CN117223221A

CN117223221A - 用于采用加热器构件的电容式传感器的加载模式操作的低成本、受保护的电容式感测电路

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Publication number: CN117223221A
Application number: CN202280028027.4A
Authority: CN
Inventors: L·拉梅施; T·贾斯丁格; M·皮茨; T·法贝尔; C·文德; J·洛朗
Original assignee: IEE International Electronics and Engineering SA
Current assignee: IEE International Electronics and Engineering SA
Priority date: 2021-04-12
Filing date: 2022-04-08
Publication date: 2023-12-12
Also published as: DE112022002103T5; WO2022218886A1; LU500033B1

Abstract

一种阻抗测量电路，用于确定被配置用于采用至少一个电加热器构件(42)作为在加载模式下操作的电极的电容式传感器的复阻抗，包括：信号生成单元(59)，其用于提供电测量信号；信号感测电路(61)，其包括电流测量模块，电流测量模块用于响应于信号生成单元测量信号来感测流经至少一个电加热器构件(42)的电流；电加热器构件连接电路(68)，其包括多个MOSFET(40、51、52)，用于将至少一个电加热器构件(42)选择性地电连接到用于复阻抗测量的信号感测电路(61)，或者电连接到用于加热目的的DC电力单元；以及至少两个DC偏置单元。至少第一MOSFET(51)和第二MOSFET(52)能够电连接到DC电力单元的每个输出端口(50、GND)，并且与至少一个电加热器构件(42)串联，该电加热器构件能够连接在第一MOSFET(51)与第二MOSFET(52)之间。至少第一保护MOSFET(40)电串联连接到第一MOSFET(51)，使得第一保护MOSFET(40)的本征二极管反向连接到第一MOSFET(51)的本征二极管，并且能够串联连接到至少一个电加热器构件(42)。至少两个DC偏置单元被配置用于提供跨越至少第一保护MOSFET(40)的漏极端子和源极端子的预定义DC电压。此外，阻抗测量电路包括控制和评估单元，其至少被配置用于根据预定义次序来控制多个MOSFET(40、51、52)的开关状态，并且被配置用于在预定义次序的预定义阶段期间，参考复参考电位从所确定的电流确定复阻抗。

Description

用于采用加热器构件的电容式传感器的加载模式操作的低成本、受保护的电容式感测电路

技术领域

本发明涉及一种用于确定被配置用于采用至少一个电加热器构件作为在加载模式下操作的电极的电容式传感器的复阻抗的阻抗测量电路，以及一种电容式感测装置，其具体地用于包括这样的阻抗测量电路的汽车应用中。

背景技术

电容式传感器和采用电容式传感器的电容测量和/或检测装置具有广泛的应用，并且尤其用于检测导电体或导电体部分在天线电极附近的存在和/或位置。

如本文中所使用的，术语“电容式传感器”指代响应于被感测物(人、人身体的一部分、宠物、物体等)对电场的影响而生成信号的传感器。电容式传感器一般包括至少一个天线电极，振荡电信号被施加到该天线电极，并且该天线电极由此在传感器正在操作时将电场发射到靠近天线电极的空间的区域中。传感器包括至少一个感测电极，其可以与发射天线电极相同或不同，在其处检测物体或生物对电场的影响。

在汽车车辆传感器应用的领域中，已知采用电容式传感器来向自动驾驶辅助系统(ADAS)提供输入，例如用于安全带提醒(SBR)系统或用于辅助约束系统(ARS)的激活控制的目的。感测的信号可以充当ADAS做决策的基础，例如，用于是否将安全气囊系统展开到特定的车辆座椅的决策。

已经提出了各种各样的电容式乘员感测系统，例如用于控制一个或多个安全气囊(例如，驾驶员安全气囊、乘客安全气囊和/或侧面安全气囊)的展开。在汽车车辆应用中使用电容式传感器的另一示例是所谓的松手检测(HoD)系统，其中，一个或多个传感器提供关于驾驶员是否将他的手放在车辆的方向盘上的信息。该信息可以传输到ADAS(例如自适应巡航控制(ACC))，其可以基于提供的传感器信号警告驾驶员并提醒他或她重新控制方向盘。具体地，这样的HoD系统可以用于支持满足维也纳公约的要求，即驾驶员必须始终保持对车辆的控制。HoD系统也可以用于泊车辅助系统或者被配置用于评估高速下的驾驶员活动的ADAS。

在一些(所谓的“加载模式”)电容式传感器中，至少一个天线电极同时充当感测电极。在该情况下，测量电路响应于施加到其的振荡电压来确定流入至少一个天线电极的电流。电压与电流的关系产生至少一个天线电极与接地电位之间的复阻抗。在电容式传感器的替代版本(“耦合模式”电容式传感器)中，(多个)发射天线电极和(多个)感测电极彼此分隔开。在该情况下，测量电路确定当至少一个发射天线电极正在被操作时的在感测电极中感应的电流或电压。

例如，J.R.Smith等人在“IEEE计算机图形与应用(IEEE Computer Graphics andApplications)”中发表的题为“用于图形界面的电场感测(Electric Field SensingforGraphical Interfaces)”(18(3):54-60,1998)的技术论文中解释了不同的电容式感测机制，该技术论文的全部内容通过引用并入于此，对于允许通过引用并入的司法管辖区有效。

该论文描述了用于进行非接触式三维位置测量、并且更具体地用于感测人手的位置以向计算机提供三维位置输入的电场感测的概念。在电容式感测的一般概念内，作者区分了对应于各种可能的电流路径的其称之为“加载模式”、“分流模式”和“发射模式”的不同机制。在“加载模式”中，振荡电压信号被施加到发射电极，该发射电极建立起对地的振荡电场。待感测的物体改变发射电极与接地之间的电容。在“分流模式”(其替代地被称为“耦合模式”)中，振荡电压信号被施加到发射电极，该发射电极建立起对接收电极的电场，并且测量在接收电极处感应的位移电流。所测量的位移电流取决于被感测的身体。在“发射模式”中，发射电极与用户的身体接触，其然后通过直接电连接或者经由电容式耦合成为相对于接收机的发射机。

