DE102007049564A1

DE102007049564A1 - Passives drahtloses Zugangssystem und Verfahren zum Betreiben eines passiven drahtlosen Zugangssystems

Info

Publication number: DE102007049564A1
Application number: DE200710049564
Authority: DE
Inventors: Bernhard Förstl; Rupert Schuster
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Aumovio Germany De GmbH
Priority date: 2007-10-16
Filing date: 2007-10-16
Publication date: 2009-07-30
Anticipated expiration: 2027-10-17
Also published as: DE102007049564B4

Abstract

Es wird ein passives drahtloses Zugangssystem bereitgestellt. Das passive drahtlose Zugangssystem enthält eine Treiberendstufe (10) mit mindestens einem Eingang (E) und einem Ausgang (A), eine Antenne (12) mit einem ersten Anschluss (AL1) und einem zweiten Anschluss (AL2). Der erste Anschluss (AL1) ist mit dem Ausgang (A) der Treiberendstufe (10) gekoppelt und ein Serienresonanzwiderstand (R) mit einem ersten Anschluss (AR1) und einem zweiten Anschluss (AR2) ist vorgesehen. Der ohmsche Widerstand zwischen einem ersten Anschluss (AR1) und einem zweiten Anschluss (AR2) ist einstellbar. Der erste Anschluss (AR2) des Serienresonanzwiderstands (R) ist mit dem zweiten Anschluss (AL2) der Antenne (12) und der zweite Anschluss (AR3) des Serienresonanzwiderstands (R) ist mit Masse (1) gekoppelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein passives drahtloses Zugangssystem und ein Verfahren zum Betreiben eines passiven drahtlosen Zugangssystems. Drahtlose Zugangssysteme finden Anwendung in der Fahrzeugtechnik, um ein Fahrzeug zu entriegeln bzw. das Öffnen einer Fahrzeugtür zu ermöglichen. Bei aktiven drahtlosen Zugangssystemen muss die Bedienperson einen Knopf oder ein ähnliches Bedienelement betätigen. Bei passiven Zugangssystemen, wie in der US 2006/0215028 beschrieben, trägt eine Person einen ID-(Identitäts-)Geber bei sich und dieser ID-Geber kommuniziert mit einer im Fahrzeug befindlichen entsprechenden Basisstation, sobald eine bestimmte Entfernung zum Fahrzeug bzw. zur Basisstation unterschritten wird.
Bei passiven Systemen sendet die Basisstation üblicherweise ein Signal im Langwellenbereich, der auch als Low Frequency oder LF bezeichnet wird, aus. Die Sendefrequenz liegt beispielsweise bei 125 kHz oder 135 kHz. Der ID-Geber, der im Folgenden auch als Transponder bezeichnet wird, antwortet der Basisstation mit einem Signal, das im Dezimeterwellenbereich, bzw. Ultra High Frequency (UHF) liegt und z. B. in Europa bei 433 MHz bzw. 868 MHz liegt.
In dem Fall, in dem sich der Fahrer mit seinem Transponder außerhalb des Fahrzeugs befindet und die Tür verriegelt ist, gibt es bei einigen Systemen den sogenannten Polling-Modus. In diesem wird in Abständen von Basisstation im Fahrzeug ein Signal ausgesendet, das ein sich in der Nähe befindlicher Transponder empfangen kann. Da das Polling beim abgestellten Fahrzeug durchgeführt wird, ist der Ruhestrombedarf besonders kritisch. Gemäß der DE 10 2004 052 907 A1 ist beim Aussenden eines ersten Anfragesignals nur eine erste Sendeeinheit und eine erste Empfangseinheit aktiviert. Trotzdem ist es gewünscht, den Ruhestrombedarf weiter zu senken, damit auch bei einem lang abgestellten Auto die in der Autobatterie gespeicherte Energie nicht zu früh verbraucht wird.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein passives drahtloses Zugangssystem bereitzustellen, dessen Stromverbrauch geringer im Vergleich zu herkömmlichen Systemen ist. Es ist auch Aufgabe der Erfindung, ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben eines solchen drahtlosen passiven Zugangssystems bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung stellt ein passives drahtlosen Zugangssystems zur Verfügung, das eine Treiberendstufe mit einem Eingang und einem Ausgang aufweist. Zudem ist ein Serienresonanzkreis vorgesehen, der eine Antenne und einen Resonanzkondensator enthält. Der Serienresonanzkreis wird von der Treiberendstufe getrieben. Ferner ist ein Vortreiber vorgesehen, der den Eingang der Treiberendstufe ansteuert, wobei der Vortreiber wahlweise ein sinusförmiges oder ein rechteckförmiges Signal treibt. Die Treiberendstufe empfängt entweder das sinusförmige Signal oder das rechteckförmige Signal.
Die Schaltung ermöglicht, im Abfragemodus den Vortreiber ein rechteckförmiges Signal auf den Eingang der Treiberendstufe zu geben, der somit auch ein im wesentlichen rechteckförmiges Signal ausgibt. Beim Betreiben mit dem rechteckförmigen Signal entstehen bei weitem weniger Querströme als in dem Fall, in dem der Treiber von einem sinusförmigen Signal angesteuert wird. Auch beim Erzeugen des rechteckförmiges Signals wird im Vortreiber wesentlich weniger Leistung als bei der Erzeugung des sinusförmigen Signals verbraucht. Somit wird die Leistungsaufnahme in der Treiberendstufe im Abfragemodus verringert.
