CN105699778B

CN105699778B - 用于接触测量电路的系统和方法

Info

Publication number: CN105699778B
Application number: CN201510922563.0A
Authority: CN
Inventors: J.巴伦舍恩; A.毛德
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2014-12-12
Filing date: 2015-12-11
Publication date: 2019-06-18
Anticipated expiration: 2035-12-11
Also published as: DE102015121568A1; CN105699778A; US20160169945A1; US10042002B2

Abstract

本发明涉及用于接触测量电路的系统和方法。根据实施例，一种接触测量电路被配置为耦合在第一接触部和第二接触部之间，并且所述接触测量电路包括第一晶体管、控制电容器和电压测量单元。所述第一晶体管包括被配置为耦合到所述第一接触部的第一导电端子、第二导电端子和第一控制端子。所述控制电容器包括耦合到所述第二导电端子的第一电容器端子和耦合到所述第一控制端子的第二电容器端子。所述电压测量单元耦合到所述第一电容器端子和所述第二电容器端子，并且所述第二电容器端子被配置为耦合到所述第二接触部。

Description

用于接触测量电路的系统和方法

技术领域

本发明大体涉及电气电路，并且在特定实施例中涉及用于接触测量电路的系统和方法。

背景技术

电气电路在技术上是普遍的，从而作为技术创新的启用驱动器和过去和现在的无数创新的主题两者而存在。一般地，电气电路包括已知的元件并且根据已知定律来理解。例如，电路元件常常包括电阻器、电容器、电感器、晶体管、二极管、变压器、电池和继电器，来举几例。另外，这些电路能够通常至少部分使用欧姆定律、基尔霍夫定律和各种其他电路窍门来理解。按照这些原则，大多数电路元件的相关属性中的一个是电阻抗或在简化的情况下为电阻，如下述简化的欧姆定律中示出的那样：

V = I∙R

其中，V是电压，R是电阻，并且I是电流。这里，在电路操作的最基本原则中，电阻R确定电压和电流的相互作用。

因此，理解电气元件的电阻常常对电气电路的操作有用。例如，当更高的电压被施加到电气元件时，在电气元件中消耗的功率可以随着更高的电阻而显著增大。另外，当电阻和功率消耗增大时，额外的热量被产生在电气元件中。如果太多热量被产生，则可能电气电路将在某些方面发生故障，诸如例如熔化、起火或失灵。因此，电气元件的电阻对电气电路具有影响并且由此对使用这些电路技术（例如从汽车到计算机）具有影响。

作为另一图示，电阻常常在接口处相关。在一些实例中，接口处的电阻被称为接触电阻。此外，接触电阻在处于多个尺度（即大的又小的）的许多电气电路中是相关的。例如，电气接触部被用来与处于例如微米（µm）尺度的半导体管芯对接并且还被用在可以传导或阻断来自例如1000伏特源的电流的机械继电器中。在小尺度或大尺度中，电接触部可以是在不同情况下的故障或改进操作的原因。因此，理解接触电阻是针对创新解决方案的相关目标。

发明内容

根据实施例，一种接触测量电路被配置为耦合在第一接触部和第二接触部之间，并且所述接触测量电路包括第一晶体管、控制电容器和电压测量单元。第一晶体管包括被配置为耦合到第一接触部的第一导电端子、第二导电端子和第一控制端子。控制电容器包括耦合到第二导电端子的第一电容器端子和耦合到第一控制端子的第二电容器端子。电压测量单元耦合到第一电容器端子和第二电容器端子，并且第二电容器端子被配置为耦合到第二接触部。

附图说明

为了更完整地理解本发明及其优点，现在对结合附图的下面描述进行参考，在附图中：

图1图示了实施例继电器系统的系统框图；

图2图示了可能的接触测量电路的示意图；

图3图示了另一可能的接触测量电路的示意图；

图4图示了实施例接触测量电路的示意图；

图5图示了另一实施例接触测量电路的示意图；

图6图示了实施例接触测量系统的系统框图；

图7a图示了另一实施例接触测量电路的示意图；

图7b图示了针对实施例接触测量电路的实施例晶体管实施方式的示意图；

图8图示了另一实施例接触测量系统的示意图；

图9a、9b、9c、9d、9e和9f图示了仿真操作中的实施例测量电路的电流和电压波形图；以及

图10图示了测量接触部的实施例方法的框图。

不同附图中的对应数字和标记总体上指代对应部分，除非另有指示。附图被绘制以清楚地图示实施例的有关方面并且不一定是按比例绘制的。

具体实施方式

下面详细讨论各种实施例的做出和使用。然而，应当领会的是，本文中描述的各种实施例可适用在各种各样的具体上下文中。讨论的具体实施例仅仅说明做出和使用各种实施例的具体方式，并且不应当被解释为在限制的范围中。

关于在具体上下文中的各种实施例（即，测量电路，并且更具体地，用于机械接触部的接触测量电路）进行描述。例如，本文中描述的各种实施例中的一些包括在诸如汽车应用的高电压应用中耦合到机械继电器的接触测量电路。在其他实施例中，方面还可以被应用到涉及根据如本领域中已知的任何样式的任何类型的测量电路的其他应用。

根据各种实施例，一种自保护的自动测量电路监控在电气元件的耦合处的接触电阻。例如，具有相关接触电阻的电气元件可以包括机械继电器、电熔丝、电开关和接触插头，以举几例。

图1图示了根据具体示例实施例的实施例继电器系统100的系统框图。在该具体示例实施例中，继电器系统100包括耦合在被描绘为高电压电池102的电压源和被描绘为用于汽车的电机104的负载之间的机械继电器105。在操作期间，机械继电器105将高电压电池102连接到电机104并且可以传导大约10或100安培的电流，所述高电压电池102可以生成在例如400 V和800 V之间的电源电压VSUP。

