DE10349092A1

DE10349092A1 - Integrierte Schaltungsanordnung zum Erkennen und Ausgeben von Steuersignalen

Info

Publication number: DE10349092A1
Application number: DE10349092A
Authority: DE
Inventors: Anton Koch
Original assignee: Atmel Germany GmbH
Current assignee: Atmel Corp
Priority date: 2003-10-22
Filing date: 2003-10-22
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2023-10-23
Also published as: US20050088206A1; DE10349092B4; US7116140B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine integrierte Schaltungsanordnung (1), insbesondere zum Anschluss an eine Batterie in Kraftfahrzeugen, mit einer zwischen einem Sleep- und einem Normalzustand umschaltbaren Nutzschaltung (7), einer Schaltungsanordnung (5) zum Erkennen eines ersten elektrischen Signals (S¶1¶) und zum Ausgeben eines zweiten elektrischen Signals (S¶2¶) in Abhängigkeit von dem ersten Signal (S¶1¶) sowie einer Versorgungs- und Steuerschaltung (6) zumindest für die Nutzschaltung (7). Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung (1, 5) zeichnet sich bei Anschluss und Betrieb direkt an der Batterie eines Kraftfahrzeugs insbesondere durch einen sehr niedrigen Stromverbrauch aus.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine integrierte Schaltungsanordnung zum Erkennen eines ersten elektrischen Signals und zum Ausgeben eines zweiten elektrischen Signals, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Schaltungsanordnungen der eingangs genannten Art kommen insbesondere bei Anwendungen im Automobilbereich zum Einsatz. Dort ergibt sich regelmäßig die Problematik, dass die in der Fahrzeugelektronik verstärkt eingesetzten integrierten Schaltkreise (IC) aufgrund ihrer Versorgung durch die Fahrzeugbatterie bei ausgeschalteter Zündung keinen oder nur einen sehr begrenzten Strom (I < 10 μA) verbrauchen dürfen, um die Batterie nicht unnötig zu belasten geschweige denn zu entladen. Aus diesem Grund werden die ICs in einen sog. "Sleep-Modus" oder "Standby-Modus" versetzt und müssen zwecks ihrer Inbetriebnahme durch ein extern erzeugtes Signal "geweckt" werden, beispielsweise mittels einer Fernbedienung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung anzugeben, die sich bei Anschluss und Betrieb direkt an der Batterie eines Kraftfahrzeugs durch einen sehr niedrigen Stromverbrauch auszeichnet und mittels derer sich ein im Sleep-Modus befindliche weitere Schaltungsanordnung durch ein externes Signal wecken lässt.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine erste Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art aufweisend: eine Erkennungsschaltung für das gegenüber einem Bezugspotential definierte erste Signal mit einer Verstärkereinrichtung zum Verstärken des ersten Signals und einem durch das erste Signal steuerbaren ersten Schaltmittel zum Bereitstellen des verstärkten Signals; und eine Auswerteschaltung für das bereit gestellte verstärkte Signal mit einer durch das verstärkte Signal steuerbaren Schalt einrichtung und einem Verstärkermittel zum Ausgeben des zweiten Signals an einem Ausgang der Schaltungsanordnung. Mit einer solchen Schaltungsanordnung, die bei offenem oder auf Bezugspotential befindlichem Eingang keinen Strom verbraucht, lässt sich bei Anliegen eines gegenüber dem Bezugspotential, wie der Masse, definierten externen Signals dieses geeignet verstärken und gesteuert am Ausgang für eine nachfolgende Verwendung im Sinne der Erfindung, beispielsweise zum Wecken eines IC, weiter verwenden. Sie ist insbesondere zum Erkennen von Signalen mit TTL-Pegel (TTL: Transistor-Transistor-Logik; Eingangspegel typischerweise ≥0,8 V) geeignet.
Darüber hinaus wird die Aufgabe gelöst durch eine zweite Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art aufweisend: eine Erkennungsschaltung mit einer Verstärkeranordnung zum Verstärken eines durch die Erkennungsschaltung fließenden, niedrigen Ruhestroms bei Abfallen eines Potentials an einem Eingang der Schaltungsanordnung gegenüber einer im wesentlichen konstanten Versorgungsspannung; und eine Auswerteschaltung für das verstärkte Signal mit einer durch das verstärkte Signal steuerbaren Schalteinrichtung und einem Verstärkermittel zum Ausgeben des zweiten Signals an einem Ausgang der Schaltungsanordnung. Aufgrund der besonderen Ausbildung der Erkennungsschaltung eignet sich diese Schaltungsanordnung insbesondere zum Erkennen eines Wecksignals, das im Form eines Spannungsabfalls durch Betätigen eines an die Versorgungsspannung angeschlossenen Schalters, wie eines Zündschlosskontakts, erzeugt wird.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine dritte, zusammengesetzte Schaltungsanordnung, die die beiden vorstehend genannten Erkennungsschaltungen zugleich beinhaltet, sowie durch eine integrierte Schaltungsanordnung, insbesondere zum Anschluss an einer Batterie in Kraftfahrzeugen, mit einer zwischen einem Sleep- und einem Normalzustand umschaltbaren Nutzschaltung, einer der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen und einer Versorgungs- und Steuerschaltung zumindest für die Nutzschaltung.
