CN109937366A - 用于保护电子计算机免于短路的装置 - Google Patents

Abstract

本发明的主题是一种用于保护电子计算机（20）免于短路的装置，电子计算机（20），包括第一传感器管脚（40_1）的传感器（40），分流电阻器（100），其特征在于，其包括晶体管驱动模块（80），晶体管驱动模块（80）包括耦合到第一分流管脚（100_1）的第一驱动管脚（80_1），第二分流管脚（100_2）一边耦合到第一传感器管脚（40_1）并且另一边耦合到比较器模块（120）的第一比较器管脚（120_1），并且其特征在于，其被适配成当在传感器（40）处检测到短路时不再向传感器（40）供电。

Description

用于保护电子计算机免于短路的装置

技术领域

本发明一般涉及车载电子装置。

本发明更具体地涉及保护电子计算机的输入端。

本发明特别适用于机动车行业。本发明可以例如实现于发动机操纵计算机中。

背景技术

如今，机动车辆包括越来越多的车载电子设备，以便管理机动车辆内的各种功能。通常由电子计算机来执行这些各种功能的管理。因此，机动车辆可以包括多个电子计算机，如例如专用于管理制动的电子计算机、专用于管理座舱的电子计算机和专用于管理发动机操纵的电子计算机。

发动机操纵计算机包括许多电子部件，如存储器、微处理器、信号转换器，以及还包括功率电子器件级。功率电子器件级也称为“输出驱动器”，并且被适配成控制负载，如喷射器、阀门、电动机以及传感器。

随着车载功能的增加，电子计算机上几乎没有可用的管脚，迫使设计者和制造商思索新的技术解决方案来释放所述电子计算机上的管脚。

图1示出了耦合到例如发动机操纵计算机4的电压源类型的传感器2（来自现有技术）。传感器2例如是专用于检测内燃机凸轮轴的定位的传感器。这种传感器2通常包括三个管脚，其中第一传感器管脚2_1耦合到例如第一计算机管脚4_1，第二传感器管脚2_2耦合到专用于接收代表凸轮轴位置的信号的第二计算机管脚4_2，最后，第三传感器管脚2_3耦合到第三计算机管脚4_3，第三计算机管脚4_3通常耦合到机动车辆的电接地。尽管性能良好，但电压源类型的传感器2用得越来越少，因为它占据了发动机操纵计算机2的三个管脚。

图2示出了来自现有技术的电流源类型的传感器6的示例。该传感器6仅用两个管脚来操作并耦合到发动机操纵计算机4。因此，在发动机操纵计算机4上释放了一个管脚而实现了与电压源类型的传感器2的性能相同的性能，从而使得能够实现布线和连接性方面的效益。

电流源类型的传感器6，也称为双线传感器，通常用于曲轴的定位或凸轮轴的定位，并且在这种情况下分别称为“曲柄”传感器或“CAM”传感器。

电流源类型的传感器6以“电流”类型的方波信号的形式递送信息，这需要在发动机操纵计算机4上的更复杂的适配接口才能够检测（来自于传感器6的）接近的电流水平。实际上，需要检测具有较小的值（例如，约10mA左右）的电流阈值。为此，使用“分流”电阻器8。

确定分流电阻器8的大小相当复杂。实际上，其最大值被确定成使得传感器6的端子处的电压仍然足以使所述传感器正确地操作（传感器6的供电）。此外，其最小值被确定成使得获得用于检测对应于最小和最大电流值之间的差值的电流阈值的足够的准确度。

然而，在短路至电池电压的情况下，分流电阻器8必须经受得住功率耗散，无论分流电阻器8的最大值和/或最小值如何。由于体积还有成本的原因，不可能使用高功率分流电阻器8，这种电阻器需要设置如图2所示的主动保护解决方案。

该主动保护需要由发动机操纵计算机4的微控制器进行的分流电阻器8的短路检测和保护动作。如本领域技术人员所知，该主动保护是基于微处理器监测分流电阻器8上的电压水平的原理。因此，当在分流电阻器8的端子上检测到过电压时，微控制器激活发动机操纵计算机4的另一个管脚，以便将分流电阻器8与传感器6隔离，并且尤其是为了保护发动机操纵计算机4免于短路。

通过发动机操纵计算机4监测（电流源类型的）传感器6的这种解决方案需要相当多的软件资源。实际上，需要创建与用于监测连接到传感器6的发动机操纵计算机4的管脚的程序相对应的例程。此外，该例程在短路时表现出不可忽视的反应时间，例如大约100ms（1ms = 10 ^-3s），这有时可能导致发动机操纵计算机4损坏。

