DE10201756A1

DE10201756A1 - Schaltungsanordnung zur kurzzeitigen Aufrechterhaltung wenigstens einer internen Betriebs-Gleichspannung beim Ausfall der Bordnetz-Versorgungsspannung

Info

Publication number: DE10201756A1
Application number: DE10201756A
Authority: DE
Inventors: Frank Schou
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-01-18
Filing date: 2002-01-18
Publication date: 2003-07-31
Also published as: JP2005514898A; US7342326B2; EP1470628B1; EP1470628A2; WO2003059681A3; WO2003059681A2; US20050111152A1

Abstract

Es wird eine Schaltungsanordnung beschrieben, an welche die Bordnetz-Versorgungsspannung (V¶BAT¶) eines Kraftfahrzeuges angelegt ist und die zur kurzzeitigen Aufrecherhaltung wenigstens einer internen Betriebs-Gleichspannung (V¶CC1¶, ...) bei Ausfällen der Bordnetz-Versorgungsspannung (V¶BAT¶) einen Energie-Reservespeicher (3), an den im regulären Betrieb eine Ladespannung angelegt ist, die höher als die wenigstens eine interne Betriebs-Gleichspannung ist, und der bei Ausfall der Bordnetz-Versorgungsspannung eine Reservespannung (V¶RES¶) abgibt, durch die für einen begrenzten Zeitraum der Betrieb zumindest einiger Elektronikschaltungen aufrecht erhalten werden kann, und wenigstens einen Abwärtsregler (7, ...) umfaßt, der die angelegte Eingangs-Gleichspannung (V¶ZP¶) auf die wenigstens eine interne Betriebs-Gleichspannung (V¶CC1¶, ...) herunterregelt. Im regulären Betrieb ist die Versorgungs-Gleichspannung sowohl an den Energie-Reservespeicher unmittelbar als Ladespannung als auch an den Abwärtsregler als Eingangs-Gleichspannung angelegt.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung der im Oberbegriff von Anspruch 1 genannten Art.

Stand der Technik

Eine zunehmende Anzahl von Elektronikschaltungen im Kraftfahrzeugbereich muß auch nach dem Abschalten der Bordnetz-Versorgungsspannung oder dem Abriß der Batterie (z. B. bei einem Unfall) noch für eine gewisse Zeit (Energiereservezeit) ihren vollen oder einen eingeschränkten Funktionsumfang erfüllen (Senden von Nachrichten an Telefonmodule für Notruf, auslösen von Airbags usw.).

Die dafür notwendige Energie wird in heutigen Steuergeräten typischerweise in einem Kondensator zwischengespeichert. Gemäß der Gleichung W = 1/2 C U² ist sie proportional zur Kapazität C des Kondensators und zum Quadrat der Spannung U. Um die Kapazität C des Kondensators möglichst klein zuhalten und um eine hohe Energiemenge speichern zu können, wird der Kondensator i. d. R. über einen Aufwärtsregler, der im allgemeinen als Schaltregler ausgebildet ist, auf eine Spannung aufgeladen, die höher als die Bordnetz-Versorgungsspannung ist.

Im Fall des Verlustes der Versorgungsspannung wird die Energie aus dem Energiereserve-Kondensator über einen (oder mehrere) Abwärtsregler entnommen, der (oder die) die erforderliche(n) interne(n) Betriebs-Gleichspannung(en) erzeugt (oder erzeugen).

Dies wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 1 der Zeichnung genauer erläutert.

In Fig. 1 ist eine aus dem Stand der Technik bekannte Schaltungsanordnung in stark schematisierter Weise wiedergegeben, der an ihrem links in der Figur befindlichen Spannungseingang über eine Verpolschutzdiode 1 die Bordnetz-Versorgungsspannung V_BAT eines Kraftfahrzeuges zugeführt wird und die an ihrem in der Figur rechts befindlichen Spannungsausgang für die Energieversorgung von nachgeordneten Elektronikschaltungen (nicht dargestellt) eine interne Betriebs-Gleichspannung V_CC abgibt, die im Regelfall niedriger als die Bordnetz-Versorgungsspannung V_BAT ist.

