发明内容
考虑在技术背景部分的上述问题而做出本发明。因此，本发明的
目的在于提供一种能够在宽的电压范围内检测电源电压异常的物理
量传感器装置，以及相应地提供一种物理量传感器装置，它具有以可
靠方式在装置中诊断故障的功能。
为了实现上述目的，作为本发明的第一方面，提供一种包含在电
子系统中的警报装置，一电源电压被提供给该电子系统，该警报装置
包括：第一电压测定电路，用于通过将电源电压和与电源电压无关的
参考电压进行比较而测定电源电压，由此当电源电压低于一第一预定
电压时输出事故状态信号；第二电压测定电路，该第二电压测定电路
工作在一预定电压范围，在该预定电压范围内，第一电压测定电路是
不受第二电压测定电路的工作的影响的，该第二电压测定电路通过将
电源电压与该预定电压范围的上限进行比较而测定电源电压，由此当
电源电压低于小于第一预定电压的上限时，输出事故状态信号；以及
警报信号输出电路，响应于输出的事故状态信号而输出警报信号。
根据本发明的第一方面的配置可用于具有电源电压的所有电子
系统。
作为本发明的第二方面，提供一种包含在电子系统中的传感器装
置，一电源电压被提供给该电子系统，该传感器装置具有一传感器电
路，该传感器电路检测一物理量以输出对应于检测的物理量的传感器
信号，该传感器装置包括：第一电压测定电路，通过将电源电压和与
电源电压无关的参考电压进行比较而估计电源电压，由此当电源电压
低于一第一预定电压时，输出事故状态信号；第二电压测定电路，该
第二电压测定电路工作在一预定电压范围，在该预定范围内，第一电
压测定电路是不受第二电压测定电路的工作的影响的，该第二电压测
定电路通过将电源电压与该预定电压范围的上限进行比较而估计电
源电压，由此当电源电压低于小于第一预定电压的上限时，输出事故
状态信号；以及警报信号输出电路，响应于输出的事故状态信号而输
出警报信号。
优选地，根据第二方面的传感器装置进一步包括：输出电路，当
电源电压超过第一预定电压时、依赖于从传感器电路所输出的传感器
信号而输出一传感器输出电压，并且响应于事故状态信号的输出而禁
止输出电路输出传感器输出电压，以便当电源电压等于或者低于第一
预定电压时，警报信号输出电路提供警报信号。
如果电源电压和接地线中的至少之一在连接部分有缺陷接触，电
源电压会变低，其中电源是通过电源电压和接地线从外部控制系统提
供给物理量传感器装置。如果电源电压变得低于一预定值，将从第一
电压测定电路输出事故状态信号，结果，响应于事故状态信号从输出
电路输出警报信号。第一电压测定电路具有一比较器，用于根据电源
电压和与电源电压无关的参考电压之间的比较而输出事故状态信号。
从而，对于是否电源电压低于预定电压执行准确的测定。而且，来自
输出电路的警报信号具有的电压高于对应于具有预定容限的传感器
信号的传感器输出电压的最大电压。传感器信号在输出电路被放大。
结果，警报信号明显不同于输出电路输出的传感器输出电压，导致精
确地检测电源电压的异常。
另一方面，如果电源电压低于比较器的工作电压，第二电压测定
电路响应于开关元件的工作而输出事故状态信号，结果，从输出电路
输出警报信号。然后，通过第一电压测定电路和第二电压测定电路的
工作，在宽的电压范围内检测电源电压的异常。从而，实现用于检测
电源电压异常的可靠故障诊断功能。
优选地，本发明的第二方面可以包括钳位电路，用于将来自输出
电路的传感器输出电压钳位在不同于警报信号电压的一电压电平。钳
位电路被配置以使得如果输出事故状态信号则停止其操作。
该钳位电路被设置用于将来自输出电路的最大电压钳位在低于
具有一预定容限的警报信号的电压。然后，对于警报信号和从输出电
路输出的对应于传感器信号的传感器输出电压之间的差总是可以实
现明显的检测而不会失败。
如果输出事故状态信号，则停止钳位电路的工作。然后，可以避
免钳位电路对警报信号的不利影响。
在本发明的第二方面中，优选地，警报信号是一分压，该分压是
通过利用在输出电路中的负载电阻器和多个分压电阻器之间的电阻
比率、对与传感器装置无关的稳定电源的输出电压进行分压而产生
