專利名稱：帶有與檢測(cè)排氣中氧含量的傳感器相連的可變電阻的加熱器控制電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種控制電路，用于帶有與檢測(cè)排氣中氧含量的傳感器相連的可變電阻的加熱器，特別是用于汽車的內(nèi)燃機(jī)。
更具體地說(shuō)本發(fā)明的主題是一種控制電路，包括測(cè)量電阻器，實(shí)際上可與加熱器串聯(lián)；檢測(cè)器裝置，與所述測(cè)量電阻器相連，用于提供表示在該電阻器中從而也是在該加熱器中流過(guò)的電流的信號(hào)；多個(gè)氧傳感器或拉姆達(dá)探針，通常用在汽車催化轉(zhuǎn)換器中，用于測(cè)量在排氣中存在的氧含量；只有當(dāng)其溫度足夠高時(shí)拉拇達(dá)探針才能正確地工作。通過(guò)排氣的高溫來(lái)確保正常的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。
開始時(shí)，與傳感器相連的加熱器啟動(dòng)，產(chǎn)生附加熱量，從而很快地加熱傳感器并限制排放。
加熱器的電阻隨溫度增加而增加(PTC類)，它的值從啟動(dòng)時(shí)的最小逐步增加到氣體溫度穩(wěn)定時(shí)的很高的穩(wěn)定值。
在開始階段加熱器吸收的電流比穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的大小還要高出一個(gè)量級(jí)。自然，這個(gè)電流還依賴于供電電壓(電池電壓)。
現(xiàn)在的對(duì)排放(廢氣)的O.B.D.II標(biāo)準(zhǔn)要求拉姆達(dá)探針的工作溫度保持在很好限定的范圍內(nèi)。簡(jiǎn)單地通過(guò)選擇加熱器的電阻值和/或通過(guò)它的自動(dòng)補(bǔ)償不能滿足這個(gè)要求。
通過(guò)精確地檢測(cè)流經(jīng)與加熱器相連測(cè)量電阻器的電流可監(jiān)測(cè)加熱器的官能性，而且如果需要，可從而推導(dǎo)出用于隨后調(diào)整操作的探針的官能性。
鑒于由O.B.D.II標(biāo)準(zhǔn)施加的嚴(yán)格容限，該電流測(cè)量必須非常精確，但這與對(duì)于測(cè)量電阻的阻值的兩個(gè)對(duì)立要求相矛盾。
事實(shí)上，由于高的初始電流，這個(gè)電阻器必須具有很低的阻值。然而，在穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)電流較低是，具有低阻值的測(cè)量電阻器上的電壓降只有幾毫伏(mv)，產(chǎn)生了大的測(cè)量誤差，而且由于與有用信號(hào)比較不能忽略的偏移和漂移也使誤差上升。
在另一方面，具有高阻值的測(cè)量電阻器的使用，在緊跟著啟動(dòng)的階段將產(chǎn)生加熱器的效率損失(需要較長(zhǎng)時(shí)間才能到穩(wěn)定態(tài))，特別是在初始階段測(cè)量電阻器將產(chǎn)生大的功率耗散，具有明顯的尺寸問(wèn)題。
本發(fā)明的目的是提供一種改進(jìn)的加熱器控制電路，該加熱器帶有與氧傳感器相連的可變電阻。它解決了上述的問(wèn)題，特別是，適用于使傳感器工作在最均勻的可能溫度，從而保證了精確可靠的測(cè)量。
根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)上述的這種控制電路。達(dá)到了這個(gè)和其它目的，它的主要發(fā)明特征具體地限定在權(quán)利要求1中。
根據(jù)本發(fā)明，因?yàn)樵诩訜崞髦辛鬟^(guò)的電流只有在它基本達(dá)到穩(wěn)定值后才通過(guò)這個(gè)電阻器，故該測(cè)量電阻器可以是最佳尺寸。
通過(guò)下面結(jié)合附圖給出非限制性實(shí)施例的詳細(xì)描述，將使本發(fā)明控制電路的其它特征和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，其中

