CN110376956B - 三级栅极监控 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及三级栅极监控。例如，一种监控晶体管的栅极的方法，包括：监控晶体管的栅极电压；基于监控，测量栅极控制信号被断言的时刻和晶体管的栅极电压与第一电压阈值交叉(或越过)的时刻之间的第一时间差；基于监控，测量晶体管的栅极电压与第一电压阈值交叉的时刻和晶体管的栅极电压与第二电压阈值交叉的时刻之间的第二时间差；以及确定第一时间差是否落入第一时间窗内以及第二时间差是否落入第二时间窗内。

Description

三级栅极监控
技术领域
本公开总体上涉及电子电路和系统，并且具体地，涉及功率控制电路和操作该功率控制电路的方法。
背景技术
功率控制电路可包括功率管理电路、驱动电路、控制逻辑、诊断逻辑或其他电路。功率管理电路可用于生成和/或调节电源电压。驱动电路可用于控制生成功率的设备(诸如开关模式电源)，并且可用于控制消耗功率的设备(诸如电机)。电机驱动器可具有控制器，该控制器生成用于为电机的不同相位的驱动器开关生成驱动信号的脉宽调制信号。脉宽调制信号可部分地基于部件的内部振荡器来生成。
功率控制电路可在半导体衬底上实现为集成电路(IC)芯片(诸如功率控制IC)。由于功率控制IC的较小占用面积和较高能量效率，功率控制IC被广泛用于不同行业的各种应用和产品，诸如消费电子、工业控制、医疗设备、航空和汽车。
尽管半导体IC通常具有较高的可靠性，但由于各种原因(诸如部件老化、暴露于不利环境(例如，过热、潮湿、灰尘、机械应力)或使用不当(例如，过压或欠压))，设备故障仍会随着时间的推移而发生。对于诸如汽车控制的任务关键应用，早期检测设备故障是有利的，使得可以执行安全程序和/或协议来补救或缓解设备故障。例如，可以激活冗余电路/设备来接管故障设备的功能。
发明内容
根据本发明的一个实施例，一种监控晶体管的栅极的方法包括：监控晶体管的栅极电压；基于监控测量栅极控制信号被断言(也可以称为“激活”)的时刻和晶体管的栅极电压与第一电压阈值交叉(或理解为，越过第一电压阈值)的时刻之间的第一时间差；基于监控测量晶体管的栅极电压与第一电压阈值交叉的时刻和晶体管的栅极电压与第二电压阈值交叉的时刻之间的第二时间差；以及确定第一时间差是否落入第一时间窗内以及第二时间差是否落入第二时间窗内。
根据本发明的一个实施例，一种电路包括：栅极监控电路，具有配置为接收晶体管的栅极电压的第一输入以及被配置为接收栅极控制信号的第二输入。栅极监控电路包括：第一比较器，被配置为将晶体管的栅极电压与第一电压阈值进行比较；第二比较器，被配置为将晶体管的栅极电压与第二电压阈值进行比较；以及定时器电路，被配置为测量栅极控制信号被断言的时刻和第一比较器的输出被断言的时刻之间的第一时间差，测量第一比较器的输出被断言的时刻与第二比较器的输出被断言的时刻之间的第二时间差，确定第一时间差是否落入第一时间窗内以及第二时间差是否落入第二时间窗内，并且当第一时间差落在第一时间窗外或者当第二时间差落在第二时间窗外时，生成错误信号。
根据本发明的一个实施例，一种功率控制集成电路(IC)包括：驱动电路，具有被配置为电耦合至功率开关的控制端子的输出端子；以及栅极监控电路，电耦合至驱动电路的输出端子。栅极监控电路包括：第一定时器，被配置为测量第一时间跨度，其中第一时间跨度是驱动电路被接通或断开以驱动功率开关的第一瞬时时刻和驱动电路的输出端子处的控制电压达到第一预定阈值的第二瞬时时刻之间的持续时间；第二定时器，被配置为测量第二时间跨度，其中第二时间跨度是第二瞬时时刻和控制电压达到第二预定阈值的第三瞬时时刻之间的持续时间；以及比较器，被配置为检测控制电压高于第三预定阈值。
附图说明
为了更全面地理解本发明及其优点，现结合附图进行以下描述，其中：
图1A示出了一些实施例中的功率控制电路的框图；
图1B是图1A的功率控制电路的一部分具有附加细节的框图；
图2A是示出一些实施例中的功率开关的栅极电压的时序图；
图2B、图2C和图2D示出了用于测量图2A所示的切换时间的各种实施例电路；
图3A示出了一些实施例中的栅极监控电路的框图；
图3B示出了一些实施例中的图3A的抗尖峰脉冲电路；
图4是栅极监控自测(BIST)电路的示例性框图；以及
图5是一个实施例中的监控晶体管栅极的方法的流程图。
不同附图中的对应数字和符号一般表示对应部分，除非另有说明。绘制这些附图以清楚地示出所公开实施例的相关方面，并且不需要按比例绘制。
具体实施方式
下文详细讨论所公开实施例的制造和使用。然而，应当理解，本发明提供了可在各种具体上下文中实施的许多可应用发明概念。所讨论的具体实施例只是说明制造和使用本发明的具体方式，并不限制本发明的范围。
本发明将在特定上下文中对示例性实施例进行描述，即功率控制电路和操作该功率控制电路的方法。
在本发明的实施例中，功率开关(例如，晶体管)的栅极电压在每个切换事件(例如，接通或断开)期间被监控。具体地，在功率开关的接通处理期间测量栅极电压的传播时间和上升时间，并且与相应的时间窗进行比较。如果测量的传播时间或测量的上升时间落在相应的时间窗外，则会检测到故障条件。类似地，在功率开关的断开处理期间测量栅极电压的传播时间和下降时间，并且与相应的时间窗进行比较。如果测量的传播时间或测量的下降时间落在相应的时间窗外，则会检测到故障条件。此外，将栅极电压与电压阈值进行比较，以检测过压条件。当栅极电压高于电压阈值时，检测到故障条件。
图1A示出了用于驱动三相电机109的示例性功率控制电路100。本领域普通技术人员应理解，图1A中可存在其他连接和功能。为了清楚，图1A中没有示出功率控制电路100的所有特征。例如，功率控制电路100可用于操作汽车中的电动助力转向系统或动力制动系统。功率控制电路100包括多个模块，诸如电源IC 101、控制器102、预驱动器IC 103和功率开关105。电源IC 101可以是或者包括用于为预驱动器IC 103生成和/或调节电源电压的功率管理IC。控制器102可以是微处理器、中央处理单元(CPU)、专用集成电路(ASIC)等。功率开关105可以是任何合适的开关，诸如场效应晶体管(FET)(例如，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET))、绝缘栅双极晶体管(IGBT)等。本文的讨论可以将功率开关105称为MOSFET，理解为可以使用任何合适的功率开关。如图1A所示，三相电机109的三相中的每一相都由对应的高侧(HS)功率开关(例如，MOSFET)105和对应的低侧(LS)功率开关(例如，MOSFET)105驱动。下文参照图1B讨论关于功率开关105的电连接的更多细节。
如图1A所示，预驱动器IC 103(也可称为驱动器IC或功率控制IC)内具有若干逻辑块，诸如包含通信接口(例如，串行外围接口(SPI)总线接口)、输入控制逻辑和诊断逻辑的数字核心块。反馈块(诸如电流感测块)通过预驱动器IC 103提供来自三相电机109的反馈信息并返回控制器102。配置寄存器允许在预驱动器IC 103中配置可配置设置。数字核心为三相中的每一相产生两个脉宽调制(PWM)信号(用于高侧和低侧MOSFET)，共有六个由三个半桥驱动器提供的PWM切换信号，每个半桥驱动器都具有两个驱动电路107，诸如高侧(HS)驱动器和低侧(LS)驱动器。驱动电路107也可以称为栅极驱动电路。每个驱动电路107的输出(例如，控制电压)被发送至相应的输出端口111，用于控制对应的功率开关105(例如，HS功率开关或LS功率开关)。在一些实施例中，每个驱动电路107的输出都是差分信号，因此，图1A中的每个输出端口111都可以包括用于差分信号的两个输出端子。
