CN111486875A

CN111486875A - 传感器设备

Info

Publication number: CN111486875A
Application number: CN202010058905.XA
Authority: CN
Inventors: R·M·佩耶夫; T·M·马里诺夫; S·G·盖多夫
Original assignee: Melexis Bulgaria EOOD
Current assignee: Melexis Bulgaria EOOD
Priority date: 2019-01-28
Filing date: 2020-01-19
Publication date: 2020-08-04
Also published as: EP3686558B1; US20200241085A1; US11275129B2; EP3686558A1

Abstract

本发明涉及传感器设备，包括：传感器，该传感器被布置成感测物理量、将物理量转换为电学量并输出表示该电学量的电信号，限压器，该限压器被布置成接收与向传感器设备供电的供应电压相关的输入信号并输出电压信号，电压信号在输入电压超过电压饱和阈值时具有受限的值，电压至电流转换器，该电压至电流转换器被布置成将限压器输出的电压信号转换为第一值的供应电流，由此形成第一供应电流状态，开关，该开关被布置成在第一供应电流状态与至少第二供应电流状态之间切换，其中供应电流基本上独立于供应电压，由此切换由电信号控制，电流生成装置，该电流生成装置被布置成提供具有预定第二值的供应电流以形成第二供应电流状态。

Description

传感器设备

技术领域

本发明总体上涉及传感器设备的领域，并且更具体地涉及二线式传感器设备的领域。

背景技术

二线式传感器仅具有(如名称所指示的)两条线来连接电源并传导测量信号。在一些二线式传感器设备中，设备输出端处的供应电流值中的一个与供应电压成比例，因此功耗(power dissipation)随供应电压二次方地上升。这可能容易导致过热、传感器设备可靠性变差(减少寿命)和/或永久性损坏。

这个众所周知的问题过去已经被解决。已经提出了解决方案，其中，当输出电流达到给定的最大输出电流时，进行钳位(clamping)功能，并且随着输入电压的增加，电流驱动器的输出电流在最大所选择的输出电流下基本保持恒定。该解决方案的重要缺点是需要测量/感测输出电流，这导致附加的设备复杂性和/或芯片面积。

因此，需要一种在其中避免了执行输出电流测量的需求的传感器设备。

发明内容

本发明的实施例的目的是提供一种传感器设备，在该传感器设备中在不需要附加电流测量的情况下避免了过度的功耗。

上述目的通过根据本发明的解决方案来完成。

在第一方面中，本发明涉及一种传感器设备，该传感器设备包括：

传感器，该传感器被布置成用于感测物理量、用于将所述物理量转换为电学量、并且用于输出表示所述电学量的电信号，

限压器，该限压器被布置成用于接收与供应电压相关的输入信号并且用于输出电压信号，如果所述输入电压超过电压饱和阈值，则所述电压信号具有受限的值，

电压至电流转换器，该电压至电流转换器被布置成用于将由所述限压器输出的所述电压信号转换为第一值的供应电流，由此形成第一供应电流状态，

开关，该开关被布置成用于在所述第一供应电流状态与至少第二供应电流状态之间切换，其中基本上独立于所述供应电压的具有预定第二值的供应电流被提供，其中切换是由所述电信号控制的。

所提出的解决方案确实允许将功耗保持在控制下。只要传感器电信号保持低于某个切换阈值水平，就施加预定固定值的电流。一旦从传感器输出的电信号达到或超过切换阈值水平，传感器的电信号就会使开关改变到第二供应电流状态，其中根据从对其施加供应电压或从供应电压导出的电压信号的限压器中出来的电压来输出电流。如果所施加的电压低于电压饱和阈值，则限压器向电压至电流转换器输出与供应电压成比例的电压。高于所述电压饱和阈值时，限压器限制所施加的电压并输出基本上独立于所述供应电压的受限的电压信号。因此，“基本上独立”应被解释为与供应电压没有特定关系。以此方式，在所有情况下，在传感器设备输出端处的电流信号都保持在可接受的水平。

