电容器测试方法及其电路的制作方法

专利名称：电容器测试方法及其电路的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及电子器件，且更具体地涉及半导体、其结构以及形成半导体器件 的方法。
背景技术：
在过去，半导体工业使用各种方法和结构来形成可用于向负载提供已调节电压的 电压调节器电路。在使用调节器向负载供电的应用中，滤波电容器一般连接到电压调节器 的输出，以便从电压滤除噪声并向负载提供所存储的能量或在调节器控制回路中形成主极 点。在一些情况中，电容器的等效串联电阻增加或电容器值减小，这导致输出电压中的噪声 量增加或也可导致控制回路的不稳定性。在其他情况中，电容器和电压调节器的输出之间 的连接可能变得受到损坏，使得电容器不再被连接，从而也导致输出电压上的噪声量的增 加或控制回路不稳定性，因为电容器的滤波作用不再有效。图1示意性示出了用于检测缺少的电容器的现有技术电路。图1的电路使用峰值 检测器来检测输出电压的交流部分何时增加到特定的值之上。调节器包括由电阻器R1-R3 示出的反馈电路。在周期性的时间间隔处，周期性脉冲被施加到晶体管Tl以周期性地启动 晶体管Tl并使电阻器R3的值短路，从而周期性地改变电阻分压器和反馈电压的值。在周 期性脉冲被施加到晶体管Tl的时间间隔过程中，峰值检测器将对输出电压的交流部分的 增加的值检查输出电压。如果检测到增加，就假定电容器是缺少的。但是，周期性地改变电 阻分压器的值还导致输出电压的不希望有的改变和过冲。另一个问题是，EMI也可引起输 出电压上的交流信号，且图1的电路不能检测到EMI干扰和缺少的电容器之间的差别。因此，希望有检测缺少的电容器并确定外部耦合的EMI干扰和缺少的电容器之间 的差别的方法和电路。

发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种具有部件测试电路的电压调节器，包括所述 电压调节器，其设置为接收输入电压并形成输出电流以给输出电容器充电，以便在所述电 压调节器上的输出上形成输出电压，所述电压调节器具有正常操作模式和开放回路操作模 式；误差放大器，其被耦合以接收代表所述输出电压的反馈电压并在所述误差放大器的输 出上形成误差信号，所述电压调节器设置为在所述正常操作模式期间响应于所述反馈电压 而调节所述输出电压；电流控制电路，其设置为在所述正常操作模式期间从所述误差放大 器接收所述误差信号并存储所述误差信号的值，所述电流控制电路设置为在所述开放回路 操作模式期间形成代表所述误差信号的所存储的值的输出信号；输出电路，其设置为在所 述开放回路操作模式期间从所述电流控制电路接收所述输出信号，并形成代表所述输出信 号的所述输出电流；第一电路，其设置为接收所述输出电压并检测所述输出电压的直流值 上的交流信号，所述第一电路设置为形成指示所述交流信号的检测的第一控制信号；以及 逻辑电路，其被耦合以接收所述第一控制信号并使用所述第一控制信号使第二控制信号有效并将所述电压调节器的所述操作模式设定为所述开放回路操作模式，所述逻辑电路设置 为使用所述第一控制信号来检测部件故障并在检测到所述部件故障之后响应性地使第三 控制信号有效。根据本发明的另一个方面，提供一种形成具有部件测试电路的电压调节器的方 法，包括设置所述电压调节器以接收输入电压并形成输出电流以为电容器充电，以便在所 述电压调节器的输出上调节输出电压，所述电压调节器具有正常操作模式和开放回路操作 模式；设置所述电压调节器以接收代表所述输出电压的反馈信号，并在所述正常操作模式 期间响应于所述反馈信号而调节所述输出电压；设置第一电路以检测所述输出电压的交流 信号；设置第二电路以响应于所述第一电路在第一时间间隔内检测到所述输出电压上的所 述交流信号来将所述电压调节器设定为以所述开放回路操作模式操作；以及设置所述第二 电路以响应于所述第一电路响应于所述电压调节器以所述开放回路操作模式操作而未检 测到所述输出电压上的交流信号来检测部件故障，并响应于所述第一电路在以所述开放回 路操作模式操作时检测到所述输出电压上的交流信号的存在来检测所述部件故障的不存 在。根据本发明的又一个方面，提供一种形成测试电路的方法，包括设置控制电路来 以模拟模式操作 以接收输入电压并形成输出电流以为输出电容器充电，以便在所述控制电 路的输出上形成输出信号，所述控制电路具有正常操作模式和开放回路操作模式；设置所 述控制电路以接收代表所述输出信号的反馈信号，并在所述正常操作模式期间响应于所述 反馈信号而调节所述输出信号；设置所述控制电路以检测所述输出信号上的交流信号并响 应性地将所述控制电路设置为以开放回路操作模式操作；以及设置所述控制电路以通过判 定在以所述开放回路操作模式操作时所述交流信号是否不连续来判定部件故障。


图1是示出了现有技术电压调节器的一部分的示意图；图2示意性示出了依照本发明的包括电压调节器的一个例子的实施方式的一部 分的电压调节系统的例子；图3是具有示出了依照本发明的在图2的调节器的操作期间形成的一些信号的一 些部分的曲线的图；图4是示出了依照本发明的由图2的电压调节器执行的一些操作的简化的流程 图；图5示意性示出了依照本发明的闭合回路控制电路的例子的块图；图6是示出了依照本发明的由图2和图5的电路执行的一些操作的简化的流程图 的例子；以及图7示出了依照本发明的包括图2的电压调节器的半导体器件的放大的平面图。为了说明的简单和清晰，图中的元件不一定按比例绘制，且不同图中的相同的参 考标号指示相同的元件。另外，为了描述的简单，公知的步骤和元件的描述和细节被省略。 如本文所使用的，载流电极意指器件中承载通过该器件的电流的元件，例如MOS晶体管的 源极或漏极或双极晶体管的发射极或集电极或二极管的阴极或阳极，且控制电极意指器件 中控制通过该器件的电流的元件，例如MOS晶体管的栅极或双极晶体管的基极。尽管所述器件在本文中被解释为某种N沟道器件或P沟道器件，但是本领域普通技术人员应认识到， 依照本发明，互补器件也是可能的。本领域技术人员应认识到，如这里所使用的涉及电路工
