DE10216785A1

DE10216785A1 - Stromversorgungsschaltung für eine Notstromversorgung von elektrischen Komponenten

Info

Publication number: DE10216785A1
Application number: DE10216785A
Authority: DE
Inventors: Matthias Reckermann
Original assignee: Marquardt GmbH
Current assignee: Marquardt GmbH
Priority date: 2002-04-15
Filing date: 2002-04-15
Publication date: 2003-10-23

Abstract

Es wird eine Stromversorgungsschaltung (1) für eine Notstromversorgung von elektrischen Komponenten für mobile Systeme vorgeschlagen, die einen Ausgang (4) besitzt, der im Bedarfsfall niederohmig mit einer Batterie verbindbar ist. Erfindungsgemäß sind Schaltungsmittel (7, 8, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 19) vorgesehen, um am Ausgang (4) einen vergleichsweise geringen definierten Ruhestrom mit vorbestimmter maximaler Höhe bereitstellen zu können, wenn der Ausgang (4) nicht niederohmig mit der Batterie verbunden ist, und die verbleibende Schaltung im Wesentlichen stromlos zu halten. Außerdem ist die Stromversorgungsschaltung dazu ausgelegt, den Ausgang (4) niederohmig mit einer Batterie zu verbinden, wenn das Spannungsniveau U¶A¶ am Ausgang (4) unter einen vorgegebenen Wert fällt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungsschaltung für eine Notstromversorgung von elektrischen Komponenten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Stromversorgungsschaltungen für eine Notstromversorgung sind bereits in unterschiedlichen Ausgestaltungen, insbesondere im Zusammenhang mit der Notstromversorgung von Steuergeräten in Kraftfahrzeugen bekannt geworden.
Derartige Notstromversorgungsschaltungen umfassen regelmäßig eine Batterie und sind auf die individuellen Erfordernisse der jeweiligen elektrischen Komponente angepasst. Sobald die elektrische Komponente, z. B. das Steuergerät, durch die reguläre Stromversorgung nicht mehr mit Energie versorgt wird, übernimmt die Batterie der Notstromversorgungsschaltung die weitere Energieversorgung.

