用于监测电路的装置和方法与流程

本发明涉及用于监测电路(例如，包括功率mosfet的电路)的装置和方法。

背景技术：

通常，电路在输入和输出之间执行变换功能。如果电路特性改变(例如，由于组件老化或故障)，则该变换功能将发生变化。在这样的电路内，晶体管被广泛用于在整个电路的输入和输出之间的路径中的某个位置处实现局部功能。该局部功能对于整个电路操作可能至关重要。

使用脉宽调制来控制晶体管也被广泛使用。它使得能够将数字信号施加到晶体管来实现模拟控制功能(例如，因为数字信号的高切换速度已被有效滤除)。

功率晶体管(例如，功率mosfet)例如是诸如在led驱动器中使用的开关模式电源中的关键组件。功率晶体管在恶劣的工作条件下以高频率和高功率进行操作。还需要非常强的组件可靠性。考虑到可能由晶体管故障引起的灾难性结果，众所周知，在电路操作期间监测晶体管的健康状态。

不幸的是，没有有效的方法来执行对晶体管的健康状态的实时评估。已知的方法例如基于测量温度和电压条件，但是该方法不够可靠。温度和电压不是晶体管性能的唯一指标，但它们是晶体管性能特性和许多其他因素的结果。因此，基于温度和电压可靠地指示晶体管的健康状态并不直接。

为了确保晶体管在安全区内操作，设计工程师必须使用高额定值的组件来提供较大的设计裕度，并在可靠性测试中验证其性能。这在金钱和时间上都是昂贵的。该问题通常适用于电路设计，而不特定于晶体管电路。

因此，需要可以实时用于评估电路(例如，具有晶体管的电路)的性能的监测电路和方法，其中电路可能遭受组件特性的改变。例如，监测意味着可以在灾难性故障之前提供警告。

技术实现要素：

本发明由权利要求书限定。

本发明的一个概念是：具体通过对两个电路位置处的信号进行比较，来监测电路内的信号定时的变化，其中这两个电路位置之间的电路功能可以具有可变的延迟。这些定时变化由电路特性的变化引起。

根据本发明的一个方面的示例，提供了用于监测电路的装置，该装置包括：

第一输入，被适配为从电路接收第一信号；

第二输入，被适配为从电路接收第二信号，第二信号源自电路中的、与第一信号的位置不同的位置；

控制器，被适配为确定在第一输入和第二输入处的信号转变之间的相对定时变化，从而标识电路特性的变化；

其中控制器被适配为：

在第一输入和第二输入处对信号多次采样，以生成第一采样信号和第二采样信号；

对第一采样信号和第二采样信号进行比较；以及

基于比较结果来确定电路特性的变化。

该监测电路用于确定由在两个电路位置之间存在的延迟引起的定时差(特别是那些定时差的变化)。该延迟的变化可以用于标识电路特性的变化。这可以例如使得能够在电路击穿或其他故障之前提供警告。特性的变化通过对来自第一输入和第二输入的采样信号进行比较来确定。比较结果取决于由电路引起的时间延迟(第一输入和第二输入处的信号之间)，但是该时间延迟不需要由计时器测量。

控制器可以被适配为：

对成对的第一采样信号和第二采样信号的特定值在时间窗内的出现进行计数；以及

基于计数来标识电路特性的变化。

该方法涉及对特定值对的出现进行计数。例如，对于二进制信号，由于两个信号之间的转变之间存在延迟，因此当第一输入处的信号与第二输入处的信号不同步时，两个值将不同。该延迟是被监测的电路的特征(例如，理想的晶体管栅极信号和到达栅极并因此传播到晶体管输出的实际栅极信号之间的延迟)。如果针对给定时间窗的计数改变，则意味着延迟已改变。通过对特定值对的出现进行简单地计数，不需要准确的计时器。

被采样的信号值可以包括二进制值，并且被计数的特定值包括：

01和/或10；或者

00和/或11。

如果第一输入和第二输入上的信号通常相同，并且任何差都指示延迟，则监测01和/或10值。如果第一输入和第二输入上的信号通常是彼此反相的形式，并且它们均相同的任何情况指示延迟，则监测00和/或11值。

