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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Signalübertragung zwischen unterschiedlichen Spannungsdomänen.
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Zur Signalübertragung zwischen Signalverarbeitungseinheiten, denen Versorgungsspannungen unterschiedlicher Spannungsdomänen zugeführt sind, werden Pegelumsetzer (level shifter) benötigt. Versorgungsspannungen unterschiedlicher Spannungsdomänen sind Spannungen, die auf unterschiedliche Referenzpotentiale bezogen sind. Pegelumsetzer setzen Signale, die durch eine der Verarbeitungsschaltungen bereitgestellt werden und die innerhalb einer Spannungsdomäne liegen, auf Signale um, die in der anderen Spannungsdomäne liegen, und ermöglichen dadurch, dass das Signal durch die andere Signalverarbeitungseinheit verarbeitet werden kann. In Fällen, bei denen eine große Spannungsdifferenz zwischen den Referenzpotentialen der unterschiedlichen Spannungsdomänen vorhanden ist, werden Hochspannungsbauelemente in dem Pegelumsetzer benötigt. Hochspannungsbauelemente sind allerdings teuer und sind außerdem schwierig in einer integrierten Schaltung zusammen mit der Signalverarbeitungseinheit zu integrieren.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Signalübertragung zwischen unterschiedlichen Spannungsdomänen zur Verfügung zu stellen, das auch bei großen Spannungsdifferenzen zwischen den einzelnen Spannungsdomänen keine hochspannungsfesten Bauelemente benötigt, und eine entsprechende Vorrichtung zur Signalübertragung zwischen unterschiedlichen Spannungsdomänen zur Verfügung zu stellen.
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Die
US-A 5 808 480 beschreibt eine Pufferschaltung mit mehreren Halbbrückenschaltungen, die derart kaskadiert sind, dass der Ausgang einer Halbbrückenschaltung an den Eingang einer nachfolgenden Halbbrückenschaltung angeschlossen ist. Den einzelnen Halbbrückenschaltungen sind hierbei unterschiedliche Versorgungsspannungen zugeführt.
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Die
US 6 242 962 B1 beschreibt einen Pegelumsetzer, der dazu ausgebildet ist, ein auf ein erstes Bezugspotential bezogenes Signal auf ein Signal umzusetzen, das auf ein anderes Bezugspotential bezogen ist.
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Die
US 2007/0008001 A1 beschreibt eine kaskadierbare Pegelumsetzer-Zelle. In einer Kaskadenschaltung mit solchen Pegelumsetzer-Zellen erhalten die einzelnen Pegelumsetzer unterschiedliche Versorgungsspannungen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 und 2 und durch eine Signalübertragungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 13 und 14 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen dienen zur Erläuterung des Grundprinzips, so dass nur die Merkmale, die zum Verständnis dieses Grundprinzips notwendig sind, dargestellt sind. In den Zeichnungen bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale mit gleicher Bedeutung.
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1 veranschaulicht ein erstes Beispiel eines Verfahrens und einer Schaltungsanordnung zur Signalübertragung zwischen Signalverarbeitungseinheiten, denen Versorgungsspannungen unterschiedlicher Spannungsdomänen zugeführt sind.
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2 veranschaulicht ein erstes Beispiel für das gegenseitige Verhältnis von Versorgungsspannungen unterschiedlicher Spannungsdomänen.
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3 veranschaulicht ein zweites Beispiel für das gegenseitige Verhältnis von Versorgungsspannungen unterschiedlicher Spannungsdomänen.
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4 veranschaulicht ein Beispiel einer Schaltungsanordnung, die eine Anzahl in Reihe geschalteter kapazitiver Speicherelemente zum Bereitstellen von Versorgungsspannungen unterschiedlicher Spannungsdomänen aufweist.
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5 veranschaulicht eine Schaltungsanordnung zur Signalübertragung mit Signalverarbeitungseinheiten gemäß einem ersten Beispiel.
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6 veranschaulicht eine Schaltungsanordnung zur Signalubertragung mit Signalverarbeitungseinheiten gemäß einem zweiten Beispiel.
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7 veranschaulicht eine weiteres Beispiel einer Schaltungsanordnung zur Signalübertragung.
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8 veranschaulicht ein erstes Beispiel eines Pegelumsetzers.
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9 veranschaulicht ein zweites Beispiel eines Pegelumsetzers.
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1 verschaulicht ein erstes Beispiel einer Schaltungsanordnung zur Signalübertragung. Diese Schaltungsanordnung umfasst eine erste Signalverarbeitungseinheit 10 1 und eine zweite Signalverarbeitungseinheit 10 2. Diesen Signalverarbeitungseinheiten 10 1, 10 2 sind Versorgungsspannungen V1, V2 unterschiedlicher Spannungsdomänen zugeführt. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Beschreibung bezeichnet eine Spannungsdomäne einen Spannungsbereich, der durch eine Referenzspannung und durch einen Absolutwert (Amplitude) definiert ist. Spannungen einer Spannungsdomane, sind Spannungen, die innerhalb des durch den Referenzwert und den Absolutwert definierten Spannungsbereichs liegen.
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Diese Spannungsdomanen, die den ersten und zweiten Signalverarbeitungseinheiten 10 1, 10 2 zugeordnet sind, sind beispielsweise durch die Versorgungsspannungen V1, V2 definiert. In dem Beispiel gemaß 1 ist die erste Versorgungsspannung V1 eine Spannung zwischen einem ersten oberen Versorgungspotential V21 und einem ersten unteren Versorgungspotential V11. Die Spannungsdomäne, die durch die erste Versorgungsspannung V1 definiert ist, hat eines der Versorgungspotentiale V11, V21 als Referenzpotential und den Betrag bzw. Absolutwert der ersten Versorgungsspannung V1 als Absolutwert. Ob das erste oder zweite Versorgungspotential V11 bzw. V21 das Referenzpotential ist, ist abhangig von der Richtung (Vorzeichen) der Spannungen, die innerhalb der Spannungsdomane liegen. Die Amplituden der Spannungen der ersten Spannungsdomäne konnen innerhalb eines Bereichs zwischen Null und der ersten Versorgungsspannung V1 variieren, wobei V1 = V21 – V11 gilt.
