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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Bereitstellen einer vorgegebenen Spannung z. B. in Fahrzeugen nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
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Field programmable gate arrays (FPGAs) werden in Fahrzeugen verwendet, um die steigenden Anforderungen an die Rechenkapazität zur Erreichung von Sicherheitszielen wie dem Standard ASIL-B im Fahrzeug zu erfüllen. Dabei werden die FPGAs eingesetzt, um Systeme anzusteuern, die sicherheitskritische Funktionen durchführen. FPGAs haben daher eine hohe Anforderung an die Stabilität und die Robustheit der Versorgungsspannung über der Zeit. Idealerweise sollten FPGAs an eine konstante Spannungsversorgung angeschlossen sein, um Spannungseinbrüche der Spannungsversorgung zu verhindern.
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Es ist bekannt, dass die Spannungsversorgung für FPGAs mit Hilfe von Festspannungsreglern erfolgt. Nachteilig ist hierbei, dass eine langzeitstabile Spannungsversorgung nicht gewährleistet ist.
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Weiterhin ist bekannt, die Spannungsversorgung für FPGAs mit Hilfe von variablen Spannungsreglern, die einen Spannungsteiler aufweisen, zu gewährleisten. Diese Spannungsteiler sind jedoch Alterungseffekten unterworfen, sodass sich ihre Toleranz innerhalb der Benutzungsdauer von beispielsweise 0,1% auf bis zu 10% verschlechtern kann. Daher wird der variable Spannungsregler 3 mit Hilfe einer Überwachungseinrichtung 21 aus 1 bestehend aus einem weiteren Spannungsteiler 6, einem Komparator 7, einem Resetbaustein 8 und einem power sequencer 9 überwacht. Der Resetbaustein 8 sorgt dafür, daß ein durch den Komparator 7 erzeugtes Resetsignal eine gewisse Mindestlänge aufweist. Gegebenenfalls verlängert der Resetbaustein 8 das Resetsignal. Ein Power sequencer 9 sorgt dafür, daß ICs, welche mit verschiedenen Versorgungsspannungen betrieben werden, diese in der richtigen Reihenfolge eingeschaltet bekommen. Nachteilig an der Überwachungseinrichtung 21 ist, dass eine konstante Spannungsversorgung des FPGAs 5 nicht gewährleistet ist. Grund hierfür ist, dass der weitere Spannungsteiler 6 zum Einstellen des Komparators 7 in der Überwachungseinrichtung 21 ebenfalls toleranzbehaftet ist und nicht exakt aus einer E-Reihe ableitbar ist, da die diskreten Widerstände im Spannungsteiler aus bautechnischen Gründen nicht jeden beliebigen Wert aufweisen können. Außerdem ist der Komparator 7 durch seine Bandbreite begrenzt und kann auftretende Störungen nicht immer oder nicht exakt erkennen.
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Aufgabe der Erfindung ist es eine langzeitstabile Spannungsversorgung für Verbraucher in Fahrzeugen bereitzustellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Das Verfahren zum Bereitstellen einer vorgegebenen Spannung für Verbraucher in Fahrzeugen, beispielsweise field programmable gate arrays (FPGAs), erfasst eine erste Spannung an einem ersten Eingang eines Spannungsreglers. Des Weiteren wird eine zweite Spannung mittels einer Auswerteeinheit erfasst, wobei die zweite Spannung am Ausgang des Spannungsreglers erzeugt wird. Die zweite Spannung wird in der Auswerteeinheit ausgewertet. Mit Hilfe eines Ausgangs der Auswerteeinheit wird eine dritte Spannung am zweiten Eingang des Spannungsreglers erzeugt. Erfindungsgemäß wird der Ausgang der Auswerteeinheit in Abhängigkeit der Auswertung der zweiten Spannung angesteuert, wobei die Auswertung in Abhängigkeit eines Werts einer vorgegebenen Spannung erfolgt, der in der Auswerteeinheit gespeichert ist. Außerdem wird die vorgegebene Spannung am Ausgang des Spannungsreglers in Abhängigkeit der ersten Spannung, der dritten Spannung und einer vierten Spannung, die mit Hilfe eines Spannungsteilers erzeugt wird, eingestellt.
