DE10139616A1

DE10139616A1 - Steuerkreis mit Redundanzfunktion

Info

Publication number: DE10139616A1
Application number: DE2001139616
Authority: DE
Inventors: Luc Bulot
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-08-11
Filing date: 2001-08-11
Publication date: 2003-02-20
Anticipated expiration: 2021-08-12
Also published as: DE10139616B4

Abstract

Steuerkreis (10), dazu ausgelegt, erste und zweite Eingaben (MS, ES) zur Bereitstellung eines Treibersignals für einen Verbrauchertreiber (20) zu emfangen, wobei im Normalbetriebsmodus des Steuerkreises die erste Eingabe (MS) freigegeben wird, das Treibersignal bereitzustellen, und die zweite Eingabe (ES) dagegen gesperrt wird, das Treibersignal bereitzustellen und, im Notbetriebsmodus des Steuerkreises (10) die erste Eingabe (MS) dagegen gesperrt wird, das Treibersignal bereitzustellen, und die zweite Eingabe (ES) freigegeben wird, das Treibersignal bereitzustellen, und wobei der Steuerkreis (10) erste und zweite Schaltmittel (Q1, Q2) umfasst und dazu ausgelegt ist, in Reaktion auf ein Notfallsignal (EE) vom Normalbetriebsmodus auf den Notbetriebsmodus umzuschalten, DOLLAR A dadurch charakterisiert, dass das erste Schaltmittel (Q1) dazu ausgelegt ist, das Notfallsignal (EE) zu empfangen und in Reaktion darauf die erste Eingabe (MS) dagegen zu sperren, das Treibersignal bereitzustellen, und zwar durch Erden der ersten Eingabe (MS), und das zweite Schaltmittel (Q2) so zu schalten, dass die zweite Eingabe (ES) freigegeben wird, das Treibersignal bereitzustellen.

Description

BEREICH DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Steuerkreis für einen elektronischen Steuermodul. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf einen Steuerkreis mit einer Notfall-Redundanzfunktion zur Verwendung in einem elektronischen Steuermodul in einem Fahrzeugcomputer.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Bei elektronischen Steuermodulen (ECM) für Fahrzeugcomputer besteht vermehrt die Notwendigkeit dafür, automatische Steuerfunktionen und Steuersignale durch Mikrocontroller anstatt durch mechanisches Schalten zu betreiben. Zu den Signalen, die von einem Mikrocontroller gesteuert werden müssen, zählen Zündung, Starter und Zubehörsignale sowie Scheinwerfer und andere geschaltete Verbraucher. In vielen Fällen kann das Versagen des Mikrocontrollers, die Bereitstellung von Signalen zum Antrieb der Verbraucher ordnungsgemäss zu steuern, lebensgefährliche Folgen haben. Dementsprechend besteht die Notwendigkeit dafür, Steuerredundanz in einem ECM bereitzustellen. In dieser Hinsicht ist es wünschenswert, dass ein eventueller, einziger Funktionsfehler innerhalb des ECM nicht zum völligen Ausfall des ECM führt, die entsprechenden Ausgabesteuersignale zur Steuerung von Funktionen des Fahrzeugs bereitzustellen.

Die deutsche Patentanmeldung DE 100 11 410 (zur Zeit der Einreichung der vorliegenden Spezifikation noch nicht veröffentlicht) beschreibt ein Notfall- Redundanzmodul, welches die oben behandelte Notwendigkeit für Steuerredundanz in einem ECM befriedigt. Die Steuerredundanz wird erzielt durch Bereitstellung von Steuermitteln, welche durch ein Eingabesteuersignal gespeist werden. Die Steuermittel und die Notbetriebsmittel sind beide mit demselben Steuersignal ausgerüstet und sind beide dazu ausgelegt, dasselbe Ausgabesteuersignal zu erzeugen, und zwar abhängig davon, ob der ECM im Normal- oder im Notbetriebsmodus ist.

Die Steuermittel erzeugen das Ausgabesteuersignal im Normalbetriebsmodus, aber bei Versagen der Steuermittel stellen die Notbetriebsmittel (welche während des Normalbetriebs gegen Erzeugen des Ausgabesignals gesperrt sind) das Ausgabesteuersignal bereit. Das Ausgabesteuersignal wird dann als Eingabe an einen "high side"-Treiber zum Antrieb des jeweils gewünschten Verbrauchers benutzt. Das Versagen der Kontrollmittel wird signalisiert durch ein von den Notbetriebsmitteln empfangenes Notbetriebsbereitschaftssignal.

