电平转换器以及用于在车辆控制设备中转换电平值的方法与流程

本发明涉及一种用于车辆控制设备的电平转换器以及一种用于在车辆控制设备中转换电平值的方法，并且尤其涉及一种安全关键的系统中的三态电平转换器(具有3个状态)。

背景技术：

在汽车技术中并且尤其在安全关键的系统中，经常需要将电平值置于多个可调整的水平或状态上。例如，电压值是0v或5v，或者是高阻态。安全关键的系统例如包括：abs(abs＝防抱死系统)、ebs(ebs＝电子制动系统)、esp(esp＝电子稳定程序)或变速器调节器。

例如使用所提及的转换到三个状态(所谓的三态系统)来加载具有三个不同电压值的模拟信号或将模拟信号置于所定义的电平水平上。借助信号线路(计算机端口)例如在ebs5.x和ebs7中触发切换到各个电压值。同样可能的是，借助集成电路和一个计算机端口实现具有两个电压电平的电平转换，或者借助两个计算机端口实现具有三个电压电平的电平转换。

然而，需要借助仅一个信号线路来对三个电压值(三态)进行电平转换。此外，应该在所述电平转换时更多地节省成本和资源。

技术实现要素：

传统系统的上述问题的至少一部分通过根据权利要求1所述的电平转换器以及根据权利要求13所述的用于转换电平值的方法来解决。

本发明涉及一种用于车辆控制设备的电平转换器。该电平转换器包括第一电压连接端、第二电压连接端、输入连接端和至少一个输出连接端。此外，该电平转换器包括第一开关和第二开关。第一开关构造用于对第一电压连接端与至少一个输出连接端(或输出连接端中的一个)之间的第一电流路径进行通断。第二开关构造用于对第二电压连接端与至少一个输出连接端(或输出连接端中的另一个)之间的第二电流路径进行通断。第一开关和第二开关响应于输入连接端上的不同电平水平如此通断，使得：(i)在输入连接端上施加第一电平水平的情况下，第一开关闭合并且第二开关断开，并且(ii)在施加第二电平水平的情况下，第一开关断开并且第二开关闭合。

在本发明的范畴内，连接在两个元件之间的开关应该理解为如下电构件：所述电构件响应于控制信号使两个元件之间(例如第一电压连接端/第二电压连接端与相应的输出连接端之间)的电流路径断开或闭合。第一开关和第二开关可以互补地响应于输入连接端上的电平水平的变化而进行通断。例如可以在电平水平变化时并行地进行通断，但是也可以时间错位地(串行地)进行通断。但两个开关不应同时闭合。

然而，第一开关和第二开关可以构造成：在输入连接端上施加第三电平水平的情况下，两个开关断开。可选地，第三电平水平可以处于第一电平水平与第二电平水平之间。

电平水平例如可以理解为确定的电压值。但是应当理解的是，电平水平可以处于电压值的确定范围内，其中，对于所提及的范围内的任意电压，都采取定义的电路状态(断开或闭合)。因此，三个电平水平可以定义输入连接端上的电压值的三个范围，对于这三个范围在输出连接端上达到期望的电平值。对于多个输出连接端而言，多个输出连接端中的至少一个始终是高阻的，并且在另一输出连接端上(所述另一输出连接端不是高阻的)存在相应的电平值。通过第一电压连接端和第二电压连接端上的电压值实现期望的电平值。输入连接端上的三个电平值尤其不需要与第一电压连接端和第二电压连接端上的电压值相关联。例如，在输入连接端上的low(high)电平水平可以导致输出连接端上的high(low)电平水平。

在其他实施例中，可以设置实现通断操作的操控电路。开关本身以及操控电路可以具有不同的构件(例如一个或多个晶体管)，使得各个通断操作原则上能够任意地配置。因此，输入连接端上的low(high)电平水平也可以导致输出连接端上的low(high)电平水平。

