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Die vorliegende Erfindung betrifft Stromversorgungen für Mikroprozessoren, die als
elektronische Steuereinheiten/Steuergeräte (ECUs) in Fahrzeugen wirken, und betrifft
hauptsächlich den "Lastabwurf"-Schutz und die EIN-AUS-Steuerung solcher
Vorrichtungen.
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Steuergeräte für Kraftfahrzeuge müssen in der Lage sein, großen Energieübergängen an
der Versorgung + des Steuergerätes, die als "Lastabwurf" bezeichnet werden, ohne
Beschädigung standzuhalten. Es ist häufig erwünscht, dass das Steuergerät während
eines "Lastabwurfs" voll funktionsfähig ist. Die meisten Spannungsregler weisen eine
Art von eingebautem "Lastabwurf"-Schutz auf, der das Abschalten des Reglers während
eines solchen "Lastabwurfs" umfassen kann. Daher besteht die Anforderung, dass das
Steuergerät durch einen "Lastabwurf nicht beschädigt werden darf. Außerdem muss
das Steuergerät möglicherweise während eines "Lastabwurfs" arbeiten und voll
funktionsfähig sein.
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Der Spannungsregler in dem Steuergerät muss möglicherweise bei einer
Umgebungstemperatur von +125ºC arbeiten. Die in dem Regler dissipierte Leistung ist gleich
(Versorgungsspannung - Ausgangsspannung) · Durchlassstrom. Wenn das Fahrzeug
einen defekten Generator aufweist oder während einer schweren Ladung kann die
Spannung an B&spplus; bis zu 18 V betragen. Während eines Starts mit Starthilfe kann die
Batteriespannung 5 Minuten lang bis zu 25 V betragen. Das Steuergerät muss unter
Umständen während hoher Batteriespannungen und Starts mit Starthilfe voll
funktionsfähig sein. Des Weiteren muss das Steuergerät möglicherweise während eines
Motorstartvorgangs bei einer niedrigen Batteriespannung arbeiten. Um die niedrigste
Betriebsspannung zu erreichen, muss jede Komponente vor dem Spannungsregler einen
so kleinen Spannungsabfall wie möglich verursachen, um die Betriebsspannung des
Steuergeräts so weit wie möglich zu vergrößern.
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Das Steuergerät kann jederzeit mit der Versorgung B&spplus; des Fahrzeugs verbunden sein,
jedoch ferngesteuert aktiviert werden. Wenn die Vorrichtung ferngesteuert aktiviert
wird, kann das Steuergerät dann aktiviert bleiben, nachdem das
Aktivierungsfernsteuersignal inaktiv wird. Das Steuergerät muss einen sehr niedrigen Ruhestrom aufweisen,
wenn es inaktiv ist.
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Eine herkömmliche Schaltung zur Bereitstellung der zuvor genannten "Lastabwurf-
Funktion umfasst einen Serienwiderstand in der Leitung B&spplus; vor dem Regler und eine
Zener-Diode parallel zum Reglereingang. Ein Beispiel einer solchen Schaltung ist in
Fig. 1 der beigefügten Zeichnungen gezeigt. Fig. 1 zeigt einen Spannungsregler 10, der
mittels einer Diode D&sub1; und eines Widerstands R&sub1; mit einer Spannungsversorgung B&spplus;
gekoppelt ist, wobei eine Zener-Diode Z&sub1; und ein Elektrolytkondensator C&sub1; zwischen
dem Reglereingang und der anderen Versorgungsleitung 12 angeschlossen sind.
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Um eine ferngesteuerte Ein- und Ausschaltung des Spannungsreglers zu ermöglichen,
umfasst diese Schaltung ebenfalls einen Schalttransistor Tr&sub1; in der
Reglereingangsleitung 14, der mit Hilfe eines zweiten Transistors Tr&sub2; gesteuert werden kann, indem
Signale eingerichtet werden, die über jeweilige Dioden D&sub2; und D&sub3; eingeführt werden.