Dagegen erlaubt die Verwendung des sinusförmigen Signals, die elektromagnetische Verträglichkeit zu verbessern. Das sinusförmige Signal enthält nur eine Frequenz, während das rechteckförmige Signal aus einer Vielzahl überlagerter Signale unterschiedlicher Frequenzen besteht. Beim Entriegeln des Fahrzeugs und beim Starten ist die elektromagnetische Verträglichkeit besonders wichtig, damit die zahlreichen elektronischen Steuergeräte des Fahrzeugs nicht gestört werden.
Die Schaltung eignet sich besonders für Serienresonanzkreise im LF-Bereich zwischen 120 kHz und 140 kHz, bei denen auch ein Unterschied zwischen rechteckförmigen und sinusförmigen Signalen vorliegt. Bei Signalen im Gigahertzbereich werden können rechteckförmige Signale aufgrund der Verzögerungszeiten der heutigen Transistoren praktisch nicht erzeugt werden.
Vorzugsweise werden zwei Vortreiber vorgesehen, von denen der erste ein sinusförmiges Signal und der zweite ein rechteckförmiges Signal treibt. Im Betrieb wird einer der Vortreiber aktiviert, während der andere deaktiviert wird. Wenn in einem Vortreiber nur ein Treiber für ein bestimmtes Signal implementiert ist, kann dieser Treiber mit nur wenigen Elementen realisiert werden. Das Deaktivieren des nicht benötigten Treibers spart zusätzlich Strom.
Erfindungsgemäß wird auch ein passives drahtloses Zugangssystem bereitgestellt, das in mindestens zwei Betriebszuständen, auch Betriebsmodi genannt, betrieben wird. Das passive drahtlose Zugangssystem enthält eine Treiberendstufe und einen Serienresonanzkreis mit einer Antenne, einem Resonanzkondensator und einem Serienresonanzwiderstand. Der Serienresonanzwiderstand wird je nach Betriebszustand auf vorbestimmte Werte eingestellt. Der Serienresonanzwiderstand erlaubt je nach Betriebsmodus des Zugangssystems, die Güte des Serienresonanzkreises und somit ihren Energiebedarf einzustellen. Dadurch wird besonders im Polling-Modus, der im folgenden auch Abfragemodus genannt wird, bei abgestelltem Fahrzeug die Antennenschaltung so eingestellt, dass eine geringere Leistungsauf nahme erfolgt. Damit wird auch bei längeren Stehzeiten des Fahrzeugs die Batterie nicht entleert.
Falls zwischen dem ersten Anschluss der Antenne und der Masse ein Filterkondensator angebracht ist, werden hochfrequente Störungen, bspw. die Oberwellen der Resonanzfrequenz, herausgefiltert.
Der Widerstand des Serienresonanzwiderstands ist in einer Ausführungsform im Bereich zwischen 10 Ohm und 100 Ohm in Stufen einstellbar. Dadurch lassen sich bei einer LF-Antenne Guten zwischen 3 und 10 erreichen, was sich als geeignete Werte für die Antennen in drahtlosen Zugangssystemen in den verschiedenen Modi erwiesen hat.
Vorzugsweise ist der Serienresonanzwiderstand mittels eines Mikrocontrollers einstellbar, wodurch sein Widerstand so einstellbar ist, dass er auch nach der Produktion des Zugangssystems durch Umprogrammierung der Steuerung variiert werden kann. Dadurch kann das Zugangssystem an verschiedene Automodelle und ihre spezifischen Anforderungen wie Güte der Antenne oder abgestrahlter Sendeleistung angepasst werden.
Dazu ist es besonders vorteilhaft, wenn der Serienresonanzwiderstand zusammen mit der Treiberendstufe in einem IC (Integrierter Schaltkreis) integriert ist. Dadurch kann die Steuerung für die Treiberendstufe und die Steuerung für den Serienresonanzwiderstand zusammengeführt werden. Dies empfiehlt sich, da der Serienresonanzwiderstand und die Treiberendstufe in der Regel beim Wechsel von einem Betriebsmodus in einen anderen Betriebsmodus beide neu eingestellt werden. Durch die Zusammenführung der beiden Steuerungen wird eine aufwändige Verdrahtung auf der Platine, auf der das Zugangssystem implementiert ist, vermieden.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird die Treiberendstufe mit einer einstellbaren Spannung betrieben und die einstellbare Spannung wird so eingestellt, dass, wenn der Se rienresonanzwiderstand auf einen hohen Wert eingestellt wird, auch die einstellbare Spannung einen hohen Wert aufweist. Bei hohem Widerstand sinkt die Güte der Antennenschaltung. Da die Güte das Verhältnis von Blindanteil zu Wirkanteil beschreibt, muss die Antenne mit einer höheren Leistung angesteuert werden. Wenn der Strom durch die Antenne im wesentlichen konstant sein soll, wird bei höherer Güte die Spannung der Treiberendstufe entsprechend erniedrigt.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben eines passiven drahtlosen Zugangssystem, das, wie oben beschrieben, eine Treiberendstufe, einen Serienresonanzkreis und einen Vortreiber aufweist, wobei der Vortreiber entweder ein sinusförmiges Signal oder ein rechteckförmiges Signal aussendet. Dabei weist das drahtlose passive Zugangssystem einen Startmodus, einen Zutrittsmodus und einen Abfragemodus auf und im Start- und Zutrittsmodus wird der Vortreiber so eingestellt, dass er das sinusförmige Signal und im Abfragemodus ein rechteckförmiges Signal treibt.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Treiberendstufe von einer einstellbaren Spannung versorgt. Die einstellbare Spannung wird auf eine höhere Spannung eingestellt, wenn der Vortreiber ein sinusförmiges Signal treibt als in dem Fall, in dem der Vortreiber ein rechteckförmiges Signal betreibt. Wenn der Vortreiber ein sinusförmiges Signal treibt, bedarf es eines Spannungshubes von dem sinusförmigen Signal zu der Versorgungsspannung der Treiberendstufe, damit die Treiberendstufe auch ein im wesentlich sinusförmiges Signal ausgibt. Diese höhere Spannung bedeutet auch eine höhere Leistungsaufnahme der Antennenschaltung.