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In dem Beispiel gemaß 1 ist die zweite Versorgungsspannung V2 eine Spannung zwischen einem zweiten oberen Versorgungspotential V22 und einem zweiten unteren Versorgungspotential V12. Die Spannungsdomäne, die durch die zweite Versorgungsspannung V2 definiert ist, hat eines der Versorgungspotentiale V12, V22 als Referenzpotential und den Betrag bzw. Absolutwert der zweiten Versorgungsspannung V2 als Absolutwert. Amplituden der Spannungen der ersten Spannungsdomäne können innerhalb eines Bereichs zwischen Null und der zweiten Versorgungsspannung V2 variieren, wobei V2 = V22 – V12 gilt.
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Die erste Signalverarbeitungseinheit 10 1 umfasst wenigstens einen Signalausgang 12 1 zum Bereitstellen eines Informationssignals. Die zweite Signalverarbeitungseinheit 10 2 umfasst wenigstens einen Informationssignaleingang 11 2 zum Erhalten eines Informationssignals. Die Signalübertragung von der ersten Signalverarbeitungseinheit 10 1 zu der zweiten Signalverarbeitungseinheit 10 2 erfolgt unter Verwendung einer weiteren Signalverarbeitungseinheit 10 12, der eine weitere Versorgungsspannung V12 zugeführt ist, die eine weitere Spannungsdomane definiert. Die weitere Versorgungsspannung V12 ist eine Spannung zwischen einem weiteren oberen Versorgungspotential V212 und einem weiteren unteren Versorgungspotential V112, d. h. V12 = V212 – V112. Die weitere Versorgungsspannung V12 und die erste Versorgungsspannung V1 uberlappen, was bedeutet, dass eines von dem weiteren unteren Versorgungspotential V112 und dem weiteren oberen Versorgungspotential V212 innerhalb eines Spannungsbereichs liegt, der durch die erste Versorgungsspannung V1 definiert ist, d. h. zwischen dem ersten unteren Versorgungspotential V11 und dem ersten oberen Versorgungspotential V21 liegt. Zusätzlich uberlappen die weitere Versorgungsspannung V12 und die zweite Versorgungsspannung V2, was bedeutet, dass das andere von dem weiteren unteren Versorgungspotential V112 und dem weiteren oberen Versorgungspotential V212 innerhalb eines Spannungsbereichs liegt, der durch die zweite Versorgungsspannung V2 definiert ist, d. h. zwischen dem zweiten unteren Versorgungspotential V12 und dem zweiten oberen Versorgungspotential V22 liegt.
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Die ersten und zweiten Versorgungsspannungen V1, V2 oder die ersten und zweiten Spannungsdomanen überlappen einander nicht, sondern grenzen höchstens aneinander an, d. h. haben jeweils höchstens ein gemeinsames Versorgungspotential.
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Die weitere Spannungsdomäne, die beispielsweise durch die weitere Versorgungsspannung V12 definiert ist, besitzt zwei Spannungs-Subdomänen: Eine erste Spannungs-Subdomäne, die durch den ersten Überlappungsbereich definiert ist, in dem sich die erste Spannungsdomäne und die weitere Spannungsdomane überlappen; und eine zweite Spannungs-Subdomäne, die durch den zweiten Überlappungsbereich definiert ist, in dem sich die zweite Spannungsdomäne und die weitere Spannungsdomane uberlappen.
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Zur Signalübertragung von der ersten Signalverarbeitungseinheit 10 1 an die zweite Signalverarbeitungseinheit 10 2 ist die erste Signalverarbeitungseinheit 10 1 dazu ausgebildet, ein erstes Informationssignal S1 an deren Signalausgang 12 1 zu erzeugen. Die erste Signalverarbeitungseinheit 10 1 ist dazu ausgebildet, das erste Informationssignal S1 so zu erzeugen, dass es ein Signal der ersten Spannungs-Subdomäne ist. Die weitere Signalverarbeitungseinheit 10 12 weist wenigstens einen Signaleingang 11 12 auf, dem das erste Informationssignal S1 zugefuhrt ist. Die weitere Signalverarbeitungseinheit 10 12 ist dazu ausgebildet, ein zweites Informationssignal S2 zu erzeugen, das von dem ersten Informationssignal S1 abhangig ist und das ein Signal der zweiten Spannungs-Subdomäne ist. Dieses zweite Informationssignal S2 kann durch die zweite Signalverarbeitungseinheit 10 2 verarbeitet werden, da die zweite Spannungs-Subdomäne des zweiten Informationssignals S2 auch eine Spannungs-Subdomäne der zweiten Spannungsdomane ist, die durch die zweite Versorgungsspannung V2 definiert ist. Daher wird fur eine Verarbeitung des zweiten Informationssignals S2 in der zweiten Signalverarbeitungseinheit 10 2 keine Pegelverschiebung in der zweiten Signalverarbeitungseinheit 10 2 benotigt.
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Wie nachfolgend noch im Detail erläutert werden wird, umfasst die weitere Signalverarbeitungseinheit 10 einen Pegelumsetzer (der in 1 nicht dargestellt ist), der dazu ausgebildet ist, das erste Informationssignal S1 oder ein Signal, das von dem ersten Informationssignal S1 abhängig ist, von der ersten Spannungs-Subdomäne in die zweite Spannungs-Subdomäne zu verschieben bzw. auf die zweite Spannungs-Subdomäne umzusetzen. Da diese Subdomänen allerdings aneinander angrenzen, und da die Versorgungsspannungen beispielsweise Spannungen sind, die zwischen 2 V und 10 V liegen, werden in diesem Pegelumsetzer keine Hochspannungsbauelemente benötigt. Die zweite Versorgungsspannung V2 kann insbesondere so gewählt werden, dass sie hoch genug ist, um eine geeignete Ubertragung der Signale S1, S2 zu ermöglichen, dass sie jedoch niedrig genug ist, um kostengünstige Niederspannungsbauelemente in den Signalverarbeitungseinheiten verwenden zu können. Auf diese Weise kann die Verwendung teurer Hochspannungsbauelemente vermieden werden.
