具体实施方式

可应用的附图标记已在本文中继续采用。

图1是示出了用于使用如本文中所述的比较器在周期性或非周期性基础上监视各种部件的若干个电压的电路的示意图。可以分别通过开关106、开关108和开关110来选择来自电池100、电池102和电池104的电压的测量结果，并将所选择的电压传输到相应的采样电容器112、114、116、120或122。用于比较的电压的选择可以通过使用根据时钟信号定时的调度表(在本文中被称为定时调度表)并结合可编程逻辑控制器通过信道选择来实现，以便以时分多路复用的方式执行可编程的时分多路复用的或系统性的电压比较。时分多路复用可以指进行选择(诸如信息、参数、设置等)，其将在可能的选择之中以交替的样式仅在一部分时间内有效。例如，从电池100输出的电压与来自可配置电压缓冲器150的所选阈值电压的比较可结合诸如可编程逻辑控制器(未示出)的微控制器在信道S1(用于电池100)、S2(用于电池102)和S3(用于电池104)上进行对应的信道选择而发生，其中某些参数如通过可编程逻辑控制器定义和指定而有效。

可配置电压缓冲器150生成阈值电压作为比较的标准，该阈值电压被发送到比较器160的输入。将来自电压缓冲器150的输出的电压与横跨所选择的采样电容器112、114、116、120或122的电压进行比较。所选择的采样电容器的电压代表要与阈值(其由电压缓冲器150配置)进行比较的关注电压。比较器160的输出可以发信号通知所选择的采样电容器上的电压是高于还是低于从可配置电压缓冲器150输出的阈值电压。

图2示出用于可配置电压缓冲器150(在图1中示出)并且在可配置电压缓冲器150中的具有从1至x(x是整数)索引的电容器C的电容器矩阵200，电压可通过这些电容器C经由相应索引的开关SEL₁至SEL_X施加到所选择的电容器。电容器矩阵200用于产生可配置电容，对于该可配置电容，有效电容器产生提供比较标准的阈值电压。这可以被统称为电容器定标，并且图2中所示的电路可以被称为电容器定标器。开关SEL₁至SEL_X可以各自连接至电容器C₁至C_X的相应极板或接地。电容器矩阵200可以由用于可配置电压缓冲器150的电压基准V_REF供电。每个电容器C₁至C_X具有例如可以以毫微微(10^-15)法拉(fF)为单位测量的电容值。关于投掷所选择的开关SEL₁至SEL_X，其用于将所选择电容器的相应电容器板连接到V_REF(可配置电压缓冲器150的电压基准)，可以选择基准电容C_ref作为用于保持阈值电压的电压缓冲器150的电容器的有效电容值，比较器160使用该阈值电压进行电压比较。采样电容器(在图1中示出为112、114、116、120或122)并因此采样电容与用于电压比较的每个感兴趣电压相关联(例如，与电池(100、102、104)、内部管芯温度(105)或电池电流107相关联的采样电容)。对于矩阵200中的每个电容器，加权值可以应用并对应于在配置矩阵200的电容(用于缓冲器150的输出电容C_ref)时的地址的每个二进制数字，以引起特定的阈值电压被电压缓冲器150用作标准。以这种方式，电压缓冲器150可配置为输出缓冲器150的轨到轨电源电压内的电压范围。

参考图2，在矩阵200中由开关SEL₁至SEL_X选择的电容器两侧的总电荷q为q＝C_ref(V_ref)。这应等于通过信道选择确定的所选择的采样电容器C_samp(即电容器112、114、116、120或122)上的电压与期望的阈值电压(注意到针对给定位置期望保持阈值电压(是否与所选择的电池端子、温度管芯、电池电流等有关))的乘积。因此，q＝C_ref(V_ref)＝C_samp*(V_t)。在图1中的可配置电压缓冲器150的输出(节点180)处出现的阈值电压因此近似为(其中公式(1)中指示的符号表示具有适当数值和单位的值)：

