DE102019129260B4

DE102019129260B4 - Schaltung mit Transformator und entsprechendes Verfahren

Info

Publication number: DE102019129260B4
Application number: DE102019129260.3A
Authority: DE
Inventors: Marcus Nuebling; Jaafar Mejri
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2019-10-30
Filing date: 2019-10-30
Publication date: 2021-06-10
Anticipated expiration: 2039-10-31
Also published as: CN112750604A; DE102019129260A1; US11923120B2; US20210134508A1

Abstract

Es wird eine Schaltung bereitgestellt, die einen Transformator mit einer ersten Spule, die auf einem Substrat angeordnet ist, einer zweiten Spule, die über der ersten Spule auf dem Substrat angeordnet ist, und einem Dielektrikum zwischen der ersten Spule und der zweiten Spule umfasst. Die Schaltung umfasst weiter eine Resonanzschaltung, die mit der ersten Spule und/oder der zweiten Spule zur Bildung eines Resonanzkreises koppelbar ist, wobei an einem Ausgang der Resonanzschaltung ein Maß für eine Eigenfrequenz des Resonanzkreises und/oder ein Maß für einen Stromverbrauch des Resonanzkreises abgreifbar ist.Ein entsprechendes Verfahren wird zudem bereitgestellt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Anmeldung betrifft Schaltungen mit einem Transformator sowie entsprechende Verfahren, insbesondere Schaltungen und Verfahren, mit welchen eine Diagnose von Spulen des Transformators ermöglicht wird.
HINTERGRUND
Bei verschiedenen Anwendungen, beispielsweise Automobilanwendungen, müssen Signale zwischen verschiedenen Spannungsdomänen übertragen werden, beispielsweise einem Schaltungsteil, der mit hoher Spannung arbeitet (beispielsweise im Bereich >20 V oder >100 V, z.B. 400 V) und einem Schaltungsteil, welcher mit niedrigen Spannungen arbeitet (beispielsweise 5 V oder 12 V). Die vorgenannten Spannungswerte sind dabei nur als Beispiele zu verstehen.
Eine Möglichkeit zur Signalübertragung zwischen den Spannungsdomänen stellen dabei Transformatoren dar. Eine bestimmte Art derartiger Transformatoren sind sogenannte kernlose Transformatoren (im Englischen „coreless transformers“), bei welchen Spulen des Transformators in verschiedenen Metalllagen auf einem Substrat, insbesondere Halbleitersubstrat, mit einem dazwischen liegenden Dielektrikum angeordnet sind. Die Spulen sind dabei üblicherweise von einem Guardring umgeben, der auf Masse gelegt ist.
Einem derartigen Transformator kann eine Signalübertragung bei gleichzeitiger Bereitstellung einer Isolationsbarriere, welche das Fließen von Strömen, insbesondere Gleichströmen, zwischen den Spannungsdomänen verhindert, bereitgestellt werden.
Bei der Fertigung der Spulen derartiger Transformatoren können Fehler auftreten. Insbesondere bei sicherheitskritischen Anwendungen, wie sie im Automobilbereich vorliegen, ist es wünschenswert, derartige Fehler detektieren zu können. Eine herkömmliche Herangehensweise hierfür ist die optische Inspektion, welche jedoch zeitaufwendig ist.
Die US 3 667 034 A offenbart ein Verfahren zum Testen eines Transformators, bei dem eine Transformatorspule zu einem Resonanzkreis ergänzt wird und eine Eigenfrequenz des Resonanzkreises ausgewertet wird.
Die DE 29 701 493 U1 offenbart ein Verfahren, bei dem zum Testen einer Spule ein Gütefaktor eines Schwingkreises, der mittels der Spule gebildet wird, ausgewertet wird.
KURZFASSUNG
Es werden eine Schaltung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 10 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsformen.
Gemäß einer Ausführungsform wird eine Schaltung bereitgestellt, die einen Transformator umfasst. Der Transformator weist eine erste Spule, die auf einem Substrat angeordnet ist, und eine zweite Spule, die über der ersten Spule auf dem Substrat angeordnet ist, sowie ein Dielektrikum zwischen der ersten Spule und der zweiten Spule auf. Des Weiteren weist die Schaltung eine Resonanzschaltung auf, die mit der ersten Spule und/oder der zweiten Spule zur Bildung eines Resonanzkreises koppelbar ist. An einem Ausgang der Resonanzschaltung ist ein Regelungsparameter der Stromregelung als ein Maß für einen Stromverbrauch des Resonanzkreises abgreifbar.
Es wird auch ein entsprechendes Verfahren bereitgestellt, welches ein Koppeln einer Resonanzschaltung mit einer ersten Spule oder einer zweiten Spule eines derartigen Transformators umfasst. Das Verfahren umfasst weiter ein Ausgeben eines Maßes für die Eigenfrequenz des Resonanzkreises und/oder eines Maßes für einen Stromverbrauch des Resonanzkreises.
Die obige Kurzfassung bietet lediglich einen kurzen Überblick über manche Ausführungsbeispiele und ist nicht als einschränkend auszulegen, da andere Ausführungsbeispiele andere Merkmale als die oben diskutierten aufweisen können.
