ES2218616T3 - Un sistema de fuente de alimentacion para una pluralidad de dispositivos o unidades electronicas a bordo de un vehiculo automovil. - Google Patents

Abstract

EL SISTEMA (1) INCLUYE UNA FUENTE DE TENSION DE CORRIENTE CONTINUA NO ESTABILIZADA (BATERIA B) Y UNA PLURALIDAD DE REGULADORES DE TENSION (LR1...LRN) CON UNA ENTRADA RESPECTIVA CONECTADA A LA FUENTE (B) Y UNA SALIDA RESPECTIVA DISEÑADA PARA SUMINISTRAR UNA TENSION DE CORRIENTE CONTINUA ESTABILIZADA (V{SUB,CC1}...V{SUB,CCN}) DE UN VALOR PREDETERMINADO A UN DISPOSITIVO O UNIDAD ELECTRONICA ASOCIADA (U1...UN). ENTRE LA FUENTE (B) Y LAS ENTRADAS DE LOS REGULADORES DE TENSION (LR1...LRN) SE INTERPONE UN REGULADOR DE TENSION CENTRALIZADO (SMPS) DISPUESTO PARA SUMINISTRAR UNA TENSION DE SALIDA ESTABILIZADA (V{SUB,R}) DE UN VALOR MENOR PERO MAYOR QUE EL VALOR (MAXIMO) DE LAS TENSIONES ESTABILIZADAS (V{SUB,CC1}...V{SUB,CCN}) DISPUESTAS PARA SER SUMINISTRADAS POR LOS REGULADORES DE TENSION (LR1...LRN), QUE ESTAN DIMENSIONADOS DE TAL FORMA QUE SUMINISTREN SUS TENSIONES ESTABILIZADAS RESPECTIVAS CUANDO LAS ENTRADAS RESPECTIVAS RECIBAN LA TENSION ESTABILIZADA DE MENOR VALOR (V{SUB,R}) SUMINISTRADA POR EL REGULADOR DE TENSION CENTRALIZADO (SMPS).

Description

Un sistema de fuente de alimentación para una pluralidad de dispositivos o unidades electrónicas a bordo de un vehículo automóvil.

La presente invención está relacionada con un sistema de fuente de alimentación para una pluralidad de dispositivos y/o unidades electrónicas de la clase definida en el preámbulo de la reivindicación 1.

Los sistemas electrónicos de control y los dispositivos utilizados a bordo de vehículos motorizados se están haciendo cada vez más numerosos.

Esto implica problemas también desde el punto de vista de la alimentación eléctrica de tales sistemas y dispositivos y por la disipación de energía calorífica.

Actualmente, como se divulga por ejemplo en ELEKTRONIK, vol. 38, núm. 4, 17 de febrero 1989, páginas 48-51, 54-56, XP000212715, de Hill y otros, "Mikrocomputer in KFZ-Anwendungen" ("Microordenadores en aplicaciones para vehículos"), para la alimentación de una pluralidad de sistemas o dispositivos electrónicos a bordo de vehículos motorizados, se adoptan disposiciones del tipo ilustrado esquemáticamente en la figura 1 de los dibujos anexos. En los dibujos, U1, U2 y Un indican n unidades electrónicas de control instaladas a bordo de un vehículo motorizado. Cada una de estas unidades está asociada con una respectiva fuente de alimentación estabilizada o regulador de tensión lineal LR1, LR2, ..., LRn. Estos reguladores de tensión lineales tienen unas entradas respectivas conectadas a la batería B montada a bordo del vehículo motorizado.

Es bien sabido que la batería de a bordo es una fuente de tensión de CC no estabilizada.

Los reguladores individuales de tensión LR1, ..., LRn son en general bastante caros porque tienen que resistir altas sobretensiones de entrada y deben ser del tipo de "baja caída" en cuanto que la tensión entregada por la batería puede caer, por ejemplo, hasta los 6V durante el arranque.

El uso de circuitos digitales cada vez más rápidos y complejos ha conducido a un aumento en las corrientes consumidas y por tanto la potencia disipada por las diversas unidades electrónicas de control. Por tanto, los reguladores individuales de tensión LR1, ..., LRn deben estar asociados a menudo con disipadores de calor, con problemas tales como las dimensiones, peso y coste.

