CN101645598A - 用于保护电子元件的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于保护电子元件的方法和装置。首先检测该供电电压是否超过激活阈值，该激活阈值高于供电电压的标准运行范围。在另一步骤中，电压限制装置被激活，电压限制装置把供电电压限制为限定值，该限定值处于该标准运行范围中。电压限制装置在可预先给定的激活间隔结束之后又被去活。还提供了用于实施该方法的计算机程序产品及用于保护电子元件以防供电电压过压的装置。其包括电压限制装置、激活装置和去活装置，电压限制装置把供电电压限制为限定值，限定值处于供电电压的标准运行范围内；激活装置当供电电压超过激活阈值时激活电压限制装置，其中激活阈值高于标准运行范围；去活装置在可预先给定的激活间隔结束之后去活电压限制装置。

Description

用于保护电子元件的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于保护电子元件以防供电电压过压的方法，另外还涉及用于实施该方法的计算机程序产品和用于保护电子元件以防供电电压过压的装置。虽然可以应用于任何电子供电电路，但是本发明以及本发明所基于的问题都关于机动车的电子设备来进行解释。

背景技术

通常已知的是，在诸如线圈或诸如此类的电感性负载中感应出过压，这种过压可能损坏电子电路诸如集成电路控制设备。比如在由发电机充电的蓄电池的不良的接触或迅速的断开时产生尤其有害的过压脉冲(所谓的抛负载脉冲)。比如在机动车领域中在24V过压的供电电压中可能在400ms的时间段内出现直至200V的过压。这种过压在ISO标准7637-2中被称为标准化的测试脉冲。

可这样来防止由于机动车车载电网的过压而导致电子元件的损坏，即分别对应于所出现的最大电压尖峰来构造电子元件。然而这是成本极高的。从而，本发明所基于的问题总的来说在于，保护针对标准运行范围而构造的元件以防供电电压的过压。

根据常规的解决方案，控制设备的供电电压输入端与一个齐纳二极管桥接，以便把所出现的过压限制到一个最大值，该最大值大致等于该齐纳二极管的齐纳电压。但是，因为齐纳二极管具有齐纳电压的大公差范围，并且该齐纳电压此外还与齐纳二极管的温度有关，所以该齐纳二极管在此必须如此来选择，使得其标准的齐纳电压明显高于该供电电网的标准运行范围的最高电压。

在DE 101 35 168 A1中公开了用于保护电子元件的一种装置，其中一个齐纳二极管与一个晶体管串联，该晶体管借助一个控制电路在预定的过压值时可以被接通，以绕开齐纳二极管的大公差的问题。在该晶体管接通时，电能转变为热能，使得需要采用大功率元件和/或费事的冷却措施。

从而需要在小的花费的情况下保护电子元件以防供电电压的过压，使得供电电压不超过一个最大值，该最大值尽可能接近地高于该标准运行范围。

发明内容

因此提供了用于保护电子元件以防供电电压过压的一种方法。首先在一个方法步骤中检测该供电电压是否超过一个激活阈值(Aktivierungsschwellwet)，该激活阈值高于该供电电压的标准运行范围。在另一步骤中，一个电压限制装置被激活，该电压限制装置把该供电电压限制到一个限定值上，该限定值处于该标准运行范围中。该电压限制装置在一个可预先给定的激活间隔结束之后又被去活(desaktiviert)。

因为该激活阈值高于该供电电压的标准运行范围，所以只要该供电电压保持在标准运行范围中，那么该电压限制装置就不被激活。在该状态中，从而还没有电能被转换为热能，并且该电压限制装置不承受热负荷。

因为该限定值处于该标准运行范围中，所以它也可以在考虑该电压限制装置的元件如齐纳二极管由于同型元件的参数差异、温度相关性等而决定的大公差的情况下如此被确定，使得由被激活的电压限制装置所限制的供电电压的电压值在该激活间隔期间可靠地保持低于该激活阈值。因为最后该电压限制装置在该激活间隔结束之后又被去活，所以该时间段是受限的，在该时间段期间该电压限制装置把电能转换为热能，这样使得对于该电压限制装置既不需要使用大功率元件，又不需要涉及费事的冷却措施。该激活阈值可以有利地被确定为仅仅略高于该标准运行范围，如此使得该电子元件造价合理地仅仅需要具有略高于该激活阈值的耐压强度。

