在单个印刷电路板上具有电流隔离的供给电压的用于车辆的电子控制单元的制作方法

在单个印刷电路板上具有电流隔离的供给电压的用于车辆的电子控制单元


背景技术：

1.混合动力汽车的电气系统由多个供给电压来供电，例如12伏的第一供给电压和48伏的第二供给电压。为了控制被供应有不同电压的电气负载，如驱动致动器、阀门或加热器的马达，并且为了验证和控制每个供给电压，根据现有技术，为混合动力汽车提供多个电子控制单元（ecu），其中每个ecu专用于单个供给电压。
2.此外，已知包括专用于不同供给电压的子系统或域的ecu，其中这些子系统被耦合以传输数字和/或模拟信号。


技术实现要素：

3.本发明的一个目的是提供一种改进的ecu，其用于验证和/或控制不同的供给电压，并用于验证和/或控制由不同供给电压供电的电气负载。
4.该目的通过根据权利要求1所述的ecu来实现。
5.在从属权利要求中给出了本发明的示例性实施例。
6.用于车辆的电子控制单元（ecu）包括12v域和48v域。
7.12v域被设计为控制被供应有第一供给电压的至少一个电气负载。此外，12v域本身至少部分地供应有第一供给电压。
8.48v域被设计为控制被供应有第二供给电压的至少一个电气负载。此外，48v域本身至少部分地供应有第二供给电压。
9.在示例性实施例中，第一供给电压被选择为12伏，并且第二供给电压被选择为48伏。
10.12v域和48v域二者布置在单个印刷电路板（pcb）上。12v域和48v域彼此电流隔离（galvanically isolated）。优选地，12v域和48v域电流隔离使得它们能承受至少1千伏的电压差。
11.两个域通过数据接口连接，所述数据接口是电流隔离的并且被配置成根据半双工或全双工通信协议进行数据传输。
12.根据本发明，48v域包括48v微控制器和供给48v微控制器的48v电源。48v电源由来自12v域的第一供给电压经由电流隔离的供给接口来供电。
13.这样，即使第二供给电压关闭，48v微控制器也可以操作。因此，可以在接通第二供给电压之前对48v微控制器执行诊断测试，以检测48v域中的故障，包括48v微控制器本身的故障。
14.此外，供给接口提供的电流分离扩展到48v电源和48v微控制器，并保护这些组件。
15.由于两个域布置在单个pcb上，因此可以减少占用面积和安装空间。此外，与来自现有技术的使用多个单独ecu的解决方案相比，可以降低设计、制造和服务成本。
16.在一个实施例中，48v域包括被设计为验证第二供给电压的状态的48v负载控制和/或被设计为控制由第二供给电压供给的至少一个电气负载的48v马达控制。在该实施例
中，48v微控制器被布置和配置成控制48v负载控制和/或48v马达控制。
17.该实施例的优点在于，针对由第二供给电压供应的电气负载的控制回路可以以特别低的等待时间实现，因为测量值和命令不需要在12v域和48v域之间传输。验证和/或控制第二供给电压的控制回路也具有同样的优点。具体而言，本发明的该实施例可以实现针对由第二供给电压供给的电气负载的更稳定的控制回路。
18.在一个实施例中，数据接口被配置成传输数字数据。在该实施例中，从由第二供给电压供应的电气负载获取的或发送到由第二供给电压供应的电气负载的所有模拟信号由48v微控制器数字化。数字化值然后可由48v微控制器处理和/或经由48v微控制器和12v微控制器之间的数字数据接口来传输。
19.数字数据可以通过只需要较少的导线或线路的串行总线或协议来传输，从而减轻了对数据接口进行隔离的技术负担。此外，数字数据对电磁干扰的敏感性较低，且不需要用于模数转换（adc）的精确参考电压。这提高了沿数据接口传输的数据的稳健性和准确性，并防止数据丢失，因为无需转换成模拟信号。
20.在一个实施例中，数据接口被配置成支持控域网（can）协议和/或串行外围接口（spi）协议和/或集成电路间（i2c）协议。此类协议是众所周知的，并且可以通过可用的组件和电路来实现，从而减少设计和制造负担。
21.在一个实施例中，供给接口包括反激式转换器。反激式转换器是众所周知且易于获得的电压直流（dc/dc）转换组件，其在输入和输出之间提供良好的电流分离。
22.在一个实施例中，第一供给电压是12伏并且第二供给电压是48伏，其中具有相对高功耗的电气负载，如加热器或高功率泵马达，被供应有48伏，而具有相对低功耗的电气负载，如阀门或齿轮选择马达，被供应有12伏。这样，可以优化整体功耗。
23.在一个实施例中，48v微控制器被配置成在接通第一供给电压时执行48v域的通电测试。通过外部开关机制，可以在第二供给电压接通之前接通第一供给电压。当48v微控制器在通电测试期间检测到故障时，可以阻止第二供给电压的接通，并可以使ecu进入故障保护状态。这样，可以提高ecu和由ecu控制的组件的安全性和保护性。
24.在一个实施例中，12v域包括经由数据接口与48v微控制器连接的12v微控制器，其中12v微控制器被配置为主控制器并且48v微控制器被配置为从控制器。在接通第一供给电压时，12v微控制器可以执行12v域的通电测试。由于12v微控制器作为主控制器操作，因此12v微控制器可以被配置成仅在12v域的通电测试显示无故障时才启用第二供给电压和/或将控制传递给48v微控制器。这样，可以提高ecu和由ecu控制的组件的安全性和保护性。