公式(1)可用于基于信道选择和具有所定义电容的采样电容器来确定阈值电压计算。通常，阈值电压的期望值是已知的。保持待测电压的采样电容器的电容是已知的，并且可配置电压缓冲器150中的基准电压V_ref是已知的。仅需求解公式(2)中的C_ref：

C_ref＝V_th*C_samp/V_ref (2)

例如，公式(3)列出了5个信道(每个信道为特定的阈值电压提供测试的途径)和15个电容器权重，假定可配置电压缓冲器150中的电容器是并联的并且电压缓冲器150中的所选择电容器的等效电容相加在一起，则可以使用这些电容器权重来对电容值定标，以得到基准电容器值C_REF。在公式(3)中列出了针对每个待测阈值电压由可配置电压缓冲器150使用的示例电容值，其中SELCHAN是指支配信道选择的参数。例如，一个或多个电池电压、内部半导体管芯温度、电池电流等都是可以通过与从可配置电压缓冲器150输出的对应阈值电压进行比较来监视的参数的所有示例。例如，参考图1，可以结合选择信道5(S5)上的电压来进行与电池电流相关联的电压的测量。该电压可以例如表示具有对应数值的期望电流必须流过的电阻器两端的电压。由于电压与电流成正比，因此可以从流经给定电阻器(诸如电阻器124)的特定期望电流来确定对应电压。类似地，对于流过连接到二极管119的电流源111(其间插入开关118)的电流，测量二极管119两端的电压允许监视二极管119两端的电压。公式(3)示出了以毫微微法拉(fF)为单位的用于采样的电容的一些示例值，以及代表信道号的SELCHAN数，通过该信道号来测试旨在保持与该信道对应的采样电容器上的电压的电压。

C_samp＝{60fF,SELCHAN＝0 (3)

{48fF,SELCHAN＝1

{36fF,SELCHAN＝2

{24fF,SELCHAN＝3

{12fF,SELCHAN＝4

公式(4)示出了结合加权项SELMSB和SELLSB来确定用于特定信道选择的C_ref的示例公式。总线中的每个SELMSB项例如可以具有16个单位的电容器的权重，而总线中的每个SELLSB项可以具有1个单位的电容器的权重。信号的SELMSB和SELLSB总线可以被温度计编码，使得当总线中的最高阶信号被设定有效(asserted)时，所有较低阶信号也被设定有效。例如，每次设定SELMSB信号有效时，总共会添加额外的16个单位的电容器。

C_ref＝16*(SELMSB)+1*(SELLSB)(温度计) (4)

图3示出了电路的示意图，该电路可以实现如图2所示的用于确定C_REF的值的电容器选择。此种电路可以结合可编程逻辑控制器(未示出)来实现。具有特定值的电容器的选择可能导致如关于公式(4)所描述的用于电容器的温度计编码的实现。如在图2的框200中实现的，可以在图1的可配置电压缓冲器150中找到图3中的电路的一部分。框302表示与在如上所述提供有效C_REF时选择那些相关联电容器所用的地址的最高有效位(MSB)对应的如图2所示的选择开关及其相关联电容器。这些电容器共同提供的电容等效于C_ref的至少一部分的电容。框303表示与选择这些相关联电容器所用的地址的最低有效位(LSB)对应的选择开关及其相关联电容器。这些电容器共同提供的电容等效于C_REF的至少一部分的电容。可调电容器符号304表示具有通过由SELMSB表示的(图2的)开关SEL₁至SEL_X选择的电容器的有效电容的电容器，该SELMSB对应于为C_ref选择电容器矩阵200(图2)中的电容器所用的地址中的最高有效二进制位，而可调电容器符号306表示由开关SEL₁至SEL_X中的一些开关选择的电容器，这些开关对应于选择电容器矩阵200中的电容器所用的地址中的最低有效二进制位，如由SELLSB表示，其针对对给定C_ref有贡献的所选电容器。以如上所述的方式，线SELLSB和SELMSB控制选择电容器矩阵200的哪些电容器成员来连接到可配置电压缓冲器150的阈值电压，由此共同为图2的电容器定标器提供具有值C_ref的基准电容器。多路复用器310结合开关312来控制电容器矩阵200中的开关选择，以选择从可配置电压缓冲器150输出的电压。开关312可以将Vref选择为Vref高(Vrefh)或Vref低(Vrefl)，由此提供至少两个电压电平以向可配置电压缓冲器150供电。这有效地允许测试具有不同阈值电压要求的各种阈值，诸如低电压阈值和高阈值电压。结合线SELVREFH上的控制信号来完成对多路复用器310的Vrefh或Vrefl电平的控制。结合如由多路复用器314控制的时钟信号φ₁和φ₂来施加来自可配置电压缓冲器150的电压。结合输入SELPOS来控制多路复用器314，该输入SELPOS有效地控制从图1中的可配置电压缓冲器150输出的阈值电压是正还是负。