控制器102基于来自预驱动器IC 103的电流感测块的反馈，经由PWM信号PWM_H和PWM_L提供电机控制。控制器102也可以作为用于SPI总线的总线主控制器。在操作期间，控制器102接收确定期望速度和方向的输入以操作三相电机109。例如，PWM信号所基于的输入可以是告知控制器102加速电机、减速电机、停止电机、反转电机方向、将电机速度设置为特定速度和方向等的输入。例如，在图1A的系统中，输入可以根据汽车的方向盘轴上的位置传感器来确定。在一些实施例中，通过控制器102基于输入并基于三相电机109的当前条件和状态来创建PWM信号，创建PWM信号以将电机的状态从第一状态变为第二状态，其中第二状态是更接近三相电机109的目标状态的状态。
图1B示出了图1A的更多细节，尤其是关于功率开关105以及功率开关105与预驱动器IC 103之间的电连接的细节。应注意，为了清楚起见，在图1B中并没有重复图1A的预驱动器IC 103的所有特征。
在图1B中，三相电机109的每一相均由相应的高侧功率开关THSX和相应的低侧功率开关TLSX驱动，其中X＝1、2或3。换句话说，图1A的HS功率开关105和LS功率开关105分别对应于图1B中的HS功率开关THSX和LS功率开关TLSX。HS驱动电路107提供三个控制电压(也被称为输出控制电压)，每个HS功率开关THSX对应一个，其中三个控制电压中的每一个在输出端子GHx和SHx之间提供，x＝1、2或3。类似地，LS驱动电路107提供三个控制电压，每个LS功率开关TLSX对应一个，其中三个控制电压中的每一个在输出端子GLx和SLx之间提供，x＝1、2或3。如图1B所示，输出端子GHx和SHx分别电耦合至相应HS功率开关THSX(x＝1、2或3)的栅极和源极。此外，输出端子GLx和SLx分别电耦合至相应LS功率开关TLSX(x＝1、2或3)的栅极和源极。功率开关的栅极(例如，THSX、TLSX)也可以被称为功率开关的控制端子。在所示实施例中，每个驱动电路107的输出控制电压对应于相应功率开关105的(例如，THSX或TLSX)的栅极-源极电压。在图1B的示例中，在驱动电路107的输出端子(例如，GHx或GLx)与对应功率开关105的栅极之间具有电阻器(例如，RGHX或RGLX)。由于功率开关105(例如，CMOS晶体管)基本上不消耗栅极电流，因此驱动电路107的输出控制电压基本上与功率开关的栅极-源极电压相同。因此，在本文的讨论中，来自每个驱动电路107的输出控制电压也可以被称为相应功率开关105的栅极-源极电压VGS。
为便于在本文的讨论，Gxx和Sxx的符号用于表示驱动电路107的一对输出端子，诸如HS驱动电路107的一对输出端子GHx和SHx，或者LS驱动电路107的一对输出端子GLx和SLx，其中x＝1、2或3。因此，在相应端子Gxx和Sxx之间测量每个功率开关105的栅极-源极电压VGS。
仍然参考图1B，HS功率开关THSX的漏极电耦合至电源115(例如，电压电源)。电源115不同于(例如，独立于)电源IC 101(参见图1A)。无论电源115的状态如何，使功率开关105和预驱动器IC 103具有不同的电源均能使预驱动器IC 103正常工作。
LS功率开关TLSX的源极通过分流电阻器113(标为RSHUNTX，X＝1、2或3)电耦合至参考电压电平(例如，电接地)。如图1B所示，电流感测块通过监控每个分流电阻器113两端的压降来监控每个半桥的电流。例如，每个分流电阻器113的电阻可以在约0.5mΩ至约1mΩ之间，尽管其他值也是可以的。例如，对于动力转向应用，流过分流电阻器的电流例如可以在几安培到约180A之间。
图2A示出了一些实施例中的功率开关105(例如，MOSFET)在正常操作期间的栅极-源极电压VGS的时序图。时间T1和时间T3之间的时序图示出了接通功率开关105的处理(也称为接通处理)，而时间T4和时间T6之间的时序图示出了断开功率开关105的处理(也称为断开处理)。在图2A中，顶部图中的曲线203显示栅极-源极电压VGS，而下部图中的曲线201显示用于接通或断开驱动电路107(由此也接通或断开功率开关105)的栅极控制信号VGCNTL。栅极控制信号VGCNTL可从PWM信号(PWM_H和PWM_L)中得出。顶部图和下部图的时间(例如，t轴)在图2A中对齐。
参考图2A，驱动电路107和连接至驱动电路107的功率开关105最初处于OFF状态。接下来，在时间T1处，控制器102通过断言栅极控制信号VGCNTL来接通驱动电路107。栅极-源极电压VGS在短暂延迟之后开始上升。在时间T2处，栅极-源极电压VGS达到(例如，交叉超过)电压阈值Va，并且功率开关105开始接通。在一些实施例中，电压阈值Va是高于功率开关105保持在OFF状态(例如，没有电流流过功率开关105)的电压。因此，包括小于电压阈值Va的电压的电压范围被称为功率开关105的安全操作区域(SOA)。例如，用作功率开关105的MOSFET的电压阈值Va可以约为1.7V。在一些实施例中，时间T1和时间T2之间的时间跨度可被称为驱动电路107的传播时间Tprop1，因为Tprop1对应于栅极控制信号VGCNTL(在时间T1处被断言)通过驱动电路107传播并在驱动电路107的输出端子处出现(时间T2处)具有足够大到开始接通功率开关105的电压的持续时间。
在时间T2之后且在时间T3之前，栅极-源极电压VGS继续上升，但低于电压阈值Vb，电压阈值Vb是功率开关105完全接通的电压。例如，对于MOSFET功率开关，电压阈值Vb可以在6.5V左右。因此，在时间T2和时间T3之间，功率开关105处于从OFF切换到ON的过程中，例如在OFF状态和ON状态之间。在使用MOSFET作为功率开关105的实施例中，MOSFET在时间T2和时间T3之间可位于饱和区域中，其中流过每个MOSFET的电流通过栅极-源极电压VGS调制。在一些情况下，当功率开关105(例如，MOSFET)处于饱和区域时，可能会产生大量的热量，并且可能会发生功率开关105的损坏。为此，Va和Vb之间的电压区域(例如，Va≤V<Vb)可被称为功率开关的不稳定操作区域。时间T2和T3之间的时间跨度被称为功率开关105的上升时间Trise。
接下来，在时间T3处，栅极-源极电压VGS达到(例如，交叉超过)电压阈值Vb，功率开关105完全接通并且离开不稳定操作区域。图2A还示出了电压阈值Vc，其对应于一高压值，当高于该值时，由于过压会损坏功率开关105。例如，对于使用MOSFET的功率开关105，电压阈值Vc可以在16V左右。当栅极-源极电压VGS在Vb和Vc之间时，功率开关105可安全地操作，因此，Vb和Vc之间的电压区域(例如，Vb≤V<Vc)可被称为功率开关的另一安全操作区域。电压阈值Va、Vb和Vc中的每一个也可以是预定的阈值。