Nach einer Weiterbildung der ersten erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist vorgesehen, dass die Verstärkereinrichtung als eine erste, zwischen den Eingang und das Bezugspotential eingeschleifte Stromspiegelschaltung ausgebildet ist. Somit lässt sich eine Verstärkungswirkung weitgehend unabhängig von einem Lastwiderstand erreichen. Eine weitere Variante der ersten und zweiten Schaltungsanordnung sieht entsprechend vor, dass auch die Schalteinrichtung als eine zweite, zwischen einen Ausgang der Erkennungsschaltung und ein im wesentlichen konstantes Versorgungspotential eingeschleifte Stromspiegelschaltung ist.
Darüber hinaus kann im Rahmen der ersten erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung das Schaltmittel zusätzlich als Verstärkermittel für zumindest eine Kenngröße des verstärkten Signals, wie dessen Spannung, ausgebildet sein, um so ein Angleichen an die Versorgungsspannung des Kfz zu erreichen.
Im Zuge einer bevorzugten Weiterbildung der ersten und zweiten Schaltungsanordnung können diese einen zwischen das Verstärkermittel und das Bezugspotential eingeschleiften veränderlichen Widerstand aufweisen, der vorzugsweise als Konstantstromschaltung ausgebildet ist, wobei der veränderliche Widerstand dem Ausgang direkt vor- oder nachgeschaltet sein kann. Auf diese Weise bewirkt ein verstärkter Stromfluss durch die Auswerteschaltung ein Hinausgehen des die Funktion einer Stromquelle ausübenden veränderlichen Widerstands aus der Sättigung, so dass ein Potential am Ausgang in einen anderen Zustand wechselt.
Um die Spannung am Ausgang auf einem definierten Wert zu begrenzen, ist bei einer äußerst bevorzugten Weiterbildung der ersten und zweiten Schaltungsanordnung parallel zumindest zu dem Ausgang für das zweite Signal und dem veränderlichen Widerstand eine Konstantspannungsschaltung angeordnet.
Eine Weiterbildung der ersten erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass die Verstärkereinrichtung für eine Aktivierung durch das erste Signal ab einem bestimmten Wert einer Kenngröße des ersten Signals ausgebildet ist. Vorzugsweise handelt es sich dabei um den Spannungswert des ersten Signals, der etwa auf TTL-Pegelniveau liegen sollte.
In bevorzugter Ausgestaltung der ersten und zweiten Schaltungsanordnung ist vorgesehen, dass die Schalteinrichtung für eine Aktivierung durch das verstärkte Signal der Erkennungsschaltung ausgebildet ist. Auf diese Weise ist dafür gesorgt, dass ohne ein erkanntes Eingangssignal kein Ausgangssignal erzeugt wird.
Um bei einer Weiterbildung der ersten Schaltungsanordnung an einem offenen Eingang ein definiertes Potential, wie ein Massepotential, anliegen zu haben, kann in der Erkennungsschaltung parallel zu der Verstärkereinrichtung ein erster Widerstand zwischen Eingang und Bezugspotential eingeschleift sein.
Zum Schutz empfindlicher Schaltungsbestandteile vor Überspannungen, beispielsweise im Falle elektrostatischer Entladungen (ESD: electrostatic discharge), ist vorzugsweise zwischen dem Eingang und den ersten Widerstand und/oder die Verstärkereinrichtung und/oder einen Steueranschluss des Schaltmittels bei der ersten Schaltungsanordnung ein zweiter Widerstand eingeschleift. In Weiterbildung kann weiterhin zumindest zwischen dem Steueranschluss des Schaltmittels und dem Bezugspotential eine Einrichtung zum Schutz vor Überspannungen angeordnet sein. Dabei handelt es sich vorzugsweise um eine Diode, insbesondere eine Zenerdiode.
Bei bevorzugten Ausgestaltungen der ersten und zweiten Schaltungsanordnung ist darüber hinaus vorgesehen, dass zwischen einem Ausgangspotential der Erkennungsschaltung zur Auswerteschaltung und dem Versorgungspotential ein dritter Widerstand parallel zu der Schalteinrichtung geschaltet ist. Dieser Widerstand dient efindungsgemäß als Ableitwiderstand für die eingangsseitige Schalteinrichtung, so dass diese bei nur geringen Ruhestromfluss im Standby-Betrieb gesperrt bleibt, und ist dementsprechend vorzugsweise derart dimensioniert, dass bei mangelnder Aktivierung zumindest der Verstärkereinrichtung nur ein geringer Strom vom Versorgungspotential zum Bezugspotential fließt.
Bei der zweiten erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Verstärkeranordnung in der Erkennungsschaltung aus einer ersten, zwischen den Eingang und die Auswerteschaltung eingeschleiften Schaltanordnung und einer zweiten, zwischen die Auswerteschaltung und ein Bezugspotential eingeschleiften Schaltanordnung gebildet ist, wobei zumindest erste Schaltmittel der ersten und zweiten Schaltanordnung nach Art einer ersten Stromspiegelschaltung verbunden sind. Mit einer derartigen Anordnung ist neben einer weitgehend lastunabhängigen Stromverstärkung auch eine Pegelwandlung (level shifting) hin zur Versorgungsspannung erreichbar.