图1的可配置电压缓冲器150的缓冲器电压基准可以由缓冲器316(例如在图3中示出)提供为以负反馈模式连接，其中缓冲器316的输出被连结到缓冲器316的负输入。可以结合由电阻器320分开的可调电阻器324(用于调节Vref低(Vrefl)和Vref高(Vrefh)电平)和可调电阻器326(用于调节Vrefl和Vrefh电平)来适当地定标电压基准的控制。这可确保为各种各样的应用提供适当的电压基准。结合分别将电压TRIMH(高修整电压)和TRIML(低修整电压)施加到电阻器324和326，可调电阻器324和可调电阻器326允许进一步调节到电压缓冲器150的缓冲器基准电压。TRIMH、TRIML、SELPOS、SELVREFH、SELLMSB和SELLSB可以通过对PLC(未示出)中的非易失性存储器进行编程来产生。

结合如由晶体时钟振荡器生成或以电子方式生成的时钟(内部时钟或世界时钟等)，可以使用比较器160基于根据时分多路复用进行调度的时间来比较电压。如本文中进一步描述的，该时间调度可以被称为慢速调度或快速调度。因此，电压比较可以被调度为根据时钟在一段时间内周期性地发生，和/或可以结合电压比较来执行一个或若干个调度。可以结合具有用于控制各种功能(诸如关于图3描述的那些功能)的寄存器的可编程逻辑控制器(未示出)在信道上控制调度。

图4是示出可编程逻辑控制器(PLC)570与平台520的相互作用的框图，在平台520上可以根据如上所述根据时钟530调度的时间来建立具有各种基准电压的开关连接，以便设立各种基准电压比较。平台520可以表示半导体基板。用户界面590向可编程逻辑控制器570提供用户界面。用户界面590可以是用于在PLC 570上按调度表进行编程的可编程用户界面，以结合可配置电压缓冲器150和比较器160来控制模拟电路585(例如由图1的开关和电容器实现)执行如本文中所述的调度比较。可以通过PLC 570的编程使该调度是完全可调节的。该调度可以由PLC 570通过其寄存器设置(未示出)进行配置。根据由PLC570设置的调度来实现图1的可编程基准电压比较电路能够以时分多路复用的方式产生调度。

在PLC 570充当调度器的情况下，可以在调度期间实现所选择的寄存器设置，使得在如由调度表确定的不同的有效寄存器设置下发生比较操作。该调度表可以连续地和轮流地实现，其中一些寄存器设置比其他寄存器设置更频繁地发生。

