DE102017201303A1

DE102017201303A1 - Schaltung und Verfahren zur Überwachung einer Versorgungsspannung

Info

Publication number: DE102017201303A1
Application number: DE102017201303.6A
Authority: DE
Inventors: Michael Wilhelm Haas; Uwe Lueders; Alexander Barner; Federico Ignacio Sanchez Pinzon
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-01-27
Filing date: 2017-01-27
Publication date: 2018-08-02
Also published as: US20190391187A1; WO2018137912A1; CN110199200A; CN110199200B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Überwachung einer Versorgungsspannung (V) für ein elektronisches Gerät. Die Schaltung umfasst eine erste Referenzspannungsquelle (31), die eine erste Referenzspannung (V) erzeugt;eine Vergleichseinrichtung (1), welche die erste Referenzspannung (V) mit der Versorgungsspannung (V) vergleicht;ein Spannungsregler (40), zur Regelung der Versorgungsspannung (V), wobei die erste Referenzspannung (V) als dessen Referenz dient und dessen Ausgangsspannung (V) zumindest die Vergleichseinrichtung (1) versorgt;eine zweite Referenzspannungsquelle (32), die eine zweite Referenzspannung (V) erzeugt; undzumindest einen Komparator (23), der die Ausgangsspannung (V) des Spannungsreglers (40) mit der zweiten Referenzspannung (V) vergleicht,

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung zur Überwachung einer Versorgungsspannung für ein elektronisches Gerät sowie ein Verfahren zur Durchführung der Überwachung mittels der Schaltung. Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, das jeden Schritt des Verfahrens ausführt, wenn es auf einem Rechengerät abläuft, sowie ein maschinenlesbares Speichermedium, welches das Computerprogramm speichert. Schließlich betrifft die Erfindung ein elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, um das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
Stand der Technik
Elektronische Geräte, wie beispielsweise ein elektronisches (Motor-)Steuergerät, werden mit einer Versorgungsspannung vorsorgt. Insbesondere bei der heutzutage oft verwendeten CMOS-Logik (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) werden zumindest die Feldeffekttransistoren (MOSFET) mit einer als „VDD5“ bezeichneten Versorgungspannung von 5 Volt betrieben. Um die Funktion des elektronischen Geräts zu garantieren, wird die Versorgungsspannung überwacht.
Die ISO 26262 ist eine Norm der Internationalen Organisation für Normung, die sicherheitsrelevante elektronische Geräte bzw. Systeme in Kraftfahrzeugen betrifft. Die Umsetzung dieser Norm soll die funktionale Sicherheit des elektronischen Geräts bzw. dessen elektronischer/elektrischer Komponenten im Kraftfahrzeug gewährleisten. In der ISO 26262 wird eine ASIL-Klassifikation (Automotive Safety Integrity Level) zur Einteilung der funktionalen Sicherheit verwendet. Dabei wird ein anzunehmender auftretender Fehler durch drei Faktoren bewertet, wobei ein erster Faktor die Schwere des Fehlers, ein zweiter Faktor die Eintrittswahrscheinlichkeit und ein dritter Faktor die Beherrschbarkeit des Fehlers widerspiegelt, und die Faktoren dann summiert. Der Summe der Faktoren wird dann in aufsteigender Reihenfolge die Bezeichnungen ASIL A bis ASIL D zugeordnet, wobei ASIL D dem größten anzunehmenden Fehler entspricht.
Die Versorgungsspannung nimmt Einfluss auf alle sicherheitskritischen Funktionen des elektronischen Steuergeräts im Kraftfahrzeug. Aus diesem Grunde ist es gewünscht, dass die Überwachung der Versorgungsspannung des elektronischen Steuergeräts zumindest ASIL C, bestenfalls ASIL D genügt.
Üblicherweise wird die Überwachung der Versorgungsspannung mittels einer Vergleichseinrichtung durchgeführt, indem die Versorgungsspannung über einen Spannungsteiler geführt und anschließend durch zwei Komparatoren mit einer ersten Referenzspannung verglichen wird. Herkömmlicherweise kann die Funktionsweise des Spannungsteilers und der zwei Komparatoren getestet werden, indem die Eingangssignale der beiden Komparatoren ausgetauscht werden. Zusätzlich ist ein Spannungsregler zur Regelung der Versorgungsspannung vorgesehen, dem die Referenzspannung ebenfalls als dessen Referenz dient und dessen Ausgangsspannung zumindest die Vergleichseinrichtung versorgt. Es ist ersichtlich, dass die erste Referenzspannung bei dieser Vergleichseinrichtung essentiell ist und genau bekannt sein muss.
