WO2000031603A1 - Schaltungsanordnung zum erzeugen einer stabilisierten versorgungsspannung für mehrere verbraucher - Google Patents

Schaltungsanordnung zum erzeugen einer stabilisierten versorgungsspannung für mehrere verbraucher Download PDF

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WO2000031603A1
WO2000031603A1 PCT/DE1999/003516 DE9903516W WO0031603A1 WO 2000031603 A1 WO2000031603 A1 WO 2000031603A1 DE 9903516 W DE9903516 W DE 9903516W WO 0031603 A1 WO0031603 A1 WO 0031603A1
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WO
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voltage
circuit arrangement
input
output
arrangement according
Prior art date
Application number
PCT/DE1999/003516
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French (fr)
Inventor
Michael Lenz
Frank-Lothar Schwertlein
Heinrich Gschloessl
Original Assignee
Infineon Technologies Ag
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Filing date
Publication date
Application filed by Infineon Technologies Ag filed Critical Infineon Technologies Ag
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    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05FSYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00Automatic 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
    • G05F1/10Regulating voltage or current
    • G05F1/46Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
    • G05F1/56Regulating 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
    • G05F1/577Regulating 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 for plural loads

Definitions

  • Circuit arrangement for generating a stabilized supply voltage for several consumers
  • the invention relates to a circuit arrangement for generating a stabilized supply voltage for several consumers with a voltage regulator, which converts a first voltage at its input into a second voltage and makes it available at its output.
  • Electronic control units are used to supply various components, e.g. a microcontroller, sensors for detecting certain operating states or actuators for setting desired setpoints, stabilized voltages are required.
  • the generation of a constant and stabilized voltage is implemented, for example, by analog voltage regulators or clocked switching regulators.
  • Various embodiments of linear voltage regulators are described, for example, in Tietze, Schenk, Semiconductor Circuit Technology, 10th Edition, Springer-Verlag, 1993, pages 542 to 555. Due to the ever increasing number of electrical consumers in electronic systems and the increasing complexity of the electronic controls, the power loss occurring in a voltage regulator rises sharply due to the ever increasing current. This power loss requires complex cooling measures.
  • FIG. 1 shows a basic circuit arrangement with a voltage regulator, which supplies several consumers with a constant voltage, as is known from the prior art.
  • the circuit arrangement has a control unit 10, on which a voltage regulator 3, a microprocessor 7, and two drivers 8, each of which controls a consumer 4, 5 located outside the control unit 10.
  • the consumer 4 is shown by way of example as an actuator; this can be a servomotor, for example.
  • the sensor 5 detects, for example, the temperature or speed of an electric motor.
  • the control unit 10 has a first supply potential connection 1, which forms the input of the voltage regulator 3.
  • the positive supply voltage Vbb is present at this. If the circuit arrangement were used in a motor vehicle, this would be 12 V, for example.
  • the voltage regulator 3 also has a reference potential connection 9, which advantageously represents the ground potential.
  • voltage regulator 3 supplies a constant output voltage Vref, which is 5 V, for example.
  • the voltage Vref present at the output 2 represents the supply voltage for the microcontroller 7 and the consumers 4, 5.
  • the control unit could be used in the automotive sector and could represent an electronic control unit (ECU) that monitors and controls various sensors or actuators in the car.
  • ECU electronice control unit
  • An application would be conceivable, for example, in an ABS or an airbag control.
  • the voltage regulator 3 This is determined from the voltage drop between output 2 and input 1 of voltage regulator 3 and the current flowing depending on the number of consumers. As already mentioned, the power loss due to the voltage regulator necessitates cooling measures.
  • a disadvantage of the known circuit arrangement is that the function of the entire circuit arrangement can be impaired in the event of a short circuit on one of the supply lines 20. If the reference potential is present on one of the supply lines 20 due to a fault, this inevitably leads to the destruction of the controller 7, which carries out the control of all consumers. If the microcontroller 7 fails, the entire circuit arrangement fails. Voltage regulators, however, are usually designed to be short-circuit proof. Likewise, the circuit arrangement can be impaired if an overload can occur due to a fault in the consumer.
  • the object of the present invention is therefore to provide a circuit arrangement for generating stabilized voltage for a plurality of consumers, which can provide each consumer with exactly the same reference voltage. Furthermore, the power loss occurring during operation can be dissipated or distributed in a simple manner. This object is achieved with the features of patent claim 1.
  • the voltage present at the output of the voltage regulator is fed to at least one impedance converter at its control input, the output of the impedance converter being connected to exactly one consumer each and the voltage present at the output of the voltage regulator being present at the control input of the impedance converter. corresponds to the tension.
  • the voltage generated by the voltage regulator can be "passed on” to other consumers decoupled. Consequently, only an expensive voltage regulator is required, while the reference voltage is provided by the impedance converters, which are connected between the output of the voltage regulator and the supply potential connection of the respective consumer.
  • the supply voltage input of the impedance converter is connected to the input of the voltage regulator. This means nothing other than that the positive supply voltage is present at the supply voltage input of the impedance converter.
  • the output of the impedance converter is connected to the supply voltage input via the load path of a power transistor.
  • a driver circuit controls the power transistor so that the control input applied voltage at the output of the impedance converter is available.
  • the advantage of this circuit arrangement is that the current is conducted past the voltage regulator, so that the power loss is generated in the impedance converter.
  • the power transistor is advantageously a PNP transistor.
  • Another advantage is the high precision of the reference voltage made available to the consumers. The risk of a malfunction of the circuit arrangement due to a short circuit or overcurrent is further reduced.