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Der Vorteil ist hierbei, dass die Spannungsversorgung des Verbrauchers überwacht und korrigiert wird, sodass eine langzeitstabile Spannungsversorgung für den Verbraucher vorliegt.
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In einer Weiterbildung wird der Ausgang der Auswerteeinheit hochohmig geschaltet oder gesperrt, wenn die zweite Spannung ungefähr dem Wert der vorgegebenen Spannung entspricht. Der Wert kann dabei Abweichungen von bis zu +/–0,5% des Werts der vorgegebenen Spannung aufweisen.
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Vorteilhaft ist hierbei, dass keine dritte Spannung am zweiten Eingang erzeugt wird, wenn der Spannungsregler die Versorgungsspannung für den Verbraucher richtig eingeregelt hat.
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In einer weiteren Ausgestaltung wird die dritte Spannung am zweiten Eingang des Spannungsreglers erzeugt oder erhöht, wenn die zweite Spannung unterhalb des Werts der vorgegebenen Spannung liegt.
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In einer Weiterbildung wird die dritte Spannung am zweiten Eingang des Spannungsreglers erzeugt oder verringert, wenn die zweite Spannung oberhalb des Werts der vorgegebenen Spannung liegt.
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Der Vorteil ist, dass die Korrekturspannung auf einfache Weise erzeugt werden kann, um die Spannung am Ausgang des Spannungsreglers zu korrigieren.
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Die Vorrichtung zum Bereitstellen einer vorgegebenen Spannung für Verbraucher in Fahrzeugen weist einen Spannungsregler mit einem ersten Eingang und einem Ausgang auf. Der erste Eingang des Spannungsreglers ist dabei mit einer Spannungsquelle und der Ausgang des Spannungsreglers mit einer Auswerteeinheit verbunden. Weiterhin weist die Vorrichtung einen Spannungsteiler auf, der den Ausgang des Spannungsreglers auf einen dritten Eingang des Spannungsreglers zurückkoppelt. Außerdem weist die Auswerteeinheit einen Eingang und mindestens einen Ausgang auf. Der Ausgang der Auswerteeinheit ist mit einem zweiten Eingang des Spannungsreglers verbunden und die Auswerteeinheit ist dazu ausgebildet eine zweite Spannung am Ausgang des Spannungsreglers zu erfassen. Des Weiteren erzeugt die Auswerteeinheit eine dritte Spannung an einem zweiten Eingang des Spannungsreglers. Erfindungsgemäß ist die Auswerteeinheit dazu ausgebildet, den mindestens einen Ausgang der Auswerteeinheit in Abhängigkeit der Auswertung der zweiten Spannung anzusteuern. Die Auswertung erfolgt dabei in Abhängigkeit eines Werts einer vorgegebenen Spannung, der in der Auswerteeinheit gespeichert ist. Des Weiteren stellt der Spannungsregler die vorgegebene Spannung am Ausgang des Spannungsreglers in Abhängigkeit einer ersten Spannung, der dritten Spannung und einer vierten Spannung, die der Spannungsteiler erzeugt.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist die Vorrichtung einen Mikroprozessor auf.
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Vorteilhaft ist hierbei, dass für die Anwendung ein Mikroprozessor verwendet werden kann, der schon im Fahrzeug zu anderen Zwecken, beispielsweise ein „safety“-Mikroprozessor oder ein Mikroprozessor, der als Redundanz vorhanden ist, verbaut ist.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung bilden der Spannungsregler und der Spannungsteiler zwei Einheiten.
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Vorteilhaft ist hierbei, dass der Spannungsteiler variabel ist und somit flexibel für verschiedene Ausgangsspannungen einsetzbar ist, da die Widerstände des Spannungsteiler nicht im Spannungsregler verbaut und somit austauschbar sind.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 eine Spannungsversorgung für ein FPGA durch ein Bordnetz aus dem Stand der Technik, beispielhaft anhand eines Spannungsstrangs,
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2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bereitstellen einer vorgegebenen Spannung für FPGAs in Fahrzeugen, beispielhaft anhand eines Spannungsstrangs,
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3 ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Bereitstellen einer vorgegebenen Spannung für FPGAs in Fahrzeugen und
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4 eine schematische Vorrichtung zum Bereitstellen mehrerer vorgegebener Spannungen für FPGAs in Fahrzeugen.
