補償組件變化的電流感測的製作方法

2023-11-11 09:34:17 1

各種實施例的各方面是針對在補償由組件變化引起的電路組件中的變化的同時，在集成電路(ic)晶片中提供電流檢測。

背景技術：

總線接口協議可被設計成允許通過有線接口提供電力。在一些情況下，這種電力可用於為電池或類似的獨立電源充電、直接為電力接收(電力消耗)裝置供電，或既充電又直接供電。用於總線接口協議的標準有時可在不同的電力消耗裝置之間提供不同的供電能力。例如，不同的電力消耗裝置，使用相同的有線接口的每一電力消耗裝置可被配置成汲取不同的電流量。與本文中所論述的各種方面相一致，所述電力消耗裝置可被配置成在連接之後將它們的供電能力傳送到供電裝置。在一些情況下，這種傳送的至少一部分可發生在電力消耗裝置的電源已達到穩定的內部電壓之前。能夠具有不同電力供應和來源能力可產生對電流檢測和限制能力的需要。

特定類型的總線接口協議為通用串行總線(usb)。在usb可用於將外部的外圍裝置附著到個人計算機的同時，它還可用於在外圍裝置之間介接、為其充電，以及大量其它的應用和使用，例如汽車、相機、智慧型電話、電視和機頂盒。usb也可用作各種移動裝置充電方案中的電源。usb提供各種不同的數據傳送速度。例如，usb3.0提供高達5gbit/s的數據傳送速度，以及usb3.1提供高達10gbit/s的數據傳送速率。usb也提供各種不同的電力提供和耗散(sinking)能力。c型usb可利用500ma/900ma(用於usb2.0/usb3.1)、1.5a和3a模式支持5v。usb電力遞送(pd)支持電力協商和遞送方案，所述遞送方案支持高達100w(20vx5a)。

這些以及其它情況已經呈現出對用於各種應用的電力遞送集成電路(ic)和其實施方案的效率的挑戰。

技術實現要素：

各種實施例是針對一種系統，所述系統用於在補償由工藝、電壓源、溫度或其組合引起的電路組件中的變化的同時，在集成電路(ic)晶片中提供電流檢測。系統可包括具有電力開關電路的ic晶片，所述電力開關電路包括電力電路路徑，所述電力電路路徑包括第一電晶體，所述第一電晶體通過具有第一電阻值的第一導電跡線連接到電源，並且通過具有第二電阻值的第二導電跡線連接到負載。電流檢測電路被配置成補償電源開關電路中的變化。電流檢測電路可包括電流源電路和感測電路路徑，所述感測電路路徑被配置成匹配電力電路路徑中的工藝、電壓源和溫度變化。感測電路路徑可包括第二電晶體，所述第二電晶體通過具有第三電阻值的第三導電跡線連接到電源，並且通過具有第四電阻值的第四導電跡線連接到電流源電路。比較器電路可被配置成比較橫跨電力電路路徑的電壓降和橫跨感測電路路徑的電壓降，並且響應於所述比較，提供數據信號到電流檢測電路的輸出端。

根據一些實施例，方法在補償由製造ic晶片引起的電路組件中的變化的同時，在集成電路(ic)晶片中提供電流檢測。所述方法包括從電源接收電力且通過電源開關電路投送所述電力，所述電源開關電路包括電力電路路徑，所述電力電路路徑包括第一電晶體，所述第一電晶體通過具有第一電阻值的第一導電跡線連接到電源，並且通過具有第二電阻值的第二導電跡線連接到負載。參考電壓可通過從電流源電路投送電流穿過感測電路路徑來產生，所述感測電路路徑被配置成匹配至少一個組件變化，所述變化從由以下組成的群組中選出：針對電力電路路徑中的組件的工藝變化、電源電壓變化和溫度變化。感測電路路徑還包括第二電晶體，所述第二電晶體通過具有第三電阻值的第三導電跡線連接到電源，並且通過具有第四電阻值的第四導電跡線連接到電流源電路。橫跨電力電路路徑的電壓降可與橫跨感測電路路徑的電壓降比較。響應於所述比較，可提供指示通過電力電路路徑的電流電平的數據信號。

