Teilschaltbilds eine stromgeregelte Schaltung gemäß einer anderen Ausführungsform der stromgeregelten Schaltung von 2;
-
5 veranschaulicht in der Form eines Teilblockdiagramms und Teilschaltbilds einen Integrierschaltkreis, der zur Verwendung in einer stromgeregelten Schaltung geeignet ist;
-
6 veranschaulicht in der Form eines Teilblockdiagramms und Teilschaltbilds eine stromgeregelte Schaltung gemäß noch einer anderen Ausführungsform der stromgeregelten Schaltung von 2;
-
7 veranschaulicht in schematischer Form einen Abschnitt einer stromgeregelten Schaltung und zeigt eine erste Form eines Zielsignalgenerators;
-
8 veranschaulicht in schematischer Form einen Abschnitt einer stromgeregelten Schaltung und zeigt eine zweite Form eines Zielsignalgenerators;
-
9 veranschaulicht in schematischer Form einen segmentierten Widerstand, der zur Verwendung in den Zielsignalgeneratoren von 3, 7 und 8 geeignet ist;
-
10 zeigt in der Form eines Blockdiagramms eine Stromquelle, die zur Verwendung in den Zielsignalgeneratoren von 3, 4 und 6 bis 8 geeignet ist;
-
11 zeigt in der Form eines Blockdiagramms eine Spannungsquelle, die zur Verwendung in den Zielsignalgeneratoren von 7 und 8 geeignet ist;
-
12 veranschaulicht in der Form eines Teilblockdiagramms und Teilschaltbilds eine stromgeregelte Schaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform der stromgeregelten Schaltung von 2;
-
13 veranschaulicht in der Form eines Teilblockdiagramms und Teilschaltbilds eine stromgeregelte Schaltung gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der stromgeregelten Schaltung von 2;
-
14 zeigt in der Form eines Blockdiagramms eine erste Digitalwandlerschaltung, die in der stromgeregelten Schaltung von 2 verwendet werden kann;
-
15 zeigt in der Form eines Blockdiagramms eine zweite Digitalwandlerschaltung, die in der stromgeregelten Schaltung von 2 verwendet werden kann;
-
16 zeigt in der Form eines Teilblockdiagramms und Teilschaltbilds eine dritte Digitalwandlerschaltung, die in der stromgeregelten Schaltung von 2 verwendet werden kann;
-
17 zeigt in der Form eines Teilblockdiagramms und Teilschaltbilds eine vierte Digitalwandlerschaltung, die in der stromgeregelten Schaltung von 2 verwendet werden kann; und
-
18 zeigt in schematischer Form einen Erfassungstransistor, der in irgendeinem der Stromregelkreise von 4, 6, 12 und 13 verwendet werden kann.
-
In der folgenden Beschreibung werden ähnliche oder identische Elemente mit den gleichen Bezugszeichen angegeben. Soweit nicht anders vermerkt, beziehen sich das Wort „gekoppelt” sowie seine zugehörigen Verbformen sowohl auf eine direkte Verbindung als auch eine indirekte elektrische Verbindung anhand von Einrichtungen der in der Fachwelt bekannten Art, und soweit nicht anders angegeben, beinhaltet jede Beschreibung einer direkten Verbindung auch alternative Ausführungsformen unter Verwendung geeigneter Formen der indirekten elektrischen Verbindung.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON VERANSCHAULICHENDEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
1 veranschaulicht in der Form eines Teilblockdiagramms und Teilschaltbilds eine stromgeregelte Schaltung 100 nach dem Stand der Technik. Die stromgeregelte Schaltung 100 beinhaltet eine Zylinderspule 110, ein Stromerfassungselement 120, einen Transistor 130, einen digitalen Signalprozessor (DSP) 140 und eine Diode 150. Die Zylinderspule 110 weist einen ersten als „VBAT” bezeichneten Anschluss zum Empfangen einer Versorgungsspannung und einen zweiten Anschluss auf. VBAT ist eine Stromversorgungsspannung von einer Batterie mit einer Nennspannung von beispielsweise 12 Volt in Bezug auf Masse. Das Stromerfassungselement 120 weist einen ersten Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss der Zylinderspule 110 verbunden ist, einen zweiten Anschluss und einen Ausgangsanschluss auf. Der Transistor 130 ist ein N-Kanal-Metalloxid-Halbleiter-(MOS-)Transistor mit einem Drain, der mit dem zweiten Anschluss des Stromerfassungselements 120 verbunden ist, einem Gate und einer Source, die mit Masse verbunden ist. Der DSP 140 weist einen Eingang, der mit dem Ausgangsanschluss des Stromerfassungselements 120 verbunden ist, und einen Ausgang, der mit dem Gate des Transistors 130 verbunden ist, auf. Die Diode 150 weist eine Anode, die mit dem zweiten Anschluss des Stromerfassungselements 120 verbunden ist, und eine Kathode, die mit dem Stromversorgungsspannungsanschluss VBAT verbunden ist, auf.
-
Das Stromerfassungselement 120 beinhaltet einen Widerstand 122, einen Verstärker 124 und einen Analog-Digital-Wandler (ADC) 126. Der Widerstand 122 weist einen ersten Anschluss, der den ersten Anschluss des Stromerfassungselements 120 bildet, und einen zweiten Anschluss, der den zweiten Anschluss des Stromerfassungselements 120 bildet, auf. Der Verstärker 124 weist einen nicht-invertierenden Eingang, der mit dem ersten Anschluss des Widerstands 122 verbunden ist, einen invertierenden Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss des Widerstands 122 verbunden ist, und einen Ausgang auf. Der ADC 126 weist einen Eingang, der mit dem Ausgang des Verstärkers 124 verbunden ist, und einen Ausgang, der mit dem Eingang des DSP 140 verbunden ist, auf.
-
Die stromgeregelte Schaltung 100 regelt den Stromfluss durch die Zylinderspule 110. Wenn diese aktiviert ist, bewirkt die stromgeregelte Schaltung 100, dass der Strom mit einer Starke durch die Zylinderspule 110 fließt, die auf einen gewünschten Wert geregelt ist. Das Stromerfassungselement 120 stellt eine digitale Wiedergabe der Größe des Stroms durch die Zylinderspule 110 bereit, und der DSP 140 regelt diesen durch Steuern der Einschaltzeit des Transistors 130 digital auf den gewünschten Wert. Die Diode 150 stellt einen Klemmweg bereit, um zu verhindern, dass die Spannung am Drain des Transistors 130 um mehr als seine Abschaltspannung über VBAT ansteigt, und schützt somit den Transistor 130 vor Beschädigung durch eine zu hohe Spannung an seinem Drain, wenn der Transistor 130 nicht leitend ist.
-
Das Stromerfassungselement 120 erfasst den Spannungsabfall am Widerstand 122 als ein Maß für den durch die Zylinderspule 110 fließenden Strom. Der Verstärker 124 erfasst und verstärkt die Spannungsdifferenz und stellt dem ADC 126 die Spannungsdifferenz als eine einseitige Spannung bereit. Der ADC 126 wandelt die Spannung in einen entsprechenden digitalen Wert um, den der DSP 140 verwendet, um die Leitung des Transistors 130 zu modulieren, um den Stromfluss auf einen gewünschten Wert zu regeln.
-
Das Stromerfassungselement 120 weist mehrere Nachteile auf. Es wird angenommen, dass der Strom durch die Zylinderspule 110 mit einem hohen Grad an Genauigkeit geregelt wird, aber der Widerstand 122 erleidet einen Drift über die Temperatur und über seine Lebensdauer. Zusätzlich verursacht die hohe Verlustleistung durch den Widerstand 122 und den Transistor 130 einen hohen Temperaturgradienten innerhalb eines Rohchips einer integrierten Schaltung. Da der Widerstand 122 ein massefreies Erfassungselement ist, ist es schwierig, die Spannung an seinen Anschlüssen zu erfassen. Der Widerstand 122 ist aufgrund seiner erforderlichen Präzision auch teuer.