Um bei großer Eingangsspannung am Eingang der zweiten erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung einen Stromfluss in die Versorgungsspannung (Batteriespannung) hinein zu verhindern, kann zwischen der Erkennungsschaltung und der Auswerteschaltung ein elektrisches Ventilmittel, wie eine Diode, angeordnet sein. Wei terhin ist vorzugsweise in Wirkverbindung mit den Schaltanordnungen eine Einrichtung zum Schutz vor Überspannungen (ESD-Schutz) geschaltet, bei dem es sich erfindungsgemäß wiederum um eine Zenerdiode handeln kann.
Damit im Standby-Betrieb der zweiten erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung nur ein geringer Ruhestrom aus der Batterie abfließt, zeichnet sich diese in einer äußerst bevorzugten Weiterbildung dadurch aus, dass zwischen die zweite Schaltanordnung und das Bezugspotential eine Konstantstromschaltung eingeschleift ist.
Vorzugsweise sind die erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen vollintegriert ausgebildet, um ihre einfache, Platz sparende und zeitgemäße Verwendung zu gewährleisten. Dabei sind insbesondere zumindest die Schalt- und Verstärkermittel, – einrichtungen und -anordnungen als MOSFET-Transistoren ausgebildet bzw. aus solchen gebildet. Wenn eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Erkennen eines externen Wecksignals und zum Ausgeben eines Steuersignals für einen in einen Standby-Modus befindlichen integrierten Schaltkreis vorgesehen ist, können in einer äußerst vorteilhaften Ausgestaltung auch der integrierte Schaltkreis und die Schaltungsanordnung gemeinsam monolithisch integriert sein.
Die erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen eignen sich speziell zum Erkennen eines externen Wecksignals für einen in einen Standby-Modus befindlichen integrierten Schaltkreis, insbesondere in Kfz-Anwendungen.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Es zeigt:
1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen integrierten Schaltkreises mit einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;
2 ein detailliertes Schaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung; und
3 ein zweites detailliertes Blockschaltbild des integrierten Schaltkreises gemäß der 1.
Die 1 zeigt anhand eines Blockschaltbilds einen integrierten Schaltkreis (IC) 1, der für eine Verwendung als Steuerungseinheit in Kfz-Anwendungen vorgesehen ist. Der IC 1 ist beim gezeigten Ausführungsbeispiel vollständig monolithisch integriert ausgebildet und über einen Anschluss 2 an die Versorgungsspannung V_batt mit 7 V ≤V_batt ≤42 V einer nicht gezeigten Fahrzeugbatterie angeschlossen, mittels derer auch die übrigen elektrischen Systeme (nicht gezeigt) des Fahrzeugs mit Spannung versorgt werden, wie beispielsweise die Zündung. Der IC 1 beinhaltet einen Eingang 3 für ein erstes Signal S₁, im Folgenden auch als "Eingangssignal" bezeichnet, und ist über Leitmittel 4 mit einer Wake-Up- oder Weckschaltung 5 sowie mit einer parallel zu dieser angeordneten Eingangs-Steuerschaltung (input control) 6 verbunden. Die Weckschaltung 5 weist ihrerseits einen Eingang 5.1 für das erste Signal S₁ und einen Ausgang 5.2 für ein zweites Signal S₂ auf, der über weitere Leitmittel 4' ebenfalls mit der Eingangs-Steuerschaltung 6 verbunden ist. Der Eingangs-Steuerschaltung 6 nachgeschaltet ist eine weitere Schaltung 7 angeordnet, die die eigentliche Nutzschaltung (control logic) des IC 1 darstellt.
Mit dem von der Weckschaltung 5 ausgegebenen zweiten Signal S₂ lässt sich der aus Gründen der Energieersparnis in einen Ruhemodus (sleep mode oder standby mode) versetzte IC 1 wieder "wecken", d.h. in einen normalen Betriebsmodus zurück versetzen.
Der detaillierte Aufbau der Weckschaltung 5 und der Eingangs-Steuerschaltung 6 wird nachfolgend anhand der 2 bzw. 3 beschrieben.
Gemäß der 2 setzt sich die Weckschaltung 5 aus drei Schaltungsteilen 51, 52, 53 zusammen, die aufgrund ihrer Funktion im Folgenden als "Erkennungsschaltungen" 51, 52 bzw. als "Auswerteschaltung" 53 bezeichnet werden.
