DE4343011A1 - Einrichtung zur Spannungsversorgung für eine Prozessoreinheit - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Spannungsversorgung für eine Prozessoreinheit nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Eine Prozessoreinheit setzt sich üblicherweise zusammen aus der zen­ tralen Prozessoreinheit CPU sowie wenigstens einem RAM-Speicher. Im Speicher sind gegebenenfalls auch im abgeschalteten Zustand der CPU sowie der restlichen Peripheriebeschaltung Daten gespeichert, die nicht verloren gehen sollen. Dazu sollte der RAM-Datenspeicher auch bei abgeschalteter CPU. weiterhin mit Spannung versorgt werden.

Bei bekannten Prozessoren, beispielsweise bei Prozessoren, die im Steuergerät eines Kraftfahrzeuges vorhanden sind, existiert für die CPU und den RAM-Speicher entweder ein gemeinsamer oder zwei getrenn­ te Spannungsversorgungsanschlüsse. Im Falle eines einzigen gemein­ samen Spannungsanschlusses kann es vorgesehen sein, daß die CPU durch einen extra dafür vorgesehenen Steuereingang aktiviert bzw. inaktiviert wird. Die Versorgungsspannung am Versorgungsspannungs­ anschluß liegt dabei dauernd an.

Eine solche Einrichtung zur Spannungsversorgung ist im Zusammenhang mit der Spannungsversorgung von Steuergeräten aus der DE-OS 40 41 620 bekannt. Bei dieser bekannten Einrichtung ist ein Spannungsregler vorhanden, der von der Fahrzeugbatterie mit Spannung versorgt wird und selbst eine geregelte Dauerspannung (Standby-Span­ nung) sowie eine geschaltete Spannung abgibt. Beide Spannungen stehen dem Steuergerät gegebenenfalls zur Verfügung. Über die Aus­ gestaltung des Hauptreglers bzw. des Hilfs- oder Standby-Reglers ist nichts näheres ausgesagt jedoch kann die Dauerspannungsversorgung keinen großen Strom liefern, da anderenfalls die Batterie bei abge­ schalteter CPU zu stark entladen würde.

Da der Versorgungsstrom moderner integrierter Schaltkreise sehr gering ist, kann für die Dauerversorgung auch eine Spannungsver­ sorgungsstufe mit geringer Stromkapazität verwendet werden. Eine solche Stufe kann relativ preiswert aufgebaut werden, sie hat nur eine geringe Bauelementeanzahl, auch entstehen keine Temperatur­ probleme, da die Bauelemente nur kleine Leistungen abgeben. Selbst­ verständlich ist bei einer solchen Schaltung auch eine geringe Stromaufnahme im Standby-Betrieb erforderlich, bedingt durch einen geringen Querstrom im Spannungsregler. Es ist demnach üblich, in Steuergeräten einen Dauerspannungsregler mit geringem Stromvermögen einzusetzen.

Die zentrale Prozessoreinheit CPU sowie der RAM-Speicher sind üb­ licherweise Teil einer Steuergeräteschaltung, welche insgesamt sehr umfangreich sein kann. Die gesamte Stromaufnahme von CPU, RAM und Peripheriebeschaltung ist bei üblichen Steuergeräten bedeutend höher als die der CPU sowie des RAM selbst. Es ist daher hierfür ein lei­ stungsfähiger Spannungsregler erforderlich, der im Normalbetrieb eingeschaltet und im Standby-Betrieb abgeschaltet wird. Die Ein- bzw. Abschaltung wird beispielsweise über den Zündschloßschal­ ter gesteuert. Der geschaltete Spannungsregler muß demnach einen hohen Strom liefern können.

