CN111835352A - 模数转换器的开路引脚检测 - Google Patents

模数转换器的开路引脚检测 Download PDF

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Abstract

本发明的实施例总体上涉及模数转换器的开路引脚检测的方法。一种方法包括：向集成电路的输入引脚施加电流；以及使用∑‑Δ调制器将输入引脚处的模拟信号转换为数字流；将数字流转换为第一数字输出信号，该第一数字输出信号与第一模拟信号值和第二模拟信号值之间的第一输入范围内的模拟信号成比例，其中第一输入范围对应于模拟信号的预先确定的范围，该预先确定的范围小于模拟信号的满量程输入范围；将数字流转换为第二输出信号；将第二输出信号与第一阈值进行比较，该第一阈值对应于第一输入范围之外的输入引脚处的第三模拟信号值；以及当第二输出信号越过第一阈值时，提供输入引脚处的开路状况的指示。

Description

模数转换器的开路引脚检测
技术领域
本发明的实施例总体上涉及模数转换器(ADC)电路，更具体地涉及模数转换器电路中的开路引脚状况的检测系统和方法。
背景技术
诸如三相电动机之类的AC电动机在诸如汽车、工业和HVAC(暖气，通风调节器和空调)之类的应用中越来越受欢迎。通过用电子设备代替传统电动机中使用的机械换向器，可以提高可靠性，改善耐用性，并且减小形状因子。作为示例，AC电动机的附加优点包括更好的速度-转矩特点、更快的动态响应、以及更大的速度范围。通常，AC电动机(例如，三相电动机)具有生成脉冲宽度调制(PWM)信号的控制器，该脉冲宽度调制(PWM)信号用于产生用于耦合到电动机的不同相位的功率开关的驱动信号。这些PWM信号可以确定向电动机线圈供应的平均电压和平均电流，从而控制电动机速度和转矩。
对于AC电动机的闭环控制，可以例如经由反馈路径向电动机系统的控制器提供电动机的状态。例如，对三相电动机的相位电流进行测量，并且测量值发送到控制器，该控制器根据相位电流的测量值生成PWM控制信号。在电动机控制应用中，模数转换器(ADC)通常用于将模拟信号(例如，三相电动机的每个相位中的相位电流)转换为数字数据。
发明内容
根据实施例，一种方法包括：向集成电路的输入引脚施加电流；使用∑-Δ调制器将输入引脚处的模拟信号转换为数字流；使用抽取滤波器将数字流转换为第一数字输出信号，其中第一数字输出信号与在第一模拟信号值和第二模拟信号值之间的第一输入范围内的输入引脚处的模拟信号成比例，其中第一输入范围对应于模拟信号的预先确定的范围，该预先确定的范围小于模拟信号的满量程输入范围；将数字流转换为第二输出信号；将第二输出信号与第一阈值进行比较，其中第一阈值对应于第一输入范围之外的输入引脚处的模拟信号的第三模拟信号值；以及当第二输出信号越过第一阈值时，提供输入引脚处的开路状况的指示。
根据实施例，一种集成电路包括引脚偏置电路，其被配置为向集成电路的输入引脚提供电流；以及∑-Δ调制器，其具有耦合到输入引脚的输入；抽取滤波器，其耦合到∑-Δ调制器的输出并且被配置为提供第一数字输出信号，该第一数字输出信号与第一模拟信号值与第二模拟信号值之间的第一输入范围内的输入引脚处的模拟信号成比例，其中第一输入范围对应于模拟信号的预先确定的范围，该预先确定的范围小于模拟信号的满量程输入范围；以及开路引脚检测电路，其耦合到∑-Δ调制器的输出，该开路引脚检测电路被配置为将∑-Δ调制器的输出转换为第二输出信号；将第二输出信号与第一阈值进行比较，其中第一阈值对应于第一输入范围之外的输入引脚处的模拟信号的第三模拟信号值；以及当第二输出信号越过第一阈值时，提供输入引脚处的开路状况的指示。
根据实施例，一种模数转换器电路包括第一输入端子和第二输入端子；∑-Δ调制器，其耦合到第一输入端子和第二输入端子并且被配置为将第一输入端子与第二输入端子之间的电压转换为一位数据流；上拉电路，其被配置为耦合在电源节点与第一输入端子和第二输入端子之间，并且当第一输入端子保持开路时，将第一输入端子处的第一电压拉至高于预先确定的电压阈值的第一电压值，或当第二输入端子保持开路时，将第二输入端子处的第二电压拉至第一电压值，其中预先确定的电压阈值以预先确定的百分比小于∑-Δ调制器的满量程输入电压；第一低通滤波器，其耦合到∑-Δ调制器的输出并且被配置为在模数转换器电路的输出处将一位数据流转换为第一多位数据流；以及开路引脚检测电路，其耦合到∑-Δ调制器的输出并且被配置为使用一位数据流来检测第一输入端子与第二输入端子之间的电压高于预先确定的电压阈值。
附图说明
在附图和下文的描述中对本发明的一个或多个实施例的细节进行了阐述。根据说明书和附图以及权利要求书，本发明的其他特征、目的和优点将变得明显。在附图中，除非另有说明，否则不同附图中的相同或相似的附图标记通常是指相同的组成部分，为了简洁起见，通常不对其进行重新描述。为了更全面地理解本发明，现在参考以下结合附图的描述，其中：
图1图示了根据实施例的三相电动机系统的示意图；
图2图示了根据另一实施例的三相电动机系统的示意图；
图3图示了根据实施例的具有开路引脚检测电路的模数转换器(ADC)电路的框图；
图4图示了根据实施例的∑-ΔADC电路的框图；
图5图示了根据实施例的图3的开路引脚检测电路的抽取滤波器的框图；
图6图示了根据一些实施例的ADC输出的信噪失真比(SDNR)与输入信号范围的关系。
图7图示了根据实施例的ADC电路的输出与模拟输入的关系；
图8图示了根据另一实施例的具有开路引脚检测电路的模数转换器(ADC)电路的框图；
图9图示了根据又一实施例的具有开路引脚检测电路的模数转换器(ADC)电路的框图；以及
图10图示了根据一些实施例的操作ADC电路的方法的流程图。
具体实施方式
