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Die Erfindung betrifft einen Mikrochip zur Überwachung einer elektrischen Baugruppe.
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Bei elektrischen Baugruppen (z. B. auf dem technischen Gebiet der Werkzeugmaschinen, Produktionsmaschinen, Aufzüge, Kräne und/oder Roboter), die auch sicherheitsgerichtete Funktionen, z. B. gemäß der Norm EN 61508 enthalten, werden neben einem Spannungsüberwachungsmittel zur Spannungsüberwachung der Versorgungsspannung, eine Watchdogeinheit zur Überwachung eines Programmablaufs eines auf der Baugruppe befindlichen Mikroprozessors und ein Resetmittel zum Zurücksetzen des Mikroprozessors bei Unter- und/oder Überspannung und ein Schaltmittel zur Abschaltung der Spannungsversorgung, bei z. B. einer Überspannung, benötigt.
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Handelsüblich wurden bisher zur Überwachung einer solchen Baugruppe die oben genannten Komponenten durch jeweils voneinander getrennte diskrete elektrische Einzelschaltungen realisiert. Die Realisierung der sicherheitsgerichteten Funktionen benötigt somit handelsüblich einen hohen Platzbedarf. Durch die hohe Vielzahl von separat aufgebauten Einzelschaltungen zur Realisierung der oben genannten Sicherheitsfunktionen ergibt sich eine hohe Gesamtausfallrate (FIT-Werte (Failure in Time)) in der Ausfallwahrscheinlichkeitsberechnung der Baugruppe. Weiterhin resultiert der diskrete Aufbau der sicherheitsrelevanten Funktionen mit separaten Einzelschaltungen in einer hohen thermischen Verlustleistung und hohen Kosten für Material, Leiterplatte und Produktion.
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Aus der
DE 196 11 942 C2 ist ein Halbleiterschaltkreis für ein elektronisches Gerät bekannt, der mit wenigstens einem Mikrocontroller versehen ist und Mittel zur Realisierung einer Watchdog-Funktion aufweist.
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Aus der
DE 197 51 429 A1 ist eine Schaltungsanordnung zur Spannungsüberwachung einer geregelten Ausgangsspannung in einem Kraftfahrzeug bekannt, wobei die geregelte Ausgangsspannung auf das Überschreiten und/oder Unterschreiten bestimmter Schwellwerte überwacht wird, wobei der Schaltungsteil zur Regelung der Ausgangsspannung und der Schaltungsteil zur Überwachung des Über- bzw. Unterschreitens der Schwellwerte auf einem Chip integriert sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Platzbedarf von Schaltungen zur Realisierung von sicherheitsgerichteten Funktionen zur Überwachung einer elektrischen Baugruppe zu reduzieren, wobei ein verändern von gespeicherten Daten verhindert werden soll.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Mikrochip zur Überwachung einer elektrischen Baugruppe, wobei der Mikrochip aufweist,
- – ein Spannungsüberwachungsmittel zur Überwachung einer Versorgungsspannung der Baugruppe,
- – eine Watchdogeinheit zur Überwachung eines Programmablaufs eines Mikroprozessors und
- – eine Speichereinheit, die dermaßen ausgebildet ist, dass auf der Speichereinheit gespeicherte Daten nach dem erstmaligen Abspeichern der Daten auf der Speichereinheit nicht mehr veränderbar sind.
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Eine erste vorteilhafte Ausbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrochip ein internes Schaltmittel zur Abschaltung der Versorgungsspannung der Baugruppe aufweist.
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Alternativ oder zusätzlich kann der Mikrochip einen Ansteuerausgang zum Ansteuern eines externen Schaltmittels zur Abschaltung der Versorgungsspannung der Baugruppe aufweisen. Hierdurch wird es ermöglicht, dass insbesondere, wenn große Schaltleistungen notwendig sind, auch ein externes Schaltmittel an den Mikrochip angeschlossen werden kann.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, dass das externe Schaltmittel als Halbleiterschalter oder als elektromagnetischer Schalter ausgebildet ist. Eine Ausbildung des Schaltmittels als Halbleiterschalter oder als elektromagnetischer Schalter stellen handelsübliche Ausbildungen eines Schaltmittels dar.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, dass der Mikrochip ein Resetmittel aufweist zum Zurücksetzten des Mikroprozessors bei Unterspannung der Versorgungsspannung. Hierdurch wird sichergestellt, dass bei einer Unterspannung der Versorgungsspannung der Mikroprozessor zurückgesetzt wird und im zurückgesetzten Zustand verbleibt, solange die Unterspannung anhält.
