Beschreibung

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Steuerungs-Chip zum Bereitstellen der Grundfunktionalität eines Steuergeräts

Beschreibung

Steuerungs-Chip zum Bereitstellen der Grundfunktionalität eines Motorsteuergeräts

Die Erfindung betrifft einen Steuerungs- (Peripherie- / Endstufen) Chip zum Bereitstellen der Grundfunktionalität eines Steuergeräts nach Anspruch 1, der im Folgenden auch kurz als U-Chip bezeichnet wird.

Moderne Steuergeräte, insbesondere zur Motorsteuerung, bestehen aus einem Rechnerkern (Mikro-Controller) sowie einem Peripherie-Chipsatz zum Realisieren der benötigten Hardware- Funktionen. Dieser Peripherie-Chipsatz besteht typischerweise aus verschiedenen applikationsspezifischen integrierten

Schaltkreisen (ASICs) und weiteren elektronischen Baugruppen. Die Aufteilung der benötigten Hardware-Funktionen auf die verschiedenen ASICs und Baugruppen wird als Partitionierung bezeichnet .

Ein Peripherie-Chipsatz der Motorsteuergerätegeneration gemäß dem Stand der Technik weist typischerweise eine 2 ASICs umfassende Partitionierung auf.

Hierbei ist ein erster ASIC (ASIC 1) vorgesehen, der folgende Komponenten aufweist: eine Spannungsversorgung (Schaltregler, der auch als Linearregler konfiguriert werden kann) mit vier

verschiedenen Ausgangsspannungen; drei 5V-Geberversorgungen, von denen zwei unabhängig voneinander auch auf 3, SV- AusgangsSpannung konfiguriert werden können, wobei die Geberversorgungen auf Kurzschluss nach Masse und Kurzschluss nach Batteriespannung diagnostizierbar sind; ein überwachungsmodul; ein Treiber für bidirektionale Schnittstellen; ein CAN- Treiber mit Wake-Up-Funktionalität; eine NachlaufSteuerung; eine Hauptrelaisendstufe mit Diagnose der Fehlerfälle Kurzschluss nach Batteriespannung, Kurzschluss nach Masse, Last- abfall und übertemperatur; einen Stopp-Counter, und eine bidirektionale serielle Schnittstelle (SPI) zur Kommunikation mit dem Mikro-Controller .

Ein zweiter ASIC (ASIC 2) weist folgende Komponenten auf : Leistungsendstufen mit Nennströmen von 1,1 A bis 3 A; eine Diagnosefunktion für die Fehlerfälle Kurzschluss nach Batteriespannung, Kurzschluss nach Masse, Lastabfall und ü- bertemperatur; eine 5V-Versorgungsspannungsüberwachung; eine bidirektionale serielle Schnittstelle zum Kommunizie- ren mir dem Mikro-Controller, und eine unidirektionale serielle Schnittstelle (μs-Bus) zum Steuern der Endstufen.

Die DE 103 34 014 beschreibt einen Peripherie-Chipsatz, bei dem die Grundfunktionalität eines Steuergeräts wie vorstehend beschrieben auf zwei ASICs partitioniert ist. Abhängig von den Anforderungen an die Hardware-Funktionen sind noch zusätzlich Bausteine erforderlich.

Für die Darstellung von Motorsteuergeräten des Basis-Segments (Steuergeräte-Segment mit den allernötigsten Funktionen) sind die oa Hardware-Funktionen allerdings nur teilweise erforderlich. Das bedeutet, dass die heutigen Peripherie-Chipsätze sowohl unter (Leiterkarten) Flächenbedarfs- als auch Kostengesichtspunkten 'überdimensioniert' sind.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Partitionie- rung anzugeben, welche die elementaren Hardware-Funktionen ei-

nes Steuergeräts auf möglichst kleiner Fläche zusammenführt, und die einfach und kostengünstig zu realisieren ist.

