DE102015106627B4

DE102015106627B4 - Systeme und Verfahren für eine Brückenvorspannungserzeugung für hohe Spannungen und Niedrigspannungsausleseschaltungsanordnung

Info

Publication number: DE102015106627B4
Application number: DE102015106627.0A
Authority: DE
Inventors: Dirk Hammerschmidt; Peter Bogner; David Astrom
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2014-04-30
Filing date: 2015-04-29
Publication date: 2019-07-11
Anticipated expiration: 2035-04-30
Also published as: CN105043435A; US20150316586A1; US9921249B2; DE102015106627A1; CN105043435B

Abstract

Multispannungssensorsystem, das Folgendes umfasst:mindestens eine Ladungspumpe (106; 222; 224), die eingerichtet ist, eine hohe Spannung bereitzustellen;eine Sensorbrücke (108), die mit der hohen Spannung vorgespannt ist und eingerichtet ist, Sensorwerte bereitzustellen;eine Niedrigspannungsausleseschaltungsanordnung (110), die ausschließlich Niedrigspannungskomponenten umfasst und die eingerichtet ist, die Sensorwerte zu empfangen; undeinen Niedrigspannungsregler (104) umfasst, der eingerichtet ist, eine niedrige Spannung zu erzeugen und die niedrige Spannung an der Ausleseschaltungsanordnung (110) bereitzustellen.

Description

Hintergrund
Eine Art von Sensoren, die in Fahrzeugsystemen oft verwendet wird, ist ein Drucksensor. Solche Sensoren umfassen ein auslenkbares Element und erzeugen einen Ausgang basierend auf der Auslenkung. Das Ausgangssignal gibt das Ausmaß der Auslenkung an und wird durch eine Messkomponente gemessen.
Üblicherweise werden Sensoren bei Fahrzeugbordnetzspannungen (7... 18V) betrieben oder werden von der ECU mit Reglern mit einer stabilen Versorgung (z.B. 4,5... 5,5 V) bereitgestellt. Um eine relevante Auslenkung der Membran durch elektrostatische Kräfte zu ermöglichen, ist es oftmals erforderlich, die Sensoren bei einer höheren Spannung als bei der Versorgung oder deren Minimalwert (z.B. 10... 16V) zu betreiben. Jedoch verbraucht ein Betrieb bei hoher Spannung wesentlich mehr Leistung, erhöht die Kosten für die Bauteile und verringert die Betriebsgeschwindigkeit für die Schaltungsanordnungen der Messbauteile.
A. Mason, A. V. Chavan, K. D. Wise: A Mixed-Voltage Sensor Readout Circuit With On-Chip Calibration and Built-In Self-Test. IEEE Sensors Journal, Vol. 7, Nr. 9, S. 1225-1232, September 2007, doi: 10.1109/JSEN.2007.897957 offenbart eine Vorrichtung, bei welcher ein Sensor zumindest in manchen Betriebsarten mit einer hohen Spannung betrieben wird, die durch eine Ladungspumpe erzeugt werden kann, und dann mittels einer Ausleseschaltung, die zumindest teilweise mit einer niedrigeren Spannung betrieben werden kann. Ähnliche Vorrichtungen sind aus der DE 10 2013 207 975 A1 , der US 2013/051582 A1 oder der WO 2013/083203 A1 bekannt.
Es ist daher eine Aufgabe, diesbezüglich verbesserte Systeme und Verfahren bereitzustellen.
Kurzzusammenfassung
Es werden ein System nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren nach Anspruch 12 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsformen.
Figurenliste

1 ist ein Blockschaltbild, das ein Vielfachspannungssensor- und Auslesesystem darstellt.
2 ist ein Blockschaltbild, das ein Vielfachspannungssensor- und Auslesesystem unter Verwendung von negativen und positiven Ladungspumpen darstellt.
3A ist ein Schaltbild, das eine Sensorbrücke mit auslenkbaren Membranen darstellt.
3B ist ein Schaltbild, das eine Sensorbrücke mit auslenkbaren Membranen in einer linken Hälfte der Brückenkonfiguration darstellt.
3C ist ein Schaltbild, das eine Sensorbrücke mit auslenkbaren Membranen in einer rechten Hälfte der Brückenkonfiguration darstellt.
3D ist ein Schaltbild, das eine Sensorbrücke mit einer auslenkbaren Membran in einer Hälfte der Brückenkonfiguration darstellt.
4 ist ein Blockschaltbild, das ein Vielfachspannungssensor- und Auslesesystem nur unter Verwendung einer positiven Ladungspumpe darstellt.
5 ist ein Schaltbild, das ein Ladungspumpensteuersystem darstellt.
6 ist ein Schaltbild, das einen beispielhaften Betrieb des Systems darstellt.
7 ist ein Schaltbild, das ein Ladungspumpensteuersystem für eine negative Ladungspumpe darstellt.
8A ist ein Schaltbild, das eine Ausleseschaltungsanordnung darstellt, die mit einem Vielfachspannungssensor- und Auslesesystemen verwendet werden kann.
8B ist ein Schaltbild, das eine Ausleseschaltungsanordnung darstellt, die mit Vielfachspannungssensor- und Auslesesystemen verwendet werden kann.
9 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Betreiben eines Vielfachspannungssensorsystems darstellt.
10 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Betreiben einer Ladungspumpe darstellt.

Detaillierte Beschreibung
Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben, wobei ähnliche Bezugsziffern verwendet werden, um sich durchgehend auf ähnliche Elemente zu beziehen und wobei die dargestellten Strukturen und Vorrichtungen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind.
Systeme und Verfahren sind offenbart, die sensorbasierte Systeme wie Fahrzeugsensorsysteme, einschließlich eines Drucksensors, verbessern. Solche Systeme umfassen einen hohen Spannungssensor, der ein Sensor ist, der eine höhere Spannung erfordert als eine geregelte oder Versorgungsspannung, um richtig arbeiten zu können. Die Systeme und Verfahren erleichtern einen richtigen/verlässlichen Betrieb von hohen Spannungssensoren, während sie den Stromverbrauch und Schaltungsbauteile für hohe Spannungen schonen.
1 ist ein Blockschaltbild, das ein Vielfachspannungssensor- und Auslesesystem 100 darstellt. Das System 100 verwendet hohe Spannungen (im Rahmen dieser Anmeldung auch als Hochspannung bezeichnet) für Sensoren für hohe Spannungen, ermöglicht jedoch auch, dass niedrige Spannungen für Ausleseausgaben der Sensoren verwendet werden.
Das System 100 ist auf vereinfachte Weise dargestellt und beschrieben, um das Verständnis zu erleichtern.
Begriffe wie „hohe Spannung“, „Hochspannung“, „niedere Spannung“, „mittlere Spannung“ etc. sind im Rahmen der vorliegenden Anmeldung relativ zueinander zu verstehen und implizieren nicht notwendigerweise einen bestimmten Absolutwert oder Absolutwertbereich.
Das System 100 umfasst einen mittleren oder Mittelspannungs-(MV) Regler 102, einen Niedrigspannungs- (LV) Regler 104, eine oder mehrere Ladungspumpen 106, einen Sensor 108 und eine Ausleseschaltungsanordnung 110. Der MV-Regler 102 empfängt eine Versorgungsspannung, die einen geeigneten Pegel aufweist, wie 6-18 V, und die außerdem mit Masse verbunden ist. Der MV-Regler 102 erzeugt eine mittlere Spannung 114, die auf einem geeigneten Pegel geregelt wird, wie 3 oder 5 V. Die mittlere Spannung 114 liegt unter der Versorgungsspannung.
Der LV-Regler 104 empfängt Leistung 112 von dem MV-Regler 102 und ist ebenfalls mit Masse verbunden. Die Leistung 112 wird mit einem geeigneten Pegel bereitgestellt. In einem Beispiel ist die Leistung 112 die mittlere Spannung 114. Der LV-Regler 104 erzeugt eine niedrige Spannung 120, die geregelt ist und einen geeigneten Pegel wie 1,5 V aufweist.