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Die erste, zweite und weitere Signalverarbeitungseinheit 10 1, 10 2, 10 12 können identische Signalverarbeitungseinheiten sein und konnen mit weiteren derartigen Signalverarbeitungseinheiten kaskadiert werden, denen jeweils eine Versorgungsspannung zugeführt ist, wobei sich die Versorgungsspannungen von zwei benachbarten Verarbeitungseinheiten in dieser Kaskade jeweils wie die erste Versorgungsspannung V1 und die weitere Versorgungsspannung V2 bzw. wie die zweite Versorgungsspannung V2 und die weitere Versorgungsspannung V12 uberlappen. In einer solchen Kaskadenanordnung kann der ersten Signalverarbeitungseinheit 10 1 ein erstes Informationssignal S0 an einem Signaleingang 11 1 zugefuhrt sein, wobei diese Signalverarbeitungseinheit 10 1 dieses Signal S0 in die erste Spannungs-Subdomäne zur Erzeugung des ersten Übertragungssignals S1 verschiebt. In gleicher Weise kann die zweite Signalverarbeitungseinheit 10 2 dazu ausgebildet sein, das zweite Informationssignal S2 in der gleichen Weise auf ein drittes Informationssignal S3 umzusetzen, wie die weitere Verarbeitungseinheit 10 12 das erste Informationssignal S1 auf das zweite Informationssignal S2 umsetzt.
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Zum besseren Verständnis veranschaulicht 2 die Spannungsdomänen, die den unterschiedlichen Signalverarbeitungseinheiten 10 1, 10 2, 10 12 zugeordnet sind, und die zugehörigen Subdomänen. In 2 bezeichnen die Bezugszeichen 100 1, 100 2, 100 12 die erste, zweite und weitere Spannungsdomäne, die durch die erste, zweite und dritte Versorgungsspannung V1, V2, V12 bzw. durch das erste, zweite und weitere untere Versorgungspotential V11, V12, V112 einerseits und das erste, zweite und weitere obere Versorgungspotential V21, V22, V212 andererseits definiert sind. In dem Beispiels gemaß 2 ist das erste untere Versorgungspotential V11 hoher als das zweite untere Versorgungspotential V12, wobei die weitere Spannungsdomäne 100 12 beide, die erste Spannungsdomäne 100 1 und die zweite Spannungsdomane 100 2, uberlappt. Die erste Subdomäne 101 12 ist in diesem Fall definiert durch das erste untere Versorgungspotential V11 und das weitere obere Versorgungspotential V212. Die zweite Subdomäne 102 12 ist in diesem Fall definiert durch das weitere untere Versorgungspotential V112 und das zweite obere Versorgungspotential V22. In dem Beispiel gemäß 2 uberlappen die erste und zweite Spannungsdomane 100 1, 100 2 einander nicht, d. h. das erste untere Versorgungspotential V11 ist höher als das zweite obere Versorgungspotential V22. Bei einem Beispiel ist vorgesehen, dass die erste und zweite Spannungsdomane aneinander angrenzen. In diesem Fall ist das erste untere Versorgungspotential V11 gleich dem zweiten oberen Versorgungspotential V22, d. h. V11 = V22.
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Im Zusammenhang mit der vorliegenden Beschreibung gilt eine gegebene Spannungsdomane als hoher als eine andere Spannungsdomane, wenn das untere Versorgungspotential der gegebenen Spannungsdomane hoher ist als das untere Versorgungspotential der anderen Spannungsdomäne.
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Bezugnehmend auf 3 ist bei einem anderen Beispiel vorgesehen, dass die zweite Spannungsdomane 100 2 höher ist als die erste Spannungsdomane 100 1. In diesem Fall ist das zweite untere Versorgungspotential V12 höher als das erste untere Versorgungspotential V11. Die erste Subdomäne 101 12, die durch den Überlappbereich der ersten Spannungsdomane 100 1 und der weiteren Spannungsdomäne 100 12 definiert ist, ist in diesem Fall definiert durch das weitere untere Versorgungspotential V112 und das erste obere Versorgungspotential V21. Die zweite Subdomäne 102 12, die durch den Uberlappbereich der zweiten Spannungsdomane 100 2 und der weiteren Spannungsdomäne 100 12 definiert ist, ist in diesem Fall durch das zweite untere Versorgungspotential V12 und das weitere obere Versorgungspotential V212 definiert. Die ersten und zweiten Spannungsdomanen 100 1, 100 2 können nicht-überlappende Spannungsdomanen sein (wie dargestellt), oder konnen aneinander angrenzen (nicht dargestellt). In dem zuletzt genannten Fall entspricht das erste obere Versorgungspotential V21 dem zweiten unteren Versorgungspotential V12, d. h. V21 = V12.
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Die Information, die in dem ersten Informationssignal S1 enthalten ist, das – über die weitere Signalverarbeitungseinheit 10 12 – von der ersten zu der zweiten Signalverarbeitungseinheit 10 1, 10 2 ubertragen wird, kann eine beliebige Information sein, einschließlich beispielsweise einer Information, die eine Temperatur im Bereich der ersten Signalverarbeitungseinheit 10 1 reprasentiert, oder eine Information, die die erste Versorgungsspannung V1 reprasentiert.
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Bezugnehmend auf 4 können die Versorgungsspannungen V1, V12, V2, die die verschiedenen Spannungsdomanen definieren, durch eine Anzahl von kapazitiven Speicherelementen 20 1, 20 2, 20 3, 20 4, die in Reihe geschaltet sind, bereitgestellt werden. Nur vier dieser in Reihe geschalteten Speicherzellen sind in 4 dargestellt. Selbstverständlich kann eine Batterie- oder Speicheranordnung 20, die die Speicherzellen enthalt, mehr als vier in Reihe geschaltete Speicherzellen umfassen. Die Speicherzellen sind zwischen Anschlussklemmen 21, 22 der Speicheranordnung 20 angeordnet. Diese Anschlussklemmen 21, 22 dienen zum Anschließen der Speicheranordnung 20 an eine Last (nicht dargestellt) oder zum Anschließen der Speicheranordnung 20 an eine Ladeschaltung (nicht dargestellt).
