WO1999051992A1 - Spannungs-überwachungseinrichtung für zwei unterschiedliche versorgungsspannungen eines elektronischen geräts - Google Patents

Spannungs-überwachungseinrichtung für zwei unterschiedliche versorgungsspannungen eines elektronischen geräts Download PDF

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Alfons Fisch
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Definitions

  • Voltage monitoring device for two different supply voltages of an electronic device
  • the invention relates to a voltage monitoring device for two different supply voltages of an electronic device according to the preamble of claim 1.
  • the required supply voltages for example of a microcontroller, are usually generated from an operating voltage by means of integrated voltage regulators.
  • a voltage monitoring IC is known from DE-Z "DESIGN & ELEKTRONIK", edition 5 from March 1st, 1988, pages 13 and 16, which triggers a reset signal when the voltage to be monitored falls below a certain voltage value.
  • Integrated voltage regulators are usually equipped with an integrated voltage monitor - consisting of an analog-digital converter and a comparator - and issue a reset signal if their output voltage, a supply voltage for the electronic device, is outside a defined voltage range.
  • Use reference voltage or both controllers can generate different reference voltages.
  • An error due to an impermissibly high drift in the reference voltage of a voltage regulator cannot be recognized because of the common use for voltage generation and monitoring.
  • the object of the invention is to provide a voltage monitoring device for two different supply voltages of an electronic device, in particular the supply voltages of a microcontroller, in which a linear independence of the output voltage and voltage monitoring of a voltage regulator and the output voltages of both voltage regulators is ensured .
  • the supply voltages U1, U2 are usually obtained by means of known, integrated voltage regulators R1, R2 from an operating voltage UB (for example 12V) which must be greater than one of the two supply voltages U1, U2.
  • a voltage monitor (not shown) is integrated on each voltage regulator R1, R2 and outputs a reset signal when the output voltage - the supply voltage - leaves a defined voltage range, for example Ul, U2 ⁇ 10%.
  • the reset outputs of both voltage regulators Rl, R2 are, decoupled from each other in a manner not shown, connected to a reset input Resl of the microcontroller ⁇ C.
  • a reset signal brings the microcontroller into a safe state (eg switched off).
  • the circuit described above corresponds to the known, conventional generation of two different voltages.
  • the particular advantage in monitoring the two supply voltages U1, U2 of the microcontroller ⁇ C is that at least one ratiometric analog-to-digital converter is already integrated on this.
  • Its reference input Ref is supplied with the higher of the two output voltages (in this case Ul of the voltage regulator Rl) as the reference voltage, while the lower output voltage U2 of the regulator R2 is supplied to the analog measurement input A.
  • a ratiometric analog-digital converter forms the ratio of the analog input voltage U2 to the reference voltage Ul, i.e. U2 / U1 in its value range of e.g.
  • the digital value D is shown in a subsequent window comparator K, which is shown in software in the microcontroller ⁇ C.
  • a subsequent window comparator K which is shown in software in the microcontroller ⁇ C.
  • the U2 / U1 ratio is therefore monitored to determine whether it lies within the range permitted for the microcontroller ⁇ C. It is assumed that the likelihood of both voltages drifting in the same direction at the same time is negligibly small (potentiation of uncorrelated probabilities).
  • a reset signal Res2 appears at the output of the window comparator, as a result of which the microcontroller ⁇ C, as by the reset signal Resl, is brought into a safe state.
  • the only source of error of the voltage monitoring device according to the invention is the measurement accuracy of the analog-digital converter ADC, which has a typical value of 0.1% with a resolution of 10 bits.
  • a voltage monitoring device not only are the supply voltages, ie, the output voltages of the two voltage regulators, but also their ratio is monitored, as a result of which not only the linear independence of the two voltage monitors is achieved, but also a narrower tolerance range can be defined as that of the two voltage regulators R1, R2; in the case of monitoring a microcontroller without additional hardware components.

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Abstract

Spannungs-Überwachungseinrichtung für zwei unterschiedliche Versorgungsspannungen (U1, U2) eines elektronischen Geräts, mit einem ratiometrisch arbeitenden Analog-Digital-Wandler (ADC), dessen Referenzeingang (Ref) die größere Spannung (U1), und dessen Meßeingang (A) die kleinere Spannung (U2) zugeführt wird, und dessen Ausgangssignal (D = U2/U1) einem Fensterkomparator (K) zugeführt wird, in welchem es mit vorgegebenen Grenzwerten (G1, G2) verglichen wird und ein Resetsignal (Res2) für das elektronischen Gerät erzeugt wird, wenn das Ausgangssignal (D) den größeren Grenzwert (G1) überschreitet oder den kleineren Grenzwert (G2) unterschreitet.

