诊断磁性传感器的方法及系统与流程

诊断磁性传感器的方法及系统
1.此描述大致上涉及磁性传感器。


背景技术：

2.例如霍尔效应传感器的磁性传感器是用于测量磁场的强度的装置。磁性传感器提供与磁场强度成正比的输出电压。磁性传感器用于接近感测、位置及速度检测以及电流感测。霍尔效应传感器可与阈值检测电路组合，使得其充当开关。
3.归因于汽车应用中的安全要求，需要对霍尔效应传感器进行运行时间诊断，以验证其完整性。为了运行时间诊断，通常创建已知磁场并将其与外部磁场隔离。目前的系统包含内置在集成电路内的片上线圈，以创建局部磁场。目前的系统需要额外的片上面积且消耗大量的功率。而且，归因于与将局部磁场与外部磁场隔离相关联的挑战，当前系统通常不可靠。


技术实现要素：

4.在一个方面，一种磁性传感器电路包含多个磁性传感器，所述多个磁性传感器具有相应偏压输入及偏压输出端子以及相应第一及第二测量端子。所述磁性传感器电路包含诊断传感器，所述诊断传感器具有偏压输入及偏压输出端子以及第一及第二测量端子。所述磁性传感器电路包含第一多路复用器，所述第一多路复用器经配置以将电流源选择性地耦合到所述磁性传感器的所述偏压输入端子或耦合到所述诊断传感器的所述偏压输入端子。所述磁性传感器电路包含第二多路复用器，所述第二多路复用器经配置以将所述磁性传感器的所述偏压输出端子或所述诊断传感器的所述偏压输出端子选择性地耦合到开关的第一端子。所述开关包含耦合到接地端子的第二端子，并包含栅极。所述磁性传感器电路包含第三多路复用器，所述第三多路复用器经配置以将所述磁性传感器的所述测量端子或所述诊断传感器的所述测量端子选择性地耦合到放大器的差分输入端子。
5.在额外方面，所述开关是nfet，所述nfet的第一端子是漏极，且第二端子是源极。所述nfet导通以将所述偏压输出端子电连接到所述接地端子。
6.在额外方面，所述诊断传感器包括界定第一、第二、第三及第四端子的以惠斯通电桥配置连接的四个电阻器，其中两个相对端子被选择作为所述偏压输入及偏压输出端子，且另外两个端子被选择作为所述测量端子。
7.在额外方面，通过分别地切换到相邻端子及其相对端子作为所述偏压输入及偏压输出端子，并切换到另外两个端子作为所述测量端子来周期性地改变所述诊断传感器中的电流流动的方向。
8.在额外方面，在第一阶段期间，所述第一及第三端子被选择作为所述偏压输入及偏压输出端子，且所述第二及第四端子被选择作为所述测量端子，其中在第二阶段期间，所述第二及第四端子被选择作为所述偏压输入及偏压输出端子，且所述第一及第三端子被选择作为所述测量端子。
9.在额外方面，所述磁性传感器电路包含解调器，所述解调器具有耦合到所述放大
器的所述差分输出端子的差分输入端子并具有输出端子。所述磁性传感器电路包含模/数转换器，所述模/数转换器具有耦合到所述解调器的所述输出端子的输入端子并具有输出端子。所述磁性传感器电路包括运算放大器，所述运算放大器具有耦合到所述第三多路复用器的差分输出端子的第一及第二输入端子，以及耦合到共模端子的第三输入端子，且具有耦合到所述开关的所述栅极的输出端子。
10.在额外方面，所述诊断传感器在所述差分输出端子处产生非正弦参考电压，其中所述参考电压的振幅在最小值与最大值之间交替。所述参考电压包括响应于磁场的诊断传感器输出电压分量及由所述诊断传感器的失配产生的诊断传感器偏移电压分量。
11.在额外方面，一种自我诊断磁性传感器电路包含多个磁性传感器，所述多个磁性传感器具有相应偏压输入及偏压输出端子以及相应第一及第二测量端子。所述磁性传感器电路包含诊断传感器，所述诊断传感器具有偏压输入及偏压输出端子以及第一及第二测量端子。所述磁性传感器电路包含第一多路复用器，所述第一多路复用器经配置以在操作阶段期间将电流源耦合到所述磁性传感器的所述偏压输入端子，且在诊断阶段期间将所述电流源耦合到所述诊断电路的所述偏压输入端子。所述磁性传感器电路包含第二多路复用器，所述第二多路复用器经配置以在所述操作阶段期间将所述磁性传感器的所述偏压输出端子耦合到开关的第一端子，并在所述诊断阶段期间将所述诊断传感器的所述偏压输出端子耦合到所述开关的所述第一端子，且包含第三多路复用器，所述第三多路复用器经配置以在所述操作阶段期间将所述磁性传感器的所述测量端子耦合到放大器的差分输入端子，并在所述诊断阶段期间将所述诊断传感器的所述测量端子耦合到所述放大器的所述差分输入端子。
