CN108603919A - 纹波监测 - Google Patents

Abstract

纹波监测电路可生成指示电源中的故障元件的信息。至少一个输入可接收来自电源的具有纹波分量的纹波信号。量化电路可反复量化所述纹波分量的幅度。纹波幅度统计计数器库可计数并存储所述纹波分量的不同量化幅度出现的次数或不同量化幅度范围出现的次数。纹波监测电路可生成关于电源的信息。至少一个输入可接收来自所述电源的具有纹波分量的纹波信号。纹波测量电路可测量所述纹波分量的特性。存储电路可存储关于测量结果的信息。比较电路可将存储在所述存储电路中的信息与阈值进行比较，并指示所存储的信息何时满足或超过该阈值。

Description

纹波监测

相关申请的交叉引用

本申请基于于2015年11月30日提交的、名称为“用于纹波监测的系统和方法”的第62/261,032号美国临时专利申请，和于2016年5月12日提交的、名称为“纹波监测”的第15/153,222号美国专利申请并要求其优先权，所有这些专利申请的全部内容通过引用合并于本文中。

技术领域

本公开涉及可嵌入在集成电路(integrated circuit，“IC”)中的纹波监测系统和方法。该纹波监测可用于监测电源操作。

相关技术

高性能微处理器的电源或高密度专用集成电路(Application SpecificIntegrated Circuit，ASIC)的电源或高密度现场可编程门阵列(Field-ProgrammableGate Array，FPGA)的电源，通常称为“开关电源”，且可对由这些开关电源固有的开关操作引起的线路和负载调整、负载瞬态响应和/或残余纹波电压具有严格规格。

这些电源中的电子元件可能退化，这可能进一步削弱电源满足一种或多种规格的能力。例如，老化的电解电容器的问题可能尤其明显。由于电解电容器使用寿命期间的电解液蒸发或其它老化过程，电解电容器的等效串联电阻(equivalent series resistance，ESR)可能增大，从而电容可能减小。这可能使受到影响的电源不可靠地运行。

不合规格的电源的运行可能导致随机故障，该随机故障诸如为偶然的存储丢失、错误计算、监视时钟的跳变、和/或需要不时地重置和/或重启整个系统。这些故障可能最初很少发生，并且仅在特定的温度、线路或负载条件下发生。这些故障可能很难或几乎不可能被常见电源管理器集成电路(IC)捕捉到，这是因为常见电源管理器IC的跳变点可能被设置成了检测不合规格的电源电压。但到故障发生时，可能为时已晚，尤其是对于高可靠性和/或高可用性系统。

快速比较器可在一些称为“电源管理器”的IC产品中找到，该IC产品诸如为凌力尔特科技公司(Linear Technology Corporation，“LTC”)的LTC2978。这些快速比较器可被用户编程为严格的跳变点。然而，这种在系统发生故障之前检测退化电源的方法至多是在过于频繁发生误报和不能很快检测到未显露问题之间走钢丝。这可能是由于电源纹波的混合性质、以及任何比较器输出信号的不能传达很多辅助信息的两种状态性质，上述电源纹波可能具有由开关电源操作、以及变化的或周期性的负载电流、和/或负载电流瞬变引起的纹波分量。

发明内容

纹波监测电路可生成指示电源中故障元件的信息。至少一个输入可接收来自电源的具有纹波分量的纹波信号。量化电路可反复量化所述纹波分量的幅度。纹波幅度统计计数器库可对所述纹波分量的不同量化幅度出现的次数或不同量化幅度范围出现的次数进行计数和存储。

纹波监测电路可生成关于电源的信息。至少一个输入可接收来自所述电源的具有纹波分量的纹波信号。纹波测量电路可测量所述纹波分量的特性。存储电路可存储关于测量结果的信息。比较电路可将存储在所述存储电路中的信息与阈值进行比较，并指示所存储的信息何时满足或超过该阈值。

通过阅读以下对说明性实施例、附图和权利要求的详细描述，这些以及其它元件、步骤、特征、对象、益处和优点将变得清楚。

附图说明

附图为说明性实施例。这些附图并未示出所有实施例。可以附加或可替代地使用其它实施例。可能是显而易见或不必要的细节可被省略，以节省篇幅或为了更有效地说明。一些实施例可在具有附加的元件或步骤时实施、和/或在不具有所示出的所有元件或步骤时实施。当相同的附图标记出现在不同的附图中时，该附图标记指代相同或相似的部件或步骤。

图1示出了纹波监测电路的示例。

图2示出了现有技术的信号调理电路的示例，该信号调理电路可用作图1中所示的信号调理电路。

图3示出了信号调理电路的另一示例，该信号调理电路可用作图1中所示的信号调理电路。

图4示出了集成电路中的、采用信号调理电路的纹波监测电路的示例，该信号调理电路例如为图3所示的信号调理电路。

图5示出了现有技术的直流恢复(restore)电路的示例，该直流恢复电路可用作图3或图4中的直流恢复电路。

图6示出了基于累积幅度统计的有优势的纹波测量或监测电路的示例。

图7示出了纹波监测电路的另一示例。

图8示出了限幅的示例。

图9示出了纹波监测IC的示例。

图10示出了用于图9中纹波监测IC的示例性应用电路。

图11示出了图9中纹波监测IC具有增加的消隐引脚并采用纹波信号的变压器耦合的示例。

图12示出了直流恢复电路的示例，该直流恢复电路可存在于纹波监测器电路内。

图13示出了变压器耦合的示例，该变压器耦合可用在缺少图12中直流恢复电路的纹波监测器IC中。

具体实施方式

现对说明性实施例进行描述。可以附加或替代地使用其它实施例。可能是显而易见的或不必要的细节被省略，以节省篇幅或为了更有效地说明。一些实施例可在具有附加的元件或步骤的情况下实施，和/或可在不具有所述的所有元件或步骤的情况下实施。

