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Die Erfindung betrifft eine Versorgungsschaltung und ein Verfahren zur Spannungsversorgung für elektronische Komponenten aus mehreren Spannungspotenzialen in einem Steuergerät.
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In modernen Fahrzeugen werden für die On-Board Strom- und Spannungsversorgung zuweilen verschiedene Stromkreise verwendet, die mit verschiedenen Spannungen versorgt werden.
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Durch die Einführung von Mehrspannungsbordnetzten in Fahrzeugen besteht die Möglichkeit elektronische Komponenten wie Mikrocontroller, Treiberbausteine und weitere Logikbauelemente von verschiedenen Spannungsbereichen zu versorgen. Dabei muss meist die Spannung eines der Versorgungsnetze auf ein niedrigeres, für die elektronischen Komponenten geeignetes, Potential gebracht werden. Eins der Bordnetze (Versorgungskreis), insbesondere das mit der höheren Spannung, z. B. eines mit einem Potential von 48 V, kann aufgrund von Sicherheitsanforderungen z. B. Lichtbogengefahr z. B. während des Parkens, abgeschaltet sein.
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Aufgrund von Fahrzeugdiagnosevorgaben kann es dabei zu Problemen beim Hochlauf von elektronischen Gesamtsystemen des Fahrzeuges (gesamte E/E Architektur des Fahrzeugs) kommen, wenn beispielsweise der Mikrocontroller von einem angeschalteten Bordnetz aus versorgt wird, welches beim geparkten Fahrzeug abgeschaltet ist. Die Hochlaufzeit (Zuschalten des versorgenden Bordnetzes z. B. 48 V, Versorgen des Controllers und das Anmelden auf dem Bus) kann eine unzureichende Laufzeit haben, was zu Fehlern in der Bordnetzelektronik führt.
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In Mehrfachspannungs-Versorgungssystemen an Bord eines Fahrzeugs können mehrere Komponenten wie Mikrocontroller, Treiberschaltungen und andere Logikschaltungen mit Spannungen unterschiedlicher Pegel versorgt werden. Im Allgemeinen wird ein elektronisches Bauteil mit Spannung von einer herkömmlichen Versorgungsschaltung (z. B. 12 V) versorgt. Werden Signale oder Daten zwischen dem elektronischen Bauteil und einem weiteren, mit dem anderen Versorgungskreis (z. B. 48 V) gekoppelten Bauteil ausgetauscht, so ist eine galvanische Trennung zwischen verschiedenen Spannungspegeln der Versorgungskreise erforderlich.
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Nachteilig an dieser Methode ist, dass jede der Datenleitungen zwischen den beiden Spannungsbereichen separat galvanisch getrennt werden muss und die Anzahl der Datenleitungen doch erheblich sein kann.
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Daher kann es sinnvoll sein, die elektronische Komponente im Bereich des primär versorgenden Bordnetzes anzusiedeln und diese aber bei ausgeschaltetem primär versorgenden Bordnetz über die herkömmliche Versorgungsspannung, d. h. das andere Bordnetz, zu versorgen.
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Die
DE102013221113A1 lehrt eine Energie-Veroderung (engl. Power-Oring) für einen Rasenmäher, bei dem aus zwei Energiespeichereinheiten (Akkus) diejenige mit der höheren Spannung, sprich dem volleren Akku, zur Versorgung herangezogen wird. Anders als in echten Fahrzeugen (der Rasenmäher wird vorliegend nicht als Fahrzeug angesehen), findet keine Spannungskonvertierung für die elektronischen Komponenten statt.
