CN1426537A

CN1426537A - 用来测量电压或温度以及用于产生具有任意预定温度依从关系的电压的方法和电路

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Publication number: CN1426537A
Application number: CN01808754A
Authority: CN
Inventors: 托尔斯滕·克莱姆; 京特·贝克
Original assignee: Braun GmbH
Current assignee: Braun GmbH
Priority date: 2000-06-21
Filing date: 2001-06-20
Publication date: 2003-06-25
Anticipated expiration: 2021-06-20
Also published as: EP1292835B1; AU2001272494A1; US20040041573A1; HK1053355A1; KR20030017531A; ATE373242T1; EP1292835A1; DE50113009D1; CN1249441C; JP2004501376A; WO2001098790A1; DE10029446A1

Abstract

本发明涉及一种方法和一种电路，用来测量电压和温度，并且用来产生具有可调的温度依从关系的电压。按照本发明，该方法包括以下步骤：确定第一电流(I1)流过的半导体器件中pn结的第一正向电压(U_(I1，T))的第一测量值(M1)；确定第二电流(I2)流过的同一个pn结的第二正向电压(U_(I2，T))的第二测量值(M2)；从确定的测量值(M1、M2)、至少一个表征pn结特性的参数(n)，以及可选择性地通过所希望的温度依从关系，计算出与将被测量的电压(U₀、U_(I1，T)、U_(I2，T))成比例的值。按照本发明的电路包括一个A/D转换器(W)、一个具有pn结的半导体器件(D)和一个通过pn结提供第一和第二电流(I1、I2)的电压源，其中pn结与A/D转换器(W)的输入并联。A/D转换器(W)的输出连接在运算电路上。

Description

用来测量电压或温度以及用于产生具有任意预定温度依从关系的电压的方法和电路

本发明涉及用于测量电压和/或温度，以及用于产生具有任意可预定的温度依从关系的电压的一种方法和一种电路。

本发明的目标是发明用来测量电压和/或温度，以及用来产生具有任意可预定温度依从关系的电压的一种简单的方法，以及一种非常简单的电路，用于实现所述方法。

根据本发明，这个目标通过包括以下的步骤的方法来实现：确定第一电流流过的半导体元件，例如二极管的pn结的第一正向电压；然后确定第二电流流过的同一个pn结的第二正向电压，优选地这两个电流的大小有十的几次幂的差异。优选地，这两个测量是紧接着进行的，因此在进行两个读数时存在相同的测量状态，就是说，pn结的温度是相同的，用来实现这个方法的电路供电电压也是恒定的。随后，通过一个运算电路，可以根据测量值和表征pn结特性的参数，确定与被测电压成比例的值。这个参数由分别施加第一和第二个电流时正向电压的温度漂移关系给出。这个参数也可以从pn结的特性族中推导出来。

计算所测电压的绝对值需要恰当的比例系数。为了确定温度，运算电路需要知道至少在一种电流情况下的温度与pn结正向电压之间的关系。这种关系由另外的参数来描述，这些参数表征pn结的特性，可以由pn结的特性族确定。通过计算的温度，可以计算出来具有温度依从关系的电压。所希望的温度依从关系由另外的参数或者函数确定。

根据本发明的电路包括：A/D转换器、可控开关、具有pn结的半导体器件、例如二极管，电压源、运算电路和用于可控开关和A/D转换器的控制电路。由电压源施加的电流及其大小可以通过可控开关在两个值之间切换，并且能够流过pn结。在每次开关切换后，A/D转换器扫描在pn结内出现的正向电压，并且提供相应的数字测量值。通过数字测量值和表征pn结特性的参数，运算电路可以计算出与pn结的正向电压成比例的值，与A/D转换器供电电压成比例值；或者，如果必要的话，以适当的比例系数，运算电路能够计算出其绝对值，以及pn结的温度。通过这个温度，随后可以计算出具有任何预定温度依从关系的电压；并且，如果需要的话，以模拟和数字形式发出。优选地，这些参数和比例系数都存储在运算电路中。确定温度所需的在所选电流下pn结的正向电压与pn结的温度之间的关系，以及所希望的将要产生的电压的温度依从关系，也优选地按照某种基本上公知的方式例如用表格或者公式存储在运算电路内，或者运算电路能够访问的存储器中。