图1示出了纹波监测电路100的示例。纹波监测电路100可在来自待监测其操作健康状况的电源的纹波信号102中采集电压纹波的幅度统计数据，该纹波信号102诸如为电源的输出电容器两端的信号或电源的其它输出两端的信号。该纹波监测电路可以是集成电路(integrated circuit，IC)的一部分。

纹波监测电路100可耦合到电源中的电解电容器101，该电解电容器可能因性能老化而导致电源故障，该性能老化诸如为其等效串联电阻(equivalent series resistance，ESR)增大。这可表现为电容器两端的纹波电压增大。

然而，实际的纹波电压可能是由具有不同类型问题的元件混合引起的，并且可随时间、温度和/或负载条件而变化。因此，诸如交流元件整流、峰值检测以及通过比较器与固定阈值比较的简单监测方法，可能无法提供足以准确评估电源健康状况的信息。

图1示出的电路可解决这些问题。来自电源的纹波信号102可包含纹波分量。纹波信号102可以如图1所示是差分信号，也可以是单端信号。纹波信号102可由可调理纹波信号的调理电路103调理，使得纹波信号102可由模数转换器104(analog-to-digitalconverter，“ADC”)处理。

ADC可具有N个输出位105，该N个输出位105可耦合到幅度统计计数器库106。幅度统计计数器库106可包括M位计数器，M位计数器用于ADC的2^N个可能的输出代码组合中的每一个或该输出代码组合的子集。在图1中表示为CNT[N]<M：1>的累积计数107可以是纹波监测过程的最终结果，或者可以在将该结果提交给纹波监测电路所在的或所连接的主机系统之前受到进一步处理。累积计数107可表示纹波幅度的统计分布，该统计分布可与在电源的使用期限中早期获得的先前统计分布进行比较，以检测电源性能退化的迹象。可与此目的相关的一些统计特性是峰-峰纹波、或者是在应用限幅电平(slicing level)后的纹波幅度、或者是纹波计数的数学标准偏差，该限幅电平忽略具有较低计数的纹波分量。这些统计特性可通过使用已知的数学算法对累积计数寄存器的内容进行分析，而容易地得到。然后可将当前结果与预设阈值进行比较，或者与在电源使用期限中早期获得的结果进行比较。峰-峰纹波、限幅后的纹波幅度或纹波计数的标准偏差的超过预设阈值的任何明显扩大可用于，早在电源退化到系统功能受损的地步之前在电源所供电的系统中发出警报。然后，只要维护计划适当，预防性维护就可将电源与新电源进行交换，从而避免意外故障和系统停机。

信号调理电路103可以以不同的方式实现。信号调理电路103可提供高通滤波、低通滤波、直流电平消除、直流电平恢复、放大、用于ADC的采样/保持的功能(下面讨论)，或这些功能的任何组合。

图2示出了现有技术的信号调理电路203的示例，该信号调理电路203可用作图1所示的信号调理电路103。来自电源的差分采样202可以经过耦合电容器210，该差分采样诸如为图1中所示的纹波信号102，该耦合电容器可去除纹波信号202中的任何直流分量。电阻器211和电阻器212可用于恢复仪表放大器(instrumentation amplifier，INA)213输入处的直流偏置信号电平。这些电阻器和电容器210可用作纹波信号202的高通滤波器。

INA 213可去除可能存在的任何共模信号并可放大纹波信号202的差分纹波信号分量，共模信号可以是纹波信号202的起始处的地电位扰动。INA输出可耦合到低通滤波器，该低通滤波器可由电阻器214和电容器215形成，低通滤波器可用作ADC的抗混叠滤波器。缓冲放大器216可使低通滤波器去耦并为ADC输入提供驱动强度。缓冲放大器216可以是简单的单位增益电平移位器。

图3示出了信号调理电路303的另一示例，该信号调理电路可用作图1所示的信号调理电路103。差分纹波信号302可耦合到直流恢复电路317以及耦合到双输入仪表放大器313的第一差分输入，该差分纹波信号302诸如为图1中所示的差分纹波信号102并表示为“Vin”。数模转换器318(digital-to-analog converter，“DAC”)可产生由Q个输入位控制的输出电压“Vdac”。该输出电压Vdac可耦合到双输入仪表放大器313的第二差分输入，该双输入仪表放大器可根据以下公式产生输出电压Vout：

Vout＝GAIN1*Vin+GAIN2*Vdac； (等式1)

