DE102006045308B4

DE102006045308B4 - Schaltungsanordnung zum Detektieren des Zustandes einer an einen Schaltanschluss verbindbaren Lasteinrichtung und Verfahren zum Betreiben einer solchen Schaltungsanordnung

Info

Publication number: DE102006045308B4
Application number: DE102006045308A
Authority: DE
Inventors: Bastian 93161 Arndt; Ralf Dr. 93053 Förster; Marco 93047 Well; Gunther 93055 Wolfarth
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2006-09-26
Filing date: 2006-09-26
Publication date: 2011-07-21
Anticipated expiration: 2026-09-27
Also published as: WO2008037510A1; US8416546B2; US20090309607A1; EP2069811A1; DE102006045308A1; CN101490571A; CN101490571B

Abstract

Schaltungsanordnung (1, 200) mit einem Schaltanschluss (5) zum Verbinden mit einem ersten Anschluss einer Lasteinrichtung (2), deren zweiter Anschluss mit einem ersten Schaltpotenzial (GND) verbunden ist, mit: a) einem steuerbaren Schalter (4), welcher zwischen dem Schaltanschluss (5) und einem zweiten Schaltpotenzial (VBR), das höher als das erste Schaltpotenzial (GND) ist, verbunden ist; b) einem Kondensator (3) der zwischen dem Schaltanschluss (5) und dem ersten Schaltpotenzial (GND) angeordnet ist; c) einer ersten Stromquelle (6), welche zwischen einem ersten Einstellpotenzial (VN) und dem Schaltanschluss (5) verbunden ist, und einer zweiten Stromquelle (8), welche zwischen dem Schaltanschluss (5) und einem zweiten Einstellpotenzial (VP), das höher als das erste Schaltpotenzial ist, verbunden ist, wobei zwischen der ersten und der zweiten Stromquelle (6, 8) an dem Schaltanschluss (5) ein Referenzpotenzial (VREF) abgreifbar ist; d) einer Zusatzstromquelle (10), welche in Serie zu einem Schalter (11) zwischen dem ersten Einstellpotenzial (VN) und dem...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren mittels derer ein Zustand von insbesondere an Low-Side- oder High-Side-Schaltern verbundene Lasten diagnostiziert werden können.
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.
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, beispielsweise mit Masse oder mit der Batterieversorgungsspannung, für die jeweilige Last vorliegt.
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.
Beim Gegenstand der US 5,138,516 wird ein EMV-Kondensator mittels einer Spannungsquelle und einem Widerstand auf ein vorgegebenes Potential aufgeladen. Falls eine Leitungsunterbrechung vorliegt, wird das vorgegebene Potential erreicht und ein Komparator steuert einen Ausgang an, an dem die Leitungsunterbrechung angezeigt wird. Falls die Lasteinrichtung ordnungsgemäß verbunden ist, entspricht das Potential des EMV-Kondensator nahezu dem Versorgungspotential, wodurch der Komparator nicht schaltet und entsprechend am Ausgang ein Zustand anliegt, der den ordnungsgemäßen Zustand der Verbindung anzeigt.
Die Lehre der WO 2006/056232 A1 befasst sich mit dem Problem einer Leitungsunterbrechung bei einer schaltbaren Last, allerdings stellt sich dort das Problem eines zu langsamen Einstellens eines Messpotentials aufgrund eines EMV-Kondensators nicht, da ein solcher dort nicht vorgesehen ist. Durch die dort vorgesehene schaltbare Stromquelle soll der Schaltanschluss mit einem Strom beaufschlagt werden, um einen gewissen Stromfluss zur Last aufrecht zu erhalten.
Die EP 1 465 313 A1 offenbart die Detektion einer Verbindungsunterbrechung zwischen einer Last und einem Anschluss der Last, bei der eine erste und eine zweite Stromquelle zur Erzeugung eines Referenzpotentials vorgesehen sind.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Detektieren des Zustandes einer an einem Schaltanschluss verbundenen Last anzugeben, bei der bzw. dem die Filterzeit möglichst gering ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung zur Detektion des Zustandes einer zwischen einem Schaltanschluss und einem ersten Schaltpotenzial verbindbaren Lasteinrichtung, die aufweist:

– einen steuerbaren Schalter, welcher zwischen dem Schaltanschluss und einem zweiten Schaltpotenzial verbunden ist; und
– einen Kondensator, welcher zwischen dem Schaltanschluss und dem ersten Schaltpotenzial angeordnet ist,
– 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,
– eine an den Schaltanschluss gekoppelte Steuereinrichtung, die zumindest den Schalter zum Verbinden oder Trennen der Zusatzstromquelle mit bzw. von dem Schaltanschluss mittels eines Steuersignals ansteuert.

Diese Schaltungsanordnung bildet beispielsweise einen High-Side-Schalter mit einer raschen Diagnosemöglichkeit zu dem Lastzustand aus.
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;
– einen Kondensator, welcher zwischen dem Schaltanschluss und dem ersten Schaltpotenzial angeordnet 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;
– einer Zusatzstromquelle, welche zwischen dem zweiten Einstellpotenzial und dem Schaltanschluss zuschaltbar ist, und mit
– einer an den Schaltanschluss gekoppelte Steuereinrichtung, die zumindest den Schalter zum Verbinden oder Trennen der Zusatzstromquelle mit bzw. von dem Schaltanschluss mittels eines Steuersignals ansteuert.

Dabei ist die Lasteinrichtung zwischen dem Schaltanschluss und einem zweiten Schaltpotenzial verbindbar.
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.
Dabei weist die Steuereinrichtung vorteilhafter Weise eine Vergleichseinrichtung zum Vergleichen des Messpotenzials mit dem Diagnosepotenzial auf.
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.
Die Aufgabe wird außerdem durch ein Verfahren zum Detektieren des Zustandes einer an einen Schaltanschluss verbindbaren Lasteinrichtung gemäß Patentanspruch 5 gelöst.
Das Verfahren weist 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.

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.
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.
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.
In einer Variante der Erfindung 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 Variante 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.
In einer weiteren Variante der Erfindung 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.
In dieser auf einen Low-Side-Schalter zugeschnittenen Variante 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.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigt dabei:
1: eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;
2: eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens;
3: Spannungsverläufe für die erste Ausführungsform der Schaltungsanordnung;
4: eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;
5: Spannungsverläufe für die zweite Ausführungsform der Schaltungsanordnung; und
6: eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
In den Figuren sind, sofern nichts Anderes angegeben ist, gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente mit demselben Bezugszeichen versehen worden.
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.
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.
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.
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.
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. 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.
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 wird im Schritt S4 die Zusatzstromquelle abgeschaltet. Im abschließenden Schritt 56 wird ein entsprechendes Diagnoseergebnis ausgegeben. Wurde hingegen der Schritt S4 eingeleitet, wird ein Open-Load-Fehler im Schritt S6 diagnostiziert.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 = 2 V und V2 = 3 V. 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.
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.
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 mit dem Referenzpotenzial VREF verbunden ist. Der erste Eingang 18 des Komparators 17 ist mit dem 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.
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.
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.
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.
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.