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Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Spannungsüberwachungsmittel die Versorgungsspannung sowohl auf eine Überspannung als auch auf eine Unterspannung überwacht. Somit ist sichergestellt, dass die Baugruppe sowohl auf eine Unterspannung als auch auf eine Überspannung überwacht wird.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Mikrochip einen Eingang zum Einstellen eines unteren und/oder eines oberen Spannungsgrenzwerts aufweist. Hierdurch wird das Einstellen eines individuellen unteren und oberen Spannungsgrenzwerts ermöglicht.
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Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Watchdogeinheit einen Zähler aufweist, wobei der Zählerstand des Zählers vor einem Triggersignal vom Mikroprozessor auslesbar ist. Hierdurch wird eine besonders gute Überwachung des Programmablaufs des Mikroprozessors ermöglicht.
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Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Mikrochip ein Takterzeugungsmittel zur Erzeugung eines Zählertakts für die Watchdogeinheit aufweist. Hierdurch wird eine besonders hohe Integrationsdichte gewährleistet.
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Alternativ kann es auch vorteilhaft sein, wenn ein externes Takterzeugungsmittel zur Erzeugung eines Zählertakts für die Watchdogeinheit vorgesehen ist, wobei das externe Takterzeugungsmittel mit dem Mikrochip über eine Leitung verbunden ist. Diese Ausbildung der Erfindung hat den Vorteil, dass als externes Takterzeugungsmittel ein handelsübliches Takterzeugungsmittel eingesetzt werden kann.
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Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Mikrochip eine serielle und/oder eine parallele Schnittstelle aufweist. Mit Hilfe einer seriellen und/oder parallelen Schnittstelle kann z. B. vom Mikroprozessor der Zählertakt der Watchdogeinheit ausgelesen werden.
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Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Verzögerungszeit der Watchdogeinheit einstellbar ist. Hierdurch wird es dem Anwender ermöglicht, die Verzögerungszeit individuell an die Gegebenheiten anzupassen.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, dass der Mikrochip eine Speichereinheit aufweist, wobei die Speichereinheit dermaßen ausgebildet ist, dass auf der Speichereinheit gespeicherte Daten nach dem erstmaligen Abspeichern der Daten auf der Speichereinheit nicht mehr veränderbar sind. Hierdurch wird z. B. ein versehentliches späteres Verändern der Daten zuverlässig verhindert.
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Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Spannungsüberwachungsmittel und/oder die Watchdogeinheit und/oder das Resetmittel als physikalisch vorhandene elektrische Schaltungen ausgebildet sind. Wenn das Spannungsüberwachungsmittel und/oder die Watchdogeinheit und/oder das Resetmittel als physikalisch vorhandene elektrische Schaltungen ausgebildet sind, insbesondere im Wesentlichen als analoge elektrische Schaltungen, dann arbeitet der Mikrochip besonders zuverlässig, da dass Spannungsüberwachungsmittel und/oder die Watchdogeinheit und/oder das Resetmittel nicht in Form eines Programms auf einem im Mikrochip integrierten Prozessor realisiert sind.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Mikrochip einen Steuereingang und einen Steuerausgang zum Verschalten von mehreren Mikrochips aufweist. Hierdurch wird es ermöglicht, auch mehrere erfindungsgemäße Mikrochips miteinander zu verbinden, um z. B. falls die Überwachungsfunktionalitäten, die auf einen einzelnen Mikrochip realisiert sind, nicht ausreichen, die gesamte Baugruppe zu überwachen, mehrere Mikrochips zur Überwachung der Baugruppe in einem Verbund eingesetzt werden können.
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Ferner erweist es sich als vorteilhaft, eine Baugruppe mit dem Mikrochip auszubilden, da unter anderem die Baugruppe dann kleiner gebaut werden kann.
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Prinzipiell ist der erfindungsgemäße Mikrochip zur Überwachung beliebiger elektrischer Baugruppen geeignet. Insbesondere bei Werkzeugmaschinen, Produktionsmaschinen, Aufzüge, Kräne und/oder Roboter, ist der Einsatz einer elektrischen Baugruppe mit dem erfindungsgemäßen Mikrochip vorteilhaft, da auf diesen technischen Gebieten besonders hohe Anforderungen zur Überwachung der eingesetzten elektrischen Baugruppen gefordert werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 eine elektrische Baugruppe mit einem erfindungsgemäßen Mikrochip.