25.在一个实施例中，12v域包括被设计为验证第一供给电压的状态的12v负载控制和/或被设计为控制由第一供给电压供应的至少一个电气负载的12v马达控制，其中12v微控制器被布置和配置成控制12v负载控制和/或48v马达控制。
26.该实施例的优点在于，针对由第一供给电压供应的电气负载的控制回路可以以特别低的等待时间实现，因为测量值和命令不需要在12v域和48v域之间传输。验证和/或控制第一供给电压的控制回路也具有同样的优点。具体而言，本发明的该实施例可以实现针对由第一供给电压供电的电气负载的更稳定的控制回路。
27.在一个实施例中，12v域包括12v-can控制器，其被设计为经由can总线传输数据，并与12v微控制器连接。这样，可以经由can总线来控制12v域，并且12v域可以与连接到所述
can总线的车辆的其他控制单元交换数据和命令。此外，经由该数据接口，48v域可以通过can总线通信。由于can总线是车辆中常用的通信标准，该实施例提高了ecu的兼容性。
28.在一个实施例中，12v微控制器被配置成执行与车辆安全相关的操作，并且48v微控制器被配置成执行与车辆安全不相关的操作。这样，可以减少风险控制措施的总体努力，并且可以提高ecu的可靠性。
29.根据下文给出的详细描述，本发明的进一步适用范围将变得显而易见。然而，应该理解的是，详细描述和具体示例虽然指明了本发明的示例性实施例，但仅作为例示给出，因为根据该详细描述，在本发明的精神和范围内的各种变化和修改对于本领域技术人员来说将变得显而易见。
附图说明
30.根据这里给出的详细描述和附图，将更加全面地理解本发明，附图仅作为例示给出，因此并不限制本发明，并且其中：图1示出了根据现有技术的具有隔离can节点的混合电子控制单元的示意性电子设计，图2示出了根据现有技术的具有隔离微控制器的混合电子控制单元的示意性电子设计，以及图3示出了混合电子控制单元的示意性电子设计，其中48伏电压域与12伏电压域电流隔离，并部分由12伏电压域供电。
31.在所有附图中，对应的部分用相同的参考符号来标记。
具体实施方式
32.图1示出了根据现有技术的用于混合动力汽车的混合电子控制单元（ecu）10的示意性电子设计。ecu 10在单个印刷电路板（pcb）上实现，该pcb包括彼此电流隔离的12v域20和48v域30。
33.12v域20由12伏的12v供给电压v12和12v地线g12供电。48v域30由48伏的48v供给电压v48和48v地线g48供电。根据现有技术，12v供给电压v12在48v供给电压v48之前接通。
34.12v域20被形成为控域网（can）节点。它提供了可与外部双线can总线连接的第一can引脚canh和第二can引脚canl。众所周知，can总线用于车辆的各控制单元之间的数据传输。
35.ecu 10包括数据接口11，其被设计为在12v域20和48v域30的can引脚canl、canh之间传输数据。数据接口11具有与12v域20连接的12伏侧11.12v和与48v域30连接的48伏侧11.48v。数据接口11的两侧11.12v、11.48v彼此电流隔离。在根据图1的实施例中，数据接口11的两侧11.12v、11.48v被设计和配置成支持can协议，从而在12v域20和48伏域30之间形成串行can接口。
36.12v域20包括12v电源21，其向数据接口11的12伏侧11.12v供电。12v电源21由12v供给电压v12供电。
37.48v域30包括48v电源31，其向数据接口11的48伏侧11.48v供电。48v电源31由48v供给电压v48供电。48v电源31具有48v电源状态引脚31.s，其指示48v电源31的状态。
38.电源21、31提供5伏的电压以向数据接口11的每一侧11.12v、11.48v供电。
39.48v域30还包括48v微控制器32、48v负载控制33和48v马达控制34。
40.48v负载控制33由48v供给电压v48供电，并且被设计为经由第一和第二探测引脚v48h、v48l来控制和/或验证外部提供的48伏电压的负载状态。探测引脚v48h、v48l分别经由外部测量电阻与48v供给电压v48和48v地线g48连接。
41.48v马达控制34由48v供给电压v48供电，并且被设计为控制外部无刷直流（bldc）马达40。bldc马达40可以被形成为致动器，如高功率泵马达。
42.在一个实施例中，48v域30还可以包括由48v供给电压v48供电并被设计为控制外部电气负载（如加热器）的控制器。此外，控制一个以上外部电气负载的控制器从现有技术中是已知的。
43.48v微控制器32由48v电源31供电。例如，48v微控制器32被供应有由48v电源31提供的5伏电压。
44.48v微控制器32连接到数据接口11的48v侧11.48v、连接到48v电源31的48v电源状态引脚31.s、连接到48v负载控制33、并且连接到48v马达控制34，使得48v微控制器32可以与数据接口11、48v电源31、48v负载控制33和48v马达控制34传输数据，例如状态信息、获取的测量值或控制信号。所述连接可以被形成为多线连接。
