用於電感的驅動電路和具有驅動電路的有源發射裝置的製作方法

2023-06-26 12:00:21 3

本發明涉及一種用於電感、尤其是感應式天線的驅動電路和具有驅動電路的、尤其用於無鑰匙進入和啟動系統的有源發射裝置。

背景技術：

無鑰匙進入和啟動系統、例如無鑰匙啟動進入（PASE）系統是自動的系統，無需主動地使用車鑰匙的情況下解鎖車輛並且通過僅僅操縱啟動按鈕啟動車輛。這通過具有晶片的電子鑰匙來實現，車輛駕駛員隨身攜帶所述電子鑰匙。周期性地由車輛通過至少一個位於車輛上的天線發射出在LF-頻率（LF代表頻率例如在20kHz與200kHz之間的「低頻」）上的、編碼的詢問信號。所述系統因此在UHF-範圍（UHF代表頻率在例如為三位數的MHz範圍內的「超高頻」）內進入到接收模式中並且等待確認。如果配備有應答器的鑰匙在有效範圍內，則該鑰匙接收LF信號，對該LF信號進行解碼並且將該LF信號採用新編碼作為UHF信號再次發射出。UHF信號在車輛內被解碼。因為車輛熟悉這兩個編碼表，所以車輛能夠將自身的原始發送與剛剛接收到的信號相比較並且在相一致時準許進入。如果在所定義的時間內沒有正確的答覆，則什麼也不會發生並且系統再次切換到待命狀態。發動機啟動過程基本上對應於進入控制，在此僅要操縱發動機啟動按鈕。

作為用於發射LF信號的天線主要使用感應式天線，所述感應式天線例如實施為設有繞組的鐵氧體磁芯（也作為磁性天線或者鐵氧體天線而公知）。感應式天線的電感器在此通常與振蕩電路中的電容器一起工作。這種振蕩電路的能量消耗通常通過儘可能高的品質因數和準確的頻率調諧保持較低，以便使得進入和啟動系統的總電流消耗保持儘可能低。小的電流消耗例如單單因此是所期望的，因為否則在車輛的較長的停車時間的情況下車輛電池會迅速放電。然而高的品質因數限制了傳輸數據率，並且在高的品質因數情況下的準確的調諧需要一些開銷。因此常見的布置通常並未在數據率、開銷和能量消耗之間形成令人滿意的折衷。

因此已知一些準諧振電路驅動器，利用所述準諧振電路驅動器，能夠在數據率同時足夠高的情況下實現高的品質因數（並且因此實現低的電流消耗）。但是這些驅動電路具有下述缺點：所述驅動電路沒有遵守無線電許可規章。通過無線電許可規章應該保證：其他的無線電通訊服務、例如無線電廣播（收音機和電視機）、移動式的無線電通訊服務（公安機關和安全服務）或者行動電話在其運行中不受損。所述準諧振驅動電路的另一缺點在於：沒有遵守汽車製造商關於電磁兼容性（EMV）的規程。

技術實現要素：

本發明的任務在於，提供一種關於此得到改進的、用於電感的驅動電路。此外，應當提供一種改進的具有振蕩電路的有源發射裝置。

該任務通過根據權利要求1所述的用於電感的驅動電路和根據權利要求13所述的有源發射裝置來解決。

根據本發明的用於電感器的驅動電路包括：兩個串聯連接的電容器；兩個用於為由所述電容器形成的串聯電路供給參考電壓的輸入路徑；兩個用於將電感器連接到由所述電容器形成的串聯電路上的輸出路徑。此外，所述驅動電路還包括：可控的第一開關，所述第一開關連接在所述兩個輸入路徑中的一個輸入路徑內；可控的第二開關，所述第二開關連接到所述兩個輸出路徑中的一個輸出路徑；以及可控的第三開關，所述第三開關連接在所述兩個輸出路徑中的另一個輸出路徑內。在所述兩個電容器的共同的節點和所述電感器之間連接有電阻。電流測量裝置被連接在所述兩個輸出路徑中的一個輸出路徑內並且被構造為測量流過所述電感器的電流。在所述電流測量裝置之後連接有開關控制裝置，所述開關控制裝置對流過所述電感器的電流進行評估，並且所述開關控制裝置被構造為：首先在第二開關和第三開關斷開的情況下閉合所述第一開關，以便以參考電壓對包括所述電容器的串聯電路充電，然後斷開所述第一開關同時閉合所述第二開關和所述第三開關，以便通過所述電感器使所述電容器振蕩式地放電，其中，當流過所述電感器的電流經歷了一整個振蕩周期或者多個振蕩周期時，同時再次斷開所述第二開關和所述第三開關。