在这样的实施例中，机械继电器105具有电阻R_relay，其大致等于在节点A和B之间的机械继电器105的接触电阻R_AB。在理想情形下，接触电阻R_AB为零。在实际应用中，电阻R_relay≈ R_AB可以是大约几毫欧姆（mΩ）或微欧姆（µΩ）。接触电阻R_AB可以根据各种技术诸如调节接触化学性质并增大接触尺寸而被减小，这可能导致增加成本。然而，随时间对机械继电器105的使用可以引起使接触部退化的接触部磨损，并且氧化物或其他物质还可以累积使得性能被降低并且接触电阻R_AB被增大。

作为示例，如果接触电阻R_AB随时间通过磨损增大到1 Ω，则流过继电器的40 A电流根据以下功率公式将消耗1600瓦特：

P = I ² ∙R,

其中，P是消耗的功率，I是电流，并且R是电阻，其得到计算(40A)²∙(1Ω) = 1600W。在这样的情况下，1600 W将被消耗在机械继电器105中，这可以引起过多热量和系统破坏并且可以是系统中的低效率的根源。因此，根据各种实施例，接触测量电路101测量在节点A和B之间的接触电阻R_AB以便监控接触电阻并且防止故障或退化的性能。在一些实施例中，接触测量电路101是自保护且自动的，从而无需来自外部或额外的控制器的控制信号。在特定实施例中，接触测量电路101通过对常开型耗尽设备的操作自适应，如本文中以下参考晶体管108和109描述的那样。如以上讨论的，继电器系统100是具体指代电机、高电压电池和机械继电器的示例实施例。在其他实施例中，实施例接触测量电路可以被包含在具有诸如机械继电器、机械开关、电熔丝、（机械或电子的）电开关和接触插头，以举几例的任何类型的开关或电气元件的任何类型的电路或系统中。

图2图示了跨开关S1耦合的并且包括测量电容器C1、电压测量单元106和具有耦合在节点A和B之间的电阻器R1、R2和R3的电阻分压器电路的接触测量电路101a的示意图。接触测量电路101a还可以包括与测量电容器C1并联耦合的电压限制元件，诸如齐纳二极管114和116或变阻器112。

接触测量电路101a测量跨测量电容器C1和电阻器R2的电压，该电压与跨耦合在节点A和B之间的开关S1的电压成比例地相关。跨开关S1的电压指示开关S1的电阻，包括在节点A和B之间的接触电阻R_AB，因为基于欧姆定律电压与电阻成比例地增大。在该可能配置中，具有电阻器R1、R2和R3的电阻分压器电路在高电压操作的情况下可以限制电压测量单元106有效地确定跨开关S1的电压，因为电阻器R1和R3在高电压配置中可以是非常高的，诸如在500 kΩ和50 MΩ之间，以便保护电压测量单元106免于大电压，诸如在400 V和1500 V之间，并且防止在开关S1打开时在接触测量电路101a中的在节点A和B之间的大电流。例如，电压测量单元106可以具有从100 mV到300 mV的操作范围并且可以包括高达3 V的电压容差。在其他应用中，电压测量单元106可以具有低于100 mV或高于300 mV的操作范围并且可以包括高于3 V的电压容差。在如图2中描绘的、其中电阻器R1和R3是大的这样的情况下，可能难以使用跨测量电容器C1和R2耦合的电压测量单元106来确定在节点A和B之间的毫伏特电平电压降。

为了提供完全DC阻断并且减小测量电路中的电阻器的尺寸，额外开关可以被并入到在节点A和B之间的测量电路电流路径中。图3图示了包括与测量电容器C2串联耦合的开关S2和在节点A和B之间的测量电阻器R4的另一接触测量电路101b的示意图。测量电容器C2和测量电阻器R4并联耦合并且电压测量单元106耦合到C2和R4的并联组合并且被配置为测量跨C2和R4的并联组合的电压。当开关S1和S2被闭合时，电压测量单元106直接测量跨开关S1的电压，该电压取决于开关S1的电阻（包括接触电阻）可以是大约几毫伏或几伏。当开关S1打开时，开关S2还必须受控制单元110控制以也被打开。如果开关S1打开并且开关S2不被打开，则电压测量单元106可以在中等或大的电压被施加在节点A处的情况下被破坏。在各种实施例中，开关S1在闭合开关S2之前被闭合并且开关S2在打开开关S1之前被打开，以便防止对电压测量单元106的损坏或破坏。在由定时错误引起的开关S1或开关S2的故障的情况下，例如，电压测量单元106的损坏或破坏可能发生。

接触测量电路101b允许针对大电压的电阻器R1和R3的去除，并且提供在开关S1被闭合时的跨开关S1的电压的改进测量结果。在如图3中描绘的这样的情况下，控制单元110和开关S2的引入可以增大成本和操作复杂度。如以上提到的，如果控制单元110和开关S2失灵，则可以可能破坏电压测量单元106。因此，控制单元110的操作可以要求额外的测试或冗余度，这可以导致增大的复杂度。

图4图示了包括与跨开关S1的控制电容器C3串联耦合的晶体管108的实施例接触测量电路101c的示意图，所述开关S1耦合在节点A和B之间。电压测量单元106跨控制电容器C3的端子耦合。根据各种实施例，接触测量电路101c由在节点A处的正电压VP供应并且通过节点B耦合到负载。在各种实施例中，接触测量电路101c自动地受在节点A和B处的电压和控制电容器C3的影响控制以进入接通状态和断开状态。在这样的实施例中，接触测量电路101c是自保护的并且在开关S1打开并且正电压VP被供应到节点A时用在节点A和B之间的晶体管108提供DC阻断。因此，接触测量电路101c可以在没有任何控制信号或外部控制电路的情况下呈现受控制的切换。在一些具体实施例中，接触测量电路101c仅仅包括用于控制晶体管108的非开关阻抗元件。