通过按照本发明的方法和电路，可以产生一种其温度依从关系可以设定的温度依从电压U_(T)。这样一种电压例如能够用于控制蓄电池的放电/充电过程。然而，按照本发明的这种方法或电路，同时也能够用于测量电池组电压或者蓄电池电压，和/或电池组驱动的或者蓄电池驱动的设备的温度。在包含微控制器的设备中，本发明提供的特殊的优点在于这些测量也可以使用微控制器来完成，而设备中既不包括基准电压线路也不包括用来产生温度补偿基准电压的内部电路，因而非常经济。

下文中，通过按照本发明的电路的实施例说明本发明，并且通过特性族来说明本发明的方法所需的参数的确定。附图中：

图1为按照本发明的第一电路的原理图；

图2为按照本发明的第二电路的原理图；

图3为半导体器件的pn结的特性族；以及

图4为图3所示特性族的另一种视图。

在图1中显示的按照本发明的电路，包括一个A/D转换器W，它由电压源U₀供电，所述电压为对地电压。A/D转换器W的输入通过pn结连接到地面，转换器沿半导体器件的电流方向接入，而所述半导体器件是二极管D。通过第一和第二电阻R1和R2，并通过一个可控开关S和第二电阻R2，具有电压U1的另一个电压源连接到A/D转换器W的输入。当开关S打开时，第一电流I1可以经由第一和第二电阻R1、R2流过二极管D，而开关S闭合时第二电流可以经开关S和电阻R2流过二极管D。可控开关S能够通过由控制电路T产生的时钟脉冲信号进行控制，所述时钟脉冲信号也可以输入A/D转换器W。A/D转换器W的输出连接到运算电路R，该电路包括模拟和/或数字输出，由此输出希望得到的电压，或者在其上连接显示装置(图中未显示)。优选地，可控开关S、控制电路T、运算电路R和A/D转换器W都集成在微控制器M中。通过这个电路，打开开关S，由第一电流I1流过二极管D，可以测量二极管D的第一正向电压，闭合开关S，第二电流I2流过二极管D，可以测量同一二极管D的第二正向电压，优选地使两个电流I1、I2相差十的几次幂。电压源的电压U0和U1，以及电阻R1和R2的选取应使得一方面获得所需的电流I1和I2，另一方面A/D转换器W输入的电压不会超过其供电电压U0。

图1所示根据本发明的变形电路中，两个电压源的电压U1和U0是相同的，就是说，没有两个电压源，而是只有一个。在这种情况下，如果需要达到与包括两个电压源的电路相同的测量精度，A/D转换器W的分辨率必须很高。

为了产生根据本发明的具有任意预定温度依从关系的电压，首先将所希望的温度依从关系作为一个函数编入电路，或者作为表格存储在存储器中。优选地，参数也存储在同一位置，所述参数描述了所使用的pn结的特性。下文中将通过图3中显示的pn结的特性族对这些特性的参数进行描述。这些特性族反映了在半对数表达式中、pn结的不同温度下，pn结正向电压和流经pn结的电流之间的关系。在这个表达式中，上述关系在很大的区域内是线性的。

通过特性族的线性区域，在两个不同的被选温度T1、T2下可得到两个不同的被选电流I1、I2，每个具有一个正向电压U_(I，T)，就是说，总共可以取4个正向电压U_(I1，T1)、U_(I1，T2)、U_(I2，T1)、U_(I2，T2)。正如可以从特性族中看出，正向电压的温度漂移ΔU

ΔU_(I1)＝U_(I1，T2)-U_(I1，T1)，和

ΔU_(I2)＝U_(I2，T2)-U_(I2，T1) (1)在所选电流I1、I2和温度T1、T2上的差异为与温度无关的因子n，所述因子代表表征pn结特性的第一参数：

n＝ΔU_(I1)|ΔU_(I2) (2)

通过带入(1)式对(2)进行变换，得到：

n*U_(I2，T2)-U_(I1，T2)＝n*U_(I2，T1)-U_(I1，T1)＝k (3)其中k为与温度无关的常数，表示表征pn结特性的第二参数。正如可以从特性族中看到的一样，参数n和k与是否通过根据本发明的电路的二极管D无关，而是依赖于所选电流I1、I2，例如，由于供给电压的波动，电流比所选的电流I1、I2小于或者大于一个特定的因子。然而，n和k却取决于关系I1/I2。其它半导体器件，例如晶体管的pn结的特性族，可以使用同样的方式测定。

