EP1438781B1

EP1438781B1 - Constant-voltage supply circuit for consumers connected to at least one line

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: WO2003038977A2; DE50211297D1; EP1438781A2; DE10153158A1; WO2003038977A3

Description

Die Erfindung betrifft eine Gleichspannungsversorgungsschaltung für an zumindest einer Leitung angeschlossene Verbraucher gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a DC voltage supply circuit for connected to at least one line consumer according to the preamble of claim 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.The interposed for the purpose of overvoltage protection between the supply voltage source and the lines or to the consumers switching means, also called longitudinal switch, are usually controlled by a Zener diode, which when exceeding a predetermined maximum value of the voltage on the line the control input to the Line connects and the switching means is opened. In particular, self-conducting field effect transistors are used for this purpose. Such protective functions take over in US 6031705 Z diodes and in DE 3526177 a 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.However, for some applications, the control input should be in normal operation at a defined and deviating from the reference potential voltage value. It is therefore intended to present a suitable DC voltage supply circuit, which is particularly suitable for use in a central unit of a bus system, in which modulated on the / the line (s) to the connected loads to the DC voltage current and / or voltage signals ,

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.This object is solved by the features of claim 1. Advantageous developments can be found in the dependent claims.

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.Thus, a voltage divider is used to set a voltage potential different from the reference potential at the control input used, which is connected in series with a first current source in the direction of the supply voltage source and a second current source in the direction of the reference potential, so that the current flow through the voltage divider and thus the voltage at the control input is substantially constant with respect to the possibly fluctuating voltage level on the line.

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.On the other hand, the current source directed towards the reference potential ensures that when the predetermined maximum value of the voltage on the line and the breakdown of the Zener diode is exceeded, the control input is connected to the line and the switching means is opened, but on the other hand the current flow remains low. In the event of overvoltage, therefore, the current source decisively limits the current flow and thus carries a considerable part of the voltage drop. As power sources known circuit arrangements, such as current mirror can be used.

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.In addition, a further switching means in the reference potential leading line is preferably connected synchronously to the switching means between the supply voltage source and the line to the consumers. By an H-bridge circuit with four correspondingly polarized diodes can also be designed in a simple way, the supply circuit for a change in the supply voltage leading line.

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

The invention will be explained in more detail with reference to embodiments and figures. Brief description of the figures:

FIG. 1: Supply circuit according to claim 1
FIG. 2: Supply circuit with the possibility of changing the supply voltage leading line

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.FIG. 1 shows a DC voltage _{supply circuit} , as can be used, for example, in a central unit of a bus system in which one or more consumers 5 are connected to the line (s) L _out1 , L _{out2 of} the bus system. These can be connected to the lines in parallel or serially, as a daisy chain or with their own reference potential connection without return. Power and / or voltage signals ΔU, ΔI are modulated onto the DC voltage.

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.The DC voltage supply circuit is thus connected to load 5 via at least one line Lout1 and has a switching means 1 between a supply voltage source Uq and the line L _out1 , the switching means 1 being controllable via a control input 11. As a switching means 1 is preferably a self-conducting field effect transistor is provided, wherein the control input 11 corresponds to the gate of the field effect transistor 1.

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.In addition, a Zener diode 4 is connected between the line L _out1 and the control input 11, which _goes into the breakthrough when exceeding a predetermined maximum value of the voltage U _zmax on the line L _out1 and thus connects the control input 11 to the line. The switching means 1 is thus opened via the control input 11, that is controlled in the blocking state.

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.Between the internal supply voltage source Uq and the reference potential (ground ⊥), a voltage divider R1 / R2 is provided which has a center tap 81 which is connected to the control input 1 of the switching means 1. The voltage divider in this case consists of two resistors R1, R2 formed, but may in principle also be formed by other components with a defined voltage drop, for example. Of diodes. From the center tap 81 to the supply voltage source Uq, a first current source Iq1 and from the center tap 81 to the reference potential ⊥, a second current source Iq2 is connected in series. The second current source Iq2 can be considered as a current sink due to their circuit to reference potential ⊥. As a circuit design, particularly known current mirror circuits are preferred because of their constant current characteristics and voltage resistance to the expected interference voltages.

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.The current sources Iq1 and Iq2 preferably each have a predetermined current value, which is determined such that when the Zener diode 4 is blocked, a voltage drop below a limit value, preferably a negligible voltage drop, occurs across the current sources Iq1, Iq2, ie the current value of these current sources Iq1 and Iq2 is approximately Uq-U _diode / (R2 + R1). At the control input 11 is a voltage of approximately Iq2 * R2. Thanks to the first current source Iq1, this voltage at the control input 11 is isolated from the supply voltage Uq, so that fluctuations, for example due to the data transmission by means of superimposed current and / or voltage pulses, do not cause any disturbances.

Eine solche Gleichspannungsversorgungsschaltung wird beispielsweise in der Zentraleinheit eines Bussystems zur Energie- und Datenübertragung in Fahrzeugen, insbesondere bei Fahrzeugen mit zwei unterschiedlichen Versorgungsspannungen verwendet.Such a DC power supply circuit is used, for example, in the central unit of a bus system for power and data transmission in vehicles, especially in vehicles with two different supply voltages.