Figurenliste

1 ist eine Draufsicht auf eine Schaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
2 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Teils der Schaltung der 1.
3 ist ein Flussdiagram zur Veranschaulichung eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel.
4 sind Teilansichten von Spulen zur Veranschaulichung verschiedener Defekte.
5 ist ein Diagramm einer Schaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
6 ist ein Diagramm einer Schaltung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
7 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung einer Bedeutung einer Messung eines Stromverbrauchs eines Resonanzkreises bei manchen Ausführungsbeispielen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsbeispiele detailliert erläutert. Diese dienen nur als Beispiele und sind nicht als einschränkend auszulegen. Beispielsweise können bei anderen Ausführungsbeispielen manche der dargestellten Merkmale, Komponenten oder Verfahrensschritte weggelassen sein oder durch alternative Merkmale, Komponenten oder Verfahrensschritte ersetzt werden. Neben den explizit dargestellten Merkmalen, Komponenten und Verfahrensschritten können auch weitere Merkmale, Komponenten oder Verfahrensschritte bereitgestellt sein, insbesondere in herkömmlichen Transformatorschaltungen verwendete Merkmale und Komponenten, die daher hier nicht explizit beschrieben werden.
Nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Testen oder Prüfen von Spulen bei sogenannten kernlosen Transformatoren. Die 1 ist ein Diagramm einer Schaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Die Schaltung der 1 umfasst eine integrierte Hochspannungsschaltung 10 (Hochspannungs-IC) und eine integrierte Niedrigspannungsschaltung 11 (Niedrigspannungs-IC). Die Begriffe „Hochspannung“ und „Niedrigspannung“ sind dabei zunächst relativ zueinander zu verstehen, d.h. die integrierte Hochspannungsschaltungsschaltung 10 arbeitet bei höheren Spannungen als die integrierte Niedrigspannungsschaltung 11. Beispielsweise kann die integrierte Hochspannungsschaltung 10 bei Spannungen >20 V oder >100 V, z.B. 400 V, arbeiten.
Die integrierte Niedrigspannungsschaltung 11 kann beispielsweise Sensorschaltungen, Berechnungsschaltungen und/oder Logikschaltungen umfassen. Es ist zu bemerken, dass auch jegliche andere Art von Schaltungen in der integrierten Niedrigspannungsschaltung 11 und in der integrierten Hochspannungsschaltung 10 verwendet werden können.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann die integrierte Hochspannungsschaltung 10 Leistungstransistoren zum Schalten von hohen Strömen oder Spannungen, z.B. zum Ansteuern eines Dreiphasen-Elektromotors, umfassen, und die integrierte Niedrigspannungsschaltung 11 kann eine Steuerschaltung zum Steuern der Leistungstransistoren umfassen.
Um ein Übertragen von Signalen, z.B. Steuersignalen für die oben erwähnten Leistungstransistoren, zwischen der integrierten Hochspannungsschaltung 10 und der integrierten Niedrigspannungsschaltung 11 zu ermöglichen, ist eine Transformatoranordnung umfassend einen ersten Transformator 12A und einen zweiten Transformator 12B bereitgestellt. Über die Transformatoren 12A, 12B können Signale induktiv zwischen der integrierten Hochspannungsschaltung 10 und der integrierten Niedrigspannungsschaltung 11 übertragen werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 weist jeder Transformator 12A, 12B eine differenzielle Ausgestaltung mit zwei Spulenpaaren auf. Dies kann eine Qualität der Signalübertragung verbessern. Derartige differenzielle oder auch einpolige Ausgestaltungen von Transformatoren können in jeder herkömmlichen Weise vorgenommen werden. Die Transformatoren 12A, 12B sind mit der integrierten Hochspannungsschaltung 10 durch Bonddrähte gekoppelt.
Zur Veranschaulichung ist in 2 eine vereinfachte Querschnittsansicht eines derartigen Transformators gezeigt. In 2 ist dabei eine erste Spule 21 in einer ersten Metalllage über einem Substrat 24 und eine zweite Spule 20 in einer zweiten Metalllage über dem Substrat 24 angeordnet. Zwischen den Spulen 20, 21 ist ein Dielektrikum 22 angeordnet. Das Substrat 24 kann ein Halbleitersubstrat sein, auf dem im Falle der 1 auch die übrige integrierte Niedrigspannungsschaltung 11 ausgebildet ist. Die erste Spule 20 ist dann mit einem Bonddraht 25 mit der integrierten Hochspannungsschaltung 10 verbunden, während die zweite Spule 21 mit der übrigen integrierten Niedrigspannungsschaltung 11 durch (nicht dargestellte) Metallverbindungen, beispielsweise in der zweiten Metalllage der zweiten Spule 21 oder in weiteren Metalllagen, verbunden ist. Andere Spulenpaare bei differenzieller Ausgestaltung des Transformators und weitere Spulenpaare von weiteren Transformatoren (beispielsweise der Transformatoren 12A, 12B der 1) können entsprechend ausgestaltet sein.
