DE102011006338A1 - Controller chip for engine control unit for motor vehicle, has voltage regulator unit which is formed as switching regulator unit for providing internal supply voltages of engine control unit - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Steuerungschip für ein Steuergerät, insbesondere Motorsteuergerät. Ein derartiger Steuerungschip stellt insbesondere die Grundfunktionalität des Motorsteuergeräts bereit, insbesondere auch bezüglich der Peripherie-Elemente und Endstufen.The invention relates to a control chip for a control unit, in particular engine control unit. Such a control chip provides in particular the basic functionality of the engine control unit, in particular also with regard to the peripheral elements and output stages.
Stand der TechnikState of the art
Motorsteuergeräte, insbesondere für Kraftfahrzeugmotoren werden im Allgemeinen als Module auf einem Schaltungsträger, z. B. einer Leiterplatte realisiert. Hierbei sind ein Mikrocontroller als Recherkern, und weiterhin ein Peripherie-Chipsatz zum Realisieren der benötigten Hardware-Funktionen vorgesehen. Als Peripherie-Chipsatz können verschiedene applikationsspezifische integrierte Schaltkreise (ASICs) und weitere elektronische Baugruppen eingesetzt werden.Engine control devices, in particular for motor vehicle engines are generally used as modules on a circuit carrier, for. B. realized a circuit board. In this case, a microcontroller is provided as a rake core, and furthermore a peripheral chipset for realizing the required hardware functions. As a peripheral chipset, various application-specific integrated circuits (ASICs) and other electronic assemblies can be used.
Aus der
Gemäß der
Für z. B. ein 4-Zylinder-Motorsteuergerät wird im Allgemeinen ein Gehäuse aus sehr gut wärmeleitfähigem Material wie z. B. Aluminium eingesetzt, das wiederum zum einen teuer und zum anderen sehr empfindlich gegenüber Beschädigungen im Inneren wie z. B. Kratzern ist, die z. B. Kurzschlüsse erzeugen können.For z. B. a 4-cylinder engine control unit is generally a housing made of very good thermal conductivity material such. B. aluminum used, in turn, on the one hand expensive and on the other hand very sensitive to damage inside such. B. scratches, the z. B. can generate short circuits.
Die
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß wird als Spannungsreglereinrichtung eine Schaltreglereinrichtung eingesetzt. Gegenüber herkömmlichen Anwendungen von analogen, linearen Reglern, die hohe Verlustleistungen erzeugen, ist somit zwar ein höherer Fertigungsaufwand und höherer Herstellungsaufwand erforderlich. Dem liegt jedoch die erfindungsgemäße Überlegung zugrunde, die Leistungsaufnahme und die Wärmeentwicklung gering zu halten. Somit sind der Energieverbrauch des Steuerungschips sowie des gesamten Motorsteuerungsgerätes geringer.According to the invention, a switching regulator device is used as the voltage regulator device. Thus, compared to conventional applications of analog, linear regulators, which generate high power losses, a higher production cost and higher production costs are required. However, this is based on the consideration according to the invention of keeping the power consumption and the heat development low. Thus, the power consumption of the control chip and the entire engine control unit are lower.
Erfindungsgemäß wird hierbei grundsätzlich ebenfalls eine hohe Integration im Steuerungschip gewählt, wobei zusätzlich zu der Leistungsversorgung (Power Supply) weitere Komponenten, insbesondere die Analog-Digital-Wandler-Einrichtung und Treiber für Leistungsendstufen ausgebildet sind.In accordance with the invention, a high degree of integration in the control chip is likewise basically selected here, wherein further components, in particular the analog-to-digital converter device and drivers for power output stages, are formed in addition to the power supply (power supply).
Die Schaltreglereinrichtung wird zur Erzeugung sämtlicher interner Versorgungsspannungen des Motorsteuergeräts, d. h. der Steuerungschip-internen und Steuerungschip-externen, aber Motorsteuergerät-internen Spannungen eingesetzt. Hierbei kann bei einem typischen Motorsteuergerät für einen Vier-Zylinder-Motor z. B. eine thermische Verlustleistung um wenigstens drei Watt reduziert werden.The switching regulator device is used to generate all internal supply voltages of the engine control unit, i. H. the control chip-internal and control chip-external, but engine ECU internal voltages used. Here, in a typical engine control unit for a four-cylinder engine z. B. a thermal power loss can be reduced by at least three watts.
Weiterhin wird erfindungsgemäß erkannt, dass durch den erfindungsgemäßen Steuerungschip mit geringerer Wärmeentwicklung grundsätzlich das Steuergerät gemoldet ausgebildet sein kann, d. h. der Schaltungsträger mitsamt den weiteren Komponenten in einem Moldgehäuse vergossen werden kann.Furthermore, it is recognized according to the invention that, in principle, the control unit can be formed by the control chip according to the invention with less heat generation, d. H. the circuit carrier can be cast together with the other components in a mold housing.
