CN105745842B

CN105745842B - 用于电感的驱动器电路、用于使电感运行的方法和有源发射装置

Info

Publication number: CN105745842B
Application number: CN201480064282.XA
Authority: CN
Inventors: H.弗罗伊茨海姆; D.萨斯
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date: 2013-10-11
Filing date: 2014-09-29
Publication date: 2019-01-22
Anticipated expiration: 2034-09-29
Also published as: JP2017501602A; DE102013220596A1; US20160250995A1; CN105745842A; KR20160068885A; KR101800568B1; JP6231198B2; US9802572B2; WO2015052033A1

Abstract

本发明涉及一种驱动器电路、一种用于使电感运行的方法和一种有源发射装置，其中电容器借助充电电流被充电到参考电压上，被充电的电容器通过电感以振荡方式放电，其中放电在流经电感的电流已经历了一个完整的振荡周期或者数倍振荡周期时结束。这种方法是非常高效的且在执行时需要少量开销。

Description

用于电感的驱动器电路、用于使电感运行的方法和有源发射装置

技术领域

本发明涉及一种用于电感、尤其是感性天线的驱动器电路、一种用于使电感运行的方法和一种具有驱动器电路的有源发射装置。

背景技术

譬如无钥匙启动进入（PASE，Passive Start Entry）系统的无钥匙车辆进入和启动系统是无需主动使用汽车钥匙来解锁车辆并且通过只不过操纵启动按钮来启动车辆的自动系统。这通过车辆驾驶员随身携带的带有芯片的电子钥匙来实现。由车辆经由至少一个在车辆上的天线以LF频率（LF代表频率在例如20kHz到200kHz之间的“低频（LowFrequency）”）周期地发送经编码的请求信号。该系统进入在UHF范围（UHF代表频率例如在三位数字的MHz范围中的“超高频（Ultra High Frequency）”）中的接收模式并且等待确认。如果配备有应答器的钥匙在有效距离中，则该应答器接收LF信号，将该LF信号解码并且将该LF信号采用新编码作为UHF信号再次发送。UHF信号在车辆中被解码。由于车辆知晓两个编码表，所以该车辆可以将自己的实际原始发送与刚刚接收到的信号相比较并且在相一致时允许进入。如果在限定的时间内不存在正确的应答，则没有什么发生并且该系统又切换到待机。发动机启动过程基本上对应于进入控制，只是在此要操纵发动机启动按钮。

作为用于发送LF信号的天线主要使用感性天线，其例如被实施为配备有绕组的铁氧体芯（也作为磁性天线或者铁氧体天线而公知）。感性天线的电感在此常常与谐振电路中的电容器一起使用。这种谐振电路的能量消耗通常通过尽可能高的品质和精确的频率调谐而被保持得低，以便将进入和启动系统的总能量消耗保持得尽可能小。因此，小的电流消耗例如单独地已经是值得期望的，因为否则在车辆的服务期限较长的情况下车辆电池会快速放电。然而，高品质限制了传输数据速率并且在该高品质的情况下精确的调谐需要一些开销。常见的布局因而大多是在数据速率、开销和能量消耗之间的并不令人满意的折衷。

发明内容

本发明的任务是提供一种与此有关地予以改进的用于电感的驱动器电路。此外，要提供一种改进的用于使电感运行的方法和一种改进的具有谐振电路的有源发射装置。

该任务通过用于电感的驱动器电路，或用于使电感运行的方法或有源发射装置来解决。

根据本发明的用于电感的驱动器电路包括电容器、两个用于为电容器输送参考电压的输入路径和两个用于将电感连接到电容器的输出路径。此外，驱动器电路包括可控的第一开关和可控的第二开关，所述可控的第一开关连接在两个输入路径中的一个中，所述可控的第二开关连接在两个输出路径中的一个中。电流测量装置连接在两个输出路径中的一个中并且被构造用于测量流经电感的电流。连接在电流测量装置下游的开关控制装置分析流经电感的电流并且被构造用于首先在第二开关断开时使第一开关闭合，以便用参考电压来给电容器充电，并且随后断开第一开关以及使第二开关闭合，以便电容器经由电感以振荡方式放电，其中只有当流经电感的电流已经历了一个完整的振荡周期或者数倍振荡周期时，第二开关才又被断开。