在各种实施例中，当开关S1被闭合并且跨开关S1的电压降VAB是小的时，晶体管108进入导电状态（接通状态）。在具体实施例中，晶体管108在电压降VAB小于晶体管108的阈值电压时处于导电状态。晶体管108在电压降VAB大于晶体管108的阈值电压时（诸如在开关S1打开并且阻断正电压VP时）进入阻断状态，从而使电压降VAB增大。在一些实施例中，可以切换电压极性和设备类型。在各种实施例中，当电压降VAB的幅值大于晶体管108的阈值电压的幅值时，晶体管108可以进入阻断状态。

在各种实施例中，晶体管108是常开型晶体管，诸如耗尽型晶体管。在这样的实施例中，晶体管108的漏极耦合到节点A，晶体管的源极耦合到控制电容器C3的第一端子，并且晶体管108的栅极耦合到控制晶体管C3的第二端子。当开关S1被闭合并且电压降VAB是小的或接近零时，晶体管108也具有被施加跨栅极和源极的小电压或接近零电压，这使晶体管108进入导电状态并且允许电压降VAB被控制电容器C3采样。当开关S1被打开时，在节点B处的电压与在节点A处的电压相比下降。电压降VAB被施加作为跨晶体管108的栅极和源极的VAB，使得当电压降VAB在幅值上大于晶体管108的阈值电压（即VGS）时晶体管108被断开或进入非导电状态。因此，根据各种实施例，接触测量电路101c能够诸如当开关S1被闭合时测量跨开关S1的小电压，并且还能够诸如当开关S1打开时提供对跨开关S1的大电压的DC阻断。在这样的实施例中，由于所描述的操作，接触测量电路101c可以被称为在没有控制器或外部控制输入的情况下提供DC阻断的自动的自保护测量电路。在特定实施例中，接触测量电路101c通过晶体管108的操作是自保护或自适应的，所述晶体管是常开型耗尽器件。

在一些实施例中，正电压VP是高电压。在具体实施例中，正电压VP大于100 V。在另一实施例中，正电压VP大于400 V。根据另外的具体实施例，晶体管108是高电压耗尽晶体管。晶体管108可以是高电压垂直功率器件，该高电压垂直功率器件是常开的。在一些具体实施例中，晶体管108具有在-0.6 V和-3 V之间的负栅源电压阈值。在其他实施例中，晶体管108具有在该范围外的栅源电压阈值。

在各种实施例中，电压测量单元106可以包括各种类型的电压测量元件。例如，电压测量单元106可以包括模数转换器（ADC）。在一个实施例中，电压测量单元106是Σ-Δ（sigma-delta）ADC。Σ-Δ ADC的优点可以包括具有简单接口的高准确性转换结果。

图5图示了包括晶体管108、控制电容器C3、电压测量单元106、电阻器R5和诸如例如齐纳二极管118和120的电压限制元件的另一实施例接触测量电路101d的示意图。根据各种实施例，接触测量电路101d可以以与以上参考图4中的接触测量电路101c描述的类似的方式来操作。因此，参考图4对类似元件的描述还适用于图5中的类似标号的元件，并且为简洁起见本文中不重复该描述。

在各种实施例中，与接触测量电路101c相比，电阻器R5以及齐纳二极管118和120额外地被包含在接触测量电路101d中。电阻器R5可以影响或更改接触测量电路101d的RC时间常数并且还可以提供对接触测量电路101d中的其他元件的保护而免于电流尖峰或其他错误。

齐纳二极管118和120可以限制跨控制电容器C3的电压。在一些实施例中，控制电容器C3可以在电压降VAB是大的时（诸如在开关S1打开时）由于晶体管108的泄漏电流而缓慢地充电到比晶体管108的阈值电压更高的电压。电压测量单元106可能在跨控制电容器C3的电压超过针对电压测量单元106的安全操作电压的情况下被损坏。在一些实施例中，齐纳二极管118和120可以被选择以将跨控制电容器C3的电压限制为低于电压测量单元106的安全操作电压。例如，电压测量单元106的安全操作电压可以是3 V ，并且齐纳二极管118和120被配置为在2 V的电压被施加跨齐纳二极管118和120时传导电流。在各种其他实施例中，例如，齐纳二极管118和120可以被实施为其他类型的电压限制元件，诸如常规二极管或变阻器。

图6图示了包括接触测量电路101、开关S1、系统控制器202、电流阻断（galvanicseparation）元件204和悬浮式电源206的实施例接触测量系统200的系统框图。根据各种实施例，开关S1可以耦合在电压源208和负载元件210之间，所述电压源208供应交流或直流电（AC或DC）。接触测量电路101可以包括本文中描述的接触测量电路中的任何一个并且操作以确定并监控如以上描述的针对开关S1的节点A和B之间的接触电阻R_AB。在特定实施例中，接触测量电路101可以包括如本文中描述的接触测量电路101c、101d或101e。

在各种实施例中，系统控制器202将控制信号提供到开关S1，以便调节开关S1的切换，并且系统控制器202通过电流阻断元件204与接触测量电路101通信以接收电压测量结果。基于通过电流阻断元件204从接触测量电路101接收到的电压测量结果，系统控制器202确定在节点A和B之间的接触电阻R_AB。如果接触电阻R_AB上升到误差阈值以上，则系统控制器可以通过错误通知单元212通知用户。例如，错误通知单元212可以在用于汽车的机械继电器的情况下点亮对驾驶员可见的警示灯。在其中开关S1是机械继电器的其他实施例中，系统控制器202可以启动修复序列以在高电压下使开关S1打开和闭合，以便引起电弧来从接触部清除材料并降低接触电阻。

系统控制器202可以使用接触测量的结果用于其他系统部件的似真性检查。在一个实施例中，电流传感器（未示出）被定位在电压源208（其可以是高电压源）之间，并且负载元件210递送指示负载电流的信号。跨开关S1测量的电压还包含关于通过开关S1的等于负载电流的实际电流的信息。在一些实施例中，这两个测量的值可以被比较以便确定两个测量结果中的一个是否错误。例如，如果电流传感器递送指示零电流的结果并且接触测量电路101递送仍然处在针对接触测量的测量范围中但不接近于零的值，则系统控制器可以识别针对电流传感器的不恰当操作或错误状况。