Falls der Vortreiber ein rechteckförmiges Signal ausgibt, bedarf es eines sehr geringen Hubes in der Versorgungsspannung. Die Pegel des rechteckförmigen Signals können den Pegeln der Versorgungsspannung entsprechen, wodurch die Versorgungsspannung klein bleiben kann und die Leistungsaufnahme verringert wird.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben eines passiven drahtlosen Zugangssystems, das mehrere Betriebszustände aufweist. Dazu wird zunächst ein passives drahtloses Zugangssystem bereitgestellt, das eine Treiberendstufe mit mindestens einem Eingang und einem Ausgang sowie einen Serienresonanzkreis mit einer Antenne und einem Resonanzkondensator aufweist. Zusätzlich ist ein Serienresonanzwiderstand vorgesehen, dessen ohmscher Widerstand je nach Betriebszustand des passiven drahtlosen Zugangssystems einstellbar ist. Es versteht sich, dass auch die anderen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Zugangssystems bereitgestellt werden können.
Die Schaltung wird in einem passiven drahtlosen Zugangssystem verwendet, das einen Startmodus, einen Zutrittsmodus und einen Abfragemodus aufweist. Im Startmodus wird das Fahrzeug bzw. sein Motor gestartet, im Zutrittsmodus wird eine Fahrzeugtür entriegelt und/oder verriegelt und im Abfragemodus wird in Abständen ein Signal zum Empfang durch einen Identitätsgeber des drahtlosen passiven Zugangssystems gesendet.
Im Start- und Zutrittsmodus wird der Serienresonanzwiderstand auf höhere Werte eingestellt als im Abfragemodus. Dadurch wird im Abfragemodus die erforderliche Leistungsaufnahme gesenkt, während im Start- und Zutrittsmodus mit einer starken Leistung gesendet wird.
Durch den Serienresonanzwiderstand wird die Güte der Antennenschaltung in einer Ausführungsform in dem Start- und Zutrittsmodus auf 3 bis 5 eingestellt, während sie im Abfragemodus zwischen größer oder gleich 6 und kleiner oder gleich 10 ist.
Das passive drahtlose Zugangssystem kann auch für in Gebäuden z. B. bei Garagentoren eingesetzt werden, seine Anwendung empfiehlt sich aufgrund seines geringen Leistungsverbrauchs besonders bei Fahrzeugen, insbesondere bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren.
Die Erfindung ist nun in den Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher veranschaulicht.
1 zeigt einer Antennenschaltung eines drahtlosen passiven Zugangssystems.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Antennenschaltung eines passiven drahtlosen Zugangssystems mit einer Halbbrücke als Treiberendstufe.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Antennenschaltung eines passiven drahtlosen Zugangssystems mit einer Vollbrücke als Treiberendstufe.
Die elektrische Schaltung nach 1, die Teil eines passiven drahtlosen Zugangssystem ist, enthält eine Treiberendstufe 10, einen Filterkondensator Cfft1, eine Antenne 12, einen ersten Resonanzkondensator Cs1, einen zweiten Resonanzkondensator Cs2 sowie den Serienresonanzwiderstand R. Die spannungsgetriebene Treiberendstufe 10 empfängt an seinem Eingang E als Eingangssignal von der Leitung 11 ein sinusförmiges oder rechteckförmiges Signal und gibt entsprechend an seinem Ausgang A, der mit der Leitung 13 verbunden ist, ein Ausgangssignal aus.
An der Leitung 13 ist zum einen der erste Anschluss AC1 des Kondensators Cfft1 und zum anderen ein erster Anschluss AL1 der Antenne 12 angebracht. Der zweite Anschluss AC2 des Kondensators Cfft1 ist mit Masse 1 verbunden, während der zweite Anschluss AL2 der Antenne 12 an den ersten Anschlüssen ACS11 und ACS21 der Resonanzkondensatoren Cs1 und Cs2 angeschlossen ist. Die zweiten Anschlüsse ACS12 und ACS22 der Resonanzkondensatoren sind beide mit einem ersten Anschluss AR1 des Serienresonanzwiderstands R verbunden, dessen zweiter Anschluss AR2 mit der Masse 1 verbunden ist. Die Antenne 12, der erste Resonanzkondensator Cs1, der zweite Resonanzkondensator Cs2 sowie der Serienresonanzwiderstand bilden einen Serienresonanzkreis RLC, der zum Senden des LF-Signal von dem Fahrzeug zu dem Transponder dient.