En el documento EP-A-0694826 se divulga un sistema de alimentación de la clase inicialmente especificada. Este documento anterior describe un aparato de proceso de la información que comprende una pluralidad de circuitos eléctricos y una respectiva línea de la fuente de alimentación para cada uno de dichos circuitos. Un regulador de conmutación controla la potencia que es suministrada por una fuente de alimentación externa. Las tensiones de dichas líneas de la fuente de alimentación son supervisadas y el mínimo entre ellas es comparado con una tensión de referencia dada. Se proporcionan medios de conexión/desconexión para arrancar o detener la alimentación de la fuente de alimentación como respuesta al resultado de la comparación.

El objeto de la presente invención es proporcionar un sistema de alimentación para una pluralidad de dispositivos o unidades electrónicas adaptadas para el uso a bordo de un vehículo motorizado, lo que hace posible reducir la corriente consumida de la batería, reducir la disipación de calor así como reducir el peso, el volumen y el coste global del sistema.

Este y otros objetos se consiguen de acuerdo con la invención con un sistema de alimentación de acuerdo con la reivindicación 1.

Otras características y ventajas de la invención serán evidentes a partir de la siguiente descripción detallada ofrecida meramente a modo de ejemplo no limitativo, con referencia a los dibujos anexos, en los cuales:

La figura 1, ya descrita, es un diagrama de bloques que ilustra la estructura de un sistema de alimentación de la técnica anterior;

La figura 2 es un diagrama de bloques que muestra la estructura de un sistema de alimentación de acuerdo con la invención; y

La figura 3 es un diagrama que muestra con más detalle un modo de realización de un regulador centralizado de tensión incorporado en un sistema de alimentación de acuerdo con la invención.

Como se observa en la figura 2, en un sistema 1 de alimentación de acuerdo con la invención, entre la batería B y las entradas de los reguladores de tensión individuales LR1, LR2, ..., LRn hay interpuesto un regulador centralizado de tensión de conmutación SMPS dispuesto para proporcionar una tensión de saluda estabilizada V_{R} de valor más bajo, inferior a la tensión V_{B} entregada por la batería B, pero no obstante mayor que el valor (máximo) de las tensiones estabilizadas V_{cc1}, V_{cc2}, ..., V_{ccn} que se pretende que entreguen dichos reguladores de tensión.

Los reguladores de tensión LR1, LR2, ..., LRn en el sistema de acuerdo con la invención, están dimensionados de tal manera que son capaces de entregar sus respectivas tensiones estabilizadas V_{cc1}, V_{cc2}, ..., V_{ccn} cuando sus respectivas entradas reciben la tensión estabilizada de valor reducido V_{R} entregada por el regulador centralizado de tensión
SMPS.

Así, por ejemplo, si la tensión de la batería V_{B} tiene un valor nominal de 14V, y si el valor máximo de las tensiones estabilizadas requeridas por los reguladores LR1, ..., LRn es, por ejemplo, 5V, la salida de tensión estabilizada del regulador centralizado SMPS es igual, por ejemplo, a 7V.

Con el sistema de acuerdo con la invención, todas las funciones de protección (contra la inversión de polaridad de la tensión de la batería, contra sobrecargas de impulsos de tensión, caídas o "agujeros" repentinos de la tensión de la batería, etc.) pueden ser incorporadas en el regulador centralizado de tensión SMPS. Las fuentes de alimentación locales LR1, LR2, ..., LRn pueden ser ahora reguladores de tensión de tipo estándar de tensión de entrada baja y por tanto de bajo coste.

Con una dimensión adecuada del regulador centralizado SMPS, es posible además conseguir una reducción apreciable en la potencia global disipada como calor.

Esto puede ser establecido en base a las siguientes consideraciones.

En las figuras 1 y 2, I_{1}, I_{2}, ..., I_{n} indican las corrientes entregadas por cada regulador lineal LR1, LR2, ..., LRn.

Suponiendo, para simplificar, que las tensiones entregadas por los reguladores lineales individuales son iguales entre sí e iguales a un valor V_{cc}, en el sistema de alimentación de la técnica anterior de la figura 1 la potencia global disipada es igual a:

(I)P_{D1}=(V_{B} - V_{CC}) X \sum\limits^{n}_{k=1} I_{K}

En el caso de sistemas de alimentación de acuerdo con la invención ilustrado en la figura 2, la potencia global disipada es, por otra parte, igual a:

(II)P_{D2}= (V_{B}/ \eta - V_{CC})X \sum\limits^{n}_{k=1} I_{K}

en la cual \eta es la eficiencia del regulador de conmutación SMPS.