圖1表示控制排放系統(tǒng)的方框力，具有與汔車內(nèi)燃機(jī)相連的電阻加熱器的探針；圖2表示作為時(shí)間函數(shù)的電流曲線的實(shí)例，相對(duì)于可與探針相連的各種加熱器的給出電源電壓；圖3表示本發(fā)明控制電路的一實(shí)施例的電路圖；圖4是由四個(gè)曲線構(gòu)成的一組，表示在電路的第一操作方法中，在圖3的電路中的一些信號(hào)曲線的實(shí)例；圖5是由四個(gè)曲線構(gòu)成的另一組，表示在電路操作的第二方法中，在圖3的電路中產(chǎn)生的信號(hào)；圖6表示根據(jù)本發(fā)明的控制電路的一種變型的電路圖7是一組曲線圖，表示圖6的電路中一些信號(hào)曲線的實(shí)例。
圖1的框圖的形式表示一個(gè)用于控制汽車內(nèi)燃機(jī)12的排放的系統(tǒng)11。
該系統(tǒng)11與燃油噴射系統(tǒng)13和催化轉(zhuǎn)換器14結(jié)合工作。它包括傳感器15(拉姆達(dá)探針)，用于檢測(cè)與電加熱器16相聯(lián)系的排氣中的氧；和電子控制單元17。包含有微處理器18。
拉姆達(dá)探針15能提供表示排氣中氧含量的信號(hào)。
電子單元17采用這些信號(hào)調(diào)整噴射系統(tǒng)13，以達(dá)到最佳的氣-油比。
探針15與電加熱器一起安裝在轉(zhuǎn)換器14中。這個(gè)加熱器包括一個(gè)電阻器Rr1(見圖3)，它的第一端連接到直流電壓源的一個(gè)極端，比如汽車電池的正極端。
電子單元17包括一控制電路19，與加熱器16相連，并連接到加熱器電阻器Rr1的另一端，以控制這個(gè)電阻對(duì)地的連接。電阻器Rr1的阻值隨溫度正向可變的。
圖2示出三個(gè)曲線I、II和III，代表分別對(duì)應(yīng)于5W，12W和18W三個(gè)不同功率耗散的該電阻器的三個(gè)可能阻值的作為時(shí)間函數(shù)T的電阻器Rr1中的電流Ir1。
可以看出，不管加熱器的類型或阻值如何，電流Ir1都是從加熱器啟動(dòng)時(shí)的最大值逐漸變化到穩(wěn)定時(shí)的最小值，該最小值比其最大值幾乎低一個(gè)數(shù)量級(jí)。
參照?qǐng)D3，本發(fā)明的控制電路19具有監(jiān)視加熱器16的電阻器Rr1中的電流Ir1的用途。該電路連接到測(cè)量電阻器Rs的一端(分路)，電阻Rs的另一端接地，該電路包一放大器20，連接到測(cè)量電阻器Rs和由微處理器18驅(qū)動(dòng)的開關(guān)裝置21和22。
放大器20是一運(yùn)算放大器，它的輸入端通過(guò)包括電阻Rf和電容Cf的低通濾波器連接到測(cè)量電阻器Rs。放大器20的輸出端在微處理器18的模/數(shù)轉(zhuǎn)換輸入端A/D上提供了表示電流Ir1的信號(hào)。
開關(guān)裝置21、22包括，比如，與各自的驅(qū)動(dòng)器電路23，24相連的兩個(gè)晶體管PW1和PW2。晶體管PW1和PW2最好是MOS功率型，它們的漏極連接到加熱器16的電阻器Rr1。
PW1的源極直接接地，而PW2的源極通過(guò)測(cè)量電阻Rs接地。
驅(qū)動(dòng)器電路23和24的各自輸入端連接到微處理器18的對(duì)應(yīng)輸出端IN1和IN2。將齊納二極管插在每一晶體管PW1和PW2的漏極和柵極之間。用于保護(hù)由于加熱器供電線中的感應(yīng)作用可能產(chǎn)生的過(guò)壓。
由微處理器18驅(qū)動(dòng)的開關(guān)裝置21和22對(duì)于電阻器Rr1到地的連接限定了兩個(gè)不同的路徑。具體地說(shuō)，如果PW1導(dǎo)通及PW2截止，電阻器Rr1通過(guò)PW2和測(cè)量電阻Rs接地。在第二種情況，電阻器Rs檢測(cè)流過(guò)加熱電阻器Rr1中的電流Ir1。
根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思，對(duì)加熱器16的控制提供了微處理器18，使得啟動(dòng)時(shí)品體管PW1暫時(shí)導(dǎo)通。微處理器18具有一相連的存儲(chǔ)器，在其中限定了加熱器16和拉姆達(dá)探針15達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的足夠的預(yù)定時(shí)間長(zhǎng)度。