增益系数GAIN1和GAIN2均可是非零的并具有正值或负值。DAC 318可具有双极输出。由于Vdac可由DAC提供，并且纹波监测器系统可在ADC处理纹波信号302之前有利地用纹波信号302减去DAC生成的信号分量或将DAC生成的信号分量添加到纹波信号302。通过使用速度足够高的DAC并使用适当的Q位伺服信号，INA输出可最佳地保持集中在ADC的输入电压范围的中间位置，尽管纹波信号302中存在不需要的中频或低频或直流分量。例如，如果被监测的电源轨上存在慢电压斜坡或线频率杂声(line frequency hum)，则纹波计数可扩展在更大的一组计数器上，并且纹波可能看起来比实际的大。如果DAC接收一Q位伺服信号，该伺服信号通过INA的第二差分输入跟踪并减去慢电压斜坡或线频率杂声，则可抑制慢电压斜坡或线频率杂声对纹波幅度的扩展效应，并且纹波监测结果可更准确。获得这种伺服信号的一种方法是数字滤波器，该数字滤波器仅计算多个ADC采样的平均值，然后向上或向下调整DAC伺服信号，以便将该平均值保持在ADC数值范围的中间位置。数字滤波器并不总是需要的。如果被监测的电源轨上的电压变化足够缓慢，则主机系统可通过软件进行类似的计算，并相应地设置DAC伺服信号以将ADC采样保持集中在ADC的中间点或者任何其它适当的工作点，在该工作点纹波检测的动态范围被优化。对于围绕平均值对称的纹波信号，中间点的选择是最佳的，这是最常见的情况。

该电路可允许纹波信号302的直流耦合或者允许利用相对较大耦合电容器(未示出)的交流耦合，在允许纹波信号302的直流耦合的情况下，直流恢复电路317可以是无效的；在允许利用相对较大耦合电容器的交流耦合的情况下，直流恢复电路317可以是有效的。但是，该电路可能不需要能够跟踪更快的电源斜坡。在这两种情况下，ADC的所需位数N可减少，但仍然具有所需的纹波信号302的分辨率。

如果仅需要去除诸如线频率杂声的直流成分或低频分量，则DAC伺服信号Q的来源可以是数字低通滤波器。

在一些应用中，可能需要额外抑制另一频带中的纹波分量。在这种情况下，可将额外的带通特性添加到该数字滤波器，使得该数字滤波器是低通和另一通带的组合，该低通具有低于频率f1的低通带，该另一通带介于两个较高频率f2和f3之间。通过借助DAC 318使输入纹波信号302减去该数字滤波器的输出，可抑制(或至少衰减)低于f1的以及介于f2和f3之间的所有频率分量。

当纹波信号302通过一变压器耦合到Vin时，可实现对纹波信号中共模噪声的高共模抑制。为了支持变压器耦合的纹波信号，直流恢复电路317可配置为在双输入仪表放大器313的第一差分输入处建立适当的直流操作条件，同时为纹波信号302呈现适当且高度匹配的阻抗。

图4示出了集成电路422中的、采用信号调理电路403的纹波监测电路的示例，该信号调理电路诸如为图3所示的信号调理电路303。差分纹波信号402可在物理IC封装引脚419a、419b处被接收，该差分纹波信号可以是图1中所示的纹波信号102。可提供直流恢复电路417以允许通过可选的耦合电容器420a和420b进行电容耦合，该直流恢复电路417可以是上面讨论的任何类型。虽然这些耦合电容器被示出为在IC外部，但替代地，这些耦合电容器可以是集成电路422的一部分。

双输入INA 413可从引脚419a和419b接收信号Vin，并且信号Vdac可来自DAC 418。根据上面的等式1，INA 413可产生驱动N位ADC 404输入的电压Vout。ADC 404的N个输出位405可耦合到幅度统计计数器库406，该幅度统计计数器库可在其输出407处提供计数，且该N个输出位可耦合到可向DAC 418的输入提供Q位的数字滤波器420，从而闭合用于去除纹波信号402中不需要的分量的伺服环路。根据数字滤波器420的配置，该伺服环路可用于从纹波信号中去除直流分量、通过该数字滤波器的线性预测跟踪中等速度电压斜坡、或抑制指定带宽中的不需要的信号。

用于电源纹波监测器IC的这种架构可在纹波信号调理、滤波和量化方面提供很大的灵活性。该架构在许多应用中也可以是有用的，例如用于高性能微处理器的电源或高密度ASIC的电源或高密度FPGA的电源中的纹波监测。它也可用于太阳能转换器和多相交流电机驱动逆变器，其中可能需要抑制交流电机的线频率或速度相关反应，以将纹波信号清理到可用于关键部件的健康评估的程度，关键部件例如为这些转换器/逆变器的所谓DCLINK轨上的电解电容器。

图5示出了直流恢复电路517的示例，该直流恢复电路可分别用作图3中的直流恢复电路317或者图4中的直流恢复电路417。电流源530a/530b可经由金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)开关531a/531b耦合到输入引脚519a/519b，电流源533a/533b可经由MOSFET开关532a/532b耦合到输入引脚519a/519b。通过使用上述MOSFET开关各自的选通信号534a/534b和535a/535b将开关接通一定义的时间段，引脚519a、519b处的直流偏置电压可根据选通时间、电流源的大小和交流耦合电容器520a、520b的电容上下移动一定义的量。这些可在交流耦合放大器输入处恢复适当直流偏置电平的电路以及类似电路在视频信号处理领域中是已知的，并且任何这样的电路可容易地适合在本文描述的纹波监测电路的环境中工作。

