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Die
Erfindung betrifft sicherheitsrelevante Systeme in Kraftfahrzeugen
und bezieht sich insbesondere auf eine redundante Stromversorgung,
die eine Diagnosefähigkeit
und eine Schutzbeschaltung zur Verbesserung der Verfügbarkeit
solcher sicherheitsrelevanten Systeme aufweist.
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Wichtige
und/oder sicherheitsrelevante Systeme im Kraftfahrzeugbereich, beispielsweise
elektronische Bremssysteme oder Getriebeschaltsysteme in den Bereichen
der Personenkraftwagen und der Nutzfahrzeuge, müssen mit höchster Verfügbarkeit bereitgestellt sein,
um bei einem Ausfall oder einem anderweitigen Fehlerfall etwa eine
Notlauffähigkeit
eines Kraftfahrzeugs sicherstellen zu können.
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Daher
wird bei solchen Systemen unter anderem für deren Stromversorgung eine
Redundanz derart gefordert, dass die Stromversorgung über zumindest
zwei getrennte, voneinander unabhängige Pfade geführt wird
und bei einem Ausfall eines Pfades eine unterbrechungsfreie Versorgung
einer elektronischen Steuereinheit gewährleistet sowie eine Erkennung
und eine Anzeige dieses Ausfalls möglich ist.
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Bei
bekannten Anordnungen wird dies durch Entkoppeln der beiden Pfade über umschaltbare
Leitungen mittels beispielsweise Relaiskontakten, Dioden und Transistoren
erreicht.
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Bei
einer derartigen Entkopplung tritt jedoch an beteiligten Diodenelementen
eine Verlustleistung auf, die von der Flussspannung der Diode und
dem durch die Diode fließenden
Laststrom bestimmt wird. Zudem besteht die Möglichkeit, dass nach einem Umschaltvorgang
der gesamte Laststrom sofort durch den noch intakten Strompfad fließt und sich nicht
mehr – idealer
Weise im Verhältnis
1:1 – auf
die zumindest zwei vorhandenen, gleichwertigen Stromversorgungszweige
aufteilt. Dies kann zum Auftreten starker Spitzenleistungen in den
Dioden und infolge dessen zu einer Zerstörung der Dioden führen.
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Insbesondere
bei Systemen mit hoher Stromaufnahme, wie beispielsweise Getriebestellern,
und/oder hohen Betriebstemperaturen müssen daher die in zur Ent kopplung
verwendeten Halbleiter-Schaltelementen auftretenden Verlustleistungen minimiert
werden, um die maximal zulässige
Betriebstemperatur der Halbleiter-Schaltelemente nicht zu überschreiten
und dadurch deren Lebensdauer nicht zu verringern.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine redundante Stromversorgung
für sicherheitsrelevante
Systeme in Kraftfahrzeugen zu schaffen, welche in Halbleiter-Schaltelementen
auftretende Verlustleistungen minimiert und die in diesen auftretende
Spitzenleistungen begrenzt.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 sowie durch die Merkmale
des Patentanspruchs 10 gelöst.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der beigefügten Unteransprüche.
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Somit
wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch eine Schaltungsanordnung
zur redundanten Stromversorgung einer nachgeschalteten Last, gekennzeichnet
durch:
- – zumindest
einen ersten Strompfad mit einem ersten Schaltelement, an dem eingangsseitig
eine erste Spannung anliegt;
- – zumindest
einen zweiten Strompfad mit einem zweiten Schaltelement, an dem
eingangsseitig eine zweite Eingangsspannung anliegt;
- – zumindest
eine erste, mit dem ersten Strompfad verbundene Steuereinrichtung
zur Steuerung des ersten Schaltelements;
- – zumindest
eine zweite, mit dem zweiten Strompfad verbundene Steuereinrichtung
zur Steuerung des zweiten Schaltelements); und
- – einem
gemeinsamen Ausgangsanschluss des ersten und des zweiten Strompfads,
an dem eine Lastversorgungsspannung ausgegeben wird; wobei
- – in
einem normalen Betriebszustand die erste Steuereinrichtung das erste
Schaltelement in einem Durchlasszustand hält und die zweite Steuereinrichtung
das zweite Schaltelement in einem Durchlasszustand hält, und
- – in
einem abnormalen Betriebszustand in Abhängigkeit von elektrischen Eigenschaften
des ersten Strompfads oder des zweiten Strompfads diejenige der
Steuereinrichtungen, die sich in dem Strompfad mit schlechteren
elektrischen Ei genschaften befindet, das Schaltelement in diesem Strompfad
in einen Sperrzustand bringt.