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In 1 ist in Form eines Blockschaltbildes eine elektrische Baugruppe 12, die von einer externen Spannungsversorgungseinheit 10, die die externe Versorgungsspannung 9 zu Verfügung stellt, mit elektrischer Energie versorgt wird, dargestellt. Die externe Versorgungsspannung 9 wird auf der Baugruppe 12 einer internen Spannungsversorgungseinheit 16 zugeführt, die an ihrem Ausgang zur Versorgung der elektrischen Bauteile der Baugruppe 12 eine interne Versorgungsspannung 11 zur Verfügung stellt. Die interne Versorgungsspannung 11 dient zur Spannungsversorgung eines Mikroprozessors 6 sowie von anderen elektrischen Komponenten 7 der Baugruppe. Gegebenenfalls können mit Hilfe der internen Versorgungsspannung 11 auch noch weitere elektrische Baugruppen und/oder weitere Mikroprozessoren der Baugruppe mit Energie versorgt werden.
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Weiterhin befindet sich zur Überwachung der elektrischen Baugruppe 12 ein erfindungsgemäßer Mikrochip 1 auf der Baugruppe. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels weist der Mikrochip 1 als integrale Bestandteile ein Spannungsüberwachungsmittel 3, ein Schaltmittel 2, eine Watchdogeinheit 4 und ein Resetmittel 5 auf. Es werden somit nicht mehr, wie handelsüblich, für das Schaltmittel 2, für das Spannungsüberwachungsmittel 3, für die Watchdogeinheit 4 und für das Resetmittel 5 voneinander getrennte diskrete elektrische Einzelschaltungen verwendet. Somit ergibt sich zur Realisierung der Überwachungsfunktionalitäten ein deutlich reduzierter Platzbedarf bei gleichzeitig deutlich reduzierter Gesamtausfallzahl der Baugruppe.
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Der Mikrochip weist, wie schon oben erwähnt, ein Spannungsüberwachungsmittel 3 auf, dem im Rahmen des Ausführungsbeispiels sowohl die externe Versorgungsspannung 9, als auch die interne Versorgungsspannung 11 zur Überwachung zugeführt werden. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass gegebenenfalls auch nur die externe Versorgungsspannung oder nur die interne Versorgungsspannung überwacht werden können. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels werden sowohl die externe Versorgungsspannung 9 wie auch die interne Versorgungsspannung 11 auf Über- und Unterspannung überwacht.
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Der Mikrochip weist das interne Schaltmittel 2 auf, das in dem Ausführungsbeispiel in Form eines Halbleiterschalters, z. B. eines Transistors, vorliegt. Stellt das Spannungsüberwachungsmittel 3 fest, dass eine Über- oder Unterspannung der externen und/oder internen Versorgungsspannung vorliegt, dann wird das Schaltmittel 2 derart von dem Spannungsüberwachungsmittel 3 angesteuert, wobei das Schaltmittel 2 zwischen die externe Spannungsversorgungseinheit 10 und die interne Spannungsversorgungseinheit 16 geschaltet ist, dass die externe Versorgungsspannung 9, die zur Versorgung der internen Spannungsversorgungseinheit 16 dient, unterbrochen wird. Alternativ oder zusätzlich kann der Mikrochip 1 auch einen Ansteuerausgang zum Ansteuern eines externen Schaltmittels, d. h. eines Schaltmittels das nicht mehr integraler Bestandteil des Mikrochips ist, zur Abschaltung der Versorgungsspannung der Baugruppe aufweisen. Das externe Schaltmittel, wird dann vom Ansteuerausgang des Mikrochips derart angesteuert, so dass das externe Schaltmittel bei einer Über- oder Unterspannung die externe Versorgungsspannung 9 unterbricht. Diese Möglichkeit ist insbesondere dann von Vorteil, wenn hohe Ströme abgeschaltet werden müssen, die ein im Mikrochip integriertes Schaltmittel nicht mehr Schalten kann bzw., die im Normalbetrieb in Folge der durch die Verlustleistung anfallende Wärme für den Mikrochip zu groß sind. Im Falle eines externen Schaltmittels kann das Schaltmittel z. B. ebenfalls als Halbleiterschalter (z. B. Transistor) oder als elektromagnetischer Schalter ausgebildet sein.
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Weiterhin weist der Mikrochip 1 als integralen Bestandteil das Resetmittel 5 auf. Im Falle einer Unterspannung der internen Versorgungsspannung 11 erzeugt das Resetmittel 5 ein Resetsignal 15 zum Zurücksetzen des Mikroprozessors 6. Mit Hilfe des Resetsignals 15 wird im Falle einer Unterspannung der Mikroprozessor dauerhaft blockiert. Wenn die interne Versorgungsspannung wieder im zulässigen Bereich liegt, sendet das Resetmittel 5 noch für einen definierten Zeitraum hinaus das Resetsignal 15 aus und blockiert somit den Mikroprozessor 6, um ein späteres ordnungsgemäßes Hochlaufen des Mikroprozessors sicherzustellen.