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Jede der einzelnen Speicherzellen 20 1–20 4 weist (wenigstens) zwei Anschlüsse auf. Wenn die Speicheranordnung 20 (wenigstens teilweise) geladen ist, steht eine Spannung zwischen diesen zwei Anschlussen jeder Speicherzelle 20 1–20 4 zur Verfügung. Zwei Speicherzellen, die direkt miteinander verbunden sind, stellen die Versorgungsspannung fur eine der Signalverarbeitungseinheiten 10 1, 10 12, 10 2 zur Verfugung, d. h. eine Spannungsdomane ist definiert durch die Spannung, die über zwei Speicherelementen anliegt, die direkt miteinander verbunden sind. In 4 sind nur die Anschlüsse der Speicherzellen dargestellt, die notwendig sind, um die Versorgungsspannungen für die einzelnen Signalverarbeitungseinheiten 10 1, 10 12, 10 2 zur Verfugung zu stellen. Die Speicherzellen 20 1, 20 2, 20 3, 20 4 können jedoch auch Zwischenanschlüsse aufweisen zum Bereitstellen von Spannungen, die innerhalb der Spannungsdomane liegen, die durch zwei benachbarte Zellen definiert ist. Jede der Speicherzellen 20 1, ... 20 4 kann eine Anzahl von Unter-Speicherzellen (nicht dargestellt) aufweisen, die parallel oder in Reihe geschaltet sind. Zwischenanschlüsse der Speicherzellen sind beispielsweise Anschlusse solcher Unter-Speicherzellen, die in Reihe geschaltet sind und die auf diese Weise eine der Speicherzellen 20 1, ... 20 4 bilden. Die kapazitiven Speicherelemente 20 1–20 4 oder die Unterzellen, die eine Speicherzelle bilden, können Speicherzellen einer wiederaufladbaren Batterie 20 sein, wie beispielsweise einer wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterie.
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Zwei Signalverarbeitungseinheiten, die überlappende Versorgungsspannungen bzw. Spannungsdomänen besitzen, haben wenigstens eine Speicherzelle gemeinsam. In dem Beispiel gemäß 4 wird die erste Versorgungsspannung V1 der ersten Signalverarbeitungseinheit 10 1 durch die ersten und zweiten Speicherzellen 20 1, 20 2 zur Verfügung gestellt, und die weitere Versorgungsspannung V12, die die erste Versorgungsspannung V1 überlappt, wird durch die zweite und dritte Speicherzelle 20 2, 20 3 zur Verfügung gestellt, wobei die zweite Speicherzelle 20 2 der ersten und zweiten Signalverarbeitungseinheit 10 1, 10 2 gemeinsam ist. Die zweite Versorgungsspannung V2, die die weitere Versorgungsspannung V12 überlappt, wird durch die dritte und vierte Speicherzelle 20 3, 20 4 zur Verfügung gestellt, wobei die dritte Speicherzelle 20 3 der zweiten und der weiteren Signalverarbeitungseinheit 10 2, 10 12 gemeinsam ist.
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Obwohl in dem Beispiel gemaß 4 zwei Speicherzellen dazu dienen, die Versorgungsspannung für eine Signalverarbeitungseinheit zur Verfügung zu stellen, ist es selbstverstandlich, dass eine beliebige Anzahl von Speicherzellen, die in Reihe geschaltet sind, dazu verwendet werden kann, die Versorgungsspannung fur eine Signalverarbeitungseinheit zur Verfügung zu stellen. Signalverarbeitungseinheiten, die überlappende Versorgungsspannungen oder überlappende Spannungsdomanen haben, haben wenigstens eine dieser Speicherzellen gemeinsam.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die erste Signalverarbeitungseinheit 10 1 eine Messanordnung 13 1 (schematisch dargestellt) aufweist, die beispielsweise dazu ausgebildet ist, wenigstens eine der folgenden Großen zu messen: Die Versorgungsspannung V1, die der ersten Signalverarbeitungseinheit 10 1 zugefuhrt ist; die jeweilige Spannung über wenigstens einer der Speicherzellen, die zusammen die erste Versorgungsspannung V1 bereitstellen; oder die Temperatur in der Nähe der Speicherzelle, die die erste Versorgungsspannung V1 bereitstellt. Gemaß einem Beispiel ist vorgesehen, dass die erste Signalverarbeitungseinheit 10 1 in der Nähe wenigstens einer dieser Speicherzellen 20 1, 20 2 angeordnet ist. In diesem Fall kann die Messanordnung 13 1 eine Messanordnung sein, die die Temperatur innerhalb der Signalverarbeitungseinheit 10 1 misst, wobei diese Temperatur dann reprasentativ ist für die Temperatur in der Nahe der wenigstens einen Speicherzelle 20 1, 20 2.
