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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung
mittels derer ein Zustand von insbesondere an Low-Side- oder High-Side-Schaltern
verbundene Lasten diagnostiziert werden können.
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Integrierte
Leistungsschalter werden häufig als
sogenannte Low-Side-Schalter ausgeführt, bei denen ein Schaltanschluss
auf ein vorgegebenes niedriges Potenzial meist mittels eines Leistungstransistors
schaltbar ist. Dies dient dazu, eine an den Schaltanschluss angeschlossene
Last, beispielsweise ein Schaltrelais, das besonders hohe Ströme oder Spannungen
schalten muss, anzusteuern. Beispielsweise verbindet ein Low-Side-Schalter eine
an einem Betriebsspannungspotenzial liegende Last mit Masse. Bei
High-Side-Schaltern lässt
sich der jeweilige Schaltanschluss über einen Schalttransistor
auf vorgegebenes hohes Potenzial setzen, um die jeweilige Last anzusteuern.
Beispielsweise kann ein High-Side-Schalter eine an Masse liegende
Last mit dem Betriebsspannungspotenzial verbinden. Um die elektromagnetische
Verträglichkeit
(EMV) einer entsprechenden Schaltungsanordnung zu gewährleisten, muss
in der Regel ein Pufferkondensator an den Schaltanschluss angeschlossen
werden. Derartige Leistungsschalter werden insbesondere im Automobilbereich
eingesetzt.
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Neben
der Ansteuerung einer Last durch den jeweils vorgegebenen logischen
Pegel an dem Schaltanschluss ist es auch wünschenswert mögliche Fehlerzustände der
Last selbst zu erkennen. Es ist beispielsweise möglich, dass bei einem Open-Load-Zustand die elektrische
Verbindung zwischen der Last, beispielsweise dem Steueranschluss des
Relais und dem Schaltanschluss des Leistungsschalters unterbrochen
ist. Ferner ist denkbar, dass ein Kurzschluss des Schaltanschlusses,
bei spielsweise mit Masse oder mit der Batterieversorgungsspannung,
für die
jeweilige Last vorliegt.
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Um
diese Fehlermöglichkeiten
zu erkennen sind Verfahren bekannt, bei denen im abgeschalteten Zustand
des jeweiligen Schalttransistors ein Referenzpotenzial an den Schaltanschluss
angelegt wird und der zeitliche Spannungsverlauf gemessen wird. Anhand
des Spannungsverlaufs, der im Wesentlichen von der Lade- oder Entladesituation
des Pufferkondensators abhängt,
kann dann beispielsweise auf eine Open-Load-Situation geschlossen werden. Problematisch
bei einer derartigen Diagnose ist insbesondere der ungünstig lange
Zeitablauf durch das Umladen des Kondensators während einer entsprechenden
Diagnosezeit, nach deren Ablauf erst eine zuverlässige Diagnose für die Last
möglich
ist. Die Diagnosezeit wird auch als Filterzeit bezeichnet.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
zum Detektieren des Zustandes einer an einem Schaltanschluss verbundenen
Last anzugeben, bei dem die Filterzeit möglichst gering ist.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Detektieren des Zustandes einer
an einen Schaltanschluss verbindbaren Lasteinrichtung gemäß Patentanspruch
1 gelöst.
Ferner lösen
Schaltanordnungen mit den Merkmalen der Patentansprüche 10 bzw.
11 diese Aufgabe.
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Demgemäß ist ein
Verfahren zum Detektieren des Zustandes einer an einem Schaltanschluss verbindbaren
Lasteinrichtung vorgesehen, wobei der Schaltanschluss an ein vorgegebenes
Schaltpotenzial koppelbar und entkoppelbar ist. Dabei wird ein Verbundensein
der Last an dem Schaltanschluss, ein nicht Verbundensein der Last
an dem Schaltanschluss oder ein Kurzschluss zwischen dem Schaltanschluss
und einem ersten oder einem zweiten Schaltpotenzial in Abhängigkeit
von einem Spannungsabfall an dem Schaltanschluss erkannt. Dabei wird
zeitgleich mit einem Entkoppeln des Schaltanschlusses von dem vorgegebenen
Schaltpotenzial eine Zusatzstromquelle an den Schaltanschluss verbunden.
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Bevorzugt
ist zwischen dem Schaltanschluss und dem ersten Schaltpotenzial
ein Kondensator vorgesehen, mittels dem der Spannungsabfall ermittelt wird.