12.在额外方面，一种诊断磁性传感器电路的信号链的方法包含通过周期性地切换诊断传感器中的电流流动的方向来产生参考电压。所述参考电压是非正弦差分电压，其振幅在最小值与最大值之间交替，其中所述参考电压包括响应于外部磁场的诊断传感器输出电压分量及由所述诊断传感器的失配产生的诊断传感器偏移电压分量。所述方法包含放大所述参考电压，其中所述经放大参考电压是具有放大器偏移电压分量的差分电压。所述方法包含通过对所述诊断传感器偏移电压分量及所述放大器偏移电压分量进行滤波来解调所述经放大电压，并将所述经解调电压数字化。所述方法包含将所述经数字化电压与所述参考电压进行比较以诊断所述信号链。
13.在额外方面，所述方法包含通过凭借分别地切换到相邻端子及其相对端子作为所述偏压输入及偏压输出端子，并切换到另外两个端子作为所述测量端子而周期性地切换所述诊断传感器中的电流流动的方向来产生所述参考电压。
14.在额外方面，一种诊断磁性传感器的方法包含通过周期性地切换所述磁性传感器中的电流流动的方向来产生参考电压，其中所述参考电压是非正弦差分电压，其振幅在最小值与最大值之间交替。所述参考电压包含响应于磁场的传感器输出电压分量及由所述磁性传感器的失配产生的传感器偏移电压分量。所述方法包含放大所述参考电压，其中所述经放大参考电压是包括放大器偏移电压分量的差分电压。所述方法包含通过对所述传感器偏移电压分量及所述放大器偏移电压分量进行滤波来解调所述经放大参考电压，并将所述经解调电压数字化。所述方法包含使用所述经数字化电压确定所述磁性传感器的灵敏度。
附图说明
15.图1是实例实施例的磁性传感器电路的框图。
16.图2说明时序图。
17.图3是实例实施例的磁性传感器的示意图。
18.图4是实例实施例的测试电路的框图。
19.图5是实例实施例的流程图。
具体实施方式
20.图1是实例实施例的磁性传感器电路100的框图。磁性传感器电路100以两种模式操作：诊断模式及正常模式。在诊断模式中，磁性传感器电路100执行自我诊断以验证电路100的信号链完整性。在正常模式中，磁性传感器电路100测量外部磁场并提供表示外部磁场的输出电压。
21.磁性传感器电路100以具有睡眠状态及活动状态的工作循环操作。如图2的时序图200中说明，在睡眠状态204中，磁性传感器电路100不活动，且在活动状态208中，磁性传感器电路100执行信号链诊断检查210及传感器诊断检查214。此后，磁性传感器电路100执行正常操作218，其也被称为霍尔效应传感器操作。
22.磁性传感器电路100包含三个磁性传感器104a、104b及104c，三个磁性传感器104a、104b及104c分别被定向以在x、y及z方向上测量外部磁场。磁性传感器电路100可用任何合适数量的磁性传感器构造。磁性传感器104a、104b及104c可为例如提供表示外部磁场的强度的输出电压的霍尔效应传感器。
23.磁性传感器电路100包含诊断传感器108，所述诊断传感器108提供不受外部磁场影响的输出电压。在实例实施例中，使用不响应于外部磁场产生电压的电阻器(例如，多晶硅电阻器)来构建诊断传感器100。诊断传感器100中的电阻器可在惠斯通电桥网络中连接。诊断传感器108用于执行自我诊断以检查电路100的信号链的完整性。诊断传感器108可例如是对外部磁场不敏感的电阻器网络。
24.磁性传感器104a、104b及104c包含经配置以接收偏压电流的相应偏压输入端子110a、110b及110c。在正常操作模式期间，开关s1将偏压输入端子110a、110b及110c耦合到提供偏压电流的电流源i
bias
。开关s1可用多路复用器来实施。
25.磁性传感器104a、104b及104c包含相应偏压输出端子112a、112b及112c。在正常操作模式期间，开关s2将偏压输出端子112a、112b及112c耦合到开关m1的第一端子116。例如，开关s2可为多路复用器。开关m1具有耦合到接地端子的第二端子118。接地端子可耦合到接地电压。开关m1可例如是n沟道场效应晶体管(nfet)，其第一端子116是漏极且第二端子118是源极。开关m1也具有栅极。当m1导通时，提供传导路径供偏压电流从电流源i