-
2 veranschaulicht in der Form eines Teilblockdiagramms und Teilschaltbilds eine stromgeregelte Schaltung 200 gemäß einer Ausführungsform. Die stromgeregelte Schaltung 200 beinhaltet ein stromleitendes Element in Form einer Zylinderspule 210, ein Stromerfassungselement 220, einen Transistor 230, einen Transistor 232 und eine Steuerschaltung 240. Die Zylinderspule 210 weist einen ersten Anschluss zum Empfangen von VBAT und einen zweiten Anschluss auf. Das Stromerfassungselement 220 weist einen ersten Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss der Zylinderspule 210 verbunden ist, einen zweiten Anschluss und einen Ausgangsanschluss zur Bereitstellung eines Signals, das als „FEHLERSIGNAL” bezeichnet ist, auf. Der Transistor 230 ist ein N-Kanal-MOS-Transistor mit einem Drain, der mit dem zweiten Anschluss des Stromerfassungselements 220 verbunden ist, einem Gate und einer Source, die mit Masse verbunden ist. Der Transistor 232 ist ein P-Kanal-MOS-Transistor mit einer Source, die mit dem VBAT-Anschluss verbunden ist, einem Gate und einem Drain, der mit dem zweiten Anschluss der Zylinderspule 210 verbunden ist. Die Steuerschaltung 240 weist einen Eingang, der mit dem Ausgangsanschluss des Stromerfassungselements 220 verbunden ist, um das FEHLERSIGNAL zu empfangen, und einen Ausgang, der mit dem Gate des Transistors 230 verbunden ist, auf. Die Diode 250 weist eine Anode, die mit dem zweiten Anschluss des Stromerfassungselements 220 verbunden ist, und eine Kathode, die mit dem Stromversorgungsspannungsanschluss VBAT verbunden ist, auf.
-
Das Stromerfassungselement 220 beinhaltet ein Stromerfassungselement 222, einen Zielsignalgenerator 224 und einen Fehlersignalgenerator 226. Das Stromerfassungselement 222 weist einen ersten Anschluss, der den ersten Anschluss des Stromerfassungselements 220 bildet, einen zweiten Anschluss, der den zweiten Anschluss des Stromerfassungselements 220 bildet, einen ersten Ausgang zur Bereitstellung eines als „MESSSIGNAL” bezeichneten Signals, und einen zweiten Ausgang auf. Der Zielsignalgenerator 224 weist einen Eingang, der mit dem zweiten Ausgang des Stromerfassungselements 222 verbunden ist, und einen Ausgang zur Bereitstellung eines als „ZIELSIGNAL” bezeichneten Signals auf. Der Fehlersignalgenerator 226 weist einen ersten Eingang, der mit dem ersten Ausgang des Stromerfassungselements 222 verbunden ist, um das MESSSIGNAL zu empfangen, einen zweiten Eingang, der mit dem Ausgang des Zielsignalgenerators 224 verbunden ist, um das ZIELSIGNAL zu empfangen, und einen Ausgang, der mit dem Eingang der Steuerschaltung 240 verbunden ist, um das FEHLERSIGNAL bereitzustellen, auf.
-
Im Betrieb ist das Stromerfassungselement 222 in einem Strompfad verbunden, dessen Strom zu erfassen ist, wie beispielsweise eine Zylinderspulenstromsteuerschaltung wie in der stromgeregelten Schaltung 200. Es stellt zwei Ausgänge bereit, die den durchfließenden Strom darstellen. Der Zielsignalgenerator 224 erzeugt das ZIELSIGNAL als ein Signal, das einen Zustand des Stromerfassungselements 222 darstellt, wenn das Stromerfassungselement 222 einen Zielstrom leitet. Der Fehlersignalgenerator 226 weist einen Ausgang auf, um das FEHLERSIGNAL als die Differenz zwischen dem tatsächlich durch das Stromerfassungselement 222 fließenden Strom, d. h. dem MESSSIGNAL, und dem ZIELSIGNAL bereitzustellen.
-
Wie weiter unten ausführlicher beschrieben wird, kann das Stromerfassungselement 222 beispielsweise ein Widerstand oder das Drain-Erfassungselement eines Erfassungstransistors sein. Der Zielsignalgenerator 224 erzeugt das ZIELSIGNAL, um einen Zustand des Stromerfassungselements 222 darzustellen, wenn das Stromerfassungselement 222 einen Zielstrom leitet. In einem Beispiel erzeugt der Zielsignalgenerator 224 das ZIELSIGNAL als einen Spannungsabfall am Stromerfassungselement 222, wenn das Stromerfassungselement 222 den Zielstrom leitet, und somit ist der Eingang mit dem zweiten Ausgang des Stromerfassungselements 222 verbunden, um seinen Ausgang beispielsweise auf Basis der Spannung an dem zweiten Anschluss des Stromerfassungselements 222 anzupassen. In einem anderen Beispiel erzeugt der Zielsignalgenerator 224 das ZIELSIGNAL als den Strom, der durch das Stromerfassungselement 222 fließt, wenn das Stromerfassungselement 222 den Zielstrom erzeugt.
-
Somit gibt der Zielsignalgenerator 224 das ZIELSIGNAL als Ziel oder Referenz aus, mit dem oder der der Istwert verglichen werden kann. Um einen brauchbaren Wert zu erzeugen, muss der Zielsignalgenerator 224 das ZIELSIGNAL nicht mit hoher absoluter Genauigkeit liefern, solange die Komponente, die er verwendet, mit dem Stromerfassungselement 222 übereinstimmt.
-
Der Fehlersignalgenerator 226 stellt das FEHLERSIGNAL als Antwort auf die Differenz zwischen dem MESSSIGNAL und dem ZIELSIGNAL bereit. Die Steuerschaltung 240 moduliert die Einschaltzeit des Transistors 230, um die Größe des FEHLERSIGNALS zu reduzieren. Somit steuert die stromgeregelte Schaltung 200 den Transistor 230, um das FEHLERSIGNAL auf null zu setzen oder, anders ausgedrückt, um das MESSSIGNAL an das ZIELSIGNAL anzugleichen.
-
Das Stromerfassungselement 220 stellt gegenüber bekannten Stromerfassungselementausführungen und den stromgeregelten Schaltungen, die diese verwenden, verschiedene Vorteile bereit. Erstens entfällt durch die Subtraktion des ZIELSIGNALS vom MESSSIGNAL und das Regeln der Schleife auf Basis des FEHLERSIGNALS für die stromgeregelte Schaltung 200 die Notwendigkeit von hochpräzisen, teuren Komponenten, wie beispielsweise hochpräzisen Widerstanden. Es ist lediglich notwendig, dass die Komponente (wie beispielsweise ein Widerstand) im Zielsignalgenerator 224 mit der Komponente abgestimmt wird, die im Stromerfassungselement 222 verwendet wird. So können kostengünstigere und ggf. integrierte Komponenten verwendet werden. Zweitens besteht bei der stromgeregelten Schaltung 200 keine erhebliche Temperatur- und Lebensdauerempfindlichkeit. Da sie aufeinander abgestimmt sind, besteht beim Stromerfassungselement 222 und beim Zielsignalgenerator 224 zwar ein Drift über die Temperatur und über ihre Lebensdauer, aber ihre Drifts werden dazu neigen, miteinander übereinzustimmen und sich daher gegenseitig aufzuheben. Drittens vermeidet das Stromerfassungselement 220 durch die Erzeugung des FEHLERSIGNALS als die Differenz zwischen dem MESSSIGNAL und dem ZIELSIGNAL Probleme, die durch die massefreie Referenz verursacht werden. Man beachte, dass der Zielsignalgenerator 224 einen Ausgang des Stromerfassungselements 222 verwendet, sodass er auf denselben massefreien Knoten referenziert ist.
-
Es gibt eine Vielzahl von Schaltungen, die verwendet werden können, um die Komponenten der stromgeregelten Schaltung 200 zu implementieren. Diese verschiedenen Schaltungen werden zunächst unter Bezugnahme auf spezifische Beispiele von stromgeregelten Schaltungen sowie auf spezifische Komponenten auf Basis einzelner Elemente erläutert.
-
3 veranschaulicht in der Form eines Teilblockdiagramms und Teilschaltbilds eine stromgeregelte Schaltung 300 gemäß einer Ausführungsform der stromgeregelten Schaltung 200 von 2. Die stromgeregelte Schaltung 300 beinhaltet allgemein ein stromleitendes Element in Form einer Zylinderspule 310, ein Stromerfassungselement 320, die Transistoren 330 und 332, eine Steuerschaltung 340 und die Puffer 342 und 344. Die Zylinderspule 310 weist einen ersten Anschluss zum Empfangen von VBAT und einen zweiten Anschluss auf. Das Stromerfassungselement 320 weist einen ersten Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss der Zylinderspule 310 verbunden ist, einen zweiten Anschluss und einen Ausgangsanschluss zur Bereitstellung eines Fehlersignals in Form eines Differenzstroms, der als „ΔI” bezeichnet ist, auf. Der Transistor 330 ist ein N-Kanal-MOS-Transistor mit einem Drain, der mit dem zweiten Anschluss des Stromerfassungselements 320 verbunden ist, einem Gate und einer Source, die mit Masse verbunden ist. Der Transistor 332 ist ein P-Kanal-MOS-Transistor mit einer Source, die mit dem VBAT-Anschluss verbunden ist, einem Gate und einem Drain, der mit dem zweiten Anschluss des Stromerfassungselements 320 verbunden ist. Die Steuerschaltung 340 weist einen Eingang, der mit dem Ausgangsanschluss des Stromerfassungselements 320 verbunden ist, um das Fehlersignal ΔI zu empfangen, einen ersten Ausgang, der mit dem Gate des Transistors 330 verbunden ist, und einen zweiten Ausgang, der mit dem Gate des Transistors 332 verbunden ist, auf. Der Puffer 342 weist einen Eingang, der mit dem ersten Ausgang der Steuerschaltung 340 verbunden ist, und einen zweiten Ausgang, der mit dem Gate des Transistors 330 verbunden ist, auf. Der Puffer 344 weist einen Eingang, der mit dem zweiten Ausgang der Steuerschaltung 340 verbunden ist, und einen zweiten Ausgang, der mit dem Gate des Transistors 332 verbunden ist, auf.