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Bevorzugt
ist das erste und das zweite Schaltelement ein Leistungshalbleiter,
hierbei vorteilhaft ein selbstsperrender n-MOSFET.
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Weiter
bevorzugt ist die erste und die zweite Steuereinrichtung jeweils
aus gleichen und gleich verschalteten Elementen aufgebaut und parallel
zu dem ersten bzw. dem zweiten Schaltelement angeordnet, und weist
einen ersten Eingang zum Versetzen und Halten des ersten bzw. zweiten
Schaltelements in den/dem leitenden Zustand durch eine Steuereinheit,
einen zweiten Eingang zum Erfassen eines von dem ersten bzw. zweiten
Schaltelement erzeugten Stroms, einen ersten Ausgang zum Steuern des
Schaltzustands des ersten bzw. zweiten Schaltelements in Abhängigkeit
von dem an dem zweiten Eingang erfassten Strom, und einen zweiten
Ausgang zum Rückmelden
des Schaltzustands des ersten bzw. zweiten Schaltelements an die
Steuereinheit und Erfassen des Schaltzustands durch dieselbe auf.
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Vorteilhaft
hierbei ist die Steuerung durch einen Mikrocontroller einer elektronischen
Steuereinheit des Fahrzeugs.
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Besonders
vorteilhaft sind der erste und der zweite Strompfad durch eine in
Sperrrichtung betriebene interne Diode jeweils des ersten und des
zweiten Schaltelements entkoppelt.
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Bevorzugt
sind die elektrischen Eigenschaften die Spannung an dem ersten und
dem zweiten Strompfad und der Innenwiderstand des ersten und des
zweiten Strompfads, sind die schlechteren elektrischen Eigenschaften
ein höherer
Innenwiderstand oder eine niedrigere Spannung, und wird das Schaltelement
in dem niederohmigeren Strompfad in den Durchlasszustand und das
Schaltelement in dem höherohmigeren
Strompfad in den Sperrzustand gesteuert.
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Hierbei
erfolgt vorteilhaft eine Umschaltung auf den niederohmigeren Strompfad
selbsttätig
und eigengesteuert, und erfolgt in Abhängigkeit von der Anzahl vorhandener
Strompfade eine Umschaltung auf den niederohmigsten Strompfad.
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Die
Aufgabe wird ferner gelöst
durch ein Verfahren zur redundanten Stromversorgung einer nachgeschalteten
Last in einer Schaltungsanordnung mit zumindest einem ersten Strompfad
mit einem ersten Schaltelement, an dem eingangsseitig eine erste
Spannung anliegt, zumindest einem zweiten Strompfad mit einem zweiten
Schaltelement, an dem eingangsseitig eine zweite Eingangsspannung anliegt,
zumindest einer ersten, mit dem ersten Strompfad verbundenen Steuereinrichtung
zur Steuerung des ersten Schaltelements, zumindest einer zweiten,
mit dem zweiten Strompfad verbundenen Steuereinrichtung zur Steuerung
des zweiten Schaltelements, und einem gemeinsamen Ausgangsanschluss
des ersten und des zweiten Strompfads, an dem eine Lastversorgungsspannung
ausgegeben wird,
gekennzeichnet durch die Schritte des:
- – in
einem normalen Betriebszustand Haltens des ersten Schaltelements
in einem Durchlasszustand mittels der ersten Steuereinrichtung und Haltens
des zweiten Schaltelements in einem Durchlasszustand mittels der
zweiten Steuereinrichtung, und
- – in
einem abnormalen Betriebszustand, in Abhängigkeit von elektrischen Eigenschaften
des ersten Strompfads oder des zweiten Strompfads, Schaltens des
Schaltelements, das sich in einem Strompfad mit schlechteren elektrischen
Eigenschaften befindet, in einen Sperrzustand mittels derjenigen
der Steuereinrichtungen, die sich in diesem Strompfad befindet.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
vereinfachte Blockdarstellung einer Stromversorgung mit Stromüberwachung
und Abschaltung gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
einer redundanten Stromversorgung mit Diagnosefähigkeit und Schutzbeschaltung;
und
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2 eine
prinzipielle Schaltungsanordnung der redundanten Stromversorgung
gemäß 1.