Offenbarung der Erfindung
Durch die Erfindung soll eine Überwachung der Versorgungsspannung für ein elektronisches Gerät erreicht werden, die gemäß der ISO 26262 einer ASIL-Klassifikation (Automotive Safety Integrity Level) zumindest von ASIL C, bestenfalls von ASIL D, genügt.
Es wird eine Schaltung zur Überwachung der Versorgungsspannung vorgeschlagen, welche eine erste Referenzspannungsquelle, eine Vergleichseinrichtung und einen Spannungsregler umfasst. Die erste Referenzspannungsquelle erzeugt eine erste Referenzspannung. Diese erste Referenzspannung wird durch die Vergleichseinrichtung mit der Versorgungsspannung verglichen, um dadurch Abweichungen der Versorgungsspannung zu erkennen. Zusätzlich dient die Referenzspannung dem Spannungsregler als dessen Referenz. Der Spannungsregler regelt die Versorgungsspannung, wobei dessen Ausgangsspannung zumindest die Vergleichseinrichtung versorgt.
Darüber hinaus weist die Schaltung eine zweite Referenzspannungsquelle, die ihrerseits eine zweite Referenzspannung erzeugt, und zumindest einen Komparator auf, der die Ausgangsspannung des Spannungsreglers mit der zweiten Referenzspannung vergleicht. Durch diese Schaltung wird erreicht, dass zum einen der Spannungsregler direkt mittels seiner Ausgangsspannung überwacht wird. Zum anderen wird die erste Referenzspannung im Zuge der Überwachung der Ausgangspannung des Spannungsreglers ebenfalls überwacht, da die erste Referenzspannung dem Spannungsregler als Referenz dient und somit mit dessen Ausgangsspannung korreliert. Kommt es zu einer Veränderung der ersten Referenzspannung, beispielsweise in Form eines Drifts, verändert sich durch den Spannungsregler ebenso dessen Ausgangsspannung, was wiederum durch den Komparator erkannt wird.
Die Schaltung zur Überwachung der Versorgungsspannung kann insbesondere für eine VDD5-Versorgungsspannung, die 5 Volt beträgt und bei heutzutage verwendeten elektronischen Geräten, die auf einer CMOS-Logik basieren und Feldeffekttransistoren (MOSFET) verwenden, welche mit dieser VDD5-Versorgungsspannung von 5 Volt betrieben werden, verwendet werden.
Gemäß einem Aspekt kann der Komparator eingerichtet sein, ein Fehlersignal auszugeben, wenn die Ausgansspannung oberhalb der zweiten Referenzspannung liegt. Gemäß einem weiteren Aspekt kann der Komparator eingerichtet sein, ein Fehlersignal auszugeben, wenn die Ausgansspannung unterhalb der zweiten Referenzspannung liegt. Vorzugsweise wird eine Kombination aus diesen beiden Komparatoren verwendet, um das Fehlersignal auszugeben, wenn die Ausgangsspannung von der zweiten Referenzspannung abweicht. Dadurch wird eine optimale Überwachung der Ausgangspannung des Spannungsreglers und damit einhergehend eine optimale Überwachung des Spannungsreglers selbst sowie der ersten Referenzspannung erreicht.
Vorteilhafterweise ist die Vergleichseinrichtung als anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (Application-Specific Integrated Circuit, ASIC) ausgestaltet und weist insbesondere einen Spannungsteiler und zwei Komparatoren auf, welche die Versorgungsspannung mit der ersten Referenzspannung vergleichen. Infolgedessen kann eine Abweichung der Versorgungsspannung von der ersten Referenzspannung genau erkannt werden.
Vorzugweise sind die eingangs beschriebene zweite Referenzspannungsquelle und der Komparator ebenfalls Teil der Vergleichseinrichtung. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass eine Realisierung am elektronischen Gerät vereinfacht wird, da die gesamte Schaltung modular angeschlossen werden kann. Der Vorteil stellt sich noch größer dar, wenn die Vergleichseinrichtung in Form des ASIC ausgestaltet ist.