作的词“在......的期间、在......的时候和当......的时候”并不是表示一有启动行为
就会马上发生行为的精确的术语，而是表示可能有一些小的但是合理的延迟，例如在由初 始行为激起的反应之间的传播延迟。另外，术语“同时”意味着某个行为至少在启动行为的 持续时间的某个部分内出现。词“大约”或“实质上”的使用意指元件的值的参数被预期非 常接近于规定值或位置。然而，如在本领域内众所周知的，总有较小的差异阻止值或位置确 切地如规定的那样。在本领域中充分确定，直到至少百分之十(10% )(且对于半导体掺杂 浓度直到百分之二十(20%))的差异是偏离确切地如所描述的理想目标的合理差异。当参 考信号的状态使用时，词“有效”意指信号的活动状态，且“非活动”意指信号的非活动状态。 信号的实际电压值或逻辑状态(例如“1”或“0”)取决于使用的是正逻辑还是负逻辑。因 此，“有效”可以是高电压或高逻辑或低电压或低逻辑，取决于使用的是正逻辑还是负逻辑， 且“无效(negated) ”可以是低电压或低逻辑或高电压或高逻辑，取决于使用的是正逻辑还 是负逻辑。本文中使用正逻辑约定，但本领域技术人员理解，也可使用负逻辑约定。
具体实施例方式图2示意性示出了包括电压调节器25的例子的实施方式的一部分的电压调节系 统20的例子。电压调节器25设置为具有部件测试电路，该部件测试电路除其他功能外还 检测在调节器25的输出上的缺少的输出电容器并确定在缺少的输出电容器和由EMI干扰 在输出电压的直流值上引起的交流信号之间的差。如在下文中将进一步看到的，调节器25 和所包括的部件测试电路还设置为检测可导致包括调节器25的控制回路中的不稳定性的 各种部件故障，其中这些部件故障可使交流信号出现在输出电压的直流值上。这些部件故 障除其他情况外还包括输出电容器缺少、输出电容器和调节器25的输出之间的缺少的连 接、电容器的值的变化、电容器的等效串联电阻值的增加或在调节器25的输出和连接到该 输出的负载之间的任何连接的电阻的增加，包括在调节器25的输出和输出电容器之间的 电阻的增加。如本文所使用的，术语“部件故障”指这些类型的部件故障。调节器25还设 置为检测在这样的部件故障和由EMI干扰在直流输出电压上引起的交流信号之间的差。调节器25包括设置为从电压源18接收输入电压例如DC电压的输入端子或输入 26。调节器25还包括一般连接到公共电压值例如源18的负电压的公共电压返回端子或返 回27。调节器25设置为在输出57上形成已调节的输出电压以向负载例如负载17提供功 率。输出电容器16连接到输出57以滤除输出电压上的一些噪声并提供存储元件以帮助向 负载17供电。调节器25 —般包括被耦合以接收代表在输出57上形成的输出电压的反馈 (EB)信号的误差放大器82，使得调节器25可响应于反馈信号的值来调节输出电压的值。因 此，放大器82还从参考发生器电路(被示为Ref 1)接收参考电压，且调节器25调节输出 电压，使得FB信号实质上等于参考电压。调节器25还包括检测电路60、电流控制电路33、 评估电路90、以及包括晶体管48、51、53、54、86和87以及逆变器88的输出电路。输出电路 的复用器电路85包括晶体管86和87连同逆变器88。在大多数实施方式中，调节器25还 包括形成相应的过电压(OV)和欠电压(UV)信号的过电压(OV)检测电路和欠电压(UV)检 测电路。对于图2中示出的调节器25的实施方式，比较器95被示为欠电压(UV)检测电路且比较器96被示为过电压(OV)检测电路。本领域技术人员将认识到，电阻器97-99和参 考电压发生器(Ref 3)也是OV和UV检测电路的一部分。在一些实施方式中，调节器25还 可包括被耦合以从输入26接收输入电压并在输出31上形成用于操作调节器25的一些元 件的内部操作电压的内部电压调节器30。本领域技术人员将认识到，输出电容器16形成影响包括调节器25的系统20的控 制回路的稳定性的主极点。在一些实施方式中，放大器82还可包括稳定性补偿元件以补偿 控制回路的频率响应，使得控制回路对于控制回路操作所在的频率范围是稳定的，且在其 他的实施方式中放大器82可能没有这样的补偿元件。如果电容器16缺少或未连接，频率 补偿变化和控制回路可能变得不稳定并在输出电压的直流值上形成交流信号。另外地，其 他的部件故障也可改变主极点的中心频率并使它在频率上移动，这也可引起不稳定性并导 致输出电压的直流值上的交流信号。由部件故障造成的输出电压上的交流信号可导致负载 17的不正确操作或可损坏负载17。因此，可能希望检测到这样的部件故障并将这样的故障 与EMI引起的交流信号区分开。检测电路60设置为检测在输出电压上形成的交流信号并包括形成所检测的(DT) 控制信号的输出。对于在图2中示出的调节器25的示例性实施方式，电路60包括放大器 68、晶体管69、电容器62、73和74、电阻器63、64、75和72、比较器78以及参考发生器电路 (示为Ref 2)。电流控制电路33设置为形成在电路33的输出上有实质上固定的值的控制 信号。电流控制电路33的示例性实施方式包括输出45、开关(例如晶体管44)、电阻器35 和38、存储元件(例如电容器36)以及电压到电流转换器例如放大器40和晶体管42。调 节器25的一些元件例如放大器82和Ref 3从调节器30的输出31上的内部操作电压操 作。调节器25的大多数元件例如电路33和60使用实质上等于输出57上的输出电压的值 的操作电压。