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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Stromversorgungssystem
für eine
Mehrzahl von elektronischen Geräten
und/oder Einheiten von der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten
Art.
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Elektronische
Steuersysteme und -geräte,
die an Bord von Kraftfahrzeugen verwendet werden, werden immer zahlreicher.
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Dies
führt zu
Problemen auch hinsichtlich der elektrischen Versorgung solcher
Systeme und Geräte sowie
hinsichtlich der Dissipation von Wärmeenergie.
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Derzeit
kommen, wie beispielsweise in ELEKTRONIK, Band 38, Nr. 4, 17. Februar
1989, Seiten 48–51, 54–56, XP000212715,
Hill et al. „Mikrocomputer
in KFZ-Anwendungen" geoffenbart,
hinsichtlich der Versorgung einer Mehrzahl von elektronischen Systemen
oder Geräten
an Bord eines Kraftfahrzeugs Anordnungen zur Anwendung, die jenem
Typ angehören,
der in 1 der angeschlossenen Zeichnungen schematisch
dargestellt ist. In den Zeichnungen bezeichnen U1, U2 und Un n elektronische
Steuereinheiten, die an Bord eines Kraftfahrzeugs installiert sind.
Jede dieser Einheiten hängt
mit einer entsprechenden stabilisierten Energieversorgung oder einem
linearen Spannungsregler LR1, LR2 ... LRn zusammen. Diese linearen
Spannungsregler besitzen entsprechende Eingänge, die an der an Bord des
Kraftfahrzeugs montierten Batterie B angeschlossen sind.
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Es
ist wohlbekannt, dass die bordinterne Batterie eine nicht stabilisierte
Gleichstromspannungsquelle ist.
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Die
einzelnen Spannungsregler LR1 ... LRn sind im Allgemeinen recht
kostspielig, da sie in der Lage sein müssen, hohen Eingangsüberspannungen
zu widerstehen, und dem einen „geringen
Abfall" aufweisenden
Typ angehören
müssen,
da die von der Batterie gelieferte Spannung während des Startens beispielsweise bis
auf 6 V abfallen kann.
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Die
Verwendung sogar noch schnellerer und komplexerer digitaler Stromkreise
führte
zu einem Anstieg der verbrauchten Ströme und daher der Energie, die
von den verschiedenen elektronischen Steuereinheiten verbreitet
wird. Daher müssen
die einzelnen Spannungsregler LR1 ... LRn häufig mit Wärmedissipatoren verbunden sein,
wodurch sich Probleme z. B. mit den Abmessungen, dem Gewicht und
den Kosten ergeben.
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Ein
Versorgungssystem der anfänglich
spezifizierten Art ist in der EP-A-0 694 826 geoffenbart. Dieses ältere Dokument
beschreibt ein Informationsverarbeitungsgerät mit einer Mehrzahl von Stromkreisen
und einer entsprechenden Stromversorgungsleitung für jeden
dieser Kreise. Ein Schaltregler steuert die von einer externen Stromquelle
gelieferte Energie. Die Spannungen der Stromversorgungsleitungen
werden überwacht,
und die kleinste davon wird mit einer festgelegten Vergleichsspannung
verglichen. Verbindungs-/Trennmittel sind zum Starten oder Stoppen
der Stromversorgung von der Stromquelle als Reaktion auf das Vergleichsresultat vorgesehen.
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines
Versorgungs systems für
eine Mehrzahl von elektronischen Geräten oder Einheiten, die zur
Verwendung an Bord eines Kraftfahrzeugs angepasst sind, wodurch
eine Reduktion des von der Batterie verbrauchten Stroms, eine Reduktion
der Wärmedissipation
sowie eine Reduktion des Gewichts, des Volumens und der Gesamtkosten
für das
System ermöglicht
werden.
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Diese
und andere Ziele werden erfindungsgemäß mittels eines Versorgungssystems
gemäß Anspruch 1
erzielt.
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Weitere
charakteristische Eigenschaften und Vorteile der Erfindung gehen
hervor aus der nachfolgenden, rein anhand eines nicht einschränkend gedachten
Beispiels dargelegten, detaillierten Beschreibung, und zwar unter
Bezugnahme auf die angeschlossenen Zeichnungen, wobei:
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die
bereits beschriebene 1 ein Blockdiagramm ist, das
die Struktur eines Versorgungssystems nach dem Stand der Technik
veranschaulicht;
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2 ein
Blockdiagramm ist, das die Struktur eines erfindungsgemäßen Versorgungssystems
zeigt; und
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3 ein
Diagramm ist, das eine Ausführungsform
eines in einem erfindungsgemäßen Versorgungssystem
eingebauten, zentralen Spannungsreglers detaillierter darstellt.