Um die zweite Referenzspannung zu überprüfen, kann die zweite Referenzspannungsquelle eine Testschaltung, insbesondere eine integrierte Testschaltung für einen Built-in-self-test, aufweisen. Wird durch die Testschaltung festgestellt, dass die zweite Referenzspannung fehlerhaft ist, kann eine entsprechende Fehlerreaktion ausgelöst werden.
Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Überwachung der Versorgungsspannung für das elektronische Gerät mittels der vorstehend beschriebenen Schaltung vorgeschlagen. Bei diesem Verfahren wird zu Beginn die Versorgungsspannung mit der ersten Referenzspannung verglichen. Liegt die Versorgungsspannung oberhalb oder unterhalb der ersten Referenzspannung, weicht daher die Versorgungsspannung von der ersten Referenzspannung ab, wird ein erstes bzw. ein zweites Fehlersignal ausgegeben. Ferner wird die Ausgangsspannung des Spannungsreglers mit der zweiten Referenzspannung verglichen. Anschließend wird ein drittes Fehlersignal auf Grundlage des Vergleichs der Ausgangsspannung des Spannungsreglers mit der zweiten Referenzspannung ausgeben.
Gemäß einem Aspekt wird das dritte Fehlersignal ausgegeben, wenn die Ausgangsspannung des Spannungsreglers oberhalb der zweiten Referenzspannung liegt und gemäß einem weiteren Aspekt wird das dritte Fehlersignal ausgegeben, wenn die Ausgangsspannung des Spannungsreglers unterhalb der zweiten Referenzspannung liegt. Dadurch kann erreicht werden, dass das dritte Fehlersignal ausgegeben wird, wenn die Ausgangsspannung des Spannungsteilers von der zweiten Referenzspannung abweicht.
Aus dem dritten Fehlersignal kann auf die Fehlerquelle geschlossen werden, wobei als mögliche Fehlerquellen hierbei speziell die erste Referenzspannung(-squelle) und der Spannungsregler miteingeschlossen sind. Insbesondere kann auf eine fehlerhafte erste Referenzspannung geschlossen werden, wenn gleichzeitig die Versorgungsspannung von der ersten Referenzspannung abweicht und die Ausgangsspannung des Spannungsreglers von der zweiten Referenzspannung abweicht.
Das Computerprogramm ist eingerichtet, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, insbesondere, wenn es auf einem Rechengerät oder Steuergerät durchgeführt wird. Es ermöglicht die Implementierung des Verfahrens in einem herkömmlichen elektronischen Steuergerät, ohne hieran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu ist es auf dem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert.
Durch Aufspielen des Computerprogramms auf ein herkömmliches elektronisches Steuergerät wird das elektronische Steuergerät erhalten, welches eingerichtet ist, die Versorgungspannung zu überwachen.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

1 zeigt eine Schaltungsskizze eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Schaltung.

Ausführungsbeispiele der Erfindung
Die erfindungsgemäße Schaltung ist in einem Ausführungsbeispiel als Schaltungsskizze in 1 dargestellt. Ein nicht dargestelltes elektronisches Gerät wird mit einer Versorgungsspannung V_DD5 betrieben. Wird bei dem elektronischen Gerät CMOS-Logik mit Feldeffekttransistoren verwendet, die z.B. in einem elektronischen Steuergerät für ein Kraftfahrzeug zum Einsatz kommt, soll die Versorgungsspannung V_DD5 5 Volt betragen. Eine Vergleichseinrichtung 1 dient zur Überwachung der Versorgungsspannung V_DD5 und ist als anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC) ausgebildet. Die Versorgungsspannung V_DD5 wird über einen Spannungsteiler 10, welcher aus zwei Widerständen 11 und 12 aufgebaut ist, angelegt. Die sich dabei ergebende Teilspannung wird mittels zweier Komparatoren 21 und 22 mit einer durch eine erste Referenzspannungsquelle 31 erzeugten ersten Referenzspannung V_R1 verglichen. Die beiden Komparatoren 21 und 22 sowie ein nachfolgend beschriebener dritter Komparator 23 sind wie dargestellt beispielsweise jeweils als Operationsverstärker realisiert und liefern ein Ausgangssignal, wenn die Spannung am nicht invertierenden Eingang - in 1 