在优选实施例中，传感器设备包括电流源，该电流源被布置成用于提供具有所述预定第二值的供应电流以形成第二供应电流状态。

在优选实施例中，开关被布置成用于在电信号不超过切换阈值时切换到第二供应电流状态，并且用于在电信号超过切换阈值时切换到第一供应电流状态。

优选地，传感器设备包括电流放大器，该电流放大器被布置成经由开关被供应有电流信号并且用于输出经放大的电流信号。

有利地，限压器的电压饱和阈值是可编程的。

限压器对于低于电压饱和阈值的输入电压通常具有基本上线性的特性。

在本发明的实施例中，在输入电压已经被限压器限制的情况下，第一值的供应电流是固定值。

在优选实施例中，供应电流的第一值和/或第二值是可编程的。

有利地，传感器设备包括热保护装置。

在一个实施例中，传感器设备包括多于一个开关，并且该传感器设备被布置成用于提供基本上独立于所述供应电压的至少一个附加供应电流。

在某些实施例中，传感器设备是二线式传感器设备。在其他实施例中，传感器设备是霍尔传感器设备。

在实施例中，传感器是磁传感器，例如磁阻传感器或感应传感器。

优选地，传感器设备被实现为集成电路。

在另一方面中，本发明涉及一种如前所述的传感器设备和控制器设备。

在优选实施例中，控制器设备被布置成用于将控制信号发送到传感器设备以修改第一值和/或第二值。

在实施例中，控制器设备被布置成用于在检测到诊断故障时发送所述控制信号。

出于对本发明以及超出现有技术所实现的优势加以总结的目的，上文已描述了本发明的某些目的和优势。当然，应理解，不一定所有此类目的或优势都可根据本发明的任何特定实施例来实现。因此，例如，本领域的技术人员将认识到，本发明可按实现或优化如本文中所教导的一个优势或一组优势的方式来具体化或执行，而不一定实现如本文中可能教导或建议的其他目的或优势。

根据本文以下描述的(多个)实施例，本发明的上述和其他方面将是显而易见的，并且将参考本文以下描述的(多个)实施例来阐明本发明的上述和其他方面。

附图说明

作为示例，现在将参考附图进一步描述本发明，附图中相同的附图标记指代各附图中的相同的要素。

图1图示了根据本发明的传感器设备的实施例的框图。

图2图示了实现磁滞的本发明的实施例的电流输出相对于磁场的关系。

图3图示了包括热保护和/或诊断装置的本发明的实施例。

图4图示了包括传感器设备和控制器设备的系统。

具体实施方式

将就特定实施例并且参考某些附图来描述本发明，但是本发明不限于此，而仅由权利要求书来限定。

此外，说明书中和权利要求中的术语第一、第二等等用于在类似的要素之间进行区分，并且不一定用于在时间上、在空间上、以排名或以任何其他方式来描述顺序。应当理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的并且本文中所描述的本发明的实施例能够以与本文中所描述或图示的不同的顺序来进行操作。

应当注意，权利要求中使用的术语“包括”不应被解释为被限定于其后列出的手段；它并不排除其他要素或步骤。因此，该术语应被解释为指定如所提到的所陈述的特征、整数、步骤或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤或组件、或其群组的存在或添加。因此，表述“一种包括装置A和B的设备”的范围不应当被限定于仅由组件A和B构成的设备。这意味着对于本发明，设备的仅有的相关组件是A和B。

贯穿本说明书对“一个实施例”或“实施例”的引用意指结合该实施例描述的特定的特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”贯穿本说明书在各个地方的出现并不一定全部指代同一实施例，而是可以指代同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，如通过本公开对本领域普通技术人员将显而易见的那样，特定的特征、结构或特性能以任何合适的方式进行组合。

类似地，应当领会，在本发明的示例性实施例的描述中，出于精简本公开和辅助理解各个发明性方面中的一个或多个的目的，本发明的各个特征有时被一起编组在单个实施例、附图或其描述中。然而，这种公开的方法不应被解释为反映所要求保护的本发明需要比在每项权利要求中所明确记载的更多的特征的意图。相反，如所附权利要求所反映，发明性方面存在于比单个前述公开的实施例的全部特征更少的特征中。因此，具体实施方式之后所附的权利要求由此被明确纳入本具体实施方式中，其中每一项权利要求本身代表本发明的单独实施例。