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1 beschreibt eine Spannungsversorgung für einen Verbraucher 5 aus dem Stand der Technik. Bei dem Verbraucher 5 handelt es sich beispielsweise um einen FPGA. Eine Energiequelle 2 ist eingangseitig z. B. an das Bordnetz eines Fahrzeugs angeschlossen. Ausgangsseitig erzeugt die Energiequelle 2 beispielsweise eine Spannung von 5V. Ein erster Eingang 23 eines Spannungsreglers 3 ist mit dem Ausgang der Energiequelle 2 verbunden. Der Spannungsregler 3 stellt die Versorgungsspannung für den Verbraucher 5 bereit, beispielsweise 1V. Dazu ist der Ausgang 25 des Spannungsreglers 3 mit dem Verbraucher 5 verbunden. Außerdem ist der Ausgang 25 mit Hilfe eines Spannungsteilers 4 auf einen zweiten Eingang 24 des Spannungsteilers 3 rückgekoppelt. Weiterhin ist der Ausgang 25 des Spannungsreglers 3 mit einer Überwachungseinheit 21 verbunden, die aus einem weiteren Spannungsregler 6, einem Komparator 7, einem Resetbaustein 8 und einem power sequencer 9 besteht. Der Ausgang der Überwachungseinheit 21 ist mit einem dritten Eingang 22 des Spannungsreglers 3 verbunden. Die Überwachungseinheit 21 ist passiv ausgelegt, d. h. das Verhalten der Überwachungseinheit hinsichtlich Bauteiltoleranz und Driftverhalten wird durch die Einzelkomponenten bestimmt und kann nachträglich nicht korrigiert werden. Somit kann eine Langzeitstabilität für die Spannung des Verbrauchers 5 mit der Überwachungseinheit 21 nicht sichergestellt werden. Über den dritten Eingang 22 ist die Überwachungseinheit 21 in der Lage, den Spannungsregler 3 ein oder auszuschalten.
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2 zeigt eine Vorrichtung 60 zum Bereitstellen einer vorgegebenen Spannung für Verbraucher 50 z. B. in Fahrzeugen. Die Vorrichtung 60 weist einen Spannungsregler 10 auf, der einen ersten Eingang 11 und einen Ausgang 12 aufweist. Der erste Eingang 11 des Spannungsreglers 10 ist mit einer Spannungsquelle 30 verbunden. Der Ausgang 12 des Spannungsreglers 10 ist mit einer Auswerteeinheit 20 und einem Verbraucher 50, z. B. field programmable gate array (FPGA) verbunden. Der Ausgang 12 des Spannungsreglers 10 ist über einen Spannungsteiler 40 auf einen zweiten Eingang 13 des Spannungsreglers 40 zurückgekoppelt. Der Spannungsteiler 40 hat die Aufgabe mit Hilfe der Rückkopplung eine Referenzspannung zu erzeugen, sodass der Spannungsregler 10 die zweite Spannung 17 am Ausgang des Spannungsreglers 10 mit der Referenzspannung vergleichen kann, und die zweite Spannung 17 am Ausgang des Spannungsreglers 10 auf die vorgegebene Spannung einstellt. D. h. es wird mit Hilfe der Rückkopplung eine kurzzeitstabile Überwachung der zweiten Spannung 17 durchgeführt. Die Auswerteeinheit 20 weist einen Eingang und einen Ausgang 15 auf. Der Ausgang 15 der Auswerteeinheit 20 ist ebenfalls mit dem zweiten Eingang 13 des Spannungsreglers 10 über mindestens einen Widerstand 61 verbunden. Dabei wird ein Strom bzw. eine dritte Spannung 18 am zweiten Eingang 13 des Spannungsreglers 10 erzeugt bzw. eingeprägt, sodass die Spannung am Ausgang 12 des Spannungsreglers 10 auf die vorgegebene Spannung korrigiert werden kann. Dazu regelt der Spannungsregler 10 seine Ausgangsspannung so, dass sie, nachdem sie durch den Spannungsteiler 40 geteilt wurde der internen Referenzspannung des Spannungsreglers entspricht. Durch die Einprägung des Stroms bzw. der dritten Spannung 18 erkennt der Spannungsregler, dass die Ausgangsspannung 17 nicht der Referenzspannung des Spannungsreglers entspricht und korrigiert diese. Das bedeutet im Gegensatz zum Stand der Technik handelt es sich um einen aktiven Eingriff in die Spannungseinstellung des Spannungsreglers 10, um diese langzeitstabil einzuregeln. Optional umfasst die Auswerteeinheit 20 einen Mikrocontroller. Weiterhin weist die Auswerteeinheit 20 einen weiteren Ausgang 63 auf, der den Spannungsregler 10 über einen dritten Eingang 14 des Spannungsreglers 10 ein- und ausschalten kann.