电容式耦合强度可以例如通过将交流电压信号施加到天线电极并且通过测量从该天线电极流向地(在加载模式中)或流入第二天线电极(在耦合模式中)的电流来确定。该电流可以通过跨阻放大器测量，跨阻放大器连接到感测电极并将流入感测电极的电流转换为与该电流成比例的电压。

用于确定相当于物体或生物对电容式传感器的感测电极的电场的影响的未知阻抗的复阻抗测量通常通过采样测量来确定，例如，通过采用一个或多个模数转换器(analog-to-digital converter，ADC)对感测电流的采样测量。现有技术中已经提出了用于降低关于ADC的采样频率的要求的解决方案，采样频率是复杂性和成本效益的重要因素。

一些电容式传感器被设计为具有单一感测电极的仅感测的电容式传感器。此外，经常使用包括近距离布置并且彼此相互电绝缘的感测电极和所谓的“保护电极”的电容式传感器。这种“保护”技术在本领域中是公知的，并且频繁用于有意掩蔽并且因此塑造电容式传感器的灵敏度范围。为此，保护电极保持在与感测电极相同的AC电位处。结果，感测电极与保护电极之间的空间不存在电场，并且保护-感测电容式传感器在感测电极与保护电极之间的方向上不灵敏。

等效时间采样方法也用于低成本的复阻抗测量电路中，这样的复阻抗测量电路用于在WO 2016/062824A1中描述的在加载模式下操作的保护-感测电容式传感器。微控制器使用若干个同步的PWM输出的组合，以通过对PWM输出进行求和并对求和的信号进行滤波来生成低失真正弦波。正弦波被用作保护电极的保护电压。未知阻抗是通过由以公共基极构造连接的晶体管在感测电极上施加保护电压，并且然后将感测电流通过公共基极连接的晶体管传输到由以公共发射极构造连接的第二晶体管制成的跨阻放大器来测量的。第二晶体管的集电极处的输出电压由微控制器的ADC输入进行测量。微控制器通过对ADC输出值进行软件解调来将ADC输出值转变成待测量的未知阻抗。另外，为了提高测量的精度，参考阻抗可以与未知阻抗并联连接，并且由微控制器使用以消除信号感测电路的增益误差。

在安全气囊系统或其他安全相关应用的控制中使用的电容式感测系统可以被视为安全相关的系统部件。因此可能有必要监测传感器的不同部件(感测电极和/或保护电极)的良好运行，以便排除电容式占用或接近检测系统的错误读数。

具体地，在松手检测(HoD)系统中，通常采用保护电极来将一个或多个感测电极与车辆方向盘的内部部分屏蔽。保护电极到电容式传感器系统的信号处理电路系统的电连接的任何损坏都可能危及电容式传感器的测量结果的可靠性。

在现有技术中，也已经提出将电容式传感器与加热装置组合，特别是在车辆方向盘中以及在车辆座椅中。

例如，WO 2015/052667 A1描述了采用加热装置的占用感测，以及使用无保护的MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)将加热电流与测量电流分开。系统包括位于方向盘内的加热器和位于车辆座椅内的加热器，其中，方向盘中的加热器是第一板并且车辆座椅中的加热器是第二板，并且在第一板、第二板或两者之间监测信号的移位，以便检测乘员的存在和不存在。方向盘中的加热器和车辆座椅中的加热器是传感器。

在US2010/0038351 A1中提出了在使用加热器的保护感测电路中采用二极管和阻抗的解决方案。用于车辆座椅的组合式加热系统和乘员感测系统包括串联连接的第一电极和第二电极，以及被配置为将加热电流引导至第一电极和第二电极电流的控制器。控制器被配置为将第一电极和第二电极与加热电流隔离，并且同时，仅向第一电极和第二电极中的一者提供感测电流。

在US 6,703,845 B2中的乘员传感器中描述了使用加热器作为传感器电极的保护感测电路中的电感器和MOSFET。振荡的或脉冲的第一信号被施加到可操作地连接到第一阻抗和第二阻抗的座椅加热元件，第一阻抗和第二阻抗将第一信号与至加热元件的电力的源端和消耗端隔离。在另一实施例中，第三阻抗和第四阻抗连接到位于相应节点处的第一阻抗和第二阻抗，并且与第一信号基本上相等的第二信号可操作地耦合到节点。在另一实施例中，第一信号被施加到电极，并且第二信号被施加到加热元件，从而使电极免受座椅的影响。在另一实施例中，第一信号被施加到第一电极，该第一电极通过可操作地耦合到第二信号的第二电极与加热元件屏蔽。阻抗可以例如由电感器或电子开关提供。

此外，从US2011/0148648 A1可知一种用于检测坐在车辆座椅上的乘员的电容式乘员检测系统和方法。电极布置在靠近乘员的预期位置的座椅中，用于感测靠近该位置的乘员。电极可以与座椅加热器集成。控制电路系统控制座椅加热器。信号生成器耦合到电极，并且被配置为以多个频率向电极输出多个信号。乘员检测电路系统检测响应于多个频率下的多个信号的电压，并且基于检测到的电压检测占用的状态。耦合到电极和控制电路系统的LC电路抑制由控制电路系统生成的电容。曲线拟合算法用于提取待测量的未知阻抗的实部和虚部。

EP 3 048 029 A1描述了一种方向盘加热器装置，包括：加热丝；串联连接到加热丝的电源线，用于为加热丝供应电源；串联连接到加热丝的地线；连接到沿由加热丝形成的布线图案的点的引出线；以及通过引出线电连接到由加热丝形成的布线图案的接触检测电路，其中，布线图案的一部分串联连接在地线与接触检测电路之间。