通过参数n，在pn结的任何温度下，电路能够确定一个与pn结供给电压U₀成比例的值，或者能够在任何给定电压U₀下，确定一个与pn结温度成比例的值。如果除此之外，将一个特殊的温度函数编入运算电路，它就能够计算具有相应温度依从关系的电压，并且如果需要的话，可以以模拟或者数字的形式在它的一个输出中发出。

首先，说明图1中所示的电路供电电压U₀的确定。如果在输入中存在电压U_(T)，A/D转换器在其输出上提供测量值M_(T)(只要不发生A/D转换器溢出)：

M_(T)＝M_max*U_(T)/U₀ (4)其中U_(T)是A/D转换器的供给电压，而M_max是能够由A/D转换器给出的最大值。以下模拟地用于输入电压U_(I1，T)、U_(I2，T)和对应的测量值M1_(T)、M2_(T)：

U_(I1，T)＝M1_(T)*U₀/M_max和U_(I2，T)＝M2_(T)*U₀/M_max (5)

如果(5)式代入(3)式中，有以下结果：

n*M2_(T)*U₀/M_max-M1_(T)*U₀/M_max＝k，或者

U₀＝k*M_max/(n*M2_(T)-M1_(T)) (6)

等式(6)表示，由测量值M1、M2确定的值1/(n*M2_(T)-M1_(T))的供给电压U₀与比例系数k*M_max成比例。U₀的确定与pn结的温度无关。因为k/(n*M2_(T)-M1_(T))是与pn结的温度无关的(比较公式3)。

下面说明用图1所式的电路确定pn结的温度T。如果将(6)代入(4)式，得到：

U_(T)＝k*M_(T)/(n*M2_(T)-M1_(T)) (7)其中电压U_(T)的温度依从性由pn结的特性确定，如图4所示。根据图4，pn过度元件的温度T和正向电压之间的关系很大程度上式线性的，就是说，在特性族的线性区域内，正向电压U_(I1，T)和U_(I2，T)与温度T成比例。因此，将(6)代入(5)后，得到以下结果：

U_(I1，T)＝k*M1_(T)/(n*M2_(T)-M1_(T))＝a₁*T+b₁和

U_(I2，T)＝k*M2_(T)/(n*M2_(T)-M1_(T))＝a₂*T+b₂ (8)或者

U_(I2)/a₂-b₂/a₂＝T_(U)＝U_(I1)/a₁-b₁/a₁ (9)

参数a₁、b₁或者a₂、b₂可以由pn过度元件的特性族确定，优选地这些参数，和参数k和n一起，存储在运算电路或者运算电路可以访问的存储器中。因此，为了确定pn过度元件的温度T的绝对值，要使用按照本发明的方法来测定正向电压U_(I1，T)或者U_(I2，T)，然后可以计算出温度T。确定温度T与供给电压U₀的值无关。

为了产生一个具有任意温度依从关系的电压U_(T)，所希望的电压温度依从关系必须进行编程，例如作为一个函数编入运算电路，或者须以表格的形式存储在运算电路访问的存储器内。优选地，表或者程序能够根据输入装置所需的方式进行改变。在使用公式(9)确定温度后，可以使用运算电路计算出具有对应温度依从关系的电压U_(T)，并以模拟或者数字形式输出。

例如，如果产生出具有确定参数a、b的电压U_(T)＝a*T+b，然后首先按照公式(8)在温度T′确定正向电压U_(I2，T′)。然后从公式(9)按照以下方式导出所需的电压U_(T′)：

U_(T′)＝U_(I2，T′)*a/a₂-b₂*a/a₂+b

图2所示的，根据本发明的电路，与参照图1所说明的电路的主要不同之处在于A/D转换器W通过二极管D的输入不接地，而是连接到电压源U1，并且在于A/D转换器W通过第一和第二二电阻R1和R2以及可控开关S的输入不是连接到电压源，而是接地。然而，第一和第二电阻R1、R2不是串联，而是第二电阻与可控开关S串联。第一电阻R1与之并联。因此，当开关S打开后，第一电流I1流过第一电阻R1，而第二电流I2经过第一电阻和第二电阻R1和R2以及开关S流过二极管D。进一步，值存在一个电压源U1，通过分压器向A/D转换器W提供供给电压U₀，分压器由第三和第四电阻R3、R4形成。

