WO2003038977A2 - Gleichspannungsversorgungsschaltung für an zumindest einer leitung angeschlossene verbraucher - Google Patents

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Klaus-Dieter Meier
Hans-Georg Bogenrieder
Holger Wulff
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Robert Bosch Gmbh
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current
    • G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
    • G05F1/56—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices
    • G05F1/565—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor

Definitions

  • the invention relates to a DC voltage supply circuit for consumers connected to at least one line according to the preamble of claim 1.
  • the switching means also called series switches, interposed for the purpose of overvoltage protection between the supply voltage source and the line or lines to the consumers, are usually controlled by a Zener diode which, when a predetermined maximum value of the voltage on the line exceeds the control input with the Line connects and the switching means is opened.
  • Self-conducting field effect transistors are used in particular for this.
  • a suitable DC voltage supply circuit is to be presented, which is also particularly suitable for use in a central unit of a bus system in which current and / or voltage signals are transmitted on the line (s) to the connected consumers and modulated onto the DC voltage.
  • a voltage expensive 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 largely constant compared to the possibly fluctuating voltage level on the line ,
  • the current source directed towards the reference potential ensures that when the predetermined maximum value of the voltage on the line and breakdown of the Z 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 an overvoltage, the current source significantly limits the current flow and thus carries a significant part of the voltage drop.
  • Known circuit arrangements, such as current mirrors, can be used as current sources.
  • another switching means is preferably also switched in the line carrying the reference potential in synchronism with the switching means between the supply voltage source and the line to the consumers.
  • the supply circuit can also be designed in a simple manner for changing the line carrying the supply voltage.
  • 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 out ⁇ , L out2 of the bus system. These can be connected to the lines in parallel or in series, as a daisy chain or with their own reference potential connection without a return line. Current and / or voltage signals ⁇ U, ⁇ l are modulated onto the DC voltage.
  • the DC voltage supply circuit is thus connected to consumer 5 via at least one line Loutl and has a switching means 1 between a supply voltage source Uq and the line L ou t ⁇ , the switching means 1 being controllable via a control input 11.
  • the switching means 1 is preferably a self-conducting one
  • Field effect transistor is provided, the control input 11 corresponding to the gate of the field effect transistor 1.
  • a Zener diode 4 is connected between the line L out ⁇ and the control input 11, which breaks down when a predetermined maximum value of the voltage U zmax on the line L out ⁇ is exceeded and thus connects the control input 11 to the line.
  • the switching means 1 is thus opened via the control input 11, that is to say controlled in the blocking state.
  • a voltage divider R1 / R2 is provided between the internal supply voltage source Uq and the reference potential (ground JL), which has a center tap 81, which is connected to the control input 1 of the switching means 1.
  • the voltage divider is made up of two resistors Rl, R2 formed, but can in principle also be formed by other components with a defined voltage drop, for example by diodes.
  • a first current source Iql is connected from the center tap 81 to the supply voltage source Uq and a second current source Iq2 is connected in series from the center tap 81 to the reference potential J_.
  • the second current source Iq2 can also be regarded as a current sink due to its connection to reference potential -L.
  • Known current mirror circuits are preferred in particular as a circuit design because of their constant current properties and dielectric strength over the expected interference voltages.
  • the current sources Iql and Iq2 each preferably have a predetermined current value, which is determined such that when the Z diode 4 is blocked, a voltage drop below a limit value, preferably a negligible voltage drop, occurs across the current sources Iql, Iq2, ie the current value of these current sources Iql and Iq2 approximately corresponds to Uq-U D i 0 ae / (R2 + R1).
  • a voltage of approximately Iq2 * R2 is present at the control input 11. This voltage at the control input 11 is isolated from the supply voltage Uq thanks to the first current source Iql, so that fluctuations, for example due to the data transmission by means of superimposed current and / or voltage pulses, do not cause interference.
  • Such a DC voltage supply circuit is used, for example, in the central unit of a bus system for energy and data transmission in vehicles, in particular in vehicles with two different supply voltages.
  • the control input 11 is connected to the line L out ⁇ and the switching means 1 is opened.
  • the current source Iq2 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.
  • a diode D is also installed as additional protection, which blocks in the event of overvoltage and protects the current source Iql.
  • a second switching means 6 is preferably provided between this second line Lout2 and the reference potential _L, which is controlled as a function of the signal at the control input 11 of the first switching means 1.
  • This switching means 6 is also preferably a self-conducting field effect transistor, the control inputs being able to be coupled directly or via a converter circuit 61 if this is necessary for the synchronous actuation on account of the other voltage conditions.
  • the supply circuit for a change of the line L ou t ⁇ or L out2 carrying the supply voltage can be designed symmetrically by providing two assigned internal line sections Linl, Lin2 in FIG. 2, one line Loutl / Lout2 each via a switching means 1 , 6 can be connected to the assigned internal line section Linl, Lin2.
  • Each line Loutl, Lout2 each has a Z-diode 4.1, 4.2 connected to the control input 11 of the switching means 1.6.
  • the internal line sections Linl, Lin2 is an H-bridge with four diodes Dll, D12, D21, D22 and one Central branch 8 is provided.
  • One of the internal line sections Linl, Lin2 can optionally be connected to the supply voltage source Uq and the other to the reference potential J_, the diodes D11, D12, D21, D22 of the H-bridge being polarized so that the current flow direction in the central branch 8 remains the same regardless of the selection of the internal line section Linl, Lin2 connected to the supply voltage source Uq.
  • the voltage divider R1 / R2 with the center tap 81 is again arranged, to which (81) the control inputs 11 and 61 of the switching means 1.6 are connected in this example via a control circuit 7.
  • the current sources Iql, Iq2 are again arranged on both sides of the center tap 81.