在US2016/0101805 A1中，一种方向盘加热器装置包括：由电阻器配置的方向盘加热器，其通过电能产生热量；电感器；至少一个开关；以及传感器电路，其中，电感器串联连接到方向盘加热器的第一端子，至少一个开关打开和关闭到方向盘加热器的电源的供应，传感器电路电连接到第一端子，并且基于方向盘加热器的电容的大小来确定检测对象是否与方向盘接触，并且至少一个开关是经由电感器串联连接到方向盘加热器的第一端子的开关与串联连接到方向盘加热器的第二端子的开关中的至少一者。

发明目的

因此，本发明的目的是采用阻抗测量电路为电容式感测装置提供一种有成本效益的解决方案，该阻抗测量电路能够连接到在加载模式下操作的至少一个电容式传感器，电容式传感器被配置用于采用至少一个电加热器构件作为在加载模式下操作的电极，其中，阻抗测量电路使用低成本部件，并且由于为了执行复阻抗测量而必须将电加热器构件与电加热电源分隔开，因此在测量的速度和测量的潜在影响方面提供了改进。此外，阻抗测量电路应当优选地为加热器构件和测量电路本身提供保护，以防止电加热电源的潜在的极性反转。而且，阻抗测量电路应当优选地能够提供传感器诊断或电子电路诊断中的至少一种。

电容式感测装置具体地应当被配置用于汽车应用中，例如用于能够电加热的车辆方向盘的松手检测(HoD)和能够电加热的车辆座椅的占用检测。

发明内容

在本发明的一个方面中，通过阻抗测量电路实现目的，阻抗测量电路用于确定电容式传感器的复阻抗，电容式传感器被配置用于采用至少一个电加热器构件作为在加载模式下操作的电极。

所提出的阻抗测量电路包括：

——信号生成单元，该信号生成单元用于提供电测量信号；

——信号感测电路，该信号感测电路包括电流测量模块，电流测量模块用于响应于信号生成单元测量信号而感测流经至少一个电加热器构件的电流；

——电加热器构件连接电路，该电加热器构件连接电路包括：多个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，用于将至少一个电加热器构件选择性地电连接到用于复阻抗测量的信号感测电路，或者电连接到用于加热目的的DC电力单元；以及至少两个DC偏置单元，每个DC偏置单元包括DC电压源，其中，

至少第一MOSFET和第二MOSFET能够电连接到DC电力单元的每个输出端口，并且与至少一个电加热器构件串联，该电加热器构件能够连接在第一MOSFET与第二MOSFET之间；以及

至少第一保护MOSFET，该第一保护MOSFET电串联连接到第一MOSFET，使得第一保护MOSFET的本征二极管反向连接到第一MOSFET的本征二极管，并且能够串联连接到至少一个电加热器构件，并且

至少两个DC偏置单元被配置用于提供跨至少第一保护MOSFET的漏极端子和源极端子的预定义DC电压。

所提出的阻抗测量电路还包括控制和评估单元，该控制和评估单元至少被配置用于：

——根据预定义次序控制多个MOSFET的开关状态，以及

——在预定义次序的预定义阶段期间，参考复参考电位从所确定的电流确定复阻抗。

本申请中所使用的短语“被配置为”具体地应当理解为被具体编程、布局、装备或布置。本申请中所使用的术语“多个”意味着表达至少两个的数量。在此需要进一步说明的是，本申请中所使用的术语“第一”、“第二”等仅用于区分目的，并不意味着以任何方式指示或预测次序或优先级。

出于控制多个MOSFET的开关状态的目的，控制和评估单元可以配备有多个电压输出端口，并且在电压输出端口与MOSFET的栅极端子之间提供适当的电线。

出于加热目的，可以容易地控制第一MOSFET和第二MOSFET进入源极端子与漏极端子之间的低欧姆电阻的状态，以在DC电力单元端子与至少一个加热器构件之间提供电连接。出于阻抗测量的目的，可以很容易地控制第一MOSFET和第二MOSFET进入源极端子与漏极端子之间的高欧姆电阻的状态，以将至少一个加热器构件与电力单元分隔开。

第一MOSFET和第一保护MOSFET的串联组合可以为至少一个电加热器构件和电加热器构件连接电路提供保护，以防止DC电力单元极性的潜在的反转。如果没有这种反向极性保护，至少一个电加热器构件将在电力单元的反向极性的情况下持续接通，出于安全原因，必须避免这种情况。

在本申请中，由于MOSFET被专门用作电子开关，因此低欧姆电阻的状态可以被称为MOSFET的“接通”开关状态，并且高欧姆电阻的状态可以被称为MOSFET的“关断”开关状态。

通过对两个DC偏置单元的适当调整，可以避免在确定复阻抗期间，测量电流可能流经第二MOSFET和第一保护MOSFET的本征二极管，这可能潜在地篡改复阻抗测量的确定值。此外，通过采用两个DC偏置单元，可以大幅度降低MOSFET的漏极-源极电容，这进一步减少了复阻抗测量的系统误差。

还应当注意的是，由两个DC偏置单元提出的恒定DC偏置独立于由电力单元提供的电压。因此，所考虑的MOSFET的漏极-源极电容不受电力单元电压的任何改变的调制，这也可以改进阻抗测量准确性。

具体地，所提出的阻抗测量电路可以用于汽车应用中的电容式感测装置，例如用于能够电加热的车辆方向盘的松手检测装置，以及用于能够电加热的车辆座椅或车辆座椅的座位占用检测和/或分类装置。

本专利申请中所使用的术语“汽车”应当具体地被理解为适合于包括客车、卡车、半挂车和公共汽车的车辆。本申请中所使用的术语“车辆”应当具体地被理解为涵盖客车、卡车、半挂车和公共汽车。

信号生成单元可以被设计成无源的和幅度控制的生成器单元，其包括：多个同步脉宽调制单元，其中，信号生成单元被配置为对具有多个不同的基本测量频率的多个同步脉宽调制单元的输出信号进行加权和求和；以及串联连接到经求和的输出信号的无源低通滤波器单元。以此方式，可以同时获得高测量速度和强EMI稳健性。这些特征本身也具有有利的技术效果，其独立于主发明的各个特征。