Eine derartige Ausbildung ermöglicht eine deutlich schlechtere Wärmeabfuhr als eine Ausbildung mit einem Metallgehäuse. Ein derartiges Moldgehäuse lässt sich jedoch deutlich kostengünstiger fertigen als ein Metallgehäuse, so dass erfindungsgemäß wiederum Kostenvorteile erreicht werden. Erfindungsgemäß wird hierbei überraschender Weise erkannt, dass die höheren Fertigungskosten bei Integration eines Schaltreglers statt eines Linearreglers durch die geringen Kosten der Verpackung, d. h. insbesondere eines Moldgehäuses statt eines Metallgehäuses, wieder kompensiert werden, insbesondere auch unter Berücksichtigung der geringen Leistungsaufnahme und somit des geringeren Verbrauchs des Fahrzeuges.Such a design allows a significantly lower heat dissipation than a training with a metal housing. However, such a mold housing can be manufactured much cheaper than a metal housing, so that according to the invention in turn cost advantages can be achieved. According to the invention, this is surprising way recognized that the higher manufacturing costs for integration of a switching regulator instead of a linear regulator by the low cost of packaging, ie in particular a Moldgehäuses instead of a metal housing, are compensated again, especially taking into account the low power consumption and thus the lower consumption of the vehicle.
Statt eines gemoldeten Gehäuses kann grundsätzlich auch ein Gehäuse mit Gehäuseinnenraum und Kunststoff-Gehäuseteilen, z. B. einem Deckel aus Kunststoff oder Grundgehäuse und Deckel aus Kunststoff, gewählt werden. Der Kostenvorteil bei einem gemoldetem Gehäuse bzw. Mold-Package ist jedoch am größten.Instead of a molded housing can basically also a housing with housing interior and plastic housing parts, eg. As a lid made of plastic or basic housing and plastic lid can be selected. However, the cost advantage of a molded case or mold package is greatest.
Erfindungsgemäß kann der Steuerungschip lediglich eine einzige Versorgungsspannung aufnehmen und die unterschiedlichen internen Versorgungsspannungen durch geeignete Schaltregler-Teileinrichtungen ausbilden, wozu geeignete Schaltregler-Typen ausgewählt werden können.According to the invention, the control chip can only pick up a single supply voltage and form the different internal supply voltages by means of suitable switching regulator subassemblies, for which purpose suitable switching regulator types can be selected.
Besonders vorteilhaft lässt sich der Schaltungsträger mit Leistungsendstufen mit geringem Durchlasswiderstand im eingeschalteten Zustand, d. h. geringem RDS_on, der Leistungs-MOSFETs ausbilden. Eine derartige Ausbildung von Leistungs-MOSFETs erfordert höhere Prozesskosten und/oder einen höheren Flächenverbrauch und somit höhere Materialkosten des Halbleiterbauelements. Hierbei kann insbesondere zwischen unterschiedlichen Leistungsendstufen bzw. Treibern für Leistungsendstufen des Steuerungschips differenziert werden, so dass Leistungsendstufen für hohe Ströme und insbesondere Leistungsendstufen mit höherer zeitlicher Gesamtbelastung wie z. B. für das Injektor-Ventil (Ventil für die Kraftstoffeinspritzung), mit entsprechenden Leistungs-MOSFETs mit geringem Durchlasswiderstand ausgebildet werden, hingegen andere Leistungsendstufen mit kostengünstigeren MOSFETs mit geringerem Flächenbedarf.Particularly advantageous is the circuit carrier with power amplifiers with low on-resistance in the on state, d. H. low RDS_on forming power MOSFETs. Such a design of power MOSFETs requires higher process costs and / or a higher area consumption and thus higher material costs of the semiconductor device. This can be differentiated in particular between different power amplifiers or drivers for power amplifiers of the control chip, so that power amplifiers for high currents and in particular power amplifiers with higher total temporal load such. For example, for the injector valve (valve for fuel injection) are formed with corresponding power MOSFETs with low on-resistance, however, other power amplifiers with lower cost MOSFETs requiring less space.
Erfindungsgemäß werden somit einige Vorteile erreicht:
- – Es wird eine Verbesserung der Gesamtkostenposition des Motorsteuergeräts erreicht.
- – Die Größe des Steuergeräts kann verringert werden, insbesondere wenn diese durch die erforderlichen Entwärmung (Wärmeabfuhr) bisher nach unten begrenzt ist.
- – Durch die Verringerung der Innentemperatur des Steuergerätes im Betrieb kann die Zuverlässigkeit erhöht werden.
- – Ein Einsatz des Motorsteuergeräts in Einbauorten, die bisher aufgrund der Temperatur bzw. Wärmeabgabe nicht möglich waren, ist erreichbar.
- – Der Energieverbrauch des Fahrzeuges kann gesenkt werden.
- - It is achieved an improvement in the overall cost position of the engine control unit.