因此，尽管有这样的监测装置，然而必须在考虑到在短路至电池电压时软件例程的反应期间分流电阻器8可接受的最大发热量的情况下确定分流电阻器8的大小。关于分流电阻器8的大小确定的这种情况需要相当多的硬件资源，尤其是分流电阻器8在发动机操纵计算机4的电子电路板上所占据的面积方面。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种用于保护电子计算机免于短路的装置，其独立于电子计算机的操作，从而使得能够改善使电子计算机免于所述短路的保护。

为此，本发明提出了一种用于保护电子计算机免于短路的装置，该电子计算机包括第一计算机管脚，传感器包括第一传感器管脚和第二传感器管脚，以及分流电阻器。根据本发明，保护装置还包括晶体管驱动模块，该晶体管驱动模块包括耦合到第一分流管脚的第一驱动管脚、耦合到正供电的第二驱动管脚，第二分流管脚一边耦合到第一传感器管脚并且另一边耦合到比较器模块的第一比较器管脚，并且

其特征在于，其被适配成当在传感器处检测到短路时不再向传感器供电。

这样就更好地保护电子计算机免于可能来自于传感器的短路。

在一个实施例中，晶体管驱动模块是“高侧驱动器”型集成电路，其使得能够以与现有技术的装置相比显著改善的反应时间来保护电子计算机免于电池短路。

作为变型，晶体管驱动模块是“低侧驱动器”型集成电路，其使得能够保护电子计算机免于至电池电压的短路。

为了满足使传感器正确操作的电流需求，例如使用至少一个晶体管。

为了进一步改善由于分流电阻器端子处的电流水平的接近而导致的短路检测的灵敏度，例如提出了比较器模块还包括比较器电路，其被适配成比较分流电阻器的至少一个管脚的端子处的电压。

例如，比较器模块被适配成在其第二比较器管脚上递送至少相差10mV的第一比较阈值和第二比较阈值。

为了改善对发动机操纵计算机的保护，例如提出了传感器的供电独立于电子计算机的微控制器的操作。

在本发明的第二方面，提出了一种电子计算机，其具有至少一个如上文提出的用于保护电子计算机免于短路的装置。

附图说明

本发明的细节和优点将在参考所附示意图进行的以下描述中进一步显现，在附图中：

- 图1是来自现有技术的耦合到电压源类型的传感器的发动机操纵计算机的局部功能示意图，

- 图2是来自现有技术的用于保护耦合到电流源类型的传感器的发动机操纵计算机免于短路的解决方案的局部功能示意图，

- 图3是根据本发明的一个实施例的保护装置的局部功能示意图。

具体实施方式

为了描述的清楚起见，在下文中将仅介绍有助于理解本发明的元件。

图3示出了计算机的局部功能示意图，该计算机可以是耦合到传感器40的发动机操纵计算机20，或者本领域技术人员也称为ECU，即英语“Engine Control Unit（引擎控制单元）”的首字母缩合词。传感器40例如是凸轮轴传感器或曲轴传感器。在本发明的一个优选实施例中，传感器40是电流源类型的传感器，并且仅包括两个引线或管脚。

传感器40具有第一传感器管脚40_1和第二传感器管脚40_2。例如，传感器40是磁传感器。这里将不描述这种传感器的内部结构，因为这是本领域技术人员公知的。传感器40通过这两个管脚以电流的形式递送信息。因此，例如，由传感器40递送的信号具有第一电流水平和第二电流水平。第一电流水平具有例如8mA的值（1mA = 0.001A），并且第二电流水平具有例如14mA的值。这些值纯粹是为了说明而给出的，并不限制本发明的范围。

发动机操纵计算机20例如安装在具有内燃机的机动车辆中。图3中所示的发动机操纵计算机20除其他之外还包括第一计算机管脚20_1和第二计算机管脚20_2。发动机操纵计算机20还包括微控制器60、晶体管驱动模块80、分流电阻器100和比较器模块120。

为了控制传感器40，第一计算机管脚20_1耦合到第一传感器管脚40_1，并且第二计算机管脚20_2耦合到第二传感器管脚40_2。因此，得益于使用如此处介绍的双线传感器以及得益于本发明的装置，使用发动机操纵计算机20的仅两个管脚来控制传感器40，从而减少了发动机操纵计算机20的连接资源方面的需求。

