CN111279570A - 反极性保护装置、反极性保护装置的运行方法和相应用途 - Google Patents

反极性保护装置、反极性保护装置的运行方法和相应用途 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种反极性保护装置，其具有晶体管电路(9)、放大电路(5)和输出驱动器级(7)，其中放大电路(5)与输出驱动器级(7)连接，输出驱动器级(7)与晶体管电路(9)连接，晶体管电路(9)布置在反极性保护装置(1)的第一连接节点(13)与第二连接节点(15)之间，从而在第一连接节点(13)与第二连接节点(15)之间的电连接能借助于晶体管电路(9)建立或断开，其中，输出驱动器级(7)被设计成三态级。本发明还涉及一种用于运行反极性保护装置(1)的方法和对应的用途。

Description

反极性保护装置、反极性保护装置的运行方法和相应用途
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的反极性保护装置、一种根据权利要求6所述的用于运行反极性保护装置的方法以及根据权利要求9所述的反极性保护装置的用途。
背景技术
由现有技术已知用于机动车的控制设备，其中为了不危害车辆的安全性，防止能量回流到车载电网中。为此使用晶体管，该晶体管不允许节点处的回流流向车载电网，并保护控制设备的电子系统免受负电压的影响(反极性保护功能)。
在所谓的线性模式下，晶体管(特别是FET)以表现得如同理想二极管那样的方式被驱控。当从车载电网中流出时，通过在很短的时间内断开与ECU负载电路的连接，可以滤除所有已知的干扰脉冲。通过线性调节回路来控制晶体管，以便在晶体管上产生特定的漏源电压。该特定电压处在晶体管的阈值电压的范围内，使得晶体管可以快速地从导通状态变为截止状态，或相反地变化。
在所谓的开关模式下，电路控制晶体管的栅极，其中，该电路包括开关。如果开关闭合，则晶体管被激活，漏源电阻被设置为最小值。如果开关断开，则晶体管被停用，并且晶体管的栅源电压降至阈值电压以下。已知的是，为开关模式的电路添加监控电路，该监控电路监控电路的正常功能。
根据现有技术的应用的缺点如下：
-两种模式无法组合使用。
-无法对车载电网进行受控反馈。
-线性模式下无自检/诊断功能。
-在控制设备内部的电路板上使用分立的部件。
发明内容
因此，本发明的目的是，避免上述缺点并提供改进的反极性保护装置。
该目的由独立权利要求实现。
根据本发明，提出了一种反极性保护装置，该反极性保护装置具有晶体管电路、放大电路和输出驱动器级。放大器级与输出驱动器级连接，而输出驱动器级与晶体管电路连接。此外，反极性保护电路具有第一连接节点和第二连接节点，该第一连接节点与第二连接节点经由晶体管电路彼此连接。第一连接节点优选地建立与车载电网(所谓的KL30端子)的连接，第二连接节点优选地建立与一个或多个控制设备(所谓的KL30B端子)的连接。在第一连接节点和第二连接节点之间的电连接可以借助于晶体管电路建立或断开。此外，输出驱动器级被设计为三态级。
放大电路优选地被设计为实施前述的线性模式。第一连接节点优选地与车辆的车载电网连接。
在当前情况下，可以呈现高电阻状态的电路被称为三态级。由此，另一电路可以有利地连接至介于输出驱动器级与晶体管电路之间的第三连接节点处，该另一电路可以通过其栅极连接来控制晶体管电路。输出驱动器级将不会影响或干扰该另一电路的操作。该另一电路特别优选地被设计为监控电路和/或开关电路。开关电路特别是可以执行所述开关模式。晶体管电路可以优选地由放大电路和开关电路通过输出驱动器级来驱控/驱动。特别优选地，在某些时候，要么由放大电路要么由开关电路通过输出驱动级来控制晶体管电路。
在优选的改进方案中，“三态级”的设计可以意味着，输出驱动器级可以被设计为具有三态模式的可能性的任意的放大器级；例如被设计为具有三态模式的推挽级(push-pull-stage)。