Um die Transformatoren 12A, 12B der 1 ist ein Guardring 13 angeordnet. Dieser ist von einem Guardring 14, welcher die gesamte integrierte Niedrigspannungsschaltung 11 umgibt, getrennt. Diese Trennung der Guardringe 13 und 14 ist in 3 noch einmal deutlich gezeigt.
Der Guardring 13 kann beispielsweise durch vertikale Verbindungen (vias; „vertical interconnect access“) von Metallabschnitten in mehreren Metalllagen gebildet sein, wie in 2 für einen Guardring 26 gezeigt ist. Diese Metalllagen umfassen insbesondere in dem Fall der 2 die Metalllagen, in denen auch die erste Spule 20 und die zweite Spule 21 ausgebildet sind.
Der Guardring 13 der 1 bzw. der Guardring 26 der 2 bildet eine laterale Isolation für die Transformatoren. Eine derartige Anordnung mit Transformatoren und Guardring führt zu einer Isolationsbarriere zwischen einer Hochspannungsdomäne der integrierten Hochspannungsschaltung 10 und einer Niedrigspannungsdomäne der integrierten Niedrigspannungsschaltung 11. Diese Isolationsbarriere ist in 2 gestrichelt als Isolationsbarriere 23 eingezeichnet.
Bei der Fertigung der Spulen der Transformatoren können verschiedene Defekte auftreten. Um derartige Defekte detektieren zu können, weist die Schaltung der 1 eine Resonanzschaltung 15 auf, die mit einer oder mehreren der Spulen der Transformatoren 12A, 12B koppelbar ist. Eine Resonanzschaltung ist dabei eine Schaltung, die zusammen mit der Spule der Transformatoren 12A, 12B, mit der sie gekoppelt sind, einen Resonanzkreis, insbesondere einen LC-Resonanzkreis, bei der die Spule(n) die Induktivität bildet/n, bilden kann. Die Resonanzschaltung kann auch Komponenten umfassen, um dem so gebildeten Resonanzkreis Energie zuzuführen und so eine Oszillatorschaltung zu bilden. Ein derartiger Resonanzkreis (auch als Schwingkreis bezeichnet) weist eine Eigenfrequenz f0 auf. Zudem weist der Resonanzkreis aufgrund von Verlusten einen Stromverbrauch auf, insbesondere, wenn er eine Amplitudenregelung aufweist. Dies wird näher erläutert. Ein Maß für den Stromverbrauch I und optional auch ein Maß für die Eigenfrequenz f sind an dem Resonanzkreis 15 abgreifbar. Auf Basis des Maßes für die Eigenfrequenz und des Maßes für den Stromverbrauch können Fehler der Spulen detektiert werden, insbesondere wenn die so bestimmten Maße für die Eigenfrequenz oder den Stromverbrauch von einem erwarteten Wert abweichen. So können beispielsweise Defekte der Spulen die Induktivität der Spulen oder den ohmschen Widerstand der Spulen verändern, was sowohl die Eigenfrequenz des Resonanzkreises als auch den Stromverbrauch des Resonanzkreises beeinflussen kann.
Unter einem Maß für die Eigenfrequenz ist dabei eine Größe zu verstehen, welche Rückschlüsse auf die Eigenfrequenz zulässt. Bei manchen Ausführungsbeispielen, die später näher erläutert werden, ist das Maß ein Signal, das aus einem Ausgangssignal des Resonanzkreises durch Frequenzteilung hervorgeht. Entsprechend ist ein Maß für einen Stromverbrauch eine Größe, die Rückschlüsse auf den Stromverbrauch zulässt. Dies ist im vorliegenden Fall ein Regelungsparameter einer Stromregelung.
Ein Flussdiagram eines entsprechenden Verfahrens ist in 3 dargestellt. Das Verfahren der 3 kann in den Schaltungen der 1 und 2 angewendet werden, und wird zur Vereinfachung unter Bezugnahme auf die vorstehenden Erläuterungen beschrieben. Das Verfahren der 3 kann jedoch auch auf andere Schaltungen, die einen entsprechenden Transformator enthalten, angewendet werden.
Bei 30 wird eine Resonanzschaltung wie die Resonanzschaltung 15 der 1 oder nachfolgend unter Bezugnahme auf die 5 und 6 beschriebene Resonanzschaltungen mit einer Spule oder mehreren Spulen eines Transformators gekoppelt. Dieses Koppeln kann insbesondere in einer Diagnosebetriebsart vorgenommen werden. In einer Normalbetriebsart kann die Resonanzschaltung von der Spule entkoppelt sein, und/oder die Resonanzschaltung kann deaktiviert sein. In der Normalbetriebsart können dann Signale wie beschrieben über den Transformator, beispielsweise zwischen der integrierten Niedrigspannungsschaltung 11 und der integrierten Hochspannungsschaltung 10 der 1, übertragen werden.
Bei 31 wird dann ein Maß für den Stromverbrauch und optional auch für die Eigenfrequenz eines Resonanzkreises, der durch die Resonanzschaltung zusammen mit der Spule gebildet wird, ausgegeben. Basierend auf dem Maß kann dann wie erläutert ein Defekt der Spule erkannt werden.