根据本发明的驱动器电路的优点是电路和调节开销低、电流消耗低、干扰信号释放更低和相对于标注尺寸公差的敏感性更低。

此外，电流限制装置或者电流注入装置（Stromeinpraegung）可以与第一开关串联连接，使得有利地不使电容器、开关或者参考电压源过载。

开关控制装置可以被构造用于，对所测量的电流的过零点进行检测并且在两个或者两个的整数倍的过零点之后断开第二开关。对过零点的检测是确定振荡周期的结束的简单和高效的可能性。

开关控制装置可以具有用于调制信号的调制输入端并且被构造用于根据调制信号来控制第一开关和第二开关的开关循环，以便有利地开发多种应用。

此外，开关控制装置可以被构造用于，执行天线电流的相移键控调制（Phase-Shift-Keying-Modulation）或者幅移键控调制（Amplitude-Shift-Keying-Modulation）或者频移键控调制（Frequency-Shift-Keying-Modulation）。开关控制装置在调制时提供了为1的有效品质，谐振电路以高品质并且由此非常节能地运行。

至少第一开关和第二开关可以被实施为可控的半导体器件，由此在开关频率较高的情况下也可以以简单的方式和以小的开销实施开关过程。

电流测量装置可以被实施为欧姆电阻，由此可以以简单的方式和以小的开销测量电流。

但是电流测量装置也可以被构造用于，如果电流测量是不期望的或者是不实用的，那么分析电容器上的电压的导数。

优选地，由电容器和电感形成的谐振电路具有谐振频率，该谐振频率高于被设置用于传输的载波频率。谐振频率例如可以是被设置用于传输的载波频率的百分之一百零五到百分之一百三十。

可控的第三开关可以与电容器并联连接，该可控的第三开关可以被控制为使得该可控的第三开关将该电容器短接，用于使驱动器电路停用。由此，有利地在被停用的状态下可以注入电容器上的诸如0V的限定的电压。

此外，该任务通过用于使电感运行的方法来解决，其中电容器借助充电电流被充电到参考电压上，被充电的电容器经由电感以振荡方式放电，其中当电流通过电感已经历了一个完整的振荡周期或者数倍振荡周期时放电结束。这种方法非常高效并且在执行时需要少量开销。

电容器的充电电流也可以被限制或者被注入，用于防止过流。

此外，在根据本发明的方法中，可以检测所测量的电流的过零点并且在两个或者两个的整数倍的过零点之后结束电容器的放电。对过零点的检测是确定振荡周期的结束的简单且高效的可能性。

尤其是在用作发射装置的情况下，电容器的充电和放电循环根据调制信号来控制。

在此，基于调制信号执行相移键控调制或者幅移键控调制或者频移键控调制。充电和放电循环可以被构建为使得以为1的有效品质进行调制，但谐振电路以高的品质运行，由此运行非常节能。

为了电流测量，替选地也可以分析电容器上的电压的导数。

此外，必要时也为了防止过流，电容器可以借助电流限制装置或者电流注入装置来短路，用于使驱动器电路停用，使得在被停用的状态下在电容器上存在限定的状态。

该任务也还通过一种有源发射装置来解决，该发射装置具有感性天线、电容器和参考电压。此外，该发射装置包括两个输入路径和两个输出路径，所述输入路径连接在参考电压与电容器之间，所述输出路径连接在感性天线和电容器之间。可控的第一开关连接在这两个输入路径中的一个中，而可控的第二开关连接在这两个输出路径中的一个中。此外，电流测量装置连接在这两个输出路径中的一个中并且测量流经感性天线的电流。连接在电流测量装置下游的开关控制装置分析流经感性天线的电流并且被构造用于首先在第二开关断开时使第一开关闭合，以便用参考电压给电容器充电，并且随后断开第一开关以及使第二开关闭合，以便使电容器经由感性天线以振荡方式放电，其中只有当流经天线的电流已经历了一个完整的振荡周期或者数倍振荡周期时才又断开第二开关。这样的有源发射装置例如可以有利地使用在譬如无钥匙启动进入（PASE）系统的无钥匙车辆进入和启动系统的范围中。

