DE102017109684A1

DE102017109684A1 - Spannungsmessvorrichtung, verfahren und herstellverfahren

Info

Publication number: DE102017109684A1
Application number: DE102017109684.1A
Authority: DE
Inventors: Florian Mayer; Patrick Dumm
Original assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Current assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Priority date: 2017-05-05
Filing date: 2017-05-05
Publication date: 2018-11-08
Anticipated expiration: 2037-05-06
Also published as: DE102017109684B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart eine Spannungsmessvorrichtung (100, 200) zum Messen einer Versorgungsspannung (102), mit einer Spannungsmesseinrichtung (106, 206), welche ausgebildet ist, den Betrag der an einem Spannungseingang (101, 201) der Spannungsmessvorrichtung (100, 200) anliegenden Versorgungsspannung (102) zu messen, einem Leistungsschaltelement (105, 205), welches zwischen der Spannungsmesseinrichtung (106, 206) und dem Spannungseingang (101, 201) angeordnet ist, und einer steuerbaren Schalteinrichtung (107, 207), welche ausgebildet ist, eine Steuerspannung (109) über dem Leistungsschaltelement (105, 205) in einem eingeschalteten Zustand konstant zu halten. Ferner offenbart die vorliegende Erfindung ein entsprechendes Verfahren und ein Herstellverfahren für eine erfindungsgemäße Spannungsmessvorrichtung.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spannungsmessvorrichtung zum Messen einer Versorgungsspannung. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Spannungsmessvorrichtung und ein Herstellverfahren für eine Spannungsmessvorrichtung.
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden hauptsächlich in Verbindung mit Fahrzeugbordnetzen beschrieben. Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung auch in jeder anderen Anwendung eingesetzt werden kann, in der elektrische Spannungen gemessen werden müssen.
In modernen Fahrzeugen wird eine Vielzahl elektrischer und elektronischer Systeme eingesetzt. Um den fehlerfreien Betrieb solcher Systeme sicherzustellen, messen viele dieser Systeme die Versorgungsspannung. Verringert sich die Versorgungsspannung unterhalb eines bestimmten Wertes, reduzieren solche Systeme den verfügbaren Funktionsumfang beziehungsweise deaktivieren sich vollständig.
In einem Fahrzeug können elektrische Systeme fahrzeugseitig permanent mit der Batteriespannung versorgt werden. Die Messung der Versorgungsspannung führt folglich gleichzeitig dazu, dass Batteriespannung gemessen wird. Die Messung der Versorgungsspannung führt dabei üblicherweise zu einem geringen Stromfluss. Ist das Fahrzeug abgestellt und fließt ein solcher Messstrom, spricht man auch von einem Ruhestrom des Fahrzeugsystems.
Allerdings gilt es, ein Entladen der Fahrzeugbatterie - auch über lange Zeiträume - zu vermeiden.
Beschreibung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, unter Einsatz konstruktiv möglichst einfacher Mittel den Ruhestrom eines spannungsmessenden elektrischen Systems in einem Fahrzeug zu minimieren.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Figuren angegeben.
Eine erfindungsgemäße Spannungsmessvorrichtung zum Messen einer Versorgungsspannung, weist eine Spannungsmesseinrichtung auf, welche ausgebildet ist, den Betrag der an einem Spannungseingang der Spannungsmessvorrichtung anliegenden Versorgungsspannung zu messen. Ferner weist eine erfindungsgemäße Spannungsmessvorrichtung ein Leistungsschaltelement, welches zwischen der Spannungsmesseinrichtung und dem Spannungseingang angeordnet ist, und eine steuerbare Schalteinrichtung auf, welche ausgebildet ist, eine Steuerspannung über dem Leistungsschaltelement in einem eingeschalteten Zustand konstant zu halten.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Spannungsmessvorrichtung zum Messen einer Versorgungsspannung weist die folgenden Schritte auf: gesteuertes Schließen einer Verbindung zwischen einem Spannungseingang und einer Spannungsmesseinrichtung der Spannungsmessvorrichtung mit einem Leistungsschaltelement, welches zwischen der Spannungsmesseinrichtung und dem Spannungseingang angeordnet ist, und Halten einer Steuerspannung über dem Leistungsschaltelement mit einer steuerbaren Schalteinrichtung in einem eingeschalteten Zustand auf einem konstanten Spannungswert.
Ein erfindungsgemäßes Herstellverfahren für eine erfindungsgemäße Spannungsmessvorrichtung weist die folgenden Schritte auf: Anordnen eines Leistungsschaltelements zwischen einer Spannungsmesseinrichtung, welche ausgebildet ist, den Betrag der an einem Spannungseingang der Spannungsmessvorrichtung anliegenden Versorgungsspannung zu messen, und einem Spannungseingang der Spannungsmessvorrichtung, und Koppeln einer steuerbaren Schalteinrichtung mit dem Leistungsschaltelement, wobei die steuerbare Schalteinrichtung ausgebildet ist, eine Steuerspannung über dem Leistungsschaltelement in einem eingeschalteten Zustand konstant zu halten.
