-
Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Überwachung von mindestens zwei für den Betrieb einer elektrischen Vorrichtung erforderlichen Versorgungsspannungen, d. h. Spannungsebenen, die insbesondere unterschiedliche Nenngrößen aufweisen.
-
Die Überwachung von Spannungen in sicherheitskritischen Systemen dient der frühzeitigen Erkennung von Fehlerzuständen, um sowohl einen sicheren Betrieb als auch eine sichere Abschaltung des Systems zu gewährleisten. Heutige Systeme besitzen eine oder mehrere Spannungsebenen, d. h. Versorgungsspannungen, die zu überwachen sind. Der Stand der Technik sieht vor, dass jede Spannungsebene (V1MON bis V4MON) einzeln überwacht wird, indem Power Good Signale (PG-Signale) der einzelnen Spannungsebenen über ein Gatter logisch UND-verknüpft werden, um ein systemübergreifendendes negiertes PG-Signals (RST) zu generieren. Diese Schaltung ist in 1 gezeigt (siehe auch Intersil Americas LLC: Datenblatt ISL88041. url: https://www.intersil.com/conent/dam/Intersil/documents/isl8/isl88041.pdf).
-
Das systemübergreifende PG-Signal detektiert das Erreichen einer Spannungsschwelle (VREF) einer Spannungsebene und signalisiert der nachfolgenden Schaltung einen stabilen Betriebspunkt. Beim Hochfahren eines Systems wird das PG-Signal erst nach Erreichen aller notwendigen Spannungsschwellen ausgegeben.
-
Durch das mittels eines Komparators erfolgende Vergleichen jeder Spannungsebene mit einer definierten Referenzspannung entsteht ein hoher Bauteilaufwand, insbesondere an integrierten Schaltungen. Diese sind besonders bei Weltraumanwendungen großflächig und kostspielig. Damit ist es ein Ausschlusskriterium bei Schaltungen, die Anforderungen an geringen Bauraum besitzen.
-
Aus
JP S63-210 670 A und
DE 10 2004 025 176 A1 sind jeweils Schaltungen zur Überwachung von mindestens zwei Spannungen bekannt, wie es im Oberbegriff des Anspruchs 1 umrissen ist.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, eine vereinfachte Schaltung zur Überwachung von mindestens zwei für den Betrieb einer elektrischen Vorrichtung erforderlichen Versorgungsspannungen (Spannungsebenen) insbesondere unterschiedlicher Nenngröße zu schaffen.
-
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung eine Schaltung zur Überwachung von mindestens zwei für den Betrieb einer elektrischen Vorrichtung erforderlichen Versorgungsspannungen, insbesondere unterschiedlicher Nenngrößen vorgeschlagen, wobei die Schaltung versehen ist mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Einzelne Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Die erfindungsgemäße Schaltung weist pro zu überwachende Versorgungsspannung einen Messstromzweig auf, der von der jeweiligen zu überwachenden Versorgungsspannung versorgt wird. Wenn die betreffende Versorgungsspannung ihre vorgegebene Nenngröße aufweist, so fließt durch den Messstromzweig ein Nennmessstrom. Die Messströme sämtlicher Messstromzweige fließen in einen Summenknoten, der mit dem ersten Eingang eines Komparators verbunden ist, an dessen zweiten Eingang eine Referenzspannung anliegt. An den Summenknoten ist ferner ein Messwiderstand angeschlossen. Die Referenzspannung und der Messwiderstand sind hinsichtlich ihrer Größen so gewählt, dass sie gleich dem Spannungsabfall über dem Messwiderstand sind, wenn durch diesen ein Gesamtmessstrom fließt, der mindestens gleich der Summe der Nennmessströme der Messstromzweige ist. Wenn der Spannungsabfall über dem Messwiderstand mindestens so groß ist wie die Referenzspannung, gibt der Komparator an seinem Ausgang ein Power Good Signal (PG-Signal) aus.
-
Durch dieses schaltungstechnische Konzept der Überwachung von mehreren für den Betrieb einer elektrischen Vorrichtung erforderlichen Versorgungsspannungen reduziert sich die Anzahl an erforderlichen Bauteilen ganz entscheidend. Insbesondere sind keine Spezialbauteile erforderlich, was insbesondere beim Einsatz der erfindungsgemäßen Schaltung im Weltraum von Vorteil ist, da im Weltraum grundsätzlich ausschließlich Schaltungselemente mit Weltraumqualifikation eingesetzt werden können, wohingegen insbesondere für Standardschaltungen und Bauteile bereits Weltraumspezifikationen existieren, was insoweit einen Vorteil der Erfindung darstellt.