在一个示例中，具有在给定时间段期间(即测量时隙(也被称为时隙))有效的特定寄存器设置(如由一个或多个位确定)的寄存器可以控制本文中的时分多路复用比较器的功能。因此，术语“时隙寄存器”涉及具有在给定实例期间有效的寄存器设置的寄存器。与可被称为慢速时隙的较不经常实现的那些寄存器设置相比，比其他寄存器设置更频繁地实现的那些寄存器设置或时隙设置(在给定时隙期间应用的寄存器设置)可以被称为快速时隙。

表1

如以上表1中所描述的，该调度表在如由(无论是由石英晶体振荡器、数字源还是其他方式生成的)时钟530确定的每个指定时间段发生。该调度表可以指定周期性比较，包括一个(一次比较)和一个以上的时间段。在一些示例中，每个时隙可以占若干个寄存器，这些寄存器可以容纳如由数字二进制位表示的给定数量的开关标志(接通或断开/逻辑0或逻辑1)。例如，一个时隙可以占32位，其中每个寄存器表示一个数字位，由此每个时隙提供32位。然而，在本文的所有示例中，可以使用保持更少或更多位的寄存器，并且每个寄存器可以被组织为单个连续的位集合或不连续的单独字段。

表1示出了各种参数，诸如：阈值电压极性(SELPOS)；比较器输出极性(SELINV)；时隙调度速度(SELSPEED)；输入电压测量信道(SELCHAN)；基准电容器值(SELLSB/SELMSB)；电压基准幅度，诸如图3的缓冲器316的输出电压的幅度(SELVREFH)；以及电压基准的精细调节，诸如图3的缓冲器316的输出电压(TRIMH/TRIML)。这些参数可由寄存器的寄存器设置来控制，这些寄存器设置可用于配置PLC 570(图5)以控制由寄存器指定的基础功能。如表1所示，每个参数可能占用寄存器中的一个或若干个位。此外，这些参数可以在各种寄存器中被编码，其在由诸如图4的时钟530的时钟设置的频率下根据重现调度表来实现。

图5是示出代表性图的时序图，该代表性图描绘了作为时间的函数的上述时钟信号φ₁和φ₂的关系。如图5所示，时钟信号φ₁和φ₂不重叠。除其他外，这确保了正确的比较操作。

图6示出了图表，该图表显示了时分多路复用调度表的示例。图6示出了涉及寄存器A、B、C、D、E和F的时隙调度表。该调度表在图6中由一系列时隙指示来示出，如用时钟信号φ₁实现为A、C、B、A、C、D、A、C、F。因此，如图6所示，寄存器设置被加载在高信号/时钟φ₁脉冲上，并且在一个φ₁时期中，寄存器A设置对于本文所述的时分多路复用比较器是有效的。在下一个φ₁时期中，寄存器C设置对于时分多路复用比较器是有效的。对于寄存器B，接着是寄存器A等等直到寄存器F，依此类推，之后重复该调度表。借助于此示例，指定为SELSLOT的位分别通过SELSLOT＝2或SELSLOT＝1标记来控制关于高优先级(快速)或低优先级(慢速)调度的设置。

图6所示的图示描绘了实现状态机的方案，该状态机使用一组寄存器来确定如何配置比较器160并存储比较的结果。该状态机循环遍历所有寄存器，并使用寄存器中存在的信息为每个比较周期或时隙配置比较器160。然后为每个寄存器存储比较结果。在最简单的应用中，状态机将循环遍历每个寄存器并进行所期望的比较，存储结果并移至下一个寄存器。当到达最后一个寄存器时，它将循环回到第一个寄存器。借助于这种配置，针对特定寄存器/时隙的比较之间的时间是确定的，并且对于N个寄存器，采样之间的时间为N*(比较器时钟周期)。因此，状态机循环遍历寄存器并针对每个时隙更改比较器控制信号，从而保存比较器结果。

