JP7431324B2 - 検出回路および集積回路 - Google Patents

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Description

本発明は、集積回路の分野に関し、特に、集積回路の外部コンデンサの状態を検出するための検出回路に関する。
図1は、集積回路の概略構造図である。図1に示すように、集積回路(IC, Integrated Circuit)チップ110の3つのピン、すなわち接地ピン111、フィルタリングされていない電源ピン113、およびフィルタリングされた電源ピン112がそれぞれ示されている。フィルタリングされていない電源ピン113とフィルタリングされた電源ピン112との間には、集積回路チップ110の内部回路に属する抵抗Rが接続されている。フィルタリングされた電源ピン112と接地ピン111との間には、集積回路チップ110に属さない外部コンデンサであるコンデンサCが接続されている。抵抗RおよびコンデンサCは、フィルタリングされていない電源ピン113の信号をフィルタリングしてフィルタリングされた電源ピン112の信号を得るように、フィルタ回路を構成することができる。一方、コンデンサCは、電源電圧よりもコンデンサ電圧の低下が遅いため、電源ピンの電圧が低下したときに、降圧(Brownout)保護、すなわち、電源電圧に一定の降圧空間(Brownout Margin)を提供する役割を果たすことができる。
場合によっては、コンデンサCと集積回路チップ110のピンとの間の接続が切断されたり、周囲温度、湿度、電界等が変化するとコンデンサCのパラメータがドリフトしたりすることがある。これらの場合に、フィルタリングされた電源ピン112におけるリップル(Ripple)が増加し、集積回路チップ110の性能に影響を与える。
ISO26262『道路車両機能安全』という国際規格では、通常、車両用集積回路にピンのショートやオープンを診断する機能が必要とされている。車両用集積回路チップの電源ピンと外部コンデンサとの間のオープン状態を測定するために、電源ピンに1つの交流(AC, Alternating Current)電流負荷を追加して、その交流リップルを測定することができるが、この方法は、かなり高い電流を必要とし、且つ、発生した交流リップルは、チップの性能に悪い影響を与える。従って、チップピンと外部コンデンサとの間のオープン状態、および外部コンデンサのパラメータドリフト状態を測定するには、より信頼性が高く、便利な方法が必要である。
本発明が解決しようとする技術課題は、集積回路の外部コンデンサの状態の検出を容易にすることができる検出回路及び集積回路を提供することである。
上記の技術課題を解決するために、本発明が採用する技術案は、フィルタリングされていない第1の電源端から第1の抵抗を介して電源電圧を取得するように適合され、且つ、前記電源電圧をフィルタリングするために前記第1のコンデンサを介して基準電位端に結合されるように適合されている、フィルタリングされた第2の電源端における第1のコンデンサのドリフトまたはオープンを検出するための検出回路であって、前記第1の電源端と前記基準電位端との間に結合され、前記第1の抵抗および前記第1のコンデンサと同じ時定数を有している、直列接続された第2の抵抗および第2のコンデンサと、前記第2の抵抗と前記第2のコンデンサとの間に接続された擬似電源端と、前記第2の電源端のフィルタされた電源電圧と前記擬似電源端の擬似電源電圧との前記第1のコンデンサのドリフトの程度またはオープンを示す電圧差を検出するように適合され、前記第2の電源端と前記擬似電源端とを結合するコンパレータと、を備えている検出回路である。
本発明の一実施例において、前記検出回路は、前記フィルタされた電源電圧の分圧を前記コンパレータに供給するように、前記コンパレータと前記第2の電源端との間に結合された分圧回路と、前記擬似電源電圧が前記第1の電源端のフィルタリングされていない電源電圧の分圧となるように、前記擬似電源端と前記基準電位端との間に結合された分圧抵抗と、を備えている。
本発明の一実施例では、前記第2の抵抗は、可変抵抗である。
本発明の一実施例では、前記第2の抵抗及び前記第2のコンデンサが、前記第1の抵抗及び前記第1のコンデンサと同じ時定数を有するように、前記第2の抵抗が予め調整されている。
本発明の一実施例では、前記第2のコンデンサの容量値は、桁違いで前記第1のコンデンサの容量値よりも小さい。
本発明の一実施例では、前記検出回路は、集積回路に組み込まれ、且つ、前記第1の電源端、前記第2の電源端および前記基準電位端は、前記集積回路の端である。
本発明の一実施例では、前記検出回路は、前記分圧回路をオープンするための第1のスイッチと、前記分圧抵抗をオープンするための第2のスイッチとをさらに備えている。
本発明は、上記の技術課題を解決するために、フィルタリングされていない第1の電源端と、第1の抵抗を介して第1の電源端に結合され、且つ、第1のコンデンサを介して基準電位端に結合されるように適合されている、フィルタされた第2の電源端と、前記第1電源端と前記基準電位端との間に結合され、前記第1の抵抗および前記第1のコンデンサと同じ時定数を有している、直列接続された第2の抵抗および第2のコンデンサと、前記第2の抵抗と前記第2のコンデンサとの間に接続された擬似電源端と、前記第2の電源端のフィルタされた電源電圧と前記擬似電源端の擬似電源電圧との電圧差を検出するように適合され、前記第2の電源端と前記擬似電源端とを結合するコンパレータと、を備えている集積回路を提供する。
本発明の一実施例において、前記集積回路は、前記フィルタされた電源電圧の分圧を前記コンパレータに供給するように、前記コンパレータと前記第2の電源端との間に結合された分圧回路と、前記擬似電源電圧が前記第1の電源端のフィルタリングされていない電源電圧の分圧となるように、前記擬似電源端と前記基準電位端との間に結合された分圧抵抗と、を備えている。
本発明の一実施例では、前記第2の抵抗は、可変抵抗である。
本発明の一実施例では、前記第2の抵抗及び前記第2のコンデンサが、前記第1の抵抗及び前記第1のコンデンサと同じ時定数を有するように、前記第2の抵抗が予め調整されている。
本発明の一実施例では、前記第2のコンデンサの容量値は、桁違いで前記第1のコンデンサの容量値よりも小さい。
