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Dokumentenidentifikation DE69919134T2 01.09.2005
EP-Veröffentlichungsnummer 0001057237
Titel STROMVERSORGUNGEN FÜR ELEKTRONISCHE STEUEREINRICHTUNGEN
Anmelder Lucas Industries p.l.c., London, GB
Erfinder Davies, Garry Raymond, Hillmorton, Rugby CV21 4DA, GB
Vertreter WUESTHOFF & WUESTHOFF Patent- und Rechtsanwälte, 81541 München
DE-Aktenzeichen 69919134
Vertragsstaaten DE, ES, FR, GB, IT
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 29.01.1999
EP-Aktenzeichen 999027097
WO-Anmeldetag 29.01.1999
PCT-Aktenzeichen PCT/GB99/00319
WO-Veröffentlichungsnummer 0099044269
WO-Veröffentlichungsdatum 02.09.1999
EP-Offenlegungsdatum 06.12.2000
EP date of grant 04.08.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 01.09.2005
IPC-Hauptklasse H02J 9/06

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft Stromversorgungen für Mikroprozessoren, die als elektronische Steuereinrichtungen/Steuergeräte (ECUs) wirken, und betrifft insbesondere das Problem der Aufrechterhaltung des ECU-Betriebs im Fall von unbeabsichtigten Stromzufuhrunterbrechungen.

Mikroprozessoren werden vielfach zur Steuerung von Systemen verwendet, die von wesentlicher Bedeutung für die Sicherheit sind, beispielsweise elektronische Servobremssysteme in Fahrzeugen, Fahrzeug-Antiblockierbremssysteme, Fahrzeug-Motorverwaltungssysteme, aktive Federungssysteme von Fahrzeugen, Fahrzeug-Zündungssysteme und dergleichen.

Da ein Steuergerät in einem Fahrzeug gewöhnlich einer sehr groben Stromversorgung ausgesetzt ist, ist es wichtig, dass derartige Steuergeräte so ausgelegt sind, dass sie eine hohe Unempfindlichkeit gegen Elektrorauschen aufweisen, das in ihrer Betriebsumgebung erzeugt oder von ihrer Betriebsumgebung auf die Steuergeräte übertragen wird.

Die Versorgungsspannung für ein ECU-Steuergerät ist nicht vorhersagbar und kann viele Störimpulse und Spitzen von hoher Energie, schnelle vorübergehende Störungen oder Störungen von langer Dauer enthalten. Diese Störungen stellen Rauschen in dem elektrischen Versorgungssystem dar, und wenn das ECU-Stromversorgungssystem nicht für den Umgang mit diesem Rauschen ausgelegt ist, kann die ECU unvorhersagbare Ergebnisse hervorbringen und die Leistung des Systems und des Fahrzeugs herabsetzen.

Die Quelle des Rauschens in dem elektrischen System eines Fahrzeugs kann von einer großen Vielzahl von Quellen, wie beispielsweise Gebläsen, Relais, raschen Stromveränderungen durch induktive Lasten (Spitzen), Hochstromausgleichsvorgängen durch die Batteriequellenimpedanz (Störimpulsen), Generator- und Anlasserrauschen und Zündschaltkreisrauschen, stammen. Eine ECU-Stromversorgung muss so konstruiert sein, dass sie sowohl diese Bedingungen des schlimmsten Falls (Rauschen) tolerieren als auch innerhalb dieser Bedingungen arbeiten kann.

Beispielsweise kann in einer Praxissituation ein Steuergerät eine Spezifizierung aufweisen, (von einem normalen 12 Volt-Pegel) auf eine kontinuierliche Batteriespannung von 7000 Volt herab zu arbeiten und während eines Zustands zu arbeiten, in dem die ECU-Versorgung eine Versorgungsunterbrechung aufweist, bei der die Spannung unmittelbar auf null fällt, einige Zeit auf diesem Pegel bleibt und dann wieder auf 7000 Volt ansteigt. Das Steuergerät muss während dieser Störung voll funktionsfähig sein und erfordert daher eine Stromversorgung mit "Betriebsstörungsfähigkeiten".