-
Zur Dimensionierung der Bauelemente der erfindungsgemäßen Schaltung werden vereinfachend mehrere Annahmen getroffen. So ist es beispielsweise für die Dimensionierung von Vorteil, wenn die einzelnen Nennmessströme gleich groß gewählt werden. In Abhängigkeit von der Größe der jeweiligen zu überwachenden Versorgungsspannung lässt sich der Nennmessstrom in jedem Messzweig durch einen entsprechend dimensionierten Widerstand realisieren. Für den Fall, dass eine oder mehrere der zu überwachenden Versorgungsspannungen über eine möglicherweise nicht ausreichende Stromtragfähigkeit verfügen, um den für die Dimensionierung angesetzten Nennmessstrom zu liefern, können die Nennmessströme auch unterschiedlich und hinsichtlich ihrer Größe in Abhängigkeit von der Stromtragfähigkeit kleiner gewählt werden. Die Summe sämtlicher Einzel-Nennmessströme bestimmt die Größe des Gesamtmessstroms. Die Referenzspannung und die Größe des Messwiderstands werden nun so gewählt, dass über dem Messwiderstand dann, wenn der Gesamtmessstrom gleich der Summe der einzelnen Nennmessströme ist, ein Spannungsabfall erzeugt wird, der gleich der Referenzspannung ist. Der Komparator vergleicht den Spannungsabfall über dem Messwiderstand mit der Referenzspannung. Ist der Spannungsabfall über dem Messwiderstand größer als die Referenzspannung, so gibt der Komparator an seinem Ausgang das PG-Signal aus.
-
Die erfindungsgemäße Schaltung benötigt lediglich einen einzigen Komparator und im Übrigen auch ansonsten keine Spezialbauelemente, was den eigentlichen Vorteil der Erfindung ausmacht.
-
Zur Vereinfachung der Dimensionierung der erfindungsgemäßen Schaltung ist jeder Messstromzweig mit einem Widerstand zur Nennmessstrombegrenzung und mit einer einen vorgebbaren Spannungsabfall erzeugenden Halbleiterbauteilanordnung versehen (siehe auch 2). Der pro Messstromzweig eingesetzte Widerstand bestimmt den Nennmessstrom. Sofern dann, wenn der Nennmessstrom fließt, über dem Widerstand nicht die gesamte Versorgungsspannung abfällt (was insbesondere dann, wenn die Widerstände der Messstromzweige gleich groß gewählt werden, der Fall sein wird), muss pro Messstromzweig noch für einen entsprechenden zusätzlichen Spannungsabfall gesorgt werden. Dies kann beispielsweise durch eine Halbleiterbauteilanordnung realisiert werden, die die Charakteristik einer Zenerdiode aufweist und insbesondere als Zenerdiode ausgebildet ist oder als Parallelschaltung aus einer Reihenschaltung mehrerer pn-Dioden, wie z. B. LEDs, und einer zu diesen pn-Dioden antiparallel geschalteten weiteren Diode insbesondere einer Schottky-Diode ausgebildet ist oder dass die Halbleiterbauteilanordnung ein im Linearbetrieb oder als Diode arbeitender Transistor ist (siehe hierzu die 2 bis 7).
-
Entscheidend ist zunächst einmal, dass beim Nennmessstromfluss pro Messstromzweig über diesem die gesamte Versorgungsspannung, die dem betreffenden Messstromzweig zugeordnet ist, abfällt. Die zweckmäßigerweise eingesetzte Halbleiterbauteilanordnung dient also zunächst einmal alleinig dem Zweck, den erforderlichen (Rest-)Spannungsabfall zu erzeugen. Diese Vorgabe wird gemäß einer ersten Alternative mit einer Zenerdiode mit entsprechender Durchbruchspannung in Sperrrichtung realisiert. Der weitere Vorteil des Einsatzes einer Zenerdiode in den einzelnen Messstromzweigen besteht darin, dass die Zenerdioden auch einen Stromfluss in entgegengesetzter Richtung zulassen. Damit könnte die Zenerdiode eines Messstromzweiges aus einem Nebenmessstromzweig einen Überstrom „ziehen“ bzw. aus anderen Gründen Strom ziehen, was die Zuverlässigkeit des Ansprechverhaltens der erfindungsgemäßen Schaltung weiter erhöht. Das gilt insbesondere dann, wenn in einer der zu überwachenden Spannungsebenen ein Kurzschluss auftritt. Diese Eigenschaft der Zenerdiode als eine vorteilhafte Ausprägung der den vorgegebenen Spannungsabfall erzeugenden Halbleiterbauteilanordnung ist aber für diese Ausgestaltung der Erfindung nicht zwingend erforderlich, wie oben erläutert.