Die Durchschaltpegel werden mit Hilfe von Widerständen R&sub3;, R&sub4; und R&sub5; geregelt.
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Unter Verwendung dieser bekannten Schaltung werden Rückwärtsspannungen von der
Diode D&sub1; blockiert. Überspannungsübergänge werden von der Kombination aus R&sub1; und
D&sub1; absorbiert. Tr&sub1; und Tr&sub2; bilden einen Oberspannungsschalter, der ermöglicht, dass der
Spannungsregler selektiv mit der Versorgung B&spplus; verbunden wird. Der Kondensator C&sub1;
speichert Ladung derart, dass dem Spannungsregler ermöglicht wird, den Betrieb
während negativer Spannungspitzen und während vorübergehender Unterbrechungen in
der Versorgung B&spplus; aufrechtzuerhalten.
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Der Wert des Widerstands R&sub1; wird so gewählt, dass er einen übermäßigen Stromfluss
durch die Zener-Diode Z&sub1; und eine Beschädigung derselben verhindert. Der Wert des
Widerstands R&sub1; erzeugt einen Spannungsabfall, der die Betriebsleistung des
Steuergeräts bei niedriger Spannung beeinträchtigt. Das letztere Problem ist typischerweise
schwerwiegender, wenn der Laststrom normalerweise groß ist. Die Nennspannung des
Kondensators muss mindestens die maximale Klemmenspannung der Zener-Diode Z&sub1;
sein.
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Diese bekannte Schaltung weist folgende Nachteile auf:
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a) R&sub1; verhindert einen Betrieb bei niedriger Spannung.
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b) Wenn Z&sub1; beschädigt ist (offener Stromkreis), ist der Betrieb des Steuergeräts
beeinträchtigt und der Spannungsregler kann sich abschalten oder überlastet
sein.
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c) Z&sub1; ist eine redundante Betriebskomponente während Normalbetriebs.
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d) Die Nennbetriebsspannung von C&sub1; sollte die Klemmenspannung von Z&sub1; sein;
dies kann dazu führen, dass die Komponentengröße von C&sub1; physikalisch groß ist.
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e) Der Spannungsregler erfasst stets die Batteriespannung B&spplus;, wenn die Schaltung
eingeschaltet ist; dies kann eine übermäßige Wärmedissipation in der
Spannungsreglerverbindung verursachen.
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Aus DE-A-41 10 495 ist eine elektronische Halbleiterschaltung bekannt, die eine
Schutzvorrichtung zum Schutz gegen eine Versorgungsspannungsüberlast aufweist. Mit Hilfe
einer ersten Zener-Diode wird eine Versorgungsspannung durch einen ersten Transistor
vorgeregelt, der als ein nichtlinearer Widerstand wirkt. Wenn eine Lastabwurfspannung
an der Spannungsversorgungsleitung auftritt, wird der Strom durch den nichtlinearen
Widerstand durch die Verwendung einer zweiten Zener-Diode blockiert, die leitend
wird, wenn die Versorgungsspannung einen Betriebswert überschreitet, wobei ein
weiterer Transistor ebenfalls leitend wird und der Steuerstrom an der Basiselektrode des
ersten Transistors verringert wird. Schließlich erreicht der nichtlineare Widerstand, der
von dem ersten Transistor bereitgestellt wird, effektiv einen nichtleitenden Zustand.
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Aus JP-A-55112618 ist die Verwendung eines N-MOSFET bekannt, dessen
Gateelektrode so angeordnet ist, dass es auf einem im Wesentlichen festen Potential gehalten
wird, und dessen Drainelektrode und Sourceelektrode zwischen der Stromquelle und der
Last angeschlossen sind. Wenn die Stromversorgungsspannung zunimmt und der
Drain
strom dabei ist, zuzunehmen, wird das Gatepotential auf das Sourcepotential verringert,
der Anstieg des Drainstroms wird beschränkt und die Spannung, die an die Last
angelegt wird, wird nicht vergrößert.