微控制器60例如是节律为大约一百兆赫的频率的多核微控制器。微控制器60除其他之外还具有第一微控制器管脚60_1。当然，本领域技术人员在阅读本文时将理解，这里仅介绍了有助于理解和正确操作本发明的管脚。第一微控制器管脚60_1例如是专用于获取电信号的输入端。

晶体管驱动模块80包括第一驱动管脚80_1、第二驱动管脚80_2。第一驱动管脚80_1耦合到分流电阻器100的第一分流管脚100_1，并且第二驱动管脚80_2耦合到正供电。例如，图3中名为Va的正供电可以是递送5伏的电压源。

在本发明的一个实施例中，晶体管驱动模块80是HSD驱动器型模块，HSD是英语“High Side Driver（高侧驱动器）”的首字母缩合词。本领域技术人员更加熟知将晶体管驱动模块80称为“HSD驱动器或HSD”。在此处介绍并在图3中示出的实施例中，晶体管驱动模块80是HSD驱动器，并且有利地使得在负载默认接地的情况下以及在短路时能够将正供电的电压施加于负载，因此得名高侧驱动器。在图3的情况下，负载是传感器40。

由于这种HSD驱动器的内部结构对于本领域技术人员来说是公知的，因此这里仅对其进行简要介绍。HSD驱动器可以由分立的无源部件、晶体管构成，但也可以具有混合结构。在一个实施例中，晶体管驱动模块80的内部结构包括MOSFET型晶体管，MOSFET是英语“Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor（金属氧化物半导体场效应晶体管）”的首字母缩合词。这种类型的晶体管对于本领域技术人员是已知的，它能够引导电流，该电流能够容易地覆盖向传感器40供电所需的100mA的范围。

有利地，晶体管驱动模块80，即HSD驱动器，还包括针对强电流的自动保护功能。HSD驱动器的这种自动保护功能对于本领域技术人员来说是公知的，并且使得能够在例如电流值高于上阈值时“切断”流过所述驱动器的电流。有利地，使用HSD驱动器向传感器40供电一方面使得能够以相对高的电流向传感器40供电，另一方面使得能够保护发动机操纵计算机20免于传感器40处的电池短路。

作为变型，晶体管保护模块80可以是LSD型驱动器，LSD是英语“Low Side Driver（低侧驱动器）”的首字母缩合词。当负载默认由正供电电压或电池电压进行供电时，使用这种驱动器将是有用的。

在图3的实施例中，晶体管保护模块80具有至少一个MOSFET晶体管81，其具有栅极81_1、源极81_2和漏极81_3。源极81_2耦合到第二驱动管脚80_2，并且漏极81_3耦合到晶体管保护模块80的第一驱动管脚80_3。

分流电阻器100还具有第二分流管脚100_2，其一边耦合到第一计算机管脚20_1，并且另一边耦合到第一比较器管脚120_1。分流电阻器100例如是以CMS技术实现的电阻器，CMS是法语“Composant Monté en Surface（表面安装部件）”的首字母缩合词。有利地，与现有技术的装置相反，得益于HSD驱动器和上述电路的组合，本发明使得能够在仅考虑传感器40的典型操作电流的情况下确定所述分流电阻器100的大小。因此，不再需要考虑当传感器40电池短路时可能流过的最大电流来确定分流电阻器100的大小。

此外，得益于晶体管保护模块80在电池短路情况下的快速切断反应时间，流过分流电阻器100的电流不会达到较大的值。因此，在分流电阻器100中耗散的功率比具有现有技术结构的分流电阻器的功率小得多。有利地，分流电阻器100在发动机操纵计算机20的电子电路板上占据的面积显著降低，从而能够降低生产成本。此外，得益于HSD驱动器的非常快的反应时间，可以更好地保护发动机操纵计算机20免于短路。

第二计算机管脚20_2耦合到电接地，电接地可以是机动车辆的电池的电接地，从而闭合传感器40正确操作所需的电流回路。

第一比较器管脚120_1一边耦合到第二分流管脚100_2，并且另一边耦合到第一计算机管脚20_1。比较器模块120被适配成将流过分流电阻器100的电流的映像电压与参考阈值进行比较。如在说明书文本中的上文所述，在该实施例中给出如下假设：传感器40递送两个电流阈值，其中较低的第一电流阈值为8mA，较高的第二电流阈值为14mA。