假定该对的第一值用于第一输入，该对的第二值用于第二输入。

对于两个输入处的信号相同的情况，01信号指示第二输入处的信号从1下降到0的延迟，而10信号指示第二输入处的信号从0上升到1的延迟。

对于两个输入处的信号反相的情况，00信号指示第二输入处的信号从0上升到1的延迟，而11信号指示第二输入处的信号从1下降为0的延迟。

通过使用采样方法，不需要测量实际延迟，而是基于统计方法进行分析，计数值通过该统计方法表示实际延迟。

因此，分析的结果不是基于时间的，而是相对于两个信号转变之间的时间。

控制器可以被适配为：

得出特定值的概率；以及

基于概率来标识电路特性的变化。

计数值可以因此用于表示概率(进而等价于存在不期望的信号对期间的时间分数，又等价于时间延迟)。

时间窗可以包括至少1000个样本(例如，至少5000个样本)和/或时间窗可以包括第一输入和第二输入处的信号的至少100个周期。

针对大量信号脉冲的大量样本的统计方法使得能够标识电路性能的微小变化，电路性能的微小变化对应于电路特性的微小变化。

控制器可被适配为在随机或伪随机时刻执行采样。

通过使用随机采样，确保了采样时刻的定时与第一输入和第二输入上的信号定时不同步。

装置可以进一步包括在第一输入和第二输入中的一个或两个输入与控制器之间的分压器。这用于使得两个信号能够以二进制方式进行比较，即生成适合用于比较器的输入。

装置例如用于监测包括诸如晶体管的开关模式半导体器件的电路，其中晶体管的栅极由脉宽调制电路借助栅极驱动器电路来驱动，其中：

第一输入被适配为接收脉宽调制电路的输出；并且

第二输入被适配为在晶体管的端子处接收信号。

该监测电路用于确定由栅极驱动器以及可选地由晶体管本身引起的延迟产生的定时差(特别是那些定时差的变化)。脉宽调制电路递送理想的栅极电压，但是在经过栅极驱动器并可选地还经过晶体管之后，不完美的栅极电压到达晶体管栅极，或者不完美的输出信号到达晶体管输出。这种不完美是栅极驱动器本身以及晶体管特性共同作用的结果。因此，相对定时的变化可以用于标识晶体管特性的变化。这可以例如使得能够在晶体管击穿或其他故障之前提供警告。

在一个示例中，第二输入被适配为在晶体管的栅极处接收栅极驱动器电路的输出。该示例仅使得能够在晶体管的输入侧进行监测，因此易于实现。

在另一示例中，晶体管具有输入和输出，其中输入和输出之间的耦合由栅极控制，并且其中第二输入被适配为在晶体管的输出处接收信号。这提供了在晶体管的输出(例如，mosfet的源极)处的监测。