接下来，在时间T4处，控制器102通过解除断言栅极控制信号VGCNTL来断开驱动电路107，并且栅极-源极电压VGS在短时延迟之后开始下降。在时间T5处，栅极-源极电压VGS达到(例如，交叉低于)电压阈值Vb，功率开关105离开安全操作区域并且开始断开。时间T4和时间T5之间的时间跨度被称为传播时间Tprop2，其可以与传播时间Tprop1相同，也可以不同，这例如取决于功率开关105的特性。
在时间T5和时间T6期间，随着栅极-源极电压VGS的降低，功率开关105处于不稳定操作区域中。在时间T6处，栅极-源极电压VGS达到(例如，交叉低于)电压阈值Va，并且功率开关105进入OFF状态。时间T5和时间T6之间的时间跨度被称为功率开关105的下降时间Tfall。
在正常操作中，在接通处理期间，传播时间Tprop1和上升时间Trise均在相应的预定时间窗内，预定时间窗例如通过驱动电路107的驱动能力、功率开关105的物理特性或连接至功率开关105的负载来确定。类似地，在断开处理期间，传播时间Tprop2和下降时间Tfall均在相应的预定时间窗内。例如，传播时间Tprop1(或Tprop2)可以在约20ns和约30ns之间的预定时间窗内，并且上升时间Trise(或下降时间Tfall)可在约200ns和约400ns之间的预定时间窗内。
当发生故障条件时，传播时间Tprop1和Tprop2、上升时间Trise和/或下降时间Tfall可受到影响，并落在相应的预定时间窗外。例如，由于功率开关105被损坏、负载(例如，三相电机109)没有正确连接至功率开关105(例如，断线)或者驱动电路107出现故障由此无法提供适当的驱动能力，可能发生故障条件。传播时间Tprop1和Tprop2、上升时间Trise和下降时间Tfall可通过监控功率开关105(例如，晶体管)的栅极来进行监控，例如通过监控功率开关105的栅极电压(栅极-源极电压VGS)。
通过监控传播时间Tprop1和Tprop2、上升时间Trise和/或下降时间Tfall，可以检测功率控制电路100中的故障条件。例如，传播时间Tprop1(或Tprop2)可用于确保预驱动器IC 103正在正确地执行接通/断开操作(例如，接通和断开驱动电路107)。将传播时间Tprop1(或Tprop2)与相应的预定时间窗进行比较，允许检查栅极控制信号通过预驱动器IC 103正确地传播至功率开关105以及功率开关105正确地连接至输出焊盘(例如，连接至三相电机109的焊盘)。传播时间Tprop1(或Tprop2)还允许检查预驱动器IC 103具有正确的驱动器强度以及连接的功率开关105为正确的功率开关类型。
类似地，上升时间Trise可用于监控由驱动电路107驱动的功率开关105的反应。具体地，上升时间Trise可用于检查功率开关105正在正确地切换(例如，上升时间在相应的预定时间窗内)以及负载适当地附接至功率开关105。例如，损坏的功率开关105或者驱动电路107不足的驱动能力会使得测量的上升时间Trise大于用于Trise的预定时间窗的上限。作为另一示例，当功率开关105不存在时(例如，由于短路)，测量的上升时间Trise可小于用于Trise的预定时间窗的下限。下降时间Tfall可以与上升时间Trise类似的方式使用，以检查功率开关105是否正确地切换(例如，下降时间在相应的预定时间窗内)以及负载适当地附接至功率开关105。
一旦检测到故障条件，功率控制电路100可生成或断言错误信号，与例如向控制器102报告故障条件。当错误信号被断言时，可执行安全状态序列(预定操作序列)以使功率控制电路100处于安全状态。进入安全状态，以避免由于功率控制电路100的故障条件而导致灾难性故障(例如，汽车的方向盘被锁定且无法转向)。安全状态的定义是应用特有的(例如，通过使用功率控制电路100的系统或应用的类型来确定)，并且可以表示功率控制电路100例如可临时保持直到故障条件被修复、冗余电路接管故障功能或者直到安全关闭功率控制电路100的状态。例如，对于用于驱动汽车的动力方向盘的三相电机109的功率控制电路100，如果检测到由于三相之一中的功率开关105断开(例如，开路)而导致的故障条件(例如，断言错误信号)，则可以通过切断三相电机的其他两相中的功率开关105来达到安全状态，在这种情况下，方向盘失去了助力但汽车驾驶员仍然能够转动方向盘。这种操作状态可以被称为跛行回家(limp home)状态。作为另一示例，考虑用于驱动12相起动电机的功率控制电路100。当检测到表明十二个相位之一中的一个功率开关105损坏(例如，开路)的故障条件时，立即断开其他相位中的功率开关105可能不安全，因为电机仍然可能高速旋转并且可具有高动能。立即断开所有功率开关105会导致电机在发电机模式下操作并且会使得在功率开关105处生成高压，高压会损坏功率开关105。因此，对于12相起动电机的应用，安全状态序列包括保持未损坏的功率开关105接通，同时逐渐降低由驱动电路107提供的驱动电压，并且在电机速度降至安全水平之后，断开功率开关105以停止12相起动电机。
在一些实施例中，功率控制电路100的诊断逻辑测量功率开关105的接通处理期间的传播时间Tprop1和上升时间Trise，并将测量的传播时间Tprop1和测量的上升时间Trise与相应的预定时间窗进行比较。当测量的传播时间Tprop1或测量的上升时间Trise落在相应的预定时间窗外时，检测到故障条件。在一些实施例中，每次接通功率开关105时测量传播时间Tprop1和上升时间Trise，从而允许实时监控功率控制电路100。
在一些实施例中，功率控制电路100的诊断逻辑测量功率开关105的断开处理期间的传播时间Tprop2和下降时间Tfall，并将测量的传播时间Tprop2和测量的下降时间Tfall与相应的预定时间窗进行比较。当测量的传播时间Tprop2或测量的下降时间Tfall落在相应的预定时间窗外时，检测到故障条件。在一些实施例中，每当断开功率开关105时测量传播时间Tprop2和下降时间Tfall，从而允许实时监控功率控制电路100。
在一些实施例中，功率控制电路100的诊断逻辑测量接通处理期间的传播时间Tprop1和上升时间Trise，并测量断开处理期间的传播时间Tprop2和下降时间Tfall。当上述任何测量时间落在相应的预定时间窗外时，检测到故障条件。在一些实施例中，每次接通或断开功率开关105时测量传播时间Tprop1、上升时间Trise、传播时间Tprop2和下降时间Tfall，从而允许实时监控功率控制电路100。
可使用定时器测量传播时间Tprop1、上升时间Trise、传播时间Tprop2和下降时间Tfall。例如，对于每个功率开关105，可以使用两个定时器来测量例如功率开关105的接通处理期间的传播时间Tprop1和上升时间Trise。相同的两个定时器可用于测量断开处理期间的传播时间Tprop2和下降时间Tfall。图2B和图2C示出了用于测量切换时间(例如，Tprop1、Tprop2、Trise、Tfall)的两个实施例电路，其细节在下文中进行讨论。