Üblicherweise werden zur Abschaltung der Spannungsmessung in Fahrzeugsystemen Transistoren eingesetzt, die mit Hilfe einer Z-Diode vor einer Überspannung geschützt werden. Eine solche Überspannung kann in einem Fahrzeug beispielsweise bei einem sog. „Jumpstart“ entstehen, bei welchem ein 12-V-basiertes Fahrzeug, beispielsweise ein PKW, über eine 28-V-Spannungsquelle, beispielsweise aus einem LKW, fremdgestartet wird. Die Spannung von 28 V über dem Leistungsschaltelement könnte dieses Zerstören. Daher wird diese Spannung - wie oben angedeutet - mit einer Z-Diode begrenzt.
Die Z-Spannung der Z-Diode wird dabei üblicherweise derart gewählt, dass die Spannung über dem Leistungsschaltelement, beispielsweise eine Gate-Source-Spannung an einem Transistor, den Wert von 20 V nicht überschreitet. Allerdings ist die Z-Spannung der Z-Diode stark temperaturabhängig. Für Fahrzeuge wie KFZ werden üblicherweise Betriebsspannungsbereiche zwischen 6V und 16V und gleichzeitig sehr große Temperaturbereiche, beispielsweise - 40° C - + 120° C spezifiziert. Auf Grund der Temperaturabhängigkeit der Z-Diode ist es möglich, dass mit einer solchen Z-Diode diese Anforderungen nicht erfüllt werden können.
Die vorliegende Erfindung stellt daher einen Aufbau bereit, bei welchem die Steuerspannung über dem Leistungsschaltelement nicht durch eine Z-Diode bestimmt wird. Dagegen wird die Steuerspannung, beispielsweise eine Gate-Source-Spannung, begrenzt. Die Spannung über dem Lastpfad des Leistungsschaltelements wird durch andere Eigenschaften des Leistungsschaltelements bestimmt.
Die vorliegende Erfindung sieht folglich eine steuerbare Schalteinrichtung vor, welche das Leistungsschaltelement ein- und ausschalten kann. Die steuerbare Schalteinrichtung kann über ein externes Signal ein- und ausgeschaltet werden und schaltet im eingeschalteten Zustand das Leistungsschaltelement durch beziehungsweise ein. Die steuerbare Schalteinrichtung ist dabei derart ausgebildet, dass sie die Steuerspannung über dem Leistungsschaltelement konstant hält. Der Begriff „Leistungsschaltelement“ bedeutet nicht, dass bei der Spannungsmessung hohe Leistungen geschaltet werden müssen und wurde gewählt, da der Leistungspfad des Leistungsschaltelements die für die Spannungsmessung nötige elektrische Verbindung herstellt.
Wird die steuerbare Schalteinrichtung ausgeschaltet, wird das Leistungsschaltelement geöffnet beziehungsweise sperrend oder hochohmig und es fließt kein beziehungsweise nur ein minimaler Ruhestrom durch die Spannungsmessvorrichtung.
Unabhängig von der Versorgungsspannung, also beispielsweise auch bei einem „Jumpstart“ wird folglich die Steuerspannung über dem Schaltelement konstant gehalten. Das Schaltelement wird also zuverlässig vor Zerstörung durch Überspannungen geschützt und gleichzeitig sicher ein- beziehungsweise ausgeschaltet. Der Ruhestrom der Spannungsmessvorrichtung wird also bei ausgeschaltetem Leistungsschaltelement minimiert.
Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, wobei die Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele zu neuen Ausführungsbeispielen kombiniert werden können. Insbesondere können die unabhängigen Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein.
In einer Ausführungsform kann der Leistungsschalter als PMOS-Transistor ausgebildet sein.
PMOS-Transistoren, beispielsweise P-Kanal MOSFETs, eignen sich, um die Versorgungsspannung von Lasten zu schalten. Im Gegensatz zum Schalten einer Last gegen Masse, können hier keine N-Kanal MOSFETs eingesetzt werden beziehungsweise nur mit erheblichem Mehraufwand eingesetzt werden. Bei einem PMOS-Transistor liegt der Emitter beziehungsweise Source an der Versorgungsspannung. Die Steuerspannung bezieht sich nun also auf die Versorgungsspannung und nicht wie bei NMOS Transistoren auf Masse. Bei einem PMOS-Transistor muss daher die Basis beziehungsweise das Gate negativer sein, als die Emitter- beziehungsweise Source-Spannung. Bei der Verwendung von PMOS-Transistoren kann die nachfolgende Schaltung im abgeschalteten Zustand spannungsfrei geschaltet werden und bleibt mit Masse verbunden. Dies kann beispielsweise eine Anforderung für ein Fahrzeug sein, da so beispielsweise bei einer Wartung keine beziehungsweise weniger spannungsführenden Teile freigelegt werden.
