汽车电控单元用电源模块及供电控制方法与流程

1.本发明涉及一种电源模块，尤其是一种汽车电控单元用电源模块及供电控制方法。


背景技术：

2.对汽车电控单元而言，汽车电控单元ecu的电源模块至关重要，电源模块不仅需要控制汽车电控单元ecu的上电与下电，在实际应用中，还需要具备一定的电源防护功能，如电源反接防护和电源线瞬态抗扰。
3.当前主流方案使用mos驱动芯片实现电源防护和控制，如infineon的auir3241str，但存在电荷泵升压值范围较小，不能够灵活匹配电源模块；成本较高等，难以满足实际应用的要求。


技术实现要素：

4.本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种汽车电控单元用电源模块及供电控制方法，其在实现汽车电控单元上电与下电过程中，能有效实现防护控制，提高适应性，降低成本，安全可靠。
5.按照本发明提供的技术方案，所述汽车电控单元用电源模块，包括
6.供电控制模块，用于连接电源正极电压battery、电源负极电压以及点火信号ingite，并输出供电电压ubat，包括用于对电源正极电压battery与电源负极gnd反接保护的反接保护开关管q1、用于控制供电状态的供电控制开关管q2以及用于控制开关管工作状态的开关管控制电路；
7.pwm信号产生模块，与供电控制模块适配连接，在电源正极电压battery与电源负极电压处于正接状态且点火信号ingite有效时，产生升压控制pwm信号；
8.电荷泵升压模块，与供电控制模块以及pwm信号产生模块适配连接，接收升压控制pwm信号，并在升压控制pwm信号作用下得到一所需的供电开启boost电压，开关管控制电路在所述供电开启boost电压作用下同步开启反接保护开关管q1与供电控制开关管q2，以在反接保护开关管q1与供电控制开关管q2均导通后，供电控制模块输出与电源正极电压battery匹配的供电电压ubat，达到对汽车电控单元的上电。
9.所述供电开启boost电压大于电源正极电压battery；
10.点火信号ingite为低电平时处于有效状态；点火信号ingite处于无效状态时，则反接保护开关管q1以及供电控制开关管q2处于关断状态，以控制汽车电控单元处于下电状态。
11.所述反接保护开关管q1以及供电控制开关管q2均为nmos管；
12.开关管控制电路包括与反接保护开关管q1适配连接的电阻r1以及二极管单元组d2，其中，反接保护开关管q1的源极端与电阻r1的一端、二极管单元组d2内第一二极管的阳极端相互连接后形成电源正极连接端battery，电源正极连接端battery通过电容c1连gnd，
电阻r1的另一端与开关管q1的栅极端、二极管单元组d2内两个二极管的阴极端连接，二极管单元组d2内第二二极管的阳极端与供电控制开关管q2的栅极端、电阻r2的一端以及电阻r3的一端连接；
13.反接保护开关管q1的漏极端与供电控制开关管q2的漏极端、电阻r4的一端、电阻r6的第一端以及三极管q6a的集电极端连接，电阻r4的另一端与二极管单元组d3内第一二极管的阳极端连接，二极管单元组d3内第二二极管的阳极端通过电阻r5与电荷泵升压模块连接；二极管单元组d3内两个二极管的阴极端与电阻r7的一端、三极管q5a的发射极端以及电容c3的一端连接，电容c3的另一端与供电控制开关管q2的源极端、电阻r2的另一端、nmos管q4的源极端、三极管q6b的发射极端、三极管q7a的发射极端、三极管q7a的基极端、电容c4的一端以及稳压二极管d4的阳极端相
14.互连接，以形成输出供电连接端ubat，输出供电连接端ubat通过电容c2连接gnd；