在其他方面，提供了用于实施该方法的计算机程序产品和用于保护电子元件以防供电电压过压的装置。该装置包括电压限制装置、激活装置和去活装置，其中该电压限制装置把供电电压限制到一个限定值上，该限定值处于该供电电压的标准运行范围内；当该供电电压超过一个激活阈值时，该激活装置激活该电压限制装置，其中该激活阈值高于该标准运行范围；该去活装置在一个可预先给定的激活间隔之后去活该电压限制装置。

根据本发明方法的一个优选改进，该标准运行范围是蓄电池的运行电压范围，其中该蓄电池提供该供电电压。因为要保护的电子元件总归如此构造，即它容许该蓄电池的全部运行电压范围，所以其不用附加的措施也容许该限定值的公差范围，其中该电压限制装置把该供电电压限制到该限定值。优选地该限定值大于该蓄电池的额定电压。

根据一个优选的改进，该激活间隔为300ms至600ms。这相应于在ISO标准7637-2中针对标准化测试脉冲5a(Load-Dump-Impuls，抛负载脉冲)所规定的400ms的脉冲持续时间。短于该测试脉冲的激活间隔是可以的，因为该测试脉冲朝向其脉冲持续时间末端近似指数地下降。优选地，该激活间隔为450ms至500ms，也即略长于该标准化测试脉冲，以便能够在整个脉冲长度上可靠地激活。

根据本发明装置的一个优选的改进方案，该电压限制装置包括一个晶体管，该晶体管可以由该激活装置来接通。这样，该电压限制装置就可以非常快速地被激活，并限制进一步的电压上升。

根据一个优选的改进方案，该电压限制装置另外还包括至少一个齐纳二极管，该齐纳二极管尤其可与该晶体管串联连接。这所具有的优点是，在合适地选择该齐纳电压的情况下，由该电压限制装置转换为热能的电能的较大部分在该齐纳二极管中被转换，使得不需要耗费的功率晶体管。

根据一个优选的改进方案，另外还提供了一种蓄电池和一种发电机，其中该蓄电池在该标准运行范围内提供供电电压，该发电机给该蓄电池充电，这样提供了防过压保护的电网，在该电网上比如可以连接多个用电器。

附图说明

本发明下面借助优选的实施方案和附图来进行解释。其中：

图1示出了具有根据本发明实施方案的一种保护装置的电网的电路图；

图2示出了根据一个实施方案的一种方法的流程图；

图3示出了采用和不采用一个实施方案的供电电压的时间曲线图以及采用该实施方案的控制电压的时间曲线图；以及

图4示出了图3的一个放大的时间片段。

在附图中相同的参考符号表示相同的或功能相同的单元，对此不再具体另外说明。

具体实施方式

图1示出了一个电网190的电路图，该电网应该认为并不局限于机动车的车载电网。该电网190包括一个直流发电机112，该直流发电机的用减号表示的负极与比如该机动车车身的一个地电位118相连接。该直流发电机112与一个蓄电池114并联连接，当比如驱动该直流发电机112的、未示出的内燃机运行时，该蓄电池在该电网190连续运行中由该直流发电机112来充电。该直流发电机112和该蓄电池114共同构成了一个电压源198。在该蓄电池114的端子线中设置有一个断续接点(Unterbrechungskontakt)113，该断续接点代表了短时不受控制并且间歇断开的故障位置，比如接触松动。