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3 zeigt ein Verfahren zum Bereitstellen einer vorgegebenen Spannung für Verbraucher 50, z. B. FPGAs in Fahrzeugen. Das Verfahren startet mit Schritt 100 mit der Erfassung der ersten Spannung 16 durch den Spannungsregler 10. In einem folgenden Schritt 110 erfasst die Auswerteeinheit die zweite Spannung 17, die am Ausgang 12 des Spannungsreglers 10 erzeugt wird. In einem folgenden Schritt 120 wird ein Vergleich des Werts der erfassten Spannung, d. h. der zweiten Spannung 17, aus Schritt 110 mit einem in der Auswerteeinheit 20 hinterlegten Wert einer vorgegebenen Spannung durchgeführt. Stimmen die beiden Werte bis auf eine kleine Abweichung von beispielsweise bis zu 0,5% des Werts der vorgegebenen Spannung überein, so wird der Ausgang 15 der Auswerteeinheit 20 hochohmig geschaltet, d. h. der Ausgang sperrt und das Verfahren wird beendet oder mit Schritt 100 fortgesetzt. Stimmen die beiden Werte nicht überein, so wird in einem folgenden Schritt 130 geprüft, ob der Wert der zweiten Spannung 17 größer als der hinterlegte Wert der vorgegebenen Spannung ist. Ist dies der Fall wird in einem folgenden Schritt 140 eine Spannung 62 am Ausgang 15 der Auswerteeinheit 20 erzeugt oder verringert, gegebenenfalls bis auf null gesetzt, d. h. ein Portpin des Ausgangs wird auf den Zustand „low“ gesetzt. Ist der Wert der zweiten Spannung 17 kleiner als der hinterlegte Wert der vorgegebenen Spannung, so wird in Schritt 150 die Spannung 62 am Ausgang 15 der Auswerteeinheit 20 erzeugt oder erhöht, d. h. der Portpin des Ausgangs wird auf den Zustand „high“ gesetzt, d. h. beispielsweise auf die Betriebsspannung der Auswerteeinheit. In einem folgenden Schritt 160 wird eine dritte Spannung 18 am zweiten Eingang 13 des Spannungsreglers 10 in Abhängigkeit der Spannung 62 und des Widerstands 61 erzeugt bzw. eingeprägt. In diesem Zusammenhang wird unter dem Begriff Erzeugen auch das Verändern einer bereits am zweiten Eingang 13 anliegenden dritten Spannung 18 verstanden. Die dritte Spannung 18 am zweiten Eingang 13 des Spannungsreglers wird dabei über mindestens einen Widerstand 61 im Verbindungspfad zwischen dem Ausgang 15 der Auswerteeinheit 20 und dem zweiten Eingang 13 des Spannungsreglers 10 erzeugt. In einem folgenden Schritt 170 wird die vorgegebene Spannung am Ausgang 15 des Spannungsreglers 10 in Abhängigkeit der ersten Spannung 16, einem Strom, der sich aus der dritten Spannung 18 und dem Widerstand 61 ergibt oder der dritten Spannung 18 und der rückgekoppelten Spannung 19 aus dem Spannungsteiler 40 erzeugt oder korrigiert. Durch geeignete Dimensionierung des Spannungsteilers 40, der dem Spannungsregler 10 zugeordnet ist und dem Widerstand des Portpins kann die Spannung am Ausgang 12 des Spannungsreglers 10 beispielsweise um bis zu 5%, 10% oder 15% in die gewünschte Richtung beeinflusst werden.