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Gemäß der Erfindung
wird kurzzeitig eine zusätzliche
Stromquelle zugeschaltet, die zum Beispiel ein jeweiliges Laden
oder Entladen eines an dem Schaltanschluss angeschlossenen Kondensators
unterstützt
und beschleunigt. So erreicht beispielsweise im Open-Load-Fall der
Schaltanschluss rasch ein beispielsweise bekanntes Diagnosepotenzial.
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Vorzugsweise
wird die Zusatzstromquelle für einen
vorbestimmten Filterzeitraum an den Schaltanschluss verbunden. In
einer besonders bevorzugten Variante des Verfahrens wird die Zusatzstromquelle von
dem Schaltanschluss entfernt, falls ein an dem Schaltanschluss gemessenes
Messpotenzial einem Diagnosepotenzial entspricht. Das Diagnosepotenzial
kann derart gewählt
werden, dass beispielsweise im Falle einer Open-Load-Situation das Diagnosepotenzial
von dem Messpotenzial durchlaufen werden muss, um einen Potenzialgleichgewicht
herzustellen bzw. ein Ladungsausgleich der auf dem Kondensator abgespeicherten
Ladung zu gewährleisten.
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Vorzugsweise
weist das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte auf:
- – Entkoppeln
der Lasteinrichtung von dem Schaltanschluss;
- – Anlegen
eines Referenzpotenzials an den Schaltanschluss; und
- – Zuschalten
einer Zusatzstromquelle zwischen einem Einstellpotenzial und dem
Schaltanschluss bis ein Messpotenzial an dem Schaltanschluss dem
Diagnosepotenzial entspricht oder bis eine vorgegebene Filterzeit
abgelaufen ist, insbesondere zum Laden oder Entladen des Kondensators.
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Es
wird beispielsweise das an dem Schaltanschluss vorliegende Messpotenzial
abgegriffen und mit dem Diagnosepotenzial verglichen. Wenn vorzugsweise
der vorgegebene Filterzeitraum derart gewählt ist, dass durch Laden oder
Entladen des Kondensators innerhalb des Filterzeitraums mittels
dem angelegten Referenzpotenzial und der Zusatzstromquelle der Schaltanschluss
auf das Referenzpotenzial gebracht werden kann, ist eine besonders
hohe Diagnose- bzw. Schaltfrequenz für eine entsprechende Schalteinrichtung
gegeben, da durch das Zuschalten der Zusatzstromquelle ein besonders
schnelles Laden oder Entladen des Kondensators möglich ist. Das jeweilige Diagnosepotenzial
kann dabei derart gewählt
werden, dass es von dem Messpotenzial zeitlich vor dem Referenzpotenzial
erreicht wird.
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In
einer Variante des Verfahrens ist die Lasteinrichtung zwischen dem
Schaltanschluss und einem Massepotenzial als vorgegebenes Schaltpotenzial
vorgesehen, und der Schaltanschluss ist mittels einem steuerbaren
Schalter an ein Batteriepotenzial koppelbar. Dabei wird nach dem
Entkoppeln der Lasteinrichtung von dem Batteriepotenzial ein Nichtverbundensein
der Lasteinrichtung mit dem Schaltanschluss und/oder mit dem Massepotenzial
detektiert, falls das Messpotenzial innerhalb des Filterzeitraums in
einem vorgegebenen Open-Load-Potenzial-Bereich liegt. Bei dieser auf einen
High-Side-Schalter zugeschnittenen Verfahrensvariante wird bei Vorliegen
der Open-Load-Situation
der Kondensator, insbesondere über
die Zusatzstromquelle, rasch entladen, sodass sich das Referenzpotenzial
an dem Schaltanschluss einstellen müsste. Das Diagnosepotenzial
liegt dann vorzugsweise oberhalb des Referenzpotenzials. Der Open-Load-Potenzialbereich kann
dann als eine Spannung zwischen einem oberen und einem unteren Diagnosepotenzial
definiert werden.
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In
einer weiteren Variante des Verfahrens ist die Lasteinrichtung zwischen
dem Schaltanschluss und einem Batteriepotenzial als vorgegebenes Schaltpotenzial
vorgesehen, und der Schaltanschluss ist mittels einem steuerbaren
Schalter an ein Massepotenzial koppelbar. Dabei wird nach dem Entkoppeln
der Lasteinrichtung von den Massepotenzial ein Nichtverbundensein
der Lasteinrichtung mit dem Schaltanschluss und/oder mit dem Batteriepotenzial detektiert,
falls das Messpotenzial innerhalb des Filterzeitraums in einem vorgegebenen
Open-Load-Potenzial-Bereich
liegt.