在啟動(dòng)之后，當(dāng)預(yù)定的時(shí)間經(jīng)過(guò)時(shí)，微處理器18轉(zhuǎn)換開關(guān)21和22，使PW1截止，使PW2導(dǎo)通。在這種情況下。流經(jīng)加熱器16中的電流Ir1通過(guò)晶體管PW2和測(cè)量電阻器Rs，微處理器18在其輸入端A/D得到表示電流Ir1大小的信號(hào)。
圖4示出了驅(qū)動(dòng)晶體管PW1和PW2的信號(hào)VIN1和VIN2，電流IR1，和運(yùn)算放大器20的輸出電壓VOP的曲線的實(shí)例。晶體管PW1具有的尺寸，使其能承受由于加熱器類型改變，以及供電電壓Vbat和初始溫度的改變，而產(chǎn)生的Ir1的最大瞬時(shí)強(qiáng)度。
在另一方面，晶體管PW2其大小可以承受當(dāng)加熱器16達(dá)到穩(wěn)定溫度時(shí)電流Ir1的最大強(qiáng)度。
測(cè)量電阻Rs的大小依次是使在穩(wěn)定時(shí)運(yùn)算放大器20在它的最佳工作狀態(tài)。
上述的轉(zhuǎn)換定時(shí)在晶體管PW2導(dǎo)通前使晶體管PW1截止。在這種情況下，在電流值Ir1獲得之前和以后在加熱器16中的電流Ir1暫時(shí)截止。然而這對(duì)拉姆達(dá)探針的溫度并沒有明顯的影響。實(shí)際上，與晶體管PW1和PW2的很短的轉(zhuǎn)換時(shí)間相比，加熱器具有很高的熱惰性。
然而，通過(guò)在PW1截止之前使PW2導(dǎo)通，并且在PW2截止之前使PW1導(dǎo)通，可以避免在轉(zhuǎn)換期間加熱器中的電流中斷。在圖5中所示的信號(hào)曲線的實(shí)例對(duì)應(yīng)于這種操作方法。
在此時(shí)，如果將用于檢測(cè)對(duì)地短路的電路(未示出)與晶體管PW1和PW2相連時(shí)，則在它們同時(shí)導(dǎo)電的期間將是一個(gè)不規(guī)則的表示。實(shí)際上，兩個(gè)晶體管各個(gè)漏極都短路，當(dāng)PW1導(dǎo)電時(shí)PW2對(duì)地短路，相反，當(dāng)PW2導(dǎo)通過(guò)PW1對(duì)地短路?？梢詫⑦@種不規(guī)則的表示抵消。
圖6的變型涉及圖1中的25所示的，為控制排放使用又一拉姆達(dá)探針的情況。
在圖1和6，對(duì)上述的部件和元件標(biāo)以同樣的標(biāo)號(hào)。
除了與第一拉姆達(dá)探針15相連的加熱器16之外，現(xiàn)提供了與第二拉姆達(dá)探針25相連的第二加熱28，包括電阻器Rr2，它的阻值也是PTC類型的。電阻器Rr2有一端連接到電源。
在圖1和6中的29所示的兩個(gè)探針的控制電路包括與上述的用于控制加熱器16和開關(guān)21，22的電路19相同的第一部分，和用于監(jiān)視與第二拉姆達(dá)探針相連的加熱器28中的電流Ir2的附加部分。
電路29連接到微處理器32，微處理器32與微處理器18相似，除了輸入端A/D和輸出端IN1和IN2之外，還具有另兩個(gè)輸出端IN3和IN4，用于與加熱器28(Rr2)相連的兩個(gè)另外的開關(guān)31和32。通過(guò)微處理器32的時(shí)間分配交替地檢測(cè)電流Ir1和Ir2，以及交替地控制兩個(gè)加熱器16和28。
實(shí)際上與圖3的電路19相比，其驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)是復(fù)制的，而優(yōu)點(diǎn)是這里只有一個(gè)用于檢測(cè)電流的電路部分。
實(shí)際上，當(dāng)要獲得它的強(qiáng)度時(shí)，微處理器32可每一次處理通過(guò)測(cè)量電阻Rs的兩個(gè)加熱器之一的電流Ir1或Ir2。
具體地說(shuō)，如開關(guān)21和22，開關(guān)30和31可包括晶體管PW3和PW4，和各自的驅(qū)動(dòng)器電路33和34。晶體管PW3和PW4最好也是MOS功率型，它們的漏極連接到加熱器的電阻器Rr2。