尽管为了附图的清楚在图2中未被示出，放大器40、比较器95和96以及评 估电路90—般也从实质上等于输出电压的值的电压操作。本领域技术人员应认识到，电路 33和60从与输出电压实质上相等的电压操作，因为它比来自调节器30的内部操作电压更 多地被调节。但是，只要操作电压被足够地调节，操作电压的源就可能不同。如在下文中将进一步见到的，调节器25被形成为包括两个操作模式-正常操作模 式和开放回路操作模式。调节器25形成用于为电容器16充电和向负载17提供电流的输 出电流56。在正常操作模式中，调节器25作为闭合回路控制系统操作并响应于反馈信号来 调节输出电压的值和电流56的值。调节器25将输出电压调节到目标值附近的值的范围内 的目标值。例如，目标值可以是五伏(5v)，且值的范围可以是五伏加或减百分之五(5% )。 当以开放回路操作模式操作时，调节器25作为开放回路系统操作且不使用FB信号的值以 形成输出电压或调节输出电压。在优选的实施方式中，调节器25的开放回路操作模式响应 于具有实质上固定的值的信号而不是响应于反馈信号来形成输出电压和电流56。在其他实 施方式中，调节器25在开放回路操作模式过程中可能不提供电流56。评估电路90设置为使调节器25以开放回路操作模式或正常操作模式操作，且还 设置为确定部件故障的不存在或存在，并确定在由EMI引起的信号和部件故障之间的差。 对于图2中示出的调节器25的示例性实施方式，电路90包括形成开放回路控制信号或OL 信号的输出以及形成故障(FL)控制信号或FL信号的另一个输出。在优选的实施方式中， 电路90是数字逻辑电路。
图3是具有示出了在调节器25的操作期间形成的一些信号的一些状态或值的曲 线的图。横坐标表示时间，而纵坐标表示所示出的信号的增加值。曲线105示出了输出57 上的输出电压的值。曲线108示出了电路60的输出上的DT信号的值。曲线111示出了电 路90的OL信号，且曲线119示出了电路90的FL信号。曲线117示出了通常在电路90内 部的TBT控制位或标志位的状态。曲线124示出了比较器96的输出上的OV信号，且曲线 127输出了比较器95的输出上的UV信号。本领域技术人员应认识到，在输出57上的输出 电压上形成的交流信号可能不是具有平稳振幅和周期的周期性交流信号，而是可能具有不 同的频率和幅度。因此，仅为了附图的清楚，曲线105示出了交流信号作为规则交流信号， 且由曲线105示出的波形的形状不被预期为代表在输出电压的直流值上形成的交流信号 的波形。图4是示出了由调节器25执行的一些操作或调节器25的操作状态的简化的流程 图。这个描述参考图2、图3和图4，以便解释调节器25的操作。在例如从电压源18向调节器25供电之后，调节器25被初始化以在正常操作模式 中操作。这可从图4的流程图中看到，其中在流程图块200、202和203中示出了当启动时 调节器25使电路90的输出上的OL和FL信号无效，其后跟随在块203中的稳定时间以允 许调节器25的电路稳定。假定使用正逻辑约定，电路90迫使电路90的OL输出上的OL信 号为低以使OL信号无效。低OL信号禁用晶体管87并通过逆变器88启动晶体管86。启动 晶体管86使误差信号从放大器82的输出耦合到节点49，这使电流50流经晶体管48。放 大器82的输出上的误差信号在放大器82的输出上形成电流80，使得电流80代表误差信 号。电流80流经晶体管48作为电流50。晶体管48在电流镜设置中与晶体管51连接，因 此，晶体管48中的电流50使电流52流经两个晶体管51和53。由于电流镜设置，电流52 与电流50的值成比例，因此与电流80成比例。晶体管53在电流镜设置中与输出晶体管M 连接，从而使电流阳流经晶体管54，因此，电流55与电流52成比例且与电流50成比例， 因此与误差信号的值成比例。电流55的很小的部分流经电阻器13和14，以便形成FB信 号；但是，电流阳的大部分流经输出57作为输出电流56。本领域技术人员应认识到，当负 载17处于断电状态时，电流56的值可变得更小，因此，流经电阻器13和14的值可以是电 流阳的较大百分比，但电流56仍然大于流经电阻器13和14的电流。如可看到的，当输出 57上的输出电压的值在正常操作模式过程中变化时，节点15上的反馈信号的值也改变，从 而使输出电流56的值也改变，以便调节输出电压的值。因此，调节器W不是开关调节器且 不在接通状态和关断状态之间转换输出电流56以调节输出电压。晶体管48还在电流镜设置中与晶体管47相连接，从而形成通过晶体管47的与电 流50的值成比例因此与电流80的值成比例的电流46。电流46还流经电路33的电阻器 35，形成电阻器35两端的电压，其代表由误差放大器82形成的误差信号。因为电路33的 晶体管44是P沟道晶体管，来自电路90的低OL信号也启动晶体管44。启动晶体管44允 许电容器36被充电到实质上与在电阻器35两端形成的相同的电压，因此在电容器36上形 成代表由放大器82形成的误差信号的平均值的电压。放大器40、晶体管42和电阻器38形 成电压到电流转换器电路，其形成了代表来自放大器82的误差信号的流经电路33的输出 45的电流43。但是，来自电流90的低OL信号保持晶体管87被禁用，使得电流43不被连 接以影响输出57上的输出电压的值。