Um bei einem Ausfall der Bordnetz-Versorgungsspannung V_BAT die interne Betriebs-Gleichspannung V_CC zumindest kurzzeitig soweit aufrechterhalten zu können, daß wenigstens einige der nachgeordneten Elektronikschaltungen weiterhin einwandfrei arbeiten, umfaßt die bekannte Schaltungsanordnung einen als Kondensator 3 ausgebildeten Energiespeicher, der während des regulären Betriebs auf eine Spannung aufgeladen wird, die deutlich höher als die Bordnetz-Versorgungsspannung V_BAT ist, um den Kondensator 3 aus Kostengründen möglichst klein zu halten und dennoch in ihm möglichst viel Energie speichern und somit im Notfall einen möglichst langen Zeitraum überbrücken zu können. Um aus der Bordnetz-Versorgungsspannung V_BAT eine wesentlich höhere Ladespannung für den Kondensator 3 zu erzeugen, ist zwischen der Verpolschutzdiode 1 und dem Kondensator 3 ein Aufwärtsregler 5 angeordnet, dessen Ausgangsspannung im regulären Betrieb sowohl als Ladespannung für den Kondensator 3 als auch als Eingangs-Gleichspannung V_ZP für einen Abwärtsregler 7 dient, der aus ihr die eigentlich benötigte Betriebs-Gleichspannung V_CC erzeugt.

Im Notfall dient dieser Abwärtsregler 7 dazu, aus der vom Kondensator 3 gelieferten, zunächst hohen, dann aber kontinuierlich abnehmenden Reservespannung V_RES möglichst lange die Betriebs-Gleichspannung V_CC aufrecht zu erhalten.

Der Abwärtsregler 7 ist Teil einer Regelschleife, die einen (nicht dargestellten) Komparator, der die interne Betriebs- Gleichspannung V_CC mit einem vorgegebenen Sollwert vergleicht, und ein (nicht dargestelltes) Stellglied umfaßt, das ein in Abhängigkeit von der vom Komparator festgestellten Spannungsdifferenz variierendes Steuersignal an den Abwärtsregler 7 liefert.

Für derartige Abwärtsregler sind zwei grundsätzlich unterschiedliche Typen bekannt.

Zum einen kann hier ein Linearregler zum Einsatz kommen, der einen Längstransistor umfaßt, dessen Durchlaßspannung so verändert wird, daß sie gleich der erforderlichen Differenz zwischen der Eingangs-Gleichspannung V_ZP und der einzuregelnden internen Betriebs-Gleichspannung V_CC ist. Dieser Vorgang erfolgt sowohl im regulären Betrieb als auch während des Notbetriebes, bei dem dann die Eingangs-Gleichspannung V_ZP gleich der zunehmend kleiner werdenden, vom Kondensator 3 abgegebenen Reservespannung V_RES ist. Vorteilhaft an einem derartigen Linearregler ist sein einfacher Aufbau, doch besitzt er den Nachteil, daß er im Notbetrieb zumindest solange einem hohen Leistungsverlust verursacht, solange die Reservespannung V_RES wesentlich höher als die einzuregelnde interne Betriebs- Gleichspannung V_CC ist.

Alternativ läßt sich hier auch ein Schaltregler verwenden, dessen Längstransistor mit Hilfe von Ansteuerungsimpulsen alternierend völlig durchgesteuert beziehungsweise völlig gesperrt wird. Je nach Höhe der Eingangs-Gleichspannung V_ZP wird das Tastverhältnis der Ansteuerungsimpulse so variiert, daß sich an einem nachgeschalteten Glättungskondensator die erforderliche interne Betriebs-Gleichspannung V_CC ergibt. Dies ist insbesondere im Notbetrieb von Vorteil, weil die Leistungsverluste unabhängig von der Höhe der Eingangs-Gleichspannung V_ZP = V_RES gering bleiben, doch wird dies mit einem wesentlich erhöhten schaltungstechnischen Aufwand erkauft.