以上論述/總結並非意圖描述本發明的每一實施例或每一實施方案。圖式和以下詳細描述還舉例說明了各種實施例。

附圖說明

考慮以下詳細描述並結合附圖可以更全面地理解各種示例實施例，附圖中：

圖1描繪符合本發明的實施例的包括用於檢測電流電平的ic晶片的系統的框圖；

圖2描繪符合本發明的實施例的用於檢測電流電平的ic晶片的電路圖；以及

圖3描繪符合本發明的實施例的用於檢測電流電平的ic晶片的流程圖。

雖然本文中所論述的各種實施例能夠經受各種修改和替代形式，但在附圖中已藉助於例子示出了實施例的各方面，且將詳細描述實施例的各方面。然而，應理解，並不意圖將本發明限於所描述的具體實施例。相反，意圖涵蓋落入本發明的範疇內的包括權利要求書中限定的各方面的所有修改、等效物和替代方案。另外，如在本申請案通篇中使用的術語「例子」僅藉助於說明，並且不加限制。

具體實施方式

本發明的各方面被認為適用於涉及匹配ic中的組件變化的多種不同類型的設備、系統和方法。在某些實施方案中，當在電流檢測和限制的情況中使用時，本發明的各方面示出為有益的。在一些實施例中，電流檢測和限制有關於使用usb接口提供的電力。可實施這些和其它方面以解決包括上面在背景技術中所論述的那些的挑戰。雖然未必受到如此限制，但是通過使用此類示例性情況對例子的論述可理解各種方面。

本發明的各種實施例是針對在補償電路組件中的變化的同時，在集成電路(ic)晶片中提供電流檢測。具體實施例是針對c型通用串行總線(usb)應用，但是本文所論述的各種實施例不必受到如此限制。在一些情況下，組件變化可包括片上互連件的工藝、電壓和溫度(pvt)變化效應，以及其它變化。在某些實施例中，ic晶片可被配置成控制從電源到負載的電力流。藉助於比較通過已匹配pvt變化效應的兩個不同電流路徑的電流，ic可用於檢測通過ic的電流。舉例來說，供電路徑可包括數個組件，包括具有電阻值的多個導電跡線和具有電力電晶體的電力開關。電力感測路徑可包括與供電路徑類似的組件集合，所述組件集合經受類似的pvt變化效應。電流感測電路可被配置成對每一路徑進行測量，以使得路徑中的每一者的pvt變化效應彼此抵消。

具體實施例是針對包括第一電晶體的第一供電路徑，所述第一電晶體通過第一導電跡線連接到電源，並通過第二導電跡線連接到負載。電流感測電路路徑配置有匹配電力電路路徑中的pvt變化效應的組件。舉例來說，感測電路路徑包括第二電晶體，所述第二電晶體通過第三導電跡線連接到電源，並通過具有第四電阻值的第四導電跡線連接到電流源電路。通過取得在電流感測路徑和供電路徑中的每一者上所檢測的電壓比值，電流檢測電路可被配置成補償電力開關電路中的變化。

在具體實施例中，電流檢測電路可包括比較器電路，所述比較器電路被配置成比較橫跨電力電路路徑的電壓降與橫跨感測電路路徑的電壓降，並且響應於所述比較，提供數據信號到電流檢測電路的輸出端。

各種實施例是針對兩個不同電流路徑的使用，所述兩個不同電流路徑具有各自被製造成匹配所述兩個不同電流路徑之間的pvt變化效應的相應的組件集合。此外，路徑可使用不同的但仍匹配pvt變化效應的組件值。這可通過仔細選擇組件值以使組件值之間具有所需比值，以及通過基於這個比值設置比較點來實現。

現轉而參看圖式，圖1描繪符合本發明的實施例的包括用於檢測電流電平的ic晶片的系統的框圖。ic晶片102可被配置成從外部電源104接收電力。根據各種實施例，此電源104可為通用串行總線(usb)兼容電源，包括(但不限於)c型usb兼容電源。為了易於論述，圖1中所描繪的系統相對於c型usb論述；然而，在各種實施例中，ic晶片可被設計成用於其它協議。

與本發明的實施例相一致，ic晶片102可被配置成充當用於usb電力遞送(pd)、電池充電(bc)和c型usb產品的電力開關。為了防止通過電力開關電路106的過度電流損害電力負載108、電源104或電力開關電路106，電流檢測電路110可用於幫助控制由電力開關106提供的電力量。可提供所感測的電流數據到處理邏輯電路112。在一些實施例中，處理邏輯電路112可被配置成通過二級通信鏈路或總線(例如，通過集成電路間(i2c)總線)與外部裝置通信。處理邏輯還可控制電力開關電路106的操作，並且配置和校準電流檢測電路110，如本文中更詳細地論述。