Verschiedene Fehler, die bei Spulen auftreten können und mit hier beschriebenen Techniken erkannt werden können, sind in den Bildern 1 bis 5 der 3 dargestellt. Die Bilder 1 bis 5 der 4 zeigen jeweils Draufsichten auf einen Teil einer Spule. In Bild 1 sind die Windungen einer oberen (weiter vom Substrat entfernten) Spule (z.B. Spule 20 der 2) durch eine falsche Prozessierung kurzgeschlossen. In Bild 2 liegt eine hochohmige Leitung in einer unteren (näher am Substrat liegenden) Spule (z.B. Spule 21 der 2) vor. In Bild 3 liegt eine Unterbrechung von Windungen der oberen Spule vor. In Bild 4 sind die äußeren Windungen der oberen Spule kurzgeschlossen. In Bild 5 liegen Kurzschlüsse innerhalb der oberen Spule vor.
Derartige Fehler verändern beispielsweise die Induktivität der Spulen, was sich in der Resonanzfrequenz des mittels der Resonanzschaltung 15 gebildeten Resonanzkreises widerspiegelt. Auch der ohmsche Widerstand der Spulen und somit die Stromaufnahme des Resonanzkreises wird durch derartige Fehler beeinflusst. Daher können derartige Fehler auf Basis des Maßes für die Resonanzfrequenz und/oder des Maßes für den Stromverbrauch detektiert werden. Es ist zu bemerken, dass auch andere als die in 4 gezeigten Fehler detektiert werden können, solange sie den ohmschen Widerstand und/oder die Induktivität der Spulen entsprechend beeinflussen.
Die 5 zeigt eine Schaltung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. In der Schaltung der 5 werden Signale von einer Kommunikationsschaltung 50, die hier als Sendeschaltung (TX) dient, zu einer Kommunikationsschaltung 51, die hier als Empfangsschaltung (RX) dient, über einen Transformator gesendet. Der Transformator ist hier ein differenzieller Transformator zur differenziellen Signalübertragung mit einem ersten Spulenpaar 53A, 53B und einen zweiten Spulental 54A, 54B. Eine erste Spule 53A des ersten Spulenpaars und eine erste Spule 54A des zweiten Spulenpaars ist wie dargestellt mit der Kommunikationsschaltung 51 verbunden. Ein erster Anschluss der ersten Spule 53A und ein zweiter Anschluss der ersten Spule 54A ist mit der Kommunikationsschaltung 51 verbunden, während ein zweiter Anschluss der ersten Spule 53A und ein erster Anschluss der ersten Spule 54A mit Masse verbunden ist. Eine zweite Spule 53B des ersten Spulenpaars und eine zweite Spule 54B des zweiten Spulenpaars sind in entsprechender Weise mit der Kommunikationsschaltung 50 verbunden, wobei wiederum ein erster Anschluss der zweiten Spule 53B und ein zweiter Anschluss der zweiten Spule 54B zum Empfangen von Signalen von der Kommunikationsschaltung 50 dienen und ein zweiter Anschluss der zweiten Spule 53B und ein erster Anschluss der zweiten Spule 54B auf Masse liegen.
Die Kommunikationsschaltung 50 kann beispielsweise in einer Niedrigspannungsdomäne wie der integrierten Niedrigspannungsschaltung 11 angeordnet sein und zu sendende Signale di empfangen, die dann über den Transformator an die Kommunikationsschaltung 51 gesendet werden und von dieser als Empfangssignale do ausgegeben werden. Während bei dem Ausführungsbeispiel der 5 die erste Kommunikationsschaltung 50 zum Senden von Signalen und die zweite Kommunikationsschaltung 51 zum Empfangen von Signalen dient, kann dies auch umgekehrt sein, oder die Kommunikationsschaltungen können zur bidirektionalen Datenübertragung ausgestaltet sein. Jegliche herkömmliche Implementierung von Kommunikationsschaltungen zum Senden von Signalen über einen Transformator kann dabei verwendet werden. In dem Beispiel der 5 sind die Verbindungen zwischen den Kommunikationsschaltungen 50, 51 und den jeweiligen Spulen 53A, 53B, 54A, 54B zudem wie dargestellt über parasitäre Kapazitäten, die sich aus den Komponenten der Schaltung der 5 und dem Layout ergeben, mit Masse verbunden.
Die Schaltung der 5 weist des Weiteren eine erste Resonanzschaltung 52A, welche mit den ersten Spulen 53A, 54A wie dargestellt gekoppelt ist, und eine zweite Resonanzschaltung 52B, welche mit den zweiten Spulen 53B, 54B wie dargestellt gekoppelt ist, auf. Diese Kopplung kann als wahlweise Kopplung (beispielsweise mittels entsprechender Schalter) ausgestaltet sein, sodass die Resonanzschaltungen 52A, 52B nur zu Diagnosezwecken mit den jeweiligen Spulen gekoppelt werden und im Normalbetrieb, wenn Signale von der Kommunikationsschaltung 50 zu der Kommunikationsschaltung 51 gesendet werden, von diesen entkoppelt werden. Bei manchen Ausführungsbeispielen werden die Resonanzschaltungen 52A, 52B auch nur während eines Produkttests mit den jeweiligen Spulen 53A, 54A bzw. 53B, 54B gekoppelt und danach permanent deaktiviert. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann das Koppeln wiederholt während einer Lebensdauer der Schaltung vorgenommen werden, um auftretende Effekte der Spulen zu erkennen. Statt eines Entkoppelns kann bei anderen Ausführungsbeispielen die Oszillatorschaltung 52A oder 52B im Normalbetrieb auch stromlos geschaltet werden, z.B. von einer Versorgung entkoppelt werden.