根據本發明的驅動電路的優點是小的切換開銷和調整開銷、小的電流消耗和較小的幹擾信號輸出。此外利用根據本發明的驅動電路能夠遵守無線電許可規章。

所述第一電容器和所述第二電容器可以相應地具有相同的電容。由此能夠在切換過程期間使得電感器的連接端上的電位的總量基本上保持恆定，這降低了在切換時的輻射。

所述開關控制裝置能夠被構造為：檢測所測量的電流的過零點並且在兩個過零點或者兩個過零點的整數的多倍之後斷開所述第二開關和所述第三開關。過零點的檢測是一種簡單且有效的方式來確定振蕩周期的結束。

所述開關控制裝置能夠具有用於調製信號的調製輸入端並且被構造為根據所述調製信號來控制所述第一開關、所述第二開關和所述第三開關的切換循環，以有利地開拓多種使用可能性。

所述開關控制裝置此外能夠被構造為對於天線電流進行相移鍵控調製或者幅移鍵控調製或者頻移鍵控調製。開關控制裝置在調製時提供的有效品質因數為1，而諧振電路則以高的品質因數並且因此以十分節省能量的方式來運行。

至少所述第一開關、所述第二開關和所述第三開關能夠被實施為可控的半導體元件，由此即使在較高的切換頻率下也能夠以簡單的方式並且以小的開銷來執行切換過程。

所述電流測量裝置能夠被實施為歐姆電阻，由此能夠以簡單的方式並且以小的開銷來對電流進行測量。

所述電流測量裝置也能夠被構造為對所述電容器的串聯電路上的電壓的導數進行評估，如果電流測量不理想或者不可行。

優選地，由所述電容器和所述電感器形成的諧振電路具有一諧振頻率，所述諧振頻率大於用於傳輸的載波頻率。所述諧振頻率例如可以比用於傳輸的載波頻率大5％至30％。

可控的第四開關能夠與所述電容器的串聯電路並聯，能夠以下述方式控制所述第四開關：所述第四開關將所述電容器短路，停用所述驅動電路。於是有利地可以將所定義的電壓加到電容器的串聯電路上的，例如在停用狀態下0V。

所述任務也還通過一種有源發射裝置來解決，所述有源發射裝置具有：感應式天線、第一電容器、與所述第一電容器串聯的第二電容器和參考電壓。此外，所述有源發射裝置包括：兩個輸入路徑，連接在所述參考電壓和所述電容器的串聯電路之間；和兩個輸出路徑，連接在所述感應式天線和所述電容器的串聯電路之間。可控的第一開關連接在所述兩個輸入路徑中的一個輸入路徑內，可控的第二開關連接在所述兩個輸出路徑中的一個輸出路徑內，並且可控的第三開關連接在所述兩個輸出路徑中的另一個輸出路徑內。電阻連接在所述第一電容器與第二電容器的共同的節點和所述電感器之間。此外，電流測量裝置被連接在所述兩個輸出路徑中的一個輸出路徑內，並且測量流過所述感應式天線的電流。在所述電流測量裝置之後連接有開關控制裝置，所述開關控制裝置對流過所述感應式天線的電流進行評估，並且該開關控制裝置被構造為：首先在第二開關和第三開關斷開的情況下閉合所述第一開關，以便以參考電壓對由所述第一電容器和所述第二電容器構成的串聯電路充電，然後斷開所述第一開關同時閉合所述第二開關和所述第三開關，以便通過所述感應式天線使所述電容器振蕩式地放電，其中，當流過所述天線的電流經歷了一整個振蕩周期或者多個振蕩周期時，同時再次斷開所述第二開關和所述第三開關。這種有源發射裝置例如可以有利地使用在無鑰匙進入和啟動系統中、例如無鑰匙啟動進入（PASE）系統中。