  • a differential amplifier is advantageously provided in the impedance converter of the circuit arrangement according to the invention, the negative input of which is connected to the connection point of the collector of the power transistor to the output of the impedance converter.
  • the positive input of the differential amplifier is connected to the control input of the impedance converter, the output of the differential amplifier controlling a transistor which regulates the voltage drop across the load path of the power transistor.
  • the collector-emitter path of this transistor is located between the base of the power transistor and a reference potential connection.
  • a further transistor is provided, the base connection of which is connected to the control input of the impedance converter and the collector-emitter path is connected in series with a current source between the supply voltage input and the reference potential connection.
  • the connection point between the current source and the emitter of a further transistor is connected to an operating potential connection of the differential amplifier.
  • a saturation control for the power transistor is advantageously provided, which reduces the reverse current in the case of an inverse operation and controls the base current in the drop mode.
  • Inverse operation can occur, for example, due to a short-circuit in the supply voltage, with a brief interruption of the supply voltage, or with reverse polarity.
  • the reverse current is prevented by the bipolar power transistor, which, in contrast to a MOSFET, does not have an integrated, anti-parallel diode.
  • the backflow is also limited by the saturation control. This is described, for example, in EP 0 374 288 B1.
  • the control of the base current in drop mode leads to an optimized power control of the power transistor.
  • the base current is regulated against the reference potential, advantageously the ground potential.
  • the impedance converter is advantageously designed in a monolithically integrated form. As a separate component, it can be placed in a circuit arrangement in a simple manner at the desired locations.
  • the voltage present at the control input of the impedance converter is controlled via a microcontroller.
  • the voltage specified by the microcontroller can change between the second voltage, that is to say the voltage present at the output of the main voltage regulator, and a reference potential.
  • the control input of the impedance converter is alternately acted upon by the voltage present at the output of the main voltage converter and by a voltage value below a threshold value which puts the impedance converter into the sleep mode. It is thus possible, for example, to read out information from a sensor only at certain times, that is to say to only supply the sensor with a voltage while it is in the rest mode in the rest of the time. This enables a very effective power saving mode. It is also possible, as already mentioned, to use the impedance converter as a high-side switch, which switches the voltage present at the supply voltage input of the impedance converter.
  • the circuit arrangement according to the invention is advantageously used in an electrical control unit in the motor vehicle sector.
  • FIG. 1 shows a basic circuit arrangement known from the prior art with a voltage regulator
  • FIG. 2 shows the basic structure of the circuit arrangement according to the invention, which has a number of impedance converters corresponding to the number of consumers,
  • FIG. 3 shows the circuit implementation of the impedance converter described in FIG. 2 and Figure 4 shows another embodiment of the circuit arrangement according to the invention and
  • FIG. 2 shows a circuit arrangement that could be used as a control unit in a motor vehicle, for example.
  • the control unit 10 differs from the control unit shown in FIG. 1 mainly in that, in addition to a voltage regulator 3, a microcontroller 7, drivers 8 and consumers 4, 5, it has an impedance converter 6, each between the supply voltage connection of the consumers 4, 5 and the output 2 of the voltage regulator 3 are switched.
  • FIG. 2 shows two consumers 4, 5, each of which is assigned an impedance converter 6.
  • An impedance converter 6 each has a supply voltage input IN, which is connected to the first supply potential connection 1, to which a positive supply voltage Vbb is present.
  • a control input ADJ is connected to output 2 of the voltage regulator, to which a reference voltage Vref is present.
  • the reference voltage is generally less than the supply potential Vbb and is predetermined by the output of the voltage regulator 3.
  • An output Q which is regulated in such a way that the same voltage is applied to it as at the control input ADJ, is connected to the consumer 4 or 5 and serves this as a supply potential connection.
  • Each of the impedance converters is connected to a reference potential connection 9, as is the voltage regulator 3.
  • the reference potential connections 9 can be connected to one another internally.
  • the advantage of this circuit arrangement is that the power loss is no longer generated at the voltage regulator 3, but at the impedance converters 6.
  • the current required by the consumer is conducted around the voltage regulator 3.
  • the power loss caused by the voltage regulator 3 is now only due to the current it needs and the falling voltage.
  • the impedance converters 6 are advantageously designed as individual, packaged semiconductor components. elements, therefore the power loss can be spatially distributed.
  • Another advantage is the increased reliability of the entire circuit arrangement. If a short circuit or overcurrent occurs on the supply line 20, which is, for example, outside the control unit 10, the consumer 4, 5 can be damaged as a result, but the entire circuit arrangement is not impaired.
  • the impedance converter 6 is advantageously designed for current and overvoltage, so that this damage is prevented by this control unit 10. A decoupling of the various outputs to the consumers from the control unit is thus achieved.
  • Another advantage of the circuit arrangement according to the invention is that only a precise voltage regulator is required, which is generally expensive and complex to manufacture. This is the voltage regulator 3 in FIG. 2.
  • the impedance converters 6 use the precision and accuracy of the voltage regulator 3 and precisely regulate this predetermined reference voltage. Accordingly, every consumer receives the same reference voltage. The use of several voltage regulators, which could lead to problems in the entire circuit arrangement due to the different reference voltages, is thus avoided.
  • the circuit arrangement according to the invention is also significantly cheaper.
  • FIG. 3 shows the circuit implementation of the impedance converter described in Figure 2.
  • the supply potential of the entire circuit arrangement for example the control unit, is present at the supply voltage input IN.