传播时间Tprop1和Tprop2、上升时间Trise以及下降时间Tfall的测量可以使用定时器以不同的方式来执行。图2B示出了一个示例电路，其中在接通处理期间，第一定时器205用于测量时间T1和时间T2之间的时间跨度时间1(time1)(参见图2A)，并且第二定时器207用于测量时间T1和时间T3之间的时间跨度时间2(time2)(参见图2A)。具体地，第一定时器205和第二定时器207在时间T1处由栅极控制信号VGCNTL的上升沿触发以开始计时。通过表示栅极-源极电压VGS与电压阈值Va交叉(例如，高于)的信号225，第一定时器205在时间T2处被触发信号停止。通过表示栅极-源极电压VGS与电压阈值Vb交叉的信号224，第二定时器207在时间T3处被另一触发信号停止。通过使用比较器204和206将栅极-源极电压VGS分别与电压阈值Va和Vb进行比较来生成触发信号225和224。测量的时间跨度time1对应于传播时间Tprop1，并且使用减法器209计算的测量的时间跨度time2和time1之间的差对应于上升时间Trise。尽管未示出，但在断开处理期间，第一定时器205和第二定时器207都可以被触发，以在时间T4处开始计时(例如，通过栅极控制信号VGCNTL的下降沿，参见图2a)，并且此后，第一定时器205和第二定时器207可以被触发，以通过相应的触发信号(未示出)分别在时间T6和时间T5处停止计时。应注意，在断开处理期间，附加电路可用于为定时器(例如，205、207)生成触发信号。在图3A中示出了针对断开处理的用于生成触发信号的示例(参见下文关于比较模块331A/331B的讨论)。在所示实施例中，第一定时器205和第二定时器207在开始计时之前被初始化(例如，设置为零值)。
用于测量传播时间、上升时间和下降时间的方法的变型是可能的，并且完全包括在本公开的范围内。参考图2C的示例电路，在接通处理期间，第一定时器215用于使用与图2A中的第一定时器205类似的触发信号直接测量传播时间Tprop1。然而，与图2A不同，第二定时器217被配置为通过选择触发信号227(其是停止第一定时器215、启动第二定时器217的触发信号)来直接测量上升时间Trise。然后，第二定时器217通过表示栅极-源极电压VGS与阈值电压Vb交叉的触发信号226来停止。通过使用比较器214和216，分别将栅极-源极电压VGS与电压阈值Va和Vb进行比较来生成触发信号227和226。尽管图2C中未示出，但第一定时器215和第二定时器217可用于直接测量断开处理期间的传播时间Tprop2和下降时间Tfall。
此外，可以仅使用一个定时器来测量传播时间Tprop1、上升时间Trise、传播时间Tprop2和下降时间Tfall。例如，这可以通过在传播时间(Tprop1或Tprop2)的结尾处读出定时器值来实现，并且在读出定时器值之后立即重新启动定时器来测量下一时间段(上升时间Trise或下降时间Tfall)。也可以使用其他数量的定时器，并且完全包括在本公开的范围内。
定时器(例如，205、207、215、217)可以各种方式来实施，例如作为计数器或作为移位寄存器。图2D示出了作为移位寄存器221实施的定时器。移位寄存器221可实施为由多个串行连接的延迟部件(例如，D触发器)形成的延迟线。图2D进一步示出了耦合至移位寄存器221的窗口比较器223。窗口比较器223可以形成为定时器电路的一部分，或者也可以形成在定时器外部。移位寄存器221的输出(例如，D触发器的输出)被发送至窗口比较器223，并与预定时间窗进行比较。在一些实施例中，窗口比较器223输出状态信号，以指示由移位寄存器221测量的时间跨度是否在预定时间窗内。上文参考图2A-图2D讨论的结构和原理可用于实施监控电路中使用的定时器，诸如图3A的栅极监控电路300。
图3A、图3B和图4示出了使用移位寄存器(参见图4中的412)形成定时器的栅极监控电路300。栅极监控电路300可以是图1A中的功率控制电路100的诊断逻辑的一部分。图3A、图3B和图4所示的示例是为了说明的目的而不用于限制，其他实施方式也是可以的，并且完全包括在本公开的范围内。例如，本领域技术人员应理解，可以代替寄存器来使用计数器以形成定时器。
现在参考图3A，图3A是栅极监控电路300的示例性框图。在一些实施例中，如上文参照图2A所讨论的，栅极监控电路300监控功率控制电路100的状态，并通过监控传播时间Tprop1和Tprop2、上升时间Trise和/或下降时间Tfall来检测故障条件。
如图3A所示，栅极监控电路300具有三个比较器301(例如301A、301B和301C)。每个比较器301的输入都包括图1A和图1B的驱动电路107的输出处的栅极-源极电压VGS(例如，一对输出端子Gxx和Sxx之间的电压)。在一些实施例中，每个驱动电路107都具有与之相连的栅极监控电路300。因此，对于图1A和图1B的示例，诊断逻辑包括栅极监控电路300的六个实例(一个对应于六个驱动电路107中的一个)，其中栅极监控电路300的六个实例中的每一个都连接至相应驱动电路107的输出端子(例如，GHX和SHX，或GLX和SLX)。
比较器301A、301B和301C分别将栅极-源极电压VGS与电压阈值Va、Vb和Vc进行比较，其中Va、Vb、Vc是上文参考图2A讨论的电压阈值。具体地，比较器301C用于检测过压故障条件，并且通过比较栅极-源极电压VGS与电压阈值Vc并且当VGS高于Vc时输出逻辑“1”来生成错误信号。比较器301C的输出被发送至抗尖峰脉冲电路303，并且抗尖峰脉冲电路303的输出通过锁存器305(例如，触发器)被锁存。锁存器305的输出表示为信号321，信号321可用于指示过压故障条件和/或启动安全状态序列以使功率控制电路100进入安全状态。
抗尖峰脉冲电路303用于避免对过压故障条件的错误检测。在一些实施例中，抗尖峰脉冲电路303提供比较器301C的滤波输出(例如，平滑输出或低通滤波输出)，从而降低比较器301的输出中的假毛刺引起对过压的错误检测的可能性。图3B示出了抗尖峰脉冲电路303的示例，其中抗尖峰脉冲电路303包括延迟元件351(例如，一个或多个串联连接的D触发器)和AND门353。输入信号和输入信号的延迟版本被发送至AND门353的输入端子。AND门353的输出提供输入信号的抗尖峰脉冲版本。抗尖峰脉冲电路的其他实施方式也是可以的，并且完全包括在本公开的范围内。
返回参考图3A，比较器301A和比较器301B分别将栅极-源极电压VGS与电压阈值Va和Vb进行比较。当栅极-源极电压VGS大于或等于对应的参考电压(例如，Va或Vb)时，比较器301A或301B输出逻辑“1”。比较器301A的输出被发送至多路复用器(MUX)304的第一输入端子Io和反相器302。反相器302的输出被发送至MUX 304的第二输入端子I1。MUX 304的选择器sel被配置为在接通处理期间选择第一输入端子Io处的输入信号作为MUX 304的输出；并且被配置为在断开处理期间选择第二输入端子I1处的输入信号作为MUX 304的输出。在一些实施例中，在接通处理之后，MUX 304的选择器sel保持不变(例如，选择Io处的输入作为输出)，直到断开处理开始为止。因此，在接通处理期间，当栅极-源极电压VGS与电压阈值Va交叉(例如，上升到高于)时(例如，在图2A中的时间T2处)，栅极监控电路300的信号325被断言(例如，从逻辑“0”转到逻辑“1”)；在断开处理期间，当栅极-源极电压VGS与电压阈值Va交叉(例如，降低到低于)时(例如，在图2A中的时间T6处)，信号325被断言。因此，对于图2A的示例，信号325(例如，信号325的上升沿)可用作在接通处理期间停止用于测量时间跨度time1的定时器的触发信号，并且可用作在断开处理期间停止用于测量时间跨度time2的定时器的触发信号。