下文对当前优选实施例的制造和使用进行详细讨论。然而，应当领会，本发明提供了许多可应用的发明构思，其可以在广泛多种特定环境中体现。所讨论的特定实施例仅说明制造和使用本发明的特定方式，并不限制本发明的范围。
在特定环境中关于示例性实施例而对本发明进行描述，即，模数转换器(ADC)电路的开路引脚状况的检测。在一些实施例中，ADC电路包括∑-ΔADC电路和开路引脚检测电路。ADC电路的输入端口除了连接到模拟输入信号之外，还连接到上拉电路。∑-ΔADC电路的∑-Δ调制器将输入模拟信号转换为一位数据流，该一位数据流然后通过∑-ΔADC电路的抽取滤波器转换为多位数据。开路引脚检测电路使用一位数据流形成对输入模拟信号的值(例如，电压值)的估计，并且将该估计与预先确定的阈值进行比较。在所图示的实施例中，模拟输入信号的值在预先确定的范围内，该预先确定的范围小于ADC电路的满量程输入范围。当输入端口处存在开路引脚状况时(例如，模拟输入信号与输入端口断开)，上拉电路将ADC电路的输入端口处的电压上拉至预先确定的范围之外的电压值。开路引脚检测电路通过检测模拟信号的估计越过预先确定的阈值来检测开路引脚状况。
参考图1，电动机系统100包括AC电动机101(例如，三相电动机)，该AC电动机101经由三个半桥连接到电源Vsup(被图示为电容器Cs两端的电压Vsup)。三个半桥中的每个半桥均包括串联耦合的高侧开关(例如，Tha，Thb或Thc)与低侧开关(例如，Tla，TLb或Tlc)，其中高侧开关耦合到电源Vsup的较高电位端子，而低侧开关耦合到电源的较低电位端子。例如，第一半桥包括串联耦合的高侧开关Tha与低侧开关Tla。在第一半桥中，高侧开关Tha的栅极耦合到栅极驱动器GDha的输出，高侧开关Tha的漏极端子耦合到电源Vsup，而高侧开关Tha的源极端子耦合到低侧开关Tla的漏极端子。低侧开关Tla的栅极耦合到栅极驱动器GDla的输出，而低侧开关Tla的源极经由分流电阻器Ra耦合到较低电位端子(例如，电接地)。高侧开关Tha的源极端子在节点Pa处与低侧开关Tla的漏极端子相连，该节点Pa也称为相位节点Pa。第二半桥和第三半桥的拓扑结构与第一半桥的拓扑结构相似，因此本文中不再重复。如图1所示，AC电动机101的三个相位经由三个导电路径(例如，电线)110，120和130分别耦合到相位节点Pa，Pb和Pc。
AC电动机101可以是任何种类的多相(例如，多于三个相位)电动机，并且三相电动机仅是示例。AC电动机101可以是同步电动机、感应电动机、开关磁阻电动机等。所公开的实施例使用三相电动机作为示例，其中应当理解，还可以使用其他类型的AC电动机，并且这些类型的AC电动机在本公开的范围之内。
如图1所示，分流电阻器Ra两端的分流电压Va、分流电阻器Rb两端的分流电压Vb、以及分流电阻器Rc两端的分流电压Vc发送到ADC模块140，并且转换为数字值。ADC模块140可以包括一个或多个合适的模数转换器。例如，ADC模块140可以具有三个∑-ΔADC，其中三个∑-ΔADC中的每个∑-ΔADC将输入模拟信号(例如，分流电压Va，Vb和Vc)中的一个输入模拟信号转换为数字值。ADC模块140的输出代表输入模拟信号(例如，Va，Vb和Vc)的测量值，这些测量值经由数据路径143发送到PWM模块150。在一些实施例中，数据路径143是多位数据路径。PWM模块150通过生成PWM脉冲(也称为PWM控制信号(例如，PWMha，PWMlb，PWMhb，PWMlb，PWMhc和PWMlc))来控制AC电动机101的操作，这些PWM脉冲控制高侧开关(例如，Tha，Thb和Thc)和低侧开关(例如Tla，Tlb和Tlc)的操作，而该高侧开关和低侧开关又控制供应给AC电动机101的电压和/或电流。PWM模块150所生成的PWM脉冲可以由栅极驱动器(例如，GDha，GDla，GDhb，GDlb，GDhc，GDlc)缓冲，并且栅极驱动器的输出用于驱动高侧开关和低侧开关。作为示例，PWM模块150可以是或包括用于电动机控制的微处理器、微控制器、专用集成电路(ASIC)。在一些实施例中，PWM模块150例如通过监测由ADC模块140供应的分流电压Va，Vb和Vc的测量值来监测AC电动机101的状态，并且生成PWM脉冲以控制AC电动机101的操作。
在图1的示例中，高侧开关Tha，Thb和Thc以及低侧开关Tla，Tlb和Tlc被图示为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。还可以使用其他合适的功率开关，诸如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。具有三个半桥的电动机系统100仅是示例，还可以使用用于多相电动机系统的其他拓扑结构。
本文中所公开的信号采集系统(例如，模数转换系统)中的开路引脚检测原理可以被应用于除电动机控制应用之外的其他应用，诸如独立ADC系统或用于除电动机控制应用之外的其他应用中的ADC系统。另外，在本公开的实施例中，三个模拟输入信号(例如，三个分流电压)并行转换为数字值，本领域技术人员应当领会，本文中所公开的信号采集系统和方法可以用于任何数目的模拟输入信号，例如，少于或多于三个模拟输入信号。此外，对于三相电动机系统(例如，电动机系统100)，由于第三相位电流可以例如使用基尔霍夫定律(Kirchhoff’s law)来计算，所以可以仅测量来自半桥中的两个半桥的相位电流。
