DE102017123881A1

DE102017123881A1 - System und Verfahren zur Temperaturerfassung und -steuerung resistiver Heizelemente

Info

Publication number: DE102017123881A1
Application number: DE102017123881.6A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Furtner; Christoph Glacer
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2016-10-13
Filing date: 2017-10-13
Publication date: 2018-04-19
Also published as: US20180106686A1

Abstract

Ein Verfahren zur Temperaturerfassung- und -steuerung resistiver Heizelemente umfasst das Zuführen eines Leistungssignals an eine Heizung, wobei das Leistungssignal pulsweitenmodulierte (PWM) Leistungspulse aufweist, das Zuführen eines Messpulses an die Heizung, wobei sich der Messpuls zwischen zwei PWM-Leistungspulsen befindet, das Messen einer Spannung über der Heizung und das Bestimmen eines Widerstands der Heizung entsprechend der Spannung über der Heizung und einem Strom des Messpulses. Eine Temperatur der Heizung wird entsprechend dem bestimmten Widerstand der Heizung bestimmt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein System und ein Verfahren zur Temperaturerfassung und -steuerung resistiver Heizelemente, und, bei bestimmten Ausgestaltungen, ein System und Verfahren zum Erfassen einer Temperatur eines Heizelements durch direkte Messung der Heizelementeigenschaften.
Bei einigen Anwendungen und insbesondere bei miniaturisierten Sensoren wie beispielsweise Gas- oder Feuchte-Sensoren werden resistive Heizelemente mit einer präzisen Temperatursteuerung verwendet, um ein Sensorelement auf die effizienteste Betriebstemperatur des Sensorelements aufzuheizen. Dem Heizelement wird, indem es an eine vorgegebene Versorgungsspannung angeschlossen wird, Energie zugeführt. Die an die Heizung übertragene Energie wird gesteuert, um eine bestimmte Temperatur einzustellen, und ein Rückkopplungsmechanismus wird verwendet, um die Temperatur zu erfassen und die dem Heizelement zugeführte Leistung anzupassen. Aus Gründen der Energieeffizienz wird zum Steuern der dem Heizelement zugeführten Leistung eine pulsweitenmodulierte (PWM) Steuerung verwendet. Stattdessen kann bei einigen Anwendungen eine Steuerung mit linearem Verhalten (engl.: „linear mode control“) verwendet werden, um den Strom oder die Leistung, der/die dem Heizelement zugeführt wird, zu steuern.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur Temperaturerfassung und -steuerung resistiver Heizelemente das Zuführen eines Leistungssignals an eine Heizung, wobei das Leistungssignal pulsweitenmodulierte (PWM) Leistungspulse aufweist, das Zuführen eines Messpulses an die Heizung, wobei sich der Messpuls zwischen zwei PWM-Leistungspulsen befindet, das Messen einer Spannung über der Heizung, und das Bestimmen eines Widerstands der Heizung entsprechend der Spannung über der Heizung und einem Stroms des Messpulses. Eine Temperatur der Heizung wird entsprechend dem bestimmten Widerstand der Heizung bestimmt.
Eine Beispiel-Anordnung enthält eine mit einem oder mehr Heizungsports verbundene Signalschalt-Schaltung, und die Heizungsports sind dazu ausgebildet, jeweils mit einer oder mehr Heizungen verbunden zu werden. Die Anordnung enthält weiterhin eine mit der Signalschalt-Schaltung verbundene Stromquelle, wobei die Signalschalt-Schaltung zwischen der Stromquelle und dem einen oder den mehr Heizungsports angeordnet ist. Eine Steuerschaltung ist mit der Signalschalt-Schaltung gekoppelt, und eine Spannungsmessschaltung ist dazu ausgebildet, eine erste Spannung über dem einen oder den mehr Heizungsports zu messen. Die Signalschalt-Schaltung ist dazu ausgebildet, einen ersten Strom von der Stromquelle zu steuern, um dem einen oder den mehr Heizungsports einen Messpuls entsprechend einem zweiten Signal von der Steuerschaltung zuzuführen. Die erste Spannung wird durch einen Messpuls über dem einen oder den mehr Heizungsports erzeugt, und die Steuerschaltung ist dazu ausgebildet, die Signalschalt-Schaltung entsprechend einer der gemessenen ersten Spannung entsprechenden Temperatur zu steuern.
Eine Beispiel-Anordnung enthält eine erste Heizung, einen ersten Messschalter, der ein mit einem ersten Ende der ersten Heizung verbundenes erstes Ende aufweist, eine Stromquelle, die ein mit einem zweiten Ende des ersten Messschalters verbundenes erstes Ende aufweist, eine mit der ersten Messschaltung verbundene Steuerschaltung, und einen Analog-Digital-Wandler (ADC), der ein mit dem ersten Ende der ersten Heizung verbundenes erstes Analogeingangsende und ein mit der Steuerschaltung verbundenes Digitalausgangsende aufweist.
Für ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung und deren Vorteile wird nun Bezug genommen auf die folgenden Beschreibungen, die in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen erfolgen, in denen:

1 ein Graph, der eine temperaturinduzierte Änderung eines Heizelements entsprechend einem Tastgrad eines Leistungssignals veranschaulicht, ist;
2 ein Blockschaltbild, das ein Sensorsystem, das eine Temperaturerfassung und -steuerung gemäß einigen Beispielen veranschaulicht, ist;
3 ein Schaltbild, das ein Temperaturerfassungs- und -steuerungssystem, welches einen gesteuerten Messtrom einsetzt, veranschaulicht, ist, gemäß einigen Ausgestaltungen;
4A und 4B Graphen, die Betriebseigenschaften für ein Temperaturerfassungs- und -steuerungssystem, das einen gesteuerten Messstrom verwendet, gemäß einigen Ausgestaltungen veranschaulichen, sind;
5 ein Schaltbild, das ein Temperaturerfassungs- und -steuerungssystem mit mehreren Heizungen gemäß einigen Ausgestaltungen veranschaulicht, ist;
6 ein Graph, der Betriebseigenschaften für ein Temperaturerfassungs- und -steuerungssystem mit mehreren Heizungen gemäß einigen Ausgestaltungen veranschaulicht, ist;
7 ein Schaltbild, das ein Temperaturerfassungs- und -steuerungssystem mit mehreren Heizungen gemäß einigen Ausgestaltungen veranschaulicht, ist;
8 ein Graph, der Betriebseigenschaften für ein Temperaturerfassungs- und -steuerungssystem mit mehreren Heizungen gemäß einigen Ausgestaltungen veranschaulicht, ist;
9 ein Schaltbild, das ein Temperaturerfassungs- und -steuerungssystem mit mehreren Heizungen gemäß einigen Ausgestaltungen veranschaulicht, ist; und
10 ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Temperaturerfassung und -steuerung gemäß einigen Ausgestaltungen veranschaulicht, ist.
Die Herstellung und Verwendung von Ausgestaltungen werden unten ausführlich erörtert. Es versteht sich jedoch, dass die vorliegende Erfindung viele verwertbare erfinderische Konzepte, die in einer breiten Vielfalt konkreter Zusammenhänge verkörpert werden können, bereitstellt. Die erörterten konkreten Ausgestaltungen veranschaulichen lediglich konkrete Wege zur Herstellung und Verwendung der Erfindung, und sie beschränken den Umfang der Erfindung nicht.

Damit die Sensoren höchst effizient und genau arbeiten, wird der Sensor durch ein Heizelement idealerweise auf eine präzise und wiederholbare voreingestellte Temperatur geheizt. Zum Beispiel kann ein Gassensor derart spezifiziert sein, dass er bei einer bestimmten Temperatur arbeitet, und aus Konsistenzgründen kann die Zieltemperatur gut über die Umgebungstemperatur eingestellt werden, da das Heizen des Sensors wesentlich einfacher ist als das Kühlen des Sensors. Die verschiedenen Widerstände des Heizelements bei verschiedenen Temperaturen können verwendet werden, um die Temperatur des Heizelements zu bestimmen. Deshalb kann das Heizelement selbst als Temperatursensor verwendet werden. Das Erfassen der Temperatur des Heizelements ermöglicht es, dass die dem Heizelement zugeführte Leistung so eingestellt wird, dass das Heizelement eine genaue, vorgegebene Temperatur erreicht und beibehält, was die Genauigkeit des zugehörigen Sensors erhöht. Die offenbarten Ausgestaltungen des Heizungserfassungs- und -steuerungssystems bieten ein pulsweitengesteuertes Heizen von einem oder mehr Heizelementen, während sie gleichzeitig deren Temperatur unter Verwendung des Widerstands des Heizelements erfassen.