此外，尽管本文中所描述的一些实施例包括其他实施例中所包括的一些特征但不包括其他实施例中所包括的其他特征，但是如本领域技术人员将理解的那样，不同实施例的特征的组合旨在落在本发明的范围内，并且形成不同实施例。例如，在所附的权利要求书中，所要求保护的实施例中的任何实施例均能以任何组合来使用。

应当注意的是，在描述本发明的某些特征或方面时对特定术语的使用不应当被视为暗示该术语在本文中被重新定义成被限定为包括与该术语相关联的本发明的特征或方面的任何特定特性。

在本文中所提供的描述中，阐述了众多具体细节。然而应当理解，在没有这些具体细节的情况下也可实施本发明的实施例。在其他实例中，公知的方法、结构和技术未被详细示出，以免混淆对本描述的理解。

本发明涉及解决功耗的问题，该功耗的问题尤其在具有电阻性的输出电流相对于供应电压特性的二线式传感器设备中发生。提出了一种传感器设备，该传感器设备操作简单、需要很少的面积、并且提供了一种在无需测量供应电流的情况下限制电源功耗的有效的解决方案。

图1中公开了根据本发明的一个实施例的传感器设备。传感器设备(1)包括传感器(3)。传感器将物理量转换成模拟电学量。图1中的传感器可以是霍尔传感器或另一磁传感器、压力传感器或任何其他物理量传感器。尽管包含要在传感器中转换的物理量的输入信号通常表示压力、温度或磁场，但是其他类型的物理信号也可以用作对本发明的传感器设备的输入。

通常，由传感器输出的电信号太小而不能被直接使用。因此，包含从传感器接收的电学量的信号通常在信号放大器中被放大以获得更有用的信号。在许多实施例中，本发明的传感器设备包括此类信号放大器。信号放大器可以是斩波的。在一个实施例中，信号放大器是差分放大器。它可以是仪表放大器。

现在进一步描述图1的方案。传感器(3)可能通过调节器(未示出)而被供应有电压V_供应。在本发明的传感器设备中，供应电流状态取决于感测到的物理量而改变。注意的是，供应电流是二线式传感器设备的输出电流，任选地是在由电流放大器放大之后的输出电流。

只要发现由传感器输出并与感测到的物理量(例如，感测到的磁场)相对应的电信号低于某个切换阈值(即参考水平)，就由电流源(6)提供供应电流，该电流源(6)生成预定值的电流I1。这是传感器设备的一种操作状态。然而，如果与感测到的物理量(例如磁场)等效的电信号高于该切换阈值，则经由包括限压器(4)和电压至电流转换器(5)的路径提供输出电流。这是传感器设备的另一种操作状态。只要输入电压V_供应不超过电压饱和阈值水平，则输出电流I2与等于V_供应或从V_供应导出(V_供应的一部分)的输入电压成比例。一旦供应电压超过此电压饱和阈值水平，则限压器(4)输出固定电压，而不是跟随增加的供应电压。本发明中提出的创新是提供所述限压器(4)，该限压器(4)在其输入端处接收供应电压引脚。这允许在供应电压增加到超过电压饱和阈值水平时避免过度的功耗。实际上，限压器跟随输入供应电压直到达到所述电压阈值水平，在这之后限压器输出的电压信号不再跟随输入，并保持在固定的电压水平。接下来将输出电压信号施加到电压至电流转换器(5)，该电压至电流转换器(5)表现出“电阻性行为”：只要电压至电流转换器的输入(即限压器的输出信号)不是饱和的，电压与电流之间就存在线性关系。对于超过限压器的饱和点(电压阈值水平)的电压，电压至电流转换器不再显示“电阻性行为”：只要电压至电流转换器的输入(即限压器的输出信号)是饱和的，其输出电流I2也是饱和的。