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1 zeigt
eine vereinfachte Blockdarstellung einer Stromversorgung mit Stromüberwachung und
Abschaltung gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
einer redundanten Stromversorgung mit Diagnosefähigkeit und Schutzbeschaltung.
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Im
Einzelnen sind in 1 ein erster, oberer Stromzweig
bzw. Strompfad mit einer Eingangsleitung auf dem Potenzial einer
Batteriespannung UB1, einem Schaltelement 1 in der Eingangsleitung
und einer parallel zu der Eingangsleitung verschalteten Schutzbeschaltung 2,
ein zweiter, unterer Stromzweig mit einer Eingangsleitung auf dem
Potenzial einer Batteriespannung UB2, einem Schaltelement 3 in der
Eingangsleitung und einer parallel zu der Eingangsleitung verschalteten
Schutzbeschaltung 4, und eine gemeinsame Ausgangsleitung
auf dem Potenzial einer Batteriespannung UB als einer Versorgungsspannung
für eine
nachgeschaltete (nicht gezeigte) elektronische Steuereinheit dargestellt.
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Die
Schaltelemente 1 und 3 sind bevorzugt Halbleiter-Schaltelemente
(Leistungshalbleiter).
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Die
Schutzbeschaltungen 2 und 4 weisen jeweils einen
ersten Eingang, der mit einem Source-Anschluss jeweils des Schaltelements 1 bzw. 3 verbunden
ist, einen zweiten Eingang, der mit einem Drain-Anschluss jeweils
des Schaltelements 1 bzw. 3 verbunden ist, einen
dritten Eingang (Isense) zur Erfassung eines jeweils in dem Schaltelement 1 bzw. 3 erzeugten
Stroms, einen vierten Eingang, der als Schaltsignaleingang für Schaltsignale
(UB1_on, UB2_on) mit zwei logischen Zuständen bzw. Signalpegeln 0 und
1 dient, einen Ausgang (IN), der als schaltend steuernder Eingang
für jeweils
die Schaltelemente 1 bzw. 3 dient, einen zweiten
Ausgang (STAT_UB1, STAT_UB2), an dem ein Rückmeldesignal mit zwei logischen
Zuständen
bzw. Signalpegeln 0 und 1 ausgegeben wird, und einen auf Massepotenzial
(GND) liegenden Anschluss auf.
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2 zeigt
im Einzelnen eine prinzipielle Schaltungsanordnung der redundanten
Stromversorgung gemäß 1.
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In 2 sind
zwei gleich aufgebaute Stromversorgungszweige dargestellt, an welchen über Eingangs-
bzw. Zuleitungen jeweils Eingangsspannungen (Batteriespannungen)
UB1 für
den ersten, oberen Zweig und UB2 für den zweiten, unteren Zweig anliegen
und entsprechende Eingangsströme
zugeführt
werden. An einem gemeinsamen Ausgang der beiden Zweige wird die
Versorgungsspannung UB (Batteriespannung) ausgegeben, die einer
nachgeschalteten, zu versorgenden Einrichtung (nicht gezeigt), beispielsweise
einer elektronischen Steuereinheit oder einem Stellglied, zugeführt wird.
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Nachstehend
wird die Schaltungsanordnung des ersten, oberen Stromversorgungszweigs
im Einzelnen beschrieben.
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Der
erste, obere Stromversorgungszweig umfasst im Wesentlichen einen
als Schaltelement dienenden Feldeffekttransistor FET1, beispielsweise einen
selbstsperrenden n-MOSFET mit einem Source-Anschluss S, einem Drain-Anschluss
D, einem Gate-Anschluss G (IN) und einem Ausgangsanschluss Isense,
eine Zenerdiode D2, eine Diode D5, einen Feldeffekttransistor T1,
beispielsweise einen selbstsperrenden p-MOSFET, einen Feldeffekttransistor
T2, beispielsweise einen selbstsperrenden n-MOSFET, einen Bipolartransistor
T3, beispielsweise einen npn-Transistor in Emitterschaltung, Widerstände R1,
R2, R3, R4 und R5, einen Signalausgang STAT_UB1, und einen Signaleingang
UB1_on.