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Optional kann die Auswerteeinheit 20 auch mehrere Ausgänge ansteuern, um die dritte Spannung 18 des Spannungsreglers 10 genauer einstellen zu können. Die angesteuerten Ausgänge der Auswerteeinheit 20 sind dazu jeweils über einen Widerstand mit dem zweiten Eingang 13 des Spannungsreglers 10 verbunden. Über die Parallelschaltung der Widerstände kann bei Ansteuerung mehrerer Portpins die dritte Spannung 18 genauer eingestellt werden. Somit können bei einer Ansteuerung zweier Portpins der Auswerteeinheit 20 drei verschiedene Werte der dritten Spannung 18 am zweiten Eingang 13 des Spannungsreglers 10 erzeugt bzw. eingeprägt werden.
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Die drei Kombinationen ergeben sich durch Anlegen des Zustands „high“ an den ersten Portpin und des Zustands „low“ an den zweiten Portpin, durch Anlegen des Zustands „low“ an den ersten Portpin und des Zustands „high“ an den zweiten Portpin oder durch Anlegen des Zustands „high“ an den ersten Portpin und des Zustands „high“ an den zweiten Portpin, d. h. durch echte Parallelschaltung der beiden Widerstände. Dabei müssen die Widerstände nicht den gleichen Widerstandswert aufweisen, was zu einem weiteren Freiheitsgrad bei der Einstellung der dritten Spannung 18 führt.
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In einem Ausführungsbeispiel kann die Auswerteeinheit auch den enable Eingang des Spannungsreglers ansteuern. Somit kann von der Auswerteeinheit ein „power sequencing“ für den FPGA durchgeführt werden. In 4 ist dazu schematisch eine Vorrichtung zum Bereitstellen mehrerer vorgegebener Spannungen für FPGAs in Fahrzeugen gezeigt. Aus Übersichtlichkeitsgründen umfassen die Einheiten 42, 43, 44 und 45 jeweils einen Spannungsregler und einen Spannungsteiler, die den Aufbau aus 2 aufweisen, nämlich Spannungsregler 10 und Spannungsteiler 40. Außerdem ist sowohl die Einprägung der weiteren Spannung am weiteren Eingang des Spannungsreglers als auch die enable Verbindung beispielhaft für die Einheit 44 gezeigt. Die Einheiten 42, 43 und 45 weisen ebenfalls einen weiteren Eingang am Spannungsregler und einen enable Eingang auf, die aus Gründen der Übersichtlichkeit hier nicht in 4 eingefügt sind. Die Einheit 46 stellt eine Referenzspannung dar. Die Ausgangsspannungen der jeweiligen Einheiten 42, 43, 44 und 45 werden jeweils über Analog-Digitalwandler in den Mikrocontroller 47 geführt. Dabei ist der größte Wert, der mit einem Analog-Digitalwandler ADC erfasst werden kann identisch mit dessen Referenzspannung. Die Referenzspannung 46 wird durch eine hochstabile Quelle erzeugt wird. Beim „power sequencing“ werden die verschiedenen für den Betrieb notwendigen Spannungen in einer definierten Reihenfolge eingeschaltet. Wenn alle Spannungen in der richtigen Reihenfolge aktiviert wurden und alle Spannungen den richtigen Wert angenommen haben, wird der Reset-Eingang des FPGA freigegeben und der FPGA kann durch die langzeitstabile Spannungsversorgung ASIL Aufgaben übernehmen.
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Spannungsreferenzen sind üblicherweise im Bereich um 1V verfügbar. Die Referenzspannung eines Analog-Digitalwandlers der Auswerteeinheit gibt auch den maximal zulässigen Bereich der Eingangsspannung des Analog-Digitalwandlers an. Damit die Auswerteeinheit jedoch auch noch Spannungen von über 1V direkt und ohne weiteren Widerstandsteiler messen kann, ist es erforderlich, die Betriebsspannung der Auswerteeinheit, meist 3,3V, als Referenz zu verwenden.
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Damit die Auswerteeinheit auch bei verfälschter 3,3V Spannung in der Lage ist Spannungsabweichungen zu erkennen, wird eine 1V-Spannungsreferenz an einen der Analog-Digital-Kanäle angeschlossen. Wird diese Spannungsreferenz mit einer intakten Versorgungsspannung gewandelt, so ist immer dasselbe Wandlungsergebnis zu erwarten. Die anderen Versorgungsspannungen können ebenfalls gegenüber der Spannungsreferenz und/oder gegeneinander plausibilisiert werden.
