专利名称：用于给电路单元提供电能的方法和执行此方法的供电装置的制作方法
技术领域：
一般性地，本发明涉及用于将电能输送到以一种可变的或者一种固定的工作电压和一种规定的工作电流运行的电路单元的供电装置。本发明特别涉及一种供电装置和一种供电方法，其中，输送给待供电的电路单元的工作电压在控制器中出现的损耗功率方面实现最佳化。
具体来讲，本发明涉及一种通过给至少一个待供电的电路单元提供工作电压和工作电流、从而给至少一个待供电的电路单元提供电能的装置，其中，该供电装置具有一个用于控制至少一个待供电的电路单元的控制单元、一个通过给控制单元提供供电电压和供电电流从而给控制单元提供电能的供电单元、以及至少一个使至少一个待供电的电路单元与该控制单元进行电连接的电连接单元。
背景技术：
特别是在汽车电子设备中将传感器用作待供电的电路单元，它通过控制器或者控制单元进行控制。其中可以同控制器分开地、因此同控制单元无关地为待供电的电路单元或者传感器单元提供电能(情况(a))。
此外也可以直接通过控制单元(控制器)给待供电的电路单元或者传感器单元提供电能(情况(b))。
本发明涉及上述情况(b)。其中，由控制单元给作为待供电的电路单元的传感器单元提供通常为经过调节的工作电压，该工作电压是借助一个辅助电路或者借助一个电压调节器从控制单元的一个供电单元得到的。给控制单元提供电能的供电单元可以设计成一个电网电源、一个汽车蓄电池，或者设计成其它的能源，例如太阳能发电机。由这样的供电单元提供的供电电压的缺点是它可在大的范围变化。随之产生的问题是，当待供电的电路单元为恒定工作电压时，差动电压、也就是由供电单元提供的供电电压和工作电压之间的电压差定义了一个损耗功率，这个损耗功率是当待供电的电路单元的工作电流一定时从差动电压和工作电流的乘积中产生的。
若供电单元的供电电压发生变化，其结果是在控制单元中转化的损耗功率发生变化，这是不利的。若由于某些原因，例如由于汽车蓄电池的充电过程使得供电电压提高了、从而提高了电压差，那么这是特别不利的，因为这也提高了在控制单元中转化的损耗功率。
由于成本原因，汽车电子设备中的控制单元设置在塑料壳体中，其中，这类塑料壳体具有高的热阻，它只能有限地将由损耗功率引起的损耗热释放到外界中。技术人员知道，可从外部温度、损耗功率和壳体的热阻的数值计算出控制单元的内部温度。在此只需要指出的是，内部温度与外部温度和损耗功率的乘积成正比地增高，与壳体的热阻成反比地降低。
此外技术人员知道，关于控制单元的电子设备的使用寿命通常表现为，控制单元的内部温度减少3℃就意味着控制单元的电子设备的使用寿命典型地延长2倍。
在现有技术中，例如通过提供扩大的壳体或者提供具有较小热阻的已变化的壳体材料，来解决在用于待供电的电路单元的控制单元中由于高的损耗功率所引起的问题。例如可以采用具有通风孔的金属壳体。这种做法的主要缺点在于，这种金属壳体和具有较高热阻的塑料壳体相比，在成本和重量方面是不合适的。为了对由于损耗功率所产生的温度的提高进行限制而采用具有通风孔的壳体具有下述缺点，即控制单元的电子元件易于弄脏。此外，由于带通风孔的壳体还会产生形成湿气或者使电子元件形成水珠方面的问题。这会减少控制单元的使用寿命，是不利的。
此外还曾建议使用开关调节器。该开关调节器作为降压转换器比模拟调节器产生少得多的损耗。然而不利的是，通过这一措施提高了整个电路装置的成本。此外还没有电磁兼容性(EMV)，或者需要采取很大的EMA保护措施，这都是不利的。
在待供电的电路单元的使用方面，特别是给传感器单元供电方面，现有技术曾试图直接由汽车车载电路给待供电的电路单元供电。这样做法的缺陷是，要求在每个单个的传感器中都有整个ESD/EMV保护。其中在电路技术上必须考虑汽车车载电路对传感器的整个干扰或者反作用。这不利地导致增加费用，并因此提高成本。
发明内容
因此本发明的任务是提供一种通过一个控制单元给待供电的电路单元提供电能的装置和方法，其中，减小在控制单元中必然转化的损耗功率。
根据本发明，这个任务通过一种具有权利要求1特征的装置得以完成。
此外，这个任务还通过一种在权利要求5中所述方法得以完成。
在从属权利要求中给出本发明的其它设计方案。