Die Größe des elektrischen Widerstands, d. h. die Größe des ohmschen Widerstands, zwischen den beiden Anschlüssen AR1 und AR2 des Serienresonanzwiderstands R wird über das Leitungsbündel 14 eingestellt. Die Treiberendstufe 10 wird von einer Spannungsquelle versorgt, deren Ausgangsanschlüsse SU und SL mit den Versorgungseingängen der Treiberendstufe 10 verbunden sind.
Da die Antenne 12 mit einer Frequenz von 125 kHz abstrahlen soll, wird beispielsweise eine, um einen Ferritkern gewickelte, Spule mit einer Induktivität von 144 μH gewählt und die Gesamtkapazität der Kondensatoren Cs1 und Cs2 beträgt 11,2 nF. Im Fall, dass eine Induktivität von 300 μH gewählt wird, beträgt die Gesamtkapazität der Kondensatoren Cs1 und Cs2 5, 6 nF. Somit ergibt sich für beide Fälle eine Resonanzfrequenz f_R gemäß der Formel
von 125 MHz.
Der Filterkondensator Cfft1 dient zum Filtern von hochfrequenten Signalen, er kann in Ausführungsformen der Erfindung auch weggelassen werden und ist somit optional.
Der Serienresonanzwiderstand R besteht in einer Ausführungsform aus einer Vielzahl von Widerständen, die in Serie geschaltet sind und je nach Programmierung einzeln kurzgeschlossen oder nicht kurzgeschlossen werden. Der Widerstand R besteht in der gezeigten Ausführungsform aus einer Reihenschaltung von zehn Widerständen, deren ohmscher Widerstand jeweils 10 Ohm ist. Soll ein Wert von 10 Ohm eingestellt werden, werden bis auf einen Widerstand alle kurzgeschlossen. Bei 100 Ohm wird keiner der Widerstände kurzgeschlossen. In einem anderen Ausführungsbeispiel besteht der Serienresonanz widerstand aus zwei in Reihe geschalteten Widerständen, von denen einer entweder überbrückt oder nicht überbrückt wird.
Der Serienresonanzwiderstand kann durch Präzisionswiderstand auf der Platine des Zugangssystems realisiert sein. Der Serienresonanzwiderstand R, der in Serie zu der Antenne 12 und den Resonanzkondensatoren Cs1 und Cs2 geschaltet ist, ist vorzugsweise mit der Treiberendstufe 10 in einem IC integriert. Der Resonanzwiderstand kann in dem IC beispielsweise als MOS-Transistoren mit einem hohen Source-Drain-Widerstand oder als dotiertes Siliziumsubstrate realisiert sein.
Die Resonanzkondensatoren Cs1 und Cs2 sind bei der hier beschriebenen Antennenschaltung auf der Platine, auf der das drahtlose passive Zugangssystem implementiert ist, als separate Bauelemente aufgebracht.
Die Güte des Resonanzkreises wird durch den Serienresonanzwiderstand R im Betrieb angepasst und ist nicht durch die Hardware auf einen einzelnen starren Wert festgelegt. Ein zusätzlicher serieller Resonanzwiderstand ist nicht nötig und das Tunen des Resonanzkreises kann per Software erfolgen.
Das drahtlose passive Zugangssystem weist eine Vielzahl von Betriebsmodi auf. Beim Zutrittsmodus kommuniziert die Basisstation im Fahrzeug mit dem Transponder, den der Fahrer des Fahrzeugs mit sich trägt, und sorgt dafür, dass das Fahrzeug bei geglückter Identifizierung von Transponder und Basisstation entriegelt wird. Im Startmodus kommuniziert ebenfalls die Basisstation mit dem Transponder, der sich nun im Fahrzeug befindet. Bei erfolgreicher Identifizierung und gedrücktem Startknopf wird der Wagen gestartet. Bei der Kommunikation zwischen der Basisstation und dem Transponder muss stets sichergestellt werden, dass die Funkübertragung zuverlässig ist.
Es stellt sich das Problem, dass die Bauelemente der Treiberendstufe 10, der Antenne 12 und der Kondensatoren Cs1 und Cs2 jeweils toleranzbehaftet sind. Ihre Induktivität, Kapazität oder Ohmscher Widerstand weichen bereits bei ihrer Herstellung von den nominal spezifizierten Werten innerhalb von Toleranzgrenzen ab. Zudem können sich im Betrieb, beispielsweise durch Schwankungen der Betriebstemperatur, die genannten elektrischen Eigenschaften noch zusätzlich ändern.
Die Abweichung in den elektrischen Eigenschaften bewirken, dass die Antenne mit anderen Eigenschaften als nominal abstrahlt. Dies kann unter anderem die Resonanzfrequenz und die abgestrahlte Leistung betreffen. Die Güte wird auch durch die Bandbreite definiert. Je geringer die Bandbreite ist, umso größer wird die Güte, d. h. das Signal ist trennscharf. Aufgrund der Toleranzfehler sendet die Antenne mit einer anderen Sendeleistung als nominal. Die Abweichung von der nominalen Sendeleistung ist umso höher, je höher die eingestellte Güte ist. Wird die Güte zu hoch eingestellt werden, sendet die Antenne nur in einem sehr schmalbandigen Bereich und es besteht die Gefahr, dass der Transponder das ausgesendete Signal nicht empfängt oder nicht erkennt.