电流测量模块可以包括至少一个跨阻放大器，其可以基于至少一个运算放大器。

至少一个电加热器构件可以充当传感器电极，或者在其他应用中，其可以充当电容式传感器的保护电极。

在阻抗测量电路的优选实施例中，控制和评估单元被配置用于将软件解调方法应用于电压信号，该电压信号代表感测的电流并且由模数转换器单元进行数字转换，以用于确定电容式传感器的复阻抗的实部和虚部。这些特征本身也具有有利的技术效果，其独立于主发明的各个特征。

本申请中所使用的术语“软件解调”应当具体地被理解为软件解调方法，该软件解调方法被配置为相对于本地振荡器从复合输入信号中恢复同相分量和正交分量。具体地，由矢量解调模块提供的软件解调在传感器信号处理领域中是公知的，并且因此无需在本文中详细地描述。通过使用软件解调方法，可以提供用于评估传感器信号的具有低硬件复杂度的有成本效益的解决方案。

为应用软件解调方法使用多个并联的软件解调器可以允许同时评估电测量信号中的多个不同的基本测量频率。

以此方式，可以以大的测量速度、高的灵活性水平以及低的硬件工作量从由电流测量模块提供的信号中确定复阻抗。

如果控制和评估单元被配置用于对代表感测电流并且由模数转换器单元进行数字转换的电压信号应用复离散傅里叶变换(DFT)或复快速傅里叶变换(FFT)，则可以以替代性方式获得相同的益处。这些特征本身也具有有利的技术效果，其独立于主发明的各个特征。

在阻抗测量电路的优选实施例中，至少第一保护MOSFET的栅极端子电DC耦合到第二MOSFET的端子(即，漏极或源极，取决于电力单元的常规极性)，该端子能够与所能够连接的至少一个加热器构件的相对侧连接。DC耦合可以以直接(即，电流)方式提供，也可以由能够传输DC电位的辅助电子电路提供。这些实施例对于信号生成单元被配置为还向保护节点提供AC保护信号的应用具有特别的意义，至少一个电加热器构件和一个或多个保护MOSFET串联连接在保护节点之间。在该情况下，因为如果保护节点是AC保护的，则保护MOSFET的栅极也是AC保护的，所以不需要保护MOSFET的专用AC保护栅极驱动电路来基本上消除栅极-源极电容对测量准确性的影响。

优选地，阻抗测量电路还包括第二保护MOSFET，第二保护MOSFET能够在至少一个电加热器构件与第二保护MOSFET之间与至少一个电加热器构件串联连接。如果第一保护MOSFET和第二保护MOSFET的本征二极管分别相对于第一MOSFET和第二MOSFET反向偏置，则这可以在电力单元的反向极性的情况下提供额外的保护。

在这样的实施例中，出于已经解释过的原因，还优选的是，第二保护MOSFET的栅极端子电连接到第一保护MOSFET的端子(即，漏极或源极，取决于电力单元的常规极性)，该端子能够与所能够连接的至少一个加热器构件的相对侧连接。

在阻抗测量电路的优选实施例中，多个MOSFET还包括线MOSFET，线MOSFET串联连接在位于至少一个电加热器构件与信号感测电路之间的电线中。控制和评估单元被配置为控制线MOSFET的导电状态，使得电线在复阻抗测量的阶段期间提供低电阻(典型地，<10Ohm)的电连接，并且在向至少一个电加热器构件提供电力的阶段期间提供大电阻(典型地，>1M Ohm)。以此方式，至少一个加热器构件和电力单元可以有效地电断开连接，以便在至少一个加热器构件的操作期间保护信号感测电路和信号生成单元(如果适用的话)，并且至少一个加热器构件可以有效地电连接到信号感测电路，用于在复阻抗测量期间实现提高的测量速度。

在阻抗测量电路的优选实施例中，信号生成单元在至少一个操作阶段中被配置为向保护节点提供AC保护信号，至少一个电加热器构件和保护MOSFET串联连接在保护节点之间。以此方式，可以获得复阻抗测量期间的保护MOSFET的栅极端子的自动AC保护。优选地，AC保护信号可以经由电子开关和/或经由MOSFET通过电耦合提供给保护节点。

优选地，控制和评估单元包括微控制器，微控制器包括处理器单元、数字数据存储器单元、微控制器系统时钟以及模数转换器单元，模数转换器单元具有用于至少转换信号感测电路的输出信号的至少一个模数转换器。

如今在商业上可得到种类众多且价格实惠的按以上描述配备的微控制器。以此方式，可以实现阻抗测量电路的自动化操作。此外，在适当的实施例中，采用低成本的微控制器可以获得提高的测量速度。

在阻抗测量电路的优选实施例中，微控制器被配置为执行等效时间采样方法。以此方式，可以采用低成本的硬件以足够的精度和高测量速度来执行阻抗测量。

优选地，等效时间采样方法包括在后续样本之间采用等于微控制器系统时钟的一个时钟周期的增量时间延迟。

本申请中所使用的术语“等效时间采样方法”应当具体地被理解为在采样瞬间仅测量瞬时输入信号并且每次触发时仅对输入信号采样一次的采样方法。在随后的采样触发中，增加较小的及时延迟，并且进行另一采样。样本的预期数量决定了再现输入信号所需的最终周期数量。

以此方式，可以降低对硬件性能的要求，尤其是关于信号处置和处理的速度的要求，这带来了更低的硬件成本和设计复杂度。

在本发明的另一方面中，提供了一种电容式感测装置。该电容式感测装置包括本文中公开的阻抗测量电路的实施例，以及电容式传感器，电容式传感器具有至少一个电加热器构件，电加热器构件在一个操作周期中充当在加载模式下操作的电极，并且在另一不同的操作周期中充当电加热器。