Die Resonanzschaltung 52A bildet mit den Spulen 53A, 54A einen Resonanzkreis, dessen Eigenfrequenz durch eine Induktivität der Spulen 53A, 54A sowie durch Kapazitäten des Resonanzkreises 52A bestimmt werden. Zur Diagnose schwingt dieser Resonanzkreis dann bei seiner Eigenfrequenz, wozu dem Resonanzkreis Strom zugeführt wird. Ein Ausgangssignal mit dieser Eigenfrequenz wird dann noch von einem Frequenzteiler 55A geteilt, um ein Ausgangssignal f auszugeben, dessen Frequenz ein Maß für die Eigenfrequenz darstellt. Bei manchen Anwendungen können Eigenfrequenzen im Gigahertzbereich, beispielsweise ca. 8 GHz, auftreten. Durch den Frequenzteiler 55A wird diese Frequenz verringert, sodass das Ausgangssignal f durch nachfolgende Schaltungsteile leichter verarbeitbar ist. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann der Frequenzteiler 55A jedoch auch weggelassen sein. Zudem gibt die Oszillatorschaltung 52A ein Maß für den Stromverbrauch I aus.
Ist beispielsweise ein Kurzschluss in einer Transformatorwindung vorhanden, wird die effektive Induktivität der jeweiligen Spule kleiner und die Oszillatorfrequenz steigt, da die Eigenfrequenz $f 0 = 1 / (2 \times π \sqrt{L \times C})$
ist, wobei L die Induktivität der Spule und C die Kapazität (welche sich auch aus Kapazitäten mehrerer Kondensatoren zusammensetzen kann) des Resonanzkreises ist. Eine so hervorgerufene Abweichung von einer erwarteten Frequenz kann detektiert werden. Ist eine Windung einer Spule hochohmiger als sie sein sollte, sinkt die Güte des Resonanzkreises, und der Stromverbrauch steigt. Zudem kann auch ein Kurzschluss einer Transformatorwindung einen Einfluss auf den Stromverbrauch haben, und/oder eine hochohmige Windung kann einen Einfluss auf die Induktivität und somit auf die Frequenz haben. Somit können derartige Fehler durch Auswertung der Eigenfrequenz und/oder des Stromverbrauchs detektiert werden. Hierzu können beispielsweise in einer Diagnoseschaltung 56 das Maß für die Eigenfrequenz (Signal f) und/oder das Maß für den Stromverbrauch (I) mit erwarteten Werten verglichen werden, und bei einer Abweichung, die eine vorgegebene Toleranzschwelle überschreitet, kann ein Fehlersignal ausgegeben werden.
Die obigen Erläuterungen für die Resonanzschaltung 52A mit Frequenzteiler 55A gelten in entsprechender Weise auch für die Resonanzschaltung 52B und den Frequenzteiler 55B für ein Testen der zweiten Spulen 53B, 54B.
Ein Beispiel für die Ausgestaltung einer derartigen Resonanzschaltung ist in der 6 dargestellt. Komponenten, die Komponenten der 5 entsprechen, tragen dabei die gleichen Bezugszeichen und werden nicht nochmals erläutert.
Die 6 zeigt eine Resonanzschaltung, die mit den zweiten Spulen 53B, 54B gekoppelt ist und als Beispiel für die Resonanzschaltung 52B der 5 dienen kann. Eine entsprechend ausgestaltete Resonanzschaltung kann auch (entsprechend der Resonanzschaltung 52A der 5) mit den ersten Spulen 53A, 54A gekoppelt sein. Die Kommunikationsschaltung 50 ist zur Vereinfachung in der 6 nicht dargestellt.
Die Resonanzschaltung der 6 umfasst ein Paar von Transistoren 60A, 60B, die über Kondensatoren 63A, 63B kreuzgekoppelt sind und von einer Biasspannung Vbias über Widerstände wie dargestellt vorgespannt werden können. Zudem sind Kondensatoren 64A, 64B parallel zu den zweiten Spulen 53B, 54B gekoppelt. Der so gebildete Resonanzkreis wird über eine steuerbare Stromquelle 65, die von einer Versorgungsspannung V_supply gespeist wird, versorgt. In diesem Fall umfasst die Resonanzschaltung also auch Komponenten zur Zufuhr von Energie zu dem Resonanzkreis, wie bereits bei der Beschreibung der 1 als Möglichkeit Über einen Transistor 66 kann die Resonanzschaltung ausgeschaltet werden, indem sie von der Versorgungsspannung getrennt wird. So kann die Resonanzschaltung beispielsweise in einer Normalbetriebsart ausgeschaltet werden und nur zu Diagnosezwecken aktiviert werden.