15.电阻r3的另一端与pmos管q3的漏极端以及nmos管q4的漏极端连接，pmos管q3的栅极端与电阻r8的一端连接，电阻r8的另一端与nmos管q4的栅极端、三极管q6b的集电极连接，三极管q6b的基极端与三极管q7a的集电极端连接；pmos管q3的源极端与电容c4的另一端、稳压二极管d4的阴极端以及电阻r11的一端连接，电阻r11的另一端与三极管q5a的集电极端连接；
16.三极管q5a的基极端与电阻r7的另一端、电阻r9的一端连接，电阻r9的另一端与三极管q7b的集电极端连接，三极管q7b的基极端与三极管q8a的集电极端以及电阻r10的一端连接，电阻r10的另一端与三极管q6a的发射极端连接，三极管q6a的基极端与电阻r6的另一端连接；三极管q8a的基极端与三极管q7b的发射极端以及电阻r12的一端连接，三极管q8a的发射极端以及电阻r12的另一端形成点火信号连接端ignite。
17.还包括瞬态抑制二极管d1，所述瞬态抑制二极管d1的阳极端接地，瞬态抑制二极管d1的阴极端与反接保护开关管q1的漏极端、供电控制开关管q2的漏极端连接。
18.三极管q6a、三极管q8a、三极管q7b、三极管q7a以及三极管q6b均采用npn三极管，三极管q5a采用pnp三极管。
19.所述pwm信号产生模块包括反相器u1，所述反相器u1的y端与电阻r14的一端以及电阻r13的一端连接，电阻r13的另一端与反相器u1的a端以及电容c12的一端连接，反相器u1的vcc端与电容c11的一端、稳压二极管d8的阴极端、电容c13的一端连接，并连接供电控制模块所输出的供电电压ubat，电阻r14的另一端与电荷泵升压模块适配连接；
20.稳压二极管d8的阳极端与三极管q5b的基极端以及电阻r15的一端连接，电容c13的另一端、电阻r15的另一端、三极管q5b的集电极端均接gnd；电容c12的另一端、三极管q5b的发射极端以及电容c11的另一端均接反相器u1的gnd端。
21.所述三极管q5b采用pnp三极管。
22.所述电荷泵升压模块包括电容c5、电容c6以及电容c10，其中，电容c5的一端、电容c6的一端以及电容c10的一端均与电阻r14的另一端连接；
23.电容c5的另一端与二极管单元组d5内第一二极管的阳极端以及第二二极管的阴极端连接，电容c6的另一端与二极管单元组d6内第一二极管的阳极端以及第二二极管的阴极端连接，电容c10的另一端与二极管单元组d7内第一二极管的阳极端以及第二二极管的阴极端连接；
24.二极管单元组d5内第一二极管的阴极端与电容c7的一端以及供电控制模块适配连接，二极管单元组d5内第二二极管的阳极端与电容c8的一端以及二极管单元组d6内第一二极管的阴极端连接，二极管单元组d6内第二二极管的阳极端与电容c9的一端以及二极管单元组d7内第一二极管的阴极端连接，二极管单元组d7内第二二极管的阳极端与电容c7的另一端、电容c8的另一端以及电容c9的另一端连接，并连接供电控制模块所输出的供电电压ubat。
25.一种汽车电控单元用电源模块的供电控制方法，利用上述的电源模块对汽车电控单元的供电控制，以实现对汽车电控单元的上电与下电控制。
26.本发明的优点：利用反接保护开关管q1实现反接保护，上电控制时，在电源正极电压battery与电源负极电压处于正接状态且点火信号ingite有效时，pwm信号产生模块才产生升压控制pwm信号；通过升压控制pwm信号使得电荷泵升压模块产生所需的供电开启boost电压，驱动供电控制开关管q2导通，以能实现对汽车电控单元的上电；当点火信号ingite无效时，供电控制开关管q2关断，以能实现对汽车电控单元的下电；从而在实现汽车电控单元上电与下电过程中，能有效实现防护控制，提高适应性，降低成本，安全可靠。
附图说明
27.图1为本发明的电路原理图。
28.附图标记说明：1-供电控制模块、2-电荷泵升压模块以及3-pwm信号产生模块。
具体实施方式
29.下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