Aufgabe und Vorteile der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stromversorgungsschaltung für eine Notstromversorgung von elektrischen Komponenten für insbesondere Fahrzeuge bereit zu stellen, die flexibler für gegebenenfalls eine Vielzahl von elektrischen Komponenten eingesetzt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
Die Erfindung geht von einer Stromversorgungsschaltung für eine Notstromversorgung von elektrischen Komponenten für mobile Systeme, z. B. Fahrzeuge, Flugzeuge und dergleichen, aus. Die Stromversorgungsschaltung besitzt einen Ausgang, der im Bedarfsfall niederohmig mit einer Batterie verbindbar ist. Der wesentliche Aspekt der Erfindung liegt nun darin, dass Schaltungsmittel vorgesehen sind, um am Ausgang einen vergleichsweise geringen definierten Ruhestrom mit vorbestimmter maximaler Höhe bereitstellen zu können, wenn der Ausgang nicht niederohmig mit der Batterie verbunden ist, und die verbleibende Schaltung in diesem Zustand im Wesentlichen stromlos zu halten, d. h. dafür zu sorgen, dass diese keinen wesentlichen Eigenverbrauch aufweist. Des Weiteren ist die Schaltung dazu ausgelegt ist, den Ausgang niederohmig mit einer Batterie zu verbinden, wenn das Spannungsniveau am Ausgang unter einen vorgegebenen Wert fällt. Durch diese Vorgehensweise lässt sich die Stromversorgungsschaltung für eine Notstromversorgung flexibler, insbesondere für eine Vielzahl von elektrischen Komponenten und gegebenenfalls auch als separate Einheit einsetzen. In Systemen aus vielen elektrischen Komponenten mit entsprechenden Verbindungsleitungen lassen sich normalerweise Kriechströme nicht vermeiden, die dazu führen, dass auch eine deaktivierte Komponente mit einem geringen Strom versorgt werden muss, um einen Zusammenbruch der Spannung im System zu vermeiden. Die erfindungsgemäße Stromversorgungsschaltung kann eine solche Ruhestromversorgung bei vergleichsweise niedrigem Stromniveau bis zu einem maximal vorgegebenen Strom gewährleisten. Damit wird die Stabilisierung eines Spannungsniveaus im System in einem gewissen Rahmen sichergestellt. Erst wenn der Stromverbrauch einer oder mehrerer Komponenten über die Ruhestromversorgung hinaus ansteigt, weil z. B. eine Aktivierung einer oder mehrerer von der eigentlichen Stromversorgung entkoppelte Komponenten vorgenommen wird, kann das Spannungsniveau abfallen. Wird dabei ein vorgegebener Wert unterschritten, wird über die Stromversorgungsschaltung die Batterie niederohmig an den Ausgang gelegt, womit ein eigentlicher Notstromversorgungsfall eintritt. Hierdurch lässt sich normalerweise das Spannungsniveau stabilisieren, sofern eine normale Funktion der elektrischen Komponenten, also keine Fehlfunktion in Form z. B. eines Kurzschlusses, gegeben ist. Der maximal zur Verfügung gestellte Ruhestrom im Vorfeld kann z. B. bei einem Zehntel oder weniger des eigentlichen Stroms liegen, der für eine reguläre Versorgung der Komponenten erforderlich ist. Da die Schaltungsmittel für die Ruhestromversorgung so ausgestaltet sind, dass die verbleibende Schaltung im Wesentlichen stromlos ist, wirkt sich die Ruhestrombereitstellung auch im Hinblick auf die Aufrechterhaltung der Energieversorgung eines Systems über einen langen Zeitraum kaum nachteilig aus.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Ausgang der Stromversorgungsschaltung über ein Schaltelement, vorzugsweise über einen "High Side Switch" niederohmig mit einer Batterie verbindbar. Ein "High Side Switch" ist ein in der Elektrotechnik gängiges Bauteil, mit welchem der "High-Pegel" von einer Schaltung getrennt werden kann, d. h. es wird nicht der "Ground" getrennt, sondern das dazu in Bezug stehende Potential. Dies ist insbesondere bei Kraftfahrzeugen vorteilhaft, da die Karosserie des Kraftfahrzeugs normalerweise den "Ground" darstellt und unerwünschte Komponentenverbindungen hierzu, die sich dann über einen Schalter, der lediglich den "Ground" abschaltet, nicht mehr trennen lassen, durchaus auftreten können. Gängige "High Side Switches" von STMICROELECTRONICS oder INFINION weisen regelmäßig zusätzliche Funktionalitäten auf, wie z. B. eine Kurzschlussstromüberwachung, durch welche der Ausgang der Stromversorgungsschaltung kurzschlusssicher gemacht werden kann oder eine Strommessung, mit welcher die Energiemenge, die über den Ausgang abfließt, leicht bestimmt und gegebenenfalls über einen Steuereingang limitiert werden kann.
Außerdem ist es bevorzugt, wenn ein Steuereingang des "High Side Switch" über einen ersten Halbleiterschalter von einer Versorgungsspannung getrennt und daher der "High Side Switch" stromlos ist, solange das Spannungsniveau am Ausgang einen vorgegebenen Wert nicht unterschreitet. Diese Maßnahme trägt dazu bei, dass der Stromverbrauch der Stromversorgungsschaltung im Ruhezustand im Wesentlichen vom Ruhestrom bestimmt wird.
In diesem Zusammenhang ist es weiterhin bevorzugt, wenn über den ersten Halbleiterschalter der Steuereingang des "High Side Switch" mit einer Steuerspannung verbindbar ist, wenn das Spannungsniveau am Ausgang den vorgegebenen Wert unterschreitet. Damit wird der "High Side Switch" durchschaltet und verbindet die Batterie niederohmig mit dem Ausgang.
Um insbesondere zu vermeiden, dass im Kurzschlussfall am Ausgang, bei welchem ein "High Side Switch" automatisch abschalten kann, der Ruhestrom weiterhin bereitgestellt wird, wird außerdem vorgeschlagen, dass die Schaltungsmittel für die Ruhestrombereitstellung einen zweiten Halbleiterschalter umfassen, über den der Ruhestrom fließt. Dieser Halbleiterschalter kann gesperrt werden, wenn der "High Side Switch" durchschaltet oder wenn ein Kurzschluss detektiert wird.
Eine einfache Möglichkeit, den zweiten Halbleiterschalter zu sperren, besteht darin, dass für dessen Steuerung ein dritter Halbleiterschalter vorgesehen ist, dessen Schaltstrecke zwischen dem Steuereingang des zweiten Halbleiterschalters und "Ground" liegt, und dessen Steuereingang und der Steuereingang des "High Side Switch" vom gleichen Steuerpotential abhängen.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Steuereingang des "High Side Switch" einen externen "Port" auf. Hierdurch ist es möglich, den "High Side Switch" unabhängig von der Beschaltung von außen zwingend ein- und auszuschalten, gegebenenfalls über ein weiteres Steuergerät. Beispielsweise kann der "High Side Switch" abgeschaltet werden, wenn am Ausgang der Stromversorgungsschaltung eine bestimmte Energiemenge abgegriffen wurde.