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Wie
in 2 zu sehen, ist in einem erfindungsgemäßen Versorgungssystem 1 zwischen
der Batterie B und den Eingängen
der einzelnen Spannungsregler LR1, LR2 ... LRn ein zentraler Spannungsschaltregler SMPS
eingeschoben, der zum Abgeben einer stabilisierten Ausgangsspannung
VR mit geringerem Wert angeordnet ist, welche
niedriger ist als die von der Batterie B gelieferte Spannung VB, jedoch dennoch größer als der (Höchst)wert
der stabilisierten Spannungen Vcc1, Vcc2 ... Vccn, die
dazu bestimmt sind, von den Spannungsreglern abgegeben zu werden.
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Die
Spannungsregler LR1, LR2 ... LRn im erfindungsgemäßen System
sind solcher-art dimensioniert, um ihre jeweiligen stabilisierten
Spannungen Vcc1, Vcc2 ...
Vccn abgeben zu können, wenn ihre jeweiligen
Eingänge
die stabilisierte Spannung mit dem reduzierten Wert VR empfangen,
welche vom zentralen Spannungsregler SMPS abgegeben wird.
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Wenn
die Batteriespannung VB zum Beispiel einen
Nominalwert von 14 V aufweist und der Höchstwert der von den Reglern
LR1 ... LRn benötigten,
stabilisierten Spannungen beispielsweise 5 V beträgt, entspricht der
stabilisierte Spannungsausgang aus dem zentralen Regler SMPS somit
beispielsweise 7 V.
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Beim
erfindungsgemäßen System
können
sämtliche
Schutzfunktionen (gegen eine Polaritätsumkehr der Batteriespannung,
gegen Impulsspannungsüberlastungen,
Abfälle
oder plötzliche „Löcher" bei der Batteriespannung
etc.) im zentralen Spannungsregler SMPS eingebaut sein. Die lokalen
Energieversorgungen LR1, LR2 ... LRn können nunmehr Spannungsregler
eines standardmäßigen Typs
mit niedriger Eingangsspannung und daher kostengünstig sein.
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Durch
eine passende Dimensionierung des zentralen Reglers SMPS ist es überdies
möglich,
eine merkliche Reduktion der als Wärme abgeführten Gesamtenergie zu erzielen.
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Dies
kann auf Basis der folgenden Überlegungen
festgestellt werden.
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In
den 1 und 2 bezeichnen I1,
I2 ... In die von
jedem linearen Regler LR1, LR2 ... LRn gelieferten Ströme.
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Aus
Gründen
der Vereinfachung wird angenommen, dass die von den einzelnen linearen
Reglern abgegebenen Spannungen einander und einem Wert Vcc entsprechen; beim Versorgungssystem nach
dem Stand der Technik der 1 entspricht die abgeführte Gesamtenergie:
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Im
Fall der in
2 gezeigten, erfindungsgemäßen Versorgungssysteme
entspricht die abgeführte Gesamtenergie
andererseits:
wobei η die Effizienz
des Schaltreglers SMPS ist.
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Die
obenstehenden Ausdrücke
für die
abgeführte
Energie gelten aufgrund der Hypothese, dass die von einzelnen linearen
Spannungsregelungsstufen verbrauchten Ströme vernachlässigbar sind.
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Aus
den obenstehenden Ausdrücken
(I) und (II) ergibt sich, dass die relative Veränderung der Energie, die sich
zwischen der erfindungsgemäßen Anordnung
und dem System nach dem Stand der Technik ausbreitet, Folgendem
entspricht:
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Anhand
dieses Ausdrucks ist zu sehen, dass das erfindungsgemäße System
eine merkliche Reduktion der abgeführten Gesamtenergie ermöglicht,
wenn die Effizienz η des
zentralen Spannungsreglers SMPS größer als VR/VB ist.
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In
der Tat wird mit den obenstehend angegebenen Werten von VR und VB (VR = 7 V und VB =
14 V) eine Reduktion der Energie erzielt, welche mit einem zentralen
Spannungsregler abgeführt
wird, der eine Effizienz von über
50% aufweist.
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Die
obenstehende Beziehung (III) zeigt überdies, dass Vcc umso
geringer ist, je stärker
die abgeführte Energie
abfällt.
Es ist daher zweckmäßig, dass
das mit Hilfe der linearen Regler LR1 ... LRn versorgte, elektronische
System mit relativ niedrigen Versorgungsspannungen, die beispielsweise
3,3 V entsprechen, funktioniert.
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Die
Vorteile, die mit dem erfindungsgemäßen Versorgungssystem erzielt
werden können,
sind daher offensichtlich.