仍然参考图1，当对应的低侧开关激活(例如，导通)并且相位电流流过分流电阻器时，每个相位电流通过将对应分流电压转换为数字值来测量。例如，为了测量相位电流Ia，当低侧开关Tla激活(例如，晶体管Tla导通)时，测量分流电阻器Ra两端的分流电压Va。在图1的示例中，分流电阻器Ra，Rb和Rc位于低侧电流路径中(例如，低侧开关与基准电压电平(诸如电接地)之间)，因此当低侧开关激活时，相位电流流过分流电阻器。技术人员应当领会，分流电阻器可以位于高侧电流路径中(例如，高侧开关与电源Vsup之间)，在这种情况下，当高侧开关激活(例如，接通)时，可以测量相位电流。在又一实施例中，如图2的电动机系统100A所示，分流电阻器位于相位节点Pa，Pb，Pc与AC电动机101之间的导电路径110/120/130中。
如上文所描述的，对于AC电动机101的闭环控制，PWM模块150可以使用由ADC模块140提供的分流电压Va，Vb和Vc的实时数据。然而，如果ADC模块140的输入端口处的模拟输入例如由于ADC模块140与分流电阻器之间的错误连接而导致断开(也称为开路引脚状况或开路状况)，则ADC模块140不再反映分流电压，并且PWM模块150可以生成用于AC电动机101的不正确的控制信号。如果没有快速检测到开路引脚状况并且不能快速发起误差减轻程序(例如，紧急关机程序)，可能会损坏电动机系统。因此，有利的是在ADC电路正在操作的同时，ADC电路能够实时检测开路引脚状况，使得可以避免损坏电动机系统，并且可以及时进行实施开路引脚状况的修理工作。具有实时进行开路引脚检测的能力的另一优点如下：无需停止电动机系统100的正常操作，使得可以进入测试模式以检查开路引脚状况。
图3图示了根据实施例中的具有开路引脚检测电路的模数转换器(ADC)电路200的框图。应当指出，为了说明ADC电路200和外部电路之间的连接，图3还图示了外部部件600(例如，分流电阻器、板、传感器等)以及将外部部件600耦合到ADC电路200的键合线611，该外部部件600和键合线611都不是ADC电路200的一部分。在一些实施例中，ADC电路200用于测量电动机系统100或100A中分流电阻器两端的分流电压。例如，图1(或图2)中的ADC模块140可以包括ADC电路200的三个实例，其中ADC电路200的每个实例用于测量相应的分流电压。
如图3所示，ADC电路200包括输入端口207、∑-ΔADC电路400、开路引脚检测电路300、以及上拉电路500。在图3的示例中，输入端口207是具有输入端子207A和207B的差分输入端口，该输入端子连接到外部部件600，例如，连接到图1或图2中的分流电阻器的两个端子。尽管在图3中图示了差分输入端口，但是本领域技术人员应当容易领会，本公开的原理可以应用于单端输入端口。
在一些实施例中，输入端口207处的模拟输入信号的值(例如，分流电压值)在预先确定的范围内，该预先确定的范围小于∑-ΔADC电路400的最大输入范围(也称为满量程范围、满量程输入范围或满量程输入电压范围)。例如，∑-ΔADC电路400能够接受-10V与10V之间的最大输入范围内的模拟电压信号，但是向输入端口207供应的模拟电压可能在例如-5V与5V或-7V与7V之间的预先确定的范围内。如图6所示，选择这个较小的预先确定的范围以避免ADC输出的信号质量在满量程附近下降。
暂时参考图6，其图示了根据一些实施例的典型ADC电路的输出的信噪失真比(SNDR)与输入模拟信号幅度的关系。在图6中，x轴图示了输入模拟信号的幅度(例如，幅度的绝对值)，而y轴图示了SNDR。输入模拟信号幅度的单位为相对于满量程的分贝(dBFS)，其是归一化值，示出了输入模拟信号的幅度与最大输入幅度(例如，满量程输入电压)之间的比例(以dB为单位)。图6示出了高达A的输入幅度，其中A可以是例如-6dBFS或-3dBFS，SNDR随着输入模拟信号的幅度增加而增加。然而，SNDR随着输入幅度接近满量程输入电平(0dBFS)而急剧减小。为此，通常将用于ADC电路的输入模拟信号的幅度控制在预先确定的范围内，其中预先确定的范围的最大幅度为低于满量程输入水平的几个dB(例如，3dB或6dB)。在电动机系统100或100A中，可以将发送到ADC模块140的分流电压控制在小于ADC模块140的满量程输入范围的预先确定的范围内，这可以通过限制流过分流电阻器的电流或者通过指定分流电阻器的电阻来实现，使得在系统的正常操作期间，分流电阻器两端的电压在ADC的预先确定的范围内。
图7图示了根据实施例的ADC电路(例如，图3中的∑-ΔADC电路400)的数字输出与模拟输入信号的值的关系。在图7中，x轴图示了模拟输入信号的电压，而y轴图示了ADC电路的输出。ADC电路的输出可以具有多位值。例如，对于具有16位分辨率的ADC电路，输出可以以十六进制格式0x0000-0xFFFF的格式表示，其中输出中的每个输出对应于模拟输入信号值。数字输出中的每个数字输出(例如，0x0000)可以被称为ADC电路的输出代码，并且所有可能的代码形成ADC电路的代码空间。作为示例，ADC电路可以具有其他分辨率，诸如8位分辨率或32位分辨率。
在图7的示例中，ADC电路的硬件被配置为具有-Vb伏特与Vb伏特之间的满量程模拟输入范围。然而，为了避免信号在满量程附近下降(参见上文参考图6所讨论的)，ADC电路的模拟输入被控制在-Va伏特与Va伏特之间的(较小)预先确定的范围内，其中Va和Vb为正值，并且Vb>Va。例如，Va可以比Vb小3dB或6dB。换句话说，Va可以以预先确定的百分比小于Vb。由于较小的输入模拟信号范围(例如，在-Va伏特与Va伏特之间)，所以ADC电路的输出代码可能介于代码C1与代码C2之间，并且在没有进行附加处理(例如，缩放)的情况下，可能无法覆盖整个代码空间。在一些实施例中，ADC电路的增益调整模块(诸如图4中的∑-ΔADC电路400的增益调整模块430)(以下所讨论的))缩放(例如，相乘或移位)ADC电路的输出代码，使得最终输出代码(例如，图4的输出端口401处)覆盖整个代码空间。例如，由于增益调整模块430的缩放，所以预先确定的输入范围的上边界(例如，Va)生成C2'的输出代码(例如，对应于输入模拟信号值Vb的最大输出代码)，并且预先确定的输入范围的下边界(例如，-Va)生成C1'的输出代码(例如，对应于输入模拟信号值-Vb的最小输出代码)。在其他实施例中，ADC电路的增益调整模块缩放ADC电路的输出代码，但是缩放后的输出代码仍然没有覆盖代码C1'与代码C2'之间的整个代码空间。