bias
流动到接地。
26.磁性传感器104a包含测量端子122a及122b，磁性传感器104b包含测量端子124a及124b，且磁性传感器104c包含测量端子126a及126b。响应于外部磁场，磁性传感器104a、104b及104c在测量端子处提供输出电压。测量端子处的输出电压表示外部磁场的强度。开关s3(例如，多路复用器)将测量端子选择性地耦合到差分输出端子128及130。在正常操作模式期间，由磁性传感器104a、104b及104c产生的输出电压在差分输出端子128及130处可
用。
27.诊断传感器108包含偏压输入端子134及偏压输出端子136。诊断传感器108包含测量端子138及140。在诊断模式期间，开关s1将偏压输入端子134耦合到电流源i
bias
，且开关s2将偏压输出端子136耦合到晶体管m1的第一端子116，因此在电流源i
bias
与接地之间提供传导路径。而且，在诊断模式期间，开关s3将测量端子138及140耦合到差分输出端子128及130。诊断传感器108在测量端子138及140处提供不受外部磁场影响的输出电压。
28.磁性传感器电路100包含模拟前端(afe)150，所述模拟前端(afe)150可为放大器。afe 150包含分别耦合到差分输出128及130的差分输入152及154。在诊断模式期间，开关s4将电流源i
diagsrc
连接到afe 150的输入152，且开关s5将电流槽i
diagsnk
连接到afe 150的输入154。afe 150对由磁性传感器104a到104c或诊断传感器108提供的差分电压施加预定增益，并在输出156及158处提供经放大差分信号。磁性传感器电路100包含解调器160，所述解调器160经耦合以在输入162及164处接收经放大差分信号。解调器160解调经放大信号并在输出166处提供经滤波信号。模/数转换器(adc)168将经滤波信号数字化。
29.在实例实施例中，磁性传感器电路100包含运算放大器170，所述运算放大器170具有分别耦合到第三开关s3的相应差分输出端子128及130的第一及第二输入端子172及174，以及耦合到可被施加共模电压的共模端子的第三输入端子176。操作放大器170也包含耦合到开关m1的栅极的输出端子178。响应于端子128及130处的差分电压及共模电压，运算放大器170将栅极电压施加到开关m1以控制穿过m1的电流，且因此控制磁性传感器104a到104c及诊断传感器108中的电流。
30.在实例实施例中，磁性传感器104a到104c及诊断传感器108用以惠斯通电桥配置连接的四个电阻器来实施。图3说明传感器300，其可为磁性传感器104a到104c或诊断传感器108中的一者。传感器300包括分别界定第一、第二、第三及第四端子t1、t2、t3及t4的以电桥配置连接的四个电阻器r1、r2、r3及r4。传感器300在四个阶段中操作，且在每个阶段中，不同对的相对端子被选择作为偏压输入及偏压输出端子，而另一对相对端子被选择作为测量端子。例如，在阶段1中，分别地，端子t1及t3可被选择作为偏压输入及输出端子，而两个相对端子t2及t4可被选择作为测量端子。在阶段1期间，开关s1将电流源i
bias
耦合到端子t1。因此，偏压电流流过电阻器r1、r2、r3及r4，并经由端子t3流出。响应于外部磁场h1，传感器300在测量端子t2及t4处提供输出电压。开关s3在阶段1期间将测量端子t2及t4耦合到差分输出端子128及130。
31.在阶段2中，分别地，端子t2及t4可被选择作为偏压输入及输出端子，而两个相对端子t1及t3可被选择作为测量端子。在阶段2期间，开关s1将电流源i
bias
耦合到端子t2。因此，偏压电流流过电阻器r1、r2、r3及r4，并经由端子t4流出。响应于外部磁场h1，传感器300在测量端子t1及t3处提供输出电压。开关s3在阶段2期间将测量端子t1及t3耦合到差分输出端子128及130。
32.在阶段3中，分别地，端子t3及t1可被选择作为偏压输入及输出端子，而两个相对端子t2及t4可被选择作为测量端子。在阶段3期间，开关s1将电流源i
bias