Bei einigen Ausgestaltungen kann die Temperatur der Heizung durch Einstellen des PWM-Tastgrads gesteuert werden. Ein Tastgrad ist das Verhältnis zwischen der Dauer, für die eine Leistungsquelle „ein“ ist oder für die sie einer Heizung Leistung zuführt, und der Gesamtdauer zwischen Pulsen, oder die Pulsfrequenz. Zum Beispiel kann der Tastgrad D gemäß folgender Gleichung 1 berechnet werden: $D = t_on/ (t_on + t_off)$
In Gleichung 1 ist t_on die Dauer in einem Zyklus, für die die Leistung ein ist, und t_off die Dauer in dem Zyklus für die die Leistung aus ist.
Ein System zum Steuern von einem oder mehr Heizelementen und zur Bereitstellung einer genauen Temperaturerfassung mit minimaler Unterbrechung des Heizzyklus beinhaltet bei einigen Ausgestaltungen, dass zwischen oder anstelle von Leistungspulsen des PWM-Signals ein Messstrom durch die Heizung geleitet wird. Eine durch den Messstrom bedingte Spannung wird über der Heizung gemessen, und aus dem gemessenen Strom wird der Widerstand bestimmt. Aus dem Widerstand kann die Temperatur der Heizung bestimmt werden. Die bestimmte Temperatur kann dann von einer Steuerschaltung zum Einstellen des Tastgrads verwendet werden, um die Temperatur der Heizung auf den gewünschten Bereich zu erhöhen oder zu erniedrigen. Der Widerstand der Heizung wird gemessen, indem während der Perioden, in denen die Heizungsversorgungsspannung nicht mit der Heizung verbunden ist, zum Beispiel zwischen PWM-Leistungssignalpulsen, ein bekannter Referenzstrom appliziert wird. Der gemessene Widerstand wird dann dazu verwendet, die Temperatur der Heizung zu bestimmen. Zusätzlich kann bei einem System mit mehreren Heizungskanälen für sämtliche Heizelemente auf eine zeitlich gemultiplexte Weise derselbe Referenzstrom verwendet werden, was die Anzahl von Stromquellen, die erforderlich sind, um den Widerstand einer jeden Heizung individuell zu messen, verringert. Einige Ausgestaltungen weisen mehrere Heizungskanäle und eine Schaltertopologie, die die Anzahl der erforderlichen Gesamtschalter verringert, auf.
1 ist ein Graph, der eine temperaturbedingte Änderung eines Heizelements entsprechend einem Tastgrad eines Leistungssignals veranschaulicht. Die Temperatur ist typischerweise eine nicht-lineare Funktion des Tastgrads, da sich der Widerstand der Heizung mit der Temperatur ändert und dies die Menge der an die Heizung übertragenen Energie beeinflusst. Bei einer bekannten Versorgungsspannung V_SUP 102 steigt die Temperatur der Heizung entsprechend dem Tastgrad, bis die Temperatur eine Ziel- oder Maximal-Temperatur T_max 108 erreicht. Die Temperaturkurven des Widerstands ändern sich abhängig vom Material des Widerstands und dem Temperaturkoeffizienten des Materials. Zusätzlich beeinflussen andere Umgebungseinflüsse wie beispielsweise konvektive Kühlung, Kaltluft und/oder feuchte Luft das Temperaturverhalten des Widerstands.
Bei einigen Beispiel-Materialien ändert sich der Widerstand des Materials mit der Temperatur wie in Gleichung 2 gezeigt: $R (T) = R (T0) (1 + α (T - T 0))$
Bei der Berechnung des Widerstands bei einer bestimmten Temperatur der Heizung ist α der Temperaturkoeffizient des Materials, und R(T0) ist der Widerstand bei einer bestimmten Referenztemperatur T0. Es versteht sich, dass Gleichung 2 durch Verwendung von Ausdrücken zum Beispiel quadratischer oder höherer Ordnung entwickelt werden kann, und dass die Entwicklung für Hochtemperaturanwendungen nützlich sein kann. Für einen gemessenen Widerstand R(T) der Heizung erlaubt die Gleichung die Bestimmung der Temperatur der Heizung gemäß Gleichung 3: $T = T 0 + (R (T) - R (T0)) / α R (T 0)$
T ist die Temperatur des Heizelements, und R(T) ist der gemessene Widerstand der Heizung bei einer bestimmten Temperatur.
Die Messung des Widerstands der Heizung kann unter Verwendung eines mit dem Heizwiderstand in Reihe geschalteten Referenzwiderstands durchgeführt werden. In diesem Fall wird der Spannungsabfall V_REF über dem Referenzwiderstand R_REF gemessen, und der Spannungsabfall über der Heizung V_HEAT kann bestimmt werden. Die folgende Gleichung kann verwendet werden, um den Widerstand R_HEAT der Heizung zu berechnen: $R_HEAT = R_REF * (V_HEAT / V_REF)$
Durch Kenntnis des Heizungswiderstands kann die Temperatur der Heizung mit Gleichung 3 berechnet werden.
Der Widerstand der Heizung selbst kann, wenn der Widerstand des Materials der Heizung ein bekanntes, temperaturabhängiges Verhalten aufweist, verwendet werden, um die Temperatur zu erfassen. In diesem Fall sind keine zusätzlichen Sensoren erforderlich, um die Temperatur der Heizung zu detektieren. Die Temperatur der Heizung variiert mit Veränderungen oder Ungenauigkeiten der Versorgungsspannung. Somit weicht die Temperatur, zum Beispiel bei V_SUP_MIN 106 und V_SUP_MAX 104, welches Spannung sind, die von der Nominalspannung V_SUPNOM 102 abweichen, von der Zieltemperatur T_max 108 ab. Dies ist der Fall, wenn eine erhöhte oder verringerte Spannung bei einem bestimmten Tastgrad zu einer Temperatur führen würde, die höher bzw. niedriger als beabsichtigt wäre. Die Verwendung eines Temperaturrückkopplungs- und -erfassungssystems vermeidet das Erfordernis nach einer Präzisionsversorgungsspannung, indem es Veränderungen bei der Versorgungsspannung aktiv ausgleicht. Zusätzlich ermöglicht die Verwendung eines Temperaturerfassungs- und -rückkopplungssystems die Korrektur von Veränderungen der Heizungstemperatur aufgrund einer sich verändernden Umgebungstemperatur T_amb 110 und eines Langzeit-Driftverhaltens aufgrund von Wärmeleitung der Heizung an ihre Umgebung. Falsche Temperaturmessungen wegen eines sich aufgrund von Degradations- und Alterungseffekten eines Konstantspannungsaufbaus ändernden Kalt-Widerstands der Heizung können durch Verwendung einer direkten Temperaturmessung an dem Heizelement durch Rekalibrierung bei einer bekannten Temperatur im kalten Zustand ebenfalls vermieden werden.
Die Bereitstellung einer Rückkopplung durch eine genaue Temperaturerfassung erlaubt es der Steuerschaltung, den Tastgrad eines Leistungssignals einzustellen, um eine Zieltemperatur zu erreichen. Das Messen der Temperatur direkt von dem Heizelement vermeidet Probleme, die dadurch auftreten, dass eine Spannung über einem Referenzwiderstand in Reihe mit dem Heizelement gemessen wird. Die Verwendung eines Referenzwiderstands erfordert, dass der Referenzwiderstand kalibriert werden muss, so dass ein genauer Strom durch das Heizelement bestimmt werden kann. Zusätzlich sind bei einem Referenzwiderstand zwei Spannungsmessungen erforderlich, wobei eine Spannungsmessung eine differenzielle Messung ist, wodurch sich jegliche Ungenauigkeiten bei den Spannungsmessungen multiplizieren. Wenn mehrere Heizungskanäle eingesetzt werden und der Strom durch die Heizelemente unter Verwendung eines Referenzwiderstands gemessen wird, ist für jeden Heizungskanal ein Referenzwiderstand erforderlich, um den Strom durch jedes Heizelement zu messen.