-
Das Stromerfassungselement 320 beinhaltet einen Widerstand 322, einen Zielsignalgenerator 324 und einen Fehlersignalgenerator 326. Der Widerstand 322 weist einen ersten Anschluss, der den ersten Anschluss des Stromerfassungselements 320 bildet, und einen zweiten Anschluss, der den zweiten Anschluss des Stromerfassungselements 320 bildet, in dem der erste Anschluss auch das MESSSIGNAL bildet, auf.
-
Der Zielsignalgenerator 324 weist einen ersten Anschluss, der mit dem VBAT-Anschluss verbunden ist, einen zweiten Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss des Widerstands 322 verbunden ist, und einen Ausgang zur Bereitstellung des ZIELSIGNALS auf. Der Zielsignalgenerator 324 beinhaltet eine Stromquelle 323 und einen Widerstand 325. Die Stromquelle 323 weist einen ersten Anschluss, der mit dem VBAT-Anschluss verbunden ist, und einen zweiten Anschluss zur Bereitstellung des ZIELSIGNALS auf und leitet einen als „IZIEL” bezeichneten Strom. Der Widerstand 325 weist einen ersten Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss der Stromquelle 323 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss des Widerstands 322 verbunden ist, auf und hat einen als „RABGESTIMMT” bezeichneten Widerstand.
-
Der Fehlersignalgenerator 226 weist einen ersten Eingang, der mit dem ersten Ausgang des Stromerfassungselements 222 verbunden ist, um das MESSSIGNAL zu empfangen, einen zweiten Eingang, der mit dem Ausgang des Zielsignalgenerators verbunden ist, um das ZIELSIGNAL zu empfangen, und einen Ausgang, der mit dem Eingang der Steuerschaltung 340 verbunden ist, um das FEHLERSIGNAL bereitzustellen, auf. Der Fehlersignalgenerator 326 beinhaltet einen Verstärker 327 und einen ADC 328. Der Verstärker 327 beinhaltet einen nicht-invertierenden Eingang zum Empfangen des MESSSIGNALS, einen invertierenden Eingang zum Empfangen des ZIELSIGNALS und einen Ausgang. Der ADC 328 weist einen Eingang, der mit dem Ausgang des Verstärkers 326 verbunden ist, und einen Ausgang zur Bereitstellung des Fehlersignals ΔI auf.
-
Die stromgeregelte Schaltung 300 implementiert den Zielsignalgenerator 224 von 2, indem das ZIELSIGNAL als eine Spannung gebildet wird, die die Spannung darstellt, die an dem ersten Anschluss des Widerstands 322 gebildet wird, wenn die Zylinderspule 310 die gewünschte Strommenge leitet. Die Stromquelle 323 stellt den Strom IZIEL als einen Strom bereit, der proportional zur gewünschten Strommenge ist. Der Widerstand 325 stellt den Widerstand RABGESTIMMT, der umgekehrt proportional zum Widerstand des Widerstands 322 ist, in derselben Proportionalität bereit, in der IZIEL proportional zum Zielstrom durch die Zylinderspule 310 ist. Wenn beispielsweise der gewünschte Strom durch die Zylinderspule 310 gleich 1 A ist und der Nennwiderstand des Widerstands 322 gleich 1 Ohm (Ω) ist, würde, wenn IZIEL gleich 1 Milliampere (mA) ist, RABGESTIMMT auf 1 Kiloohm (kΩ) eingestellt werden. Wenn die Elemente des Stromerfassungselements 320 in einer einzigen integrierten Schaltung kombiniert sind, kann der Widerstand 325 auch durch eine Anordnung auf der integrierten Schaltung mit dem Widerstand 322 abgestimmt werden. Die Anordnungsabstimmung kann beispielsweise die Ausrichtung auf der integrierten Schaltung beinhalten, sodass Variationen in der Verarbeitung in einer bestimmten Richtung beide Widerstände proportional beeinflussen.
-
Da ΔI ein digitaler Wert ist, kann die Steuerschaltung 340 als DSP implementiert werden. Die Steuerschaltung 340 verwendet den Puffer 342, um das Gate des Transistors 330 anzusteuern, und den Puffer 344, um das Gate des Transistors 332 anzusteuern. Die stromgeregelte Schaltung 300 verwendet den Transistor 332 als eine synchrone Klemme, sodass sie allgemein während den Zeiten leitend ist, zu denen der Transistor 330 nicht leitend ist, mit der Ausnahme, dass eine ausreichende Menge an Nichtüberlappungszeit vorhanden ist, um Shoot-Through-Ströme zu vermeiden.
-
Somit verwendet das Stromerfassungselement 320 zwei Widerstände, um ein digitales Fehlersignal ΔI zu entwickeln. Die Widerstände müssen keine hochgenauen Werte haben, solange sie ordnungsgemäß abgestimmt sind, z. B. in Größe und Anordnung.
-
4 veranschaulicht in der Form eines Teilblockdiagramms und Teilschaltbilds eine stromgeregelte Schaltung 400 gemäß einer anderen Ausführungsform der stromgeregelten Schaltung 200 von 2. Die stromgeregelte Schaltung 400 beinhaltet allgemein ein stromleitendes Element in Form einer Zylinderspule 410, einen Ziel- und Fehlersignalgenerator 420, einen Erfassungstransistor 430, einen Transistor 436, eine Steuerschaltung 440 und die Puffer 442 und 444. Die Zylinderspule 410 weist einen ersten Anschluss zum Empfangen von VBAT und einen zweiten Anschluss auf. Der Ziel- und Fehlersignalgenerator 420 beinhaltet einen Verstärker 422, eine Stromquelle 424 und einen Transistor 426. Der Verstärker 422 weist einen nicht-invertierenden Eingang, der mit dem zweiten Anschluss der Zylinderspule 410 verbunden ist, einen invertierenden Eingang und einen Ausgang auf. Die Stromquelle 424 weist einen ersten Anschluss, der mit dem VBAT-Anschluss verbunden ist, und einen zweiten Anschluss auf und leitet den Strom IZIEL. Der Transistor 426 weist einen Drain, der mit dem zweiten Anschluss der Stromquelle 424 verbunden ist, ein Gate, das mit dem Ausgang des Verstärkers 422 verbunden ist, und eine Source, die mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers 422 verbunden ist, auf.
-
Der Erfassungstransistor 430 weist einen Drain, der mit dem zweiten Anschluss der Zylinderspule 410 und mit dem nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers 422 verbunden ist, wobei ein Erfassungs-Drain mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers 422 und mit der Source des Transistors 426 verbunden ist, ein Gate und eine Source, die mit Masse verbunden ist, auf. Der Erfassungstransistor 430 ist ein zusammengesetzter N-Kanal-MOS-Leistungstransistor mit einem Drain-Anschluss, einem Erfassungs-Drain-Anschluss, einem Gate und einer Source. Der Erfassungstransistor 430 wird unter Verwendung eines Stromleitungselements 432 und eines Drain-Erfassungselements 434 gebildet. Das Stromleitungselement 432 weist einen Drain, der den Drain-Anschluss (D) des Erfassungstransistors 430 bildet, ein Gate, das mit dem Gate-Anschluss (G) des Erfassungstransistors 430 verbunden ist, und eine Source, die mit dem Source-Anschluss (S) des Erfassungstransistors 430 verbunden ist, auf. Das Drain-Erfassungselement 434 weist einen Drain, der den Erfassungs-Drain-Anschluss (SD) des Erfassungstransistors 430 bildet, ein Gate, das mit dem Gate-Anschluss des Erfassungstransistors 430 verbunden ist, und eine Source, die mit dem Source-Anschluss des Erfassungstransistors 430 verbunden ist, auf. Der Transistor 436 ist ein P-Kanal-MOS-Transistor mit einer Source, die mit dem VBAT-Anschluss verbunden ist, einem Gate und einem Drain, der mit dem zweiten Anschluss der Zylinderspule 410 verbunden ist.