电路60从电路60的输入61上的输出57接收输出电压。电容器74和电阻器75 形成用于提供操作电压以操作包括放大器68和比较器78的电路60的元件的电压源。电 容器74通过电阻器75从输入61接收输入电压，这将电容器74充电到与输出57上的输出 电压实质上相等的电压。因此，电容器74在节点77上形成用于电路60的元件的操作电 压。电阻器75和电容器74形成减少节点77上的噪声的滤波器，从而提高电压的质量。本 领域技术人员应认识到，在电阻器75两端可能有某个小的电压降，但是在节点77处的电压 实质上等于输出57上的输出电压的值。电路60还接收输入61上的输入电压，以便检测可 在输出57上的输出电压的直流值上形成、因此影响该直流值的交流信号。电容器62将电 路60的检测电路从输出57上的输出电压的直流值解耦，从而只允许输出电压的交流分量 或交流信号耦合到放大器68。电阻器63和64在节点65提供偏置电压，以便将放大器68 的非反相输入偏置到便于检测来自电容器62的交流信号的值。如果在输出电压上没有形 成交流信号，放大器68在节点70上形成与节点65上的偏置电压实质上相等的电压，因此， 电容器73被充电到与节点65上的电压实质上相等的电压。来自Ref 2的电压的值被选择 为使得比较器78的输出对于电容器73上的电压的这个值是无效的。如果在输出57上的 输出电压的直流值上有交流信号，交流信号的交流分量越过电容器62耦合到放大器68的 非反相输入，使放大器68增加节点70上的电压的值，这将电容器73上的电压增加到实质 上等于节点65偏置电压加上交流信号的峰值的值。添加到电容器73的电压的另外的电压 迫使比较器78的输出为高，从而使所检测(DT)的控制信号有效。因此，电路60检测输出 电压上的交流信号的存在并响应性地使DT控制信号有效。本领域技术人员将认识到，除交 流信号的峰值之外的其他值可用于检测交流信号的存在。在优选的实施方式中，电容器62连同电阻器63和64 —起形成具有在待检测的交 流信号的频率之下的拐角频率的高通滤波器。电容器73和电阻器72形成将交流信号从 在节点70上形成的信号滤除的低通滤波器。放大器68的增益带宽积限制了可由电路60 检测的交流信号的最大频率。在一个示例性实施方式中，在输出电压上形成的交流信号的 频率具有大约二到五兆赫兹0-5MHz)的频率，且电路60的频率范围大约是一到十兆赫兹 (1-lOMHz)。对于这个例子。由电容器62以及电阻器63和64形成的滤波器的拐角频率大 约是六百千赫兹(600kHz)。因为电路60使用峰值检测，检测器60通常检测在交流信号的 一个或两个(1-2)周期内的交流信号。在流程图块203处形成的稳定时间一般用于提供除了复用器85之外电路33和60 也稳定以允许控制回路和输出电压稳定的时间。如由流程图块205所示出的，在由流程图 块203示出的稳定延迟之后，调节器25以正常操作模式操作并响应于FB信号来调节输出 电压的值，且电路60监控输出电压的直流值上的交流信号的输出电压。再次参考图3，假定在时间T交流信号开始在输出电压中出现。交流信号可被引起 作为在输出电压上引起信号的EMI的结果或可由包括电容器16未连接到输出57的部件故 障引起。为了这个示例性解释的目的，假定电容器16被连接且没有部件故障。如曲线108 在时间TO所示出的，检测电路60检测交流信号并使DT信号有效。电路90接收有效的DT 信号并使用DT信号的状态来确定交流信号是否在由流程图块207-209中的时间间隔Tl所 示出的时间间隔内连续出现。如果交流信号在这个时间间隔期间的任意时间停止，电路60 使DT信号无效，且调节器25继续响应于FB信号调节输出电压的值，如流程图块205-208所示出的。如果交流信号在小于Tl时间间隔的时间内存在，就假定它们是例如由EMI弓丨起 的瞬时外部干扰，且不被进一步评估。如果交流信号在如由图3中的时间间隔TO到Tl所示出的Tl时间间隔内实质上 是连续的，交流信号可从包括电容器16未连接到输出57的部件故障或从EMI干扰产生。 为了确定交流信号的起因，电路90使OL信号有效，以便将调节器25设定为以开放回路操 作模式操作，如流程图块211所示出的。高OL信号禁用电路33的晶体管44，从而使电容 器36从电阻器35解耦，使得在OL信号有效时电容器36保持被充电到代表误差信号的平 均值的电压。因此，电容器36存储误差信号的平均值。结果，当调节器25的优选实施方式 以开放回路操作模式操作时，无论输出电压的值是多少，电容器36上的电压都保持实质上 固定，因此电流43的值也保持实质上固定。高OL信号还通过逆变器88禁用晶体管86，从 而使电路33解耦而不能接收代表误差信号的信号。高OL信号还启动将电流43耦合到晶 体管48的晶体管87。因为通过晶体管48的电流现在是电流43，晶体管48和51的电流镜 设置以及晶体管53和M的电流镜设置使输出电流56具有与电流43的值成比例的实质上 恒定的值。因此，电流56具有实质上恒定的值。如本领域技术人员应认识到的，电路33的 示例性实施方式使用电容器36存储误差信号的平均值。当交流信号在输出电压上出现时， 误差信号的平均值包括不期望的交流信号的平均值。因此，误差信号的存储值对输出电压 的期望值来说可能过大。因此，在优选的实施方式中，电流56被形成为代表小于误差信号， 因此，被形成为与这样的误差信号值成比例。电流56的较低的值帮助将输出电压保持为不 增加到可损坏负载17的值的值。例如，电流56可被形成为代表与误差信号的值成比例的 值，例如为误差信号的值的大约百分之八十(80% )。可选择电流镜晶体管47和48的区域 之间的比，以形成所述比。在其他实施方式中，电流56恰好在以开放回路操作模式操作之 前可以具有与误差信号值的不同的比或者可以具有代表误差信号的值的实质上恒定的值， 或者可以具有其他的固定值。例如，电流56可被固定到代表负载17的一般功率消耗的某 个值。在其他的实施方式中，电流56可以不在开放回路操作模式期间形成，或可以对开放 回路操作模式的仅仅一部分形成。如由流程图块213所示出的，电路90在使OL信号有效之后初始化稳定延迟(Ts， 见图3)以允许调节器25的电路稳定并避免瞬变。OV和UV信号在稳定时间期间被检查以 确保输出电压保持在期望的操作范围之内。