Der herkömmliche Weg, einen Betriebsstörungsbetrieb für die Steuergerätversorgung zu erreichen, ist in 1 der beigefügten Zeichnungen veranschaulicht, die den Eingang eines Spannungsreglers 10 zeigt, der über eine vorwärts vorgespannte Blockierdiode D1 an eine B+-Versorgung (zum Beispiel 12 Volt) angeschlossen ist. Zwischen dem Eingang des Tiefabfallspannungsreglers 10 und der anderen Stromversorgungsleitung 12 sind eine Hochleistungs-Zener-Diode Z1 und ein Elektrolytspeicherkondensator C1 parallel angeschlossen. Die B+-Leitung umfasst normalerweise ebenfalls einen Strombegrenzungswiderstand (nicht gezeigt). Der Spannungsreglerausgang befindet sich auf einer Leitung 14 und führt zu dem Steuergerät selbst (nicht gezeigt).

Der Schaltkreis handhabt Zufuhrunterbrechungen, indem er Ladung im elektrolytischen Kondensator C1 speichert. Die gespeicherte Energie (E) ist durch folgende Formel gegeben: E = 0·5.C.V2 wobei E in Joules, C in Farad und V in Volt angegeben ist.

Die Gleichung kann wie folgt erweitert werden: E = 0·5.C.(V1-V2)V2, wobei: V1 = Kondensatoranfangsspannung vor der Zufuhrunterbrechung,

V2 = Kondensatorendspannung, die verursacht, dass sich der Spannungsregler außerhalb der Regelung befindet.

Damit dieser Schaltkreis erfolgreich ist, muss daher der Kondensator C1 physikalisch groß genug sein, um Zufuhrunterbrechungen von einer geringen Startspannung aus, z.B. beim Starten des Motors, handhaben zu können. Die Nennspannung des Kondensators muss mindestens die Klemmenspannung der Zenerdiode Z1 betragen. Des Weiteren muss die Nennkapazität des Kondensators groß sein, da V1-V2 klein ist. Daher müssen der Kapazitätswert und damit die physikalische Größe des Kondensators zunehmen, wenn die Versorgungsspannung fällt. Für einen konstanten Wert der erforderlichen Energie muss die Kapazität

betragen.

Dies führt zu der Erfordernis eines physikalisch großen Kondensators.

Daher besteht ein Bedarf für einen Schaltkreis, durch den die physikalische Größe des Kondensators für eine gegebene Leistung kleiner sein könnte.

Aus GB-A-2262003 ist bereits eine Anordnung zur Bereitstellung eines Schutzes gegen einen Abfall der Versorgungsspannung bekannt, wobei eine Versorgungsspannung an einer Eingangsklemme über eine Schottky-Diode an eine Ausgangsklemme angelegt wird, ein Kondensator durch einen Spannungsaufspannschaltkreis auf eine Spannung aufgeladen wird, die größer ist als die Versorgungsspannung, und der Kondensator an die Ausgangsklemme angeschlossen wird, wenn ein FET als Reaktion darauf, dass ein Schaltkreis erfasst, dass die Spannung an der Klemme unter einen vorherbestimmten Pegel gefallen ist, eingeschaltet wird. Der Aufspannschaltkreis umfasst einen Ladungspumpenschaltkreis und einen spannungsregelnden und strombegrenzenden Schaltkreis. Der Ladungspumpenschaltkreis lädt den ersten und zweiten Kondensator jeweils auf das Zweifache und Dreifache der Eingangsspannung auf. Der Eingang des Reglers ist mit dem ersten Kondensator verbunden und der zweite Kondensator stellt eine Vorspannung für den FET bereit.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Schaltkreis zu schaffen, der die Eingangsspannung eines Spannungsreglers für die Dauer einer Zufuhrunterbrechung auf einem im Wesentlichen konstanten Pegel regelt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Spannungsversorgungsschaltkreis für eine elektronische Steuereinrichtung geschaffen, wie in Anspruch 1 dargestellt.

Die Ladungspumpe ist vorzugsweise ein Spannungsmultiplikator n-ter Ordnung.

Die Erfindung wird hierin im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:

1 ein vereinfachter Schaltplan eines herkömmlichen Schaltkreises ist, der vor einem Spannungsregler verwendet wird, um unerwünschte Versorgungsstörungen auszugleichen;

2 ein Schaltplan einer Ausführungsform eines ECU-Versorgungsspannungsschaltkreises gemäß der vorliegenden Erfindung ist; und

3 eine Anzahl von Kurven umfasst, die den Betrieb des Schaltkreises aus 2 veranschaulichen.