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In
dieser auf einen Low-Side-Schalter zugeschnittenen Verfahrensvariante
wird der Kondensator, insbesondere durch die Zusatzstromquelle,
rasch aufgeladen, sodass sich das Referenzpotenzial im Schaltanschluss
einstellen müsste.
Das Diagnosepotenzial liegt dann vorzugsweise unterhalb des Referenzpotenzials.
Sobald das Diagnosepotenzial erreicht wird, wird die Zusatzstromquelle
abgeschaltet und ein Diagnoseergebnis bereitgestellt.
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Eine
Schaltungsanordnung zur Detektion des Zustandes einer zwischen einem
Schaltanschluss und einem ersten Schaltpotenzial verbindbaren Lasteinrichtung
weist auf:
- – einen steuerbaren Schalter,
welcher zwischen dem Schaltanschluss und einem zweiten Schaltpotenzial
verbunden ist; und
- – eine
ersten Stromquelle, welche zwischen einem ersten Einstellpotenzial
und dem Schaltanschluss verbunden ist, und eine zweite Stromquelle,
welche zwischen dem Schaltanschluss und einem zweiten Einstellpotenzial
verbunden ist, wobei zwischen der ersten und der zweiten Stromquelle
an dem Schaltanschluss ein Referenzpotenzial abgreifbar ist; und
- – eine
Zusatzstromquelle, welche zwischen dem ersten Einstellpotenzial
und dem Schaltanschluss zuschaltbar ist.
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Diese
Schaltungsanordnung bildet beispielsweise einen High-Side-Schalter mit
einer raschen Diagnosemöglichkeit
zu dem Lastzustand aus.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
ist eine Schaltungsanordnung zur Detektion des Zustandes einer an
einen Schaltanschluss verbindbaren Lasteinrichtung vorgesehen, mit:
- – einem
steuerbaren Schalter, welcher zwischen dem Schaltanschluss und einem
ersten Schaltpotenzial verbunden ist;
- – einer
ersten Stromquelle, welche zwischen einem ersten Einstellpotenzial
und dem Schaltanschluss verbunden ist, und einer zweiten Stromquelle,
welche zwischen dem Schaltanschluss und einem zweiten Einstellpotenzial
VP verbunden ist, wobei zwischen der ersten und der zweiten Stromquelle
an dem Schaltanschluss ein Referenzpotenzial abgreifbar ist; und
mit
- – einer
Zusatzstromquelle, welche zwischen dem zweiten Einstellpotenzial
und dem Schaltanschluss zuschaltbar ist.
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Dabei
ist die Lasteinrichtung zwischen dem Schaltanschluss und einem zweiten
Schaltpotenzial verbindbar.
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Diese
Ausgestaltung eignet sich insbesondere für einen Low-Side-Schalter, der ebenfalls eine kurze
Filterzeit und damit eine hohe Schaltfrequenz erlaubt. Vorzugsweise
ist der jeweilige steuerbare Schalter als MOSFET, insbesondere als
P- oder N-Kanal-MOSFET, ausgeführt.
Vorzugsweise sind ferner die erste und zweite Stromquelle und/oder
die Zusatzstromquelle als zuschaltbare steuerbare Stromquellen ausgeführt. Vorzugsweise
ist ferner ein Kondensator vorgesehen, welcher zwischen dem Schaltanschluss
und dem ersten Schaltpotenzial verbunden ist.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist eine an den
Schaltanschluss gekoppelte Steuereinrichtung vorgesehen, welche
derart ausgeführt
ist, dass ein erfindungsgemäßes Ver fahren zum
Detektieren des Zustandes des an den Schaltanschluss verbindbaren
Lasteinrichtung durchgeführt
wird.
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Dabei
weist die Steuereinrichtung vorteilhafter Weise eine Vergleichseinrichtung
zum Vergleichen des Messpotenzials mit dem Diagnosepotenzial auf.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Schaltungsanordnung als
integrierter High-Side-Schalter oder Low-Side-Schalter ausgeführt, wobei der steuerbare Schalter,
die erste und zweite Stromquelle, die Zusatzstromquelle und die
Steuereinrichtung integriert auf einem Chip ausgebildet sind.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der
folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigt dabei:
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1:
eine erste Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;
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2:
eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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3:
Spannungsverläufe
für die
erste Ausführungsform
der Schaltungsanordnung;
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4:
eine zweite Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;
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5:
Spannungsverläufe
für die
zweite Ausführungsform
der Schaltungsanordnung; und
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6:
eine dritte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
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In
den Figuren sind, sofern nichts Anderes angegeben ist, gleiche bzw.
funktionsgleiche Elemente mit demselben Bezugszeichen versehen worden.
