DE102007057035A1

DE102007057035A1 - Versorgungsschaltung für ein Steuergerät mit integriertem Aufwärtswandler

Info

Publication number: DE102007057035A1
Application number: DE200710057035
Authority: DE
Inventors: Volker Weeber
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-11-27
Filing date: 2007-11-27
Publication date: 2009-05-28

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Versorgungsschaltung zum Versorgen eines elektrischen Verbrauchers (4). Der elektrische Verbraucher (4) kann auch bei Absinken der Netzspannung weiterhin mit elektrischer Leistung versorgt werden, wenn die Versorgungsschaltung einen geschalteten Aufwärtswandler (5a, 7a, 9) umfasst, der wenigstens eine Spule (5a-5c) und einen Schalter (7a-7c) aufweist, mittels dessen der Spulenstrom wahlweise gegen ein Bezugspotential (GND) geschaltet werden kann, wobei die wenigstens eine Spule (5a-5c) mit einem Versorgungsanschluss (15) des elektrischen Verbrauchers (4) verbunden ist, und wenn die wenigstens eine Spule (5a-5c) Bestandteil eines im Netz angeschlossenen elektromechanischen Bauteils ist und sowohl zur Steuerung des Bauteils als auch zur Versorgung des elektrischen Verbrauchers (4) genutzt wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Versorgungsschaltung zum Versorgen elektrischer Verbraucher gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie die Verwendung einer Spule als Bestandteil eines Aufwärtswandlers gemäß Patentanspruch 14.
In modernen Fahrzeugen werden immer mehr sicherheitsrelevante Systeme verbaut, deren elektrische Versorgung auch bei einem Spannungseinbruch sichergestellt sein muss. Hierzu zählen insbesondere Brems- oder Airbagsysteme als auch Fahrdynamikregelungs- und Fahrerassistenzsysteme. Derartige Systeme umfassen ein Steuergerät, das bei einem Spannungseinbruch i. d. R. ausfällt oder einen Reset durchführt. Dadurch steht das Steuergerät für eine gewisse Zeit nicht mehr zur Verfügung.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Bordnetzkonzepte und Verfahren bekannt, mittels derer einem elektrischen Verbraucher auch bei niedriger Bordnetzspannung noch genügend Versorgungsspannung zur Verfügung gestellt werden kann. Die bekannten Bordnetze umfassen hierzu üblicherweise einen zusätzlichen Energiespeicher, einen Spannungs-Hochsetzer oder andere Mittel, die als redundante Energiequelle für den Notbetrieb zur Verfügung stehen. Die aus dem Stand der Technik bekannten Bordnetze benötigen hierzu alle zusätzliche Bauelemente und sind daher relativ aufwendig und teuer.
Offenbarung der Erfindung
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine möglichste einfach aufgebaute Versorgungsschaltung zu schaffen, die einem sicherheitsrelevanten Verbraucher bei Einbruch der Bordnetzspannung eine ausreichend hohe Versorgungsspannung zur Verfügung stellt.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patenanspruch 1 sowie im Patentanspruch 14 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, eine Versorgungsschaltung zum Versorgen eines elektrischen Verbrauchers, insbesondere eines Steuergeräts, zu schaffen, die einen geschalteten Aufwärtswandler umfasst, der den betreffenden Verbraucher zumindest in einem Notbetrieb mit Spannung versorgt. Derartige Aufwärtswandler, die auch als Hochsetzsteller oder Boost Converter bezeichnet werden, umfassen wenigstens eine Spule, einen Schalter, mittels dessen der Spulenstrom wahlweise gegen ein Bezugspotential geschaltet werden kann, sowie meist einen am Ausgang angeordneten Kondensator zur Glättung des Ausgangssignals. Der erfindungsgemäße Aufwärtswandler kann ohne Verwendung zusätzlicher Bauteile realisiert werden, wenn als Spule des Aufwärtswandlers eine im elektrischen Netz ohnehin vorhandene Spule, wie z. B. die Magnetspule eines elektromagnetischen Ventils, genutzt wird. Die Spule ist gemäß der Erfindung (direkt oder indirekt) mit einem Versorgungsanschluss des elektrischen Verbrauchers verbunden. Im Notbetrieb, d. h. wenn die Bordnetzspannung unter einen kritischen Wert abgesunken ist, wird der Aufwärtswandler so betrieben, dass der sicherheitsrelevante Verbraucher aus der Spule mit elektrischer Leistung versorgt wird. Im Normalbetrieb wird das elektromechanische Bauteil, zu dem die Spule gehört, dagegen im normalen Arbeitsbereich betrieben.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Versorgungsschaltung einen ersten Stromkreis (Hauptkreis) mit dem elektrischen Verbraucher, sowie einen zweiten Stromkreis (Arbeitskreis), der die wenigstens eine Spule und vorzugsweise auch den Schalter des geschalteten Aufwärtswandlers enthält. Der erste und zweite Stromkreis sind vorzugsweise parallel geschaltet und werden im Normalbetrieb vorzugsweise von der selben Spannungsquelle mit elektrischer Leistung versorgt.