可能需要辅助电路(图中未示出)来帮助确定：该直流恢复电路之后的放大器的输入级是否处于偏置电压的适当范围内。这些辅助电路可以是简单的比较器。这种类型的直流恢复电路在其开关接通时可能会干扰输入信号，这可能会篡改采集的幅度统计数据。因此，在该直流恢复电路激活期间停止ADC转换和幅度计数过程可能是适当的。这是基于DAC的伺服路径被并入该纹波检测器架构以伺服出直流斜坡和其它不需要的信号的原因之一。该直流恢复电路可仅在INA输入处的偏置电压开始徐变超出范围时，偶尔使用。

相比其它可能，这种基于DAC伺服环路的纹波检测器架构可为纹波监测器的幅度统计累积过程提供更大的灵活性和更少的“盲时”。只要DAC伺服环路能够跟踪输入电压斜坡，使得在较慢电压斜坡上的纹波电压良好地保持集中在ADC的跨度内，那么累积的幅度统计计数就可正确地传达关于纹波的有效信息。如果输入电压斜坡太快以至于DAC伺服环路不能跟踪，则进入ADC的信号最终可能使ADC进入超范围状态，该信号可在一计数器中自行计数、或者ADC可设置超范围标志。取决于在这种超范围状态期间获得的ADC采样的数量，累积幅度统计的准确度可能或多或少地受损。因此，丢弃整个采样块、清除幅度统计计数器、以及在DAC伺服环路赶上电压斜坡后启动、和/或在直流恢复电路将引脚519a、519b上的偏置电压恢复到这些偏置电压的适当工作点之后启动可能是合适的。

由ADC检测到的超范围状态可用作启动或加速自快速电压斜坡的这些恢复过程的触发器。可向纹波监测器IC或纹波监测器电路添加具有消隐功能的输入引脚。每当被监测的电源轨上出现异常电压斜坡或异常状态时，例如在电源增加或关闭期间、和/或在电源稳定到其标称值之前，该引脚可由主机系统激活。纹波监测器IC可使用该消隐引脚功能来忽略任何误导性的纹波信号，这些纹波信号可能在这些极端操作阶段出现。该忽略可以通过多种方式实现，例如通过每当消隐信号有效时禁止幅度统计计数和/或禁止警报输出信号来实现。

只要提示有消隐信号，则消隐引脚功能还可用于通过增加电流源530a/530b和533a/533b中的电流来促进直流恢复电路的直流跟踪能力。

许多开关电源控制器IC具有“电源良好”信号，这些开关电源控制器IC在处于调节状态时激活“电源良好”信号，并且每当不再处于调节状态或者在启动期间，开关电源控制器IC停用“电源良好”信号。这种“电源良好”信号或其反信号可耦合到纹波监测器IC的消隐引脚功能。

虽然在交流耦合输入信号和直流恢复电路有效的背景下描述了关于超范围状态的可能起源和处理的上述教导，但是这些教导也可应用于直流耦合情况。特别地，消隐引脚功能可在交流耦合和直流耦合情况下都是有益的。

图6示出了基于累积幅度统计的有优势的纹波测量或监测电路的示例。ADC 604可量化纹波信号，从而输出N位量化数字代码605。幅度统计计数器库606可包括多个M位宽度的计数器。ADC 604的可能的2^N个输出代码中的每个或其子集可被分配给计数器库内的特定计数器。分配给计数器的输出代码的每次出现可使此计数器递增。可提供索引寄存器640以访问幅度统计计数器库606内的各个计数器内容。具有一个或多个累加器(accumulator，“ACCU”)或便笺式寄存器(scratch pad register)的算术逻辑单元641(arithmetic logicunit，“ALU”)可接收由索引寄存器选择的计数。控制单元642可控制索引寄存器和ALU/ACCU以实现数据限幅方法，该方法可有助于区分定期发生的纹波事件和诸如负载瞬变的随机事件，该控制单元642可以是简单的状态机。

一种可实现的、可能的数据限幅方法可第一次循环通过所有索引以确定最大计数器内容，最大计数器内容可以是最常出现在采样块内并且具有最高计数的幅度或ADC输出代码。然后，在第二次遍历中，可再次检查计数器的内容并将其与先前确定的最大计数的适当部分进行比较，该适当部分例如是该最大计数的50％或75％，且称为“限幅电平”。该部分的值可根据所需的灵敏度和正常工作电源的幅度统计的已知特性来选择。在第二次遍历期间，可确定其内容高于限幅电平的计数器的第一个和最后一个索引。该确定可通过为索引寄存器提供两个锁存器(640中较低的两个方框)来实现。第一锁存器可存储第一次出现的高于限幅电平的计数的索引，而第二锁存器可存储找到的高于限幅电平的任何计数的索引。