因此，开关(7)的状态取决于传感器状态而改变。该开关由来自传感器(3)的电信号控制，并允许在来自电流源(6)的电流信号I1与由电压至电流转换器(5)输出的电流信号I2之间切换。注意的是，尽管在图1中使用了电流源，但可使用其他选项(例如，电流放大器、电流倍增器、电流缓冲器、电流镜、分流器、电流分配器等)生成基本上独立于供应电压的某个值的供应电流。实际上，关键点是要产生基本上独立于供应电压(即，在很大程度上、主要与供应电压无关)的供应电流。随后，只要供应电压保持在可接受的水平，就可以使用该供应电流状态。仅当超过某个阈值时，一种供应电流状态才会切换到另一种供应电流状态。

在一些实施例中，只要与感测到的磁场相对应的电信号保持低于阈值水平，供应电流就来自产生预定值的电流I1的电流源(6)。在其他实施例中，可以有利地利用磁滞。图2提供了图示。在图2中实现了由磁滞分开的两个磁切换阈值B1和B2而不是单个阈值。以此方式，当施加的磁场接近切换阈值时，避免了由于噪声引起的切换。B1和B2可以都为正、可以都为负或可以具有不同的符号。在其他实施例中，电流水平与通量密度之间的关系可以与图2中所图示的关系不同，例如当磁场高于磁切换阈值B2时，供应电流切换到I1，并且当磁场低于磁性切换阈值B1时，供应电流切换到I2。如图中所图示，输出电流可能取决于供应电压：两个不同的I2值与不同的供应电压V1和V2相对应。

在本发明的实施例中，传感器设备包括一个或多个附加的磁切换阈值，以便实现更复杂的切换功能，例如，磁切换功能。此类更复杂的功能可以是例如包括四个磁切换阈值的全极(omnipolar)切换功能。在本发明的实施例中，传感器设备包括两个或更多个传感器。

在一些实施例中，开关可以是包括一个或多个附加开关的复杂块，和/或该开关可适于还提供求和功能。例如，开关可以被布置成用于在来自电流源的电流信号I1与来自电流源的电流信号I1同由电压至电流转换器输出的电流信号I2之和之间切换。因此，然后该开关在一种状态下提供I1，并且在另一种状态下提供I1+I2。

在所提出的传感器设备的实施例中，可以使用由传感器设备的内部块消耗的电流I0(固有的供应电流消耗)来代替(即，替代或表示)来自电流源的电流信号的全部或部分。例如，假设电流放大是可用的(其中因数为k)，传感器设备提供的总供应电流(也是输出电流)在一种状态下为k*I1+I0，并且在另一种状态下为(k*I1+I0+k*I2)。

在本发明的一些实施例中，传感器设备包括一个或多个附加的供应电流源和/或一个或多个附加的电压至电流转换器，并且开关适于允许在它们之间进行切换。该开关还可以适于在切换过程期间不仅允许使用输入信号，而且还允许使用这些信号的总和或这些信号中的一些信号的总和。

在优选的实施例中，传感器设备包括电流放大器，该电流放大器在一个开关的位置从电流源(6)接收其输入和/或在另一开关位置接收由电压至电流转换器(5)输出的电流信号。电流放大器可以是例如电流镜。电流放大器的输出端被连接在供应电压引脚V_供应与接地引脚GND之间。

在本发明的实施例中，电流放大器被布置成取决于哪个信号被连接到其输入端而实现不同的放大因数。例如，假设电流镜被用作电流放大器，则电流镜比与开关(7)一起被切换。作为另一示例，假设电流放大是可用的(其中对于I1因数为k1并且对于I1+I2因数为k2)，由传感器设备提供的总供应电流(也是输出电流)在一种状态下为k1*I1+I0，并且在另一种状态下为k2*(I1+I2)+I0。在本发明的一些实施例中，传感器设备包括连接在电流源(6)与开关(7)和/或电压至电流转换器(5)与开关(7)之间的一个或多个电流放大器。例如，假设电流放大是可用的(其中对于I1因数为k1并且对于I2因数为k2)，由传感器设备提供的总供应电流(也是输出电流)在一种状态下为k1*I1+I0，并且在另一种状态下为(k1*I1+k2*I2+I0)。