Eine zu hohe Güte wirkt, vereinfacht ausgesprochen, wie ein Verstärker für die von den Toleranzen hervorgerufenen Fehler. Aus diesem Grund wurde bei dem untersuchten Fahrzeugsystem die Güte zwischen 3 und 5 im Zugangs- und Startmodus gewählt. Um dies sicherzustellen, wird für den Serienresonanzwiderstand R ein Wert entsprechend dem Blindanteil und der gewünschten Güte gewählt.
Der hohe Widerstand bewirkt allerdings, dass eine höhere Leistung zum Betreiben der Antennenschaltung notwendig ist. Dazu kann bspw. die Spannung an der Treiberendstufe hochgesetzt werden. In einigen Ausführungsbeispielen wird die Treiberendstufe mit maximal der Autobatterie von nominell 13,5 V betrieben. In anderen Ausführungsformen wird die Spannung von einer speziellen Ausführung eines DC-DC-Wandlers, einem Aufwärtswandler, der auch als Step Up Converter oder Boost Converter bezeichnet wird, erzeugt. Um den Leistungsverbrauch zu verringern, ist wünschenswert, die einstellbare Spannung möglichst gering zu wählen. Ist diese allerdings zu klein, wird die von der Antenne abgestrahlte Leistung zu klein, womit die Reichweite der Antenne sinkt.
Im Zutritts- und Startmodus ist die Leistungsaufnahme nicht so kritisch, da erwartet wird, dass der Motor in Kürze gestartet werden, wodurch die Lichtmaschine die Autobatterie bald wieder auflädt. Zudem befindet sich das passive drahtlose Zugangssystem wesentlich seltener im Zutrittsmodus und im Startmodus als im Abfragemodus.
Im Abfragemodus, bei dem alle 300 μs ein Impuls von der Antenne abgesendet wird, um von dem eventuell in der Nähe sich befindlichen Transponder erkannt zu werden, ist die Leistungsaufnahme des Zugangssystems wesentlich kritischer. Falls das Auto über mehrere Tage oder Wochen abgestellt ist, darf der Verbrauch nicht zu groß sein, damit der Motor noch gestartet werden kann. Um die Leistungsaufnahme zu verringern, wird der Serienresonanzwiderstand R so programmiert, dass er einen niedrigen Widerstandswert, bspw. 10 Ohm aufweist. Die Güte steigt auf einen Wert von bspw. 10. Dies ist aber nicht so kritisch, da im Abfragemodus höhere Reichweitentoleranzen akzeptiert werden können.
Wird davon ausgegangen, dass die Antenne 12 im Abfragemodus mit der gleichen Leistung sendet wie im Zutrittsmodus oder Startmodus, braucht aufgrund des geringeren elektrischen Widerstands des Serienresonanzwiderstands R nur eine geringere Spannung U = U_SU – U_SL zur Spannungsversorgung der Treiberendstufe 10 vorgesehen werden. Dabei ist U_SU die Spannung am Knoten SU und U_SL die Spannung am Knoten SL.
Falls diese Spannung U von einem DC-DC-Wandler bereitgestellt wird, wird die Ausgangsspannung dieses DC-DC-Wandlers auf eine niedrigere Spannung geschaltet oder alternativ abgeschaltet, sodass die Spannung gleich der Autobatteriespannung ist. Ein DC-DC-Wandler dient zur Erzeugung einer zweiten Spannung aus einer ersten Spannung und ist eine elektronische Schaltung zur Spannungswandlung, bei der zur Zwischenspeicherung der Energie eine Induktivität genutzt wird. Dagegen werden Spannungsversorgungsschaltungen, bei denen zur Spannungserzeugung die Energie in einem Kondensator zwischengespeichert wird, als Pumpen bezeichnet.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer elektrischen Schaltung zum Treiben einer Antenne. Elemente mit gleichen Funktionen wie in 1 werden mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und nicht extra erläutert. Es ist kein Serienresonanzwiderstand R wie in 1 gezeigt, sondern die zweiten Anschlüsse ACS12 und ACS22 der Kondensatoren Cs1 und Cs2 sind unmittelbar mit Masse 1 verbunden. Die Parallelschaltung der Kondensatoren Cs1 und Cs2 kann in einer nicht gezeigten Ausführungsform durch einen einzelnen Kondensator ersetzt werden.
Die Treiberendstufe 10 enthält den ersten Transistor 24 und zweiten Transistor 25, die in Reihe geschalteten sind und beide Feldeffekttransistoren vom selbstsperrenden Typ sind, wobei der n-Feldeffekttransistor 25 mit Source und Drain an der Masse 1 bzw. den ersten Zwischenknoten 26 angeschlossen ist, während der p-Feldeffekttransistor 24 mit seinem Source- und Drainanschlüssen an den Knoten SU bzw. den ersten Zwischenknoten 26 angeschlossen ist. Der erste Transistor 24 und der zweite Transistor 25 bilden somit eine Halbbrückenschaltung.
Der erste Zwischenknoten 26 bildet den Ausgang A der Treiberendstufe 10. Zwischen dem ersten Zwischenknoten 26 und der Verbindungsleitung 13 ist ein Widerstand Rf angebracht, der den Strom in die Antenne begrenzt. Ein solcher Widerstand Rf könnte auch in dem Ausführungsbeispiel nach 1 angebracht werden. Der in 1 mit SL bezeichnete Knoten liegt in 2 auf Masse 1.