寄存器(例如，一些寄存器在图6中被示出为SELCHAN、SELVREFH、SELINV、SELLSB、SELMSB、TRIMH和TRIML)可以被配置，使得它们被状态机跳过并且不会导致由比较器160进行比较。如图6所示，在该示例中，这在“优先级＝关闭(PRIORTY＝OFF)”时发生。寄存器的位宽在括号中指示。因此，SELLSB[3：0]指示SELLSB具有4位寄存器的位宽；SELLMSB之后的[2：0]指示SELLMSB具有3位的位宽；以及SELCHAN[1：0]指示SELCHAN的2位位宽。

在一些情况下，期望减少某些比较之间的时间，同时仍然循环遍历所有比较。这通过提供高优先级循环和低优先级循环来完成。被分配给高优先级循环的所有寄存器都用于进行连续比较，随后是来自低优先级循环的单个比较。然后在执行下一个低优先级比较之前，重复高优先级循环。针对特定寄存器/时隙的高低比较之间的时间是确定性的。如果存在N＝H+L+Q个寄存器，并且H＝(高优先级寄存器的数量)、L＝(低优先级寄存器的数量)和Q＝(停用的寄存器)，则针对特定寄存器/时隙的高优先级比较之间的时间＝(H+1)*(比较器时钟周期)。通过比较，针对特定寄存器/时隙的低优先级比较之间的时间＝(H+1)*L*(比较器时钟周期)。

在另一示例中，图7示出了图表，该图表示出模拟可配置比较器602(其提供如图1和图4所示的示例比较器160)，其用于比较输入电压(诸如来自采样电容器和基准电压，如本文中所述)，该输入电压与提供可配置状态机606的数字电路(例如，使用图4中的PLC 570来实现)进行相互作用。具有与时隙调度有关的寄存器的非易失性(NVM)电路608可以用于为可配置机器606提供寄存器设置。时钟530可以被用于实现如本文所述的用于周期性调度电压比较的调度器。如图所示，可以根据来自时钟530的时钟信号φ₁按照循环调度表为表1中所示的寄存器实现寄存器设置。因此，表1中引用的寄存器可以在每个时钟信号φ₁时钟周期中被加载到可配置状态机606/PLC 570中(图4)。命令平面604展示了可用于配置可配置比较器602的代表性命令。结合比较器602接收输入电压(诸如输入到图1的比较器160的那些输入电压)，从比较器602接收到对可配置状态机606的反馈，该反馈具有确定由比较器602生成的比较器结果的信息。可配置状态机606可以确定如由保持寄存器设置(诸如表1中引用的那些设置)的NVM电路608配置的许多监视参数。那些寄存器设置保持用于图4的PLC570的命令设置以控制可配置比较器602，该可配置比较器602由如参考图1所述的模拟开关电容器功能来配置。来自比较器602的电压V_DET可以发出校正指示、诊断的信号，其可以用于校正相关电压源的不足电压或过高电压。除其他事项外，可配置状态机606还可以结合时钟信号φ₁用作可配置调度器。如上面参考图1所描述的，比较器602根据由时钟530生成的两个时钟信号φ₁和φ₂进行操作。

参考图1，在选择了测量信道之后，在表1中列出的类型的其他参数中，在信号/时钟φ₁(由相应投掷的开关101引起)期间，为要由电压源(100、102、104，电流源111两端的电压或电阻器124两端的电压)充电的各个采样电容器(112、114、116、118、122)投掷相应的开关(106、108、110、118、130)。在信号/时钟φ₁期间，开关101被投掷以将由共模信号发生器(例如，未示出的电池)生成的共模电压(Vcm)连接至比较器160的输入，该比较器160的输入通过由开关101提供的对应连接件而短路连接在一起。在信号/时钟φ₁期间，节点180被带到Vcm电压电平。电容器112、114、116、118和122的背板113b、115b、117b、121b和123b在信号/时钟φ₁期间分别同样连接到电压Vcm。结合投掷开关101以接合时钟信号φ₂，比较器160可以指示从可配置电压缓冲器输出的电压是否大于、小于或等于至所选择的采样电容器的电压。