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.Occurs on the line L _out1 exceeding a predetermined maximum value of the voltage U _zmax , for example due to an electrostatic discharge or a leak to a supply line with a relation to the supply voltage source higher voltage potential, the control input 11 is connected to the line L _out1 and the switching means 1 is opened. However, due to the now strongly current-limiting effect of the current source Iq2, only the corresponding current value continues to flow through the resistor R2, so that a large part of the overvoltage is absorbed by the current source circuit Iq2. In the upper branch of the voltage divider, a diode D is additionally installed as an additional protection, which blocks in the event of an overvoltage and protects the current source Iq1.
leads to the consumers a second line L _out2 for supplying the reference potential, it is preferably between this second line Lout2 and the reference potential ⊥ a second switching means 6 is provided which is controlled in response to the signal at the control input 11 of the first switching means 1. Preferably, this switching means 6 is a self-conducting field effect transistor, wherein the control inputs can be coupled directly or via a converter circuit 61, if this is required for the synchronous control due to the other voltage conditions.

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.In addition, the supply _circuit for a change in the supply voltage leading line L _out1 or L _{out2 be} designed symmetrically by two associated internal line sections Lin1, Lin2 are provided in Fig. 2, wherein in each case a line Lout1 / Lout2 via a respective switching means 1, 6 with the associated internal line section Lin1, Lin2 is connectable. Each line Lout1, Lout2 has in each case one connected to the control input 11 of the switching means 1.6 Z-diode 4.1, 4.2.

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.Between the internal line sections Lin1, Lin2 is an H-bridge with four diodes D11, D12, D21, D22 and one Middle branch 8 is provided. Optionally, one of the internal line sections Lin1, Lin2 can be connected to the supply voltage source Uq and the other to the reference potential ⊥, the diodes D11, D12, D21, D22 of the H bridge being poled such that the direction of current flow in the middle branch 8 remains the same regardless of the choice of the internal line section Lin1, Lin2 connected to the supply voltage source Uq. In the middle branch 8, the voltage divider R1 / R2 is again arranged with the center tap 81, to which (81) the control inputs 11 and 61 of the switching means 1, 6 are connected via a control circuit 7 in this example. On both sides of the center tap 81, the current sources Iq1, Iq2 are again arranged in each case.

Claims

Constant-voltage supply circuit for loads (5) that are connected to at least one line (Lout),
a) with a controllable switching means (1) arranged between a supply-voltage source (Uq) and the line (L_out1), wherein the switching means (1) has a control input (11), and

b) a Zener diode (4) is connected between the line (Lout) and the control input (11), which diode connects, if a predetermined maximum value of the voltage (U_zmax) on the line (L_out1) is exceeded, the control input (11) to the line and opens the switching means (1),
characterized in that

c) a voltage divider (R1/R2) is provided between the supply-voltage source (Uq) and a reference potential (⊥), said voltage divider having a center tap (81) that is connected to the control input (11) of the switching means (1),

d) and a first power source (Iq1) is connected in series between the center tap (81) and the supply-voltage source (Uq) and a second power source (Iq2) is connected in series between the center tap (81) and the reference potential (⊥).
Supply circuit according to claim 1,
characterized in that
the power sources (Iq1, Iq2) each have a predetermined current value that is determined such that the voltage above the power sources (Iq1, Iq2) drops below a limiting value if the Zener diode (4) is disabled.
Supply circuit according to claim 1 or 2,
characterized in that
there is a second line (L_out2 in Fig. 2) leading to the loads, said second line supplying the reference potential (⊥), and that between this second line (L_out2) and the reference potential (⊥) a second switching means (6) is provided that is controlled depending on the signal at the control input (11) of the first switching means (1).
Supply circuit according to any one of the preceding claims,
characterized in that
a) there are provided two lines (L_out1, L_out2) leading to the loads (5), and two associated internal line sections (L_in1, L_in2 in Fig. 2), wherein one line (L_out1/L_out2) each can be connected via one switching means (1, 6) each to the associated internal line section (L_in1, L_in2),

b) each line (L_out1, L_out2) has one Zener diode (4.1, 4.2 in Fig. 2) each that is switched towards the control input (11) of the switching means (1, 6),

c) an H-bridge with four diodes (D11, D12, D21, D22) and with a central branch (8) is provided between the internal line sections (L_in1, L_in2),

d) optionally, one of the internal line sections (L_in1, L_in2) can be connected to the supply-voltage source (Uq) and the other one to the reference potential (⊥),

e) wherein the diodes (D11, D12, D21, D22) of the H-bridge are polarized such that the direction of current flow in the central branch (8) remains constant independently of the selection of the internal line section (L_in1, L_in2) that is connected to the supply-voltage source (Uq),

f) the voltage divider (R1/R2) with the center tap (81) is arranged in the central branch (8), wherein the center tap (81) is connected to the control input (11) of the switching means (1, 6) and the power source (Iq1) is arranged on one side of the center tap (81) and the power source (Iq2) is arranged on the other side of the center tap (81).
Supply circuit according to any one of the preceding claims,
characterized in that
self-conductive field effect transistors are provided as switching means (1, 6).
Use of the supply circuit according to any one of the preceding claims in a central processing unit with loads that are connected via a bus system (L_out1, L_out2), wherein current signals and/or voltage signals (ΔU, ΔI) modulated onto the constant voltage are transmitted via the line(s) (L_out1, L_out2) of the bus system.
Use of the supply circuit according to any one of the preceding claims 1 to 6 in the central processing unit of a bus system (L_out1, L_out2) for energy and data transmission in vehicles, in particular in vehicles with two different supply voltages.