的，负载电阻器被配置以连接输出电路的信号线和稳定电源。
即使电源电压变得几乎为零或者接近零，输出分压被输出作为警
报信号。
本发明的第二方面能应用于物理量传感器装置，用于在宽的电源
电压范围内检测其电源电压的异常。
结果，在从零电平到预定标准电压的电源电压宽的电压范围内有
效地输出指示电源电压异常的警报信号。因此，可以增加用于检测电
源电压之异常的物理量传感器的故障诊断功能的可靠性。
具体实施方式
以下参考附图描述本发明的实施例。在图1中，显示了用于车载
液压制动器系统的压力传感器之主要部分的电路和相关电气配置。如
图所示，压力传感器装置1(对应于物理量传感器装置)通过导线束
连接到外部控制单元ECU 2。
图2A和图2B表示根据本发明原理所构造的半导体压力传感器
装置101之配置的例子。图2A是半导体压力传感器101的顶视图，
以及图2B是半导体压力传感器101的沿图2A中的A-A线截取的横
截面图。
如图2A所示，半导体压力传感器101被制作在硅衬底104上。
硅衬底104由在P型硅衬底104a上的N型外延层104b组成。使P
型硅衬底104a的中心部分变薄，以及该中心部分和N型外延层104b
形成一个薄膜105。
通过将P型掺杂物扩散在薄膜105中，将压电电阻元件G1-G4
制作在薄膜105上。如果薄膜受压，薄膜105和压电电阻元件G1-G4
会变形，结果是：例如压电电阻元件G1和G2的电阻变高，以及G3
和G4的电阻变低。压电电阻元件G1-G4被连接，以形成如图3所示
的桥式电路。
从恒定电流源6提供恒定电流Ia给桥式电路中的压电电阻元件
G1和G3的连接点。如果薄膜105受压，在压变电阻元件G1和G3
的连接点处的电压Vp1变高，以及另一方面，在G2和G4的连接点
处的电压变低。差值Vp1-Vp2几乎与加到薄膜105上的应力强度成
正比例。
通过差分放大电路2放大电压差Vp1-Vp2，并且输出放大的电压
V0。有多种类型的差分放大电路。如图3所示的差分放大电路2具
有两个运算放大器OP2和OP3以及四个电阻器R3-R6。将在桥式电
路中的连接点处的电压Vp1和Vp2分别输入到OP2和OP3的非反相
输入端。电阻器R3-R6串联设置在OP2的输出端和一共同连接节点
NVref之间，在其中的电压高于具有基准电压Vref的接地的电压。电
阻器R3的一端也连接到运算放大器OP2的输出端以及另一端连接到
运算放大器OP2的反相输入端。另外，电阻R5的一端连接到运算放
大器OP3的输出端以及另一端连接到OP3的反相输入端。电阻器R6
的两端之一连接到共同连接节点NVref。运算放大器OP2的输出端和
共同连接节点NVref之间的电压差是差分放大电路2的输出电压V0。
如果电阻器R3-R6的每一个具有相同的值，输出电压V0为2
(Vp1-Vp2)。
实际上，稳定电源3设置在外部控制单元ECU 2中，以将来自
车载蓄电池+B的输出电压转换为预定电压(在本实施例中为5V)。
稳定电源3的输出端P通过电源线L1连接到压力传感器装置1的电
源端+Vcc。同时，在ECU 2中设置信号输入端S和接地端E，信号
输入端S接收对应于检测的物理量(压力)的传感器输出电压。在压
力传感器装置1中的信号输出端Q和接地端GND通过信号线L2和
接地线L3连接到信号输入端S和接地端E。另外，ECU 2的端子S
通过负载电阻器4连接到稳定电源3的输出端P。
图1图示了压力传感器装置1中的输出电路5、钳位电路6、电
源监测电路7、传感器电路M以及放大电路N。输出电路5包括用作
反相放大器的运算放大器8，运算放大器8将放大的电压信号Vout
输出到信号输出端Q。配置运算放大器8，以通过电阻9(用作分压
器)接收传感器信号至反相输入端(-)，以及标准电压(在本实施例
中为0.5Vcc)至非反相输入端(+)。用于负反馈的电阻器10(用作
分压器)也连接到放大器8。虽然没有示出，但是放大器8包括双极
晶体管，双极晶体管在输出级具有开路的集电极输出端。配置放大器
8，使得如果到输出禁止端FD的输入信号被降低至一低电平，则强