各種實施例是針對電流檢測電路110和對應的ic晶片102的低成本、高度集成水平和高度精確的設計。舉例來說，電流檢測電路可被配置成提供精確的電流檢測，而不需使用具有高精度且可能需要ic晶片102的額外輸入引腳的外部電阻元件。本發明的實施例是針對電流檢測電路110，所述電流檢測電路110被配置成檢測通過電力開關106的電流，而不需使用此類外部電阻元件。在具體實施例中，可產生ic晶片102，而不需使用成本高的半導體製造工藝，所述工藝可用於提高組件容限，並降低組件pvt變化效應。舉例來說，電流檢測電路可利用感測電流路徑，作為用於檢測通過電力電流路徑的電流的參照點。感測電流路徑可被配置成匹配電力電流路徑的pvt變化效應。以此方式，由電流檢測電路110使用的參照點將自然地隨著pvt變化效應而偏移，並且可有效地抵消對應於電力電流路徑的pvt變化效應。

根據具體實施例，在感測電流路徑和電力電流路徑兩者中的組件可在半導體製造工藝的相同步驟期間製造，並且可位於彼此物理地接近的位置。相同處理步驟和類似物理位置的使用可幫助緊密匹配每一路徑中的組件的pvt變化效應。

在各種實施例中，電力開關電路可包括電力電晶體，當啟動所述電力電晶體時，其供應有可通過電壓偏置產生器電路114(例如，帶隙或其它類型的電路)產生的偏置電壓(vbias)。考慮到與電力電晶體有關的pvt變化效應，電流感測路徑還可包括以類似方式偏置的電晶體。電流檢測電路110可檢測通過電流路徑中的每一者的電壓降，並且比較電壓降作為檢測通過電力電流路徑的電流的部分。當路徑中的每一者預期具有類似的pvt變化效應，所述比較提供對pvt變化效應的補償。

根據某些實施例，處理邏輯可被配置成調節由電流感測路徑提供的參照點。例如，電流感測路徑可包括可變電流源。處理邏輯112可接收指定所需電流電平的命令(例如，通過i2c接口)。響應於命令，處理邏輯112可調節由電流源提供的電流量，由此改變橫跨電流感測路徑中的組件所見的電壓降。

圖2描繪符合本發明的實施例的用於檢測電流電平的ic晶片的電路圖。電流(電力)源202可通過由204所指示的連接引腳、墊或類似的晶片i/o接口而連接到ic晶片。所接收的電力(pin)可通過包括基於電晶體的電力開關208的電力電流路徑發送，並且充當用於提供到如212所指示的輸出端的電力的開關控制。接著，輸出電力(pout)可從電流負載214獲得。電力電流路徑可包括導電(金屬)跡線，所述跡線分別連接電力開關208到輸入引腳204和輸出引腳212中的每一者。被識別為206和210的電阻符號表示在引腳204、212和電力開關208之間提供電阻的組件(例如，導電跡線)。

電流感測路徑可包括基於電晶體的感測開關218。導電跡線216和220可分別連接感測開關218、輸入引腳204和電流源224。比較器222可被配置成比較在節點b和c處的電壓，以提供電流檢測輸出。

如本文所論述，使用相同技術(例如，互補式金屬-氧化物半導體(cmos)技術)，電流感測路徑和電力電流路徑中的組件可被設計在相同的基板上。如隨後圖中所示，當打開電力開關208時，電力電流(i_power)從電流源穿過電力開關到負載。當從節點a傳遞到節點b時，電流穿過電阻組件(例如，導電跡線)206和210，並穿過電力開關208。在一些實施方案中，電阻組件206和208可具有類似的電阻值(r_metal)。電力開關208的導通電阻可由ron表示。從節點a到b的電壓降(v_ab)可由以下等式表示：

v_ab＝i_power*(r_metal+ron+r_metal)

在電流檢測電路中，獲自相同晶片的另一部分的所校準的電流i_cal穿過匹配電阻組件(例如，導電跡線)216、218和感測電晶體218。使用術語「匹配」以表示用於感測電流路徑的值，從節點a到c的電壓降由以下等式表示：

v_ac＝i_cal*(r_metal_match+ron_match+r_metal_match)

電壓比較器222可被設計成比較v_ab與v_ac。在比較器的跳變點，v_ab＝v_ac。因此，在比較器被設置成跳變的電流由以下等式表示：

i_power＝i_cal*(r_metal_match+ron_match+r_metal_match)/(r_metal+ron+r_metal)