附图说明

以下参照在附图的图中所示出的实施例更为详细地阐述了本发明。

图1以电路图示出了在应用为用于LF信号的有源发射装置的情况下的示例性的用于电感的驱动器电路，

图2以曲线图示出了在驱动器电路的电容器上的电压相对于开关的控制信号和调制信号的变化过程，

图3以曲线图示出了在不同的谐振频率的情况下在驱动器电路的电容器上的电压相对于载波频率的变化过程，

图4以曲线图示出了流经天线的电流与根据图3的电压曲线相对应的变化过程，

图5以对比图示出了在传统的矩形波运行时并且在使用根据本发明的驱动器电路的情况下产生的谐波，

图6以曲线图示出了在二进制相移键控调制的情况下的天线信号的变化过程，

图7以曲线图示出了在幅移键控调制的情况下的天线信号的变化过程，以及

图8以曲线图示出了在频移键控调制的情况下的天线信号的变化过程。

具体实施方式

图1示出了在应用为有源发射装置的情况下的用于电感的驱动器电路的实施例，该电感在本情况下通过譬如铁氧体天线的感性天线1给出。感性天线1可以作为替代地如在图1中所示地通过由纯感性成分2和欧姆成分3构成的串联电路来描述。电容器4一方面与两个输入路径连接用以输送相对于地M的参考电压Ur，并且与两个输出路径连接用以连接感性天线1。在此，可控的第一开关5连接在这两个输入路径的上部输入路径中，其中该可控的第一开关5替选地也可能会连接在这两个输入路径中的下部输入路径中。

与开关5串联有欧姆电阻6，该欧姆电阻6用于在输入路径中进行电流限制。代替欧姆电阻6，也可能会使用电流源或者其他类型的电流注入装置或者电流限制装置。可控的第二开关7连接在这两个输出路径的上部输出路径中，并且用作用于测量流经感性天线1的电流Ia的、即用作电流测量装置的欧姆电阻8连接在这两个输入路径中的下部输入路径中。替换地，开关7和电阻8也可能会被布置在分别同一输入路径中，或者相应的输入路径可以彼此调换。为了电流测量，替换地也可分析电容器（4）上的电压的导数。

此外，驱动器电路包括开关控制装置9，该开关控制装置9通过电阻8截取电压，该电压与流经电阻8的电流Ia成比例，因而与流经天线1的电流成比例，分析该电压，例如确定电流Ia的过零点。在第二开关7断开时，第一开关5在受开关控制装置9控制的情况下借助控制信号S1被闭合，以便将电容器4充电到参考电压Ur上。紧接着，于是第一开关5断开而第二开关7借助控制信号S2闭合，以便将电容器4经由感性天线1以振荡方式放电，也就是实施至少一个完整振荡，其中只有当流经感性天线1的电流Ia已经历了一个完整的振荡周期（或者数倍振荡周期）时，才又断开第二开关7。开关控制装置9此外还具有用于调制信号MOD的调制输入端，在下文中还将对调制信号MOD进一步探讨。

可选地，还可以将可控的第三开关10必要时与串联的二极管11一起，与电容器4直接连接或者如图所示经由电阻6并联连接，第三开关10借助控制信号S3被控制为使得该可控的第三开关10将电容器4短路，即放电以使驱动器电路停用。

在本实施例中，场效应晶体管、尤其是MOS场效应晶体管（MOS是术语“金属氧化物半导体（Metal Oxide Semiconductor）”的缩写）被用作可控的开关5、7和10，其中可控的开关5是p沟道型的MOS场效应晶体管，而可控的开关7和10是n沟道型。除了所示的（任意导电类型的）MOS场效应晶体管之外也可以使用所有其他类型的合适的可控的开关、尤其是可控的半导体开关，不言而喻也可以与相对应的驱动器、自举电路、电荷泵等等相连。

