DE10255433A1

DE10255433A1 - Verfahren zum Betreiben einer Spannungsversorgungsschaltung in einem Stromsparbetrieb

Info

Publication number: DE10255433A1
Application number: DE10255433A
Authority: DE
Inventors: Markus Dipl.-Ing. Heckel (FH); Manfred Kulesch
Original assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 2002-11-28
Filing date: 2002-11-28
Publication date: 2004-06-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Spannungsversorgungsschaltung in einem Stromsparbetrieb, bei dem die Stromaufnahme gegenüber dem regulären Betrieb reduziert ist und die Spannungsversorgungsschaltung einen Spannungswandler mit einem für den Spannungswandlerbetrieb steuerbaren Spannungswandlerschalter und einem Spannungswandlerkondensator und einen dem Spannungswandler nachgeschalteten Längsregler zur Spannungsversorgung einer Last, insbesondere eines Mikroprozessors, aufweist, sowie die Verwendung der mobilen Stromversorgungseinheit für elektronische Baugruppen in Kraftfahrzeugen, insbesondere Steuergeräte mit Mikroprozessoren für Sicherheitseinrichtungen, wie bspw. Airbags, Gurtstraffer oder Überrollbügel. DOLLAR A In elektronischen Systemen ist es oft erforderlich, dass ein Mikroprozessor ständig aktiv sein muss und daher auch ständig Strom aufnimmt und demgegenüber aber die Forderung einer geringen Stromaufnahme des Gesamtsystems besteht. Somit besteht die Forderung, dass zumindest in bestimmten Betriebszuständen das System einen möglichst geringen Strom aufnimmt. So ist es beispielsweise bekannt, bei Spannungsversorgungsschaltungen, die aus einem Aufwärtswandler bestehen, einen nachgeschalteten Abwärtswandler, der einen Längsregler versorgt, in einen reduzierten Betrieb zu steuern, bei dem z. B. nur der Abwärtswandler und der Längsregler oder nur der Längsregler betrieben wird. Dennoch weist ein solcher reduzierter Betrieb eine zu große ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer von einer Energiequelle gespeisten Spannungsversorgungsschaltung in einem Stromsparbetrieb, bei dem die Stromaufnahme gegenüber dem regulären Betrieb reduziert ist und die Spannungsversorgungsschaltung einen Spannungswandler mit einem für den Spannungswandlerbetrieb steuerbaren Spannungswandlerschalter und einem Spannungswandlerkondensator und einen dem Spannungswandler nachgeschalteten Längsregler zur Spannungsversorgung einer Last, insbesondere eines Mikroprozessors aufweist. Ferner betrifft diese Erfindung die Verwendung dieses Verfahrens bei Spannungsversorgungsschaltungen für elektronische Baugruppen in Kraftfahrzeugen, insbesondere Steuergeräte mit Mikroprozessoren für Sicherheitseinrichtungen, wie bspw. Airbags, Gurtstraffer oder Überrollbügel.
In elektronischen Systemen ist es oft erforderlich, daß ein Mikroprozessor ständig aktiv sein muß und daher auch ständig Strom aufnimmt und demgegenüber aber die Forderung einer geringen Stromaufnahme des Gesamtsystems besteht. Somit besteht die Forderung, dass zumindest in bestimmten Betriebszuständen das System einen möglichst geringen Strom aufnimmt. So ist es beispielsweise bekannt, bei Spannungsversorgungsschaltungen, die aus einem Aufwärtswandler, einem nachgeschalteten Abwärtswandler, der einen Längsregler versorgt, in einen reduzierten Betrieb zu steuern, bei dem z. Bsp. nur der Abwärtswandler und der Längsregler oder nur der Längsregler betrieben wird. Dennoch weist ein solcher reduzierter Betrieb eine zu große Verlustleistung auf.