-
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zur Vorgabe unterschiedlicher Aktivierungsschwellen, bei denen der Komparator die Ausgabe des PG-Signals aktiviert und das aktivierte PG-Signal wieder deaktiviert, eine Hystereseschaltung vorgesehen ist, bei der zwischen dem Summenknoten der mindestens zwei Messstromzweige und dem mit dem Summenknoten gekoppelten Eingang des Komparators ein erster Widerstand (R01) und zwischen diesem Eingang des Komparators und dessen Ausgang ein zweiter Widerstand (R02) geschaltet ist (siehe hierzu auch 6). Derartige Hystereseschaltungen sind grundsätzlich bekannt (siehe z. B. Texas Instruments Inc.: Comparator with Hysteresis Reference Design. url: http://www.ti.com/lit/ug/tidu020a/tidu020a.pdf). Bei der Hystereseschaltung ist der mit dem Summenknoten gekoppelte eine Eingang des Komparators mit einem Spannungsteiler beschaltet, dessen erster Widerstand zwischen dem Summenknoten und dem besagten Eingang des Komparators geschaltet ist, während zwischen diesen Eingang des Komparators und dessen Ausgang der zweite Widerstand angeordnet ist. Der Hystereseeffekt dieser Schaltung auf die Ein- und die Ausschaltschwelle des Komparators wird deutlich, wenn man sich vergegenwärtigt, wie der Ausgang des Komparators dann, wenn dieser an seinem Ausgang das PG-Signal nicht ausgibt, auf Masse liegt, und dann, wenn am Ausgang des Komparators das PG-Signal anliegt, der Ausgang die vom Komparator gelieferte Ausgangsspannung führt.
-
Um Transienten-Artefakte, die hinsichtlich der Erzeugung des PG-Signals beim Hochfahren eines Systems auftreten können, nicht auf die Erzeugung des PG-Signals auswirken zu lassen, kann es zweckmäßig sein, den Komparator zeitverzögert ansprechen zu lassen, was beispielsweise durch einen parallel zum Messwiderstand geschaltete Kapazität realisierbar ist (siehe 3).
-
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass parallel zum Messwiderstand ferner ein steuerbarer Halbleiterschalter (T1) geschaltet ist, dass jeder Messstromzweig einen Widerstand (R1 , R2 ..., Ru ) zur Nennmessstrombegrenzung aufweist, an dessen einen Anschluss sowohl die betreffende Versorgungsspannung anliegt als auch eine Reihenschaltung aus zwei antiparallel geschalteten Dioden angeschlossen ist, wobei sämtliche dieser Diodenreihenschaltungen untereinander sowie mit einem Steuereingang des Halbleiterschalters (T1) verbunden sind und wobei jede Reihenschaltung eine erste Diode zur Verhinderung eines Stromflusses aus der Diodenreihenschaltung zum Widerstand (R1 , R2 ..., Ru ) des betreffenden Messstromzweigs und eine zweite Diode, insbesondere Zenerdiode, oder eine Halbleiterbauteilanordnung aufweist, die bei Stromfluss in Sperrrichtung einen vorgebaren Spannungsabfall erzeugt, der gleich der Schwelle zur Erkennung einer Überspannung dem betreffenden Messstromzweig zugeordneten Versorgungsspannung (u1 , u2 ..., un ) ist (siehe hierzu auch 4). Durch diese Weiterbildung der Erfindung und durch die Rückführung der Messstromzweige zum Steuereingang des Halbleiterschalters werden Überspannungen detektiert, woraufhin das PG-Signal gar nicht erst erzeugt wird bzw. nach einer Aktivierung deaktiviert wird.
