WO2001089070A1 - Vorrichtung zur aufrechterhaltung einer versorgungsspannung - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a device for maintaining a supply voltage, in particular the supply voltage of electronic devices in a motor vehicle, according to the features of claim 1.
  • V B 12V
  • the linear voltage regulator has been preceded by a permanently operating voltage boost / buck converter (so-called buck boost converter, with a coil, a switch in series with it and a switch short-circuiting the coil output with extensive control logic), which largely constant input voltage (with the exception of inevitable S chaltspitzen unless good sized screening prior ⁇ handen is) provides for the linear voltage regulator.
  • buck boost converter so-called buck boost converter, with a coil, a switch in series with it and a switch short-circuiting the coil output with extensive control logic
  • this solution is technically complex and expensive.
  • a simple voltage step-up converter boost converter
  • boost converter boost converter
  • a voltage booster is shown, to the input E, the Bat ⁇ terietress V B is applied. At its output A, a voltage V IN can be tapped, which is applied to the linear voltage regulator, not shown, as its input voltage. Between input E and output A of the voltage boost converter there is a series connection of a coil L and an in
  • the voltage step-up converter has a comparator K, at whose input the battery voltage V B and at the other input of which there is a predetermined threshold value V s .
  • the output of the comparator K is connected to an input of an AND gate U.
  • the other input of the AND gate U is connected to the output of a signal generator PWM.
  • the functions of the comparator (K), signal generator (PWM) and AND gate (U) can be carried out by a microprocessor if one is present anyway and can take over these functions.
  • the output of the AND gate U is connected to the gate terminal (base) of a switching transistor T, the drain terminal (collector) of which is connected to the connection point of coil L and diode D1.
  • the source terminal (emitter) of the switching transistor T ⁇ closing Lich is connected to reference potential GND.
  • the output voltage V IN is smoothed by a disposed between output A and reference Spoten ⁇ tial GND capacitor C.
  • an output signal for example an H signal, appears at the output of the comparator K, which makes the AND gate U permeable to output signals of the signal generator PWM.
  • the switching transistor T is alternately turned on and off by these output signals of the signal generator PWM.
  • the AND gate U is blocked by the output signal of the comparator K, and thus also the boost converter.
  • the voltage supply of the voltage regulator then takes place directly again through the battery voltage V B via coil L and diode D1.

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Abstract

Vorrichtung zur Aufrechterhaltung einer aus einer Batteriespannung (VB) mittels eines mit konstanter Frequenz und konstantem Tastverhältnis betriebener Spannungshochsetzers und eines diesem nachgeschalteten Spannungsreglers erzeugten Versorgungsspannung (VCC) für elektronische Geräte, wobei der Spannungshochsetzer nur dann in Betrieb ist, wenn die Batteriespannung (VB) unterhalb eines vorgegebenen Schwellwerts (VS) liegt, und wobei andernfalls die elektronischen Geräte direkt aus der Batteriespannung (VB) versorgt werden.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zur Aufrechterhaltung einer Versorgungsspannung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufrechterhaltung einer Versorgungsspannung, insbesondere der Versorgungsspannung elektronischer Geräte in einem Kraftfahrzeug, nach den Merkmalen des Anspruchs 1.
Werden beispielsweise in einem Kraftfahrzeug elektronische Geräte wie ein Motorsteuergerät ECU an einer aus einer Batteriespannung VB (üblicherweise VB = 12V) erzeugten Versorgungsspannung Vcc (üblicherweise VCc = 5V) betrieben, so ist dieser Batteriespannung VB eine Vielzahl transienter Span- nungsänderungen überlagert. Beispielsweise kann die Batteriespannung während eines Startvorgangs auf bis zu VB < 5V einbrechen. Dann ist ein für die Regelung der Versorgungsspannung vorgesehener linearer Spannungsregler nicht mehr in der Lage, an seinem Ausgang eine Versorgungsspannung VCc = 5V aufrecht zu halten. Es wird ein Resetimpuls zum Abschalten der angeschlossenen elektronischen Geräte ausgelöst. Ein Abschalten beispielsweise eines elektronischen Motorsteuerge- räts während eines Startvorgangs ist jedoch nicht zulässig.
Bisher wird dem linearen Spannungsregler ein permanent arbeitender Spannungs-Hoch/Tiefsetzer (sog. Buck-Boost-Converter, mit einer Spule, einem in Reihe mit ihr liegenden Schalter und einem den Spulenausgang kurzschließenden Schalter mit um- fangreicher Steuerlogik) vorgeschaltet, welcher eine weitgehend konstante Eingangsspannung (mit Ausnahme unvermeidlicher Schaltspitzen, sofern keine gut dimensionierte Siebung vor¬ handen ist) für den linearen Spannungsregler liefert. Diese Lösung ist jedoch technisch aufwendig und teuer.
