DE102017119734A1

DE102017119734A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Detektion eines Stützkapazitätsverlusts an einem integrierten Spannungsregler für die interne Versorgung einer integrierten sicherheitsrelevanten Schaltung

Info

Publication number: DE102017119734A1
Application number: DE102017119734.6A
Authority: DE
Inventors: André Schmidt; Guido Schlautmann; Stefanie Heppekausen
Original assignee: Elmos Semiconductor SE
Current assignee: Elmos Semiconductor SE
Priority date: 2017-08-29
Filing date: 2017-08-29
Publication date: 2019-02-28

Abstract

Es wird ein Spannungsregler mit einer sicherheitsrelevanten Stützkapazität (CB) an seinem Ausgang (VO) vorgeschlagen, der in der Lage ist, einen Abriss dieser Stützkapazität (CB) zu erfassen und zu signalisieren. Außerdem wird das entsprechende Verfahren vorgeschlagen. Durch Aufmodulation eines zusätzlichen Stromes auf den Ladestrom der Stützkapazität (CB) wird ein Abriss dieser Stützkapazität (CB) festgestellt. Die vorgeschlagene Modulationsvorrichtung ist in den Regelkreis für die Steuerspannung eines einzigen Lasttransistors integriert.

Description

Oberbegriff
Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion eines Stützkondensatorverlusts an einem integrierten Spannungsregler für die interne Versorgung einer integrierten sicherheitsrelevanten Schaltung vorgeschlagen.
Allgemeine Einleitung
Integrierte Schaltungen für den Einsatz in Automobilen werden heute typischerweise mit integrierten Spannungsreglern ausgestattet, die das Potenzial einer Versorgungsspannungsleitung (VDD) auf ein internes Niveau (VOV) herunterregeln. Da automobile Spannungsnetze mit nicht unerheblichen Störpulsen aus verschiedensten Quellen behaftet sind, ist es erforderlich, diese Störpulse von der internen Versorgungsspannung (VOV) des integrierten Schaltkreises fernzuhalten. Der Regler ist hierzu alleine in der Regel nicht in der Lage. Daher wird insbesondere bei Längsreglern eine Stützkapazität (CB) vorgesehen, die sich bevorzugt außerhalb der integrierten Schaltung (IC) befindet. Diese Stützkapazität schließt hochfrequente Transienten auf der Versorgungsspannung, die den Regler überspringen können, gegen Masse kurz und stabilisiert so die interne Versorgungsspannung.
Lötstellen können Fehler aufweisen. Auch kann aus anderen Gründen der elektrische Kontakt zu einer solchen Stützkapazität verloren gehen. Dies hat dann zur Folge, dass die Funktion des restlichen integrierten Schaltkreises, der durch den betreffenden Spannungsregler, der seine Stützkapazität verloren hat, mit elektrischer Energie versorgt werden soll, empfindlich gestört werden kann. Dieser Zustand ist für sicherheitsrelevante Schaltkreise inakzeptabel. Daher muss ein Verfahren und ein Vorrichtungsteil vorgesehen werden, welche in Spannungsreglern für sicherheitsrelevante Anwendungen einen solchen Abriss einer Stützkapazität oder deren nicht Vorhandensein oder deren nicht Wirksamkeit zuverlässig detektieren und signalisieren.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen die das obige Problem löst.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 2 gelöst.
Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe
Es wird ein Spannungsregler vorgeschlagen, der mit einer Stützkapazität (CB) an seinem Ausgang (VO), die nicht Teil der integrierten Schaltung (IC) ist, versehen ist. Bevorzugt ist der Spannungsregler Teil der integrierten Schaltung (IC), die er mit Energie versorgt. Der Verlust dieser Stützkapazität (CB) soll erfasst werden. Der Spannungsregler dient der Versorgung anderer Schaltungsteile dieser integrierten Schaltung (IC), deren Teil er bevorzugt ist, mit elektrischer Energie. Der vorgeschlagene Spannungsregler umfasst eine erste Stromquelle (I1), die einen ersten Ladestrom (i1) in einen Steuerknoten (sg) einspeist. Der erste Ladestrom (i1) ist dabei von einem ersten Steuersignal (s1) abhängig. Ein erster Transistor (T1) speist einen vierten Ladestrom (i4) in den Ausgang (VO) des Spannungsreglers und damit in die Stützkapazität (CB) ein. Dieser erste Transistor (T1) ist der Regeltransistor des Spannungsreglers. Da das Gate des ersten Transistors (T1) mit dem Steuerknoten (sg) verbunden ist, hängt der vierte Ladestrom (i4) von dem Potenzial dieses Steuerknotens (sg) ab. Eine zweite Stromquelle (I2) des Spannungsreglers speist einen zweiten Ladestrom (i2) in den Ausgang (VO) des vorgeschlagenen Spannungsreglers ein. Der erste Ladestrom (i1) und der zweite Ladestrom (i2) dienen der Aufmodulation eines Messsignals auf den mehr oder weniger statischen Ladestrom der Stützkapazität (CB). Hierdurch kann ein Messsignal in der Spannung (VOV) am Ausgang (VO) des Spannungsreglers als Spannungsabfall über den komplexen Widerstand der Stützkapazität (CB) erzeugt werden, der messtechnisch erfasst werden kann. Die Umladezeitkonstante (τ) für die Spannung (VOV) am Ausgang (VO) des Spannungsreglers hängt von dem Vorhandensein und dem korrekten Wert der Stützkapazität (CB) ab. Ist der effektiv wirksame Kapazitätswert der Stützkapazität (CB) zu gering, so ist die Umladezeitkonstante (τ) zu klein. Mit Hilfe des ersten Ladestroms (i1) und des zweiten Ladestroms (i2) können Abweichungen der Umladezeitkonstante (τ) erkannt werden. Da die Stützkapazität (CB) an dem Ausgang (VO) angeschlossen ist, wird diese durch diesen zweiten Ladestrom (i2) geladen. Sollte diese