以此方式，结合阻抗测量电路的所描述的优点，可以实现感测电极或保护电极的双重功能的明显的益处。

在本发明的又一方面中，本文中公开了一种对电容式感测装置进行操作以用于传感器诊断目的的方法。该方法包括至少以下步骤：

——控制第一MOSFET和第二MOSFET以驱动电流通过至少一个加热器构件；

——确定电力单元的输出电压和电流的强度；

——由所确定的输出电压和电流强度计算至少一个加热器构件的电阻；

——将所计算的电阻与电阻的预定义阈值进行比较；以及

——生成指示比较的步骤的结果的输出信号。

以此方式，可以有利地获得对被设计成电加热器构件的电极的诊断。例如，电力单元的输出电压可以由所采用的微控制器的ADC确定，并且电流的强度可以经由第一MOSFET的电流感测输出确定。

在本发明的另一方面中，本文中公开了一种对包括阻抗测量电路的电容式感测装置进行操作的方法，其中，为了电子电路诊断目的，信号生成单元被配置为在至少一个操作阶段中向保护节点提供AC保护信号，至少一个电加热器构件和保护MOSFET串联连接在保护节点之间。该方法包括至少以下步骤：

——控制第一MOSFET和第二MOSFET进入高欧姆电阻的状态，以防止电流通过至少一个电加热器构件流出电力单元；

——确定保护节点与至少一个电加热器构件的端子之间的复阻抗；

——将所确定的复阻抗的大小与针对所确定的复阻抗的大小的预定义阈值进行比较；以及

——生成指示比较的步骤的结果的输出信号。

保护节点与至少一个电加热器构件的端子之间的复阻抗基本上通过保护MOSFET的漏极-源极和栅极-源极阻抗(即主要是电容)的并联电连接建立。如果所确定的复阻抗的大小显著不同于针对该大小的预定义阈值(该阈值代表标称的和事先已知的漏极-源极和栅极-源极MOSFET电容的并联电连接)，则电子电路诊断的结果为否定的，指示电子电路的完整性受到影响。采用所提出的方法，可以很容易地提供电子电路的诊断。

在本发明的另一方面中，提出了本文中公开的电容式感测装置在能够电加热的车辆方向盘中用于电容式松手检测的用途。至少一个电加热器构件布置在车辆方向盘处，并且被配置用于对车辆方向盘进行加热。

在本发明的又一方面中，提出了本文中公开的电容式感测装置在能够电加热的车辆座椅中用于座位占用检测和/或分类的用途。至少一个电加热器构件布置在车辆座椅处，并且被配置用于对车辆座椅进行加热。

根据下文描述的实施例，本发明的这些方面和其他方面将变得显而易见，并且将参考下文描述的实施例来阐明本发明的这些方面和其他方面。

应当指出的是，在先前的描述中单独详述的特征和措施可以以任何技术上有意义的方式彼此组合并示出本发明的其他实施例。描述具体地联系附图对本发明进行了表征和说明。

附图说明

根据以下参考附图对非限制性实施例的详细描述，本发明的其他细节和优点将是显而易见的，其中：

图1至图3各自示出了根据本发明的具有阻抗测量电路的可能的实施例的电容式感测装置的布局。

为了避免不必要的重复，将仅描述相对于第一实施例的差异。对于图2或图3中未描述的特征，参考第一实施例或对应的前述实施例的描述。

在不同的图中，相同的部分始终分别以相同的参考符号或数字提供。因此，它们通常只被描述一次。

具体实施方式

图1至图3各自示出了具有电容式传感器以及根据本发明的阻抗测量电路的可能的实施例的电容式感测装置的布局，电容式传感器具有至少一个电加热器构件42并且采用电加热器构件42作为在加载模式下操作的电极。

每个阻抗测量电路包括用于提供电测量信号的信号生成单元59、用于响应于信号生成单元测量信号而感测流经至少一个电加热器构件42的电流的信号感测电路61、包括多个MOSFET的电加热器构件连接电路68、至少两个DC偏置单元(每个DC偏置单元包括DC电压源)以及包括微控制器60的控制和评估单元。控制和评估单元至少被配置用于根据预定义次序来控制多个MOSFET的开关状态，并且还被配置用于在预定义次序的预定义阶段期间，参考复参考电位来从所确定的电流确定复阻抗。在针对每个图的相应描述中给出了其他细节。

阻抗测量电路的微控制器60包括处理器单元、数字数据存储器单元、微控制器系统时钟以及具有多个模数转换器69的模数转换器单元。信号生成单元59可以被设计成无源的、幅度控制的正弦整形脉冲生成器单元，其形成微控制器60或信号感测电路61的部分。

在以下描述中，术语“保护节点”意味着指定阻抗测量电路的连接位置，电容式传感器的保护电极可分别连接到该连接位置。对电容式传感器的复阻抗进行测量相当于对传感器感测与接地电位之间的未知复阻抗(或者简称为未知阻抗)进行测量。

图1示出了根据本发明的阻抗测量电路的可能的实施例，其使用若干个电加热器构件42、42’(例如，方向盘或座椅加热器构件)作为AC保护模式下的电容式感测电极。US 6,703,845 B2中描述了用于一个通道的AC保护的技术。图1示出了两个通道，但是该数量也可以是一个或多于两个。下面示例性地描述了一个通道，并且该描述对任何通道都有效。出于加热目的，将来自电加热电流源的电池电压被施加到电池电压端子50、GND，并且以电池电压端子50、GND作为符号表示。阻抗测量电路包括形成为第一MOSFET 51和第二MOSFET 52以及保护MOSFET 40、40’、43、43’的可远程控制的电连接模块。充当高侧开关的MOSFET 51以及MOSFET 52由微控制器60的数字输出55、56接通。提供电线62以用于连接微控制器60和信号感测电路61。