Aus der DE 195 42 085 A1 ist eine Spannungsversorgungsschaltung mit einem Spannungswandler, einem diesem nachgeschalteten Abwärts wandler, der seinerseits einen eine Betriebsspannung von 5 V erzeugenden Stabilisator versorgt, bekannt. Diese bekannte Anordnung wird von einer Batterie versorgt und von einem Mikroprozessor gesteuert und dient insbesondere als Spannungsversorgungsschaltung für elektronische Baugruppen in Kraftfahrzeugen, insbesondere Steuergeräte für Sicherheitseinrichtungen. Diese bekannte Anordnung wird jedoch immer im gleichen Betriebsmodus betrieben, so daß ständig, unabhängig von Schaltungszuständen, eine große Stromaufnahme in Kauf genommen werden muß.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren für den Betrieb einer Spannungsversorgungsschaltung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß ein Stromsparbetrieb mit gegenüber dem regulären Betrieb der Spannungsversorgungsschaltung reduzierter Stromaufnahme möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Hiernach wird zur Reduzierung der Stromaufnahme anstelle des regulären Spannungswandlerbetriebes dessen Spannungswandlerschalter zusammen mit dem Längsregler als Zweipunktregler hinsichtlich der am Ausgang des Spannungswandlers erzeugten Ausgangsspannung betrieben.

In vorteilhafter Weise wird der Wandlerbetrieb durch eine Zweipunktregelung zusammen mit dem Linearregler ersetzt, wodurch aufgrund der dadurch bewirkten geringeren Stromaufnahme auch die Verlustleistung reduziert wird. Die erfindungsgemäße Lösung hat ferner den Vorteil, daß einerseits kurze Versorgungsspannungsunterbrechungen von dem in dem Wandler sowieso vorhandenen Kondensator überbrückt werden und andererseits auch durch den Kondensator Spannungsspitzen energetisch genutzt werden können. Schließlich bewirkt die ebenfalls in jedem Wandler vorhandene Spule sowohl eine Strombegrenzung als auch gleichzeitig die Unterdrückung von EMV-Abstrahlungen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Patentansprüchen 2 bis 9 zu entnehmen.

So ist bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung vorgesehen, daß die Spannungsversorgungsschaltung einen weite ren Spannungswandler aufweist, der im regulären Betrieb dem ersten Spannungswandler vorgeschaltet ist und zur Umschaltung auf den Stromsparbetrieb dieser weitere Spannungswandler außer Betrieb gesetzt und der erste Spannungswandler direkt mit der Energiequelle verbunden wird. Damit entfällt in vorteilhafter Weise im Stromsparbetrieb der Spannungsversorgungsschaltung ein für den regulären Betrieb vorgesehener Stromverbraucher.

Die an sich bekannte Zweipunktregelung wird vorzugsweise derart realisiert, daß Erfassungsmittel zur Detektion der am Ausgang des ersten Spannungswandlers erzeugten Spannung und Steuermittel vorgesehen sind, wobei die Steuermittel den Spannungswandlerschalter einschalten, wenn die Erfassungsmittel einen unter einem ersten Schwellwert liegenden Spannungswert anzeigen und wieder ausschalten, wenn die Erfassungsmittel einen über einem zweiten Schwellwert liegenden Spannungswert anzeigen. Damit ist für die Ansteuerung des Spannungswandlerschalters lediglich ein Komparator, der seinerseits nur wenig Betriebsstrom aufnimmt, erforderlich.

Die erfindungsgemäße Spannungsversorgungsschaltung ist besonders vorteilhaft in Steuergeräten mit Mikroprozessoren für Sicherheitseinrichtungen in Kraftfahrzeugen einsetzbar.