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In
der 1 ist eine erste Ausführungsform einer Schaltungsanordnung
zur Detektion des Zustandes einer an einen Schaltanschluss verbindbaren
Lasteinrichtung als High-Side-Schalter
dargestellt. Die Schaltungsanordnung 1 weist einen Steuereingang 12 und
einen Schaltanschluss 5 auf. An den Schaltanschluss 5 ist
eine Lasteinrichtung 2 verbindbar, die beispielsweise zwischen
dem Schaltanschluss 5 und einem ersten Schaltpotenzial,
das hier als Massepotenzial GND gewählt ist, verbunden ist. Zwischen
dem Schaltanschluss 5 und Massepotenzial ist ferner ein
Pufferkondensator 3 angeschlossen, der Spannungsspitzen
abpuffert und somit die elektromagnetische Verträglichkeit des High-Side-Schalters
mit gewährleistet.
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Es
ist ein als Leistungs-MOSFET-Transistor ausgeführter steuerbarer Schalter 4 vorgesehen,
der einen Steueranschluss bzw. Gate-Anschluss 13 und eine
steuerbare Strecke zwischen einem Source-Anschluss 14 und
einem Drain-Anschluss 15 aufweist. Der Drain-Anschluss 15 ist
an ein zweites Schaltpotenzial VBR, das beispielsweise ein von einer
Batteriespannung abgeleitetes Batteriepotenzial VBR von 12 Volt
einer Autobatterie aufweist. Der Source-Anschluss 14 ist
an den Schaltanschluss 5 verbunden. Über den Steuereingang 12 des
High-Side-Schalters 1 ist
ein logisches Steuersignal CTR an den Gate-Anschluss 13 koppelbar, wodurch
der Schalttransistor 4 die steuerbare Strecke entweder öffnet oder
schließt und
somit eine Kopplung des Schaltanschlusses 5 an das Batteriepotenzial
VBR auslöst,
oder eine Entkopplung, bei logischem Low-Pegel an dem steuerbaren Anschluss 13 hervorruft.
Die Lasteinrichtung 2 ist somit zwischen dem Massepotenzial
GND und dem Batteriepotenzial koppelbar.
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Zur
Bereitstellung eines Referenzpotenzials VREF an einem Leitungsknoten 16 ist
eine erste und zweite Stromquelle 6, 8 vorgesehen.
Die erste Stromquelle 6 ist zwischen dem Leitungsknoten 16 und
einem ersten Einstellpotenzial VN über einen steuerbaren Schalter 7 verbunden.
Die zweite Stromquelle 8 ist zwischen dem Leitungsknoten 16 und
einem zweiten Einstellpotenzial VP mittels einem steuerbaren Schalter 9 schaltbar.
Die Schalter 7, 9 sind von einer Steuereinrichtung 22 derart
gesteuert, dass eine konstantes Referenzpotenzial VREF an dem Leitungsknoten 16 anliegt.
Dazu ist die Steuereinrichtung 22 an den Leitungsknoten 16 gekoppelt
und gibt Steuersignale CT1, CT2 an die Schalter 7, 9 aus.
Typischerweise ist das erste Einstellpotenzial VN auf 0 Volt, also
Masse gelegt und das zweite Einstellpotenzial VP liegt bei einem
logischen Pegel von 5 Volt. Bei einer Gleichdimensionierung der
ersten und der zweiten Stromquelle 6, 8 auf üblicherweise
etwa 0,1 mA ergibt sich bei einer Zuschaltung der Stromquellen 6, 8 ein
Referenzpotenzial von 2,5 Volt an dem Leitungsknoten 16 bzw.
dem Schaltanschluss 5. Ferner ist eine Zusatzstromquelle 10,
die über
einen Schalter 11 zwischen dem ersten Einstellpotenzial VN
und dem Schaltanschluss 5 verbindbar ist, vorgesehen. Diese
Zusatzstromquelle 10 hat in einem Ausführungsbeispiel eine Dimensionierung
vom 20 mA.
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Um
zu Diagnostizieren, ob die Lasteinrichtung 2 sicher elektrisch
mit dem Schaltanschluss 5 und dem Massepotenzial GND verbunden
ist, werden im Wesentlichen die in der 2 dargestellten Verfahrensschritte
ausgeführt.