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In
dem oberen Stromversorgungszweig ist der Source-Anschluss S des
Feldeffekttransistors FET1 mit der die Batteriespannung UB1 führenden Leitung
verbunden und liefert an seinem Drain-Anschluss D die Batteriespannung
UB für
die nachgeschaltete, zu versorgende Einrichtung. Der Widerstand
R2 ist an einem seiner Enden mit dem Source-Anschluss S des Feldeffekttransistors
FET1 und an dem anderen seiner Enden mit dem Gate-Anschluss G des
Feldeffekttransistors T1 und der Anode der Zenerdiode D2 verbunden.
Die Kathode der Zenerdiode D2 ist mit dem Drain-Anschluss D des Feldeffekttransistors
FET1 verbunden, wobei die Zenerdiode D2 zwischen dem Drain-Anschluss
D des Feldeffekttransistors FET1 und dem Widerstand R2 in Sperrrichtung
gepolt ist. Der Source-Anschluss S des Feldeffekttransistors T1
ist mit dem Drain-Anschluss D des Feldeffekttransistors FET1 verbunden, und
der Drain-Anschluss D des Feldeffekttransistors T1 ist mit einem
Ende des Widerstands R3 verbunden, dessen anderes Ende wiederum
mit dem Widerstand R5 verschaltet und gleichzeitig zu dem Basisanschluss
des Bipolartransistors T3 geführt
ist. Das andere Ende des Widerstands R5 ist mit dem Emitter des
Bipolartransistors T3 und einem Ende der Diode D5 verbunden, welche
somit ebenfalls mit dem Emitter des Bipolartransistors T3 verschaltet
und im Übrigen
in Durchlassrichtung zu einer Masse (GND) des Kraftfahrzeugs hin
ange ordnet ist. Der Kollektoranschluss des Bipolartransistors T3
ist mit einem Ende des Widerstands R4, an dessen anderem Ende ein Einschaltsignal
UB1_on zugeführt
wird, und dem Gate-Anschluss G des Feldeffekttransistors T2 verbunden
und ferner zu dem Signalausgang STAT_UB1 geführt. Der Source-Anschluss S
des Feldeffekttransistors T2 ist mit dem Emitter des Bipolartransistors
T3, der Diode D5 und dem Widerstand R5 verbunden, und der Drain-Anschluss
D des Feldeffekttransistors T2 ist über den Widerstand R1 an den
Gate-Anschluss G (IN) des Feldeffekttransistors FET1 geführt. Ein
Ausgangsanschluss (Ausgangspin) Isense des Feldeffekttransistors
FET1 führt schließlich zu
dem Basisanschluss des Bipolartransistors T3 und zwischen die Widerstände R3 und
R5.
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Der
hinsichtlich seiner Elemente identisch aufgebaute zweite, untere
Stromzweig umfasst im Wesentlichen einen als Schaltelement dienenden Feldeffekttransistor
FET2, beispielsweise einen selbstsperrenden n-MOSFET mit einem Source-Anschluss S, einem
Drain-Anschluss D, einem Gate-Anschluss G (IN) und einem Anschluss
Isense, eine Zenerdiode D3, eine Diode D4, einen Feldeffekttransistor
T4, beispielsweise einen selbstsperrenden p-MOSFET, einen Feldeffekttransistor
T5, beispielsweise einen selbstsperrenden n-MOSFET, einen Bipolartransistor
T6, beispielsweise einen npn-Transistor in Emitterschaltung, Widerstände R6,
R7, R8, R9 und R10, einen Signalausgang STAT_UB2, und einen Signaleingang
UB2_on.
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Wie 2 entnehmbar
ist, entsprechen die einzelnen Elemente des zweiten, unteren Stromzweigs
in ihrer Art, Anordnung und Funktion denjenigen des ersten, oberen
Stromzweigs, so dass ihre grundlegende Verschaltung nicht erneut
beschrieben wird.
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Es
wird angemerkt, dass für
die Transistoren T1, T2, T4 und T5 auch Bipolartransistoren, für die Transistoren
T3 und T6 auch n-MOSFETs, und für
die Feldeffekttransistoren FET1 und FET2 auch p-MOSFETs Verwendung
finden können.
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Nachstehend
wird nun die Funktionsweise der aus dem oberen und dem unteren Stromzweig bestehenden
gesamten Schaltungsanordnung zur Umschaltung der Batteriespannungen
UB1, UB2 und somit der Stromversorgung für die nachgeschaltete Einrichtung
zwischen diesen beiden Zweigen beschrieben.