45.具体而言，48v微控制器32被配置成经由数据接口11接收指令，并将这些指令转换成控制48v马达控制34的控制信号。48v微控制器32还被配置成从48v电源31、从48v负载控制33和/或从48v马达控制34检索诊断数据，如状态数据，并经由数据接口11将这样的诊断数据传输到can引脚canh、canl，从而传输到外部can总线。48v微控制器32还可以被配置成运行软件，所述软件实现控制外围组件的控制回路，所述外围组件如一个或多个bldc马达40、加热器或由48v供给电压v48供应的其他致动器。
46.根据现有技术，已知这样的实施例，其中12v域20包括布置在can引脚canh、canl和数据接口11的12v侧11.12v之间的can控制器。
47.此外，已知这样的实施例，其中12v域20包括12v微控制器22，然而其中，48v域30不包括48v微控制器32，如图2所示。在这样的实施例中，诸如状态信息、获取的测量值或控制信号之类的数据经由数据接口11在12v微控制器22和48v域30的各组件（如48v电源31、48v负载控制33和48v马达控制34）之间传输。为了向12v微控制器22提供对外部can总线的访问，这样的实施例还可以包括布置在can引脚canh、canl和12v微控制器22之间的12v-can控制器25。
48.因此，在那些实施例中，将数据接口11形成为诸如can接口之类的串行接口是不够的。相反，数据接口11被设计为并行传输多个数字和/或模拟信号。当然，为了保持域20、30的电流隔离，数据接口11的每条信号线必须被设计为电流分离。
49.在现有技术已知的又一实施例中，48v马达控制34被替换为在12v域20中实现的控制器和在48v域30中实现的包括功率晶体管的功率电路。这样的实施例需要沿着数据接口11的附加信号线来控制功率晶体管的栅极电压。在这样的实施例中，精确控制栅极电压和电磁兼容性的顺应性增加了额外的技术负担。
50.此外，从现有技术已知这样的实施例，其中12v负载控制23在12v域20中实现，其被配置成控制和/或验证12v供给电压v12的状态。
51.图3示意性地示出了ecu，其中12v域20和48v域30布置在同一pcb上。
52.12v域20由12伏的12v供给电压v12和12v地线g12供电。48v域30由48伏的48v供给电压v48和48v地线g48供电。
53.12v域20被形成为控域网（can）节点。它提供了可与外部双线can总线连接的第一can引脚canh和第二can引脚canl。
54.ecu 10包括数据接口11，其被设计为在12v域20和48v域30之间传输数据。数据接口11具有与12v域20连接的12伏侧11.12v和与48v域30连接的48伏侧11.48v。数据接口11的两侧11.12v、11.48v彼此电流隔离，使得该隔离可承受至少1千伏的电压。
55.在一个实施例中，数据接口11根据用于数字数据的标准化全双工或半双工通信协议来配置，如can或串行外围接口（spi）。在一个实施例中，数据接口11和域20、30被配置成使得12v域20充当主域，而48v域30充当从域。
56.数据接口11包括多条数据线，其被设计为在12v域20和48v域30之间传输数字化数据。每条数据线都被电流隔离，以保持数据接口11的两侧11.12v、11.48v之间的电流分离。
57.12v域20包括12v电源21，其向数据接口11的12伏侧11.12v供电。12v电源21由12v供给电压v12供电。
58.48v域30包括48v电源31，其向数据接口11的48伏侧11.48v供电。根据本发明，48v电源31经由布置在12v域20和48v域30之间的供给接口12来供电。
59.供给接口12具有与12v域20连接的12伏侧12.12v和与48v域30连接的48伏侧12.48v。供给接口12的两侧12.12v、12.48v彼此电流隔离。
60.在其12伏侧12.12v，供给接口12与12伏供给线连接，因此与12伏的12v供给电压连接。
61.在其48伏侧12.48v，供给接口12与48v电源31连接并为其供应。
62.在一个实施例中，供给接口12可以被形成为反激式转换器。但是也可以使用本领域已知的提供输入和输出的电流分离的dc/dc转换器的其他实施例。
63.48v电源31具有48v电源状态引脚31.s，其指示48v电源31的状态。
64.电源21、31提供5伏的电压以向数据接口11的每侧11.12v、11.48v供电。
65.48v域30还包括48v微控制器32、48v负载控制33和48v马达控制34。
66.48v负载控制33由48v供给电压v48供电，并且被设计为经由第一和第二探测引脚v48h、v48l来控制和/或验证外部提供的48伏电压的负载状态。探测引脚v48h、v48l分别经由外部测量电阻与48v供给电压v48和48v地线g48连接。
67.48v马达控制34由48v供给电压v48供电，并且被设计为控制外部无刷直流（bldc）马达40。bldc马达40可以被形成为致动器，如高功率泵马达。
68.在一个实施例中，48v域30还可以包括由48v供给电压v48供电并被设计为控制外部电气负载（如加热器）的控制器。此外，控制一个以上外部电气负载的控制器是现有技术中已知的。
69.48v微控制器32由48v电源31供电。例如，48v微控制器32被供应有由48v电源31提供的5伏电压。
