Stromversorung: Power-Management spart Treibstoff
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Sicherheit im Fehlerfall
Neben einem optimierten Power-Management-Konzept erfordern elektronische Systeme im Fahrzeug jedoch auch ein hohes Maß an Ausfallsicherheit. Der L9952 übernimmt auch diese Aufgabe, indem er die Funktionsfähigkeit des Steuergerätes permanent überwacht. Ein integrierter Window-Watchdog stellt die Funktion des μC sicher und sorgt im Fehlerfall dafür, dass das Steuergerät einen sicheren Zustand einnimmt (Fail-Safe). So werden beispielsweise Ausgänge abgeschaltet und andere Schaltungsteile (z.B. Fail-Safe Logik oder Fail-Safe μC) aktiviert.
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Laufen mehrere Watchdog-Fehler auf, werden diese in einem Fehlerspeicher erfasst, der über die Schnittstelle (SPI) zugänglich ist. Nach dem achten Fehler schaltet zunächst die Versorgung des μC ab, gefolgt von einem Power-on-Reset. Lässt sich die Fehlerursache dadurch nicht beheben, versetzt der L9952 das Steuergerät nach weiteren sieben Watchdog-Ereignissen in einen sicheren Bereitschafts-Zustand, der alle Ausgänge deaktiviert. Ferner überprüft das Power-Management-IC schon beim Einschalten die Spannungspegel, um einen definierten Systemstart zu gewährleisten und mögliche Kurzschlüsse zu erkennen. Per SPI lassen sich umfangreiche Diagnose-Informationen auslesen. Eine Übertemperaturwarnung sowie zwei unterschiedliche Temperaturpegel für die Übertemperaturabschaltung komplettieren die breite Palette an Sicherheitsfunktionen. Der L9952 bietet noch weitere Funktionen, die in Steuergeräten zumeist sehr nüztlich sind: zwei Low-Side-Relaistreiber, zwei Operationsverstärker sowie fünf geschützte High-Side-Schalttransistoren zur Versorgung von LEDs, Hall-Sensoren oder Abfrage-Kontakten. Einer der fünf High-Side-Schalttransistoren ist niederohmiger und kann auch eine 5-W-Glühlampe ansteuern. Diese Ausgänge können über das SPI-Interface gesteuert oder mit einem der beiden internen Timer verknüpft werden. Alle High-Side-Schalttransistoren lassen sich wahlweise über zwei Logik-Eingänge takten werden.
Die für dieses IC gewählte BCD-Technologie verfügt über P-Kanal-Transistoren, d.h., die High-Side-Schalttransistoren kommen ohne Ladungspumpe aus und lassen sich besonders kostengünstig realisieren. Nicht zuletzt verfügt der L9952 über einen integrierten LIN-Transceiver, welcher sowohl im Master- als auch im Slave-Mode betrieben werden kann.
Ein zusätzlicher High-Side-Schalttransistor erlaubt das Abschalten des externen Master-Pull-up-Widerstandes und verhindert damit einen hohen Bus-Strom, sollte die LIN-Leitung einen Kurzschluss gegen Masse aufweisen. Der Transceiver erfüllt alle Anforderungen der LIN-Spezifikation 2.1 und ist zudem kompatibel zum amerikanischen Standard SAE J2602. Die Bitübertragungsschicht ist von den entsprechenden Instituten zertifiziert und bereits bei mehreren Automobilherstellern freigegeben. Verfügbar ist das IC im 10 mm × 10 mm großen Power-SSO-36-Gehäuse, dessen metallische Unterseite eine gute Wärmeanbindung an die Leiterplatte erlaubt. F. Burkhardt/hs
Mit dem Power-Management-IC L9952 von STMicroelectronics lassen sich Steuergeräte mit niedrigen Ruheströmen im Bereitschaftsbetrieb realisieren. Dazu werden alle im Bereitschaftsbetrieb noch notwendigen Funktionen in einem einzigen Baustein gebündelt (Bild 1). Der L9952 erlaubt das Trennen nicht benötigter Komponenten von der Versorgung einschließlich des Mikrocontrollers (μC) und übernimmt zugleich die Überwachung aller Weckquellen. Hierfür steht ein Bereitschafts-Modus mit einem typischen Ruhestrom von 7 μA zur Verfügung, in dem alle Blöcke des L9952 deaktiviert sind und nur noch die Weckquellen überwacht werden. Damit lassen sich Steuergeräte mit einem Gesamtruhestrom von weniger als 30 μA realisieren (Bild 2). In Systemen, in denen eine Abschaltung des Mikrocontrollers nicht möglich ist, erlaubt der Baustein die Versorgung des Controllers in einem speziell hierfür konzipierten Bereitschafts-Mode (Bild 3). Die chip-internen Spannungsregler sind speziell für diese Anwendung konzipiert und schalten bei Bedarf selbsttätig in einen Niedrigstrom-Mode. Beim Überschreiten eines bestimmten Laststroms wechselt der Regler automatisch wieder in den normalen Betrieb. Die Energiesparstrategie dieser Module erfordert hier eine extrem kurze Aufwachzeit des μC, d.h., der Spannungsregler muss die Versorgung des μC sehr schnell gewährleisten. Lastsprünge von 0 auf 100 mA regelt das IC innerhalb von weniger als 1 μs aus. Da der μC in der Regel zyklisch für eine bestimmte Zeit aktiviert wird, reduziert dieses Verhalten deutlich den Gesamtenergiebedarf.
Als Weckquellen dienen neben dem integrierten LIN-Transceiver und dem INH-Eingang, der ein Aufwecken über einen externen CAN-Transceiver erkennt, vier Weckeingänge, die batteriespannungsbezogene Signalpegel auswerten können. Egal, ob es sich dabei um high- oder low-aktive Signale handelt, sie verursachen an den Eingängen keine zusätzlichen Ruheströme, da die Abfrage-Pins hochohmig sind.
Da über Kontakte oder Schalter, die im Ruhezustand geschlossen sind, hohe Kontaktströme fließen, werden sie häufig zyklisch versorgt und abgefragt. Hierfür bietet der L9952 integrierte Schalttransistoren, die von Timern gesteuert werden können. Ein intergrierter RC-Oszillator liefert die erforderliche Zeitbasis. Das Erfassen der Spannungspegel an den Weckeingängen erfolgt sowohl im statischen als auch im zyklischen Betrieb über Zeitfilter, so dass sichergestellt ist, dass nur gültige Weckereignisse das System aktivieren und das Modul nicht unbeabsichtigt, z.B. durch elektromagnetische Einstrahlung, geweckt wird. Für die statische Kontaktabfrage im Bereitschaftsbetrieb wird der hierzu benötigte interne Oszillator erst dann aktiviert, wenn bestimmte Spannungspegel über- bzw. unterschritten werden. Dies bewirkt eine weitere Senkung des Ruhestroms.
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