耦合到端子t3。因此，偏压电流流过电阻器r1、r2、r3及r4，并经由端子t1流出。响应于外部磁场h1，传感器300在测量端子t2及t4处提供输出电压。开关s3在阶段2期间将测量端子t2及t4耦合到差分输出端子128及130。
33.在阶段4中，分别地，端子t4及t2可被选择作为偏压输入及输出端子，而两个相对端子t1及t3可被选择作为测量端子。在阶段4期间，开关s1将电流源i
bias
耦合到端子t4。因此，偏压电流流过电阻器r1、r2、r3及r4，并经由端子t2流出。响应于外部磁场h1，传感器300在测量端子t1及t3处提供输出电压。开关s3在阶段2期间将测量端子t1及t3耦合到差分输出端子128及130。
34.通过在每个阶段期间将电流源i
bias
耦合到不同偏压输入端子，周期性地改变传感器300中的电流流动的方向。因此，在传感器300的测量端子处产生周期性非正弦电压。测量端子处的非正弦电压的振幅在最小值与最大值之间交替。
35.在诊断模式期间，磁性传感器电路100经配置以通过测量磁性传感器偏移及afe150的偏移来检查磁性传感器104a到104c的完整性。在此模式中，电流源i
bias
向磁性传感器提供具有预定值的电流。周期性地切换磁性传感器104a到104c中的电流流动的方向。响应于外部磁场，磁性传感器在差分输出端子128及130处提供周期性的非正弦电压，其被称为霍尔电压。输出电压包括对应于电流源i
bias
、磁性传感器的电阻及外部磁场的诊断传感器偏移电压分量及磁敏诊断传感器输出电压分量。偏移分量归因于传感器的电阻器的失配而产生，且磁敏电压分量由响应于外部磁场的磁性传感器而产生。由于在诊断模式期间外部磁场可为未知值，因此有必要忽略其影响。差分输出端子128及130处的信号由afe 150放大。在afe 150的输出处，归因于afe 150中的失配而增加偏移分量。afe 150的输出处的信号可被表示为：
[0036]vph(i)
＝(-1)
i 1vhall
v
os,hall,ph(i)
v
os,afe
，其中：
[0037]vph(i)
＝每个阶段(1、2、3及4)的afe输出信号
[0038]vhall
＝霍尔效应电压分量
[0039]vos,hall,ph(i)
＝霍尔传感器偏移电压分量
[0040]vos,afe
＝afe偏移电压分量
[0041]
基于以上：
[0042]vph(1)
v
ph(2)
v
ph(3)
v
ph(4)
＝4(v
os,hall,ph(i)
v
os,afe
)
[0043]
如下文展示，即使在存在未知的外部磁场的情况下，也可从磁性传感器及模拟前端的偏移的和确定磁性传感器完整性。
[0044]
(v
os,hall,ph(i)
v
os,afe
)＝(1/4)(v
ph(1)
v
ph(2)
v
ph(3)
v
ph(4)
)
[0045]
在正常操作中，使用解调器160解调对应于外部场的传感器输出，如下：
[0046]vph(1)-v
ph(2)
v
ph(3)-v
ph(4)
＝4(v
hall
)
[0047]
在诊断模式期间，电路100经配置以使用诊断传感器108核实信号链完整性。在实例实施例中，在诊断模式中，除了偏压电流i
bias
之外，诊断电流源i
diagsrc
及槽i
diagsnk
被施加到诊断传感器108。诊断电流源i
diagsrc
可通过开关s4连接到差分端子128及130，且诊断电流槽i
diagsnk
可通过开关s5连接到差分端子128及130。开关s3将差分端子128及130连接到诊断传感器108，并因此将诊断电流源i
diagsrc
及诊断电流槽i
diagsnk
施加到诊断传感器108。诊断电流源i
diagsrc
及诊断电流槽i
diagsnk
具有预定值，且可被称为诊断传感器108的参考电流。
[0048]
在诊断传感器108中周期性地切换i
bias
、i
diagsrc
及i
diagsnk
的电流流动的方向。在阶段1及阶段3中，诊断电流源的端子180被切换到端子152，且诊断电流槽的端子182被切换到端子154。在阶段2及阶段4中，诊断电流源的端子180被切换到端子154，且诊断电流槽的端
子182被切换到端子152。在不受外部磁场及i