Die Ladungspumpen 106 empfangen die mittlere Spannung 114 und erzeugen (eine) Pumpenspannung(en) 116, die eine größere Größenordnung aufweisen als die mittlere Spannung 114 und die in manchen Beispielen größer ist als die Versorgungsspannung. Einige Beispiele für geeignete Pumpenspannungen 116 umfassen 12 V, -12 V, 0,75 + 12 V, 0,75 V - 12V, ½ * niedrige Spannung + 12 V, ½ * (niedrige Spannung - 12V) und dergleichen. Die Ladungspumpen 106 stellen Spannungen bereit, die höher sind als die Versorgungsspannung und diese sind steuerbar, um die Sensorbrücke 108 selektiv vorzuspannen.
Die Sensorbrücke 108 ist ein hoher Spannungssensor. Die Sensorbrücke 108 empfängt die Pumpenspannungen 116 und stellt einen oder mehrere Sensorwerte 118 bereit, die für niedrigere Spannungen geeignet sind, wie Spannungen von etwa unter 3 V. Die Pumpenspannungen 116 spannen die Sensorbrücke unter Verwendung von hohen Spannungen vor. In einem Beispiel umfasst die Sensorbrücke 108 einen Schaltmechanismus, der konfiguriert ist, zwischen den Pumpenspannungen 116 und/oder Masse umzuschalten. Manche der beispielhaften Schaltmechanismen sind unten bereitgestellt.
Die Sensorwerte 118 geben Merkmale, wie unten beschrieben, an. Die Sensorwerte 118 liegen in Form von Kapazitäten, Differentialkapazität(en), Spannungen, Strömen und dergleichen vor, die den angegebenen Merkmalen entsprechen. Im Allgemeinen misst die Sensorbrücke 108 physikalische Eigenschaften basierend auf Änderungen an einer mechanischen Struktur wie Druck und erzeugt die Signale 118 basierend auf der mechanischen Änderung. In einem Beispiel erzeugt der Sensor 108 die Signale basierend auf einer Auslenkung eines Diaphragmas.
In einem Beispiel ist der Sensor 108 ein Kraftrückkoppelungssensor und umfasst eine auslenkbare Membran. Ein Kraftrückkoppelungssensor ist eine Art von Sensor, der eine Membran umfasst, eine Auslenkung der Membran misst und diese in einer erwünschten Betriebsposition stabilisiert. Die Kraft, die die Membran auslenkt, erzeugt ein Signal, wie eine Spannung, die von dem Ausmaß der Auslenkung abhängig ist. Elektroden des Sensors werden vorgespannt, um die Kraft, die die Membran auslenkt, positiv oder negativ zu kompensieren. Die Vorspannung kann ausgewählt werden, um die Empfindlichkeit des Sensors, die Verlässlichkeit und dergleichen zu verbessern. Zusätzlich dazu kann die Vorspannung ausgewählt werden, um Umgebungseinwirkungen wie Temperatur, Druck und dergleichen zu kompensieren. Ein ähnliches Vorspannen kann für auf Beschleunigungsmessern basierende Sensoren verwendet werden.
Die Auslesungsschaltungsanordnung 110 wird durch die niedrige Spannung 120 mit Strom versorgt und ist konfiguriert, einen Messausgang basierend auf den Sensorwerten 118 bereitzustellen. In einem Beispiel verwendet die Ausleseschaltungsanordnung 110 eine modifizierte Spannung oder eine Mittelspannung, die von der niedrigen Spannung abgleitet ist. Die Mittelspannung ist eine geeignete Spannung, die niedriger ist als die niedrige Spannung. Üblicherweise ist die Mittelspannung etwa halb so groß wie die niedrige Spannung. Falls somit die niedrige Spannung 120 etwa 1,5 V beträgt, beträgt die Mittelspannung etwa 0,75 V.
Die Ausleseschaltungsanordnung 110 misst die Werte 118 unter Verwendung einer Niedrigspannungsschaltungsanordnung, wie einer Anordnung, die bei Spannungen von weniger als 3 V, bei der niedrigen Spannung 120, der Mittelspannung und dergleichen operabel ist. Durch die Verwendung der niedrigen Spannung 120 und da keine höhere Spannung benötigt wird, wird der Stromverbrauch verringert, die Kosten für Schaltungsbauteile werden reduziert und die Niedrigspannungsschaltungsanordnung arbeitet schneller.
Andere hochspannungsbasierte Sensorsysteme erfordern eine Ausleseschaltungsanordnung, die eine hohe Spannungsschaltungsanordnung umfasst. Deshalb verbrauchen solche Systeme mehr Strom, weisen erhöhte Bauteilkosten und geringere Arbeitsgeschwindigkeiten auf als das System 100.
2 ist ein Blockschaltbild, das einen Vielfachspannungssensor und ein Auslesesystem 200 unter Verwendung von negativen und positiven Ladungspumpen zeigt. Das System 200 kann mit oder zusätzlich zu dem oben beschriebenen System 100 verwendet werden. Bauteile mit identischen Bezugsziffern können für eine zusätzliche Beschreibung oben eingesehen werden.
Das System 200 umfasst einen mittlere-Spannungs- (MV) Regler 102, einen Niedrigspannungs- (LV) Regler 104, eine positive Ladungspumpe 222, eine negative Ladungspumpe 224, eine Sensorbrücke 108, eine virtuelle Massekomponente 226 und eine Ausleseschaltungsanordnung 110. Der MV-Regler 102 empfängt eine Versorgungsspannung, die einen geeigneten Pegel aufweist, wie 6-18 V und ist ebenfalls mit Masse verbunden. Der MV-Regler 102 erzeugt eine mittlere Spannung 114, die auf einem geeigneten Pegel geregelt wird, wie 3 oder 5 V. Die mittlere Spannung 114 liegt unter der Versorgungsspannung. Der LV-Regler 104 empfängt Leistung 112 von dem MV-Regler 102 und ist ebenfalls mit Masse verbunden. Die Leistung 112 wird mit einem geeigneten Pegel bereitgestellt. In einem Beispiel ist die Leistung 112 die mittlere Spannung 114. Der LV-Regler 104 erzeugt eine niedrige Spannung 120, die geregelt wird und einen geeigneten Pegel wie 1,5 V aufweist.
Die positive Ladungspumpe 222 empfängt die mittlere Spannung 114 von dem Spannungsregler 102 und erzeugt eine positive Ladungspumpenspannung 228. Die Ladungspumpenspannung 228 weist eine größere Größenordnung auf als die mittlere Spannung 114. Manche Beispiele für geeignete positive Ladungspumpenspannungen umfassen 12 V, Vmit + 12 V, 0,75 + 12 V und dergleichen. Vmit ist üblicherweise die Hälfte der niedrigen Spannung 120.
Die negative Ladungspumpe 224 empfängt auch die mittlere Spannung 114 von dem Regler 102 und erzeugt eine negative Ladungspumpenspannung 232. Die negative Ladungspumpenspannung 232 weist eine größere Größenordnung auf als die mittlere Spannung. Manche Beispiele für geeignete Spannungen umfassen -12 V, Vmit - 12 V, 0,75 - 12 V und dergleichen.
Die Sensorbrücke 108 empfängt die Pumpenspannungen (228 und 232) und stellt einen oder mehrere Sensorwerte 118 bereit, die für niedrigere Spannungen, wie Spannungen etwa unter 3 V, geeignet sind. Die Pumpenspannungen 228 und 232 sind etwa um eine Mittelpunktspannung zentriert, wie unten beschrieben. Deshalb ist der Sensorbrücken-Differenzialausgang ebenfalls um diese Mittelspannung zentriert, somit sind die einzigen hohen Spannungselemente, die benötigt werden, Transistoren für hohe Spannungen, die die Pumpenspannungen empfangen. Die Schaltungsanordnung auf der anderen Seite der Brücke kann Niedrigspannungselemente verwenden.