Description

1
Beschreibung
Spannungs-Überwachungseinrichtung für zwei unterschiedliche Versorgungsspannungen eines elektronischen Geräts
Die Erfindung betrifft eine Spannungs-Überwachungseinrichtung für zwei unterschiedliche Versorgungsspannungen eines elektronischen Geräts nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Die benötigten Versorgungsspannungen beispielsweise eines Mi- krocontrollers werden üblicherweise mittels integrierter Spannungsregler aus einer Betriebsspannung erzeugt.
Aus DE 36 12237 AI ist eine Anordnung zur Überwachung von Spannungen bekannt, die über einen Multiplexer einem Analog- Digital-Wandler zugeführt und in einem Mikroprozessor mit gespeicherten Grenzwerten verglichen werden. Das Vergleichsergebnis wird in einer Anzeigevorrichtung angezeigt.
Aus DE-Z "DESIGN&ELEKTRONIK", Ausgabe 5 vom 01.03.1988, Seiten 13 und 16 ist ein Spannungsüberwachungs-IC bekannt, welches ein Resetsignal auslöst, wenn die zu überwachende Spannung unter einen bestimmten Spannungswert fällt.
Integrierte Spannungsregler sind in der Regel mit einem integrierten Spannungsüberwacher - bestehend aus einem Analog- Digital-Wandler und einem Komparator - ausgerüstet und geben ein Resetsignal aus, wenn ihre AusgangsSpannung, eine Versorgungsspannung des elektronischen Geräts, außerhalb eines de- finierten Spannungsbereichs liegt.
Durch die Integration der Spannungsüberwacher auf dem jeweiligen Spannungsregler ist eine lineare Unabhängigkeit von AusgangsSpannung und Spannungsüberwachung jedes Spannungsreg- lers und der Ausgangsspannungen beider Spannungsregler untereinander nicht gewährleistet, da Ausgangsspannungserzeugung und Spannungsüberwachung eines Spannungsreglers dieselbe Re- 2
ferenzspannung benutzen bzw. beide Regler unterschiedliche Referenzspannungen erzeugen können. Ein Fehler infolge einer unzulässig hohen Drift der Referenzspannung eines Spannungsreglers ist wegen der gemeinsamen Verwendung für Spannungser- zeugung und -Überwachung nicht zu erkennen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Spannungs-Überwachungs- einrichtung für zwei unterschiedliche Versorgungsspannungen eines elektronischen Geräts, insbesondere die Versorgungs- Spannungen eines Mikrocontrollers, zu schaffen, bei der eine lineare Unabhängigkeit von AusgangsSpannung und Spannungsüberwachung eines Spannungsreglers und der Ausgangsspannungen beider Spannungsregler untereinander gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung ist im folgenden unter Bezugnahme auf die schematische Zeichnung anhand der Spannungsversorgung eines Mikrocontrollers einer Kraftfahrzeug-Motorsteuerung mit zwei unterschiedlichen Versorgungsspannungen näher erläutert.
In der einzigen Figur ist ein MikroController μC schematisch als Kasten dargestellt, welcher Anschlüsse für zwei Versorgungsspannungen Ul, U2 (beispielsweise Ul = 5V, U2 = 3.3V) und ein Bezugspotential GND aufweist. Die Versorgungsspannungen Ul, U2 werden üblicherweise mittels bekannter, integrierter Spannungsregler Rl, R2 aus einer Betriebsspannung ÜB (beispielsweise 12V) gewonnen, die größer als eine der beiden Versorgungsspannungen Ul, U2 sein muß.
Auf jedem Spannungsregler Rl, R2 ist ein nicht dargestellter Spannungsüberwacher integriert, der ein Resetsignal ausgibt, wenn die AusgangsSpannung - die Versorgungsspannung - einen definierten Spannungsbereich, beispielsweise Ul, U2 ± 10%, verläßt. Die Resetausgänge beider Spannungsregler Rl, R2 sind, in nicht dargestellter Weise gegeneinander entkoppelt, mit einem Reseteingang Resl des Mikrocontrollers μC verbunden. Durch ein Resetsignal wird der MikroController in einen sicheren Zustand gebracht (z.B. abgeschaltet).
Die vorstehend beschriebene Schaltung entspricht der bekannten, üblichen Erzeugung zweier unterschiedlicher Spannungen.
Um eine lineare Unabhängigkeit von AusgangsSpannung und Span- nungsüberwachung jedes Spannungsreglers für sich und der Ausgangsspannungen beider Spannungsregler untereinander zu gewährleisten, ist erfindungsgemäß (in der Zeichnung fett hervorgehoben) ein weiterer, ratiometrisch arbeitender Analog- Digital-Wandler ADC vorgesehen.
Der besondere Vorteil bei der Überwachung der beiden Versorgungsspannungen Ul, U2 des Mikrocontrollers μC (auf beispielsweise Ul, U2 ± 5%) ist, daß auf diesem bereits wenigstens ein ratiometrisch arbeitender Analog-Digital-Wandler integriert ist.
Dessen Referenzeingang Ref wird die höhere der beiden Ausgangsspannungen (in diesem Fall Ul des Spannungsreglers Rl) als Referenzspannung zugeführt, während die niedrigere Aus- gangsspannung U2 des Reglers R2 dem analogen Meßeingang A zugeführt wird.
Ein ratiometrisch arbeitender Analog-Digital-Wandler bildet das Verhältnis der analogen Eingangsspannung U2 zur Referenz- Spannung Ul, also U2/U1 in seinem Wertebereich von z.B.
2 -1 = 1023 Schritten digital ab: der am Ausgang des Analog- Digital-Wandlers ADC erscheinende Digitalwert D des analogen Eingangswertes U2, bezogen auf den Wertebereich von 1023
Schritten
33 D = U2/U1 = 1023*— = 675 Schritte.
Der Digitalwert D wird in einem nachfolgenden Fensterkomparator K, welcher im Mikrocontroller μC softwaremäßig darge- stellt werden kann, mit vorgegebenen Grenzwerten Gl, G2 (beispielsweise Gl = 675 + 34 = 709 bzw. G2 = 675 - 34 = 641,
3.3 entsprechend einem Verhältnis U2/U1 = — ± 5%) verglichen.
Es wird also das Verhältnis U2/U1 daraufhin überwacht, ob es innerhalb des für den MikroController μC zulässigen Bereichs liegt. Dabei wird angenommen, daß die Wahrscheinlichkeit für ein gleichzeitiges Driften beider Spannungen in die gleiche Richtung vernachlässigbar klein ist (Potenzierung nicht kor- relierter Wahrscheinlichkeiten) .
Verläßt das Verhältnis der beiden Spannungen den vordefinierten Bereich (D > Gl oder D < G2), so erscheint am Ausgang des Fensterkomparators ein Resetsignal Res2, wodurch der Mikro- Controller μC, wie durch das Resetsignal Resl, in einen sicheren Zustand gebracht wird.
Da die VersorgungsSpannung U2 innerhalb des Meßbereichs von Ul des Analog-Digital-Wandlers ADC liegt, wird kein Span- nungsteiler benötigt, welcher, bedingt durch die Toleranz der Bauelemente, die Meßgenauigkeit reduzieren würde.
Die einzige Fehlerquelle der erfindungsgemäßen Spannungs- Überwachungseinrichtung ist die Meßgenauigkeit des Analog- Digital-Wandlers ADC, die bei einer Auflösung von 10 Bit einen typischen Wert von 0.1% aufweist.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel einer Spannungs-Über- wachungseinrichtung werden nicht nur die Versorgungsspannun- gen, d.h., die AusgangsSpannungen der beiden Spannungsregler für sich, sondern wird auch deren Verhältnis überwacht, wodurch nicht nur die lineare Unabhängigkeit beider Spannungsüberwachungen erreicht wird, sondern auch ein engerer Toleranzbereich als derjenige der beiden Spannungsregler Rl, R2 definiert werden kann; im Falle der Überwachung eines Mikrocontrollers ohne zusätzlich erforderliche Hardware-Komponenten.