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Weiterhin weist der Mikrochip 1 als integralen Bestandteil die Watchdogeinheit 4 auf. Die Watchdogeinheit 4 dient zur Überwachung eines ordnungsgemäßen Programmablaufs des Mikroprozessors 6. Die Watchdogeinheit 4 weist hierzu einen Zähler auf, der von einem auf dem Mikrochip integrierten Takterzeugungsmittel zur Erzeugung eines Zählertaktes angesteuert wird. Falls der Mikroprozessor nicht in regelmäßigen Abständen ein Triggersignal 13 an die Watchdogeinheit 4 sendet bevor der Zählerstand des Zählers der Watchdogeinheit 4 eine definierte Grenze überschreitet, dann erzeugt die Watchdogeinheit 4 das Resetsignal 15 zum Zurücksetzen des Mikroprozessors 6 und aktiviert das Schaltmittel 2 dahingehend, dass die externe Versorgungsspannung 9 unterbrochen wird. Das Takterzeugungsmittel zur Erzeugung des Zählertakts für die Watchdogeinheit 4 braucht nicht unbedingt integraler Bestandteil des Mikrochips 1 zu sein, sondern kann auch in Form eines externen Takterzeugungsmittels 8 außerhalb des Mikrochips 1 angeordnet sein. Das externe Takterzeugungsmittel 8 ist dann über eine Leitung 17 mit dem Mikrochip 1 verbunden.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sendet die Watchdogeinheit 4 den Zählerstand 14 des Zählers an den Mikroprozessors 6, d. h. der Zählerstand des Zählers ist vor dem Triggersignal 13 vom Mikroprozessor 6 auslesbar. Der vom Mikroprozessor 6 eingelesene Zählerstand 14 kann dann vom Mikroprozessor im Rahmen eines auf dem Mikroprozessor 6 ablaufenden Programms auf Plausibilität überprüft werden. Solchermaßen wird eine verbesserte Überwachungsfunktionalität ermöglicht. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist weiterhin auch die Verzögerungszeit, d. h. die Zeit, die maximal zulässig ist, bevor wieder ein Triggersignal 13 zum Zurücksetzen des Zählers erfolgen muss, einstellbar.
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In dem Ausführungsbeispiel weist der Mikrochip 1 eine parallele Schnittstelle auf, mit Hilfe derer, z. B. vom Anwender ein unterer und/oder ein oberer Spannungsgrenzwert für das Spannungsüberwachungsmittel 3 definiert werden kann.
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Gegebenenfalls kann der Mikrochip 1 zusätzlich als integraler Bestandteil eine Speichereinheit 18 aufweisen, die dermaßen ausgebildet ist, dass auf der Speichereinheit 18 gespeicherten Daten nach dem erstmaligen Abspeichern der Daten auf der Speichereinheit 18 nicht mehr veränderbar sind. Die Speichereinheit 18 kann z. B. als ROM/PROM vorliegen oder z. B. als eine Speichereinheit die mittels Fuse- oder Antifuse-Technik einmalig mit Daten beschrieben werden kann.
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Das Spannungsüberwachungsmittel 3 und/oder die Watchdogeinheit 4 und/oder das Resetmittel 5 können integraler Bestandteil eines Programms, das auf einem auf dem Mikrochip integrierten Prozessor abläuft, realisiert sein. Um eine besonders hohe Zuverlässigkeit des Mikrochips 1 zu gewährleisten, ist es jedoch, wie im Ausführungsbeispiel realisiert, sinnvoll, dass das Spannungsüberwachungsmittel 3 und/oder die Watchdogeinheit 4 und/oder das Resetmittel 5 als physikalisch vorhandene elektrische Schaltungen ausgebildet sind und somit nicht wesentliche Teile des Mikrochips 1 in Form eines Prozessors vorliegen.
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Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass der Mikrochip 1 nicht nur ein einzelnes Spannungsüberwachungsmittel zur Überwachung einer einzelnen Versorgungsspannung der Baugruppe aufweisen kann, sondern selbstverständlich kann der Mikrochip 1 auch mehrere Spannungsüberwachungsmittel 3, die zur Überwachung von mehreren Versorgungsspannungen dienen, aufweisen. Hierzu ist anzumerken, dass insbesondere die interne Spannungsversorgungseinheit 6 häufig nicht nur eine einzelne interne Versorgungsspannung als Ausgangssignal zu Verfügung stellt, da zur Versorgung einer Baugruppe häufig unterschiedliche Versorgungsspannungspegel benötigt werden. In diesem Zusammenhang ist es natürlich auch möglich, dass der Mikrochip für jede zu überwachende Versorgungsspannung einen jeweils separaten Eingang zum Einstellen eines unteren und/oder eines oberen Spannungsgrenzwertes aufweist.