In einem Beispiel umfassen die Sensorwerte 118 Kapazitäten, Differenzialkapazität(en) und dergleichen. Die Sensorbrücke 108 misst physikalische Eigenschaften basierend auf Änderungen an einer mechanischen Struktur und erzeugt die Signale 118 basierend auf der Kraft. In einem Beispiel erzeugt der Sensor 108 die Signale basierend auf einer Auslenkung eines Diaphragmas oder Membran. Einige Beispiele für geeignete Sensoren sind unten bereitgestellt.
Das virtuelle Massebauteil 226 empfängt die niedrige Spannung 120 und erzeugt eine Mittelpunktspannung (Vmit) 230 daraus. Üblicherweise beträgt die Mittelpunktspannung 230 etwa die Hälfte der niedrigen Spannung 120. Somit beträgt die Mittelpunktspannung 230, falls die niedrige Spannung 120 1,5 V beträgt, etwa 0,75 V. Jedoch gilt anzuerkennen, dass andere Werte für die Mittelpunktspannung auch möglich sind.
Die Ausleseschaltungsanordnung 110 wird von der niedrigen Spannung 120 mit Strom versorgt und ist konfiguriert, einen Messausgang basierend auf den Sensorwerten 118 bereitzustellen. Die Ausleseschaltungsanordnung 110 verwendet ebenfalls eine modifizierte Spannung, die Mittelpunktspannung 230.
Die Ausleseschaltungsanordnung 110 misst die Werte 118 unter Verwendung von Niedrigspannungsschaltungsanordnungen, wie einer Anordnung, die bei Spannungen von weniger als 3 V, der niedrigen Spannung 120, der Mittelspannung und dergleichen operabel ist. Die Verwendung einer Niedrigspannungsschaltungsanordnung ermöglicht die Verwendung von schnellen Bauteilen wie schnelle Verstärker und Schalter mit geringen Widerständen und einem geringen Chip-Bereichsverbrauch. Zusätzlich dazu reduziert die Niedrigspannungsschaltungsanordnung im Vergleich zu ähnlichen hohen Spannungsschaltungsanordnungen parasitäre Kondensatoren von Transistoren auf einen geringeren Wert und reduziert unerwünschte Effekte wie eine Ladungsinjektion von Schaltern.
3A ist ein Schaltbild, das eine Sensorbrücke 301 mit auslenkbaren Membranen darstellt. Der Sensor 301 kann in Systemen wie jenen verwendet werden, die oben als die Sensorbrücke 108 beschrieben wurden. Der Sensor 301 wird im Allgemeinen mit einer ersten Betriebsphase und einer zweiten Betriebsphase verwendet. In jeder Phase werden Pumpenspannungen und/oder Masse angelegt. Deshalb erzeugt der Sensor 301 die Signale 118 in Form einer Kapazität oder einer Kapazitätsdifferenz. Schalter für hohe Spannungen, die als 302a und 302b dargestellt sind, können verwendet werden, um zwischen den Phasen umzuschalten. Die hohen Spannungsschalter 302a und 302b wechseln sich mit dem Beaufschlagen der hohen Spannungen ab und werden auch als Polaritätsumkehrschalter bezeichnet.
Die Sensorbrücke 301 ist als eine Vollbrücke dargestellt und umfasst Anschlüsse 118A und 118B, die Sensorwerte 118 bereitstellen und Anschlüsse 116A und 116B, die Ladungspumpensignale 116 empfangen. Falls diese Halbbrücke in der Ausführungsform oder in Beispiel 400 unten verwendet wird, empfängt der Anschluss 116A eine positive Ladungspumpenspannung während einer ersten Betriebsphase und der Anschluss 116B wird auf Masse geschaltet. Während einer zweiten Betriebsphase wird 116B auf die Ladungspumpenspannungen geschaltet, während 116A auf Mas geschaltet wird.
Falls diese Sensorbrücke 301 in dem System 200, oben beschrieben, verwendet wird, empfängt der Anschluss 116A eine positive Ladungspumpenspannung während einer ersten Betriebsphase und der Anschluss 116B empfängt eine negative Ladungspumpenspannung während einer zweiten Betriebsphase. Die Anschlüsse 116A und 116B werden in der zweiten Phase auf die der ersten Phase entgegengesetzten Ladungspumpenspannungen geschaltet.
Die Brücke 301 umfasst eine erste auslenkbare Membran zwischen Anschlüssen 118B und 116A und eine zweite auslenkbare Membran zwischen Anschlüssen 118A und 116B. Es gibt einen ersten fixierten Kondensator zwischen den Anschlüssen 116A und 118A und einen zweiten fixierten Kondensator zwischen den Anschlüssen 118B und 116B. Der erste und der zweite Kondensator weisen als ihre Kapazitäten Referenzwerte auf. Die Membranen weisen eine Kapazität auf, die gemäß der Auslenkung der Membranen aufgrund von Druck oder irgendeiner anderen Quelle variiert. Die Membranen und Kondensatoren bilden eine Wheatstone-Brücke und stellen an Anschlüssen 118A und 118B eine Differenzialkapazität bereit, die gemäß der Auslenkung der Membranen variiert. Beispielsweise beträgt die Differenzialkapazität bei einem Druck von null üblicherweise ebenfalls etwa null. Bei steigendem Druck erhöht sich auch die Differenzialkapazität.
Die Ausleseschaltungsanordnung 110 misst in einem Beispiel die Differenzialkapazität zwischen 118A und 118B. Ein Beispiel für eine geeignete Ausleseschaltungsanordnung ist unten unter Bezugnahme auf 8A und 8B bereitgestellt, die Schalter für hohe Spannungen umfasst, die konfiguriert sind, zwischen Ladungspumpenspannungen zu schalten.
3B ist ein Schaltbild, das eine Sensorbrücke 302 mit auslenkbaren Membranen in einer Brückenkonfiguration in der linken Hälfte darstellt. Der Sensor 302 kann in Systemen wie jenen, die oben als die Sensorbrücke 108 beschrieben sind, verwendet werden.
Die Sensorbrücke 302 ist wie eine Halbbrücke und umfasst Anschlüsse 118A und 118B, die Sensorwerte 118 bereitstellen und Anschluss 116A, der ein einziges Ladungspumpensignal 116 empfängt. Wenn er mit dem unten beschriebenen System 400 verwendet wird, empfängt der Anschluss 116A eine positive Ladungspumpenspannung in einer Taktphase, während er während einer anderen Phase auf Masse geschaltet wird.
Wenn er mit dem oben beschriebenen System 200 verwendet wird, wird Anschluss 116 zwischen der positiven und der negativen Ladungspumpenspannung geschaltet oder alterniert.
Hier umfasst die Brücke 302 eine auslenkbare Membran zwischen Anschlüssen 118B und 116A. Es gibt einen fixierten Kondensator zwischen den Anschlüssen 116A und 118A. Der Kondensator weist als seine Kapazität Referenzwerte auf. Die Membran weist eine Kapazität auf, die gemäß der Auslenkung der Membranen aufgrund von Druck oder irgendeiner anderen Quelle variiert. Die Sensorwerte 118 sind eine Differenz von Kapazitäten der Membran und des fixierten Kondensators und können durch eine geeignete Bewertung in einer Differenzialschaltung gemessen werden. Beispielsweise kann die Kapazitätsdifferenz zwischen dem Kondensator mit der auslenkbaren Membran und der fixierten Kapazität bei einem Nulldruck üblicherweise etwa null betragen. Mit steigendem Druck erhöht sich auch die Kapazitätsdifferenz.
Eine Auslesungsschaltungsanordnung, einschließlich einer Differenzialschaltung, misst die Kapazitätsdifferenz aus den Anschlüssen 118A und 118B.
