CN108139455B - 电压测量电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种使用电容分压器CVD及模/数转换器测量电压的方法，所述方法包含以下步骤：测量带隙或参考电压且确定所述带隙或参考电压的第一代码值；将第一电容器充电到待测量的电压且确定所述第一电容器的电压的第二代码值；将第二电容器充电到第二已知电压且确定所述第二电容器的电压的第三代码值；且通过应用所述第一代码值、所述第二代码值及所述第三代码值来确定待测量的所述电压。

Description

电压测量电路
技术领域
本发明涉及用于测量电压(特定来说是电池或超级电容器电压)的方法及设备。
背景技术
低功率装置(尤其是低功率电池或超级电容器操作装置)需要对供应电压进行测量及监测。电池或超级电容器电压的常规测量会产生可使得电池或超级电容器放电的静态电流。
发明内容
本发明的实施例包含电压测量电路，所述电压测量电路包含经配置以测量带隙/参考电压的传感器、电容分压器(CVD)、模/数转换器(ADC)及控制电路，所述控制电路经配置以：利用ADC测量带隙/参考电压且确定所述带隙电压的第一代码值；将第一电容器充电到待测量的电压且利用所述ADC确定所述第一电容器的电压的第二代码值；将第二电容器充电到第二已知电压且利用所述ADC确定所述第二电容器的电压的第三代码值；且通过应用所述第一代码值、所述第二代码值及所述第三代码值确定待测量的电压。
结合以上实施例中的任何一者，计算机、电子装置、系统或设备可包含此类电压测量电路。结合以上实施例中的任何一者，可执行一种方法。使用CVD及模/数转换器测量电压的方法包含以下步骤：测量带隙/参考电压且确定所述带隙/参考电压的第一代码值；将第一电容器充电到待测量的电压且确定所述第一电容器的电压的第二代码值；将第二电容器充电到第二已知电压且确定所述第二电容器的电压的第三代码值；且通过应用所述第一代码值、所述第二代码值及所述第三代码值确定待测量的电压。
结合以上实施例中的任何一者，通过应用因子以转换代码值而进一步确定待测量的电压。结合以上实施例中的任何一者，所述因子基于将确定代码值的模/数转换器的位大小。结合以上实施例中的任何一者，第一电容器及第二电容器是相同电容器。结合以上实施例中的任何一者，执行模/数转换以找出待测量的电压不产生静态电流。结合以上实施例中的任何一者，通过将电池或超级电容器测量的值除以带隙/参考的值且除以已知电压而进一步确定待测量的电压。
附图说明
图1说明根据本发明的实施例的用于测量电压的系统的实例；
图2说明用于提供电阻分压器以根据ADC需要的范围分割电池或超级电容器电压的电路的实例；及
图3说明根据本发明的实施例的用于测量电压的方法的实例。
具体实施方式
图1说明根据本发明的实施例的用于测量电压的系统100的实例。在一个实施例中，系统100可经配置以测量电池或超级电容器电压。在另一实施例中，系统100可经配置以在无静态电流的情况下测量电压。在另一实施例中，系统100可经配置以通过执行带隙电压的另一测量而调整电池或超级电容器电压测量。系统100可在具有待测量的电压或电池或超级电容器电压的任何合适的装置中实施，所述装置例如微控制器、计算机、移动装置、可穿戴器件或集成电路。
系统100可经配置以测量例如Vbat 102的电压。Vbat 102可包含电池、超级电容器或装置的其它电源的电压。Vbat 102可包含此类电池或超级电容器或其它电源的正极端子处的电压。Vbat 102可包含用于装置的备用电源的电压。直接测量Vbat 102可能因为来自装置的其它部分中的寄生影响而无法提供完全准确的读数。具体来说，测量Vbat 102可能需要使用分压器且此类分压器可引起各种副作用。
因此，在一个实施例中，系统100可结合装置的其它电压(例如来自其上驻存有系统100的装置中的带隙电压)来测量Vbat 102，使得可针对寄生影响调整Vbat 102的测量。带隙电压可表示系统的固定值，且因而可使用用于带隙电压的模/数转换器的代码值来调整Vbat 102的测量。可使用另一已知参考电压而非带隙电压。在另一实施例中，系统100可测量另一电压Vdd3 104。Vdd3 104可包含来自相同装置的另一电源(例如正供电轨)的电压。Vdd3 104可表示来自基于场效应晶体管(FET)的电源的正供应电压。Vdd3 104可由任何已知电压实施。Vbat 102可直接或间接将电力提供到Vdd3 104。Vdd3 104及Vbat 102中的每一者可为相同集成电路装置的接脚。