Die in DE 100 11 410 beschriebene Schaltungsanordnung stellt eine relativ komplizierte und kostspielige Schaltungstechnik zur Realisierung der Redundanzfunktion bereit. Um die Schaltungsanordnung zum Einsatz zu bringen, wird eine Anzahl von Transistoren benötigt, und das Notbetriebsbereitschaftssignal muss fast all diesen Transistoren eingegeben werden. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen einfacheren und preiswerteren Steuerkreis zur Erzielung der Redundanzfunktion bereitzustellen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung stellt einen Steuerkreis vor, der dazu ausgelegt ist, erste und zweite Eingaben zur Bereitstellung eines Treibersignals für einen Verbrauchertreiber zu empfangen, wobei im Normalbetriebsmodus des Steuerkreises die erste Eingabe freigegeben wird, das Treibersignal bereitzustellen, und die zweite Eingabe dagegen gesperrt wird, das Treibersignal bereitzustellen, und im Notbetriebsmodus des Steuerkreises die erste Eingabe dagegen gesperrt wird, das Treibersignal bereitzustellen, und die zweite Eingabe freigegeben wird, das Treibersignal bereitzustellen, und wobei der Steuerkreis erste und zweite Schaltmittel umfasst und dazu ausgelegt ist, in Reaktion auf ein Notfallsignal vom Normalbetriebsmodus auf den Notbetriebsmodus umzuschalten, dadurch charakterisiert dass das erste Schaltmittel dazu ausgelegt ist, das Notfallsignal zu empfangen und in Reaktion darauf die erste Eingabe dagegen zu sperren, das Treibersignal bereitzustellen, und zwar durch Erden der ersten Eingabe, und das zweite Schaltmittel so zu schalten, dass die zweite Eingabe freigegeben wird, das Treibersignal bereitzustellen.

Die Erfindung bietet eine vorteilhafte, einfache und auch preiswerte Lösung der Aufgabe, da nur eine Notfall-Signaleingabe an den Steuerkreis erforderlich ist, und da nur wenige Schalttransistoren dazu erforderlich sind, den Steuerkreis zu realisieren.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines elektronischen Steuermoduls eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Fig. 2 ist ein Schaltbild des in dem Ausführungsbeispiel eingesetzten, erfindungsgemässen Steuerkreises bei Einsatz in dem elektronischen Steuermodul.
Fig. 3 ist ein Schaltbild eines Steuerkreises gemäss einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung bei Einsatz in dem elektronischen Steuermodul.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN

Gemäss Darstellung in Fig. 1 umfasst ein elektronischer Steuermodul (ECM) 8 einen Steuerkreis 10, einen Mikrocontroller 12 und einen Überwachungs- Mikrocontroller 16. Der Steuerkreis 10 und der Mikrocontroller 12 empfangen externe Eingabesignale seitens Schaltern 23 zum Antreiben eines oder mehrerer "high side"-Treiber 20, die wiederum einen oder mehrere Verbraucher 22 antreiben. Der Mikrocontroller 12 hat eine Stromversorgung 13, und der Überwachungs- Mikrocontroller 16 hat eine Stromversorgung 17. Diese Stromversorgungen 13, 17 sind voneinander unabhängig, so dass das Versagen des einen nicht mit dem Versagen des anderen verbunden ist.
Der Überwachungs-Mikrocontroller 16 hat die Funktion eines Wächters, um das Versagen des Mikrocontrollers 12 zu erkennen (durch Überwachen, ob z. B. ein periodisches Betriebszustandssignal von dem Mikrocontroller empfangen wird), und im Fall eines derartigen Versagens ein Notfallsignal an den Steuerkreis 10 abzugeben. Der Steuerkreis 10 ist in Reaktion auf den Empfang des Notfallsignals seitens des Überwachungs-Mikrocontrollers 16 dazu ausgelegt, die externen Eingaben seitens Schaltern 23 zu durchlaufen anstatt der von dem Mikrocontroller 12 zugeführten Steuersignale. Bei Normalbetrieb werden die externen Eingaben dagegen gesperrt, die Verbraucher anzutreiben. Der Arbeitsgang des Steuerkreises 10 ist weiter unten im Text in Verbindung mit Fig. 2 und 3 näher beschrieben.
Bei Normalbetrieb kann der Mikrocontroller 12 mit anderen elektronischen Steuermodulen in einem Überwachungsbereichsnetzwerk (controller area network - CAN) durch CAN-Schnittstelle 24 und ein Torsionskabel 25 kommunizieren. Der hier beschriebene ECM 8 ist für Einsatzzwecke geeignet, wo kritische Schaltfunktionen, wie z. B. für Zündung, Starten und Scheinwerfersteuerung, bereitzustellen sind, kann aber auch bei zahlreichen anderen Verbraucher- Schaltfunktionen Einsatz finden, wo eine Redundanzfunktion für eine einzige Störungsstelle (single-point-of-failure) erforderlich ist.
Es wird nun auf Fig. 2 Bezug genommen, worin der Steuerkreis 10 ein externes Signal ES von Schaltern 23 und ein Mikrocontrollersignal MS von Mikrocontroller 12 empfängt. Ob die ES- oder MS-Signale zu dem "high side"-Treiber 20 durchgelassen werden, ist von dem Schaltungsstatus der von dem Notfall-Freigabesignal EE gesteuerten Transistoren Q1 und Q2 abhängig. Bei normalen Betriebsbedingungen wird kein EE-Signal an die Basis von Q1 abgegeben, und er ist daher abgeschaltet. In dieser Situation wird Q2 durch das ES-Signal durch die Diode D5 angeschaltet. Wenn Q2 angeschaltet ist, dient er als Stromsenke zwecks Stromziehung des ES-Signals.
Wenn das EE-Signal dem Q1 zugeführt wird, (seitens des Überwachungs- Mikrocontrollers 16) wird Q1 angeschaltet und dient als Stromsenke zwecks Stromziehung des MS-Signals und dient zum Ausschalten des Q2. Auf diese Weise wird das MS-Signal gesperrt, und das ES-Signal wird zum HSD 20 durchgelassen. Die Transistoren Q1 und Q2 dienen daher als sich einander ausschliessende Stromsenken, welche durch Beaufschlagung des Q1 mit dem EE-Signal geschaltet werden.
Strombegrenzung wird durch vorgeschaltete Widerstände R1 und R2 erzielt, um zu verhindern, dass dem Signaltreiber überschüssiger Strom zugeführt wird, wenn entweder das ES-Signal oder das MS-Signal angeklemmt ist. Der Widerstand R3 dient als Pull-up-Widerstand. Dioden D1 bis D5 dienen als Signalblockierungsdioden. Die Widerstände R1, R2 und R3 sind alle gleichwertige Widerstände, z. B. ungefähr 10 kQ. Dioden D1 und D2 sind vorteilhafterweise als Diodenpaar zur leichteren Verbindung eingesetzt. Gleicherweise werden D3 und D4 als Diodenpaar bereitgestellt. Widerstände R4 und R5 werden zusammen mit dem Transistor Q1 als Bestandteil einer Digitaltransistorkomponente geliefert, die bei Transistorherstellern erhältlich ist. Gleicherweise werden Widerstände R6 und R7 zusammen mit Q2 als einteilige Digitaltransistorkomponente geliefert.
Vorteilhafterweise wird Q2 im Normalbetriebsmodus von dem ES-Signal durch D5 angetrieben. Auf diese Weise wird das ES-Signal niedrig getrieben, wenn Q1 abgeschaltet ist.
Der Wert der strombegrenzenden Widerstände R1 und R2 wird berechnet, um einen angemessenen Spannungsabfall bereitzustellen, im Fall dass die Eingangsspannung des "high side"-Treibers 20 überschritten wird. Unter normalen Betriebsbedingungen wäre die Stromzufuhr zu dem "high side"-Treiber 20 nicht bedeutend genug, um eine genaue Einstellung der vorgeschalteten Widerstände erforderlich zu machen.
Während des Notbetriebsmodus können Fremdspannungen am Eingang des HSD 20 auftreten. Gewisse Treiber haben Schutznetzwerke und Zenerdiodenklemmen am Eingang, jedoch sollte der den Steuerkreis entwerfende Fachmann berücksichtigen, ob Extraschutz für den HSD 20 erforderlich ist.
Der mit Bezug auf Fig. 2 beschriebene Steuerkreis 10 ist eine minimale Ausführung, welche die wesentlichen Merkmale der Erfindung aufweist. Weitere, externe Signale und Mikrocontroller-Signale ES, MS können gemäss anderen Ausführungen der Erfindung zum Antreiben mehrfacher Verbraucher in den Steuerkreis 10 eingegeben werden. Eine solche Ausführung ist in Fig. 3 dargestellt und mit Bezug auf diese Figur beschrieben.
Der Steuerkreis 10 gemäss Fig. 3 ist ähnlich dem mit Bezug auf Fig. 2 beschriebenen, ist jedoch ausgelegt, um externe Signale ES1 und ES2 und Mikrocontrollersignale MS1, MS2 und MS3 zu empfangen. Signal ES3 ist von ES1 abgeleitet. In dieser Ausführung werden die Signale ES1 und MS1 von dem Notfallsignal EE geschaltet, damit sie durch gegenseitigen Ausschluss ein erstes Treibersignal 22 für einen von mehreren "high side"-Treibern (gemeinsam mit der Referenznummer 20 in Fig. 3 bezeichnet) bereitstellen. Die Eingabesignale ES1 und MS1 sind Steuersignale, die sich auf eine bestimmte Belastung beziehen, wie z. B. ein Zündungssignal. Eingabesignale ES2 und MS2 beziehen sich gleicherweise auf eine bestimmte Belastung, wie z. B. ein Motoranlassersignal, und sind in ähnlicher Weise mit den Transistoren Q1 und Q2 in Reaktion auf das EE-Signal geschaltet.
In dieser Ausführung ist ein dritter Transistor Q3 in dem Steuerkreis 10 bereitgestellt, um gewisse Situationen zu bewältigen, wo es eventuell wünschenswert ist, ein externes Signal (z. B. ES3) zu sperren, wenn ein externes Signal (z. B. ES2) in dem Notbetriebsmodus zugeführt wird. In Fig. 3 zum Beispiel wird ein drittes Mikrocontrollersignal MS3 dem Steuerkreis 10 zur Steuerung eines dritten Verbrauchers zugeführt. Falls dieser dritte Verbraucher ein Zubehör ist, zum Beispiel die Scheinwerfer oder das Audiosystem des Fahrzeugs, mag es aus der Perspektive des Konstrukteurs her wünschenswert sein, diese Zubehörfunktionen während des Anlassens des Motors zu sperren. In diesem Beispiel würde daher, falls die Mikrocontrollersignale MS1, MS2 und MS3 für Zündung, Anlasser bzw. Zubehör sind, der Steuerkreis 10 in Fig. 3 das Zubehör im Normalbetriebsmodus freigeben aber das Zubehör im Notbetriebsmodus sperren, wenn das Anlasser-Signal angeschaltet ist. Die untenstehenden Wahrheitstabellen 1 und 2 zeigen die logische Operation des Steuerkreises im Notbetriebsmodus bzw. im Normalbetriebsmodus. Tabelle 1 EE-Signal an