30.为了在实现汽车电控单元下电与下电过程中，能有效实现防护控制，提高适应性，降低成本，本发明汽车电控单元用电源模块，具体地，包括
31.供电控制模块1，用于连接电源正极电压battery、电源负极电压以及点火信号ingite，并输出供电电压ubat，包括用于对电源正极电压battery与电源负极gnd反接保护的反接保护开关管q1、用于控制供电状态的供电控制开关管q2以及用于控制开关管工作状态的开关管控制电路；
32.pwm信号产生模块3，与供电控制模块1适配连接，在电源正极电压battery与电源负极电压处于正接状态且点火信号ingite有效时，产生升压控制pwm信号；
33.电荷泵升压模块2，与供电控制模块1以及pwm信号产生模块3适配连接，接收升压控制pwm信号，并在升压控制pwm信号作用下得到一所需的供电开启boost电压，开关管控制电路在所述供电开启boost电压作用下同步开启反接保护开关管q1与供电控制开关管q2，以在反接保护开关管q1与供电控制开关管q2均导通后，供电控制模块1输出与电源正极电压battery匹配的供电电压ubat，达到对汽车电控单元的上电。
34.具体地，电源正极电压battery一般为24v电压，或其他能满足汽车电控单元供电所需的电压，电源负极电压一般作接地处理，如连接gnd时的接地电压。供电控制模块1输出的供电电压ubat，即供电电压ubat为汽车电控单元工作所需的电压。通过反接保护开关管q1能实现反接保护；电源反接，具体是指电源正极电压battery与电源负极电压之间连接的位置接反，如将24v等电压加载到电源负极电压，而电源正极电压battery接地的情况，反接
保护即是指实现对反接情况下保护，避免整个电路因反接造成的损坏，提高电路使用的可靠性。
35.通过供电控制开关管q2实现对供电状态控制，如供电控制开关管q2未导通前，无法输出汽车电控单元工作所需的供电电压ubat。开关管控制电路控制反接保护开关管q1以及供电控制开关管q2的工作状态，本发明实施例中，反接保护开关管q1以及供电控制开关管q2均处于导通状态时，整个电源模块才能输出满足汽车电控单元所需的供电电压ubat，即实现对汽车电控单元的上电。
36.本发明实施例中，pwm信号产生模块3与供电控制模块1适配连接，在工作时，只有在电源正极电压battery与电源负极电压处于正接状态且点火信号ingite有效时，pwm信号产生模块3才会产生升压控制pwm信号。电源正极电压battery与电源负极电压处于正接状态，所述正接状态即为上述提到正确连接状态，正接状态的具体情况与现有相一致。
37.pwm信号产生模块3所产生的升压控制pwm信号会加载到电荷泵升压模块2，电荷泵升压模块2在接收到升压控制pwm信号后会得到一供电开启boost电压，供电开启boost电压一般需大于电源正极电压battery，供电开启boost电压的具体大小以能满足实现反接保护开关管q1以及供电控制开关管q2开启为准。即电荷泵升压模块2得到供电开启boost电压后，供电控制模块1在所述供电开启boost电压作用下同步开启反接保护开关管q1与供电控制开关管q2，以在反接保护开关管q1与供电控制开关管q2均导通后，供电控制模块输出与电源正极电压battery匹配的供电电压ubat，达到对汽车电控单元的上电。
38.供电控制模块1输出的供电电压ubat与电源正极电压battery匹配，具体是指供电电压ubat与电源正极电压battery相同，或者，两者的差值位于一个所允许的范围内，所允许的范围与汽车电控单元实际的工作需求等相关，以能满足实际应用需求为准。
39.具体实施时，点火信号ingite为低电平时处于有效状态；点火信号ingite处于无效状态时，即点火信号ingite为非低电平状态。汽车电控单元上电后，但需要下电时，需要将处于有效状态的点火信号ingite变为无效状态的点火信号ingite，此时，反接保护开关管q1以及供电控制开关管q2处于关断状态，由上述说明可知，当供电控制开关管q2关断后，整个电源模块输出的供电电压ubat不再满足汽车电控单元的供电工作要求，即控制汽车电控单元处于下电状态。