Die Erkennungsschaltung 51 dient zur Erkennung eines ersten Signals S₁ mit TTL-Pegel an ihrem Eingang 51.1, der hier zugleich den Eingang 5.1 der gesamten Weckschaltung 5 darstellt, d.h. V_S1 liegt mindestens um 0,8 V über einem Bezugspotential GND (Masse). Als zentraler Bestandteil der Erkennungsschaltung 51 ist eine nach Art eines Stromspiegels 51.2 geschaltete Anordnung von zwei Schaltmitteln in Form von zwei n-Kanal-MOSFET-Transistoren MN1, MN2 vorgesehen, die zwischen den Eingang 51.1 und ein Bezugspotential GND eingeschleift ist. Parallel zu dem Stromspiegel 51.2 ist ein als p-Wanne ausgebildeter pull-down-Widerstand R1 mit einem Wert von 500 kΩ zwischen Eingang 51.1 und Bezugspotential GND angeordnet. In seinem Eingangszweig weist der Stromspiegel 51.2 einen weiteren, als p-Wanne ausgebildeten Widerstand R2 (400 kΩ) und in einem Ausgangszweig einen hochsperrenden weiteren n-Kanal-MOSFET-Transistor MN3 auf, dessen Gate MN3.1 mit dem Eingang 5.1 verbunden ist. An dem Eingang 5.1 weist die Erkennungsschaltung 51 einen weiteren Widerstand R3 (1 kΩ) auf, der erfidungsgemäß zwischen den Eingang 5.1 und den pull-down-Widerstand R1 und/oder den Stromspiegel 51.2 und/oder das Gate MN3.1 des Transistors MN3 eingeschleift ist. Zwischen zumindest dem Gate MN3.1 und dem Bezugspotential GND ist eine Einrichtung zum Schutz vor Überspannungen, wie sie beispielsweise im Falle einer ESD auftreten können, in Form einer Zenerdiode 51.3 mit Z-Spannung 7V angeordnet. Die Zenerdiode 51.3 ist bezüglich einer gegenüber dem Bezugspotential GND am Eingang 51.1 anliegenden positiven Spannung in Sperrrichtung gepolt.
Parallel zu der vorstehend beschriebenen Erkennungsschaltung 51 weist die erfindungsgemäße Weckschaltung 5 eine weitere Erkennungsschaltung 52 auf, die parallel zur Erkennungsschaltung 51 angeordnet und über ein Leitmittel 5.3 mit dem Drain-Anschluss MN3.2 des Transistors MN3 verbunden ist. Die zweite Erkennungsschaltung 52 besitzt einen Eingang 52.1 entsprechend dem Eingang 5.1 (1) für ein alternatives erstes Signal S₁, das beim gezeigten Ausführungsbeispiel über einen Schalter (nicht gezeigt) innerhalb des Kfz erzeugt wird, der seinerseits direkt aus der Batteriespannung versorgt wird.
Die Erkennungsschaltung 52 umfasst eine erste Schaltanordnung 52.2 aus zwei p-Kanal-MOSFET-Transistoren MP1, MP2, die zwischen den Eingang 52.1 und eine Verbindungsstelle A an das Leitmittel 5.3 eingeschleift sind. Der näher dem Eingang 52.1 befindliche Transistor MP2 ist dabei im Rahmen des gezeigten Ausführungsbeispiels als selbstsperrender Transistor ausgebildet, während es sich bei dem Transistor MP1 um einen selbstleitenden Transistor handelt. Zwischen der Verbindungsstelle A und dem Bezugspotential GND sowie im wesentlichen parallel zu der ersten Schaltanordnung weist der Erkennungsschaltkreis 52 eine zweite Schaltanordnung 52.3 auf, die ebenfalls aus einem selbstsperrenden MP3 und einem selbstleitenden p-Kanal-MOSFET-Transistor MP4 gebildet ist. Der selbstsperrende Transistor MP3 ist auf Seiten des Bezugspotentials GND angeordnet, und die beiden selbstsperrenden Transistoren MP2, MP3 sowie die beiden selbstleitenden Transistoren MP1, MP4 sind jeweils paarweise nach Art eines Stromspiegels 52.4 (aus MP1 und MP4) bzw. 52.5 (aus MP2 und MP3) verbunden.
In unmittelbarer Nähe der Verbindungsstelle A weist die Erkennungsschaltung 52 ein elektrisches Ventilmittel in Form einer Diode 52.6 auf. Diese ist derart geschaltet, dass bei einem gegenüber der Versorgungsspannung V_batt erhöhten Potential am Eingang 52.1 kein Strom in die Versorgungsspannung hinein fließen kann. Darüber hinaus ist in elektrischer Wirkverbindung mit den Schaltanordnungen 52.2, 52.3 eine Einrichtung zum Schutz der Erkennungsschaltung 52 bzw. ihrer Bestandteile vor Überspannungen in Form einer Zenerdiode 52.7 (Z-Spannung 7V) geschaltet.
Weiterhin ist gemäß der 2 zwischen der zweiten Schaltanordnung 52.3 und dem Bezugspotential GND eine Stromquelle 52.8 mit I_source = 0,5 μA angeordnet. Zwischen den Transistor MP2 und den Eingang 52.1 ist ein Widerstand R4 (1 kΩ) eingeschleift.
Den Erkennungsschaltungen 51, 52 nachgeschaltet weist die erfindungsgemäße Weckschaltung 5 eine für beide Erkennungsschaltungen bzw. deren Ausgangssignale gemeinsame Auswerteschaltung 53 auf, die mit Ersteren über die Verbindungsstelle A verbunden ist.