在循环遍历所有索引之后，第一锁存器和第二锁存器的内容都可经由辅助总线643路由到ALU。它们的差值由ALU计算，该差值可以是电源系统中的纹波的测量值。如果该值超过阈值，则控制单元642可经由警报引脚644向主机系统传递警报信号。

可添加惯性以避免因异常或短暂事件而发生警报器断路。惯性可由多个惯性计数器实现，这些惯性计数器以定义的时间间隔倒计数，直到这些惯性计数器达到零。这些惯性计数器可为纹波超过阈值的每个事件计数，直到这些惯性计数器达到实际可发出警报的触发值。该触发值可以是可编程的，以允许主机系统选择警报惯性。

该示例性数据限幅还可通过集成在IC上的微控制器、通过主机系统的固件、或通过任何其它适当的装置来实现。该数据限幅还可被修改，例如通过使用移动平均滤波器将数据限幅修改为“限幅电平”的起始，而不是仅使用最大计数。

图7示出了纹波监测电路的另一示例。该纹波监测电路可包括产生N位输出705的ADC 704。在主机系统需要访问多个幅度统计计数器的情况下，主机接口块750可从幅度统计计数器库706接收输出707。在该示例中，串行总线接口在行业内称为“I2C”协议，正如分别标记为“SDA(SerialData，串行数据)”和“SCL(SerialClock，串行时钟)”的引脚751和引脚752所证实的。替代地，可提供任何其它类型的串行或并行总线接口。

图8示出了限幅的示例。如该图所示，具有负载瞬变862的纹波信号864可导致一些计数863在大部分计数的范围之外。这可能是由开关电源本身的电感电流纹波引起的。只关注峰值的简单实现可能成为该负载瞬变的牺牲品，并可能发出错误的警报。但是一旦应用数据限幅方法，可抑制由负载瞬变导致的少数计数，并且可确定开关纹波幅度。

在幅度统计计数器库806中，在获得ADC采样块之后的最大计数可以是860，限幅电平861可以是860的一部分，并且计数器的、具有高于限幅电平的值的第一个和最后一个索引之间的差值可以是没有瞬变的开关纹波的测量值。通过不应用该限幅方法或将限幅电平设置为零，也可测量峰-峰纹波。

如果需要连续的纹波监测，则可利用幅度统计锁存器库来扩充幅度统计计数器库，可仅在ADC的单个采样时钟周期内将计数器的内容传送到该幅度统计锁存器库中。这可允许在给定时间点对幅度统计数据的简况进行处理，同时幅度统计数据的累积继续(如果在将内容传送到锁存器之后没有清除计数器)，或者可采用新的幅度采样块(如果在将内容传送到锁存器之后清除了计数器)。

图9示出了基于本文已描述内容的纹波监测IC的示例。如图9所示，上面讨论的所有模块可以是该IC的一部分，这些模块例如为纹波信号输入(SENSE+，SENSE-)、直流恢复电路、双差分输入INA、ADC、DAC和幅度统计计数器库。数字滤波器可以是表示“控制(CONTROL)”的模块的一部分，串行总线接口称为“电源管理总线(PMBus)”。可添加用于内部电源PWR的低压差稳压器(low dropout regulator，LDO)、时钟发生器和参考电压发生器REF以使IC完整。SCL和SDA可以是串行总线输入和输出引脚，且/ALERT可以是有效的低警报输出引脚。

AS0和AS1可以是定义串行总线上IC地址的地址选择输入。对于封装上相同数量的引脚，可移除地址选择引脚中的一个(即AS1)以替代性地提供消隐输入引脚。该消隐输入引脚可耦合到控制(CONTROL)部分(图中未示出)。

图11示出了图9的纹波监测IC具有增加的消隐引脚并采用纹波信号的变压器耦合的示例。变压器耦合可针对可能存在于被监测的Vm-、Vm+电源线处的任何寄生共模噪声提供优异的共模抑制。这种共模噪声可能损害被监测的Vm+、Vm-电源线之间的差模纹波电压的精确测量结果，该精确测量结果可能是所要的信息。在该应用电路中，电容器Cb可阻断到变压器Tr的初级绕组的直流电压，而电阻器RL可使该变压器的二次绕组加负载以实现最佳阻抗匹配。“Vm电源良好”信号可来自Vm电源调节器(图中未示出)，并且可耦合到纹波监测IC的/BLANK输入。如果被监测的电源不在适当的调节范围内，例如在被监测电源的启动期间和关断期间，此时被监测电源的纹波电压或电压斜坡可能超过正常操作的限值，则可允许自动暂停纹波监测进程。

许多现有开关电源调节器IC，例如由Linear Technology Corporation制造的LTC3866，具有这样的通常称为“PGOOD(电源良好)”的电源良好信号。如果要求高压隔离，则可通过光耦合器将电源良好信号耦合到/BLANK引脚。/BLANK引脚或电源良好信号的使用可与通过变压器获得最佳共模抑制相独立。

在不需要消隐周期的应用中，/BLANK引脚可连接到使它的消隐功能无效的电压电平，该电压电平例如为VDD。在某些封装版本中，IC也可能根本没有/BLANK引脚，并且仍然可保持由变压器耦合提供的优异共模抑制。然而，组合的两个特征可提供优异的灵活性和信号完整性。