Das erfindungsgemäße Verfahren soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles im Zusammenhang mit den Zeichnungen erläutert und dargestellt werden. Es zeigen:

1 ein Blockschaltbild eines Steuergerätes für Sicherheitseinrichtungen mit einer erfindungsgemäßen Stromversorgungseinheit,

2 ein detailliertes Blockschaltbild eines Ausschnittes der Stromversorgungseinheit gemäß 1, und

3 ein Zeit-Spannungs-Diagramm der Ausgangsspannungen am Abwärtswandler und Längsregler gemäß Blockschaltbild nach 2.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Stromversorgungseinheit SV, wie sie beispielsweise in einem Steuergerät für Sicherheitseinrichtungen in Kraftfahrzeugen verwendbar ist.
In dieser 1 sind der Einfachheit halber nicht alle für die Funktion eines solchen Steuergerätes erforderlichen Funktionseinheiten dargestellt, sondern nur solche, soweit diese zum Verständnis der Funktion der erfindungsgemäßen Stromversorgungseinheit SV erforderlich sind.
Der Stromversorgungseinheit SV wird einem Eingang E über einen schließbaren Zündschalter S_z die von einer Fahrzeugbatterie 5 erzeugten Batteriespannung U_Bat zugeführt, während an einem ersten Ausgang A₁ eine Ausgangsspannung U_A, für eine Endstufe 4 über eine Leitung k bereitgestellt wird. Erhält diese Endstufe 4 von einem Mikroprozessor μC über eine Leitung i einen Auslösebefehl, führt dies zur Auslösung einer Sicherheitseinrichtung 6, wie bspw. einem Airbag. An einem zweiten Ausgang A₂ der Stromversorgungseinheit SV steht eine Betriebsspannung U_μC zur Spannungsversorgung des Mikroprozessors μC bereit, die diesem über eine Leitung g zugeführt wird.
Der Eingang E der Stromversorgungseinheit SV ist sowohl mit einem Eingang E₁₁ eines Aufwärtswandlers 1 als auch über einen offenen Schalter S₁ (Schließer) mit einem zweiten Eingang E₂₂ eines Abwärtswandlers 2 verbunden, dessen erster Eingang E₂₁ über einen im Normalbetrieb geschlossenen Schalter S₂ (Öffner) an einen Ausgang A₁₁ des Aufwärtswandlers 1 angeschlossen ist. Der Ausgang A₂₁ des Abwärtswandlers 2 ist mit dem Eingang E₃₁ eines Längsreglers 3 verbunden, dessen Ausgang A₃₁ die schon genannte Betriebsspannung U_μC für den Mikroprozessor μC bereitstellt und damit auch den zweiten Ausgang A₂ der Stromversorgungseinheit SV bildet.
Des weiteren ist ein Autarkiekondensator C_A im Sinne eines Systemautarkiekondensators für den Abwärtswandler 2 und die nachfolgenden Schaltungsteile vorgesehen, der über den Ausgang A₁, des Aufwärtswandlers 1 geladen wird. Parallel hierzu ist an diesen Ausgang A₁₁ über einen im Normalbetrieb offenen Schalter S₃ (Schließer) ein Meßwiderstand R geschaltet.
Der Mikroprozessor μC, in erster Linie verantwortlich für die Systemsteuerung hinsichtlich der Funktion Auslösung der Sicherheitseinrichtungen, steuert auch die Stromversorgungseinheit SV. Hierzu gehört neben der Steuerung der Wandler 1 und 2 über Leitungen a und b auch die Steuerung der Schalter S₁, S₂ und S₃ über Leitungen c, d und l. Die zur Steuerung der Wandler und dieser Schalter erforderlichen Informationen werden dem Mikroprozessor μC über die Leitungen f und m zugeführt, wobei über die erste die Batteriespannung U_Bat und über die zweite der Spannungsabfall über dem Meßwiderstand R bei geschlossenem Schalter S₃ erfaßt wird. Schließlich werden auch die Ausgangsspannungen des Aufwärtswandlers 1 über eine Leitung e und diejenige des Abwärtswandlers 2 über eine Leitung h ebenfalls detektiert.