因为对于这个例子假定电容器16被连接，并不 预期输出电压的值使OV和UV出现。但是，如果OV或UV在稳定延迟时间间隔期间是有效 的，电路90使输出91上的故障(FL)控制信号有效作为如曲线119中的虚线120所示出的 高信号，并使调节器25返回到以正常操作模式操作。这个操作序列由流程图块214在稳定 延迟序列中示出。回来参考图3的波形，在时间Tl之后调节器25开始以开放回路操作模式操作。如 果没有一个部件故障出现，那么输出电压上的交流信号将在调节器25以开放回路操作模 式操作时继续，且检测器60将检测交流信号。因此，DT信号将保持有效，因为交流信号正 在继续。但是，如果一个部件故障出现，包括电容器16缺少或仅仅不再连接到输出57，那么 交流信号将停止，因为不再有主极点连接到输出57而引起交流信号，或因为主极点的频率 移动使得交流信号不再形成。电路90通过判定交流信号是否实质上不变地在第二时间间 隔内继续来判定一个部件故障是否存在，或通过判定交流信号是否在第二时间间隔期间的任意时间不存在来判定一个部件故障是否不存在。为了判定交流信号是否实质上持续地在 第二时间间隔内存在，电路90的优选的实施方式包括存储将用于表示一个部件故障存在 或不存在的状态的测试位(TBT)或标志。流程图块218指示电路90确保TBT在判定一个 部件故障存在或不存在的序列的开始处被重置。流程图块219-225示出了电路90在评估 交流信号的存在时形成故障时间间隔(Tc)。在由块221-225的回路示出的Tc时间间隔期 间，如下文中将进一步看到的，电路90还检查OV或UV信号。如果DT信号在Tc时间间隔 期间实质上不变地保持为有效的，就假定没有一个部件故障出现，且交流信号必定是外部 干扰例如EMI的结果。流程图块222和2M示出了如果DT信号保持为有效的，电路90维 持测试位(TBT)重置，但是如果DT在Tc时间间隔期间的任意时间变为无效的，电路90将 TBT设定为指示交流信号的不存在和一个部件故障的存在。在Tc时间间隔终止之后，电路 90使OL信号无效，并使调节器25再次以正常操作模式操作，如流程图块227和由图3中 的时间Tl+Ts+Tc的曲线111所示出。因为交流信号在Tc时间间隔期间实质上是不变的， TBT被重置且电路90确保故障(FL)控制信号保持无效，且操作返回到正常操作模式，如流 程图块230和204所示出的。再次参考图3，假定在时间TA交流信号开始在输出电压内出现。交流信号可以被 引起作为在输出电压上引起信号的EMI的结果，或可以由包括电容器16未连接到输出57 的部件故障引起。为了这个示例性解释的目的，假定一个故障模式出现，例如电容器16缺 少或未连接到输出57。调节器25再次使DT信号在时间Ttll有效，并判定交流信号是否实质上不变地在 Tl时间间隔内出现，如在前文中关于流程图块205-209所解释的。如在前文中所解释的，如 果调节器25确定交流信号实质上持续地在时间间隔Tl内的存在，调节器25在块211以开 放回路操作模式开始操作，如图3中的时间Ttll+!!附近所示出的，且然后延迟了在流程图块 213-215中所示出的稳定时间。在稳定延迟之后，流程图块218-225的操作序列如前文中所 解释的那样被执行。但是，因为一个部件故障出现，交流信号将在使OL信号有效之后的某 个时间不存在。电路60检测交流信号的不存在，并使DT信号无效，如在时间Ttll+!!之后的 时间由曲线108所示出的。在流程图块218-225的操作序列中，电路90确保TBT被重置并 如前文所描述的那样开始Tc时间间隔。因为DT信号是无效的，电路90如流程图块224和 图3的曲线117中所示出的那样设定TBT位。在流程图块225中当Tc时间间隔终止之后， 电路90使OL信号无效并将调节器25设定为再次以正常模式操作(流程图块227和曲线 111，在时间TQ1+Tl+TS+Tc附近)，以便防止输出电压变化过量。电路90还确定TBT位被置 位，并使指示一个部件故障的存在的FL控制信号有效，如流程图块2 和233和图3中的 曲线117和119所示出的。除了检测交流信号以确定部件故障外，调节器25还可使用OV和UV信号来确定电 容器16是否连接到输出57或者电容器16是否缺少。当调节器25以开放回路操作模式操 作时，电流56的固定值可能改变输出电压的值。如果电容器16未连接到输出57，输出电压 可能快速增加或下降。作为结果，输出电压可能快速增加或下降到使OV或UV信号有效的 值，如图3中的虚线126或129所示出的。如果在流程图块214所示出的稳定延迟期间OV 或UV信号中的任一个有效，电路90确定这是由电容器16缺少或未连接产生的，并立即使 OL信号无效并使FL信号有效，如流程图块214、231和233所示出的和也在图3中由相应的曲线124、127和119的虚线1 和1 和120示出的。也可能电容器16可在块213-215 中被连接，但是此后变为缺少的或者即使电容器16在块213-215的稳定延迟期间是缺少的 或未连接，OV或UV信号也可能不变为有效的，直到电流90在块221-225的Tc时间间隔内 操作。因此，块221还检查有效的OV或UV信号。如果OV或UV在Tc时间间隔期间变为有 效的，电路90确定这是由缺少或未连接到输出57的电容器16产生，并立即使OL信号无效 和使FL信号有效，如流程图块221、231和233所示出的。本领域技术人员可看到，电路90还可在开放回路操作模式中操作时使用OV或UV 信号的有效，以使仅代表缺少或未连接到输出57的电容器16的部件故障的单独的控制信 号(未示出)有效，其中FL信号可代表各种部件故障，包括如在开放回路操作模式中检测 交流信号的不存在所确定的电容器16缺少或未连接。