本发明有利地实现了，提供并可以使用两种模式。特别优选地，这两种模式交替地运行，从而将能量按计量地反馈到车载电网中。通过按计量的能量反馈，可以在考虑到预定限制的情况下随时保证控制设备或车辆的确定的安全水平。由此可以减少控制设备内的热损失，这使得产品设计更加紧凑和稳健。
本发明的另一个优点是，可以共享ASIC的IC外壳上的引脚。所提出的互连意味着所需要的用于连接的引脚更少，由此可以就此节省空间和资源。
在本发明的一个优选的改进方案中，在放大电路与输出驱动器级之间的连接中布置有节点，并且反极性保护装置具有电阻，该电阻与该节点和连接节点之一连接，特别是与通向车载电网的连接节点连接。该电阻通过保护整个装置免受“反极性”(即ISO脉冲、负载突降和车辆车载电网上的各种破坏性电脉冲)的影响，从而使反极性保护装置更具抵抗力。从而提高了装置对抗破坏性的鲁棒性。
在本发明的优选改进方案中，晶体管电路被设计为N-MOS-晶体管，并且反极性保护装置具有电荷泵。电荷泵与输出驱动器级连接。可替代地，晶体管电路被设计为P-MOS-晶体管。在这种情况下，可以省去并且优选地不设置电荷泵。
在本发明的一种优选的改进方案中，反极性保护装置具有监控电路，通过该监控电路可以监控晶体管电路、放大电路和/或开关电路。然而，特别优选地监控晶体管电路。
优选使用监控电路，该监控电路与开关电路一起布置在一个部件中。因此，改进方案优选地使得不仅可以将监控电路用于监控开关电路，而且还可以将其用于监控放大电路。由此有利地无需附加的部件，例如无需为监控放大电路设置另一监控电路。监控电路特别优选地包括测试功能和/或诊断功能。例如，可以在运行过程中监控电路的故障。但是，也可以实施预先规定的测试，该测试给出关于电路中的故障的指示。特别优选地，例如，由微处理器进行数据评估，以便可以输出故障消息。可以使用诊断功能访问故障消息，或者可以借助于诊断功能来控制监控电路的功能。
在本发明的一个优选的改进方案中，监控电路被设计用于实施与晶体管电路、放大电路或开关电路无关的其他测试或监控。
在本发明的另一优选的改进方案中，至少输出驱动器级和放大电路一起布置在ASIC(专用集成电路)上。ASIC特别优选地被设计为功率部件(PCU)，其适合于车辆的控制单元(ECU)的能量管理。ASIC优选地是ECU的一部分。晶体管电路也可以布置在ASIC中，或——另选地——布置在ECU的另一部分中。开关电路也特别优选地安置在ASIC中。总体而言，反极性保护装置的这种设计可以减少成本和控制单元中所需的空间。另外，仅需要ASIC芯片上的极小的面积。另选地，电路被分立地设置在电路板上。
在本发明的另一优选的改进方案中，驱动器级(晶体管)的至少一部分被设计为金属氧化物晶体管(CMOS)。特别地，所有驱动器级都是以此方式设计的。然而，另选地，例如，也可以使用双极型晶体管，或者使用其他任何在关断状态下输出高阻抗的放大电路。
在本发明的另一优选的改进方案中，放大电路被设计为运算放大器、例如比较器。另选地，放大电路也可以用作任何其他的差分结构，以用于信号处理和信号放大。
本发明还涉及一种用于运行上述反极性保护装置的方法。可以根据该方法实施以下步骤：
-基于来自放大电路的信号通过输出驱动器级来驱控晶体管电路，和/或
-基于来自开关电路的信号通过输出驱动器级来驱控晶体管电路。
在该方法的优选改进方案中，在基于来自放大电路和来自开关电路的信号驱控在晶体管电路之间进行变换。因此，放大电路和开关电路的驱控优选不同时进行，而是根据设定的规则交替进行。由此能够按计量或受控地使能量反馈到车载电网中。在该方法的优选的改进方案中，借助于监控电路来监控晶体管电路、放大电路和/或开关电路。
在该方法的优选的改进方案中，反极性保护装置以去耦模式运行，其中，在特定时刻，要么放大电路要么开关电路起作用并且在该过程中驱控晶体管电路，不工作/不起作用的电路(放大电路或开关电路)确保节点处的高阻抗。为此，将相应的电路与静态电流断开。通过该改进方案防止了两种模式相互干扰。