  • the supply voltage input IN is over the
  • the PNP transistor 11 is a so-called
  • the drop voltage that is to say the voltage dropping minimally across the PNP transistor between the emitter and the collector, is kept as small as possible in order to enable the precision of the impedance converter to be achieved even with a slightly higher supply voltage Vbb than the voltage present at the control input ADJ 6 is not affected. This is particularly important in the automotive sector, where, for example, a sharp drop in the supply voltage of 12 V can be observed during the starting process. With a small drop voltage, however, the voltage present at output Q, which is identical to the voltage present at control input ADJ, remains at a stable value.
  • the differential amplifier works in its common mode range. This means that the control loop remains closed.
  • a saturation regulator 16 is provided which reduces a reverse current in the event of a possible inverse operation of the impedance converter.
  • the control loop of the impedance converter 6 at output Q is compensated for ground by a capacitor that has a small ⁇ F capacitance. If the supply voltage at the supply voltage input IN breaks down during operation, the voltage results a significantly higher value at output Q than for the supply voltage, since voltage is still present at the capacitive load. For example, in the event of a short circuit at the supply voltage input IN - caused, for example, by switching off the voltage supply at which other consumers are connected - the voltage at the supply voltage input IN goes to zero, while at its output Q the voltage is initially maintained by the smoothing compensator.
  • the impedance converter according to FIG. 3 has a further bipolar transistor 14 which is connected with its base connection to the control input ADJ.
  • the collector of the further transistor 14 is connected to the reference potential connection 9 in
  • the connection point between the current source 15 and the emitter of the transistor 14 is connected to an operating potential connection of the differential amplifier 12.
  • control input ADJ is therefore expediently supplied with a voltage by a microcontroller. It is also possible to use the impedance converter shown in FIG. 3 as a high-side switch. For this purpose, the control input ADJ is switched to the potential at the supply voltage input IN or above. The differential amplifier is then in large-signal operation and therefore fully controls the power transistor 11. The saturation control then takes on the task of optimally controlling the base current of the power transistor 11, so that the lowest possible voltage drops from the collector-emitter path when the base current is optimized.
  • An impedance converter used as a high-side switch has short on / off times. Furthermore, it requires only a small amount of current in sleep mode.
  • the control as to whether the impedance converter is used as a controller or switch is selected by the voltage at the control input ADJ.
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of the circuit arrangement according to the invention.
  • the impedance converter 6 is constructed as described in FIG. 3.
  • the supply voltage Vbb present at the first supply potential connection 1 is regulated down to a reference voltage Vref via a voltage regulator 3 at the output 2 of the voltage regulator.
  • This is fed to a microcontroller 7, which can generate a digital signal at the output 21 of the microcontroller 7 via two transistors 17 and 18 connected in series with its load path.
  • either the reference voltage Vref can be applied to the control input ADJ, so that exactly this voltage is corrected at the output Q of the impedance converter 6.
  • the reference potential can be applied to the control input ADJ, so that the impedance converter is switched to the sleep mode.
  • the output Q of the impedance converter 6 and the voltage regulator 2 are connected to compensation capacitors 22 and 23.
  • the transistors 17 and 18 are of the opposite conduction type and are made of one in a known manner Driver 19 in the microcontroller 7 controlled.
  • the two transistors 17 and 18 form an inverter.
  • the controller 7 can of course have a large number of inverter stages, so that a large number of impedance converters 6 can also be controlled.
  • the number of impedance converters depends on the use of the entire circuit arrangement.

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Abstract

Es wird eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer stabilisierten Versorgungsspannung für mehrere Verbraucher vorgeschlagen, die einen Spannungsregler aufweist, der eine erste Spannung an seinem Eingang in eine zweite Spannung wandelt und an seinem Ausgang zur Verfügung stellt. Diese Spannung wird zumindest einem Impedanzwandler an seinem Steuereingang zugeführt, der mit seinem Ausgang mit jeweils genau einem Verbraucher verbunden ist, wobei die am Ausgang anliegende Spannung der am Steuereingang anliegenden Spannung entspricht. Hierdurch kann einer Vielzahl von Verbrauchern genau die gleiche Referenzsspannung zugeführt werden. Die Schaltungsanordnung ist zudem gegen mögliche Störeinflüsse geschützt.

Description

Beschreibung
Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer stabilisierten Versorgungsspannung für mehrere Verbraucher
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer stabilisierten Versorgungsspannung für mehrere Verbraucher mit einem Spannungsregler, der eine erste Spannung an seinem Eingang in eine zweite Spannung wandelt und an seinem Ausgang zur Verfügung stellt.
In elektronischen Steuergeräten werden zur Versorgung verschiedener Bauelemente, z.B. eines Microcontrollers, Sensoren zum Erfassen bestimmter Betriebszustände oder aber Aktoren zum Einstellen gewünschter Sollgrößen, stabilisierte Spannungen benötigt. Das Erzeugen einer konstanten und stabilisierten Spannung wird zum Beispiel durch analog arbeitende Spannungsregler oder aber getaktete Schaltregler realisiert. Verschiedene Ausführungsformen von linearen Spannungsregler sind zum Beispiel in Tietze, Schenk, Halbleiterschaltungstechnik, 10. Auflage, Springer-Verlag, 1993, Seiten 542 bis 555 beschrieben. Durch die in elektronischen Systemen immer größer werdene Anzahl an elektrischen Verbrauchern und durch die damit steigende Komplexität der elektronischen Steuerungen steigt die in einem Spannungsregler anfallende Verlustleistung aufgrund des immer größer werdenden Stromes stark an. Diese Verlustleistung macht aufwendige Kühlmaßnahmen erforderlich.