Die Auswerteschaltung 53 wird direkt aus der Batterie (nicht gezeigt) über einen Anschluss 53.1 mit der Versorgungsspannung V_batt versorgt. Sie beinhaltet einen zwischen die Verbindungsstelle A und den Anschluss 53.1 geschalteten, als p-Wanne ausgebildeten Widerstand R5 (400 kΩ) sowie einen zu diesem parallelen Stromspiegel 53.2 mit zwei selbstsperrenden p-Kanal-MOSFET-Transistoren MP5, MP6 und diesen jeweils vorgeschalteten, als p-Wannen ausgebildeten Widerständen R6, R7 (jeweils 50 kΩ). Zwischen den Stromspiegel 53.2 und das Bezugspotential GND ist bei der gezeigten Ausführungsform ein veränderlicher Widerstand in Form einer Stromquelle 53.3 mit I_out = 2 μA angeordnet. Dieser in bezug auf den Stromspiegel 53.2 direkt vorgeschaltet weist die Auswerteschaltung 53 zudem einen Ausgang 53.4 auf, der zugleich den Ausgang 5.2 für das zweite Signal S₂ der gesamten Weckschaltung 5 darstellt.
Wie der 2 weiterhin zu entnehmen ist, ist parallel zumindest zu dem Ausgang 53.4 und der Stromquelle 53.3 eine 5V-Konstant-Gleichspannungsquelle 53.5 in Form einer Konstantspannungsschaltung vorgesehen, deren Minuspol auf Bezugspotential liegt, während ihr Pluspol mit dem Gate eines selbstsperrenden n-Kanal- MOSFET-Transistors MN4 verbunden ist, der seinerseits zwischen den Ausgang 53.4 und den Stromspiegel 53.2 eingeschleift ist.
Die Funktionsweise der Weckschaltung 5 stellt sich wie folgt dar: Ist der Eingang 51.1 offen oder liegt auf Bezugspotential GND, so wird durch die Erkennungsschaltung 51 kein Strom verbraucht. Steigt die Spannung am Eingang 51.1 auf einen Wert von mehr als 0,8 V über Bezugspotential GND, beispielsweise aufgrund eines extern erzeugten Signals, wie mittels einer Fernbedienung, so erzeugt die Weckschaltung 5 an ihrem Ausgang 5.2/53.4 ein zweites Signal S₂, durch welches der IC 1 (1) vom Standy- in den Normalmodus geschaltet wird.
Der (Eingangs-)Widerstand R3 und die Zenerdiode 51.3 dienen als ESD-Schutz für die hinten ihnen liegenden 5V-Schaltungsteile. Der pull-down-Widerstand R1 bewirkt, dass bei offenem Eingang 51.1 ein definiertes Bezugssignal GND am Eingang anliegt. Bei steigender Eingangsspannung fließt ein Strom I₁ über den Widerstand R2 in den Stromspiegel 51.2, der so ausgebildet ist, dass er den Strom I₁ um einen Faktor vier in einem Strom I₂, I₂ = 4·I₁, verstärkt, d.h. der Stromspiegel 51.2 fungiert erfindungsgemäß als eine Verstärkereinrichtung für den Strom I₁. Über den Transistor MN3 wird der Strom I₂ anschließend zur Auswertung in die Auswerteschaltung 53 geleitet. Dabei dient der erfindungsgemäß hochsperrende Transistor MN3 als Pegelwandler (level shifter) zwischen dem Niederspannungs-Transistor MN2 und dem Spannungsniveau der Batterieversorgung in der Auswerteschaltung 53.
Demgegenüber ist die Erkennungsschaltung 52 zum Erkennen von Spannungssignalen zuständig, die sich durch Abfallen einer an ihrem Eingang 52.1 anliegenden Spannung auszeichnen, beispielsweise bei Betätigung eines Schalters im Kfz selbst. Ist der Eingang 52.1 offen oder liegt auf Versorgungspotential (Batteriespannung), wird aufgrund der beschriebenen erfindungsgemäßen Ausgestaltung nur ein sehr geringer Strom verbraucht, da nur der konstruktiv eingestellte Strom I₃ = I_source = 0,5 μA aus der Stromquelle 52.8 über die Transistoren MP1, MP2 und anschließend durch die Diode 52.6 fließt. Ein solcher geringer Stromfluss führt noch nicht zu einer Aktivierung der Auswerteschaltung 53, wie weiter unten erläutert wird, und entsprechend zu keiner Ausgabe eines zweiten Signals S₂ ("Wecksignal"). Sinkt die Spannung am Eingang 52.1 auf einen Wert, der etwa um 2,1 V unterhalb der Versorgungsspannung liegt, so beginnt ein Strom I₄ zu fließen. Die notwendige Spannungsdifferenz ist die Summe der Flussspannung an der Diode 52.6, der Gate- Source-Spannung des Transistors MP1 und der Gate-Source-Spannung des Transistors MP6 in der Auswerteschaltung 53.
Der Strom I₄ wird durch den Stromspiegel 52.4 bestimmt. Dieser verstärkt den Strom I_source um einen Faktor 18 von 0,5 μA auf 9 μA, so dass der Strom I₃ als Summe aus I_source und I₄ ergibt zu I₃ = 9,5 μA. Dieser Strom führt anschließend in der Auswerteschaltung zur Erzeugung eines Wecksignals.
Die Transistoren MP2, MP3 dienen als Pegelwandler zur Batteriespannung hin. Die Diode 52.6 verhindert einen potentiell schädlichen Stromfluss in die Batteriespannung für den Fall, dass die Spannung am Eingang 52.1 größer als die Batteriespannung ist. Die Zenerdiode 52.7 schützt die empfindlichen Gate- und Source-Schichten der p-Kanal-MOSFET-Transistoren MP1-MP4 vor zerstörerischen Überspannungen.