Unter Bezugnahme auf 2 umfasst der Schaltkreis nun wiederum einen herkömmlichen Spannungsregler 10, der über eine Diode D1 und eine Eingangsleitung 16 mit der Batterieversorgungsspannung B+ verbunden ist. Der Spannungsregler ist durch eine Leitung 18 mit der anderen Versorgungsleitung 12 verbunden. Die Widerstände R1 und R2, die zwischen den Versorgungsleitungen 12, 16 angeschlossen sind, bilden einen Spannungsteiler, wobei die Verbindung dieser Widerstände mit einem ersten Eingang (–) eines Operationsverstärkers verbunden ist, der einen Komparator 20 bildet, dessen zweiter Eingang (+) an eine Bezugsspannung Vref angeschlossen ist. Der Ausgang des Komparators 20 ist erstens über einen Widerstand R3 zurück an seinen ersten Eingang (–) und zweitens über einen Widerstand R4 an die Basis eines Transistors Tr1 angeschlossen. Der Emitter des Transistors Tr1 ist mit der Versorgungsleitung 12 verbunden und sein Kollektor ist über einen Widerstand R5 mit der Basis eines weiteren Transistors Tr2 verbunden, dessen Kollektor mit der Versorgungsleitung 16 verbunden ist und dessen Emitter durch eine Leitung 22 mit einer Ladungspumpe verbunden ist, die in diesem Beispiel in Form eines Spannungsmultiplikators 24 n-ter Ordnung vorliegt. Die Basis und der Emitter des Transistors Tr2 sind durch einen Widerstand R6 verbunden. Dieser Schaltkreis arbeitet wie folgt.

Während des normalen Betriebs, bei dem die Spannungseingabe in den Regler an der Leitung 16 oberhalb seiner Abfallspannung liegt, ist der Transistor Tr2 nicht-leitend (aus). Die Ladungspumpe 24 arbeitet fortwährend, um den Kondensator C2 auf seine normale Nennarbeitsspannung aufzuladen, die im Fall der Verwendung eines Spannungsmultiplikators n-ter Ordnung einer Spannung von n × B+ entspricht. Der Kondensator C2 wird daher auf einer Spannung weit oberhalb des Pegels B+ gehalten.

Der Transistor Tr2 ist zu diesem Zeitpunkt ausgeschaltet, da die Spannung an der Leitung 16 in den Regler 10 über seinem Schwellenwert liegt. Im Fall einer Unterbrechung der B+-Versorgung steuert die Spannungseingabe in den Operationsverstärker 20, gemessen zwischen R1 und R2, den Transistor Tr2 über Tr1 jedoch so, dass er sich ausreichend öffnet, um die Spannung am Eingang in den Regler 10 (Leitung 16) oberhalb seines Abfallspannungspegels zu halten. Daher besteht die Wirkung darin, die Eingangsversorgungsspannung in den Spannungsregler zu überwachen, und wenn die Spannung seinen Schwellenwert erreicht oder darunter abfällt, die Ladung in dem Kondensator C2 mit dem Eingang in den Regler zu verbinden, um seinen Betriebszustand aufrecht zu erhalten. R1, R2 und R3 steuern den Schwellenwert und die Verstärkung des Operationsverstärkers 20. Bei der veranschaulichten Ausführungsform wird der Kondensator C2 effektiv von einer aktiven Vorrichtung geregelt, die durch den Spannungsteiler R1, R2 des Operationsverstärkers 20 und die Transistoren Tr1, Tr2 gebildet wird, um die Reglereingabe auf einem festen Spannungspegel zu halten, für eine optimale Schaltkreisleistung gewöhnlich knapp oberhalb der "Abfallspannung" im schlimmsten Fall des Reglers.

Bei der veranschaulichten Ausführungsform kann der vorliegende Schaltkreis, verglichen mit dem bekannten Schaltkreis aus 1, eine länger andauernde Zufuhrunterbrechung für eine gegebene physikalische Größe des Kondensators handhaben, da er auf eine höhere Spannung geladen wird, wobei die gespeicherte verfügbare Energie abhängig von dem Quadrat der Spannung ist, wie aus der folgenden Energiegleichung ersichtlich ist: E = 0·5.C.V2

Da der Kondensator stets Ladung speichert und auf seiner maximalen Speicherkapazität oder dicht daran arbeitet und da die dem Regler zur Verfügung stehende Betriebsspannung näher an der Arbeitsspannung des Kondensators liegt, werden bedeutende Betriebsverbesserungen erzielt.