発明の一実施例では、前記分圧回路をオープンするための第1のスイッチと、前記分圧抵抗をオープンするための第2のスイッチとをさらに備えている。
本発明の一実施例では、前記集積回路は、自動車用の集積回路チップである。
本発明の一実施例では、前記集積回路は、電池コントローラである。
本発明は、集積回路の内部RC回路を、外部接続された第1のコンデンサC1を含む外部RC回路と時定数が等しくなるように設置することによって、内部コンデンサの電圧と外部コンデンサの電圧とを比較することで、第1のコンデンサC1のドリフトの程度やオープン状態を検出することができる。本発明に係る検出回路及び集積回路は、余分な外部の部品を追加することなく、集積回路に第1コンデンサC1が外部接続されている時のドリフトの程度やオープンを検出することが可能であり、集積化及び低コストが容易であるという有益な効果を有する。
本発明の上述した目的、特徴および利点をより明確に分かりやすくするために、本発明の具体的な実施形態を添付図面に関連して以下で詳細に説明する。
図1は、集積回路の構成模式図である。 図2は、図1に示す集積回路の具体的な実施例に係る回路構成模式図である。 図3Aは、本発明の実施例1に係る検出回路の回路模式図である。 図3Bは、本発明の実施例2に係る検出回路の回路模式図である。 図4は、本発明の実施例3に係る検出回路の回路模式図である。 図5は、本発明の実施例4に係る検出回路の回路模式図である。 図6は、本発明の一実施例に係る検出回路における第1のコンデンサがオープンされたときの電池電圧の変化、及び内部RC回路と外部RC回路の電圧電流の変化を示す模式図である。 図7は、本発明の一実施例に係る検出回路における第1のコンデンサC1に70%ドリフトが発生したときの電池電圧のリップルおよび電圧差の変化を示す模式図である。 図8Aは、本発明の実施例1に係る集積回路の構成模式図である。 図8Bは、本発明の実施例2に係る集積回路の構成模式図である。 図8Cは、本発明の実施例3に係る集積回路の構成模式図である。 図8Dは、本発明の実施例4に係る集積回路の構成模式図である。
本願の実施例の技術案をより明確に説明するために、以下、実施例の説明に必要な図面を簡単に紹介する。以下に説明される添付図面は明らかに、本願のほんの一部の例または実施例に過ぎず、本分野の当業者にとっては、進歩性的な労働を要しないことを前提として、これらの添付図面に基づいて、本願を他の類似するシナリオに適用することができる。文脈から明らかに分からない限り、または別途説明しない限り、図中の同じ記号は、同じ構造または動作を表す。
本明細書および特許請求の範囲に示されているように、「1」、「1つ」、「一種」および/または「この」などの用語は、文脈が例外的な状況を明示的に示す場合を除き、特に単数を意味するものではなく、複数を含むこともできる。一般に、「備える」および「含む」という用語は、排他的な羅列を構成せず、明示的に識別されたステップおよび要素を含むことを示唆するだけであり、方法または装置は、他のステップまたは要素を含むこともできる。
特に具体的に説明しない限り、これらの実施例において説明される構成要素およびステップの相対的な配置、数字、数式および数値は、本願の範囲を限定しない。また、図面に示される各部分の寸法は、説明を容易にするために、実際の比例関係に基づいて描かれていないことが理解されるべきである。関連分野の当業者に知られている技術、方法及び装置については、詳細な検討は行われない可能性があるが、適切な場合には、当該技術、方法及び装置は、特許された明細書の一部と見なされるべきである。ここで示し、説明するすべての例において、任意の具体的な値は、制限ではなく、例示的なものとして解釈されるべきである。したがって、例示的な実施例の他の例は、異なる値を有することができる。注意すべきなのは、類似の符号および文字は、以下の添付図面において類似の項を表すので、ある項が1つの添付図面において定義されると、後続の添付図面においてそれについてさらに検討する必要はないことである。
構成要素が「他の構成要素の上にある」、「他の構成要素に接続されている」、「他の構成要素に結合されている」、または「他の構成要素に接触している」と言及される場合、構成要素は、他の構成要素の上に直接配置されていてもよく、他の構成要素に接続されていてもよく、他の構成要素に結合されていてもよく、または他の構成要素に接触していてもよく、または挿入された構成要素が存在していてもよいことを理解すべきである。これに対して、ある部品が「他の部品上に直接ある」、「に直接接続」、「に直接結合」、または「に直接接触」と言及される場合、挿入部品は存在しない。同様に、第1の構成要素が第2の構成要素に「電気的接触」または「電気的結合」と言及される場合、第1の構成要素と第2の構成要素との間に電流を流すための電気的経路が存在する。当該電気的経路は、導電性構成要素間の直接接触がなくても、コンデンサ、結合されたインダクタ、および/または電流を流すことができる他の構成要素を含むことができる。
また、「第一」、「第二」等の用語を使用して部品を限定するのは、対応する部品の区別を容易にするためだけであり、別途説明がなければ、上記の用語に特別な意味はないので、本願の保護範囲に対する制限と理解することはできない。さらに、本願で使用される用語は、公知の共通用語から選択されたものであるが、本願の明細書に記載される用語の一部は、出願人がその判断に従って選択したものであってもよく、その詳細な意味は、本願の明細書の説明の関連部分において説明される。また、本願は、使用される実際の用語だけでなく、各用語に含まれる意味によっても理解されることが要求される。
図2は、図1に示す集積回路の具体的な実施例に係る回路構成模式図である。図2に示すように、当該回路は、第1の電源端210と、第2の電源端220と、第1のコンデンサC1と、第1の抵抗R1と、及び基準電位端230とを備えている。この中、第1の抵抗R1の両端は、それぞれ第1の電源端210、第2の電源端220に接続されている。第1コンデンサC1の両端は、それぞれ第2電源端220、基準電位端230に接続されている。図1および図2を合わせて考慮すれば、図2に示す第1の電源端210、第2の電源端220および第1の抵抗R1は、いずれも図1に示す集積回路チップ110に内蔵されてもよい。ここで、第1の電源端210とフィルタリングされていない電源ピン113とが接続され、第2の電源端220とフィルタリングされた電源ピン112とが接続され、基準電位端230と接地ピン111とが接続されている。