70.48v微控制器32连接到数据接口11的48v侧11.48v、连接到48v电源31的48v电源状态引脚31.s、连接到48v负载控制33、并且连接到48v马达控制34，使得48v微控制器32可以
与数据接口11、48v电源31、48v负载控制33和48v马达控制34传输数据，例如状态信息、获取的测量值或控制信号。所述连接可以被形成为多线连接，并且可以被设计为承载数字和/或模拟信号。
71.具体而言，48v微控制器32被配置成经由数据接口11接收指令，并将这些指令转换成控制48v马达控制34的控制信号。48v微控制器32还被配置成从48v电源31、从48v负载控制33和/或从48v马达控制34检索诊断数据，如状态数据，并经由数据接口11将这样的诊断数据传输到12v域20。48v微控制器32还可以被配置成运行软件，所述软件实现控制外围组件的控制回路，所述外围组件如一个或多个bldc马达40、加热器或由48v供给电压v48供应的其他致动器。
72.12v域20包括由现有技术中已知的12v电源21供应的12v微控制器22。此外，12v域20包括12v负载控制23、12v马达控制24和12v-can控制器25。
73.12v-can控制器25被供应有12v电源21的5伏输出电压，并与can引脚canh、canl连接。12v-can控制器25还与12v微控制器22连接。12v-can控制器25被配置成驱动外部can总线（如果与can引脚canh、canl连接的话），并在该can总线和12v微控制器22之间传输数据。
74.12v负载控制23由12v供给电压v12供电，并且被设计为经由第一和第二探测引脚v12h、v12l来控制和/或验证外部提供的12伏电压的负载状态。探测引脚v12h、v12l分别经由外部测量电阻与12v供给电压v12和12v地线g12连接。
75.12v马达控制24由12v供给电压v12供电，并且被设计为控制外部负载，如低功率无刷直流（bldc）马达50。低功率bldc马达50可以被形成为致动器，例如齿轮选择马达或阀门。
76.一般而言，具有相对低功耗的第一负载由12v域20来驱动，而具有相对高功耗（与所述第一负载相比）的致动器由48v域30来驱动，以便优化功耗。
77.在一个实施例中，12v域20可以包括由12v供给电压v12供电并被设计为控制外部电气负载（如加热器）的另外的控制器。此外，控制一个以上外部电气负载的控制器从现有技术中是已知的。
78.12v微控制器22连接到数据接口11的12伏侧11.12v、连接到12v电源21的48v电源状态引脚31.s、连接到12v负载控制23并且连接到12v马达控制24，使得12v微控制器22可以与数据接口11、12v电源21、12v负载控制23和12v马达控制24传输数据，例如状态信息、获取的测量值或控制信号。所述连接可以被形成为多线连接，并且可以被设计为承载数字和/或模拟信号。
79.具体而言，12v微控制器22被配置成经由12v-can控制器25从外部can总线（如果连接的话）接收指令，并且将这样的指令转换成控制12v马达控制24的控制信号。
80.12v微控制器22还被配置成将从12v-can控制器25接收的指令转换成信号，优选地转换成数字信号，所述信号被传递到数据接口11，并进一步传递到48v微控制器32。因此，可以经由12v-can控制器25、12v微控制器22和数据接口11从连接到can引脚canh、canl的外部can总线来控制48v微控制器32。
81.12v微控制器22还被配置成接收从48v微控制器32经由数据接口11发送的信号，优选地数字信号。因此，可以在48v微控制器32上运行软件程序，所述软件程序从48v域30的控制33、34检索数据，如诊断负载控制数据或诊断马达控制数据，预处理和评估这些数据，并经由数据接口11将这样预处理或评估的结果传输到12v微控制器22，并进一步传输到外部
can总线。
82.作为一个优点，可以在运行于48v微控制器32上的软件中以严格的定时限制来实现控制48v域30的控制33、34和其他外围设备的控制回路，而可以将对时间不太敏感的操作编程到运行于12v微控制器22上或经由can总线连接到ecu 10的外部处理设备上的软件中。这使得控制48v域30的外围设备的控制回路能够具有较低的等待时间以及因此提高的稳定性。
83.尽管一般来说，因此可以任意地将软件功能分配给微控制器22、32中的任一个，但是在优选实施例中，所有安全相关功能都被分配给12v微控制器22，并且微控制器22、32被配置成使得12v微控制器22在沿着数据接口11的通信中充当主导系统（主系统）并且48v微控制器32充当跟随系统（从系统）。
84.作为进一步的优点，可以通过48v微控制器32对数据进行数字化，所述数据诸如48v域30中的测量数据，例如由48v负载控制33探测的电压。附加地或替换地，可以通过48v微控制器32将经由数据接口11传递的数字数据转换成模拟值。这样，数据接口11可以免除传输模拟信号的要求。这提高了域20、30之间的值传输的准确性和鲁棒性。这也可以改善ecu 10的电磁兼容性（emc）或免除满足emc要求的技术措施。
85.12v微控制器22还被配置成从12v负载控制23和/或12v马达控制24检索诊断数据，如来自12v电源21的状态数据，并经由12v-can控制器25将这样的诊断数据传输到外部can总线。12v微控制器22还可以被配置成运行软件，所述软件实现控制外围组件的控制回路，如一个或多个低功率bldc马达50或由12v供给电压v12供应的其他致动器。
86.作为根据图3的ecu 10的又一优点，一旦12v供给电压v12可用就接通48v电源31和48v微控制器32。这样，诸如48v微控制器32的通电自检（post）之类的诊断测试可以在48v供给电压v48接通之前运行，并且在测试检测到故障的情况下，可以阻止48v供给电压v48的接通，并可以使整个ecu 10进入故障保护状态。这样就提高了ecu 10的可靠性。
87.参考符号列表10
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电子控制单元（ecu）11
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数据接口11.12v
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12伏侧11.48v
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48伏侧12
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供给接口12.12v
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12伏侧12.48v
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48伏侧20
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12v域21
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12v电源22
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12v微控制器23
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12v负载控制24
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12v马达控制25
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12v-can控制器30
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48v域31
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48v电源
31.s
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48v电源状态引脚32
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48v微控制器33
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48v负载控制34
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48v马达控制40
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无刷直流（bldc）马达50
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低功率bldc马达canh
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第一can引脚canl
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第二can引脚g12
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12v地线g48
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48v地线v12
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12v供给电压，第一供给电压v48
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48v供给电压，第二供给电压v48h
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第一探测引脚v48l
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第二探测引脚v12h
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第一探测引脚v12l
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第二探测引脚