2 ist ein Blockdiagramm, das ein Sensorsystem 200, welches eine Temperaturerfassung und -steuerung aufweist, veranschaulicht, gemäß einigen Ausgestaltungen. Eine oder mehr Heizungen 202 sind in dem Sensorsystem 200 angeordnet und heizen einen oder mehr Sensoren 206. Bei einigen Ausgestaltungen können die Heizungen 202 aus Wolfram, Platin, Polysilizium oder einem anderem Material mit einem bestimmten Temperaturkoeffizienten gebildet sein. Eine Leistungsversorgung 210 führt den Heizungen 202 eine Spannung zu, und die Spannung wird durch eine Signalschalt-Schaltung, die bei einigen Ausgestaltungen eine Leistungsschalt-Schaltung 208 enthält, gemäß einem vorgegebenen Tastgrad gesteuert, um die von den Heizungen 202 zum Erreichen der Zieltemperatur benötigte Leistung bereitzustellen. Die Leistungsschalt-Schaltung 208 wird durch eine Steuerschaltung 212, die die Temperatur der Heizkörper 202 bestimmt und den Tastgrad des Spannungssignals, das die Heizungen 202 mit Leistung versorgt, einstellt, gesteuert. Eine Spannungsmessschaltung 214 misst eine Spannung über den Heizungen 202 und führt der Steuerschaltung 212 ein Temperatursignal, das die Temperatur der Heizungen angibt, zu. Bei einigen Ausgestaltungen handelt es sich bei dem Temperatursignal um ein Signal, das eine analoge Spannung repräsentiert, oder es kann sich um ein digitales Signal, das, zum Beispiel durch einen Analog-Digital-Wandler (ADC), aus einer analogen Spannung gewandelt wird, handeln. Bei anderen Ausgestaltungen kann es sich bei dem Temperatursignal um ein die Temperatur angebendes Digitalsignal, das durch die Spannungsmessschaltung 214 durch Umwandeln einer Spannung über den Heizungen 202 in eine Temperatur erzeugt wird, handeln.
Die Leistungsschalt-Schaltung 208 schaltet auch das Signal, das den Heizungen 202 zugeführt wird, zwischen dem Leistungssignal von der Leistungsversorgung und einem Messsignal von einer Stromquelle 204. Bei dem Messsignal kann es sich um ein Konstantstromsignal handeln, während es sich bei dem Leistungssignal um ein Konstantspannungssignal handeln kann. Die Verwendung einer zugehörigen Stromquelle 204 sorgt für die Fähigkeit, den Strom des Messsignals genau zu steuern, ohne zu erfordern, dass die Leistungsversorgung 210 ein genau gesteuertes Signal bereitstellt. Somit kann die Leistungsversorgung 210 ein Signal höherer Leistung, das weniger genau oder präzise als das Messsignal von der Stromquelle 204 ist, bereitstellen. Bei der Spannungsmessschaltung kann es sich zum Beispiel um eine ASIC mit einem Messbereich von 0 bis 1 Volt oder 0 bis 5 Volt handeln, und sie kann eine geringere Spannung als die durch die Leistungsversorgung 210 bereitgestellte erfordern.
Bei einigen Ausgestaltungen steuert die Steuerschaltung 212 die Leistungsschalt-Schaltung 208, um die Signale von der Leistungsversorgung 210 und der Stromquelle 204 zu koordinieren. Das Messsignal von der Stromquelle 204 wird den Heizungen 202 zwischen Pulsen des Leistungssignals oder anstelle von einem oder mehr Pulsen von dem Leistungssignal zugeführt.
Bei einigen Ausgestaltungen enthält die Signalschalt-Schaltung eine Adresssteuerschaltung 216, die von der Steuerschaltung 202 gesteuert wird, um einzelne Heizungen zu adressieren, wenn sich mehrere Heizungen in dem Sensorsystem 200 befinden. Somit kann eine einzige Stromquelle 204 verwendet werden, um das Messsignal einer einzelnen Heizung in einer Gruppe von Heizungen 202 zuzuführen.
Bei einer Ausgestaltung weist die Steuerschaltung 212 eine Rückkopplungsschaltung, die den Tastgrad des Signals von der Leistungsversorgung zum Beispiel durch einen PWM-Controller einstellt, auf. Bei der Rückkopplungsschaltung kann es sich zum Beispiel um einen Regelschleifenrückkopplungsmechanismus wie beispielsweise ein Proportional-Integral-Differenzial-(PID)-Schleifenfilter handeln. Die Temperatur der Heizung wird erfasst und mit der Zieltemperatur verglichen. Die durch ein PID-Schleifenfilter gefilterte Temperaturdifferenz steuert den Tastgrad des PWM-Controllers. Der PWM-Controller führt der Leistungsschalt-Schaltung ein Steuersignal zu, um die den Heizungen 202 durch die Leistungsversorgung 210 zugeführt Spannung ein- oder auszuschalten. Das Filter kann so gewählt werden, dass die Temperatur der Heizung die Zieltemperatur in einer kurzen Dauer und ungeachtet der Umgebungstemperatur stabil erreicht. Somit passt sich das Filter an eine veränderliche Umgebungstemperatur an und folgt Änderungen der Zieltemperatur.
Bei einer Ausgestaltung sind die Spannungsmessschaltung 214 und die Steuerschaltung 212 integrierte Elemente, die zum Beispiel mit der Leistungsschalt-Schaltung 208 in einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) ausgebildet sind, und sie können sich auf separaten Dies oder Schaltungen von den Heizungen 202 und den Sensoren 206 befinden, oder sie können zusammen mit den Heizungen 202 und den Sensoren 206 in ein „System-In-Package“ (SIP) gepackt sein. Bei anderen Ausgestaltungen können die Spannungsmessschaltung 214 oder die Steuerschaltung 212 aus diskreten Komponenten, separaten Komponenten wie beispielsweise einem zugehörigen Die oder ASIC gebildet sein, oder sie können auf einem Package, einem Die oder einem Chip, der von den Heizungen getrennt ist, ausgebildet sein.
3 ist ein Schaltbild, das ein Temperaturerfassungs- und -steuerungssystem 300, das einen gesteuerten Messstrom gemäß einigen Ausgestaltungen verwendet, veranschaulicht. Bei einigen Ausgestaltungen wird eine einzelne Heizung 302 eingesetzt, und die Heizung 302 ist durch einen PWM-Schalter PWM 314 mit einer Spannungsquelle V_SUP 310 verbunden. Die Heizung 302 ist durch einen Messschalter MEAS 312 auch mit einer Stromquelle 304, die ein Messsignal I_REF 318 bereitstellt, verbunden. Das System 300 separiert die Heizphase und die Erfassungsphase für die Heizung 302, was in die Schaltungsauslegung einen für die Integration eines Systems in einen Chip wünschenswerten, höheren Freiheitsgrad hineinbringt. Bei einigen Ausgestaltungen ist mit dem PWM-Schalter PWM 314 und dem Messschalter MEAS 312 eine Steuerschaltung 326 verbunden. Bei einigen Ausgestaltungen weist die Steuerschaltung 326 zum Beispiel ein PWM-Modul 328 und eine PID-Schleife 330 auf.
Die Steuerschaltung 326 koordiniert den Zeitverlauf der Schalter 312 und 314 derart, dass sich die Pulse in dem PWM-Leistungssignal und dem Messsignal I_REF 318 nicht überlappen oder interferieren. Zusätzlich kann eine Spannungsmessschaltung wie beispielsweise ein Temperaturerfassungsmodul 324 an die Anschlüsse 316 angeschlossen werden, um die Heizungsspannung V_HEAT 316 zu messen. Die Temperatur der Heizung 302 wird erfasst und mit der Zieltemperatur T_SET 332 verglichen. Die Temperaturdifferenz wird durch das PID-Schleifenfilter 330, das den Tastgrad des PWM-Moduls oder des Controllers 328 steuert, gefiltert. Die Temperatur der Heizung 302 erreicht T_SET ungeachtet der Umgebungstemperatur stabil, da die Ist-Temperatur der Heizung 302 mit der Zieltemperatur T_SET verglichen wird. Das PID-Filter 330 passt die Temperatur der Heizung 302 entsprechend den veränderlichen Umgebungstemperaturen an und folgt Änderungen der Zieltemperatur T_SET 332.