図1の抵抗Rは、集積回路チップ110内のフィルタリングされていない電源ピン113とフィルタリングされた電源ピン112との間に接続された、図2における第1の抵抗R1に相当する。図2に示す第1のコンデンサC1は、図1に示す集積回路チップ110の外部にあるコンデンサCに相当する。この第1のコンデンサC1は、集積回路チップ110の外部にあり、且つ、フィルタリングされた電源ピン112と接地ピン111との間に接続されている。
通常、コストを下げて、回路サイズを縮小するために、集積回路に外部接続される電子部品の数を最小限に抑える。このため、図1及び図2に示す回路構成において、集積回路チップ110の内部に第1の抵抗R1が設けられている。一部の実施例では、この第1の抵抗R1は、集積回路チップ110の外部に配置され、フィルタリングされていない電源ピン113とフィルタリングされた電源ピン112との間に接続され、且つ、第1のコンデンサC1と共にRC回路を構成してローパスフィルタとして機能することもできる。
図2を参照して示すように、第1の電源端210は、通常、電源に接続されており、当該電源は、例えば電池であってもよい。従って、第1の電源端210で検出される電圧は、電源電圧であり、且つ、フィルタリングされていない電源電圧Vbat1である。集積回路チップ110の内部に位置する第1の抵抗R1と、集積回路チップ110の外部に位置する第1のコンデンサC1とからなるフィルタ回路は、第1の電源端210のフィルタ処理されていない電源電圧Vbat1をフィルタ処理して、第2の電源端220でフィルタ処理された電源電圧Vbat2を得る。
図2に示すように、基準電位端230では、基準電位Vssを検出することができる。当該検出回路において、基準電位端230は、アナログ基準電位端231およびデジタル基準電位端232をさらに含むことができる。それによって、アナログ基準電位端231でアナログ基準電位Vssaを検出することができ、デジタル基準電位端232でデジタル基準電位Vssdを検出することができる。
一部の実施例では、第1の電源端210と第2の電源端220との間には、2つの互いに逆向きのダイオードが並列に接続されている静電放電(ESD, Electro-Static Discharge)保護回路201も接続されており、ここでのダイオードは、ESDダイオードと呼ばれている。静電放電を発生する時には、ESD保護回路201内のESDダイオードにより回路内の静電スパイク電圧を所定範囲にクランプすることができ、チップの安定動作を保護することができる。一部の実施例では、アナログ基準電位端231とデジタル基準電位端232との間にもESD保護回路201が接続され、同様に静電放電を保護するように機能している。
図2に示す回路には、内部高感度回路(Internal Sensitive Circuit)も含まれていてもよい。当該内部高感度回路(図示せず)は、フィルタリングされた第2の電源端220と基準電位端230との間に接続されてもよい。内部高感度回路は、第2の電源端220におけるリップル干渉を低減し、より長い低電圧保護時間を提供するように機能している。具体的には、内部高感度回路は、回路に低電圧が発生したときに、第2の電源端220における電圧降下を第1の電源端210における電圧降下よりも遅くしてもよい。
一般に、第1のコンデンサC1の集積回路チップ110への接続状態を測定するため、すなわち、第1のコンデンサC1がオープンであるか、またはパラメータがドリフトしているかを検出するためには、第1のコンデンサC1を流れる電流を測定する必要がある。しかしながら、既存の測定技術によれば、電流を測定するための電流センサは、電源端に接続されなければならず、すなわち、この電流センサは、十分に高い電圧に耐えられる必要がある。また、他の回路素子に影響を与えない場合に、正確な電流値を得ることは困難である。
図3Aは、本発明の実施例1に係る検出回路の回路模式図である。図3Aに示すように、この検出回路は、図2に示す集積回路構成を含み、さらに、第2の抵抗R2、第2のコンデンサC2、擬似電源端310、およびコンパレータ320を含む。図2のESDダイオードは必須ではないので、図3Aに示す実施例では、図2の静電放電保護回路201が含まれていない。また、図3Aに示す実施例では、基準電位端230は、アナログ基準電位端とデジタル基準電位端とに区別されていないことを示す単独の端として示されている。
図3Aに示す実施例では、第2の抵抗R2および第2のコンデンサC2は、互いに直列に接続され、且つ、第1の電源端210と基準電位端230との間に結合されている。図3Aに示すように、第2のコンデンサC2の一端と第2の抵抗R2の一端とが接続され、第2のコンデンサC2の他端が基準電位端230に接続されている。第2の抵抗R2の他端は、第1の抵抗R1に接続されるとともに、第1の電源端210に接続されている。
図3Bは、本発明の実施例2に係る検出回路の回路模式図である。図3(B)に示す実施例では、図3(A)に示す実施例と比較して、図2のESDダイオードからなる静電放電保護回路201が追加され、且つ、基準電位端230は、さらにアナログ基準電位端231とデジタル基準電位端232とに分割されている。この中、第2のコンデンサC2の一端と第2の抵抗R2の一端とが接続され、第2のコンデンサC2の他端がアナログ基準電位端231に接続されている。
一部の実施例では、検出回路は、集積回路に組み込まれ、且つ、第1の電源端210、第2の電源端220および基準電位端230は、それぞれ当該集積回路の端である。図1~図3Bを合わせて示すように、検出回路を集積回路チップ110に組み込むことができ、且つ、第1の電源端210は、フィルタリングされていない電源ピン113に相当し、第2の電源端220は、フィルタリングされた電源ピン112に相当し、基準電位端230は、接地ピン111に相当する。
第1の抵抗R1と第1のコンデンサC1は、第1のRC回路を構成し、第2の抵抗R2と第2のコンデンサC2は、第2のRC回路を構成する。本発明の実施例では、第1のRC回路の第1の時定数τ1と第2のRC回路の第2の時定数τ2とは等しい。例えば、ある実施例において、R1=10Ohm、C1=10μF、R2=1MOhm、C2=100pFとする場合には、以下のようになる:
τ1=R1*C1=100μs;