栅极保护电路41、44将栅极-源极电压限制在最大允许值以下，并且可以包括例如栅极串联电阻和位于每个MOSFET 40、43的栅极与源极之间的两个反向连接的串联齐纳二极管。MOSFET 40(在该情况下为PMOS型)在MOSFET 52将节点54切换至接地时，由于其栅极接地而接通。MOSFET 43(在该情况下为NMOS型)在作为高侧开关的MOSFET 51将节点53连接到电池电压时，由于其栅极连接到电池电压也被接通。从而，加热器构件42被供应有电流并且正在加热。MOSFET 40、43的布置产生对加热器构件42和开关电路的保护，以防止电池的反向连接，而无需专用部件的任何额外的成本。如果没有反向极性保护，加热器构件42在反向极性的情况下将持续接通，这是必须避免的。MOSFET 40、43中的本征二极管为反向偏置，并且NMOS MOSFET 43的栅极-源极电压为负，且PMOS MOSFET 40的栅极-源极电压为正，从而关断两个MOSFET。将MOSFET 40、43的栅极分别连接到其他MOSFET的漏极(节点53、54)避免了用于两个MOSFET的专用AC保护栅极驱动器电路。需要AC保护栅极驱动器来基本上消除栅极-源极电容对测量准确性的影响。由于节点53、54是AC保护的，因此MOSFET栅极也是自动AC保护的。另外，与US 6,703,845 B2中的图7(其在栅极前面具有RC低通滤波器以用于交流保护目的)相比，图1所示的电路允许更加快速地导通和关断MOSFET，如果需要高加热占空比，这是至关重要的。出于电容测量的目的，MOSFET 51高侧开关和MOSFET 52通过微控制器60的数字输出55、56关断。MOSFET 40在其栅极经由加热器构件42和MOSFET 43的本征二极管被拉向其源极时关断。MOSFET 43也在其栅极经由加热器构件42和MOSFET 40的本征二极管被拉向其源极时关断。从而，加热器构件42与电池切断并且与地切断。然后，节点53、54经由电容器47、48被带到AC保护电位，电容器47、48连接到信号感测电路61的保护输出57。电容器47、48也可以由电子开关(例如MOSFET)代替，以避免电容器47、48在从加热到测量模式的切换期间的缓慢充电和放电。而且，如将在下文针对图3中所示的阻抗测量电路所描述的，加热部分可以与测量电路的DC偏置AC保护节点和DC偏置感测输入断开连接。

DC偏置电压源64和偏置电阻器63设置节点53的DC偏置电压。DC偏置电压源66和偏置电阻器65设置节点54的DC偏置电压。加热器构件42的DC偏置以及由此MOSFET 40、43的源极的DC偏置，由电阻器49和保护输出57的DC电压设置。DC偏置允许MOSFET 40、43在它们相应的漏极与源极之间具有定义的DC电压，反向偏置它们的本征二极管，以避免测量电流流经二极管。另外，DC偏置降低了漏极-源极电容，这通过增加感测与保护之间的阻抗来减少测量误差。另外，这里采用的恒定DC偏置方法独立于电池电压，并且由此避免了将影响测量准确性的电池电压改变对MOSFET的漏极-源极电容的调制。与引用的现有技术US 6,703,845 B2相比，这是另一优点。例如，节点53的DC偏置可以被设置为1V，并且节点54的DC偏置可以被设置为4V，并且保护输出57的DC偏置以及由此MOSFET 40、43的源极的DC偏置可以被设置为2.5V。

加热器构件42通过电容器45或电容器46或两个电容器45、46AC耦合到信号感测电路61的感测输入58。电容器45、46也可以由电子开关(例如MOSFET)代替，以避免电容器45、46在从加热到测量模式的切换期间的缓慢充电和放电。

与US 6,703,845 B2的阻抗测量电路相比，图1中的阻抗测量电路的优点是公共保护节点53、54只需要一对MOSFET 51、52以将所有通道的保护与电池和地分隔开，并且仍然允许独立测量每个通道的未知导纳1、1’。

作为使用PMOS型MOSFET用于MOSFET 40的替代方案，PMOS型MOSFET 40和栅极保护电路41也可以由与高侧MOSFET开关51类似地操作的NMOS型MOSFET代替。在该情况下，需要专用栅极驱动器，但是由于NMOS型MOSFET的较低的价格，总体成本可能仍然较低。例如，如果可以将MOSFET和栅极驱动器集成到ASIC(专用集成电路)中，则该选项是优选的。由于MOSFET 43的存在，反向极性保护仍然有效。

如图1所示，节点53和54的DC偏置电压分别由DC偏置源64和66来定义，并且加热器42的DC偏置电压由保护输出57的DC电压来定义。替代地，加热器42的DC偏置也可以通过向电阻器49的上端注入已知DC电流来定义，由此产生DC电平偏移，并且节点53或54中的一者的DC偏置可以由保护输出57的DC电压而不是由电阻器、电容器和DC偏置源的组合来定义。这也适用于图3中的电路。此外，还可以通过使用具有适当的DC电压电平的额外的专用保护电压驱动器，而不是使用电阻器、电容器和DC电压源的组合，来生成节点53、54中的任一者的DC偏置。这也适用于图3中的电路。

图2示出了根据本发明的阻抗测量电路的另一可能的实施例，其使用若干个电加热器构件42、42’(例如，方向盘或座椅加热器构件)作为DC保护模式下的电容式感测电极。图2示出了两个通道，但是该数量也可以是一个或多于两个。下文描述了一个通道，该描述对任何通道都有效。

出于加热目的，将电池电压施加到电池电压端子50。充当高侧开关的MOSFET 51以及MOSFET 52由微控制器60的数字输出55、56接通。栅极保护电路41将栅极-源极电压限制在最大允许值以下，并且包括例如栅极串联电阻以及位于每个MOSFET 40的栅极与源极之间的两个反向连接的串联齐纳二极管。MOSFET 40(在该情况下为PMOS型)在MOSFET 52将节点54切换至接地时，由于其栅极接地而接通。从而，加热器构件42被供应有电流并且加热。