制断开双极晶体管(输出禁止功能)。放大器8是单电源型的。通过电
源端+Vcc提供电源。
没有示出，当通过电源端+Vcc提供电源时，被配置来检测制动
器管路中压力的液压传感器工作，并且输出对应于检测的压力的传感
器信号电压。在将传感器信号电压转换成传感器信号输出之后，将传
感器信号电压通过电阻器9输送到运算放大器8的反相输入端(-)，
该传感器信号输出的特征在于：变换到与检测的压力之增加成反比例
的低电压侧。通过包括例如差分放大电路的信号处理电路来实现传感
器信号电压的转换。传感器信号输出变换到低电压侧的量为1V的数
量级。来自液压传感器的传感器信号电压的变化与电源电压的变化成
正比，具有与传感器信号电压和电源电压之间相同的比率。即，传感
器信号电压对于电源电压具有一比例度量特性。结果，提供到运算放
大器8的传感器信号输出的变化也与电源电压的变化成正比。这就是
说，传感器信号输出对于电源电压也是比例度量的。
虽然没有示出，但是提供到运算放大器8的非反相输入端(+)
的标准电压是一个分压，其由分压器电路通过利用在电源端+Vcc的
电源电压所产生。通过在后续级的缓冲器电路输出标准电压。
设置钳位电路6，用以将从输出电路5所输出的传感器输出电压
Vout钳位在一预定上限电压。钳位电路6是一种众所周知的电路。电
路6包括用于对在电源端+Vcc的电源电压进行分压的分压器电路11、
形成电流镜电路的npn双极晶体管12和13、恒定电流电路14、通过
由分压器电路11所产生的输出电压基极偏压的npn双极晶体管15、
用于钳位传感器输出电压的npn双极晶体管16、通过晶体管13被提
供基极电流的晶体管16、以及电阻17，18和19。晶体管16的发射
极连接到信号输出端Q。晶体管16的集电极通过电阻器19连接到接
地端。
在具有上述所介绍的配置的钳位电路6中，当信号输出端Q的
电压(晶体管16的发射极电压)高于由分压器电路11所产生的分压
时，晶体管16切换到接通状态(ON)。当晶体管16切换到ON时，
则实现钳位。在本实施例中，利用钳位电路的钳位电压设置在低于异
常诊断信号电压(大约4.6V。这将在后面说明。异常诊断信号对应
于本发明的警报信号)并具有预定容限的电压，例如4.3V，其比4.6V
低03V。
提供电压监测电路7，用于监测电源电压(在电源端+Vcc的电
压)。电路7由第一电压测定电路20和第二电压测定电路21组成。
第一电压测定电路包括恒定电压电路22，其产生与电源电压无
关的恒定电压；第一分压器电路23，通过对电路22的输出电压进行
分压而产生标准电压Vref；第二分压器电路24，产生与电源电压成
比例的监测电压Vd；以及比较器25，比较标准电压Vref和监测电压
Vd。比较器25由具有双极性晶体管的单电源型运算放大器组成，其
在输出级具有一集电极开路端。通过电源端+Vcc向比较器25提供电
源。
配置第一电压测定电路20，使得如果电源电压低于输出电路5
中的运算放大器8的工作电压之下限(例如5±0.25V)时，输出一
事故状态信号。在本实施例中，考虑到事故误差的容限，被判断为在
电源电压上发生事故的电压设定为低于4.5V。这是预定电源电压的
下限值。换句话说，配置第一电压测定电路，使得如果电源电压是由
正常电源电压(5V)下降10％(即，预定电源电压的下限值)，就产
生事故状态信号。
实际上，如下配置比较器25。如果Vref≤Vd，使比较器25输出
级的晶体管为断开(OFF)，结果，比较器25变成高阻抗状态。另一
方面，如果Vref＞Vd，使得输出级的晶体管为ON，导致比较器25切
换到低电阻状态，这指示一事故状态。为了实现此切换操作，如果电
源电压低于4.5V，标准电压Vref和监测电压Vd之间的关系设定为
Vref＞Vd。比较器25包括一反馈电阻器，用于在实际电路中向其中增
加一滞后。
比较器25的输出端(在输出级的晶体管的集电极)连接到输出
电路5中的运算放大器8的输出禁止端FD以及钳位电路6中的晶体
管12和13的基极。从而，如果发生电源电压的事故(在电源电压低