Stützkapazität (CB) nicht vorhanden sein, so wird nur eine verbliebene parasitäre Kapazität geladen, die in der Regel einen erheblich kleineren Kapazitätswert aufweist. In der Regel wird im Normalbetrieb der effektive Gesamtkapazitätswert am Ausgang (VO) des Spanungsreglers durch die Stützkapazität (CB) dominiert. Der zweite Ladestrom (i2) ist dabei von einem zweiten Steuersignal (s2) abhängig. Ein erster Tranzkonduktanzverstärker (D1), der Teil des Spannungsreglers ist, besitzt einen positiven Eingang und einem negativen Eingang. Der erste Transkonduktanzverstärker (D1) liefert als sein Ausgangssignal einen dritten Ladestrom (i3) in den Steuerknoten (sg) ein. Der dritte Ladestrom (i3) hängt dabei von der Potenzialdifferenz, die als Differenz des Potenzials am positiven Eingang des Transkonduktanzverstärkers (D1) minus dem Potenzial am negativen Eingang des Transkonduktanzverstärkers (D1) gebildet wird, ab. Ein zweiter Verstärker (D2), der Teil des vorgeschlagenen Spannungsreglers ist und typischerweise ein Operationsverstärker ist, besitzt einen positiven Eingang und einen negativen Eingang. Er verfügt über zwei Spannungsausgänge, deren Pegel von der Potenzialdifferenz zwischen dem Potenzial des positiven Eingangs des zweiten Verstärkers (D2) und dem Potenzial des negativen Eingangs des zweiten Verstärkers (D2) abhängen. Er erzeugt das erste Steuersignal (s1) und das zweite Steuersignal (s2). Bevorzugt aber nicht notwendigerweise ist die differentielle Abhängigkeit des ersten Steuersignals (s1) und des zweiten Steuersignals (s2) von der Spannungsdifferenz an den beiden Eingängen des zweiten Verstärkers betragsmäßig gleich. Bevorzugt besitzen jedoch die differentiellen Abhängigkeiten des ersten Steuersignals (s1) und des zweiten Steuersignals von der Spannungsdifferenz an den beiden Eingängen des zweiten Verstärkers (D2) ein unterschiedliches Vorzeichen. Ein Messmittel, hier beispielhaft ein Spannungsteiler aus einem ersten Widerstand (R1) und einem zweiten Widerstand (R2) und einem dritten Widerstand (R3), erzeugt ein Istwertsignal (Vist) und ein Diagnosesignal (Vdiag), wobei der Wert des Istwertsignals (Vist) und der Wert des Diagnosesignals (Vdiag) von dem Wert der Ausgangsspannung (VOV) am Ausgang (VO) des Spannungsreglers abhängen. Das Potenzial des Istwertsignals (Vist) liegt dabei zwischen dem Potenzial (VOV) des Ausgangs (VO) des Spannungsreglers und einem Bezugspotenzial (GND). Das Potenzial des Diagnosesignals (Viag) liegt zwischen dem Potenzial des Ausgangs (VO) des Spannungsreglers und dem Potenzial des Istwertsignals (Vist). Bevorzugt wird das Messmittel als Spannungsteiler mit zwei Ausgängen (Vist, Vdiag) aus mindestens drei Widerständen (R1, R2, R3) aufgebaut. Der dritte Ladestrom (i3), den der erste Tranzkonduktanzverstärker (D1) als sein Ausgangssignal in den Steuerknoten (sg) einspeist, hängt somit von der Differenz aus dem Potenzial des Sollwertsignals (Vsoll) minus dem Potenzial des Istwertsignals (Vist) ab. Der erste Ladestrom (i1), den die erste Stromquelle (I1) in den Steuerknoten (sg) einspeist, hängt von dem ersten Steuersignal (s1) ab. Der erste Ladestrom (i1) kann dabei einen konstanten Offset aufweisen. Dieser Offset wird dabei so gewählt, dass er im eigentlichen Arbeitspunkt den dritten Ladestrom (i3) des Transkonduktanzverstärkers (D1) unter Vernachlässigung der Messströme komplett kompensiert. Der zweite Ladestrom (i2), den die zweite Stromquelle (I2) in den Ausgang (VO) des Spannungsreglers und damit den Anschluss für den externen Stützkondensator (CB) einspeist, hängt von dem zweiten Steuersignal (s2) ab. Eine Erfassungsvorrichtung (EV) überwacht die Spannung (VOV) am Ausgang (VO) des Spannungsreglers und ist Teil des vorgeschlagenen Spannungsreglers. Die Erfassungsvorrichtung (EV) schaltet den ersten Ladestrom (i1) und den zweiten Ladestrom (i2) ab, wenn die die Spannung (VOV) am Ausgang (VO) des Spannungsreglers oder die Spannung eines daraus abgeleiteten Signals (Out) einen zweiten Schwellwert (SW2) zu einem zweiten Zeitpunkt (t2) erreicht und schaltet den ersten Ladestrom (i1) und den zweiten Ladestrom (i2) an, wenn die die Spannung (VOV) am Ausgang (VO) des Spannungsreglers oder die Spannung des daraus abgeleiteten Signals (Out) einen ersten Schwellwert (SW1) zu einem ersten Zeitpunkt (t1) erreicht oder ein Startsignal (Start) gesetzt wird. Es ist nicht notwendig, dass die Erfassungsvorrichtung hierfür die Spannung (VOV) am Ausgang (VO) des Spannungsreglers direkt erfasst. Vielmehr ist es denkbar im Spannungsregler an geeigneten Stellen ein äquivalentes Signal zu benutzen (siehe 1, Signal Out). Eine Zeiterfassungsvorrichtung (ZL) erfasst die Zweitdifferenz (dt) zwischen dem ersten Zeitpunkt (t1) und dem zweiten Zeitpunkt (t2) und ist Teil des vorgeschlagenen Spannungsreglers oder zumindest der integrierten Schaltung (IC). Bevorzugt handelt es sich um einen digitalen Zähler, der mit einem Systemtakt (CLK) getaktet wird. Die Zeitvergleichseinrichtung (ZV) vergleicht den Betrag der Zeitdifferenz (dt) mit einem Zeitschwellwert (SWt) und erzeugt daraus ein Vergleichsergebnis. Aufgrund dieses Vergleichsergebnisses kann beispielsweise die Zeitvergleichseinrichtung (ZV) eine Fehlermeldung für den Abriss der Stützkapazität (CB) erzeugen, wenn beispielsweise die gemessene Zeitdifferenz (dt) betragsmäßig den Zeitschwellwert (SWt) als Mindestwert unterschreitet.