Beim Anschließen der Batteriespannung an das Steuergerät ist im all­ gemeinen der Zündschloßschalter nicht eingeschaltet. Infolgedessen ist nur der Niederstromspannungsregler für die CPU/RAM aktiviert, nicht aber der Hochstromspannungsregler. Es kann also ein Versor­ gungsstrom in die CPU/RAM fließen. Dabei tritt folgendes Problem auf: Die Stromaufnahme beim Hochziehen der Spannung von 0 auf den Sollwert VDD kann die Leistungsfähigkeit des Dauerspannungsreglers mit geringem Stromvermögen weit überschreiten. Verursacht wird diese erhöhte Stromaufnahme durch Ströme, die aus der CPU/RAM über ent­ sprechende Anschlüsse in die Peripherie-Schaltung fließen, die selbst noch nicht mit Spannung versorgt wird. Transistoren, die im Gegentaktverschaltung innerhalb der CPU/RAM vorhanden sind, ergeben bei Spannungen von beispielsweise zwischen 0,2 und 0,8 VDD als Folge undefinierter Zustände der Transistorenlängsströme, die sich bei einer komplexen CPU/RAM beträchtlich aufsummieren können.

Durch diesen erhöhten Strombedarf kann der Dauerspannungsregler mit geringem Stromvermögen in Strombegrenzung geraten. Die Spannung bleibt dann bei 0,6 VDD und es ergeben sich dadurch unter Umständen undefinierte Zustände in der CPU, es wird beispielsweise kein Ini­ tialreset gemacht und für den betreffenden Spannungsregler treten Belastungsprobleme auf. Gleichzeitig ist die Stromaufnahme des Steu­ ergerätes stark erhöht es besteht die Gefahr, daß die Batterie vor­ zeitig entladen wird.

Für eine integrierte Kombination der beiden Spannungsregler kann es dabei noch zu weiteren Nachteilen kommen. Für die Funktionsfähigkeit des geschalteten Spannungsreglers mit hohem Stromvermögen sowie für eventuell darin enthaltene Funktionsgruppen wie power-on-reset und andere wird die Spannung des CPU/RAM-Spannungsreglers mitbenutzt. Dies kann unter Umständen die Funktion der gesamten Reglereinheit und des gesamten Steuergeräts in Frage stellen. Diese Nachteile der herkömmlichen Spannungsversorgung für Prozessoren bzw. entsprechend ergänzter Spannungsversorgungen, sollen mit der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Spannungsversorgung für eine Prozessoreinheit ver­ mieden werden.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Spannungsversorgung für eine Prozessoreinheit hat den Vorteil, daß ein Dauerspannungsregler mit geringem Stromvermögen zur Versorgung des RAM-Speichers verwendet werden kann und ein geschalteter Spannungsregler mit hohem Stromver­ mögen, der nach Schließen des Zündschalters die Spannungsversorgung der übrigen Steuergeräte- bzw. Peripheriebeschaltungen übernehmen kann ohne daß die während des Einschaltens auftretenden Probleme mit der Überlastung des Dauerspannungsreglers auftreten. Der geschaltete Spannungsregler ist dann der eigentliche Hauptspannungsregler.

Erzielt werden diese Vorteile, indem zwischen die beiden Ausgänge der Spannungsregler an denen die Dauerspannung mit geringem Strom­ vermögen bzw. die geschaltete Spannung mit hohem Stromvermögen ab­ greifbar ist, zusätzliche Schaltungsmittel gelegt werden, die wäh­ rend der Umschaltphase den Dauerspannungsregler mit geringem Strom­ vermögen entsprechend unterstützen und dem Steuergerät ausgehend vom Spannungsregler mit hohem Stromvermögen den nach dem Einschalten hohen Spannungs- bzw. Strombedarf zuführen.

Weitere Vorteile der Erfindung sind mit Hilfe der in den Unteran­ sprüchen angegebenen Maßnahmen zu erzielen. Dabei ist vorteilhaft, daß die Schaltungsmittel zwischen den Ausgängen des Spannungsreglers direkt als Schalter, die von der CPU oder vom Zündschloß angesteuert werden ausgebildet sein können. Es jedoch auch möglich, diese Schal­ ter durch geeignet verschaltete Dioden oder Transistoren zu ersetzen.

Besonders vorteilhaft ist, daß sich diese Schaltmittel selbst in der gewünschten Schaltstellung halten.