本发明的基本构思是，对由供电单元给控制单元提供的供电电压进行检测或者监控，以便借助一个转换单元对提供给待供电的电路单元的工作电压相应地适配，使得损耗功率减小。本发明的核心构思是，提供一个用于检测由供电单元提供的供电电压的检测单元，然后借助至少一个转换单元根据所检测的供电电压将输送给待供电的电路单元的工作电压从一个第一工作电压电平转换到至少一个第二工作电压电平。因此本发明的一个主要优点是，通过下述措施可以减少由于在控制单元中转化的损耗功率所产生的温度的提高，即减小由供电单元提供的供电电压和提供给待供电的电路单元工作电压之间的电压差。
根据本发明的一个一般性的方面，用于通过给至少一个待供电的电路单元提供工作电压和工作电流、从而给至少一个待供电的电路单元提供电能的装置主要具有如下部件a)一用于控制至少一个待供电的电路单元的控制单元；b)一通过给控制单元提供供电电压和供电电流从而给控制单元提供电能的供电单元；c)至少一个将至少一个待供电的电路单元同控制单元进行电连接的电连接单元，此外还有一用于检测由供电单元提供的供电电压的检测单元，和至少一个根据检测的供电电压将提供给至少一个电路单元的工作电压从一个第一工作电压电平转换到至少一个第二工作电压电平的转换单元。
此外，根据本发明的用于通过给至少一个待供电的电路单元提供工作电压和工作电流、从而给至少一个待供电的电路单元提供电能的方法主要具有如下步骤a)借助一个供电单元通过给控制单元提供供电电压和供电电流从而给控制单元提供电能；b)借助控制单元对至少一个待供电的电路单元进行控制，其中，通过至少一个电连接单元将至少一个待供电的电路单元同控制单元进行电连接；c)借助一检测单元对由供电单元提供的供电电压进行检测；d)借助至少一个转换单元、根据所检测的供电电压、将提供给至少一个待供电的电路单元的至少一个工作电压从一个第一工作电压电平转换到至少一个第二工作电压电平。
从属权利要求给出本发明相应主题的有利改进方案和改善方案。
根据本发明的一个优选改进方案，将所述的至少一个待供电的电路单元设计为传感器单元。特别是在汽车电子设备中，给这种类型的传感器单元提供不同的工作电压是有利的，从而减小在用于传感器单元的控制器中的损耗功率。
根据本发明的另一优选改进方案，将通过给供电单元提供供电电压和供电电流从而给控制单元提供电能的供电装置设计成汽车蓄电池。此外，将供电单元设计成电网电源、太阳能发电机等也是有利的。
根据本发明的另一优选改进方案，通过一微处理器提供所述的至少一个用于将提供给至少一个待供电的电路单元的至少一个工作电压从一个第一工作电压电平转换到至少一个第二工作电压电平的转换单元。
根据本发明的另一优选改进方案，借助转换单元将至少一个提供给至少一个待供电的电路单元的工作电压在至少两个工作电压电平之间转换。
根据本发明的另一优选改进方案，将至少一个提供给至少一个待供电的电路单元的工作电压借助转换单元通过一个渐近函数曲线(asymptotischer Funktionsverlauf)从第一工作电压电平改变到至少一个第二工作电压电平。此外也是有利的是，将至少一个提供给至少一个待供电的电路单元的工作电压借助转换单元通过一个渐近函数曲线从至少一个第二工作电压电平改变到第一工作电压电平。
其中，将渐近函数曲线设计成一种指数函数是合适的。
根据本发明的另一优选方案，通过检测单元借助一种检测滞后(Erfassungshysterese)对从供电单元提供给控制单元电能的供电电压进行检测。
通过这种方式，根据本发明的装置和方法使得在给待供电的电路单元提供工作电压和工作电流的控制单元中减少损耗功率成为可能。
实施例在附图中示出，在下述说明中对这些实施例进行更详细的说明。
这些附图是图1用于给至少一个待供电的电路单元提供电能的根据本发明的装置的方框图，所述供电通过给至少一个待供电的电路单元提供工作电压和工作电流来实现；图2(a)由供电单元提供的供电电压与时间的关系曲线图；图2(b)提供给至少一个待供电的电路单元的工作电压的、与图2(a)相对应的时间曲线图。
在这些附图中，相同的附图标记表示相同的或者功能相同的部件或者步骤。
具体实施例方式
图1表示一个用于给至少一个待供电的电路单元101a-101n提供电能的供电装置的方框图。需指出的是，可按照一个控制单元100的设计，为任意数量n(n＝1，......)的待供电的电路单元提供电能。控制单元100(或者控制器)例如是汽车电气设备中的中心单元。
本发明的基本原理在于，如此地将在控制单元100中出现的损耗功率降低到一个水平，即避免以焦耳热的形式过分地加热控制单元100。其中重要的是，要认识到损耗功率是通过施加到控制单元100上的供电电压104和分配给各待供电的电路单元101a-101n的相应的工作电压106a-106n之间的供电电压差乘以相应的待供电的电路单元101a-101n的相应的工作电流107a-107n形成的。