3C ist ein Schaltbild, das eine Sensorbrücke 303 mit auslenkbaren Membranen in einer rechten Hälfte einer Brückenkonfiguration darstellt. Der Sensor 303 kann in Systemen wie jenen, die oben als die Sensorbrücke 108 beschrieben wurden, verwendet werden.
Der Sensor 303 arbeitet im Wesentlichen ähnlich wie der oben beschriebene Sensor 302. Jedoch ist der Sensor 303 symmetrisch zu dem Sensor 302 und umfasst Anschluss 116B anstelle von Anschluss 116A. In einem Beispiel empfängt der Anschluss 116A eine negative Ladungspumpenspannung in einer Phase und ist in einer nächsten oder zweiten Phase mit Masse verbunden.
3D ist ein Schaltbild, das eine Sensorbrücke 304 mit einer auslenkbaren Membran in einer weiteren Hälfte einer Brückenkonfiguration darstellt, die als untere Halbbrücke bezeichnet wird. Der Sensor 304 kann in Systemen, wie jenen, die oben als die Sensorbrücke 108 bezeichnet sind, verwendet werden.
Die Sensorbrücke 304 ist wie eine Halbbrücke und umfasst Anschlüsse 116A und 116B, die positive und negative Ladungspumpensignale empfangen und Anschluss 118B, der einen Sensorwert in Form einer Kapazität bereitstellt. Wenn er mit dem oben beschriebenen System 400 verwendet wird, empfängt der Anschluss 116A eine positive Ladungspumpenspannung während einer ersten Betriebsphase und der Anschluss 116B wird in der ersten Betriebsphase auf Masse geschaltet. Während einer zweiten Betriebsphase wird Anschluss 116B auf die negative Ladungspumpenspannung geschaltet, während Anschluss 116A auf Masse geschaltet oder damit verbunden wird.
Wenn die Sensorbrücke 304 während einer ersten Betriebsphase mit dem System 200 verwendet wird, erhält der Anschluss 116A eine positive Ladungspumpenspannung und der Anschluss 116B erhält eine negative Ladungspumpenspannung. Während einer zweiten Betriebsphase werden die Anschlüsse 116A und 116B auf die der ersten Phase entgegengesetzten Ladungspumpenspannungen geschaltet, somit empfängt der Anschluss 116A während einer zweiten Betriebsphase eine negative Ladungspumpenspannung und der Anschluss 116B empfängt während der zweiten Betriebsphase die positive Ladungspumpenspannung.
Die Brücke 304 umfasst eine auslenkbare Membran zwischen dem Anschluss 116A und 118B. Es gibt einen fixierten Kondensator zwischen dem Anschluss 116B und 118B. Der Kondensator weist Referenzwerte als seine Kapazität auf. Die Membran weist eine Kapazität auf, die gemäß der Auslenkung der Membranen aufgrund von Druck oder einer anderen Quelle variiert. Die Sensorwerte 118 sind keine Differenzialkapazität, sondern ermöglichen es, die Differenz zwischen der Kapazität der Membran und des fixierten Kondensators durch Bewerten von 2 Messungen an Anschluss 118b während der 2 Phasen, bei denen der Impuls auf 116a und 116b angewandt wird, zu messen. Beispielsweise beträgt die Kapazitätsdifferenz zwischen dem Kondensator mit der auslenkbaren Membran und dem einen mit der nicht auslenkbaren Membran bei einem Druck von null üblicherweise ebenfalls etwa null. Bei ansteigendem Druck nimmt auch die Kapazitätsdifferenz zu. Bei steigendem Druck nimmt auch die Kapazität zu.
Die Ausleseschaltungsanordnung 110 misst in einem Beispiel die Kapazität an 118B. Ein Pegelumsetzer kann verwendet werden, um die Werte 118 auf eine niedrige Spannung zu verschieben.
4 ist ein Blockschaltbild, das einen Vielfachspannungssensor und ein Auslesesystem 400 nur unter Verwendung einer positiven Ladungspumpe darstellt. Das System 400 kann mit oder zusätzlich zu dem oben beschriebenen System 100 verwendet werden. Bauteile mit identischen Bezugsziffern können für eine zusätzliche Beschreibung oben eingesehen werden.
Das System 400 umfasst einen Mittelspannungs- (MV) Regler 102, einen Niedrigspannungs- (LV) Regler 104, eine positive Ladungspumpe 222, eine Sensorbrücke 108, eine virtuelle Massekomponente 226, einen Pegelumsetzer 412 und eine Ausleseschaltungsanordnung 110. Der MV-Regler 102 empfängt eine Versorgungsspannung, die einen geeigneten Pegel aufweist, wie 6-18 V und erzeugt eine mittlere Spannung 114, die auf einem geeigneten Pegel geregelt wird, wie 3 bis 5 V. Die mittlere Spannung 114 liegt unter der Versorgungsspannung. Der LV-Regler 104 empfängt Leistung 112 von dem MV-Regler 102 und erzeugt eine niedrige Spannung 120, die geregelt ist und einen geeigneten Pegel, wie 1,5 V, aufweist.
Die positive Ladungspumpe 222 empfängt die mittlere Spannung 114 von dem Spannungsregler 102 und erzeugt eine positive Ladungspumpenspannung 228. Die Ladungspumpenspannung 228 weist eine größere Größenordnung auf als die mittlere Spannung 114. Einige Beispiele für geeignete positive Ladungspumpenspannungen umfassen 12 V und dergleichen. Vmit ist üblicherweise die Hälfte der niedrigen Spannung 120.
Die virtuelle Massekomponente 226 erzeugt die Mittelpunktspannung 230, wie oben beschrieben, aus der niedrigen Spannung 120.
Die Sensorbrücke 108 empfängt nur die positive Ladungspumpenspannung 228 und erzeugt einen hohen Spannungssensorwert 414. Die Sensorbrücke 108 ist auch mit Masse verbunden. Der Pegel des Brückenausgangs oder des Werts 414 ist symmetrisch zu etwa der Hälfte der positiven Ladungspumpenspannung 228, wie 6 V.
Falls beispielsweise die in 3A dargestellte Sensorbrücke verwendet wird, wird die Ladungspumpenspannung 228 mit 116B verbunden und Masse wird mit 116A verbunden und ein hohes Spannungs-Differenzialsensorsignal wird an den Anschlüssen 118A und 118B als 414 bereitgestellt. Falls die Ladungspumpenspannung 228 12 V beträgt, sind die Werte 414 symmetrisch und betragen etwa 6 V.
Der Pegelumsetzer 412 verringert oder verschiebt Spannungen der hohen Spannungswerte 414 auf Niedrigspannungswerte 118. Die Niedrigspannungswerte 118 sind durch die Ausleseschaltungsanordnung 110 messbar. Der Pegelumsetzer 412 verwendet ein geeignetes Verfahren, um die Spannungen zu verschieben. In einem Beispiel umfasst dieses Verfahren die Verwendung von Schaltern in einem isolierten potentialfreien Topf, um die Spannungen zu verschieben.
Die Ausleseschaltungsanordnung 110 arbeitet im Wesentlichen ähnlich wie die andere oben beschriebene Ausleseschaltungsanordnung.
5 ist ein Schaltbild, das ein Ladungspumpensteuersystem 500 darstellt. Das System 500 wird verwendet, um Ladungspumpen zu steuern, wie die oben beschriebenen Ladungspumpen und wird mit den Sensorbrücken, ebenfalls oben beschrieben, verwendet.
Die Ladungspumpenspannung, die in den Systemen, wie dem obigen System 100 verwendet wird, spannt die Sensorbrücke vor. Falls die Spannung, die von der Ladungspumpe zugeführt wird, inkorrekt oder variierend ist, variieren auch die gemessenen Werte, die von der Sensorbrücke bereitgestellt werden. Somit ist es wichtig, genaue Ladungspumpenspannungen zu haben. Jedoch werden die Werte oder Messungen, die von der Sensorbrücke bereitgestellt werden, am Ende einer Taktphase oder eines Zyklus abgenommen. Somit sind genaue Ladungspumpenspannungen nicht nur am Ende einer Taktphase notwendig. Für die restlichen Abschnitte können die Ladungspumpenspannungen variieren.