-
Die Steuerschaltung 440 weist einen Eingang, der mit dem zweiten Anschluss der Stromquelle 424 verbunden ist, einen ersten Ausgang und einen zweiten Ausgang auf. Der Puffer 442 weist einen Eingang, der mit dem ersten Ausgang der Steuerschaltung 440 verbunden ist, und einen Ausgang, der mit dem Gate des Erfassungstransistors 430 verbunden ist, auf. Der Puffer 444 weist einen Eingang, der mit dem zweiten Ausgang der Steuerschaltung 440 verbunden ist, und einen Ausgang, der mit dem Gate des Transistors 432 verbunden ist, auf.
-
Der Erfassungstransistor 430 implementiert Abschnitte des Stromerfassumgselements 220 und des Transistors 230 von 2. Das Stromleitungselement 434 wirkt sowohl als Stromerfassungselement 222 als auch als Transistor 230. Das Drain-Erfassungselement 436 wirkt als Teil des Zielsignalgenerators 224. Der Verstärker 422 und der Transistor 426 wirken als der andere Abschnitt des Stromerfassungselements 222. Die Stromquelle 424 wirkt als Zielsignalgenerator 224, der das ZIELSIGNAL bereitstellt. Die Stromquelle 424, der Verstärker 422 und der Transistor 426 wirken als Fehlersignalgenerator 226. Der Verstärker 422 steuert die Leitfähigkeit des Transistors 426, um das MESSSIGNAL auszugeben. Die Differenz zwischen dem MESSSIGNAL und dem ZIELSIGNAL stellt ein analoges Fehlersignal ΔI bereit. Die Steuerschaltung 440 kann eine analoge Steuerschaltung sein oder durch Hinzufügung eines ADC eine digitale Steuerschaltung sein, wie beispielsweise ein DSP.
-
Die stromgeregelte Schaltung 400 hat allgemein die gleichen Vorteile wie die stromgeregelte Schaltung 300 von 3, aber durch die Verwendung des Erfassungstransistors 430 hat sie eine kleinere Fläche und eine geringere Verlustleistung als die stromgeregelte Schaltung 300. Auch wenn das Eingangs-Offset des Verstärkers 422 niedrig gehalten wird, besteht keine Notwendigkeit für eine akkurate Verstärkung.
-
5 veranschaulicht in der Form eines Teilblockdiagramms und Teilschaltbilds einen Integrierschaltkreis 500, der zur Verwendung in einer stromgeregelten Schaltung geeignet ist. Der Integrierschaltkreis 500 beinhaltet einen Verstärker 510 und einen Kondensator 520. Der Verstärker 510 weist einen nicht-invertierenden Eingang zum Empfangen des Fehlersignals ΔI, einen invertierenden Eingang zum Empfangen einer als „VREF” bezeichneten Referenzspannung und einen Ausgang zur Bereitstellung eines Signals mit der Bezeichnung „INTEGRIERTER FEHLERSTROM” auf. Der Kondensator 520 weist einen ersten Anschluss, der mit dem Ausgang des Verstärkers 510 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, der mit dem nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers 510 verbunden ist, auf. Der Integrierschaltkreis 500 ist zweckmäßig bei der Glättung von Änderungen des Fehlersignals ΔI, sodass der Regelkreis stabil ist. Der Integrierschaltkreis 500 kann verwendet werden, um das Fehlersignal über eine Schaltperiode oder über die Leitungszeit, beispielsweise die Leitungszeit des Erfassungstransistors 430, zu integrieren, indem der Integrierschaltkreis 500 zwischen dem Fehlersignalgenerator, der das Fehlersignal ΔI bereitstellt, und der Steuerschaltung 440 eingefügt wird. Er ist zweckmäßig in mehreren stromgeregelten Schaltungen, einschließlich derjenigen, die nun beschrieben wird.
-
6 veranschaulicht in der Form eines Teilblockdiagramms und Teilschaltbilds eine stromgeregelte Schaltung 600 gemäß noch einer anderen Ausführungsform der stromgeregelten Schaltung 200 von 2. Die stromgeregelte Schaltung 600 beinhaltet allgemein ein stromleitendes Element in Form einer Zylinderspule 610, einen Ziel- und Fehlersignalgenerator 620, einen Erfassungstransistor 630, einen Transistor 632, eine Steuerschaltung 640 und die Puffer 642 und 644. Die Zylinderspule 610 weist einen ersten Anschluss zum Empfangen von VBAT und einen zweiten Anschluss auf.
-
Der Ziel- und Fehlersignalgenerator 620 beinhaltet einen Verstärker 621, einen Transistor 622, eine Stromquelle 623, einen Verstärker 624, einen Transistor 625, die Schalter 626 und 627 und einen Integrierschaltkreis 628. Der Verstärker 621 weist einen nicht-invertierenden Eingang, der mit dem VBAT-Anschluss verbunden ist, einen invertierenden Eingang und einen Ausgang auf. Der Transistor 622 ist ein P-Kanal-MOS-Transistor mit einer Source, die mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers 621 verbunden ist, ein Gate, das mit dem Ausgang des Verstärkers 621 verbunden ist, und einen Drain auf. Die Stromquelle 623 weist einen ersten Anschluss, der mit dem Drain des Transistors 622 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss auf und leitet den Strom IZIEL. Der Verstärker 624 weist einen nicht-invertierenden Eingang, der mit dem zweiten Anschluss der Zylinderspule 610 verbunden ist, einen invertierenden Eingang und einen Ausgang auf. Der Transistor 625 ist ein N-Kanal-MOS-Transistor mit einem Drain, der mit dem zweiten Anschluss der Stromquelle 623 verbunden ist, einem Gate, das mit dem Ausgang des Verstärkers 624 verbunden ist, und einer Source, die mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers 624 verbunden ist. Der Schalter 626 weist einen ersten Anschluss, der mit dem Drain des Transistors 622 verbunden ist, einen zweiten Anschluss und einen Steueranschluss auf. Der Schalter 627 weist einen ersten Anschluss, der mit dem Drain des Transistors 625 verbunden ist, einen zweiten Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss des Schalters 626 verbunden ist, und einen Steueranschluss auf. Der Integrierschaltkreis 628 weist einen Eingang, der mit den zweiten Anschlüssen der Schalter 626 und 627 verbunden ist, und einen Ausgang zur Bereitstellung des INTEGRIERTEN FEHLERSTROMS auf.
-
Der Erfassungstransistor 630 ist ein zusammengesetzter N-Kanal-MOS-Leistungstransistor mit einem Drain, der mit dem zweiten Anschluss der Zylinderspule 610 und mit dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 624 verbunden ist, einem Erfassungs-Drain, der mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers 624 der Source des Transistors 625 verbunden ist, einem Gate und einer Source, die mit Masse verbunden ist. Der Erfassungstransistor 632 ist ein zusammengesetzter N-Kanal-MOS-Leistungstransistor mit einem Drain-Anschluss, der mit dem VBAT-Knoten verbunden ist, einem Erfassungs-Drain-Anschluss, der mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers 621 verbunden ist, einem Gate und einer Source, die mit dem zweiten Anschluss der Zylinderspule 610 verbunden ist.
-
Die Steuerschaltung 640 weist einen Eingang, der mit dem Ausgang des Integrierschaltkreises 628 verbunden ist, einen ersten Ausgang und einen zweiten Ausgang auf. Der Puffer 642 weist einen Eingang, der mit dem ersten Ausgang der Steuerschaltung 640 verbunden ist, und einen Ausgang, der mit dem Gate des Erfassungstransistors 630 und mit dem Steueranschluss des Schalters 627 verbunden ist, auf. Der Puffer 644 weist einen Eingang, der mit dem zweiten Ausgang der Steuerschaltung 640 verbunden ist, und einen Ausgang, der mit dem Gate des Transistors 632 und mit dem Steueranschluss des Schalters 626 verbunden ist, auf.
-
Die stromgeregelte Schaltung 600 verwendet eine Differentialarchitektur, um den Nettostrom durch die Zylinderspule 610 während der Ein- und Ausschaltzeiten zu entwickeln. Wenn der Strom durch die Zylinderspule 610 geleitet wird, ist der Erfassungstransistor 630 leitend, ist der Erfassungstransistor 632 nicht leitend, öffnet der Puffer 644 den Schalter 626 und schließt der Puffer 642 den Schalter 627. Der Verstärker 621 lenkt eine Spannung zum Gate des Transistors 622, um dieses leitend zu machen. Wenn der Strom nicht durch die Zylinderspule 610 geleitet wird, ist der Erfassungstransistor 632 leitend, ist der Erfassungstransistor 630 nicht leitend, schließt der Puffer 644 den Schalter 626 und öffnet der Puffer 642 den Schalter 627. Der Verstärker 624 lenkt eine Spannung zum Gate des Transistors 625, um dieses leitend auf null zu stellen.