3 veranschaulicht den Betrieb des Schaltkreises aus 2, wenn die Versorgungsspannung B+ zum Zeitpunkt T1 vollständig entfernt wird. Anfänglich befindet sich die Eingabe in den Regler an der Leitung 16 bei V1 und ist aufgrund des Spannungsabfalls in D1 kleiner als B+. Die Ausgabe des Reglers 10 befindet sich konstant bei Vr. Wenn B+ zum Zeitpunkt T1 auf null abfällt, arbeitet der Schaltkreis so, dass die Spannung an der Leitung 16 bei V2 oberhalb der Abfallspannung des Reglers gehalten wird, und zwar bis zum Zeitpunkt T2, zu dem keine weitere Ladung verfügbar ist und die Eingabe in den Regler und damit seine Ausgabe auf null abfallen. Aufgrund der Wirkung dieses Schaltkreises wird die Zeitspanne t2 bis t1, verglichen mit der äquivalenten Zeitspanne, die ohne die Spannungszusatzwirkung des Schaltkreises zur Verfügung stände, bedeutend verlängert. Natürlich würde die Zufuhrunterbrechung beim tatsächlichen Betrieb nicht fortwährend stattfinden, sondern die Zufuhr würde weit vor dem Zeitpunkt t2 zurückkehren. Es würde dann keine Unterbrechung der Ausgabe des Reglers 10 stattfinden.

Der vorliegende Schaltkreis weist wie folgt eine Reihe von Vorteilen auf.

  • 1) Die physikalische Größe des Kondensators, der in der ECU verwendet wird, die eine gleiche Leistung wie in dem bisherigen Verfahren ergeben würde, das in Zusammenhang mit 1 erörtert wurde, ist kleiner, wenn dieselbe Konstruktion des Elektrolytkondensators verwendet wird.
  • 2) Die Probleme von PER-Veränderungen im Verhältnis zur Temperatur werden minimiert.
  • 3) Die Kosten einer ECU können niedriger gehalten werden.
  • 4) Das System ist in der Lage, Zufuhrunterbrechungen besser zu handhaben, wenn ein Elektrolytkondensator desselben Typs verwendet wird.
  • 5) Es kann schwierig sein, einen großen, voluminösen Kondensator sicher in einer ECU unterzubringen; das vorliegende Verfahren ist widerstandsfähiger.
  • 6) Die Nennarbeitsspannung des Kondensators kann niedriger sein, da er keiner Zener-Diodenklemmspannung ausgesetzt ist.
  • 7) Die Montagezeit einer ECU ist kürzer, da kleinere oberflächenmontierte Kondensatoren zur Verfügung stehen; das Verfahren des Stands der Technik erfordert möglicherweise manuelles Löten des Kondensators.
  • 8) Die Leiterplatte, die zur Aufnahme des Schaltkreises verwendet wird, kann vollständig oberflächenmontiert sein; es werden keine metallisierten Durchgangslöcher zur Befestigung des Kondensators benötigt.
  • 9) Das Verfahren ermöglicht die Verwendung von Nicht-Elektrolytkondensatoren, Kondensatoren, die aus unterschiedlichen Materialien konstruiert sind, können bedeutende Vorteile aufweisen, wie beispielsweise längere Lebensdauer, chemischen Widerstand, Temperatur, höhere Ladungsdichten.
  • 10) Die ECU kann Zufuhrunterbrechungen von einer niedrigeren Batteriespannung aus ausgleichen.
  • 11) Es können nicht polarisierte Kondensatoren verwendet werden.
  • 12) Die Betriebsspannung und die Nennarbeitsspannung der Kondensatoren können unter Verwendung der maximalen Speicherkapazität des Kondensators gleich sein.


Anspruch[de]
  1. Spannungsversorgungsschaltkreis für eine elektronische Steuereinrichtung, der Folgendes umfasst:

    – eine Diode (D1), die eine Kathode, die an eine Batterieversorgungsspannung (B+) angeschlossen ist, und eine Anode, die an eine erste Versorgungsleitung (16) angeschlossen ist, aufweist;

    – eine zweite Versorgungsleitung (12), die an die Batterie angeschlossen ist und dafür ausgelegt ist, an die elektronische Steuereinrichtung angeschlossen zu werden;

    – einen Spannungsregler (10), der einen Eingang, der an die erste Versorgungsleitung (16) angeschlossen ist, einen gemeinsamen Anschluss (18), der an die zweite Versorgungsleitung (12) angeschlossen ist, und einen Ausgang (14) aufweist, der dafür ausgelegt ist, an die elektronische Steuereinrichtung angeschlossen zu werden;

    – einen Kondensator (C2), der eine erste und eine zweite Klemme aufweist, wobei die erste Klemme des Kondensators (C2) an die zweite Versorgungsleitung (12) angeschlossen ist;

    – eine Ladungspumpe (24), die an die zweite Klemme des Kondensators (C2) angeschlossen ist, wobei die Ladungspumpe den Kondensator (C2) auf eine Spannung aufladen kann, die deutlich oberhalb der Batterieversorgungsspannung (B+) liegt;