如图2所示，在按照本发明的电路变种中，没有第三和第四电阻R3、R4，就是说，A/D转换器W位于电压源U1和地线之间。在这种情况下，如果需要达到图2所示的根据本发明的电路所能达到的精度，A/D转换器W的分辨率必须很高。

在下面说明，使用图2中所示的电路，对A/D转换器W的测得的供给电压U₀和二极管D的温度T的计算。如果二极管D上有电压降U，A/D转换器W在其输出中输出一个测量值M；因此，如果在A/D转换器W的输入上出现电压U₀-U(只要二极管D的正向电压始终不超过A/D转换器的供给电压U₀)：

M＝M_max*(U₀-U)/U₀ (4′)其中U₀是A/D转换器的供给电压，M_max是A/D转换器所能表示的最大值。模拟地，下式应用于输入电压U_(I1)、U_(I2)和对应的测量值M1、M2：

U_(I1)＝U₀-M1*U₀/M_max和

U_(I2)＝U₀-M2*U₀/M_max (5′)

如果把(5′)式代入(3)式中，有以下结果：

U₀＝k*M_max/(n(M_max-M2)-(M_max-M1)) (6′)

如果将(6′)代入(5′)后，下式用于分别具有电流I1和I2的正向电压U_(I1)和U_(I2)上；

U_(I1)＝k*(M_max-M1)/(n(M_max-M2)-(M_max-M1))和

U_(I2)＝k*(M_max-M1)/(n(M_max-M2)-(M_max-M1)) (8′)

将关系(6′)、(8′)和关系(6)、(8)进行比较显示，使用按照图2的电路，除了测量值M1、M2要分别被(M_max-M1)、(M_max-M2)代替以外，计算测定的电压与使用如图1所示的电路的方法完全相同。

Claims

1.一种用于测量电压的方法，其特征在于，包括以下步骤：

确定第一电流(I1)流过的半导体器件中pn结的第一正向电压(U(I1，T))的第一测量值(M1)；

确定第二电流(I2)流过的同一个pn结的第二正向电压(U_(I2，T))的第二测量值(M2)；

从确定的测量值(M1、M2)以及表征pn结特性的参数(n)，计算出与将被测量的电压(U₀、U_(I1，T)、U_(I2，T))成比例的值。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，参数(n)表示正向电压的温度漂移(ΔU_(I1，T)、ΔU_(I2，T))和所选电流(I1、I2)之间的关系。

3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，优选地两个电流(I1、I2)的差别为十的几次幂。

4.根据权利要求1、2或3的方法，其特征在于，将被测量的电压(U₀、U_(I1，T)、U_(I2，T))由比例值和比例系数计算得到。

5.一种用于测量温度的方法，其特征在于，以下步骤：

在预定电流(I)的情况下，通过按照上述任一权利要求所述的测量电压的方法，测量半导体器件的pn结的正向电压(U_(I，T))；和

由测定的正向电压值(U_(I，T))和先前确定的在预定电流(I)下pn结的温度和正向电压(U_(I，T))之间的关系，计算pn结的温度(T)。

6.一种用于产生具有预定的温度依从关系的电压的方法，其特征在于，包括以下步骤：

按照权利要求5确定半导体器件的pn结的温度；和

由预定温度和预定温度依从关系计算具有预定温度依从关系的电压。

7.一种用来测量电压、温度和/或用来产生具有预定的温度依从关系的电压，特别是用来实现前述任一权利要求所述的方法的电路，其特征在于，包括A/D转换器(W)、具有pn结的半导体元件(D)和提供通过pn结的第一和第二电流(I1、I2)的电压源，其中pn结与A/D转换器(W)的输入并联，并且包括一个连接在A/D转换器(W)的输出上的运算电路(R)。

8.根据权利要求7的电路，其特征在于，它进一步包括可控开关(S)和用来控制可控开关(S)和A/D转换器(W)的控制电路(T)，并且由电压源提供的电流(I1、I2)的大小能够通过可控开关(S)进行切换。

9.根据权利要求7或8的电路，其特征在于，具有存储器，其中可以存储表征pn结和/或表征预定的温度依从关系的参数，而且运算电路(R)可以访问所述存储器。