БЛОК УПРАВЛЕНИЯ И СПОСОБ ДЛЯ ПРИВЕДЕНИЯ В ДЕЙСТВИЕ СРЕДСТВ БЕЗОПАСНОСТИ ДЛЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
CONTROL DEVICE AND METHOD FOR ACTUATION OF VEHICLE SAFETY MEANS

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к блоку управления и способу для приведения в действие средств безопасности для транспортного средства согласно родовым понятиям соответствующих независимых пунктов формулы изобретения.
Уровень техники
Из публикации DE 102004018261 Al известна система электроснабжения потребителей электроэнергии в транспортном средстве. Через повышающий преобразователь обеспечивается зарядка накопительного конденсатора резервного электроснабжения от автомобильного аккумулятора, подключенного через дроссельную катушку. Во избежание перегрева значение тока поддерживается в фазе зарядки сначала постоянным, что со временем приводит к нагреву токоограничивающего элемента. При превышении температурой заданного порога значение тока ступенчато снижается, что позволяет стабилизировать температуру на определенном значении.
Предлагаемые в изобретении блок управления и способ для приведения в действие средств безопасности для транспортного средства имеют по сравнению с уровнем техники то преимущество, что при более высокой тепловой нагрузке путем воздействия на времена нарастания и спада выходного сигнала по меньшей мере одного ключевого преобразователя достигается уменьшение электромагнитного излучения этим ключевым преобразователем. Соответственно, изобретение позволяет достичь так называемого баланса между тепловой нагрузкой и излучением. Таким образом, улучшается электромагнитная совместимость предлагаемого в изобретении блока управления. Это может особенно благоприятно сказаться в диапазонах работы       радиоприемников в транспортных средствах, уменьшив помехи радиоприему, обусловленные излучением от таких ключевых преобразователей. К таким радиодиапазонам относится, например, УКВ-диапазон от 87,5 до 108 МГц. Применение предлагаемых в изобретении блока управления и способа позволяет избежать дополнительных затрат, возникающих как следствие мер  статического помехоподавления, например применения так называемых демпфирующих схем и т.п. Кроме того, еще одним недостатком применения мер статического помехоподавления было бы ухудшение общего к.п.д. ключевого преобразователя.
Блоком управления в контексте изобретения является электрический    прибор, который в зависимости от сигналов датчиков приводит в действие средства безопасности, такие как надувные подушки безопасности, преднатяжители ремней безопасности, но и активные средства безопасности, такие как система регулирования динамики движения или тормоза. При этом "приведение в действие" означает активизацию таких средств безопасности.
Под ключевым (импульсным) преобразователем следует понимать преобразователь, который с использованием индуктивностей, таких как дроссели или трансформаторы, преобразует входное напряжение до более высокого или низкого уровня напряжения с низкими потерями, в частности потерями на ключевых элементах, а также омическими сопротивлениями катушки и т.д. Сглаживание выходного напряжения обеспечивается, как правило, конденсаторами (электролитическими конденсаторами), а также для более высоких частотных составляющих - практически не имеющими потерь керамическими конденсаторами. Этот ключевой преобразователь расположен на интегральной схеме, например на системном модуле, реализующем множество функций блока управления надувными подушками безопасности. Ключевой преобразователь также может быть выполнен для очень малых мощностей чисто емкостным с низким к.п.д. (генератор подкачки заряда).
Блок управления содержит схему воздействия, которая может быть реализована на аппаратном и/или программном уровне (аппаратными и/или программными средствами). Эта схема воздействия обеспечивает в ключевом       преобразователе изменение времен нарастания или спада по меньшей мере одного выходного сигнала преобразователя в зависимости от тепловой нагрузки ключевого преобразователя, чтобы при необходимости находить баланс между тепловой нагрузкой и излучением. В зависимых пунктах формулы изобретения приведены конкретные варианты реализации такой схемы воздействия.   Возможные варианты физического параметра в интегральной схеме определены в зависимых пунктах формулы изобретения. Вместе с тем, возможны и другие варианты.