40.如图1所示，为本发明电源模块的一种具体实施情况，具体地，所述反接保护开关管q1以及供电控制开关管q2均为nmos管；
41.开关管控制电路包括与反接保护开关管q1适配连接的电阻r1以及二极管单元组d2，其中，反接保护开关管q1的源极端与电阻r1的一端、二极管单元组d2内第一二极管的阳极端相互连接后形成电源正极连接端battery，电源正极连接端battery通过电容c1连gnd，电阻r1的另一端与开关管q1的栅极端、二极管单元组d2内两个二极管的阴极端连接，二极管单元组d2内第二二极管的阳极端与供电控制开关管q2的栅极端、电阻r2的一端以及电阻r3的一端连接；
42.反接保护开关管q1的漏极端与供电控制开关管q2的漏极端、电阻r4的一端、电阻r6的第一端以及三极管q6a的集电极端连接，电阻r4的另一端与二极管单元组d3内第一二极管的阳极端连接，二极管单元组d3内第二二极管的阳极端通过电阻r5与电荷泵升压模块连接；二极管单元组d3内两个二极管的阴极端与电阻r7的一端、三极管q5a的发射极端以及
电容c3的一端连接，电容c3的另一端与供电控制开关管q2的源极端、电阻r2的另一端、nmos管q4的源极端、三极管q6b的发射极端、三极管q7a的发射极端、三极管q7a的基极端、电容c4的一端以及稳压二极管d4的阳极端相互连接，以形成输出供电连接端ubat，输出供电连接端ubat通过电容c2连接gnd；
43.电阻r3的另一端与pmos管q3的漏极端以及nmos管q4的漏极端连接，pmos管q3的栅极端与电阻r8的一端连接，电阻r8的另一端与nmos管q4的栅极端、三极管q6b的集电极连接，三极管q6b的基极端与三极管q7a的集电极端连接；pmos管q3的源极端与电容c4的另一端、稳压二极管d4的阴极端以及电阻r11的一端连接，电阻r11的另一端与三极管q5a的集电极端连接；
44.三极管q5a的基极端与电阻r7的另一端、电阻r9的一端连接，电阻r9的另一端与三极管q7b的集电极端连接，三极管q7b的基极端与三极管q8a的集电极端以及电阻r10的一端连接，电阻r10的另一端与三极管q6a的发射极端连接，三极管q6a的基极端与电阻r6的另一端连接；三极管q8a的基极端与三极管q7b的发射极端以及电阻r12的一端连接，三极管q8a的发射极端以及电阻r12的另一端形成点火信号连接端ignite。
45.具体地，反接保护开关管q1采用nmos管，反接保护开关管q1具有寄生二极管，寄生二极管的阳极与反接保护开关管q1的源极端连接，寄生二极管的阴极端与反接保护开关管q1的漏极端连接。
46.具体实施时，二极管单元组d2以及二极管单元组d3内均包括两个二极管，即将两个二极管封装后即可形成二极管单元组d2以及相应的二极管单元组d3。当电源正极电压battery加载到电源正极连接端battery，电源负极电压接地时，则此时电源正极电压battery与电源负极电压处于正接状态。当电源正极电压battery接地，电源负极电压加载到电源正极连接端battery时，则处于反接状态，反接是，反接保护开关管q1处于关断状态，用于保护后续的电路。通过形成的输出供电连接端ubat，能用于输出供电电压ubat。
47.三极管q6a、三极管q8a、三极管q7b、三极管q7a以及三极管q6b均采用npn三极管，三极管q5a采用pnp三极管。
48.当电源正极电压battery加载到电源正极连接端battery，且电源负极电压连接gnd时，通过反接保护开关管q1的寄生二极管，使得二极管单元组d3内的第一二极管导通，此时，三极管q5a的发射极电压为24v，利用电容c3的隔离作用，使得供电控制开关管q2处于关断状态下，输出供电连接端ubat的电压为0v。