在进一步实施例中，系统100可包含可任选地在Vdd3 104与Vbat 102的测量之间切换的开关114。开关114可由控制及计算电路(CCC)116控制。开关114可以任何合适的方式(例如通过切换或路由电路)实施。开关114可控制到传感器(例如电压传感器106，在图1中标记为“Vbatmon”)的存取。可以任何合适的方式实施传感器106。在一个实施例中，传感器106可将电压感测节点从Vdd3 104或Vbat 102中的一者路由到模/数转换器(ADC)110。ADC110可以任何合适的方式实施以从模拟值产生数字值。ADC 110可将其值输出到CCC 116。尽管是单个例子的开关114、传感器106及ADC 110，但可利用这些元件的任何合适的数目及组合来实施系统100。例如，可省略开关，同时多个传感器106各自分别连接到Vbat 102及Vdd3104且此外各自分别连接到ADC 110(每个ADC又连接到CCC 116)。
CCC 116可经配置以控制系统100的操作，从而正确地计算、测量且监测例如来自Vbat 102的电压。CCC 116可以任何合适的方式(例如通过模拟电路、数字电路、数字逻辑、在处理器中执行的指令或其任何合适组合)实施。
Vbat 102可包含比Vdd3 104更小或更大的电压范围，且因而Vbat 102或Vdd3 104中的一者可根据ADC 110的可用范围进行调整。在一个实施例中，Vdd3 104可包含范围在1.71V到3.63V的电压。在另一实施例中，Vbat 102可包含范围在2.0V到3.63V的电压。在此类实施例中，由于ADC 110的全标度可由Vdd3 104(具有比Vbat 102更广的电压)界定，则Vbat 102可使得其标度增加而具有更高更大的标度。为了实现较大标度以匹配例如Vdd3104的标度(或使得ADC 110经实施具有更广范围的任何其它范围)，系统100可包含任何合适的机构。例如，系统100可包含电阻分压器以将Vbat 102的电压对半分割。Vbat 102的实际值随后将通过例如乘以2而补偿以进行校正。此类系统的另一实例可以是在ADC 110的输入上增加额外电容器以及寄生电容器118以进一步衰减信号。
然而，系统100可能实施在具有严格功率要求的装置中。例如，系统100可在包含睡眠或休眠模式(其中总预算是800nA)的装置中实施。即使电阻分压器经配置在十分钟内工作循环且运转一次，但其仍可消耗25nA到50nA。因此，可解决电阻分压器的问题。一些解决方案可能在电阻分压器中使用较大电阻器来解决这些问题。然而，在电阻分压器中使用较大电阻器来解决这些问题可能进一步引起在用于半导体装置的裸片上必须占有更大面积的问题。此外，可能需要更长时间来稳定ADC 110的电容器。另外，这可引起额外直通电流。一些解决方案可使用PMOS作为电阻器以解决这些问题，因为PMOS比其它电阻器需要更小的裸片面积。然而，使用PMOS作为电阻器可需要更长稳定时间。此外，二极管及晶体管电流消耗可在满充电情况下以例如2到5uA的速率且在低充电情况下以-500uA的速率或在较高电压下(例如高于2.5V)以3到10uA的速率消耗静态电流。在此类情况中，测量绝对Vbat 102的算法可包含：首先确定其上驻存有系统100的装置的带隙/参考电压。当CCC 116分离Vbatmon 106及电路的左侧时可由ADC 110测量带隙/参考电压。可将ADC 110所产生的对应于带隙/参考电压的代码值标示为Cx。由Cx表示的实际电压(或由CCC 116产生的其它代码值)可通过例如根据ADC 110的精度及范围的标准化确定。例如，在实例电路中，在4,096个值的给定范围下(当ADC 110是12位转换器时)，用于测量带隙/参考电压的ADC 110的代码输出(保存为Cx)可对应于1.2伏特。在其它电路中，带隙/参考电压可能不同。在ADC 110的代码输出方面，可将Vbat 102的电池或超级电容器测量标示为Cy。因此，在例如使用未能考虑Vdd3 104的代码值的电阻分压器的其它系统中，Vbat 102的实际(相对于测量)值可给定为(VBAT＝2*1.2/Cx*Cy)。