-
Die Komponenten der stromgeregelten Schaltung 200 von 2 können auf vielfältige Weise implementiert werden, wie beispielsweise auf die Weisen, die in den Ausführungsbeispielen von 3, 4 und 6 gezeigt sind. Diese und mehrere zusätzliche Weisen werden nun beschrieben.
-
7 veranschaulicht in schematischer Form einen Abschnitt 700 einer stromgeregelten Schaltung und zeigt eine erste Form eines Zielsignalgenerators. Der Abschnitt 700 beinhaltet einen Widerstand 722, der als ein Stromerfassungselement wirkt, eine Zielspannungsquelle 710 und einen Differenzverstärker 730. Wie in den anderen Ausführungsformen weist der Widerstand 722 erste und zweite Anschlüsse auf, die in einem Stromleitungspfad eines induktiven Elements in Form einer Zylinderspule, deren Strom auf einen gewünschten Wert geregelt werden soll, verbunden sind. Die Zielspannungsquelle 710 weist einen negativen Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss des Widerstands 722 verbunden ist, und einen positiven Anschluss zur Bereitstellung des ZIELSIGNALS auf und stellt eine als „VZIEL” bezeichnete Spannung bereit. Der Differenzverstärker 730 weist einen nicht-invertierenden Eingang, der mit dem ersten Anschluss des Widerstands 722 verbunden ist, einen invertierenden Eingang, der mit dem zweiten Anschluss des Widerstands 722 verbunden ist, und einen Ausgang zur Bereitstellung des MESSSIGNALS auf. 7 zeigt, dass ein als „VFEHLER” bezeichnetes Fehlersignal als die Differenz zwischen dem MESSSIGNAL und dem ZIELSIGNAL dargestellt wird. 7 zeigt auch eine Zielspannungsquelle 710, die mit einer Stromquelle 712 und einem Widerstand 714 implementiert ist. Die Stromquelle 712 weist einen ersten Anschluss, der mit dem VBAT-Anschluss verbunden ist, und einen zweiten Anschluss zur Bereitstellung des ZIELSIGNALS auf und leitet „IZIEL”. Der Widerstand 714 weist einen ersten Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss der Stromquelle 712 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss des Widerstands 722 verbunden ist, auf und hat einen Widerstand „RABGESTIMMT ”. Das ZIELSIGNAL ist gleich VZIEL plus der Spannung am zweiten Anschluss des Widerstands 722.
-
8 veranschaulicht in schematischer Form einen Abschnitt 800 einer stromgeregelten Schaltung und zeigt eine zweite Form eines Zielsignalgenerators. Der Abschnitt 800 beinhaltet einen Widerstand 822, der als ein Stromerfassungselement wirkt, und eine Zielspannungsquelle 810. Der Widerstand 822 weist erste und zweite Anschlüsse auf, die in einem Stromleitungspfad eines induktiven Elements in Form einer Zylinderspule, deren Strom auf einen gewünschten Wert geregelt werden soll, verbunden sind. Die Zielspannungsquelle 810 weist einen positiven Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss des Widerstands 822 verbunden ist, und einen negativen Anschluss zur Bereitstellung des ZIELSIGNALS auf und stellt eine Spannung „VZIEL” bereit. 8 zeigt, dass ein Fehlersignal mit der Bezeichnung „VFEHLER” als die Differenz zwischen dem ZIELSIGNAL, das VzIEL hinzugefügt wird, und einer Referenzspannung am zweiten Anschluss des Widerstands 822 dargestellt wird. 8 zeigt auch eine Zielspannungsquelle 810, die mit einem Widerstand 812 und einer Stromsenke 814 implementiert ist. Der Widerstand 812 weist einen ersten Anschluss, der mit dem ersten Anschluss des Widerstands 822 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss zur Bereitstellung des MESSSIGNALS VZIEL auf. Die Stromquelle 814 weist einen ersten Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss des Widerstands 812 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, der mit Masse verbunden ist, auf und leitet den Strom IZIEL. In Abschnitt 800 ist VFEHLER erneut gleich dem MESSSIGNAL abzüglich des ZIELSIGNALS, aber VFFEHLER wird auf andere Weise entwickelt als in 7.
-
9 veranschaulicht in schematischer Form einen segmentierten Widerstand 900, der zur Verwendung in den Zielsignalgeneratoren von 3, 7 und 8 geeignet ist. Der segmentierte Widerstand 900 beinhaltet eine Widerstandsleiter 910 und einen Multiplexer 920. Die Widerstandsleiter 910 wird unter Verwendung eines Satzes von in Reihe geschalteten Widerstandssegmenten gebildet. In 9 ist ein repräsentativer Satz von Widerstandssegmenten 912, 914 und 916 gezeigt, bei dem das Widerstandssegment 912 einen ersten Anschluss, der mit dem ersten Anschluss des segmentierten Widerstands 900 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss aufweist, das Widerstandssegment 914 einen ersten Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss des Widerstandssegments 912 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss aufweist und so weiter, bis zum Widerstandssegment 916, das einen ersten Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss des unmittelbar vorhergehenden Widerstandssegments in dem Satz verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss des segmentierten Widerstands 900 verbunden ist, aufweist. Der Multiplexer 920 weist Eingänge, die mit Anschlüssen der jeweiligen Widerstandsreihen in der Widerstandsleiter 910 verbunden sind, einen Ausgang zur Bereitstellung des VZIEL-Signals und einen Steueranschluss zum Empfangen eines mit „SEL” bezeichneten Steuersignals auf.
-
Der segmentierte Widerstand 900 ermöglicht es, den Widerstand programmierbar auf den Messwiderstand für eine Vielzahl unterschiedlicher Ströme abzustimmen. Der Wert des Widerstands wird auf Basis des SEL-Signals eingestellt, und der gewählte Anschlusspunkt auf der Leiter bestimmt den Wert des Widerstands. Wenn beispielsweise der segmentierte Widerstand 900 verwendet wird, um den Widerstand 714 von 7 zu implementieren, und wenn der abgestimmte Wert alle bis auf ein Widerstandssegment beinhaltet, dann wählt das SEL-Signal den ersten Eingang davon aus, bildet der Ausgang des Multiplexers 920 den ersten Anschluss des Widerstands 714 und bildet der zweite Anschluss des Widerstandssegments 916 den zweiten Anschluss des Widerstands 714 und ist mit dem zweiten Anschluss des Widerstands 722 verbunden. Umgekehrt, wenn der segmentierte Widerstand 900 verwendet wird, um den Widerstand 812 von 8 zu implementieren, und wenn der abgestimmte Wert zwei Widerstandssegmente beinhaltet, dann wählt das SEL-Signal den zweiten Eingang davon aus, bildet der erste Anschluss des Widerstandssegments 912 den ersten Anschluss des Widerstands 812 und bildet der Ausgang des Multiplexers 920 den zweiten Anschluss des Widerstands 812.
-
10 veranschaulicht in der Form eines Blockdiagramms eine Stromquelle 1000, die zur Verwendung in den Zielsignalgeneratoren von 3, 4 und 6 bis 8 geeignet ist. Die Stromquelle 1000 wird unter Verwendung eines Strom-Digital-Analog-Wandlers (DAC) implementiert, der einen Eingang zum Empfangen eines Multibit-Eingangscodes, einen Referenzeingang zum Empfangen eines Referenzstroms und einen Ausgang zur Bereitstellung des Stroms IZIEL aufweist. Aufgrund der Tatsache, dass sie programmierbar ist, kann die Stromquelle 1000 in einem Stromerfassungselement mit den Konfigurationen wie denjenigen von 2, 3 und 6 bis 8 verwendet werden, aber für unterschiedliche Anwendungsumgebungen abgestimmt werden, indem ein Bereich von Zielströmen bereitgestellt wird.
-
11 veranschaulicht in der Form eines Blockdiagramms eine Spannungsquelle 1100, die zur Verwendung in den Zielsignalgeneratoren von 7 und 8 geeignet ist. Die Spannungsquelle 1100 wird unter Verwendung eines Spannungs-DAC implementiert, der einen Eingang zum Empfangen eines Multibit-Eingangscodes, einen Referenzeingang zum Empfangen einer Referenzspannung, einen mit dem Erfassungswiderstand gekoppelten Signaleingang und einen Ausgang zur Bereitstellung der Spannung VZIEL aufweist. Aufgrund der Tatsache, dass sie programmierbar ist, kann die Spannungsquelle 1100 in einem Stromerfassungselement mit den Konfigurationen von 7 und 8 verwendet werden, aber für unterschiedliche Anwendungsumgebungen abgestimmt werden, die einen Bereich von Zielspannungen bereitstellen.
