用于诊断阻抗并具有精确的电流源和精确的电压电平漂移的系统

摘要

一种用于测量电容器(C)的系统。电流源(I2)与电源平面(Vc)和地(VGND)之间的电容器(C)并联连接，用于向所述电容器(C)提供电流。电压电平漂移装置与所述电容器(C)并联并与电流源(I2)并联地连接在电源平面(Vc)和地(VGND)之间。电压电平漂移装置检测所述电子部件(C)两端的电压，并提供与其相关的经电平漂移的输出电压Vout。所述电压电平漂移装置包括：电阻器(R1)，电阻器(R1)与电流源(I1)串联连接；以及输出端口，所述端口设在至少一个电阻器(R1)和电流源(I1)之间。电流源(I1)和(I2)具有相反的温度系数，以使提供给电子部件的电流基本为不变的。

说明书

技术领域

本发明涉及气囊安全系统，具体地说，涉及一种诊断点火气囊引爆器所用电容器的电路。

背景技术

气囊在机动车中是很平常的，用于在碰撞中提高乘客的安全性。事实上，在许多(即使不是大多数)新型的机动车中，气囊现在已是标准的设备。气囊通常放在要害部位，如机动车的方向盘处，一旦发生事故，用以减小对乘员的伤害。一旦发生事故，气囊系统必须可靠地触发。为此，至少提供一个存储电容器，用于存储为点火气囊引爆器所需的能量。为了保证这些安全系统的可靠动作，例如在启动机动车之前或者在预定的时间间隔转动点火钥匙时，要对这个存储电容器进行诊断。

用于监视气囊系统可操作性的系统在本领域中是公知的，例如2002年11月26日颁发给Schumacher等人的美国专利6,486,566，以及2002年9月10日颁发给Belau等人的美国专利6,448,784中都有所公开。

使用由两个电阻器组成的分压器来实现电流电容器测量电路中的电压电平漂移(voltage level-shift)。这样的电路的第一个问题是一个电阻器两端的电压电平漂移并不是恒定的，而是与电容器两端的电压有关。另一个缺点是，流过电阻器的电流与温度有关，这是因为电阻器有温度依赖性的缘故。对于这个问题的一个解决方案是，提供电阻足够大的电阻器，以使温度依赖性最小。然而，为了提供电阻足够大的电阻器，电阻器要占据相当大的电路区域。

基于上述，需要提供一种电容器测量电路，它能够产生使用较小的电路区域，并且是精确的而且与温度无关的电流以及精确的而且与温度无关的电压电平漂移。

发明内容

于是，本发明的目的在于提供一种用于诊断阻抗的系统，它能够产生精确的而且与温度无关的电流和精确的而且与温度无关的电压电平漂移。

本发明的另一目的在于提供一种用于诊断阻抗的系统，它能够使用很小的电路区域产生精确的而且温度无关的电流和精确的而且温度无关的电压电平漂移。

按照本发明，提供一种用于测量电子部件阻抗的系统，它包括：温度补偿电流源I，它与电源平面(supply plane)Vc和地之间的电子部件并联连接，用于向所述电子部件提供预定的基本为恒定的电流；以及经温度补偿的电压电平漂移装置，它与所述电子部件并联连接在所述电源平面Vc与地之间，用于检测所述电子部件两端的电压，并提供与其相应的经电平漂移的输出电压V_out。

按照本发明的一种方案，提供一种用于存储数据的存储介质，执行所述数据，引出一种系统的集成电路设计，所述系统用于测量电子部件的阻抗。所述存储介质包括：温度补偿电流源I，它与电源平面Vc和地之间的电子部件并联连接，用以向所述电子部件提供预定的基本为恒定的电流；以及经温度补偿的电压电平漂移装置，它与所述电子部件并联地连接在所述电源平面Vc和地之间，用于检测所述电子部件两端的电压，并提供与其相应的经电平漂移的输出电压V_out。

本发明还提供一种用于测量电子部件阻抗的方法，所说方法包括如下步骤：通过与电源平面Vc和地之间的电子部件并联连接温度补偿电流源I，向所述电子部件提供预定的基本为恒定的电流；以及通过与所述电子部件并联地连接在所述电源平面Vc和地之间的经温度补偿的电压电平漂移装置，检测所述电子部件两端的电压，并提供与其相应的经电平漂移的输出电压V_out。