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Die Aufgabe dieser Erfindung ist daher, die Voraussetzung für eine vereinfachte Struktur oder Schaltung für die Spannungsversorgung von elektrischen oder elektronischen Komponenten mit verschiedenen Spannungen zu schaffen. Dabei können sowohl der schaltungstechnische Aufwand für die Spannungsversorgung verringert werden, als auch zusätzlich oder alternativ Vorteile aus der erfindungsgemäßen Art der Spannungsversorgung gezogen werden, wie z. B. geringere schaltungstechnische Aufwände sonstiger Art, durch z. B. eine geringere Anzahl notwendiger galvanischer Trennungen für Datenleitungen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Versorgungsschaltung für wenigstens eine elektronische Komponente, welche sich in einem Umfeld mit einem Bereich einer primären und einem Bereich einer sekundären Spannungsversorgung befindet. Die Versorgungsschaltung umfasst eine Diodenanordnung, welche die primäre Spannungsversorgung bevorzugt und bei Ausbleiben dieser die sekundäre Spannungsversorgung an eine Spannungskonvertierungseinheit weiterleitet. Die Spannungskonvertierungseinheit wiederum leitet eine konvertierte Spannung an die wenigstens eine elektronische Komponente weiter. Die Diodenanordnung gewährleistet ansonsten eine Trennung der beiden Bereiche der Spannungsversorgung.
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Eine Versorgungsschaltung stellt eine Spannung und/oder einen Strom bereit, mit dem elektronische Komponenten versorgt werden. Das Umfeld umfasst die Teile der Schaltung, die mit der wenigstens einen elektronischen Komponente zumindest in mittelbarer Beziehung stehen und einen Einfluss auf diese haben können.
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Die Spannungskonvertierungseinheit setzt eine Eingangsspannung bzw. einen Spannungspegel in eine Ausgangsspannung bzw. konvertierte Spannung um. Dabei besitzt sie i. d. R. einen Eingangsspannungsbereich, innerhalb dessen immer die gleiche Ausgangsspannung geliefert wird. Die Ausgangsspannung ist die Spannung, mit der die wenigstens eine elektronische Komponente versorgt wird. Mögliche Spannungskonvertierungseinheiten umfassen: Schaltregler, LDO, Linearregler, DC/DC-Wandler und System-Basis-Chip.
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Vorteilhafterweise kann so eine Versorgung der wenigstens einen elektronischen Komponente durch zwei unterschiedliche Spannungsversorgungen mit unterschiedlichen Spannungspegel sichergestellt werden, wobei lediglich eine der beiden Spannungsversorgungen aktiviert sein muss.
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In einer erweiterten Ausgestaltung umfasst die Spannungskonvertierungseinheit einen System-Basis-Chip, dem ein DC/DC-Wandler vorgeschaltet ist.
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Bei einem für den System-Basis-Chip zu großen Eingangsspannungsbereich kann die Vorschaltung eines DC/DC-Wandlers sinnvoll sein, um eine Spannung im passenden Bereich zu liefern.
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Zukünftige System-Basis-Chips, die einen Eingangsspannungsbereich haben, der auch 48 V umfasst, können auf diesen vorgeschalteten DC/DC-Wandler verzichten, was wiederum Bauteilkosten und Bauraum einspart. Solche System-Basis-Chips können einen integrierten DC/DC-Wandler für die Eingangsspannung aufweisen.
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Die Verwendung eines System-Basis-Chips kann auch vorteilhaft sein, wenn er aufgrund vorgeschriebener Sicherheitsaspekte benötigt wird. Dann wäre ein einzelner DC/DC-Wandler nicht erlaubt.
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Vorteilhafterweise kann ein System-Basis-Chip zusätzliche Funktionen übernehmen, so z. B. die Bereitstellung verschiedener ausgangsseitiger Spannungen, z. B. für Logikbausteine (z. B. 3,3 V und 5V). Dieser Chip weist weiterhin eine hohe Integrationsdichte auf. Ein System-Basis-Chip (SBC) wird gerne im automotive Umfeld eingesetzt. Dort kann als zusätzliche Funktion der Mikrocontroller mittels Watchdog überwacht werden.
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In einer erweiterten Ausgestaltung befindet sich das Umfeld in einem Steuergerät eines Fahrzeugs.
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Das Umfeld kann das Steuergerät selbst sein oder sich in diesem befinden, abhängig davon, welche sonstigen Komponenten das Steuergerät umfasst. Insbesondere kann eine erste bzw. primäre Spannungsversorgung mit 48 V und eine zweite bzw. sekundäre mit 12 V vorhanden sein. Dies ist insbesondere bei einem Motorsteuergerät und dabei insbesondere bei einem Steuergerät zur Ansteuerung elektrischer Motoren der Fall.