-
Ferner kann es von Vorteil sein, pro Messstromzweig ein Halbleiterbauelement einzusetzen, welches durch ein optisches Signal die generelle Funktionsfähigkeit der betreffenden durch den Messstromzweig zu überwachenden Spannungsebene anzeigt. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine LED handeln.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, wobei anzumerken ist, dass sämtliche in den 2 bis 7 gezeigten Modifikationen untereinander kombinierbar sind. Im Einzelnen zeigen dabei:
- 1 ein Beispiel für eine Spannungsüberwachung nach dem Stand der Technik,
- 2 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine kompakte PG-Signalgene-rierung für eine oder mehrere zu überwachende Spannungsebenen,
- 3 ein Ausführungsbeispiel einer kompakten PG-Signalgenerierung für eine oder mehrere Spannungsebenen mit verzögerten Ausgabe des PG-Signals nach Erkennung eines stabilen Betriebspunkts,
- 4 eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung für die kompakte PG-Signalgenerierung für eine oder mehrere Spannungsebenen mit Überspannungserkennung,
- 5 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung für eine kompakte PG-Signalgenerierung für eine oder mehrere Spannungsebenen mit invertierter Ausgabe des PG-Signals,
- 6 ein Ausführungsbeispiel einer kompakten PG-Signalgenerierung für eine oder mehrere Spannungsebenen mit einstellbaren Ein- und Ausschaltschwellen des Komparators und
- 7 ein Ersatzschaltbild für eine einen vorgebbaren Spannungsabfall erzeugende Halbleiterbauteilanordnung, wenn diese nicht durch eine kommerziell erhältliche Zenerdiode realisierbar ist.
-
Der grundlegende Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltung ist insbesondere in dem Einsatz eines einzigen Komparators, von Zenerdioden und von passiven Komponenten zu sehen, wodurch die benötigte Fläche für die Schaltung wesentlich geringer ist als im Vergleich zum Stand der Technik.
-
In der Raumfahrt sind der Bauraum und die Kosten für Halbleiter entscheidend. Beide Kriterien werden mittels der erfindungsgemäßen Schaltung minimiert. Zudem sind nicht alle terrestrisch verfügbare Schaltungselemente mit Weltraumqualifikation erhältlich.
-
Die erfindungsgemäße Schaltung des Ausführungsbeispiels nach 2 weist einen Basis- bzw. Messwiderstand Rmess auf, über dem die Spannung für den positiven Eingang des Komparators CMP1 abgegriffen wird. Am ersten (in diesem Beispiel negativen) Eingang 10 des Komparators CMP1 liegt eine Referenzspannung an. Ist die Spannung über dem Messwiderstand Rmess größer als die Referenzspannung, wird der Ausgang 12 des Komparators positiv, anderenfalls ist dieser negativ. Durch die Zenerdioden ZD1/ZD2/ZDn (oder allgemein durch die Halbleiteranordnung 14) wird gewährleistet, dass ein bestimmter Messstrom erst ab Erreichen der Zenerspannung plus der Spannung über dem Messwiderstand Rmess fließt. Vorteilhafterweise wird dieser Messstrom für die Widerstände R1 bis R2 im Nennbetrieb für alle Spannungsebenen gleich ausgelegt. Zudem ist es zweckmäßig, die R1 bis R2 gleich groß zu wählen, um betragsmäßig gleiche Spannungsabweichungen aller Spannungsebenen detektieren zu können. Des Weiteren wird die Anforderung an verschiedene Widerstandswerte minimiert. Die Summe aller Messströme (i1 + i2 + ...) der einzelnen Spannungsebenen bildet den Gesamtmessstrom imess durch den Messwiderstand Rmess . Der Messwiderstand Rmess und die Referenzspannung uref werden derart gewählt, dass sich dann, wenn der Gesamtmessstrom imess fließt, über Rmess ein Spannungsabfall einstellt, der größer oder gleich der Referenzspannung uref ist.
-
Ist die Spannung einer Spannungsebene geringer als im Nennbetrieb, so fließt ein geringerer (Einzel-)Messstrom dieser Spannungsebene in den Summenknoten 16 und damit durch den Messwiderstand Rmess . Daraus resultiert eine Spannung über Rmess die geringer als die Referenzspannung uref ist, sofern die Messstromdifferenz höher als die gewählte Toleranz ausfällt.
-
Findet ein Kurzschluss in einer Spannungsebene statt, so wird die Zenerdiode in dem betreffenden Messstromzweig 18 dieser Spannungsebene in Vorwärtsrichtung betrieben und fungiert als eine Diode. Folglich befindet sich die Spannung umess unterhalb der Referenzspannung uref und es wird kein gültiges PG-Signal ausgegeben.