图12示出了直流恢复电路1217的示例，该直流恢复电路可存在于纹波监测器电路内。直流恢复电路1217可在耦合到引脚1219a和1219b的纹波信号接收线处建立适当的直流工作点，同时从纹波信号接收线中的每个到偏置电压源节点具有基本相同的阻抗。这可通过提供偏置电阻器1238a和1238b来实现，这两个偏置电阻器的第一接脚耦合到输入引脚1219a或1219b，且第二接脚耦合到直流偏置电压源节点Vb。可调节这些偏置电阻器的大小以实现其阻抗的最佳匹配，在现有半导体工艺技术中这些阻抗的最佳匹配可优于0.1％，而不会导致过多的硅面积损失。

较老的技术可能使用激光修整或诸如齐纳击穿的任何其它修整技术，来优化偏置电阻器的匹配。在被仪表放大器的功能或寄生效应限制之前，这些偏置电阻器匹配得越好，共模抑制就越好。

这些偏置电阻器与直流偏置电压源节点Vb的耦合可通过电子开关实现，该些电子开关的“导通”状态电阻也很好地匹配和/或在幅度上比偏置电阻器1238a和1238b低得多，以实现优异的共模抑制。在图12中，该些电子开关被示出为具有栅极1237a和1237b的N-MOSFET(N型MOSFET)晶体管1236a和1236b。通过将这些栅极驱动到足够高的栅压，可使具有足够W/L(宽长比)比的N-MOSFET晶体管处于有利的低欧姆工作状态。通过将栅极1237a和1237b驱动到低电压电位，可禁用直流恢复电路1217，以允许除变压器耦合操作模式之外的其它操作模式。

P-MOSFET(P型MOSFET)可代替N-MOSFET或与N-MOSFET组合以形成已知的“传输栅极开关”。在不需要禁用能力的情况下，可移除电子开关并且将偏置电阻器1238a和1238b直接连接到直流偏置电压节点Vb。

节点Vb的偏置电压源可实现为芯片上的电压源，诸如调节器电路，或者，该偏置电压源可通过向纹波监测器IC提供额外的封装引脚实现，该额外的封装引脚可耦合到偏置电阻器1238a和1238b的公共节点。对于10-100MHz范围内的较高频率，具有额外封装引脚以提供Vb的变型可带来比内部调节器更好的信号保真度结果。

继承这两个概念的另一变型是提供偏置电压Vb的内部调节器，该内部调节器的输出耦合到偏置电阻器1238a和偏置电阻器1238b的公共节点以及封装引脚，该封装引脚可连接到旁路电容器。如果封装允许为Vb使用两个引脚，则要么偏置电阻器1238a的第二接脚要么偏置电阻器1238b的第二接脚可各自耦合到单独的引脚。如果这两个引脚留下未连接，则直流恢复电路的变压器耦合模式可禁用。如果这两个引脚短路，则直流恢复电路的变压器耦合模式可启用。可为这两个短路引脚连接旁路电容。在又一个变型中，偏置电阻器1238a和偏置电阻器1238b可具有足够低以允许去除负载电阻器RL的电阻。

图13示出了缺少图12中直流恢复电路的纹波监测器IC如何实现变压器耦合的示例。如果存在集成的直流恢复电路，但恰巧不再符合可能偶尔上升的输入阻抗要求的特殊情况，则这种变型也可找到用途。在这种情况下，可能需要禁用或移除内部直流恢复电路，并在外部向IC提供输入偏置电压网络。为此，代替四节点变压器，图13示出了五节点变压器，该五节点变压器具有分离的二次绕组，五节点变压器也称为“巴伦变压器(Baluntransformer)”。这种巴伦变压器的中心抽头可耦合到直流偏置电压源Vb，该直流偏置电压源可以是电压调节器、或者电阻器和旁路电容器的任何已知组合。例如，Vb可由在VDD和GND之间的电阻分压器以及耦合在Vb和GND之间的旁路电容器提供。

图13的另一种变型可避免二次绕组的中心抽头的成本，该变型使用四节点变压器，并且在负载电阻器RL上提供中心抽头以代替缺失的变压器中心抽头。这种负载电阻器中心抽头也可耦合到直流偏置电压源Vb。然而，RL的两部分可能需要高度匹配以实现期望的共模抑制，这可能需要更昂贵的精密电阻器。

尽管图13中电路的这些变型在一些应用中可能是有用的，但是图11的具有图12中直流恢复电路的电路，在与被该直流恢复电路优化的变压器规格一起使用时，通常情况下可提供优异的共模抑制和信号保真度。

图10示出了用于图9中纹波监测IC的示例性应用电路。待监测的电源轨可从开关电源延伸到负载。可通过缓冲电容器将被监测的电源轨缓冲到电源接地。被监测的纹波可存在于该缓冲电容器两端，并且可耦合到纹波监测器IC的SENSE+引脚、SENSE-引脚。在该示例中，示出了直流耦合，但可在缓冲电容器与SENSE+引脚、SENSE-引脚之间添加交流耦合电容器。

