EP1438781B1

EP1438781B1 - Gleichspannungsversorgungsschaltung für an zumindest einer leitung angeschlossene verbraucher

Info

Publication number: EP1438781B1
Application number: EP02779181A
Authority: EP
Inventors: Heiko BÜHRING; Ewald Mauritz; Klaus-Dieter Meier; Hans-Georg Bogenrieder; Holger Wulff
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Conti Temic Microelectronic GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 2001-10-27
Filing date: 2002-10-25
Publication date: 2007-11-28
Anticipated expiration: 2022-10-25
Also published as: DE50211297D1; WO2003038977A3; EP1438781A2; WO2003038977A2; DE10153158A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Gleichspannungsversorgungsschaltung für an zumindest einer Leitung angeschlossene Verbraucher gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die zum Zwecke des Überspannungsschutzes zwischen der Versorgungsspannungsquelle und der bzw. den Leitungen zu den Verbrauchern zwischengeschalteten Schaltmittel, auch Längsschalter genannt, werden üblicherweise von einer Z-Diode aus angesteuert, die bei einer Überschreitung eines vorgegebenen Maximalwerts der Spannung auf der Leitung den Steuereingang mit der Leitung verbindet und das Schaltmittel geöffnet wird. Dazu dienen insbesondere selbstleitende Feldeffekttransistoren. Solche Schutzfunktionen übernehmen in US 6031705 Z-Dioden und in DE 3526177 ein Transistor.
Jedoch soll für einige Anwendungsfälle der Steuereingang im Normalbetrieb auf einem definierten und vom Bezugspotential abweichenden Spannungswert liegen. Es soll daher eine geeignete Gleichspannungsversorgungsschaltung vorgestellt werden, die sich insbesondere auch für die Verwendung in einer Zentraleinheit von einem Bussystem eignet, bei dem auf der/den Leitung(en) zu den angeschlossenen Verbrauchern auf die Gleichspannung aufmoduliert Strom- und/oder Spannungssignale übertragen werden.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
So wird zur Einstellung eines vom Bezugspotential abweichenden Spannungspotentials am Steuereingang ein Spannungsteiler genutzt, wobei dieser in Serie mit einer ersten Stromquelle in Richtung der Versorgungsspannungsquelle und einer zweiten Stromquelle in Richtung des Bezugspotentials verbunden ist, so dass der Stromfluss durch den Spannungsteiler und damit die Spannung am Steuereingang weitgehend konstant gegenüber dem möglicherweise schwankenden Spannungsniveau auf der Leitung ist.
Andererseits stellt die zum Bezugspotential hin gerichtete Stromquelle sicher, dass bei Überschreitung des vorgegebenen Maximalwerts der Spannung auf der Leitung und Durchbruch der Z-Diode der Steuereingang zwar mit der Leitung verbunden und so das Schaltmittel geöffnet wird, jedoch andererseits der Stromfluß gering bleibt. Im Überspannungsfall begrenzt also die Stromquelle maßgeblich den Stromfluß und trägt damit einen erheblichen Teil des Spannungsabfalls. Als Stromquellen können dazu bekannte Schaltungsanordnungen, wie beispielsweise Stromspiegel eingesetzt werden.
Zudem wird vorzugsweise synchron zum Schaltmittel zwischen Versorgungsspannungsquelle und Leitung zu den Verbrauchern auch ein weiteres Schaltmittel in der das Bezugspotential führenden Leitung geschaltet. Durch eine H-Brückenschaltung mit vier entsprechend gepolten Dioden kann zudem auf einfache Weise die Versorgungsschaltung für einen Wechsel der die Versorgungsspannung führenden Leitung ausgelegt werden.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren näher erläutert werden. Kurze Beschreibung der Figuren:

Figur 1: Versorgungsschaltung nach Anspruch 1
Figur 2: Versorgungsschaltung mit der Möglichkeit zum Wechsel der die Versorgungsspannung führenden Leitung