Под тепловой нагрузкой интегральной схемы подразумевается, например, температура на интегральной схеме. Временами нарастания или спада по меньшей мере одного выходного сигнала являются времена, необходимые для повышения уровня сигнала с низкого значения до требуемого высокого значения и наоборот, для понижения уровня сигнала с высокого значения до требуемого низкого значения. Эти времена нарастания или спада определяют, насколько сильна тепловая нагрузка        или излучение электромагнитных полей. Чем короче эти времена нарастания и/или спада, тем меньше тепловая нагрузка и тем выше частота излучения, и наоборот. В соответствии с изобретением при превышении тепловой нагрузкой предельной нагрузки выбирают более короткие времена нарастания и/или спада. Целесообразно, чтобы схема воздействия была расположена, по меньшей мере частично, на интегральной схеме. Если схема воздействия, которая оценивает тепловую нагрузку, расположена полностью на интегральной схеме, то предлагаемый в изобретении способ может полностью выполняться на интегральной схеме. Вместе с тем, некоторые части схемы воздействия могут быть расположены вне этой интегральной схемы, а именно в других компонентах блока управления, например, процессора, предпочтительно микроконтроллера, причем в этом случае, например, микроконтроллер измеряет физические параметры, определяющие тепловую нагрузку интегральной схемы, и на этой основе определяет изменение времен нарастания и времен спада, чтобы достичь оптимума для тепловой нагрузки и характеристики излучения интегральной схемы. По меньшей мере один ключевой преобразователь содержит по меньшей мере один переключательный (ключевой) транзистор, управляемый двухтактным драйвером затвора. Двухтактный драйвер затвора содержит первый регулируемый источник тока для времени спада и второй регулируемый источник тока для времени нарастания напряжения. Эти регулируемые источники тока могут быть выполнены адаптивными, т.е. с возможностью непрерывного управления ими или их регулирования. Вместе с тем, с этой целью может использоваться и набор активных (управляющих) транзисторов в чистом виде (полевые МОП-транзисторы, квантование). Физическими параметрами могут быть входное напряжение на по меньшей мере одном ключевом преобразователе и/или ток ключевого преобразователя и/или температура интегральной схемы. Физический параметр используется для определения тепловой нагрузки интегральной схемы. Для повышающего преобразователя (обратный преобразователь) получается, что при высоком входном напряжении тепловая нагрузка ниже, чем при более низком входном напряжении. Ток ключевого преобразователя своим уровнем определяет тепловую нагрузку, а температура отражает ее напрямую. То, что при малых входных напряжениях тепловая нагрузка высока, связано с низким к.п.д. ключевого преобразователя при столь малых входных напряжениях. При данной нагрузке на выходе это по существу является следствием возрастающего входного тока при уменьшающемся входном напряжении, обусловленных более высокими омическими потерями в катушке ключевого преобразователя и переключательных транзисторах. Для более высоких входных напряжений ввиду уменьшающегося входного тока преобразователя и снижающихся по этой причине потерь в катушке и переключательных транзисторах повышается к.п.д. и понижается температура интегральной схемы. Если входное напряжение преобразователя удваивается, например с 5 до 10 В, то к.п.д. увеличивается примерно до 90% при более чем наполовину уменьшенных входных токах преобразователя. Поскольку блок управления рассчитан по тепловой нагрузке на работу в наихудшем случае, при тепловой нагрузке, соответственно меньшей, чем ожидаемая, изобретение позволяет сознательно пойти на повышение тепловой нагрузки, чтобы таким образом за счет к.п.д. уменьшить излучение от по меньшей мере одного ключевого преобразователя. Для пользователей таких ключевых преобразователей это решение представляет собой оптимум.