In einer Ausführungsform kann die steuerbare Schalteinrichtung eine Konstantstromsenke und einen über dem Leistungsschaltelement angeordneten Steuerwiderstand aufweisen, der eingangsseitig mit dem Spannungseingang und ausgangsseitig mit der Konstantstromsenke gekoppelt sein kann.
Auf Grund des durch die Konstantstromsenke eingestellten Stroms fällt über dem Steuerwiderstand eine Spannung ab, die von der Größe des Stroms und dem Wert des Steuerwiderstands abhängig ist. Durch die Anordnung des Steuerwiderstands über dem Leistungsschaltelement wird die Spannung, die über dem Steuerwiderstand abfällt als Steuerspannung in das Leistungsschaltelement eingeprägt.
Die Konstantstromsenke erzeugt unabhängig von der anliegenden Versorgungsspannung einen konstanten Stromfluss und der Steuerwiderstand weist lediglich sehr geringe Temperaturschwankungen auf. Folglich kann mit dieser Anordnung die Steuerspannung für das Leistungsschaltelement über einen großen Eingangsspannungs- und Temperaturbereich konstant gehalten werden. Es versteht sich, dass der Begriff „konstant“ geringe temperaturbasierte oder auf Bauteiltoleranzen basierende Schwankungen einschließt.
In einer Ausführungsform kann der PMOS-Transistor als P-Kanal MOSFET ausgebildet sein und der Steuerwiderstand kann zwischen dem Source-Anschluss und dem Gate-Anschluss des P-Kanal MOSFET angeordnet sein.
MOSFET Transistoren weisen einen sehr geringen Durchgangswiderstand auf und können daher zum annähernd verlustfreien Schalten elektrischer Lasten genutzt werden. Bei einem P-Kanal MOSFET steuert - wie oben bereits erwähnt - die Gate-Source-Spannung den Zustand des Transistors. Insbesondere kann eine zu hohe Gate-Source-Spannung zu einer Zerstörung des Transistors führen. Die entsprechende Spannungsschwelle ist von dem jeweiligen Transistor abhängig, liegt aber üblicherweise bei ca. 20 V.
Für ein sicheres Durchschalten des P-Kanal MOSFET muss ferner eine Mindestspannung bereitgestellt werden. Der Steuerwiderstand und die Konstantstromsenke können beispielsweise derart dimensioniert werden, dass die Spannung über dem Steuerwiderstand, also die Steuerspannung für den P-Kanal MOSFET, bei ca. 10 V liegt.
Mit Hilfe des Steuerwiderstands und der Konstantstromsenke kann folglich eine fehlerfreie Funktion des P-Kanal MOSFET innerhalb der vorgeschriebenen Betriebsgrenzen realisiert werden.
In einer Ausführungsform kann die Konstantstromsenke einen bipolaren Transistor aufweisen, dessen Leistungseingang mit dem Steuerwiderstand gekoppelt ist und dessen Leistungsausgang über einen Emitterwiderstand mit einer Masse verbunden ist.
Der bipolare Transistor kann beispielsweise ein NPN-Transistor sein, der als Stellglied der Konstantstromquelle dient. Mit Hilfe eines NPN-Transistors kann sehr einfach eine zwischen der Last, hier dem Steuerwiderstand, und der Masse liegende Stromsenke realisiert werden. Durch die äußere Beschaltung des NPN-Transistors durch den Emitterwiderstand und beispielsweise entsprechende Basiswiderstände kann der Wert beziehungsweise Betrag des Stroms eingestellt werden, den die Stromsenke erzeugt.
In einer Ausführungsform kann die Konstantstromsenke ferner einen Spannungsteiler aufweisen, der zwischen einem Steuereingang der Konstantstromsenke und der Masse angeordnet sein kann, wobei der Teilerausgang des Spannungsteilers mit einem Steuereingang des bipolaren Transistors gekoppelt sein kann.
Wie oben bereits ausgeführt, kann über die äußere Beschaltung des NPN-Transistors der Wert beziehungsweise Betrag des Stroms eingestellt werden, den die Konstantstromsenke bereitstellt.
Über den Spannungsteiler kann beispielsweise die Spannung eingestellt werden, die über dem Emitterwiderstand abfällt. Die Spannung, die über dem unteren Widerstand des Spannungsteilers abfällt, fällt um die Basis-Emitter-Spannung von 0,7 V reduziert auch über dem Emitterwiderstand ab. Der untere Widerstand bezeichnet dabei den Widerstand zwischen dem Teilerausgang und Masse.
Soll in einer beispielhaften Ausführung die Stromsenke also beispielsweise einen Strom von 1 mA bereitstellen, kann der Spannungsteiler derart dimensioniert werden, dass 1,7 V über dem unteren Widerstand abfallen. Somit fällt 1 V über dem Emitterwiderstand ab. Wird dieser nun mit 1 kΩ dimensioniert, fließt ein Strom von 1 mA durch den Emitterwiderstand. Es sei darauf hingewiesen, dass in diesem vereinfachten Beispiel der Einfluss des Basisstroms vernachlässigt wurde.