再次参考图3，除了连接到∑-ΔADC电路400的输入端口411之外，ADC电路200的输入端口207还连接到上拉电路500。上拉电路500(还可以称为引脚偏置电路)包括电流源203，并且可以可选地包括电阻器205(以虚线图示出)。在图3的示例中，输入端子207A/207B中的每个输入端子通过电流源203和电阻器205耦合到电源Vsupply(例如，约14V)。在一些实施例中，如关于图8中的上拉电路500'所示，上拉电路中省略了电阻器205，其中输入端子207A/207B中的每个输入端子通过电流源203耦合到电源Vsupply。在又一实施例中，如关于图9中的上拉电路500”所示，上拉电路中省略了电流源203，其中输入端子207A/207B中的每个输入端子通过电阻器205(还称为上拉电阻器)耦合到电源Vsupply。
电流源203可以提供比流过分流电阻器Ra，Rb和Rc的电流小几个数量级的电流。例如，电流源203可以提供约250μA的电流。相比之下，流过分流电阻器Ra，Rb和Rc的电流可能为约150A。在所说明的实施例中，分流电阻器的电阻可能较小，诸如为约1mΩ，并且因此，分流电阻器两端的分流电压在几伏特内。在上拉电路500包括电流源203和电阻器205的实施例中，电阻器205可能具有较小的电阻，例如，约1Ω。在上拉电路500仅包括电阻器205(见图9)的实施例中，电阻器205可能具有例如约56kΩ的电阻。
在ADC电路200的正常操作期间，输入端口207连接到外部部件600(例如，分流电阻器)，并且输入端口207处的模拟信号(例如，分流电压)被发送到∑-ΔADC电路400的输入端子411A/411B，并且转换为数字数据。如图3中的电流I1所示，来自电流源203的电流从输入端口207流向外部部件600。应当指出，为了清楚起见，图3中图示了来自上拉电路500的仅一个分支的电流(例如，I1和I2)，其中应当理解，上拉电路500的另一分支中发生相同或相似的电流流动。由于与流过分流电阻器的电流(例如，约150A)相比较，电流源203所提供的电流很小(例如，约250μA)，所以电流I1对外部部件600的操作的影响可忽略不计。在使用下拉电路代替上拉电路500的实施例中，电流I1和I2的方向可以与图3中所示的方向相反。
当出现开路引脚状况时，例如，键合线611损坏或外部部件断开时，来自电流源203的电流流向∑-ΔADC电路400，如电流I2所示。现在，输入端子(例如，207B)处的电压通过上拉电路500上拉至与电源电压Vsupply相同或接近的电压(例如，14V)。因此，当发生开路引脚状况时，则输入端子207A与207B之间的电压差的幅度可以接近电源电压Vsupply，诸如约13V，其高于例如几伏特的正常电压差。
如上文所讨论的，当在ADC电路200的输入端子处发生开路引脚状况时，上拉电路500将输入端子处的电压上拉至电源电压电平，其高于没有处于开路引脚状况的输入端子处的正常电压。结果，∑-ΔADC电路400产生正常范围之外的数字输出。开路引脚检测电路300监测来自∑-Δ调制器410的数字输出，并且通过检测数字输出在正常范围之外来检测开路引脚状况。该检测的细节在下文中进行了讨论。
输入端口207处的模拟信号(例如，分流电压)被发送到∑-ΔADC电路400的输入端子411A/411B。∑-ΔADC电路400的∑-Δ调制器410将模拟信号转换为数据流，在一些实施例中，该数据流为一位数据流。备选地，数据流可以是多位数据流。然后，通过∑-ΔADC电路400的抽取模块428将来自∑-Δ调制器410的数据流(例如，一位数据流)转换为多位数据。开路引脚检测电路300使用一位数据流形成对输入模拟信号的值(例如，分流电压值)的估计，并且将估计与预先确定的阈值进行比较。
转到图7，在所图示的实施例中，在正常状况(例如，无开路引脚状况)期间模拟输入信号的值(例如，分流电压值)在-Va与Va之间的预先确定的范围内，其中Va可以被称为预先确定的电压阈值。当输入端口207的输入端子处存在开路引脚状况时，上拉电路500将输入端子处的电压上拉至高电压值Vsupply(例如，等于或接近于Vb)。由于输入端口207的另一输入端子处的模拟输入信号很小(例如，由于小的分流电阻器和有限的分流电流，因此小于1V)，所以输入端子207A与207B之间的电压差为-Vc或Vc，这取决于输入端口207的哪个端子具有开路引脚状况，其中Vc是接近Vb的值(例如，Va＜Vc≤Vb)。对于正常状况，该大电压差(例如，-Vc或Vc)在预先确定的范围(例如，在-Va与Va之间)之外，并且导致∑-Δ调制器410生成输出(例如，一位数据流)，该输出与对应于正常模拟输入范围(例如，-Va与Va之间)的输出不同。例如，∑-Δ调制器410的输出可以包括大量的连续的一或连续的零。
开路引脚检测电路300使用抽取滤波器310形成对输入模拟信号(例如，分流电压)的估计，该抽取滤波器将来自∑-Δ调制器410的一位数据流(以较低的数据速率)转换为多位数据流。然后，使用比较器320将抽取滤波器310的输出与预先确定的阈值进行比较，以检测模拟输入信号具有在正常状况的预先确定的范围之外的值，这指示开路引脚状况。应当指出，预先确定的阈值可以包括对应于高于预先确定的范围的上边界的第一模拟信号值的第一阈值，并且可以包括对应于低于预先确定的范围的下边界的第二模拟信号值的第二阈值。对于上文所讨论的示例，正常状况的输入模拟信号的预先确定的范围在-Va与Va之间，因此，第一阈值可以对应于Va与Vc之间的模拟输入信号值，而第二阈值可以对应于-Vc与-Va之间的模拟输入信号值。换句话说，如果抽取滤波器310的输出指示输入模拟信号越过(例如，增加高于)第一阈值或者输入模拟信号越过(例如，减小低于)第二阈值，则检测到开路引脚状况。因此，开路引脚检测电路300与∑-ΔADC电路400并行(例如，同时)工作，而不影响∑-ΔADC电路的正常操作。