Краткое описание чертежей
Ниже рассматриваются варианты осуществления изобретения, поясняемые чертежами, на которых показано:
на фиг.1 - блок-схема предлагаемого в изобретении блока управления,
на фиг.2 - блок-схема системного модуля как интегральной схемы,
на фиг.3 - диаграмма изменения тока по времени,
на фиг.4 - еще одна блок-схема с подключенными компонентами системного модуля как интегральной схемы и
на фиг.5 - блок-схема осуществления предлагаемого в изобретении способа.
Осуществление изобретения
На фиг.1 показана блок-схема предлагаемого в изобретении блока управления SG, на которой изображены только существенные для изобретения компоненты, а другие компоненты, которые необходимы для работы блока управления, но для понимания изобретения не являются обязательными, на схеме не показаны. Блок управления SG имеет корпус, например из металла и/или пластмассы, и в качестве существенных компонентов включает в себя микроконтроллер µС и системный модуль SA, выполненный в виде интегральной схемы. Возможен также вариант, в котором имеется несколько таких системных модулей SA. Системный модуль SA объединяет в себе многие функции блока управления. К этим функциям относятся электроснабжение, сопряжение с внешними датчиками, функция электрически управляемых силовых выключателей для схемы воспламенения, а также, например, функция контроллера безопасности для параллельного с микроконтроллером анализа сигналов датчиков, обеспечивающая независимый аппаратный тракт обработки сигналов, поступающих от датчиков. Микроконтроллер μС и системный модуль SA связаны друг с другом для обмена данными, например, так называемой SPI-шиной (шина последовательного периферийного интерфейса). Системный модуль также имеет, например, функции "сторожевой" схемы (схемы безопасности), обеспечивающей контроль микроконтроллера µC.
bat
bat
К системному модулю SA подключены линия напряжения U аккумуляторной батареи и датчики US переключения (срабатывающие, например, в аварийной ситуации). Системный модуль SA обеспечивает питание блока управления SG от напряжения U аккумуляторной батареи, преобразуя это напряжение в требуемые для блока управления уровни напряжения. Для этого используются ключевые преобразователи. Кроме того, системный модуль обеспечивает зарядку не показанного на схеме резервного источника энергии, обычно одного или нескольких электролитических конденсаторов, до их номинального напряжения. В том числе для того ключевой преобразователь используется в сочетании с так называемым предзарядным устройством. Посредством интегрированной в системный модуль SA схемы воспламенения обеспечивается подача тока на изображенный в качестве примера воспламенитель ZE, например воспламенитель для надувной подушки безопасности, и, соответственно, его воспламенение. Обычно к системному модулю SA подключено много цепей воспламенения, а не одна лишь цепь, как показано на схеме в упрощенном представлении.
Температура системного модуля SA является при данной нагрузке индикатором его к.п.д. Далее, быстрые переключения, т.е. малые времена переключения, в преобразовательной части системного модуля SA могут приводить к прямому излучению преобразователем электромагнитных полей, а также, за счет паразитной связи (например, обусловленной неизбежными взаимодействиями через подложку) блока ключевых преобразователей с другими схемными блоками - могут вызывать излучение, обусловленное присоединением этих схемных блоков системного модуля SA к кабельному стволу, например цепям воспламенения и включения датчиков, с соответствующим действием кабелей в качестве антенн. В соответствии с изобретением текущая тепловая нагрузка системного модуля SA определяется схемой воздействия, и путем сравнения текущей тепловой нагрузки с максимальной тепловой нагрузкой устанавливается, насколько текущую тепловую нагрузку можно еще увеличить, чтобы за счет этого улучшить качества системного модуля SA в отношении излучения электромагнитных полей. Такое влияние осуществляется через воздействие на времена нарастания и спада переключательного транзистора или переключательных транзисторов ключевого преобразователя.