Die Gates der Transistoren 24 und 25 werden von den Vortreibern 20 und 21 angesteuert, wobei der erste Vortreiber 20 ein sinusförmiges Signal und der zweite Vortreiber 21 ein rechteckförmiges Signal treibt. Das Gate des ersten Transistors 24 ist über die Verbindungsleitung 11a an den ersten Schalter 27 und das Gate des zweiten Transistors 25 ist über die Verbindungsleitung 11b an den zweiten Schalter 28 angeschlossen. Ein Selektor 23 sorgt in Verbindung mit dem ersten Schalter 27 und dem zweiten Schalter 28 dafür, dass die Verbindungsleitungen 11a und 11b entweder beide mit dem Ausgang des ersten Vortreibers 20 oder beide mit dem Ausgang des zweiten Vortreibers 21 verbunden sind. Die Gates der Transistoren 24 und 25 werden von dem sinusförmigen Signal in solchen Betriebsmodi angesteuert, in denen nur geringe Signalanteile, die die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) stören könnten, erlaubt sind. Dies ist besonders der Fall im Zugangs- und im Startmodus.
Werden die Transistoren 24 und 25 von dem sinusförmigen Signal angesteuert, entstehen höhere Querströme durch die in Reihe geschalteten Source-Drain-Pfade der Transistoren 24 und 25. Auf für die Erzeugung des sinusförmigen Signals bedarf es mehr Energie als die Erzeugung des rechteckförmigen Signals. Zudem bedarf es eines großen Hubs zwischen dem sinusförmigen Ansteuersignal und dem Ausgangssignal am ersten Zwischenknoten 26. Dies bedeutet, dass die Versorgungsspannung für die Transistoren 24 und 25 größer sein muss als die Amplitude des sinusförmigen Signals, das vom ersten Vortreiber 20 bereitgestellt wird. Der Hub beträgt in einer Ausführungsform 5 V. Durch die höhere Spannung an der Treiberendstufe steigt auch die Leistungsaufnahme der elektrischen Schaltung, was, wie oben beschrieben, im Zutrittsmodus und im Startmodus nicht so kritisch ist.
Dagegen ist im Abfragemodus der Leistungsverbrauch sehr wichtig, aber die Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit sind geringer, da das Fahrzeug steht und weniger Systeme des Fahrzeugs aktiv sind. In diesem Abfragemodus wird die Antennenschaltung mittels eines rechteckförmigen Signals getrieben. Dazu werden der erste Schalter 27 und der zweite Schalter 28 von dem Selektor 23 so geschaltet, dass das Ausgangssignal des zweiten Vortreibers 21 auf die Gates der Transistoren 24 und 25 geschaltet wird.
Rechteckförmige Signale können auch als eine Überlagerung von einer Vielzahl von sinusförmigen Signalen unterschiedlicher Frequenzen beschrieben werden. Somit werden von der Antenne in diesem Modus Signal nicht nur der gewünschten Frequenz von 125 kHz gesendet, sondern auch mit einer Vielzahl von anderen Signalen. Dies wird durch den Filterkondensator Cfft1 etwas abgemildert, aber nicht beseitigt. Allerdings bedarf es bei der Ansteuerung mit dem rechteckförmigen Signal eines kleineren Hubes, beispielsweise von 1 V, zwischen der Spannungsversorgung des zweiten Vortreibers 21 und der Amplitude des sinusförmigen Signals. Da die Treiberendstufe 10 nur ein Signal empfängt, wird nur einer der Vortreiber 20 und 21 aktiviert und der andere der Vortreiber 20 und 21 deaktiviert, um die Leistungsaufnahme zu verringern.
Falls ein DC-DC-Wandler zur Erzeugung dieser Spannung verwendet wird, wird diese auf einen niedrigeren Ausgangswert geschaltet oder abgeschaltet. Dadurch verringert sich die Verlustleistung in den Transistoren 24 und 25. Die Effizienz eines Wandlers ist immer kleiner als 1, d. h. durch die Wandlung wird Verlustenergie erzeugt. Bei ausgeschaltetem Wandler fällt somit weniger Verlustleistung an. Aus diesem Grund ist das Abschalten des DC-DC-Wandlers vorteilhaft gegenüber dem Schalten auf einen niedrigen Ausgangswert.
Es ist auch eine Kombination der Ausführungsformen nach 1 und 2 möglich, so dass die Antennenschaltung sowohl den Serienresonanzwiderstand R als auch die beiden Vortreiber 20 und 21 mit ihrer Ansteuerung der Treiberendstufe 10 aufweist.
Es versteht sich, dass drahtlose passive Zugangssysteme noch eine Vielzahl weiterer Modi aufweisen können, bei denen unterschiedliche Anforderungen an die Parameter der Leistungsaufnahme, elektromagnetische Verträglichkeit, abgestrahlte Leistung und Güte der Antenne gefordert sind. Durch die beschriebenen Maßnahmen der Verwendung unterschiedlicher Signalverläufe und des Einstellen des Serienresonanzwiderstands R können auch für weitere Zustände die jeweils günstige Kombination dieser Parameter eingestellt werden. Besonders günstig ist es, wenn diese Einstellung in einem Mikrocontroller durchgeführt wird, sodass sich eine große Flexibilität beim Einstellen der drahtlosen Zugangssysteme ergibt. Dies könnte sogar bei der Produktion der drahtlosen Zugangssysteme verwendet werden, sodass Toleranzen der Bauelemente schon bei der Herstellung des passiven drahtlosen Zugangssystems wenigstens teilweise ausgeglichen werden.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Stromverbrauch der Treiberschaltung für die Antenne, besonders im Abfragemodus signifikant verringert werden kann. Bei Applikationen mit geringen Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit kann in einigen Ausführungsformen auf einen Aufwärtswandler vollständig verzichtet werden.