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Geeignet ist die Idee für jegliche mechatronische Systeme im KFZ-Bereich, welche ein Mehrspannungsbordnetz besitzen und mit diesen mehreren Spannungen betrieben werden.
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Vorteilhafterweise kommt die erfindungsgemäße Idee bei Produkten mit hohen Stückzahlen besonders zur Geltung, wie sie im Fahrzeugbau vorliegen.
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In einer erweiterten Ausgestaltung ist die wenigstens eine elektronische Komponente ein Mikrocontroller, der sich im selben Bereich der Spannungsversorgung wie eine Endstufe zur Motoransteuerung befindet.
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Die primäre Spannungsversorgung, mit der der Mikrocontroller versorgt wird, entspricht dabei der Spannungsversorgung der Endstufe. Zumindest ist der Mikrocontroller im gleichen Potenzialbereich wie die Endstufe angeordnet, befindet sich im gleichen Stromkreis oder ist nicht potenzialfrei. Dennoch kann der Mikrocontroller und die Endstufe selbst mit unterschiedlichen Spannungen betrieben werden (Endstufe z. B. mit 48 V, der Mikrocontroller mit 3,3 V).
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Vorteilhafterweise müssen Datenleitungen, die sich zwischen zwei Komponenten in demselben Bereich der Spannungsversorgung befinden, wie hier zwischen Mikrocontroller und Endstufe, nicht galvanisch entkoppelt werden. Der Materialaufwand hierfür kann eingespart werden.
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In einer erweiterten Ausgestaltung ist eine galvanische Trennung zwischen Bus und Mikrocontroller eingerichtet.
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Insbesondere wird ein externer Bus, der Signale von/nach außerhalb des Steuergeräts übermittelt, z. B. CAN- oder Flexray, galvanisch gegenüber dem Mikrocontroller entkoppelt.
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Nun werden die Signalleitungen des externen Bus, die vom Potenzial her im sekundären Bereich der Spannungsversorgung angeordnet sind, galvanisch vom Mikrocontroller, der im primären Bereich der Spannungsversorgung angeordnet ist, getrennt. Vorteilhafterweise können dafür die galvanischen Trennungen der Leitungen vom Mikrocontroller zur Endstufe und den Sensoren, welche eine größere Anzahl als die für die Signalleitungen des Bus aufweisen, entfallen.
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In einer erweiterten Ausgestaltung ist die Motoransteuerung für einen Elektromotor ausgelegt.
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Vorteilhafterweise kann insbesondere beim Einsatz eines Elektromotors der Vorteil einer höheren Primärspannung ausgenutzt werden.
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In einer erweiterten Ausgestaltung ist die Diodenanordnung anti-seriell ausgeführt, wobei eine erste Diode bzw. Diodenarray (D1) von der sekundären Spannungsversorgung (12V) und eine zweite Diode bzw. Diodenarray (D2) von der primären Spannungsversorgung (48V) jeweils in Durchlassrichtung zu einem gemeinsamen Mittelabgriff hin elektrisch verbunden sind.
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Der Mittelabgriff stellt dabei die Eingangsspannung für die Spannungskonvertierungseinheit zur Verfügung. Ggf. ist der Mittelabgriff elektrisch mit dem Eingang der Spannungskonvertierungseinheit verbunden.
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Vorteilhafterweise gelingt so eine Trennung der beiden Bereiche unterschiedlicher Spannungsversorgung, da durch die anti-serielle Anordnung niemals Strom von einem Bereich der Spannungsversorgung in den anderen fließen kann, da immer eine Diode in Sperrrichtung liegt. Strom kann nur von einem der Bereiche zum Mittelabgriff fließen. Die jeweils andere Diode sperrt dabei.
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In einer erweiterten Ausgestaltung besteht die Diodenanordnung aus wenigstens 2 Diodenarrays (D1, D2), wobei jedes Diodenarray mindestens 2 Dioden umfasst, die in Reihe geschaltet sind.
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Vorteilhafterweise kann so die Ausfallsicherheit erhöht werden, denn wenn eine Diode eines Diodenarrays defekt wird und einen Kurzschluss verursacht, übernimmt die andere Diode des Diodenarrays die Diodenfunktionalität und Sperrfunktion.