Kern des Vorschlags ist somit die Verwendung des folgenden Verfahrens zur Detektion des Abrisses einer Stützkapazität (CB) an einem Spannungsregler mit der Stützkapazität (CB) an seinem Ausgang (VO) für die Versorgung einer integrierten Schaltung (IC) mit elektrischer Energie:

• Einspeisen eines ersten Ladestroms (i1) in einen Steuerknoten (sg) mittels einer ersten Stromquelle (I1),
- • wobei der erste Ladestrom (i1) von einem ersten Steuersignal (s1) abhängig ist;
• Einspeisen eines zweiten Ladestroms (i2) in den Ausgang (VO) des Spannungsreglers und damit in die Stützkapazität (CB) mittels einer zweiten Stromquelle (I2),
- • wobei der zweite Ladestrom (i2) von einem zweiten Steuersignal (s2) abhängig ist;
• Einspeisen eines dritten Ladestroms (i3) in einen Steuerknoten (sg) mittels eines ersten Tranzkonduktanzverstärker (D1) mit einem positiven Eingang und einem negativen Eingang, der als sein Ausgangssignal diesen dritten Ladestrom (i3) in Abhängigkeit von der Spannung zwischen seinem positiven und negativen Eingang liefert,
- • wobei der dritte Ladestrom (i3) von der Differenz aus dem Potenzial eines Sollwertsignals (Vsoll) minus dem Potenzial eines Istwertsignals (Vist) abhängt;
• Einspeisen eines vierten Ladestroms (i4) in den Ausgang (VO) des Spannungsreglers und damit in die Stützkapazität (CB) mittels eines ersten Transistors (T1),
- • wobei vierte Ladestrom (i4) von dem Potenzial des Steuerknotens (sg) abhängig ist;
• Erzeugung des Istwertsignals (Vist) und eines Diagnosesignals (Vdiag) mittels eines Messmittels (R1, R2, R3);
- • wobei das Potenzial des Istwertsignals (Vist) zwischen dem Potenzial (VOV) des Ausgangs (VO) des Spannungsreglers und einem Bezugspotenzial (GND) liegt und
- • wobei das Potenzial des Diagnosesignals (Viag) zwischen dem Potenzial des Ausgangs (VO) des Spannungsreglers und dem Potenzial des Istwertsignals (Vist) liegt und
- • wobei das Potenzial des Istwertsignals (Vist) von dem Potenzial am Ausgang (VO) des Spannungsreglers abhängt und
- • wobei das Potenzial des Diagnosesignals (Vist) von dem Potenzial am Ausgang (VO) des Spannungsreglers abhängt;
• Erzeugen des ersten Steuersignals (s1) und des zweiten Steuersignal (s2) mittels mit eines zweiten Verstärkers (D2) mit einem positiven Eingang und einem negativen Eingang
1. a. wobei der Wert des ersten Steuersignals (s1) und der Wert des zweiten Steuersignals von der Potenzialdifferenz des Potenzials am positiven Eingang des zweiten Verstärkers (D2) minus dem Potenzial am negativen Eingang des zweiten Verstärkers (D2) abhängen und
2. b. wobei das Vorzeichen der Ableitung des betragsmäßigen Werts des ersten Steuersignals (s1) nach der Potenzialdifferenz nicht dem Vorzeichen der Ableitung des betragsmäßigen Werts des zweiten Steuersignals (s2) nach der Potenzialdifferenz in den jeweiligen Wirkungen auf die Erzeugung des ersten Ladestroms (i1) und des zweiten Ladestroms (i2) entspricht;
• Überwachung der Spannung (VOV) am Ausgang (VO) des Spannungsreglers gegenüber dem Bezugspotenzial (GND) mittels einer Erfassungsvorrichtung (EV);
• Anschalten des ersten Ladestroms (i1) und des zweiten Ladestroms (i2)
- • mittels der Erfassungsvorrichtung, wenn die die Spannung (VOV) am Ausgang (VO) des Spannungsreglers einen ersten Schwellwert (SW1) zu einem ersten Zeitpunkt (t1) in einem ersten Schmitt-Trigger (ST1) erreicht, oder
- • zu einem ersten Zeitpunkt (t1) mittels eines an anderer Stelle in der integrierten Schaltung (IC) oder extern erzeugten Startsignals (Start),
- • wobei dieses Anschalten bevorzugt mittels des zweiten Verstärkers (D2) in der Form erfolgt, dass der zweite Verstärker (D2) ein erstes Steuersignal (s1) erzeugt, dass die erste Stromquelle (I1) zur Abgabe eines ersten Ladestroms (i1) veranlasst, der dem ersten Ladestrom (i1) im statischen Arbeitspunkt NICHT entspricht und/oder dass der zweite Verstärker (D2) ein zweites Steuersignal (s2) erzeugt, dass die zweite Stromquelle (I2) zur Abgabe eines zweiten Ladestroms (i2) veranlasst, der dem zweiten Ladestrom (i2) im statischen Arbeitspunkt NICHT entspricht, wobei der statische Arbeitspunkt wieder dadurch gekennzeichnet ist, dass der zusätzliche Messstrom null ist und die Ausgangsspannung (VOV) am Ausgang (VO) im eingeschwungenen Zustand in diesem Arbeitspunkt bis auf einen Regelfehler der durch das Sollwertsignal (Vsoll) vorgegeben Spannung entspricht;