PW3的源極直接接地，而PW4的源極通過(guò)分路電阻Rs接地。
將驅(qū)動(dòng)器33和34依次插在PW3和PW4的柵極與微處理器32的輸出端IN3和IN4之間。微處理器32的安排使得對(duì)于加熱器的每個(gè)啟動(dòng)時(shí)，PW1和PW3相繼導(dǎo)通，PW2和PW4保持截止。然后，在晶體管PW3和PW4的狀態(tài)無(wú)任何變化的情況下，使PW1截止，PW2導(dǎo)通，對(duì)加熱器16從而也是對(duì)拉姆達(dá)探針15一個(gè)足夠的時(shí)間之后，達(dá)到了穩(wěn)定的溫度。流經(jīng)加熱器16中的電流Ir1現(xiàn)在通過(guò)晶體管PW2和測(cè)量電阻器Rs。
然后，微處理器32獲得電流Ir1的值，然后晶體管PW1和PW2返回到初始狀態(tài)，使電流Ir1直接流到地。
其后，至少讓加熱器28和拉姆達(dá)探針25達(dá)到穩(wěn)定的溫度，并且在晶體管PW1和PW2的導(dǎo)通無(wú)中斷，當(dāng)PW4導(dǎo)通時(shí)使PW3截止?，F(xiàn)在在加熱器28中流過(guò)的電流Ir2通過(guò)晶體管PW4和測(cè)量電阻Rs，微處理器32獲得電流Ir2的強(qiáng)度。然后，晶體管PW3和PW4返回到初始狀態(tài)，使電流Ir2直接流到地。
可對(duì)微處理器32進(jìn)行適當(dāng)?shù)鼐幊蹋员阒芷谛缘孬@得電流Ir1和Ir2的值，重復(fù)上述的序列。
圖6的電路變型，流經(jīng)加熱器18和26中的電流Ir1和Ir2，在讀出之前和之后也被暫時(shí)中斷而對(duì)溫度沒有明顯的影響。
可在單個(gè)定做的集成電路中制成對(duì)兩個(gè)加熱器16和28的電流Ir1和Ir2執(zhí)行控制和監(jiān)視功能的電路29。
圖7表示對(duì)于圖6電路的驅(qū)動(dòng)器信號(hào)VIN1，VIN2，VIN3和VIN4，電流Ir1和Ir2，以及運(yùn)算放大器20的輸出電壓VOP等曲線的實(shí)例。
晶體管PW3的大小使其能經(jīng)受由于供電壓和初始溫度的變化而產(chǎn)生的Ir2的最大強(qiáng)度。在另一方面，晶體管PW4的大小應(yīng)能經(jīng)受加熱器28在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)電流Ir2的最大強(qiáng)度。
測(cè)量電阻Rs的大小依次是，使得在穩(wěn)態(tài)時(shí)對(duì)于加熱器16和加熱器28二者運(yùn)算放大器20都處最佳操作狀態(tài)。
根據(jù)獲得的電流Ir1和/或Ir2的值，微處理器18或32可檢測(cè)加熱器16或28的任何損壞。還可對(duì)處于最佳運(yùn)行狀態(tài)的加熱器16或28執(zhí)行減活化，以增加它的壽命和可靠性。
當(dāng)然，在本發(fā)明的原理下，實(shí)施例的形式和具體結(jié)構(gòu)相對(duì)于上述的僅以非限定的例子可有很大的改變，而不脫離所附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種控制電路(16，28)，用于帶有與氧傳感器(15，25)相連的可變電阻的加熱器(16，28)，特別是用于汽車的內(nèi)燃機(jī)，該控制電路包括測(cè)量電阻器(Rs)，實(shí)際上可與加熱器(16，28)串聯(lián)，和檢測(cè)器裝置(20)，連接到測(cè)量電阻器(Rs)，用于提供表示電阻器(Rs)中流過(guò)的電流的信號(hào)(VOP)，其特征在于，包括開關(guān)裝置(PW1，PW2；PW3，PW4)，用于控制加熱器(16，28)對(duì)直流電壓源(Vbat)的連接和在包括電源(Vbat)與加熱器(16，18)的供電電路中測(cè)量電阻(Rs)的連接，和控制裝置(18，32)，以下述方式驅(qū)動(dòng)開關(guān)裝置(PW1，PW2，PW3，PW4)，當(dāng)每次啟動(dòng)加熱器(16，28)時(shí)，測(cè)量電阻(Rs)系與加熱器(16，28)的供電電路斷開一個(gè)預(yù)定的期間，然后將測(cè)量電阻(Rs)與加熱器(16，28)的供電電路連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的控制電路，用于控制帶有與各個(gè)氧傳感器(15，25)連接的可變電阻的一組加熱器(16，28)，其特征在于包括一個(gè)單一的測(cè)量電阻器(Rs)；以下面的方式將開關(guān)裝置(PW1，PW2；PW3，PW4)連接到加熱器(16，28)和測(cè)量電阻器(Rs)，即使得測(cè)量電阻器(Rs)順序地與加熱器(16，28)的每一個(gè)選擇地串聯(lián)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的控制電路，其特征在于，通過(guò)第一或第二路徑，加熱器或每個(gè)加熱器(16，28)的一端連接到電壓源(Vbat)的一電極，另一端連接到電源的另一電極，第一路徑包括電子開關(guān)(PW1；PW3)，第二路徑包括電子開關(guān)(PW2；PW4)和測(cè)量電阻器(Rs)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的控制電路，其特征在于，控制裝置(18，32)的設(shè)置，使得加熱器或加熱器(16，28)每次啟動(dòng)時(shí)，進(jìn)行初始連接，即通過(guò)相連的第一路徑(PW1；PW3)將加熱器或每個(gè)加熱器(16，28)連接到電壓源的第二電極，在預(yù)定的初始期間之后，通過(guò)相連的第二路徑(PW2，Rs；PW4，Rs)將加熱器或每個(gè)加熱器(16，28)連接到電壓源的第二電極。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的控制電路，其特征在于所設(shè)置控制裝置(18，32)驅(qū)動(dòng)開關(guān)(PW1，PW2；PW3，PW4)的方式是在經(jīng)相連的第二路徑(PW2，Rs；PW4，Rs)進(jìn)行連通之前，將通過(guò)相連的第一路徑(PW1；PW3)對(duì)加熱器或每個(gè)加熱器(16，28)到電壓源第二電極的連接斷開。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的控制電路，其特征在于設(shè)置控制裝置驅(qū)動(dòng)開關(guān)(PW1，PW2；PW3，PW4)的方式是在將通過(guò)相連的第二路徑(PW2，Rs；PW4，Rs)的連接完成之后，將通過(guò)相連的第一路徑(PW1；PW3)的加熱器或每個(gè)加熱器(16，28)對(duì)電壓源第二電極的連接斷開。
7.根據(jù)權(quán)利要求2-6任何一個(gè)的控制電路，其特征在于與加熱器或每一加熱器(16，28)相連的第一和第二開關(guān)(PW1，PW3；PW2，PW4)是功率MOS晶體管。
8.根據(jù)上述任何一個(gè)權(quán)利要求的控制電路，其特征在于檢測(cè)器裝置包括連接到測(cè)量電阻器(Rs)的差分放大器(20)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的控制電路，其特征在于通過(guò)低通濾波器(Rf，Cf)的方式將放大器(20)連接到測(cè)量電阻器(Rs)。
10.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的控制電路，其特征在于控制裝置包括一個(gè)微處理器(18，32)。
全文摘要
該電路包括:與加熱器(16,28)串聯(lián)的測(cè)量電理器(R
文檔編號(hào)F02D41/14GK1183586SQ9711114
公開日1998年6月3日 申請(qǐng)日期1997年5月7日 優(yōu)先權(quán)日1996年5月8日
發(fā)明者V·喬治塔, P·馬斯特勒, G·馬治奧尼, M·康圖西 申請(qǐng)人:Sgs-湯姆森微電子有限公司, 馬涅蒂馬雷利股份公司