Diese Aufgabe wird durch einen Steuerungs-Chip gelöst, umfas- send eine Spannungsversorgung mit wenigstens zwei, insbesondere drei Ausgangsspannungen; wenigstens zwei, insbesondere drei Geberversorgungen, insbesondere mit 5 V beziehungsweise 3,3 V Ausgangsspannung; wenigstens einen Treiber für bidirektionale Schnittstellen; einen CAN-Treiber; eine Nachlaufsteu- erung; eine Hauptrelaisendstufe mit Diagnosefunktion; wenigstens eine bidirektionalen seriellen Schnittstelle zum Steuern der Endstufen und zum Kommunizieren mit einem MikroController; wenigstens sechs Leistungsendstufen, insbesondere mit Nennströmen von 0,6 A bis 3 A; wenigstens eine Kleinsig- nalendstufe, insbesondere mit Nennströmen von 50 rtiA, und vier Zündtreiber.

Ein derart hochintegrierter U-Chip trägt den Anforderungen hinsichtlich Kostenoptimierung und Optimierung des Flächenbe- darfs auf der Leiterplatte Rechnung.

Ein wesentlicher Punkt der vorliegenden Erfindung besteht dabei darin, dass die Vorteile der Hochintegration zum Realisieren einer innovativen Partitionierung für Steuergeräte des Basis-Segments genutzt werden. Dadurch können die durch ASIC 1 und 2 sowie ggf. auch durch Erweiterungs-ICs dargestellten Hardwarefunktionen auf die elementaren Funktionen, die z. B. in einem Motorsteuergerät des Basis-Segments zu realisieren sind, reduziert werden, was zu einer Kosteneinsparung führt. Gleichzeitig entfallen redundante ASIC-Schaltungsteile wie z. B. Spannungsversorgung und SPI (Single-Point-Injection) auf jeweils ASIC 1 und 2 durch deren Zusammenführung mit Erweiterungs-ICs auf einen U-Chip, was eine weitere Kosteneinsparung zur Folge hat. Des Weiteren werden ASIC-Verpackungen von min- destens zwei auf eine reduziert, wodurch nochmals Kosten entfallen. Auch der Flächenbedarf auf der Leiterplatte wird reduziert, wodurch ein Nutzensprung mit zusätzlichem Kostenvor-

teil entsteht. überdies kann der μs-Bus konsequent zum Reduzieren der Anzahl der Leitungen und der Bauelemente-Pins genutzt werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Steuerungs-Chips sind in den folgenden Unteransprüchen 2 bis 11 angegeben.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann die Diagnosefunktion zum Erkennen von Fehlerfällen, insbesondere für Kurzschluss nach Batteriespannung, Kurz- schluss nach Masse, Lastabfall oder übertemperatur ausgebildet sein. Die Ergebnisse können damit von OBD (Off Board Diagnose) -Testgeräten ausgewertet werden, was die Fehlerfindung im Wartungsfall erleichtert.

Um eine Beschädigung des Steuergeräts durch Fehler zu vermeiden, kann ein zusätzliches Modul zu dessen überwachung vorgesehen sein. Das Steuergerät prüft sich dann selbst, indem z. B. ein Speicher mit Prüfmustern beschrieben und wieder gele- sen wird, und ein Vergleich mit Prüfsummen sicherstellt, dass Daten und Programme richtig abgespeichert sind.

Durch einen zusätzlichen Treiber für serielle Schnittstellen können Geräte angeschlossen werden, die solche Treiber vor- aussetzen. So kann z. B. das vorstehend genannte Testgerät genutzt werden, das üblicherweise eine serielle Kommunikationsschnittstelle (ISO 9141) mit einer freie Baudrate von 10 bis 10 kBaud nutzt.

Zum Realisieren von Zusatzfunktionen eines Steuergeräts können sechs zusätzliche Leistungsendstufen, insbesondere mit Nennströmen von 0,6 A bis 3 A in dem U-Chip integriert sein. Neben den Grundfunktionen z. B. eines Motorsteuergeräts wie dem Einstellen des von Fahrer gewünschten Betriebszustands können damit z. B. Getriebe und Klimaanlage gesteuert werden.

Als weitere Schaltungskomponenten können zwei zusätzliche Kleinsignalstufen, insbesondere mit Nennströmen von 50 mA, vorgesehen sein. Damit können weitere Kleingeräte mit geringer Steuerspannung wie z. B. Relais, Anzeigen usw. angesteu- ert werden.