不限制普遍适用性地将电压、例如供电电压104和各工作电压106a-106n都接地线103。例如可以设计为电网电源、太阳能发电机或者汽车蓄电池的供电单元102给控制单元100提供的是一种基本不恒定的供电电压104。为了执行根据本发明的方法，控制单元100包含一个用于检测由供电单元102提供的供电电压104的检测单元109。虽然在图1中未示出，但还是应指出的是，无论是检测单元109还是用于转换至少一个工作电压106a-106n的至少一个转换单元108a-108n也可设置在控制器100的外部。
所述至少一个转换单元108a-108n用于根据检测的供电电压104将提供给至少一个待供电的电路单元101a-101n的至少一个工作电压106a-106n从一个第一工作电压电平203转换到至少一个第二工作电压电平204。
下面参考图2说明用于执行这种转换的方法。需要指出的是，既可给每个待供电的电路单元101a-101n分配一个相应的转换单元108a-108n，也可将一个转换单元108a用于所有已连接的电路单元101a-101n。其中，这些电路单元101a-101n可以单个地或者成组地分配给相应的转换单元，其中，转换单元108a-108n的数量可以小于电路单元101a-101n的数量。各待供电的电路单元101a-101n通过相应的电连接单元110a-110n与控制单元100或者相应的设置在控制单元100中的转换单元108a-108n连接。这样将相应的工作电压106a-106n输送到相应的待供电的电路单元101a-101n中，此外，这些工作电压可以互不相同。
图2(a)和2(b)用于说明根据本发明的给至少一个待供电的电路单元101a-101n提供电能的方法，其中，根据所检测的供电电压104将提供给至少一个待供电的电路单元101a-101n的至少一个工作电压106a-106n从一个第一工作电压电平203转换到至少一个第二工作电压电平204(参见图2(b))。
如图2(a)所示，由供电单元102提供的供电电压104在很大范围内变化。当汽车蓄电池充电时，或者当对汽车蓄电池存在不同的载荷状态时，汽车电子设备中就是这种情况。例如供电电压104-它在图2(a)中用Uv表示，并且作为时间201t的函数画出-具有一个8.5V的起始值(t＝0)。由于充电过程，电压从8.5V上升到接近16V的数值，该数值用上虚线示出并称为Uv3。
设置在控制单元100中的检测装置109(参见有关图1及上面的说明)检测变化的供电电压104，其中，用检测滞后202规定开关阈Uv2(图2(a)中的中间虚线)。根据本发明，当高于或者低于通过检测滞后202规定的开关阈时，转换一个相应的待供电的电路单元101a-101n的工作电压106a-106n。需指出的是，在图2(b)所示曲线图中仅示出一个相应待供电的电路单元101a的一个工作电压106a的一个曲线。此外图2(b)还示出为工作电压106a(Us)规定了两个工作电压电平，也就是一个第一工作电压电平203(US1)和一个第二工作电压电平204(US2)。这样，根据本发明产生这样一种可能性，即当供电电压104超过由检测滞后202所规定的阈电平时，相应的转换单元108a将工作电压106a从第一工作电压电平203转换到至少一个第二工作电压电平204。这就是说，工作电压106a从第一工作电压电平203(图2(b)中的实线)转换到第二工作电压电平(图2(b)中的虚线)。
下面详细说明用于给至少一个待供电的电路单元101a-101n提供电能的根据本发明的方法，其中，给至少一个待供电的电路单元101a-101n提供一可变的工作电压106a-106n和一工作电流107a-107n。当供电电压104位于UV1和UV2最大之间的区域时根据下述方程式(1)UV1＜UV＜UV2最大→US＝US1(1)首先将工作电压106a(下面借助一个待供电的电路单元101a对根据本发明的方法进行说明)调节到一个数值US1。
如果供电电压104、即Uv增加，那么工作电压106a、即US调节到至少一个第二工作电压电平204、即US2。对于如下情况，如下面参考方程式(2)说明的，即当供电电压104位于UV2最大和UV3之间的范围内时，工作电压106得到数值US2。
UV2最大＜UV＜UV3→US＝US2(2)下述关系式3)US1＜US2(3)适用于第一工作电压电平203(US1)和至少一个第二工作电压电平204(US2)之间的关系。