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Die erste Signalverarbeitungseinheit 10 1 ist dazu ausgebildet, das erste Informationssignal S1 abhängig von dem wenigstens einen durch die Messanordnung 13 1 erhaltenen Messergebnis zu erzeugen. Die zweite Signalverarbeitungseinheit 10 2 erhält diese Messinformation über die weitere Signalverarbeitungseinheit 10 12 von der ersten Signalverarbeitungseinheit 10 1. Die zweite Signalverarbeitungseinheit 102 kann eine zentrale Verarbeitungseinheit sein, die die durch die erste Signalverarbeitungseinheit 10 1 gelieferte Temperatur- oder Spannungsinformation dazu nutzt, einen Lade- oder Entladeprozess der Speicheranordnung 20 zu steuern. So sollten beispielsweise Speicherzellen von wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterien nicht unter eine vorgegebene untere Spannung entladen werden und nicht über eine vorgegebene obere Spannung geladen werden, um eine Beschädigung oder Degradation der Speicherzelle zu vermeiden. Eine Information über die Spannung an einer oder an beiden Speicherzellen 20 1, 20 2, die durch die erste Signalverarbeitungseinheit 10 1 zur Verfügung gestellt wird, kann daher durch die zweite Signalverarbeitungseinheit 10 2 dazu genutzt werden, einen Lade- oder Entladeprozess der Speicherzellen zu steuern. Weiterhin sollte wahrend des Betriebs eine Temperatur der einzelnen Speicherzellen einen vorgegebenen Temperaturwert nicht übersteigen, um eine Beschädigung oder Degradation der Speicherzelle zu vermeiden. Eine durch die erste Signalverarbeitungseinheit 10 1 bereitgestellte Temperatur, die repräsentativ ist für die Temperatur einer oder beider der ersten und zweiten Speicherzellen 20 1, 20 2 kann beispielsweise in der zweiten Signalverarbeitungseinheit 10 2 dazu verwendet werden, die Speicheranordnung 20 von einer Last (nicht dargestellt) zu trennen, wenn die Temperatur einen vorgegebenen Temperaturwert übersteigt, oder um andere geeignete Schutzmaßnahmen zu treffen. Diese Maßnahmen können folgendes umfassen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein: Reduzieren des durch die Speicherzellenanordnung 20 an die Last gelieferten Stromes; Kühlen der Speicherzellenanordnung 20. Das Kuhlen der Speicherzellenanordnung kann unter Verwendung beliebiger Kühlanordnungen, wie z. B. Ventilatoren oder Flüssigkeitskühlanordnungen erfolgen. Die zweite Signalverarbeitungseinheit 10 2 weist einen Steuerausgang (schematisch dargestellt) zum Bereitstellen eines Steuersignals auf, das geeignet ist, einen Lade- oder Entladeprozess der Speicheranordnung 20 oder die Verbindung der Speicheranordnung 20 mit einer Last zu steuern.
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Die Versorgungsspannungen V1, V2, die den ersten und zweiten Signalverarbeitungseinheiten 10 1, 10 2 zugeführt sind, oder die mit diesen Versorgungsspannungen in Verbindung stehenden Spannungsdomanen, überlappen einander nicht. Es sei darauf hingewiesen, dass die durch die erste Signalverarbeitungseinheit 10 1 gelieferte Information – beispielsweise über die Temperatur oder uber die Spannung der Speicherzellen 20 1, 20 2 – der zweiten Signalverarbeitungseinheit 10 2 uber die weitere Signalverarbeitungseinheit 10 12 zugeführt ist, wobei die weitere Signalverarbeitungseinheit 10 12 eine Versorgungsspannung V12 besitzt, die beide, namlich die Versorgungsspannungen V1, V2 der ersten und der zweiten Signalverarbeitungseinheit 10 1, 102, überlappt.
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Bezugnehmend auf 5 konnen die erste, die zweite und die weitere Signalverarbeitungseinheit 10 1, 10 2, 10 12 identische Funktionalitaten besitzen, d. h. jeweils eine Messanordnung 13 1, 13 2, 13 12 zum Messen wenigstens einer Spannung oder einer Temperatur wenigstens einer der zugehörigen Speicherzellen umfassen. In diesem Zusammenhang ist eine ”zugehorige Speicherzelle” eine Speicherzelle, die (zusammen mit wenigstens einer weiteren Speicherzelle) die Versorgungsspannung für eine der Signalverarbeitungseinheiten 10 1, 10 2, 10 12 bereitstellt. In einer Anordnung, bei der zwei Speicherzellen die Versorgungsspannung fur eine Signalverarbeitungseinheit bereitstellen und bei der eine Speicherzelle zwei Signalverarbeitungseinheiten gemeinsam ist, kann eine Signalverarbeitungseinheit einer Speicherzelle zugeordnet sein zum überwachen einer Spannung und/oder einer Temperatur der Speicherzelle. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 kann die erste Signalverarbeitungseinheit 10 1 die Spannung und/oder die Temperatur der zweiten Speicherzelle 20 2 uberwachen, die weitere Signalverarbeitungseinheit 10 12 kann die Temperatur und/oder die Spannung der dritten Speicherzelle 20 3 uberwachen, und die zweite Signalverarbeitungseinheit 10 2 kann die Temperatur und/oder die Spannung der vierten Speicherzelle 20 4 uberwachen. Bei dieser Anordnung ist eine zentrale Verarbeitungseinheit 30 an den Ausgangsanschluss 12 2 der zweiten Signalverarbeitungseinheit 10 2 angeschlossen. über diesen Signalausgang 12 2 gibt die zweite Signalverarbeitungseinheit 10 2 die durch ihre eigene Messanordnung 13 2 bereitgestellte Information, die von der weiteren Signalverarbeitungseinheit 10 12 erhaltene und durch die Messanordnung 13 12 dieser weiteren Signalverarbeitungseinheit 10 12 bereitgestellte Information, oder die durch die erste Signalverarbeitungseinheit 10 12 bereitgestellte Information aus. Beispiele, wie Konflikte bei der Informationsubertragung durch die einzelnen Signalverarbeitungseinheiten 10 1, 10 2, 10 12 vermieden werden können und wie die zentrale Signalverarbeitungseinheit 30 in die Lage versetzt wird, zwischen den erhaltenen Informationen zu unterscheiden, werden nachfolgend noch erlautert.
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Die zentrale Verarbeitungseinheit 30 wertet die von den einzelnen Verarbeitungseinheiten 10 1, 10 12, 10 2 erhaltenen Informationen aus und verwendet diese Information, um einen Lade- oder Entladeprozess der Speicheranordnung 20 oder eine Verbindung der Speicheranordnung 20 mit einer Last (nicht dargestellt) zu steuern. Das Bezugzeichen S30 in 5 bezeichnet ein Steuersignal, das durch die zentrale Verarbeitungseinheit 30 für diesen Zweck erzeugt wird.