MOSFET 40的布置产生对加热器构件42和开关电路的保护，以防止电池的反向连接，而无需专用部件的任何额外的成本。

出于电容测量的目的，作为高侧开关的MOSFET 51和MOSFET 52通过微控制器60的数字输出55、56关断。MOSFET 40在其栅极经由加热器构件42被拉向其源极时关断。由此，加热器构件42与电池切断并且与地切断。

DC偏置电压源64和偏置电阻器63设置节点53的DC偏置电压。加热器构件的DC偏置以及由此MOSFET 40的源极和MOSFET 52的漏极的DC偏置由电阻器49和DC偏置源67设置。DC偏置允许MOSFET 40、52在它们相应的漏极与源极之间具有定义的DC电压，其使它们的本征二极管反向偏置，以便避免测量电流流经二极管。另外，DC偏置降低了漏极-源极电容，这通过增加感测与AC接地之间的阻抗减少了测量误差。另外，这里采用的恒定DC偏置方法独立于电池电压，并且由此避免了影响测量准确性的电池电压改变对MOSFET的漏极-源极电容的调制。例如，节点53的DC偏置可以被设置为1.0V，并且MOSFET 40的源极的DC偏置可以被设置为2.5V。

与现有技术WO 2015/052667 A1相比，图2中所示的阻抗测量电路的优点是消除了MOSFET电容对电池电压的依赖性，并且由此消除了WO 2015/052667 A1中存在的测量误差对电池电压的依赖性。与图1中所示的以及US 6,703,845 B2中的阻抗测量电路相比，图2中的阻抗测量电路的优点是它比图1中所示的阻抗测量电路并且也比US 6,703,845 B2的图3中所示的电路更简单，并且由此更具成本效益。

图2中所示的阻抗测量电路的另一优点是不需要AC保护，这允许对信号感测电路61应用简单的测量电路，例如，如US20120286800 A1中所描述的基于开关电容原理的电容式测量电路。

通常需要对感测电极(其在该情况下是加热器构件42、42’)进行诊断。对于图1和图2中所示的阻抗测量电路，诊断可以通过下述方式实现：短时间接通加热器构件42、42’，并且使用微控制器60的ADC来测量电池电压和经由MOSFET 51的电流感测输出而从MOSFET51流出的实际电流，通过将测量电压除以测量电流来计算并联加热器构件的总电阻，以及将测量的电阻与阈值进行比较。

信号感测电路61到MOSFET 40、43的连接的完整性以及MOSFET 40、43的完整性可以通过测量感测与保护之间的阻抗来诊断。阻抗基本上由MOSFET 40、43的并联的漏极-源极和栅极-源极阻抗构成。如果测量的阻抗显著偏离并联的标称的漏极-源极、栅极-源极MOSFET电容，则完整性诊断结果为否定的。为了诊断加热器构件之间的AC交叉传导(其导致不同测量通道的交叉耦合)，MOSFET 40、43的完整性诊断非常重要。

图3示出了根据本发明的阻抗测量电路的另一可能的实施例，该实施例通过将电路的加热部分与测量部分断开连接来显著减少加热结束与测量开始之间的时间，由此避免了对感测节点的AC耦合分别进行AC保护所需的电容器进行充电或放电。

与图1中所示的阻抗测量电路的不同之处是偏置源66的电压被设置为5.0V。

在加热时，微控制器60经由控制输出102、103关断MOSFET 100、101。因为MOSFET104的栅极处于比其源极略低的电压，所以MOSFET 104被关断，栅极与源极之间的电压差由在其接通状态下跨越MOSFET 43的压降来定义。MOSFET 104由栅极保护电路105保护。

在禁用加热之后并且在开始测量之前，微控制器60接通MOSFET 100、101。在偏置电压源66的驱动下，节点54被带到5.0V的DC电压，在该情况下，偏置电压源66生成5.0V的DC电压。由于MOSFET 104的漏极被设置为2.5V，并且其源极保持在小于2.5V与MOSFET 104的内部二极管的正向电压之和的电压处，因此MOSFET 104也接通。如果电容器46、47、48被选择为显著大于MOSFET 51、40、43、52的寄生电容，则没有显著的电荷从电容器46、47或48流出，并且节点53、54和感测节点的稳定时间显著减少。

MOSFET 104的栅极到节点54的连接允许对MOSFET 104的栅极的AC保护，由此减少测量误差。另一选项是通过微控制器60或经由专用的保护栅极驱动器来直接驱动MOSFET104的栅极。

虽然已经在附图和前述描述中详细说明和描述了本发明，但是这样的说明和描述应当被视为说明性或示例性而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。

通过对附图、公开内容和所附权利要求的研究，本领域技术人员在实践要求保护的发明时可以理解和实现所公开的实施例的其他变体。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”不排除多个，这意味着表达至少两个的数量。在相互不同的从属权利要求中引述某些措施的事实并不指示这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求中的任何附图标记不应当被解释为限制范围。

附图标记列表

40MOSFET

41 栅极保护电路

42 电加热器构件

43MOSFET

44 栅极保护电路

45 电容器

46 电容器

47 电容器

48 电容器

49 电阻器

50 电池供电端子

51MOSFET

52MOSFET

53 AC保护节点

54 AC保护节点

55 数字输出

56 数字输出

57 保护输出

58 感测输入

59 信号生成单元

60 微控制器

61 信号感测电路

62 线

63 电阻器

64 DC偏置电压源

65 电阻器

66 DC偏置电压源

67 DC偏置电压源

68 电加热器构件连接电路

69ADC

100MOSFET(NMOS型)

101MOSFET(PMOS型)

102 微控制器控制输出

103 微控制器控制输出

104MOSFET(NMOS型)