另外，本发明涉及所述的反极性保护装置在用于车辆的控制单元中的用途。
附图说明
由权利要求和以下参照附图对实施例的描述中得到其他优选的实施例。
在示意图中示出：
图1示出反极性保护装置的示例性实施例，
图2示出根据本发明的输出驱动器级的示例性实施例，
图3示出根据本发明的输出驱动器级的另一示例性实施例，
图4示出开关电路的示例性实施例，
图5示出了根据本发明的具有放大电路和开关电路的反极性保护装置的示例性实施例。
具体实施方式
图1示出了具有附加电阻器3的反极性保护装置1的现有实施例。反极性保护装置1具有放大电路5、输出驱动器级7和晶体管电路9。晶体管电路9优选设计为N-MOS-晶体管。由于这个原因，反极性保护装置1还包括电荷泵11。另选地，晶体管电路9也可以被设计为P-MOS-晶体管，在这种情况下，可以省略电荷泵11。电阻3与节点10和第一连接节点13连接。
反极性保护装置1布置在第一连接节点13和第二连接节点15之间。特别地，反极性保护装置1的晶体管电路9布置在第一连接节点13(所谓的KL30端子)和第二连接节点15(所谓的KL30B端子)之间。第一连接节点13优选与车辆的车载电网连接。第二连接节点15优选地与车辆的致动器和/或控制设备的内部电压源连接。晶体管电路9特别地被设计为，使其可以建立或断开在第一连接节点13和第二连接节点15之间的连接。
根据本发明，输出驱动器级7被设计为三态级。因此，不仅开关电路23和测试诊断电路25，而且其他电路也可以连接到输出驱动器级7和晶体管电路9之间的第三连接节点16上。
输出驱动器级7、放大电路5和电阻3的组合连接可以被称为调节器电路18。晶体管电路9经由输出驱动器级7由放大电路5间接地驱控，或由调节器电路18直接地驱控。晶体管电路9同样可以由开关电路13直接驱控。
图2示出了作为三态级的输出驱动器级7的示例性设计。输出驱动器级7具有实际的输出驱动器电路17，其具有两个MOSFET 19a、19b以及另外的两个开关21a、21b。如图3所示，这两个开关21a、21b也可以被设计为MOSFET。
开关21a、21b与输出驱动器电路17共同作用，以形成三态级。开关21a、21b使得输出驱动器级7的输出变为高电阻或具有高阻抗，因此可以在由放大电路5驱控晶体管电路9和驱控另一电路之间进行变换。此处，调节器电路18的实施选项明确不仅涉及MOS-FET的设置，而且还包括可以用作开关或放大器的任意形式的有源组件。这例如包括双极晶体管或结型-FET等。
图4示出了开关电路23(点划线)和监控电路25(虚线)的示例性实施方式，该开关电路和监控电路——必要时以修改的方式——可以连接在输出驱动器级7和晶体管电路9之间的第三连接节点16上。放大电路5或调节器电路18以及开关电路23均适合于以不同的模式来驱控晶体管电路9，并且因此可以以不同的设计方式实现在第一连接节点13与第二连接节点15之间的连接的断开或建立。
在图4的实施方式中示出了常规的开关电路23，该开关电路至今在现有技术中在不设置调节器电路18的情况下单独使用，以便驱控晶体管电路9。因此，该开关电路23既与第一连接节点13和第二连接节点15连接，又与晶体管电路9连接。开关电路23具有电荷泵11。另外，监控电路25已经与常规的开关电路23一起设置在共同的部件中，该监控电路可以监控开关电路23的正确运行。为此，监控电路25具有多个运算放大器27a、27b和开关29。
图5示出了根据本发明的示例性反极性保护装置1，其具有放大电路5和开关电路23，其中，监控电路25被连接成，使得其可以监控晶体管电路9、放大电路5或调节器电路18和开关电路23。
监控电路25优选地被设计为可以实施以下功能：
a.测试是否可以接通/关断晶体管电路(9)的功能，以及