在一些实施例中，如果开关S1是机械开关或机械继电器，则使开关接触部闭合可以引起分散或接触颤动发生。在该时间期间，接触测量结果可以不呈现在静态操作中的闭合接触部的低电压。因此，系统控制器202可以能够实现在使开关S1闭合之后的设定延迟时间之后通过电压测量结果进行接触核验。接触分散还受控制机械继电器的参数（诸如例如通过驱动继电器的接触部或内部结构的线圈的电源电流，诸如例如提供接触部的弹簧的刚度）影响。机械继电器的控制或机械继电器的内部结构的变化可以导致更长的接触分散。当接触分散持续比初始建立或设定的延迟时间更长时，系统控制器202可以识别连续的接触分散并且可以通过错误通知单元212通知用户。

接触测量电路101包括如本文中参考图2-5和7描述的电压测量单元。例如，在各种实施例中，电压测量单元可以被实施为ADC、Σ-Δ ADC或用于将跨端子A和B的电压降VAB与阈值或模拟电压测量结果进行比较的比较器。取决于电压测量单元的类型，在接触测量电路101中的系统控制器202和电压测量单元之间的通信信道可以包括各种类型的信号。在实施例中，Σ-Δ ADC将（通过电流阻断元件204）从系统控制器202接收Σ-Δ时钟信号并且将（再次通过电流阻断元件204）与Σ-Δ信号通信信息。在其他实施例中，包括更多或更少信号的信号的另外的配置可以被用于在电压测量单元和系统控制器202之间通信。

在各种实施例中，系统控制器202可以是微控制器、专用集成电路（ASIC）或组装的分立数字或模拟部件。电流阻断元件204可以被实施为电感、电容或光学隔离元件。在特定实施例中，电流阻断元件204被实施为光耦合器或变压器。开关S1可以是机械继电器或固态继电器、熔丝或电开关。例如，在另外的实施例中，接触测量系统200可以被布置用于包括测量诸如接触插头的非开关元件的任何类型的接触测量。在各种实施例中，悬浮式电源206可以被实施为包括变压器的悬浮式电源。在其他实施例中，备选的已知方案可以被应用以实施悬浮式电源。

图7图示了被附接跨开关S1并且包括晶体管108、晶体管109、控制电容器C3、电阻器R6和R7以及二极管122a、122b、122c、124a、124b和124c的进一步实施例接触测量电路101e的示意图。电压源126供应节点A并且负载128耦合到负载B。根据各种实施例，电压源126可以是AC电压源并且负载128由电感器LL和电阻器RL建模。接触测量电路101e的操作类似于参考图4和5描述的接触测量电路的操作，除了晶体管109使接触测量电路101e提供双极操作和阻断以外。在这样的实施例中，任一极性的电压可以被施加在节点A和B之间，并且接触测量电路101e操作以测量电压降VAB或提供在节点A和B之间的DC阻断。在其他实施例中，电压源126还可以是DC电压源。

在各种实施例中，晶体管108和109操作以在电压降VAB在幅值上小于阈值电压时进入接通状态或导电状态并且在电压降VAB在幅值上大于阈值电压时进入断开状态或非导电状态。在一些实施例中，阈值电压是晶体管108和109的阈值电压。在具体实施例中，晶体管是常开型耗尽场效应晶体管（FET）并且阈值电压是晶体管的栅源电压VGS。在另外的更多具体实施例中，晶体管108和109每个被实施为高电压耗尽FET。

根据各种实施例，当电压降VAB在幅值上小于阈值电压时，诸如当开关S1被闭合时，晶体管108和109两者都处于接通状态并且跨控制电容器C3的测量电压VM等于跨开关S1的电压降VAB。当电压降VAB在幅值上大于阈值电压时，诸如当开关S1被打开时，晶体管108和109中的一个处于断开状态并且测量电压VM可以被限制到阈值电压。在这样的实施例中，在控制电容器C3上的测量电压VM可以跟随电压降 VAB直到在幅值上到达阈值电压。在具体实施例中，当电压降VAB在幅值上关于任一极性比晶体管108和109的栅源阈值电压VGS更大时，晶体管108和109中的一个将处于断开状态或非导电。例如，当电压降VAB是正的（如示出的跨开关S1从左到右）并且大于晶体管108和109的栅源阈值电压VGS时，晶体管108将处于断开状态，因为被施加到晶体管108的栅源电压是负幅值–||VAB||，而被施加到晶体管109的栅源电压是正幅值+||VAB||。另一方面，当电压降VAB是负的（与示出的相反）并且大于晶体管108和109的栅源阈值电压VGS时，晶体管109将处于断开状态，因为被施加到晶体管109的栅源电压是负幅值–||VAB||，而被施加到晶体管108的栅源电压是正幅值+||VAB||。

在各种实施例中，Σ-Δ ADC 107测量并监控跨控制电容器C3的测量电压VM，其可以与在开关S1被闭合时的电压降VAB相对应，并且基于时钟信号线CLK通过数据信号线DATA发送测量电压VM。在一些实施例中，Σ-Δ ADC通过悬浮式电压源130接收功率。例如，在备选实施例中，Σ-Δ ADC 107可以被实施为任何类型的电压测量电路，诸如其他类型的ADC。

在一些实施例中，如参考图6描述的，基于测量电压VM，系统控制器202（未示出）可以确定开关S1是被打开还是被闭合并且还可以识别错误状况。基于错误状况，系统控制器202可以用信号通知错误通知或执行如以上参考图6描述的修复序列。

在一些实施例中，在开关S1被打开或被闭合时或例如在开关S1被闭合时的、引起电压降VAB的短瞬变的高电压尖峰期间存在控制电容器C3、电阻器R6和电阻器R7的时间响应。因此，当开关S1被打开或被闭合时，存在由R6、R7和C3的RC时间常数设定的特定时间段，在该特定时间段期间电容器C3上的电压在晶体管108和109被切换成接通状态（当开关S1被闭合时）或断开状态（当开关S1被打开时）之前快速变化。在一些实施例中，RC 时间常数由R6、R7和C3设定以便对接触测量电路101e的操作进行滤波。在具体实施例中，电阻器R6和R7以及控制电容器C3被配置为低通滤波器（LPF）。