τ2=R2*C2=100μs;
τ1=τ2。
擬似電源端310は、第2の抵抗R2と第2のコンデンサC2との間に位置する。コンパレータ320の一方の入力端321には、擬似電源端310が接続されており、擬似電源端310の電圧信号である擬似電源電圧V0は、コンパレータ320の一方の入力となっている。
コンパレータ320の2つの入力端321、322はそれぞれ、第1のコンデンサC1のドリフトの程度またはオープンを示すために使用される、第2の電源端220のフィルタ処理された電源電圧Vbat2と擬似電源端310の擬似電源電圧V0との電圧差V_diffを検出するように、擬似電源端310および第2の電源端220に結合されている。すなわち、以下のようになる:
V_diff=|Vbat2-V0|
ここで、||は、絶対値をとることを示す。
一般に、コンパレータ320の2つの入力はアナログ電圧信号であり、その出力は、アナログ電圧信号またはデジタル信号であってもよい。コンパレータ320は、2つの入力端321、322の入力電圧を比較し、2つの入力電圧を減算して電圧差V_diffを算出することができる。この電圧差V_diffをコンパレータ320の出力端323から直接出力してもよいし、必要に応じてコンパレータ320に検出閾値V_thを設定することによって、コンパレータ320は、電圧差V_diffと検出閾値V_thとの大小関係に応じて、その出力端323が出力すべき結果を決定してもよい。例えば、電圧差V_diffがこの検出閾値V_thよりも大きい場合には、コンパレータ320の出力端323が1を出力し、電圧差V_diffがこの検出閾値V_thよりも小さい場合には、コンパレータ320の出力端323が0を出力する。これにより、コンパレータ320の出力に基づいて、その入力端321,322における2つの入力電圧の大きさ、及びその差を判定することができる。
一部の実施例では、図3Aおよび図3Bに示す第2の抵抗R2、第2のコンデンサC2およびコンパレータ320は、図1~図3Bと合わせて示すように、集積回路チップ110の内部に配置されている。これらの実施例では、図3Aおよび図3Bに示す回路構成において、第1コンデンサC1以外の電子部品は何れも、集積回路チップ110の内部回路に属している。コンパレータ320の出力端323は、集積回路チップ110の1つのピンを介して外部の部品に接続されていてもよく、集積回路チップ110の内部に設置してもよい。
本明細書の一部では、第1の抵抗R1と第1のコンデンサC1とからなる第1のRC回路が外部RC回路と呼ばれ、第2の抵抗R2と第2のコンデンサC2とからなる第2のRC回路が内部RC回路と呼ばれる。ここで、内部または外部とは、集積回路チップ110の内部または外部にあることを意味する。なお、注意すべきなのは、外部RC回路における第1の抵抗R1が、集積回路チップ110の内部回路に属していてもよい。
一部の実施例では、内部RC回路における第2のコンデンサC2の容量値は、桁違いで外部RC回路における第1のコンデンサC1の容量値よりも小さい。これは、内部RC回路が電力を伝達する必要ではないため、大きな容量値を必要としないからである。さらに、容量値が小さいほど、コンデンサの体積も小さくなり、集積回路チップ110のサイズを小さくすることができるからである。
図3Aおよび図3Bに示す実施例では、コンデンサ、抵抗、ダイオード、コンパレータなどを含む各電子部品は、本分野における慣用的な電子部品を使用することができる。また、これらの電子部品は、集積回路チップに集積されるように適合されている。
図3Aおよび図3Bに示される実施例によれば、第1コンデンサC1が正常に第2電源端220と基準電位端230との間に接続されている場合に、集積回路チップ110の内部に形成される内部RC回路の時定数と外部RC回路の時定数とが同じであるため、内部RC回路と外部RC回路の入力電圧が同じであれば、第2のコンデンサC2における電圧と第1のコンデンサC1における電圧も同じになるはずであり、Vbat2=V0となり、コンパレータ320の2つの入力端321、322の入力電圧が等しくなっている。それによって、電圧差V_diffはゼロとなり、コンパレータ320の出力端323の出力結果にさらに影響を与える。例えば、電圧差V_diffを出力端323から直接に出力するコンパレータ320においても、この出力端323の出力結果もゼロとなる。
第1のコンデンサC1のパラメータがドリフトまたはオープンになると、第1のコンデンサC1における電圧は、第2のコンデンサC2における電圧と等しくならず、対応的に、Vbat2≠V0となると、V_diff≠0となる。検出閾値V_thを設定可能なコンパレータ320にとっては、必要に応じて検出閾値V_thを設定可能であり、電圧差V_diffと検出閾値V_thとを比較することによって、第1のコンデンサC1のドリフトの程度やオープンの程度を判定する。例えば、第1の検出閾値V_th1を設定し、V_diff>V_th1であれば、第1のコンデンサC1がドリフトしていると判断し、V_diffとV_th1との差が大きいほど、ドリフトの度合いが大きくなってしまう。例えば、第2の検出閾値V_th2を設定し、V_diff>V_th2であれば、第1のコンデンサC1がオープンしたと判定する。
このため、コンパレータ320の出力結果から、第1コンデンサC1がオープン又はドリフトが発生しているか、及びドリフトが発生している程度等を判断することができる。
図3Aおよび図3Bに示される実施例1および実施例2の技術効果として、第1のコンデンサC1の電流を直接に測定する必要がないのに対して、集積回路チップ110の内部に形成された内部RC回路により、この内部RC回路と、第1のコンデンサC1を含む外部RC回路とを同一の時定数とし、内部RC回路の第2のコンデンサC2の電圧と外部RC回路の第1のコンデンサC1の電圧とを比較することで、第1のコンデンサC1のドリフトの程度やオープンを判定することができる。
実際には応用する時に、第1の電源端210および第2の電源端220は電源に接続されており、それによって、第1のコンデンサC1に印加される電圧は電源電圧と等しくなり、つまり、集積回路チップ110の内部にある第2のコンデンサC2における電圧も電源電圧と等しくなる。従って、図3Aおよび図3Bに示される実施例1および実施例2では、電源電圧が集積回路内の総集積のコンデンサの最大動作電圧よりも大きい場合、第2のコンデンサC2は、高い定電圧を有する必要がある。その一方、高い定電圧のコンデンサは体積が大きくなり、集積回路チップ110の体積を増大させる可能性がある。この問題に対して、本発明はさらに、図4に示す実施例を提案した。