第一开关和第二开关可以分别具有控制连接端，以便响应于控制信号分别使第一开关第二开关通断。可选地，电平转换器包括操控电路，所述操控电路具有参考电压单元，该参考电压单元用于操控第一开关和第二开关的控制连接端。参考电压单元例如构造用于提供第三电平水平，使得在输入连接端切换到高阻的情况下，第一开关和第二开关断开。通过参考电压单元实现：当在输入连接端上未施加信号(即输入连接端是高阻的)时，第一开关和第二开关断开。

可选地，操控电路包括以下：第三开关，其连接在输入连接端与第一开关的控制连接端之间；第四开关，其连接在输入连接端与第二开关的控制连接端之间。在输入连接端上施加第一电平水平的情况下，第三开关可以闭合。在输入连接端上施加第二电平水平的情况下，第四开关可以闭合。可选地，参考电压单元包括带有第三电压连接端和第四电压连接端的分压器，以便提供用于实现第三电平水平的参考电压。

可选地，分压器、第一开关和第二开关能够借助以下电压驱动：在第三电压连接端上可以施加3v至5v之间的范围内的电压，在第四电压连接端上并且在第二电压连接端上可以施加地电位，并且在第一电压连接端上可以施加至少5v(或10v、12v、20v、32v…)的电压。

可选地，第一开关和/或第二开关和/或第三开关和/或第四开关是或包括晶体管，其中，第一开关的晶体管与第二开关的晶体管互补，并且第三开关的晶体管与第四开关的晶体管互补。晶体管可以是双极型晶体管或场效应晶体管(fet)。

可选地，电平转换器包括多个电阻，所述多个电阻具有以下电阻中的一个或多个电阻：

-第一电阻，其处于输入连接端(或第三开关)与第一开关的控制连接端之间，

-第二电阻，其处于输入连接端(或第四开关)与第二开关的控制连接端之间，

-第三电阻，其处于第一开关的控制连接端与第一电压连接端之间，

-第四电阻，其处于第二开关的控制连接端与第二电压连接端之间，

-第五电阻，其处于输入连接端与第三开关和/或第四开关的控制连接端之间，

-第六电阻，其处于第三电压连接端与第三开关的控制连接端之间，

-第七电阻，其处于第四电压连接端与第四开关的控制连接端之间。

此外，电平转换器可以具有第一开关与第二开关之间的第八电阻。同样，电平转换器在第一开关与输出连接端之间可以具有二极管，该二极管构造用于防止输出连接端与第一电压连接端之间的回流电流(即与第一开关闭合情况下的电流流向相反)。

可选地，至少一个输出连接端可以具有两个输出连接端——即包括一个输出连接端和另一个输出连接端，其中，第一开关和第二开关能够响应于输入连接端上的不同电平水平如此通断，使得输出连接端中的至少一个切换到高阻。

本发明还涉及一种车辆(尤其商用车)的控制设备，该控制设备具有前述电平转换器中的一个。本发明还涉及一种具有这种控制设备的商用车。

此外，本发明涉及一种用于在车辆控制设备中转换电平值的方法。该方法包括以下步骤：

-通过第一开关对第一电压连接端与一个输出连接端或输出连接端中的一个之间的第一电流路径进行通断；

-通过第二开关对第二电压连接端与一个输出连接端或输出连接端中的另一个之间的第二电流路径进行通断；

其中，使第一开关和第二开关响应于输入连接端上的不同电平水平如此通断，使得

-在输入连接端上施加第一电平水平的情况下，第一开关闭合并且第二开关断开，

-在施加第二电平水平的情况下，第一开关断开并且第二开关闭合。

本发明还涉及一种上述电平转换器中的一个的应用，所述电平转换器用于测试控制设备、尤其用于确定短路。通过不同的电平值，(例如通过电流测量)能够确定针对不同电势水平的短路——即存在对地短路还是存在对运行电压的短路。