在图2中示出了针对二进制相移键控调制（BPSK调制）的情况，根据控制信号S1、S2和S3在电容器4上的关于时间t的电压Uc的曲线。在开始，在时间点T0开始将电容器4从例如0V首次充电到参考电压Ur，并且与此相应地，在电容器4上的电压Uc从例如0V升高到参考电压Ur（在本情况下以指数方式升高）。在时间点T1达到完全充电。为了即使在运行条件中的小偏差的情况下也确保完全充电，在为了充电而闭合的第一开关5（开关7断开）与为了振荡放电而闭合的第二开关7（开关5断开）之间的转换略微晚于时间点T1、即在时间点T2进行。

因此在时间点T2，电容器4的振荡放电的阶段开始。与此相应地，在电容器4上的电压Uc现在又（在本情况下余弦形地）下降，首先达到零并且随后根据由电容器4和天线1形成的谐振电路的特性在时间点T3达到具有与品质有关的幅度的负的最大值，以便随后又在时间点T4近似升高到具有与品质有关的幅度的相对的正的最大值上。正的最大值尽管差不多近似等于参考电压Ur，但总是小于该参考电压Ur。在振荡放电阶段期间，天线1发送电磁信号。在时间点T4，于是开始再充电阶段，其中在时间点T5达到完全充电。但从充电到振荡放电的转换，又出于上面已经描述的原因，在稍晚的时间点T6进行。此后又跟随直至时间点T8且包括在时间点T7达到负的最大值在内的振荡放电阶段。

此后又跟随以时间点T8开始的再充电阶段，在时间点T9达到完全充电。但此后跟随直至时间点T11的较长的等待时间，该等待时间由于BPSK调制而应归功于180º相移。为了比较，在图2中也还记入时间点T10，该时间点T10说明了在时间点T10与T11之间的最小等待时间。从时间点T11起，直至时间点T13再度进行振荡放电，在时间点T12有负的最大值。随后，直至时间点T14还发生再充电，但由于驱动器电路在时间点T14的停用所以通过最后放电到约0V（必要时在二极管11上的二极管电压），借助开关10终止再充电。

根据开关5、7和10的开关特性，控制信号S1在每个充电阶段期间（在时间点T0至T1、T4至T6、T8至T1、T13至T14之间）在电平H上，而控制信号S2首先在电平L上。对于各个跟随的放电阶段（在时间点T2至T4、T6至T8、T11至T13之间），控制信号S1转变到电平L，而控制信号S2转变到电平H。控制信号S3直至在时间点T14的最终放电在电平L上并且随后在电平H上。为了更好地理解，在根据图2的实施例中，原则上电平H代表闭合的开关（导通），而电平L代表断开的开关（不导通）。然而，取决于单个的或者所有实际所使用的开关的类型和其特定的信号开关情况，可以得到偏离于其的实际操控信号（Ansteuersignal）。

导致在图2中所示的在电容器4上的电压Uc的变化过程的调制信号MOD同样在图2中示出。调制信号MOD直至时间点T2为电平H，随后直至时间点T3为电平L，在时间点T3为电平H，随后直至时间点T4为电平L，从时间点T4直至时间点T6为电平H，从时间点T6直至时间点T8为电平L，除了在时间点T7的电平H之外，从时间点T8直至时间点T11为电平H并且从时间点T11直至时间点T13为电平L，除了在时间点T12为电平H之外。由此，调制信号MOD基本上在电容器4的充电阶段中，以及在出现在电容器4上的电压Uc的负的最大值时为电平H和在其他情况下为电平L。

图3再一次详细地示出了在两个不同的谐振频率F1和F2的情况下在电容器4上的电压Uc关于时间t的曲线，其中谐振频率F1高于所期望的载波频率5%左右并且谐振频率F2高于所期望的载波频率30%左右。图4示出了针对两个谐振频率F1和F2的关于时间t的分别与之对应的电流Ia的曲线，如其例如在电阻8处所呈现出的那样。如要期望的那样，在相应的电压与电流之间的相移大约90°。