Durch die Dimensionierung der Spannung über dem unteren Widerstand des Spannungsteilers und des Wertes des Emitterwiderstands kann folglich der Strom eingestellt werden, den die Stromsenke bereitstellt.
In einer Ausführungsform kann das Leistungsschaltelement als P-Kanal MOSFET ausgebildet sein. Ferner kann die steuerbare Schalteinrichtung eine Konstantstromsenke und einen zwischen dem Source-Anschluss und dem Gate-Anschluss des P-Kanal MOSFET angeordneten Steuerwiderstand aufweisen, der eingangsseitig mit dem Spannungseingang und ausgangsseitig mit der Konstantstromsenke gekoppelt ist. Ferner kann die Konstantstromsenke einen NPN-Transistor aufweisen, dessen Leistungseingang mit dem Steuerwiderstand gekoppelt ist und dessen Leistungsausgang über einen Emitterwiderstand mit einer Masse gekoppelt ist, wobei die Konstantstromsenke ferner einen Spannungsteiler aufweisen kann, der zwischen einem Steuereingang der Konstantstromsenke und der Masse angeordnet ist, wobei der Teilerausgang des Spannungsteilers mit dem Steuereingang des NPN-Transistors gekoppelt ist.
In einer Ausführungsform kann die Spannungsmesseinrichtung einen Mess-Spannungsteiler aufweisen, der die Versorgungsspannung derart teilt, dass die Spannung an dem Teilerausgang des Mess-Spannungsteilers dem Eingangsspannungsbereich eines an dem Teilerausgang des Mess-Spannungsteilers angeordneten Messelements entspricht. Mit anderen Worten liegt die Spannung an dem Teilerausgang des Mess-Spannungsteilers innerhalb des Eingangsspannungsbereichs eines an dem Teilerausgang des Mess-Spannungsteilers angeordneten Messelements.
Der Spannungsbereich eines KFZ-Bordnetzes liegt üblicherweise deutlich höher, als die Spannungen, die beispielsweise mit üblichen A/D-Wandlern und Controllern verarbeitet werden können. Der Spannungsbereich eines KFZ-Bordnetzes kann beispielsweise zwischen 6 V und 16 V und im Fehlerfall deutlich höher, beispielsweise bei 28 V, liegen. Übliche A/D-Wandler und digitale Bauelemente arbeiten dagegen mit 5 V oder 3,3 V Betriebsspannung.
Mit Hilfe des Mess-Spannungsteilers kann folglich der Spannungsbereich beispielsweise eines KFZ-Bordnetzes sehr einfach an den Messbereich eines A/D-Wandlers oder Controllers angepasst werden.
Figurenliste
Nachfolgend werden vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren erläutert. Es zeigen:

1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Spannungsmessvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Spannungsmessvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Betreiben einer Spannungsmessvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung; und
4 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Herstellverfahrens für eine Spannungsmessvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.

Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen und dienen nur der Erläuterung der Erfindung. Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind durchgängig mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ein Blockschaltbild einer Spannungsmessvorrichtung 100. Die Spannungsmessvorrichtung 100 weist einen Spannungseingang 101 auf, über welchen die Spannungsmessvorrichtung 100 eine Versorgungsspannung 102 erhält. Der Spannungseingang 101 ist eingangsseitig mit einem Leistungsschaltelement 105 gekoppelt. Ausgangsseitig ist das Leistungsschaltelement 105 mit einer Spannungsmesseinrichtung 106 gekoppelt. Die Spannungsmesseinrichtung 106 ist ferner über einen Spannungsausgang 103 mit einer elektrischen Masse 104 gekoppelt. Die Spannungsmessvorrichtung 100 weist ferner einen Steuereingang 108 auf, welcher mit einer steuerbaren Schalteinrichtung 107 gekoppelt ist, um diese ein- und auszuschalten. Die Schalteinrichtung 107 stellt an einem Steuereingang des Leistungsschaltelements 105 in Abhängigkeit eines Signals an dem Steuereingang 108 eine in Bezug auf den Spannungseingang 101 konstante Steuerspannung 109 bereit.
Die Spannungsmessvorrichtung 100 kann beispielsweise in einem Steuergerät eines Fahrzeugs integriert sein und dort der Erfassung der Bordnetzspannung dienen. Dazu kann beispielsweise die Spannungsmesseinrichtung 106 mit einem Controller des jeweiligen Steuergeräts gekoppelt sein und diesem eine Messspannung 110 bereitstellen. Diese Messspannung 110 kann durch einen A/D-Wandler des Steuergeräts ausgewertet werden.