Alternativ wird die 5V-Resetschwelle abgesenkt und so gewählt, daß sie bei einer auf 5V abgesenkten Batteriespannung VB und einem unvermeidlichen Spannungsabfall am Spannungsreg¬ ler noch nicht unterschritten wird. Diese Lösung hat den Nachteil, daß die verwendeten Bauteile für im Motorsteuerge- rät befindliche Mikrocontroller einen nach unten erweiterten Versorgungsspannungsbereich unterstützen müssen, der jedoch zukünftig durch ansteigende Leistungsfähigkeit zusehends eingeschränkt wird.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Aufrechterhaltung einer Versorgungsspannung zu schaffen, welche bei einfacherem Aufbau und geringeren Kosten arbeitet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des An- spruchs 1 gelöst.
Danach ist ein dem Spannungsregler vorgeschalteter einfacher Spannungshochsetzer (Boost-Converter) vorgesehen, der nicht geregelt, sondern lediglich mit konstanter Frequenz und kon- stantem Tastverhältnis betrieben wird, und nur dann eingeschaltet ist, wenn die Batteriespannung VB einen vorgegebenen Schwellwert Vs unterschreitet. Der Spannungshochsetzer wird auf eine Ausgangsspannung gebracht, die dem nachfolgenden Spannungsregler erlaubt, die benötigte Versorgungsspannung zu erzeugen. Bei einer Batteriespannung VB oberhalb der Schwellspannung Vs ist der Spannungshochsetzer abgeschaltet, da er dann nicht benötigt wird. Die Erfindung wird nachstehend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert.
In der einzigen Figur ist in einem punktierten Rahmen ein Spannungshochsetzer dargestellt, an dessen Eingang E die Bat¬ teriespannung VB angelegt ist. An seinem Ausgang A ist eine Spannung VIN abgreifbar, welche an den nicht dargestellten linearen Spannungsregler als dessen Eingangsspannung angelegt wird. Zwischen Eingang E und Ausgang A des Spannungshochset- zers ist eine Reihenschaltung einer Spule L und einer in
Richtung vom Eingang E zum Ausgang A stromleitenden Diode Dl angeordnet.
Der Spannungshochsetzer weist einen Komparator K auf, an des- sen einem Eingang die Batteriespannung VB, und an dessen anderem Eingang ein vorgegebener Schwellwert Vs liegt. Der Ausgang des Komparators K ist mit einem Eingang eines UND- Gliedes U verbunden. Der andere Eingang des UND-Gliedes U ist mit dem Ausgang eines Signalgenerators PWM verbunden.
Die Funktionen von Komparator (K) , Signalgenerator (PWM) und UND-Glied (U) können durch einen Mikroprozessor ausgeführt werden, wenn ein solcher ohnehin vorhanden ist und diese Funktionen übernehmen kann.
Der Ausgang des UND-Gliedes U ist mit dem Gateanschluß (Basis) eines Schalttransistors T verbunden, dessen Drainanschluß (Kollektor) mit dem Verbindungspunkt von Spule L und Diode Dl verbunden ist.
Als Verpolschutz für die Batteriespannung VB kann zwischen Drainanschluß und Spule L eine zum Drain hin stromleitende, weitere Diode D2 vorgesehen sein, die im Falle einer Verpo- lung der Batteriespannung VB einen zu hohen Rückstrom durch den Schalttransistor T verhindert.
Der Sourceanschluß (Emitter) des Schalttransistors T schlie߬ lich ist mit Bezugspotential GND verbunden. Die Ausgangsspannung VIN wird durch einen zwischen Ausgang A und Bezugspoten¬ tial GND angeordneten Kondensator C geglättet.
Sinkt die Batteriespannung VB, beispielsweise 12V, unter den Schwellwert Vs beispielsweise 6.5V, so erscheint am Ausgang des Komparators K ein Ausgangssignal, beispielsweise ein H- Signal, welches das UND-Glied U für Ausgangssignale des Signalgenerators PWM durchlässig macht. Von diesen Ausgangssig- nalen des Signalgenerators PWM wird der Schalttransistor T wechselweise leitend und nichtleitend gesteuert. Diese Ausgangssignale des Signalgenerators PWM sind Signale mit konstanter Frequenz und konstantem Tastverhältnis. Frequenz und Tastverhältnis sind dabei so bemessen, daß der Spannungshoch- setzer bei beispielsweise minimal noch zulässiger Batteriespannung VB = 5V eine Ausgangsspannung Vτ.N von wenigstens 6.5V erzeugt.