在本发明的实施例中，传感器设备还包括其他适当的模拟信号、数字信号或混合信号处理装置，类似于例如信号整形装置、信号转换装置、信号变换装置、信号移位装置等。

在本发明的实施例中，传感器包括热保护装置。图3图示了包括热保护装置的实施例。当此热保护装置指示结温由于例如增加的功耗而增加到高于某个预定义的阈值时，从热保护装置输出的信号(优先于传感器(3)输出的信号)使开关改变为与所有可用电流中的最低电流相对应的状态。热保护装置可以附加地影响电流源(减小电流源或切断由电流源提供的电流的全部或部分)和/或热保护装置还可以使开关改变到具有较低值的不同电流源，其中输出较低的供应电流，该较低的供应电流例如显著低于最低正常供应电流值。热保护装置还可以切断某些内部传感器设备块，从而导致供应电流的进一步降低。在本发明的实施例中，热保护装置可以基于接收到的信息执行仅一个动作或动作的任何合适的组合。

在本发明的实施例中，传感器设备可以包括一个或多个诊断块(见图3)。此类诊断块的目的是，例如，检查内部信号(模拟或数字信号、电压信号、电流信号、定时信号、表示内部传感器状态的信号等)是否在正常操作范围内。诊断块可以检查内部块是否按预期操作。在诊断故障的情况下，传感器设备可以采取适当的措施和/或将信号发送到系统中的外部设备，例如电子控制单元。

在一方面中，本发明在还涉及包括如前所述的传感器设备的系统。该系统进一步包括控制器设备(11)。图4提供了图示。控制器设备(例如被实现为车辆中的电子控制单元(ECU))通过测量电阻器Rs上的电压降来测量通过传感器的供应电流。可以从ECU(微控制器单元MCU的引脚1)或从外部电压源(在图上用虚线示出)通过电阻器Rs提供供应电压V_供应。ECU还可以控制此外部电压源。在从外部电压源提供供应电压V_供应的实施例中，ECU仅测量电阻器Rs(引脚1和引脚2)上的电压降。

在本发明的某些实施例中，控制器设备(11)可以将控制信号发送到传感器设备，以修改传感器设备的第一值和/或所述第二值、参数或功能，或者改变传感器设备的操作模式。在一个实施例中，控制信号可以用于开始/停止诊断周期。在某些实施例中，控制信号可以经由单独的线被发送到传感器设备。在其他实施例中，可以通过将不同的供应电压发送到传感器设备来发送控制信号，然后该传感器设备适于识别这些供应电压变化。

在本发明的实施例中，控制器设备(11)被布置用于基于已经观察到的诊断故障来生成控制信号。控制器设备(例如被实现为车辆中的电子控制单元(ECU))通过测量电阻器(Rs)上的电压降来测量通过传感器的供应电流。第一供应电流状态具有在预定义范围内的值。范围上限和范围下限可取决于供应电压。第二供应电流状态具有在预定义范围内的值。在某些情况下，范围上限和范围下限可以独立于供应电压。以此方式，由传感器设备生成的供应电流信号在正常操作期间在一个或多个预定义范围内。当观察到所生成的供应电流在任何正常操作范围限制之外，例如显著地低于最低正常供应电流限制时，则存在诊断故障。

在一些实施例中，能以与处理热保护装置信号相同或类似的方式来处理由传感器设备的一个或多个诊断块检测到的诊断故障。例如，热保护装置的输出导致与诊断块输出相同或相似的效果(即，使供应电流减小)从而使得供应电流在任何正常操作范围限制之外，例如，显著低于最低正常供应电流限制。

在本发明的实施例中，可以在传感器设备中实现安全措施。传感器设备可包括提供所需的诊断覆盖范围以满足功能安全要求的一个或多个诊断块。传感器设备可以被布置成用于将与有关功能安全的诊断故障相关的信息发送到控制器设备，并且控制器设备可以适于接收所述信息并采取适当的动作。