Werden die Schaltmittel zwischen den beiden Reglerausgängen in DMOS-Struktur ausgebildet, ist ein besonders guter Gleichlauf der beiden Reglerspannungen erzielbar. Die DMOS-Struktur wird selbst­ tätig abgeschaltet, sobald die Spannung am Dauerspannungsregler die Spannung am Hauptspannungsregler überschreitet. Eine Rückspeisung aus der Dauerspannung in den Hauptreglerausgang wird also in vor­ teilhafter Weise vermieden.

Zeichnung

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Fig. 1 und 2 dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher er­ läutert.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung als Blockschaltbild dargestellt. Dabei ist mit 10 die Batterie, die die gesamte Anordnung mit Spannung versorgt, dargestellt. Der positive Batteriepol ist mit einem ersten Eingang IN des Spannungsreglers 11 direkt und mit einem zweiten Eingang ON des Spannungsreglers 11 über das Zündschloß 12 verbunden.

Der Spannungsregler 11 weist zwei Ausgänge SH und CL auf. Die innere Verschaltung des Spannungsreglers soll an dieser Stelle nicht näher erläutert werden, sie ist jedenfalls derart, daß am Ausgang SH des Spannungsreglers 11 eine geschaltete Spannung mit hohem Stromvermögen auftritt, während am Ausgang CL eine Dauerspannung mit geringem Stromvermögen auftritt. Die zugehörigen Bereiche des Spannungsreglers 11 sind als Dauerspannungsregler mit geringem Stromvermögen 11a sowie als geschalteter Spannungsregler mit hohem Stromvermögen 11b bezeichnet. Letzterer stellt den eigentlichen Hauptspannungsreg­ ler dar. Es können auch zwei getrennte Spannungsregler eingesetzt werden.

Vom Ausgang SH des Spannungsreglers 11 bzw. 11a führt eine Leitung zum positiven Anschluß eines Blockes 13, der die Peripheriebeschal­ tung, die Endstufen, EPROMS usw. darstellt. Die andere Seite des Blockes 13 liegt auf Masse. Vom Ausgang CL des Spannungsreglers 11 führt eine Verbindung zu einem Schalter S1, dessen andere Seite mit dem zentralen Prozessor 14 verbunden ist. Der zentrale Prozessor setzt sich dabei zusammen aus der CPU sowie einem Speicher RAM, der dauernd mit Spannung versorgt werden sollte.

Zwischen der Verbindungsleitung vom Schalter S1 und dem Prozessor 14 ist ein weiterer Schalter H1 angeschlossen, dessen andere Seite mit dem Ausgang SH des Spannungsreglers 11 sowie der Peripherie 13 in Verbindung steht. Dieser Schalter kann auch in Form einer Diode oder eines Transistors ausgeführt sein.

Der Schalter S1 wird über ein logisches Element 15 angesteuert bzw. umgeschaltet. Dieses logische Element 15 löst eine Umschaltung in Abhängigkeit vom Schaltzustand zweier Schaltstufen 16 und 17, die mit zwei Eingängen des logischen Elementes 15 verbunden sind, aus. Die beiden anderen Anschlüsse der beiden Schaltstufen 16 und 17 sind einerseits mit dem Zündschloß 12 bzw. mit dem ON-Eingang des Span­ nungsreglers 11 sowie mit dem Pluseingang des zentralen Prozessors 14, der eine CPU 14a sowie Speicher (RAM) 14b umfaßt, verbunden. Der Eingang der Schaltstufe 16 kann nicht nur direkt am Zündschloß 12 angeschlossen sein, sondern kann auch indirekt mit dem Zündschloß 12 zusammenhängen, z. B. kann der Eingang der Schaltstufe 16 am Ausgang SH des Spannungsreglers 11 angeschlossen sein.