Um Störungen in einer elektronischen Steuereinheit, verursacht durch Verlustleistung, zu verhindern, kann es sinnvoll und notwendig sein, mehrere Spannungsregler zur Spannungsversorgung der Vielzahl an Verbrauchern. einzusetzen. Damit kann die anfallende Verlustleistung auf mehrere Gehäuse bzw. Ört- lichkeiten verteilt werden. Der Nachteil einer derartigen Lösung besteht darin, daß die von mehreren Spannungsreglern erzeugte AusgangsSpannung unter Umständen nicht exakt gleich sind. Dies kann jedoch zu Problemen führen, wenn die von verschiedenen Spannungsreglern versorgten Verbraucher zur Signalverarbeitung zum Beispiel in einem Mikroprozessor herangezogen werden. Durch die verschiedenen Referenzsspannungen, das heißt die Ausgangsspannungen der Spannungsregler, kann es zu Störungen kommen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die signalverarbeitenden Verbraucher in sogenannten Teilnetzen, das heißt in räumlicher Entfernung von der Steuereinheit durchgeführt werden. Die außerhalb der Steuerein- heit vorliegender Verbraucher sind in der Regel Sensoren, die Betriebszustände bestimmter Bauteile erfassen. Die nach außen führenden Leitungen von der Steuereinheit zu den Sensoren sind zudem stark Kurzschluß gefährdet.
Die Verwendung von Schaltreglern anstatt von analogen Spannungsreglern zur Verringerung der Verlustleistung hat den Nachteil eines hohen Preises.
Figur 1 zeigt eine prinzipielle Schaltungsanordnung mit einem Spannungsregler, der mehrere Verbraucher mit einer konstanten Spannung versorgt, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die Schaltungsanordnung weist eine Steuereinheit 10 auf, auf welcher ein Spannungsregler 3, ein Mikroprozessor 7, sowie zwei Treiber 8, die jeweils einen außerhalb der Steuer- einheit 10 liegenden Verbraucher 4, 5 ansteuern. Der Verbraucher 4 ist exemplarisch als Aktor dargestellt, es kann sich hierbei zum Beispiel um einen Stellmotor handeln. Der Sensor 5 erfaßt beispielsweise die Temperatur oder Drehzahl eines Elektromotors. Die Steuereinheit 10 weist einen ersten Ver- sorgungspotentialanschluß 1 auf, der den Eingang des Spannungsreglers 3 bildet. An diesem liegt die positive Versorgungsspannung Vbb an. Im Fall einer Anwendung der Schaltungsanordnung in einem Kraftfahrzeug wären dies beispielsweise 12 V. Der Spannungsregler 3 weist weiterhin einen Bezugspoten- tialanschluß 9 auf, der vorteilhaft das Massepotential darstellt. Am Ausgang 2 liefert der Spannungsregler 3 eine konstante Ausgangsspannung Vref, die zum Beispiel 5 V beträgt. Die am Ausgang 2 anliegende Spannung Vref stellt die Versorgungsspannung für den Microcontroller 7 sowie die Verbraucher 4, 5 dar.
Die Steuereinheit könnte im Automobilbereich angewandt werden und eine Electronic-Control-Unit (ECU) darstellen, die verschiedene Sensoren beziehungsweise Aktoren im Auto überwacht und ansteuert. Ein Einsatz wäre beispielsweise in einer ABS oder einer Airbag-Steuerung denkbar. Abhängig von der Anzahl der Verbraucher fällt im Spannungsregler 3 eine mehr oder weniger große Verlustleistung an. Diese bestimmt sich aus dem Spannungsabfall zwischen dem Ausgang 2 und dem Eingang 1 des Spannungsreglers 3 und dem, abhängig von der Anzahl der Verbraucher, fließenden Strom. Die durch den Spannungsregler an- fallende Verlustleistung macht, wie bereits erwähnt, Kühlmaßnahmen erforderlich.
Ein Nachteil der bekannten Schaltungsanordnung besteht darin, daß bei einem Kurzschluß an einer der Versorgungsleitungen 20 die gesamte Schaltungsanordnung in ihrer Funktion beeinträchtigt werden kann. Liegt an einer der Versorgungsleitungen 20 aufgrund einer Störung das Bezugspotential an, so führt dies unweigerlich zur Zerstörung des Controllers 7, welcher die Steuerung aller Verbraucher durchführt. Bei einen Ausfall des Microcontrollers 7 fällt deshalb die gesamte Schaltungsanordnung aus. Spannungsregler hingegen sind in der Regel kurzschlußfest ausgelegt. Gleichermaßen kann die Schaltungsanordnung beeinträchtigt sein, wenn aufgrund eines Fehlers am Verbraucher eine Überlast auftreten kann.
Die Aufgabe der vorliegende Erfindung besteht deshalb darin, eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen stabilisierten Spannung für mehrere Verbraucher vorzusehen, die jedem Verbraucher genau die gleiche Referenzspannung zur Verfügung stellen kann. Ferner die im Betrieb anfallende Verlustleistung auf einfache Weise abgeführt beziehungsweise verteilt werden. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst .
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die am Ausgang des Spannungs- reglers anliegende Spannung zumindest einem Impedanz- wandler an seinem Steuereingang zuzuführen, wobei der Ausgang des Impedanzwandler mit jeweils genau einem Verbraucher verbunden und wobei die am Ausgang des Spannungsreglers anliegende Spannung der am Steuereingang des Impedanzwandlers anliegen- den Spannung entspricht.
Wird jedem Verbraucher, der die gleiche Referenzspannung, das heißt die Ausgangspannung des Spannungsreglers, benötigt, ein Impedanzwandler vorgeschalten, so kann die von dem Spannungs- regier erzeugte Spannung entkoppelt an andere Verbraucher "weitergereicht" werden. Es wird folglich nur ein teurer Spannungsregler benötigt, während die Referenzspannung durch die Impedanzwandler, die zwischen dem Ausgang des Spannungsreglers und dem Versorgungspotentialanschluß des jeweiligen Verbrauchers geschalten sind, bereitgestellt wird.