尽管已经在附图和前面的描述中详细地说明并描述了本发明，但是此类说明和描述被认为是说明性或示例性的，而非限制性的。前面的描述详述了本发明的某些实施例。然而，将会理解，不管以上在文本中显得如何详细，本发明都能以许多方式实现。本发明不限于所公开的实施例。

通过研究附图、本公开和所附权利要求，可由本领域技术人员在实施要求保护的本发明时理解和实现所公开实施例的其他变型。在权利要求中，单词“包括”不排除其他要素或步骤，并且不定冠词“一(a或an)”不排除复数。单个处理器或其他单元可实现权利要求书中所记载的若干项的功能。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的纯粹事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。计算机程序可被存储/分布在合适的介质(诸如，与其他硬件一起或作为其他硬件的一部分而被供应的光学存储介质或固态介质)上，但也能以其他形式(诸如，经由因特网或者其他有线或无线电信系统)来分布。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。

Claims

1.一种传感器设备，包括：

传感器，所述传感器被布置成用于感测物理量、用于将所述物理量转换为电学量、并且用于输出表示所述电学量的电信号，

限压器，所述限压器被布置成用于接收与向所述传感器设备供电的供应电压相关的输入信号并且用于输出电压信号，所述电压信号在所述输入电压超过电压饱和阈值时具有受限的值，

电压至电流转换器，所述电压至电流转换器被布置成用于将所述限压器输出的所述电压信号转换为第一值的供应电流，由此形成第一供应电流状态，

开关，所述开关被布置成用于在所述第一供应电流状态与至少第二供应电流状态之间切换，其中基本上独立于所述供应电压的具有预定第二值的供应电流被提供，其中所述切换是由所述电信号控制的，以及

电流生成装置，所述电流生成装置被布置成用于提供具有所述预定第二值的所述供应电流以形成所述第二供应电流状态。

2.如权利要求1所述的传感器设备，包括电流源，所述电流源被布置成用于提供具有所述预定第二值的所述供应电流以形成所述第二供应电流状态。

3.如权利要求1所述的传感器设备，其特征在于，所述开关被布置成用于在所述电信号不超过切换阈值时切换到所述第二供应电流状态，并且用于在所述电信号超过所述切换阈值时切换到所述第一供应电流状态。

4.如权利要求1所述的传感器设备，其特征在于，所述开关被布置成用于在所述第一供应电流状态下使具有所述第二值的所述供应电流与具有所述第一值的所述供应电流相加。

5.如权利要求1所述的传感器设备，包括电流放大器，所述电流放大器被布置成经由所述开关被供应有电流信号并且用于输出经放大的电流信号。

6.如权利要求1所述的传感器设备，其特征在于，所述限压器的所述电压饱和阈值是能编程的，和/或其中，所述供应电流的所述第一值和/或所述第二值是能编程的。

7.如权利要求1所述的传感器设备，其特征在于，所述限压器对于低于所述电压饱和阈值的输入电压具有线性特性。

8.如权利要求1所述的传感器设备，其特征在于，在所述电压信号已经被所述限压器限制的情况下，具有所述第一值的所述供应电流是固定值。

9.如权利要求1所述的传感器设备，包括热保护装置。

10.如权利要求1所述的传感器设备，包括多于一个开关，并且所述传感器设备被布置成用于提供基本上独立于所述供应电压的至少一个附加供应电流。

11.如权利要求1所述的传感器设备，所述传感器设备是二线式传感器设备或霍尔传感器设备。

12.一种系统，包括如权利要求1所述的传感器设备并且包括控制器设备。

13.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述传感器设备被布置成用于将与诊断故障相关的信息发送到所述控制器设备，并且其中，所述控制器设备适于接收所述信息并且适于根据所接收到的信息采取动作。

14.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述控制器设备被布置成用于将控制信号发送到所述传感器设备以修改所述第一值和/或所述第二值。

15.如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述控制器设备被布置成用于在检测到诊断故障时发送所述控制信号。