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Um
eine Diagnose durchzuführen
wird in einem ersten Schritt S1 über
das Steuersignal CTR der Transistor 4 ausgeschaltet, d.h.
der Schaltanschluss 5 wird vom dem Batteriepotenzial VBR
entkoppelt. Gleichzeitig mit dem Abschalten des Transistors 4 wird
der Schalter 11 im Schritt S2 geschlossen, sodass über die
Zusatzstromquelle 10 der Kondensator 3 entladen
werden kann, falls die Last 2 von dem Schaltanschluss 5 getrennt
wurde. Dies kann beispielsweise durch eine lose Leitung im Motor
oder Kabelbaum eines Fahrzeuges geschehen.
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Ferner
wird die Filterzeit T gestartet, welche den Zeitraum für die Diagnose
festlegt. T wird z. B. so gewählt,
dass sich bei einer Open-Load-Situation mit zugeschalteter Zusatzstromquelle 10 innerhalb
dieser Filterzeit T das Potenzial V2 am Schaltanschluss 5 einstellen
kann.
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Im
Schritt S3 wird das an dem Schaltanschluss 5 vorliegende
Potenzial als Messpotenzial VM gemessen und überprüft, ob dieses innerhalb des Open-Load-Potenzialbereichs
V2-V1 liegt. V2 kann beispielsweise 3 Volt und V1 2 Volt betragen.
Es kann dabei aus dem Vergleichsergebnis oder dem zeitlichen Verlauf
des Messpotenzials VM ermittelt werden, ob beispielsweise ein Open-Load-Fehler
vorliegt, d.h. die Lasteinrichtung 2 nicht mit Schaltanschluss 5 verbunden
ist. Falls das Diagnosepotenzial V2 erreicht wird, wird die Zusatzstromquelle 10 im Schritt
S4 abgeschaltet. In diesem Fall muss eine nicht verbundene Last 2 vorliegen.
Falls jedoch VM nicht innerhalb von V2-V1 liegt, wird im Schritt
S5 überprüft, ob der
Filterzeitraum T abgelaufen ist. Ist dies nicht der Fall, wird der
Schritt S5 erneut durchgeführt.
Falls festgestellt wird, dass die Filterzeit abgelaufen ist und
sich das Messpotenzial nicht an das Diagnosepotenzial V2 angenähert hat,
kann geschlossen werden, dass kein Fehlerzustand der Lasteinrichtung
vorliegt. Gleichzeitig nach Ablauf der Filterzeit T im Schritt S4
die Zusatzstromquelle abgeschaltet. Im abschließenden Schritt S6 wird ein
entsprechendes Diagnoseergebnis ausgegeben. Wurde hingegen der Schritt
S4 eingeleitet, wird ein Open-Load-Fehler im Schritt S6 diagnostiziert.
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Die 3 zeigt
mögliche
Spannungsverläufe
des Messpotenzials VM und die zeitliche Abfolge des Schaltens der
Zusatzstromquelle und der Filterzeit T schematisch. Zu Zeiten t < t0 wird
davon ausgegangen, dass der Schalttransistor 4 den Schaltanschluss
VM und die daran angekoppelte Lasteinrichtung 2 auf Batteriepotenzial
VBR schaltet. Um die Diagnose durchzuführen, also festzustellen, ob
die Lasteinrichtung 2 zuverlässig an den Schaltanschluss verbunden
ist, wird zum Zeitpunkt t0 der Transistor 4 abgeschaltet,
d.h. der Schaltanschluss 5 wird von dem Batteriepotenzial
VBR entkoppelt. Dies wird über
das Steuersignal CTR gesteuert. Gleichzeitig liegt an dem Leitungsknoten 16 das
durch die Stromquellen 6, 8 bereitgestellte Referenzpotenzial
VREF an. Falls die Lasteinrichtung 2 durch eine Störung nicht
an den Schaltanschluss 5 verbunden ist, muss der Kondensator 3 zunächst entladen
werden bis sich an dem Schaltanschluss 5 das Referenzpotenzial
VREF von 2,5 Volt einstellt.
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Die
gestrichelte Kurve VM0 zeigt den Verlauf der gemessenen Spannung
VM0 ohne eine zusätzliche
Stromquelle. Der Kondensator 3 wird in diesem Fall nur
langsam über
die Stromquelle 6 entladen, sodass sich erst zum Zeitpunkt
t2 das Referenzpotenzial VREF einstellt
und eine Open-Load-Störung
erkannt werden könnte.