図4は、本発明の実施例3に係る検出回路の回路模式図である。図4に示す実施例3は、図3Bに示す検出回路の構成に分圧回路および分圧抵抗を追加したものである。ここで、分圧回路は、フィルタされた電源電圧Vbat2の分圧をコンパレータ320に供給するように、コンパレータ320と第2の電源端220との間に結合される。分圧抵抗は、擬似電源電圧V0を第1の電源端210のフィルタリングされていない電源電圧Vbat1の分圧になるように、当該擬似電源端310と基準電位端230との間に結合される。具体的には、図4に示すように、分圧回路は、第3の抵抗R3と第4の抵抗R4を備えている。この中、第3の抵抗R3と第4の抵抗R4とは、互いに直列に接続され、第2の電源端220と基準電位端230との間に共に接続されている。第3の抵抗R3は、一端が第2の電源端220に接続され、他端が第4の抵抗R4の一端およびコンパレータ320の一方の入力端322に接続されている。第4の抵抗R4は、一端が第3の抵抗R3の一端とコンパレータ320の一方の入力端322に接続され、他端が基準電位端230に接続されている。図4に示すように、分圧抵抗は、一端が第2の抵抗R2の一端及び擬似電源端310に接続され、他端が基準電位端230に接続された第5の抵抗R5を含む。さらに、第5の抵抗R5の一端は、擬似電源端310およびコンパレータ320の一方の入力端321を介して接続されている。
図4に示す実施例によれば、コンパレータの2つの入力端321、322に入力される電圧は、分圧回路および分圧抵抗によってそれぞれ分圧されることが理解される。このとき、分圧回路(第3の抵抗R3および第4の抵抗R4)は、第1のコンデンサC1における電圧を分圧することによって、第1のコンデンサC1にける電圧を低下させることができる。分圧抵抗(第5の抵抗R5)は、第2のコンデンサC2にける電圧を分圧し、第2のコンデンサC2にける電圧を低下させることができる。本発明は、分圧回路や分圧抵抗より分圧される程度に制限を設けず、具体的な抵抗値や容量値を設定することによって、所望の分圧結果を制御することができる。
これらの実施例において、第1のRC回路(外部RC回路)は、第1のコンデンサC1、第1の抵抗R1、第3の抵抗R3、および第4の抵抗R4を備え、第2のRC回路(内部RC回路)は、第2のコンデンサC2、第2の抵抗R2および第5の抵抗R5を備える。理論計算の結果に基づいて、第1のRC回路および第2のRC回路における各電子部品の具体値を設定することによって、第2のRC回路の時定数を第1のRC回路の時定数に等しくすることができる。
例えば、ある実施例では、分圧回路および分圧抵抗を追加しない場合、R1=10Ohm、C1=10μF、R2=1MOhm、C2=100pFである。分圧回路と分圧抵抗を追加した後に、R3=1MOhm、R4=1MOhm、R5=1MOhmとし、C2=200pFのように調整した。これにより、第1のRC回路の時定数と第2のRC回路の時定数を等しくすることができ、コンパレータ320の2つの入力端321、322に入力される電圧を半分にすることができる。
図4に示される実施例によれば、第1のコンデンサC1および第2のコンデンサC2が受けるべき電圧を低減させることだけでなく、分圧回路および分圧抵抗は、コンパレータ320の入力端に低入力電圧トランジスタを使用することができるように、回路に第二重のESD保護を提供する。分圧回路や分圧抵抗によるリーク電流を避けるためには、その抵抗値が高く設定されており、例えばMOhm級の抵抗が採用されている。
一部の実施例では、本発明の検出回路は、分圧回路をオープンするための第1のスイッチS1と、分圧抵抗をオープンするための第2のスイッチS2とをさらに備える。第1のスイッチS1は、分圧回路と直列に接続され、第2のスイッチS2は、分圧抵抗と直列に接続されていてもよい。これらの実施例では、本発明の検出回路に接続する必要があるときには、第1のスイッチS1および第2のスイッチS2をそのままオフにし、分圧回路および分圧抵抗を使用する必要がないときには、第1のスイッチS1および第2のスイッチS2をオンにすることにより、この分圧回路および分圧抵抗と他の回路との接続を遮断し、リーク電流の発生を回避することができる。
集積回路内部の抵抗およびコンデンサは、一般に約±30%の誤差または許容公差(Tolerance)を有し、集積回路外部のコンデンサは、約±50%の誤差または許容公差を有する。言い換えると、抵抗およびコンデンサの実際の抵抗値および容量値と、その公称の抵抗値および容量値との間には、一定の誤差が存在する。したがって、内部RC回路の時定数を外部RC回路の時定数と実質的に等しくするためには、その抵抗および/または容量を調整する必要がある。一部の実施例では、内部RC回路に可変コンデンサおよび/または可変抵抗を採用することができるが、可変コンデンサの体積が大きいので、本発明の実施例では、可変抵抗が使用される。
図3A、図3Bおよび図4に示す検出回路の実施例では、第2の抵抗R2は、可変抵抗であってもよい。これらの実施例において、第2の抵抗R2および第2のコンデンサC2が、第1の抵抗R1および第1のコンデンサC1と同じ時定数となるように、第2の抵抗R2を予め調整しておくことができる。具体的には、第1のコンデンサC1における電圧Vc1および第2のコンデンサC2における電圧Vc2が、それぞれある設定電圧に到達するまでに要する時間T1およびT2を測定することができ、第2のコンデンサC2における電圧Vc2が、第1のコンデンサC1における電圧Vc1よりも早く設定電圧に到達する場合、すなわちT2<T1であれば、内部RC回路の時定数が外部RC回路の時定数よりも小さいことを示す。そして、T1とT2との関係に応じて、内部RC回路の時定数と外部RC回路の時定数とが等しくなるように、第2の抵抗R2の大きさを調整することができる。なお、ここでの時定数を調整する方法は一例に過ぎず、内部RC回路の時定数と外部RC回路の時定数とが等しくなるように、他の方法で第2抵抗R2の大きさを調整することも可能である。
一部の実施例では、図4に示される内部RC回路における第5の抵抗R5および/または第2の抵抗R2を可変抵抗としてもよい。