In einer weiteren Ausgestaltung können weiterhin zwei VoIl-H- Brücken vorgesehen sein, welche die Steuerung von Geräten mit hoher Steuerspannung bei gleichzeitig geringem Platzbedarf der Brücken zulassen. Diese können wahlweise als Einzel-High- Side- und Low-High-Side-Schalter konfigurierbar sein, um eine hohe Anpassbarkeit an die jeweiligen Einsatzbedingungen zu gewährleisten .

Diese Anpassbarkeit wird dadurch erhöht, indem auch die Geberversorgung von 3,3 V auf 5 V konfigurierbar ist.

Erfindungsgemäß ist der U-Chip für ein Steuergerät, insbesondere für ein Motorsteuergerät einer zukünftigen Generation, und dabei insbesondere für Benzin- und Dieselmotoren geeignet. Das Motorsteuergerät kann dabei als Steuereinrichtung für ein Motormanagementsystem, insbesondere ein Kraftstoffeinspritzsystem, ausgebildet sein. Der Peripheriechipsatz ist modular aus integrierten applikationsspezifischen EIe- mentarschaltkreisen zur Bereitstellung einer Grundfunktionalität des Steuergerätes sowie optional mit applikationsspezifischen integrierten Ergänzungsschaltkreisen zur Bereitstellung von über die Grundfunktionalität hinausgehenden Anforderungen an das Steuergerät ausgebildet. Aufgrund der flexiblen und modularen Bauweise des Peripheriechipsatzes, welcher den Anforderungen entsprechend aufgebaut ist, ist eine individuelle Größenanpassung an konkrete Funktionalitäten eines Steuergerätes realisierbar.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Gleiche oder gleichwirkende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.

In der einzigen Figur ist gemäß eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung eine konkrete Partitionierung eines U-Chips 10 für ein Motorsteuergerät schematisch darge- stellt. Der erfindungsgemäße Chip 10 weist eine Spannungsversorgung, drei Geberversorgungen 1 - 3, eine Hauptrelaisstufe mit Diagnose und NachlaufSteuerung, vier Zündtreiber, jeweils einen Treiber für eine bidirektionale Schnittstelle, eine Kleinsignalstufe 50 rtiA, drei AusgangsSpannungen 1 - 3, eine bidirektionale serielle Schnittstelle zum Controller, einen CAN-Treiber und sechs Leistungsendstufen 0,6 A - 3 A als Basis-Segment auf. Optional dazu sind in der gezeigten Ausführungsform ein weiterer Treiber für eine bidirektionale Schnittstelle, zwei Kleinsignalstufen 50 rtiA, zwei VoIl-H- Brücken, ein zusätzliches überwachungsmodul und weitere sechs Leistungsendstufen 0,6 A - 3 A vorgesehen, die jeweils gestrichelt angedeutet sind.

Die Komponenten außerhalb der Spannungs- und Geberversorgun- gen sowie der AusgangsSpannungen kommunizieren untereinander über eine serielle Verbindung 11. Die jeweiligen Ein- und/oder Ausgangsanschlüsse 12, 12', 12 ^{f f} der Komponenten sind durch entsprechende Pfeile zu dessen Rand 13 hin dargestellt. Abhängig von den Anforderungen, die an die Funktiona- lität eines Steuergeräts gestellt werden, kann der Chip 10 gemäß der Figur ausgebildet sein. Aufgrund der Möglichkeit, den Chip 10 flexibel und modular aufzubauen, sind Hardwarefunktionen des Steuergeräts über das Basis-Segment hinaus individuell ergänzbar. Optionale Komponenten des Chips 10, wie in der Figur abgebildet, können jeweiligen Anforderungen entsprechend durch andere Komponenten ersetzt werden.

Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird die Partitionierung des Peripherie-Chipsatzes an zukünftige Erforder- nisse angepasst. Ein zusätzlicher Vorteil der neuen Parti- onierung besteht insbesondere in ihrer großen Flexibilität. Somit ist die Grundfunktionalität eines Steuergeräts be-

reits mit einer elektronischen Einheit bzw. ASIC darstellbar. Damit ist eine kostengünstige Abdeckung des Niedrigpreissegmentes möglich. Insbesondere individuelle Grundfunktionalitäten können mit einer elektronischen Einheit bzw. ASIC modular bereitgestellt werden. Somit ist nicht erforderlich, dass für diese Grundfunktionalitäten komplex konstruierte ASICs zum Einsatz kommen.