Erfindungsgemäß wird jedoch zeitgleich
mit dem Entkoppeln die Zusatzstromquelle 10 über den
Schalter 11 zugeschaltet, dies ist durch den Verlauf des
Steuersignals CT3 (siehe 6) angedeutet. Dadurch kann
bei dem Open-Load-Zustand
der Kondensator 3 erheblich schneller auch über die
Zusatzstromquelle 10 entladen werden, sodass sich VM bereits
nach einem erheblich kürzeren Zeitraum
t1 dem Referenzpotenzial VREF an dem Schaltanschluss 5 annähert und
das Diagnosepotenzial V2 erreicht. Dies ist in der 3 durch
die durchgezogene Linie angedeutet. Somit kann bereits nach t1 die Zusatzstromquelle 10 wieder
abgeschaltet werden und mit Ablauf der Filterzeit T die Fehlerdiagnose ausgegeben
werden.
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Eine
Filterzeit T wird so eingestellt, dass nach Ablauf der Filterzeit
T der Kondensator 3, welcher beispielsweise in der Größenordnung
von 6,8 nF ausgeführt
ist, bei Zuschalten aller drei Stromquellen 6, 8, 10 sicher
derart entladen wird, dass der Open-Load-Potenzialbereich zwischen
V2 und V1 erreicht wird. Es kann somit zum Zeitpunkt t0 +
T, der erheblich früher
als t2 liegt, ermittelt werden, ob eine Open-Load-Situation
vorliegt.
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Für den Fall,
dass kein Fehlerzustand vorliegt, also die Lasteinrichtung 3 wie
vorgesehen an den Schaltanschluss 5 verbunden ist, stellt
sich praktisch gleichzeitig mit dem Entkoppeln des Schaltanschlusses 5 von
dem Batteriepotenzial VBR zum Zeitpunkt t0 das
Massepotenzial GND an dem Schaltanschluss ein, da der Kondensator 3 sofort über die Last
entladen wird. Werden daher Spannungen unterhalb von V1 nach dem
Entkoppeln gemessen, kann von keiner Störung ausgegangen werden.
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Falls
hingegen ein Kurzschluss des Schaltanschlusses 5 auf das
Batteriepotenzial VBR vorliegt ergibt sich auch nach Ablauf der
Filterzeit T zum Zeitpunkt t1 kein unterhalb
von V2 liegendes Potenzial am Schaltanschluss 5, sodass
auch diese Fehlersituation erkannt werden kann.
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Die
durch Zuschalten der Zusatzstromquelle 10 erheblich reduzierte
Entladezeit des Kondensators 3 lässt eine deutlich erhöhte Schaltfrequenz
zu, da bereits zum Zeitpunkt t1 mit dem
Schalter 1 durch Ansteuern des Gate-Anschlusses 13 des
Transistors 4 wieder ein Ankoppeln des Batteriepotenzials
erfolgen kann. Durch das Zuschalten der Zusatzstromquelle 10 nur
während
der Durchführung
der Diagnose bzw. Detektion eines vorliegenden oder nichtvorliegenden
Fehlers, ergeben sich auch kaum Leckströme. Die Detektion eines potenziell
möglichen Open-Load-Zustandes
der Lasteinrichtung 2 erfolgt bei statisch ausgeschaltetem,
also entkoppeltem Schaltanschluss 5. Da jedoch nur eine
sehr kurzzeitige Erhöhung
des Lade- bzw. Entladestroms
des Kondensators 3 vorgesehen ist, besteht keine Gefahr einer
Versorgung der Lasteinrichtung 2 durch den von der Zusatzstromquelle 10 gelieferten
Strom.
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Prinzipiell
lässt sich
die vorbeschriebene Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Detektieren
des Zustandes der Lasteinrichtung auch auf einen Low-Side-Schalter
anwenden. In der 4 ist eine Ausführungsform
eines entsprechenden Low-Side-Schalters 100 schematisch
dargestellt. Der Low-Side-Schalter
mit Diagnosefunktion 100 weist einen Steuereingang 12 und
einen Schaltanschluss 5 auf. Zwischen dem Schaltanschluss 5 und
dem Batteriepotenzial VBR ist eine Lasteinrichtung 2 angeschlossen.
Zwischen dem Schaltanschluss 5 und dem Massepotenzial GND
ist ferner ein EMV Pufferkondensator 3 geschaltet.