-
12 veranschaulicht in der Form eines Teilblockdiagramms und Teilschaltbilds eine stromgeregelte Schaltung 1200 gemäß einer weiteren Ausführungsform der stromgeregelten Schaltung 200 von 2. Die stromgeregelte Schaltung 1200 umfasst allgemein ein stromleitendes Element in Form einer Zylinderspule 1210, einen Ziel- und Fehlersignalgenerator 1220, einen Erfassungstransistor 1230, einen Transistor 1236 und eine Steuerschaltung 1240. Die Zylinderspule 1210 weist einen ersten Anschluss zum Empfangen von VBAT und einen zweiten Anschluss auf. Der Stromerfassungsabschnitt 1220 beinhaltet eine Stromquelle 1221, die Schalter 1222 und 1223 und einen Subtrahierer 1224. Die Stromquelle 1221 weist einen ersten Anschluss, der mit dem VBAT-Anschluss verbunden ist, und einen zweiten Anschluss auf und leitet den Strom IZIEL. Der Schalter 1222 weist einen ersten Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss der Zylinderspule 1210 verbunden ist, einen zweiten Anschluss und einen Steueranschluss auf. Der Schalter 1223 weist einen ersten Anschluss, der mit dem Erfassungs-Drain-Anschluss des Transistors 1220 verbunden ist, einen zweiten Anschluss und einen Steueranschluss auf. Der Subtrahierer 1224 weist einen ersten Eingang, der mit dem zweiten Anschluss des Schalters 1222 verbunden ist, einen zweiten Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss des Schalters 1223 verbunden ist, und einen Ausgangsanschluss zur Bereitstellung des INTEGRIERTEN FEHLERSIGNALS auf. Der Subtrahierer 1224 beinhaltet einen optionalen Widerstand 1225, einen Verstärker 1226 und einen Kondensator 1227. Der Widerstand 1225 weist einen ersten Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss des Schalters 1222 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss auf. Der Verstärker 1226 weist einen nicht-invertierenden Eingang, der mit dem zweiten Anschluss des Widerstands 1225 verbunden ist, einen invertierenden Eingang, der mit dem zweiten Anschluss des Schalters 1223 verbunden ist, und einen Ausgang zur Bereitstellung des INTEGRIERTEN FEHLERSIGNALS auf. Der Kondensator 1227 weist einen ersten Anschluss, der mit dem Ausgangsanschluss des Verstärkers 1226 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, der mit dem nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers 1226 verbunden ist, auf.
-
Der Erfassungstransistor 1230 weist einen Drain, der mit dem zweiten Anschluss der Zylinderspule 1210 und mit dem ersten Anschluss des Schalters 1223 verbunden ist, einen Erfassungs-Drain, der mit dem zweiten Anschluss der Stromquelle 1221 und mit dem ersten Anschluss des Schalters 1223 verbunden ist, ein Gate und eine Source, die mit Masse verbunden ist, auf. Der Erfassungstransistor 1230 ist ein zusammengesetzter N-Kanal-MOS-Leistungstransistor mit einem Drain-Anschluss, einem Erfassungs-Drain-Anschluss, einem Gate und einer Source. Der Erfassungstransistor 1230 wird unter Verwendung eines Stromleitungselements 1232 und eines Drain-Erfassungselements 1234 gebildet. Das Stromleitungselement 1232 weist einen Drain, der den Drain-Anschluss des Erfassungstransistors 1230 bildet, ein Gate, das mit dem Gate-Anschluss des Erfassungstransistors 1230 verbunden ist, und eine Source, die mit dem Source-Anschluss des Erfassungstransistors 1230 verbunden ist, auf. Das Drain-Erfassungselement 1234 weist einen Drain, der den Erfassungs-Drain-Anschluss des Erfassungstransistors 1230 bildet, ein Gate, das mit dem Gate-Anschluss des Erfassungstransistors 1230 verbunden ist, und eine Source, die mit dem Source-Anschluss des Erfassungstransistors 1230 verbunden ist, auf. Der Transistor 1236 ist ein P-Kanal-MOS-Transistor mit einer Source, die mit dem VBAT-Anschluss verbunden ist, einem Gate und einem Drain, der mit dem zweiten Anschluss der Zylinderspule 410 verbunden ist.
-
Die Steuerschaltung 1240 weist einen Eingang, der mit dem Ausgang des Verstärkers 1226 verbunden ist, einen ersten Ausgang, der mit dem Gate des Transistors 1230 und mit den Steueranschlüssen der Schalter 1222 und 1223 verbunden ist, und einen zweiten Ausgang, der mit dem Gate des Transistors 1236 verbunden ist, auf. Wie in 12 gezeigt, beinhaltet die Steuerschaltung 1240 einen Puffer 1242 mit einem Ausgang, der den ersten Ausgang der Steuerschaltung 1240 bildet.
-
Die stromgeregelte Schaltung 1200 verwendet den Erfassungstransistor 1230 in einer Weise ähnlich derjenigen der stromgeregelten Schaltung 400 von 4, verwendet jedoch einen anderen Ziel- und Fehlersignalgenerator 1220. Die Stromerfassungsschaltung 1220 beinhaltet den Subtrahierer 1224 als einen integrierenden Subtrahierer, der durch die Schalter 1222 und 1223 mit der Schaltaktivität synchronisiert wird. Wenn also der Erfassungstransistor 1230 leitend ist, werden die Schalter 1222 und 1223 geschlossen und integriert der Subtrahierer 1224 die Differenz zwischen dem MESSSIGNAL und dem ZIELSIGNAL. Wenn der Erfassungstransistor 1230 nicht leitend ist, sind die Schalter 1222 und 1223 offen und behält der Subtrahierer 1224 die integrierte Differenz zwischen dem MESSSIGNAL und dem ZIELSIGNAL bei.
-
13 veranschaulicht in der Form eines Teilblockdiagramms und Teilschaltbilds eine stromgeregelte Schaltung 1300 gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der stromgeregelten Schaltung von 2. Die stromgeregelte Schaltung 1300 umfasst allgemein ein stromleitendes Element in Form einer Zylinderspule 1310, einen Ziel- und Fehlersignalgenerator 1320, einen Erfassungstransistor 1330, einen Transistor 1332 und eine Steuerschaltung 1340. Die Zylinderspule 1310 weist einen ersten Anschluss zum Empfangen von VBAT und einen zweiten Anschluss auf. Der Ziel- und Fehlersignalgenerator 1320 beinhaltet einen Verstärker 1321, eine Stromquelle 1322, einen Transistor 1323, einen Schalter 1324 und einen Integrierschaltkreis 1325. Der Verstärker 1321 weist einen nicht-invertierenden Eingang, der mit dem zweiten Eingang der Zylinderspule 1310 verbunden ist, einen invertierenden Eingang und einen Ausgang auf. Die Stromquelle 1322 weist einen ersten Anschluss, der mit dem VBAT-Anschluss verbunden ist, und einen zweiten Anschluss auf und leitet den Strom IZIEL. Der Transistor 1323 weist einen Drain, der mit dem zweiten Anschluss der Stromquelle 1322 verbunden ist, ein Gate, das mit dem Ausgang des Verstärkers 1321 verbunden ist, und eine Source, die mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers 1321 verbunden ist, auf. Der Schalter 1324 weist einen ersten Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss der Stromquelle 1322 verbunden ist, einen zweiten Anschluss und einen Steueranschluss auf. Der Integrierschaltkreis 1325 weist einen Eingangsanschluss, der mit dem zweiten Anschluss des Schalters 1324 verbunden ist, und einen Ausgangsanschluss zur Bereitstellung des INTEGRIERTEN FEHLERSIGNALS auf.
-
Der Erfassungstransistor 1330 weist einen Drain, der mit dem zweiten Anschluss der Zylinderspule 1310 verbunden ist, einen Erfassungs-Drain, der mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers 1321 und mit der Source des Transistors 1323 verbunden ist, ein Gate und eine Source, die mit Masse verbunden ist, auf. Der Erfassungstransistor 1330 ist ein zusammengesetzter N-Kanal-MOS-Leistungstransistor, wie in Bezug auf 4 oben beschrieben. Der Transistor 1332 ist ein P-Kanal-MOS-Transistor mit einer Source, die mit dem VBAT-Anschluss verbunden ist, einem Gate und einem Drain, der mit dem zweiten Anschluss der Zylinderspule 1310 verbunden ist.
-
Die Steuerschaltung 1340 weist einen Eingang, der mit dem Ausgang des Integrierschaltkreises 1325 verbunden ist, einen ersten Ausgang, der mit dem Gate des Transistors 1330 und mit dem Steueranschluss der Schalter 1324 verbunden ist, und einen zweiten Ausgang, der mit dem Gate des Transistors 1332 verbunden ist, auf. Wie in 12 gezeigt, beinhaltet die Steuerschaltung 1340 einen Puffer 1342 mit einem Ausgang, der den ersten Ausgang der Steuerschaltung 1340 bildet.