与现有技术相比，所述实施例尤其提供以下优点：

-需要仅一个信号线路(计算机pin)来执行3态电平转换。这导致节省计算器资源。

-电平转换器可以使用分立的构件，使得可以转换到任意输出电压。

-原则上可以执行将电平转换到任意电平值，尤其也转换到高于输入电压的电平值。

-通过借助三个输入电平——例如low(0v)、断开(高阻)和high(例如5v)——周期性地操控电路，可以将电平转换器用于测试目的，其中，借助相应的电压电平有针对性地操控待测试的电路，以便确定，针对哪个电势水平产生短路。

-不需要特殊构件。

-例如可以在不具有大量开销的情况下实现对模拟信号、末级或电压限制电路的监测。

从不同实施例的以下详细描述和附图更好地理解本发明的实施例，然而，所述实施例不应理解为将本发明局限于特定的实施方式，而是仅仅用于阐述和理解。

附图说明

图1示出根据本发明的一种实施例的电平转换器的原理性电路图；

图2示出借助作为开关的互补晶体管的具体实现的实施例；

图3示出图2中的实施例的其他可选细节；

图4示出具有两个输出连接端的电平转换器的另一实施例。

具体实施方式

图1示出根据本发明的一种实施例的电平转换器的原理性电路图。该电平转换器例如可以用于车辆控制设备或在车辆控制设备中使用，并且该电平转换器包括：第一电压连接端110、第二电压连接端120、输出连接端out、输入连接端in、第一开关110和第二开关120。第一开关s1用于对第一电压连接端110与输出连接端out之间的第一电流路径进行通断。第二开关s2用于对第二电压连接端120与输出连接端out之间的第二电流路径进行通断。第一开关s1和第二开关s2能够响应于输入连接端in上的不同电平水平如此通断，使得(i)在输入连接端in上施加第一电平水平的情况下，第一开关s1闭合并且第二开关s2断开，(ii)在施加第二电平水平的情况下，第一开关s1断开并且第二开关s2闭合。

第一电平水平例如可以是高电压并且第二电平水平例如可以是低电压。此外，第一开关s1和第二开关s2可以如此选择，使得在(处于第一电平水平与第二电平水平之间的)第三电平水平的情况下，第一开关和第二开关断开。

此外，第一开关s1和第二开关s2分别包括控制连接端，这两个控制连接端耦合到输入连接端in上。在所述控制连接端上例如施加有所提及的电平水平，以便实现期望的通断操作。

因此，所示出的电平转换器能够通过有针对性地操控输入连接端in而在输出连接端out上实现三个状态。第一状态例如通过如下方式给定：不仅第一开关s1、而且第二开关s2断开，使得输出连接端out是高阻的(未施加有所定义的电压值)。例如可以通过如下方式实现第二状态：闭合第一开关s1，但第二开关s2保持断开，这通过输入连接端in上的相应的电平值实现。所述第二状态导致：在输出连接端out上施加第一电压连接端110的电压值+v。可以通过断开第一开关s1并且闭合第二开关s2的方式实现第三状态，这导致输出连接端out上的电平值被置于如下电压上：所述电压施加在第二电压连接端120上(例如地电势)。可以任意地选择第一电压连接端110上的电压v+。

例如可以通过如下方式实现所述电路图：开关s1、s2彼此互补地构造，也就是说总是存在如下电平值：对于所述电平值，一个开关断开并且另一开关闭合，但是两个开关不能同时闭合。但是可选地，两个开关能够都断开(例如当在输入连接端in上未施加定义的电压值时)。

例如可以在输入连接端in上连接一开始所提及的计算机端口(信号线路)，使得电平转换器能够借助所述信号线路所控制。

图2示出用于所提及的互补的通断操作的一种可能的实现方式。为此，第一开关s1构造为第一晶体管并且第二开关s2构造为第二晶体管，第一晶体管和第二晶体管彼此互补。例如可以涉及双极型晶体管，其中，第一晶体管s1是pnp(或npn)晶体管，而第二晶体管s2相应地是npn(或pnp)晶体管。当然，也可以通过场效应晶体管替代所示出的双极型晶体管。