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Abstract

Es wird eine Gleichspannungsversorgungsschaltung für an zumindest einer Leitung angeschlossene Verbraucher vorgestellt, die für die Verwendung in einer Zentraleinheit mit über ein Bussystem angeschlossenen Verbrauchern geeignet ist, wobei auf den Leitungen des Bussystems auf die Gleichspannung aufmoduliert Strom- und/oder Spannungssignale übertragen werden. Zum Schutz gegen Überspannungen auf der bzw. den Leitungen ist ein steuerbares Schaltmittel zwischen einer Versorgungsspannungsquelle und der Leitung und eine Z-Diode zwischen der Leitung und dem Steuereingang dieses Schaltmittels geschaltet. Zudem ist zwischen der Versorgungsspannungsquelle und einem Bezugspotential ein Spannungsteiler vorgesehen, der einen Mittelabgriff aufweist, der mit dem Steuereingang des Schaltmittels verbunden ist und von dem aus zur Versorgungsspannungsquelle eine erste Stromquelle sowie zum Bezugspotential hin eine zweite Stromquelle in Reihe geschaltet ist, die den Steuereingang von der Versorgungsspannungsquelle entkoppeln und bei Überspannungen den Stromfluss über die Z-Diode und den Spannungsteiler auf Bezugspotential hin begrenzen.