Die Verbindung zwischen dem Spannungseingang 101 und der Spannungsmesseinrichtung 106 kann durch das Leistungsschaltelement 105 hergestellt und unterbrochen werden. Ist diese Verbindung unterbrochen, kann auch kein Strom über die Spannungsmesseinrichtung 106 nach Masse fließen und der Ruhestrom der Spannungsmessvorrichtung 100 ist annähernd Null.
Um eine Spannungsmessung zu ermöglichen muss das Leistungsschaltelement 105 entsprechend angesteuert werden. Dies geschieht mit Hilfe der Schalteinrichtung 107. Erhält die Schalteinrichtung 107 über den Steuereingang 108 ein entsprechendes Signal, versorgt sie das Leistungsschaltelement 105 mit einer konstanten Steuerspannung 109.
Wie oben bereits erläutert, führt die konstante Steuerspannung 109 dazu, dass unabhängig von der Versorgungsspannung 102 und einer Umgebungstemperatur der Spannungsmessvorrichtung 100 das Leistungsschaltelement 105 sicher geschaltet werden kann.
2 zeigt ein Blockschaltbild einer weiteren Spannungsmessvorrichtung 200. In der Spannungsmessvorrichtung 200 sind die einzelnen Elemente der in der 1 dargestellten Einheiten im Detail gezeigt.
Der Spannungseingang 201 ist mit dem Source-Anschluss eines P-Kanal MOSFET 205 gekoppelt. Der Drain-Anschluss des P-Kanal MOSFET 205 ist mit der Spannungsmesseinrichtung 206 gekoppelt. Ist der P-Kanal MOSFET 205 durchgeschaltet liegt folglich die Spannung am Spannungseingang 201 auch an der Spannungsmesseinrichtung 206 an (der Durchgangswiderstand des P-Kanal MOSFET 205 wird hier vernachlässigt). Die Spannungsmesseinrichtung 206 weist einen Spannungsteiler mit einem am Eingang angeordneten oberen Widerstand 220 und einem unteren Widerstand 221 auf, der ausgangsseitig mit Masse 204 gekoppelt ist. Der Teilerausgang zwischen dem oberen Widerstand 220 und dem unteren Widerstand 221 ist mit einem Messausgang 223 der Spannungsmesseinrichtung 206 gekoppelt, welcher eine Messspannung 210 ausgibt. Ferner ist ein Kondensator 222 parallel zu dem unteren Widerstand 221 geschaltet. Der Spannungsteiler aus oberem Widerstand 220 und unterem Widerstand 221 teilt die Spannung am Spannungseingang 201 auf ein Spannungsniveau, das von einer Nachfolgenden Auswertestufe verarbeitet werden kann, also beispielsweise 0 V - 5 V oder 0 V - 3,3 V. Der Kondensator dient der Glättung der Spannung.
Die Ansteuerung des P-Kanal MOSFET 205 erfolgt in der Spannungsmessvorrichtung 200 über die steuerbare Schalteinrichtung 207. Die steuerbare Schalteinrichtung 207 weist einen Steuerwiderstand 215 und eine Konstantstromsenke 214 auf. Der Steuerwiderstand 215 ist zwischen dem Source-Anschluss des P-Kanal MOSFET 205 und dem Gate-Anschluss des P-Kanal MOSFET 205 angeordnet. Die Konstantstromsenke 214 hält den Strom, der durch den Steuerwiderstand 215 fließt konstant. Die Gate-Source-Strecke des P-Kanal MOSFET 205 liegt parallel zu dem Steuerwiderstand 215. Folglich ist nicht nur die Spannung über dem Steuerwiderstand 215 konstant sondern auch die Gate-Source-Spannung an dem P-Kanal MOSFET 205.
Die Konstantstromsenke 214 weist einen Steuereingang 208 auf, über welchen diese beispielsweise mit einer 3,3 V Spannung angesteuert werden kann. An den Steuereingang 208 schließt sich ein Spannungsteiler mit einem oberen Widerstand 218 und einem unteren Widerstand 219 an. Der Teilerausgang zwischen dem oberen Widerstand 218 und dem unteren Widerstand 219 ist mit dem Basis-Anschluss eines NPN-Transistors 216 gekoppelt. Der Kollektor-Anschluss des NPN-Transistors 216 ist mit dem Gate-Anschluss des P-Kanal MOSFET 205 gekoppelt und der Emitter-Anschluss des NPN-Transistors 216 ist über einen Emitterwiderstand 217 mit Masse 204 gekoppelt.
Durch das Verhältnis zwischen oberem Widerstand 218 und unterem Widerstand 219 und der Größe der Spannung am Steuereingang 208 wird die Spannung über der Basis-Emitter-Strecke des NPN-Transistors 216 und dem Emitterwiderstand 217 eingestellt. Die Größe des Emitterwiderstands 217 und die Spannung über dem Emitterwiderstand 217 wiederum bestimmen den Strom, der durch den Emitterwiderstand 217 und damit auch die Leistungsstrecke des NPN-Transistors 216 und den Steuerwiderstand 215 fließt.