在由该发电机112和该蓄电池114构成的电压源198无干扰的标准运行中，在用加号和减号所表示的极上所提供的供电电压处于一个标准运行范围中，该标准运行范围比如包含载重汽车的、在22伏至36伏之间的、标称为24伏车载电网的电网。但是，在有干扰时，比如在该发电机112的运行中由于故障位置113的断开而引起该蓄电池114的不良的接触或迅速断开时，在该电压源198的极上出现持续时间直至450ms的、直至200V的过压脉冲(所谓的“抛负载”)，对此必须保护连接到该电网190的用电器。

由该发电机112和该蓄电池114所构成的电压源198通过一个供电电缆194与体现为用电器的一个控制设备196相连接，其中该供电电缆具有内部电缆电阻100和内部电缆电感102，该控制设备包含有具有有限的耐压强度的电子元件192。在下文中应假定该电子元件192和该控制设备196全部针对38V的耐压强度来构造。

为了保护该控制设备192和它的电子元件192以防在该电压源198上所出现的过压脉冲，在该供电电缆194与该控制设备192之间连接了一个保护装置104，该保护装置在两个端子120、122上给该控制设备196提供一个供电电压，该供电电压在该电压源198的过压脉冲期间也不超过由该控制设备196的耐压强度、在此比如为38V的所给定的值。该保护装置104包括由开关晶体管106和与之串联的齐纳二极管108所组成的电压限制装置106、108，该电压限制装置与端子120、122相连接，使得这些端子在该开关晶体管106接通时由该齐纳二极管108来桥接。该齐纳二极管108具有一个齐纳电压，该齐纳电压处于该直流电压源112的标准运行范围中，在本情况中比如是28伏的齐纳电压。为了缓冲该供电电压，在该保护装置104中与连接端子120、122并联了一个电容器116。

该保护装置104另外还包含有用于激活该电压限制装置106、108的激活装置(Aktivierungseinrichtung)109，该激活装置与连接端子120、122相连接，以监控在这些端子上相应产生的电压。该激活装置109被构造用于：当在连接端子120、122上的电压超过一个可预先给定的、比如在该激活装置109中存储的或硬件编码(fest verdrahteten)的激活阈值时，进行检测并输出检测信号，其中该激活阈值应高于该标准运行范围并在本情况中应假定比如为37V。

该保护装置104另外还包括一个去活装置110，该去活装置与该激活装置109相连接，使得当该激活装置(Desaktivierungseinrichtung)检测到高于该激活阈值的电压时该去活装置接收该激活装置109的检测信号。该去活装置110具有通过该检测信号来触发的、被构造具有可预给定脉冲持续时间的单稳态触发器199，其中该脉冲持续时间比如可以在该去活装置110中存储或硬件编码，并在本情况中比如应假定为500ms。该去活装置110另外还与该电压限制装置106、108的开关晶体管106的基极端子相连接，使得该开关晶体管106由该单稳态触发器199的输出信号来控制。

在该电网190的无干扰运行中，该控制设备192在端子120、122上由该电压源198连续地提供以供电电压，该供电电压视该蓄电池114的充电状态、驱动该发电机112的未示出的内燃机的运行状态以及该控制设备192的和必要时其他未示出的用电器的功率消耗而定地可以取不同的值，然而处于在22V和36V之间的标准运行范围内。从而该供电电压持续地低于该激活装置109的激活阈值，如此使得该激活装置不向该去活装置110输出检测信号。该去活装置110的单稳态触发器199从而不被触发，使得该开关晶体管106不接通，也即保持高欧姆，并且该电压限制装置106、108没有激活。

现在在下文中应该假定出现运行的干扰，其中该干扰通过由例如运行的发电机112振动而导致的松动触点113的短时断开而引起。由于该蓄电池114与该发电机112的突然分离，在该电压源198的极上导致电压升高超过该标准运行范围的上限，比如直至75V的过压值。该供电电压的升高首先通过该供电电缆194延续直至该控制设备196的端子120、122，因为该电压限制装置106、108起初保持去活。