    – einen elektronischen Schalter (Tr2), der zwischen der zweiten Klemme des Kondensators (C2) und der ersten Versorgungsleitung (16) angeschlossen ist, wobei der elektronische Schalter (Tr2) einen Steueranschluss aufweist;

    – einen Spannungsteiler (R1, R2), der zwischen der ersten und zweiten Versorgungsleitung (16, 12) angeschlossen ist; und

    – einen Vergleicher (20), der einen ersten und einen zweiten Eingangsanschluss (+, –) und einen Ausgangsanschluss aufweist, wobei der erste Eingangsanschluss (–) des Vergleichers an den Spannungsteiler angeschlossen ist, der zweite Eingangsanschluss (+) des Vergleichers an eine Bezugsspannung (Vref) angeschlossen ist und der Ausgangsanschluss des Vergleichers mit der Steuerklemme des elektronischen Schalters (Tr2) gekoppelt ist, wobei der Vergleicher (20) den elektronischen Schalter (Tr2) veranlassen kann, die zweite Klemme des Kondensators (C2) an die erste Versorgungsleitung (16) anzuschließen, wenn die Batterieversorgungsspannung (B+) auf eine vorherbestimmte Spannung abnimmt, so dass der Kondensator (C2) die Spannung am Eingang des Spannungsreglers (10) für eine bestimmte Zeit oberhalb einer Abfallspannung (Vr) des Spannungsreglers (10) hält.
  2. Spannungsversorgungsschaltkreis nach Anspruch 1, wobei die Ladungspumpe ein Spannungsvervielfacher n-ter Ordung ist.
  3. Spannungsversorgungsschaltkreis nach Anspruch 1 oder 2, wobei der elektronische Schalter einen Transistor (Tr2) umfasst, dessen Emitter an die zweite Kondensatorklemme und dessen Kollektor an die erste Versorgungsleitung (16) angeschlossen ist, wobei der Transistor (Tr2) des Weiteren eine Basis aufweist, die den Steuereingang umfasst, der mit dem Vergleicher (20) gekoppelt ist, wobei der Vergleicher (20) den Transistor (Tr2) veranlassen kann, sich in einem nicht leitfähigen Zustand zu befinden, wenn die Batterieversorgungsspannung (B+) oberhalb der vorherbestimmten Spannung liegt, und der Vergleicher (20) den Transistor (Tr2) veranlassen kann, sich in einem leitfähigen Zustand zu befinden, wenn die Batterieversorgungsspannung (B+) auf die vorherbestimmte Spannung abfällt.
  4. Spannungsversorgungsschaltkreis nach Anspruch 3, wobei der Vergleicher (20) den Transistor (Tr2) des Weiteren veranlassen kann, in einen nicht leitfähigen Zustand zurückzuschalten, wenn die Batterieversorgungsspannung (B+) über die vorherbestimmte Spannung ansteigt.
  5. Spannungsversorgungsschaltkreis nach Anspruch 3, der des Weiteren einen ersten Widerstand (R6) umfasst, der zwischen dem Emitter des Transistors (Tr2) und der Basis des Transistors (Tr2) angeschlossen ist, und der einen zweiten Widerstand (R5) umfasst, der an die Basis des Transistors (Tr2) angeschlossen ist und mit dem Ausgang des Vergleichers (20) gekoppelt ist.
  6. Spannungsversorgungsschaltkreis nach Anspruch 5, wobei der Transistor (Tr2) ein erster Transistor (Tr2) ist und der zweite Widerstand (R2) an den Ausgang des Vergleichers (20) angeschlossen ist, und zwar über einen zweiten Transistor (Tr1), dessen Kollektor an den zweiten Widerstand (R5) angeschlossen ist, dessen Emitter an die zweite Versorgungsleitung (12) angeschlossen ist und dessen Basis über einen dritten Widerstand (R4) an den Ausgang des Vergleichers (20) angeschlossen ist.
  7. Spannungsversorgungsschaltkreis nach Anspruch 6, wobei der Vergleicher (20) einen Operationsverstärker umfasst.
  8. Spannungsversorgungsschaltkreis nach Anspruch 7, wobei der Spannungsteiler (R1, R2) ein Paar in Reihe geschaltete Widerstände aufweist und der erste Eingangsanschluss (–) des Vergleichers (20) des Weiteren an die gemeinsame Verbindung des Paars von Spannungsteilerwiderständen (R1, R2) angeschlossen ist.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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