Es ist selbstverständlich nicht notwendigerweise zwischen jeden Verbraucher und den Spannungsregler ein Impedanzwandler zu schalten, wenn eine exakte Referenzspannung am Verbraucher nicht benötigt wird.
Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Der Versorgungsspannungseingang des Impedanzwandlers ist erfindungsgemäß mit dem Eingang des Spannungsreglers verbunden. Dies bedeutet nichts anderes, als daß am Versorgungsspannungseingang des Impedanzwandlers die positive Versorgungsspannung anliegt. Der Ausgang des Impedanzwandlers ist über die Laststrecke eines Leistungstransistors mit dem Versorgungsspannungseingang verbunden. Eine Treiberschaltung steuert den Leistungstransistor so an, daß die am Steuereingang anliegende Spannung am Ausgang des Impedanzwandlers zur Verfügung steht. Der Vorteil dieser Schaltungsanordnung besteht darin, daß der Strom am Spannungsregler vorbei geleitet wird, so daß die Verlustleistung im Impedanzwandler erzeugt wird. Da jedoch eine entsprechend große Anzahl an Impedanzwandlern in einem komplexen System vorgesehen ist, wird die Verlustleistung auf mehrere Orte beziehungsweise Bauteile verteilt. Vorteilhafterweise ist der Leistungstransistor ein PNP- Transistor .
Ein weiterer Vorteil besteht in der hohen Präzision der an die Verbraucher zur Verfügung gestellten Referenzspannung. Die Gefahr einer Funktionsstörung der Schaltungsanordnung durch einen Kurzschluß beziehungsweise Überstrom ist weiter- hin vermindert.
In dem Impedanzwandler der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist vorteilhafterweise ein Differenzverstärker vorgesehen, dessen negativer Eingang mit dem Verbindungspunkt des Kollektors des Leistungstransistors mit dem Ausgang des Impe- danzwandlers verbunden ist. Der positve Eingang des Differenzverstärkers ist mit dem Steuereingang des Impedanzwandlers verbunden, wobei der Ausgang des Differenzverstärkers einen Transistor steuert, der den Spannungsabfall über der Laststrecke des Leistungstransistors regelt. Die Kollektor- Emitter-Strecke dieses Transistors ist dabei zwischen der Basis des Leistungstransistors und einem Bezugspotentialanschluß gelegen.
Ferner ist ein weiterer Transistor vorgesehen, dessen Basisanschluß mit dem Steuereingang des Impedanzwandlers verbunden ist und dessen Kollektor-Emitter-Strecke seriell mit einer Stromquelle zwischen dem Versorgungsspannungseingang und dem Bezugspotentialanschluß verschalten ist. Der Verbin- dungspunkt zwischen der Stromquelle und dem Emitter eines weiteren Transistors ist dabei mit einem Betriebspotentialanschluß des Differenzverstärkers verbunden. Hierdurch wird er- möglicht, daß durch das Anlegen einer sehr geringen Spannung am Steuereingang der Impedanzwandler im Stromsparmodus betrieben werden kann. Durch ein niedriges Potential am Steuereingang wird der Ausgang des Impedanzwandlers hochohmig ge- schalten und reduziert seine Stromaufnahme deshalb auf wenige μA.
Vorteilhafterweise ist eine Sättigungsregelung für den Leistungstransistor vorgesehen, die im Fall eines Inversbetrie- bes den Rückstrom verringert und im Dropbetrieb den Basisstrom regelt. Ein Inversbetrieb kann beispielsweise durch einen Kurzschluß der Speisespannung, bei kurzzeitigem Aussetzen der Speisespannung oder bei einer Verpolung auftreten. Der Rückstrom wird zum einen durch den bipolaren Leistungstransi- stör verhindert, der im Gegensatz zu einem MOSFET keine integrierte, antiparallel geschaltete Diode aufweist. Weiterhin wird der Rückstrom durch die Sättigungsregelung begrenzt. Diese ist beispielsweise in der EP 0 374 288 Bl beschrieben. Die Regelung des Basisstrom.es im Dropbetrieb führt zu einer optimierten Leistungsregelung des Leistungstransistors. Der Basisstrom wird dabei gegen das Bezugspotential, vorteilhafterweise das Massepotential, geregelt.
Vorteilhafterweise ist der Impedanzwandler in monolithisch integrierter Form ausgeführt. Als separates Bauteil kann er in einer Schaltungsanordnung auf einfache Weise an den gewünschten Stellen plaziert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die an dem Steuereingang des Impedanzwandlers anliegende Spannung über einem Microcontroller gesteuert. Die durch den Microcontroller vorgegebene Spannung kann zwischen der zweiten Spannung, das heißt der am Ausgang des Hauptspannungsreglers anliegenden Spannung, und einem Bezugspotential wechseln. Der Vorteil besteht in einem stark flexibilisierten Einsatz des Impedanzwandlers. Der Impedanzwandler kann dann zum Beispiel als Spannungsregler verwendet werden, der eine von dem Hauptspan- nungsregler abhängige Spannung präzise erzeugt und dem jeweiligen Verbraucher zur Verfügung stellt. Weiterhin ist es jedoch denkbar, dem Impedanzwandler als geschalteten Regler einzusetzen. In diesem Fall wird der Steuereingang des Impe- danzwandlers abwechselnd mit der am Ausgang des Hauptspannungswandlers anliegenden Spannung beaufschlagt sowie mit einem unter einem Schwellenwert liegenden Spannungswert, der den Impedanzwandler in den Ruhemodus versetzt. Somit ist es beispielsweise möglich Informationen aus einem Sensor nur zu bestimmten Zeiten auszulesen, das heißt den Sensor nur dann mit einer Spannung zu versorgen, während er in der übrigen Zeit sich im Ruhemodus befindet. Dies ermöglicht einen sehr effektiven Sromsparmodus . Weiterhin ist es möglich, wie bereits erwähnt dem Impedanz- wandler als High-Side-Switch ein- zusetzen, der die am Versorgungspannungseingang des Impedanzwandlers anliegende Spannung schaltet.