図5は、本発明の実施例4に係る検出回路の回路模式図である。図5に示す実施例は、図4に示す実施例と比較して、内部RC回路に第6の抵抗R6を追加したものである。第6の抵抗R6の一端は、第2の抵抗R2の一端と第5の抵抗R5の一端と同時に接続され、第6の抵抗R6の他端は、第2のコンデンサC2の一端と擬似電源端310とに接続されている。本実施例では、第2の抵抗R2、第5の抵抗R5、第6の抵抗R6および第2のコンデンサC2が共に内部RC回路を構成している。したがって、この内部RC回路の時定数と外部RC回路の時定数とが等しくなるように、それぞれの抵抗値および容量値を設定する必要がある。
一部の実施例では、この第6の抵抗R6は、可変抵抗であってもよい。例えば、R1=10Ohm、C1=10μF、R3=1MOhm、R4=1MOhm、C2=100pFの場合に、R2=700kOhm、R5=700kOhm、R6=0~300kOhmのように設置する。第6の抵抗R6の抵抗値は、0~300kOhmの間で調整する可能である。図5に示す実施例は、第1のコンデンサC1および/または第2のコンデンサC2の実際の容量値と公称値とが等しくない場合にも適用される可能であり、前述の調整方法に従って、第6の抵抗R6の抵抗値を調整することによって、内部RC回路の時定数と外部RC回路の時定数とが実質的に等しくする。
よって、図3Bに示す実施例と類似するように、他の実施例では、図4、5に示す実施例に静電放電保護回路201を追加し、基準電位端230をアナログ基準電位端とデジタル基準電位端とに区別し、且つ、第2コンデンサC2の基準電位端230に接続されている一端をアナログ基準電位端231に接続してもよい。
図3A~図5に示す検出回路の実施例では、コンパレータ320に検出閾値V_thを設定することができ、コンパレータ320は、その2つの入力端321、322に入力される電圧差V_diffと当該検出閾値V_thとを比較することによって、第1コンデンサC1のドリフトの程度またはオープンを判定することができる。この検出閾値V_thは、本分野の当業者が必要に応じて設定することができる。以下では、検出閾値V_thを確定する方法について、自動車の電池管理用集積回路を一例として説明する。
前述の検出回路内のすべての電子部品が含まれる自動車の電池管理用集積回路において、この検出回路は、集積回路に外部接続された第1のコンデンサのドリフトの程度またはオープンを検出することができる。なお、この集積回路は、自動車以外の電池管理を必要とする他の分野にも適用可能であることが言うまでもない。
図6は、本発明の一実施例に係る検出回路における第1のコンデンサがオープンされたときの電池電圧の変化、及び内部RC回路と外部RC回路の電圧電流の変化を示す模式図である。なお、図6に示す電圧電流は、図4に示す実施例に基づく検出回路である。図6に示すように、横軸は時間を表し、単位はmsである。左縦軸は電圧で、単位はmVまたはVである。右縦軸は電流で、単位はnAである。図6は、主に上下2つの部分を含み、上半分は、コンパレータ320の2つの入力端321、322における電圧差V_diffおよび第2のコンデンサC2における電流I_C2の時間変化曲線を示し、下半分は、自動車の電池電圧の経時変化曲線を示している。
自動車用電池は、駆動電流の増加に伴って、自動車用電池に供給される供給電圧が一定の傾きで変化する。この供給電圧をVとすると、この電圧の変化率dV/dtは、駆動電流の増加に伴って一定となる。この変化率dV/dtは、通常の場合は0.4V/msであり、極端な場合は5V/msまでに達する。図4に示すように、通常供給電圧Vは、第1の電源端210を介してこの検出回路に供給され、即ち、Vbat1=Vであるので、対応的に、dVbat1/dt=dV/dtとなる。図6の下半分に示すように、第1の電源端210のフィルタリングされていない電源電圧Vbat1を測定することによって、Vbat1の経時変化曲線が得られる。フィルタリングされていない電源電圧Vbat1は、まず0.4V/msの速度で低下し、0msでの5.4V程度から1.7V程度に低下した後、0.4V/msの速度で上昇し、20ms近くになるとVbat1は元の電圧5.4V程度に上昇する。
図6の上半分と下半分は、同一の横軸を共有している。これにより、フィルタリングされていない電源電圧Vbat1が低下する期間において、コンパレータ320によって得られる電圧差V_diffは、―20mV程度となり、この電圧差V_diffの絶対値は20mVとなる。図6は、第1のコンデンサC1をオープンした状態で測定した結果であるため、第1のコンデンサC1のドリフトの程度やオープンを測定するには、コンパレータ320の検出閾値V_th<20mVとする必要がある。第1コンデンサC1および/または第2コンデンサC2の容量値に30%の誤差がある場合、測定された電圧差V_diffは、実際の電圧差と6mV程度異なる可能性がある。この場合でも、適切な検出閾値V_thを設定することによって、第1コンデンサC1のドリフトの程度やオープンを検出することができる。一部の実施例では、コンパレータ320は、自己ゼロ復帰コンパレータである。
また、図6の上半分には、第2コンデンサC2における電流I_C2の時間変化曲線が示されている。フィルタリングされていない電源電圧Vbat1が11ms程度から0.4V/ms程度の速度で上昇する期間において、電流I_C2はほぼ20nA程度に維持される。
一部の実施例では、この検出閾値V_thは、電池電圧のリップルを分析することによって決定することができる。自動車の電池管理用集積回路では、逆変換電流が高周波のリップル干渉を引き起こすため、このリップル干渉の周波数は、自動車の走行速度に関係している。このリップルの高調波の大部は、1.6kHzから15kHzの間にある。リップルのピークピークは、各セル毎に0.5Vppまでに達することができる。
図7は、本発明の一実施例に係る検出回路における第1のコンデンサC1に70%ドリフトが発生したときの電池電圧のリップルおよび電圧差の変化を示す模式図である。図7には、図4に示す実施例に基づく検出回路も示されている。図7に示すように、横軸は時間を表し、単位はmsである。左縦軸は電圧で、単位はmVまたはVである。図7は、主に上下2つの部分からなり、上半分は、自動車の電池電圧Vbat1の時間変化曲線を示し、下半分は、第1のコンデンサC1の実際の値が公称値の70%であるときの、コンパレータ320の2つの入力端321、322における電圧差V_diffの経時変化曲線を示している。図7の上半分から分かるように、逆変換電流により、電池電圧に顕著なリップルが生じている。