Для пояснения средств такого воздействия на фиг.2 приведена упрощенная блок-схема системного модуля SA. В схему β воздействия поступают напряжение VZP, приложенное к ключевому преобразователю и выведенное из напряжения аккумуляторной батареи, сигналы тока I ключевого преобразователя и температуры Т интегральной схемы. Схемой Р воздействия для определения тепловой нагрузки может использоваться только одна или две из этих величин. Кроме того, отдельные части этой задачи или всю задачу полностью выполняет микроконтроллер µС, который для этого связан со схемой β воздействия и таким образом образует часть этой схемы воздействия.
Если схемой β воздействия установлено, что тепловая нагрузка системного модуля SA как интегральной схемы относительно максимальной тепловой нагрузки такова, что имеется запас тепловой нагрузки, схема воздействия может выдать в ключевой преобразователь SW управляющее воздействие на повышение текущей тепловой нагрузки в пользу уменьшения излучения электромагнитных полей, а значит, улучшения качеств ЭМС. Это обеспечивается воздействием на времена нарастания и спада фронтов сигналов переключательных транзисторов в ключевом преобразователе.
an
ab
На фиг.3 приведена зависимость изменения тока по времени для импульса тока, вызываемого переключательным транзистором ключевого преобразователя и проходящего через него. Импульс тока имеет время нарастания t и время спада t. Длительность этих времен в значительной мере определяет тепловую нагрузку, а также характеристику излучения ключевого преобразователя. Чем короче эти времена, тем меньше тепловая нагрузка и тем выше частота излучения и интенсивность прямого излучения и его ввода в структуры, эффективность которых в отношении ввода в них излучения возрастает с увеличением частоты (емкостные связи, например, подложки специализированной интегральной схемы, и т.д.). И наоборот, при длительных временах нарастания и спада излучение уменьшается, но зато повышается тепловая нагрузка. Оптимум определяется в соответствии с изобретением.
На фиг.4 показана блок-схема предлагаемого в изобретении системного модуля как интегральной схемы с подключенными компонентами в части, касающейся ключевого преобразователя. В соответствии с изобретением системный модуль SA содержит предзарядное устройство PC, заряжающее резервный источник энергии примерно до уровня напряжения VZP аккумуляторной батареи. При этом предзарядное устройство PC работает как источник тока. После зарядки до напряжения аккумуляторной батареи оно работает как переключатель с заданным сопротивлением Rdson в прямом направлении, т.е. транзистор Т3 предзарядного устройства PC всегда включен на прохождение тока. Предзарядное устройство PC имеет при этом демпферный (гасящий) резистор RS3, используемый в качестве шунтирующего сопротивления. Устройство 40 управления предзарядным устройством PC управляет транзистором Т3 в зависимости от напряжения VER, измеряемого на выводах резервного источника энергии ER. В режиме зарядки предзарядное устройство PC посредством своего устройства 40 управления отключает ключевой преобразователь SW. Когда зарядка завершилась, ключевой преобразователь разблокируется предзарядным устройством PC и его устройством 40 управления.
Устройство 40 управления предзарядным устройством имеет для обработки входных сигналов, таких как напряжение VER схемы (цепи) обработки сигналов или соответствующее программное обеспечение, причем схемы обработки сигналов могут быть выполнены аналоговыми и/или цифровыми. Для управления транзистором Т3 и для других сигнальных выходов имеются соответствующие драйверные (задающие) схемы. Аналогичные конфигурации используются для всех схем управления.
Устройство 40 управления управляет транзистором ТЗ посредством тока I3_CTL, а на шунтирующем сопротивлении RS3 измеряется ток I3_S, чтобы при необходимости отрегулировать ток 13. Линия VZP напряжения аккумуляторной батареи защищена от переполюсовки диодом D2, причем напряжение UB аккумуляторной батареи выведено на массу через варистор VI, предусмотренный для защиты от перенапряжения.