mit einem „+“ bezeichnet - oberhalb der Spannung am invertierende Eingang - in 1 mit einem „-“ bezeichnet - liegt. Bezüglich des ersten Komparators 21 ist die Versorgungsspannung V_DD5 mit dessen nicht invertierenden Eingang „+“ und die erste Referenzspannung V_R1 mit dessen invertierenden Eingang „-“ verbunden. Liegt die Versorgungsspannung V_DD5 oberhalb der ersten Referenzspannung V_R1 gibt der erste Komparator 21 ein erstes Fehlersignal F1 aus. Bezüglich des zweiten Komparators 22 ist, entgegengesetzt zum ersten Komparator 21, die Versorgungsspannung V_DD5 mit dessen invertierenden Eingang „-“ und die erste Referenzspannung V_R1 mit dessen nicht invertierenden Eingang „+“ verbunden. Liegt die Versorgungsspannung V_DD5 unterhalb der ersten Referenzspannung V_R1 gibt der zweite Komparator 21 ein zweites Fehlersignal F2 aus. Durch eine solche Schaltung kann eine Abweichung der Versorgungsspannung V_DD5 von der ersten Referenzspannung V_R1 erkannt werden. Geht man davon aus, dass die erste Referenzspannung V_R1 fehlerfrei ist, wird bei Auftreten des ersten Fehlersignals F1 auf eine zu große Versorgungsspannung V_DD5 und bei Auftreten des zweiten Fehlersignals F2 auf eine zu kleine Versorgungsspannung V_DD5 geschlossen.
Des Weiteren ist ein Spannungsregler 40 vorgesehen, der die Versorgungsspannung V_DD5 regelt und potentiell auftretende Schwankungen dieser verringert. Dessen Ausgangsspannung V_int versorgt die ASIC, wobei die erste Referenzspannung V_R1 diesem als Referenz dient. Infolgedessen äußert sich eine Veränderung der ersten Referenzspannung V_R1, beispielsweise in Form eines Drifts, als Veränderung der Ausgangsspannung V_int des Spannungsreglers 40.
Gemäß der Erfindung umfasst die Schaltung einen dritten Kompensator 23 und eine zweite Referenzquelle 32, die beide in diesem Ausführungsbeispiel als ASIC Teil der Vergleichseinrichtung 1 sind. Der dritte Komparator 23 vergleicht die Ausgangsspannung V_int des Spannungsreglers 40 mit einer durch die zweite Referenzspannungsquelle 32 erzeugten zweiten Referenzspannung V_R2. Die zweite Referenzspannungsquelle 32 weist eine integrierte Testschaltung 50 für einen Built-in-self-test auf, wodurch Fehler der zweiten Referenzspannung V_R2 ausgeschlossen werden. In diesem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung ist der nicht invertierende Eingang „+“ des dritten Komparators 23 mit der Ausgangsspannung V_int des Spannungsreglers 40 verbunden und der invertierende Eingang „-“ des dritten Komparators 23 mit der Referenzspannung V_R2. Liegt die Ausgangsspannung V_int des Spannungsreglers 40 oberhalb der zweiten Referenzspannung V_R2, wird ein drittes Fehlersignal F3 ausgegeben und es kann eine Fehlerreaktion erfolgen. In weiteren Ausführungsbeispielen können die Eingänge des dritten Komparators 23 in umgekehrter Reihenfolge verbunden werden. Ebenso können in noch weiteren Ausführungsbeispielen zwei oder mehr dritte Komparatoren vorgesehen sein, wobei beispielsweise einer der dritten Komparatoren gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel und ein anderer der dritten Komparatoren in umgekehrter Reihenfolge verbunden werden können. Aus dem dritten Fehlersignal wird schließlich auf eine Abweichung der Ausgangsspannung V_int des Spannungsreglers 40 geschlossen. Die Abweichung der Ausgangsspannung V_int kann beispielsweise aufgrund eines fehlerhaften Spannungsreglers 40 erfolgen. In diesem Fall wird meist weder das erste Fehlersignal F1 noch das zweite Fehlersignal F2 ausgegeben. Andererseits kann auch eine veränderte und daher fehlerhafte erste Referenzspannung V_R1, wie vorstehend dargelegt, zur Abweichung der Ausgangsspannung V_int des Spannungsreglers 40 führen. Die fehlerhafte erste Referenzspannung V_R1 führt meist zu gleichzeitigem Auftreten entweder des ersten Fehlersignals F1 oder des zweiten Fehlersignals F2. Folglich kann aus einer kombinierten Betrachtung des ersten Fehlersignals F1 und des zweiten Fehlersignals F2 zusammen mit dem dritten Fehlersignal F3 auf die genaue Fehlerquelle bei der Überwachung der Versorgungsspannung V_DD5 geschlossen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO 26262 [0003]