对本领域技术人员来说显然，调节器25连续地循环过流程图块200-233的序列， 使得部件故障可不在通过序列一次时被检测到，而是将在下一次通过序列时被检测到。在 优选的实施方式中，完成通过序列一次所需的时间一般少于一毫秒的大约一半(0.5毫 秒)。在这个优选的实施方式中，Tl时间间隔是大约五百(500)微秒，且Tc时间间隔是大 约二(2)微秒。本领域技术人员应认识到，Ts时间间隔依赖于所使用的电路，且在一些实 施方式中可被省略。本领域技术人员将认识到，图3的波形和图4的流程图可用作进入计算机辅助设 计(CAD)系统的输入，使得CAD系统可产生实现逻辑的逻辑电路以及图3和图4中示出的 状态和波形。这样的CAD系统一般使用高级描述语言(HDL)作为输入。这样的CAD和HDL 系统对于本领域技术人员是熟知的。为了便于前文中描述的调节器25的功能，输入沈连接到晶体管53的源极和晶体 管M的源极。晶体管53的漏极公共地连接到晶体管53的栅极、晶体管M的栅极以及晶 体管51的漏极。晶体管M的漏极公共地连接到输出57、电阻器13的第一端子、电路33 的输入、电路60的输入61以及电阻器97的第一端子。电阻器97的第二端子公共地连接 到比较器95的反相输入和电阻器98的第一端子。电阻器98的第二端子公共地连接到比 较器96的非反相输入和电阻器99的第一端子，电阻器99具有连接到返回27的第二端子。 Ref. 3的输出公共地连接到比较器95的非反相输入和比较器96的反相输入。比较器96的 输出连接到电路90的第一输入，且比较器95的输出连接到电路90的第二输入。电路90 的FL输出连接到调节器25的输出91。电路90的OL输出公共地连接到电路33的控制输 入和复用器85的控制输入。复用器85的控制输入公共地连接到晶体管87的栅极和逆变 器88的输入。逆变器88的输出连接到晶体管86的栅极。晶体管86的漏极连接到放大器 82的输出。晶体管86的源极公共地连接到晶体管87的源极和节点49。晶体管87的漏极 连接到电路33的输出45。电路33的控制输入连接到晶体管44的栅极。晶体管44的漏极 公共地连接到电容器36的第一端子和放大器40的非反相输入。放大器40的输出连接到 晶体管42的栅极，晶体管42具有连接到输出45的漏极。晶体管42的源极连接到放大器 40的反相输入和电阻器38的第一端子。电阻器38的第二端子公共地连接到输出57、电容 器36的第二端子以及电阻器35的第一端子。电阻器35的第二端子公共地连接到晶体管 44的源极和晶体管47的漏极，晶体管47具有连接到返回27的源极。晶体管47的栅极公 共地连接到晶体管48的栅极、节点49、晶体管48的漏极以及晶体管51的栅极。晶体管48的源极公共地连接到晶体管51的源极、返回27以及电阻器14的第一端子。电阻器14的 第二端子连接到节点15、电阻器13的第二端子以及放大器82的反相输入。放大器82的 非反相输入连接到Ref. 1的输出。电路60的输入61公共地连接到电阻器75的第一端子 和电容器62的第一端子。电阻器75的第二端子公共地连接到电容器74的第一端子、电阻 器63的第一端子、放大器68的供电输入、晶体管69的漏极以及比较器78的供电输入。电 容器74的第二端子公共地连接到返回27、电阻器64的第一端子、放大器68的公共供电端 子、电阻器72的第一端子、电容器73的第一端子以及比较器78的公共供电端子。电阻器 63的第二端子公共地连接到节点65、电阻器64的第二端子以及放大器68的非反相输入。 放大器68的反相输入公共地连接到节点70、电阻器72的第二端子、晶体管69的源极、电 容器73的第二端子以及比较器78的非反相输入。晶体管69的栅极连接到放大器68的输 出。比较器78的输出连接到电路60的DT输出和电路90的DT输入。调节器30连接在输 入沈和返回27之间。调节器30的输出31被连接以向放大器82的功率输入供电。图5示意性示出了包括闭合回路控制电路325的闭合回路控制系统300的例子。 电路325是接收输入信号Vin并形成控制输出信号Vo以在正常操作模式期间操作负载的 模拟控制电路的一般化块图。例如，电路325可以控制发动机或其它类型的负载的速度。电 路325设置为打开控制回路和以开放回路模式操作并在开发回路操作过程中检测交流信 号的存在或不存在，以便确定控制回路的稳定元件例如输出电容器C。的存在或不存在。电 路325是示出了图2的电流元件可具有各种其他实现方式的一般化块图。电路325包括形 成输出信号的输出电路。在正常操作模式中，输出电路从控制回路的放大器的输出形成输 出信号，而在开放回路操作模式中，输出电路从固定值形成输出信号。检测电路检测输出信 号上的交流信号。评估电路评估交流信号是否在开放操作模式中继续。图6是示出了由电路325执行并可由调节器25执行的一些操作的简化流程图 400。如可从图2-6中看到的，在一个实施方式中，电路325和调节器25包括形成测试电路 的方法，其包括设置控制电路，例如电路325或调节器25，以在模拟模式中操作来接收输 入电压并形成输出电流例如电流56，以为输出电容器例如电容器16充电，以便在控制电路 的输出例如输出57上形成输出信号例如输出电压，控制电路具有正常操作模式和开放回 路操作模式；设置控制电路以接收代表输出信号例如FB信号的反馈信号，并在正常操作模 式期间响应于反馈信号来调节输出信号；设置控制电路以检测输出信号上的交流信号并响 应性地设置控制电路来以开放回路操作模式操作；以及设置控制电路以通过判定在以开放 回路操作模式操作时交流信号是否不连续来判定部件故障是否不存在。电路325或调节器25的另一个实施方式包括设置控制电路以响应于具有实质上 固定的值的信号而不是反馈信号来以开放回路操作模式形成输出电流。