• Abschalten des ersten Ladestroms (i1) und des zweiten Ladestroms (i2) mittels der Erfassungsvorrichtung (EV), wenn die die Spannung (VOV) am Ausgang (VO) des Spannungsreglers einen ersten Schwellwert (SW1) in einem zweiten Schnitt-trigger (ST2) zu einem zweiten Zeitpunkt (t2) erreicht, wobei dieses Abschalten bevorzugt mittels des zweiten Verstärkers (D2) in der Form erfolgt, dass der zweite Verstärker (D2) ein erstes Steuersignal (s1) erzeugt, dass die erste Stromquelle (I1) zur Abgabe eines ersten Ladestroms (i1) veranlasst, der dem ersten Ladestrom (i1) im statischen Arbeitspunkt entspricht und dass der zweite Verstärker (D2) ein zweites Steuersignal (s2) erzeugt, dass die zweite Stromquelle (I2) zur Abgabe eines zweiten Ladestroms (i2) veranlasst, der dem zweiten Ladestrom (i2) im statischen Arbeitspunkt entspricht, wobei der statische Arbeitspunkt dadurch gekennzeichnet ist, dass der zusätzliche Messstrom null ist und die Ausgangsspannung (VOV) am Ausgang (VO) im eingeschwungenen Zustand in diesem Arbeitspunkt bis auf einen Regelfehler der durch das Sollwertsignal (Vsoll) vorgegeben Spannung entspricht;
• Erfassung der Zeitdifferenz (dt) zwischen dem ersten Zeitpunkt (t1) und dem zweiten Zeitpunkt (t2) mittels einer Zeiterfassungsvorrichtung (ZL);
• Vergleichen des Betrags der Zeitdifferenz (dt) mit einem Zeitschwellwert (SWt) mittels einer Zeitvergleichseinrichtung (ZV) und Erzeugung eines zugehörigen Vergleichsergebnisse mittels dieser Zeitvergleichseinrichtung (ZV);
• Signalisierung eines möglichen Abrisses der Stützkapazität (CB) insbesondere durch die Zeitvergleichseinrichtung (ZV), wenn das Vergleichsergebnis einer zu kurzen Zeitdifferenz (dt) bezogen auf den Zeitschwellwert (SWt) entspricht.

Figurenliste

1 zeigt ein Schema des beispielhaften Systems wobei der Start durch ein externes Startsignal (Start) erfolgt.
2 zeigt ein Schema des beispielhaften Systems wobei der Start Spannungsgesteuert erfolgt.

Beschreibung der Figuren
Figur 1
1 zeigt ein vereinfachtes, grobes Schema des beispielhaften Systems. Innerhalb der integrierten Schaltung (IC) oder von Außerhalb der integrierten mikroelektronischen Schaltung (IC) wird ein Sollwert für die durch den Spannungsregler bereitzustellende Ausgangsspannung (VOV) an seinem Ausgang (VO) in Form eines Sollwertsignals (Vsoll) erzeugt. Ein erster Transkonduktanzverstärker (D1) vergleicht den Wert dieses Sollwertsignals (Vsoll) mit dem Wert eines Istwertsignals (Vist), dessen Erzeugung später beschrieben wird. Hierzu bildet der Transkonduktanzverstärker (D1) bevorzugt die Spannungsdifferenz aus dem Potenzial des Sollwertsignals (Vsoll) minus dem Potenzial des Istwertsignals (Vist). Natürlich wäre auch eine Stromsteuerung denkbar. In Abhängigkeit von der Wertedifferenz zwischen dem Wert des Sollwertsignals (Vsoll) und dem Wert eines Istwertsignals (Vist) erzeugt der Transkonduktanzverstärker (D1) somit einen dritten Ladestrom (i3) als seinen Ausgangsstrom mit dem er den Steuerknoten (sg) lädt. Eine erste Stromquelle (I1) lädt mit einem ersten Ladestrom (i1) ebenfalls diesen Steuerknoten (sg). Da in MOS-Schaltungen die Steuerung durch Potenziale und somit Spannungen erfolgt, müssen diese Ströme in eine Spannung gewandelt werden. Hierfür wird eine Kapazität benötigt, In dem Beispiel der 1 ist dies die parasitäre Gate-Kapazität des ersten Transistors (T1), die durch den ersten Ladestrom (i1) und den dritten Ladestrom (i3) geladen bzw. entladen wird. Sinnvoll kann die Verwendung zusätzlicher Kapazitäten an dieser Stelle sein. Bevorzugt besitzt die erste Stromquelle (I1) einen Stromoffset, sodass im Arbeitspunkt der Wert des ersten Ladestroms (i1) dem negativen Wert des dritten Ladestroms (i3) entspricht und somit Stabilität eintritt. Der Arbeitspunkt ist dabei dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsspannung (VOV) am Ausgang (VO) des Spannungsreglers dem durch das Sollwertsignal (Vsoll) vorgegeben Wert entspricht. Der Wert des ersten Ladestroms (i1) der ersten Stromquelle (I1) hängt von dem Wert eines ersten Steuersignals (s1) ab. Das Potenzial des Steuerknotens (sg) bestimmt, inwieweit der erste Transistor (T1) elektrischen Strom aus der Spannungsversorgung (VDD) entnimmt und als vierten Ladestrom (i4) in den Ausgang (VO) des vorgeschlagenen Spannungsreglers und damit in die ggf. vorhandene Stützkapazität (CB) und parallele parasitäre Kapazitäten einspeist. Der Ausgang (VO) wird gleichzeitig durch einen zweiten Ladestrom (i2) einer zweiten Stromquelle (I2) geladen bzw. entladen. Der Wert des zweiten Ladestroms (i2) der zweiten Stromquelle (I2) hängt vom Wert einer zweiten Steuerleitung (s2) ab. Durch den vierten Ladestrom (i4) und den zweiten Ladestrom (i2) werden die Stützkapazität (CB), sofern vorhanden, und vorhandene parasitäre Kapazitäten zwischen dem Ausgang (VO) des Spannungsreglers und einem Bezugspotenzial (z.B. GND) geladen bzw. entladen. Ist die Stützkapazität (CB) nicht vorhanden, da sie z.B. abgerissen sein kann, so ist die effektive Umladezeitkonstante (τ) für die Umladung geringer. Dies kann erfasst werden. In dem Beispiel der 1 erfasst ein Spannungsteiler als Messmittel bestehend aus einem ersten Widerstand (R1) und einem zweiten Widerstand (R2) und einem dritten Widerstand (R3) zwischen dem Ausgang (VO) des Spannungsreglers und dem Bezugspotenzial (GND) die Spannung (VOV) am Ausgang (VO) des Spannungsreglers und erzeugt daraus durch Spannungsteilung ein Istwertsignal (Vist) und ein Diagnosesignal (Vdiag). Der Spannungsteiler (R1, R2, R3) ist hier so aufgebaut, dass der erste Widerstand (R1) mit einem ersten Anschluss mit dem Bezugspotenzial (GND) und mit dem zweiten Anschluss mit dem Istwertsignal (Vist) verbunden ist. Der zweite Widerstand (R2) des Spannungsteilers ist mit einem ersten Anschluss mit dem Istwertsignal (Vist) und mit einem zweiten Anschluss mit dem Diagnosesignal (Vdiag) verbunden. Der dritte Widerstand (R3) ist mit seinem ersten Anschluss mit dem Diagnosesignal (Vdiag) und mit seinem zweiten Anschluss mit dem Ausgang (VO) des Spannungsreglers verbunden.
Ein zweiter Verstärker (D2), der bevorzugt ein Operationsverstärker ist, ist mit seinem positiven Eingang mit dem Sollwertsignal (Vsoll) verbunden und mit dem negativen Eingang mit dem Diagnosesignal (Vdiag) verbunden. Der zweite Verstärker (D2) erzeugt in Abhängigkeit von der Wertedifferenz zwischen seinem positiven Eingang und seinem negativen Eingang das erste Steuersignal (s1) und das zweite Steuersignal (s2). Das Vorzeichen der differentiellen Ableitung des Werts des ersten Steuersignals (s1) nach der Wertedifferenz am Eingang des zweiten Verstärkers (D2) ist dem Vorzeichen der differentiellen Ableitung des Werts des zweiten Steuersignals (s2) nach der Wertedifferenz am Eingang des zweiten Verstärkers (D2) in seiner Wirkung entgegengesetzt. Die zweite Stromquelle (I2) liegt in dem Beispiel der 1 in Serie mit einem Messwiderstand (RL). Dieser Messwiderstand (RL) wird bevorzugt als Stromquelle ausgeführt. Hierdurch entsteht eine große Verstärkung. An dieser Stelle kann daher ein Signal (Out) abgenommen werden, das angibt, inwieweit die Ausgangsspannung (VOV) am Ausgang (VO) des Spannungsreglers von dem Sollwert abweicht. Dieses Signal (Out) kann mittels eines zweiten Schmitt-Trigger-Gatters (ST2) in Kombination mit einem RS-Flipflop (FF) ausgewertet werden. Die Signalverarbeitungsstrecke bis zu diesem Signal (Out) und das nachfolgende zweite Schmitt-Trigger-Gatter (ST2) bilden somit eine Erfassungsvorrichtung, die die Spannung (VOV) am Ausgang (VO) des Spannungsreglers überwacht und die, wie nachfolgend beschrieben, den ersten Ladestrom (i1) und den zweiten Ladestrom (i2) abschaltet (Definition folgt), wenn die die Spannung (VOV) am Ausgang (VO) des Spannungsreglers einen zweiten Schwellwert, der sich aus dem zweiten Schwellwert (SW2) des zweiten Schmitt-Triggers (ST2) ableiten lässt, zu einem zweiten Zeitpunkt (t2) erreicht. Ein extern oder intern erzeugtes Startsignal (Start) setzt das RS-Flipflop (FF) zu einem ersten Zeitpunkt (t1) zurück. Erst dadurch wird der zweite Verstärker (D2) über das Ausgangssignal (q) des RS-Flip-Flops (FF) in die Lage versetzt, die beiden Steuersignale (s1) und (s2) so zu erzeugen, dass diese von ihren Arbeitspunktwerten des ersten Steuersignals (s1) und des zweiten Steuersignals (s2) abweichen können. Dieser Vorgang wird in dieser Offenlegung als „Anschalten“ bezeichnet. Dies bedeutet, dass mit dem Setzen des Ausgangssignals (q) des RS-Flip-Flops (FF) durch das Startsignal (Start) der Spannungsregler von seinem Arbeitspunkt abweicht und die erste Stromquelle (I1) einen modifizierten ersten Ladestrom (i1) in den Steuerknoten (sg) einspeist und die zweite Stromquelle (I2) einen modifizierten zweiten Ladestrom (i2) in den Ausgang (VO) des Spannungsreglers einspeist. Hierdurch weicht die Ausgangsspannung (VOV) am Ausgang des Spannungsreglers von der durch das Sollwertsignal (Vsoll) vorgegebenen Spannung ab. Dies geschieht aufgrund der Stützkapazität (CB) in Form einer Spannungsrampe, deren Umladezeitkonstante (τ) von der effektiven Kapazität am Ausgang (VO) des Spannungsreglers abhängt. Ist diese Kapazität infolge eines Verlusts des Stützkondensators (CB) zu klein, so kann dies dann detektiert werden. Bei einem gesetzten Ausgangssignal (q) des RS-FlipFlops (FF) sind der zweite Verstärker (D2) und die erste Stromquelle (I1) und die zweite Stromquelle (I2) also bevorzugt so konstruiert, dass die Stromquellen bei diesem Zustand des Ausgangssignals (q) des RS-FlipFlops (FF) nur ihre Arbeitspunktströme liefern. Erreicht nun der Wert an dem Ausgang (Out) einen vorbestimmten Wert, den zweiten Schwellwert (SW2), so schaltet das diesem Ausgang (Out) nachgeschaltete zweite Schmitt-Trigger-Gatter (ST2) und setzt zu einem zweiten Zeitpunkt (t2) das RS-Flip-Flop (FF) und damit auch dessen Ausgang (q) zurück, womit die weitere Ladung des Steuerknotens (sg) durch einen vom Arbeitspunktabweichenden ersten Ladestrom (i1) der ersten Stromquelle (I1) und die weitere Ladung des Ausgangs (VO) des Spannungsreglers und damit der ggf. vorhandenen Stützkapazität (CB) durch einen vom Arbeitspunkt abweichenden zweiten Ladestrom (i2) der zweiten Stromquelle (I2) abseits von deren vorbestimmten Arbeitspunktströmen unterbunden wird. Hierdurch regelt sich die Ausgangsspannung (VOV) des Spannungsreglers wieder auf den durch das Sollwertsignal (Vsoll) vorgegebenen Sollwert ein. Die entsprechende Umladezeitkonstante (τ) kann aus der Differenz zwischen dem zweiten Zeitpunkt (t2) minus dem ersten Zeitpunkt (t1) ermittelt werden. Ist diese Zeitdifferenz (dt) zu klein, so liegt vermutlich ein Abriss des Stützkondensators (CB) vor.
Figur 2
Alternativ kann, wie in 2 gezeigt, das Startsignal durch ein erstes Schmitt-Trigger-Gatter (ST1) mit einem ersten Schwellwert (SW1) erzeugt werden, der vom zweiten Schwellwert (SW2) des zweiten Schmitt-Trigger-Gatters (ST2) abweicht. Der erste Ladestrom (i1), der zweite Ladestrom (i2) und der erste Schwellwert (SW1) und der zweite Schwellwert (SW2) müssen mittels Simulation so abgestimmt werden, dass sich nach dem Anschalten (Definition im Sinne dieser Offenlegung) der ersten Stromquelle (I1) und der zweiten Stromquelle (I2) ein sägezahnförmiger Verlauf ergibt.
Da die Messung typischerweise nicht permanent erfolgen soll, ist es sinnvoll zumindest das Setzen des RS-Flip-Flops (FF) durch ein Erlaubnissignal (EN) zu erlauben oder zu unterdrücken.
Bei der Auslegung ist darauf zu achten, dass die somit provozierten sägezahnförmigen Spannungsmodulationen die Rücksetzschwellen (Reset-Schwellen) der integrierten Schaltung (IC) nicht unterschreiten können. Es ist also wichtig, entsprechende Referenzsignale für die typischerweise in einer integrierten Schaltung vorhandene Rücksetzschaltung durch weitere Aufteilung des dritten Widerstands (R3) des Spannungsteilers (R1, R2, R3) zu erzeugen, wodurch diese stets zwischen dem Potenzial des Ausgangs (VO) des Spannungsreglers und dem Potenzial des Diagnosesignals (Vdiag) liegen.