根据各种实施例，使用来自电容器中的电荷共享而非具有直通电流的电阻分压器来测量电池或超级电容器电压。在一个实施例中，系统100可包含电池或超级电容器的电容器，例如串联连接在开关114与接地之间的Cbat 112。可使用此Cbat 112来抵消可能在系统100中发生的直通电流。然而，包含Cbat 112可能需要计算以确定所述绝对Vbat 102。此类计算可由CCC 116执行以调整原本由ADC 110作出的测量。
确定Vbat 102的绝对值所需要的调整可能因传感器106置于包含可变寄生118的ADC 110的共享通道处的事实而引起。在电容方面，寄生118的值是依赖于系统寄生及过程变化的衰减因子，这可随装置而不同。因此，在一些实施例中，寄生118无法提前确定且予以考虑。
可由CVBAT/(CVBAT+CPAR+CADC)给出归因于寄生118的衰减的电压。然而，如以上所论述，可能未知归因于寄生118的寄生电容。因此，不可能利用此公式计算Vbat 102的绝对值。
当使用两个电容器时，可考虑以下方程式：
Figure GDA0001611986730000051
Figure GDA0001611986730000052
Figure GDA0001611986730000053
在一个实施例中，系统100可执行三个电压测量：一、带隙/参考；二、经充电具有Vdd3 104的电容器；及三、经充电具有Vbat 102的电容器。经充电具有Vdd3 104的电容器的测量的电压的代码值可标示为Cz。在进一步实施例中，系统100可因此解决与如以上描述使用其它方法时无法计算Vbat 102的绝对值所关联的问题。在另一进一步实施例中，系统100可因此消除静态电流。在另一实施例中，系统100可增加步骤到电池或超级电容器电压测量。可由例如CCC 116指导测量及计算。
在一个实施例中，可由1.2*(2N)*Cy/(Cz*Cx)界定Vbat 102的实际值，其中N是ADC110的分辨率。
在一个实施例中，可测量包含ADC 110的系统的已知带隙/参考电压且将其代码值指派到Cx的值。此外，ADC 110的位计数可由N界定且可为例如12，从而产生因子4096。因子1.2可源于例如1.2V的已知(相对于测量)带隙/参考电压值。
在另一实施例中，当开关114切换到Vbat 102时，可由传感器106或在传感器106处测量Vbat 102的电压。可将Vbat 102的测量的电压的代码值指派到Cy的值。当Cbat 112经充电具有来自Vbat 102中的电压时可作出Vbat 102的测量。
在另一实施例中，当开关114切换到Vdd3 104时，可由传感器106或在传感器106处测量Vdd3 104的电压。可将Vdd3 104的测量的电压的代码值指派到Cz的值。当Cbat 112经充电具有来自Vdd3 104的电压时可作出Vdd3 104的测量。如以上所论述，任何已知参考电压可用于Vdd3 104。
可由例如CCC 116执行由1.2*(2N)*Cy/(Cz*Cx)给出的电池或超级电容器的实际电压的计算。所述计算可通过任何合适的加法器、乘法器或除数电路或指令执行。计算的结果可存储于存储器、寄存器或其它合适的目的地中。
图2是用于提供电阻分压器以根据ADC需要的范围分割电池或超级电容器电压的电路的实例的说明。分压器可由晶体管网络实现。然而，如以上所论述，这可能在较高电压(>2.5V)下引起3到10uA的静态电流。因此，在一些实施例中，反而可使用图1的系统100，其中在电池或超级电容器电压与接地之间使用电容器，且测量及调整电池或超级电容器的电压。
图3说明根据本发明的实施例的用于测量电压的方法300的实例。
在305处，待测量的电池或超级电容器可经切换以施加到电容器。在310处，可由电池或超级电容器为电容器充电。在315处，可测量表示电池或超级电容器的电压的跨电容器的电压。在代码值方面，此测量可界定为Cy。