Zeichnungen

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in einer Zeichnung dargestellt und unter Angabe weiterer Vorteile und Einzelheiten näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt das Prinzipschaltbild einer Notstromversorgungsschaltung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In der Figur ist eine Notstromversorgungsschaltung 1 dargestellt. Die Schaltung 1 wird für die Bereitstellung einer Notstromversorgung am Anschluss 2 mit einer Batteriespannung verbunden. Nach dem Anschluss 2 folgt ein Stromspiegel 3, mit welchem der Gesamt-Eingangsstrom in die Schaltung 1 überwacht werden kann. Eine Ausgangsspannung UA liegt am Ausgang 4 an. Zwischen einem Knoten 5 nach dem Stromspiegel 3 und dem Ausgang 4 ist ein Zweig 6 mit einem Transistor 7 und einem Widerstand 8 vorgesehen.
Zwischen dem Knoten 5 und einem Knoten 9 liegt eine Diode 10. Dies hat zur Folge, dass sofern die Ausgangsspannung U_A am Ausgang 4 nicht ungefähr 1,4 V, d. h. 2 × 0,7 V für zwei Silizium-pn-Übergänge unter die Batteriespannung U_Batt am Anschluss 2 fällt, ein Transistor 11, dessen Emitter mit dem Knoten 9 und dessen Basis über einen Widerstand 12 mit dem Ausgang 4 verbunden ist, sperrt. Die Diode 10 stellt sicher, dass über den Ausgang 4 kein Strom zurück zum Anschluss 2 fließen kann.
Ein Transistor 13, dessen Basis über einen Widerstand 14 an einem Knoten 15 liegt, der wiederum über einen Widerstand 16 mit dem Kollektor des Transistors 11 bzw. über eine Zenerdiode 17 mit "Ground-Potential" 18 verbunden ist, sperrt daher ebenfalls in diesem Schaltungszustand.
Denn durch den sperrenden Transistor 11 fließt kein Strom über den Widerstand 16 zur Basis des Transistors 13.
Infolge des sperrenden Transistors 13 liegt im Weiteren die Basis des Transistors 7 über einen Widerstand 19 nahezu auf U_Batt, weshalb dieser voll durchgesteuert ist und zum Ausgang 4 ein Strom fließen kann, der vom Widerstand 8 abhängt.
Zwischen einem Knoten 20, der mit dem Knoten 15 über eine Diode 22 und über einen Kondensator 21 mit "Ground" 18 verbunden ist, und den Knoten 9, 4 sowie einen weiteren Widerstand 23, der mit "Ground-Potential" 18 verbunden ist, sitzt ein "High Side Switch" 24. Dabei stellt der Anschluss 24.1 den Eingang, der Anschluss 24.4 den Ausgang, der Anschluss 24.3 einen Steuereingang und der Anschluss 24.2 einen Anschluss für das "Ground-Potential" dar.
Durch den "stromlosen" Knoten 15 wird der Kondensator 21 nicht geladen, sondern entlädt sich vielmehr über den "High Side Switch" 24 und dessen "Ground"-Widerstand 23 so weit, dass das Potential. am Eingang des "High Side Switch" einen Wert annimmt, durch den der "High Side Switch" abgeschaltet ist. Das heißt, es besteht keine niederohmige Verbindung zwischen den Anschlüssen 24.1 und 24.4 und somit zwischen den Knoten 9 und 4. Der Entladestrom des Kondensators 21 wird dabei vom Eingangsstrom am Steuereingang 24.3 des "High Side Switch" bestimmt.
Fällt nun die Ausgangsspannung U_A am Ausgang 4 unter einen Wert von U_A = U_Batt - 1,4 V, weil der Strombedarf am Ausgang vom Ruhestrom nicht mehr bereitgestellt werden kann, beginnt Transistor 11 durchzuschalten, wodurch sich am Knoten 15 ein von der Zenerdiode 17 definiertes Potential (z. B. 5 V) einstellt. Dadurch wird der Kondensator 21 aufgeladen, was zur Folge hat, dass ab einem bestimmten Potential (z. B. 2,5 V) der "High Side Switch" 24 über den Steuereingang 24.3 durchgesteuert wird. Durch das Potential am Knoten 15 leitet auch der Transistor 13.