Das Temperaturerfassungsmodul 324 misst die Heizungsspannung V_HEAT 316 bei einigen Ausgestaltungen mit einem Zwei-Draht- oder Vier-Draht-Verfahren. Das Vier-Draht-Verfahren verwendet zugehörige Kontakte oder Anschlüsse 316 zur Spannungserfassung direkt an der Heizung 302. Dies schließt die zusätzlichen Spannungsabfälle über den Leitungen, die den Heizungsversorgungsstrom tragen, von der Messung aus und kann für niederohmige Heizungen verwendet werden. Bei anderen Ausgestaltungen wie beispielsweise dem Zwei-Draht-Verfahren kann die Messung der Heizungsspannung V_HEAT 316 direkt an der Heizung 302 vorgenommen werden.
Die Heizung 302 misst den Sensor R_SENS 306, wenn der PWM-Schalter 314 geschlossen ist und die Spannungsquelle V_SUP 310 das PWM-Leistungssignal der Heizung 302 zuführt. Die Heizphase und die Erfassungsphase sind durch Anlegen eines bekannten Referenzstroms an die Heizung 302, wenn das Leistungssignal an die Heizung 302 aus ist, getrennt. Der PWM-Schalter 314 und der Messschalter 312 sind mit der Heizung 302 verbunden, so dass der Heizung 302 ein einziges Signal I_HEAT 320 zugeführt wird. Der Messschalter 312 ist während Zeiträumen, während denen der PWM-Schalter 314 aus oder offen ist, geschlossen oder ein. Deshalb handelt es sich bei dem I_HEAT um eine Kombination aus den PWM-Leistungssignalen von der Spannungsquelle V_SUP 310 und dem Messsignal I_REF 318. In Zeiträumen, in denen der PWM-Schalter 314 geschlossen ist, führt die Spannungsquelle V_SUP 310 der Heizung 302 das PWM-Leistungssignal zu, und die Heizung 302 heizt den Sensor R_SENSE 306. In den Zeiträumen, in denen der Messschalter 312 geschlossen ist, wird das Messsignal I_REF 318 der Heizung 302 zugeführt, und eine Heizungsspannung V_HEAT 322 wird an Anschlüssen 316 gemessen. Aus der Heizungsspannung V_HEAT 322 kann der Heizungswiderstand R_HEAT unter Verwendung des ohmschen Gesetzes berechnet werden. $V_HEAT = R_HEAT * I_HEAT$
Wenn der Heizungswiderstand R_HEAT bekannt ist, kann die Heizungstemperatur entsprechend dem bekannten Widerstandsverhalten berechnet werden. Zum Beispiel kann eine Polysilizium-Heizung als Reaktion auf eine Temperaturänderung von 100° C eine 12%ige Änderung beim Widerstand zeigen. Gleichung 5 (oben) kann verwendet werden, um den Widerstand R_HEAT und folglich unter Verwendung von Gleichung 3 (oben) die Heizungstemperatur T zu berechnen.
Das Trennen des Messstroms I_REF in der Erfassungsphase von der Spannungsquelle 310, die den normalerweise wesentlichen höheren Strom in der Heizphase bereitstellt, vermeidet einen Verlust und Leistung und Wirkungsgrad aufgrund des Spannungsabfalls über einer Stromquelle in Reihe. Zusätzlich vermeidet das Trennen der Erfassungsphase und der Heizphase ein Erfordernis nach einer kalibrierten Hochleistungsstromquelle und lässt es zu, dass eine einzige Stromquelle für mehrere Heizungskanäle verwendet wird. Bei anderen Ausgestaltungen kann der Heizungswiderstand durch Anlegen einer bekannten Referenzspannung und Messen des Heizungsstroms während der Messphase gemessen werden.
Die 4A und 4B sind Graphen, die Betriebseigenschaften für ein Temperaturerfassungs- und -steuersystem, das einen gesteuerten Messstrom verwendet, veranschaulichen, gemäß einigen Ausgestaltungen. Bei einigen Ausgestaltungen kann die Steuerschaltung den PWM-Schalter dazu veranlassen, einen oder mehr Pulse oder Zyklen auszulassen und den Messstrom während der ausgelassenen Pulse an die Heizung zu übertragen. Dies kann, abhängig davon, wie viele PWM-Zyklen ausgelassen werden, die Menge der an die Heizung übertragenen Energie verringern, und erlaubt die Verwendung des vollständigen Zyklus für das PWM-Signal, da kein Teil des Pulszyklus' für die Einspeisung des Messsignals reserviert werden muss.
4A ist ein Graph 400, der ein Temperaturerfassungs- und -steuerungssystem, das anstelle eines ausgelassenen Pulses einen gesteuerten Messstrom verwendet, veranschaulicht, gemäß einigen Ausgestaltungen. Bei einigen Ausgestaltungen kann eine Steuerschaltung den PWM-Schalter offenhalten, so dass das Signal von der Leistungsquelle während eines Messschritts nicht an die Heizung übertragen wird. Bei einer Ausgestaltung, bei der ein oder mehr PWM-Pulse ausgelassen werden, weist das PWM-Leistungssignal 402 Pulse, die eine im Allgemeinen regelmäßige Periode aufweisen, auf, und ein Puls in dem Messschritt 406 wird weggelassen. Die Steuerschaltung schließt dann den Messschalter 312 während eines Teils des Messschritts 406, so dass das Signal von der Stromquelle der Heizung als Messsignal 404 zugeführt wird. Das Messsignal 404 weist einen Puls, der mit dem Messschritt 406 zusammenfällt, auf. Bei einigen Ausgestaltungen wird das Messsignal anstelle eines weggelassenen PWM-Pulses in die Heizungen eingespeist. Somit überlappt der Messsignalpuls 404 in dem PWM-Leistungssignal einen Teil eines Zyklus, in dem normalerweise der weggelassene PWM-Puls auftreten würde. Deshalb wird, wenn das Messsignal 404 mit dem PWM-Leistungssignal 402 kombiniert wird, ein Messpuls 408 zwischen den Leistungssignalpulsen an der Heizung angeordnet. Die in dem Graphen 400 gezeigten Signale Heizungsspannung V_HEAT 322 und I_HEAT 320 zeigen die Messspannung und den -strom an der Heizung während des Messpulses 408. Die Spannung des Messpulses 408 an der Heizung verändert sich mit dem Widerstand der Heizung und der Heizungstemperatur und unterscheidet sich deshalb im Allgemeinen von der Spannung der Leistungspulse der Heizungsspannung V_HEAT 322, die durch das PWM-Leistungssignal 402 erzeugt werden.
Das Bereitstellen des Messsignals getrennt von dem PWM-Signal unter Verwendung einer Stromquelle parallel zu der Leistungsversorgung vermeidet eine Gefährdung des Wirkungsgrads der Heizungsleistung. Dies ist der Fall, weil in dem PWM-Schalter-Pfad keine zusätzlichen Spannungsabfälle wie beispielsweise in einem System, bei dem sich die Stromquelle oder der Referenzwiderstand in Reihe mit der Leistungsversorgung befindet, auftreten. Zusätzlich kann die Stärke des Messstroms unabhängig von der des PWM-Signalstroms gewählt werden, was zu weniger Strom als dem zum Heizen verwendeten führt, und zu einem Spannungssignal, das für einen Eingangsbereich einer Analog-Digital-Wandler (ADC)-Spannungsmessung optimiert ist. Deshalb ist die Versorgungsspannung des Temperaturmessteils des Systems unabhängig vom Heizleistungsteil des Systems, bei dem es sich zum Beispiel um eine verrauschte Integrierte-Schaltungs-Versorgung einer von der Messstromquelle verschiedenen Schaltung handeln kann. Dies ermöglicht es, dass die Versorgungsspannungsschaltung grob und ungeregelt ist, so dass zum Beispiel eine Batteriespannung in einem mobilen Gerät direkt für die Leistungsversorgung verwendet werden kann. Es sind keine zusätzlichen Spannungswandler oder -regler für die Leistungsversorgung erforderlich, da die genauere Stromquelle separat geregelt wird.