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EP-A-0632562 betrifft keinen Überlastschutz, sondern eine Spannungsreglerschaltung,
die eine variable Impedanz umfasst. Eine Reglerschaltung liefert eine geregelte niedrige
Gleichspannung, die von einer ungeregelten Spannung abgeleitet wird, die von einem
Paar redundanter Batterien bereitgestellt wird. Die Reglerschaltung umfasst eine
Regelungssteuerung, die auf ein Rückführungssignal anspricht, das aus der
Überwachung der regulierten Spannung entwickelt wird, um die regulierte Spannung
auf einem gewünschten Pegel zu halten. Batteriemonitore überwachen die
Spannungspegel der verwendeten Batterien und schalten den Regler ab, wenn die
Batteriespannungen unter einen vorherbestimmten Spannungspegel abfallen, um die Lebensdauer
der Batterie zu erhalten.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Spannungsversorgungsschaltung nach
Anspruch 1 geschaffen.
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Demgemäß nimmt der Widerstand, der zwischen der Versorgung B&spplus; und dem
Spannungsregler eingeführt ist, mindestens oberhalb eines vorherbestimmten
niedrigeren Betriebspegels zum Beispiel 7 V zu, wenn der Wert der
Versorgungsspannung B&spplus; zunimmt.
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Vorteilhafterweise ist ein Aktivierungssignal für die Ladungspumpe ebenfalls so
ausgelegt, dass es der Gateelektrode des N-MOSFET für anfängliche Einschaltzwecke
zugeführt wird.
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Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, bei denen:
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Fig. 1 ein Schaltplan einer bekannten Anordnung ist, die eine EIN-AUS-Funktion und
eine "Lastabwurf"-Dissipation bereitstellt; und
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Fig. 2 ein Schaltplan einer Ausführungsform einer Schaltung gemäß der vorliegenden
Erfindung ist.
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Unter Bezugnahme auf Fig. 2 umfasst die Ausführungsform gemäß der vorliegenden
Erfindung einen Spannungsregler 10, der über eine Diode D&sub1; mit einer
Fahrzeugversorgung B&spplus; gekoppelt ist, und einen Sourceelektrodenfolger des N-MOSFET 16, dessen
Sourceelektrode S mit der Eingangsleitung 18 zum Spannungsregler 10 verbunden ist
und dessen Drainelektrode D mit der Diode D&sub1; verbunden ist. Die Gateelektrode G des
N-MOSFET 16 ist erstens an den Ausgang einer Ladungspumpe 20, zweitens durch den
Parallelanschluss einer Zener-Diode Z&sub2; und eines Widerstands R&sub7; an die andere
Versorgungsleitung 22 und drittens mit Hilfe eines Widerstands R&sub6; an ein Paar
Aktivierungsdioden D&sub4; und D&sub5; angeschlossen. Die Dioden D&sub4; und D&sub5; sind ebenfalls an einen
Aktivierungseingang der Ladungspumpe 20 angeschlossen, wobei die letztere
Ladungspumpe 20 eine Stromversorgungsleitung 24 aufweist, die an die Reglereingangsleitung
18 angeschlossen ist. Wie zuvor ist ein Elektrolytkondensator C&sub1; zwischen den
Schienen 18, 22 angeordnet. Diese Schaltung arbeitet wie folgt.
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Wenn die Spannung Vs an der Sourceelektrode des N-MOSFET geringer ist als die
Spannung VG an seiner Gateelektrode, ist der N-MOSFET leitend. Sonst ist er
nichtleitend und stellt effektiv einen hohen Widerstand bereit. Wenn der N-MOSFET
nichtleitend ist, wird demgemäß die Spannung an der Leitung 18 niedrig gehalten, und der
Spannungsregler ist ausgeschaltet und liefert keinen Strom an die ECU, die
nachgeschaltet ist (nicht gezeigt).