图7示出了在半导体芯片501上形成的半导体器件或集成电路500的实施方式的 一部分的放大平面图。调节器25或电路325可在芯片501上形成。在一个实施方式中，调 节器25或电路325是在芯片501上形成的ASIC电路的一部分。因此，芯片501还可包括 为了图示的简单而在图6/7中没有示出的其他电路。在另一个实施方式中，调节器25可在 芯片501上形成并封装在四端子半导体封装中。通过本领域技术人员所熟知的半导体制造 技术在芯片501上形成调节器25或电路325和器件或集成电路500。因此，本领域技术人员从图5以及图2-4和5-7的解释中应认识到，根据另一个实施方式，具有部件测试电路的电压调节器可包括电压调节器，其设置为接收输入电压并形 成输出电流以向输出电容器充电，以便在电压调节器的输出上形成输出电压，电压调节器 具有正常操作模式和开放回路操作模式；误差放大器例如放大器82，其被耦合以接收代表 输出电压的反馈电压并在误差放大器的输出上形成误差信号，电压调节器设置为在正常操 作模式期间响应于反馈电压来调节输出电压；电流控制电路例如电路33，其设置为在正常 操作模式期间从误差放大器接收误差信号并存储误差信号的值，电流控制电路设置为在开 放回路操作模式期间形成代表误差信号的被存储的值的输出信号；输出电路设置为在开放 回路操作模式期间从电流控制电路接收输出信号并形成代表输出信号的输出电流；第一电 路例如电路60，其设置为接收输出电压并检测输出电压的直流值上的交流信号，其中第一 电路设置为形成指示交流信号的检测的第一控制信号例如DT控制信号；以及逻辑电路例 如电路90，其被耦合以接收第一控制信号并使用第一控制信号来使第二控制信号例如OL 控制信号有效，并将电压调节器的操作模式设定为开放回路操作模式，逻辑电路设置为使 用第一控制信号来检测部件故障并在检测到部件故障之后响应性地使第三控制信号例如 FL控制信号有效。根据另一个实施方式，逻辑电路将操作模式设定为开放回路操作模式，并且如果 在正常操作模式期间交流信号在至少一个时间间隔例如Tl时间间隔内继续，则使第二控 制信号有效。根据又一个实施方式，逻辑电路设置为接收第一控制信号，且如果第一控制信 号在时间间隔内保持有效，则响应性地使第二控制信号有效，并将电压调节器设定为以开 放回路操作模式操作。本领域技术人员还应认识到，根据另一个实施方式，形成具有部件测试电路的电 压调节器的方法可包括设置电压调节器以接收输入电压并形成输出电流以为电容器充 电，以便在电压调节器的输出上调节输出电压，电压调节器具有正常操作模式和开放回路 操作模式；设置电压调节器以接收代表输出电压的反馈信号并在正常操作模式期间响应于 反馈信号来调节输出电压；设置第一电路例如电路60以检测输出电压的交流信号；设置第 二电路例如电路90以响应于第一电路在第一时间间隔内检测到输出电压上的交流信号来 将电压调节器设定为以开放回路操作模式操作；以及将第二电路设置为响应于第一电路响 应于电压调节器以开放回路操作模式操作而未检测到输出电压上的交流信号来检测部件 故障，并在以开放回路操作模式操作时响应于第一电路检测到输出电压上的直流信号的存 在来检测部件故障的不存在。鉴于以上所有内容，显然公开了新颖的器件和方法。除其他特征外还包括使闭合 回路控制系统以开放回路设置操作，然后在开放回路操作期间的某个时间检测控制回路的 输出信号中的交流信号的存在或不存在，以检测部件故障的存在或不存在。该方法的优势 是交流信号在有大量EMI干扰的苛刻环境中例如在控制内燃机的环境中也可被正确地检 测到。另外地，EMI引起的噪声的存在也可被检测到并与部件故障区分开。因此，在交流信 号从EMI干扰而不是从部件故障产生的情况中系统可继续操作。虽然本发明的主题以具体的优选实施方式被描述，前述的附图及其描述仅描述本 发明主题的典型的和示例性的实施方式且因此不被认为是其范围的限制。显然很多更改和 变形对本领域技术人员来说是明显的。如本领域技术人员应认识到的，调节器25的示例性 形式用作解释检测闭合回路控制系统中的元件的不存在的方法的手段。在图2-4的描述中
14解释的调节器25的很多电路元件是示例性的实现方式，且电路元件可由各种可选的电路 实现。例如，电路60被示为具有某个电路实现方式；但是，只要电路检测到输出电压的交 流信号的存在或不存在，就可以使用其他的电路元件。电路33还被示为具有特定的电路实 现方式，但是，只要电路形成在以开放回路操作模式操作时使用的固定信号，就可以使用其 他的电路实现方式。电路33的存储元件被示为电容器36，但是它也可以是任何其他类型 的公知的存储元件。电路33可甚至仅仅是来自参考发生器例如由图2中的Ref. 1所示出 的类型的固定参考信号。而且，电路33可被省略，且调节器25可设置为在开放回路操作模 式期间不提供输出电流，而是仍使用交流信号的存在或不存在来确定电容器的存在或不存 在。尽管负载17被示为在调节器25的电路或电路325的外部，负载连同调节器25和电路 325可在半导体芯片上形成。图2的输出电路也可具有其他的实现方式，只要输出电路以正常操作模式使用闭 合回路调节器来形成电流56并以开放回路操作模式使用固定的信号。而且，电容器73和 36可被控制成充电到与被接收的信号的平均值不同的值。评估电路90也可具有不同的电路实现方式。电路90可以是组合数字逻辑、或状 态机、或高速微处理器、或甚至可以是模拟控制电路，只要电路接收与0D、0V和UV信号类似 的信号，形成在图4的流程图中描述的时间间隔，如所解释的那样在时间间隔内评估交流 信号的存在或不存在，并使调节器如上文所解释的那样以正常或开放回路操作模式操作。而且，在一些系统中图4的流程图中示出的稳定延迟可省略。另外，在示例性实施方式中反馈信号被示为电压，但也可使用电流或其他类型的 信号。另外，本领域技术人员应认识到，使用由闭合回路控制系统形成的信号中的交流 信号来检测系统部件的故障的原理可扩展到任何外部部件可影响系统的稳定性的任何闭 合回路系统。在图2-4的描述中所描述的示例性实施方式中，闭合回路控制系统是模拟闭 合回路电压调节器，但是由图2-4中描述的系统提供的功能可被应用到由图5和图6示出 的任何闭合回路控制系统。为了描述的清楚始终使用词“连接”，但是，其被规定为具有与词“耦合”相同的意 义。相应地，“连接”应被解释为包括直接连接或间接连接。