附圖說明

接下來藉助於在附圖中示出的實施例來對本發明進行詳細闡述。附圖示出：

圖1示出了在一個應用中用作用於LF信號的有源發射裝置用於電感的驅動電路的電路圖；

圖2示出了驅動電路的電容器上的電壓關於開關的控制信號和調製信號的曲線圖；

圖3示出了在相對於載波頻率的不同諧振頻率的情況下天線上的電壓的曲線圖；

圖4示出了與圖3的電壓曲線相對應的、流過天線的電流的曲線圖；

圖5示出了在一個應用中用作用於LF信號的有源發射裝置的示例性的用於電感的驅動電路的電路圖；

圖6示出了在使用根據本發明的驅動電路時，在相對於載波頻率的不同諧振頻率的情況下天線上的電壓的曲線；

圖7示出了與圖6的電壓曲線相對應的、天線連接端的電壓的總量的曲線；並且

圖8示出了在常規的方波操作和使用根據本發明的驅動電路所產生的諧波的比較圖。

具體實施方式

圖1示出了在一個應用中用作有源發射裝置的用於電感的驅動電路，該電感在當前的情況下通過感應式天線1、例如鐵氧體天線給出。感應式天線1作為替代可以如在圖1中所示出的那樣，通過由純感應部分2和歐姆部分3形成的電串聯電路來描述。感應式天線1在此具有第一天線連接端X1和第二天線連接端X2。電容器4一方面與用於供給參考地M的參考電壓Ur的兩個輸入路徑相連接，並且與用於連接感應式天線1的兩個輸出路徑相連接。在此，在兩個輸入路徑的上面的輸入路徑中連接了可控的第一開關5，其中該第一開關可替代地也可以連接在兩個輸入路徑的下面的輸入路徑中。

與開關5串聯地連接了歐姆電阻6，該歐姆電阻用於在輸入路徑中限制電流。替代歐姆電阻6也可以使用電流源或者其他類型的電流注入器或者電流限制器。在兩個輸出路徑的上面的輸出路徑中連接了可控的第二開關7，並且在兩個輸出路徑的下面的輸出路徑中連接了歐姆電阻8，該歐姆電阻用作用於對流過感應式天線1的電流Ia進行測量的測量電阻，即用作電流測量裝置。替代地，開關7和電阻8也可以布置在相同的輸入路徑中或者相應的輸入路徑可以彼此互換。為了進行電流測量，替代地也可以評估電容器4上的電壓的導數。

此外，驅動電路包括開關控制裝置9，該開關控制裝置對電阻8上的、與流過電阻8的電流Ia並且因此與流過天線1的電流成比例的電壓進行截取，並評估，例如確定電流Ia的過零點。在第二開關7斷開時，在開關控制裝置9的控制下通過控制信號S1閉合第一開關5，以便將電容器4充電到參考電壓Ur。接下來斷開第一開關5並且通過控制信號S2閉合第二開關7，以便通過感應式天線1以振蕩的方式、即以執行至少一個完整的振蕩的方式使電容器4放電，其中只有當流過感應式天線1的電流Ia經歷了一個完整的振蕩周期（或者多個振蕩周期）時，才再次斷開第二開關7。開關控制裝置9還具有用於調製信號MOD的調製輸入端，下面還要對所述調製信號進行詳細探討。

可選地，還可以必要時與串聯的二極體11、電容器4一起直接並聯或者—如所示出的那樣—通過電阻6並聯連接一可控的第三開關10，通過控制信號S3以下述方式控制所述第三開關：第三開關使電容器4短路、即放電，停用驅動電路。

在圖2中示出了對於二進位相移鍵控調製（BPSK調製）的情況，基於控制信號S1、S2和S3，電容器4上的電壓Uc關於時間t的曲線。在開始時，在時刻T0開始對電容器4進行首次充電例如從0V充電到參考電壓Ur，並且與之相對應地，電容器4上的電壓Uc（在當前的情況下指數式地）從例如0V增大到參考電壓Ur。在時刻T1的情況下實現了完全充電。為了在運行條件下即使有小的偏差時也保證完全充電，比時刻T1稍晚地、即在時刻T2在為了充電而閉合的第一開關5（開關7斷開）與為了振蕩式地放電而閉合的第二開關7（開關5斷開）之間進行切換。