Im Normalbetrieb der Stromversorgungseinheit SV ist zunächst der Zündschalter S_z geschlossen und der Schalter S₂ in den geschlossenen Zustand (wie in der Zeichnung dargestellt) gesteuert, so daß die beiden Wandler 1 und 2 verbunden sind und damit am Ausgang des Abwärtswandlers 2 die gewünschte Betriebsspannung U_H als auch die Zündenergie als Ausgangsspannung U_A1 der Stromversorgungseinheit SV für die Endstufe 4 bereitsteht. Im Crashfall kann daher gegebenenfalls der Mikroprozessor μC einen Zündbefehl an die Endstufe 4 zur Auslösung der Sicherheitseinrichtung 5 ausgeben. Gleichzeitig wird diese Ausgangsspannung U_H des Abwärtswandlers 2 dem Längsregler 3 zur Erzeugung der Betriebsspannung U_μC zugeführt.
Sollte im Fall eines Unfalles, der eine Auslösung der Sicherheitseinrichtung 5 erforderlich macht, die Batteriespannung U_Bat unter einen vorgegebenen Schwellwert fallen, übernimmt der auf die Spannung U_C geladene Autarkiekondensator C_A die Spannungsversorgung des Abwärtswandlers 2. Der Aufwärtswandler 1 wird in diesem Fall durch den Mikroprozessor μC über die Leitung a abgeschaltet.
Die Überprüfung des Autarkiekondensators C_A während des Normalbetriebes wird nur dann durchgeführt, wenn dessen Kondensatorspannung U_C einen Mindestwert aufweist und die Batteriespannung U_Bat ausreichend hoch ist, also bspw. über der Ausgangsspannung U_H des Abwärtswand lers 2 liegt. Liegen diese Bedingungen vor, wird der Schalter S₂ über entsprechende Steuerbefehle des Mikroprozessors μC geöffnet, während gleichzeitig der Schalter S₁ geschlossen wird, womit über eine sogenannte Bypassleitung der Abwärtswandler 2 über seinen zweiten Eingang E₂₂ direkt mit der Batteriespannung U_Bat versorgt wird. Anschließend wird der Aufwärtswandler 1 abgeschaltet und der Schalter S₃ für eine vorgegebene Zeitdauer geschlossen, während der der sich aus der Entladung des Autarkiekondensators C_A ergebende Verlauf des Spannungsabfalles an dem Meßwiderstand R erfaßt und ausgewertet wird, so daß eine Aussage über den Kapazitätswert des Autarkiekondensators C_A möglich wird. Ein solches Verfahren ist beispielsweise der EP 0 648 645 zu entnehmen. Nach der vorgegebenen Zeitdauer werden die Schalter S₁, S₂ und S₃ wieder in den Ausgangszustand gesteuert. Während der Prüfdauer wird die Funktion der Stromversorgungseinheit SV dennoch sichergestellt, da der Abwärtswandler in dieser Zeit direkt aus der Batterie 5 gespeist wird. Damit muß der Autarkiekondensator C_A für die Kapazitätsmessung nicht vom Aufwärtswandler 1 getrennt werden und infolgedessen kann er Störungen auf der Versorgungsleitung weiterhin auffangen. Der für die Zuschaltung des Meßwiderstandes R erforderliche Schalter S₃ braucht nur für den Prüfstrom dimensioniert werden, so daß er hinsichtlich der Stromtragfähigkeit klein gehalten werden kann.
Bricht jedoch während der Kondensatorprüfung die Batteriespannung ein, nimmt also einen für den Betrieb des Abwärtswandlers 2 zu geringen Wert an, wird die Prüfung sofort abgebrochen, so daß die Spannungsversorgung des Abwärtswandlers 2 sofort wieder aus dem Autarkiekondensator C_A erfolgen kann.