Der beim Stand der Technik erforderliche Aufwärtsregler 5 bringt abgesehen vom schaltungstechnischen Aufwand und dem erhöhten Raumbedarf eine Reihe weiterer Nachteile mit sich. So erfordert er eine schlecht als integrierte Schaltung ausführbare Induktivität und erzeugt zusätzlich Verlustleistung, die den Wirkungsgrad der Anordnung verschlechtert und den Aufwand für die Abfuhr der erzeugten Wärme vergrößert. Auch verschlechtert er die EMV-Eigenschaften der Anordnung, da er ihre Abstrahlung vergrößert.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß bei einem "Hochvolt-Bordnetz" ein Aufwärtsregler völlig entfallen kann. Somit werden die mit ihm verbundenen Leistungsverluste vermieden und der Wirkungsgrad der Gesamtanordnung erheblich verbessert. Es wird weniger Wärme erzeugt, so daß der zu ihrer Abfuhr erforderliche Aufwand vermindert ist. Die Anordnung ist leicht integrierbar, da sie keine Induktivitäten enthält. Die Abstrahlung von Störsignalen ist vermindert. Durch die Reduzierung der Bauelemente wird eine kleinere Leiterplattenfläche benötigt und die Gesamtkosten werden reduziert.

Weitere Vorteile der Erfindung werden durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen erzielt.

Zeichnung

Fig. 1 zeigt eine bekannte Schaltungsanordnung zur kurzzeitigen Aufrechterhaltung wenigstens einer internen Betriebs- Gleichspannung für Elektronikschaltungen bei Ausfällen der Bordnetz-Versorgungsspannung eines Kraftfahrzeugs. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Fig. 2 und 3 dargestellt.