在两种情况下，本发明都不需要准确确定实际延迟值，因此不需要准确的定时测量。

本发明还提供了晶体管电路，该晶体管电路包括：

具有栅极的晶体管；

脉宽调制电路，其用于通过栅极驱动器电路来向晶体管的栅极提供驱动信号；以及

如上所限定的用于监测晶体管的监测装置，其中第一输入被耦合到脉宽调制电路的输出，并且第二输入被耦合到晶体管的端子。

该晶体管电路包括用于监测晶体管的健康的监测电路。晶体管例如是诸如功率mosfet的功率晶体管(例如，其意味着额定功率大于10瓦)。

本发明还提供了开关模式电源，该开关模式电源包括：

能量存储单元；以及

如上所限定的晶体管电路，其用于控制从电源输入到能量存储单元以及从能量存储单元到输出负载的能量传送。

开关模式电源可以是任何类型的转换器(例如，降压转换器、升压转换器或降压-升压转换器)。能量存储单元可以是电感器或电容器。开关模式电源广泛用于大功率电子电路中。

本发明还提供了led照明驱动器，该led照明驱动器包括：

如上限定的开关模式电源；以及

控制器，用于控制晶体管电路的脉宽调制电路。

本发明还提供了照明电路，包括：

如上所限定的led照明驱动器；以及

由led照明驱动器驱动的led布置。

本发明因此使得能够在例如led照明驱动器中使用的开关模式电源中进行实时晶体管监测。

本发明还提供了用于监测电路的方法，该方法包括：

从电路接收第一信号；

从电路接收第二信号，第二信号源自电路中的、与第一信号的位置不同的位置；以及

确定第一信号和第二信号的转变之间的相对定时变化，从而标识电路特性的变化，

其中确定变化包括：

对第一信号和第二信号进行多次采样，以生成第一采样信号和第二采样信号；

对第一采样信号和第二采样信号进行比较；以及

基于比较结果来确定电路特性的变化。

该监测方法确定由电路引起的延迟导致的定时差。该延迟与电路特性的变化相关。

方法可以包括：

对成对的第一采样信号和第二采样信号的特定值在时间窗内的出现进行计数；以及

基于计数来确定电路特性的变化。

方法可以包括：

得出特定值的概率；以及

基于概率来标识电路特性的变化。

时间窗例如包括至少1000个样本(例如，至少5000个样本)和/或第一信号和第二信号的至少100个周期。

采样例如在随机或伪随机时刻来执行。

本发明可以至少部分地以软件实现。

参考下文描述的(多个)实施例，本发明的这些方面和其他方面将变得显而易见。

附图说明

现在将参考附图来详细描述本发明的示例，其中：

图1示出了led驱动器；

图2更详细地示出了图1的驱动器电路；

图3示出了表示晶体管和栅极驱动器的各种寄生电阻和电容的等效电路；

图4示出了电路的操作；以及

图5示出了用于监测晶体管的方法。

具体实施方式

将参考附图来描述本发明。

应当理解，详细说明和特定示例虽然指示了装置、系统和方法的示例性实施例，但是仅旨在用于例示的目的，而并不旨在限制本发明的范围。从以下描述、所附权利要求书和附图中，将更好地理解本发明的装置、系统和方法的这些和其他特征、方面和优点。应当理解，附图仅是示意性的，并且没有按比例绘制。还应当理解，贯穿附图使用相同的附图标记来指示相同或相似的部分。

本发明提供了用于监测电路的装置，其中在两个电路位置处的信号转变之间的相对定时变化被标识，从而标识电路特性的变化。对两个电路位置处的信号进行多次采样，以生成第一采样信号和第二采样信号，并且将第一采样信号和第二采样信号进行比较来标识电路特性的变化。装置可以例如用于监测具有由脉宽调制电路驱动的栅极的晶体管。在脉宽调制电路输出端和晶体管端子处的转变之间的相对定时变化用于标识晶体管特性的变化。这避免了对准确定时测量的需求，原因是它基于对状态值的多次瞬时测量。在测量之间不需要准确的定时，并且实际上，实际定时可以是随机的。

本发明总体上涉及对电路的监测，特别是其中电路具有传递函数，输入信号(例如，二进制信号)通过传递函数以延迟或脉冲边沿成形的方式被路由到输出，延迟或脉冲边沿成形与电路特性相关。路由到输出的信号可以是输入处的信号的反相版本，也可以是非反相版本。延迟或边沿成形根据电路特性的老化或其他变化而变化，使得监测该延迟的变化可以用作电路劣化、损坏、老化或寿命终止的指示器。

下面结合一个优选的应用来描述本发明，在优选应用中，电路用于监测晶体管电路，特别地其中晶体管具有脉宽调制信号形式的栅极驱动信号。此外，将参考本发明的一个优选应用在led驱动器内描述本发明。

图1示出了led驱动器，led驱动器包括市电输入10，市电输入10借助熔丝14为二极管桥式整流器12供电。金属氧化物压敏电阻15用于抑制(吸收)ac或dc输入处的任何浪涌电流。

整流器的输出被存储在平滑电容器16两端，并且被提供给功率晶体管18的一个主端子(源极或漏极)。在该示例中，另一主端子连接至电感器20形式的能量存储器件以及反激式二极管22。输出电容器24被设置为与输出负载26并联，输出负载26在该示例中是led布置。

晶体管18具有在整流器的输出处的输入(例如，漏极)以及、被耦合至能量存储器件的输出(例如，源极)，其中漏极和源极之间的耦合(即，晶体管的导通状态)由栅极控制。

晶体管18、电感器20、二极管22和输出电容器24用作降压转换器。晶体管以占空比操作，以改变电路的充电和放电相位，从而改变转换率。

还存在使用利用脉宽调制信号进行控制的主切换晶体管的其他可能的开关模式功率转换器(例如，升压转换器或降压升压转换器)。

晶体管18的栅极被提供有由栅极驱动器电路28生成的信号。栅极驱动器电路的输入由脉宽调制电路(振荡器)30提供。脉宽调制信号的占空比通过反馈、例如基于负载处的输出电压来控制。这提供了经调节的输出电压。同样，可以调节输出电流。图1示出了用于将输出信号与参考值34进行比较的通用反馈比较器32。比较器32用作用于控制脉宽调制电路的控制器。它可能比所示的简单比较器更为复杂，并且例如包括控制集成电路。

在上述范围内，电路是常规的。

本发明由控制器36来实现。控制器36具有第一输入40和第二输入42，第一输入40接收脉宽调制电路30的输出，并且第二输入42接收晶体管的端子处的信号。这样，可以检测晶体管特性对先前理想的脉宽调制信号的影响。

图1示出了两个可能的实现。第一实现基于控制器接收栅极驱动器电路28的输出(即，晶体管18的栅极处的信号)。这如实线42所示。另一备选方法是使用晶体管的输出(例如，源极(但是其同样可以是漏极，取决于晶体管的类型和连接))处的信号。该替代方案被示出为虚线42’。