Die Auswerteschaltung 53 erzeugt in Abhängigkeit von ihrem Eingangsstrom I₅ ein logisches Wecksignal S₂ mit TTL-Level zur weiteren Verwendung beim Wecken des IC 1 (1). Im Standby-Betrieb fließt lediglich ein Ruhestrom I₅ = 0,5 μA von der Batterie in die Erkennungsschaltung 52. Bei einem derartig geringen Stromfluss sorgt der Widerstand R5 in seiner Funktion als Ableitwiderstand dafür, dass die Transistoren MP5, MP6 des Stromspiegels 53.2 weiter sperren. Erhöht sich jedoch der Strom I₅ um mehr als 2 μA, so wird der Stromspiegel 53.2 aktiviert, der den Strom I₅ mit einem Verstärkungsfaktor von eins auf den Strom I₆ abbildet, d.h. der Stromspiegel 53.2 fungiert erfindungsgemäß als durch den Strom I₅ steuerbare Schalteinrichtung. Der Strom I₆ fließt anschleißend durch den Transistor MN4, der lediglich als Pegelwandler (level-shifter) dient.
Ist I₆ > 2 μA, d.h. größer als der von der Stromquelle 53.3 gelieferte Wert I_out = 2 μA, geht die Stromquelle 53.3 aus der Sättigung, und die Spannung am Ausgang 53.4/5.2 steigt von einem Wert LOW auf einen Wert HIGH. Die maximale Spannung des Wecksignals am Ausgang 53.4/5.2 wird durch die 5V-Konstantspannung begrenzt, die jedoch noch um die Gate-Source-Spannung des Transistors MN4 vermindert ist. Die Ausgangsspannung des Wecksignals liegt damit typischerweise bei 4,3 V; dies ist ausreichend, um anschließend den IC vom Standby- in den Normalmodus zu setzen.
Wie dies geschieht, wird nachfolgend durch Beschreibung des Aufbaus und der Funktionsweise der Eingangs-Steuerschaltung 6 anhand der 3 verdeutlicht.
Die 3 zeigt ein im wesentlichen der 1 entsprechendes Blockschaltung des IC 1 mit Weckschaltung 5, Eingangs-Steuerschaltung 6 und Nutzschaltung 7, wobei jedoch die Eingangs-Steuerschaltung im Vergleich zur 1 detailliert dargestellt ist. Demnach weist die Eingangs-Steuerschaltung 6 in Verbindung mit dem Eingang 3 des IC 1 (hier dargestellt in Form zweier getrennter Eingänge 3a, 3b entsprechend den beiden alternativen Signalformen an den Erkennungsschaltungen 51, 52; 2) eine Schwellwert-Messeinrichtung (logic input) 6.1 für das Eingangssignal S₁ bzw. eine Vergleichseinrichtung 6.2 für das Eingangssignal S₁ und die Batteriespannung V_batt auf. Die Vergleichseinrichtung 6.2 ist als ein als Komparator verwendeter Operationsverstärker 6.2a mit einem aus zwei Widerständen R8, R9 gebildeten Referenzspannungsteiler 6.2b ausgebildet, wobei der Referenzspannungsteiler durch ein mittels des Signals S₂ schaltbares Schaltmittel 6.2c einschaltbar ist. Sowohl der Schwellwert-Messeinrichtung 6.1 als auch dem Komparator 6.2 ist jeweils eine Zeitmesseinrichtung 6.3, 6.4 in Form eines Debounce-Timers nachgeschaltet, der mit einem Oszillator 6.5 als Zeitgeber für die Timer 6.3, 6.4 in Verbindung steht. Zur Versorgung zumindest des Oszillators 6.5, der Schwellwert-Messeinrichtung 6.1 sowie der Nutzschaltung 7 ist darüber hinaus ein 5V-Regler 6.6 vorgesehen, der seinerseits durch die Batteriespannung V_batt versorgt wird und der zum Empfangen des Wecksignals S₂ mit dem Ausgang 5.2 der Weckschaltung 5 verbunden ist.
Durch die Weckschaltung 5, die in ihrer erfindungsgemäßen Ausgestaltung – wie vorstehend detailliert beschrieben – nur sehr wenig Strom benötigt, wird zunächst bei Anliegen eines geeigneten ersten (Eingangs-)Signals S₁ der interne 5V-Regler 6.6 eingeschaltet. Dieser versorgt dann die inteme Nutzschaltung 7 und aktiviert zudem den Oszillator 6.5. Gleichzeitig wird die Schwellwert-Messeinrichtung 6.1 mit einer 5V-Spannung versorgt und erkennt das Eingangssignal, wenn dieses am Eingang 3a die korrekte Spannungsschwelle aufweist. Anschließend vermisst der Timer 6.3 eine Pulslänge des Eingangssignals. Handelt es sich bei dem Signal S₁ nur um eine kurze Spitze (Spike) oder einen Störimpuls, dessen Pulslänge unterhalb eines vorbestimmten Wertes t_debounce liegt, so geht der gesamte IC 1 nach Ende des Impulses wieder in den Standby-Betrieb. Anderenfalls (Pulslänge > t_debounce) wird das Eingangssignal richtig erkannt, und der Schaltkreis schaltet vom Standby- in den Nor malbetrieb um. Alternativ ist der beschriebene Umschaltvorgang auch mit dem gezeigten Eingangskomparator 6.2 realisierbar.