根据各种实施例，二极管122a、122b、122c、124a、124b和124c防止当开关S1被打开并且接触测量电路101e阻断电源电压VSUP时由在控制电容器C3上的充电积累引起的对Σ-Δ ADC 107的损坏。在这样的实施例中，晶体管108和109可以允许一些泄漏电流，其将积累在控制电容器C3中，所述控制电容器C3在这样的情况下用作积分器。因此，可以可能的是在不使用电压限制元件时跨控制电容器C3的测量电压VM增大到安全电压以上并且损坏Σ-ΔADC 107。在各种实施例中，任何类型的电压限制元件可以被使用以便将测量电压VM限制到安全电压。

例如，Σ-Δ ADC 107可以具有3 V的安全操作电压限制。在这样的情况下，电压限制元件可以被选择以将测量电压VM限制到约2 V。在示出的实施例中，二极管122a、122b、122c、124a、124b和124c将在每个方向上的测量电压VM限制到在每个方向上的跨三个二极管的前向电压降VFD的总和。在具体实施例中，二极管122a、122b、122c、124a、124b和124c中的每个具有0.7 V的前向电压降VFD，从而因为在第一方向上的三个二极管122a、122b和122c和在第二方向上的三个二极管124a、124b和124c而使测量电压VM在每个方向上被限制到2.1 V。根据其他实施例，可以在任一方向上使用包括零个二极管的任何数量的二极管。在各种实施例中，可以使用具有任何前向电压降VFD的任何类型的二极管。在一个实施例中，使用齐纳二极管。

根据一个实施例，开关S2是可以被提供为完整DC分离安全性元件的任选部件。开关S2可以由单独的用户覆盖控制开关控制以便将接触测量电路101e与开关S1和电压源126解耦。例如，在汽车中，当技工或技术员执行对系统的部分的维护时，可以可能使用开关S2作为安全覆盖开关并且将电压源126与由技工或技术员接触的电路部分解耦，并且由此减少触电的风险。

图7b图示了针对实施例接触测量电路的实施例晶体管实施方式的示意图。在这样的实施例中，晶体管108或晶体管109可以被实施为两个或更多个个别晶体管的串联连接。在一些实施例中，串联的晶体管可以增大产生的链路的阻断能力。如图7b中图示的，包括晶体管108a和108b的共源共栅电路可以被用于实施如参考图7a描述的晶体管108。额外的栅极电源VG被实施用于晶体管108b。在各种实施例中，栅极电源VG可以分别被引用为如由虚线指示的C3的极的单个极或电压测量单元106或ADC 107的参考电位或接地。在一些实施例中，如图7b中示出的共源共栅电路可以能够实现与晶体管108a的高阈值灵敏性组合的晶体管108b的高阻断能力。因此，在一些具体实施例中，晶体管108a可以包括仅仅稍微高于晶体管108b的栅极电源的阻断能力。在其他备选实施例中，可以使用具有调节的栅极控制的晶体管的常规串联连接。图7b示出了针对晶体管108的实施方式，但是相同的方案也可以适用于晶体管109。

图8图示了包括如以上参考其他附图在本文中描述的接触测量电路101的另一实施例接触测量系统250的示意图。根据各种实施例，接触测量电路101耦合在负载接触部252和测量接触部254之间。负载接触部252可以是用于附接到例如半导体管芯或印刷电路板（PCB）上的接触垫260的电路探头或结合线。测量接触部254还通过测量接口256耦合到接触垫260。在各种实施例中，测量接口256可以是接触垫260上的第二点或第二接触垫的金属化部。根据各种实施例，接触测量电路101如以上描述的那样工作以便测量在负载接触部252和接触垫260之间的接触电阻。接触垫260可以通过金属化部258耦合到电路元件（未示出）。在各种实施例中，负载接触部252和测量接触部254可以是诸如例如结合线或焊接/熔接接头的固定接触部，或可以是诸如例如弹簧或连接器的可拆卸接触部。

在一个实施例中，负载接触垫260表示插头的机械连接。测量接触部或接口256可以小于负载接触部260，因为其可以在操作期间传导更小的电流。测量接触部256被用作电压反馈。其中接触部252和254“未插电”（即未连接）的状态与如在其他附图中示出的其他实施例中的打开的开关S1相对应。

图9a、9b、9c、9d、9e和9f图示了在操作中的仿真的实施例测量电路的电流和电压波形图。图9a中的波形图300图示了在开关S1被打开和被闭合时针对开关S1的对于在绘图302中仿真的接触电阻为1 mΩ、在绘图304中仿真的接触电阻为10 mΩ以及在绘图306中仿真的接触电阻为100 mΩ的跨控制电容器C3的测量电压VM的三个绘图302、304和306。在波形图300的中心部分中，开关S1被闭合并且传导交流电（AC）信号。在这样的实施例中，跨控制电容器C3的测量电压VM跟踪AC信号并且测量电压VM与仿真的接触电阻成比例。在波形图300的其他部分中，当测量电压VM被限制为约+/− 1.5 V时，开关S1被打开并且电压降VAB（未示出）阻断完整电源电压。

图9b中的波形图310图示了示出根据与在绘图302、304和306中的全部三个接触电阻的波形图300相同的时间尺度的通过开关S1的电流的绘图312。在这种情况下，接触电阻可以引起电流值的可忽略的变化，因此全部三个绘图粗略地被叠加为波形图310中的一个绘图312。波形图300和310图示了开关S1在零电流处的切换。