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Zunächst erfolgt
die Stromversorgung der Schaltungsanordnung über die beiden Eingangsleitungen
UB1 (oberer Zweig) und UB2 (unterer Zweig).
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Die
beiden Feldeffekttransistoren FET1 und FET2, welche beispielsweise
integriert sein können und
Halbleiterschalter zum Schalten der Eingangsspannungen UB1 und UB2
bilden, sind invers zu ihrer eigentlichen Einbaurichtung angeordnet,
so dass auch in einem Zustand, in dem die Feldeffekttransistoren
FET1 und FET2 nicht ein- bzw. zugeschaltet sind, deren in der 2 dargestellte
interne Inversdioden leitend sind und die Versorgungsspannung UB durch
sowohl die Eingangsspannung UB1 als auch die Eingangsspannung UB2
zulassen. Gleichzeitig sind in diesem Zustand beide Eingangsspannungen UB1
und UB2 von einander entkoppelt, da sich in einem Fehlerfall ein
Schluss von entweder der Eingangsspannung UB1 oder der Eingangsspannung UB2
zur Masse (GND) nicht auf die jeweils andere, noch intakte Zuleitung
auswirkt.
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Werden
die beiden Feldeffekttransistoren FET1 und FET2 über den Eingang UB1_on, den
Widerstand R4, den Feldeffekttransistor T2 und den Widerstand R1
bzw. den Eingang UB2_on, den Widerstand R9, den Feldeffekttransistor
T5 und den Widerstand R7 durch ein Eingangssignal mit einem Signalpegel
von UB1_on = logisch 1 und UB2_on = logisch 1 zugeschaltet, und
sind die beiden Transistoren T3 und T6 gesperrt, werden die internen
Inversdioden der Feldeffekttransistoren FET1 und FET2 durch die intern
parallel geschalteten (nicht gezeigten) Drain-Source-Einschaltwiderstände RDson1, RDSon2 der Feldeffekttransistoren
FET1 und FET2 überbrückt, so dass
bei einem aus den Zuleitungen UB1 und UB2 zu dem gemeinsamen Ausgang
UB fließenden
Strom gemäß PFet = IL 2 × RDson (1)nur
Verlustleistungen durch die Einschaltwiderstände RDSon1,
RDSon2 der Feldeffekttransistoren FET1 und FET2
entstehen. In diesem Fall fließt
dann, wenn beide Zuleitungen UB1 und UB2 identische Daten hinsichtlich
beispielsweise der Zuleitungs- und der Kontaktübergangswiderstände aufweisen
und somit auch die beiden Eingangsspannungen UB1 und UB2 an jeweiligen
Klemmen der elektronischen Steuereinheit exakt gleich sind, über den
ersten, oberen Stromzweig und den zweiten, unteren Stromzweig derselbe
anteilige Strom.
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Dies
wird nachstehend anhand eines Beispiels näher erläutert.
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Es
sei angenommen, dass der Eingang UB1 ein Anschluss (eine Klemme)
mit einer höheren Spannung
oder einem niedrigeren Innenwiderstand ist, und der Eingang UB2
ein Anschluss mit einer niedrigeren Spannung oder einem höheren Innenwiderstand
ist.
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In
diesem Fall ist, da der Anschluss UB2 gegenüber dem Anschluss UB1 aufgrund
beispielsweise hochohmigerer Zuleitungen oder Kontaktübergangswiderstände Unterschiede
aufweist, eine exakt gleiche Aufteilung, idealer Weise eine 1:1-Aufteilung, des über die
beiden Eingänge
UB1 und UB2 zum Ausgang UB fließenden
Gesamtstroms nicht mehr gewährleistet.
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Daher
fließt
ein Teil des über
den Eingang UB1 mit der höheren
Spannung und dem niedrigeren Innenwiderstand und den Feldeffekttransistor
FET1 in die Last, d.h. beispielsweise die elektronische Steuereinheit
als der nachgeschalteten, zu versorgenden Einheit, fließenden Stroms über den
Feldeffekttransistor FET2 des anderen, "schlechteren" Eingangs UB2 wieder aus der Last heraus
und bewirkt eine Art Aufladung des schlechteren Eingangs UB2, so
dass es in unerwünschter
Weise zu einem hohen Querstromfluss durch die beiden Feldeffekttransistoren
FET1 und FET2 kommen kann.