Bei Anforderung eines Power-Down-Modus (Abschaltmodus) oder eines Sleep-Modus (Ruhezustand) des Mikroprozessor μC wird der Abwärtswandler 2 durch den Mikroprozessor μC in einen Stromsparbetrieb gesteuert, indem derselbe nunmehr nicht mehr im Spannungswandlerbetrieb gefahren sondern eine Zweipunktregelung durchgeführt wird, aber dennoch die für den Mikroprozessor μC erforderliche Betriebsspannung von bspw. 5 V am Ausgang A₃₁ des Längsreglers 3 zur Verfügung steht, wie nachfolgend anhand der 2 und 3 erläutert werden soll.
Das Blockschaltbild nach 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau des Abwärtswandlers 2 und des als Linearregler ausgestalteten Längsreglers 3. Hiernach besteht der Abwärtswandler 2 aus einer Reihenschaltung eines als Transistor ausgeführten Spannungswandlerschalters T_AB und einer Wandlerinduktivität L_AB, wobei eine Wandlerdiode D_AB zwischen dem Transistor T_AB und der Wandlerinduktivität L_AB gegen das Bezugspotential der Schaltung und am Ausgang A₂₁ ebenfalls gegen dieses Bezugspotential ein Wandlerkondensator C_H geschaltet ist.
Der Transistor T_AB wird von einer PWM-Schaltung 21 pulsweitenmoduliert angesteuert, die ihrerseits sowohl von dem Mikroprozessor μC über die Leitung b als auch von einem Komparator K₁ Steuerbefehle empfängt. Dem Komparator K₁ wird an dessen beiden Eingängen eine von einer Referenzerzeugungsschaltung Ref erzeugte Referenzspannung und die am Ausgang A₂₁ des Abwärtswandlers 2 anstehende Ausgangsspannung U_H zugeführt.
Der Längsregler 3 ist in bekannter Weise aufgebaut, enthält einen Längstransistor T_μC, dessen Emitterelektrode den Ausgang A₃₁ bildet, an den ein Glättungskondensator C_μC gegen Bezugspotential angeschlossen ist. Der Längstransistor T_μC wird über seine Basiselektrode von einem Festspannungsregler 31 (z. Bsp. für eine Ausgangsspannung von 5 V) angesteuert, dem sowohl die am Eingang E₃₁ des Längsreglers 3 anstehende Eingangsspannung UH als auch die am Ausgang A₃₁ erzeugte Ausgangsspannung U_μC zugeführt wird. Dieser Festspannungsregler 31 enthält einen Reglertransistor T_R, einen Komparator K₂ und einen Referenzspannungserzeuger Ref.
Zur Durchführung der oben schon erwähnten Zweipunktregelung steuert der Mikroprozessor μC die PWM-Schaltung 21 derart an, dass deren PWM-Funktion ausgeschaltet wird und der Komparator K₁ den Transistor T_AB direkt ansteuert. Hierzu wird der Transistor T_AB so lange durchgesteuert, bis die Ladespannung U_H des Wandlerkondensators C_H eine obere Schwelle S₂ erreicht, die der am Eingang E₂₂ des Aufwärtswandlers 2 anstehenden Batteriespannung U_Batt bis auf die an den anderen Bauele menten entstehenden Spannnungsabfällen entspricht und anschließend in den sperrenden Zustand gesteuert, bis die Ladespannung U_H an diesem Wandlerkondensator C_H aufgrund der Entladung durch den nachgeschalteten Längsregler 3 einen unteren Schwellwert S₁ unterschreitet. Den entsprechenden Verlauf dieser Ladespannung U_H während der beschriebenen Lade- und Entladephase an dem Wandlerkondensator C_H zeigt das Zeit-Spannungs-Diagramm der 3. Zusätzlich ist auch der Spannungsverlauf der von dem Längsregler 3 aus dieser Ladespannung U_H erzeugte Ausgangsspannung U_μC dargestellt, der aus dem wellenförmigen Verlauf der Ladespannung U_H eine nahezu konstante Ausgangsspannung U_μC erzeugt.