4B ist ein Graph 450, der Betriebseigenschaften für ein Temperaturerfassungs- und -steuerungssystem, das gemäß einigen Ausgestaltungen anstelle eines ausgelassenen Pulses einen gesteuerten Messstrom verwendet, veranschaulicht. Bei einigen Ausgestaltungen wird der Messstrom während Aus-Zeiträumen innerhalb des PWM-Zyklus in das I_HEAT-Signal eingefügt. Somit ist der Messpuls, ohne die PWM-Pulse zu überlappen und ohne das Erfordernis, dass PWM-Pulse ausgelassen werden, zwischen Pulsen angeordnet. Das PWM-Leistungssignal 402 erhält die Regelmäßigkeit der durch den PWM-Schalter erzeugten Pulse aufrecht, ohne Pulse in dem PWM-Leistungssignal 402 zu eliminieren oder auszulassen, und das Messsignal 404 wird mit einem Puls, der zwischen die PWM-Leistungssignal-402-Pulse fällt, erzeugt. Während dieses Signalprofil den verwendbaren Tastgradbereich begrenzt, da etwas Zeit für die Messung reserviert werden muss, wird die Regelmäßigkeit des der Heizung zugeführten Leistungssignals aufrecht erhalten, da kein Erfordernis besteht, einen oder mehr Pulse aus dem Leistungssignal zu entfernen. Bei einigen Ausgestaltungen beträgt der maximale Tastgrad des PWM-Leistungssignals 402 etwa 75% des Gesamt-PWM-Zyklus, was 25% des PWM-Zyklus für den Messpuls 452 übrig lässt. Bei anderen Ausgestaltungen basiert der Tastgrad des PWM-Leistungssignals 402 auf der Einstellzeit des Netzwerks oder der Spannungsmessschaltung, wobei das PWM so eingestellt ist, dass den maßgeblichen Schaltungselementen ausreichend Zeit gegeben wird, einen stationären Zustand zu erreichen, so dass eine genaue Heizungsspannung gemessen werden kann.
5 ist ein Schaltbild, das ein Temperaturerfassungs- und -steuerungssystem 500 mit mehreren Heizungen 502a ... 502c gemäß einigen Ausgestaltungen veranschaulicht. Bei dieser Ausgestaltung stellt eine einzige Stromquelle 304 ein Messsignal für jede der Heizungen 502a ... 502c bereit. Bei einigen Ausgestaltungen gehören zu jeder Heizung 502a ... 502c ein PWM-Schalter 514a ... 514c und ein Messschalter 512a ... 512c. Jeder der PWM-Schalter 514a ... 514c ist zwischen einem positiven Knoten der Spannungsquelle 310 und einem positiven Knoten der betreffenden Heizung 502a ... 502c angeordnet. Jeder der Messschalter 512a ... 512 c ist auf ähnliche Weise zwischen einen positiven Knoten der Stromquelle 304 und dem positiven Knoten der entsprechenden Heizung 502a ... 502c angeordnet, so dass die Messschalter 512a ... 512c das Messsignal I_REF 318 sperren oder es ihm erlauben, von der Stromquelle 304 zu den Heizungen 502a ... 592c zu fließen. Alternativ können sich die Messschalter 512a ... 512c, die PWM-Schalter 514a ... 514c und die Stromquelle auf der Masse-Seite der Heizungen 502a ... 502c befinden, wobei die Heizungen 502a ... 502c direkt mit der Spannungsquelle 310 verbunden sind. Die Steuerschaltung steuert die PWM-Schalter 514a ... 514c derart, dass jede Heizung 502a ... 502c individuell gesteuert wird und ein individualisiertes Leistungssignal empfängt. Zusätzlich kann die Steuerschaltung bei einigen Ausgestaltungen die Messschalter 512a ... 512c derart steuern, dass jede der Heizungen 502a ... 502c zu einer anderen Zeit oder während eines anderen PWM-Zyklus einen Messpuls von der Stromquelle 304 empfängt. Somit kann die Heizspannung 516a ... 516c getrennt und individuell gemessen werden, so dass die Steuerschaltung die Temperatur einer jeden Heizung 502a ... 502c separat bestimmen und den Tastgrad des PWM-Signals an die entsprechende Heizung 502a ... 502c entsprechend einstellen kann. Zusätzlich verhindert das individuelle Messen einer jeden Heizung 502a ... 502c, dass die Heizungen als parallele Widerstände wirken und sich gegenseitig beeinträchtigen. Allerdings können bei anderen Ausgestaltungen eine oder mehr Heizspannungen 516a ... 516c während gleichzeitiger Messphasen für mehrere Heizungen 502a ... 502c gemessen werden, um für die mehreren gemessenen Heizungen eine Durchschnittstemperatur zu bestimmen.
Es versteht sich, dass wie oben im Hinblick auf 4A gezeigt, ein System, das mehrere Heizungen aufweist, anstelle von einem oder mehr ausgelassenen PWM-Pulsen einen Puls in dem Messsignal verwenden kann, oder dass es, wie oben im Hinblick auf 4B gezeigt, einen Puls, der sich zwischen normalen PWM-Pulsen befindet, verwenden kann. 6 ist ein Graph 600, der Betriebseigenschaften für ein Temperaturerfassungs- und -steuerungssystem mit mehreren Heizungen gemäß einigen Ausgestaltungen veranschaulicht. Der Graph 600 veranschaulicht Signale in einem System, in dem PWM-Pulse für jede Heizung individuell ausgelassen werden und der Messstrom anstelle des Heizungsleistungsstroms in das an eine individuelle Heizung übertragene Signal eingefügt wird.
Jedes PWM-Signal 602a ... 602c kann einen anderen PWM-Tastgrad aufweisen und steuert einen entsprechenden PWM-Schalter derart, dass jede betreffende Heizung eine individuell gesteuerte Temperatur aufweist. Jedes PWM-Signal 602a ... 602c weist einen anderen Messschritt oder einen anderen Messzyklus mit einem ausgelassenen PWM-Puls auf. Jedes der Messsignale 604a ... 604c weist einen Puls, der an einem Messschritt eines anderen PWM-Signals 602a ... 602c ausgerichtet ist, auf. Jedes der Signale, die die Heizungsspannungen 516a ... 516c angeben, ist die Summe entsprechender PWM-Signale 602a ... 602c und der zugehörigen Messsignale 604a ... 604c und weist die PWM-Pulse mit den Messpulsen 606a ... 606c zwischen PWM-Pulsen auf.
7 ist ein Schaltbild, das ein Temperaturerfassungs- und -steuerungssystem 700 mit mehreren Heizungen 702a ... 702c gemäß einigen Ausgestaltungen veranschaulicht. Bei einigen Ausgestaltungen kann von Zugriffssteuerungsschaltern 704a ... 704c jeder zu einer von mehreren Heizungen 702a ... 702c gehören. Ein jeder der Zugriffssteuerungsschalter 704a ... 704c ist zwischen einer oder mehr der Heizungen 702a ... 702c und einen gemeinsamen Knoten oder negativen Knoten der Spannungsquelle 310 angeordnet, um einen Stromfluss durch die Heizungen 702a ... 702c zu steuern. Eine derartige Anordnung verringert die Gesamtzahl von Schaltern, die erforderlich sind, um entsprechenden Heizungen 702a ... 702c individuelle Pulse des Messsignals I_REF 318 zuzuführen. Der PWM-Schalter 712 steuert den Leistungsfluss an sämtliche der Heizungen 702a ... 702c während der Heizphase gleichzeitig, und die Zugriffssteuerungsschalter 704a ... 704c steuern den Tastgrad des Leistungssignals durch die entsprechenden Heizungen 702a ... 702c. Ähnlich steuert der Messschalter 714 das Messsignal I_REF 318 an sämtliche der Heizungen 702a ... 702c gleichzeitig. Während der Messphase bewirken die Zugriffssteuerungsschalter 704a ... 704c, dass das Messsignal I_REF 318 in die passende Heizung 702a ... 702c eingespeist wird. Somit wirkt der PWM-Schalter 712 als Leistungsaktivierungsschalter für das Leistungssignal, und der Messschalter 714 wirkt als Messsignalaktivierungsschalter. Die Zugriffssteuerungsschalter 704a ... 704c können dann für einzelne Heizungen 702a ... 702c einen Stromkreis schließen, so dass ein Leistungssignal oder ein Messsignal durch die jeweilige Heizung 702a ... 702c läuft. Bei einigen Ausgestaltungen steuert die Steuerschaltung das Leistungssignal oder das Messsignal durch jede einzelne Heizung 702a ... 702c unter Verwendung der Zugriffssteuerungsschalter 704a ... 704c.