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Der
zentrale Spannungsregler SMPS kann als mehrstufiger Regler ausgebildet
sein, das heißt,
er umfasst beispielsweise eine Mehrzahl paralleler Gleichstrom/Gleichstrom-Umformer, und zwar
solcherart, um angesichts der besonderen Verlässlichkeit, die ein solches
System im Allgemeinen aufweisen muss, eine hohe Redundanz sicherzustellen.
Der zentrale Regler kann zum Durchführen einer diagnostischen Detektion
und einer Signalisierung anomaler Betriebsbedingungen oder -störungen angeordnet
sein.
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Nachstehend
wird unter Bezugnahme auf 3 der angeschlossenen
Zeichnungen eine Ausführungsform
eines zentralen Spannungsreglers beschrieben, welche zur Verwendung
in einem erfindungsgemäßen System
geeignet ist.
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In 3 wird
ein zentraler Spannungsregler SMPS gezeigt, dessen Eingangsklemme 2 direkt
und stabil an der Batterie B angeschlossen ist und dessen Eingangsklemme 3 an
einer Leitung 4 angeschlossen ist, die an der Batterie
B angeschlossen ist und in der ein händisch bedienbarer Schalter 5 zwischengeschaltet
ist, und zwar beispielsweise mittels des Schlüssels 6 zum Kontrollieren
des Zünd-
und Starterschalters des Kraftfahrzeugs.
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Der
zentrale Regler SMPS umfasst einen Gleichstrom/Gleichstrom-Umformer 7,
dessen Eingang durch eine Schutzvorrichtung 8 und den Kontakt 10a eines
Leistungsrelais 10 an der Polklemme 2 angeschlossen
ist. Die Schutzvorrichtung 8 ist beispielsweise ein Varistor
für den Überlastungsschutz.
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Das
Relay 10 umfasst eine Anregungswicklung oder ein Solenoid 10b,
die bzw. das durch eine Schutzdiode 11 zum Schützen vor
einer Polaritätsumkehr
der Batterie B an der Schutzvorrichtung 8 angeschlossen ist.
Eine Steuervorrichtung 12, wie z. B. ein von einem Logik-Schaltkreis 13 gesteuerter
Transistor, ist mit der Wicklung 10b des Relays 10 in
Serie geschaltet.
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Ein
Eingang des Logik-Schaltkreises 13 ist an der Polklemme 3 angeschlossen,
und eine weitere Mehrzahl von Eingängen ist möglicherweise dazu bestimmt,
an den entsprechenden „Stromsperr"-Ausgängen elektronischer
Steuersysteme oder -einheiten, die vom erfindungsgemäßen System
versorgt werden, angeschlossen zu werden.
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Der
Logik-Schaltkreis 13 ist dazu angeordnet, die Steuervorrichtung 12 leitend
zu machen, um zu bewirken, dass in der Wicklung 10b des
Relays 10 Strom fließt,
wenn die von der Batterie B abgegebene Spannung an der Polklemme 3 vorhanden
ist, oder wenn an einem der anderen Eingänge des Stromkreises 13 ein Stromsperrsignal
vorhanden ist, das heißt,
ein Signal, das sogar nach dem Öffnen
des Schalters 5 die Zufuhr von elektrischem Strom benötigt.
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Der
Stromfluss in der Wicklung 10b bewirkt ein Schließen des
Kontakts 10a des Relays 10 und ein Ankoppeln des
Eingangs des Gleichstrom/Gleichstrom-Umformers 7 an der
Batterie B. Der Gleichstrom/Gleichstrom-Umformer 7 ist
zum Liefern einer stabilisierten Gleichstromausgangsspannung VR angeordnet, deren Wert auf Basis der zuvor
erläuterten Überlegungen
im Vorhinein passend festgelegt wird.
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Der
zentrale Spannungsregler SMPS kann weiters einen in 3 mit 14 bezeichneten
Spannungsregler mit niedrigerer Leistung umfassen, der zum Gleichstrom/Gleichstrom-Umformer 7 im
Wesentlichen parallel ist. Der Spannungsregler 14 mit niedrigerer
Leistung ist dazu bestimmt, eine mögliche Versorgung elektronischer
Steuereinheiten zuzulassen, welche ständig versorgt werden müssen und
für die
es nicht zweckmäßig ist,
den Gleichstrom/Gleichstrom-Umformer 7 in ständigem Betrieb
zu halten.
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Wenn
die Ausgänge
des Umformers 7 und des Reglers 14 durch die zwei
Dioden 15 und 16 aneinandergekoppelt sind, wie
in 3 gezeigt, so ist die vom Regler 14 erhältliche
Bereitschaftsspannung VSB etwas geringer
als die regulierte Spannung VR, die während des
Betriebs vom Umformer 7 abgegeben wird.