下面借助一个具体的数字实施例并参照下面方程式(4)至(13)对用于给至少一个待供用的电路单元101a-101n提供电能的根据本发明的方法进行详细的说明。
在该实施例中设计为传感器单元的待供电的电路单元101a根据方程式(4)以工作电压106a运行。
US＝8.5V (4)借助这个电压在传感器单元中一方面产生一个发射电流，另一方面给一个用于分析信号的逻辑电路供电。为了给传感器单元的逻辑电路单元供电，将该工作电压US重新单独地进行调节。用于传感器单元的允许电压范围例如在通过下述关系式(5)定义的范围之中8V＜US＜11V (5)对于传感器单元101a的正确运行，例如要求供电电压104的范围满足下述关系式(6)9V＜UV＜16V (6)在此所述的实施例中相应的开关电压是根据下述规定(7)确定的UV1＝9V；UV2最小＝13.5V；UV2最大＝14V；US1＝8.5V；US2＝10.5V (7)这就是说，在直到14V的范围内提供给待供电的电路单元101a(传感器单元)的工作电压为US＝8.5V，如在下述方程式(8)中所说明的UV＜14V→US＝8.5V＝US1(8)反之，若供电电压104超过电平14V，则提供给待供电的电路单元101a的工作电压为10.5V，如下述方程式(9)中所说明的UV＞14V→US＝10.5V＝US2(9)从最大供电电压(16V)和传感器工作电压(8.5V)之间的差乘以传感器相应的工作电流107a得出总的最大的损耗功率。其中根据下述方程式(10)将该工作电流假定为20mA(IS)。下面将传感器单元用以额定运行的传感器工作电压用US，额定表示。如下面的方程式(10)所示，N表示用控制单元100给其供电的待供电的传感器单元(待供电的电路单元)101a-101n的数量，IS＝20mA；UV，最大＝16V；US，额定＝8.5V；N＝10 (10)在参考方程式(11)到(13)进行下述计算时假定，即使在从第一工作电压电平203转换到第二工作电压电平204(参见图2(b))时，待供电的电路单元101a-101n的相应工作电流107a-107n也是恒定的。如下面参考方程式(11)所示的，利用在方程式(10)中所给出的数据，损耗功率为1.5W，P损耗＝(16V-8.5V)·20mA·N＝1.5W (11)当不采用根据本发明的方法时得到根据上述方程式(11)计算的损耗功率P损耗。通过采用根据本发明的方法将提供给待供电的电路单元101a的工作电压106a(US)提高到10.5V，请参见下式(12)，这样就减小了整个在控制单元100中转化的损耗功率，US2＝10.5V (12)假定最大供电电压104(US，最大)和提供给待供电的电路单元101a的实际工作电压106减少2V，根据下述方程式(13)得到所述增益P增益，P增益＝(10.5V-8.5V)·20mA·N＝0.4W (13)如图2(b)所示，从第一工作电压电平203(US1)转换到至少一个第二工作电压电平204(US2)不是突然的，而是根据渐近函数曲线205进行的。此外，借助转换单元108a从至少一个第二工作电压电平204(US2)到第一工作电压电平203(US1)的转换也是通过渐近函数曲线205进行的。优选地将渐近函数曲线设计成一种指数函数。
虽然上面借助优选的实施例对本发明进行了说明，但是本发明并不局限于此，而是可以进行多种多样的变型。
同时本发明也不局限于所述的应用方案。
权利要求
1.用于通过给至少一个待供电的电路单元(101a-101n)提供工作电压(106a-106n)和工作电流(107a-107n)、从而给该至少一个待供电的电路(101a-101n)提供电能的装置，它具有a)一用于控制所述至少一个待供电的电路单元(101a-101n)的控制单元(100)；b)一通过给控制单元(100)提供供电电压(104)和供电电流(105)从而给控制单元(100)提供电能的供电单元(102)；c)至少一个用于将所述至少一个待供电的电路单元(101a-101n)同控制单元(100)电连接的电连接单元(110a-110n)，其特征在于，此外，该控制单元(100)还具有d)一用于检测由供电单元(102)提供的供电电压(104)的检测单元(109)；以及e)至少一个用于根据所检测的供电电压(104)将所述至少一个提供给至少一个待供电的电路单元(101a-101n)的工作电压(106a-106n)从一个第一工作电压电平(203)转换到至少一个第二工作电压电平(204)的转换单元(108a-108n)。