然而如果该供电电压高于该激活装置109的激活阈值，那么该激活装置就输出检测信号至该去活装置110。该检测信号触发该单稳态触发器199，使得该触发器在该去活装置110的输出上生成具有500ms的内部预给定脉冲持续时间的脉冲，该脉冲接通该开关晶体管106，也即让其变成低欧姆的。由此，在连接端子120、122上的供电电压主要降落在该齐纳二极管108以及与该齐纳二极管108串联连接的供电线路194的内部电阻100以及内部电感上。在此，由于该齐纳二极管108的特征曲线特性，该电压降正好如此划分，使得在该齐纳二极管108上降落其在此为28V的齐纳电压，并且在该供电线路194的内部电阻100和内部电感上降落与在该电压源198的两极上的电压的剩余差值。这把在连接端子120、122上提供给该控制设备196的电压限制为该齐纳电压的值，该齐纳电压值以28伏处于该标准运行范围中，并低于该控制设备196的耐压强度。

只要该单稳态触发器199的输出脉冲持续，也即持续在此为500ms的、具有该单稳态触发器199的预给定脉冲持续时间的一个激活间隔，那么该电压限制装置104就保持激活。该激活间隔在此符合目的地如此来确定，使得可以期待该电压源198的过压脉冲在该时间内结束或者下降到一个值，该值处于该供电电压的标准运行范围中。在确定该激活间隔时的一个依据比如是在标准ISO 7637-2中针对测试脉冲5a(Load-Dump-Impuls，抛负载脉冲)所说明的400ms的脉冲持续时间，该脉冲持续时间短于在此示例使用的500ms的激活间隔。在该激活脉冲结束之后，该开关晶体管106又变成高欧姆的，如此使得该电压限制装置106、108又被去活。

图2示出了用于保护电子元件以防供电电压过压的一种方法的流程图，比如该流程图可以由该保护装置104在图1的电网190运行中而被实施。

在一个第一步骤200中，检测该供电电压是否已经超过一个激活阈值，该激活阈值如此来确定，使得它高于该供电电压的标准运行范围，其中要保护的元件针对该标准运行范围来设计。如果该供电电压还没有超过该激活阈值，那么在判断步骤202中跳回至步骤200，如此使得实现了对该供电电压连续的监控或以规则间隔重复的监控。

如果该供电电压已超过了该激活阈值，那么在判断步骤202中就跳到步骤204，在那里电压限制装置被激活，该电压限制装置把该供电电压限制到一个限定值，该限定值处于该标准运行范围中。

在步骤206中等待一个可预定的激活间隔，而该电压限制装置保持激活。该激活间隔符合目的地如此来预给定，使得它长于该过压所能预期的脉冲长度。在该激活间隔结束之后，在步骤208中该电压限制装置又被去活，并接着为了对其他的过压脉冲进行供电电压监控而跳回到步骤200。

图3示出了在用秒的数值来标注的一个共同时间轴300上三个信号312、314、316的时间曲线。信号312、314、316分别作为曲线沿所属垂直电压轴302、304、306来标记，这些电压轴用伏特数值来标注。图4示出了再次来自图3的一个时间片段的时间曲线，其中该时间片段对应于在图3中所示的时间间隔的第一个0.1s，也如相应时间轴的标注所示。

在图3和图4的中部所表示的是一个示例过压脉冲314的时间曲线，如同其大约在图1所示的电压源198上可能出现的，并如在ISO标准7637-2中所述。从该时间轴的开头直至一个脉冲开头320，该电压具有为24V的恒定值，该恒定值处于该电压源的22V至36V的标准运行范围324中。从该脉冲开头320开始，在该电压源上的电压在约12ms内上升直至在此比如为75V的一个最大值330，在该最大值330处保持约10ms，以便之后在约450ms内近似指数地下降直至该标准运行范围324中。