于4.5V的情况下)，从比较器25中输出对应于事故状态的低电平信
号(接地电平电压+输出级晶体管的集电极-发射极饱和电压，此后称
为“VCEsat”)。然后，到输出电路5中的放大器8的输出禁止端FD
的输入信号被降低至低电平，导致放大器8切换到输出禁止状态。另
外，在钳位电路6中的晶体管12和13的基极电压降低到低电平，强
制停止晶体管12和13的工作，导致停止钳位电路6的工作。
如果电源电压变得低于4.5V，在上述配置中的第一电压测定电
路20能够精确地测定电源电压的事故状态。然而，如果电源电压被
降低至低于约1.4V，构成比较器25的运算放大器不能工作，这是因
为超出了放大器的工作范围。然后，如果电源电压低于1.4V，事故
状态的测定变得不可能。基于以上原因，设置第二电压测定电路21
以克服上述问题。
配置第二电压测定电路21，使得如果电源电压低于例如2V(其
是将预定容限增加到运算放大器的工作电压的下限得到的电压)，则
输出事故状态信号。电路21包括分压器电路26、第二串联电路、以
及第三串联电路，分压器电路26由第一串联电路组成，第一串联电
路具有例如在电源端+Vcc和接地端之间彼此串联的三个二极管26a、
电阻器26b和26c，第二串联电路与分压器电路26并联并且由电阻
器27和npn双极性晶体管28的集电极-发射极路径组成，第三串联
电路也与分压器电路26并联并且由电阻器29和npn双极性晶体管
30(对应于开关元件)的集电极-发射极路径组成。另外，晶体管28
的基极连接到分压器电路26的输出端(电阻器26b和26c的公共连
接点)，以及晶体管30的基极连接到晶体管28的集电极。
如下配置分压器电路26。如果电源电压高于2V，分压器电路26
输出高于下限电压的分压，以使晶体管28接通(ON)，以及如果电源
电压低于2V，电路26输出分压，以使晶体管28断开(OFF)。相应地，
如果电源电压高于2V，晶体管30保持接通，从晶体管30的集电极
输出高电平信号(与电源端+Vcc同样的电压电平)。然而，如果电源
电压低于2V，从晶体管30的集电极输出低电平信号(晶体管30的
接地电平电压+VCEsat)，这是因为响应于晶体管28的断开，使得晶
体管30接通。
晶体管30的集电极(即，第二电压测定电路21的信号输出端)
连接到输出电路5中的运算放大器8的输出禁止端FD以及钳位电路
6中的晶体管12和13的基极。从而，如果第二电压测定电路21检
测到一事故发生(在电源电压低于2V的情况下)，响应于从晶体管
30的集电极输出的低电平事故状态信号，将在输出电路5中的运算
放大器8切换到输出禁止状态，同时，响应于被降低至低电平的晶体
管12和13的基极电压，钳位电路6停止工作。
参考图4，下面将描述上述电路的功能。图4显示了由液压传感
器所检测的压力和来自输出电路5的传感器输出电压Vout之间的关
系。
如果将电源提供给ECU 2，来自稳定电源3的输出电源(电压是
5V)通过电源线L1和接地线L3提供在压力传感器系统1的电源端
+Vcc和接地端GND之间，由此使得压力传感器系统1接通。如果电
源线L1和接地线L3正常连接，在压力传感器装置1的端子+Vcc的
电压是5V。在正常情况下，从输出电路5输出传感器输出电压Vout，
传感器输出电压Vout是传感器信号输出的反相和放大的信号(传感
器信号输出变换到与检测的压力增加成反比的负数侧)。如图4所示，
传感器输出电压Vout的增加与检测的压力的增加成正比。但是，传
感器输出电压Vout由钳位电路6钳位在4.3V，而不会增加超过4.3V。
另一方面，如果电源线L1和/或接地线L3在连接部分具有缺陷
接触，结果，如果压力传感器装置1的电源电压低于4.5V，电源电
压被电源监测电路7中的第一电压测定电路20认为是事故状态。然
后，从第一电压测定电路20中的比较器25输出事故状态信号(低电
平信号)。将事故状态信号输送到输出电路5中的运算放大器8的输
出禁止端FD和钳位电路6中的晶体管12和13的基极。从而，使得