Las expresiones anteriores para la potencia disipada son válidas en la hipótesis de que las corrientes consumidas por las etapas lineales individuales de regulación de tensión sean despreciables.

A partir de las expresiones anteriores (I) y (II) resulta que la variación relativa de la potencia disipada entre la disposición de acuerdo con la invención y el sistema de la técnica anterior es igual a:

(III)(P_{D1} - P_{D2})/PD_{D1}=\frac{V_{B} - V_{R}/ \eta }{V_{B} - V_{CC}}

A partir de esta expresión se observa que si la eficiencia \eta del regulador centralizado de tensión SMPS es mayor que V_{R}/V_{B}, el sistema de acuerdo con la invención permite una reducción apreciable en la potencia global disipada.

En efecto, con los valores de V_{R} y V_{B} indicados anteriormente (V_{R}= 7V y V_{B}= 14V) se consigue una reducción en la potencia disipada con un regulador centralizado de tensión que tenga una eficiencia mayor que el 50%.

La relación anterior (III) muestra, además, que la potencia disipada cae más cuanto más baja es V_{cc}. Es conveniente, por tanto, que el sistema electrónico suministrado por medio de los reguladores lineales LR1, ..., LRn funcionen con tensiones relativamente bajas, por ejemplo iguales a 3,3 V.

Las ventajas que pueden conseguirse con el sistema de alimentación de acuerdo con la invención son por tanto evidentes.

El regulador centralizado de tensión SMPS puede estar formado como un regulador de etapas múltiples, es decir, que comprende por ejemplo una pluralidad de convertidores paralelos de CC/CC, de tal manera que asegura una alta redundancia en vista de la fiabilidad particular que, en general, necesita tener tal sistema. El regulador centralizado puede estar dispuesto para realizar la detección de diagnóstico y la señalización de las condiciones o fallos de funcionamiento anómalo.

De aquí en adelante, con referencia a la figura 3 de los dibujos anexos, se describirá un modo de realización de un regulador de tensión centralizado adecuado para ser utilizado en un sistema de acuerdo con la invención.

En la figura 3 se ilustra un regulador centralizado de tensión SMPS con un terminal 2 de entrada conectado directa y establemente a la batería B, y un terminal 3 de entrada conectado a una línea 4 que está conectada a la batería B y en el que está interpuesto un interruptor 5 de funcionamiento manual, por ejemplo por medio de una llave 6 para controlar el interruptor de ignición y arranque del vehículo motorizado.

El regulador centralizado SMPS incluye un convertidor 7 de CC/CC cuya entrada está conectada al terminal 2 a través de un dispositivo 8 de protección y del contacto 10a de un relé 10 de potencia. El dispositivo 8 de protección es, por ejemplo, un varistor para protección de sobrecargas.

El relé 10 comprende un devanado de excitación o solenoide 10b que está conectado al dispositivo 8 de protección a través de diodo 11 de protección para protegerlo contra la inversión de polaridad de la batería B. En serie con el devanado 10b del relé 10, hay dispuesto un dispositivo 12 de control tal como, por ejemplo, un transistor controlado por un circuito lógico 13.

El circuito lógico 13 tiene una entrada conectada al terminal 3 y otra pluralidad de entradas posiblemente destinadas a ser conectadas a las correspondientes salidas de "enclavamiento de potencia" de los sistemas electrónicos de control o unidades suministradas por el sistema de acuerdo con la invención.

El circuito lógico 13 está dispuesto para hacer que el dispositivo 12 de control conduzca para originar que fluya la corriente en el devanado 10b del relé 10 cuando la tensión entregada por la batería B está presente en el terminal 3, o cuando hay presente una señal de enclavamiento de potencia en uno de los demás terminales de entrada del circuito 13, es decir, una señal que requiere la fuente de alimentación eléctrica incluso después de que se haya abierto el interruptor 5.

El flujo de corriente en el devanado 10b origina el cierre del contacto 10a del relé 10 y el acoplamiento de la entrada del convertido 7 de CC/CC con la batería B. El convertidor 7 de CC/CC está dispuesto para proporcionar una tensión continua V_{R} de salida estabilizada cuyo valor está adecuadamente predeterminado en base a las consideraciones previamente explicadas.