Vorteilhafterweise wird die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einem elektrischen Steuergerät im Kraftfahrzeugbe- reich eingesetzt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand mehrerer Figuren verdeutlicht. Es zeigen
Figur 1 eine prinzipielle aus dem Stand der Technik bekannte Schaltungsanordnung mit einem Spannungsregler,
Figur 2 den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, der eine der Anzahl der Verbraucher entsprechende Anzahl an Impedanzwandlern aufweist,
Figur 3 die schaltungstechnische Realisierung des in Fi- gur 2 beschriebenen Impedanzwandlers und Figur 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und
In Figur 2 ist eine Schaltungsanordnung dargestellt, wie sie beispielsweise in einem Kraftfahrzeug als Steuereinheit eingesetzt werden könnte. Die Steuereinheit 10 unterscheidet sich von der in Figur 1 gezeigten Steuereinheit hauptsächlich dadurch, daß diese zusätzlich zu einem Spannungsregler 3, einem Microcontroller 7, Treibern 8 und Verbrauchern 4, 5, Im- pedanzwandler 6 aufweist, die jeweils zwischen den Versor- gungsspannungsanschluß der Verbraucher 4, 5 und den Ausgang 2 des Spannungsreglers 3 geschalten sind. In der Figur 2 sind zwei Verbraucher 4, 5 dargestellt, denen jeweils ein Impedanzwandler 6 zugeordnet ist. Ein Impedanzwandler 6 weist je- weils einen Versorgungsspannungseingang IN auf, der mit dem ersten Versorgungspotentialanschluß 1, an dem eine positive Versorgungsspannung Vbb anliegt, verbunden ist. Ein Steuereingang ADJ ist mit dem Ausgang 2 des Spannungsreglers verbunden, an dem eine Referenzsspannung Vref anliegt. Die Refe- renzsspannung ist in der Regel kleiner als das Versorgungspotential Vbb und ist durch den Ausgang des Spannungsreglers 3 vorgegeben. Ein Ausgang Q, der so ausgeregelt ist, daß an ihm die gleiche Spannung wie am Steuereingang ADJ anliegt, ist mit dem Verbraucher 4 beziehungsweise 5 verbunden und dient diesem als Versorgungspotentialanschluß. Jeder der Impedanzwandler ist mit einem Bezugspotentialanschluß 9 verbunden, ebenso wie der Spannungsregler 3. Die Bezugspotentialan- schlüsse 9 können intern miteinander verbunden sein.
Der Vorteil dieser Schaltungsanordnung besteht darin, daß die Verlustleistung nicht mehr am Spannungsregler 3, sondern an den Impedanzwandlern 6 erzeugt wird. Der von den Verbrauchers benötigte Strom wird um den Spannungsregler 3 herum geleitet. Die vom Spannungsregler 3 verursachte Verlustleistung ist nunmehr nur noch aus dem von ihm selber benötigten Strom und der abfallenden Spannung bedingt. Die Impedanzwandler 6 sind vorteilhafterweise als einzelne, gehäuste Halbleiterbauele- mente ausgeführt, deshalb kann eine räumliche Verteilung der Verlustleistung erfolgen.
Ein weiterer Vorteil besteht in der erhöhten Zuverlässigkeit der gesamten Schaltungsanordnung. Tritt an der Versorgungsleitung 20, die zum Beispiel außerhalb der Steuereinheit 10 liegt, ein Kurzschluß oder Überstrom auf, so kann hierdurch zwar der Verbraucher 4, 5 beschädigt werden, jedoch wird nicht die gesamte Schaltungsanordnung beeinträchtigt. Der Im- pedanzwandler 6 wird vorteilhafterweise gegenüber Strom und Überspannung ausgelegt, so daß dieser Schaden von dieser Steuereinheit 10 abhält. Eine Entkoppelung der verschiedenen Ausgänge zu den Verbrauchern von der Steuereinheit ist somit erzielt .
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung besteht darin, daß nur ein präziser Spannungsregler benötigt wird, der in der Regel teuer und aufwendig herzustellen ist. Dies ist in der Figur 2 der Spannungsregler 3. Die Impedanzwandler 6 nutzen die Präzision und Genauigkeit des Spannungsreglers 3 und regeln diese vorgegebene Referenzsspannung präzise nach. Jeder Verbraucher erhält dem entsprechend die gleiche Referenzsspannung. Die Verwendung mehrerer Spannungsregler, die aufgrund der verschiedenen Refe- renzsspannungen zu Problemen in der gesamten Schaltungsanordnung führen könnte, ist somit vermieden. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist zudem wesentlich preiswerter.