在图2的实施例中，电平转换器还包括操控电路200，所述操控电路承担第一开关s1和第二开关s2的操控。在此，操控电路200包括用于输入连接端in的输入端和至少两个输出端，所述至少两个输出端中的一个耦合到第一开关s1的控制连接端(双极型晶体管的基极)上，并且其中第二个耦合到第二开关s2的控制连接端(双极型晶体管的基极)上。

此外，操控电路200包括第三开关s3和第四开关s4。第三开关s3和第四开关s4分别包括与输入连接端in电连接的控制连接端。此外，第三开关s3连接在输入连接端in与第一开关s1的控制连接端之间。第四开关s4以类似的方式连接在输入连接端in与第二开关s2的控制连接端之间。

操控电路200同样包括参考电压单元220，所述参考电压单元给第三开关s3的控制连接端并且给第四开关s4的控制连接端提供电压值，更确切地说，对于在输入连接端in上未施加定义的电平值的情况下提供电压值。参考电压单元220例如是分压器，该分压器将第三电压值(例如3.3v)转换到预确定的电压值上，所述预确定的电压值如此选择，使得在输入连接端in高阻的情况下，第三开关s3和第四开关s4都断开，并且在第一开关和第二开关s1、s2的两个控制连接端上都施加第三电平值，使得断开第一开关和第二开关。

最后，图2中的电平转换器总共包括例如可以按照如下方式布置的八个电阻。第一电阻r1布置在第一开关s1的控制连接端与第三开关s3之间(例如在示例性晶体管的源极连接端或漏极连接端上)。第二电阻r2布置在第二开关s2的控制连接端与第四开关s4之间(例如在示例性晶体管的源极连接端或漏极连接端上)。第三电阻r3布置在第一电压连接端110与第一开关s1的控制连接端之间。第四电阻r4连接在第二电压连接端120与第二开关s2的控制连接端之间。第五电阻r5连接在输入连接端in与第三开关s3的或第四开关s4的控制连接端之间。第六电阻r6和第七电阻r7是示例性的参考电压单元220中的分压器的一部分并且串联地连接在第三电压连接端130与第四电压连接端140之间，其中，在第六电阻r6与第七电阻r7之间构造有至第三开关s3和第四开关s4的控制连接端的电流路径。在第一开关s1与第二开关s2之间(例如在第一开关s1与输出连接端out之间)，可选地布置有第八电阻r8。例如在输入连接端in上进行切换的情况下(从low到high或反之)，第八电阻r8限制第一电压连接端110与第二电压连接端120之间的电流。

在图2的实施方式中，所有开关，也就是说第一开关s1、第二开关s2、第三开关s3和第四开关s4示例性地由晶体管构成(双极型晶体管或场效应晶体管)，其中，不仅第一晶体管s1与第二晶体管s2互补，而且第三晶体管s3与第四晶体管s4互补。

图3示出电平转换器的另一实施例，其中，该实施例的不同之处仅在于：在第八电阻r8与输出连接端out之间设有可选的二极管d1，所述可选的二极管防止可能从输出连接端out向第一电压连接端110流动的电流或应至少限制所述流。在其他方面，所有另外的元件以与在图2中相同的方式构造，从而不需要重复描述。

图4示出具有两个输出连接端out1、out2的电平转换器的另一实施例，其中，第一开关s1对第一电压连接端110与输出连接端中的一个out1之间的第一电流路径进行通断。第二开关s2对第二电压连接端120与输出连接端中的另一个out2之间的第二电流路径进行通断。但是，所述通断操作进一步如此进行，使得所述输出连接端out1、out2中的至少一个始终切换到高阻。所有另外的元件以与在前述实施例中相同的方式构造。尤其可以沿第一电流路径和/或沿第二电流路径(例如在第一开关/第二开关s1、s2与相应的输出端out1/out2之间)再次设置第八电阻r8或二极管d1。通过两个输出连接端out1和out2的简单连接，产生前述配置。