Description

Beschreibung
GleichspannungsversorgungsSchaltung für an zumindest einer Leitung angeschlossene Verbraucher
Die Erfindung betrifft eine Gleichspannungsversorgungs- schaltung 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.
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 Spannungs- teuer 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 Überspannungs- fall 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 Ausführungsbei- spielen 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) Loutι, Lout2 des Bussystems ein oder mehrere Verbraucher 5 angeschlossen sind. Diese können an den Lei- tungen parallel oder seriell, als Daisy-Chain oder mit eigener Bezugspotentialanbindung ohne Rückleitung angeschlossen sein. Auf die Gleichspannung aufmoduliert werden Strom- und/oder Spannungssignale ΔU, Δl übertragen.
Die Gleichspannungsversorgungsschaltung ist also über zumindest eine Leitung Loutl an Verbraucher 5 angeschlossen und weist ein Schaltmittel 1 zwischen einer Versorgungsspannungsquelle Uq und der Leitung Loutι 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 Loutι und dem Steuereingang 11 geschaltet, welche bei einer Überschreitung eines vorgegebenen Maximalwerts der Spannung Uzmax auf der Leitung Loutι 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 JL) 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 Rl, 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 Iql sowie vom Mittelabgriff 81 zum Bezugspotential J_ hin eine zweite Stromquelle Iq2 in Reihe geschaltet ist. Die zweite Stromquelle Iq2 kann dabei aufgrund ihrer Schaltung auf Bezugspotential -L auch als Stromsenke betrachtet werden. Als schaltungstechnische Ausgestaltung sind insbesondere be- kannte Stromspiegelschaltungen aufgrund ihrer Konstantstromeigenschaften und Spannungsfestigkeit gegenüber den erwarteten Störspannungen bevorzugt .
Die Stromquellen Iql 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 Iql und Iq2 näherungsweise Uq-UDi0ae/ (R2+R1) entspricht. Am Steuereingang 11 liegt eine Spannung von näherungsweise Iq2*R2 an. Diese Spannung am Steuereingang 11 ist dank der ersten Stromquelle Iql gegen die Versorgungsspannung Uq isoliert, so dass Schwankungen, beispielsweise aufgrund der Datenübertragung mittels aufge- lagerter Strom- und/oder Spannungsimpulse keine Störungen verursacht .
Eine solche Gleichspannungsversorgungsschaltung wird beispielsweise in der Zentraleinheit eines Bussystems zur E- nergie- und Datenübertragung in Fahrzeugen, insbesondere bei Fahrzeugen mit zwei unterschiedlichen VersorgungsSpannungen verwendet .
Tritt auf der Leitung Loutι eine Überschreitung eines vorge- gebenen Maximalwerts der Spannung Ozmax auf, beispielsweise aufgrund einer elektrostatischen Entladung oder eines Leck- Schlusses auf eine Versorgungsleitung mit einem gegenüber der Versorgungsspannungsquelle höheren Spannungspotential, so wird der Steuereingang 11 mit der Leitung Loutι verbunden und das Schaltmittel 1 geöffnet. Dabei fließt über den Wi- derstand 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 Iql schützt.
führt zu den Verbrauchern eine zweite Leitung Lout2 zur Zuführung des Bezugspotentials, so ist vorzugsweise zwischen dieser zweiten Leitung Lout2 und dem Bezugspotential _L 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 An- steuerung aufgrund der anderen Spannungsverhältnisse erforderlich ist.
Zudem kann die Versorgungsschaltung für einen Wechsel der die VersorgungsSpannung führenden Leitung Loutι bzw. Lout2 symmetrisch ausgelegt werden, indem zwei zugeordnete interne Leitungsabschnitte Linl, Lin2 in Fig. 2 vorgesehen sind, wobei jeweils eine Leitung Loutl/Lout2 über jeweils ein Schaltmittel 1, 6 mit dem zugeordneten internen Leitungsabschnitt Linl, Lin2 verbindbar ist. Jede Leitung Loutl, Lout2 weist jeweils eine auf den Steuereingang 11 der Schaltmittel 1,6 geschaltete Z-Diode 4.1, 4.2 auf.
Zwischen den internen Leitungsabschnitten Linl, Lin2 ist eine H-Brücke mit vier Dioden Dll, D12 , D21, D22 und einem Mittelzweig 8 vorgesehen. Wahlweise ist einer der internen Leitungsabschnitte Linl, Lin2 mit der Versorgungsspannungsquelle Uq und der andere mit dem Bezugspotential J_ 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 Linl, 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 Iql, Iq2 angeordnet.