Wegen des durchgesteuerten "High Side Switch" 24 sind die Anschlüsse 24.1 und 24.4 und somit auch die Knoten 9 und 4 elektrisch miteinander verbunden. Somit liegt nun am Ausgang 4 eine Spannung U_A = U_Batt - 0,7 V.
Durch den leitenden Transistor 13 liegt die Basis von Transistor 7 ungefähr auf "Ground" 18, weshalb dieser daher sperrt.
Aufgrund des Durchschaltens des "High Side Switch" 24 nimmt, wie gesagt der Knoten 4 das Potential von Knoten 9 an, womit sich ein Kondensator 25 an der Basis des Transistors 11 ebenfalls auf dieses Potential auflädt.
Da nunmehr der Emitter als auch die Basis des Transistors 11 auf dem gleichen Potential liegen, sperrt der Transistor 11 wieder, was zur Folge hat, dass nicht nur der Transistor 13 in den gesperrten Zustand übergeht, sondern nach einer gewissen Verzögerungszeit, die durch die Größe des Kondensators 21 und die Größe des Eingangsstroms am Steuereingang 24.3 des "High Side Switch" 24 bestimmt wird, auch der "High Side Switch" 24 wieder öffnet.
Durch den gesperrten Transistor 11 befindet sich die Schaltung im Ruhestrom-Bereitstellungszustand. Reicht der Ruhestrom aus, das Potential am Ausgang 4 auf einem Wert im Bereich von U_A = U_Batt - 1,4 V zu halten, bleibt die Schaltung in diesem Zustand. Ist der Energiebedarf am Ausgang 4 jedoch größer und das Ausgangspotential fällt abermals unter den Wert U_A = U_Batt - 1,4 V ab, findet die soeben beschriebene "High Side Switch"-Aktivierung statt. Über einen externen Port 26, der über einen Widerstand mit dem Knoten 20 verbunden ist, kann der "High Side Switch" von außen in einen Ein- oder Auszustand gezwungen werden, indem am Port 26 ein entsprechendes Potential angelegt wird. Dies kann z. B. durch ein übergeordnetes Steuergerät erfolgen, um bei einem festgestellten Ausfall einer Hauptbatterie den Ausgang 4 dauernd mit U_Batt zu verbinden.
Durch die erfindungsgemäße Schaltung lässt sich auf elegante Art für eine Notstromversorgung ein bekannter "High Side Switch" verwenden, wobei durch die Beschaltung während eines Ruhezustandes, in welchem nur ein Ruhestrom geliefert wird, die übrige Schaltung, insbesondere der "High Side Switch" 24, stromlos ist.
Diese Schaltung eignet sich besonders, die Notstromversorgung einer Vielzahl von elektrischen Komponenten zu übernehmen. Dabei kann sie Teil einer elektrischen Komponente, z. B. eines Steuergerätes sein oder als separate Baueinheit in ein Gesamtsystem integriert werden. In beiden Fällen, d. h. bei einer Integration der Schaltung in eine elektrische Komponente oder bei der Verwendung als separates Bauteil wird vorzugsweise im System die Notstromspannung U_Batt aus einer separaten Batterie abgegriffen. Bezugszeichenliste 1 Notstromversorgungsschaltung
2 Anschluss
3 Stromspiegel
4 Ausgang
5 Knoten
6 Zweig
7 Transistor
8 Widerstand
9 Knoten
10 Diode
11 Transistor
12 Widerstand
13 Transistor
14 Widerstand
15 Knoten
16 Widerstand
17 Zenerdiode
18 Ground
19 Widerstand
20 Knoten
21 Kondensator
22 Diode
23 Widerstand
24 High Side Switch
25 Kondensator
26 externer Port
27 Widerstand