纹波监测器IC可连接到串行总线和警报(ALERT)总线。纹波监测器IC也可通过它的VDD引脚和GND引脚连接到其自己的电源电压和其自己的缓冲电容器。该电源电压可来自独立电源、或来自待监测的电源。地址选择输入AS0和AS1可接地，以选择串行总线上的几个地址中的一个。根据许多已知的串行总线地址选择方案中的一个，地址选择输入AS0和AS1还可连接到VDD、或保持开路、或连接到其它引脚。一旦通过串行总线进行了配置，IC就可开始监测纹波，并在纹波超过编程的或预设的阈值时拉高/ALERT引脚。

已讨论的元件、步骤、特征、对象、益处和优点仅仅是说明性的。它们中的任一个以及与它们有关的讨论都不旨在以任何方式限制保护范围。还考虑了许多其它实施例。这些实施例包括具有更少、附加的和/或不同的元件、步骤、特征、对象、益处和/或优点的实施例。这些实施例还包括其中元件和/或步骤以不同方式布置和/或排序的实施例。

在被监测电源上仅具有缓慢变化的电压电平的一些情况下，数字滤波器可由在主机系统上运行的软件代替，软件可经由串行总线读取幅度统计计数器的内容然后对这些内容进行分析以将这些内容集中在ADC的跨度内，并调整经由串行总线到DAC的伺服信号，以保持该集中。在具有超精确调节的电源的一些情况下或者如果只需要交流耦合操作，DAC和可被移除，且仪表放大器INA可以是单个差分输入仪表放大器，该差分输入仪表放大器相当于将上面等式1中的GAIN2设置为零。如果被监测的电源具有与待监测的纹波信号相比足够低的共模噪声电平，则仪表放大器可被替换为运算放大器。上述直流恢复电路和任何其它信号调理电路可以不集成在纹波监测器IC中，而是通过纹波监测器IC外部的等同分立电路实现。纹波监测进程的配置可使用纹波监测器IC上的配置引脚来代替经由串行总线被编程而选择特定配置，而无需任何主机系统交互，该纹波监测进程的配置例如为INA的增益的设置、以及纹波监测进程的警报阈值或其它参数的设置，该参数例如为在对幅度统计计数进行每次分析前获得的ADC采样的数量，这些配置引脚可直接或者通过电阻器或电阻器网络连接到VDD或GND或其它配置引脚。惯性计数器可从定义惯性的起始计数开始倒计数，而不是相加计数。

除非另有说明，否则在包括所附权利要求的本说明书中陈述的所有测量、值、等级、位置、幅度、尺寸和其它规格都是大概的而不是确切的。这些规格旨在具有与它们所涉及的功能和它们所属领域中的惯用一致的合理范围。

本公开中所引用的所有文章、专利、专利申请和其它出版物均通过引用结合于本文中。

短语“用于…的装置”当在权利要求中使用时旨在并应被解释为包括已描述的相应结构和材料及其等同物。类似地，短语“用于……的步骤”当在权利要求中使用时旨在并应被解释为包括已描述的相应动作及其等同物。权利要求中没有这些短语表示该权利要求不旨在且不应被解释为限于这些相应的结构、材料、或动作，或其等同物。

保护范围仅由所附的权利要求书来限定。该范围旨在并应当被解释为尽可能宽地与权利要求书中所使用的语言在根据本说明书和以后的审查历史进行解释时的普通含义一致，除非阐述了特定含义，并旨在并应当被解释为涵盖所有结构和功能上的等同物。

诸如“第一”和“第二”等的相关术语可只用于从一个实体或动作区分另一个实体或动作，而不必要求或者暗示这些实体或动作之间的任何实际的关系或顺序。术语“包括”、“包含”及其任何其它变型在结合说明书或者权利要求书中元件列表使用时，旨在表明该列表是非排他性的，且还可包括其它元件。类似地，由“一(a)”或者“一个(an)”开头的元件在没有进一步约束的情况下不排除存在同类型的其它元件。

没有任何一项权利要求旨在涵盖不符合专利法第101、102或103条要求的主题，也不应以这种方式被解释。此类主题的任何非故意涵盖在此澄清。除了刚刚在本段声明的，已经声明或说明的内容均不旨在或不应被解释为将任何元件、步骤、特征、对象、益处、优点或等同物贡献给公众，不管它是否在权利要求中列举。

摘要被提供以帮助读者快速确定本技术公开的本质。摘要被提交为不会被用来解释或限制权利要求书的范围或含义的理解。另外，在前面详细描述中的各种特征在各种实施例中被组合在一起，以简化本公开。这种公开方法不应被解释为，要求主张的实施例比每个权利要求中明确列举的特征需要更多的特征。而是，如上面权利要求书所反映的，创造性的主题在于少于单个公开实施例的所有特征。因此，上面的权利要求书由此被并到详细说明中，每个权利要求自身作为单独主张的主题。

Claims (27)