Der Schalter des Aufwärtswandlers ist vorzugsweisen Serie zur Spule geschaltet und kann beispielsweise als Transistor, insbesondere MOS-Transistor realisiert sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der elektrische Verbraucher am Ausgang des geschalteten Aufwärtswandlers angeschlossen. Am Ausgang des Aufwärtswandlers ist vorzugsweise auch ein Kondensator vorgesehen, der parallel zum Verbraucher geschaltet ist.
Ein Anschluss des Kondensators ist vorzugsweise mit dem Versorgungsanschluss des elektrischen Verbrauchers, und der masseseitige Anschluss mit einem Bezugspotential, insbesondere Masse, verbunden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei der wenigstens einen Spule um die Magnetspule eines Ventils einer hydraulischen Bremsanlage, die wahlweise zur Steuerung des Ventils oder zur Versorgung des elektrischen Verbrauchers genutzt wird. Das Ventil ist vorzugsweise ein Normally-Closed-Ventil.
Seriell zur wenigstens einen Spule ist vorzugsweise eine Freilaufdiode vorgesehen, die den Spulenstrom weiter fließen lässt, wenn der zugehörige Schalter ausgeschaltet wird. Die Kathode der Diode ist vorzugsweise mit dem Versorgungsanschluss des elektrischen Verbrauchers verbunden. Anstelle klassischer Dioden können erfindungsgemäß auch andere Bauelemente mit Diodenfunktion, wie z. B. als Diode verschaltete Transistoren, verwendet werden. Unter der Bezeichnung Diode soll hier jedes Element mit Diodenfunktion verstanden werden.
Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung kann eine Schalteinrichtung im Freilaufpfad der wenigstens einen Spule vorgesehen sein, mittels derer die Spule wahlweise in Freilauf geschaltet oder der Freilauf unterbrochen werden kann. Die Schalteinrichtung umfasst im einfachsten Fall einen Transistor, der entsprechend geschaltet wird.
Im Normalbetrieb – d. h. die Netzspannung liegt über einer vorgegebenen Schwelle – wird der Schalter des Aufwärtswandlers derart geschaltet, dass sich ein gewünschter Spulenstrom einstellt, mittels dessen das Bauteil, insbesondere ein Ventil, angesteuert wird. Im Notbetrieb wird dagegen der Schalter derart betrieben, dass sich eine gewünschte Ausgangsspannung für den elektrischen Verbraucher einstellt.
Im Versorgungspfad des elektrischen Verbrauchers ist vorzugsweise ein Bauelement vorgesehen, das einen Stromfluss in Rückwärtsrichtung, von der Spule zur Spannungsquelle erlaubt. Das genannte Bauelement ist vorzugsweise ein Transistor.
Im Versorgungspfad der wenigstens einen Spule ist vorzugsweise eine Einrichtung, insbesondere eine Diode, vorgesehen, die die Spannungsquelle vor Überspannung schützt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 ein schematisches Schaltbild einer Versorgungsschaltung mit einem geschalteten Aufwärtswandler;
2a den Verlauf der Versorgungsspannung;
2b ein Steuersignal für den Transistor einer Magnetspule;
2c den Verlauf des Spulenstroms durch die Magnetspule 5a;
2d den zeitlichen Verlauf des durch die Freilaufdiode 6a fließenden Stroms; und
2e den Verlauf der am elektrischen Verbraucher 4 anliegenden Versorgungsspannung U₁.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt ein elektrisches Schaltbild einer Versorgungsschaltung für einen elektrischen Verbraucher 4, wie z. B. ein ABS- oder ESP-Steuergerät. Die Versorgungsschaltung umfasst im Wesentlichen einen Hauptstromkreis 2 und einen Arbeitsstromkreis 3, die beide von derselben Quelle, wie z. B. einer Batterie 1 mit Spannung versorgt werden. Beide Kreise 2, 3 sind parallel gegen Masse geschaltet. Im Versorgungspfad des Verbrauchers 4 ist ein Transistor 11 vorgesehen, der in Stromflussrichtung als Diode 12 geschaltet ist. Der Transistor 11 ist im Normalbetrieb (die Netzspannung befindet sich oberhalb einer Schwelle) durchgeschaltet, so dass der Verbraucher 4 über den Hauptsrompfad 2 aus der Spannungsquelle 1 mit elektrischer Leistung versorgt wird.