类似于波形图300和310，图9c中的波形图320图示了在开关S1被打开和被闭合时跨控制电容器C3的测量电压VM的绘图322，并且图9d中的波形图330图示了根据与波形图320相同的时间尺度示出了通过开关S1的电流的绘图332。波形图320和330图示了开关S1在非零电流处的切换，其中，流过开关S1的峰值电流在开关S1的闭合处，并且峰值过电压在开关S1的打开处。这样的操作在利用高电压执行的情况下可以引起机械继电器中的弧。如图9c和9d中图示的，实施例测量电路仍然在开关S1被闭合时跟踪电压降VAB并且在开关S1被打开时提供自适应的电压限制用于测量电路。因此，在波形图320的中心部分中，开关S1被闭合并且传导AC信号。在这样的实施例中，跨控制电容器C3的测量电压VM跟踪AC信号并且测量电压VM与模拟的接触电阻成比例。在波形图320的其他部分中，当测量电压VM被限制为约+/− 1.5 V时，开关S1被打开并且电压降VAB（未示出）阻断完整电源电压。图9d中的波形图330图示了流过开关S1的电流的绘图332，该开关S1以峰值输入信号被闭合并且以峰值输入信号被打开。

图9e中的波形图340和图9f中的波形图350图示了在开关S1被打开和被闭合时针对控制电容器C3和与控制电容器C3串联的串联电阻RSIM（诸如如例如图4、5和7中示出的电阻器R5或R6和R7的总和）的不同仿真值的跨控制电容器C3的测量电压VM的绘图（波形图340）和通过开关S1的电流的绘图（波形图350）。波形图340表明了由控制电容器C3和串联电阻RSIM形成的不同RC时间常数在绘图的分辨率下提供类似的性能，因为绘图几乎被覆盖。波形图350图示了表明被用于绘图352、354、356和358的不同RC时间常数的影响的具有高得多的分辨率的放大视图近点342。根据该仿真，绘图352图示了C3 = 100 pF和RSIM = 470 kΩ，绘图354图示了C3 = 470 pF和RSIM = 470 kΩ，绘图356图示了C3 = 470 pF和RSIM =1 MΩ，并且绘图358图示了C3 = 1 nF和RSIM = 1 MΩ。根据各种实施例，RC时间常数可以被调节以提供不同的滤波效应。

参考图9a-9f，电压和电流值是说明性实施例并且其他值被设想在其他实施例中。

图10图示了包括步骤402-408的测量接触部的实施例方法400的框图。根据各种实施例，方法400是一种使用串联的元件来测量接触部的接触电阻的方法，该串联的元件包括串联耦合在接触部之间的晶体管和电容器。在各种实施例中，方法400可以利用本文中描述的接触测量电路中的任何一个来实施。例如，接触部可以用于机械继电器。在实施例中，步骤402包括当跨接触部的电压低于第一阈值时使用电容器自动地加偏压使晶体管进入接通状态或导电状态。电容器可以被称为与接触部之间的晶体管形成串联路径的控制电容器，并且还可以具有从未连接到晶体管的导电端子的电容器端子到晶体管的控制端子的短路连接。第一阈值可以通过晶体管的阈值电压来设定。

在步骤402之后，步骤404包括当跨接触部的电压高于第一阈值时使用电容器自动地加偏压使晶体管进入断开状态。在步骤402和404两者中，自动地对晶体管加偏压可以包括调节电容器上的电压并且跨晶体管的控制端子和导电端子施加电容器上的电压。在一些实施例中，晶体管是耗尽FET，并且电压从电容器被施加作为晶体管的栅源电压VGS。在这样的实施例中，跨电容器的电压与跨接触部的电压成比例地被调节直到到达加偏压使耗尽FET的栅极和源极进入断开状态的阈值电压。在各种实施例中，步骤406在步骤404之后并包括在晶体管被加偏压处于接通状态时测量跨电容器的电压。步骤408包括基于在一些实施例中测量跨电容器的电压来确定接触部的接触电阻。在一些实施例中，电流可以单独地在电路的另一部分中被测量。基于电压测量结果和电流，可以确定电阻。

例如，根据各种实施例，高电压可以指代在任何时间施加的电压高于测量电路诸如接触测量电路101、电压测量电路106或ADC（诸如，Σ-Δ ADC 107）的电压容差。例如，耦合到具有3 V最大电压容差的测量电路的10 V电源可以触发实施例电路保护测量电路免于高电压100 V信号。在其他实施例中，高电压信号可以是高于100 V的任何电压。

根据实施例，接触测量电路被配置为耦合在第一接触部和第二接触部之间，并且所述接触测量电路包括第一晶体管、控制电容器和电压测量单元。第一晶体管包括被配置为耦合到第一接触部的第一导电端子、第二导电端子和第一控制端子。控制电容器包括耦合到第二导电端子的第一电容器端子和耦合到第一控制端子的第二电容器端子。电压测量单元耦合到第一电容器端子和第二电容器端子，并且第二电容器端子被配置为耦合到第二接触部。

在各种实施例中，接触测量电路还包括第一阻抗设备，该第一阻抗设备耦合到第一导电端子并且被配置为耦合在第一导电端子和第一接触部之间。在一些实施例中，接触测量电路包括电压限制设备，该电压限制设备耦合在第一电容器端子和第二电容器端子之间。电压限制设备可以被配置为将在第一电容器端子和第二电容器端子之间的电压限制到第一阈值电压。电压测量单元可以是Σ-Δ模数转换器（ADC）。在一些实施例中，第一晶体管是常开型晶体管。在实施例中，第一晶体管可以是高电压耗尽型晶体管。