2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的至少一个待供电的电路单元(101a-101n)构成为一个传感器单元。
3.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，将通过给该供电单元(102)提供供电电压(104)和供电电流(105)从而给控制单元(100)提供电能的供电单元(102)设计成汽车蓄电池。
4.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，通过一微处理器提供所述至少一个转换单元(108a-108n)，用于将提供给至少一个待供电的电路单元(101a-101n)的工作电压(106a-106n)从一个第一工作电压电平(203)转换到至少一个第二工作电压电平(204)。
5.通过给所述至少一个待供电的电路单元(101a-101n)提供工作电压(106a-106n)和工作电流(107a-107n)从而给至少一个待供电的电路单元(101a-101n)提供电能的方法，其具有如下步骤a)借助一供电单元(102)通过给控制单元(100)提供供电电压(104)和供电电流(105)从而给一个控制单元(100)提供电能；b)借助该控制单元(100)对所述至少一个待供电的电路单元(101a-101n)进行控制，其中所述至少一个待供电的电路单元(101a-101n)通过至少一个电连接单元(110a-110n)与该控制单元(100)电连接，其特征在于，此外该方法具有下述步骤c)借助一检测单元(109)检测由供电单元(102)提供的供电电压(104)；d)借助至少一个转换单元(108a-108n)根据检测到的供电电压(104)将提供给所述至少一个待供电的电路单元(101a-101n)的至少一个工作电压(106a-106n)从一个第一工作电压电平(203)转换到至少一个第二工作电压电平(204)。
6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，借助所述转换单元(108a-108n)将提供给所述至少一个待供电的电路单元(101a-101n)的至少一个工作电压(106a-106n)在至少两个工作电压电平(203，204)之间转换。
7.按照权利要求5或6所述的方法，其特征在于，借助所述转换单元(108a-108n)通过一个渐近函数曲线(205)将提供给至少一个待供电的电路单元(101a-101n)的至少一个工作电压(106a-106n)从第一工作电压电平(203)改变到至少一个第二工作电压电平(204)。
8.按照权利要求5或6所述的方法，其特征在于，借助所述转换单元(108a-108n)通过一个渐近函数曲线(205)将提供给至少一个待供电的电路单元(101a-101n)的至少一个工作电压(106a-106n)从至少一个第二工作电压电平(204)改变到第一工作电压电平(203)。
9.按照权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述的渐近函数曲线(205)构成为指数函数。
10.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，由供电单元(102)提供给控制单元(102)的供电电压(104)是通过检测单元(109)借助检测滞后(202)检测的。
全文摘要
本发明提供一种通过给至少一个待供电的电路单元提供工作电压(106a－106n)和工作电流(107a－107n)从而给至少一个待供电的电路单元提供电能的装置。一检测单元(109)检测由一供电单元(102)提供给用于控制至少一个待供电的电路单元的控制单元(100)的供电电压(104)。至少一个转换单元(108a－108n)用于根据由检测单元(109)检测到的供电电压(104)将至少一个提供给至少一个待供电的电路单元的工作电压从一个第一工作电压电平(203)转换到至少一个第二工作电压电平(204)。
文档编号H02J7/00GK1881761SQ20061009580
公开日2006年12月20日 申请日期2006年6月13日 优先权日2005年6月13日
发明者F·赫内斯 申请人:罗伯特.博世有限公司