49.通过点火信号连接端ignite接收点火信号ignite，当点火信号ignite为低电平有效状态时，则三极管q5a形成到点火信号连接端ignite回路闭合，此时，三极管a5a导通。当三极管q5a导通后，由于q3为pmos管，q4为nmos管，此时，满足pmos管q3以及nmos管q4导通的条件，即pmos管q3以及nmos管q4均能处于导通状态，从而输出供电连接端ubat输出的供电电压ubat开始升高。
50.具体实施时，还包括瞬态抑制二极管d1，所述瞬态抑制二极管d1的阳极端接地，瞬态抑制二极管d1的阴极端与反接保护开关管q1的漏极端、供电控制开关管q2的漏极端连接。
51.本发明实施例中，通过瞬态抑制二极管d1来吸收电源线上的瞬间脉冲干扰，当然，具体时实施，还可以采用其他方式实现瞬间脉冲干扰的吸收，具体吸收方式等可以根据需
要选择，此处不再赘述。
52.进一步地，所述pwm信号产生模块3包括反相器u1，所述反相器u1的y端与电阻r14的一端以及电阻r13的一端连接，电阻r13的另一端与反相器u1的a端以及电容c12的一端连接，反相器u1的vcc端与电容c11的一端、稳压二极管d8的阴极端、电容c13的一端连接，并连接供电控制模块所输出的供电电压ubat，电阻r14的另一端与电荷泵升压模块适配连接；
53.稳压二极管d8的阳极端与三极管q5b的基极端以及电阻r15的一端连接，电容c13的另一端、电阻r15的另一端、三极管q5b的集电极端均接gnd；电容c12的另一端、三极管q5b的发射极端以及电容c11的另一端均接反相器u1的gnd端。
54.本发明实施例中，反相器u1可以采用现有常用的器件或型号，如可以采用型号为74hct1g14gw-q100的芯片，反相器u1的vcc端连接供电控制模块所输出的供电电压ubat，具体是指反相器u1的vcc端连接图1中的输出供电连接端ubat。
55.所述三极管q5b采用pnp三极管。由上说明可知，在电源正极电压battery与电源负极电压处于正接状态，且点火信号ignite为有效状态时，输出供电连接端ubat所输出的供电电压ubat会逐步升高，当且仅当满足反相器u1的供电电压时，整个pwm信号产生模块3才会工作，并通过反相器u1的y端输出升压控制pwm信号；否则，pwm信号产生模块停止产生加载到电荷泵升压模块的升压控制pwm信号。
56.进一步地，所述电荷泵升压模块2包括电容c5、电容c6以及电容c10，其中，电容c5的一端、电容c6的一端以及电容c10的一端均与电阻r14的另一端连接；
57.电容c5的另一端与二极管单元组d5内第一二极管的阳极端以及第二二极管的阴极端连接，电容c6的另一端与二极管单元组d6内第一二极管的阳极端以及第二二极管的阴极端连接，电容c10的另一端与二极管单元组d7内第一二极管的阳极端以及第二二极管的阴极端连接；
58.二极管单元组d5内第一二极管的阴极端与电容c7的一端以及供电控制模块适配连接，二极管单元组d5内第二二极管的阳极端与电容c8的一端以及二极管单元组d6内第一二极管的阴极端连接，二极管单元组d6内第二二极管的阳极端与电容c9的一端以及二极管单元组d7内第一二极管的阴极端连接，二极管单元组d7内第二二极管的阳极端与电容c7的另一端、电容c8的另一端以及电容c9的另一端连接，并连接供电控制模块所输出的供电电压ubat。
59.本发明实施例中，升压控制pwm信号通过电阻r14加载到电容c5、电容c6以及电容c10，以能得到所需的供电开启boost电压，图1中boost即为得到供电开启boost电压的节点。
60.具体实施时，二极管单元组d5、电容c5和电容c7配合形成一级升压，二极管单元组d6、电容c6和电容c8配合形成一级升压，二极管单元组d7、电容c10和电容c9配合形成一级升压。