Das System 500 ist ein Beispiel für eine geeignete Schaltungsanordnung, die eine Entladung und Ladung für eine Ladungspumpe steuert. Das System 500 ist an eine Ladungspumpe 106 und eine Sensorbrücke 108 gekoppelt, um dessen Verwendung näher darzustellen. Es gilt anzumerken, dass das System 500 keine Schaltungsanordnung erfordert, die bei einer hohen Spannung betrieben werden kann.
Das System 500 umfasst eine Stopppumpenkomparatorvorrichtung 504, eine Stopp-Entladungskomparatorvorrichtung 502, eine Spiegelschaltung 506, einen ersten Widerstand 524, einen zweiten Widerstand 508, einen dritten Widerstand 520, einen Schalter 518, eine Stromsteuervorrichtung 516, einen ersten Kondensator 510, einen zweiten Kondensator 514 und einen Referenzstrom 512. Das System 500 verwendet mehrere Phasen, einschließlich Phase A, Phase B und Phase C. Die Phase A ist ein Ausgangspunkt eines Taktzyklus und umfasst ein Laden durch die Ladungspumpe 106 bis zu einer Ladungsschwelle, Phase B kommt nach Phase A und umfasst eine kontrollierte Entladung auf eine Entladungsschwelle, und die Phase C kommt nach Phase B und am Ende des Taktzyklus und fixiert die Sensorkondensatoren auf einen Wert, der für eine genaue Messung durch den Sensor 108 erforderlich ist.
Die Schaltung 506 umfasst ein Paar aus Gate-verbundenen Transistoren, die eine Niedrigspannungszufuhr 120 erhalten und stellen Strom entlang den Verbindungspfaden bereit. Die Niedrigspannungsversorgung 120 weist wie oben beschrieben eine relativ geringe Spannung auf, wie 3 V.
Ein erster Pfad von der Schaltung 506 ist eine Spannungsteilerschaltung und umfasst den ersten Widerstand 524 und den zweiten Widerstand 508. Ein erster Anschluss des ersten Widerstands 524 ist mit einem ersten Eingang der Stopppumpenkomparatorvorrichtung 504 verbunden. Sein zweiter Anschluss ist mit einem ersten Anschluss des zweiten Widerstands verbunden und einem ersten Eingang der Stoppentladungskomparatorvorrichtung 502 verbunden. Ein zweiter Anschluss des zweiten Widerstands 508 ist mit Masse verbunden. Zusätzlich dazu ist der erste Anschluss des ersten Widerstands 524 über den ersten Kondensator 510 mit Masse gekoppelt. Ein zweiter Pfad von der Schaltung 506 umfasst eine Referenzstromquelle 512, die mit Masse verbunden ist.
Der dritte Widerstand 520 empfängt eine Ladungspumpenspannung 116 an einem ersten Anschluss. Die Ladungspumpenspannung 116 minus einem Spannungsabfall (Vabf), der durch den dritten Widerstand 520 verursacht wird, ist an zweiten Eingängen der Komparatorvorrichtung 502 und 504 an einem zweiten Anschluss des dritten Widerstands 520 bereitgestellt. Der Spannungsabfall ist eine Funktion eines gesteuerten Stroms (Idac) mal einem Widerstand (Rabf) des dritten Widerstands 520. Die Vabf ist eine Funktion des gesteuerten Stroms (Idac), somit kann die Vziel gemäß dem Idac variieren.
Die bereitgestellte Spannung, Vziel, wird auch als Rückkoppelungsspannung bezeichnet. Die Vziel wird mit Schwellenwerten an der Stoppkomparatorvorrichtung 504 und der Stoppentladungskomparatorvorrichtung 502 verglichen. Schwellenwerte werden als die anderen Eingänge für die Komparatorvorrichtungen 502 und 504 eingestellt. Der Stoppentladungsschwellenwert wird auf einen Wert von Vmit eingestellt, wobei Vmit eine Mittelpunktspannung des LV 120 ist, wie 0,75 V. Der Stoppladungspumpenschwellenwert wird auf einen Wert eingestellt, der etwas über Vmit liegt, Vmit + delta V. Der Wert von delta V wird durch den Widerstand des ersten Widerstands 524 und dem Strom, der durch den ersten Widerstand fließt, bestimmt. Die Menge an Strom, die durch den ersten Widerstand 524 fließt, wird über den Stromspiegel 506 durch die Referenzstromquelle 512 bestimmt. Es gilt anzumerken, dass die Mittelpunktspannung nicht notwendigerweise gleich hoch sein muss wie die oben z.B. im System 200 beschriebene Mittelpunktspannung.
Ein Ausgang der Stopppumpenkomparatorvorrichtung 504 wird verwendet, um eine Ladungspumpe zu stoppen oder zu deaktivieren. Ein Ausgang der Stoppentladungskomparatorvorrichtung 502 ist mit einem Schalter 518 gekoppelt und steuert diesen. Wenn der Schalter 518 offen ist, fließt der Idac-Strom nicht mehr durch den dritten Widerstand 520. Wenn der Schalter 518 geschlossen ist, fließt der Idac-Strom durch den dritten Widerstand 520.
Die Spannung, die an dem ersten Eingang der Stoppentladungsvorrichtung 502 bereitgestellt wird ist die Mittelpunktspannung Vmit. Die Mittelpunktspannung wird auch als eine Entladungsschwelle bezeichnet. Die Spannung, die an dem ersten Eingang der Stopppumpenkomparatorvorrichtung 504 bereitgestellt ist, ist die Mittelpunktspannung (Vmit) plus einem delta-Wert. Somit vergleicht die Stopppumpenkomparatorvorrichtung 504 die pegelverschobene Rückkoppelungsspannung, Vziel, mit einem Wert, der etwas über der Mittelpunktspannung Vmit liegt, der auch als eine Ladeschwelle bezeichnet wird. Falls die Rückkoppelung diesen Wert überschreitet, wird die Ladungspumpe deaktiviert. Wurde sie deaktiviert, entlädt sich die Ladungspumpe und die Ladungspumpenspannung 116 nimmt ab, genau wie die Vziel.
Der Schalter 518 steuert die Entladung der Sensorkondensatoren der Sensorbrücke 108. Wenn er geschlossen ist, kann die Stromsteuerschaltung 516 die Sensorkondensatoren kontrolliert entladen. Wenn der Schalter 518 offen ist, kann sie die Sensorkondensatoren nicht entladen. Außerdem kann der Schalter 518 ein Niedrigleckschalter sein, um eine Entladung zu verringern, wenn der Schalter 518 offen ist. Der Idac wird durch das Signal 522 angepasst.
6 ist ein Diagramm 600, das einen beispielhaften Betrieb des Systems 500 darstellt. Die Kurve 600 zeigt den Betrieb des Systems 500 während zwei Taktphasen. Es gilt anzuerkennen, dass die Erklärung als ein Beispiel bereitgestellt ist, um das Verständnis zu erleichtern und dass Werte und Zeitdauern, die dargestellt sind, nur illustrativen Zwecken dienen.
Phase 1 ist mit 3 Phasen oder Teilphasen dargestellt, die als 1A, 1B und 1C bezeichnet werden. Die Ladungspumpe ist AN, um die Sensorkondensatoren wieder aufzuladen. Das Aufladen wird angehalten, wenn die Ladungspumpenspannung 116 einen Zielwert (Vziel) um die delta-Menge, die die Ladungsschwelle ist, überschreitet. Die Komparatorvorrichtung 504 fühlt die Ladungspumpenspannung 116 über die Rückkoppelung ab und hält die Ladungspumpe an.