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Der Mikrochip 1 kann gegebenenfalls auch einen Steuereingang und einen Steuerausgang zum Verschalten von mehreren der erfindungsgemäßen Mikrochips aufweisen. Sollte die Anzahl der benötigten Überwachungsfunktionalitäten, z. B. die Anzahl der zu überwachenden Versorgungsspannungen, die durch einen einzelnen Mikrochip überwacht werden können, die Anzahl der auf einem einzelnen Mikrochip realisierten Überwachungsfunktionalitäten überschreiten, so können auch mehrere Mikrochips untereinander verschaltet werden. Reagiert einer der Mikrochips einen auf einen fehlerhaften Zustand, so sendet er über seinen Steuerausgang an die Steuereingänge der anderen Mikrochips ein Fehlersignal, wodurch jeder Mikrochip z. B. dann eine Abschaltung der Versorgungsspannung und/oder ein Zurücksetzen des Mikroprozessors veranlasst.
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Auf der Baugruppe 12 befinden sich elektrische Komponenten 7, die mit dem Mikroprozessor 6 kommunizieren, was durch einen Pfeil 16 angedeutet ist. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass die Baugruppe 12 auch zur elektrischen Energieversorgung von weiteren Baugruppen dienen kann, die gegebenenfalls ebenfalls mit dem Mikroprozessor 6 kommunizieren. Somit können mit Hilfe des erfindungsgemäßen Mikrochips nicht nur eine einzelne Baugruppe 12 überwacht werden, sondern es können auch mehrere mit der Baugruppe 12 noch verbundene Baugruppen, die z. B. ebenfalls ihre interne Versorgungsspannung aus der internen Spannungsversorgungseinheit 16 der Baugruppe 12 beziehen, überwacht werden.
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Besonders vorteilhaft kann der Mikrochip auf dem technischen Gebiet der Werkzeugmaschinen, Produktionsmaschinen, Aufzüge, Kräne und/oder Roboter eingesetzt werden, da die auf diesen technischen Gebieten eingesetzten Baugruppen häufig eine Überwachungsfunktionalität aufweisen müssen.
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Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Mikrochips können, insbesondere sicherheitsrelevante Schaltungen, z. B. mit Aktor- oder Sensorfunktionalität realisiert werden. Durch den Mikrochip ergibt sich eine Reduzierung der Gesamtausfallrate gegenüber bisherigen mit diskreten elektrischen Einzelschaltungen aufgebauten Realisierungen, da die Gesamtausfallrate eines Mikrochips deutlich geringer ist, als die Summe der Ausfallraten von Einzelschaltungen ist. Die Erfindung erlaubt das Unterbringen von mehr Einzelkomponenten auf einer Baugruppe, Maschine oder Anlage ohne dass dadurch der PFH-Wert (Probability of Failure per Hour) überschritten wird. Die Erfindung weist weiterhin den Vorteil einer großen Platzersparnis und eine Reduzierung der thermischen Verlustleistung der Überwachungsfunktion auf. Weiterhin ergibt sich auch durch die Erfindung eine entsprechende Kostenreduzierung bei Material, Leiterplatte und der Produktion der Baugruppe.
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Selbstverständlich müssen auch nicht alle der oben genannten Überwachungsfunktionalitäten auf dem Mikrochip 1 realisiert sein. Im Rahmen einer Minimalausbildung des Mikrochips können auch nur das Spannungsüberwachungsmittel 3 und die Watchdog-Einheit 4 auf dem Mikrochip 1 realisiert sein, wobei die übrigen Überwachungskomponenten, wie z. B. das Resetmittel 5, das Schaltmittel 2 oder die Speichereinheit 18 noch als externe vom Mikrochip 1 separierte diskrete Einzelschaltungen realisiert sein können.
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Der Mikrochip kann dabei auf Halbleiterbasis oder auf Polymeerbasis aufgebaut sein.
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Im Rahmen der Erfindung ist unter dem Begriff Versorgungsspannung einer Baugruppe sowohl eine interne Versorgungsspannung der Baugruppe als auch eine externe Versorgungsspannung der Baugruppe zu verstehen.
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Weiterhin sei an dieser Stelle angemerkt, dass im Rahmen der Erfindung, der Begriff einer elektrischen Baugruppe auch ein Sensor und/oder einen Aktor mit einschließt.