Durch das rechteckförmige Signal können bei hoher Versorgungsspannung die Ausgangsleistung des Treibers und somit auch die abgestrahlte Leistung der Antenne im Vergleich zum sinusförmigen Signal erhöht werden.
3 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung mit einer Vollbrücke. Sie weist gegenüber der Schaltung von 2 zusätzlich einen dritten Vortreiber 30, einen vierten Vortreiber 31, einen zweiten Selektor 33, einen dritten Schalter 37, einen vierten Schalter 38, einen dritten Transistor 34 und einen vierten Transistor 35 auf.
Die Treiberendstufe 10 enthält somit zusätzlich zu dem ersten Transistor 24 und dem zweiten Transistor 25 noch den dritten Transistor 34 und den vierten Transistor 35, die in Reihe geschalteten sind. Beide Transistoren 34 und 35 sind vom selbstsperrenden Typ, wobei der vierte Transistor 35 als n-Feldeffekttransistor mit Source und Drain an der Masse 1 bzw. den zweiten Zwischenknoten 36 angeschlossen ist, während dritte Transistor 34 als p-Feldeffekttransistor mit seinem Source- und Drainanschlüssen an den Knoten SU bzw. den zweiten Zwischenknoten 36 angeschlossen ist. Der zweite Zwischenknoten 36 bildet einen zweiten Ausgang A2 der Treiberendstufe 10 und ist mit den zweiten Anschlüssen ACS12 und ACS22 der Resonanzkondensatoren CS1 und CS2 verbunden.
Die Gates der Transistoren 34 und 35 werden von den Vortreibern 30 und 31 angesteuert, wobei der dritte Vortreiber 30 ein sinusförmiges Signal und der vierte Vortreiber 31 ein rechteckförmiges Signal treibt. Das Gate des dritten Transistors 34 ist über die Verbindungsleitung 11c an den dritten Schalter 37 und das Gate des vierten Transistors 35 ist über die Verbindungsleitung 11d an den vierten Schalter 38 angeschlossen. Der Selektor 33 sorgt in Verbindung mit dem dritten Schalter 37 und dem vierten Schalter 38 dafür, dass die Verbindungsleitungen 11c und 11d entweder beide mit dem Ausgang des dritten Vortreibers 30 oder beide mit dem Ausgang des vierten Vortreibers 31 verbunden sind.
Die Treiberendstufe 10 wird beim Treiben des sinusförmigen Signals als Vollbrücke angesteuert, indem die Phasen der Vortreiber 20 und 30 zueinander um 180° phasenverschoben sind. Dergleichen ist, wenn der zweite Vortreiber 21 und vierte Vortreiber 31 rechteckförmige Signale treiben, das Ausgangssignal des zweiten Vortreibers 21 um 180° phasenverschoben zu dem Ausgangssignal des vierten Vortreibers 31. Die Phasenverschiebung ist in 3 in den Kurvenverläufen am Ausgang der Vortreiber erkennbar. Bei dem ersten Vortreiber 20 und dem zweiten Vortreiber 21 steigt das jeweilige Ausgangssignal am Begin des Signalverlaufs an, während es bei dem dritten Vortreiber 30 und bei dem vierten Vortreiber 31 zunächst sinkt.

1: Masse
10: Treiberendstufe
11, 11a, 11b: Eingangssignal
12: Antenne
13: Verbindungsleitung
14: Leitungsbündel
20: erster Vortreiber
21: zweiter Vortreiber
23: erster Selektor
24: erster Transistor
25: zweiter Transistor
26: Zwischenknoten
27: erster Schalter
28: zweiter Schalter
30: dritter Vortreiber
31: vierter Vortreiber
33: zweiter Selektor
34: dritter Transistor
35: vierter Transistor
36: zweiter Zwischenknoten
37: dritter Schalter
38: vierter Schalter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 2006/0215028 [0001]
- DE 102004052907 A1 [0003]

Claims

Passives drahtloses Zugangssystem, folgendes aufweisend: – eine Treiberendstufe (10) mit mindestens einem Eingang (E) und einem Ausgang (A), – einen Serienresonanzkreis mit einer Antenne (12) und einem Kondensator (CS1), wobei der Serienresonanzkreis von dem Ausgang (A) der Treiberendstufe (10) getrieben wird, – mindestens einen Vortreiber zum Ansteuern des Eingangs (E) der Treiberendstufe (10), wobei die Treiberendstufe (10) von dem Vortreiber wahlweise ein sinusförmiges Signal oder ein Rechtecksignal empfängt.
Passives drahtloses Zugangssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzfrequenz des Serienresonanzkreises im LF-Bereich zwischen 120 kHz und 140 kHz liegt.
Passives drahtloses Zugangssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spannungsversorgung für die Treiberendstufe (10) vorgesehen ist, wobei die Größe der von der Spannungsversorgung bereitgestellten Spannung je nach Betriebsmodus vorbestimmte Werte annimmt.
Passives drahtloses Zugangssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Treiberendstufe (10) zwei Feldeffekttransistoren (24, 25) aufweist, die als Halbbrücke geschaltet sind.
Passives drahtloses Zugangssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Treiberendstufe (10) zwei Feldeffekttransistoren (24, 25) aufweist, die als Vollbrücke geschaltet sind.