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel kann beispielsweise mit Hilfe der in Fig. 2 angegebenen Schaltungsteile realisiert wer­ den. Gleiche Bauteile sind im übrigen in Fig. 2 mit denselben Be­ zugszeichen versehen wie in Fig. 1.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel liegt zwischen dem Ausgang SH des Spannungsreglers 11 und dem Ausgang CL des Span­ nungsreglers 11 die Reihenschaltung einer Diode D1 und der Kollek­ tor-Emitter-Strecke eines Transistors T1. Die Diode D1 sowie der Transistor T1 übernehmen die Funktionen der Schalter H1 bzw. S1 des Ausführungsbeispieles nach Fig. 1.

Der Transistor T1 wird durch Beeinflussung seines Basispotentials entweder in leitendem oder in gesperrtem Zustand gehalten. Zur Be­ einflussung dieses Basispotentials dient eine Schaltung, die sich wie folgt zusammensetzt: An die Basis des Transistors T1 ist die Reihenschaltung eines Widerstandes R1 sowie einer Diode D2 und einer Relaisansteuerung, beispielsweise der Hauptrelaisansteuerung 18 an­ geschlossen, wobei die andere Seite der Hauptrelaisansteuerung 18 mit dem Zündschloß 12 in Verbindung steht. Weiterhin ist ein Wider­ stand R2 an die Basis des Transistors T1 angeschlossen, der über die Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors T2 auf Masse geführt ist. Die Basis des Transistors T2 ist über einen Widerstand R3 und einen Widerstand R4 mit dem Prozessor 14 verbunden und über einen weiteren Widerstand R5 mit Masse verbunden.

Der Transistor T1 dient einerseits als Schalter, andererseits wird aber auch die Stromverstärkung des Transistors T1 ausgenutzt. Die Einstellung der Verstärkung des Transistors T1 erfolgt mit Hilfe einer geeigneten Dimensionierung Schaltungselemente der der Strom­ pfade R1, D2, Hauptrelaisansteuerung 18, Zündschloß 12 bzw. R2, T2 sowie der Widerstände R3, R4 und R5. Je nachdem, ob die Hauptrelais­ ansteuerung aus- oder eingeschaltet ist, fließt ein Strom durch den einen oder den anderen Pfad und bewirkt eine entsprechende Beein­ flussung der Verstärkung des Transistors T1. Durch das Widerstand­ verhältnis wird der maximale Kurzschlußstrom eingestellt. Es wird insgesamt eine zwischen zwei Werten umschaltbare Begrenzung des Stromes vom Dauerspannungsregler erhalten. Beispiele für diese Be­ grenzung des Standby-Stromes sind 1 mA bei ausgeschalteter Zündung, also auch während einer Nachlaufphase und 100 mA im Normalbetrieb.

Funktionsweise der Ausführungsbeispiele

Nach dem ersten Anlegen von Batteriedauerspannung wird der Dauer­ spannungsregler mit geringem Stromvermögen 11b aktiviert, am Ausgang CL erscheint eine Spannung. Der für die CPU/RAM vorgesehene Versor­ gungsausgang wird jedoch durch einen elektrischen Schalter S1 bzw. T1 blockiert. Es ist also der Ausgang CL aktiv und auf die Spannung VDD hochgeregelt, die CPU bzw. der RAM sind jedoch nicht versorgt, es sind auch keine Daten zu speichern. Der Ausgang SH ist zu diesem Zeitpunkt noch inaktiv. Bei Aktivierung des Zündschalters 12 bzw. durch ein Schaltsignal, das als Fole einer Aktivierung des Zünd­ schalters generiert wird, wird der Spannungsregler 11a aktiviert. Diese Aktivierung bewirkt ein Hochziehen der CPU/RAM-Peripheriebe­ schaltung auf die Versorgungsspannung VDD. Dadurch wird die Proble­ matik des Stromabflusses über die CPU/RAM-Anschlüsse bzw. die soge­ nannten Ports vermieden.