在各种实施例中，接触测量电路包括具有耦合到第二电容器端子的第三导电端子、第四导电端子和耦合到第一电容器端子的第二控制端子的第二晶体管。在这样的实施例中，第四导电端子被配置为耦合到第二接触部。在一些实施例中，接触测量电路还包括：第一阻抗设备，耦合到第一导电端子并且被配置为耦合在第一导电端子和第一接触部之间；以及第二阻抗设备，耦合到第四导电端子并且被配置为耦合在第四导电端子和第二接触部之间。接触测量电路还可以包括电压限制设备，该电压限制设备耦合在第一电容器端子和第二电容器端子之间。在这样的实施例中，电压限制设备被配置为将在第一电容器端子和第二电容器端子之间的电压限制到第一阈值电压。电压限制设备可以包括第一多个串联的二极管，该第一多个串联的二极管被配置为在从第一电容器端子到第二电容器端子的电压高于第一阈值时将电流从第一电容器端子传导到第二电容器端子。电压限制设备还可以包括第二多个串联的二极管，该第二多个串联的二极管被配置为在从第二电容器端子到第一电容器端子的电压高于第一阈值时将电流从第二电容器端子传导到第一电容器端子。

根据各种实施例，使用接触部之间的串联的元件来测量该接触部的接触电阻的方法包括许多步骤。串联的元件包括串联耦合的晶体管和电容器。方法包括：当跨接触部的电压低于第一阈值时使用电容器自动地加偏压使晶体管进入接通状态；当跨接触部的电压高于第一阈值时使用电容器自动地加偏压使晶体管进入断开状态；当晶体管被加偏压处于接通状态时测量跨电容器的电压；以及基于测量跨电容器的电压来确定接触部的接触电阻。

在各种实施例中，自动地对晶体管加偏压包括在没有接收到来自额外控制电路的任何控制信号的情况下使用电容器对晶体管的控制端子加偏压。在一些实施例中，晶体管是高电压耗尽设备。第一阈值可以等于高电压耗尽设备的栅源阈值电压。方法还可以包括使用电压限制元件来将跨电容器的电压限制到第二阈值。

根据各种实施例，接触测量电路包括第一端子、第二端子、耦合到第一端子和第二端子的隔离电路和耦合到第一测量端子和第二测量端子的测量单元。第一端子和第二端子被配置为耦合跨导电设备的接触部。在这样的实施例中，隔离电路包括第一测量端子和第二测量端子，并且隔离电路被配置为：监控在第一端子和第二端子之间的端子电压，基于监控端子电压来阻断第一端子和第二端子之间的信号路径，并且在信号路径被阻断时将第一测量端子和第二测量端子之间的测量电压限制到第一阈值。信号路径在端子电压高于第一阈值时被阻断。

在各种实施例中，隔离电路包括第一晶体管，该第一晶体管具有第一控制端子并且具有在第一端子和第二端子之间的第一导电路径。隔离电路还包括耦合到第二端子和第一控制端子的自动控制电路。在特定实施例中，自动控制电路仅仅是非开关阻抗元件。在一些实施例中，自动控制电路被配置为在没有接收到控制信号的情况下自动地控制第一晶体管。自动控制电路可以包括与第一导电路径串联耦合的电容器。在这样的实施例中，电容器具有第一电容器端子和第二电容器端子。第一电容器端子耦合到第一测量端子，并且第二电容器端子耦合到第一控制端子和第二测量端子。

在各种实施例中，隔离电路还包括第二晶体管，该第二晶体管具有耦合到第一电容器端子的第二控制端子并且具有耦合在第二电容器端子和第二端子之间的第二导电路径。在一些实施例中，自动控制电路还包括：第一二极管，耦合在第一电容器端子和第二电容器端子之间；以及第二二极管，耦合在第一电容器端子和第二电容器端子之间。第一二极管具有第一导电方向，并且第二二极管具有与第一导电方向相反的第二导电方向。在实施例中，第一二极管包括多个串联的二极管，并且第二二极管包括多个串联的二极管。

在各种实施例中，自动控制电路还包括电压限制元件，该电压限制元件耦合在第一电容器端子和第二电容器端子之间。电压限制元件被配置为在施加到电压限制元件的电压超过导电阈值时在第一导电方向上传导电流。在一些实施例中，第一晶体管是高电压耗尽晶体管。第一阈值可以等于第一晶体管的阈值电压。

在各种实施例中，接触测量电路还包括导电设备，并且导电设备是继电器。在一些实施例中，接触测量电路还包括导电设备，并且导电设备是熔丝、电开关或插头接触。

本文中描述的各种实施例的优点可以包括在某些应用中（诸如用于机械继电器）的较小接触部，从而导致减少成本。另一优点可以包括提高的安全性，因为当接触电阻上升到阈值水平以上时电阻被监控并且错误信号被生成。额外优点可以包括自动地自保护以便在没有来自外部控制信号或逻辑控制电路的介入的情况下测量接触电阻并自动地切换到阻断状态的实施例。

尽管已经参考说明性实施例描述了本发明，但是该描述不旨在以限制的意义来解释。在参考描述之后，说明性实施例的各种修改和组合以及本发明的其他实施例将对本领域技术人员显而易见。因此旨在所附权利要求涵盖任何这样的修改或实施例。

Claims

1.一种被配置为耦合在第一接触部和第二接触部之间的接触测量电路，所述接触测量电路包括：

第一晶体管，包括被配置为耦合到所述第一接触部的第一导电端子、第二导电端子和第一控制端子；

控制电容器，所述控制电容器与所述第一晶体管的导电路径串联设置并且设置在所述第二导电端子与所述第二接触部之间，所述控制电容器包括耦合到所述第二导电端子的第一电容器端子和直接耦合到所述第一控制端子的第二电容器端子，以形成直接从所述第二电容器端子到所述第一控制端子的电路路径，使得在所述第二电容器端子处的电压被直接提供给所述第一控制端子，其中，所述第二电容器端子被配置为耦合到所述第二接触部；以及

电压测量单元，耦合到所述第一电容器端子和所述第二电容器端子。

2.根据权利要求1所述的接触测量电路，还包括第一阻抗设备，所述第一阻抗设备耦合到所述第一导电端子并且被配置为耦合在所述第一导电端子和所述第一接触部之间。

3.根据权利要求1所述的接触测量电路，还包括电压限制设备，所述电压限制设备耦合在所述第一电容器端子和所述第二电容器端子之间，所述电压限制设备被配置为将在所述第一电容器端子和所述第二电容器端子之间的电压限制到第一阈值电压。