在各種設計中，遍及pvt的匹配金屬電阻的變化遵循電力開關寄生金屬電阻的變化。類似地，匹配電晶體開啟電阻的變化可遵循電力開關的電晶體開啟電阻的變化。因此，根據先前的等式，電流和感測路徑電阻值之間的比值(r_metal_match+ron_match+r_metal_match)/(r_metal+ron+r_metal)通過pvt變化效應變得恆定。

根據各種實施例，應認識到，電流源224可被配置成提供相對較高的精確性，而不需相應的高成本(例如，相對於使用精度電阻器)。舉例來說，可易於將i_cal的精確性控制在所需水平的3％內。因此，可相對較高精確地檢測i_power。

本發明的各方面基於以下認識：金屬電阻的變化可不遵循電晶體開啟電阻的變化。因此，為了使(r_metal_match+ron_match+r_metal_match)/(r_metal+ron+r_metal)具有定值，首先需要滿足以下等式：

(r_metal_match+r_metal_match)/ron_match＝(r_metal+r_metal)/ron

另外認識到，數個額外的因素可對電流檢測的精確性產生影響。這些因素可包括(但不必限於)匹配金屬和電力開關的寄生金屬電阻之間的不匹配、匹配電晶體和電力開關電晶體之間的不匹配，以及比較器的偏移。數個因素可有助於降低這些不匹配的影響，包括(但不必限於)電力開關和電流檢測放置在相同晶片、相同基板上，並且在晶片上非常接近於彼此，以及電力開關的相對較大的尺寸。並且，在仔細設計比較器和提供i_cal的電流源電路的情況下，可提高電流檢測的精確性。

圖3描繪符合本發明的實施例的用於檢測電流電平的ic晶片的流程圖。在各種實施例中，ic晶片可包括處理邏輯，所述處理邏輯可允許感測路徑的電流值通過校準過程調節，如判定框302所描繪。電流的校準可發生在啟動ic晶片時，或響應於之後的校準請求(例如，通過i2c接口從soc裝置的處理器接收到的)。根據框304，如果存在校準輸入，那麼用於感測路徑的電流源的電流值可進行修改。

根據判定框306，各種實施例允許響應於啟用信號或命令，選擇性地啟用和禁用電力開關。如果未接收到啟用信號，那麼幾乎不存在電力，並且分別根據框302和306，方法可繼續監測校準輸入或電力開關的啟用。根據框308，如果接收到電力開關啟用信號，那麼ic晶片可啟用電力開關，以使得它可從電源接收電力。根據框310，可通過電力路徑將接收電力投送到負載。

如本文所論述，參考電壓可由通過感測電流路徑投送電流產生，如框312所示。在一些實施例中，電流可在任何時間(例如，不是正當啟用電力開關的時間)進行投送，因為電流汲取相對較低。各種實施例還允許當禁用電力開關時，禁用電流的電晶體開關。

根據框314，比較器電路可用於比較橫跨電力電流路徑和感測電流路徑的電壓降。根據框316，可隨後將比較結果提供為電流檢測電路的輸出。例如，電流檢測和電力開關電路可為soc的部分。比較器的輸出可指示過電流情況，並且它可被提供到soc的處理器電路，所述處理器電路可採適當的動作(例如，減少負載的電流汲取，或禁用電力開關)。

儘管在一些情況下可以單獨的圖式描述方面和特徵，但應了解，來自一個圖式的特徵可與另一圖式的特徵組合，即使所述組合未明確地示出或明確地描述為組合。

可以實施各種塊、模塊或其它電路以執行本文中描述和/或圖式中所示的操作和活動中的一個或多個操作和活動。在這些情形中，可以使用執行這些或相關的操作/活動中的一個或多個的電路來實現「塊」(有時也稱為「電路」、「邏輯電路」、或「模塊」)。在各種實施例中，在有限的可撓性足夠的情況下，硬連線控制塊可用於最小化用於此類實施方案的面積。可替換的是和/或此外，在以上論述的實施例中的某些中，一個或多個模塊為被配置且被布置成用於實施這些操作/活動的精密的邏輯電路或可編程邏輯電路。

基於以上論述和說明，本領域的技術人員將易於認識到可以對各種實施例作出各種修改和改變，而無需嚴格地遵循在本文中所說明的且描述的示例性實施例和應用。例如，設備可被設計成用於與除c型usb以外的不同接口、協議和配置一起使用。此類修改不脫離本發明的各個方面的真實精神和範疇，包括在權利要求書中闡述的各方面。