Beschreibung

Bei den in den Fig. 2 und 3 dargestellten erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen werden für Schaltungselemente, die in gleicher Weise auch bei dir in Fig. 1 gezeigten Anordnung vorhanden sind, die gleichen Bezugszeichen verwendet.
Jeder der beiden in den Fig. 2 und 3 ebenfalls stark schematisiert wiedergegebenen Schaltungsanordnungen wird über eine Verpolschutzdiode 1 eine Bordnetz-Versorgungsspannung V_BAT zugeführt, die jedoch von einem "Hochvolt-Bordnetz" stammt und beispielsweise 42 V beträgt. Diese Spannung liegt erfindungsgemäß direkt an dem als Energiespeicher dienenden Kondensator 3 an, da wegen ihrer Höhe eine Aufwärts-Transformation nicht erforderlich ist. Wie weiter unten genauer erläutert wird, ist dies auch bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel der Fall.
Weiterhin umfaßt jede der beiden in den Fig. 2 und 3 gezeigten Schaltungsanordnungen wenigstens einen Abwärtsregler 7, der aus seiner hohen Eingangs-Gleichspannung V_ZP (die im Notbetrieb gleich der vom Kondensator 3 gelieferten Reservespannung V_RES ist) die wenigstens eine interne Betriebs-Gleichspannung V_CC1 erzeugt.
Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen können zu diesem wenigstens einen Abwärtsregler 7 weitere Abwärtsregler 8, 9 usw. in der Weise parallel geschaltet sein, daß ihnen im Normalbetrieb die von der Verpolschutzdiode 1 gelieferte Spannung V_ZP und im Notbetrieb die vom Kondensator 3 gelieferte Reservespannung V_RES (beziehungsweise im Fall der Fig. 3 eine hieraus abgeleitete Spannung) als Eingangs-Gleichspannung zugeführt wird, während sie an ihrem jeweiligen Ausgang eine weitere interne Betriebs-Gleichspannung V_CC2, V_CC3 usw. abgeben, die jeweils einer gesonderten Gruppe von nachgeordneten Elektronikschaltungen zur Energieversorgung dient. Dabei können die einzelnen internen Betriebs-Gleichspannungen V_CC1 bis V_CC3 gleiche und/oder unterschiedliche Werte besitzen.
Auch hier ist jeder der gezeigten Abwärtsregler 7 bis 9 Teil einer Regelschleife, wie dies oben unter Bezugnahme auf Fig. 1 bereits erläutert wurde.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 unterscheidet sich von dem aus Fig. 2, bei welchem die vom Kondensator 3 abgegebene Reservespannung V_RES direkt an den oder die Abwärtsregler 7 bis 9 angelegt ist, dadurch, daß hier zusätzlich zu dem oder den Abwärtsreglern 7 bis 9 ein vorgeschalteter Abwärtsregler 11 vorgesehen ist, der sich zwischen dem Ausgang der Verpolschutzdiode 1 und dem Kondensator 3 befindet. Dieser vorgeschaltete Abwärtsregler 11 ist so ausgebildet, daß er im regulären Betrieb die von der Verpolschutzdiode 1 kommende Spannung unverändert, d. h. insbesondere ohne Hochtransformation an den Kondensator 3 legt, wie dies durch den gestrichelten Pfeil F angedeutet ist. Im Notbetrieb regelt dieser Abwärtsregler die vom Kondensator 3 abgegebene, fortschreitend absinkende Reservespannung V_RES dagegen soweit nach unten, daß die dem wenigstens einen Abwärtsregler 7 beziehungsweise den mehreren Abwärtsreglern 7 bis 9 zugeführte Eingangs-Gleichspannung V_ZP ständig nur geringfügig über der größten noch erzeugbaren Betriebs-Gleichspannung V_CC1 bis V_CC3 liegt.
Dies hat den großen Vorteil, daß nur der vorgeschaltete Abwärtsregler 11 als vergleichsweise aufwendiger Schaltregler ausgebildet werden muß, während der oder die nachgeordneten Abwärtsregler 7 bis 9 von einfachen und kostengünstigen Linearreglern gebildet werden können, an denen wegen der im Notfall durch den vorgeschalteten Abwärtsregler 11 bewirkten, geringen Spannungsdifferenzen zwischen ihren Ein- und Ausgängen keine großen Leistungsverluste entstehen, wodurch eine optimale Nutzung der im Kondensator 3 gespeicherten Reserveenergie möglich wird.
Im regulären Betrieb bleibt der vorgeschaltete Abwärtsregler 11 in Abwärtsrichtung völlig gesperrt und in Aufwärtsrichtung, d. h. von der Verpolschutzdiode 1 zum Kondensator 3 hin völlig geöffnet. Dies bietet den besonderen Vorteil, daß besonders hohe Ladungsmengen, die dem Kondensator 3 durch im Bordnetz auftretende Spannungsüberhöhungen zugeführt werden, zumindest solange erhalten bleiben, solange sich der Kondensator 3 nicht durch parasitäre Kriechströme auf den regulären Wert der von der Verpolschutzdiode 1 kommenden Spannung entladen hat. In den Fällen, in welchen sich ein Ausfall der Bordnetz-Versorgungsspannung V_BAT innerhalb eines kurzen Zeitabstandes nach dem Auftreten einer Spannungsüberhöhung ereignet, steht dann eine besonders hohe und lang anhaltende Energiereserve zur Verfügung. Bezugszeichenliste 1 Verpolschutzdiode
3 Energiespeicher
5 Aufwärtsregler
7 Abwärtsregler
8 Abwärtsregler
9 Abwärtsregler
11 vorgeschalteter Abwärtsregler
V_BAT Bordnetz-Versorgungsspannung
V_CC allgemeine interne Betriebs-Gleichspannung
V_CC1 erste interne Betriebs-Gleichspannung
V_CC2 zweite interne Betriebs-Gleichspannung
V_CC3 dritte interne Betriebs-Gleichspannung
V_RES Reservespannung
V_ZP Eingangs-Gleichspannung