在图5中以通过天线1发射的信号的作为谐波的幅度A而关于频率f的频谱示意性地示出了得到的谐波，其中针对两种情况以具有相同的幅度（未示出）的基波振荡出发。如可看到的那样，本方法相对于使用矩形波信号的公知方法，在由谐波贡献的能量方面明显更有利，即从根据图1的电路中可看到的那样，开销更小的情况下，本方法产生更少的干扰能量并且由此在电磁兼容性（EMV）方面更有利。在天线的矩形波运行中，仅产生奇次谐波，而在本情况下不仅产生偶次谐波而且产生成奇次谐波。本驱动器电路的有利的特性从如下得到：流经天线1的电流Ia在宽的范围上是正弦的并且只有在正弦振荡过程之间的再充电时间期间的中断有助于产生谐波成分。基波振荡和谐波的幅度在此随着天线谐振频率和载波频率之间的比例而改变。

根据图2的实例基于BPSK调制。对此得到的作为关于时间t的幅度A的传输信号详细地在图6中示出。相同地，替换地许多其他调制类型也是合适的，诸如ASK调制（ASK代表“幅移键控”），相关的传输信号在图7中示出或者FSK调制（FSK代表“频移键控”），相关的传输信号在图8中示出。

BPSK调制在本驱动器电路中意味着，将180º相移根据要传输的逻辑值嵌入到载波信号中。例如，对于逻辑值L设置0º相移，而对于逻辑值H设置180º相移。在本驱动器电路中，通过如下方式实现180º的相移，各个即将到来的放电过程延迟相对应的时间被执行。尽管在本驱动器电路中，品质因数Q本来就非常高，但是BPSK调制立即产生，使得品质因数Q近似等于1。因此，损耗能量极小，因为为了调制目的，由电容器4和天线1构成的谐振电路不必放电。

在ASK调制的情况下，两个不同的幅度根据要传输的逻辑值来产生。在特定形式中，OOK（通断键控，On-Off Keying）是幅度值中的一个为零而另一个例如为最大值。关于本驱动器电路，特殊类型的调制导致，天线1保持关断整个时间，直至例如逻辑值L要被传输，否则天线1在逻辑值H要被传输时接通。这与在n个载波周期的持续时间上的n次360°的相移对应。在这种情况下，品质因数也为1并且在此也不从用于调制的系统取走能量。

FSK调制针对每一个逻辑值设置单独的载波频率。在本驱动器电路中为此在每个放电阶段之后嵌入相对应的相移，用于产生比标称载波频率低的载波频率。在这种情况下，品质因数也为1并且在此也不从用于调制的系统取走能量。

根据本发明的驱动器电路以及根据本发明的有源发射装置的优点是，可以实现高谐振电路品质因数Q，同时不损害传输质量并且不需要特定的品质因数Q；EMC发射相对低很多；损耗功率非常小；并且通过使用复用器也可以利用相同的驱动器而使多个不同的天线运行。

参考符号列表

1 天线

2 纯感性成分

3 纯欧姆性成分

4 电容器

5 可控的第一开关

6 电流限制装置、电阻

7 可控的第二开关

8 电流测量装置、电阻

9 开关控制装置

10 可控的第三开关

11 二极管

A 幅度

f 频率

F1 谐振频率

F2 谐振频率

H 电平

Ia 电流

L 电平

M 地

MOD 调制信号

Q 品质因数

S1 控制信号

S2 控制信号

S3 控制信号

t 时间

T0-T14 时间点

Uc 电容器上的电压

Ur 参考电压

Claims

1.一种用于电感（1）的驱动器电路，其具有：

电容器（4），

两个输入路径，用于输送用于所述电容器（4）的参考电压（Ur），

两个输出路径，用于将所述电感（1）连接到所述电容器（4）上，

可控的第一开关（5），所述可控的第一开关（5）连接在所述两个输入路径中的一个中，

可控的第二开关（7），所述可控的第二开关（7）连接在所述两个输出路径中的一个中，

电流测量装置（8），所述电流测量装置（8）连接在两个输出路径中的一个中并且被构造用于测量流经所述电感（1）的电流（Ia），以及

开关控制装置（9），所述开关控制装置（9）连接在所述电流测量装置（8）的下游，所述开关控制装置（9）分析流经所述电感（1）的电流（Ia）并且被构造用于首先在所述第二开关（7）断开时使所述第一开关（5）闭合，以便将所述电容器（4）充电到所述参考电压（Ur）上，并且随后断开所述第一开关（5）并且使所述第二开关（7）闭合，以便将所述电容器（4）经由所述电感（1）以振荡方式放电，其中所述第二开关（7）只有当流经所述电感（1）的所述电流（Ia）已经历了一个完整的振荡周期或者多个振荡周期时才又被断开。