Figur 3 zeigt die schaltungstechnische Realisierung des in Figur 2 beschriebenen Impedanzwandlers. Der Impedanzwandler
6, der idealerweise als separates gehäustes Halbleiterbauelement ausgeführt ist, weist vier verschiedene Ausgänge auf. Am Versorgungsspannungseingang IN liegt das Versorgungspotential der gesamten Schaltungsanordnung, zum Beispiel der Steuerein- heit, an. Der Versorgungsspannungseingang IN ist über die
Laststrecke eines bipolaren PNP-Leistungstransistors mit dem Ausgang Q des Impedanzwandlers 6 verbunden. Der Ausgang Q ist hierbei mit dem Kollektor verbunden, während der Versorgungsspannungseingang IN mit dem Emitter in Verbindung steht. Der Ausgang ist weiterhin mit dem invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 12 verbunden. Der nichtinvertierende Ein- gang ist mit dem Steuereingang ADJ in Verbindung. Ausgangs- seitig ist der Differenzverstärker 12 mit dem Basisanschluß eines Bipolar-Transistor 13 verbunden, der mit seinem Kollektor mit dem Basisanschluß des Leistungstransistor 11 in Verbindung steht, während der Emitter mit dem Bezugspotentialan- Schluß 9 in Verbindung steht. Der Bipolar-Transistor 13 ist vom entgegengesetzten Leitungstyp wie der Leistungstransistor 11. Diese Schaltungsanordnung arbeitet folglich als Impedanzwandler .
Wesentlich ist, daß der PNP-Transistor 11 ein sogenanntes
Low-Drop-Schalten aufweist. Die Dropspannung, das heißt die minimal an dem PNP-Transistor abfallende Spannung zwischen dem Emitter und dem Kollektor wird möglichst klein gehalten, um zu ermöglichen, daß auch bei einer wenig höheren Versor- gungsspannung Vbb gegenüber der am Steuereingang ADJ anliegenden Spannung die Präzision des Impedanzwandlers 6 nicht beeinträchtigt wird. Dies ist vor allem im Automobilbereich von Bedeutung, wo beispielsweise beim Anlaßvorgang ein starker Abfall der Versorgungsspannung von 12 V zu beobachten ist. Bei einer kleinen Dropspannung bleibt jedoch die am Ausgang Q anliegende Spannung, die identisch mit der am Steuereingang ADJ anliegenden Spannung ist auf einem stabilen Wert. Der Differenzverstärker arbeitet in seinem Gleichtaktbereich. Das bedeutet, die Regelschleife bleibt geschlossen.
Weiterhin ist ein Sättigungsregler 16 vorgesehen, der bei einem möglichen Inversbetrieb des Impedanzwandlers einen Rückstrom verringert. In der Praxis ist die Regelschleife des Impedanzwandlers 6 am Ausgang Q mit einem Kondensator, der we- nige μF Kapazität besitzt gegen Masse kompensiert. Bricht während des Betriebs die Versorgungsspannung am Versorgungsspannungseingang IN zusammen, so ergibt sich für die Spannung am Ausgang Q ein wesentlich höherer Wert als für die Versorgungsspannung, da an der kapazitiven Last noch Spannung anliegt. Beispielsweise bei einem Kurzschluß am Versorgungsspannungseingang IN - hervorgerufen etwa durch das Abschalten der Spannungsversorgung, an der weitere Verbraucher liegen - geht die Spannung am Versorgungsspannungseingang IN gegen Null während an dessen Ausgang Q die Spannung durch den Glät- tungskompensator zunächst noch aufrecht erhalten wird. Es fließt hierdurch ein der ursprünglichen Richtung entgegenge- setzter Strom (Rückstrom) , welcher zu einer Funktionsbeein- trächtigung bis hin zur Zerstörung des Impedanzwandlers führen kann, wenn er nicht durch die Sättigungsregelung auf für das Bauelement unkritische Werte begrenzt wird. Ein derartiger Sättigungsregler ist beispielsweise in der EP 0 376 288 Bl beschrieben.
Der Impedanzwandler gemäß Figur 3 weist einen weiteren Bipolar-Transistor 14 auf, der mit seinem Basisanschluß mit dem Steuereingang ADJ verbunden ist. Der Kollektor des weiteren Transistors 14 steht mit dem Bezugspotentialanschluß 9 in
Verbindung, während der Emitter des Transistors 14 über eine Stromquelle 15 mit dem ersten Versorgungspotentialanschluß verbunden ist. Der Verbindungspunkt zwischen der Stromquelle 15 und dem Emitter des Transistors 14 ist mit einem Betrieb- spotentialanschluß des Differenzverstärkers 12 verbunden.
Wird an den Steuereingang ADJ des Impedanzwandlers 6 eine unter einer bestimmten Stelle liegende Spannung angelegt, so wird durch diese Beschaltung sicher gestellt, daß der Ausgang Q hochohmig wird und somit seine Stromaufnahme auf wenige μA reduziert wird. Eine übliche Schaltschwelle, bei der der Impedanzwandler 6 in einem Stromsparmodus gebracht wird, liegt typischerweise bei 0,8 V. Es ist somit möglich, den Verbraucher nur dann mit Strom zu versorgen, wenn dies auch notwendig ist. Zweckmäßigerweise wird der Steuereingang ADJ deshalb von einem Microcontroller mit einer Spannung beaufschlagt. Weiterhin ist es möglich, den in Figur 3 gezeigten Impedanzwandler als High-Side-Switch einzusetzen. Zu diesem Zweck wird der Steuereingang ADJ auf das Potential am Versorgungsspannungseingang IN oder darüber geschaltet. Der Differenz- Verstärker ist dann im Großsignalbetrieb und steuert deshalb den Leistungstransistor 11 voll durch. Die Sättigungsregelung übernimmt dann die Aufgabe, den Basisstrom des Leistungstran- sistors 11 optimal zu steuern, so daß bei optimiertem Basisstrom möglichst geringe Spannung von der Kollektor-Emitter- Strecke abfällt.