输出电路5中的放大器8的输出级的晶体管被强制断开(OFF)，导致
放大器8切换到输出禁止状态。使得钳位电路6中的晶体管12和13
也被强制断开，结果，晶体管16保持断开，导致钳位电路停止工作。
如果使得运算放大器8的输出级的晶体管断开(集电极开路输出
端处于高阻抗状态)，在信号输出端Q的电压被切换到一分压，分压
是通过利用ECU 2中的负载电阻器4以及输出电路5中的输入电阻
器9和反馈电阻器10对稳定电源3的输出电压(5V)与放大器8中
的反相输入端(-)的输入电压之间的电压差进行分压而产生的。在
本实施例中，设置负载电阻器4、输入电阻器9和反馈电阻器10之
间的电阻比，使得当传感器信号输出为0V(零伏特)时，在信号输
出端Q的电压变为4.6V。然后，如果压力传感器装置1的电源电压
低于4.5V，大约4.6V的电压信号(即，指示故障发生的异常诊断信
号(对应于一个异常信号))被提供给ECU 2。异常诊断信号具有的
电压高于具有一预定容限(大约0.3V)的最大传感器输出电压(4.3V)。
而且，如果压力传感器装置1的电源电压变得低于2V，使得在
第二电压测定电路21中的晶体管30接通，并从电路21输出事故状
态信号。然后，事故状态信号被提供给在输出电路5中的运算放大器
8的输出禁止端FD、以及在钳位电路6中的晶体管12和13的基极。
结果，输出电路5中的运算放大器8被切换到输出禁止状态，并且同
时停止钳位电路6的工作。从而，将异常诊断信号提供给ECU 2。
由本发明实现下列优势。第一电压测定电路20具有比较器25。
比较器25被配置以使得根据监测电压Vd和恒定标准电压Vref之间
的比较而输出事故状态信号。通过对电源电压进行分压而产生Vd。
另一方面，Vref与电源电压无关。结果，可以精确地测定电源电压是
否低于预定电压(4.5V)。而且，从输出电路5输出的异常诊断信号
具有的电压(大约4.6V)高于具有一预定容限(大约0.3V)的最大
传感器输出电压Vout(4.3V)。在输出电路5中放大传感器信号输出
之后输出Vout。从而，可以明显地使异常诊断信号不同于传感器输出
电压Vout，导致对电源电压的异常之可靠检测。
因为钳位电路6被设置用于将从输出电路5输出的传感器输出电
压Vout钳位在上限电压(4.3V)，所以总是可以使异常诊断信号绝对
不同于传感器输出电压Vout。另外，因为当输出异常诊断信号时，钳
位电路停止工作，所以钳位电路对异常诊断信号的电压没有任何不利
影响。
同时，如果电源电压变得低于比较器25的工作范围(2V)，响
应于在电路21中的晶体管30的工作，从第二电压测定电路21输出
事故状态信号。结果，从输出电路5输出异常诊断信号。从而，可以
在宽的电压范围内有效地检测电源电压的异常信号，由此实现对于检
测电源电压异常的可靠故障诊断。
在本实施例中，如果将输出电路5的集电极开路输出端切换到高
阻抗状态，则输出分压(该分压是利用在ECU 2中的负载电阻器4、
输出电路5中的输出电阻器9和反馈电阻器10、通过对ECU 2中的
稳定电源3的输出电压进行分压而产生)作为异常诊断信号。然后，
即使电源电压被降低到接近于零时，通过使用ECU 2中的稳定电压
源3而输出分压作为异常诊断信号。从而，可以有效地和较宽地在电
源电压的接近于零到预定电压范围内输出异常诊断信号。结果，实现
用于检测电源电压之异常的可靠故障诊断。
(变型)
本发明可以以其它具体形式实施而不偏离其精神或基本特征。因
此，本实施例在任何方面应该被视为示例性的而并非限制性的，因此，
由所附权利要求而不是由前述说明所指示的本发明的范围以及在权
利要求等效的意义和范围内产生的所有变化都应被包含在其中。本领
域普通技术人员可以实现许多其它修改的或者改进的实施例。
本发明的应用并不限于用于车载液压制动器系统的压力传感器。
本发明也可以应用于很多采用响应于所检测的物理量的传感器输出
信号的其它物理量传感器装置。如果需要，可以设置钳位电路。显而
易见的是：输出电路5中的电路并不限于用作反相型放大器的运算放
大器8的类型。