Tabelle 2 EE-Signal aus
Die in den obigen Wahrheitstabellen dargestellten, logischen Zustände reflektieren die zum Steuern der wichtigen "high side"-Treiber in Frage kommenden, adäquaten Schaltspannungspegel. Spezifische Spannungsschwellen sind jedoch von der jeweiligen Anwendung abhängig, in welcher der Steuerkreis 10 eingesetzt wird.
In den obigen Tabellen entsprechen die Treibersignale DS1, DS2 und DS3 den Signalen 22, 24 bzw. 26 in Fig. 3.
Wie aus der Konfiguration des Steuerkreises 10 in Fig. 3 ersichtlich ist, ist das Signal ES3 aus dem externen Signal ES1 abgeleitet. Dies dient zum Einschalten der logischen Steuerung des ES3-Signals abhängig von dem Zustand des ES2-Signals, so dass, falls ES2 hoch ist, ES3 durch den Stromsenkentransistor Q3 gesenkt ist. Transistoren Q1 und Q2 in Fig. 3 üben dieselbe Funktion wie in Fig. 2 aus; dasselbe gilt auch für die Signalblockierungsdioden. Es ist erforderlich, dass der Widerstand R10 ungefähr zweimal so gross ist wie R1 und bevorzugterweise 22 kQ ist, damit ES3 dem ES1- Signal nicht zuviel entzieht. Widerstände R8 und R9 sind zusammen mit Q3 als einteilige Digitaltransistorkomponente bereitgestellt.
Vorteilhafterweise wird die elektrische Energie für den Steuerkreis aus den Eingangssignalen entnommen, wodurch sich die Notwendigkeit erübrigt, zusätzliche Treibersignale für den Betrieb des Steuerkreises zur Verfügung zu stellen. Wie zum Beispiel bei dem Steuerkreis in Fig. 2 wird Q2 durch externe Signale ES1 und ES2 durch Dioden D5 eingeschaltet, und Q2 dient dann als Stromsenke für diese externen Signale.