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Durch die redundante Ausführung als Diodenarray (zwei Dioden in einem Pfad) kann ein Einfachfehler das System nicht beeinträchtigen.
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In einer erweiterten Ausgestaltung besteht die Diodenanordnung aus wenigstens 2 Diodenarrays (D1, D2), wobei jedes Diodenarray mindestens 2 Dioden umfasst, die parallel geschaltet sind.
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Vorteilhafterweise kann so die Ausfallsicherheit erhöht werden, denn wenn eine Diode eines Diodenarrays defekt wird und einen Leerlauf verursacht, übernimmt die andere Diode des Diodenarrays die Diodenfunktionalität und Sperrfunktion.
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Es ist auch eine Kombination einer Parallel- und Seriellschaltung eines Diodenarrays, z. B. eine Ausführung von mindestens 4 Dioden denkbar und auch sinnvoll, da es keinen eindeutigen Fehlerzustand einer Diode gibt. Zwei Fehlerzustände sind denkbar: Erstens, vollständig leitend, z. B. aufgrund eines Defektes in der PN-Schicht (physikalische Struktur), zweitens, die Diode sperrt z. B. aufgrund eines Abrisses der Kontaktierung, wie z. B. eines Bonddrahtes durch Überbelastung. Gegen ersteres schützt eine Reihenschaltung, gegen zweiteres eine Parallelschaltung zweier Dioden.
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Vorteilhafterweise wird so die Ausfallsicherheit für den Fall eines Defekts mit den Auswirkungen eines Kurzschlusses, sowie eines Leerlaufes gleichzeitig gewährleistet.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zur Spannungsversorgung für wenigstens eine elektronische Komponente gelöst, welche sich in einem Umfeld mit einem Bereich einer primären (48V) und einem Bereich einer sekundären (12V) Spannungsversorgung befindet. Mittels einer Diodenanordnung wird die primäre Spannungsversorgung (48V) bevorzugt und bei Ausbleiben dieser die sekundäre Spannungsversorgung (12V) an eine Spannungskonvertierungseinheit weitergeleitet. Diese wiederum leitet eine konvertierte Spannung an die wenigstens eine elektronische Komponente weiter. Die Diodenanordnung gewährleistet ansonsten eine Trennung der beiden Bereiche der Spannungsversorgung.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 ein System mit Mikrocontroller im 12 V Bereich
- 2 ein System mit Mikrocontroller im 48 V Bereich ohne zweite Spannungsversorgung
- 3 ein System mit Mikrocontroller im 48 V Bereich und zweiter Spannungsversorgung über einen DC/DC-Wandler
- 4 ein System mit Mikrocontroller im 48 V Bereich und zweiter Spannungsversorgung über eine Diodenanordnung
- 5 Schaltbild der Spannungsversorgung im reinen 12 V Betrieb
- 6 Schaltbild der Spannungsversorgung im 48 V Betrieb
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Die 1 bis 4 zeigen einen möglichen Aufbau einer Schaltung in einem Steuergerät für ein Fahrzeug, welches einen Elektromotor (2) ansteuert. Über die Klemme 40/41 (KL 40/41) wird eine Versorgungsspannung von 48 V an einen Netzfilter für 48 V (11) weitergeleitet. Dieser wiederum liefert eine gefilterte Spannung einer möglichen MOSFET-Netzabtrennung (12), welche weiter an einen DC Link-Zwischenkreis (13) gelangt und schließlich eine Endstufe (16), z. B. eine B6/B4-Brücke speist, die einen Elektromotor (2), z. B. einen 48V BLDC Motor, ansteuert. Beispielsweise kann eine B6/B4-Brücke eine H-Brücke zur Ansteuerung eines Gleichstrommotors sein, im Speziellen eines bürstenlosen Gleichstrommotors (Brushless DC Electric Motor). Die Endstufe wird durch Steuersignale, die ein Mikrocontroller (1) berechnet, gesteuert, wobei diese Signale im Signalweg über einen Gatetreiber (15) zur Endstufe gelangen.
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Signale einer Sensorik (17) gelangen über einen Signalweg zum Mikrocontroller (1), damit dieser entsprechende Ansteuersignale berechnen kann. Der umgekehrte Signalweg ist auch denkbar und hängt von der Anwendung ab.