Die Spannung am Steuereingang 208 kann beispielsweise durch einen Digitalausgang eines Mikrocontrollers oder dergleichen bereitgestellt werden und ist somit nicht von der Spannung am Spannungseingang 201 abhängig. Folglich kann mit der steuerbare Schalteinrichtung 207 der Strom durch den Steuerwiderstand 215 sehr einfach konstant gehalten werden.
Zum leichteren Verständnis werden in der folgenden Beschreibung die Bezugszeichen zu den 1 und 2 als Referenz beibehalten.
3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Betreiben einer Spannungsmessvorrichtung 100, 200 zum Messen einer Versorgungsspannung 102.
In einem ersten Schritt S31 des gesteuerten Schließens S31 wird eine Verbindung zwischen einem Spannungseingang 101, 201 und einer Spannungsmesseinrichtung 106, 206 der Spannungsmessvorrichtung 100, 200 mit einem Leistungsschaltelement 105, 205 geschlossen, welches zwischen der Spannungsmesseinrichtung 106, 206 und dem Spannungseingang 101, 201 angeordnet ist.
In einem zweiten Schritt S32 des Haltens wird eine Steuerspannung 109 über dem Leistungsschaltelement 105, 205 in einem eingeschalteten Zustand mit einer steuerbaren Schalteinrichtung 107, 207 auf einem konstanten Spannungswert gehalten.
Das Leistungsschaltelement 105, 205 kann beispielsweise als P-Kanal MOSFET 205 ausgebildet sein und die Steuerspannung 109 mittels des konstanten Stroms durch den Steuerwiderstand 215 zwischen dem Source-Anschluss und dem Gate-Anschluss des P-Kanal MOSFET 205 erzeugt werden.
Das Halten S32 der Steuerspannung 109 kann aufweisen, einen konstanten Strom mit einer Konstantstromsenke 214 der steuerbaren Schalteinrichtung 107, 207 einzustellen und über einen über dem Leistungsschaltelement 105, 205 angeordneten Steuerwiderstand 215 zu leiten, um die Steuerspannung 109 zu erzeugen. Der Steuerwiderstand 215 kann dabei eingangsseitig mit dem Spannungseingang 101, 201 und ausgangsseitig mit der Konstantstromsenke 214 gekoppelt sein.
Der konstante Strom in der Konstantstromsenke 214 kann durch einen bipolaren Transistor 216 eingestellt werden, dessen Leistungseingang mit dem Steuerwiderstand 215 gekoppelt ist und dessen Leistungsausgang über einen Emitterwiderstand 217 mit einer Masse 104, 204 gekoppelt ist. Die Konstantstromsenke 214 kann dazu ferner einen Spannungsteiler aufweisen, der zwischen einem Steuereingang 108, 208 der Konstantstromsenke 214 und der Masse 104, 204 angeordnet ist, wobei die Basisspannung des bipolaren Transistors 216 an dem Teilerausgang des Spannungsteilers bereitgestellt wird.
Folglich kann die Versorgungsspannung 102 durch einen Mess-Spannungsteiler derart geteilt werden, dass die Spannung an dem Teilerausgang des Mess-Spannungsteilers dem Eingangsspannungsbereich eines an dem Teilerausgang des Mess-Spannungsteilers angeordneten Messelements entspricht.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Herstellverfahrens für eine Spannungsmessvorrichtung 100, 200.
In einem ersten Schritt S41 des Anordnens wird ein Leistungsschaltelement 105, 205 zwischen einem Spannungseingang 101, 201 der Spannungsmessvorrichtung 100, 200 und einer Spannungsmesseinrichtung 106, 206 angeordnet, welche ausgebildet ist, den Betrag der an einem Spannungseingang 101, 201 der Spannungsmessvorrichtung 100, 200 anliegenden Versorgungsspannung 102 zu messen.
In einem zweiten Schritt S42 des Koppelns wird eine steuerbare Schalteinrichtung 107, 207 mit dem Leistungsschaltelement 105, 205 gekoppelt, wobei die steuerbare Schalteinrichtung 107, 207 ausgebildet ist, eine Steuerspannung 109 über dem Leistungsschaltelement 105, 205 in einem eingeschalteten Zustand konstant zu halten.
Das Leistungsschaltelement 105, 205 kann als P-Kanal MOSFET 205 bereitgestellt werden und ein Steuerwiderstand 215 kann zwischen dem Source-Anschluss und dem Gate-Anschluss des P-Kanal MOSFET 205 angeordneten werden. In der steuerbaren Schalteinrichtung 107, 207 kann eine Konstantstromsenke 214 mit dem Gate-Anschluss des P-Kanal MOSFET 205 gekoppelt werden, und in der Konstantstromsenke 214 kann ein NPN-Transistor 216 über seinen Leistungseingang mit dem Steuerwiderstand 215 und dem Gate-Anschluss des P-Kanal MOSFET 205 gekoppelt werden und über seinen Leistungsausgang und einen Emitterwiderstand 217 mit einer Masse 104, 204 gekoppelt werden. Ein Spannungsteiler kann ferner zwischen einem Steuereingang 108, 208 der Konstantstromsenke 214 und der Masse 104, 204 angeordnet werden und der Teilerausgang des Spannungsteilers kann mit dem Steuereingang 108, 208 des NPN-Transistors 216 gekoppelt werden.
