用于测量电压的电路装置的制作方法

1.本发明涉及一种用于测量电压、尤其电池电压的电路装置以及一种用于借助这种电路装置测量电压的方法。


背景技术：

2.用于汽车电子的、尤其用于自动化驾驶领域的中央计算单元通常需要大于300w的供电功率。在12v的供电电压下，这种功率会导致超过25a的电流。在如今规定的欠电压的情况下，这种功率甚至导致超过40a的电流。为了(例如根据需要)缓冲例如20ms的供电电压骤降，在2v偏移的情况下需要400mf的电容。应注意的是，在这种场景中，所有对诸如eeprom、sd卡等非易失性存储介质的访问都必须“干净地”终止。此外，如果可能的话，应对数据备份。问题是，在车辆中没有用于容量为400mf的电容器的空间。
3.因此，只存在提早卸负载的可能性。在这种情况下，如果有必要可以将大型计算机置于省电模式，因为访问非易失性存储器要比提供数据慢得多。
4.因此，需要准确测量电池电压，从而可以提早识别电压骤降。通常，为此使用电阻分压器，在一些情况下，该电阻分压器还安装有fet开关(fet：场效应晶体管)，以节省静态电流并将电压分压到微控制器的模数转换器(adc)的测量范围内。电阻还通过降低流过保护二极管的电流来保护该测量微控制器免受过电压影响。在此，adc输入端之前的电容器使测量稳定。
5.然而，这种电路的一个问题是准确性。电阻的2％的公差(即6σ)、老化、温度梯度就已导致分压器的4％的公差。另外，还存在adc的公差以及adc的电压参考(这通常是指微控制器的供电电压)的公差。这在大多数情况下还导致额外增加4％。如果以线性方式相加，则公差为8％。
6.假设分压比例(teiler)为1:10。在最坏的情况下，这是1:10.8。8v的最小规定工作电压导致，控制设备从7.4v的测量电压起才允许卸载功能。相应地，能量储备必须更大。因此，将更多精力放在准确的电池电压测量上是合理的。