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Generell wird ein elektronisches System durch ein konventionelles Versorgungsnetz (im Allgemeinen 12V - Verbindung über die sogenannte Klemme 30 (KL 30/31) bzw. Klemme 15) betrieben. Wird nun ein Steuergerät, bzw. dessen Bereiche unterschiedlicher Spannungsversorgung durch mehrere Spannungspotentiale versorgt, müssen beide Spannungsbereiche, bzw. Spannungsebenen auf der elektrischen Leiterplatte getrennt geführt werden. In den Darstellungen existiert ein Bereich primärer Spannungsversorgung (48V) mit einer Spannung von 48 V, sowie ein Bereich sekundärer Spannungsversorgung (12V) mit einer Spannung von 12 V. Beim Austausch von Signalen oder Daten zwischen den Spannungsbereichen, z. B. bei einer Kommunikation zwischen Mikrocontroller (1) und Gatetreiber (15), ist deshalb eine galvanische Trennung (3) vorzusehen. Ist der Mikrocontroller (1) im Bereich der sekundären Spannungsversorgung, bzw. der 12V-Seite angeordnet, bedarf es einer Vielzahl an Isolatoren bzw. galvanischen Trennungen (3), da eine Vielzahl von Ansteuerleitungen zur Endstufe (16), bzw. Gatetreiber (15) und zur Sensorik (17) führen.
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In 1 ist ein System gezeigt, in dem der Mikrocontroller (1) im sekundären, d. h. 12 V Spannungsbereich angesiedelt ist. Die 12 V Spannungsversorgung wird über die Klemme 30/31 (KL 30/31) an ein Netzfilter 12V (21) eingespeist, welcher den Mikrocontroller (1) versorgt. Ggf. geschieht dies über einen Spannungswandler, der die Betriebsspannung des Mikrocontrollers bereitstellt. Weiterhin sind das Signal der Klemme 15 (KL 15) und Signale des Bus (23), insbesondere über eine CAN/Flexray-Schnittstelle (22) mit dem Mikrocontroller (1) verbunden.
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Durch die Trennung dieser Spannungsbereiche sind somit mehrere galvanische Trennungen (3) vorzusehen, i. d. R. eine Trennung pro Signalleitung, wodurch ein erhöhter Bauteil-/Kostenaufwand entsteht. Dieser ist ungefähr proportional zur Anzahl der galvanisch zu trennenden Leitungen.
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2 zeigt eine Ansiedlung des Mikrocontrollers (1) auf dem höheren Potential (z. B. 48 V), wobei eine Spannungskonvertierungseinheit (14) die benötigte Versorgungsspannung des Mikrocontrollers (1) aus der primären Versorgungsspannung generiert.
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Da der Mikrocontroller (1) nun auf dem gleichen Potenzial wie die Endstufe (16) und die Sensorik (17) arbeitet, kann ein Großteil der galvanischen Trennungen entfallen, nämlich diejenigen innerhalb des Bereichs der primären Spannungsversorgung (48V). Dafür muss nun jedoch eine galvanische Trennung (3) derjenigen Leitungen, die nun zwischen den beiden Spannungsbereichen (12V-48V) liegen, durchgeführt werden. Je nach Topologie des Steuergeräts sind dies jedoch viel weniger. Im Falle eines von extern angeschlossenen CAN-Bus (22) sind dies lediglich zwei Leitungen für CAN-High (CANH) und CAN-Low (CANL). Im Vergleich dazu benötigt allein eine B6/B4-Brücke 6 Leitungen.
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Diese in 2 gezeigte Anordnung führt jedoch zu dem Umstand, dass eine Kommunikation mit dem Mikrocontroller bei abgeschalteter (primärer) Versorgungsspannung (z.B. 48V) nicht möglich ist.
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Besonders in der Hochlaufphase des Steuergeräts oder Fahrzeugs können dadurch Fehlereinträge entstehen. Des Weiteren ist das elektrische System bei einem Ausfall der Spannungsversorgung aufgrund der nicht vorhandenen Versorgungsspannung nicht mehr diagnosefähig.