Die Eigenfrequenz des so gebildeten Resonanzkreises ist durch eine Induktivität der zweiten Spulen 53B, 54B und eine Kapazität der Kondensatoren 63A, 63B, 64A, 64B gemäß der obigen Formel bestimmt. Ein Ausgangssignal der Resonanzschaltung mit dieser Frequenz ist an Knoten 61A, 61B abgreifbar und kann dann wieder wie unter Bezugnahme auf die 5 bereits erläutert noch einem Frequenzteiler zugeführt werden. Das Ausgangssignal der Resonanzschaltung wird zudem einer Amplitudenregelung 62 (AGC, Automatic Gain Control) zugeführt. Diese regelt den Strom I, der durch die Stromquelle 65 zugeführt wird, so, dass die Schwingungsamplitude des Ausgangssignals der Resonanzschaltung einen vorgegebenen Wert annimmt. Jede herkömmliche Amplitudenregelung kann hier verwendet werden. Die sich so ergebende Stromaufnahme des Resonanzkreises, der durch die Resonanzschaltung und die zweiten Spulen 53B, 54B gebildet wird, kann ebenfalls wie oben erläutert zur Analyse herbeigeführt werden. Insbesondere führt ein erhöhter Widerstand der Spulen zu einer höheren Stromaufnahme. Hierzu kann der Strom I in herkömmlicher Weise gemessen werden, beispielsweise über einen Stromspiegel, einen Messtransistor, einen Messwiderstand oder dergleichen, oder es können Regelparameter der Amplitudenregelung 62 als Maß für den Stromverbrauch herangezogen werden. Der Einfluss des Widerstandes auf den Stromverbrauch wird nun noch kurz unter Bezugnahme auf die 7 erläutert.
Wie bereits erläutert bilden die Spulen zusammen mit den Kondensatoren der Resonanzschaltung einen Resonanzkreis. Ein einfaches Ersatzschaltbild für diesen Resonanzkreis zeigt die 7 auf der linken Seite. Hier sind die Spulen durch eine Reihenschaltung einer idealen Induktivität L (d.h. einer Induktivität ohne ohmschen Widerstand) und einem Serienwiderstand R_s dargestellt. Die Kondensatoren sind durch eine Kapazität C repräsentiert. Eine Eigenfrequenz fo eines derartigen Schwingkreises ist wie oben bereits erwähnt $f 0 = 1 / (2 \times π \sqrt{L \times C}) .$
Das Ersatzschaltbild auf der linken Seite der 7 kann durch das Ersatzschaltbild auf der rechten Seite der 7 ersetzt werden, bei dem anstelle des Serienwiderstandes R_s, welcher in Reihe zu der Induktivität L geschaltet ist, ein Parallelwiderstand R_p vorhanden ist. Dabei gilt $R_{p} = L / (R_{s} \times C) .$
Eine Amplitude der Schwingung ergibt sich dann zu A = gm x R_p, wobei gm ein Verstärkungsfaktor, der durch die kreuzgekoppelten Transistoren 60A, 60B ist, welcher wiederum von der Größe des Stroms I abhängt, ist. Je größer der ohmsche Widerstand der Spulen und somit R_s, desto kleiner ist R_p und desto größer muss für eine gegebene Amplitude der Verstärkungsfaktor gm sein. Somit ist hier ein größerer Stromverbrauch erforderlich, und die Stromaufnahme kann Hinweise auf einen erhöhten Widerstand der Spulen geben.
Somit lassen sich durch verschiedene Ausführungsbeispiele Fehler in Spulen feststellen.
Einige Ausführungsbeispiele werden durch die nachfolgenden Beispiele definiert:

Beispiel 1. Schaltung, umfassend:
- einen Transformator mit
  - einer ersten Spule, die auf einem Substrat angeordnet ist,
  - einer zweiten Spule, die über der ersten Spule auf dem Substrat angeordnet ist, und
  - einem Dielektrikum zwischen der ersten Spule und der zweiten Spule, und
- eine Resonanzschaltung, die mit der ersten Spule und/oder der zweiten Spule zur Bildung eines Resonanzkreises koppelbar ist, wobei die Resonanzschaltung eine Stromregelung eines Stroms durch den Resonanzkreis umfasst, die eingerichtet ist, eine Schwingungsamplitude des Resonanzkreises zu regeln,

Beispiel 2. Schaltung nach Beispiel 1, wobei die Schaltung eingerichtet ist, in einer Normalbetriebsart Signale über den Transformator zu übertragen und die Resonanzschaltung von der ersten Spule und der zweiten Spule zu entkoppeln und/oder die Resonanzschaltung zu deaktivieren.
Beispiel 3. Schaltung nach Beispiel 1 oder 2, wobei ein Maß für eine Eigenfrequenz des Resonanzkreises an dem Ausgang der Resonanzschaltung abgreifbar ist.