仍然参考图3A，比较器301b的输出连接至MUX 304和反相器302，并且MUX 304的选择器sel以与连接至比较器301A的MUX 304相似的方式选择MUX 304的输出。本领域技术人员应理解，在接通处理期间，当栅极-源极电压VGS与电压阈值Vb交叉(例如，上升到高于)时(例如，在图2A中的时间T3处)，MUX 304的输出处的信号324被断言；在断开处理期间，当栅极-源极电压VGS与电压阈值Vb交叉(例如，降低到低于)时(例如，在图2A中的时间T5处)，信号324被断言。因此，对于图2A的示例，信号324(例如，信号324的上升沿)可用作在接通处理期间停止用于测量时间跨度time2的定时器的触发信号，并且可用作在断开处理期间停止用于测量时间跨度time1的定时器的触发信号。为了便于讨论，比较器301A(或301B)和与其相连的反相器302/MUX 304被统称为比较模块331A(或331B)。
如图3A所示，信号324被发送至抗尖峰脉冲电路303，并且抗尖峰脉冲电路303的输出被发送至锁存器305。锁存器305的输出表示为信号323。可以使用OR门307和AND门309生成其他状态/控制信号，诸如信号322和326。信号322可用作由于过压而断开功率开关105的控制信号，并且信号326可用于检测功率开关105没有被正确断开的错误条件(例如，尽管信号322被断言)。在一些实施例中，通过检查栅极监控电路300的状态/控制信号(例如，321、323、324和/或325)，控制器102或诊断逻辑监控功率开关105的状态并确定功率开关105的状态。例如，在开始接通处理之后，如果信号324为逻辑“1”且信号321为逻辑“0”，则功率开关105处于ON状态，并在安全操作区中操作。
在一些实施例中，电压阈值Va、Vb和Vc是可编程的，例如通过控制器102编程。电压阈值Va、Vb和Vc的值或指示电压阈值Va、Vb和Vc的选择的指示符被存储在栅极监控电路300的配置模块311中，配置模块311可包括诸如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)等或它们的组合的存储器。除阈值电压外，配置模块还可用于存储栅极监控电路300的其他配置数据(例如，用于被测量时间跨度的预定时间窗)。配置日期可由控制器102例如通过SPI接口编程。如图3A所示，栅极监控电路300进一步包括一个或多个栅极监控自测(BIST)电路313，其中每个BIST电路313都包括定时器和附加电路(例如，自测电路)，其细节如图4所示。
图4示出了BIST电路313的实施例电路图。图4中没有示出BIST电路313的所有特征。应注意，BIST电路313仅示出一个定时器和对应的自测电路。因此，为了有两个定时器(例如，图2B中的第一定时器205和第二定时器207)，每个栅极监控电路300都可以包括BIST电路313的两个实例。栅极监控电路的定时器可以统称为定时器电路。定时器电路中的每个定时器都可用于测量(例如，直接或间接)时间跨度，并且栅极监控电路300可以通过检查被测量的时间跨度(例如，Tprop1和Trise，或Tprop2和Tfall)是否在它们相应的预定时间窗内来在每次接通或断开功率开关105时执行状态检查。状态检查还可以包括检查驱动电路107的输出处的控制电压是否高于电压阈值(例如，Vc)。如果任何测量的时间跨度在相应的预定时间窗外或者如果控制电压高于电压阈值，则栅极监控电路300可生成错误信号来指示故障条件。应注意，图4所示的驱动电路107和比较模块331A(或331B)不形成在BIST电路313中。相反，它们分别对应于图1B的驱动电路107和图3A的比较模块331a(或331b)。驱动电路107和比较模块331A(或331B)在图4中示出，仅用于示出电连接的目的，因此不是BIST电路313的一部分。
参考图4，BIST电路313具有输入端子419。输入端子419的输入是栅极控制信号VGCNTL，其接通和断开驱动电路107。在一些实施例中，栅极控制信号VGCNTL的分别对应于用于接通和断开驱动电路107的瞬时时间的上升沿和下降沿用于启动BIST电路313的定时器(参见下文关于移位寄存器412的讨论)。在一些实施例中，例如通过栅极控制信号VGCNTL的上升沿和/或下降沿来准备用于计时，定时器可以被初始化(例如，清零)。通过对应比较模块331A(或331B)的输出信号325(或324)(例如，上升沿)来停止定时器。对于图2A的示例，如果BIST电路313的定时器通过信号325停止，则定时器用于在接通处理期间测量时间跨度time1(参见图2A)，并且用于在断开处理期间测量时间跨度time2(参见图2A)。
BIST电路313的定时器是实施为延迟线的移位寄存器412，延迟线包括多个串联连接的D触发器411。D触发器411可通过提供给输入端子421的高速(例如，160MHz)时钟信号423来计时，以在测量的时间跨度中提供足够的精度。图4所示的D触发器411的数量是为了说明的目的而不用于限制。在一些实施例中，D触发器411的数量通过将被测量的最大时间跨度来确定。例如，如果每个D触发器411的时间延迟为T，D触发器411的数量为N，则N×T应等于或大于将被BIST电路313的定时器测量的最大时间跨度。最大时间跨度可以是用于被测量时间跨度(例如，Tprop1、Tprop2、Trise或Tfall)的预定时间窗的上限。
图4示出了耦合至输入端子419和D触发器411(和413)的辅助电路417。在一些实施例中，辅助电路417包括将栅极控制信号VGCNTL的上升沿和/或下降沿转换为脉冲信号的电路。如图4所示，脉冲信号用作移位寄存器412的输入。在一些实施例中，随着脉冲信号向下移位(例如，向右)移位寄存器412时，从最左边的D触发器411到最右边的D触发器411列出的所有D触发器411的值(也称为移位寄存器412的值)具有类似于“0..010…0”的格式，其中值“1”的位置随每个时钟周期从左向右偏移，直到移位寄存器412的时钟信号停止(例如，通过信号325或324)或直到值“1”从移位寄存器412中移出。
如图4所示，当信号325(或334)从“0”转换为“1”时，在被反相器408反相之后，信号的上升沿用于将值“1”加载到D触发器407中。D触发器407的输出(现在为“1”)被发送至AND门409的反相输入端子，从而对移位寄存器412的时钟信号进行选通。换句话说，移位寄存器412的时钟信号被强制降低且不再翻转。因此，移位寄存器412被停用，值“1”不再向下移位(例如，向右)移位寄存器412，并且定时器停止。