Bezugszeichenliste

100, 200: Spannungsmessvorrichtung
101, 201: Spannungseingang
102: Versorgungsspannung
103: Spannungsausgang
104, 204: Masse
105, 205: Leistungsschaltelement
106, 206: Spannungsmesseinrichtung
107: steuerbare Schalteinrichtung
108, 208: Steuereingang
109: Steuerspannung
110, 210: Messspannung
214: Konstantstromsenke
215: Steuerwiderstand
216: bipolarer Transistor
217: Emitterwiderstand
218, 219, 220, 221: Widerstand
222: Kapazität
223: Messausgang
S31, S32: Verfahrensschritte
S41, S42: Verfahrensschritte

Claims

Spannungsmessvorrichtung (100, 200) zum Messen einer Versorgungsspannung (102), mit: einer Spannungsmesseinrichtung (106, 206), welche ausgebildet ist, den Betrag der an einem Spannungseingang (101, 201) der Spannungsmessvorrichtung (100, 200) anliegenden Versorgungsspannung (102) zu messen, einem Leistungsschaltelement (105, 205), welches zwischen der Spannungsmesseinrichtung (106, 206) und dem Spannungseingang (101, 201) angeordnet ist, und einer steuerbaren Schalteinrichtung (107, 207), welche ausgebildet ist, eine Steuerspannung (109) über dem Leistungsschaltelement (105, 205) in einem eingeschalteten Zustand konstant zu halten.
Spannungsmessvorrichtung (100, 200) nach Anspruch 1, wobei der Leistungsschalter als PMOS-Transistor (205) ausgebildet ist.
Spannungsmessvorrichtung (100, 200) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die steuerbare Schalteinrichtung (107, 207) eine Konstantstromsenke (214) und einen über dem Leistungsschaltelement (105, 205) angeordneten Steuerwiderstand (215) aufweist, der eingangsseitig mit dem Spannungseingang (101, 201) und ausgangsseitig mit der Konstantstromsenke (214) gekoppelt ist.
Spannungsmessvorrichtung (100, 200) nach Ansprüchen 2 und 3, wobei der PMOS-Transistor (205) als P-Kanal MOSFET (205) ausgebildet ist und der Steuerwiderstand (215) zwischen dem Source-Anschluss und dem Gate-Anschluss des P-Kanal MOSFET (205) angeordnet ist.
Spannungsmessvorrichtung (100, 200) nach Anspruch 3, wobei die Konstantstromsenke (214) einen bipolaren Transistor (216) aufweist, dessen Leistungseingang mit dem Steuerwiderstand (215) gekoppelt ist und dessen Leistungsausgang über einen Emitterwiderstand (217) mit einer Masse (104, 204) gekoppelt ist.
Spannungsmessvorrichtung (100, 200) nach Anspruch 5, wobei die Konstantstromsenke (214) ferner einen Spannungsteiler aufweist, der zwischen einem Steuereingang (108, 208) der Konstantstromsenke (214) und der Masse (104, 204) angeordnet ist, wobei der Teilerausgang des Spannungsteilers mit einem Steuereingang (108, 208) des bipolaren Transistors (216) gekoppelt ist.
Spannungsmessvorrichtung (100, 200) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Leistungsschaltelement (105, 205) als P-Kanal MOSFET (205) ausgebildet ist und die steuerbare Schalteinrichtung (107, 207) eine Konstantstromsenke (214) und einen zwischen dem Source-Anschluss und dem Gate-Anschluss des P-Kanal MOSFET (205) angeordneten Steuerwiderstand (215) aufweist, der eingangsseitig mit dem Spannungseingang (101, 201) und ausgangsseitig mit der Konstantstromsenke (214) gekoppelt ist, und wobei die Konstantstromsenke (214) einen NPN-Transistor (216) aufweist, dessen Leistungseingang mit dem Steuerwiderstand (215) gekoppelt ist und dessen Leistungsausgang über einen Emitterwiderstand (217) mit einer Masse (104, 204) gekoppelt ist, und wobei die Konstantstromsenke (214) ferner einen Spannungsteiler aufweist, der zwischen einem Steuereingang (108, 208) der Konstantstromsenke (214) und der Masse (104, 204) angeordnet ist, wobei der Teilerausgang des Spannungsteilers mit dem Steuereingang (108, 208) des NPN-Transistors (216) gekoppelt ist.