技术实现要素：

7.在此背景下，提出一种电路装置和一种测量电压的方法。
8.所提出的电路装置用于测量电压、尤其电池电压。该电路装置例如在机动车中用于测量在机动车中使用的电池的电压。
9.该电路装置具有分压器、积分元件和分析处理单元，其中，分压器在输入端上接收表示待测量电压的第一信号，该分压器包括第一开关元件和第二开关元件并且能够处于第一状态和第二状态，在第一状态中第一开关元件导通并且第二开关元件不导通，在第二状态中第一开关元件不导通并且第二开关元件导通，并且该分压器在输出端上输出第二信号，该输出端处于第一开关元件与第二开关元件之间。
10.因此，也可被称为时间分配器(zeitenteiler)的分压器是如下元件：该元件被操
控为使得其能够呈现两个状态。因此，借助合适的操控信号的操控，能够实现这种分压器或者说时间分配器的一种时钟化运行。
11.积分元件构造用于接收由分压器输出的第二信号并且输出经相应处理的第三信号。
12.分析处理单元设置用于接收和分析处理第三信号，以便确定电压的值。以这种方式，可以非常准确地确定并因此测量电压(例如电池电压)。
13.有意义的是，分别使用场效应晶体管(例如mosfet)作为开关元件。场效应晶体管被广泛使用，并且能够没有问题且成本有利地存在于不同实施方案中。例如，可以使用p沟道场效应晶体管作为第一开关元件，并且使用第一n沟道场效应晶体管作为第二开关元件。此外，第二n沟道场效应晶体管可以设置用于操控分压器的p沟道场效应晶体管。原则上，场效应晶体管可以设置用于操控两个开关元件或者两个开关元件中的至少一个。
14.可以使用rc环节作为积分元件，该rc环节构造为低通滤波器。
15.在一种实施方式中，设置比较器作为分析处理单元。在这种情况下，比较器的输出端可以被置于逻辑端口上，该逻辑端口以固定时钟周期并且反转地置于分压器上，使得电压的值能够借助抽取滤波器来确定。
16.在另一实施方式中，模数转换器(adc)可以被设置作为分析处理单元，该模数转换器接收第三信号和表示电压参考的参考信号，并且该模数转换器将这两个信号相互比较，以便确定待测量的电压的值。
17.此外，电压源可以设置用于提供电压参考。
18.在另一实施方式中，定时器单元或计时器设置用于提供脉宽调制信号(pwm)，所述脉宽调制信号用于操控开关元件。
19.此外，可以设置微控制器，在该微控制器中集成有定时器单元。此外，adc或者(取决于实施方式)比较器也可以集成在微控制器中。
20.借助所述电路装置，可以实现对尤其具有高功率的控制设备的电池电压的监测并且因此能够实现电池电压监视器。
21.以这种方式，可以降低电池电压测量的公差。这能够实现较早地卸去尤其大型用电器，以便完成必要的储能过程。为此不需要大体积的能量存储器。
22.所提出的方法例如用于在机动车中测量电压、尤其电池电压。该方法借助在此所述类型的电路装置执行。
23.本发明的其它优点和构型由说明书和附图得出。
24.可以理解的是，上文中所述的以及下文中还要阐述的特征不仅能够以分别说明的组合使用，而且也能够在不脱离本发明范畴的情况下以其他组合或者单独使用。
附图说明
25.图1示出用于执行所提出的方法的一种实施方案的电路装置的框图；
26.图2高度简化地示出所描述的电路装置的一种实施方式的示意图。
具体实施方式
27.本发明根据附图中的实施方式示意性示出，并且在下文中参照附图详细描述。
28.图1示出用于执行所提出的方法的电路装置的一种实施方案的框图，该电路装置在整体上用附图标记10表示。该图示示出用于待测量的电池电压的输入端12、20kohm的电阻r2 14以及第二n沟道场效应晶体管16、分压器18、rc环节24以及微控制器30，该分压器具有p沟道场效应晶体管tp 20和第一n沟道场效应晶体管tn 22、该rc环节具有20kohm的电阻r1 26和电容器c1 28。
29.在微控制器30中设有adc 32以及定时器单元或者说计时器34。该定时器单元34输出pwm信号36、37。该adc 34具有第一输入端38和第二输入端40，该第一输入端用于接收待测量的或者说待分析处理的电压，该第二输入端用于接收由电压源42提供的电压参考。
30.应注意的是，相比于绝对电压电平，可以更准确地测量时间段或时间。电路装置10中的分压器18通过暂时地连接到待测量的电压源以及参考地来实现。接下来的rc环节24使电压平滑并且还保护adc 32的第一输入端38以防过电流。附加地，需要由电压源42提供的具有低的温度公差的高精度参考电压。因此，这种测量的公差可以被抑制到2％以下。
31.经由p沟道场效应晶体管tp 20将待测量的电池电压引导至电阻器r1 26和第一n沟道场效应晶体管tn 22。于是，第一n沟道场效应晶体管tn 22接地。因此，高电阻的r1 26可以低阻地连接至待测量的电压以及接地。在电阻r1 26之后的是缓冲电容器c1 28，其具有两个功能——即与r1 26构成低通滤波器以及用于微控制器30中接下来的adc 32的缓冲电容器。
32.对于每个场效应晶体管tn 20和tp 22来说，都需要脉宽调制(pwm)信号36、37，并且必须确保两个场效应晶体管20、22不会同时接通。两个“on”时间的比例关系确定了分压比例1：
33.(on_tn+on_tp)/on_tp
34.在图1中所示的电路装置10的示例性实施方式中，在微控制器30中仅提供两个pwm信号36、37。将反转信号提供给p沟道场效应晶体管tp 20，该反转信号借助第二n沟道场效应晶体管16反转。也可以使用npn晶体管来代替第二n沟道场效应晶体管16。
35.高精度电压参考也在adc 32中进行测量。如果现在将两个adc值置于比例关系中并且使其与参考的电压值以及与分压比例相乘，则得到电池电压值。在此，也消除了adc 32的偏移误差。此外，可以提高测量精度，其方式是：通过改变pwm时间分配比例使电容器c1 28上的电压值接近电压参考值。因此，可以消除大部分adc线性误差。
36.在另一实施方式中，可以类似于sd转换器(sd：sigma delta)那样完全省去adc 32，并且仅使用一个比较器。然后，将比较器的输出端置于逻辑端口上。借助固定时钟读取端口并将其反转地引导到由tp 20和tn 22构成的半桥上。然后，借助抽取滤波器计算电压值。抽取滤波器的分组运行时间又产生附加的延迟。因此应注意的是，tp 20和tn 22形成一个半桥。
37.sd转换器包括所谓的delta-sigma调制器(delta-sigma-modulator)和低通滤波器，该delta-sigma调制器产生比特电流或者说比特流。原则上，delta-sigma调制器首先提供信号的粗略测量。在此，对产生的测量误差积分并且例如通过负反馈来补偿。
38.还应考虑到只存在一个控制输入端的集成模块，该模块在内部排除短路情况、两个场效应晶体管都断开的情况。只是，如果它们可以提供40v的最大输入电压，它们反而被
认为是具有高电流负载的输出端。如果存在40v的低功率半桥，则这将是理想的部件。
39.图2高度简化地示出所提出的电路装置的一种实施方案，该电路装置在整体上用附图标记50表示。该图示示出分压器52，该分压器包括第一开关元件54和第二开关元件56。在该图示中示出如下状态：在该状态中，第一开关元件54断开并因此不导通，第二开关元件56闭合并因此导通。
40.在分压器52的输入端58上接收第一信号60。在分压器52的输出端62上输出第二信号64，该输出端处于两个开关元件54、56之间。将该第二信号64提供给积分元件66，该积分元件进而输出第三信号68。该第三信号68由分析处理单元70分析处理，以便确定通过第一信号60表示的电压值。
41.本发明提出的方法和所描述的电路装置尤其可以用于需要大量电流和能量储备的控制设备。在每个较大型的控制设备中通常都提供非易失性存储器，在该非易失性存储器中写入诸如配置、错误和运行周期之类的信息。