Während jeder stromleitenden Periode des Schalttransistors T fließt infolge der angelegten Batteriespannung VB ein ansteigender Strom vom Eingang E über die Spule L, die aufgeladen wird, über die weitere Diode D2, wenn vorhanden, und den Schalttransistor T zum Bezugspotential GND. Wird der Schalttransistor T nichtleitend, so fließt der Strom durch die Spu- le weiter, die jetzt entladen wird, nun aber über die Diode Dl in den Kondensator C, dessen Spannung infolge dessen ansteigt. Bei einer erforderlichen VersorgungsSpannung von 5V soll am Spannungsregler eine minimale EingangsSpannung VIN von 6.5V liegen, selbst wenn die Batteriespannung VB bei minimal 5V liegt. Wenn (bei VB < Vs) die Spannung VΪN infolge der Aufla- düng des Kondensators C über diesen Wert ansteigt, so spielt das keine Rolle, da der Spannungsregler Eingangsspannungen bis über 12V hinaus verträgt.
Steigt die Batteriespannung wieder über den Schwellwert VS, so wird das UND-Glied U vom Ausgangssignal des Komparators K, und damit auch der Boost-Converter, gesperrt. Die Spannungsversorgung des Spannungsreglers erfolgt dann wieder direkt durch die Batteriespannung VB über Spule L und Diode Dl .

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Aufrechterhaltung einer aus einer Batte¬ riespannung (VB) mittels eines Spannungssetzers und eines diesem nachgeschalteten Spannungsreglers erzeugten Versor¬ gungsspannung (VCc) für elektronische Geräte, insbesondere in einem Kraftfahrzeug,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
daß der Spannungssetzer ein mit konstanter Frequenz und konstantem Tastverhältnis betriebener Spannungshochsetzer ist,
welcher nur dann in Betrieb ist, wenn die Batteriespannung (VB) unterhalb eines vorgegebenen Schwellwerts (Vs) liegt,
welcher, auch bei minimal zulässiger Batteriespannung (VB) , wenigstens eine minimale Eingangsspannung (Vτ.N) für den Spannungsregler bereitstellt, und
daß die elektronischen Geräte direkt aus der Batteriespannung (VB) versorgt werden, wenn diese oberhalb des vorgegebenen Schwellwerts (Vs) liegt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Eingang (E) des Spannungshochsetzers, an den die Batteriespannung (VB) angelegt ist, und seinem Ausgang (A) , an dem die Eingangsspannung (VIN) für den Spannungsreg- 1er abgreifbar ist, eine Reihenschaltung einer Spule (L) und einer in Richtung vom Eingang (E) zum Ausgang (A) stromleitenden Diode (Dl) angeordnet ist, daß der Spannungshochsetzer einen Komparator (K) aufweist, an dessen einem Eingang die Batteriespannung (VB) und an des¬ sen anderem Eingang ein vorgegebener Schwellwert (Vs) liegt, daß der Ausgang des Komparators (K) mit einem Eingang eines UND-Gliedes (U) verbunden ist, dessen anderer Eingang mit dem Ausgang eines Signalgenerators (PWM) verbunden ist, daß der Ausgang des UND-Gliedes (U) mit dem Gateanschluß oder der Basis eines Schalttransistors (T) verbunden ist, des- sen Drainanschluß oder Kollektor mit dem Verbindungspunkt von Spule (L) und Diode (Dl) verbunden ist, und dessen Sourceanschluß oder Emitter mit Bezugspotential (GND) verbunden ist, und daß zwischen Ausgang (A) und Bezugspotential (GND) ein Kon- densator (C) angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwert (Vs) größer als die minimal zulässi- ge Batteriespannung (VB) gewählt ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß. der Schwellwert (Vs) gleich der minimal zulässigen EingangsSpannung (VIN) des Spannungsreglers gewählt ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, , dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Verbindungspunkt von Spule (L) und Diode (Dl) und dem Drainanschluß oder Kollektor eine zum Drainanschluß hin stromleitende weitere Diode (D2) als Verpol- schutz für die Batteriespannung (VB) angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 2, , dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionen von Komparator (K) , Signalgenerator (PWM) und UND-Glied (U) durch einen Mikroprozessor ausgeführt werden.
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