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Die Signalverarbeitungseinheiten 10 1, 10 2, 10 12, die in 5 dargestellt sind, bilden eine Kaskade mit drei benachbarten Signalverarbeitungseinheiten, in der zwei Signalverarbeitungseinheiten, die in direkter Signalkommunikation miteinander stehen, überlappende Versorgungsspannungen oder überlappende Spannungsdomanen besitzen. In diesem Zusammenhang sind ”Signalverarbeitungseinheiten, die in direkter Signalkommunikation stehen”, solche Signalverarbeitungseinheiten, die über eine Kommunikationsleitung miteinander verbunden sind. ”Direkt verbunden” bedeutet, dass keine weitere Signalverarbeitungseinheit zwischen diesen zwei Signalverarbeitungseinheiten vorhanden ist.
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5 zeigt drei solcher kaskadierter Signalverarbeitungseinheiten, um die Grundprinzipien der Signalkommunikation zwischen den einzelnen Signalverarbeitungseinheiten zu erläutern. Grundsätzlich kann eine beliebige Anzahl solcher Signalverarbeitungseinheiten kaskadiert werden, wobei zwei benachbarte Signalverarbeitungseinheiten überlappende Versorgungsspannungen besitzen. In einer solchen Anordnung ist eine Kommunikation zwischen Signalverarbeitungseinheiten, die nicht-überlappende Versorgungsspannungen besitzen, möglich, ohne dass Hochspannungs-Pegelumsetzer benötigt werden, nämlich dadurch, dass die Kommunikation über zwischengeschaltete Signalverarbeitungseinheiten erfolgt, wie beispielsweise über die weitere Signalverarbeitungseinheit 10 12, die eine zwischengeschaltete Signalverarbeitungseinheit für die erste und die zweite Signalverarbeitungseinheit 10 1, 10 2 ist. Das Bezugszeichen 10 k-1 bezeichnet zwei zusätzliche Signalverarbeitungseinheiten (dargestellt in gestrichelten Linien) einer solchen Kaskade.
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6 zeigt ein detaillierteres Beispiel der Signalverarbeitungseinheiten der Anordnung gemäß 5. Aus Grunden der Ubersichtlichkeit, sind die Speicherzellen, die die Versorgungsspannungen der einzelnen Signalverarbeitungseinheiten erzeugen, in 6 nicht dargestellt. In 6 sind drei Signalverarbeitungseinheiten 10 1, 10 12, 10 2 dargestellt. Bezugnehmend auf die vorangehende Erorterung sei jedoch darauf hingewiesen, dass eine beliebige Anzahl von Signalverarbeitungseinheiten in der Anordnung kaskadiert sein können, was in 6 durch zwei weitere gestrichelt dargestellte Signalverarbeitungseinheiten 10 k-1, 10 k dargestellt ist. In der nachfolgenden Beschreibung bezeichnet das Bezugszeichen 10 eine beliebige der Signalverarbeitungseinheiten 10 1, 10 2, 10 12. Jede dieser Signalverarbeitungseinheiten 10 weist einen Pegelumsetzer 14 1, 14 12, 14 2 (der nachfolgend mit dem Bezugszeichen 14 bezeichnet wird, wenn eine Unterscheidung zwischen den einzelnen Signalverarbeitungseinheiten 10 nicht benötigt wird) auf, der zwischen den Eingang 11 1, 11 12, 11 2 und den Ausgang 12 1, 12 12, 12 2 (die nachfolgend mit den Bezugszeichen 11 und 12 bezeichnet werden, wenn eine Unterscheidung zwischen den einzelnen Signalverarbeitungseinheiten 10 nicht erforderlich ist) der einzelnen Signalverarbeitungseinheiten 10 geschaltet ist. Diese Pegelumsetzer 14 dienen dazu, Signale zwischen den zwei Spannungs-Subdomanen, die jeder der Signalverarbeitungseinheiten 10 zugeordnet sind, umzusetzen. Bezugnehmend auf die vorangehende Erörterung werden die zwei Spannungs-Subdomänen einer Signalverarbeitungseinheit 10 definiert durch die Bereiche, in denen die Spannungsdomäne einer Signalverarbeitungseinheit 10 die Spannungsdomäne der zwei benachbarten Signalverarbeitungseinheiten 10 uberlappt. Diese Pegelumsetzer 14 bilden zusammen mit den Signalleitungen zwischen dem Ausgang einer der Signalverarbeitungseinheiten 10 und dem Eingang der benachbarten Signalverarbeitungseinheit 10 einen Signalbus, der eine Signalkommunikation zwischen der zentralen Signalverarbeitungseinheit 30 und den einzelnen Signalverarbeitungseinheiten 10, die an die Speicherzellen (in 6 nicht dargestellt) angeschlossen sind, erlaubt.
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Angeschlossen an diesen Bus sind Steuereinheiten 15 1, 15 12, 15 2 (die nachfolgend mit dem Bezugszeichen 15 bezeichnet sind, wenn eine Unterscheidung zwischen den einzelnen Signalverarbeitungseinheiten 10 nicht erforderlich ist). In dem Beispiel gemaß 6 sind diese Steuereinheiten 15 an die Pegelumsetzer 14 innerhalb der Verarbeitungseinheiten 10 angeschlossen. Die Steuereinheiten 15 sind wenigstens ausgebildet fur das Empfangen von Informationen über den Bus und/oder fur das Senden von Informationen über den Bus. Die Messeinheiten 13 sind an die Steuereinheiten 15 angeschlossen, wobei die Steuereinheiten 15 in diesem Fall als Schnittstelle zwischen den Messeinheiten 13 und dem Signalbus dienen. Der Signalbus kann ein unidirektionaler oder ein bidirektionaler Bus sein. Ein unidirektionaler Bus erlaubt eine Signalkommunikation nur in einer Richtung, d. h. entweder von den Signalverarbeitungseinheiten 10 zu der zentralen Verarbeitungseinheit 30 oder von der zentralen Verarbeitungseinheit 30 zu den Signalverarbeitungseinheiten 10.