61.下面以二极管单元组d7、电容c9和电容c10配合形成一级升压的具体情况为例分析。
62.具体地，假设二极管单元组d7的导通压降为0v。首先，当反相器u1的y端输出的升压控制pwm信号处于低电平0v时，即电容c10的一端为0v，二极管单元组d7的三个引脚均为24v，即电容c10的另一端为24v，电容c10的两端电压差为24v。
63.当反相器u1的y端输出的升压控制pwm信号由0v的低电平变为5v的高电平时，即电容c10的一端电压由0v变为5v，由于电容c10两端的电压差不能突变，因此，升压控制pwm信号由0v变为5v这一瞬间，电容c10两端电压差维持在24v，电容c10另一端电压为24v+5v＝29v，此时，电容c9两端电压均为24v，在升压控制pwm信号维持在高电平的过程中，电容c10会通过二极管单元组d7的第一二极管给电容c9充电，假设充电时间小于升压控制pwm信号的高电平时间，即能够充电完成。二极管单元组d7第一二极管两端达到等电位，即(29+24)/2＝26.5v，此时，电容c10两端电压差为21.5v。接着，升压控制pwm信号再次变为0v时，二极管单元组d7内第一二极管阳极电压为21.5v，由于二极管单元组d7内第一二极管的存在，电容c9不能给电容c10充电，供电电压ubat通过二极管单元组d7内第二二极管给电容c10充电，电容c10两端电压差再次达到24v。随后，升压控制pwm信号再变为高电平时，电容c10达到29v，电容c10通过二极管单元组d7内的第一二极管给电容c9充电，电容c9达到27.75v；升压控制pwm反复高低电平切换，电容c10反复给电容c9充电，最终电容c10达到29v。
64.具体实施时，二极管单元组d5、电容c5和电容c7配合形成一级升压、以及二极管单元组d6、电容c6和电容c8配合形成一级升压的具体升压过程可以参考上述说明，此处不再赘述。
65.即电荷泵升压模块根据升压控制pwm信号，可以得到所需大于电源正极电压battery的供电启动boost电压。对电荷泵升压模块升压的级数调节时，可以得到不同的供电启动boost电压，提高对汽车电控单元供电的适应性。
66.具体实施时，通过二极管单元组d5和电容c5、二极管单元组d6和电容c6、二极管单元组d7和电容c10形成三级升压；此外，可通过增减升压电路级数，可以调节电荷泵升压范围。得到供电开启boost电压后，可使得三极管q7a导通，三极管q7a导通后，三极管q6b导通。而当三极管q6b导通后，nmos管q4关断，pmos管q3会维持导通状态。
67.当pmos管q3维持导通时，通过二极管单元组d3、三极管q5a以及pmos管q3使得反接保护开关管q1的栅极端、供电控制开关管q2的栅极端均处于高电平状态，且满足反接保护开关管q1以及供电控制开关管q2的导通条件，此时，反接保护开关管q1以及供电控制开关管q2均能导通，当供电控制开关管q2以及反接保护开关管q1均处于导通状态后，电源正极连接端battery与输出供电连接端ubat连接，即输出供电连接端ubat能得到与电源正极电压battery匹配的供电电压ubat。
68.当点火信号ignite保持有效状态时，则反接保护开关管q1以及供电控制开关管q2均能保持导通状态，即保持对汽车电控单元的上电状态。当点火信号ignite为无效状态时，三极管q5a断开，此时，反接保护开关管q1以及供电控制开关管q2相应的栅极端因悬空而关断，输出供电连接端ubat输出的供电电压ubat不满足汽车电控单元的工作要求，汽车电控单元(ecu)下电。
69.综上，可得到汽车电控单元用电源模块的供电控制方法，利用上述电源模块对汽车电控单元的供电控制，以实现对汽车电控单元的上电与下电控制。
70.具体地，利用上述电源模块实现对汽车电控单元供电控制，实现上电与下电控制的具体过程可以参考上述说明，此处不再赘述。