- - The size of the controller can be reduced, especially if this is limited by the required heat dissipation (heat dissipation) so far down.
- - By reducing the internal temperature of the control unit in operation, the reliability can be increased.
- - A use of the engine control unit in installation locations, which were previously not possible due to the temperature or heat dissipation is achievable.
- - The energy consumption of the vehicle can be reduced.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Beschreibung der AusführungsformenDescription of the embodiments
Das Motorsteuergerät
Die größeren Baugruppen, die mehrere Komponenten aufweisen, sind in
Die Leistungsversorgung
Die AD-Wandler-Einrichtung
Der Mikrocontroller
Von der Leistungsendstufen-Einheit
Weiterhin weist das Motorsteuergerät
Gemäß
Gemäß dieser Ausführungsform ist das Motorsteuergerät
Bei der Ausführungsform der
Statt eines Moldgehäuses kann z. B. auch ein Kunststoffgehäuse, d. h. mit Gehäusekörper und Deckel, oder ein entsprechendes Gehäuse bzw. Verpackung aus gemischten Materialien, z. B. Deckel aus Kunststoff und Grundplatte aus Metall eingesetzt werden. Die gemoldete Variante ermöglicht jedoch eine hohe Automotive-Fähigkeit und geringe Fertigungskosten.Instead of a Moldgehäuses z. As well as a plastic housing, d. H. with housing body and lid, or a corresponding housing or packaging made of mixed materials, eg. B. plastic lid and base plate made of metal. However, the molded variant allows high automotive capability and low manufacturing costs.
Hierbei wird durch Einsatz des Schaltreglers und der Leistungsendstufen mit Leistungs-MOSFETs mit niedrigem Durchlasswiderstand erfindungsgemäß eine sehr geringe Verlustwärme erzeugt, so dass die gezeigte Variante mit Moldgehäuse
Die Schaltreglereinrichtung
Grundsätzlich kann erfindungsgemäß auch zusätzlich zu dem Einsatz eines Schaltreglers ein nachgeschalteter Linearregler vorgesehen sein, so dass z. B. der Schaltregler eine Vorregelung der Spannung von z. B. 12 V auf z. B. 6 V durchführt und der nachgeschaltete Linearregler auf 5 V regelt, so dass bereits eine deutliche Reduzierung der thermischen Verlustleistung möglich ist.In principle, a downstream linear regulator can also be provided according to the invention in addition to the use of a switching regulator, so that z. B. the switching regulator is a pre-regulation of the voltage of z. B. 12 V on z. B. 6 V and controls the downstream linear regulator to 5 V, so that already a significant reduction of the thermal power loss is possible.
Der Einsatz eines Schaltreglers führt zwar grundsätzlich zu einer höheren Abstrahlung, aufgrund des Schaltprinzips der Spannungsregelung mit zeitlich schnellen Spannungswechseln. Hierbei können jedoch die Schaltflanken geeignet eingestellt werden oder ein spezifisches Shaping der Schaltflanken erreicht werden, um die Abstrahlung zu reduzieren.Although the use of a switching regulator generally leads to a higher radiation, due to the switching principle of voltage regulation with temporally fast voltage changes. In this case, however, the switching edges can be suitably adjusted or a specific shaping of the switching edges can be achieved in order to reduce the radiation.
Die erfindungsgemäße Realisierung eines besonders niedrigen Durchlasswiderstandes RDS_on wird z. B. auch durch Einsatz einer größeren Fläche des integrierten Schaltkreises erreicht, weiterhin durch Verbesserung der Basisbauelement oder der Prozessverbesserung beim Herstellungsprozess.The realization according to the invention of a particularly low on-resistance RDS_on is z. B. achieved by using a larger area of the integrated circuit, further by improving the base component or the process improvement in the manufacturing process.
Die Schaltreglereeinrichtung
Die Schaltreglereinrichtung
Über die Schaltreglereinrichtung
Der Durchlasswiderstand RDS_on der Leistungsendstufen kann wiederum je nach Einsatz unterschiedlich sein, z. B.
für die Leistungsendstufe 3 A mit einem Durchlasswiderstand RDS_on < 0,2 Ohm,
für die Leistungsendstufe 2,2 A mit hohem Nutzungsgrad (d. h. höheren Betätigungsdauern über die Gesamtzeit gemessen), die z. B. die Leistungsendstufe
für eine weitere Leistungsendstufe 2,2 A mit einem niedrigen Nutzungsgrad z. B. mit einem Durchlasswiderstand RDS_on von etwa 0,72 Ohm.The forward resistance RDS_on of the power output stages can in turn be different depending on the application, eg. B.
for the output stage 3 A with an on-resistance RDS_on <0.2 ohms,
for the power output stage 2.2 A with high efficiency (ie higher operating times over the total time measured), the z. B. the power amplifier
for another output stage 2.2 A with a low efficiency z. B. with an on-resistance RDS_on of about 0.72 ohms.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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