在图3和4的上三分之一图中所表示的是一个激活信号312的时间曲线，如其比如在图1的去活装置110的输出端上被提供用于激活该电压限制装置106、108。只要由该电压源所输出的电压314保持低于在此比如为37V的一个激活阈值332，那么该激活信号312首先具有约0V的电平，其中该激活阈值高于该标准运行范围324。一旦由该电压源所输出的电压314在一个激活时间点326超过该激活阈值332，那么该激活信号312的电平就上升到在此约为8V的一个恒定值，对应于从逻辑零值334到逻辑一值336的过渡。该激活信号312的电平在该逻辑一值336上保持直至在此为500ms的一个给定激活间隔322结束，并接着跳回到该逻辑零值334。

在图3和4的下面三分之一图中所表示的是通过电压限制装置而被限制的过压脉冲316的时间曲线，如其比如在图1所示的电网190中在该控制设备196的连接端子120、122上所出现的。从该时间轴300的开头直至该激活时间点326，受限制的过压脉冲316的曲线跟随着在该电压源上的电压曲线314，因为该电压限制装置没有激活，并从而对供电电压不产生影响。一旦该激活信号312在激活时间点326处跳为逻辑一值336，那么该电压限制装置106、108就变得有效(aktiv)，也即该开关晶体管106变成低欧姆的，使得在该齐纳二极管108上所降落的电压超过其齐纳电压。该过压脉冲316从而下降为接近在此为28V的齐纳电压的值。因为该开关晶体管106具有一个最终(endlichen)电阻，所以不仅在该齐纳二极管108上，而且在该开关晶体管106上都降落一个相对微小的电压。

在该电压源上的电压曲线继续上升期间，流过该齐纳二极管108和该开关晶体管106的电流上升，如此使得在该开关晶体管106上降落的较微小的部分同样又上升。然而该开关晶体管106的接通电阻以及该齐纳二极管108的齐纳电压的公差和热相关性如此相协调，使得受限的过压脉冲316的曲线不会上升超过该标准运行范围324，而是在在此为34V的最大值338的时间点处保持在其界限中。

Claims (10)

1.用于保护电子元件(192)以防供电电压过压的方法，具有以下的步骤：

-检测(200)该供电电压是否超过一个激活阈值，该激活阈值高于该供电电压的标准运行范围；

-激活(204)一个电压限制装置(106，108)，该电压限制装置把该供电电压限制到一个限定值，其中该限定值处于该标准运行范围内；以及

-在一个可预先给定的激活间隔(322)结束之后，去活(208)该电压限制装置(106，108)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中该标准运行范围是提供该供电电压的蓄电池的运行电压范围。

3.根据权利要求2所述的方法，其中该限定值大于该蓄电池的额定电压。

4.根据前述权利要求之一所述的方法，其中该激活间隔(322)为300ms至600ms，并尤其为450ms至500ms。

5.一种具有存储在机器可读载体上的程序指令的计算机程序产品，当程序指令在计算机或控制装置(104)上执行时用于实施根据前述权利要求至少之一所述方法。

6.用于保护电子元件(192)以防供电电压过压的装置(104)，具有：

-电压限制装置(106，108)，该电压限制装置把该供电电压限制到一个限定值，该限定值处于该供电电压的标准运行范围中；

-激活装置(109)，当该供电电压超过高于该标准运行范围的一个激活阈值时，该激活装置激活该电压限制装置(106，108)；以及

-去活装置(110)，该去活装置在一个可预先给定的激活间隔结束之后去活该电压限制装置(106，108)。

7.根据权利要求6所述的装置(104)，其中该电压限制装置(106，108)包括晶体管(106)，该晶体管可以由该激活装置(109)来接通。

8.根据权利要求7所述的装置(104)，其中该电压限制装置(106，108)还包含至少一个齐纳二极管(108)，所述齐纳二极管尤其与该晶体管(106)串联连接。

9.根据权利要求6至8之一所述的装置(104)，还具有：

-蓄电池，该蓄电池提供在该标准运行范围之内的供电电压；以及

-发电机，该发电机给该蓄电池充电。

10.根据权利要求6至9之一所述的装置(104，190)，其中该去活装置(110)具有可由该激活装置(109)触发的单稳态触发器(199)，该激活间隔给定了该单稳态触发器的输出脉冲持续时间。

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