在一个示例中，可配置电压缓冲器150除了被连接到电容器160的非反相输入之外，还被电容性耦合到采样电容器(112、114、116、118、122)的一个背板(113b、115b、117b、121b、12b3)。当比较器160的输入连接在一起时，比较器的反相输入被示出为在φ₁处连接到共模电压Vcm。当比较器的输入被连接(处于相同的电势)时，它们可以被描述为输入短路，并且将比较器的输入连接到公共电势的程序可以被描述为输入短路。在φ₂期间，到Vcm的连接被断开，使比较器160的非反相输入连接到可配置电压缓冲器150(参见图2)的输出处的基准电容器Cref的电容器板202b，并且连接到采样电容器(112、114、116、118、122)的背板(113b、115b、117b、12b1、123b)。理论上，即使在移除Vcm连接之后，由于Vcm的贡献，来自所选择采样电容器的板202和背板(来自背板113b、115b、117b、121b和123b)仍将在其上无限期保留电荷。然而，在现实世界中，Vcm连接的切断导致电荷从那些板耗散。在节点180处电容耦合至基准电容器C_ref的电容器板202f和来自所选择采样电容器(112、114、116、118、122)的前板(113f、115f、117f、121f或123f)中的一个将结合由开关101将时钟信号从φ₁改变为φ₂所产生的瞬态而发生。节点180上的电压根据在背板(113b、115b、117b、121b、123)上的如由到所选择采样电容器(112、114、116、118、122)的相应前板(113f、115f、117f、121f)的交流耦合控制的电压以及有效基准电容器201的板202b上的如由到前板202f的交流耦合控制的电压之间的较大幅度电压而移动。该瞬态可以例如仅发生几毫秒，并且在节点180处的电压的移动在瞬态期间围绕Vcm电压点发生。从节点180去除Vcm将在瞬态期间促使节点180处的电压转变。例如，如果采样电容器(112、114、116、118、122)的前板(113f、115f、117f、121f、123f)处不存在电压，则在瞬态期间，节点180会瞬间将电压朝向电容器201的前板202f处的电压上拉。对于采样电容器的前板上的电压幅度比201的前板202f上的电压幅度更大的情况，节点180仍会上拉电压(但相比所选择采样电容器的前板处于零伏电压的情况，上拉程度较小)。如果所选择采样电容器的前板(连接到比较器160的非反相输入)和201的前板202f具有相等的电压，则节点180处的电压在瞬态期间将不会移动。如果所选择采样电容器的前板(连接至比较器160的非反相输入)的电压大于201的前板202f的电压，则节点180处的电压将下降至低于Vcm。可能预期节点180的电压在瞬态期间在例如±500毫伏(mV)之间移动，此时比较器160将非反相输入处的所得瞬态电压与比较器160的反相输入处的共模电压进行比较。

比较器160将输出电压值，该电压值指示用于测量的所选择的基准电压是等于、高于还是低于耦合到用于比较的所选择电压源(100、102、104、107或111)的所选择采样电容器上的电压。在这种情况下，相等状态可以由来自比较器160的0或零输出信号来表示。

用于确定可配置电压缓冲器150的C_REF的电容的有效基准电容器由控制图2中的电容器矩阵200的SELLSB和SELMSB的设置来配置。如图1所示，比较器160的输出可以在异或门177中被异或，并用SELINV将来自比较器160的对应逻辑输出反相。

如本文中所述的可编程时分多路复用比较器可以根据公知的半导体制造技术在集成电路上实现。可以结合监视电池组上的电池电量来使用该比较器。可替代地，可以使用分立部件来实现可编程时分多路复用比较器。如本文中所述的比较器可以在诸如膝上型计算机、割草机或电动工具的各种各样的应用之上和/或之中使用。

在权利要求的范围内，有可能对所描述的示例中进行修改，并且其他示例是可能的。