-
Die stromgeregelte Schaltung 1300 liefert ein Fehlersignal als einen Differenzstrom ΔI unter Verwendung eines Erfassungstransistors 1330, integriert den Differenzstrom während der Leitungszeit der Zylinderspule 1310, um das INTEGRIERTE FEHLERSIGNAL bereitzustellen, und steuert die Einschaltzeit des Erfassungstransistors 1330, um den Strom der Zylinderspule 1310 auf eine gewünschte Menge zu regeln. Somit ist sie eine Modifikation der stromgeregelten Schaltung 400 von 4 unter Verwendung des Schalters 1324 und des Integrierschaltkreises 1325, um die Steuerung während der Leitungszeiten des Transistors 1330 zu begrenzen.
-
Verschiedene Modifikationen an den oben beschriebenen Schaltungen können vorgenommen werden, um einen robusteren Signalweg bereitzustellen und auch um von der massefreien Domäne des Stromerfassungswiderstands zu der Steuerungsdomäne zu wechseln. Diese Modifikationen werden nun beschrieben.
-
14 zeigt in der Form eines Blockdiagramms eine erste Digitalwandlerschaltung 1400, die in der stromgeregelten Schaltung 200 von 2 verwendet werden kann. Die Digitalwandlerschaltung 1400 ist ein Komparator mit einem nicht-invertierenden Eingang, einem invertierenden Eingang und einem Ausgang zur Bereitstellung eines Ein-Bit-Fehlersignals, das als „DIGITALES FEHLERSIGNAL” bezeichnet ist, wobei eine als „V” bezeichnete differentielle integrierte Fehlerspannung zwischen den nichtinvertierenden und invertierenden Eingängen erfasst wird. In diesem Fall kann eine Steuerschaltung, wie beispielsweise ein DSP, entweder das Einzel-Bit-Signal filtern und verarbeiten oder die Folge von Bits über einen bestimmten Zeitraum drastisch verringern, um einen Multibit-Digitalcode zu bilden und den Multibit-Digitalcode zu filtern und zu verarbeiten.
-
15 veranschaulicht in der Form eines Blockdiagramms eine zweite Digitalwandlerschaltung 1500, die in der stromgeregelten Schaltung 200 von 2 verwendet werden kann. Die Digitalwandlerschaltung 1500 ist ein ADC mit einem Eingang zum Empfangen einer integrierten Fehlerspannung VFI als ein einseitiges Fehlersignal und einem Ausgang zur Bereitstellung eines aus mehreren Bits bestehenden DIGITALEN FEHLERSIGNALS. In diesem Fall ist die einseitige Fehlerspannung VFI ein kontinuierlicher Wert aus einem Bereich von Werten und liefert der Digitalwandler 1500 ein aus mehreren Bits bestehendes DIGITALES FEHLERSIGNAL, um die Fehlerspannung VFI darzustellen.
-
16 veranschaulicht in der Form eines Teilblockdiagramms und Teilschaltbilds eine dritte Digitalwandlerschaltung 1600, die in der stromgeregelten Schaltung 200 von 2 verwendet werden kann. Die Digitalwandlerschaltung 1600 beinhaltet einen Komparator 1610 und einen Widerstand 1620. Der Komparator 1610 weist einen nichtinvertierenden Eingang, der mit einem Knoten verbunden ist und der einen als „IFEHLER” bezeichneten Fehlerstrom empfängt, einen invertierenden Eingang, der mit Masse verbunden ist, und einen Ausgang zur Bereitstellung eines aus einem Bit bestehenden DIGITALEN FEHLERSIGNALS auf. Der Widerstand 1620 weist einen ersten Anschluss, der mit dem nicht-invertierenden Eingang des Komparators 1610 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, der mit dem invertierenden Eingang des Komparators 1610 und mit Masse (oder mit einer beliebigen Referenzspannung) verbunden ist, auf. In der Digitalwandlerschaltung 1600 erfasst der Komparator 1610 ein Differenzfehlersignal, das durch den Spannungsabfall am Widerstand 1620 beim Leiten des Stroms IFEHLER gebildet wird. Auch hier kann eine Steuerschaltung, wie beispielsweise ein DSP, entweder das Einzel-Bit-Signal filtern und verarbeiten oder die Folge von Bits über einen bestimmten Zeitraum drastisch verringern, um einen Multibit-Digitalcode zu bilden und den Multibit-Digitalcode zu filtern und zu verarbeiten.
-
17 veranschaulicht in der Form eines Teilblockdiagramms und Teilschaltbilds eine vierte Digitalwandlerschaltung 1700, die in der stromgeregelten Schaltung 200 von 2 verwendet werden kann. Die Digitalwandlerschaltung 1700 beinhaltet einen ADC 1710 und einen Widerstand 1720. Der ADC 1710 weist einen Eingang, der mit einem Knoten verbunden ist, der IFEHLER empfängt, und einen Ausgang zur Bereitstellung eines aus mehreren Bits bestehenden DIGITALEN FEHLERSIGNALS auf. Der Widerstand 1720 weist einen ersten Anschluss, der mit dem Knoten verbunden ist und der IFEHLER empfängt, und einen zweiten Anschluss, der mit Masse (oder mit einer beliebigen Referenzspannung) verbunden ist, auf. In dieser Schaltung wandelt der Widerstand 1720 IFEHLER in eine Spannung um und stellt der Digitalwandler 1700 ein aus mehreren Bits bestehendes DIGITALES FEHLERSIGNAL bereit, um diese Spannung darzustellen.
-
In jeder dieser Digitalwandlerschaltungen wird das Fehlersignal von der massefreien Domäne des Erfassungswiderstands in die Stromregelungs- und Messdomäne verschoben. Diese Schaltungen erfordern keine akkurate Verstärkung bei der Durchführung der Pegelverschiebung. Darüber hinaus verwenden sie entweder einen einfachen Komparator oder einen kostengünstigen ADC mit wenigen Bits, was für eine hochgenaue Stromregelung ausreichend ist. Man beachte, dass die in der Digitalwandlerschaltung 1400 und 1600 verwendeten Komparatoren verwendet werden können, um einen sukzessiven Näherungs-ADC zu implementieren, bei dem die Referenzspannungen geändert werden, um nach dem digitalen Code zu suchen, der die Eingangsspannung am genauesten darstellt.
-
18 veranschaulicht in schematischer Form einen Erfassungstransistor 1800, der in irgendeinem der Stromregelkreise von 4, 6, 12 und 13 verwendet werden kann. Der Erfassungstransistor 1800 ist ähnlich den zuvor beschriebenen Erfassungstransistoren, mit der Ausnahme jedoch, dass er zusätzlich einen Erfassungs-Source-Anschluss aufweist. Der Erfassungstransistor 1810 ist ein zusammengesetzter N-Kanal-MOS-Leistungstransistor mit einem als „D” bezeichneten Drain-Anschluss, einem als „SD” bezeichneten Erfassungs-Drain-Anschluss, einem als „G” bezeichneten Gate-Anschluss, einer als „S” bezeichneten Source und einer als „SS” bezeichneten Erfassungs-Source. Der Erfassungstransistor 1800 wird unter Verwendung eines Stromleitungselements 1810, eines Drain-Erfassungselements 1820 und eines Source-Erfassungselements 1830 gebildet. Das Stromleitungselement 1810 weist einen Drain, der den Drain-Anschluss des Erfassungstransistors 1800 bildet, ein Gate, das mit dem Gate-Anschluss des Erfassungstransistors 1800 verbunden ist, und eine Source, die mit dem Source-Anschluss des Erfassungstransistors 1800 verbunden ist, auf. Das Drain-Erfassungselement 1820 weist einen Drain, der den Erfassungs-Drain-Anschluss des Erfassungstransistors 1800 bildet, ein Gate, das mit dem Gate-Anschluss des Erfassungstransistors 1800 verbunden ist, und eine Source, die mit dem Source-Anschluss des Erfassungstransistors 1800 verbunden ist, auf. Das Source-Erfassungselement 1830 weist einen Drain, der mit dem Drain-Anschluss des Erfassungstransistors 1800 verbunden ist, ein Gate, das mit dem Gate-Anschluss des Erfassungstransistors 1800 verbunden ist, und eine Source, die den Erfassungs-Source-Anschluss des Erfassungstransistors 1800 bereitstellt, auf.