Der Arbeitskreis 3 umfasst mehrere parallel geschaltete Spulen 5a–5c, bei denen es sich vorzugsweise um Magnetspulen von Ventilen handelt. Jeder der Spulen 5a–5c ist ein eigener Schalter 7a–7c zugeordnet, der masseseitig, seriell zur jeweiligen Spule 5a–5c angeschlossen ist. Im Normalbetrieb werden die Schalter 7a–7c mit einem PWM-Signal (PWM: Pulsweitenmoduliert) angesteuert, um einen gewünschten Spulenstrom einzustellen und das zugehörige Ventil entsprechend zu betätigen. Parallel zu den Spulen 5b, 5c ist jeweils eine Freilaufdiode 6b, 6c angeordnet, die den Spulenstrom in den AUS-Phasen der Schalter 7b, 7c weiter fließen lassen. Im Unterschied zu den übrigen Freilaufdioden ist die Freilaufdiode 6a der Spule 5a zwischen den masseseitigen Anschluss der Spule 5a und den Versorgungsanschluss 15 des Verbrauchers 4 geschaltet. Der Spulenstrom kann somit in den AUS-Phasen des Schalters 7a in Richtung des Verbrauchers 4 fließen und letzteren mit elektrischer Leistung versorgen.
Die Spule 5a zusammen mit dem Schalter 7a, der Diode 6a und dem Kondensator 9 bilden hier einen geschalteten Aufwärtswandler, der an seinem Ausgang (Klemme 15) eine Spannung erzeugt, die höher ist als die am Versorgungsanschluss der Spulen 5a–5c anliegende Eingangsspannung. Ein solcher Spannungswandler wird auch als Hochsetzsteller oder Boost Converter bezeichnet. In den EIN-Phasen des Transistors 7a wird in der Spule 5a Energie gespeichert, die in den AUS-Phasen über die Diode 6a an den Versorgungsanschluss 15 des Verbrauchers 4 abgegeben wird.
Die Spule 5a des Magnetventils, wie z. B. eines Einlass- oder Auslass-Ventils, erfüllt hier also zwei Funktionen. Zum Einen dient sie zum Steuern des zugehörigen Ventils im Normalbetrieb, zum Anderen als Spule des geschalteten Aufwärtswandlers im Notbetrieb (bei einem Spannungseinbruch der Netzspannung).
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung könnten auch mehrere der Spulen 5a–5c zur Versorgung des elektrischen Verbrauchers 4 im Notbetrieb genutzt werden. In diesem Fall müssten lediglich mehrere Verbindungsleitungen 14 (14a–14c) vorgesehen werden. Die Schalter 7a–7c müssten in diesem Fall nicht unbedingt synchron geschaltet werden. Darüber hinaus können natürlich auch mehr als drei Magnetventile bzw. deren Spulen genutzt werden.
Der in der Versorgungsleitung 2 angeschlossene Transistor 11 ist vorzugsweise derart ausgelegt, dass ein Stromfluss von der Spule 5a in Richtung der Spannungsquelle 1 möglich ist, falls durch die Ansteuerung der Spule 5a im Normalbetrieb zu viel Strom in Richtung des Verbrauchers 4 fließt.
Im Versorgungspfad 3 der Spulen 5a–5c ist ebenfalls ein Transistor 16 vorgesehen, der als Hauptschalter dient, mittels dessen die Ventile ausgeschaltet werden können, falls ein Fehler, wie z. B. ein defekter Schalter 7a–7c vorliegt. Darüber hinaus ist im Versorgungspfad 3 eine Diode 10 vorgesehen, die als Verpolschutz dient.