Die Figur 1 zeigt eine Gleichspannungsversorgungsschaltung, wie sie beispielsweise in einer Zentraleinheit eines Bussystems Anwendung finden kann, bei dem an der bzw. den Leitung(en) L_out1, L_out2 des Bussystems ein oder mehrere Verbraucher 5 angeschlossen sind. Diese können an den Leitungen parallel oder seriell, als Daisy-Chain oder mit eigener Bezugspotentialanbindung ohne Rückleitung angeschlossen sein. Auf die Gleichspannung aufmoduliert werden Strom- und/oder Spannungssignale ΔU, ΔI übertragen.
Die Gleichspannungsversorgungsschaltung ist also über zumindest eine Leitung Lout1 an Verbraucher 5 angeschlossen und weist ein Schaltmittel 1 zwischen einer Versorgungsspannungsquelle Uq und der Leitung L_out1 auf, wobei das Schaltmittel 1 über einen Steuereingang 11 steuerbar ist. Als Schaltmittel 1 ist vorzugsweise ein selbstleitender Feldeffekttransistor vorgesehen, wobei der Steuereingang 11 dem Gate des Feldeffekttransistors 1 entspricht.
Zudem ist eine Z-Diode 4 zwischen der Leitung L_out1 und dem Steuereingang 11 geschaltet, welche bei einer Überschreitung eines vorgegebenen Maximalwerts der Spannung U_zmax auf der Leitung L_out1 in den Durchbruch geht und so den Steuereingang 11 mit der Leitung verbindet. Das Schaltmittel 1 wird damit über den Steuereingang 11 geöffnet, also in den sperrenden Zustand gesteuert.
Zwischen der internen Versorgungsspannungsquelle Uq und dem Bezugspotential (Masse ⊥) ist ein Spannungsteiler R1/R2 vorgesehen, der einen Mittelabgriff 81 aufweist, der mit dem Steuereingang 1 des Schaltmittels 1 verbunden ist. Der Spannungsteiler wird hierbei aus zwei Widerständen R1, R2 gebildet, kann jedoch grundsätzlich auch von anderen Bauelementen mit einem definierten Spannungsabfall, bspw. von Dioden gebildet werden. Vom Mittelabgriff 81 zur Versorgungsspannungsquelle Uq hin ist eine erste Stromquelle Iq1 sowie vom Mittelabgriff 81 zum Bezugspotential ⊥ hin eine zweite Stromquelle Iq2 in Reihe geschaltet ist. Die zweite Stromquelle Iq2 kann dabei aufgrund ihrer Schaltung auf Bezugspotential ⊥ auch als Stromsenke betrachtet werden. Als schaltungstechnische Ausgestaltung sind insbesondere bekannte Stromspiegelschaltungen aufgrund ihrer Konstantstromeigenschaften und Spannungsfestigkeit gegenüber den erwarteten Störspannungen bevorzugt.
Die Stromquellen Iq1 und Iq2 weisen vorzugsweise jeweils einen vorgegebenen Stromwert auf, der so bestimmt ist, dass bei gesperrter Z-Diode 4 über den Stromquellen Iql, Iq2 ein Spannungsabfall unterhalb eines Grenzwertes, vorzugsweise ein vernachlässigbarer Spannungsabfall auftritt, d.h. der Stromwert dieser Stromquellen Iq1 und Iq2 näherungsweise Uq-U_Diode/(R2+R1) entspricht. Am Steuereingang 11 liegt eine Spannung von näherungsweise Iq2*R2 an. Diese Spannung am Steuereingang 11 ist dank der ersten Stromquelle Iq1 gegen die Versorgungsspannung Uq isoliert, so dass Schwankungen, beispielsweise aufgrund der Datenübertragung mittels aufgelagerter Strom- und/oder Spannungsimpulse keine Störungen verursacht.