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Zur Einschaltung wird ein Aktivierungssignal (normalerweise die Batteriespannung B&spplus;)
an eine der Aktivierungsdioden D&sub4;, D&sub5; angelegt. Dies erhöht die Spannung an der
Gateelektrode des N-MOSFET auf Batteriespannung, so dass sie dann auf einer höheren
Spannung ist ab die Sourceelektrode Vs. Dadurch wird der N-MOSFET leitfähig. Das
Aktivierungssignal wird ebenfalls an die Ladungspumpe angelegt, und dies führt dazu,
dass die Ladungspumpe die Gatespannung VG schnell auf 12 V erhöht, wodurch der
MOSFET weiter eingeschaltet wird, so dass er als ein VOR-Spannungsregler wirkt.
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Sobald der MOSFET zu leiten begonnen hat, steigt die Spannung an der Leitung 18 und
liefert über die Leitung 24 eine Speisespannung für die Ladungspumpe 20, die im Fall
von Aktivierungsimpulsen ihren Betrieb aufrecht hält, wenn der
Aktivierungssignalimpuls beendet ist. Die Gateelektrodenspannung VG wird dann mittels der
Ladungspumpe und der Zener-Diode Z&sub2; auf einem festen Potential gehalten. Die Spannung an
der Sourcelektrode 5 ist typischerweise 2 V kleiner als die Spannung an der
Gateelektrode. Wenn die Versorgungsspannung kleiner als die Gateelektrodenspannung ist,
wird der N-MOSFET angereicherter, bis er vollständig eingeschaltet (leitend) ist, wenn
die Batteriespannung typischerweise etwa 7 Volt (oder weniger) beträgt. Wenn der
MOSFET vollständig eingeschaltet ist, befindet sich der Spannungsabfall vor dem
Spannungsregler auf einem Minimum. Wenn jedoch die Batteriespannung (aus
welchem Grund auch immer) ansteigt, nimmt der Widerstand des MOSFET
fortschreitend zu, da die Bedingung, dass Vs kleiner ist als VG, schließlich nicht mehr
zutrifft. "Lastabwurf"-Energie, die in der herkömmlichen Schaltung in der
Spannungsreglerverbindung absorbiert werden würde, wird dann in der MOSFET-Verbindung
absorbiert. Das Ergebnis dieses Vorgangs ist, dass der Widerstand des MOSFET, wenn
B&spplus; über ihren Normalpegel ansteigt, fortschreitend zunimmt, so dass Vs auf einer im
Wesentlichen festen Spannung gehalten wird, typischerweise im Bereich von 10 V.
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Die oben beschriebene Schaltung aus Fig. 2 stellt daher folgende Funktionen bereit:
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a) EIN/AUS-Schalten des Steuergeräts
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b) Bereitstellen eines "Lastabwurf"-Schutzes vor dem Spannungsregler;
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c) Erweitern des Betriebsspannungsbereichs des Steuergeräts; und
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d) Bereitstellen einer VOR-Regelung, um die Wärme zu minimieren, die in dem
Spannungsregler dissipiert wird.
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Des Weiteren können durch die Schaltung aus Fig. 2 die folgenden Vorteile erzielt
werden:
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1. Die Nennspannung des Kondensators C kann niedriger sein, wodurch die
Nutzung des verfügbaren gespeicherten Energiepotentials des Kondensators C
bedeutend verbessert wird.
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2. Die Leistung, die normalerweise in der Spannungsregler-Verbindung dissipiert
wird, wird verringert, da die VOR-Spannungsregelungsfunktion Energie
absorbiert, die in der Spannungsregler-Verbindung dissipiert werden würde.
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3. Es kann eine größere Auswahl von Spannungsreglern verwendet werden.
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4. Das Steuergerät kann bei einer niedrigeren Versorgungsspannung arbeiten.
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5. Das Steuergerät kann bei einer höheren Spannung arbeiten.
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6. Das Steuergerät ist während eines Lastabwurfs und bei Startbedingungen mit
Starthilfe voll funktionsfähig.
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7. Das Steuergerät weist bedeutende thermische Vorteile auf.
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8. Der Betrieb des "Lastabwurf"-Schutzes kann getestet werden.
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9. Die Klemmenspannung eines "Lastabwurfs" ist dieselbe wie die
VOR-Reglerspannung.