Das Durchschalten der Spannung CL über den Schalter S1 auf den CPU/RAM-Versorgungsanschluß kann nach zwei Varianten erfolgen:

Variante 1

Über einen zeitweilig wirkenden Hilfsstrompfad H1, beispielsweise eine Diode D1 vom Hochstromspannungsregler SH auf den CPU/RAM-Ver­ sorgungsanschluß wird die CPU/RAM zusammen mit der Peripheriebe­ schaltung vom Spannungsregler SH synchron auf Versorgungsspannungs­ niveau gebracht. Durch Ansteigen der Spannung VDD für die Periphe­ riebeschaltung der CPU/RAM und gleichzeitiges Hochziehen der Ver­ sorgungsspannung von CPU/RAM über den Hilfsstrompfad H1 reduzieren sich die störenden Anschluß- bzw. Portströme auf ein verschwindendes Maß. Der Spannungsregler SH kann den durch Längsstrom in den Gegen­ taktstufen innerhalb der CPU/RAM begründeten Mehrstrom aufbringen. Durch zügiges Hochziehen der Versorgungsspannung kann ein die in­ ternen Flipflops beeinflussender Power-On-Reset klare Verhältnisse für den weiteren Betrieb schaffen.

Variante 2

Anstelle des Hilfsstrompfades H1 tritt eine vom Zündschloßschalter 12 angesteuerte Schaltstufe, die mit der weiter unten beschriebenen Selbsthaltestufe ODER-verknüpft ist und auf den Schalter S1 ein­ wirkt. Durch das Hochziehen der Spannung für die CPU/RAM-Peripherie reduzieren sich die unter Variante 1 beschriebenen etwaigen Portab­ flußströme auf ein Minimum, so daß lediglich die Ströme durch Gegen­ taktendstufen des Steuergerätes Hochfahren der CPU/RAM-Versorgung übrig bleiben.

Liegt dieses Stromaufkommen innerhalb der Kapazität des Spannungs­ reglers CL kann auf den Hilfsstrompfad H1 verzichtet werden, das erstmalige Einschalten des Schalters S1 erfolgt dann über die vom Zündschloßschalter 12 angesteuerte Schaltstufe 16. In diesem Fall kann die Schaltstufe 16, die bereits für andere Zwecke vorhanden ist, beispielsweise als Ausgangsstufe für die Hauptrelais-Ansteue­ rung oder in ähnlicher Weise als Signalstufe für den Zündschloß­ schalter, mitverwendet werden. Ein zusätzlicher positiver Effekt ist der im aktiven Zustand der CPU/RAM mögliche zusätzliche Basisstrom für den Schalter S1, der sinnvoll ist falls S1 ein Bipolartransistor ist, wodurch die am Schalter S1 abfallende Spannung minimiert wird.

Die auf annähernd VDD hochgezogene Versorgungsspannung an der CPU/RAM ist die Steuerspannung zur Aktivierung des elektrischen Schalters vom Spannungsregler CL auf den Versorgungsanschluß CPU/RAM. Die Verschaltung zur Aktivierung des Schalters S1 ist so ausgelegt, daß sich der Schalter S1 auch und gerade aufgrund der von ihm selbst auf seinen Ausgang und damit auf den CPU/RAM-Versorgungs­ anschluß durchgeschalteten Spannungswert VDD ab diesem Zeitpunkt im­ mer im aktiven Zustand hält. Dies entspricht einer Selbsthalte­ schaltung.

Die an diesem aktivierten elektrischen Schalter S1 abfallende Span­ nung kann geringer sein als der Spannungsabfall am Hilfsschalter H1 von der Hauptspannungsversorgung auf den CPU-Versorgungsanschluß wodurch der Dauerspannungsversorgungsregler die Strombelieferung vollständig oder teilweise übernimmt, für den jetzt aufzubringenden CPU/RAM-Strom ist der Dauerspannungsregler ausgelegt.

Ein Ausschalten des Zündschloßschalters 12 bewirkt direkt oder in­ direkt oder eventuell zeitlich verzögert ein Abschalten des Haupt­ spannungsreglers. Durch ein davon abgeleitetes Signal für einen CPU/RAM-Steuereingang wird die CPU/RAM in einen Standby-Modus mit sehr geringer Stromaufnahme versetzt. Bedingt durch die Rückkopplung zwischen der CPU und den Versorgungsanschluß zum elektrischen Schal­ ter S1 bleibt der Schalter S1 aktiviert und der RAM-Speicher ver­ sorgt. Die im RAM abgelegten Daten bleiben damit gespeichert.