控制器确定在第一输入40和第二输入42处的信号转变之间的相对定时变化，从而标识晶体管18的特性的变化。

控制器36可以是led驱动器的现有控制器，在这种情况下，本发明可以仅实现为驱动器软件的变化。备选地，可以提供专用控制器。

图2更详细地示出了驱动器电路28。它用于将pwm信号从pwm电路30传送到晶体管18，以实现更好的导通/关断控制。本质上，它包括具有用于阈值设置的齐纳二极管u1和u2的电平移位电阻器分压器电路(电阻器r1、r2)和下拉电阻器-二极管布置r3、d1。

晶体管18具有杂散电容，根据晶体管设计，杂散电容的范围通常从数百皮法拉到数十纳米法拉。各种寄生电阻和电容可以由图3的等效电路表示，在图3的等效电路中，存在串联栅极电阻r和并联栅极电容cg。

串联栅极电阻r是表示驱动器电路28的电阻rd和晶体管的实际栅极电阻rg的组合。电容cg是晶体管的总输入电容。rg和cg是晶体管的基本参数，并且晶体管特性的任何变化都会影响这两个参数。

通过观察rg和cg的变化，可以确定晶体管的状态变化。然而，以高精度实时测量这些参数是具有挑战性的。

本发明基于这样的认识：当脉冲信号通过rc网络时，图3的rc网络将影响信号相位，并且信号相位的这些变化可以用作晶体管特性变化的指示器。该相位滞后由rc值精确确定。因此，rc值的变化将对正在处理的信号产生不同的相位影响。因此，在晶体管的状态和信号相移之间存在关系。

pwm电路使用专用集成电路来生成pwm信号，并且其具有理想的方波，该理想的方波具有尖锐的上升沿和下降沿。当该pwm信号通过rc网络等效电路时，信号的上升沿和下降沿会略有变化。通过比较rc网络之前和之后的信号，当电阻rd固定时，可以观察到晶体管中栅极电阻和栅极电容rg和cg的变化。

控制器36在随机时间以二进制方式读取两个输入(其一起形成i/o端口的一部分)处的信号，以检测所示的两个引脚的状态。每个输入因此具有状态“1”或“0”。控制器的读取操作是随机的，使得它与周期pwm信号不同步。因为读取操作可以发生在pwm信号的任何相位处，所以通过这种方式，可以得出引脚状态的所有可能组合。

图4示出了电路的操作，并且特别地基于将晶体管栅极用于第二输入。

顶部曲线图50以箭头集示出了控制器36读取两个输入上的信号的定时时刻。控制器可以简单地基于与信号进行比较的阈值电平来做出二进制决策。阈值电平可以介于电压轨之间，但这不是必需的。因为只关注相对定时的变化，所以只要每次使用相同的指标来区分1和0，阈值就无关紧要。

第二曲线图示出了从脉宽调制器电路30接收的到控制器的输入vpwm。

第三曲线图示出了当晶体管具有第一特性集时，从晶体管栅极接收的到控制器的输入vgl。

第四曲线图示出了当晶体管具有第二特性集时，从晶体管栅极接收的到控制器的输入vg2。

信号vpwm是具有尖锐边沿的理想脉冲信号。在该方法中，它用作参考信号。

由于第三和第四曲线之间的晶体管衰减，栅极电容cg例如从cg1增加到cg2。如图所示，上升沿和下降沿改变。

控制器36读取四个可能的信号对，即10、11、00和01。相位滞后引起一些读取信号改变。特别地，信号“10”和“01”与由rc等效电路引起的上升时间延迟密切相关。

对于所示的五个定时时刻，读数为：

vgl：1011001101

vg2：1011011101

因此，可以看出延迟导致了01值的一个附加出现。

如果控制器运行给定时段，则可以得出“10”或“01”的概率。例如，控制器可以读取两个引脚状态10,000次。值“10”可能出现50次。在随后的分析中，“10”值的数量可以变为60。这表示晶体管的rg和cg值的变化。rg和/或cg的值越大，切换损耗越大，因此可能会有对于晶体管来说可能是灾难性的更高的热风险。

以这种方式，可以实时监测晶体管的性能并且可以提供警报。附加地，由于不需要复杂的硬件，因此该解决方案是低成本和高可靠性的。

方法可以基于对01值或10值或两者进行计数。当理想的栅极信号与到达栅极的实际栅极信号不同步时，就会出现这些情况。如果计数(在给定的时间窗内)发生变化，则表示延迟已改变。通过对字值的出现进行简单地计数，不需要准确的计时器。