Dieser zweipunktgeregelte Abwärtswandler 2 in Verbindung mit dem Betrieb des Längsreglers 3 führt zu einer minimalen Verlustleistung. Ferner werden kurze Versorgungsspannungsunterbrechungen durch den Wandlerkondensator C_H überbrückt, umgekehrt aber Spannungspitzen optimal energetisch genutzt. Schließlich begrenzt die für den Abwärtswandlerbetrieb benötigte Induktivität L_AB den Strom und sorgt damit auch für eine geringe EMV-Abstrahlung.
Dieser stromsparende Betrieb der in 1 dargestellten Spannungsversorgungsschaltung SV wird nicht nur – wie oben dargestellt – während eines Power-Down- oder Sleep-Modus durchgeführt, sondern bspw. auch während des Öffnens einer Fahrzeugtüre, wenn dann bereits die über einen CAN-Bus verbundenen Teilnehmer, z. Bsp. Airbag oder Gurtstraffer – Zündendstufen miteinander kommunizieren.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer von einer Energiequelle (5) gespeisten Spannungsversorgungsschaltung (SV) in einem Stromsparbetrieb, bei dem die Stromaufnahme gegenüber dem regulären Betrieb reduziert ist und die Spannungsversorgungsschaltung (SV) a) einen mit einer Betriebsspannung (U_H, U_Bat) versorgten ersten Spannungswandler (2) mit einem für den Spannungswandlerbetrieb steuerbaren Spannungswandlerschalter (T_AB) und einem Spannungswandlerkondensator (C_H), und b) einen dem ersten Spannungswandler (2) nachgeschalteten Längsregler (3) zur Spannungsversorgung einer Last (μC), insbesondere eines Mikroprozessors aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß c) anstelle des regulären Spannungswandlerbetriebes als Stromsparbetrieb mittels des Spannungswandlerschalters (T_AB) und des Längsreglers (3) eine Zweipunktregelung hinsichtlich der am Ausgang (A₂₁) des Spannungswandlers (2) erzeugten Spannung (U_H) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsversorgungsschaltung (SV) einen weiteren, von der Energiequelle (5) gespeisten Spannungswandler (1) umfaßt, der im regulären Betrieb der Spannungsversorgungsschaltung (SV) dem ersten Spannungswandler (2) vorgeschaltet wird, und zur Umschaltung auf den Stromsparbetrieb der weitere Spannungswandler (1) außer Betrieb gesetzt wird und der erste Spannungswandler (2) direkt mit der Energiequelle (5) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als erster Spannungswandler (2) ein Abwärtswandler vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als weiterer Spannungswandler (1) ein Aufwärtswandler vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Energiequelle (5) eine Batterie vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur kurzzeitigen Überbrückung von Spannungsausfällen ein dem ersten Spannungswandler (2) vorgeschalteter Autarkiekondensator (C_A) von dem weiteren Spannungswandler (1) aufgeladen wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Erfassungsmittel zur Detektion der am Ausgang des ersten Spannungswandlers (2) erzeugten Spannung (U_H) und Steuermittel (K₁, Ref, 21, μC) vorgesehen sind, die Steuermittel den Spannungswandlerschalter (T_AB) einschalten, wenn die Erfassungsmittel einen unter einem ersten Schwellwert (S₁) liegenden Spannungswert anzeigen und wieder ausschalten, wenn die Erfassungsmittel einen über einem zweiten Schwellwert (S₂) liegenden Spannungswert anzeigen.
Verwendung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche bei einer Spannungsversorgungsschaltung für elektronische Baugruppen in Kraftfahrzeugen, insbesondere Steuergeräte mit Mikroprozessoren für Sicherheitseinrichtungen, wie bspw. Airbags, Gurtstraffer oder Überrollbügel.