Die möglicherweise auftretenden Portströme werden durch definiertes Setzen der Ports in hochohmigem Zustand vermieden. Undefinierte Längsströme in Gegentaktstufen treten nicht mehr auf, der Stand­ by-Strom ist sehr gering. Die Bauelemente, die zwischen den beiden Spannungsreglern 11a und 11b bzw. zwischen CL und SH liegen, können diskret aufgebaut sein, sie können auch in integrierter Bauweise aufgebaut werden.

Zwischen dem Hauptreglerausgang und dem Standby-Ausgang kann eine DMOS-Struktur angeordnet werden, insbesondere ist die Diode D1 in DMOS-Struktur möglich. Eine DMOS-Struktur zwischen dem Hauptregler­ ausgang SH und dem Standby-Ausgang CL unterstützt den Standby-Aus­ gang bei erhöhten Stromforderungen augenblicklich. Durch diese DMOS-Struktur ist ein Gleichlauf der Hauptregler- und Standby-Span­ nung über deren Widerstand RDSon gegeben. Die DMOS-Struktur wird abgeschaltet, sobald die Standby-Spannung die Hauptreglerspannung überschreitet, eine Rückspeisung aus dem Dauerspannungsregler 11b in den Hauptspannungsregler 11a bzw. dessen Ausgang ist also nicht mög­ lich.

Claims (8)

1. Einrichtung zur Spannungsversorgung für eine Prozessoreinheit, mit einer Batterie und einem oder mehreren mit der Batterie in Ver­ bindung stehenden Spannungsregler der oder die wenigstens zwei, mit der Prozessoreinheit verbindbare Ausgänge aufweisen, an denen von­ einander unabhängige Spannungen auftreten, wobei eine der Spannungen eine Dauerspannung und die andere eine schaltbare Spannung ist, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Ausgang, an dem die Dauerspannung auftritt, ein kleiner Strom abgreifbar ist und am anderen Ausgang ein höherer Strom abgreifbar ist und Schaltungsmittel zwischen den beiden Ausgängen des Spannungsreglers liegen, die zeitweilig eine Verbindung zwischen den beiden Ausgängen und der Prozessoreinheit herstellen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Batterie ständig mit einem ersten Eingang des Spannungsreglers verbunden ist und mit einem zweiten Eingang des Spannungsreglers über Schaltmittel verbindbar ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozessoreinheit das Steuergerät mit der zentralen Prozessoreinheit (CPU) und wenigstens einem RAM-Speicher und die Schaltmittel der Zündschalter eins Kraftfahrzeuges sind.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsmittel zwischen den beiden Aus­ gängen des Spannungsreglers zwei Schalter sind, die in Abhängigkeit von der Stellung der mit dem Eingang des Spannungsreglers verbun­ denen Schaltmittel geschaltet werden.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsmittel zwischen den beiden Ausgängen des Spannungsreglers eine Diode (D1) oder ein Transistor und ein Transistor (T1) sind, wobei das Potential an der Basis des Transistors (T1) in Abhängigkeit von der Stellung der mit dem Ein­ gang des Spannungsreglers verbundenen Schaltmittel beeinflußbar ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenschaltung der Diode (D1) und der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors (T1) zwischen den beiden Ausgängen des Spannungsreglers liegt.

7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang des Spannungsreglers, an dem der hohe Strom abgreifbar ist, weitere Verbraucher angeschlossen sind, insbesonders Peripherieschaltungen, Endstufen und EPROM-Speicher.

8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Spannungsregler die Hauptrelais­ ansteuerung oder irgendeine anderer Verschaltung, die abhängig vom Zündschloßsignal (12) gesteuert wird, liegt, die über weitere Schal­ tungselemente mit der Basis des Transistors (T1) und außerdem mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Kollektor des Transistors (T1) und der Kathode der Diode (D1) verbunden ist.