一旦定时器停止，栅极监控电路300可通过检查移位寄存器412中的值“1”的位置来确定测量的时间跨度。例如，可以通过将D触发器411的延迟T乘以具有值“1”的D触发器411和最左边的D触发器411之间的距离(例如，D触发器的数量)来计算定时器测量的时间跨度。对于图2A的示例，如果BIST电路313的定时器用于测量时间跨度time1，则测量的时间跨度对应于传播时间Tprop1(在接通处理期间)或Tprop2(在断开处理期间)。如果BIST电路313的定时器用于测量图2A的时间跨度time2，则测量的时间跨度减去由第二BIST电路313(参见图3A)的第二定时器(用于测量图2A的时间跨度time1)测量的第二时间跨度。可以使用减法电路314执行减法，并且两个测量时间跨度之间的差对应于上升时间Trise(在接通处理期间)或下降时间Tfall(在断开处理期间)。
BIST电路313还包括实施为由多个串联的D触发器413形成的延迟线的第二移位寄存器414。代替测量未知的时间跨度，移位寄存器414用于指示已经过去的预定持续时间。移位寄存器414中最右边的D触发器的输出连接至AND门415的第一输入端子，并且移位寄存器412中最左边的D触发器的输出连接至AND门415的第二输入端子。移位寄存器412和移位寄存器414用于通过执行栅极监控电路300的定时测试来检测故障条件。下文讨论定时测试的细节。
图4所示D触发器413的数量是为了说明的目的而不用于限制。移位寄存器414具有与移位寄存器412相同的输入。如图4所示，移位寄存器414通过时钟信号423的反相版本驱动。选择移位寄存器414中的D触发器的数量，使得移位寄存器414的总延迟等于预定的持续时间，其中预定的持续时间是可编程的(例如，可由控制器102编程)。
在一些实施例中，移位寄存器414的预定持续时间基本等于由BIST电路313的定时器(例如，移位寄存器412)测量的时间跨度的预定时间窗的上限，对于图2A的示例，时间跨度例如可以为Tprop1、Tprop1+Trise、Tprop2或Tprop2+Tfall。例如，如果定时器正在测量传播时间Tprop1，移位寄存器414的总延迟可设置为Tprop1；如果定时器正在测量时间T1和时间T3之间的持续时间，则可设置为Tprop1+Trise。因此，当在移位寄存器414的最右边的D触发器的输出处出现值“1”时，其表示预定持续时间已经过去，并且作为响应，栅极监控电路300通过检查功率开关105的状态和/或通过检查移位寄存器412的值来执行定时测试。
一旦移位寄存器414指示预定的持续时间已经过去，栅极监控电路300检查BIST电路313的定时器(例如，移位寄存器412)是否已停止。这可以通过检查状态信号(例如，325、323、324或321)来实现。例如，对于图2A的接通处理，信号325应该在经过Tprop1的持续时间之后为“1”；并且信号324应该在经过Tprop1+Trise的持续时间之后为“1”。如果触发信号(例如，325或324)在预定持续时间过去之后没有被断言，则功率开关105处于错误状态，并且功率开关105的切换时间大于预定的时间窗。因此，栅极监控电路300报告故障条件，并且可以启动安全状态序列。
如果触发信号(例如，325或324)在预定持续时间过去之后被断言，则栅极监控电路300确定如上所讨论的测量时间跨度。在一些实施例中，栅极监控电路300将测量的时间跨度(例如，Tprop1、Tprop2、Trise或Tfall)与相应的预定时间窗进行比较。如果测量的时间跨度在相应的预定时间窗外，则报告故障条件，和/或例如可通过控制器102开始安全状态序列以使功率控制电路100进入安全状态。在一些实施例中，栅极监控电路300在预定持续时间已经过去之后测量(例如，通过检查信号321、323、324或325)功率开关105的状态，并将功率开关105的测量状态与功率开关105的预期状态进行比较。例如，可通过控制器102提供功率开关105的预期状态，并且可以存储在配置模块311中。当功率开关105的测量状态与功率开关105的预期状态不匹配时，检测到故障条件。
仍然参考图4，AND门415的输出可指示故障条件，其中比较模块331A/331B的输出陷入断言状态(例如，始终输出值“1”)，在这种情况下，移位寄存器412的时钟信号被禁用，并且“1”的值没有向下移位移位寄存器412。因此，只有最左边的D触发器411具有值“1”(例如，由于当栅极控制信号VGCNTL被断言时，值“1”被加载到最左边的D触发器411中)，并且其余的D触发器411具有值“0”。当值“1”出现在移位寄存器414最右边的D触发器的输出处时，AND门415的输出变为“1”，这可用于检测上述故障条件(例如，比较模块331A/331B的输出陷入断言状态)。图4进一步示出了测试模式生成器405，其可被配置为生成已知的测试电压模式(例如，斜坡信号)。测试模式发生器405的输出可用于栅极监控电路300的自测或校准。因此，测试模式生成器405、移位寄存器414和AND门415用作栅极监控电路300的自诊断电路。
实施例可以实现各种优点。例如，每次接通或断开功率开关105时，栅极监控电路300检查功率开关105的状态和/或切换时间(例如，传播时间、上升时间、下降时间)。这允许对故障条件进行实时监控和早期检测，使得可以启动安全协议(例如，安全状态序列)以减轻或防止由故障条件造成的损坏。栅极监控电路300是可编程的，使得电压阈值Va/Vb/Vc和预定时间窗可针对功率开关105的不同类型(例如，MOSFET或IGBT)进行重新配置。这使得使用具有不同类型的功率开关105的预驱动器IC103具有很大的灵活性。通过SPI接口，控制器102可针对不同类型的应用(例如，动力转向或12相起动电机)启动不同的安全状态序列。通过在接通处理期间测量两个不同的时间跨度(例如，Tprop1和Trise)或者在断开处理期间测量Tprop2和Tfall，所公开的方法提供了现有方法更详细的监控和诊断信息。例如，检查测量的传播时间(例如，Tprop1或Tprop2)在预定时间窗内，可用于断言功率控制电路100的静态方面符合规范(例如，驱动电路107存在且功能正常)以及功率开关105适当地连接至驱动电路107。类似地，检查测量的上升时间Trise和下降时间Tfall在相应的预定时间窗内可用于确认功率控制电路100的动态方面符合规范(例如，功率开关105以目标速度正确切换)以及驱动电路107的驱动强度足以以目标速度驱动功率开关105。
图5示出了根据一些实施例的监控晶体管的栅极的方法的流程图。应当理解，图5所示的实施例方法只是许多可能实施例方法的示例。本领域技术人员应理解许多变型、替换和修改。例如，可以添加、删除、替换、重新排列和重复图5所示的各种步骤。
参考图5，在步骤2010中，监控晶体管的栅极电压。例如，晶体管的栅极电压VGS可通过栅极监控电路300监控，例如通过将栅极电压VGS与阈值电压Va、Vb和Vc进行比较。在步骤2020中，基于监控，在栅极控制信号被断言的时刻和晶体管的栅极电压与第一电压阈值交叉的时刻之间测量第一时间差。第一时间差可对应于图2A的传播时间Tprop1，并且第一电压阈值可为图2A的Va。在步骤2030中，基于监控，在晶体管的栅极电压与第一电压阈值交叉的时刻和晶体管的栅极电压与第二电压阈值交叉的时刻之间测量第二时间差。第二时间差可对应于图2A的上升时间Trise，并且第二电压阈值可为图2A的Vb。图2C的实施例电路可用于测量第一时间差和第二时间差。在步骤2040中，确定第一时间差是否落入第一时间窗内以及第二时间差是否落入第二时间窗内。