Damit ist es erfindungsgemäß möglich, ein zum Wecken eines IC vorgesehenes Eingangssignal bei nur geringer Stromaufnahme mit der richtigen Spannungsschwelle zu bewerten und so ungewollte Störsignale auszublenden.

1: integrierter Schaltkreis
2: Anschluss
3: Eingang
4,4': Leitmittel
5: Weckschaltung
5.1: Eingang
5.2: Ausgang
5.3: Leitmittel
51: Erkennungsschaltung
51.1: Eingang
51.2: Stromspiegel
51.3: Zenerdiode
52: Erkennungsschaltung
52.1: Eingang
52.2: Schaltanordnung
52.3: Schaltanordnung
52.4: Stromspiegel
52.5: Stromspiegel
52.6: Diode
52.7: Zenerdiode
52.8: Stromquelle
53: Auswerteschaltung
53.1: Anschluss
53.2: Stromspiegel
53.3: Stromquelle
53.4: Ausgang
53.5: 5V-Konstant-Gleichspannungsquelle
6: Eingangs-Steuerschaltung
6.1: Schwellwert-Messeinrichtung
6.2: Vergleicheinrichtung
6.2a: Operationsverstärker
6.2b: Referenzspannungsteiler
6.2c: Schaltmittel
6.3: Zeitmesseinrichtung
6.4: Zeitmesseinrichtung
6.5: Oszillator
6.6: 5V-Regler
7: Nutzschaltung
A: Verbindungsstelle
GND: Bezugspotential (Masse)
I₁–I₆,
I_out,
I_source: Strom
MN1–MN4: n-Kanal-MOSFET-Transistor
MN3.1: Gate
MN3.2: Drain-Anschluss
MN4.1: Gate
MP1–MP6: p-Kanal-MOSFET-Transistor
R1–R9: Widerstand
S₁: erstes Signal
S₂: zweites Signal
V_batt: Batteriespannung
V_S1: Spannung

Claims

Schaltungsanordnung (5) zum Erkennen eines ersten elektrischen Signals (S₁) und zum Ausgeben eines zweiten elektrischen Signals (S₂) in Abhängigkeit von dem ersten Signal (S₁), aufweisend: a) eine Erkennungsschaltung (51) für das gegenüber einem Bezugspotential (GND) definierte erste Signal (S₁) mit – einer Verstärkereinrichtung (51.2) zum Verstärken des ersten Signals (S₁) und – einem durch das erste Signal (S₁) steuerbaren ersten Schaltmittel (MN3) zum Bereitstellen des verstärkten Signals (I₂); und b) eine Auswerteschaltung (53) für das bereit gestellte verstärkte Signal (I₂) mit – einer durch das verstärkte Signal (I₂) steuerbaren Schalteinrichtung (53.2) und – einem Verstärkermittel (MN4) zum Ausgeben des zweiten Signals (S₂) an einem Ausgang (5.2,53.4) der Schaltungsanordnung (5).
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkereinrichtung (51.2) als eine erste, zwischen den Eingang (5.1,51.1) und das Bezugspotential (GND) eingeschleifte Stromspiegelschaltung (51.2) ausgebildet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (53.2) als eine zweite, zwischen einen Ausgang (A) der Erkennungsschaltung (51) und ein im wesentlichen konstantes Versorgungspotential (V_batt) eingeschleifte Stromspiegelschaltung (53.2) ausgebildet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen zwischen das Verstärkermittel (MN4) und das Bezugspotential (GND) eingeschleiften veränderlichen Widerstand (53.3).
Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der veränderliche Widerstand (53.3) als Konstantstromschaltung ausgebildet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der veränderliche Widerstand (53.3) dem Ausgang (53.4) direkt vor- oder nachgeschaltet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zumindest zu dem Ausgang (53.4) für das zweite Signal (S₂) und dem veränderlichen Widerstand (53.3) eine Konstantspannungsschaltung (53.5) angeordnet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkereinrichtung (51.2) für eine Aktivierung durch das erste Signal (S₁) ab einem bestimmten Wert (V_S1) einer Kenngröße des ersten Signals (S₁) ausgebildet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (53.2) für eine Aktivierung durch das verstärkte Signal (I₂) der Erkennungsschaltung (51) ausgebildet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Erkennungsschaltung (51) parallel zu der Verstärkereinrichtung (51.2) ein erster Widerstand (R₁) zwischen Eingang (51.1) und Bezugspotential (GND) eingeschleift ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltmittel (MN3) zusätzlich als Verstärkermittel für zumindest eine weitere Kenngröße des verstärkten Signals (I₂) ausgebildet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Eingang (51.1) und den ersten Widerstand (R1) und/oder die Verstärkereinrichtung (51.2) und/oder einen Steueranschluss (MN3.1) des Schaltmittels (MN3) ein zweiter Widerstand (R3) eingeschleift ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwischen dem Steueranschluss (MN3.1) des Schaltmittels (MN3) und dem Bezugspotential (GND) eine Einrichtung (51.3) zum Schutz vor Überspannungen angeordnet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Ausgangspotential der Erkennungsschaltung (51) zur Auswerteschaltung (53) und dem Versorgungspotential (V_batt) ein dritter Widerstand (R5) parallel zu der Schalteinrichtung (53.2) vorgesehen ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Widerstand (R5) derart dimensioniert ist, dass bei mangelnder Aktivierung zumindest der Verstärkereinrichtung (51.2) nur ein geringer Strom (I₅) vom Versorgungspotential (V_batt) zum Bezugspotential (GND) fließt.