Bezugszeichenliste

CB: Stützkapazität des Spannungsreglers;
CLK: Systemtakt;
D1: Transkonduktanzverstärker;
D2: zweiter Verstärker;
dt: Zeitdifferenz zwischen zweiten Zeitpunkt (t2) und ersten Zeitpunkt (t1);
EN: Erlaubnissignal
EV: Erfassungsvorrichtung;
FF: RS-Flip-Flop;
I1: erste Stromquelle, die einen ersten Ladestrom (i1) in einen Steuerknoten (sg) einspeist;
i1: erster Ladestrom der ersten Stromquelle (I1);
I2: zweite steuerbare Stromquelle, die einen zweiten Ladestrom (i2) in den Anschluss (VO) des Stützkondensators (CB) einspeist und deren zweiten Ladestrom (i2) von einem zweiten Steuersignal (s2) abhängt;
i2: zweiter Ladestrom der zweiten steuerbaren Stromquelle;
i3: dritter Ladestrom, der der Ausgangsstrom des Transkonduktanzverstärkers (D1) ist;
i4: vierter Ladestrom;
IC: integrierte Schaltung;
Out: aus der Spannung (VOV) am Ausgang (VO) des Spannungsreglers abgeleitetes Signal zur Steuerung des RE-Flip-Flops (FF);
q: Ausgang des RS-Flip-Flops.
R1: erster Widerstand des Spannungsteilers;
R2: zweiter Widerstand des Spannungsteilers;
R3: dritter Widerstand des Spannungsteilers;
RL: Messwiderstand;
s1: erstes Steuersignal;
s2: zweites Steuersignal;
sg: Steuerknoten;
ST1: erstes Schmitt-Trigger-Gatter mit einem ersten Schwellwert (SW1).
ST2: zweites Schmitt-Trigger-Gatter mit einem zweiten Schwellwert (SW2).
Start: Startsignal, das entweder von Extern der integrierten Schaltung (IC) signalisiert wird oder an anderer Stelle in der integrierten Schaltung oder im Spannungsregler erzeugt wird.
SW1: erster Schwellwert, der den ersten Zeitpunkt (t1) kennzeichnet, zu dem die Spannung (VOV) am Ausgang (VO) des Spannungsreglers diesen Schwellwert erreicht.
SW2: zweiter Schwellwert, der den zweiten Zeitpunkt (t2) kennzeichnet, zu dem die Spannung (VOV) am Ausgang (VO) des Spannungsreglers diesen Schwellwert erreicht.
SWt: Zeitschwellwert für die Zeitdifferenz (dt);
τ: Umladezeitkonstane;
t1: erster Zeitpunkt;
T1: erster Transistor;
t2: zweiter Zeitpunkt;
VOV: Wert der Spannung am Anschluss (VO) für die Stützkapazität (CB);
VO: Ausgang des Spannungsreglers und Anschluss für den externen Stützkondensator (CB);
VDD: Versorgungsspannung;
Vdiag: Diagnosesignal;
Vist: Istwertsignal;
Vsoll: Sollwertsignal;
ZL: Zeiterfassungsvorrichtung;
ZV: Zeitvergleichseinrichtung;

Claims

Spannungsregler mit einer Stützkapazität (CB) an seinem Ausgang (VO) für die Versorgung einer integrierten Schaltung (IC) mit elektrischer Energie • mit einer ersten Stromquelle (I1), die einen ersten Ladestrom (i1) in einen Steuerknoten (sg) einspeist, a. wobei der erste Ladestrom (i1) von einem ersten Steuersignal (s1) abhängig ist, und • mit einer zweiten Stromquelle (I2), die einen zweiten Ladestrom (i2) in den Ausgang (VO) des Spannungsreglers und damit in die Stützkapazität (CB) einspeist, • wobei der zweite Ladestrom (i2) von einem zweiten Steuersignal (s2) abhängig ist, und • mit einem ersten Transistor (T1), der einen vierten Ladestrom (i4) in den Ausgang (VO) des Spannungsreglers und damit in die Stützkapazität (CB) einspeist • wobei vierte Ladestrom (i4) von dem Potenzial des Steuerknotens (sg) abhängig ist und • mit einem ersten Tranzkonduktanzverstärker (D1) mit einem positiven Eingang und einem negativen Eingang, der als sein Ausgangssignal einen dritten Ladestrom (i3) liefert und ihn in den Steuerknoten (sg) einspeist, und • mit einem zweiten Verstärker (D2) mit einem positiven Eingang und einem negativen Eingang, der das erste Steuersignal (s1) und das zweite Steuersignal (s2) erzeugt; • mit einem Messmittel zur Erzeugung eines Istwertsignals (Vist) und eines Diagnosesignals (Vdiag), • wobei das Potenzial des Istwertsignals (Vist) zwischen dem Potenzial (VOV) des Ausgangs (VO) des Spannungsreglers und einem Bezugspotenzial (GND) liegt und • wobei das Potenzial des Diagnosesignals (Viag) zwischen dem Potenzial des Ausgangs (VO) des Spannungsreglers und dem Potenzial des Istwertsignals (Vist) liegt und • wobei der dritte Ladestrom (i3), den der erste Tranzkonduktanzverstärker (D1) als sein Ausgangssignal in den Steuerknoten (sg) einspeist, von der Differenz aus dem Potenzial des eines Sollwertsignals (Vsoll) minus dem Potenzial des Istwertsignals (Vist) abhängt und • wobei der erste Ladestrom (i1), den die erste Stromquelle (I1) in den Steuerknoten (sg) einspeist, von dem ersten Steuersignal (s1) abhängt und • wobei der zweite Ladestrom (i2), den die zweite Stromquelle (I2) in den Ausgang (VO) des Spannungsreglers und damit den Anschluss für den externen Stützkondensator (CB) einspeist, von dem zweiten Steuersignal (s2) abhängt und • mit einer Erfassungsvorrichtung (EV), die die Spannung (VOV) am Ausgang (VO) des Spannungsreglers überwacht und • wobei die Erfassungsvorrichtung den ersten Ladestrom (i1) und den zweiten Ladestrom (i2) abschaltet, wenn die die Spannung (VOV) am Ausgang (VO) des Spannungsreglers oder die Spannung eines daraus abgeleiteten Signals (Out) einen zweiten Schwellwert zu einem zweiten Zeitpunkt (t2) erreicht und • wobei die Erfassungsvorrichtung den ersten Ladestrom (i1) und den zweiten Ladestrom (i2) anschaltet, wenn zu einem ersten Zeitpunkt (t1) b. ein Startsignal (Start) gesetzt wird und/oder c. wenn die die Spannung (VOV) am Ausgang (VO) des Spannungsreglers oder die Spannung eines daraus abgeleiteten Signals (Out) einen ersten Schwellwert (SW1) zu einem ersten Zeitpunkt (t1) erreicht und • mit einer Zeiterfassungsvorrichtung (ZL), die die Zeitdifferenz (dt) zwischen dem ersten Zeitpunkt (t1) und dem zweiten Zeitpunkt (t2) erfasst, und • mit einer Zeitvergleichseinrichtung (ZV), die den Betrag der Zeitdifferenz (dt) mit einem Zeitschwellwert (SWt) vergleicht und ein Vergleichsergebnissignals (FM) erzeugt.