In Phase 1B weisen die Sensorkondensatoren eine Spannung auf, die etwas über der Spannung/Vorspannung liegt, die benötigt wird, um eine Messung auf geeignete Weise bereitzustellen. Der Schalter 518 ist geschlossen, um die Sensorkondensatoren während dieser Phase kontrolliert entladen zu können. Das Ausmaß der Entladung wird unter Verwendung des Signals 522 mit der Stromsteuerschaltung 516 ausgewählt oder eingestellt. Der Entladungsstrom ist ein konstanter Strom. Wurde die Zielspannung, die auch die Entladungsschwelle ist, erreicht, endet diese Phase und der Schalter 518 wird geöffnet, um eine weitere Entladung zu verhindern.
In Phase 1C wurde der Zielwert erreicht und wird auf dem Sensorkondensator so lange aufrechterhalten, bis die Messwerte 118 erhalten wurden und das Ende der Taktphase erreicht wurde. Es gilt anzumerken, dass die Länge der Phase C variieren kann.
Die Phasen A, B und C werden wie dargestellt im zweiten Taktzyklus/Phase wiederholt.
In einer Variation wird Phase B weggelassen und die Ladungsschwelle wird auf die Spannung eingestellt, die für eine genaue Messung des Sensors erforderlich ist. Es gilt anzuerkennen, dass dies weniger komplex ist, jedoch zu einer geringeren Genauigkeit an der Messspannung führen kann. Beispielsweise können die Stoppentladungskomparatorvorrichtung 502 und zugehörige Bauteile weggelassen werden, falls Phase B nicht verwendet wird.
7 ist ein Schaltbild, das ein Ladungspumpensteuersystem 700 für eine negative Ladungspumpe darstellt. Das System 700 steuert das Beaufschlagen einer Sensorbrücke mit einer geeigneten negativen Spannung. Das System 500 kann verwendet werden, um die positive Vorspannung zu beaufschlagen, und das System 700 kann verwendet werden, um die Sensorbrücke, wie die oben dargestellten Sensorbrücken, mit der negativen Spannung zu beaufschlagen.
Das System 700 ist im Wesentlichen ähnlich wie das System 500 und eine Beschreibung ähnlicher Bauteile wird ausgelassen. Jedoch sind die Bauteile unterschiedlich angeordnet und ein weiterer Stromspiegel 724 wird hinzugefügt. Der zweite Stromspiegel 724 spiegelt den Idac.
8A ist ein Schaltbild, dass eine Ausleseschaltungsanordnung 800 darstellt, die mit Vielfachspannungssensor- und Auslesesystemen, wie jenen, die oben beschrieben sind, verwendet werden kann. Die in 8A dargestellte Ausleseschaltungsanordnung 800 wird als ein Beispiel für eine geeignete Ausleseschaltungsanordnung bereitgestellt. Die Schaltungsanordnung 800 umfasst einen Kondensatorintegrator mit einer kapazitiven Brücke. Die Ausleseschaltungsanordnung 800 kann mit den obigen Systemen wie der Ausleseschaltungsanordnung 110 verwendet werden. Es gilt anzuerkennen, dass Variationen der in 8A dargestellten Schaltungsanordnung 800 und andere Auslesungsschaltungsanordnungen verwendet werden können.
Die Schaltung 800 ist an eine Sensorbrücke 108 gekoppelt, die über Schalter für hohe Spannungen 802a und 802b positive (V+) und negative (V-) Ladungspumpenspannungen empfängt. Die Schaltungsanordnung 800 stellt einen Ausgang an Anschlüssen 804 bereit und ist an ihrem Eingang an die Anschlüsse 118a und 118b gekoppelt.
Die Schaltungsanordnung 800 umfasst eine Integratorstufe 806 und umfasst eine Offset-Kompensation durch die Rückkoppelungskondensatoren K_RK . Diese Anordnung verbindet die Rückkoppelung parallel mit der Sensorbrücke und verringert den Effekt von Ungenauigkeiten in der Brückenvorspannung und verringert ebenfalls Einschwinganforderungen für das Laden der Brückenkondensatoren, dargestellt als Cs1, Cs2, Cr1 und Cr2. Der Ausgang der Schaltung 800 ist eine digitale Darstellung oder Daten der gemessenen Eigenschaft oder der Kapazitätsdifferenz.
Schalter S1 und S2 werden durch einen Takt mit einem nicht überlappenden Schema betrieben. Somit wird S2, nachdem S1 AUSgeschaltet wurde, EINgeschaltet und nachdem S2 AUSgeschaltet wurde, wird S1 EINgeschaltet. Die Phase, während der S1 EINgeschaltet ist, wird als die Abtastphase bezeichnet. Die Phase, während der S2 EINgeschaltet ist, wird als die Integrations-/Verstärkungsphase bezeichnet. Die Schalter S1 und S2 schalten die Brücke 108 im Wesentlichen zwischen der Abtastphase und der Integrationsphase hin und her, um die Amplitude, die durch die Brücke 108 an den Anschlüssen 802a und 802b bereitgestellt wird, zu verdoppeln.
Schalter G1 und G2 sind darin statisch, als dass sie als Antwort auf ein Taktsignal nicht arbeiten. Die Schalter G1 und G2 beeinflussen eine Zeitkonstante für die Integratorstufe 806. Somit werden G1 und G2 gemäß einer ausgewählten Zeitkonstante auf EIN oder AUS gestellt. Zusätzlich dazu sind G1 und G2 Inverse voneinander, somit ist G1 EIN (verbunden), wenn G2 AUS ist (offen), und G1 ist AUS, wenn G2 AN ist.
Die oben beschriebene Ausleseschaltungsanordnung 800 ist ein Beispiel für eine geeignete Schaltung unter Verwendung von Niedrigspannungsbauteilen, die verwendet werden, um eine Sensorbrücke auszulesen, die mit hohen Spannungen vorgespannt wurde.
8B ist ein Schaltbild, das eine Ausleseschaltungsanordnung 850 darstellt, die mit Vielfachspannungssensor- und Auslesesystemen, wie jenen, die oben beschrieben wurden, verwendet werden kann. Die in 8B dargestellte Ausleseschaltungsanordnung 850 ist als ein Beispiel für eine geeignete Ausleseschaltungsanordnung bereitgestellt. Die beispielhafte Schaltungsanordnung 850 umfasst einen geschalteten Kondensatorverstärker mit einer kapazitiven Brücke. Die Ausleseschaltungsanordnung 800 kann mit den obigen Systemen, wie der Ausleseschaltungsanordnung 110, verwendet werden. Es gilt anzuerkennen, dass Variationen der in 8B dargestellten Schaltungsanordnung 850 und andere Ausleseschaltungsanordnungen verwendet werden können.
Die Schaltungsanordnung 850 ist mit einer Sensorbrücke 108 gekoppelt, die Ladungsspannungen über Schalter für hohe Spannungen 802a und 802b empfängt. Die Schaltungsanordnung 850 stellt einen Ausgang an Anschlüssen 804 bereit und ist an ihrem Eingang mit den Anschlüssen 118a und 118b gekoppelt. In diesem Beispiel wird die Sensorbrücke 108 mit Vorspannungen, die zwischen einer positiven Ladungspumpenspannung (Vlp) und Masse hin und her geschaltet werden, über die Schalter 802a und 802b beaufschlagt.
Die Schaltungsanordnung 850 umfasst eine Integratorstufe 806 und kreuzgekoppelte Schalter 852. Die kreuzgekoppelten Schalter 852 verringern Spannungen an deren Ausgängen, die hohe Gleichtaktspannungen sind. Diese hohe Gleichtaktspannung wird unter Verwendung der Abtastkondensatoren Csn und Csp reduziert. Die Ausgabe der Schaltungsanordnung 850 ist eine digitale Darstellung oder Daten der gemessenen Eigenschaft oder der Kapazitätsdifferenz.