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Um dieses Problem zu lösen, besteht die Möglichkeit den Mikrocontroller (1) von beiden Bordnetzen mit Energie zu versorgen. Eine in 3 gezeigte Möglichkeit besteht darin, diesen Energietransfer über einen teuren, isolierten DC/DC-Wandler (4), z. B. Sperrwandler oder Eintaktflusswandler, mit aufwändiger Beschaltung zu gewährleisten. Dabei kann die Versorgung über den isolierten DC/DC-Wandler (4) aus dem Bereich der sekundären Versorgungsspannung (12V) oder über die Spannungskonvertierungseinheit (14) aus dem Bereich der primären Versorgungsspannung (48V) stattfinden.
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Wie die vormalige galvanische Trennung (3) führt der Signalkoppler (5) die Potenzialtrennung durch. Im Wesentlichen unterscheiden sich die beiden nicht.
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Die in 4 gezeigte, erfinderische Lösung bietet eine günstigere und platzsparendere Möglichkeit. Realisiert wird die Energieversorgung der elektronischen Komponenten, z. B. der Logikbausteine, über eine anti-serielle Diodenanordnung zwischen den beiden Versorgungspotentialen. D. h. ein Eingang der anti-seriellen Verbindung ist mit einer ersten, primären Versorgungsschaltung (z. B. 48 V) gekoppelt und ein weiterer Eingang der anti-seriellen Verbindung ist mit einer zweiten, sekundären Versorgungsschaltung (z. B. 12 V) gekoppelt.
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Der Mittelabgriff (Sternpunkt) dient dabei als Versorgungsabgriff für die Spannungskonvertierungseinheit (14), die wiederum die elektronischen Komponenten, z. B. den Mikrocontroller (1) speist.
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Mit anderen Worten, eine Diode 1, bzw. Diodenarray 1 (D1) kann Strom vom Netzfilter 12V (21) zum Mittelabgriff leiten. Die Diode 1 (D1) ist hier in Durchlassrichtung verbaut. Eine Diode 2, bzw. Diodenarray 2 (2) kann Strom vom Netzfilter 48V (11) zum Mittelabgriff leiten. Die Diode 2 (D2) ist hier in Durchlassrichtung verbaut. Dadurch liegt am Mittelabgriff immer die aktuell höhere der beiden Versorgungsspannungen an.
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Am Mittelabgriff sind beide Dioden miteinander verbunden. Ebenso die Spannungskonvertierungseinheit (14), die die Spannung für den Mikrocontroller (1) bereitstellt.
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Die Spannung USBC bezieht sich auf die Spannung vor der Spannungskonvertierungseinheit (14). Im Fall der ausgeschalteten Klemme 40 (KL 40/41) beträgt diese circa 12V, genauer gesagt 12V abzüglich der abfallenden Spannung am Diodenarray 1 (D1). Für den Fall, dass Klemme 40 (KL 40/41) zugeschalten ist, beträgt USBC 48V, abzüglich der abfallenden Spannung am Diodenarray 2 (D2).
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Ist der Spannungseingangsbereich der Spannungskonvertierungseinheit (14) groß genug, wie z. B. bei einem System-Basis-Chip (SBC) oder DC/DC-Wandler, so sind die Spannungsabfälle über die Dioden nicht von Bedeutung. Eine um z. B. 0,7 V (oder 1,4 V bei einem Diodenarray) reduzierte Eingangsspannung in die Spannungskonvertierungseinheit (14) führt dennoch zur gleichen Ausgangsspannung aus der Spannungskonvertierungseinheit (14).
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Vorteilhafterweise liegt so immer eine Versorgungsspannung an, sofern wenigstens eine Versorgungsspannung vorhanden ist. Das muss jedoch nicht mehr die primäre Spannungsversorgung (48V) sein.
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Vorteilhafterweise kann dadurch eine Spannungskonvertierungseinheit, z. B. der isolierte DC/DC-Wandler (4), eingespart werden.
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Vorteilhafterweise ist der Mikrocontroller über das konventionelle, sekundäre Spannungsbordnetz (12 V) prozessbereit und somit diagnosefähig.