Предзарядное устройство PC подключено транзистором Т3 через выход VPC/L1L к индуктивности L1 ключевого преобразователя SW, в результате чего зарядный ток 13 предзарядного устройства PC проходит через эту индуктивность L1, вход L1H на системном модуле SA, еще один диод D1 на резервный источник энергии ER. Это ток является током ключевого преобразователя.
В рассматриваемом примере напряжение VER резервного источника энергии также поступает в качестве входного параметра в устройство 41 управления ключевым преобразователем. Повышающий ключевой преобразователь SW в данном случае выполнен в виде преобразователя с фиксированной частотой. Частота выводится из генератора 41; ШИМ (регулятор с широтно-импульсной модуляцией) определяет моменты переключения транзистора Т2 повышающего преобразователя. Для управления транзистором Т2 повышающего преобразователя предусмотрен двухтактный драйвер затвора GTf, GTr, состоящий из двух регулируемых источников тока. Ток, отвечающий за спадающий фронт напряжения на входе L1H, обозначен как GTf и имеет регулируемый уровень тока If. Ток, отвечающий за нарастающий фронт напряжения на входе L1H, обозначен как Gtr и имеет регулируемый уровень тока Ir.
Транзистор через шунтирующее сопротивление RS2 подключен к массе, через диод D1 - к резервному источнику энергии ER, а через вход L1H - к индуктивности L1. Ток 12 течет на массу и служит для зарядки индуктивности L1.
Источник тока GTf включен между потенциалом VTr и затвором транзистора Т2, а источник тока GTr - между затвором и массой. Управление источниками тока GTf и GTr осуществляется с помощью сигнала T2_CTL устройством 41 управления. Напряжение VTr является внутренним напряжением системной специализированной интегральной схемы (в данном случае оно предпочтительно составляет 3,3 В) и при запуске систем формируется непосредственно из питающего напряжения VZP в специализированной интегральной схеме, например путем простой стабилизации стабилитронами (диодами Зенера), а при работе систем в режиме полной производительности - из аналогового и цифрового напряжения, формируемого другими регуляторами из напряжения резервного источника энергии и/или напряжения VZP.
При выборе высокого тока If напряжение на затворе транзистора Т2, например полевого МОП-транзистора, быстро растет и скорость переключения транзистора Т2 увеличивается. Напряжение на входе L1H быстро уменьшается, поскольку при спадающем фронте на входе L1H имеет место высокое отношение - dU (разность напряжений) к dt.
При выборе высокого тока Ir напряжение на затворе транзистора Т2 быстро уменьшается, а скорость переключения транзистора Т2 увеличивается. Напряжение на входе L1H быстро возрастает, т.е. на входе L1H нарастающего фронта имеет место высокое отношение dU к dt.
Ниже рассматривается предпочтительный вариант предлагаемого в изобретении решения, представленный на фиг.4:
Установка токов If и Ir осуществляется сигналами If_set и Ir_set соответственно. Схемный блок 42 обеспечивает адаптивное управление скоростью переключения транзистора Т2 повышающего преобразователя. Эффективная адаптация может осуществляться уже одним лишь измерением входного напряжения VZP преобразователя. Высокие входные напряжения VZP преобразователя влекут за собой малые значения токов If и Ir, чтобы на входе L1H не возникали слишком резкие фронты напряжений, которые могут вызывать вредное излучение электромагнитных полей. Это излучение происходит, в особенности в таких системных специализированных интегральных схемах SA, за счет паразитной связи (например, обусловленной неизбежным взаимодействием через подложку) блока ключевых преобразователей с другими схемными блоками, которые ввиду их прямого присоединения к кабельному стволу, в частности к цепям воспламенения и подключения датчиков, получают настоящие антенны. Более низкие входные напряжения VZP преобразователя влекут за собой более высокие значения токов If и Ir, чтобы возрастающая тепловая нагрузка системного модуля SA смягчалась в направлении уменьшения входных напряжений VZP.