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Als
steuerbarer Schalter 4 ist ein MOSFET-Transistor mit einem
Steueranschluss 13, einem Source-Anschluss 14 und
einem Drain-Anschluss 15 vorgesehen, wobei der Source-Anschluss 14 an Masse
GND angeschlossen ist und der Drain-Anschluss 15 an den
Schaltanschluss 5 angeschlossen ist. Durch Einkoppeln eines
Steuersignals CTR über den
Steuereingang 12 an den Gateanschluss 13 kann
der Transistor 4 geöffnet
oder geschlossen werden, sodass eine Kopplung oder Entkopplung des Schaltanschlusses 5 an
das Massepotenzial erfolgt.
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Es
ist eine erste und eine zweite Stromquelle 6, 8 vorgesehen,
die seriell mittels zweier von einer Steuereinrichtung 22 gesteuerten
Schalter 7, 9 zwischen dem ersten Einstellpotenzial
VN und einem zweiten Einstellpotenzial VP verbunden sind. Zwischen
den beiden Stromquellen 6, 8 ist somit an einem
Leitungsknoten 16 ein geregeltes Referenzpotenzial VREF
abgreifbar. Ferner ist eine Zusatzstromquelle 10 zwischen
dem Schaltanschluss 5 und dem zweiten Einstellpotenzial
VP, was beispielsweise bei 5 Volt liegt, über einen zusätzlichen
Schalter 11 schaltbar.
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Um
zu Diagnostizieren, ob die Lasteinrichtung 2 tatsächlich an
dem Schaltanschluss 5 verbunden ist, kann zum Beispiel
regelmäßig, d.h.
periodisch mit einer vorgegebenen Filterzeit T eine Entkopplung
des Schaltanschlusses 5 von dem Masseanschluss GND durch
Schalten des Transistors 4 erfolgen. Da häufig entsprechende
High-Side- oder Low-Side-Schalter von pulsweitenmodulierten Signalen
angesteuert werden, ist die erfindungsgemäße Verringerung der Filterzeit
T besonders günstig,
da so geringere Pulsweiten und damit schnellere Ansteuersignalfolgen
CTR einsetzbar sind und dennoch eine Diagnose des Lastzustandes
möglich
ist.
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In
der 5 ist ein entsprechender Spannungsverlauf für ein Messpotenzial,
welches am Schaltanschluss 5 abgegriffen werden kann und
die zeitliche Abfolge des Schaltens der Zusatzstromquelle und der
Filterzeit T dargestellt. Wie in Bezug auf die 1 und 3 beschrieben,
wird zum Zeitpunkt t0 der Schalter 4 durch
das Steuersignal CTR geöffnet,
d.h. die steuerbare Strecke zwischen dem Source- und dem Drain-Anschluss 14, 15 des
Transistors 4 wird hochohmig. Falls die Lasteinrichtung 2 entfernt wurde,
müsste
sich durch Zuschaltung der beiden Stromquellen 6, 8 über die
Schalter 7, 9 das Referenzpotenzial VREF von 2,5
Volt an dem Leitungsknoten 16 bzw. dem damit verbunden
Schaltanschluss 5 einstellen. Falls nur diese beiden Stromquellen 6, 8 aktiv
sind, ergibt sich die mit VMO bezeichnete gestrichelte Kurve für das Messpotenzial, d.h.
zu einem späteren
Zeitpunkt t2 wurde der Kondensator über die
Stromquelle 8 aufgeladen, sodass sich VREF am Schaltanschluss 5 ergibt.
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Erfindungsgemäß ist allerdings
die Zusatzstromquelle 10 vorgesehen, welche zeitgleich
mit dem Entkoppeln von GND über
den Schalter 11 an den Schaltanschluss 5 geschaltet
wird. Dadurch ergibt sich die durchgezogene Linie für den Verlauf
des Messpotenzials VM. Bereits zu einem erheblich früheren Zeitpunkt
t1 stellt sich das Diagnosepotenzial V1 < VREF an dem Schaltanschluss 5 ein,
da die Zusatzstromquelle 10 den Kondensator 3 rascher
auflädt.
Der Filterzeitraum T kann damit erheblich reduziert werden.
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Mögliche Dimensionierungen
der ersten und zweiten Stromquelle 6, 8 liegen
bei etwa 0,1 mA, wobei die kurzeitig zugeschaltete Zusatzstromquelle 10 als
2 mA Stromquelle ausgeführt
werden kann. Bei einer Kapazität
von 6,8 nF des Kondensators 3 ergeben sich so Diagnose-
oder Schaltfrequenzen von etwa 5 kHz.