Eine solche Gleichspannungsversorgungsschaltung wird beispielsweise in der Zentraleinheit eines Bussystems zur Energie- und Datenübertragung in Fahrzeugen, insbesondere bei Fahrzeugen mit zwei unterschiedlichen Versorgungsspannungen verwendet.
Tritt auf der Leitung L_out1 eine Überschreitung eines vorgegebenen Maximalwerts der Spannung U_zmax auf, beispielsweise aufgrund einer elektrostatischen Entladung oder eines Leckschlusses auf eine Versorgungsleitung mit einem gegenüber der Versorgungsspannungsquelle höheren Spannungspotential, so wird der Steuereingang 11 mit der Leitung L_out1 verbunden und das Schaltmittel 1 geöffnet. Dabei fließt über den Widerstand R2 jedoch aufgrund der nunmehr stark strombegrenzenden Wirkung der Stromquelle Iq2 weiterhin nur der entsprechende Stromwert, so dass ein Großteil der Überspannung von der Stromquellenschaltung Iq2 aufgenommen wird. Im oberen Zweig des Spannungsteilers ist zudem eine Diode D als zusätzlicher Schutz eingebaut, die bei einer Überspannung sperrt und die Stromquelle Iq1 schützt.
führt zu den Verbrauchern eine zweite Leitung L_out2 zur Zuführung des Bezugspotentials, so ist vorzugsweise zwischen dieser zweiten Leitung Lout2 und dem Bezugspotential ⊥ ein zweites Schaltmittel 6 vorgesehen ist, welches in Abhängigkeit vom Signal am Steuereingang 11 des ersten Schaltmittels 1 gesteuert wird. Vorzugsweise ist auch dieses Schaltmittel 6 ein selbstleitender Feldeffekttransistor, wobei die Steuereingänge direkt oder über eine Konverterschaltung 61 gekoppelt sein können, falls dies für die synchrone Ansteuerung aufgrund der anderen Spannungsverhältnisse erforderlich ist.
Zudem kann die Versorgungsschaltung für einen Wechsel der die Versorgungsspannung führenden Leitung L_out1 bzw. L_out2 symmetrisch ausgelegt werden, indem zwei zugeordnete interne Leitungsabschnitte Lin1, Lin2 in Fig. 2 vorgesehen sind, wobei jeweils eine Leitung Lout1/Lout2 über jeweils ein Schaltmittel 1, 6 mit dem zugeordneten internen Leitungsabschnitt Lin1, Lin2 verbindbar ist. Jede Leitung Lout1, Lout2 weist jeweils eine auf den Steuereingang 11 der Schaltmittel 1,6 geschaltete Z-Diode 4.1, 4.2 auf.
Zwischen den internen Leitungsabschnitten Lin1, Lin2 ist eine H-Brücke mit vier Dioden D11, D12, D21, D22 und einem Mittelzweig 8 vorgesehen. Wahlweise ist einer der internen Leitungsabschnitte Lin1, Lin2 mit der Versorgungsspannungsquelle Uq und der andere mit dem Bezugspotential ⊥ verbindbar, wobei die Dioden D11,D12,D21,D22 der H-Brücke so gepolt sind, dass die Stromflussrichtung im Mittelzweig 8 gleich bleibt unabhängig von der Wahl des mit der Versorgungsspannungsquelle Uq verbundenen internen Leitungsabschnitts Lin1, Lin2. Im Mittelzweig 8 ist wieder der Spannungsteiler R1/R2 mit dem Mittelabgriff 81 angeordnet, an dem (81) die Steuereingänge 11 bzw. 61 der Schaltmittel 1,6 in diesem Beispiel über eine Steuerschaltung 7 angeschlossen sind. Beidseitig des Mittelabgriffs 81 sind jeweils wieder die Stromquellen Iq1, Iq2 angeordnet.