按照本发明，提供一种用于测量电子部件阻抗的系统，所述系统包括：电流源I₂，它与电源平面Vc和地之间的电子部件并联连接，用于向所述电子部件提供电流；以及电压电平漂移装置，它与所述电子部件并联地连接在所述电源平面Vc和地之间，并与电流源I₂并联连接。所述电压电平漂移装置用于检测所述电子部件两端的电压，并提供与其相应的经电平漂移的输出电压V_out。所述电压电平漂移装置包括：至少一个电阻器R₁，电阻器R₁与电流源I₁串联连接；以及输出端口，该端口设在至少一个电阻器R₁和电流源I₁之间；所述电流源I₁和I₂具有相反的温度系数，因此，提供给电子部件的电流基本上是不变的。

按照本发明的一种方案，提供一种用于存储数据的存储介质，执行所述数据，引出一种系统的集成电路设计，所述系统用于测量电子部件的阻抗。所述存储介质包括：电流源I₂，它与电源平面Vc和地之间的电子部件并联连接，用于向所述电子部件提供电流；以及电压电平漂移装置，它与所述电子部件并联地连接在所述电源平面Vc和地之间，并与电流源I₂并联连接。所述电压电平漂移装置用于检测所述电子部件两端的电压，并提供与其相应的经电平漂移的输出电压V_out。所述电压电平漂移装置包括：至少一个电阻器R₁，电阻器R₁与电流源I₁串联连接；以及输出端口，所述端口设在至少一个电阻器R₁和电流源I₁之间；所述电流源I₁和I₂具有相反的温度系数，因此，提供给电子部件的电流基本上是不变的。

本发明还提供一种用于测量电子部件的阻抗的方法，所述方法包括如下步骤：通过与电源平面Vc和地之间的电子部件并联连接电流源I₂，向所述电子部件提供电流；以及通过与所述电子部件并联地连接在所述电源平面Vc和地之间，并与电流源I₂并联连接的电压电平漂移装置，检测所述电子部件两端的电压，并提供与其相应的经电平漂移的输出电压V_out。所述电压电平漂移装置包括：至少一个电阻器R₁，电阻器R₁与电流源I₁串联连接；以及输出端口，所述端口设在至少一个电阻器R₁和电流源I₁之间；所述电流源I₁和I₂具有相反的温度系数，因此，提供给电子部件的电流基本上是不变的。

附图说明

以下结合附图详细描述本发明的示例性实施例，其中：

图1a是以示意方式表示电容器测试的简化电路图；

图1b是以示意方式表示电容器电压作为时间函数的简化示意图；

图2a是以示意方式表示采用电压电平漂移装置与电流源串联的电容器测试的简化电路图；

图2b是以示意方式表示采用电压电平漂移装置与电流源并联的电容器测试的简化电路图；

图3是以示意方式表示现有技术采用电压电平漂移的电容器测试的简化电路图；

图4是以示意方式表示本发明采用恒定电压电平漂移的电容器测试的简化电路图；

图5是以示意方式表示本发明采用电流源与恒定电压电平漂移串联的电容器测试的简化电路图；

图6是以示意方式表示本发明采用电流源与利用共射共基放大器晶体管之恒定电压电平漂移串联的电容器测试的简化电路图；

图7a是以示意方式表示本发明采电流源与恒定电压电平漂移并联的电容器测试的简化电路图；

图7b是以示意方式表示可供选择替换图7a所示本发明电容器测试的简化电路图；

图8a是以示意方式表示本发明电容器测量系统的简化电路图；

图8b是以示意方式表示本发明实施图7b所示电路的电容器测量系统的简化电路图；

图9是以示意方式表示本发明另一电容器测量系统的简化电路图；

图10是以示意方式表示本发明又一电容器测量系统的简化电路图。

具体实施方式

在下面的描述中，与电容器测量结合地说明本发明的各种不同的实施例。有如本领域的普通技术人员所显而易见的，所有的电路都可以扩展到其它电子部件的阻抗测量。

在气囊安全系统中，比如使用电容器来存储为点火气囊引爆器所需的能量。为了保证这些安全系统的可靠动作，要对这些电容器进行诊断。譬如，使用图1a所示的电路测量电容器的电容。从电容C取出电流I，使电压随时间而降低，如图1b所示。通过测量固定电压降的时间间隔Δt，或者通过测量固定时间间隔的Δt电压降ΔV，可将电容确定为：

C＝IΔt/ΔV    (1)