为了实现比较器模块120的最佳操作，参考电压的值被确定成使得其处于传感器40的这两个电流值之间。有利地，因此得益于比较器模块120，可以在第二比较器管脚120_2上生成具有第一比较值和第二比较值的逻辑信号，所述第一比较值和第二比较值分别是流过分流电阻器100的第一电流值和第一电流值的映像。在一个实施例中，第一比较值等于0V并且第二比较值等于5V。第二比较管脚120_2耦合到第一微控制器管脚60_1。

比较器模块120为符合这样的规则的内部结构是本领域技术人员公知的，这里不再进一步介绍。在一个实施变型中，比较器模块120的内部结构可以是差分结构，并且要比较的电压值可以是存在于分流电阻器100的端子两端的电压值。

得益于本发明并且得益于晶体管保护模块80通过分流电阻器100向传感器40供电，现在可以当在传感器40处存在电池短路时在将此告知微控制器60之前与微控制器60的操作相独立地切断传感器40的电流供电并将其与电子计算机20电隔离。

得益于本发明的装置，电子计算机20针对耦合到传感器40的管脚上的短路拥有了更好的保护。实际上，本发明提出了独立于微控制器40的操作的硬件保护，这为其赋予了在存在传感器40的电池短路的情况下的比现有技术的保护装置更短的反应时间。

有利地，得益于这种操作独立性并且得益于传感器40由晶体管驱动模块80来供电，发动机操纵计算机20具有针对在初始化或复位阶段可能出现的短路的更好的保护。实际上，在发动机操纵计算机20的初始化阶段期间，传感器40与发动机操纵计算机20的初始化阶段独立地由晶体管驱动模块80来供电。因此，如果在传感器40处出现问题，则将立即检测到该问题，并且如果需要，则会在微控制器60在其初始化阶段之后被告知该问题之前就切断对所述传感器的供电。

此外，得益于本发明，由于仅考虑传感器40的标称操作电流来确定分流电阻器100的大小，因此分流电阻器100具有减小的面积。

作为变型，可以倒置分流电阻器100和晶体管保护模块80。

在另一实施例中，本发明的装置被实现于晶体管已被集成于其中的ASIC电路中。这些ASIC通常集成在ECU中。

作为变型，晶体管驱动模块80使用针对驱动智能点火线圈而实现的HSD驱动器类型的结构。

在另一变型中，本发明的装置的各种模块被部分地或完全地实现于远离发动机操纵计算机20的外部电气模块中。

当然，本发明不限于上文中描述和在图中示出的优选实施例，也不限于所提到的实施变型，而是扩展到本领域技术人员能想到的所有变型。

Claims (8)

1.用于保护电子计算机（20）免于短路的装置，该电子计算机（20）包括分流电阻器（100）、第一计算机管脚（20_1），并且该电子计算机（20）耦合到包括第一传感器管脚（40_1）和第二传感器管脚（40_2）的至少一个传感器（40），

其特征在于，该保护装置还包括晶体管驱动模块（80），晶体管驱动模块（80）包括耦合到第一分流管脚（100_1）的第一驱动管脚（80_1）、耦合到正供电的第二驱动管脚（80_2），第二分流管脚（100_2）一边耦合到第一传感器管脚（40_1）并且另一边耦合到比较器模块（120）的第一比较器管脚（120_1），并且

其特征在于，该保护装置被适配成当在传感器（40）处检测到短路时不再通过第一传感器管脚（40_1）向传感器（40）供电。

2.根据权利要求1所述的用于保护电子计算机（20）免于短路的装置，其特征在于，晶体管驱动模块（80）是“高侧驱动器”型集成电路。

3.根据权利要求1所述的用于保护电子计算机（20）免于短路的装置，其特征在于，晶体管驱动模块（80）是“低侧驱动器”型集成电路。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的用于保护电子计算机（20）免于短路的装置，其特征在于，其包括至少一个晶体管（81）。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的用于保护电子计算机（20）免于短路的装置，其特征在于，比较器模块（120）还包括比较器电路，其被适配成比较分流电阻器（100）的至少一个管脚的端子处的电压。

6.根据权利要求5所述的用于保护电子计算机（20）免于短路的装置，其特征在于，比较器模块（120）被适配成在其第二比较器管脚（120_2）上递送至少相差10mV的第一比较阈值和第二比较阈值。

7.根据权利要求1至6中的任一项所述的用于保护电子计算机（20）免于短路的装置，其特征在于，传感器的供电独立于电子计算机（20）的微控制器（60）的操作。

8.电子计算机，其特征在于，其包括至少一个根据权利要求1至7中的一项所述的用于保护电子计算机免于短路的装置。