Claims

Schaltungsanordnung (1, 200) mit einem Schaltanschluss (5) zum Verbinden mit einem ersten Anschluss einer Lasteinrichtung (2), deren zweiter Anschluss mit einem ersten Schaltpotenzial (GND) verbunden ist, mit: a) einem steuerbaren Schalter (4), welcher zwischen dem Schaltanschluss (5) und einem zweiten Schaltpotenzial (VBR), das höher als das erste Schaltpotenzial (GND) ist, verbunden ist; b) einem Kondensator (3) der zwischen dem Schaltanschluss (5) und dem ersten Schaltpotenzial (GND) angeordnet ist; c) einer ersten Stromquelle (6), welche zwischen einem ersten Einstellpotenzial (VN) und dem Schaltanschluss (5) verbunden ist, und einer zweiten Stromquelle (8), welche zwischen dem Schaltanschluss (5) und einem zweiten Einstellpotenzial (VP), das höher als das erste Schaltpotenzial ist, verbunden ist, wobei zwischen der ersten und der zweiten Stromquelle (6, 8) an dem Schaltanschluss (5) ein Referenzpotenzial (VREF) abgreifbar ist; d) einer Zusatzstromquelle (10), welche in Serie zu einem Schalter (11) zwischen dem ersten Einstellpotenzial (VN) und dem Schaltanschluss (5) angeordnet ist; e) einer Steuereinrichtung (22), die zumindest den Schalter (11) zum Verbinden oder Trennen der Zusatzstromquelle (10) mit bzw. von dem Schaltanschluss (5) mittels eines Steuersignals (CT3) ansteuert.
Schaltungsanordnung (100) mit einem Schaltanschluss (5) zum Verbinden mit einem ersten Anschluss einer Lasteinrichtung (2), deren zweiter Anschluss mit einem zweiten Schaltpotenzial (VBR) verbunden ist, mit: a) einem steuerbaren Schalter (4), welcher zwischen dem Schaltanschluss (5) und dem ersten Schaltpotenzial (GND), das niedriger als das zweite Schaltpotenzial (VBR) ist, verbunden ist; b) einem Kondensator (3) der zwischen dem Schaltanschluss (5) und dem ersten Schaltpotenzial (GND) angeordnet ist; c) einer ersten Stromquelle (6), welche zwischen einem ersten Einstellpotenzial (VN) und dem Schaltanschluss (5) verbunden ist, und einer zweiten Stromquelle (8), welche zwischen dem Schaltanschluss (5) und einem zweiten Einstellpotenzial (VP), das höher als das erste Schaltpotenzial ist, verbunden ist, wobei zwischen der ersten und der zweiten Stromquelle (6, 8) an dem Schaltanschluss (5) ein Referenzpotenzial (VREF) abgreifbar ist; d) einer Zusatzstromquelle (10), welche in Serie zu einem Schalter (11) zwischen dem zweiten Einstellpotenzial (VP) und dem Schaltanschluss (5) angeordnet ist; e) einer Steuereinrichtung (22), die zumindest den Schalter (11) zum Verbinden oder Trennen der Zusatzstromquelle (10) mit bzw. von dem Schaltanschluss (5) mittels eines Steuersignals (CT3) ansteuert.
Schaltungsanordnung (1, 100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Stromquelle (6, 8) als zuschaltbare, steuerbare Stromquellen ausgeführt sind.
Schaltungsanordnung (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (22) mindestens eine Vergleichseinrichtung (17) zum Vergleichen eines Messpotenzials (VM) am Schaltanschluss (5) mit einem Diagnosepotenzial (V1, V2) aufweist.
Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1–4, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrenschritte aufweist: a) Öffnen des steuerbaren Schalters (4) mittels eines Steuersignals (CTR); b) Anlegen eines Referenzpotenzials (VREF) an den Schaltanschluss (5) mittels der ersten und zweiten Stromquelle (6, 8); und c) Zuschalten der Zusatzstromquelle (10) bis ein Messpotenzial (VM) an dem Schaltanschluss (5) einem Diagnosepotenzial (V1, V2) entspricht oder bis eine vorgegebene Filterzeit (T) abgelaufen ist; d) Detektieren des nicht Verbundenseins der Lasteinrichtung (2) mit dem Schaltanschluss (5) oder mit dem ersten bzw. zweiten Schaltpotenzial (GND bzw. VBR), falls das Messpotenzial (VM) innerhalb des Filterzeitraums (T) in einem vorgegeben Open-Load-Potenzialbereich (V2–V1) liegt.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der vorgegebene Filterzeitraum (T) derart gewählt ist, dass durch Laden oder Entladen des Kondensators (3) innerhalb des Filterzeitraums (T) mittels der ersten und zweiten Stromquelle (6, 8) und der Zusatzstromquelle (10) der Schaltanschluss (5) auf das Referenzpotenzial (VREF) gebracht wird.