Beispiel 4. Schaltung nach Beispiel 3, wobei die Resonanzschaltung eine erste Resonanzschaltung, die mit der ersten Spule zur Bildung eines ersten Resonanzkreises koppelbar ist und an deren Ausgang eine erste Eigenfrequenz des ersten Resonanzkreises abgreifbar ist, und eine zweite Resonanzschaltung, die mit der zweiten Spule zur Bildung eines zweiten Resonanzkreis koppelbar ist und an deren Ausgang eine zweite Eigenfrequenz des zweiten Resonanzkreises abgreifbar ist, umfasst.
Beispiel 5. Schaltung nach einem der Beispiele 3 oder 4, wobei die Resonanzschaltung eine Kapazität umfasst, wobei die Eigenfrequenz durch die Kapazität und eine Induktivität der ersten Spule oder zweiten Spule bestimmt ist.
Beispiel 6. Schaltung nach einem der Beispiele 1 bis 5, wobei die Resonanzschaltung ein Paar kreuzgekoppelter Transistoren umfasst.
Beispiel 7. Schaltung nach einem der Beispiele 1 bis 6, weiter umfassend eine Diagnoseschaltung, welche eingerichtet ist, einen Fehler der ersten Spule oder der zweiten Spule auf Basis der Eigenfrequenz und/oder des Stroms zu detektieren.
Beispiel 8. Schaltung nach einem der Beispiele 1 bis 7, wobei die erste Spule ein erstes differenzielles Spulenpaar und die zweite Spule ein zweites differenzielles Spulenpaar umfasst.
Beispiel 9. Schaltung nach einem der Beispiele 3 bis 5, wobei die Resonanzschaltung weiter einen Frequenzteiler zum Teilen der Eigenfrequenz umfasst, wobei an dem Ausgang die geteilte Eigenfrequenz als Maß für die Eigenfrequenz abgreifbar ist.
Beispiel 10. Verfahren, umfassend: Koppeln einer Resonanzschaltung mit einer ersten Spule oder zweiten Spule eines Transformators, um einen Resonanzkreis zu bilden, wobei die ersten Spule auf einem Substrat angeordnet ist, die zweite Spule über der ersten Spule auf dem Substrat angeordnet ist, und ein Dielektrikum zwischen der ersten Spule und der zweiten Spule angeordnet ist, Regeln eines Stroms durch den Resonanzkreis, um eine Schwingungsamplitude des Resonanzkreises zu regeln, und Ausgeben eines Regelungsparameters des Regelns des Stroms als Maß für die Eigenfrequenz des Resonanzkreises und/oder ein Maß für einen Stromverbrauch des Resonanzkreises.
Beispiel 11. Verfahren nach Beispiel 10, weiter umfassend, in einer Normalbetriebsart, Übertragen von Signalen über den Transformator und Entkoppeln der Resonanzschaltung von der ersten Spule und der zweiten Spule und/oder Deaktivieren der Resonanzschaltung.
Beispiel 12. Verfahren nach Beispiel 10 oder 11, weiter umfassend Ausgeben eines Maßes für die Eigenfrequenz des Resonanzkreises.
Beispiel 13. Verfahren nach Beispiel 12, wobei die Resonanzschaltung eine Kapazität umfasst, wobei die Eigenfrequenz durch die Kapazität und eine Induktivität der ersten Spule oder zweiten Spule bestimmt ist.
Beispiel 14. Verfahren nach einem der Beispiele 10 bis 13, weiter umfassend ein Detektieren eines Fehlers der ersten Spule oder der zweiten Spule auf Basis der Eigenfrequenz und/oder des Stroms.
Beispiel 15. Verfahren nach einem der Beispiele 11 oder 12, weiter umfassend ein Teilen der Eigenfrequenz, wobei das Maß für die Eigenfrequenz die geteilte Eigenfrequenz ist.
Obgleich in dieser Beschreibung spezifische Ausführungsbeispiele illustriert und beschrieben wurden, werden Personen mit üblichem Fachwissen erkennen, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Implementierung als Substitution für die spezifischen Ausführungsbeispiele, die in dieser Beschreibung gezeigt und beschrieben sind, ohne von dem Umfang der gezeigten Erfindung abzuweichen, gewählt werden können. Es ist die Intention, dass diese Anmeldung alle Adaptionen oder Variationen der spezifischen Ausführungsbeispiele, die hier diskutiert werden, abdeckt. Daher ist es beabsichtigt, dass diese Erfindung nur durch die Ansprüche und die Äquivalente der Ansprüche beschränkt ist.