权利要求
1.一种具有部件测试电路的电压调节器，包括所述电压调节器，其设置为接收输入电压并形成输出电流以给输出电容器充电，以便 在所述电压调节器上的输出上形成输出电压，所述电压调节器具有正常操作模式和开放回 路操作模式；误差放大器，其被耦合以接收代表所述输出电压的反馈电压并在所述误差放大器的输 出上形成误差信号，所述电压调节器设置为在所述正常操作模式期间响应于所述反馈电压 而调节所述输出电压；电流控制电路，其设置为在所述正常操作模式期间从所述误差放大器接收所述误差信 号并存储所述误差信号的值，所述电流控制电路设置为在所述开放回路操作模式期间形成 代表所述误差信号的所存储的值的输出信号；输出电路，其设置为在所述开放回路操作模式期间从所述电流控制电路接收所述输出 信号，并形成代表所述输出信号的所述输出电流；第一电路，其设置为接收所述输出电压并检测所述输出电压的直流值上的交流信号， 所述第一电路设置为形成指示所述交流信号的检测的第一控制信号；以及逻辑电路，其被耦合以接收所述第一控制信号并使用所述第一控制信号使第二控制信 号有效并将所述电压调节器的所述操作模式设定为所述开放回路操作模式，所述逻辑电路 设置为使用所述第一控制信号来检测部件故障并在检测到所述部件故障之后响应性地使 第三控制信号有效。
2.如权利要求1所述的电压调节器，其中所述电压调节器作为以线性方式调节所述输 出电压的线性电压调节器来调节所述输出电压，且其中所述电压调节器不是在接通状态和 关断状态之间切换所述输出电流以便在所述正常操作模式期间调节所述输出电压的值的 开关调节器。
3.如权利要求1所述的电压调节器，其中所述电流控制电路包括存储电容器、开关和 电压到电流转换电路，所述存储电容器被耦合以存储代表所述误差放大器的所述误差信号 的电压，所述开关响应于以所述开放回路操作模式操作来使所述存储电容器从所述误差放 大器的所述输出解耦，所述电压到电流转换电路将所述电流控制电路的所述输出信号形成 为所述电流控制电路的所述输出上的实质上恒定的电流。
4.一种形成具有部件测试电路的电压调节器的方法，包括设置所述电压调节器以接收输入电压并形成输出电流以为电容器充电，以便在所述 电压调节器的输出上调节输出电压，所述电压调节器具有正常操作模式和开放回路操作模 式；设置所述电压调节器以接收代表所述输出电压的反馈信号，并在所述正常操作模式期 间响应于所述反馈信号而调节所述输出电压；设置第一电路以检测所述输出电压的交流信号；设置第二电路以响应于所述第一电路在第一时间间隔内检测到所述输出电压上的所 述交流信号来将所述电压调节器设定为以所述开放回路操作模式操作；以及设置所述第二电路以响应于所述第一电路响应于所述电压调节器以所述开放回路操 作模式操作而未检测到所述输出电压上的交流信号来检测部件故障，并响应于所述第一电 路在以所述开放回路操作模式操作时检测到所述输出电压上的交流信号的存在来检测所述部件故障的不存在。
5.如权利要求4所述的方法，其中设置所述第二电路以将所述电压调节器设定为以所 述开放回路操作模式操作包括设置所述第二电路以响应于所述第一电路在以正常操作模 式操作时在一个时间间隔内检测到所述交流信号来将所述电压调节器设定为以所述开放 回路操作模式操作。
6.如权利要求4所述的方法，还包括设置所述第二电路以响应于在以开放回路操作模 式操作时接收到过电压或欠电压条件来确定在所述电容器和所述电压调节器的所述输出 之间的连接的不存在。
7.一种形成测试电路的方法，包括设置控制电路来以模拟模式操作以接收输入电压并形成输出电流以为输出电容器充 电，以便在所述控制电路的输出上形成输出信号，所述控制电路具有正常操作模式和开放 回路操作模式；设置所述控制电路以接收代表所述输出信号的反馈信号，并在所述正常操作模式期间 响应于所述反馈信号而调节所述输出信号；设置所述控制电路以检测所述输出信号上的交流信号并响应性地将所述控制电路设 置为以开放回路操作模式操作；以及设置所述控制电路以通过判定在以所述开放回路操作模式操作时所述交流信号是否 不连续来判定部件故障。
8.如权利要求7所述的方法，还包括设置所述控制电路以通过判定在以所述开放回路 操作模式操作时所述交流信号是否继续被检测到来判定所述部件故障的不存在。
9.如权利要求8所述的方法，其中设置所述控制电路来判定所述输出电容器是否存在 包括设置所述控制电路以判定在以所述开放回路操作模式操作时所述交流信号在第二时 间间隔内是否继续被检测到。
10.如权利要求9所述的方法，其中设置所述控制电路以判定所述输出电容器是否不 存在包括设置所述控制电路以判定在以所述开放回路操作模式操作时所述交流信号在所 述第二时间间隔内是否不存在。
全文摘要
本公开涉及电容器测试方法及其电路。在一个实施方式中，使闭合回路控制系统以开放回路设置操作。在以开放回路设置操作时的某个时间，系统检测系统的输出信号中的交流信号的存在或不存在，以便检测控制回路元件例如输出电容器的故障的存在或不存在。
文档编号G01R31/00GK102075086SQ201010519930
公开日2011年5月25日 申请日期2010年10月26日 优先权日2009年11月19日
发明者切赫·卡梅尼茨基, 帕维尔·赫斯基 申请人:半导体元件工业有限责任公司