因此，在時刻T2開始電容器4的振蕩放電的階段。與之相對應地，現在電容器4上的電壓Uc再次（在當前的情況下餘弦形地）減小，首先達到零並且然後根據由電容器4和天線1形成的諧振電路的行為在時刻T3達到與品質因數有關的振幅的負的最大值，以便然後在時刻T4再次近乎增大到與品質因數有關的振幅的正的相對的最大值。雖然所述正的最大值或多或少地近似等於所述參考電壓Ur，但是其在所有情況下都小於該參考電壓。在振蕩放電階段期間，天線1發射電磁的信號。然後在時刻T4開始再充電階段，其中在時刻T5達到完全充電。但是又出於上面已經列舉的原因，在稍微晚些的時刻T6進行從充電到振蕩放電的切換。隨後包括在時刻T7達到負的最大值在內直至時刻T8又進行振蕩的放電階段。

隨後以時刻T8開始重新進行再充電階段，其中在時刻T9實現了完全充電。但是，隨後進行了一個較長的等待時間直至時刻T11，由於BPSK調製180°的相位移動導致了所述等待時間。為了進行比較在圖2中也還繪出了時刻T10，該時刻指出了時刻T10和T11之間的最小的等待時間。自時刻T11起，又進行振蕩的放電直至時刻T13，其中在時刻T12具有負的最大值。隨後還進行了再充電直至時刻T14，但是由於驅動電路停用在時刻T14藉助於開關10最終放電到大約0V（二極體11上的二極體電壓），使得所述再充電中斷。

根據開關5、7和10的切換行為，控制信號S1在每個充電階段期間（在時刻T0至T1、T4至T6、T8至T11、T13至T14）在電平H上，並且控制信號S2初始在電平L上。在相應接下來的放電階段（在時刻T2至T4、T6至T8、T11至T13），控制信號S1轉到電平L中並且控制信號S2轉到電平H中。控制信號S3直至在時刻T14的最終放電都在電平L上，隨後在電平H上。為了更清楚起見，在按照圖2的實施例中原則上電平H表示開關閉合（導通）並且電平L表示開關斷開（不導通）。但是，取決於單個或者所有實際所使用的開關的類型及其特定的信號切換情況，會得到與之不同的實際的操控信號。

同樣在圖2中示出了引起電容器4上的電壓Uc的、在圖2中示出的曲線的調製信號MOD。調製信號MOD直至時刻T2為電平H，然後直至時刻T3為電平L,在時刻T3為電平H，然後直至時刻T4為電平L，從時刻T4直至時刻T6為電平H，從時刻T6直至時刻T8為電平L，例外是在時刻T7為電平H，從時刻T8直至時刻T11為電平H並且從時刻T11直至時刻T13為電平L，例外是在時刻T13電平為H。因此基本上，調製信號MOD在電容器4的充電階段中並且在電容器4上的電壓Uc出現負的最大值時為電平H，而在其他情況下為電平L。

圖3示出了在兩種不同的諧振頻率F1和F2的情況下在時間t內天線1上的電壓Ua的曲線，其中諧振頻率F1超過所期望的載波頻率5%，並且諧振頻率F2超過所期望的載波頻率20%。圖4示出了對於兩種諧振頻率F1和F2而言在時間t內分別與之相對應的電流曲線Ia，如其例如在電阻8處所示出的那樣。如所料想的那樣，相應的電壓和電流之間的相位移動為大約90°。

在天線1切換到上面所描述的準諧振模式之前，天線1是無電流的（Ia = 0A）。天線電流Ia因此不發生變化並且天線連接端X1、X2這兩者處於相同的電位（例如地電位）上。天線電壓Ua因此初始為0V。如果隨後天線1切換到準諧振模式，則在第二天線連接端X2上的電位不發生變化，而第一天線連接端X1上的電位以下述方式發生變化：天線電壓Ua等於電容器4上的電壓Uc（Ua = Uc）。寄生電容的反向充電在此情況下並不起重要作用。由於在天線1的進一步運行中的損耗降低了最大的電壓Ua，從而在斷開之前不久天線電壓Ua就稍微低於電壓Uc。在斷開準諧振模式之後，天線電壓Ua又突然返回到0V，因為天線電流Ia又返回到0A並且不再變化。