开路引脚检测电路300的比较器320可以是用于将抽取滤波器310的输出与预先确定的阈值进行比较的任何合适的数字比较器。在讨论了∑-ΔADC电路400之后，下文对抽取滤波器310的细节进行讨论。在一些实施例中，ADC电路200被集成在集成电路(IC)设备(例如，形成在诸如硅基板之类的单个半导体基板上的IC设备)中，在这种情况下，IC设备无需使用外部部件就可以检测开路引脚状况。在一些实施例中，开路引脚检测电路300使用模拟部件来实现。例如，模拟低通滤波器可以用作抽取滤波器310，其用于将一位数据流转换为模拟输出信号(例如，模拟电压值)，并且比较器320可以是模拟比较器。
现在参考图4，其图示了根据实施例的∑-ΔADC电路400的框图。如图4所示，∑-ΔADC电路400包括∑-Δ调制器410、抽取滤波器420、增益调整模块430、以及可选配置模块440。抽取滤波器420和增益调整模块430对应于图2的抽取模块428。∑-Δ调制器410以采样频率fs对输入端口411处的模拟输入信号进行采样，并且在输出415处将模拟输入信号转变为一位数字流(例如，具有1位分辨率的数字数据序列)。采样率fs通常比模拟输入信号的奈奎斯特(Nyquist)采样频率高得多(例如，至少大一个数量级)。例如，对于相位频率为约20KHz的三相电动机系统，∑-Δ调制器的采样频率fs可能为约20MHz。在一些实施例中，大采样频率允许在抽取滤波器420中使用简单的低通滤波器，并且在抽取滤波器420的输出处提供更高的位分辨率。∑-Δ调制器410可以是连续时间∑-Δ调制器或离散时间∑-Δ调制器。∑-Δ调制器在本领域中是已知的，本文中不再赘述
仍然参考图4，抽取滤波器420包括两个功能模块：低通滤波器(LPF)423和下采样器425(也称为抽取器425)。对于硬件实现方式，尽管LPF 423和下采样器425还可以在不同的电路模块或硬件模块中实现，但是LPF 423和下采样器425可以在相同的电路模块或硬件模块中实现。LPF 423的数字截止频率为π/D，其中π是对应于采样频率fs一半的归一化数字频率(以弧度/秒为单位)，D是抽取器425的抽取因子。LPF 423可以使用任何合适的滤波器来构建，诸如无限冲激响应(IIR)滤波器、有限冲激响应(FIR)滤波器，SINC滤波器、梳状滤波器、级联积分梳(CIC)滤波器等。LPF 423减少或移除其输入信号(例如，一位数字流)高于数字频率π/D的的频率分量，并且当通过下采样器425对LPF 423的输出进行下采样时(也称为抽取)，防止抽取过程中的混叠。
下采样器425将数字信号的采样频率降低一因子D(还称为抽取因子D、抽取率D和下采样因子D)。抽取滤波器420可以包括多个处理的阶段(图4中未示出)，其中每个阶段都具有LPF和抽取器。除了在∑-Δ调制器410的输出415处移除数字流的(高于数字频率π/D的)频率分量之外，LPF 423还具有“平均”其输入信号的功能，从而将一位数字流转换为多位数字值。通过抽取器425将来自LPF 423的多位数字值抽取一因子D，然后在抽取滤波器420的数据路径417处，将n位数字值发送出去。
图4示出了耦合到抽取滤波器420的输出的增益调整模块430。在一些实施例中，增益调整模块430包括乘法器，其将抽取滤波器420的输出与缩放因子相乘。在其他实施例中，增益调整模块430包括除法器单元，其用于输出归一化的数据格式。通过乘法器或除法器，增益调整以缩放因子缩放抽取滤波器420的输出。在一些实施例中，增益调整模块430与抽取滤波器420被集成在同一硬件模块中。例如，抽取滤波器420可以具有内置的增益因子，该内置的增益因子实现增益调整模块430的功能。
在一些实施例中，可选的配置模块440设置抽取滤波器420的配置以及增益调整模块430的缩放因子。外部接口450允许配置模块440由控制器(例如，图1中的PWM模块150)控制。在一些实施例中，省略了配置模块440，并且对抽取滤波器420和增益调整模块430的配置进行硬接线。在其他实施例中，抽取器滤波器420和增益调整模块430的配置参数存储在存储器(例如，非易失性存储器)中，并且在硬件的加电或重置期间，加载到∑-ΔADC电路400的配置寄存器中。
图5图示了根据实施例的图3的开路引脚检测电路300的抽取滤波器310的框图。与图4的抽取滤波器420相似，抽取滤波器310包括LPF 313和下采样器315，其中下采样器315可以是可选的。在一些实施例中，LPF 313和下采样器315分别与LPF 423和下采样器425相同或相似，因此不再赘述。应当指出，由于抽取滤波器310的功能是形成对输入模拟信号的估计(而非获得高分辨率数字输出)，所以抽取滤波器310可以具有可以比抽取滤波器420的结构更简单的结构。例如，与图4的LPF 423相比，抽取滤波器310的LPF 313在滤波器设计中可以具有更低的滤波器阶数、更少的滤波器抽头和/或更少的滤波器级。结果，抽取滤波器310的输出317的位数(也称为位分辨率)可能低于抽取滤波器420的位数。因此，ADC电路200的输入端口207处的相同模拟输入信号值可能对应于抽取滤波器420和310的输出处的不同的输出代码(例如，具有不同的分辨率)。在一些实施例中，抽取滤波器310具有单位增益，该单位增益小于抽取模块428的增益。