8 ist ein Graph 800, der Betriebseigenschaften für ein Temperaturerfassungs- und -steuerungssystem mit mehreren Heizungen gemäß einigen Ausgestaltungen veranschaulicht. Während einer Messphase 804a ... 804c von zumindest einer der Heizungen wird das PWM-Signal 802 für alle Heizungen gleichzeitig abgeschaltet. Das Messsignal 808 von der Stromquelle speist in das Signal an jede der Heizungen einen Puls ein. Die Zugriffssteuerungsschalter steuern die Heizungssignale 810a ... 810c an jeder der Heizungen, und sie steuern die PWM-Pulse und den Messpuls als Reaktion auf eine Steuersignalgebung von zum Beispiel der Steuerschaltung. Die Heizungssignale 810a ... 810c sind eine Kombination des PWM-Signals und des Messsignals, wie sie durch die Zugriffssteuerungsschalter modifiziert werden. Jedes der Heizungssignale 810a ... 810c weist PWM-Signalpulse auf, die für jede der Heizungen weggelassen werden. Während dieser Messphase wirken die Zugriffs steuerungs schalter als Multiplexer und sie wählen den zu messenden Heizungskanal aus. Eine derartige Anordnung weist mit ansteigender Anzahl von Heizungskanälen eine größere Verringerung der Anzahl von Schalterelementen auf. Jedes der Heizungssignale 810a ... 810c weist außerdem in der Messphase 804a ... 804c der betreffenden Heizung einen Puls von dem Messsignal auf. Bei den Heizungsspannungs-722a ... 722c-Signalen sind dann die Messpulse 806a ... 806c, die die Spannung an der betreffenden Heizung angeben, zwischen Pulsen des PWM-Leistungssignals angeordnet.
9 ist ein Schaltbild, das ein Temperaturerfassungs- und -steuerungssystem 900 mit mehreren Heizungen 902 gemäß einigen Ausgestaltungen veranschaulicht. Bei einigen Ausgestaltungen kann das System die oben im Zusammenhang mit den 7 und 8 beschriebene Funktionalität implementieren.
Bei einigen Ausgestaltungen sind die Zugriffssteuerungsschalter 904 in N-Kanal-Metalloxid-Halbleiter-(N-MOS)-Transistoren T0 ... T7 implementiert. Die Zugriffssteuerungsschalter 904 werden durch Zugriffssteuerungssignale 916, zum Beispiel von der Steuerungsschaltung, individuell gesteuert. Der PWM-Schalter T9 912 liefert die PWM-Versorgungsspannung V_SUP 910 von einer Spannungsversorgung und ist ein N-Kanal-Metalloxid-Halbleiter-(P-MOS)-Transistor. Der PWM-Schalter T9 912 wird unter Verwendung des N-MOS-Steuertransistors T8 906 durch das auf Masse bezogene Signal gesteuert. Bei einigen Ausgestaltungen wird der Steuertransistor T8 906 durch ein Signal von der Steuerschaltung gesteuert. Die Gatespannung des PWM-Schalters T9 912 wird unter Verwendung von Widerständen 918 und 920 und einer Zenerdiode 914 begrenzt.
Der Referenzstrom wird durch einen Digital-Analog-Wandler mit Stromausgang (IDAC) 924 erzeugt. Dieser Strom-IDAC 924 wird durch das MEAS-Signal 926 aktiviert und durch eine Diode 932 von der potentiell hohen Heizungsversorgungsspannung V_SUP 910 entkoppelt. Bei einigen Ausgestaltungen arbeitet der IDAC 924 als der Messschalter, der das den Heizungen 902 zugeführte Messsignal steuert.
Um den Spannungsabfall über den Heizungen 902 zu messen, wird ein Analog-Digital-Wandler für Spannung (ADC) 930 als Spannungsmessschaltung verwendet. Der Spannungsabfall während des Messzyklus' wird verwendet, um den Heizungswiderstand und letztlich die Heizungstemperatur zu bestimmen. Der ADC 930 kann auch dazu verwendet werden, die Heizungsversorgungsspannung in normalen PWM-Zyklen zu messen. Bei einer Ausgestaltung führt der ADC 930 einer Spannungsmessschaltung oder der Steuerschaltung ein digitales Messsignal 928 zu.
10 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Temperaturerfassung und -steuerung gemäß einigen Ausgestaltungen veranschaulicht. In Block 1002 wird ein Leistungssignal bereitgestellt. Bei einigen Ausgestaltungen wird das Leistungssignal als Reaktion auf ein Signal von einer Steuerschaltung durch einen PWM-Schalter gesteuert und erzeugt ein Leistungssignal mit PWM-Pulsen. Die PWM-Pulse weisen einen Tastgrad, der gesteuert wird, um die einer Heizung zugeführte Leistung zu regeln und die Temperatur der Heizung zu steuern, auf. Bei einigen Ausgestaltungen wird in Block 1004 ein PWM-Puls in dem Leistungssignal ausgelassen. Der PWM-Puls kann ausgelassen werden, indem ein PWM-Schalter oder Zugriffssteuerungsschalter gemäß einer Anweisung oder einem Steuersignal von der Steuerschaltung nicht geöffnet wird. Die Zugriffssteuerungsschalter werden verwendet, um die Heizung, durch die der Messstrom fließen wird, auszuwählen, und das Geschlossenhalten des PWM-Schalters verhindert, dass das Leistungssignal und der Messstrom gleichzeitig durch die für die Messung durch die Zugriffsschalter ausgewählte Heizung fließen.
In Block 1006 wird der Heizung ein Messpuls zugeführt. Bei einigen Ausgestaltungen verbindet ein Messschalter oder Zugriffssteuerungsschalter entsprechend einer Weisung oder einem Steuersignal von der Steuerschaltung eine oder mehr Heizungen elektrisch mit einer Stromquelle. Bei einigen Ausgestaltungen wird der Messpuls zwischen PWM-Pulsen, die sich in direkt benachbarten Zyklen in dem Leistungssignal befinden, ohne irgendwelche PWM-Pulse auszulassen, eingespeist. Bei anderen Ausgestaltungen wird der Messpuls in den Zyklus eines ausgelassenen PWM-Pulses in das Leistungssignal eingespeist. In Block 1008 wird die Spannung über der Heizung gemessen. Bei einigen Ausgestaltungen wird die durch den Messpuls erzeugte Spannung unter Verwendung eines Zwei-Draht-Systems direkt an der Heizung gemessen, oder unter Verwendung eines Vier-Draht-Systems über Anschlüssen, die mit der Heizung verbunden sind. Die Heizungsspannung wird durch eine Spannungsmessschaltung gemessen, und die Messung kann als Reaktion auf ein Steuersignal von der Steuerschaltung durchgeführt werden.
Der Heizungswiderstand wird in Block 1010 bestimmt. Bei einigen Ausgestaltungen wird der Heizungswiderstand aus der Heizungsspannung und aus dem bekannten Wert des Stroms des durch die Stromquelle bereitgestellten Messpulses bestimmt. In Block 1012 wird die Heizungstemperatur bestimmt. Die Heizungstemperatur kann aus dem berechneten Widerstand bestimmt werden, und sie kann bei einigen Ausgestaltungen entsprechend dem berechneten Widerstand, dem Temperaturkoeffizienten des Heizungsmaterials und dem Heizungswiderstands bei einer Referenztemperatur bestimmt werden. In Block 1014 wird das Leistungssignal eingestellt. Bei einigen Ausgestaltungen empfängt oder bestimmt die Steuerschaltung die Heizungstemperatur und stellt den Tastgrad des PWM-Pulses in dem Leistungssignal an die Heizungen ein. Zusätzlich kann der Prozess bei einigen Ausgestaltungen einmal oder mehrmals wiederholt werden, so dass eine Temperaturregelung kontinuierlich durchgeführt wird.
Ein Beispiel-Verfahren umfasst das Zuführen eines Leistungssignals an eine Heizung, wobei das Leistungssignal pulsweitenmodulierte (PWM) Leistungspulse aufweist, das Zuführen eines Messpulses an die Heizung, wobei sich der Messpuls zwischen zwei PWM-Pulsen befindet, das Messen einer Spannung über der Heizung und das Bestimmen eines Widerstands der Heizung entsprechend der Spannung über der Heizung und einem Strom des Messpulses. Eine Temperatur der Heizung wird entsprechend dem bestimmten Widerstand der Heizung bestimmt.