105 栅极保护电路

GND 接地

Claims

1.一种阻抗测量电路，用于确定电容式传感器的复阻抗，所述电容式传感器被配置用于采用至少一个电加热器构件(42)作为在加载模式下操作的电极，所述阻抗测量电路包括：

信号生成单元(59)，所述信号生成单元用于提供电测量信号；

信号感测电路(61)，所述信号感测电路包括电流测量模块，所述电流测量模块用于响应于所述信号生成单元测量信号来感测流经所述至少一个电加热器构件(42)的电流；

电加热器构件连接电路(68)，所述电加热器构件连接电路包括：多个MOSFET(40、51、52)，所述多个MOSFET用于将所述至少一个电加热器构件(42)选择性地电连接到用于复阻抗测量的所述信号感测电路(61)，或者电连接到用于加热目的的DC电力单元；以及至少两个DC偏置单元，每个DC偏置单元包括DC电压源(64、66)，其中，

至少第一MOSFET(51)和第二MOSFET(52)能够电连接到所述DC电力单元的每个输出端口(50、GND)，并且与所述至少一个电加热器构件(42)串联，所述至少一个电加热器构件能够连接在所述第一MOSFET(51)与所述第二MOSFET(52)之间；以及

至少第一保护MOSFET(40)，所述第一保护MOSFET电串联连接到所述第一MOSFET(51)，使得所述第一保护MOSFET(40)的本征二极管反向连接到所述第一MOSFET(51)的本征二极管，并且能够串联连接到所述至少一个电加热器构件(42)，

所述至少两个DC偏置单元被配置用于提供跨越所述至少第一保护MOSFET(40)的漏极端子和源极端子的预定义DC电压，

以及

控制和评估单元，所述控制和评估单元至少被配置用于：

根据预定义次序控制所述多个MOSFET(40、51、52)的开关状态，以及

在所述预定义次序的预定义阶段期间，参考复参考电位从所确定的电流确定复阻抗。

2.根据权利要求1所述的阻抗测量电路，其中，所述第一保护MOSFET(40)的所述栅极端子电DC耦合到所述第二MOSFET(52)的能够与所能够连接的至少一个加热器构件(42)的相对侧连接的端子。

3.根据权利要求1或2所述的阻抗测量电路，还包括：第二保护MOSFET(43)，所述第二保护MOSFET能够在所述至少一个电加热器构件(42)与所述第二保护MOSFET(52)之间与所述至少一个电加热器构件(42)串联连接。

4.根据权利要求3所述的阻抗测量电路，其中，所述第二保护MOSFET(43)的栅极端子电连接到所述第一保护MOSFET(40)的能够与所能够连接的至少一个加热器构件(42)的相对侧连接的端子。

5.根据前述权利要求中的任何一项所述的阻抗测量电路，其中，所述多个MOSFET还包括：线MOSFET(100、101、104)，所述线MOSFET串联连接在位于所述至少一个电加热器构件(42)与所述信号感测电路(61)之间的电线中，其中，所述控制和评估单元被配置为控制所述线MOSFET(100、101、104)的导电状态，使得所述电线在复阻抗测量的阶段期间提供低电阻的电连接，并且在向所述至少一个电加热器构件(42)提供电力的阶段提供大电阻。

6.根据前述权利要求中的任何一项所述的阻抗测量电路，其中，所述信号生成单元(59)被配置为在至少一个操作阶段中向保护节点(53、54)提供AC保护信号(57)，所述至少一个电加热器构件(42)和所述保护MOSFET(40、43)串联连接在所述保护节点之间。

7.根据前述权利要求中的任何一项所述的阻抗测量电路，其中，所述控制和评估单元包括微控制器(60)，所述微控制器包括处理器单元、数字数据存储器单元、微控制器系统时钟以及模数转换器单元，所述模数转换器单元具有用于至少转换所述信号感测电路(61)的输出信号的至少一个模数转换器(69)。

8.根据前述权利要求中的任何一项所述的阻抗测量电路，其中，所述微控制器(60)被配置为执行等效时间采样方法。

9.一种电容式感测装置，包括：

根据前述权利要求中的任何一项所述的阻抗测量电路；以及

电容式传感器，所述电容式传感器具有至少一个电加热器构件(42)，所述至少一个电加热器构件在一个操作周期中充当在加载模式下操作的电极，并且在另一不同的操作周期中充当电加热器。

10.一种对根据权利要求9所述的电容式感测装置进行操作以用于传感器诊断目的的方法，所述方法至少包括以下步骤：

控制所述第一MOSFET(51)和所述第二MOSFET(52)以驱动电流通过所述至少一个加热器构件(42)，

确定所述电力单元的输出电压和所述电流的强度，

由所确定的输出电压和所述电流强度计算所述至少一个加热器构件(42)的电阻，

将所计算的电阻与针对所述电阻的预定义阈值进行比较，以及

生成指示比较的所述步骤的结果的输出信号。

11.一种对包括根据权利要求6所述的阻抗测量电路的电容式感测装置进行操作以用于电子电路诊断目的的方法，所述方法至少包括以下步骤：

控制所述第一MOSFET(51)和所述第二MOSFET(52)进入高欧姆电阻的状态，以防止电流通过所述至少一个电加热器构件(42)流出所述电力单元，

确定所述保护节点与所述至少一个电加热器构件(42)的端子之间的复阻抗，

将所确定的复阻抗的大小与针对所确定的复阻抗的所述大小的预定义阈值进行比较，以及

生成指示比较的所述步骤的结果的输出信号。

12.一种根据权利要求9所述的电容式感测装置在能够电加热的车辆方向盘中用于电容式松手检测的用途，其中，所述至少一个电加热器构件(42)布置在所述车辆方向盘处，并且被配置用于加热所述车辆方向盘。

13.一种根据权利要求9所述的电容式感测装置在能够电加热的车辆座椅中用于座位占用检测和/或分类的用途，其中，所述至少一个电加热器构件(42)布置在所述车辆座椅处，并且被配置用于加热所述车辆座椅。