图8图示了根据实施例的具有开路引脚检测电路的模数转换器(ADC)电路200A的框图。ADC电路200A与图3的ADC电路200相似，但是在开路引脚检测电路300中用计数器310A代替抽取滤波器310。另外，图8的上拉电路500没有图3中的电阻器205。
在图8的实施例中，开路引脚检测电路300使用计数器310A形成对输入模拟信号(例如，分流电压)的估计，该计数器被配置为对来自∑-Δ调制器410的一位数据流中的连续的零和/或连续的一的数目进行计数。例如，小输入模拟信号可能会在∑-Δ调制器410的输出处的一位数据流中产生一长串的零，而大输入模拟信号可能会在一位数据流中产生一长串的一。通过对一位数据流中的连续的零的数目和/或连续的一的数目进行计数，计数器310A的输出形成对输入模拟信号的估计，通过比较器320将该估计与预先确定的阈值进行比较，以检测开路引脚状况。例如，预先确定的阈值可以是60，这意味着如果计数器310A在一位流中检测到(例如，计数)六十个连续的一或连续的零，则比较器320可以输出逻辑1以指示检测到开路引脚状况。在所说明的实施例中，预先确定的阈值(例如，60)由例如∑-Δ调制器410的设计和阈值电压确定，并且与抽取模块428的设计(例如，长度、阶数、增益)无关。在备选实施例中，对在预先确定的时间段内出现的一和/或零(其可能不连续)的全部数目进行计数，并且如果在测量的时间段中存在多于预定数目的一和/或零，则检测到开路引脚状况。
图9图示了根据又一实施例的具有开路引脚检测电路的模数转换器(ADC)电路200B的框图。ADC电路200B与图8的ADC电路200A相似，但上拉电路500中具有上拉电阻器205。应当指出，在不同的实施例中，上拉电路500，500'和500”可以互换使用。例如，上拉电路500'或上拉电路500”可以用来代替图3的上拉电路500，反之亦然。这些和其他变体完全旨在包括在本公开的范围内。
图10图示了根据一些实施例的ADC电路的操作方法1000的流程图。应当理解，图10所示的实施例方法是许多可能的实施例方法的示例。本领域普通技术人员应当认识到许多变化、备选和修改。例如，可以添加、移除、替换、重新布置和重复如图10所示的各个步骤。
参考图10，在步骤1010处，向集成电路的输入引脚施加电流。例如，电流可以经由上拉电路(例如500，500'或500”)被施加到输入引脚。在步骤1020处，使用∑-Δ调制器(例如，410)将输入引脚处的模拟信号转换为数字流。在步骤1030处，使用抽取滤波器(例如，420)将数字流转换为第一数字输出信号，其中第一数字输出信号与第一模拟信号值和第二模拟信号值之间的第一输入范围内的输入引脚处的模拟信号成比例，其中第一模拟信号值对应于模拟信号的预先确定的范围，该预先确定的范围小于模拟信号的满量程输入范围。例如，在图7中，模拟信号的预先确定的范围可以介于-Va与Vb之间，而满量程输入范围可以介于-Vb与Vb之间。在步骤1040处，例如通过开路引脚检测电路300将数字流转换为第二输出信号。在步骤1050处，将第二输出信号与第一阈值进行比较，其中第一阈值对应于第一输入范围之外的输出引脚处的第三模拟信号值。例如，在图7中，第三阈值可以是介于Va和Vb之间或-Vb和-Va之间的值。在步骤1060处，当第二输出信号越过第一阈值时，提供输入引脚处的开路状况的指示。
本发明实施例的优点包括ADC电路中的开路引脚状况的实时检测。所公开的开路引脚检测电路300与∑-ΔADC电路400并行操作，而不会影响∑-ΔADC电路的操作。例如，∑-ΔADC电路400的代码范围和动态范围不受开路引脚检测电路300的影响。在所说明的实施例中，对开路引脚状况进行实时检测，并且无需停止∑-ΔADC电路400进入测试模式以检查开路引脚状况的正常操作。能够进行开路引脚检测的ADC电路可以集成到集成电路(IC)中，在这种情况下，开路引脚状况可以使用IC来检测，而无需外部部件。
本文中对本发明的示例实施例进行了总结。根据在本文中所提交的整个说明书和权利要求书，还可以理解其他实施例。
示例1.在实施例中，一种方法包括：向集成电路的输入引脚施加电流；使用∑-Δ调制器将输入引脚处的模拟信号转换为数字流；使用抽取滤波器将数字流转换为第一数字输出信号，其中第一数字输出信号与第一模拟信号值和第二模拟信号值之间的第一输入范围内的输入引脚处的模拟信号成比例，其中第一输入范围对应于模拟信号的预先确定的范围，该预先确定的范围小于模拟信号的满量程输入范围；将数字流转换为第二输出信号；将第二输出信号与第一阈值进行比较，其中第一阈值对应于第一输入范围之外的输入引脚处的模拟信号的第三模拟信号值；以及当第二输出信号越过第一阈值时，提供输入引脚处的开路状况的指示。
示例2.示例1的方法，其中输入引脚包括第一输入引脚和第二输入引脚；向输入引脚施加电流包括：向第一输入引脚施加第一电流，并且向第二输入引脚施加第二电流；并且∑-Δ调制器包括差分输入，该差分输入耦合到第一输入引脚和第二输入引脚。
示例3.示例2的方法还包括：将第二输出信号与第二阈值进行比较，其中第二阈值对应于第一输入范围之外的输入引脚处的模拟信号的第四模拟信号值；以及当第二输出信号越过第二阈值时，提供输入引脚处的开路状况的指示，其中第三模拟信号值大于第二模拟信号值，第四模拟信号值小于第一模拟信号值，第二模拟信号值大于第一模拟信号值。
示例4.示例1的方法，其中向集成电路的输入引脚施加电流包括：使用上拉电阻器或下拉电阻器。
示例5.示例1的方法，其中向集成电路的输入引脚施加电流包括：使用电流源。
示例6.示例1的方法，其中数字流包括一位数据流。
示例7.示例6的方法，其中将数字流转换为第二输出信号包括：使用计数器将数字流转换为第二输出信号。
示例8.示例6的方法，其中将数字流转换为第二输出信号包括：使用模拟低通滤波器将数字流转换为第二输出信号。