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In
dem vorgenannten Beispiel erzeugt der über den Eingang UB1 zu dem
Ausgang UB in die Last hinein fließende Strom an dem Feldeffekttransistor
FET1 eine Spannung von U1 =
RDSon1 × IL (2),welche
an dem Source-Anschluss S des Feldeffekttransistors FET1 gegenüber dem
Drain-Anschluss D desselben eine positive Spannung erzeugt und über diese
den Transistor T1 sperrt. In diesem Fall ist der an dem Anschluss
Isense des Feldeffekttransistor FET1 ausgegebene Strom Null, da
die interne Stromquelle des Feldeffekttransistors FET1 nur für den Fall eines
Stromflusses von Drain nach Source Strom liefert.
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Fließt nun ein
Teil dieses Stroms über
den Anschluss UB2 wieder aus der Last heraus, entsteht zwischen
dem Drain-Anschluss D und dem Source-Anschluss S des Feldeffekttransistors
FET2 eine positive Spannung, d.h. das Source-Potenzial ist gegenüber dem
Drain-Potenzial negativ, und die interne Stromquelle Isense des
Feldeffekttransistors FET2 liefert einen Strom.
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Infolge
dessen fließt über den
Anschluss Isense des Feldeffekttransistors FET2 und den Widerstand
R10 ein positiver Strom zur Masse (GND), welcher an dem Widerstand
R10 einen entsprechenden Spannungsabfall erzeugt. Wird dieser Spannungsabfall
an dem Widerstand R10 größer als
die Basis-Emitter-Spannung des Transistors T6, wird Transistor T6
leitend und regelt über
den Gate-Anschluss
des Feldeffekttransistors T5 den Feldeffekttransistor FET2 ab. T2
und T5 können
auch Bipolartransistoren sein.
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Dadurch
wird FET2 abgeschaltet, wodurch die Spannung am Eingang UB2 nochmals
weiter abfällt.
Der Einschaltwiderstand RDSon2 des Feldeffekttransistors
FET2 wird erhöht,
d.h. die Stromverteilung zwischen dem ersten, oberen Stromzweig
und dem zweiten, unteren Stromzweig ändert sich weiter zugunsten
eines höheren
Stroms durch den oberen Stromzweig. Wird sodann die Drain-Source-Spannung an dem Feldeffekttransistor
FET2 höher
als die Schwellenspannung des selbstsperrenden (Feldeffekt-) Transistors
T4, wird dieser leitend und bewirkt eine zusätzliche Mitkopplung der Spannung über den Widerstand
R10 und den Bipolartransistor T6.
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Schließlich schaltet
der Bipolartransistor T6 über
den Feldeffekttransistor T5 den Feldeffekttransistor FET2 vollständig ab,
so dass ein Strom nicht mehr über
den Feldeffekttransistor FET2 abfließt, sondern nur noch von dem
Eingang UB1 zu dem Ausgang UB, d.h. ausschließlich über den ersten, oberen Stromzweig
der Schaltungsanordnung fließt.
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In
diesem Zustand kann, da der (Bipolar-) Transistor T6 leitend ist,
der abgeschaltete Zustand des Feldeffekttransistors FET2 über eine
Rückmeldung
am Anschluss STAT_UB2 von einem ansteuernden Mikroprozessor der
elektronischen Steuereinheit erfasst werden. Im Einzelnen steuert
hierbei der Mikroprozessor den Eingang UB2_on mit einem Signalpegel
von logisch 1 an und erfasst aufgrund des leitenden Zustands des
Bipolartransistors T6 einen Signalpegel von logisch 0 an dem Ausgang STAT_UB2,
während
im fehlerfreien Zustand STAT_UB2 log. 1 wäre.
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Aufgrund
des identischen Aufbaus der Schaltungsanordnung in dem oberen und
dem unteren Stromzweig ist ohne Weiteres ersichtlich, dass bei inversen
Spannungsverhältnissen
an den Eingängen
UB1 und UB2, d.h. dann, wenn der Eingang UB2 ein Anschluss (eine
Klemme) mit einer höheren Spannung
oder einem niedrigeren Innenwiderstand ist, und der Eingang UB1
ein Anschluss mit einer niedrigeren Spannung oder einem höheren Innenwiderstand
ist, ein entsprechender Betriebsablauf mit Abschaltung des Feldeffekttransistors
FET1 und ein Fluss des gesamten Stroms von dem Eingang UB2 über den
Feldeffekttransistor FET2 zum Ausgang UB resultiert.