这里总结了本发明的示例实施例。其他实施例也可以根据本文的说明书和权利要求书的整体来理解。
示例1.在一个实施例中，一种监控晶体管的栅极的方法包括：监控晶体管的栅极电压；基于监控，测量栅极控制信号被断言的时刻和晶体管的栅极电压与第一电压阈值交叉的时刻之间的第一时间差；基于监控，测量晶体管的栅极电压与第一电压阈值交叉的时刻和晶体管的栅极电压与第二电压阈值交叉的时刻之间的第二时间差；以及确定第一时间差是否落入第一时间窗内以及第二时间差是否落入第二时间窗内。
示例2.在示例1的方法中，进一步包括：当第一时间差落在第一时间窗外或者当第二时间差落在第二时间窗外时，断言错误信号。
示例3.在示例2的方法中，进一步包括：当断言错误信号时，禁用耦合至晶体管的栅极的驱动器。
示例4.在示例1的方法中，进一步包括：使用栅极驱动电路，基于栅极控制信号来驱动晶体管的栅极。
示例5.在示例4的方法中，其中第一时间差落入第一时间窗内且第二时间差落入第二时间窗内表明栅极驱动电路和晶体管无故障地运行。
示例6.在示例1的方法中，进一步包括：基于监控，测量栅极控制信号被解除断言的时刻和晶体管的栅极电压与第二电压阈值交叉的时刻之间的第三时间差；基于监控，测量晶体管的栅极电压与第二电压阈值交叉的时刻和晶体管的栅极电压与第一电压阈值交叉的时刻之间的第四时间差；以及确定第三时间差是否落入第三时间窗内以及第四时间差是否落入第四时间窗内。
示例7.在示例1的方法中，其中监控晶体管的栅极电压包括：使用第一比较器，将栅极电压与第一电压阈值进行比较；以及使用第二比较器，将栅极电压与第二电压阈值进行比较。
示例8.在示例7的方法中，其中测量第一时间差包括：当栅极控制信号被断言时激活第一移位寄存器，以及当第一比较器的输出被断言时停用第一移位寄存器；确定第一时间差是否落入第一时间窗内包括：监控第一移位寄存器的状态；测量第二时间差包括：当第一比较器的输出被断言时激活第二移位寄存器，以及当第二比较器的输出被断言时停用第一移位寄存器；并且确定第二时间差是否落入第一时间窗内包括：监控第二移位寄存器的状态。
示例9.在示例7的方法中，其中测量第一时间差包括：当栅极控制信号被断言时启动第一定时器，并且当第一比较器的输出被断言时停止第一定时器；以及测量第二时间差包括：当栅极控制信号被断言时启动第二定时器，当第二比较器的输出被断言时停止第二定时器，并且从第二定时器的输出中减去第一定时器的输出。
示例10.在示例1的方法中，其中第一电压阈值为1.7V，并且第二电压阈值为6.5V。
示例11.在一个实施例中，一种电路包括：栅极监控电路，具有被配置为接收晶体管的栅极电压的第一输入和被配置为接收栅极控制信号的第二输入。栅极监控电路包括：第一比较器，被配置为将晶体管的栅极电压与第一电压阈值进行比较；第二比较器，被配置为将晶体管的栅极电压与第二电压阈值进行比较；以及定时器电路，被配置为测量栅极控制信号被断言的时刻和第一比较器的输出被断言的时刻之间的第一时间差，测量第一比较器的输出被断言的时刻和第二比较器的输出被断言的时刻之间的第二时间差，确定第一时间差是否落入第一时间窗内以及第二时间差是否落入第二时间窗内，以及当第一时间差落在第一时间窗外或者当第二时间差落在第二时间窗外时，生成错误信号。
示例12.在示例11的电路中，进一步包括：栅极驱动电路，具有耦合至栅极监控电路的第一输入的输出以及耦合至栅极监控电路的第二输入的输入。
示例13.在示例12的电路中，其中当错误信号被断言时，栅极驱动电路被配置为禁用。
示例14.在示例12的电路中，进一步包括：具有耦合至栅极驱动电路的输出的栅极的晶体管。
示例15.在示例11的电路中，其中所述定时器电路包括：第一移位寄存器，被配置为当栅极控制信号被断言时被激活，以及当第一比较器的输出被断言时被停用，其中基于第一移位寄存器的状态来确定第一时间差是否落入第一时间窗内；以及第二移位寄存器，被配置为当第一比较器的输出被断言时被激活，并且当第二比较器的输出被断言时被停用，其中基于第二移位寄存器的状态来确定第二时间差是否落入第一时间窗内。
示例16.在示例11的电路中，其中定时器电路包括：第一定时器，被配置为当栅极控制信号被断言时被激活，并且当第一比较器的输出被断言时被停用，其中第一定时器的输出与第一时间差成比例；第二定时器，被配置为当栅极控制信号被断言时被激活，并且当第二比较器的输出被断言时被停用；以及减法电路，具有耦合至第一定时器的输出和第二定时器的输出的输入，其中第二定时器的输出与第二时间差成比例。
示例17.在一个实施例中，一种功率控制集成电路包括：驱动电路，具有被配置为电耦合至功率开关的控制端子的输出端子；以及栅极监控电路，电耦合至驱动电路的输出端子。栅极监控电路包括：第一定时器，被配置为测量第一时间跨度，其中第一时间跨度是驱动电路被接通或断开以驱动功率开关的第一瞬时时刻和驱动电路的输出端子处的控制电压达到第一预定阈值的第二瞬时时刻之间的持续时间；第二定时器，被配置为测量第二时间跨度，其中第二时间跨度是第二瞬时时刻和控制电压达到第二预定阈值的第三瞬时时刻之间的持续时间；以及比较器，被配置为检测控制电压高于第三预定阈值。
示例18.在示例17的功率控制集成电路中，其中第二预定阈值大于第一预定阈值，第三预定阈值大于第二预定阈值，并且其中驱动电路在第一瞬时时刻处开始接通功率开关。
示例19.在示例17的功率控制集成电路中，其中第一预定阈值大于第二预定阈值，第三预定阈值大于第一预定阈值，并且其中驱动电路在第一瞬时时刻处开始断开功率开关。
示例20.在示例17的功率控制集成电路中，其中栅极监控电路被配置为执行状态检查，其中执行状态检查包括：响应于检测到第一时间跨度在第一预定时间窗外，生成第一错误信号；响应于检测到第二时间跨度在第二预定时间窗外，生成第二错误信号；以及响应于检测到控制信号高于第三预定阈值，生成第三错误信号。
示例21.在示例20的功率控制集成电路中，其中每次接通或断开功率开关时均执行状态检查。
示例22.在示例17的功率控制集成电路中，其中栅极监控电路还包括自诊断电路，其中自诊断电路被配置为在功率开关被接通或断开时实时地检测栅极监控电路的故障。
虽然参照说明性实施例描述了本发明，但本说明书并不用于以限制性的意义来解释。本领域技术人员在参考说明书之后将理解说明性实施例以及本发明其他实施例的各种修改和组合。因此，所附权利要求书包括任何这种修改或实施例。

Claims (22)

1.一种监控晶体管的栅极的方法，所述方法包括：
监控所述晶体管的栅极电压；
基于所述监控，测量栅极控制信号被断言的时刻和所述晶体管的所述栅极电压越过第一电压阈值的时刻之间的第一时间差；
基于所述监控，测量所述晶体管的所述栅极电压越过所述第一电压阈值的时刻和所述晶体管的所述栅极电压越过第二电压阈值的时刻之间的第二时间差；以及