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Es
kann demnach auf eine Open-Load-Situation geschlossen werden, wenn
das Messpotenzial in einem Bereich zwischen V1 und V2 liegt. Geeignete
Werte sind beispielsweise für
V1 = 2V und V2 = 3V. Stellt sich eine Spannung in diesem Bereich
zwischen V1 und V2 während
des Filterzeitraums T nach Entkoppeln des Schaltanschlusses 5 von
dem Massepotenzial GND ein, wird ein Open-Load-Zustand erkannt.
Falls hingegen nach der Entkopplung ein Kurzschluss des Schaltanschlusses 5 auf
Masse GND vorliegt, wird das Messpotenzial deutlich unterhalb von
V1 liegen, nämlich
praktisch auf Massepotenzial GND. Falls die Lasteinrichtung 2 ordnungsgemäß ohne Störung an
dem Schaltanschluss 5 verbleibt, stellt sich an dem Schaltanschluss 5 ein
gegen VBR verlaufendes Messpotenzial VM ein.
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Die 6 zeigt
eine dritte Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
Die als High-Side-Schalter ausgeführte Schaltungsanordnung 200 weist
im Wesentlichen dieselben Elemente der in 1 dargestellten
Schaltungsanordnung 1 auf.
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Ferner
ist eine Steuereinrichtung 22 vorgesehen, die einen Komparator 17 und
einen Controller 20 aufweist. Der Komparator 17 hat
einen ersten Eingang 18 und einen zweiten Eingang 19 wobei
der zweite Eingang 19, an das Referenzpotenzial VREF verbunden
ist. Der erste Eingang 18 des Komparators 17 ist
an den Schaltanschluss 5 verbunden. Der Komparator 17 liefert
ein Vergleichsergebnis CPR an den Controller 20, welcher
Steuersignale CT1, CT2, CT3 an die steuerbar ausgeführten Schalter 7, 9, 11 liefert
zum Ankoppeln der ersten und zweiten Stromquelle 6 und 8 sowie
der Zusatzstromquelle 10. Der Komparator 17 kann
beispielsweise ein Vergleichsergebnis CPR ausgegeben, dass das Messpotenzial VM
größer, kleiner
oder gleich dem Diagnosepotenzial V2 ist.
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Der
Controller 20 der Steuereinrichtung 16 wertet
dieses Ergebnis CPR aus und liefert ein Fehlersignal ER an einen
Fehlerausgang 21 der Schaltungsanordnung 200.
Die Steuereinrichtung 16 ist dabei derart ausgestaltet,
dass ein erfindungsgemäßes Verfahren
zum Detektieren des Zustandes der Lasteinrichtung 2, beispielsweise
wie es hinsichtlich der 1–3 erläutert wurde,
ausführt.
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Denkbar
ist auch eine Ausführung
der Steuereinrichtung 22 mit zwei Komparatoren, die das Messpotenzial
jeweils mit einem unteren und einem oberen Diagnosepotenzial V1,
V2 vergleichen. Dann ist feststellbar, ob ein Messpotenzial VM an
dem Schaltanschluss 5 in dem Open-Load-Potenzialbereich
V2-V1 vorliegt. In der 6 ist ein entsprechender optionaler
Komparator 17' mit
einem ersten und einem zweiten Eingang 18', 19' dargestellt, der ein zweites Vergleichsergebnis
CPR' an die Steuereinrichtung 20 liefert.
Der zweite Eingang 18' ist
dabei an das untere Diagnosepotenzial V1 verbunden, und der erste
Eingang 18' an
den Schaltanschluss 5.
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Die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
eignet sich insbesondere zur Integration auf einem Halbleiter-Chip
zum Einsatz im Kraftfahrzeugbereich, wo häufig Leistungsschalter als
High- oder Low-Side-Schalter eingesetzt werden. Durch das erfindungsgemäße Zuschalten
der Zusatzstromquelle ergibt sich eine verbesserte Diagnosefähigkeit
zum Erkennen von beispielsweise Open-Load-Zuständen der vorgesehen Lasteinrichtung.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen
beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt sondern vielfältig modifizierbar.
Die angegebenen Stromstärken
und Spannungen sind lediglich beispielhaft zu verstehen. Es ist
ferner denkbar, mehrere entsprechende High-Side- oder Low-Side-Schalter in einem
integrierten Halbleiterbaustein auszuführen, wobei jeweils ein Fehlerausgang
den Zustand oder Status der jeweiligen angeschlossenen Last ausgibt.
Die Erfindung ist zudem einfach implementierbar, da eine zusätzliche
oder zeitweise zugeschaltete Stromquelle keinen nennenswerten Schaltungsmehraufwand
darstellt.