1.一种纹波监测电路，所述纹波监测电路用于生成指示电源中故障部件的信息，所述纹波监测电路包括：

至少一个输入，所述至少一个输入接收来自所述电源的具有纹波分量的纹波信号；

量化电路，所述量化电路反复量化所述纹波分量的幅度；和

纹波幅度统计计数器库，所述纹波幅度统计计数器库对所述纹波分量的不同量化幅度出现的次数或不同的量化幅度范围出现的次数进行计数和存储。

2.如权利要求1所述的纹波监测电路，其中，所述量化电路包括模数转换器，所述模数转换器反复转换所述纹波分量，每次转换成一表示所述纹波分量在转换时的幅度的数字。

3.如权利要求2所述的纹波监测电路，其中，所述纹波幅度统计计数器库保持有所述纹波分量被转换成每个数字的次数的计数。

4.如权利要求1所述的纹波监测电路，还包括信号调理电路，所述信号调理电路在所述纹波信号被所述纹波幅度统计计数器库计数之前，调理所述纹波信号。

5.如权利要求4所述的纹波监测电路，其中，所述信号调理电路包括变压器。

6.如权利要求4所述的纹波监测电路，其中，所述信号调理电路包括数模转换器，所述数模转换器具有添加到所述纹波信号或用所述纹波信号减去的输出。

7.如权利要求4所述的纹波监测电路，其中：

所述纹波信号是差分信号；和

所述信号调理电路包括：

数模转换器，所述数模转换器将输入数字信号V_In转换成差分模拟输出V_DAC；和

双输入仪表放大器，所述双输入仪表放大器：

具有第一对差分输入，所述第一对差分输入接收所述纹波信号的差分信号；

具有第二对差分输入，所述第二对差分输入接收来自所述数模转换器的差分模拟输出V_DAC；和

产生一输出，所述输出等于V_In乘以非零增益因子与V_DA乘以非零增益因子的和。

8.如权利要求7所述的纹波监测电路，其中，所述信号调理电路包括数字滤波器，所述数字滤波器滤除所述纹波信号中不需要的纹波，从而防止这些不需要的纹波的幅度被所述纹波幅度统计计数器库计数。

9.如权利要求8所述的纹波监测电路，其中，所述数字滤波器包括低通滤波器，所述低通滤波器滤除所述纹波信号中的直流纹波或低频纹波。

10.如权利要求8所述的纹波监测电路，其中，所述数字滤波器预测线性电压斜坡，以便能够抑制所述线性电压斜坡。

11.如权利要求8所述的纹波监测电路，其中，所述数字滤波器包括低通滤波器和带通滤波器。

12.如权利要求4所述的纹波监测电路，其中，所述信号调理电路包括直流电平恢复电路。

13.如权利要求12所述的纹波监测电路，其中，所述直流电平恢复电路包括可开关的电流源，所述可开关的电流源耦合到接收所述纹波信号的所述至少一个输入。

14.如权利要求12所述的纹波监测电路，其中，所述直流电平恢复电路包括一个或多个偏置电阻器，每个偏置电阻器耦合在所述纹波信号和偏置电压之间。

15.如权利要求14所述的纹波监测电路，其中，每个偏置电阻器通过电子开关耦合到偏置电压。

16.如权利要求15所述的纹波监测电路，其中，每个电子开关包括金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET。

17.如权利要求1所述的纹波监测电路，还包括计算电路，所述计算电路分析纹波幅度统计计数器中的计数，所述计数与确定所述电源中的元件是否发生故障有关。

18.如权利要求17所述的纹波监测电路，其中，所述计算电路确定幅度限幅电平，当确定所述电源中的元件是否发生故障时，忽略低于所述幅度限幅电平的幅度计数。

19.如权利要求17所述的纹波监测电路，其中，所述计算电路包括算术逻辑单元(ALU)、累加寄存器、索引寄存器和控制状态机。

20.如权利要求17所述的纹波监测电路，其中，所述计算电路在确定所述电源中的元件发生故障时，发出警报。

21.如权利要求20所述的纹波监测电路，其中，所述计算电路：

包括至少一个惯性计数器，所述惯性计数器针对超过警报阈值的每个纹波幅度计数递增；和

当所述惯性计数器达到阈值计数时发出警报。

22.如权利要求21所述的纹波监测电路，其中，所述惯性计数器以时间间隔递减，直到减到零。

23.如权利要求1所述的纹波监测电路，其中，所述纹波监测电路包括消隐输入，所述消隐输入在被启用时，阻止所述纹波幅度统计计数器库继续对所述纹波分量的每个不同量化幅度发生的次数进行计数。

24.如权利要求1所述的纹波监测电路，其中，所述纹波监测电路包含在集成电路中。

25.一种纹波监测电路，所述纹波监测电路用于生成关于电源的信息，所述纹波监测电路包括：

至少一个输入，所述至少一个输入接收来自所述电源的具有纹波分量的纹波信号；

纹波测量电路，所述纹波测量电路测量所述纹波分量的特性；

存储电路，所述存储电路存储关于测量结果的信息；和

比较电路，所述比较电路将存储在所述存储电路中的信息与阈值进行比较，并指示所存储的信息何时满足或超过所述阈值。

26.如权利要求25所述的纹波监测电路，其中：

所述纹波测量电路反复测量所述纹波分量的特性；和

所述存储电路存储关于每次测量结果的信息。

27.如权利要求26所述的纹波监测电路，其中，所述纹波测量电路包括模数转换器，所述模数转换器反复转换所述纹波分量，每次转换成表示所述纹波分量的特性的数字。