Claims

1. Stromversorgungsschaltung (1) für eine Notstromversorgung von elektrischen Komponenten für mobile Systeme mit einem Ausgang (4), der im Bedarfsfall niederohmig mit einer Batterie verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass Schaltungsmittel (7, 8, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 19) vorgesehen sind, um am Ausgang (4) einen vergleichsweise geringen definierten Ruhestrom mit vorbestimmter maximaler Höhe bereitstellen zu können; wenn der Ausgang (4) nicht niederohmig mit der Batterie verbunden ist, und in diesem Zustand die verbleibende Schaltung im Wesentlichen stromlos zu halten, und dass die Schaltung dazu ausgelegt ist, den Ausgang (4) niederohmig mit einer Batterie zu verbinden, wenn das Spannungsniveau U_A am Ausgang (4) unter einen vorgegebenen Wert fällt.

2. Stromversorgungsschaltung (I) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang (4) über ein Schaltelement (24), insbesondere einen High Side Switch (24) niederohmig mit einer Batterie verbindbar ist.

3. Stromversorgungsschaltung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuereingang (24.3) des High Side Switch (24) über einen ersten Halbleiterschalter (11) von einer Steuerspannung getrennt und der High Side Switch daher stromlos ist, solange das Spannungsniveau U_A am Ausgang einen vorgegebenen Wert nicht unterschreitet.

4. Stromversorgungsschaltung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuereingang (24.3) über den ersten Halbleiterschalter (11) mit einer Steuerspannung verbindbar ist, wenn das Spannungsniveau U_A am Ausgang (4) einen vorgegebenen Wert unterschreitet, und dass hierdurch der High Side Switch (24) durchschaltet.

5. Stromversorgungsschaltung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsmittel für die Ruhestrombereitstellung einen zweiten Halbleiterschalter (7) umfassen.

6. Stromversorgungsschaltung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Steuerung des zweiten Halbleiterschalters (7) ein dritter Halbleiterschalter (13) vorgesehen ist, dessen Schaltstrecke sich zwischen dem Steuereingang des Halbleiterschalters (17) und Ground (18) befindet und dessen Steuereingang und der Steuereingang (24.3) des High Side Switch (24) vom gleichem "Steuerpotential" abhängen.

7. Stromversorgungsschaltung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuereingang (24.3) des High Side Switch (24) einen externen "Port" (26) aufweist.

8. Separate elektrische Komponente mit einer Stromversorgungsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.