Дополнительно или в качестве альтернативы, адаптация может осуществляться посредством регистрируемого тока 13 преобразователя. Высокий ток преобразователя влечет за собой высокий ток If и Ir, чтобы противодействовать дальнейшему нагреву интегральной схемы. Таким образом, в этом случае обеспечивается быстрое переключение транзистора Т2 с уменьшенными потерями.
Особенно эффективным дополнением адаптации напряжения по VZP как самостоятельной меры является оценка температуры интегральной схемы SA. В отличие от управления по входному напряжению VZP, определяемого одной лишь зависимостью к.п.д. повышающего преобразователя от напряжения VZP, оценка температуры позволяет учитывать нагрев, вызываемый другими блоками интегральной схемы. Если этот дополнительный нагрев от других схемных блоков не является наихудшим случаем, как это полагается при управлении чисто по входному напряжению ключевого преобразователя, то, за небольшими исключениями, можно избежать излучения ключевым преобразователем электромагнитных полей, а значит создания им помех радиоприему и радиопередаче или работе других аналогичных устройств, практически в диапазоне промилле (миллионных долей), без использования внешних фильтров, которые являются статическими, увеличивают стоимость оборудования и изначально ухудшают качество преобразователя.
Адаптивное управление скоростью переключения транзистора Т2 повышающего преобразователя также может осуществляться посредством цифровых сигналов (цифровыми средствами) микроконтроллером µС через управляющий блок 43. Возможен также вариант, в котором микроконтроллер сам, например, посредством аналого-цифрового преобразователя, измеряет входное напряжение VZP и в зависимости от этого воздействует на ключевой преобразователь, а соответственно, на времена нарастания и спада.
граничн
граничн
граничн
граничн
Температура интегральной схемы на схеме обозначена как Tj. При осуществлении функции управления микроконтроллером в простейшем случае речь идет о проверке соотношения значений с пороговыми значениями, причем если, например VZP; или UB<UВ, выдается команда на увеличение токов If и Ir. Если же VZP>VZP, или UB>UB, то токи остаются с заданным значением. Для нарастающих и спадающих фронтов можно предусмотреть различные (пороговые) значения. Как показано выше, предлагаемый в изобретении способ может применяться и в случае понижающих преобразователей. Эти преобразователи содержит переключательный транзистор, включенный в продольной ветви последовательно с катушкой. Этот способ также можно использовать применительно к синхронным повышающим и понижающим преобразователям. В этих преобразователях безынерционный диод, например диод D1 на фиг.4, заменен синхронно включенным транзистором Т1. В этом случае оба транзистора могут управляться соответствующим образом для адаптации скорости переключения.
На фиг.5 в виде блок-схемы представлено осуществление предлагаемого в изобретении способа. На шаге 500 регистрируют физический параметр интегральной схемы. К таким физическим параметрам относятся входное напряжение VZP, ток ключевого преобразователя, а также температура интегральной схемы. Эту температуру можно определять соответствующим температурным датчиком на интегральной схеме, например посредством температурной зависимости диодов при стабилизированном токе, температурно-зависимых сопротивлений и т.д.
На основании, по меньшей мере, одного из этих параметров схема 42, 43 воздействия определяет тепловую нагрузку. Определенную таким образом тепловую нагрузку на шаге 502 сравнивают с предельной нагрузкой, причем, если предельная нагрузка оказалась выше текущей тепловой нагрузки, которая была определена, то на шаге 503 путем воздействия на времена нарастания и спада можно уменьшить излучение (электромагнитных полей). Если же это не так (предельная нагрузка не выше текущей тепловой нагрузки), то на шаге 504 проверяется, можно ли тепловую нагрузку понизить, выбрав более крутые фронты. Это может происходить в случае, если уровень излучения еще не слишком высок. Тепловую нагрузку снижают на шаге 505. Если же и это не так (уровень излучения слишком высок), то на шаге 506 предлагаемый в изобретении способ завершается.