2.根据权利要求1所述的驱动器电路，其中，电流限制装置（6）或者电流注入装置与所述第一开关（5）串联。

3.根据上述权利要求之一所述的驱动器电路，其中，所述开关控制装置（9）被构造用于检测所测量的所述电流（Ia）的过零点并且在两个或者为两个的整数倍的过零点之后断开所述第二开关（7）。

4.根据权利要求1所述的驱动器电路，其中，所述开关控制装置（9）具有用于调制信号（MOD）的调制输入端并且被构造用于，根据所述调制信号（MOD）控制所述第一开关（5）和所述第二开关（7）的开关循环。

5.根据权利要求4所述的驱动器电路，其中，所述开关控制装置（9）被构造用于，执行相移键控调制或者幅移键控调制或者频移键控调制。

6.根据权利要求1所述的驱动器电路，其中，至少所述第一开关（5）和所述第二开关（7）被实施为可控的半导体器件。

7.根据权利要求1所述的驱动器电路，其中，所述电流测量装置（8）被实施为欧姆电阻。

8.根据权利要求1所述的驱动器电路，其中，所述电流测量装置被构造用于分析所述电容器（4）上的电压的导数。

9.根据权利要求1所述的驱动器电路，其中，通过所述电容器（4）和所述电感（1）形成的谐振电路具有谐振频率，所述谐振频率高于被设置用于传输的载波频率。

10.根据权利要求9所述的驱动器电路，其中，所述谐振频率是被设置用于传输的载波频率的百分之一百零五到百分之一百三十。

11.根据权利要求1所述的驱动器电路，其中，可控的第三开关（10）与所述电容器（4）并联连接，所述可控的第三开关（10）被控制为使得所述可控的第三开关（10）将所述电容器（4）短路，用于使所述驱动器电路停用。

12.一种用于使电感（1）运行的方法，其中，

电容器（4）借助充电电流被充电到参考电压（Ur）上，以及

被充电的所述电容器（4）经由所述电感（1）以振荡方式被放电，其中放电在流经所述电感（1）的电流（Ia）已经历了一个完整的振荡周期或者多个振荡周期结束，检测所测量的电流（Ia）的过零点并且在两个或者两个的整数倍的过零点之后使所述电容器（4）的放电结束。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述电容器（4）的所述充电电流被限制或者被注入。

14.根据权利要求12至13之一所述的方法，其中，所述电容器（4）的充电和放电循环根据调制信号（MOD）来控制。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，基于所述调制信号（MOD）执行相移键控调制或者幅移键控调制或者频移键控调制。

16.根据权利要求12所述的方法，其中，分析所述电容器（4）上的电压的导数用于电流测量。

17.根据权利要求12所述的方法，其中，所述电容器（4）被短路，用于使驱动器电路停用。

18.一种有源发射装置，其具有：

感性天线（1）

电容器（4），

参考电压（Ur），

两个输入路径，所述输入路径连接在所述参考电压（Ur）与所述电容器（4）之间，

两个输出路径，所述输出路径连接在所述感性天线（1）与所述电容器（4）之间，

电流测量装置（8），所述电流测量装置（8）连接在所述两个输出路径中的一个中并且被构造用于测量流经所述感性天线（1）的电流（Ia），以及

开关控制装置（9），所述开关控制装置（9）被连接在所述电流测量装置（8）的下游、分析流经所述感性天线（1）的电流（Ia）并且被构造用于首先在所述第二开关（7）断开时使所述第一开关（5）闭合，以便利用所述参考电压（Ur）给所述电容器（4）充电，并且随后断开所述第一开关（5），并且使所述第二开关（7）闭合，以便将所述电容器（4）经由所述感性天线（1）以振荡方式放电，其中所述第二开关（7）只有当流经所述感性天线（1）的所述电流（Ia）通过已经历了一个完整的振荡周期或者多振荡周期时才又被断开。