示例9.示例1的方法，其中第一模拟信号值对应于第一数字输出信号的最小输出代码，并且第二模拟信号值对应于第一数字输出信号的最大输出代码。
示例10.在实施例中，一种集成电路包括引脚偏置电路，其被配置为向集成电路的输入引脚提供电流；∑-Δ调制器，其具有耦合到输入引脚的输入；抽取滤波器，其耦合到∑-Δ调制器的输出并且被配置为提供第一数字输出信号，该第一数字输出信号与第一模拟信号值与第二模拟信号值之间的第一输入范围内的输入引脚处的模拟信号成比例，其中第一输入范围对应于模拟信号的预先确定的范围，该预先确定的范围小于模拟信号的满量程输入范围；以及开路引脚检测电路，其耦合到∑-Δ调制器的输出，该开路引脚检测电路被配置为：将∑-Δ调制器的输出转换为第二输出信号；将第二输出信号与第一阈值进行比较，其中第一阈值对应于第一输入范围之外的输入引脚处的模拟信号的第三模拟信号值；以及当第二输出信号越过第一阈值时，提供输入引脚处的开路状况的指示。
示例11.示例10的集成电路，其中集成电路的输入引脚包括第一输入引脚和第二输入引脚，其中引脚偏置电路被配置为向第一输入引脚施加第一电流并且向第二输入引脚施加第二电流，其中∑-Δ调制器包括差分输入，该差分输入耦合到第一输入引脚和第二输入引脚。
示例12.示例10的集成电路，其中开路引脚检测电路还被配置为：将第二输出信号与第二阈值进行比较，其中第二阈值对应于第一输入范围之外的输入引脚处的模拟信号的第四模拟信号值；以及当第二输出信号越过第二阈值时，提供输入引脚处的开路状况的指示，其中第三模拟信号值大于第二模拟信号值，第四模拟信号值小于第一模拟信号值，其中第一模拟信号值小于第二模拟信号值。
示例13.示例10的集成电路，其中引脚偏置电路包括上拉电阻器或下拉电阻器，其被配置为耦合在电源与集成电路的输入引脚之间。
示例14.示例10的集成电路，其中引脚偏置电路包括电流源，其被配置为耦合在电源与所述集成电路的输入引脚之间。
示例15.示例10的集成电路，其中∑-Δ调制器被配置为将集成电路的输入引脚处的模拟信号转换为一位数据流。
示例16.示例15所述的集成电路，其中开路引脚检测电路包括计数器，其被配置为对一位数据流中的连续的一或连续的零的数目进行计数。
示例17.示例15的集成电路，其中开路引脚检测电路包括模拟低通滤波器，其被配置为将一位数据流转换为模拟输出信号。
示例18.在实施例中，一种模数转换器电路包括第一输入端子和第二输入端子；∑-Δ调制器，其耦合到第一输入端子和第二输入端子并且被配置为将第一输入端子与第二输入端子之间的电压转换为一位数据流；上拉电路，其被配置为耦合在电源节点与第一输入端子和第二输入端子之间，并且当第一输入端子保持开路时，将第一输入端子处的第一电压拉至高于预先确定的电压阈值的第一电压值，或当第二输入端子保持开路时，将第二输入端子处的第二电压拉至第一电压值，其中预先确定的电压阈值以预先确定的百分比小于∑-Δ调制器的满量程输入；第一低通滤波器，其耦合到∑-Δ调制器的输出并且被配置为在模数转换器电路的输出处将一位数据流转换为第一多位数据流；以及开路引脚检测电路，其耦合到∑-Δ调制器的输出并且被配置为使用一位数据流来检测第一输入端子与第二输入端子之间的电压高于预先确定的电压阈值。
示例19.示例18的模数转换器电路，其中开路引脚检测电路包括计数器，其被配置为对一位数据流中的连续的零或连续的一的数目进行计数；以及比较器，其被配置为将连续的零或连续的一的数目与预先确定的阈值进行比较。
示例20.示例18的模数转换器电路，其中开路引脚检测电路包括第二低通滤波器，其耦合到∑-Δ调制器的输出并且被配置为将一位数据流转换为第二多位数据流，其中第二低通滤波器的增益小于第一低通滤波器的增益，并且第二多位数据流的位宽小于第一多位数据流的位宽；以及比较器，其被配置为将第二多位数据流的值与预先确定的阈值进行比较。
示例21.示例18的模数转换器电路，其中第一输入端子、第二输入端子、∑-Δ调制器、上拉电路、第一低通滤波器和开路引脚检测电路被集成在同一集成电路设备中。
尽管已经主要结合具体示例性实施例示出和描述了本发明，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离由以下权利要求书限定的本发明的本质和范围的情况下，可以对其结构及其细节进行各种改变。因此，本发明的范围由所附权利要求书确定，并且旨在用于所有落入权利要求书所涵盖的权利要求书的含义范围和等同物范围内的变更。

Claims (21)

1.一种方法，包括：
向集成电路的输入引脚施加电流；
使用∑-Δ调制器将所述输入引脚处的模拟信号转换为数字流；
使用抽取滤波器将所述数字流转换为第一数字输出信号，其中所述第一数字输出信号与第一模拟信号值和第二模拟信号值之间的第一输入范围内的所述输入引脚处的模拟信号成比例，其中所述第一输入范围对应于所述模拟信号的预先确定的范围，所述预先确定的范围小于所述模拟信号的满量程输入范围；
将所述数字流转换为第二输出信号；
将所述第二输出信号与第一阈值进行比较，其中所述第一阈值对应于在所述第一输入范围之外的所述输入引脚处的所述模拟信号的第三模拟信号值；以及
当所述第二输出信号越过所述第一阈值时，提供所述输入引脚处的开路状况的指示。
2.根据权利要求1所述的方法，其中：
所述输入引脚包括第一输入引脚和第二输入引脚；
向所述输入引脚施加所述电流包括：向所述第一输入引脚施加第一电流，并且向所述第二输入引脚施加第二电流；以及
所述∑-Δ调制器包括差分输入，所述差分输入耦合到所述第一输入引脚和所述第二输入引脚。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括：
将所述第二输出信号与第二阈值进行比较，其中所述第二阈值对应于所述第一输入范围之外的所述输入引脚处的所述模拟信号的第四模拟信号值；以及