El regulador centralizado de tensión SMPS puede incluir también un regulador de tensión de baja potencia, indicado como 14 en la figura 3, sustancialmente en paralelo con el convertidor 7 de CC/CC. El regulador 14 de tensión de baja potencia está destinado a permitir la posible alimentación de las unidades electrónicas de control que necesitan ser alimentadas permanentemente, y para las cuales no es conveniente mantener el convertidor 7 de CC/CC en funcionamiento permanente.

Si las salidas del convertidor 7 y del regulador 14 están acopladas conjuntamente por medio de dos diodos 15 y 16, como se muestra en la figura 3, la tensión V_{SB} de espera que se obtiene del regulador 14 es ligeramente inferior a la tensión regulada V_{R} entregada por el convertidor 7.

Claims (8)

1. Un sistema (1) de alimentación para una pluralidad de dispositivos y/o unidades electrónicas (U1, ..., Un) que incluye una fuente no estabilizada de tensión continua (batería B) y en el cual hay interpuesto entre la fuente (B) y las entradas de dichos dispositivos y/o unidades electrónicas (U1, ..., Un) un regulador centralizado de tensión (SMPS) dispuesto para proporcionar una tensión de salida estabilizada (V_{R}) inferior que la de dicha fuente (B); caracterizado porque se dispone una pluralidad de reguladores de tensión (LR1, ..., LRn), que tienen una respectiva entrada conectada a la salida del regulador centralizado de tensión (SMPS) y dispuesto para suministrar, en una respectiva salida, una tensión continua estabilizada (V_{cc1}, ..., V_{ccn}) de un valor predeterminado a un dispositivo o unidad electrónica asociada (U1, ..., Un); y porque dichos reguladores de tensión (LR1, ..., LRn) están dimensionados de tal manera que entregan sus respectivas tensiones estabilizadas esperadas (V_{cc1}, ..., V_{ccn}) cuando sus respectivas entradas reciben la tensión estabilizada (V_{R}) entregada por el regulador centralizado de tensión (SMPS); siendo (V_{R}) de un valor inferior al de dicha fuente (B) de tensión, pero mayor que el valor (máximo) de las tensiones estabilizadas (V_{cc1}, ..., V_{ccn}).

2. Un sistema de alimentación de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque dicho regulador centralizado de tensión (SMPS) incluye al menos un convertidor (7) de CC/CC.

3. Un sistema de alimentación según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, caracterizado porque dicho regulador centralizado de tensión (SMPS) incluye medios (8) de protección de sobrecarga de tensión y de sobrecarga de corriente.

4. Un sistema de alimentación según la reivindicación 2 o la reivindicación 3, para ser usado en un sistema electrónico, una de cuyas partes puede conectarse a la fuente (B) de tensión tras el cierre de un interruptor de control (5) que funciona manualmente; estando caracterizado el sistema porque dicho regulador centralizado incluye medios (10) de conmutación interpuestos entre la entrada del convertidor (7) de CC/CC y dicha fuente (B) de tensión; estando dichos medios (10) de conmutación acoplados operativamente a dicho interruptor (5) de control de tal manera que conecta el convertidor (7) de CC/CC a dicha fuente (B) cuando dicho interruptor (5) de control está cerrado.

5. Un sistema de alimentación de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado porque dichos medios de conmutación comprenden un relé (10) de potencia.

6. Un sistema de alimentación según la reivindicación 4 o la reivindicación 5, para ser usado particularmente en un vehículo motorizado, en el que al menos una unidad electrónica (U) es capaz de emitir una señal de enclavamiento de potencia para requerir una fuente de alimentación eléctrica aún cuando dicho interruptor (5, 6) de control está abierto, estando caracterizado el sistema porque dichos medios de conmutación incluyen un circuito (13) de control que está conectado al menos a dicha unidad electrónica y funciona originando el acoplamiento del convertidor (7) de CC/CC a la fuente (B) de tensión cuando dicha al menos una unidad (U) proporciona una señal de enclavamiento de potencia.

7. Un sistema de alimentación según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 6, caracterizado porque dicho regulador centralizado de tensión (SMPS) incluye un regulador de tensión (14) de baja potencia sustancialmente en paralelo con dicho convertidor (7) de CC/CC.

8. Un sistema de alimentación según cualquier reivindicación precedente, caracterizado porque dicho regulador centralizado (SMPS) es un regulador de conmutación de múltiples etapas.