在320处，已知电压可经切换以施加到电容器。在325处，可由电池或超级电容器对电容器充电。在330处，可测量表示已知电压的跨电容器的电压。在代码值方面，此测量可界定为Cz。
在335处，可相对于其上驻存有作出测量的ADC的系统而测量带隙/参考电压。在代码值方面，此测量可界定为Cx。
在340处，真实或实际电池或超级电容器电压可经计算且补偿寄生电容。真实电池或超级电容器电压可界定为1.2*4096*Cy/(Cx*Cz)。因子1.2可为已知带隙/参考电压值。因子4,096可从执行方法300的测量的ADC的大小得出。因此，这些因子可随不同硬件而不同。可任选地重复或可终止方法300。
方法300可由任何合适的机构(例如由系统100及图1的元件)实施。特定来说，方法300可由CCC 116操作。方法300可任选地在任何合适的点处重复或终止。此外，尽管说明特定数目的步骤以实施方法300，但方法300的步骤可任选地重复、彼此并行或递归地执行、省略或根据需要在其它方面修改。例如，可以任何次序执行步骤群组305/310/315、320/325/330及335。可在任何合适的点处(例如在305处)启动方法300。
尽管以上已展示实例性实施例，但可在不违背本发明的精神及范围的情况下根据所属领域的一般技术人员的知识及能力对这些实施例作出改变、增加、减去或其它排列。

Claims (13)

1.一种电容分压器方法，所述方法使用电容器及包含采样和保持电容器的模/数转换器测量电压，所述方法包括以下步骤：
通过所述模/数转换器测量带隙电压或参考电压且确定所述带隙电压或参考电压的第一代码值；
将所述电容器充电到待测量的电压且将经充电的所述电容器与所述模/数转换器的采样和保持电容器耦合以执行电容分压器测量，从而确定第二代码值；
将所述电容器充电到已知第二电压且将经充电的所述电容器与所述模/数转换器的采样和保持电容器耦合以执行电容分压器测量，从而确定第三代码值；以及
通过计算Vbg×2N×Cy/(Cz×Cx)来确定待测量的所述电压，其中Vbg表示所述带隙电压或参考电压，N表示所述模/数转换器的位计数，Cx表示所述第一代码值，Cy表示所述第二代码值，且Cz表示所述第三代码值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述带隙电压为1.2V。
3.根据权利要求1所述的方法，其中N＝12。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤由控制及计算电路执行。
5.根据权利要求1所述的方法，其中执行模/数转换以找出待测量的所述电压不产生静态电流。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述已知第二电压为供应电压。
7.一种电压测量电路，其包括：
电容分压器测量电路，其包括电容器、切换电路及模/数转换器；及
控制电路，其经配置以：
利用所述模/数转换器测量带隙或参考电压，从而确定第一代码值；
将所述电容器充电到待测量的电压且将经充电的所述电容器与所述模/数转换器的采样和保持电容器耦合以执行电容分压器测量，从而利用所述模/数转换器确定第二代码值；
将所述电容器充电到已知第二电压且将经充电的所述电容器与所述模/数转换器的采样和保持电容器耦合以执行电容分压器测量，从而利用所述模/数转换器确定第三代码值；以及
通过计算Vbg×2N×Cy/(Cz×Cx)确定所述电压，其中Vbg表示所述带隙或参考电压，N表示所述模/数转换器的位计数，Cx表示所述第一代码值，Cy表示所述第二代码值，且Cz表示所述第三代码值。
8.根据权利要求7所述的电压测量电路，其中所述带隙电压为1.2V。
9.根据权利要求7所述的电压测量电路，其中N＝12。
10.根据权利要求7所述的电压测量电路，其中所述电容分压器测量电路包括寄生电容。
11.根据权利要求7所述的电压测量电路，其中执行所述模/数转换不产生静态电流。
12.根据权利要求7所述的电压测量电路，其中所述已知第二电压为供应电压。
13.一种微控制器，其包括根据前述权利要求7-12中任一项权利要求所述的电压测量电路。
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