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Fehlerfälle wie
beispielsweise ein Schluss einer der Leitungen UB1 oder UB2 nach
Masse führen durch
entsprechende Spannungsverhältnisse über den
beteiligten Feldeffekttransistoren wie vorstehend beschrieben zu
einem sofortigen Ausschalten des entsprechenden Schalters im Fehlerzweig.
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Durch
Dimensionierung der Schaltung ist die Anpassung der Abschaltschwellen
möglich.
Bei exakt gleichen Verhältnissen
können
auch beide Strompfade über
die Feldeffekttransistoren FET1 und FET2 zu gleichen Teilen stromführend sein.
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Es
wird angemerkt, dass hierbei aufgrund der Entkopplung des Fehlerzweigs über die
in Sperrrichtung betriebene interne Diode des Feldeffekttransistors
keine Beeinflussung des intakten Zweigs bzw. Pfads auftritt.
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Darüber hinaus
ist es möglich,
eine gleichartige Redundanz in den Massezuleitungen nach demselben
Prinzip wie vorstehend beschrieben zu erzielen. Bei einer Ausgestaltung
des Prinzips bezüglich der
Massezuleitungen ist ein durch auftretende Spannungsabfälle und/oder
Diodenstrecken verursachter Masseversatz bzw. Spannungsversatz des Elektronik-Massepotenzials
zu berücksichtigen.
Hierdurch können
u. a. bei Schnittstellen (z. B. CAN) Probleme resultieren. Des weiteren
ist in diesem Fall zu beachten, dass in Kraftfahrzeugen üblicherweise
lediglich die die positive Spannung UB (+Ubatt) führenden
Zuleitungen, nicht jedoch vorhandene Masseleitungen mittels Schmelzsicherungen
abgesichert sind.
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Die
vorgeschlagene Lösung
führt somit
zu den folgenden Vorteilen:
- (1) Mehrere Stromversorgungszweige
sind wirksam entkoppelt.
- (2) In den Leistungshalbleitern entsteht durch die Verwendung
niederohmiger Halbleiterschalter (MOSFETs) als Schalt- bzw. Entkopplungselemente
eine minimale Verlustleistung.
- (3) Bei zu hoher Betriebstemperatur wird ein ggf. integrierter
Selbstschutz der Halbleiter wirksam.
- (4) Es wird eine Strombegrenzungsfunktion realisiert.
- (5) Ein Stromfluss in einer nicht vorgesehenen Richtung, d.h.
ein Rückstrom
aus der elektronischen Steuereinheit heraus, wird erkannt und der betroffene
Halbleiterschalter automatisch abgeschaltet.
- (6) Die Schaltungsanordnung und ihre Funktion sind zur Sicherstellung
der Verfügbarkeit
jederzeit prüf-
und diagnostizierbar.
- (7) Fehlerfälle
werden automatisch erkannt. Der Stromzweig, in welchem der Fehler
erkannt wurde, wird selbsttätig
und ohne eine zusätzliche Steuereinrichtung,
wie beispielsweise ein Mikrocontroller mit zusätzlicher Intelligenz, abgeschaltet;
es erfolgt somit eine automatische Umschaltung auf den niederohmigsten
verfügbaren
Stromzweig.
- (8) Die Funktionalität
der Schaltungsanordnung wird mit einem kleinstmöglichen Bauteileaufwand und
somit kostengünstig
erzielt.
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Strukturelle
Implementationen, die zu der detaillierten Beschreibung hierin ähnlich sind,
sind nicht als Abweichen von dem Gegenstand der Erfindung wie in
den nachfolgenden Patentansprüchen
definiert zu werten.
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- 1,
2:
- Schaltelement
- 3,
4:
- Steuereinrichtung
- FET1,
FET2:
- selbstsperrender n-MOSFET
(Leistungshalbleiter)
- D2,
D3:
- Zenerdiode
- D4,
D5:
- Diode
- T1,
T4:
- selbstsperrender p-MOSFET
- T2,
T5:
- selbstsperrender n-MOSFET
- T3,
T6:
- Bipolartransistor
- R1-R10:
- Widerstand
- GND:
- Massepotenzial
- UB1,
UB2:
- Batteriespannung,
Eingang
- UB:
- Batteriespannung,
Ausgang
- STAT_UB1,
STAT_UB2:
- Ausgang
Rückmeldung
- UB1_on,
UB2_on:
- Eingang
Schaltsignal