Verwendung des folgenden Verfahrens zur Detektion des Abrisses einer Stützkapazität an einem Spannungsregler mit der Stützkapazität (CB) an seinem Ausgang (VO) für die Versorgung einer integrierten Schaltung (IC) mit elektrischer Energie • Einspeisen eines ersten Ladestroms (i1) in einen Steuerknoten (sg) mittels einer ersten Stromquelle (I1), d. wobei der erste Ladestrom (i1) von einem ersten Steuersignal (s1) abhängig ist; • Einspeisen eines zweiten Ladestroms (i2) in den Ausgang (VO) des Spannungsreglers und damit in die Stützkapazität (CB) mittels einer zweiten Stromquelle (I2), e. wobei der zweite Ladestrom (i2) von einem zweiten Steuersignal (s2) abhängig ist; • Einspeisen eines dritten Ladestrom (i3) in einen Steuerknoten (sb) mittels eines ersten Tranzkonduktanzverstärker (D1) mit einem positiven Eingang und einem negativen Eingang, der als sein Ausgangssignal diesen dritten Ladestrom (i3) liefert, f. wobei der dritte Ladestrom (i3) von der Differenz aus dem Potenzial eines Sollwertsignals (Vsoll) minus dem Potenzial eines Istwertsignals (Vist) abhängt; • Einspeisen eines vierten Ladestroms (i4) in den Ausgang (VO) des Spannungsreglers und damit in die Stützkapazität (CB) mittels eines ersten Transistors (T1), g. wobei vierte Ladestrom (i4) von dem Potenzial des Steuerknotens (sg) abhängig ist; • Erzeugen des ersten Steuersignals (s1) und des zweiten Steuersignal (s2) mittels eines zweiten Verstärkers (D2) mit einem positiven Eingang und einem negativen Eingang; • Erzeugung des Istwertsignals (Vist) und eines Diagnosesignals (Vdiag) mittels eines Messmittels (R1, R2, R3); h. wobei das Potenzial des Istwertsignals (Vist) zwischen dem Potenzial (VOV) des Ausgangs (VO) des Spannungsreglers und einem Bezugspotenzial (GND) liegt und i. wobei das Potenzial des Diagnosesignals (Viag) zwischen dem Potenzial des Ausgangs (VO) des Spannungsreglers und dem Potenzial des Istwertsignals (Vist) liegt; • Überwachung der Spannung (VOV) am Ausgang (VO) des Spannungsreglers gegenüber dem Bezugspotenzial (GND) mittels einer Erfassungsvorrichtung (EV), • Abschalten des ersten Ladestroms (i1) und des zweiten Ladestroms (i2) mittels der Erfassungsvorrichtung, wenn die Spannung (VOV) am Ausgang (VO) des Spannungsreglers oder die Spannung eines daraus abgeleiteten Signals (Out) einen zweiten Schwellwert (SW2) zu einem zweiten Zeitpunkt (t2) erreicht; • Anschalten des ersten Ladestroms (i1) und des zweiten Ladestroms (i2) mittels der Erfassungsvorrichtung, wenn zu einem ersten Zeitpunkt (t1) j. ein Startsignal (Start) gesetzt wird und/oder k. die die Spannung (VOV) am Ausgang (VO) des Spannungsreglers oder die Spannung eines daraus abgeleiteten Signals (Out) einen ersten Schwellwert zu einem ersten Zeitpunkt (t1) erreicht; • Erfassung der Zeitdifferenz (dt) zwischen dem ersten Zeitpunkt (t1) und dem zweiten Zeitpunkt (t2) mittels einer Zeiterfassungsvorrichtung (ZL); • Vergleichen des Betrags der Zeitdifferenz (dt) mit einem Zeitschwellwert (SWt) mittels einer Zeitvergleichseinrichtung (ZV) und Erzeugung eines zugehörigen Vergleichsergebnis mittels dieser Zeitvergleichseinrichtung (ZV); • Signalisierung eines möglichen Abrisses der Stützkapazität (CB), wenn das Vergleichsergebnis einer zu kurzen Zeitdifferenz (dt) bezogen auf den Zeitschwellwert (SWt) entspricht.