-
Bei Betrieb in Vorwärtsrichtung fließt ein positiver Strom von dem Erfassungs-Drain zu der Source und ist der Erfassungs-Source-Anschluss SS der Referenzanschluss. Bei Betrieb in umgekehrter Richtung fließt ein positiver Strom von der Erfassungs-Source zur Source und ist der Erfassungs-Drain-Anschluss SD der Referenzanschluss. Der Erfassungstransistor 1800 ermöglicht es, die Bulk-Verbindung jedes Transistors von der Source zu isolieren, und wird in geeigneter Weise unter Verwendung eines epitaktischen MOS-Prozesses implementiert. Somit stellt der Erfassungstransistor 1800 zusätzliche Flexibilität bei massefreien Anwendungen bereit, wie beispielsweise bei der Zylinderspule mit einem Erfassungswiderstand, wie in 2 und ähnlichen Figuren oben beschrieben.
-
Während bestimmte Ausführungsformen beschrieben worden sind, sind verschiedene Modifikationen dieser Ausführungsformen für den Fachmann offensichtlich. Beispielsweise zeigen die Schaltungen von 2, 3, 4, 12 und 13 die Transistoren 232, 332, 436, 1236 und 1352, die durch jeweilige Steuerschaltungen gesteuert werden, aber in anderen Ausführungsformen können die Transistoren durch Dioden ersetzt werden, die wie für die Diode 150 in 1 gezeigt verbunden sind. Darüber hinaus können in anderen Ausführungsformen die Topologien der in den 2, 3, 4, 12 und 13 gezeigten Schaltungen umgekehrt werden. Um beispielsweise die Topologie der stromgeregelten Schaltung 200 umzukehren, würde der Transistor 230 zwischen VBAT und dem ersten Anschluss des Stromerfassungselements 222 verbunden werden und würde die Zylinderspule 210 zwischen dem zweiten Anschluss des Stromerfassungselements 222 und Masse verbunden werden.
-
In einer Form weist eine Schaltung ein Stromerfassungselement auf, das ein Stromleitungselement eines Erfassungstransistors umfasst. Gemäß einem Aspekt ist der Erfassungstransistor ein epitaktisch hergestellter Metalloxid-Halbleiter-(MOS-)Transistor mit einem Bulk-Anschluss und einer Source, wobei der Bulk-Anschluss von der Source isoliert ist und ein Stromleitungselement in Form eines Transistors aufweist.
-
Der Zielsignalgenerator kann eine Zielspannung erzeugen, die einen Spannungsabfall am Stromerfassungselement darstellt, wenn das Stromerfassungselement den Zielstrom leitet, und der Zielsignalgenerator umfasst eine Stromquelle und einen abgestimmten Widerstand. Gemäß einem anderen Aspekt umfasst der abgestimmte Widerstand eine segmentierte Widerstandsleiter und einen Multiplexer. Die segmentierte Widerstandsleiter weist eine Vielzahl von Widerstandssegmenten auf, die zwischen dem zweiten Anschluss der Stromquelle und dem zweiten Anschluss des Stromerfassungselements in Reihe gekoppelt sind. Der Multiplexer weist Eingänge, die mit Anschlüssen von jeweiligen der Vielzahl von Widerstandssegmenten gekoppelt sind, einen Ausgang zur Bereitstellung des Zielsignals und einen Steueranschluss zum Empfangen eines Steuersignals auf. Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst die Stromquelle einen Digital-Analog-Wandler mit einem ersten Anschluss zum Empfangen eines Referenzstroms, einem zweiten Anschluss zum Empfangen eines Eingangscodes und einem Ausgangsanschluss zur Bereitstellung des Zielstroms.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst der Fehlersignalgenerator einen Differenzverstärker und einen Analog-Digital-Wandler. Der Differenzverstärker weist einen ersten Eingang, der mit einem ersten Anschluss des Stromerfassungselements gekoppelt ist, einen zweiten Eingang zum Empfangen des Zielsignals und einen Ausgang auf. Der Analog-Digital-Wandler weist einen Eingang, der mit dem Ausgang des Differenzverstärkers gekoppelt ist, und einen Ausgang zur Bereitstellung des Fehlersignals als ein digitales Fehlersignal auf. In einer Alternative gemäß einem weiteren Aspekt umfasst der Fehlersignalgenerator einen Differenzverstärker und einen Transistor. Der Differenzverstärker weist einen ersten Eingang, der mit einem ersten Anschluss des Stromerfassungselements gekoppelt ist, einen zweiten Eingang zum Empfangen des Zielsignals und einen Ausgang auf. Der Transistor weist eine erste Stromelektrode, die mit einem der ersten und zweiten Eingänge des Differenzverstärkers gekoppelt ist, eine Steuerelektrode, die mit dem Ausgang des Differenzverstärkers gekoppelt ist, und einen Ausgang zur Bereitstellung des Fehlersignals als einen Fehlerstrom auf.
-
In einer anderen Form ist die Schaltung eine stromgeregelte Schaltung, die ferner ein stromleitendes Element, ein Stromsteuerelement und eine Steuerschaltung umfasst. Das stromleitende Element weist einen ersten Anschluss, der mit einem ersten Stromversorgungsspannungsanschluss gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss, der mit einem ersten Anschluss des Stromsensors gekoppelt ist, auf. Das Stromsteuerelement weist einen ersten Anschluss, der mit einem zweiten Anschluss des stromleitenden Elements gekoppelt ist, eine Steuerelektrode und eine zweite Stromelektrode, die mit einem zweiten Stromversorgungsspannungsanschluss gekoppelt ist, auf. Die Steuerschaltung weist einen Eingang, der mit dem Ausgang des Fehlersignalgenerators gekoppelt ist, und einen Ausgang zur Bereitstellung eines Steuersignals an die Steuerelektrode des Stromsteuerelements auf, wobei die Steuerschaltung das Steuersignal ändert, um das Fehlersignal zu reduzieren. In diesem Fall ist gemäß einem Aspekt die Steuerschaltung mit dem Fehlersignalgenerator über einen Wandler gekoppelt, der das Fehlersignal in ein digitales Fehlersignal umwandelt.
-
In einer weiteren Form umfasst eine stromgeregelte Schaltung ein stromleitendes Element, einen Stromsensor, ein Stromsteuerelement, das mit dem stromleitenden Element und dem Stromsensor in Reihe gekoppelt ist und als Antwort auf ein Steuersignal leitend ist, und einen Stromsensor, der ein Stromerfassungselement, einen Subtrahierer und einen Integrierschaltkreis umfasst. In diesem Fall umfasst das Steuerelement gemäß einem Aspekt ein Stromleitungselement eines Erfassungstransistors und umfasst das Stromerfassungselement ein Drain-Erfassungselement des Erfassungstransistors. Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst der Subtrahierer eine Zielstromquelle, einen ersten Schalter und einen zweiten Schalter. Die Zielstromquelle weist einen ersten Anschluss, der mit einem Spannungsreferenzanschluss gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss, der mit dem Drain-Erfassungselement des Erfassungstransistors gekoppelt ist, auf. Der erste Schalter weist einen ersten Anschluss, der mit dem Stromleitungselement des Erfassungstransistors gekoppelt ist, einen zweiten Anschluss zur Bereitstellung einer ersten Komponente des Fehlersignals und einen Steueranschluss zum Empfangen des Steuersignals auf. Der zweite Schalter weist einen ersten Anschluss, der mit dem Drain-Erfassungselement des Erfassungstransistors gekoppelt ist, einen zweiten Anschluss zur Bereitstellung einer zweiten Komponente des Fehlersignals und einen Steueranschluss zum Empfangen des Steuersignals auf.
-
Gemäß einem anderen weiteren Aspekt umfasst der Subtrahierer einen Verstärker, eine Zielstromquelle und einen Transistor. Der Verstärker weist einen ersten Eingang, der mit dem Stromleitungselement des Erfassungstransistors gekoppelt ist, einen zweiten Eingang, der mit dem Drain-Erfassungselement des Erfassungstransistors gekoppelt ist, und einen Ausgang auf. Die Zielstromquelle weist einen ersten Anschluss auf, der mit einem Spannungsreferenzanschluss und einem zweiten Anschluss verbunden ist. Der Transistor weist eine erste Stromelektrode, die mit dem zweiten Anschluss der Zielstromquelle gekoppelt ist, eine Steuerelektrode, die mit dem Ausgang des Verstärkers gekoppelt ist, und eine zweite Stromelektrode, die mit dem Drain-Erfassungselement des Erfassungstransistors gekoppelt ist, auf. Der Schalter weist einen ersten Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss der Zielstromquelle gekoppelt ist, einen zweiten Anschluss zur Bereitstellung des Fehlersignals und einen Steueranschluss zum Empfangen des Steuersignals auf.
-
Dementsprechend ist es beabsichtigt, dass die beigefügten Ansprüche alle Modifikationen der offenbarten Ausführungsformen abdecken, die unter den Schutzumfang der offenbarten Ausführungsformen fallen.