Ähnlich zu Schaltungsanordnung 800 werden Schalter S1 und S2 durch einen Taktgeber mit einem nichtüberlagernden Schema betrieben. Somit wird S2 EINgeschaltet, nachdem S1 AUSgeschaltet wird und nachdem S2 AUSgeschaltet wird, wird S1 EINgeschaltet. Die Phase, während der S1 EIN ist, wird als Abtastphase bezeichnet. Die Phase, während der S2 EIN ist, wird als die Integrations-/Verstärkungsphase bezeichnet. Die Schalter S1 und S2 schalten die Brücke 108 im Wesentlichen zwischen der Abtastphase und der Integrationsphase hin und her, um die Amplitude, die von der Brücke 108 an Anschlüssen 802a und 802b bereitgestellt wird, zu verdoppeln.
Es gibt keine Verstärkungseinstellung für die Integratorstufe 806, jedoch kann eine Verstärkungsauswahl aufgenommen werden. Ein einem Beispiel wird die Verstärkungskonfiguration unter Verwendung der Schalter G1 und G2 zu der Schaltanordnung 850 hinzugefügt.
Die oben beschriebene Ausleseschaltungsanordnung 850 ist ein Beispiel für eine geeignete Schaltungsanordnung unter Verwendung von Niedrigspannungsbauteilen, die verwendet wird, um eine Sensorbrücke, die mit hohen Spannungen vorgespannt wurde, auszulesen.
9 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren 900 zum Betreiben eines Vielfachspannungssensorsystems darstellt. Das Verfahren 900 umfasst ein Auslesen von Sensorwerten mit einer Niedrigspannungsausleseschaltungsvorrichtung durch geeignetes Vorspannen einer Sensorbrücke.
Eine Sensorbrücke ist an Block 902 bereitgestellt. Die Sensorbrücke ist konfiguriert, Sensorwerte als Antwort auf Trägheit wie Umgebungsbedingungen, Druck, Bewegung und dergleichen bereitzustellen. In einem Beispiel umfasst die Sensorbrücke auslenkbare Membranen und Referenzkondensatoren und stellt eine Differenzialkapazität als Antwort auf Druckveränderungen als die Sensorwerte bereit. Andere Beispiele für Sensorbrücken sind oben bereitgestellt. Zusätzlich dazu sind auch weitere Komponenten des Vielfachspannungssensorsystems bereitgestellt.
Die Sensorbrücke wird an Block 904 vorgespannt. Die Sensorbrücke wird unter Verwendung einer oder mehrerer hoher Spannungen als eine Vorspannung vorgespannt. Die Vorspannung wird üblicherweise um eine Mittelpunktspannung eingestellt, die im Allgemeinen etwa die Hälfte einer niedrigen Spannung beträgt, die von dem Vielfachspannungssensorsystem verwendet wird. In einem Beispiel wird eine positive Ladungspumpe verwendet, um eine positive Ladungsspannung bereitzustellen und eine negative Ladungspumpe wird verwendet, um eine negative Ladungsspannung bereitzustellen, und die Spannungen werden etwa um eine Mittelpunktspannung vorgespannt. Beispiele für geeignete Ladungspumpen sind oben bereitgestellt. In einem darstellenden Beispiel beträgt eine Mittelpunktspannung 0,75 V, eine niedrige Spannung 1,5 V, geeignete Ladungspumpenspannungen umfassen 12,75 V für die positive Ladungspumpenspannung und -11,25 V für die negative Ladungspumpenspannung.
Sensorwerte werden an Block 906 unter Verwendung der Sensorbrücke bereitgestellt. Die Sensorwerte werden aufgrund des Betriebs der Sensorbrücke mit einem niedrigen Spannungspegel bereitgestellt.
Die Sensorwerte werden an Block 908 unter Verwendung einer Niedrigspannungsausleseschaltungsanordnung gemessen oder ausgelesen. Die Ausleseschaltungsanordnung arbeitet unter Verwendung einer niedrigen Spannung oder eines niedrigen Pegels wie 1,5 V. Die Ausleseschaltungsanordnung verwendet die Messungen, um Eigenschaften wie Druck, Bewegung und dergleichen zu bestimmen.
10 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren 1000 zum Betreiben einer Ladungspumpe darstellt. Das Verfahren 1000 verwendet nichtmessende Abschnitte einer Taktphase, um den Stromverbrauch zu erleichtern, während geeignete genaue hohe Spannungen während dem messenden Abschnitt bereitgestellt werden.
Wie oben beschrieben, werden Sensorwerte und Messungen während eines Abschnitts jedes Taktzyklus oder jeder Phase erhalten. Somit müssen die Ladungspumpenspannungen während der anderen Abschnitte nicht bei voller Leistung und Genauigkeit aufrechterhalten werden müssen. In diesem Beispiel befindet sich der Messabschnitt am Ende eines Taktzyklus/einer Phase. Jedoch gilt anzuerkennen, dass er auch an anderen Abschnitten eines Takts/einer Phase auftreten kann. Zusätzliche Details und Beschreibungen einer geeigneten Schaltungsanordnung, die mit diesem Verfahren 1000 verwendet werden kann, sind oben unter Bezugnahme auf 5 und 6 bereitgestellt.
An Block 1002 sind eine Sensorbrücke, eine Ladungspumpe und eine Ladungspumpenschaltungsanordnung bereitgestellt. Beispiele für diese Bauteile sind oben bereitgestellt und beschrieben. Im Allgemeinen stellt die Ladungspumpe eine Vorspannung für die Sensorbrücke bereit. Die Schaltungsanordnung steuert das Bereitstellen der Vorspannung. Die Sensorbrücke umfasst Sensorkondensatoren, die über die Vorspannung vorgespannt werden.
Die Ladungspumpe wird aktiviert, um die Sensorkondensatoren während einer ersten Phase eines Taktzyklus an Block 1004 aufzuladen. Anfänglich kommt es aufgrund einer früheren Messung der Sensorwerte zu einem Spannungsabfall am Ladungspumpenausgang und den Sensorkondensatoren. Die Ladungspumpe wird aktiviert und lädt/pumpt die Sensorkondensatoren auf höhere Spannungen.
Wenn die Sensorkondensatoren eine Ladeschwelle erreichen, werden die Sensorkondensatoren an einem ausgewählten Strom an Block 1006 kontrolliert entladen. Der ausgewählte Strom ist konstant und ist ausgewählt, die Sensorkondensatoren über einen Zeitraum auf eine geeignete Schwelle zu reduzieren.
Wenn die Sensorkondensatoren eine Entladungsschwelle erreichen werden die Sensorkondensatoren an einer Messschwelle oder Spannung an Block 1008 fixiert. Im Allgemeinen ist die Messschwelle ebenfalls die Entladungsschwelle. Jedoch ist die Ladeschwelle in einer Variation auch die Messschwelle, und der Entladungsblock 1008 kann weggelassen werden. Die Messschwelle weist eine ausgewählte und/oder geeignete Genauigkeit auf.
Sensorwerte werden an Block 1010 unter Verwendung der Messschwelle an den Sensorkondensatoren erhalten. Da die Sensorkondensatoren eine Spannung an der Messschwelle aufweisen, gibt es für die Sensorwerte eine ausgewählte und/oder geeignete Genauigkeit. Die Sensorwerte können dann gemessen oder konvertiert werden, um Trägheit oder Umgebungseigenschaften wie Druck, Bewegung und dergleichen anzugeben.