01信号例如指示实际栅极信号从1下降到0的延迟，而10信号指示实际栅极信号从0上升到1的延迟。不需要测量实际延迟，而是基于统计方法进行分析，通过统计方法，计数值表示实际延迟。

例如，对于50khzpwm信号，可以在5秒的窗口中随机获取5000个样本。更一般地，时间窗例如包括至少1000个样本，并且可以包括至少100个脉宽调制信号周期。

如上所述，图4的示例波形基于图1的连接42，但是可以使用连接42’将相同的方法应用于晶体管源。在后一情况下，晶体管的输出电压通常远高于栅极电压，使得可以在控制器36中使用分压器，从而可以再次对信号进行比较。可以存在与控制器的一个或两个输入相关联的分压器。

上面的示例基于其中第二输入(即，本地电路输出)处的信号应跟随第一输入(即，本地电路输入)处的信号的电路。因此，被监测的本地电路部分(即，晶体管)具有直通传递特性。如果被监测的本地电路部分具有反相传递特性，则它们可以彼此反相。在这种情况下，可以监测00和/或11值。00信号指示第二输入处的信号从0上升到1的延迟，而11信号指示第二输入处的信号从1下降到0的延迟。

因此，更一般地，监测特定的采样值对或者实际上监测特定的采样值对集合(例如，01、10、01和10、00、11或00和11)。待监测的值与应用和电路功能相关。

图5示出了用于监测电路的方法，包括：

(60)从电路接收第一信号；

(62)从电路接收第二信号，第二信号源自电路中与第一信号的位置不同的位置；以及

(64)确定第一信号和第二信号的转变之间的相对定时的变化，从而标识电路特性的变化。

确定变化包括：

(65)对第一信号和第二信号进行多次采样，以生成第一采样信号和第二采样信号；

(66)对第一采样信号和第二采样信号进行比较；以及

(67)基于比较结果来标识电路特性的变化。

电路例如是其中使用脉宽调制电路借助栅极驱动器电路来驱动晶体管的栅极的晶体管电路。然后从脉宽调制电路的输出接收第一信号，并从晶体管的端子(例如，晶体管的栅极处的栅极驱动器电路的输出，或者晶体管的输出端子)接收第二信号。

如上所述，实施例利用控制器。可以利用软件和/或硬件，以多种方式来实现控制器，以执行所需的各种功能。处理器是采用一个或多个微处理器的控制器的一个示例，一个或多个微处理器可以使用软件(例如，微代码)进行编程来执行所需的功能。然而，控制器可以在采用或不采用处理器的情况下实现，并且还可以实现为执行一些功能的专用硬件与执行其他功能的处理器(例如，一个或多个编程的微处理器和相关电路)的组合。

可以在本公开的各种实施例中采用的控制器组件的示例包括但不限于常规微处理器、专用集成电路(asic)和现场可编程门阵列(fpga)。

在各种实现中，处理器或控制器可以与一个或多个存储介质(例如，诸如ram、prom、eprom和eeprom的易失性和非易失性计算机存储器)相关联。可以利用一个或多个程序对存储介质进行编码，一个或多个程序在一个或多个处理器和/或控制器上执行时，执行所需的功能。各种存储介质可以固定在处理器或控制器内，或者可以是可移动的，使得可以将存储在其上的一个或多个程序加载到处理器或控制器中。

本发明可以应用于监测其中待监测传递函数变化的任何电路。被监测的第一输入和第二输入可以连接到通常期望信号之间具有固定关系(例如，固定延迟或具有固定延迟的反相)的任何电路节点对。第一输入和第二输入可以例如在具有较大整体电路的单个关键组件(例如，上述示例中的晶体管)的输入和输出处，或者可以在多个组件的布置的输入和输出处。

本发明尤其对于使用其栅极信号的占空比控制来操作的晶体管感兴趣。限定占空比的pwm信号例如具有在khz范围(例如，1khz至1mhz)内的切换频率。晶体管可以形成任何电路的一部分(最典型的是在输出处实现的低通滤波器)，以将高频纹波平滑，使得使用数字pwm控制来实现基本的模拟输出功能。开关模式电源或开关模式功率转换器就是这种情况，但是在其他电路中也使用了这样的功能。

本发明尤其对于例如操作功率大于10w的功率晶体管感兴趣。在这样的器件中随之发生的加热增加了热击穿或电击的风险，这可以通过上述监测来防止。

通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和实现所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元素或步骤，并且不定冠词“一(a)”或“一个(an)”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的事实不表示这些措施的组合不能被用于有利。权利要求中的任何附图标记都不应被解释为限制范围。