Bei einer Ausgestaltung umfasst das Verfahren weiterhin das Anpassen des Leistungssignals entsprechend der Temperatur der Heizung. Bei einer Ausgestaltung ist der Messpuls ein durch eine Stromquelle bereitgestellter Konstantstrom-Messpuls. Bei einer Ausgestaltung wird die Temperatur entsprechend dem bestimmten Widerstand der Heizung, einem Temperaturkoeffizienten eines Materials der Heizung und einem Widerstand der Heizung bei einer Referenztemperatur bestimmt. Bei einer Ausgestaltung umfasst das Zuführen des Leistungssignals an die Heizung mit einem ersten PWM-Zyklus zwischen den zwei PWM-Leistungspulsen und während eines ausgelassenen PWM-Leistungspulses, wobei der Heizung zumindest ein Teil des Messpulses in dem ersten PWM-Zyklus zugeführt wird. Bei einer Ausgestaltung befinden sich die beiden PWM-Leistungspulse in unmittelbar benachbarten PWM-Zyklen.
Eine Beispiel-Anordnung enthält eine Signalschalt-Schaltung, die mit einem oder mehr Heizungsports verbunden ist, und die Heizungsports sind dazu ausgebildet, mit einer bzw. mehr Heizungen verbunden zu werden. Die Anordnung enthält weiterhin eine Stromquelle, die mit der Signalschalt-Schaltung verbunden ist, wobei die Signalschalt-Schaltung zwischen der Stromquelle und dem einen oder den mehr Heizungsports angeordnet ist. Eine Steuerschaltung ist mit der Signalschalt-Schaltung gekoppelt, und eine Spannungsmessschaltung ist dazu ausgebildet, eine erste Spannung über dem einen oder den mehr Heizungsports zu messen. Die Signalschalt-Schaltung ist dazu ausgebildet, einen ersten Strom von der Stromquelle zu steuern, um dem einen oder den mehr Heizungsports entsprechend einem zweiten Signal von der Steuerschaltung einen Messpuls zuzuführen. Die erste Spannung wird durch den Messpuls über dem einen oder den mehr Heizungsports erzeugt, und die Steuerschaltung ist dazu ausgebildet, die Signalschalt-Schaltung entsprechend einer entsprechend der gemessenen ersten Spannung bestimmten Temperatur zu steuern.
Bei einer Ausgestaltung enthält die Anordnung weiterhin einen mit der Signalschalt-Schaltung verbundenen Leistungsversorgungsanschluss. Die Stromquelle ist parallel zu dem Leistungsversorgungsanschluss mit der Signalschalt-Schaltung verbunden, und die Signalschalt-Schaltung ist weiterhin dazu ausgebildet, ein drittes Signal von dem Leistungsversorgungsanschluss zu steuern, um dem einen oder den mehr Heizungsports entsprechend einem ersten Signal von der Steuerschaltung ein Leistungssignal, das pulsweitenmodulierte (PWM) Leistungspulse aufweist, zuzuführen. Die Steuerschaltung ist weiterhin dazu ausgebildet, die PWM-Leistungspulse und den Messpuls so zu koordinieren, dass der Messpuls dem einen oder den mehr Heizungsports zwischen den PWM-Leistungspulsen zugeführt wird. Bei einer Ausgestaltung ist die Steuerschaltung weiterhin dazu ausgebildet, die PWM-Leistungspulse und den Messpuls durch Auslassen zumindest eines der PWM-Pulse und durch Zuführen zumindest eines Teils des Messpulses an den einen oder die mehr Heizungsports in zumindest einem Teil eines Zyklus des ausgelassenen PWM-Pulses zu koordinieren. Bei einer Ausgestaltung ist die Steuerschaltung weiterhin dazu ausgebildet, die PWM-Leistungspulse und den Messpuls durch Zuführen zumindest des Messpulses an den einen oder die mehr Heizungsports zwischen benachbarten PWM-Pulsen zu koordinieren. Bei einer Ausgestaltung ist die Steuerschaltung weiterhin dazu ausgebildet, einen maximalen Tastgrad PWM-Leistungspulse auf 75%-Zyklus zu begrenzen. Bei einer Ausgestaltung enthält die Anordnung weiterhin einen Sensor und eine oder mehr mit dem einen oder den mehr Heizungsports verbundenen Heizungen, wobei die eine oder mehr Heizungen dazu ausgebildet sind, den Sensor zu heizen. Bei einer Ausgestaltung enthält die Anordnung weiterhin zwei oder mehr mit dem einen oder den mehr Heizungsports verbundene Heizungen, und die Signalschalt-Schaltung ist dazu ausgebildet, den ersten Strom von der Stromquelle zu steuern, um jeder der zwei oder mehr Heizungen entsprechend einem vierten Signal von der Steuerschaltung einen separaten Messpuls zuzuführen. Die Spannungsmessschaltung ist dazu ausgebildet, die durch die separaten Messpulse erzeugten Spannungen über jeder der zwei oder den mehr Heizungen separat zu messen.
Eine Beispiel-Anordnung enthält eine erste Heizung, einen ersten Messschalter, der ein mit einem ersten Ende der ersten Heizung verbundenes erstes Ende aufweist, eine Stromquelle, die ein mit einem zweiten Ende des ersten Messschalters verbundenes erstes Ende aufweist, eine mit dem ersten Messschalter verbundene Steuerschaltung und einen Analog-Digital-Wandler (ADC), der einen mit dem ersten Ende der ersten Heizung verbundenen ersten Analogeingang und ein mit der Steuerschaltung verbundenes digitales Ausgangsende aufweist.
Bei einer Ausgestaltung bilden die Stromquelle und der Messschalter einen Digital-Analog-Wandler mit Stromausgang (IDAC), wobei der IDAC einen mit dem ersten Ende der ersten Heizung verbundenen Analogausgang und einen mit der Steuerschaltung verbundenen Eingang aufweist. Bei einer Ausgestaltung enthält die Anordnung weiterhin einen ersten Pulsweitenmodulations-(PWM)-Transistor, der einen mit dem ersten Ende der ersten Heizung verbundenen ersten Kanalanschluss, einen mit einem Leistungsversorgungsanschluss verbundenen zweiten Kanalanschluss und ein mit der Steuerschaltung verbundenes Gate aufweist. Bei einer Ausgestaltung enthält die Anordnung weiterhin eine mit dem Leistungsversorgungsanschluss verbundene Leistungsversorgung, wobei die Leistungsversorgung parallel zu dem IDAC mit der ersten Heizung verbunden ist. Bei einer Ausgestaltung enthält die Anordnung weiterhin eine zweite Heizung, wobei das erste analoge Ende des ADCs mit einem ersten Ende der zweiten Heizung verbunden ist. Bei einer Ausgestaltung enthält die Anordnung weiterhin einen ersten Zugriffsteuerungstransistor, der zwischen einem zweiten Ende der ersten Heizung und Masse angeschlossen ist, und sie enthält weiterhin einen zweiten Zugriffssteuerungstransistor, der zwischen einem zweiten Ende der zweiten Heizung und Masse angeschlossen ist. Gates des ersten Zugriffssteuerungstransistors und des zweiten Zugriffssteuerungstransistors sind mit der Steuerschaltung verbunden. Bei einer Ausgestaltung enthält die Anordnung weiterhin eine zweite Heizung, eine Leistungsversorgung, einen ersten Pulsweitenmodulations-(PWM)-transistor, einen mit dem ersten Ende der ersten Heizung verbundenen ersten Kanalanschluss, einen mit der Leistungsversorgung verbundenen zweiten Kanalanschluss und ein mit der Steuerschaltung verbundenes erstes Gate; und eine zweite PWM, die einen mit dem ersten Ende der zweiten Heizung verbundenen dritten Kanalanschluss, einen mit einem Leistungsversorgungsanschluss vierten Kanalanschluss und ein mit der Steuerschaltung verbundenes zweites Gate aufweist.
Während die oben erwähnten Ausgestaltungen im Hinblick auf ein Heizelement für einen Sensor beschrieben sind, versteht es sich, dass die Ausgestaltungen nicht auf derartige Systeme beschränkt sind. Die oben beschriebenen Heizungstemperaturmesssysteme können als zugehöriger (engl.: „dedicated“) Temperatursensor als eigenständiges Heizelement oder dergleichen implementiert werden.