由于电容与电压有关，因此，需要在工作电压下测量所述电容，气囊系统中的工作电压约为20伏。因此，就需要有一个电压电平漂移，以减小进入电源电压范围的电压，以使随后的处理容易进行。使这个电压电平漂移V_LS或者是与电流源I串联，如图2a所示；或者是与电流源I并联，如图2b所示。

图3表示在电容器测量电路中实行电压电平漂移的传统方法。电流源I使电容器C放电。为了得到极为确定的钭率，就希望电流源I与温度和过程都无关。使用包括电阻器R₁和R₂的分压器，在电源电压的范围内移动输出电压V_out，实现电压电平漂移。第一个问题是，电阻器R₁两端的电压电平漂移并不是恒定的，而是与电容器C两端的电压Vc有关。另一个更为严重的问题是，流过电阻器的电流与温度有关，这是电阻器的温度依赖性所引起的。提供足够大的电阻器，可使温度依赖性减至最小，但这要以电阻器占据的相当大的电路区域为代价。

现在参照附图4，其中表示本发明的具有恒定电压电平漂移的电容器测量电路100。同样是利用电流源I使电容器放电。使用电阻器R_I和电流源I₁来实施电压电平漂移。由于电流源I₁是由基准电压V_REF(比如利用带隙基准电路产生)和基准电阻器R_REF(基准电阻器R_REF与电阻器R_I匹配)确定的，所以电流I₁由下式给出：

I₁＝V_REF/R_REF              (2)

由此，就导致温度和过程都与电阻器R₁两端的电压电平漂移无关。但是，电流I₁受到电阻器R₁的温度依赖性的影响，而且这个电流是从电容器C取出的，因而，电流I₁必须足够地小，电阻器R_I的电阻需要足够地大，于是就需要耗费很大的电路区域。

有如描述本发明第二实施例电容器测量电路200的图5所示那样，通过使电流源I与恒定的电压电平漂移串联连接，可使精确的电压电平漂移与精确的电流源组合使用。虚线框中表示的电路用于测量电流I和电流I₁之间的差I₂。然后从电容器C取出差值电流I₂，使从电容器取出的总电流等于电流I。从而，利用电阻器R_I和电流源I实现电压电平漂移。通过从基准电压V_REF和与电阻器R₁匹配的基准电阻器R_REF导出的电流I₁，在电阻器R₁的两端产生与温度无关且与过程无关的电压电平漂移。因此，电容器测量电路200提供的电压电平漂移与精确地与温度和过程无关，这种电压电平漂移是与精确地与温度和过程无关的电流源结合在一起的。

比如采用有如图6所示的共射共基放大器M₁，可以实现图5虚线框中描述的电路，图6描述本发明第三实施例的电容器测量电路300。所述共射共基放大器M₁把部分不由电流源I₁所用但围绕着I₁的精确电流引向电容器C。要说明的是，随着实行浮动电流源I₁会出现某些困难，而且需要有足够的峰值储备，以适当地偏置两个串联连接的电流源I₁和_I，同时，限制了输出V_out的信号强度变动。

参照附图7a，其中表示本发明第四实施例的电容器测量电路400。这里，电流源I₁和I₂并联连接并接地。同样是使用电阻器R₁和电流源I₁实行电压电平漂移，其中同样由基准电压V_REF和基准电阻器R_REF确定电流源I₁。电流源I₂用于补偿电流源I₁的温度依赖性。例如，若电阻器R₁和R_REF具有正的温度系数，则电流源I₁具有负的温度系数，因此，要将电流源I₂设计成具有正的温度系数。于是，电容器测量电路400提供精确地与温度和过程无关的电压电平漂移，所述电压电平漂移与温度和过程无关的电流源结合在一起。再有，电流源I₁接地，这减小了所需的峰值储备，使输出V_out能够有较大的信号强度变动。