Passives drahtloses Zugangssystem nach einer der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Vortreiber (20) zum Treiben des sinusförmigen Signals und ein zweiter Vortreiber (21) zum Treiben des rechteckförmigen Signals vorgesehen ist und dass beim Betreiben der Treiberendstufe einer der beiden Vortreiber aktiviert ist und der andere der beiden Vortreiber deaktiviert ist.
Passives drahtloses Zugangssystem mit mindestens zwei Betriebszuständen, wobei das drahtlose passive Zugangssystem folgendes aufweist: – eine Treiberendstufe (10) mit mindestens einem Eingang (E) und einem Ausgang (A), – einen Serienresonanzkreis (RLC), der von dem Ausgang A der Treiberendstufe (10) getrieben wird, wobei der Serienresonanzkreis eine Antenne (12), einen Resonanzkondensator (Cs1) und einen Serienresonanzwiderstand (R) aufweist, wobei der ohmsche Widerstand des Serienresonanzwiderstands (R) je nach Betriebszustand des drahtlosen passiven Zugangssystems auf vorbestimmte Werte eingestellt wird.
Passives drahtloses Zugangssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Filterkondensator (Cfft1) mit einem ersten Anschluss (Ad) und einem zweiten Anschluss (AC2) vorgesehen ist, wobei der erste Anschluss (AC1) mit einem ersten Anschluss (AL1) der Antenne (12) und der zweite Anschluss (AC2) des Filterkondensators (Cfft1) mit Masse (1) verbunden ist.
Passives drahtloses Zugangssystem nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der ohmsche Widerstand des Serienresonanzwiderstands (R) zwischen 10 Ohm und 100 Ohm in Stufen einstellbar ist.
Passives drahtloses Zugangssystem nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Serienresonanzwiderstand (R) mittels eines Mikrocontrollers einstellbar ist.
Passives drahtloses Zugangssystem nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Vortreiber zum Ansteuern eines Eingangs (E) der Treiberendstufe (10) vorgesehen ist, und dass der Vortreiber die Treiberendschaltung (10) entweder mit einem sinusförmigen Signal oder mit einem rechteckförmigen Signal ansteuert.
Passives drahtloses Zugangssystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Vortreiber (20) zum Treiben des sinusförmigen Signals und ein zweiter Vortreiber (21) zum Treiben des rechteckförmigen Signals vorgesehen ist und dass beim Betreiben der Treiberendstufe einer der beiden Vortreiber aktiviert ist und der andere der beiden Vortreiber deaktiviert ist.
Passives drahtloses Zugangssystem nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Serienresonanzwiderstand (R) zusammen mit der Treiberendstufe (10) in einer integrierten Schaltung (IC) integriert ist.
Verfahren zum Betreiben einer passiven drahtlosen Zugangssystems, mit folgenden Schritten: – Bereitstellen eines passiven drahtlosen Zugangssystems nach Anspruch 1 bis 6, – Einstellen der Versorgungsspannung (U) für die Treiberendstufe (10) auf höhere Werte in dem Fall, dass die Treiberendstufe (10) von dem Vortreiber (20, 21) ein sinusförmiges Signal empfängt, als in dem Fall, in dem die Treiberendstufe (10) von dem Vortreiber (20, 21) ein rechteckförmiges Signal empfängt.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennenschaltung drahtlosen passiven Zugangssystems eines Fahrzeugs betrieben wird, wobei das drahtlose passive Zugangssystem einen Startmodus, einen Zutrittsmodus und einen Abfragemodus aufweist, wobei im Startmodus das Fahrzeug gestartet wird, im Zutrittsmodus eine Fahrzeugtür entriegelt und/oder verriegelt wird und im Abfragemodus in Abständen ein Signal zum Empfang durch einen Identitätsgeber des drahtlosen passiven Zugangssystems gesendet wird, und dass im Startmodus und Zutrittsmodus die Treiberendstufe (10) von dem Vortreiber (20, 21) ein sinusförmiges Signal empfängt und im Abfragemodus ein rechteckförmiges Signal empfängt.
Verfahren zum Betreiben einer Antennenschaltung in eines passiven drahtlosen Zugangssystems, das einen Startmodus, einen Zutrittsmodus und einen Abfragemodus aufweist, wobei im Startmodus das Fahrzeug gestartet wird, im Zutrittsmodus eine Fahrzeugtür entriegelt und/oder verriegelt wird und im Abfragemodus in Abständen ein Signal zum Empfang durch einen Identitätsgeber des drahtlosen passiven Zugangssystems gesendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte aufweist: – Bereitstellen eines passiven drahtlosen Zugangssystems nach einem der Ansprüche 7 bis 13, – Einstellen des ohmschen Widerstands des Serienresonanzwiderstands (R) im Startmodus und Zutrittsmodus auf höhere Werte als im Abfragemodus.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Antennenschaltung bereitgestellt wird, deren Treiberendstufe (10) von einer veränderbaren Spannung (U) versorgt wird und die veränderbare Spannung (U) im Startmodus und Zutrittsmodus höher eingestellt wird als im Abfragemodus.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Serienresonanzwiderstand so eingestellt wird, dass für die Güte G der Antennenschaltung im Startmodus und Zutrittsmodus 3 ≤ G ≤ 5 gilt und im Abfragemodus 6 ≤ G ≤ 10 gilt.