Claims

Schaltung, umfassend: einen Transformator (12A; 12B) mit einer ersten Spule (21; 53B, 54B), die auf einem Substrat angeordnet ist, einer zweiten Spule (20; 53A, 54A), die über der ersten Spule (21; 53B, 54B) auf dem Substrat angeordnet ist, und einem Dielektrikum (22) zwischen der ersten Spule (21; 53B, 54B) und der zweiten Spule (20; 53A, 54A), und eine Resonanzschaltung (15; 52A, 52B), die mit der ersten Spule (21; 53B, 54B) und/oder der zweiten Spule (20; 53A, 54A) zur Bildung eines Resonanzkreises koppelbar ist, wobei die Resonanzschaltung (15; 52A, 52B) eine Stromregelung (62) eines Stroms durch den Resonanzkreis umfasst, die eingerichtet ist, eine Schwingungsamplitude des Resonanzkreises zu regeln, wobei an einem Ausgang der Resonanzschaltung (15; 52A, 52B) ein Regelungsparameter der Stromregelung als ein Maß für einen Stromverbrauch des Resonanzkreises abgreifbar ist.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei die Schaltung eingerichtet ist, in einer Normalbetriebsart Signale über den Transformator (12A; 12B) zu übertragen und die Resonanzschaltung (15; 52A, 52B)von der ersten Spule (21; 53B, 54B) und der zweiten Spule (20; 53A, 54A) zu entkoppeln und/oder die Resonanzschaltung (15; 52A, 52B)zu deaktivieren.
Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, wobei an dem Ausgang der Resonanzschaltung (15; 52A; 52B) ein Maß für die Eigenfrequenz des Resonanzkreises abgreifbar ist.
Schaltung nach Anspruch 3, wobei die Resonanzschaltung (15; 52A, 52B) eine erste Resonanzschaltung (52A), die mit der ersten Spule (21; 53B, 54B) zur Bildung eines ersten Resonanzkreises koppelbar ist und an deren Ausgang eine erste Eigenfrequenz des ersten Resonanzkreises abgreifbar ist, und eine zweite Resonanzschaltung (52B), die mit der zweiten Spule (20; 53A, 54A) zur Bildung eines zweiten Resonanzkreis koppelbar ist und an deren Ausgang eine zweite Eigenfrequenz des zweiten Resonanzkreises abgreifbar ist, umfasst.
Schaltung nach einem der Ansprüche 3 bis 4, wobei die Resonanzschaltung (15; 52A, 52B) eine Kapazität (63A, 63B; 64A; 64B) umfasst, wobei die Eigenfrequenz durch die Kapazität (63A, 63B; 64A, 64B) und eine Induktivität der ersten Spule (21; 53B, 54B) oder der zweiten Spule (20; 53A, 54A) bestimmt ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Resonanzschaltung (15; 52A, 52B) weiter einen Frequenzteiler (55A, 55B) zum Teilen der Eigenfrequenz umfasst, wobei an dem Ausgang die geteilte Eigenfrequenz als Maß für die Eigenfrequenz abgreifbar ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Resonanzschaltung (15; 52A, 52B) ein Paar kreuzgekoppelter Transistoren (60A, 60B) umfasst.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, weiter umfassend eine Diagnoseschaltung (56), welche eingerichtet ist, einen Fehler der ersten Spule (21; 53B, 54B) oder der zweiten Spule (20; 53A, 54A) auf Basis der Eigenfrequenz und/oder des Stroms zu detektieren.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die erste Spule (21; 53B, 54B) ein erstes differenzielles Spulenpaar (53B, 54B) und die zweite Spule (20; 53A, 54A) ein zweites differenzielles Spulenpaar (53A, 54A) umfasst.
Verfahren, umfassend: Koppeln einer Resonanzschaltung (15; 52A, 52B) mit einer ersten Spule (21; 53B, 54B) oder zweiten Spule (20; 53A, 54A) eines Transformators (12A; 12B), um einen Resonanzkreis zu bilden, wobei die erste Spule (21; 53B, 54B) auf einem Substrat angeordnet ist, die zweite Spule (20; 53A, 54A) über der ersten Spule (21; 53B, 54B) auf dem Substrat angeordnet ist, und ein Dielektrikum (22) zwischen der ersten Spule (21; 53B, 54B) und der zweiten Spule (20; 53A, 54A) angeordnet ist, Regeln eines Stroms durch den Resonanzkreis, um eine Schwingungsamplitude des Resonanzkreises zu regeln, und Ausgeben eines Regelungsparameters des Regelns des Stroms als Maß für einen Stromverbrauch des Resonanzkreises.
Verfahren nach Anspruch 10, weiter umfassend, in einer Normalbetriebsart, Übertragen von Signalen über den Transformator (12A; 12B) und Entkoppeln der Resonanzschaltung (15; 52A, 52B) von der ersten Spule (21; 53B, 54B) und der zweiten Spule (20; 53A, 54A) und/oder Deaktivieren der Resonanzschaltung.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, weiter umfassend Ausgeben eines Maßes für die Eigenfrequenz des Resonanzkreises.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Resonanzschaltung (15; 52A, 52B) eine Kapazität (63A, 63B; 64A, 64B) umfasst, wobei die Eigenfrequenz durch die Kapazität (63A, 63B; 64A, 64B) und eine Induktivität der ersten Spule (21; 53B, 54B) oder zweiten Spule (20; 53A, 54A) bestimmt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 13, weiter umfassend ein Teilen der Eigenfrequenz, wobei das Maß für die Eigenfrequenz die geteilte Eigenfrequenz ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, weiter umfassend ein Detektieren eines Fehlers der ersten Spule (21; 53B, 54B) oder der zweiten Spule (20; 53A, 54A) auf Basis der Eigenfrequenz und/oder des Stroms.