Während die obigen Verfahren nachstehend als eine Reihe von Aktionen oder Ereignissen dargestellt und beschrieben sind, gilt anzuerkennen, dass die dargestellte Reihenfolge solcher Aktionen oder Ereignisse nicht auf beschränkende Weise auszulegen ist. Beispielsweise können manche Aktionen in anderer Reihenfolge und/oder gleichzeitig mit anderen Aktionen oder Ereignissen, die nichts mit jenen zu tun haben, die hierin dargestellt und/oder beschrieben sind, erfolgen. Zusätzlich dazu muss es nicht erforderlich sein, dass alle der dargestellten Aktionen einen oder mehrere Aspekte oder Ausführungsformen der hierin beschriebenen Offenbarung implementieren. Darüber hinaus kann einer oder können mehrere der hierin dargestellten Aktionen in einer oder mehreren getrennten Aktionen und/oder Phasen durchgeführt werden.
Es gilt anzuerkennen, dass der beanspruchte Gegenstand als ein Verfahren, eine Vorrichtung oder Fabrikat unter Verwendung von Standardprogrammierungs- und/oder Ingenieursverfahren implementiert werden kann, um Software, Firmware, Hardware oder jede Kombination daraus herzustellen, um einen Computer zu steuern, damit dieser den offenbarten Gegenstand umsetzt (z.B. sind die oben dargestellten Systeme nichtbeschränkende Beispiele für ein System, das verwendet werden kann, um Verfahren zu implementieren). Der Begriff „Fabrikat“, wie hierin verwendet, soll ein Computerprogramm umfassen, das von jeder computerlesbaren Vorrichtung, Träger oder Medium aus zugänglich ist. Natürlich werden Fachleute erkennen, dass viele Modifikationen an dieser Konfiguration vorgenommen werden können, ohne dabei vom Schutzumfang oder dem Geist des beanspruchten Gegenstands abzuweichen.
Ein Vielfachspannungssensorsystem umfasst eine oder mehrere Ladungspumpen, eine Sensorbrücke und eine Ausleseschaltungsanordnung. Die eine oder die mehreren Ladungspumpen sind konfiguriert, eine hohe Spannung bereitzustellen. Die Sensorbrücke wird durch die hohe Spannung vorgespannt und ist konfiguriert, Sensorwerte bereitzustellen. Die Ausleseschaltungsvorrichtung ist konfiguriert, die Sensorwerte zu empfangen.
Insbesondere in Bezug auf die verschiedenen Funktionen, die von den oben beschriebenen Komponenten oder Strukturen (Anordnungen, Vorrichtungen, Schaltungen, Systemen etc.) durchgeführt werden, sollen die Begriffe (einschließlich eines Verweises auf „Mittel“), die verwendet werden, um solche Komponenten zu beschreiben, sofern nicht anders angegeben, jeder Komponente oder Struktur entsprechen, die die angegebene Funktion der beschriebenen Komponente (die z.B. funktionsgleich ist) durchführt, obwohl sie strukturell nicht der offenbarten Struktur gleicht, die die Funktion in den hierin dargestellten beispielhaften Ausführungen der Erfindung durchführt. Zusätzlich dazu kann ein Merkmal mit einem oder mehreren anderen Merkmalen der anderen Ausführungen je nach Wunsch und falls dies für jede gegebene oder bestimmte Anwendung vorteilhaft wäre, kombiniert werden, während ein bestimmtes Merkmal der Erfindung nur in Bezug auf eine aus mehreren Ausführungen offenbart wurde. Außerdem sollen solche Begriffe in dem Ausmaß, in dem die Begriffe „einschließlich“, „umfasst“, „aufweisend“, „aufweist“, „mit“ oder Varianten davon, in der detaillierten Beschreibung sowie in den Patentansprüchen verwendet werden, auf ähnliche Weise einschließend sein sollen wie der Begriff „umfassend“.

Claims

Multispannungssensorsystem, das Folgendes umfasst: mindestens eine Ladungspumpe (106; 222; 224), die eingerichtet ist, eine hohe Spannung bereitzustellen; eine Sensorbrücke (108), die mit der hohen Spannung vorgespannt ist und eingerichtet ist, Sensorwerte bereitzustellen; eine Niedrigspannungsausleseschaltungsanordnung (110), die ausschließlich Niedrigspannungskomponenten umfasst und die eingerichtet ist, die Sensorwerte zu empfangen; und einen Niedrigspannungsregler (104) umfasst, der eingerichtet ist, eine niedrige Spannung zu erzeugen und die niedrige Spannung an der Ausleseschaltungsanordnung (110) bereitzustellen.
System nach Anspruch 1, das ferner einen Spannungsregler für eine mittlere Spannung umfasst, der eingerichtet ist, eine mittlere Spannung zu erzeugen und die mittlere Spannung der mindestens einen Ladungspumpe (106; 222; 224) und dem Niedrigspannungsregler (104) bereitzustellen.
System nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die mindestens eine Ladungspumpe (106; 222; 224) eine positive Ladungspumpe (222) und eine negative Ladungspumpe (224) umfasst.
System nach Anspruch 3, wobei die Sensorbrücke (108) Polaritätsumkehrschalter (51, 52) umfasst, wobei die positive Ladungspumpe (222) die Sensorbrücke (108) mit einer positiven hohen Spannung versorgt und die negative Ladungspumpe (224) die Sensorbrücke (108) mit einer negativen hohen Spannung versorgt und wobei die Polaritätsumkehrschalter (51, 52) zwischen der positiven hohen Spannung und der negativen hohen Spannung schalten.
System nach einem der Ansprüche 1-4, wobei die Sensorbrücke (108) in einer Kraftrückkoppelungsschleife betrieben wird.
System nach einem der Ansprüche 1-5, wobei die Sensorbrücke (108) eine auslenkbare Membran umfasst, die eingerichtet ist, eine Kapazität gemäß eines Auslenkungsausmaßes bereitzustellen.
System nach einem der Ansprüche 1-6, wobei die Sensorbrücke (108) ein Paar aus auslenkbaren Membranen und ein Paar von Referenzkondensatoren umfasst, die als eine Brücke konfiguriert sind.
System nach einem der Ansprüche 1-7, wobei die hohe Spannung um einen Wert angepasst wird, um den Betrieb der Sensorbrücke (108) zu verbessern.
System nach einem der Ansprüche 1-8, das ferner einen Pegelumsetzer umfasst, der eingerichtet ist, den Spannungspegel der Sensorwerte zu verringern.
System nach einem der Ansprüche 1-9, das ferner eine Pumpensteuerungsschaltung umfasst, die eingerichtet ist, die eine oder die mehreren Ladungspumpen (106; 222; 224) gemäß einer Ladephase, einer kontrollierten Entladephase und einer Messphase für jeden Taktzyklus zu aktiveren und zu deaktivieren.
System nach einem der Ansprüche 1-10, wobei die Niedrigspannungsausleseschaltungsanordnung (110) einen Schaltkondensator-Pegelumsetzer mit kreuzgekoppelten Schaltern umfasst.
Verfahren zum Lesen eines hohen Spannungssensors mit einer Niedrigspannungsschaltungsanordnung (110), wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bereitstellen einer Sensorbrücke (108); Vorspannen der Sensorbrücke (108) mit einer oder mehreren Ladungspumpenspannungen; Bereitstellen von Sensorwerten von der Brücke bei einem niedrigen Spannungspegel; Messen der Sensorwerte nur unter Verwendung einerNiedrigspannungsausleseschaltungsanordnung (110); und Bereitstellen einer niedrigen Spannung für die Niedrigspannungsausleseschaltungsanordnung (110) mit einem Niedrigspannungsregler (104).
Verfahren nach Anspruch 12, das ferner das Erzeugen der einen oder mehreren Ladungspumpenspannungen um etwa eine Mittelpunktspannung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Niedrigspannungsausleseschaltungsanordnung (110) bei weniger als 2 V arbeitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 14, weiter umfassend: Erzeugen einer mittleren Spannung mit einem Spannungsregler für eine mittlere Spannung, und Bereitstellen der mittleren Spannung an mindestens einer Ladungspumpe (106; 222; 224) zum Erzeugen der einen oder der mehreren Ladungspumpenspannungen und an den Niedrigspannungsregler (104).