第一天線連接端X1上的電位在接通和斷開準諧振模式時發生變化，而第二天線連接端X2上的電位卻總是保持相同。於是天線電壓Ua在接通和斷開準諧振模式時分別具有一個電壓突變，如在圖3中可看到的那樣。這些電壓突變會導致天線1內以及天線連接端X1、X2和天線導線內的不期望的高的輻射。

藉助於根據圖5的驅動電路能夠減小所述輻射。驅動電路在此基於在圖1中示出的驅動電路。但是與電容器4串聯連接了第二電容器12。如果第一電容器4和第二電容器12相應地具有相同的電容，則在每個電容器4、12上具有電壓Uc/2。

歐姆電阻13連接在第二天線連接端X2和第一與第二電容器4、12的共同的節點之間。此外，在第二天線連接端X2和電阻8之間連接了可控的第四開關14。能夠藉助於由開關控制裝置9提供的控制信號S4斷開或閉合可控的第四開關14。控制信號S4在此基本上對應於控制信號S2。也就是說，可控的第四開關14基本上同時隨著可控的第二開關7斷開或閉合。但是在這兩個控制信號S2、S4之間可能有較小的偏差。

在當前的實施例中作為可控的開關5、7、10和14使用場效應電晶體、尤其是MOS-場效應電晶體（MOS是術語金屬氧化物半導體「metal oxide semiconductor」的簡稱），其中可控的開關5是p溝道型的MOS-場效應電晶體，而可控的開關7、10和14則是n溝道型的。除了所指明的MOS-場效應電晶體之外（任何導通類型），還可以使用所有其他類型的合適的可控的開關、尤其是可控的半導體開關，當然也可以結合相應的驅動器、自舉電路、電荷泵或類似物。

如果第二開關7和第四開關14閉合，則準諧振振蕩參照圖2如上面所介紹的那樣進行。於是在斷開天線1之前，在天線1上有電壓Ua，該電壓由於損耗稍微低於電容器4、12上的電壓Uc。如上面已經介紹過的那樣，天線1在斷開之後又無電流（Ia = 0）。因為在斷開天線1之後斷開了第二開關7和第四開關14，所以由於電阻13使得在第一天線連接端X1上的電位由Uc改變為Uc/2。此外，在第二天線連接端X2上的電位也由地電位改變為Uc/2。在圖6中示出了所合成的天線電壓Ua關於時間的曲線。

於是天線連接端X1、X2上的電位的總和Ux在驅動電路中的切換過程期間沒有明顯變化。例如會由於操控信號S2、S4的微小的偏差產生微小的變化，這種偏差通常是不可避免的。在圖7中示出了電位的總和Ux關於時間的曲線。因為天線連接端X1、X2上的電位的總和在切換過程中不發生（明顯）變化，所以通過切換過程引起的輻射很大程度上減小為零。

在圖8中以諧波的振幅A關於頻率f示意性地示出了在通過天線1輻射的信號的頻譜內所得到的諧波，其中對於這兩種情況而言都以具有相同振幅（未示出）的基本振蕩為出發點。如可以看到的那樣，當前的方法相比於已知的使用矩形波信號的方法在由諧波貢獻的能量方面明顯更有利，也就是說，產生了更小的幹擾能量並且由此在電磁兼容性（EMV）方面更加有利。

根據本發明的驅動電路以及根據本發明的有源發射裝置的優點是：EMV輻射相對非常低，並且遵守了無線電許可規章。

附圖標記列表：

1 感應式天線

2 感應部分

3 歐姆部分

4 第一電容器

5 可控的開關

6 歐姆電阻

7 可控的開關

8 電流測量裝置

9 開關控制裝置

10 可控的開關

11 二極體

12 第二電容器

13 歐姆電阻

14 可控的開關

Ur 參考電壓

Uc 電容器上的電壓

Ua 天線電壓

Ux 天線連接端的電位的總和

Ia 天線電流

X1 第一天線連接端

X2 第二天線連接端

S1 控制信號

S2 控制信號

S3 控制信號

S4 控制信號

MOD 調製信號

F1 第一諧振頻率

F2 第二諧振頻率