Claims

Verfahren, das aufweist: Zuführen eines Leistungssignals an eine Heizung, wobei das Leistungssignal pulsweitenmodulierte (PWM) Leistungspulse aufweist; Zuführen eines Messpulses an die Heizung, wobei sich der Messpuls zwischen zwei PWM-Leistungspulsen befindet; Messen einer Spannung über der Heizung; Bestimmen eines Widerstands der Heizung entsprechend der Spannung über der Heizung und einem Strom des Messpulses; und Bestimmen einer Temperatur der Heizung entsprechend dem bestimmten Widerstand der Heizung.
Verfahren gemäß Anspruch 1, das weiterhin das Anpassen des Leistungssignals entsprechend der Temperatur der Heizung aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem der Messpuls ein durch eine Stromquelle bereitgestellter Konstantstrom-Messpuls ist.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Temperatur entsprechend dem bestimmten Widerstand der Heizung, dem Temperaturkoeffizienten eines Materials der Heizung und einem Widerstand der Heizung bei einer Referenztemperatur bestimmt wird.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, das das Zuführen des Leistungssignals an eine Heizung mit einem ersten PWM-Zyklus zwischen den beiden PWM-Leistungspulsen und während eines ausgelassenen PWM-Leistungspulses umfasst; und bei dem der Heizung zumindest ein Teil des Messpulses in dem ersten PWM-Zyklus zugeführt wird.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem sich die beiden PWM-Leistungspulse in unmittelbar benachbarten PWM-Zyklen befinden.
Anordnung, die aufweist: eine Signalschalt-Schaltung, die mit einem oder mehr Heizungsports verbunden ist, wobei die Heizungsports dazu ausgebildet sind, mit einer bzw. mehr Heizungen verbunden zu werden; eine Stromquelle, die mit der Signalschalt-Schaltung verbunden ist, wobei die Signalschalt-Schaltung zwischen der Stromquelle und dem einen oder den mehr Heizungsports angeordnet ist; eine Steuerschaltung, die mit der Signalschalt-Schaltung gekoppelt ist; eine Spannungsmessschaltung, die dazu ausgebildet ist, eine erste Spannung über dem einen oder den mehr Heizungsports zu messen; wobei die Signalschalt-Schaltung dazu ausgebildet ist, einen ersten Strom von der Stromquelle zu steuern, um dem einen oder den mehr Heizungsports den Messpuls entsprechend einem zweiten Signal von der Steuerschaltung zuzuführen; wobei die erste Spannung durch den Messpuls über dem einen oder den mehr Heizungsports erzeugt wird; und wobei die Steuerschaltung dazu ausgebildet ist, die Signalschalt-Schaltung entsprechend einer der gemessenen ersten Spannung entsprechenden Temperatur zu steuern.
Anordnung gemäß Anspruch 7, die weiterhin aufweist: eine Leistungsversorgung, die mit der Signalschalt-Schaltung verbunden ist; wobei die Stromquelle parallel zu dem Leistungsversorgungsanschluss mit der Signalschalt-Schaltung verbunden ist; wobei die Signalschalt-Schaltung weiterhin dazu ausgebildet ist, ein drittes Signal von dem Leistungsversorgungsanschluss zu steuern, um dem einen oder den mehr Heizungsports entsprechend einem ersten Signal von der Steuerschaltung ein Leistungssignal, das pulsweitenmodulierte (PWM) Leistungspulse aufweist, zuzuführen; und wobei die Steuerschaltung weiterhin dazu ausgebildet ist, die PWM-Leistungspulse und den Messpuls derart zu koordinieren, dass der Messpuls dem einen oder den mehr Heizungsports zwischen den PWM-Leistungspulsen zugeführt wird.
Anordnung gemäß Anspruch 8, bei dem die Steuerschaltung weiterhin dazu ausgebildet ist, die PWM-Leistungspulse und den Messpuls durch Auslassen zumindest eines der PWM-Pulse und durch Zuführen zumindest eines Teils des Messpulses an die eine oder die mehr Heizungsschnittstellen in zumindest einem Teil eines Zyklus' des ausgelassenen PWM-Pulses zuzuführen.
Anordnung gemäß Anspruch 8 oder 9, bei dem die Steuerschaltung weiterhin dazu ausgebildet ist, die PWM-Leistungspulse und den Messpuls durch Zuführen zumindest des Messpulses an den einen oder die mehr Heizungsports zwischen benachbarten PWM-Pulsen zu koordinieren.
Anordnung gemäß Anspruch 10, bei der die Steuerschaltung weiterhin dazu ausgebildet ist, einen maximalen Tastgrad der PWM-Leistungspulse auf 75% eines Gesamt-PWM-Zyklus zu begrenzen.
Anordnung gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11, die weiterhin einen Sensor und eine oder mehr mit dem einen oder den mehr Heizungsports verbundene Heizungen aufweist, wobei die eine oder mehr Heizungen dazu ausgebildet sind, den Sensor zu heizen.
Anordnung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 12, die weiterhin zwei oder mehr mit dem einen oder den mehr Heizungsports verbundene Heizungen aufweist; wobei die Signalschalt-Schaltung dazu ausgebildet ist, den ersten Strom von der Stromquelle zu steuern, um jeder der zwei oder mehr Heizungen entsprechend einem vierten Signal von der Steuerschaltung einen separaten Messpuls zuzuführen; und wobei die Spannungsmessschaltung dazu ausgebildet ist, Spannungen, die durch die getrennten Messpulse über einer jeden der zwei oder mehr Heizungen erzeugt werden, getrennt zu messen.
Anordnung, die aufweist: eine erste Heizung; einen ersten Messschalter, der ein mit einem ersten Ende der ersten Heizung verbundenes erstes Ende aufweist; eine Stromquelle, die ein mit einem zweiten Ende des ersten Messschalters verbundenes erstes Ende aufweist; eine Steuerschaltung, die mit dem ersten Messschalter verbunden ist; und einen Analog-Digital-Wandler (ADC), der ein mit dem ersten Ende der ersten Heizung verbundenes erstes Analogeingangsende und ein mit der Steuerschaltung verbundenes Digitalausgangsende aufweist.
Anordnung gemäß Anspruch 14, bei der die Stromquelle und der Messschalter einen Digital-Analog-Wandler mit Stromausgang (IDAC) bilden, wobei der IDAC einen mit dem ersten Ende der ersten Heizung verbundenen Analogausgang und einen mit der Steuerschaltung verbundenen Eingang aufweist.
Anordnung gemäß Anspruch 15, die weiterhin einen ersten Pulsweitenmodulations-(PWM)-transistor, der einen mit dem ersten Ende der ersten Heizung verbundenen ersten Kanalanschluss, einen mit einer Leistungsversorgung verbundenen zweiten Kanalanschluss und ein mit der Steuerschaltung verbundenes Gate umfasst, aufweist.
Anordnung gemäß Anspruch 16, die weiterhin eine mit dem Leistungsversorgungsanschluss verbundene Leistungsversorgung aufweist, wobei die Leistungsversorgung parallel zu dem IDAC mit der ersten Heizung verbunden ist.
Anordnung gemäß einem der Ansprüche 14 bis 17, die weiterhin eine zweite Heizung aufweist, wobei das erste Analogende des ADCs mit einem ersten Ende der zweiten Heizung verbunden ist.
Anordnung gemäß Anspruch 18, die weiterhin einen zwischen einem zweiten Ende der ersten Heizung und Masse angeschlossenen ersten Zugriffsteuerungstransistor aufweist, und die weiterhin einen zwischen einem zweiten Ende der zweiten Heizung und Masse angeschlossenen zweiten Zugriffssteuerungstransistor aufweist, wobei Gates des ersten Zugriffssteuerungstransistors und des zweiten Zugriffssteuerungstransistors mit der Steuerschaltung verbunden sind.
Anordnung gemäß einem der Ansprüche 14 bis 19, die weiterhin aufweist: eine zweite Heizung; eine Leistungsversorgung; einen ersten Pulsweitenmodulations-(PWM)-transistor, der einen mit dem ersten Ende der ersten Heizung verbundenen ersten Kanalanschluss, einen mit der Leistungsversorgung verbundenen zweiten Kanalanschluss und ein mit der Steuerschaltung verbundenes erste Gate aufweist; und einen zweiten PWM, der einen mit dem ersten Ende der zweiten Heizung verbundenen dritten Kanalanschluss, einen mit einem Leistungsversorgungsanschluss verbundenen vierten Kanalanschluss und ein mit der Steuerschaltung verbundenes zweites Gate aufweist.