Claims

Patentansprüche
1. Spannungs-Überwachungseinrichtung für zwei unterschiedli- ehe Versorgungsspannungen (Ul, U2) eines elektronischen Geräts, wobei jede Versorgungsspannung (Ul, U2) aus einer Betriebsspannung (ÜB) mittels eines integrierten Spannungsreglers (Rl, R2) erzeugt und mittels eines im Spannungsregler befindlichen Spannungsüberwachers mittels eines Analog- Digital-Wandlers und eines Fensterkomparators überwacht wird, wobei der Spannungsregler (Rl, R2) ein Resetsignal (Resl) an das elektronische Gerät ausgibt, um es in einen sicheren Zustand zu bringen, wenn die überwachte Versorgungsspannung einen definierten Toleranzbereich verläßt,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t
- daß ein weiterer, ratiometrisch arbeitender Analog-Digital- Wandler (ADC) vorgesehen ist, dessen Referenzeingang (Ref) die größere Versorgungsspannung (Ul) , und dessen Meßeingang
(A) die kleinere Versorgungsspannung (U2) zugeführt wird, und
- daß ein weiterer Fensterkomparator (K) vorgesehen ist, welchem der am Ausgang des Analog-Digital-Wandlers (ADC) erscheinende Digitalwert (D) zugeführt wird, in welchem er mit vorgegebenen Grenzwerten (Gl, G2) verglichen wird, und wobei der weitere Fensterkomparator (K) ein weiteres Resetsignal (Res2) erzeugt, wenn der Digitalwert (D) den größeren Grenzwert (Gl) überschreitet oder den kleineren Grenzwert (G2) unterschreitet.
2. Spannungs-Überwachungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronische Gerät ein MikroController (μC) ist, auf welchem der weitere Analog-Digital-Wandler (ADC) integriert ist, und in welchem der weitere Fensterkomparator (K) softwaremäßig dargestellt ist.
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