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Ein bidirektionaler Bus erlaubt eine Signalkommunikation in beide Richtungen. Nachfolgend wird eine Signalkommunikation von den Signalverarbeitungseinheiten 10 zu der zentralen Verarbeitungseinheit 30 als Uplink-Kommunikation bezeichnet und eine Signalkommunikation von der zentralen Verarbeitungseinheit 30 zu den Signalverarbeitungseinheiten 10 wird als Downlink-Kommunikation bezeichnet. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass die Ausdrücke ”uplink” und ”downlink” nicht auf die Beziehung zwischen einer Versorgungsspannung (nicht dargestellt) der zentralen Verarbeitungseinheit 30 und den Versorgungsspannungen der Signalverarbeitungseinheiten 10 hinweist. Das Prinzip, das zuvor erlautert wurde und das nachfolgend noch erlautert wird, ist auf Systeme anwendbar, in denen in die unteren Versorgungspotentiale in Richtung der zweiten Signalverarbeitungseinheit 10 2 und der zentralen Verarbeitungseinheit 30 abnehmen (wie in dem in 2 dargestellten Beispiel), oder in denen die unteren Versorgungspotentiale in Richtung der zweiten Signalverarbeitungseinheit 10 2 und der zentralen Verarbeitungseinheit 30 zunehmen (wie in dem Beispiel gemäß 3).
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Ein bidirektionaler Bus kann eine einzelne Kommunikationsleitung umfassen, die eine Signalubertragung in zwei Richtungen ermoglicht, oder kann zwei getrennte Ubertragungsleitungen umfassen: Eine erste Leitung fur eine Uplink-Ubertragung, und eine zweite Leitung für eine Downlink-Übertragung. Die zentrale Verarbeitungseinheit 30 ist dazu ausgebildet, die einzelnen Verarbeitungseinheiten 10 aufzufordern, ihre Information zu übertragen. Zu diesem Zweck sind den einzelnen Signalverarbeitungseinheiten 10 individuelle Bezeichner (Identifier) zugeordnet. Die zentrale Verarbeitungseinheit 30 fordert Information von einer der einzelnen Verarbeitungseinheiten durch Übertragen des eindeutigen Bezeichners dieser Signalverarbeitungseinheit über den Bus an. Die Steuereinheit, die den Bus überwacht, empfängt diesen Bezeichner und uberträgt die durch die Messeinheit gelieferte Information über den Bus ”uplink” an die zentrale Verarbeitungseinheit 30. Die Messeinheit 30 kann dazu ausgebildet sein, mehr als eine Information zur Verfugung zu stellen. Eine solche Messanordnung kann beispielsweise dazu ausgebildet sein, eine Spannungsinformation und eine Temperaturinformation zur Verfugung zu stellen. Wenn die zentrale Verarbeitungseinheit 30 eine Verarbeitungseinheit 10 auffordert, ihre Information zu übertragen, wird in diesem Fall die gesamte Information über den Bus übertragen. Bei einem anderen Beispiel ist vorgesehen, dass die zentrale Verarbeitungseinheit 30 zusatzlich zu dem eindeutigen Bezeichner einen Befehl ubertragt, der die Information spezifiziert, die von der Verarbeitungseinheit 30 zu der zentralen Verarbeitungseinheit 30 übertragen werden soll.
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Anstatt eine bidirektionale Signalkommunikation zu verwenden, kann die Kommunikation auch durch Bereitstellen von zwei unidirektionalen Bussen erfolgen, die parallel zueinander geschaltet sind. Einer dieser Busse dient zur Signalkommunikation in einer Richtung, d. h. uplink oder downlink, wahrend der andere dieser Busse zur Signalkommunikation in die andere, entgegengesetzte Richtung dient.
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Zusatzlich kann eine beliebige bekannte Busstruktur und ein beliebiges bekanntes Busprotokoll fur die Signalkommunikation zwischen der zentralen Verarbeitungseinheit 30 und den einzelnen Signalverarbeitungseinheiten 10 verwendet werden. Beispiele dieser Busstrukturen und -protokolle sind LIN, SPI/SSC oder IEC.
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Bei einem weiteren Beispiel, das in 7 dargestellt ist, weist der Bus eine Ringstruktur auf. In diesem Fall ist ein Hochspannungs-Pegelumsetzer 40 zwischen der zentralen Verarbeitungseinheit 30 und der Signalverarbeitungseinheit, die am weitesten entfernt zu der zentralen Verarbeitungseinheit 30 angeordnet ist, vorhanden. In der Anordnung mit einem Ringbus kann ein Bus mit nur einer Leitung verwendet werden. Die zentrale Verarbeitungseinheit 30 uberträgt den eindeutigen Bezeichner in eine Richtung, beispielsweise über die Signalverarbeitungseinheit 10 2, und eine Signalverarbeitungseinheit, die durch diesen Bezeichner identifiziert wird, leitet ihre Information in derselben Richtung uber den Bus weiter, wobei diese Information schließlich uber den Hochspannungs-Pegelumsetzer 40 an die zentrale Verarbeitungseinheit 30 gelangt. In 7 ist die Signalverarbeitungseinheit 10 k die ”letzte” Verarbeitungseinheit in der Schlange von Signalverarbeitungseinheiten. Der Ausgang dieser Signalverarbeitungseinheit 10 k ist an den Hochspannungs-Pegelumsetzer 40 angeschlossen. Der Hochspannungs-Pegelumsetzer 40 ist dazu ausgebildet, Signale aus der der letzten Signalverarbeitungseinheit 10 k zugeordneten Spannungsdomäne in die Spannungsdomane der zentralen Verarbeitungseinheit 30 umzusetzen. Diese Spannungsdomänen überlappen nicht und können eine Spannungsdifferenz besitzen, die einige 10 V bis zu einigen 100 V zwischen ihren unteren Versorgungspotentialen besitzen.