4.根据权利要求1所述的接触测量电路，其中，所述电压测量单元包括Σ-Δ模数转换器（ADC）。

5.根据权利要求1所述的接触测量电路，其中，所述第一晶体管包括常开型晶体管。

6.根据权利要求5所述的接触测量电路，其中，所述第一晶体管包括高电压耗尽型晶体管。

7.根据权利要求1所述的接触测量电路，还包括第二晶体管，所述第二晶体管包括耦合到所述第二电容器端子的第三导电端子、第四导电端子和耦合到所述第一电容器端子的第二控制端子，其中，所述第四导电端子被配置为耦合到所述第二接触部。

8.根据权利要求7所述的接触测量电路，还包括：

第一阻抗设备，耦合到所述第一导电端子并且被配置为耦合在所述第一导电端子和所述第一接触部之间，以及

第二阻抗设备，耦合到所述第四导电端子并且被配置为耦合在所述第四导电端子和所述第二接触部之间。

9.根据权利要求7所述的接触测量电路，还包括电压限制设备，所述电压限制设备耦合在所述第一电容器端子和所述第二电容器端子之间，所述电压限制设备被配置为将在所述第一电容器端子和所述第二电容器端子之间的电压限制到第一阈值电压。

10.根据权利要求9所述的接触测量电路，其中，所述电压限制设备包括：

第一多个串联的二极管，被配置为在从所述第一电容器端子到所述第二电容器端子的电压高于所述第一阈值时将电流从所述第一电容器端子传导到所述第二电容器端子，以及

第二多个串联的二极管，被配置为在从所述第二电容器端子到所述第一电容器端子的电压高于所述第一阈值时将电流从所述第二电容器端子传导到所述第一电容器端子。

11.一种使用在接触部之间的串联的元件来测量所述接触部的接触电阻的方法，所述串联的元件包括串联耦合的晶体管和电容器，所述方法包括：

当跨所述接触部的电压低于第一阈值时使用所述电容器自动地加偏压使所述晶体管进入接通状态；

当跨所述接触部的电压高于第一阈值时使用所述电容器自动地加偏压使所述晶体管进入断开状态；

当所述晶体管被加偏压处于所述接通状态时测量跨所述电容器的电压；以及

基于测量跨所述电容器的所述电压来确定所述接触部的接触电阻。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，自动地对所述晶体管加偏压包括在没有接收到来自额外控制电路的任何控制信号的情况下使用所述电容器对所述晶体管的控制端子加偏压。

13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述晶体管包括高电压耗尽设备。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述第一阈值等于所述高电压耗尽设备的栅源阈值电压。

15.根据权利要求11所述的方法，还包括使用电压限制元件来将跨所述电容器的电压限制到第二阈值。

16.一种接触测量电路，包括：

第一端子；

第二端子，其中，所述第一端子和所述第二端子被配置为耦合跨导电设备的接触部；

隔离电路，耦合到所述第一端子和所述第二端子，所述隔离电路包括第一测量端子和第二测量端子，其中，所述隔离电路被配置为：

监控在所述第一端子和所述第二端子之间的端子电压，

基于监控所述端子电压来阻断所述第一端子和所述第二端子之间的信号路径，其中，所述信号路径在所述端子电压高于第一阈值时被阻断，并且

在所述信号路径被阻断时将所述第一测量端子和所述第二测量端子之间的测量电压限制到所述第一阈值；以及

测量单元，耦合到所述第一测量端子和所述第二测量端子。

17.根据权利要求16所述的接触测量电路，其中，所述隔离电路包括：

第一晶体管，包括第一控制端子并且具有在所述第一端子和所述第二端子之间的第一导电路径；以及

自动控制电路，耦合到所述第二端子和所述第一控制端子。

18.根据权利要求17所述的接触测量电路，其中，所述自动控制电路由非开关阻抗元件构成。

19.根据权利要求17所述的接触测量电路，其中，所述自动控制电路被配置为在没有接收到控制信号的情况下自动地控制所述第一晶体管。

20.根据权利要求17所述的接触测量电路，其中，所述自动控制电路包括与所述第一导电路径串联耦合的电容器，

其中，所述电容器包括第一电容器端子和第二电容器端子，

其中，所述第一电容器端子耦合到所述第一测量端子，并且

其中，所述第二电容器端子耦合到所述第一控制端子和所述第二测量端子。

21.根据权利要求20所述的接触测量电路，其中，所述隔离电路还包括第二晶体管，所述第二晶体管包括耦合到所述第一电容器端子的第二控制端子并且具有耦合在所述第二电容器端子和所述第二端子之间的第二导电路径。

22.根据权利要求21所述的接触测量电路，其中，所述自动控制电路还包括：

第一二极管，耦合在所述第一电容器端子和所述第二电容器端子之间，所述第一二极管具有第一导电方向；以及

第二二极管，耦合在所述第一电容器端子和所述第二电容器端子之间，所述第二二极管具有与所述第一导电方向相反的第二导电方向。

23.根据权利要求22所述的接触测量电路，其中，所述第一二极管包括多个串联的二极管，并且所述第二二极管包括多个串联的二极管。

24.根据权利要求20所述的接触测量电路，其中，所述自动控制电路还包括电压限制元件，所述电压限制元件耦合在所述第一电容器端子和所述第二电容器端子之间，所述电压限制元件被配置为在施加到所述电压限制元件的电压超过导电阈值时在第一导电方向上传导电流。

25.根据权利要求17所述的接触测量电路，其中，所述第一晶体管包括高电压耗尽晶体管。

26.根据权利要求17所述的接触测量电路，其中，所述第一阈值等于所述第一晶体管的阈值电压。

27.根据权利要求16所述的接触测量电路，还包括所述导电设备，并且其中，所述导电设备包括继电器。

28.根据权利要求16所述的接触测量电路，还包括所述导电设备，并且其中，所述导电设备包括熔丝、电开关或插头接触。