在第一电压源110上可以如上所述地施加约5v的电压值。但是，也可以在那里施加更高的电压值(原则上任意电压值)。因此，例如可以在那里施加约10v、20v或32v的电压值。在第二电压连接端120上并且在第四电压连接端140上例如施加参考电压(例如接地)，并且在第三电压连接端130上施加示例性的3.3v的电压值。由于分压器，例如将3.3v的电压值分成1.65v的电压值，这导致：当输入连接端in断开或在那里同样施加有约1.65v的电压值时，不仅第三开关s3而且第四开关s4断开，并且因此输出连接端out是高阻的。取决于所使用的用于开关s1、...、s4的晶体管，对于确定的电平值实现通断动作。可以通过如下方式定义第一电平值：在输入连接端上施加0v(接地)直至第一高电压值(例如1.2v)。在第一电压值与第二电压值(例如2v)之间，输出连接端out是高阻的，并且在高于第二电压值(例如2v)的情况下，输出连接端out被置于接地。

例如可以按照如下方式选择电阻。第一电阻r1可以具有21.5kω的值，第二电阻r2可以具有4.64kω的值，第三电阻、第四电阻和第五电阻r3、r4、r5可以具有分别10kω的电阻值，第六电阻和第七电阻r6、r7可以分别具有4.64kω的值，并且第八电阻具有464ω的值。这些值仅应示例性地理解并且可以在其他实施例中不同于此地选择。

所提及的电阻值和电压值仅应示例性地理解并且可以相应地调整到任意其他值上。所有所提及的值尤其可以包括±3％或±10％或±50％的容差范围。

可以通过电阻根据所使用的晶体管来调整相应的如下范围：在所述范围中，由电平转换器采纳三个状态。例如可以在输入连接端in上使用0v至3.3v的电压值，以便对三个期望状态进行切换。如所述那样，在1.2v至2v之间的电压范围内，第三开关和第四开关s3、s4可以断开，使得第一开关和第二开关s1、s2也断开，并且在输出连接端out上未施加定义的电压值(状态是断开)。如果在输入连接端in上施加近似0v(接地)或小于1.2v的电压值，则例如第三开关s3可以闭合并且第四开关s4(因为两个开关彼此互补)断开，这导致：第一开关s1闭合并且第二开关断开，使得在输出连接端out上施加第一电压连接端110的电压值v+。如果在输入连接端in上施加大于2v或近似3.3v的电压值，则第三开关s3断开并且第四开关s4闭合，这导致第二开关s2闭合(并且第一开关s1断开)，从而导致在输出连接端out上施加第二电压源120的地电位。

所提及的功能也可以总结如下：

1.如果将输入连接端in断开，或如果计算机端口连接到输入端上，则开关s1至s4不导通并且输出端out是高阻的。

2.如果将输入连接端in置于接地(或参考电势gnd或low)，则开关s1和s3导通并且输出端out处于第一电压连接端110的第一电压值+v上(减去第一开关s1的以及可能存在的二极管d1的饱和电压)。

3.如果在输入连接端in上增大电压(例如到high)并且增大到大于r6/r7上的电压+0.8v，则开关s2和s4导通并且输出连接端out处于第二开关s2的饱和电压上。

如果与第一电压连接端110上(也就是说+v)相比，要在输出连接端out上施加更高的电压，则二极管d1仅用作短路保护。第八电阻r8用于限制交叉漏电流，所述交叉漏电流可能存在于在输入连接端in上的高电压水平与低电压水平之间切换的情况下。

本发明的在说明书、权利要求书和附图中公开的特征不仅可以单独地而且可以以任意组合的方式对于本发明是重要的。

附图标记列表

110、120、…电压连接端

s1、s2、…开关

r1、r2、…电阻

d1二极管

in输入连接端

out、out1、…一个或多个输出连接端

200操控电路

220参考电压单元