Claims

Patentansprüche
1. Gleichspannungsversorgungsschaltung für an zumindest ei- ner Leitung (Lout) angeschlossene Verbraucher (5),
a) mit einem steuerbaren Schaltmittel (1) zwischen einer Versorgungsspannungsquelle (Uq) und der Leitung
(L0utι) 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 (U2inax) auf der Leitung (Loutι) den Steuereingang (11) mit der Leitung verbindet und das Schaltmittel (1) geöffnet wird,
dadurch gekennz eichnet , dass
c) zwischen der Versorgungsspannungsquelle (Uq) und einem Bezugspotential (_L) ein Spannungsteiler (R1/R2) vorgesehen ist, der einen Mittelabgriff (81) aufweist, der mit dem Steuereingang (1) des Schaltmittels (1) verbunden ist,
d) und vom Mitteläbgriff (81) zur Versorgungsspannungsquelle (Uq) eine erste Stromquelle
(Iql) sowie vom Mittelabgriff (81) zum Bezugspotential (_L) eine zweite Stromquelle (Iq2) in Reihe geschaltet ist .
2. Versorgungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennz ei chnet , dass die Stromquellen (Iql, Iq2 ) jeweils einen vorgegebenen Stromwert aufweisen, der so bestimmt ist, dass bei gesperr- ter Z-Diode (4) über den Stromquellen (Iql, Iq2) ein Spannungsabfall unterhalb eines Grenzwertes auftritt .
3. Versorgungsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzei chnet , dass zu den Verbrauchern eine zweite Leitung (Lout2 in Fig. 2) zur Zuführung des Bezugspotentials (_L) besteht und zwischen dieser zweiten Leitung (Lout2) nnd dem Bezugspotential (J_) ein zweites Schaltmittel (6) vorgesehen ist, welches in Abhängigkeit vom Signal am Steuereingang (11) des ersten Schaltmittels (1) gesteuert wird.
4. Versorgungsschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet , dass
a) zwei Leitungen (Loutι, Lout2) zu den Verbrauchern (5) und zwei' zugeordnete interne Leitungsabschnitte (L_.nι, Lin2 in Fig. 2) vorgesehen sind, wobei jeweils eine Leitung (Loutι/Lout2) über jeweils ein Schaltmittel
(1,6) mit dem zugeordneten internen Leitungsabschnitt (Linι, Lin2) verbindbar ist,
b) jede Leitung (Loutl, Lout2) jeweils eine auf den Steuer- eingang (11) der Schaltmittel (1,6) geschaltete Z-
Diode (4.1, 4.2 in Fig. 2) aufweist,
c) zwischen den internen Leitungsabschnitten (Linι, Lin2) eine H-Brücke mit vier Dioden (Dll,D12,D21,D22) und einem Mittelzweig (8) vorgesehen ist,
d) wahlweise einer der internen Leitungsabschnitte (Linl, Lin2) mit der Versorgungsspannungsquelle (Uq) und der andere mit dem Bezugspotential (_L) verbindbar ist, e) wobei die Dioden (DU, 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_.ni, L_.n2) ,
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 (Iql, Iq2) angeordnet sind.
5. Versorgungsschaltung nach einem der vorangehenden An- sprüche, dadurch gekennz eichnet , dass als Schaltmittel (1, 6) selbstleitende Feldeffekttransistoren vorgesehen sind.
6. Verwendung der Versorgungsschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche in einer Zentraleinheit mit über ein Bussystem (Louti/ Lout2) angeschlossenen Verbrauchern, wobei auf der/den Leitung (en) (Loutι, Lout2) des Bussystems auf die Gleichspannung aufmoduliert Strom- und/oder Spannungssigna- le (Δu, Δl) übertragen werden.
7. Verwendung der Versorgungsschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 6 in der Zentraleinheit eines Bussystems (Louti/ Lout2) zur Energie- und Datenübertragung in Fahrzeugen, insbesondere bei Fahrzeugen mit zwei unterschiedlichen VersorgungsSpannungen .
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