图8a表示图7a所示本发明电容器测量电路400的一个完整系统的实施方案。利用电阻器R₁和电流源实行电压电平漂移，该电流源包括电压-电流变换器，所述变换器利用电阻器R_REF将基准电压V_REF变换成电流。电压-电流变换器包括放大器A₁、晶体管M₁、电阻器R_REF和电容器C₁。作为可供选择的方式，用共射共基放大器代替电压-电流变换器，其中，在驱动共射共基放大器的栅极的基准电压中，用类似的晶体管补偿共射共基放大器的栅-源电压。然而，这样的替换方案不太精确。围绕着放大器A₁和晶体管M₁的反馈回路控制电阻器R_REF两端的电压，使该电压等于基准电压V_REF1，从而产生由电阻器R_REF和基准电压V_REF1确定的电流。经过放大器A₁和晶体管M₁从电容器C上取出这个电流，进行测量。于是，得到电阻器R₁两端的精确的电平漂移电压，这个电压是由基准电压V_REF1以及电阻器R₁和R_REF之比确定的。电容器C₁需要针对电压-电流变换器的频率进行补偿。使用类似的电压-电流变换器产生电流I₂，所述电压-电流变换器包括放大器A₂、晶体管M₂、电阻器R₂和电容器C₂，以便由基准电压V_REF和电阻器R₂确定电流I₂。由比较器CO₁和CO₂监视晶体管M₁漏极的电平漂移电压。当电平漂移电压等于基准电压V_REF3时，启动计数器；当电平漂移电压等于基准电压V_REF4时，计数器停止，产生n比特的数字输出，这个输出正比于电容器C的电容值和由数字时钟电压V_CK确定的时间间隔。

需要对电流进行温度补偿。当可以得到具有正和负温度系数的电阻器时，通过对图8a所示每个具有正温度系数的电阻器和具有负温度系数的电阻器进行电阻器组合，实现所述温度补偿。为了获得足够的精确度，要对电阻器R₂进行微调，以便对于该电阻器阻值范围的绝对值进行补偿。作为另一种可供选择的方式，实现温度补偿的方法是对于电阻器R₁和基准电阻器R_REF使用单个电阻器，并且对于电阻器R₂只使用一个组合的电阻器，以使电流I₁的温度变化可被电流I₂所补偿。由比如高压DMOS晶体管实现所述晶体管M₁和M₂，这是因为电容器C的两端是高电压的缘故。进而，在不使用所述电路，而且关闭电流源I₁时，要对比较器CO₁和CO₂的输入端进行保护。保护的方案比如可以是，使用在晶体管M₁的漏极和比较器输入端之间的开关，以及在比较器CO₁、CO₂的两个输入端和地之间连接的箝位装置。

作为可供选择的方式，采用如图7b所示的电流源I-I₁代替图7a所示的电流源I₂。同样是使用基于带隙电压的电压来实施电流I₁，以及使用类似于R₁的电阻器，从R₁取出电流，在电阻器R₁两端产生精确的电压电平漂移。但这里的第二电流源是通过从恒定的与温度无关的电流I简单地扣除I₁产生的。结果，从电容器C取出的电流与恒定电流I一致。

参照图8b，图7b所示电路已被加入图8a所示的系统实施方案中。这个电路类似于图8a所示的电路。但是，这里使用M₁₁得到电流I的复制品。然后，利用M₁₂和M₁₃，从恒定电流I扣除I₁的复制品。于是，流过M₂的电流等于I-I₁。由于I-I₁和I₁这两者都是从电容器C上取出的，所以，从C取出的总电流为恒定的电流I。通过微调电阻器R₂，并且使用具有正温度系数和负温度系数的电阻器组合，电流I是精确地与温度无关。

如果只有正温度系数的电阻器，则使用如图9所示的本发明实施方案的系统600。这个电路等同于图8a所示的电路，只是使用电阻器R₃和R₄。通过保证R₄的温度系数大于另外的电阻器的温度系数，使电阻器R2两端的电压随温度的增加而增加，补偿电阻增大，同时导致与温度无关的电流。为了补偿电流I₁的温度变化，电流源I₂应是过补偿的。

在图10所示本发明实施方案的系统700中，实现电流源I₂的不同实施方案。这里使用PTAT电流源实现电流源I₂，所述PTAT电流源包括晶体管Q₂、Q₃、M₂、M₃以及电阻器R₂。PTAT电流源的偏置电流通过晶体管Q1变为镜像输出。PTAT电流源所产生的电压正比于电阻器R2两端的绝对温度。这个电压的温度变化补偿了电阻器R₂的温度变化，使得电流I₂对于温度来说基本为不敏感的。对于电阻器R₂，使用具有两个不同的正温度系数的电阻器的组合，可以实行进一步的调谐，这还能补偿电流I₁的温度变化。

在不偏离所附权利要求书中限定的本发明范围的情况下，本发明的许多其它实施方式对于本领域的普通技术人员来说都是显而易见的。