Claims

1. Steuerkreis (10), dazu ausgelegt, erste und zweite Eingaben (MS, ES) zur Bereitstellung eines Treibersignals für einen Verbrauchertreiber (20) zu empfangen, wobei im Normalbetriebsmodus des Steuerkreises die erste Eingabe (MS) freigegeben wird, das Treibersignal bereitzustellen, und die zweite Eingabe (ES) dagegen gesperrt wird, das Treibersignal bereitzustellen und im Notbetriebsmodus des Steuerkreises (10) die erste Eingabe (MS) dagegen gesperrt wird, das Treibersignal bereitzustellen, und die zweite Eingabe (ES) freigegeben wird, das Treibersignal bereitzustellen, und wobei der Steuerkreis (10) erste und zweite Schaltmittel (Q1, Q2) umfasst und dazu ausgelegt ist, in Reaktion auf ein Notfallsignal (EE) vom Normalbetriebsmodus auf den Notbetriebsmodus umzuschalten, dadurch charakterisiert, dass das erste Schaltmittel (Q1) dazu ausgelegt ist, das Notfallsignal (EE) zu empfangen und in Reaktion darauf die erste Eingabe (MS) dagegen zu sperren, das Treibersignal bereitzustellen, und zwar durch Erden der ersten Eingabe (MS), und das zweite Schaltmittel (Q2) so zu schalten, dass die zweite Eingabe (ES) freigegeben wird, das Treibersignal bereitzustellen.

2. Steuerkreis nach Anspruch 1, dadurch charakterisiert, dass im Normalbetriebsmodus das erste Schaltmittel (Q1) ausgeschaltet ist und das zweite Schaltmittel (Q2) eingeschaltet ist, um die erste Eingabe zu erden, und in Reaktion auf den Empfang des Notfallsignals (EE) das erste Schaltmittel (Q1) eingeschaltet wird, um die erste Eingabe zu erden und das zweite Schaltmittel (Q2) ausgeschaltet wird.

3. Steuerkreis nach Anspruch 1 oder 2, dadurch charakterisiert, dass der Steuerkreis (10) dazu ausgelegt ist, mehrfache, erste und zweite Eingaben (MS1, MS2, MS3, ES1, ES2) zu empfangen, um mehrfache, entsprechende Treibersignale (22, 24, 26) an mehrfache, entsprechende Verbrauchertreiber (20) bereitzustellen.

4. Steuerkreis nach Anspruch 3, dadurch charakterisiert, dass der Steuerkreis (10) dritte Schaltmittel (Q3) einschliesst, um im Notbetriebsmodus selektiv eine der mehrfachen, zweiten Eingaben (ES3) zu sperren, wenn eine andere der mehrfachen, zweiten Eingaben (ES2) freigegeben ist, durch Erden der einen der mehrfachen, zweiten Eingaben.

5. Steuerkreis nach Anspruch 3, dadurch charakterisiert, dass im Normalbetrieb das Schaltmittel (Q2) durch die zweite Eingabe (ES) oder die mehrfachen, zweiten Eingaben (ES1, ES2) betrieben wird.

6. Elektronischer Kontrollmodul, dadurch charakterisiert, dass er den Steuerkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 5 einschliesst.

7. Elektronischer Kontrollmodul nach Anspruch 6, dadurch charakterisiert, dass er des weiteren einen Mikrocontroller (12) einschliesst, welcher die erste Eingabe (MS) oder die mehrfachen, ersten Eingaben (MS1, MS2, MS3) an den Steuerkreis (10) bereitstellt.

8. Elektronischer Steuermodul nach Anspruch 7, dadurch charakterisiert, dass der elektronische Steuermodul (8) dazu ausgelegt ist, zweite Eingaben (ES) oder mehrfache zweite Eingaben (ES1, ES2) seitens einer externen Signalquelle (23) zu empfangen, und dadurch, dass die erste Eingabe oder die mehrfachen, ersten Eingaben (MS1, MS2, MS3) von dem Mikrocontroller (12), ausgehend von der zweiten Eingabe (ES) oder den mehrfachen, zweiten Eingaben (ES1, ES2), bereitgestellt werden.

9. Elektronischer Steuermodul nach Anspruch 7, dadurch charakterisiert, dass er des weiteren einen Überwachungs-Mikrocontroller (16) einschliesst, der dazu ausgelegt ist, ein Versagen des Mikrocontrollers (12) zu erkennen und in Reaktion auf die Erkennung des Versagens dem Steuerkreis (10) das Notfallsignal (EE) bereitzustellen.

10. Elektronischer Steuermodul nach Anspruch 9, dadurch charakterisiert, dass er des weiteren eine erste Stromversorgung (13) zur Bereitstellung der elektrischen Energie an den Mikrocontroller (12) einschliesst und eine zweite Stromversorgung (17) zur Bereitstellung der elektrischen Energie an den Überwachungs-Mikrocontroller (16) einschliesst, wobei die ersten und zweiten Stromversorgungen (13, 17) voneinander unabhängig sind.