図7に示すように、電圧差V_diffは、最大で20mV程度までに達することができる。そのため、検出閾値V_th=10mVのように設定することができる。このように、電圧差V_diff>V_thが検出された場合、第1のコンデンサC1がドリフトを発生したことを示すことができる。第1のコンデンサC1が完全にオーブンされた際に、図7に示す場合では、電圧差V_diffは、最大160mVまでに達する。
図7に示すように、例えば10mVのような合理的な検出閾値V_thを設定することによって、自動車のインバータにより発生されるリップルを利用して第1コンデンサC1のオープンまたはドリフトの程度を検出することができ、別途の電流発生器が必要としない。一般に、自動車が走行中、制動中、または充電中の場合に、自動車の電池電圧Vbat1には、顕著なリップルが発生する。自動車の停止運転時や低負荷運転時には、自動車の電池電圧Vbat1のリップル振幅が小さく、電圧差V_diffが小さすぎて検出しにくいが、この場合にも、第1コンデンサC1のドリフトやオープンが回路の精密な制御に与える影響は小さいので、無視することができる。
本発明の検出回路は、余分な外部の部品を追加しなくても、集積回路に第1コンデンサC1が外部接続されている時のドリフトの程度やオープンを検出することが可能であり、集積化及び低コストが容易であるという有益な効果を有する。図8Aは、本発明の実施例1に係る集積回路の構成模式図である。図8Aを参照して示されるように、当該集積回路800は、フィルタリングされていない第1の電源端210と、第1の抵抗R1を介して第1の電源端210に結合され、且つ、第1のコンデンサC1を介して基準電位端230に結合されるように適合されている、フィルタされた第2の電源端220と、第1の電源端210と基準電位端230との間に結合され、第1の抵抗R1および第1のコンデンサC1と同じ時定数を有している、直列接続された第2の抵抗R2および第2のコンデンサC2と、第2の抵抗R2と第2のコンデンサC2との間に接続された擬似電源端310と、第2の電源端220のフィルタされた電源電圧Vbat2と擬似電源端310の擬似電源電圧V0との電圧差を検出するように適合され、第2の電源端220と擬似電源端310とを結合するコンパレータ320と、を備えている。
なお、図8Aに示す実施例では、第1のコンデンサC1は、集積回路800に外部接続されている。第1の抵抗R1と第1のコンデンサC1とからなる第1のRC回路が外部RC回路と呼ばれ、第2の抵抗R2と第2のコンデンサC2とからなる第2のRC回路が内部RC回路と呼ばれている。
図3Aと図8Aに示すように、図8Aに示される集積回路800は、図3Aに示される検出回路を備えているので、本明細書における図3Aに示される検出回路に関する説明部分について、図8Aに示される集積回路に適用することが可能である。
図8Bは、本発明の実施例2に係る集積回路の構成模式図である。図8Bに示す実施例では、図8Aに示す実施例と比較して、図2のESDダイオードからなる静電放電保護回路201が追加され、且つ、基準電位端230がアナログ基準電位端231とデジタル基準電位端232とさらに分けられている。ここで、第2のコンデンサC2の一端と第2の抵抗R2の一端とが接続され、第2のコンデンサC2の他端がアナログ基準電位端231に接続されている。
図3Bと図8Bと合わせて示すように、図8Bに示される集積回路810は、図3Bに示される検出回路を備えているので、本明細書における図3Bに示される検出回路に関する説明部分について、図8Bに示される集積回路に適用することが可能である。
図8Cは、本発明の実施例3に係る集積回路の構成模式図である。図8Cに示すように、本実施例の集積回路820は、図8Aに示す実施例に分圧回路および分圧抵抗を追加したものである。分圧回路は、フィルタされた電源電圧Vbat2の分圧をコンパレータ320に供給するように、コンパレータ320と第2の電源端220との間に結合される。なお、分圧抵抗は、擬似電源電圧V0が第1の電源端210のフィルタリングされていない電源電圧Vbat1の分圧となるように、擬似電源端310と基準電位端230との間に結合されている。図4と図8Cと合わせて示すように、図8Cに示される集積回路820は、図4に示される検出回路を備えているので、本明細書における図4に示される検出回路に関する説明部分について、図8Cに示される集積回路に適用することが可能である。
一部の実施例では、図8A~8Cにおける第2の抵抗R2は、可変抵抗である。これらの実施例では、第2の抵抗R2および第2のコンデンサC2が、第1の抵抗R1および第1のコンデンサC1と同じ時定数となるように、第2の抵抗R2が予め調整されている。
一部の実施例では、第2のコンデンサC2の容量値は、桁違いで第1のコンデンサC1の容量値よりも小さい。
図8Cに示す実施例では、分圧回路をオープンするための第1のスイッチS1と、分圧抵抗をオープンするための第2のスイッチS2とをさらに備えている。
図8Dは、本発明の実施例4に係る集積回路の構成模式図である。図8Dに示す実施例は、図8Cに示す実施例と比較して、内部RC回路に第6の抵抗R6を追加したものである。図5および8Dと合わせて示すように、図8Dに示される集積回路830は、図5に示される検出回路を備えているので、本明細書における図5に示される検出回路に関する説明部分について、図8Dに示される集積回路に適用することが可能である。
よって、図8A~図8Dに示される集積回路の実施例は、図3A~図5に示される検出回路の実施例に対応する羅列である。他の実施例では、図8Cおよび8Dに静電放電保護回路201を追加し、基準電位端230をアナログ基準電位端とデジタル基準電位端とに分け、第2のコンデンサC2の、基準電位端230に接続された一端をアナログ基準電位端231に接続してもよい。
一部の実施例では、図8A~8Dに示される集積回路は、電池コントローラである。