Spannungsmessvorrichtung (100, 200) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Spannungsmesseinrichtung (106, 206) einen Mess-Spannungsteiler aufweist, der die Versorgungsspannung (102) derart teilt, dass die Spannung an dem Teilerausgang des Mess-Spannungsteilers innerhalb des Eingangsspannungsbereichs eines an dem Teilerausgang des Mess-Spannungsteilers angeordneten Messelements liegt.
Verfahren zum Betreiben einer Spannungsmessvorrichtung (100, 200) zum Messen einer Versorgungsspannung (102), aufweisend die Schritte: gesteuertes Schließen (S31) einer Verbindung zwischen einem Spannungseingang (101, 201) und einer Spannungsmesseinrichtung (106, 206) der Spannungsmessvorrichtung (100, 200) mit einem Leistungsschaltelement (105, 205), welches zwischen der Spannungsmesseinrichtung (106, 206) und dem Spannungseingang (101, 201) angeordnet ist, und Halten (S32) einer Steuerspannung (109) über dem Leistungsschaltelement (105, 205) in einem eingeschalteten Zustand mit einer steuerbaren Schalteinrichtung (107, 207) auf einem konstanten Spannungswert.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Halten der Steuerspannung (109) aufweist, einen konstanten Strom mit einer Konstantstromsenke (214) der steuerbaren Schalteinrichtung (107, 207) einzustellen und über einen über dem Leistungsschaltelement (105, 205) angeordneten Steuerwiderstand (215) zu leiten, um die Steuerspannung (109) zu erzeugen, wobei der Steuerwiderstand (215) eingangsseitig mit dem Spannungseingang (101, 201) und ausgangsseitig mit der Konstantstromsenke (214) gekoppelt ist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Leistungsschaltelement (105, 205) als P-Kanal MOSFET (205) ausgebildet ist und die Steuerspannung (109) mittels des konstanten Stroms durch den Steuerwiderstand (215) zwischen dem Source-Anschluss und dem Gate-Anschluss des P-Kanal MOSFET (205) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 und 11, wobei der konstante Strom in der Konstantstromsenke (214) durch einen bipolaren Transistor (216) eingestellt wird, dessen Leistungseingang mit dem Steuerwiderstand (215) gekoppelt ist und dessen Leistungsausgang über einen Emitterwiderstand (217) mit einer Masse (104, 204) gekoppelt ist, wobei die Konstantstromsenke (214) ferner einen Spannungsteiler aufweist, der zwischen einem Steuereingang (108, 208) der Konstantstromsenke (214) und der Masse (104, 204) angeordnet ist, wobei die Basisspannung des bipolaren Transistors (216) an dem Teilerausgang des Spannungsteilers bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 9 bis 12, wobei die Versorgungsspannung (102) durch einen Mess-Spannungsteiler derart geteilt wird, dass die Spannung an dem Teilerausgang des Mess-Spannungsteilers dem Eingangsspannungsbereich eines an dem Teilerausgang des Mess-Spannungsteilers angeordneten Messelements entspricht.
Herstellverfahren für eine Spannungsmessvorrichtung (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, aufweisend die Schritte: Anordnen (S41) eines Leistungsschaltelements (105, 205) zwischen einem Spannungseingang (101, 201) der Spannungsmessvorrichtung (100, 200) und einer Spannungsmesseinrichtung (106, 206), welche ausgebildet ist, den Betrag der an einem Spannungseingang (101, 201) der Spannungsmessvorrichtung (100, 200) anliegenden Versorgungsspannung (102) zu messen, und Koppeln (S42) einer steuerbaren Schalteinrichtung (107, 207) mit dem Leistungsschaltelement (105, 205), wobei die steuerbare Schalteinrichtung (107, 207) ausgebildet ist, eine Steuerspannung (109) über dem Leistungsschaltelement (105, 205) in einem eingeschalteten Zustand konstant zu halten.
Herstellverfahren nach Anspruch 14, wobei das Leistungsschaltelement (105, 205) als P-Kanal MOSFET (205) bereitgestellt wird und ein Steuerwiderstand (215) zwischen dem Source-Anschluss und dem Gate-Anschluss des P-Kanal MOSFET (205) angeordneten wird, und in der steuerbaren Schalteinrichtung (107, 207) eine Konstantstromsenke (214) mit dem Gate-Anschluss des P-Kanal MOSFET (205) gekoppelt wird, und wobei in der Konstantstromsenke (214) ein NPN-Transistor (216) über seinen Leistungseingang mit dem Steuerwiderstand (215) und dem Gate-Anschluss des P-Kanal MOSFET (205) gekoppelt wird und über seinen Leistungsausgang und einen Emitterwiderstand (217) mit einer Masse (104, 204) gekoppelt wird, und ein Spannungsteiler zwischen einem Steuereingang (108, 208) der Konstantstromsenke (214) und der Masse (104, 204) angeordnet wird und der Teilerausgang des Spannungsteilers mit dem Steuereingang (108, 208) des NPN-Transistors (216) gekoppelt wird.