b.测试是否存在晶体管电路(9)的体二极管26的功能。
其他的测试和监控功能是可以想到的，并且由本发明支持或使之成为可能。
在边框31内绘制的所有部件优选地安装在ASIC中，而晶体管电路9和两个连接节点13、15布置在车辆的控制单元的另一部分中。然而，本发明不限于在ASIC内的这种布置，而是也可以在ASIC外部分立地构造。
开关电路23和监控电路25优选地经由第三连接节点16与晶体管电路9的栅极连接，从而开关电路和控制电路可以控制晶体管电路9的运行。在此，附图标记16示出所有的表示第三连接节点16的各个点，因为各处均施加了相同的电压。
放大电路5或调节器电路18和开关电路23优选以交替地驱控晶体管电路9的方式运行。因此，基于两种不同的模式交替地断开和建立第一连接节点13与第二连接节点15之间的连接。由此，有利地可以将能量按计量地反馈到车载电网中。
附图标记列表：
1 反极性保护装置
3 电阻
5 放大电路
7 输出驱动器级
9 晶体管电路
10 节点
11 电荷泵
13 第一连接节点
15 第二连接节点
16 第三连接节点
17 输出驱动器电路
18 调节器电路
19a、19b 输出驱动器电路的MOSFET
21a、21b 输出驱动器级的开关/MOSFET
23 开关电路
25 监控电路
26 晶体管电路的体二极管
27a、27b 监控电路的运算放大器
29 监控电路的开关
31 边框

Claims (9)

1.一种反极性保护装置，其具有晶体管电路(9)、放大电路(5)和输出驱动器级(7)，其中放大电路(5)与输出驱动器级(7)连接，输出驱动器级(7)与晶体管电路(9)连接，晶体管电路(9)布置在反极性保护装置(1)的第一连接节点(13)与第二连接节点(15)之间，从而在第一连接节点(13)与第二连接节点(15)之间的电连接能借助于晶体管电路(9)建立或断开，
其特征在于，
输出驱动器级(7)被设计成三态级。
2.根据权利要求1所述的反极性保护装置，
其特征在于，
反极性保护装置(1)具有开关电路(23)，该开关电路与输出驱动器级(7)连接，其中，晶体管电路(9)能由放大电路(5)以及由开关电路(23)驱控。
3.根据前述权利要求中任一项所述的反极性保护装置，
其特征在于，
在放大电路(5)与输出驱动器级(7)之间的连接中布置有节点(10)，并且反极性保护装置(1)具有电阻(3)，该电阻与节点(10)连接并与连接节点(13)连接。
4.根据前述权利要求中任一项所述的反极性保护装置，
其特征在于，
晶体管电路(9)被设计成N-MOS-晶体管，并且反极性保护装置(1)具有电荷泵(11)，该电荷泵与输出驱动器级(7)连接。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的反极性保护装置，
其特征在于，
反极性保护装置(1)具有监控电路(9)，借助于该监控电路能监控晶体管电路(9)、放大电路(5)和/或开关电路(23)。
6.一种用于运行根据权利要求2至5中任一项所述的反极性保护装置(1)的方法，
其特征在于，
实施以下步骤：
-基于来自放大电路(5)的信号通过输出驱动器级(7)驱控晶体管电路(9)，和/或
-基于来自开关电路(23)的信号驱控晶体管电路(9)。
7.根据权利要求6所述的方法，
其特征在于，
实施以下步骤：
-变换地基于来自放大电路(5)的信号与来自开关电路(23)的信号来驱控晶体管电路(9)。
8.根据权利要求6或7所述的方法，
其特征在于，
反极性保护装置(1)具有监控电路(25)并实施以下步骤：
-借助于监控电路(25)监控晶体管电路(9)、放大电路(5)和/或开关电路(23)。
9.根据权利要求1至5中的任一项所述的反极性保护装置(1)在用于车辆的控制单元中的用途。
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