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Die Dioden 1 und 2 (D1 und D2) sind im Symbol mit jeweils zwei seriell geschalteten Dioden dargestellt. Diese bilden jeweils ein Diodenarray mit bereits beschriebenen Vorteilen aus. Falls die Dioden fehlerfrei funktionieren, ist es für die Funktionalität einerlei, ob einzelne Dioden 1 und 2 oder ein Diodenarray 1 und 2 (D1, D2) verwendet werden.
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In 5 ist die Spannungsversorgung über das 12 V Bordnetz gezeigt, mit dem Strompfad entlang der dick gezeichneten Linie.
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Da oft in elektronischen Schaltungen (Steuergeräten) im Fahrzeug die Massepotentiale außerhalb der Leiterplatine zusammengeführt sind, kann bei abgeschaltetem oder Ausfall des primären Bordnetzes (Klemme 40 führt 0V) und damit dem Bereich der primären Spannungsversorgung (48V) eine Versorgung des Mikrocontrollers (1) über das Diodenarray 1 (D1) aus dem Bereich der sekundären Spannungsversorgung (12V) ermöglicht werden. Dabei befindet sich das Diodenarray 2 (D2) im Sperrzustand.
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Wie in den 5 und 6 ersichtlich ist, müssen nur noch die wenigen Leitungen, die über den Transceiver (32) vom externen Bus (CANH/CANL) am Mikrocontroller (1) angeschlossen sind galvanisch getrennt (3) werden. Diese galvanische Trennung kann durch einen Signalkoppler durchgeführt werden, für die unterschiedliche Technologien zur Verfügung stehen.
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Die Versorgungsspannung (Vsupply) des Gatetreibers (15) ist hierbei nicht näher definiert, da es bauteilabhängig ist. Hier existieren z. B. die Möglichkeiten einer Versorgung des Gatetreibers (engl. Gate Driver Unit (GDU)) (15) direkt aus der primären Versorgungsspannung (48 V) oder einer Versorgung über einen DC/DC-Wandler, welcher aus dieser primären Versorgungsspannung gespeist wird.
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Der Stromfluss verläuft dann über den fett dargestellten Pfad der Diode 1 (D1).
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In 6 ist der Normalbetrieb mit der Versorgung aus dem primären Bordnetz mit einem höheren Potential als 12 Volt dargestellt, mit dem Strompfad entlang der dick gezeichneten Linie. Dabei liegt am Mittelabgriff des gesamten Diodenaufbaus ebenfalls das größere Potential (circa 48 V) an und in Folge dessen sperrt das Diodenarray 1 (D1).
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Je nach Betriebszustand des Systems, dienen je ein Diodenaufbau zur Versorgung des Mikrocontrollers und eines als Trennung beider Bordnetze untereinander. Mittels dieser Maßnahme kann eine kostengünstige und platzarme Energieversorgung der Logikbausteine aus beiden oder mehreren Spannungsbereichen realisiert werden.
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Vorteilhafterweise entsteht durch den permanent mit Spannung versorgen Mikrocontroller (1) eine kostengünstige und bauraumfreundliche Diagnosemöglichkeit, auch während Klemme 40 (KL 40/41) getrennt ist und keine primäre Spannungsversorgung anliegt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Mikrocontroller
- 2
- Elektromotor
- 3
- Galvanische Trennung
- 4
- Isolierter DC/DC-Wandler
- 5
- Signal Koppler
- 11
- Netzfilter (48V)
- 12
- MOSFET Netzabtrennung
- 13
- DC Link Zwischenkreis
- 14
- Spannungskonvertierungseinheit
- 15
- Gatetreiber
- 16
- Endstufe
- 17
- Sensorik
- 21
- Netzfilter (12V)
- 22
- CAN/Flexray
- 23
- Bus
- KL 30/31
- Klemme 30/31
- KL 40/41
- Klemme 40/41
- 48V
- primäre Spannungsversorgung (48 V Bereich)
- 12V
- sekundäre Spannungsversorgung (12 V Bereich)
- D1
- Diodenarray 1
- D2
- Diodenarray 2
- USBC
- Spannung am System-Basis-Chip
- 31
- LDO (Linearregler)
- 32
- Transceiver
- 33
- Signalkoppler
- CANH
- CAN-High
- CANL
- CAN-Low
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013221113 A1 [0008]