当所述第二输出信号越过所述第二阈值时，提供所述输入引脚处的所述开路状况的指示，其中所述第三模拟信号值大于所述第二模拟信号值，所述第四模拟信号值小于所述第一模拟信号值，所述第二模拟信号值大于所述第一模拟信号值。
4.根据权利要求1所述的方法，其中向所述集成电路的所述输入引脚施加所述电流包括：使用上拉电阻器或下拉电阻器。
5.根据权利要求1所述的方法，其中向所述集成电路的所述输入引脚施加所述电流包括：使用电流源。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述数字流包括一位数据流。
7.根据权利要求6所述的方法，其中将所述数字流转换为所述第二输出信号包括：使用计数器将所述数字流转换为所述第二输出信号。
8.根据权利要求6所述的方法，其中将所述数字流转换为所述第二输出信号包括：使用模拟低通滤波器将所述数字流转换为所述第二输出信号。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一模拟信号值对应于所述第一数字输出信号的最小输出代码，并且所述第二模拟信号值对应于所述第一数字输出信号的最大输出代码。
10.一种集成电路，包括：
引脚偏置电路，其被配置为向所述集成电路的输入引脚提供电流；
∑-Δ调制器，其具有耦合到所述输入引脚的输入；
抽取滤波器，其耦合到所述∑-Δ调制器的输出并且被配置为提供第一数字输出信号，所述第一数字输出信号与第一模拟信号值与第二模拟信号值之间的第一输入范围内的所述输入引脚处的模拟信号成比例，其中所述第一输入范围对应于所述模拟信号的预先确定的范围，所述预先确定的范围小于所述模拟信号的满量程输入范围；以及
开路引脚检测电路，其耦合到所述∑-Δ调制器的所述输出，所述开路引脚检测电路被配置为：
将所述∑-Δ调制器的所述输出转换为第二输出信号；
将所述第二输出信号与第一阈值进行比较，其中所述第一阈值对应于所述第一输入范围之外的所述输入引脚处的所述模拟信号的第三模拟信号值；以及
当所述第二输出信号越过所述第一阈值时，提供所述输入引脚处的开路状况的指示。
11.根据权利要求10所述的集成电路，其中所述集成电路的所述输入引脚包括第一输入引脚和第二输入引脚，其中所述引脚偏置电路被配置为向所述第一输入引脚施加第一电流并且向所述第二输入引脚施加第二电流，其中所述∑-Δ调制器包括差分输入，所述差分输入耦合到所述第一输入引脚和所述第二输入引脚。
12.根据权利要求10所述的集成电路，其中所述开路引脚检测电路还被配置为：
将所述第二输出信号与第二阈值进行比较，其中所述第二阈值对应于所述第一输入范围之外的所述输入引脚处的所述模拟信号的第四模拟信号值；以及
当所述第二输出信号越过所述第二阈值时，提供所述输入引脚处的所述开路状况的所述指示，其中所述第三模拟信号值大于所述第二模拟信号值，所述第四模拟信号值小于所述第一模拟信号值，其中所述第一模拟信号值小于所述第二模拟信号值。
13.根据权利要求10所述的集成电路，其中所述引脚偏置电路包括上拉电阻器或下拉电阻器，所述上拉电阻器或所述下拉电阻器被配置为耦合在电源与所述集成电路的所述输入引脚之间。
14.根据权利要求10所述的集成电路，其中所述引脚偏置电路包括电流源，所述电流源被配置为耦合在电源与所述集成电路的所述输入引脚之间。
15.根据权利要求10所述的集成电路，其中所述∑-Δ调制器被配置为将所述集成电路的所述输入引脚处的所述模拟信号转换为一位数据流。
16.根据权利要求15所述的集成电路，其中所述开路引脚检测电路包括计数器，其被配置为对所述一位数据流中的连续的一或连续的零的数目进行计数。
17.根据权利要求15所述的集成电路，其中所述开路引脚检测电路包括模拟低通滤波器，其被配置为将所述一位数据流转换为模拟输出信号。
18.一种模数转换器电路，包括：
第一输入端子和第二输入端子；
∑-Δ调制器，其耦合到所述第一输入端子和所述第二输入端子并且被配置为将所述第一输入端子与所述第二输入端子之间的电压转换为一位数据流；
上拉电路，其被配置为耦合在电源节点与所述第一输入端子和所述第二输入端子之间，并且当所述第一输入端子保持开路时，将所述第一输入端子处的第一电压拉至高于预先确定的电压阈值的第一电压值，或当所述第二输入端子保持开路时，将所述第二输入端子处的第二电压拉至所述第一电压值，其中所述预先确定的电压阈值以预先确定的百分比小于所述∑-Δ调制器的满量程输入电压；
第一低通滤波器，其耦合到所述∑-Δ调制器的输出并且被配置为在所述模数转换器电路的输出处将所述一位数据流转换为第一多位数据流；以及
开路引脚检测电路，其耦合到所述∑-Δ调制器的所述输出并且被配置为使用所述一位数据流来检测所述第一输入端子与所述第二输入端子之间的所述电压高于所述预先确定的电压阈值。
19.根据权利要求18所述的模数转换器电路，其中所述开路引脚检测电路包括：
计数器，其被配置为对所述一位数据流中的连续的零或连续的一的数目进行计数；以及
比较器，其被配置为将所述连续的零或连续的一的数目与预先确定的阈值进行比较。
20.根据权利要求18所述的模数转换器电路，其中所述开路引脚检测电路包括：
第二低通滤波器，其耦合到所述∑-Δ调制器的所述输出并且被配置为将所述一位数据流转换为第二多位数据流，其中所述第二低通滤波器的增益小于所述第一低通滤波器的增益，并且所述第二多位数据流的位宽小于所述第一多位数据流的位宽；以及
比较器，其被配置为将所述第二多位数据流的值与预先确定的阈值进行比较。
21.根据权利要求18所述的模数转换器电路，其中所述第一输入端子、所述第二输入端子、所述∑-Δ调制器、所述上拉电路、所述第一低通滤波器和所述开路引脚检测电路被集成在同一集成电路设备中。
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