bias
影响的情况下，诊断传感器108提供周期性的非正弦电压，其被称为在差分输出端子128及130处的诊断参考电压。两个诊断电流(i
diagsrc
，i
diagsnk
)可具有相同的值(i
diagsrc
)。诊断参考电压包括对应于诊断电流源(i
diagsrc
)及诊断传感器的电阻r
diagsns
的诊断传感器偏移分量及已知诊断参考电压分量。诊断传感器偏移分量归因于诊断传感器108的电阻器的失配而产生，且已知诊断参考电压分量由不受外部磁场影响的诊断传感器108且归因于流过诊断传感器的参考诊断电流创建的电压降而产生。由于诊断参考电流具有已知值，因此所得诊断参考电压分量也具有已知值。差分输出端子128及130处的信号由afe 150放大。在afe 150的输出处，归因于afe 150中的失配而对信号增加偏移分量。afe 150的输出处的信号可被表示为：
[0049]vph(i)
＝(-1)
i 1vref,diag
v
os,hall,ph(i)
v
os,afe
，其中：
[0050]vph(i)
＝每个阶段(1、2、3及4)的afe输出信号
[0051]vref,diag
＝i
diagsrc
*r
diagsns
(诊断参考电压分量)
[0052]vos,diag,ph(i)
＝诊断传感器偏移电压分量
[0053]vos,afe
＝afe偏移电压分量
[0054]
基于以上：
[0055]vph(1)-v
ph(2)
v
ph(3)-v
ph(4)
＝4(v
ref,diag
)
[0056]
因此，可通过基于四个不同阶段的解调获得已知的输出参考电压来确定信号链完整性：
[0057]
(v
ref,diag
)＝(1/4)(v
ph(1)-v
ph(2)
v
ph(3)-v
ph(4)
)。
[0058]
在实例实施例中，磁性传感器电路100经配置以执行传感器完整性检查以核实磁性传感器104a到104c的灵敏度。图4说明用于磁性传感器104a的传感器完整性检查的简化电路400。磁性传感器104a的偏压输入端子110a耦合到电流源，且偏压输出端子112a耦合到晶体管m1的漏极116。在传感器完整性检查期间，电流源使用已知电压v
diag
及电阻器r
diag
产生电流i
diag
。响应于具有已知值的i
diag
，磁性传感器104a提供差分输出电压v(d1-d2)，其可被表示为：
[0059]
v(d1-d2)＝(i
diag
)*(r
hall
)
[0060]
其中r
hall
是磁性传感器104的等效电阻。
[0061]
在用(v
bg
/r
diag
)替换i
diag
后：
[0062]
v(d1-d2)＝(v
bg
/r
diag
)*r
hall
＝k*v
bg
[0063]
其中k＝r
hall
/r
diag
且被定义为灵敏度常数。
[0064]
因此，通过响应于已知电流值测量差分电压v(d1-d2)，可确定磁性传感器104a的灵敏度。如前文讨论，差分电压可从提供表示差分电压的数字信号的adc 168转换器的输出确定。
[0065]
图5是诊断实例实施例的磁性传感器电路的信号链的方法的流程图。在框504中，通过周期性地切换诊断传感器中的电流流动的方向来产生参考电压。参考电压是非正弦差分电压，其振幅在最小值与最大值之间交替。参考电压包括响应于磁场的诊断传感器输出电压分量及由诊断传感器的失配产生的诊断传感器偏移电压分量。在框508中，参考电压由模拟前端放大。经放大电压是包含放大器偏移电压分量的差分电压。在框512中，通过对诊断传感器偏移电压分量及放大器偏移电压分量进行滤波来解调经放大参考电压。在框516
中，经解调信号被数字化。使用经数字化信号并与参考电压比较来诊断信号链。
[0066]
各种说明性组件、块、模块、电路及步骤已在上文以其功能性的一般术语描述。此功能性是否被实施为硬件还是软件取决于对总体系统施加的特定应用和设计约束。所描述功能性可针对每个特定应用以不同方式实施，但此类实施方案决策不应被解释为导致脱离本公开的范围。
[0067]
为了简单及清楚起见，本文中未描绘或描述适合与本公开一起使用的所有系统的完整结构及操作。替代地，仅描绘及描述本公开所独有的或理解本公开所必需的系统的那么多内容。