Im Freilaufpfad der Spule 5a kann ferner ein Schalter 13, wie z. B. ein Transistor, vorgesehen sein, mittels dessen der Freilauf der Diode zu- oder abschaltbar ist. Dieser optionale Schalter ist hier in gestrichelten Linien dargestellt.
2a zeigt den zeitlichen Verlauf der Bordnetzspannung U_B. Zum Zeitpunkt t₀ ist ein Spannungseinbruch zu erkennen. Die Netzspannung wird vorzugsweise mittels eines Spannungssensors (nicht gezeigt) überwacht. Nach dem Erkennen eines Spannungseinbruchs wird der Transistor 7a zunächst eine längere Zeit bis zum Zeitpunkt t₁ eingeschaltet und danach periodisch getaktet betrieben.
2c zeigt den durch die Spule 5a fließenden Strom, der zunächst ansteigt und dann auf hohem Niveau etwa zick-zack-förmig verläuft.
2d zeigt den Stromverlauf I_D durch die Freilaufdiode 6a. In jeder AUS-Phase des Schalters 7a fließt der Spulenstrom durch die Freilaufdiode 6a zum elektrischen Verbraucher 4. Die am Verbraucher 4 abfallende Spannung U₁ sinkt daher nur geringfügig ab und erreicht dann wieder etwa das ursprüngliche Niveau, wie in 2e zu sehen ist. Ein Ausfall des Verbrauchers 4 kann somit wirksam verhindert werden.

Claims

Versorgungsschaltung zum Versorgen eines elektrischen Verbrauchers (4), dadurch gekennzeichnet, dass – die Versorgungsschaltung einen geschalteten Aufwärtswandler (5a, 7a, 9) umfasst, der wenigstens eine Spule (5a–5c) und einen Schalter (7a–7c) aufweist, mittels dessen der Spulenstrom wahlweise gegen ein Bezugspotential (GND) geschaltet werden kann, – die wenigstens eine Spule (5a–5c) mit einem Versorgungsanschluss (15) des elektrischen Verbrauchers (4) verbunden ist, und – die wenigstens eine Spule (5a–5c) Bestandteil eines im Netz angeschlossenen elektromechanischen Bauteils ist und sowohl zur Steuerung des Bauteils als auch zur Versorgung des elektrischen Verbrauchers (4) genutzt wird.
Versorgungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Verbraucher (4) und die wenigstens eine Spule (5a–5c) von der selben Spannungsquelle (1) mit Spannung versorgt werden.
Versorgungsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (7a–7c) in Serie zur Spule (5a–5c) geschaltet ist.
Versorgungsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbraucher (4) am Ausgang des Aufwärtswandlers (5a, 7a, 9) angeschlossen ist.
Versorgungsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbraucher (4) parallel zu einem Kondensator (9) geschaltet ist, der am Ausgang des Aufwärtswandlers (5a, 7a, 9) angeordnet ist.
Versorgungsschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (9) mit einer Diode (6a) und der wenigstens einen Spule (5a–5c) seriell verbunden ist.
Versorgungsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Spulen (5a–5c) die Magnetspule eines Ventils einer hydraulischen Bremsanlage ist.
Versorgungsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an wenigstens einer der Spulen (5a–5c) eine Schalteinrichtung (13) angeschlossen ist, mittels derer die Spule (5a–5c) wahlweise in den Freilauf geschaltet oder der Freilauf unterbrochen werden kann.
Versorgungsschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (13) im Notbetrieb ausgeschaltet wird, so dass der Freilauf unterbrochen wird.
Versorgungsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Spule (5a–5c) als Aufwärtswandler betrieben wird, wenn die Versorgungsspannung (U₁) des elektrischen Verbrauchers (4) unter einen vorgegebenen Schwellenwert fällt.
Versorgungsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Verbraucher (4) ein Steuergerät ist.
Versorgungsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Versorgungspfad des elektrischen Verbrauchers (4) ein Bauelement (11) angeschlossen ist, das einen Stromfluss vom Versorgungsanschluss (15) des Verbrauchers (4) zur Spannungsquelle (1) der Schaltung zulässt.
Versorgungsschaltung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (11) ein Transistor ist.
Verwendung einer Spule (5a–5c) eines elektromechanischen Bauteils sowohl zur Betätigung des Bauteils als auch als die Spule eines Aufwärtswandler (5a, 7a, 9), zur Versorgung eines elektrischen Verbrauchers (4).