図8A~8Dに示す集積回路によれば、外部接続コンデンサである第1のコンデンサC1のドリフトの程度またはオープンを検出することができる。ここで、コンパレータ320に検出閾値V_thをどのように設定するか、及び得られた電圧差V_diffを利用して第1コンデンサC1の状態をどのように判断するかについては、明細書の前文における検出回路の説明及び対応する図面を参照することができる。
なお、本発明の検出回路及び集積回路は、機能的な安全性の確保が要求されるあらゆる回路に使用することができ、集積回路の外部接続コンデンサのドリフトの程度又はオープンを検出することができ、本発明の具体的な実施形態における自動車用電池管理集積回路に限定されるものではないことを理解されたい。
本発明は、現在の特定の実施形態を参照して説明したが、当技術分野における通常の当業者にとって、上記の実施形態は、単に本発明を説明するために使用されているだけであり、本発明の精神から逸脱することなく、様々な同等の変更または代替を行うことができ、したがって、本発明の本質的精神の範囲内である限り、上記の実施形態の変更、変形は、すべて本願の特許請求の範囲内に含まれている。
同時に、本願は、本願の実施例を説明するために特定の用語を使用している。例えば、「一つの実施例」、「一実施例」、および/または「一部の実施例」は、本明細書の少なくとも1つの実施例に関連する、ある特徴、構造、または特徴を意味する。従って、本明細書において異なる位置で2回以上言及されている「一実施例」、「1つの実施例」、または「代替的な一実施例」は、必ずしも同一の実施例を意味するものではないことに留意されるべきである。さらに、本明細書の1つまたは複数の実施例におけるいくつかの特徴、構造、または特徴は、適切に組み合わされることができる。

Claims (15)

  1. フィルタリングされていない第1の電源端から第1の抵抗を介して電源電圧を取得するように適合され、且つ、前記電源電圧をフィルタリングするために第1のコンデンサを介して基準電位端に結合されるように適合されている、フィルタリングされた第2の電源端における前記第1のコンデンサのパラメータのドリフトまたは前記第1のコンデンサのオープンを検出するための検出回路であって、
    前記第1の電源端と前記基準電位端との間に結合され、前記第1の抵抗および前記第1のコンデンサと同じ時定数を有している、直列接続された第2の抵抗および第2のコンデンサと、
    前記第2の抵抗と前記第2のコンデンサとの間に接続された擬似電源端と、
    前記第2の電源端のフィルタされた電源電圧と前記擬似電源端の擬似電源電圧との前記第1のコンデンサの前記パラメータのドリフトの程度または前記第1のコンデンサのオープンを示す電圧差を検出するように適合され、前記第2の電源端と前記擬似電源端とを結合するコンパレータと、を備えている
    ことを特徴とする検出回路。
  2. 前記フィルタされた電源電圧の分圧を前記コンパレータに供給するように、前記コンパレータと前記第2の電源端との間に結合された分圧回路と、
    前記擬似電源電圧が前記第1の電源端のフィルタリングされていない電源電圧の分圧となるように、前記擬似電源端と前記基準電位端との間に結合された分圧抵抗と、を備えている
    ことを特徴とする請求項1に記載の検出回路。
  3. 前記第2の抵抗は、可変抵抗である
    ことを特徴とする請求項1または2に記載の検出回路。
  4. 前記第2の抵抗及び前記第2のコンデンサが、前記第1の抵抗及び前記第1のコンデンサと同じ時定数を有するように、前記第2の抵抗が予め調整されている
    ことを特徴とする請求項3に記載の検出回路。
  5. 前記第2のコンデンサの容量値は、桁違いで前記第1のコンデンサの容量値よりも小さい
    ことを特徴とする請求項1に記載の検出回路。
  6. 前記検出回路は、集積回路に組み込まれ、且つ、前記第1の電源端、前記第2の電源端および前記基準電位端は、前記集積回路の端である
    ことを特徴とする請求項1に記載の検出回路。
  7. 前記分圧回路をオープンするための第1のスイッチと、前記分圧抵抗をオープンするための第2のスイッチと、をさらに備えている
    ことを特徴とする請求項2に記載の検出回路。
  8. フィルタリングされていない第1の電源端と、
    第1の抵抗を介して第1の電源端に結合され、且つ、第1のコンデンサを介して基準電位端に結合されるように適合されている、フィルタされた第2の電源端と、
    前記第1の電源端と前記基準電位端との間に結合され、前記第1の抵抗および前記第1のコンデンサと同じ時定数を有している、直列接続された第2の抵抗および第2のコンデンサと、
    前記第2の抵抗と前記第2のコンデンサとの間に接続された擬似電源端と、
    前記第2の電源端のフィルタされた電源電圧と前記擬似電源端の擬似電源電圧との電圧差を検出するように適合され、前記第2の電源端と前記擬似電源端とを結合するコンパレータと、を備えている
    ことを特徴とする集積回路。
  9. 前記フィルタされた電源電圧の分圧を前記コンパレータに供給するように、前記コンパレータと前記第2の電源端との間に結合された分圧回路と、
    前記擬似電源電圧が前記第1の電源端のフィルタリングされていない電源電圧の分圧となるように、前記擬似電源端と前記基準電位端との間に結合された分圧抵抗と、を備えている
    ことを特徴とする請求項8に記載の集積回路。
  10. 前記第2の抵抗は、可変抵抗である
    ことを特徴とする請求項8または9に記載の集積回路。
  11. 前記第2の抵抗及び前記第2のコンデンサが、前記第1の抵抗及び前記第1のコンデンサと同じ時定数を有するように、前記第2の抵抗が予め調整されている
    ことを特徴とする請求項10に記載の集積回路。
  12. 前記第2のコンデンサの容量値は、桁違いで前記第1のコンデンサの容量値よりも小さい
    ことを特徴とする請求項8に記載の集積回路。
  13. 前記分圧回路をオープンするための第1のスイッチと、前記分圧抵抗をオープンするための第2のスイッチとをさらに備えている
    ことを特徴とする請求項9に記載の集積回路。
  14. 前記集積回路は、自動車用の集積回路チップである
    ことを特徴とする請求項8に記載の集積回路。
  15. 前記集積回路は、電池コントローラである
    ことを特徴とする請求項8に記載の集積回路。
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