Ein als High-Side-Switch eingesetzter Impedanzwandler weist kurze Ein-/Ausschaltzeiten auf. Weiterhin benötigt er einen nur geringen Strom im Ruhemodus. Die Steuerung, ob der Impe- danzwandler als Regler oder Schalter eingesetzt wird durch die am Steuereingang ADJ anliegende Spannung ausgewählt.
In Figur 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung dargestellt. Der Impedan- zwandler 6 ist dabei wie in Figur 3 beschrieben aufgebaut.
Die am ersten Versorgungspotentialanschluß 1 anliegende Versorgungsspannung Vbb wird über einen Spannungsregler 3 am Ausgang 2 des Spannungsreglers auf eine Referenzsspannung Vref herabgeregelt. Diese wird einem Microcontroller 7 zuge- führt, der über zwei mit ihrer Laststrecke in Serie verschaltete Transistoren 17 und 18 ein digitales Signal am Ausgang 21 des Microcontrollers 7 erzeugen kann, an diesem Ausgang 21 kann entweder die Referenzsspannung Vref an den Steuereingang ADJ angelegt werden, so daß am Ausgang Q des Impedanzwandlers 6 genau diese Spannung ausgeregelt wird. Im anderen Fall kann an den Steuereingang ADJ das Bezugspotential angelegt werdne, so daß der Impedanzwandler in den Ruhemodus übergeleitet wird. Der Ausgang Q des Impedanzwandlers 6 und des Spannungsreglers 2 sind hierbei mit Kompensationskondensatoren 22 und 23 beschälten. Die Transistoren 17 und 18 sind vom entgegen- gestzten Leitungstyp und werden in bekannter Weise von einem Treiber 19 im Microcontroller 7 angesteuert. Die beiden Transistoren 17 und 18 bilden einen Inverter.
Der Controller 7 kann selbstverständlich eine Vielzahl an In- verterstufen aufweisen, so daß auch eine Vielzahl an Impedanzwandlern 6 angesteuert werden kann. Die Anzahl der Impedanzwandler ist abhängig vom jeweiligen Einsatz der gesamten Schaltungsanordnung.

Claims

Patentansprüche
1. Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer stabilisierten Versorgungsspannung für mehrere Verbraucher (4, 5) mit einem Spannungsregler (3) der eine erste Spannung an seinem Eingang (1) in eine zweite Spannung wandelt und an seinem Ausgang (2) zur Verfügung stellt, dadurch gekennzeichnet, daß die erste oder zweite Spannung zumindest einem Impedanz- wandler (6) an einem Steuereingang (ADJ) zugeführt ist, der mit seinem Ausgang (Q) mit jeweils genau einem Verbraucher (4, 5) verbunden ist, wobei die am Ausgang (Q) anliegende Spannung der am Steuereingang (ADJ) anliegenden Spannung entspricht .
2. Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Impedanzwandler folgende weitere Merkmale ausweist;
- einen Versorgungsspannungseingang (IN), der mit dem Eingang (1) des Spannungsreglers verbunden ist,
- einen Ausgang (Q) , der über die Laststrecke eines Lei- stungstransistors (11) mit einem Versorgungsspannungseingang (IN) verbunden ist,
- eine Treiberschaltung (12, 13, 14, 15) , die den Lei- stungstransistor (11), so ansteuert, daß die am Steuereingang (ADJ) anliegende Spannung am Ausgang (Q) zur Verfügung gestellt ist.
3. Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Differenzverstärker (12) vorgesehen ist, dessen negativer Eingang mit dem Verbindungspunkt des Kollektors des Leistungstransistors (11) und dem Ausgang (Q) verbunden ist und dessen positiver Eingang mit dem Steuereingang (ADJ) ver- bunden ist, wobei der Ausgang des Differenzverstärkers (12) einen Transistor (13) steuert, der den Spannungsabfall über der Laststrecke des Leistungstransistors (11) regelt und mit der Kollektor-Emitter-Strecke zwischen der Basis des Leistungstransistors (11) und einem Bezugspotentialanschluß (9) gelegen ist.
4. Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Transistor (14) vorgesehen ist, dessen Basisanschluß mit dem Steuereingang (ADJ) verbunden ist und dessen Kollektor-Emitter-Strecke seriell mit einer Stromquel- le (15) zwischen dem Versorgungsspannungseingang (IN) und dem Bezugspotentialanschluß (9) geschalten ist, wobei der Verbindungspunkt zwischen der Stromquelle (15) und dem Emitter des weiteren Transistors (14) mit einem Betriebspotentialanschluß des Differenzverstärkers (12) verbunden ist.
5. Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sättigungsregelung (16) für den Leistungstransistor (11) vorgesehen ist, die im Dropbereich den Basisstrom regelt und die im Fall eines Inversbetriebes den Rückstrom verringert .
6. Schaltungsanordnung nach einem der Patentansprüche 2 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß der Impedanzwandler (6) monolithisch integriert ist.
7. Schaltungsanordnung nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungstransistor (11) in bipolarer PNP-Transistor ist.
8. Schaltungsanordnung nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Steuereingang (7ADJ) des Impedanzwandlers (6) anliegende Spannung über einen Microcontroller (7) gesteuert wird.
9. Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den Microcontroller (7) vorgegebene Spannung zwischen der zweiten Spannung und einem Bezugspotential wech- sein kann.
10. Verwendung der Schaltungsanordnung nach einem der Patentansprüche 1 bis 9 in einem elektrischen Steuergerät für eine Kraftfahrzeuganwendung.
PCT/DE1999/003516 1998-11-19 1999-11-03 Schaltungsanordnung zum erzeugen einer stabilisierten versorgungsspannung für mehrere verbraucher WO2000031603A1 (de)

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