-
Falls eine Spannungsebene sehr gering ist und sich damit nahe an der Referenzspannung uref befindet, kann die verwendete Zenerdiode ZD1 , ZD2 , ZDn vernachlässigt werden. Dies kann auch bei einem stark vereinfachten Aufbau für alle Spannungsebenen praktiziert werden.
-
Ist eine verzögerte Ausgabe des PG-Signales erwünscht, so kann dies mit einem zusätzlichen Kondensator Cd bewerkstelligt werden, wie es in 3 gezeigt ist. Dieser wird parallel zu Rmess verschaltet. Über die Größe der Kapazität des Kondensators Cd kann der Verzögerungszeitraum eingestellt werden.
-
Bei den bisherigen Schaltungsvarianten der 2 und 3 kann der Fall eintreten, dass trotz einer Überspannung einer der Spannungsebenen dennoch fehlerhafterweise ein stabiler Betriebspunkt detektiert wird. Wenn nämlich in einem der Messstromzweige 18 wegen einer Überspannung ein zu großer Einzelmessstrom fließt, während in einem anderen der Messstromzweige 18 ein im gleichen Maße verringerter Messstrom fließt, ändert sich die Größe des Gesamtmessstroms nicht, so dass trotz Überspannung das PG-Signal ausgegeben wird.
-
Um dies zu vermeiden, wird eine zusätzliche Schaltung integriert, die in 4 zu sehen ist. Hierbei wird eine Diode in Vorwärtsrichtung D11 /D21 /Dn1 zusammen mit einer Zenerdiode in Sperrrichtung ZD12 /ZD22 /ZDn2 verschaltet. Deren Anoden werden parallel verschaltet und mit den Widerstand Rb verbunden. Dieser dient der Strombegrenzung in die Basis von T1. Die Zenerspannung von ZD12 /ZD22 entspricht zusammen mit der Durchlassspannung von D11 /D21 , der Überspannungsschwelle der jeweiligen Spannungsebene. D11 /D21 dient hierbei zur Verhinderung des Rückflusses im Überspannungsfall. Liegt bei einer der Spannungsebenen eine Überspannung vor, so fließt durch die betreffenden Dioden D11 , ZD12 /D21 , ZD22 /Dn1 , ZDn2 ein Strom, der den Transistor T1 leiten lässt. Folglich resultiert ein Einbruch von umess und das PG Signal wird negativ. In der Schaltung gemäß 4 ist als Halbleiterschalter zum Kurzschließen des Messwiderstands Rmess ein Bipolartransistor gezeigt. Selbstverständlich lässt sich hier auch ein Feldeffekttransistor (FET) einsetzen, wobei dann der Widerstand Rb zwischen dem Gate und Masse geschaltet ist.
-
Viele Systeme benötigen ein invertiertes PG-Signal (PG) beispielsweise für das Zurücksetzen eines Prozessors. Um dies zu erlangen ist kein zusätzlicher Bauteilaufwand nötig. Hierzu werden die beiden Eingänge des Komparators CMP1 vertauscht, wie in 5 zu sehen ist. Somit ist eine flexible Anpassung an den externen Schnittstellenstandard ohne zusätzlichen Schaltungsaufwand möglich.
-
Falls eine abweichende Ausschaltschwelle im Vergleich zur Einschaltschwelle gewünscht ist, kann diese über den Widerstand R01 und R02 eingestellt werden. Die entsprechende Schaltung ist in 6 zu finden. R01 , R02 und der Komparator CMP1 bilden damit eine an sich bekannte Hystereseschaltung 20.
-
Sollte eine Zenerspannung erwünscht sein, welche nicht käuflich zu erwerben ist, so kann durch die Verschaltung von mehreren, in Reihe geschalteten Dioden (Reihenschaltung 22) diese Spannung erreicht werden, wie es anhand der Dioden D1 bis Dn in 7 gezeigt ist. Diese Dioden können als eine oder mehrere Leuchtdioden (LEDs) ausgeführt sein. Dies bewirkt ein zusätzliches optisches Signal, welches die generelle Funktionsfähigkeit einer Spannungsebene anzeigt.
-
Zusätzlich ist parallel zur Reihenschaltung 22 eine zu deren Dioden antiparallele Schottky-Diode SD1 (Parallelschaltung 24) einzufügen, um bei einem Kurzschlussfall den Vorwärtsbetrieb der Zenerdiode, deren Funktion durch die Parallelschaltung 24 realisiert ist, nachzubilden.