Claims

Schaltung zur Überwachung einer Versorgungsspannung (V_DD5) für ein elektronisches Gerät, umfassend: - eine erste Referenzspannungsquelle (31), die eine erste Referenzspannung (V_R1) erzeugt; - eine Vergleichseinrichtung (1), welche die erste Referenzspannung (V_R1) mit der Versorgungsspannung (V_DD5) vergleicht; und - ein Spannungsregler (40), zur Regelung der Versorgungsspannung (V_DD5), wobei die erste Referenzspannung (V_R1) als dessen Referenz dient und dessen Ausgangsspannung (V_int) zumindest die Vergleichseinrichtung (1) versorgt; dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung - eine zweite Referenzspannungsquelle (32), die eine zweite Referenzspannung (V_R2) erzeugt; und - zumindest einen Komparator (23), der die Ausgangsspannung (V_int) des Spannungsreglers (40) mit der zweiten Referenzspannung (V_R2) vergleicht, aufweist.
Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsspannung eine VDD5-Versorgungsspannung (V_DD5) ist.
Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Komparator (23) eingerichtet ist, ein Fehlersignal (F3) auszugeben, wenn die Ausgangsspannung (V_int) oberhalb der zweiten Referenzspannung (V_R2) liegt.
Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Komparator (23) eingerichtet ist, ein Fehlersignal (F3) auszugeben, wenn die Ausgangsspannung (V_int) unterhalb der zweiten Referenzspannung (V_R2) liegt.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichseinrichtung (1) ein anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC) ist.
Schaltung nach einem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichseinrichtung (1) zwei Komparatoren (21, 22) aufweist, welche die Versorgungsspannung (V_DD5) mit der ersten Referenzspannung (V_R1) vergleichen, ob sie größer oder kleiner als die erste Referenzspannung (V_R1) ist.
Schaltung nach einem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Referenzspannungsquelle (32) und der Komparator (23) Teil der Vergleichseinrichtung (1) sind.
Schaltung nach einem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Referenzspannungsquelle (32) eine Testschaltung aufweist, welche die zweite Referenzspannung (V_R2) überprüft.
Schaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Testschaltung eine integrierte Testschaltung (50) für einen Built-in-self-test ist.
Verfahren zur Überwachung einer Versorgungsspannung (V_DD5) für ein elektronisches Gerät mittels der Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend die folgenden Schritte: - Vergleichen der Versorgungsspannung (V_DD5) mit einer ersten Referenzspannung (V_R1); - Ausgeben eines ersten oder eines zweiten Fehlersignals (F1, F2), wenn die Versorgungsspannung (V_DD5) oberhalb bzw. unterhalb der ersten Referenzspannung (V_R1) liegt; - Vergleich einer Ausgangsspannung (V_int) eines Spannungsreglers (40) mit einer zweiten Referenzspannung (V_R2); und - Ausgeben eines dritten Fehlersignals (F3) auf Grundlage des Vergleichs der Ausgangsspannung (V_int) des Spannungsreglers (40) mit der zweiten Referenzspannung (V_R2).
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgeben des dritten Fehlersignals (F3) erfolgt, wenn die Ausgangsspannung (V_int) des Spannungsreglers (40) oberhalb der zweiten Referenzspannung (V_R2) liegt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgeben des dritten Fehlersignals (F3) erfolgt, wenn die Ausgangsspannung (V_int) des Spannungsreglers (40) unterhalb der zweiten Referenzspannung (V_R2) liegt.
Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens nach einem der Ansprüche 10 bis 12 durchzuführen.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach Anspruch 13 gespeichert ist.
Elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, um mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 10 bis 12 eine Überwachung der Versorgungsspannung (V_DD5) durchzuführen.