Schaltungsanordnung (5) zum Erkennen eines ersten elektrischen Signals (S₁) und zum Ausgeben eines zweiten elektrischen Signals (S₂) in Abhängigkeit von dem ersten Signal (S₁), aufweisend: a) eine Erkennungsschaltung (52) mit einer Verstärkeranordnung (52.4,52.5) zum Verstärken eines durch die Erkennungsschaltung (52) fließenden, niedrigen Ruhestroms (I₅) bei Abfallen eines Potentials an einem Eingang (52.1) der Schaltungsanordnung (5) gegenüber einer im wesentlichen konstanten Versorgungsspannung (V_batt); und b) eine Auswerteschaltung (53) für das verstärkte Signal (I₃) mit – einer durch das verstärkte Signal (I₃) steuerbaren Schalteinrichtung (53.2) und – einem Verstärkermittel (MN4) zum Ausgeben des zweiten Signals (S₂) an einem Ausgang (5.2, 53.4) der Schaltungsanordnung (5).
Schaltungsanordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkeranordnung aus einer ersten, zwischen den Eingang (52.1) und die Auswerteschaltung (53) eingeschleiften Schaltanordnung (52.2) und einer zweiten, zwischen die Auswerteschaltung (53) und ein Bezugspotential (GND) eingeschleiften Schaltanordnung (52.3) gebildet ist, wobei zumindest erste Schaltmittel (MP1) der ersten und zweiten Schaltanordnung (MP4) nach Art einer ersten Stromspiegelschaltung (52.4) verbunden sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 16 oder 17, gekennzeichnet durch ein zwischen der Erkennungsschaltung (52) und der Auswerteschaltung (53) vorgesehene elektrisches Ventilmittel (52.6).
Schaltungsanordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilmittel (52.6) zum Verhindern eines Stromflusses bei gegenüber dem Versorgungspotential (V_batt) erhöhtem Eingangspotential an der Erkennungsschaltung (52) ausgebildet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass in Wirkverbindung mit den Schaltanordnungen (52.2,52.3) eine Einrichtung (52.7) zum Schutz vor Überspannungen geschaltet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen die zweite Schaltanordnung (52.3) und das Bezugspotential (GND) eine Konstantstromschaltung (52.8) eingeschleift ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (53.2) als eine zweite, zwischen einen Ausgang (A) der Erkennungsschaltung (52) und das Versorgungspotential (V_batt) eingeschleifte Stromspiegelschaltung (53.2) ausgebildet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 22, gekennzeichnet durch einen zwischen das Verstärkermittel (MN4) und das Bezugspotential (GND) eingeschleiften veränderlichen Widerstand (53.3).
Schaltungsanordnung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der veränderliche Widerstand (53.3) als Konstantstromschaltung ausgebildet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass der veränderliche Widerstand (53.3) dem Ausgang (53.4) direkt vor- oder nachgeschaltet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zumindest zu dem Ausgang (5.2,53.4) für das zweite Si gnal (S₂) und dem veränderlichen Widerstand (53.3) eine Konstantspannungsschaltung (53.5) angeordnet ist.
Zusammengesetzte Schaltungsanordnung mit einer ersten Erkennungsschaltung (51) und einer Auswerteschaltung (53) nach einem der Ansprüche 1 bis 15 und mit einer zweiten, zu der ersten Erkennungsschaltung (51) parallelen zweiten Erkennungsschaltung (52) gemäß einem der Ansprüche 16 bis 26.
Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung (5) vollintegriert ausgebildet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Schalt- und Verstärkermittel, -einrichtungen und -anordnungen als MOSFET-Transistoren ausgebildet bzw. aus solchen gebildet sind.
Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche zum Erkennen eines externen Wecksignals (S₁) und zum Ausgeben eines Steuersignals (S₂) für einen in einen Standby-Modus befindlichen integrierten Schaltkreis (1), dadurch gekennzeichnet, dass der integrierte Schaltkreis (1) und die Schaltungsanordnung (5) gemeinsam monolithisch integriert sind.
Verwendung einer Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche zum Erkennen eines externen Wecksignals für einen in einen Standby-Modus befindlichen integrierten Schaltkreis, insbesondere in Kfz-Anwendungen.
Integrierte Schaltungsanordnung (1), insbesondere zum Anschluss an einer Batterie in Kraftfahrzeugen, mit einer zwischen einem Sleep- und einem Normalzustand umschaltbaren Nutzschalfiung (7), einer Schaltungsanordnung (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 29 und einer Versorgungs- und Steuerschaltung (6) zumindest für die Nutzschaltung (7).