Claims

Gleichspannungsversorgungsschaltung für an zumindest einer Leitung (Lout) angeschlossene Verbraucher (5),
a) mit einem steuerbaren Schaltmittel (1) zwischen einer Versorgungsspannungsquelle (Uq) und der Leitung (L_out1), wobei das Schaltmittel (1) einen Steuereingang (11) aufweist, und

b) eine Z-Diode (4) zwischen der Leitung (Lout) und dem Steuereingang (11) geschaltet ist, welche bei einer Überschreitung eines vorgegebenen Maximalwerts der Spannung (U_zmax) auf der Leitung (L_out1) den Steuereingang (11) mit der Leitung verbindet und das Schaltmittel (1) geöffnet wird,
dadurch gekennzeichnet, dass

c) zwischen der Versorgungsspannungsquelle (Uq) und einem Bezugspotential (⊥) ein Spannungsteiler (R1/R2) vorgesehen ist, der einen Mittelabgriff (81) aufweist, der mit dem Steuereingang (1) des Schaltmittels (1) verbunden ist,

d) und vom Mittelabgriff (81) zur Versorgungsspannungsquelle (Uq) eine erste Stromquelle (Iq1) sowie vom Mittelabgriff (81) zum Bezugspotential (⊥) eine zweite Stromquelle (Iq2) in Reihe geschaltet ist.
Versorgungsschaltung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Stromquellen (Iq1, Iq2) jeweils einen vorgegebenen Stromwert aufweisen, der so bestimmt ist, dass bei gesperrter Z-Diode (4) über den Stromquellen (Iq1, Iq2) ein Spannungsabfall unterhalb eines Grenzwertes auftritt.
Versorgungsschaltung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
zu den Verbrauchern eine zweite Leitung (L_out2 in Fig. 2) zur Zuführung des Bezugspotentials (⊥) besteht und zwischen dieser zweiten Leitung (L_out2) und dem Bezugspotential (⊥) ein zweites Schaltmittel (6) vorgesehen ist, welches in Abhängigkeit vom Signal am Steuereingang (11) des ersten Schaltmittels (1) gesteuert wird.
Versorgungsschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
a) zwei Leitungen (L_out1, L_out2) zu den Verbrauchern (5) und zwei' zugeordnete interne Leitungsabschnitte (L_in1, L_in2 in Fig. 2) vorgesehen sind, wobei jeweils eine Leitung (L_out1/L_out2) über jeweils ein Schaltmittel (1,6) mit dem zugeordneten internen Leitungsabschnitt (L_in1, L_in2) verbindbar ist,

b) jede Leitung (L_out1, L_out2) jeweils eine auf den Steuereingang (11) der Schaltmittel (1,6) geschaltete Z-Diode (4.1, 4.2 in Fig. 2) aufweist,

c) zwischen den internen Leitungsabschnitten (L_in1, L_in2) eine H-Brücke mit vier Dioden (D11,D12,D21,D22) und einem Mittelzweig (8) vorgesehen ist,

d) wahlweise einer der internen Leitungsabschnitte (L_in1, L_in2) mit der Versorgungsspannungsquelle (Uq) und der andere mit dem Bezugspotential (⊥) verbindbar ist,

e) wobei die Dioden (D11,D12,D21,D22) der H-Brücke so gepolt sind, dass die Stromflussrichtung im Mittelzweig (8) gleich bleibt unabhängig von der Wahl des mit der Versorgungsspannungsquelle (Uq) verbundenen internen Leitungsabschnitts (L_in1, L_in2),

f) im Mittelzweig (8) der Spannungsteiler (R1/R2) mit dem Mittelabgriff (81) angeordnet ist, wobei der Mittelabgriff (81) mit dem Steuereingang (11) der Schaltmittel (1,6) verbunden ist und beidseitig des Mittelabgriffs (81) jeweils die Stromquellen (Iq1, Iq2) angeordnet sind.
Versorgungsschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass als Schaltmittel (1, 6) selbstleitende Feldeffekttransistoren vorgesehen sind.
Verwendung der Versorgungsschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche in einer Zentraleinheit mit über ein Bussystem (L_out1, L_out2) angeschlossenen Verbrauchern, wobei auf der/den Leitung(en) (L_out1, L_out2) des Bussystems auf die Gleichspannung aufmoduliert Strom- und/oder Spannungssignale (ΔU, ΔI) übertragen werden.
Verwendung der Versorgungsschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 6 in der Zentraleinheit eines Bussystems (L_out1, L_out2) zur Energie- und Datenübertragung in Fahrzeugen, insbesondere bei Fahrzeugen mit zwei unterschiedlichen Versorgungsspannungen.