确定所述第一时间差是否落入第一时间窗内以及所述第二时间差是否落入第二时间窗内。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：当所述第一时间差落在所述第一时间窗外或者当所述第二时间差落在所述第二时间窗外时，断言错误信号。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括：当断言所述错误信号时，禁用耦合至所述晶体管的所述栅极的驱动器。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括：使用栅极驱动电路，基于所述栅极控制信号来驱动所述晶体管的所述栅极。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述第一时间差落入所述第一时间窗内且所述第二时间差落入所述第二时间窗内表明所述栅极驱动电路和所述晶体管无故障地运行。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括：
基于所述监控，测量所述栅极控制信号被解除断言的时刻和所述晶体管的所述栅极电压越过所述第二电压阈值的时刻之间的第三时间差；
基于所述监控，测量所述晶体管的所述栅极电压越过所述第二电压阈值的时刻和所述晶体管的所述栅极电压越过所述第一电压阈值的时刻之间的第四时间差；以及
确定所述第三时间差是否落入第三时间窗内以及所述第四时间差是否落入第四时间窗内。
7.根据权利要求1所述的方法，其中监控所述晶体管的所述栅极电压包括：
使用第一比较器将所述栅极电压与所述第一电压阈值进行比较；以及
使用第二比较器将所述栅极电压与所述第二电压阈值进行比较。
8.根据权利要求7所述的方法，其中：
测量所述第一时间差包括：当所述栅极控制信号被断言时激活第一移位寄存器，以及当所述第一比较器的输出被断言时停用所述第一移位寄存器；
确定所述第一时间差是否落入所述第一时间窗内包括：监控所述第一移位寄存器的状态；
测量所述第二时间差包括：当所述第一比较器的输出被断言时激活第二移位寄存器，以及当所述第二比较器的输出被断言时停用所述第一移位寄存器；并且
确定所述第二时间差是否落入所述第一时间窗内包括：监控所述第二移位寄存器的状态。
9.根据权利要求7所述的方法，其中：
测量所述第一时间差包括：当所述栅极控制信号被断言时启动第一定时器，并且当所述第一比较器的输出被断言时停止所述第一定时器；以及
测量所述第二时间差包括：当所述栅极控制信号被断言时启动第二定时器，当所述第二比较器的输出被断言时停止所述第二定时器，并且从所述第二定时器的输出中减去所述第一定时器的输出。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一电压阈值为1.7 V，并且所述第二电压阈值为6.5 V。
11.一种电路，包括：
栅极监控电路，具有被配置为接收晶体管的栅极电压的第一输入和被配置为接收栅极控制信号的第二输入，所述栅极监控电路包括：
第一比较器，被配置为将所述晶体管的所述栅极电压与第一电压阈值进行比较；
第二比较器，被配置为将所述晶体管的所述栅极电压与第二电压阈值进行比较；以及
定时器电路，被配置为测量栅极控制信号被断言的时刻和所述第一比较器的输出被断言的时刻之间的第一时间差，
测量所述第一比较器的输出被断言的时刻和所述第二比较器的输出被断言的时刻之间的第二时间差，
确定所述第一时间差是否落入第一时间窗内以及所述第二时间差是否落入第二时间窗内，以及
当所述第一时间差落在所述第一时间窗外或者当所述第二时间差落在所述第二时间窗外时，生成错误信号。
12.根据权利要求11所述的电路，还包括：栅极驱动电路，具有耦合至所述栅极监控电路的所述第一输入的输出以及耦合至所述栅极监控电路的所述第二输入的输入。
13.根据权利要求12所述的电路，其中当所述错误信号被断言时，所述栅极驱动电路被配置为被禁用。
14.根据权利要求12所述的电路，还包括：晶体管，具有耦合至所述栅极驱动电路的输出的栅极。
15.根据权利要求11所述的电路，其中所述定时器电路包括：
第一移位寄存器，被配置为当所述栅极控制信号被断言时被激活以及当所述第一比较器的输出被断言时被停用，其中基于所述第一移位寄存器的状态来确定所述第一时间差是否落入第一时间窗内；以及
第二移位寄存器，被配置为当所述第一比较器的输出被断言时被激活并且当所述第二比较器的输出被断言时被停用，其中基于所述第二移位寄存器的状态来确定所述第二时间差是否落入第一时间窗内。
16.根据权利要求11所述的电路，其中所述定时器电路包括：
第一定时器，被配置为当所述栅极控制信号被断言时被激活并且当所述第一比较器的输出被断言时被停用，其中所述第一定时器的输出与所述第一时间差成比例；
第二定时器，被配置为当所述栅极控制信号被断言时被激活并且当所述第二比较器的输出被断言时被停用；以及
减法电路，具有耦合至所述第一定时器的输出和所述第二定时器的输出的输入，其中所述第二定时器的输出与所述第二时间差成比例。
17.一种功率控制集成电路(IC)，包括：
驱动电路，具有被配置为电耦合至功率开关的控制端子的输出端子；以及
栅极监控电路，电耦合至所述驱动电路的输出端子，所述栅极监控电路包括：
第一定时器，被配置为测量第一时间跨度，其中所述第一时间跨度是所述驱动电路被接通或断开以驱动所述功率开关的第一瞬时时刻和所述驱动电路的输出端子处的控制电压达到第一预定阈值的第二瞬时时刻之间的持续时间；
第二定时器，被配置为测量第二时间跨度，其中所述第二时间跨度是所述第二瞬时时刻和所述控制电压达到第二预定阈值的第三瞬时时刻之间的持续时间；以及
比较器，被配置为检测所述控制电压高于第三预定阈值。
18.根据权利要求17所述的功率控制集成电路，其中所述第二预定阈值大于所述第一预定阈值，所述第三预定阈值大于所述第二预定阈值，并且其中所述驱动电路在所述第一瞬时时刻处开始接通所述功率开关。
19.根据权利要求17所述的功率控制集成电路，其中所述第一预定阈值大于所述第二预定阈值，所述第三预定阈值大于所述第一预定阈值，并且其中所述驱动电路在所述第一瞬时时刻处开始断开所述功率开关。
20.根据权利要求17所述的功率控制集成电路，其中所述栅极监控电路被配置为执行状态检查，其中执行所述状态检查包括：
响应于检测到所述第一时间跨度在第一预定时间窗外，生成第一错误信号；
响应于检测到所述第二时间跨度在第二预定时间窗外，生成第二错误信号；以及
响应于检测到所述控制电压高于所述第三预定阈值，生成第三错误信号。
21.根据权利要求20所述的功率控制集成电路，其中每次接通或断开所述功率开关时均执行所述状态检查。
22.根据权利要求17所述的功率控制集成电路，其中所述栅极监控电路还包括自诊断电路，其中所述自诊断电路被配置为在所述功率开关被接通或断开时实时地检测所述栅极监控电路的故障。
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A Failure-Detection Strategy for IGBT Based on Gate-Voltage Behavior Applied to a Motor Drive System;M. A. Rodríguez-Blanco;《IEEE Transactions on Industrial Electronics》;20110531;第58卷(第5期);P1625-1633 *
基于集电极漏电流的IGBT健康状态监测方法研究;刘宾礼 肖飞 罗毅飞 汪波 熊又星;《电工技术学报》;20170825;第32卷(第16期);183-193 *

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