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Zum internen Umsetzen eines Eingangssignals einer Signalverarbeitungseinheit 10 von einer Spannungs-Subdomane der Signalverarbeitungseinheit 10 auf die andere Spannungs-Subdomane der Signalverarbeitungseinheit 10 kann eine beliebige Art von Pegelumsetzer verwendet werden. Ein erstes Beispiel eines solchen Pegelumsetzers ist in 8 dargestellt. Der Pegelumsetzer gemaß 8 ist dazu ausgebildet, ein Signal von einer höheren Subdomäne auf eine niedrigere Subdomäne umzusetzen. In 8 bezeichnen die Bezugszeichen V1i und V2i untere und obere Versorgungspotentiale, die der Signalverarbeitungseinheit zugefuhrt sind, in der der Pegelumsetzer 15 integriert ist. V11+1 bezeichnet ein Versorgungspotential, das die durch die unteren und oberen Versorgungspotentiale V1i, V2i definierte Spannungsdomäne in zwei Subdomanen unterteilt. Si ist ein Eingangssignal des Pegelumsetzers 15. Dieses Eingangssignal Si kann ein Signal sein, das durch eine benachbarte Signalverarbeitungseinheit (nicht dargestellt) erzeugt wird, oder das durch die Steuerschaltung abhängig von einem durch die Messschaltung (nicht dargestellt) der Signalverarbeitungseinheit gelieferten Messergebnis erzeugt wird. Si+1 ist ist ein Ausgangssignal des Pegelumsetzers. Dieses Ausgangssignal kann ein Ausgangssignal sein, das unmittelbar durch die Signalverarbeitungseinheit ausgegeben wird. Alternativ wird das Ausgangssignal dieses Pegelumsetzers 15 durch die Steuerschaltung dieser Signalverarbeitungseinheit modifiziert, bevor das Signal ausgegeben wird.
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Der Pegelumsetzer 15 umfasst einen Eingangstransistor 151 mit einem Steueranschluss und einer Laststrecke. Die Laststrecke ist in Reihe zu einem Spannungsteiler 152, 153 zwischen die Versorgungsanschlüsse für das untere und obere Versorgungspotential V11, V21 geschaltet. Dem ersten Transistor 151 ist das Eingangssignal Si als Steuersignal zugefuhrt. Der Pegelumsetzer 15 weist einen zweiten Transistor 155 mit einem Steueranschluss und einer Laststrecke auf. Der Steueranschluss des zweiten Transistors 155 ist an einen Ausgangsanschluss des Spannungsteilers 152, 153 angeschlossen und die Laststrecke des zweiten Transistors 155 ist in Reihe zu einem Lastwiderstand 154 zwischen Anschlusse fur das untere Versorgungspotential V1i und Zwischenpotential V1i+1 geschaltet, wobei das Zwischenpotential das Potential ist, das die Spannungsdomane in die zwei Subdomänen unterteilt. Das Ausgangssignal Si+1 kann an einem Anschluss zwischen der Laststrecke des zweiten Transistors 155 und dem Lastwiderstand 154 abgegriffen werden.
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Die Funktionsweise des Pegelumsetzers gemäß 8 wird nachfolgend kurz erläutert: Es sei angenommen, dass das Eingangssignal Si einen niedrigen Signalpegel bezogen auf das Zwischenpotential V1i +1 aufweist, d. h. einen Signalpegel, der den ersten Transistor 151 einschaltet. Der Spannungsabfall über dem Spannungsteilerwiderstand 153 schaltet in diesem Fall den zweiten Transistor 155 ein, was zu einem niedrigen Signalpegel des Ausgangssignals Si+1 führt. Wenn, andererseits, das Eingangssignal Si einen hohen Signalpegel aufweist, sperrt der erste Transistors 151. Ein Spannungsabfall über dem Widerstand 153 ist dann nicht ausreichend, um den zweiten Transistor 155 einzuschalten, was zu einem hohen Signalpegel des Ausgangssignals Si+1 führt. Der Pegelumsetzer gemäß 8 ist nicht invertierend, d. h. Low-Signale an dem Eingang resultieren zu Low-Signalen an dem Ausgang, und umgekehrt.
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Außer dem wenigstens einen Bus, der fur die Signalkommunikation verwendet wird, kann das System einen zusätzlichen Taktbus (nicht dargestellt) aufweisen, der ein Taktsignal von der zentralen Verarbeitungseinheit 30 zu den einzelnen Signalverarbeitungseinheiten 10 1, ... übertragt.
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9 veranschaulicht ein Beispiel eines Pegelumsetzers, der geeignet ist, zum Umsetzen eines Eingangssignals Si von einer unteren Subdomäne auf eine obere Subdomäne. In 9 bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten wie in 8. Der Pegelumsetzer gemaß 9 unterscheidet sich von dem Pegelumsetzer gemaß 8 dadurch, dass der erste Transistor 151 des Pegelumsetzers in 9 ein n-Transistor ist, wahrend der Eingangstransistor 152 des Pegelumsetzers in 8 ein p-Transistor ist. Außerdem ist der Ausgangstransistor des Pegelumsetzers in 9 ein p-Transistor, wahrend der Ausgangstransistor 155 des Pegelumsetzers in 8 ein n-Transistor ist.
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Ein Kommunikationssystem, wie es zuvor erläutert wurde, ist insbesondere geeignet für Anordnungen, bei denen die Versorgungsspannungen der einzelnen Signalverarbeitungseinheiten 10 in Batterieanordnungen (battery stacks) mit einer Vielzahl von Speicherzellen, die in Reihe geschaltet sind, verwendet wird, um eine höhere Gesamtspannung zum Anschließen einer Last zur Verfügung zu stellen. Übliche Anwendungen in solchen Systemen umfassen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, das Uberwachen eines Zellenstatus von Ladungsspeicherzellen in dem System, oder einen Ladungsausgleich zwischen einzelnen Speicherzellen.
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Abschließend sei darauf hingewiesen, dass Merkmale, die im Zusammenhang mit einem Ausführungsbeispiel erläutert wurden, auch mit Merkmalen anderer Ausführungsbeispiele kombiniert werden konnen, und zwar auch dann, wenn dies zuvor nicht explizit erwähnt wurde.