Claims

1. Schaltungsanordnung, an welche die Bordnetz-Versorgungsspannung (V_BAT)eines Kraftfahrzeuges angelegt ist und die zur kurzzeitigen Aufrechterhaltung wenigstens einer internen Betriebs-Gleichspannung (V_CC1, . . .) für Elektronikschaltungen bei Ausfällen der Bordnetz-Versorgungsspannung (V_BAT) folgende Bestandteile umfaßt:
einen Energie-Reservespeicher (3), an den im regulären Betrieb eine Ladespannung angelegt ist, die höher als die wenigstens eine interne Betriebs-Gleichspannung (V_CC1, . . .) ist, und der bei Ausfall der Bordnetz-Versorgungsspannung (V_BAT) eine Reservespannung (V_RES) abgibt, mit deren Hilfe für einen begrenzten Zeitraum der Betrieb zumindest einiger Elektronikschaltungen aufrecht erhalten werden kann (Notbetrieb), und
wenigstens einen Abwärtsregler (7, . . .), der die an ihn angelegte Eingangs-Gleichspannung (V_ZP) auf die wenigstens eine interne Betriebs-Gleichspannung (V_CC1, . . .) herunter regelt,
dadurch gekennzeichnet, daß im regulären Betrieb die Versorgungs-Gleichspannung sowohl an den Energie-Reservespeicher (3)unmittelbar als Ladespannung als auch an den Abwärtsregler (7, . . .) als Eingangs-Gleichspannung (V_ZP) angelegt ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Notfall an den wenigstens einen Abwärtsregler (7, . . .) die vom Energie-Reservespeicher abgegebene Reservespannung (V_RES) als Eingangs-Gleichspannung (V_ZP) direkt angelegt ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Energie-Reservespeicher (3) abgegebenen Reservespannung (V_RES) an einen vorgeschalteten Abwärtsregler (11) angelegt ist, der aus ihr die Eingangs- Gleichspannung (V_ZP) für den wenigstens einen Abwärtsregler (7, . . .) ableitet.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgeschaltete Abwärtsregler (11) ein Schaltregler, und der wenigstens eine Abwärtsregler (7, . . .), der die wenigstens eine interne Betriebsspannung (X_CC1, . . .) abgibt, ein Linearregler ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Aufrechterhaltung mehrerer interner Betriebs-Gleichspannungen (V_CC1, V_CC2, V_CC3, . . .) mehrere Abwärtsregler (7, 8, 9) umfaßt, an die im regulären Betrieb die Versorgungs-Gleichspannung als Eingangs-Gleichspannung (V_ZP) angelegt ist, die jeder von ihnen auf jeweils eine der mehreren internen Betriebs-Gleichspannungen (V_CC1, V_CC2, V_CC3, . . .) für jeweils eine Gruppe von Elektronikschaltungen herunterregelt.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Notfall an die mehreren Abwärtsregler (7, 8, 9) die vom Energie-Reservespeicher (3) abgegebene Reservespannung (V_RES) als Eingangs-Gleichspannung (V_ZP) direkt angelegt ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Energie-Reservespeicher (3) abgegebenen Reservespannung (V_RES) an einen vorgeschalteten Abwärtsregler (11) angelegt ist, der aus ihr die Eingangs- Gleichspannung (V_ZP) für die mehreren Abwärtsregler (7, 8, 9) ableitet.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgeschaltete Abwärtsregler (11) ein Schaltregler ist und die mehreren Abwärtsregler (7, 8, 9), welche die mehreren internen Betriebs-Gleichspannungen (V_CC1, V_CC2, V_CC3, . . .) abgeben, Linearregler sind.

9. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Energie-Reservespeicher (3) ein Kondensator ist.