DE102007046488B4 - Method and device for diagnosis in integrated power bridge circuits - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Fehlererkennung in integrierten Leistungsbrückenschaltungen mit einem High-Side-Zweig und einem Low-Side-Zweig und einer dazwischen angeordneten Last (L), einem High-Side-Leistungsschalter (B) zwischen Last (L) und Versorgungsspannung (Vsupply) und einem Low-Side-Leistungsschalter (G) zwischen Last (L) und Masse (M), sowie mit Überstrommessvorrichtungen zur Messung des Überstroms über die Leistungsschalter (B, G), dadurch gekennzeichnet, dass die Ströme (IB) im High-Side-Zweig und (IG) im Low-Side-Zweig während des Betriebes erfasst werden, dass die erfassten Werte für die Ströme voneinander abgezogen werden und dass die so gebildete Differenz mit einem oberen Grenzwert (RO) und einem unteren Grenzwert (RU) verglichen wird, wobei • ein Überschreiten des oberen Grenzwertes (RO) als Kurzschluss (SCG1) über den Low-Side-Leistungsschalter (G) interpretiert wird, wenn gleichzeitig kein Überstrom in der Schaltung gemessen wird, • ein Überschreiten des oberen Grenzwertes (RO) als Kurzschluss (SCG2) über die Reihenschaltung aus Low-Side-Leistungsschalter (G) und Last (L) interpretiert wird, wenn gleichzeitig ein Überstrom in der Schaltung gemessen wird, • ein Unterschreiten des unteren Grenzwertes (RU) als Kurzschluss (SCB1) über den High-Side-Leistungsschalter (B) interpretiert wird, wenn gleichzeitig kein Überstrom in der Schaltung gemessen wird, • ein Unterschreiten des unteren Grenzwertes (RU) als Kurzschluss (SCB2) über die Reihenschaltung aus High-Side-Leistungsschalter (B) und die Last (L) interpretiert wird, wenn gleichzeitig ein Überstrom in der Schaltung gemessen wird, und • die Messung eines Überstroms in der Schaltung bei gleichzeitiger Messung einer Stromdifferenz (ID), die größer als der untere Grenzwert (RU) und kleiner als der obere Grenzwert (RO) ist, als Kurzschluss (SCL) über der Last (L) interpretiert wird.Method for fault detection in integrated power bridge circuits having a high-side arm and a low-side arm and a load (L) arranged therebetween, a high-side power switch (B) between the load (L) and supply voltage (Vsupply) and one Low-side circuit breaker (G) between load (L) and ground (M), as well as with over-current measuring devices for measuring the overcurrent through the circuit breaker (B, G), characterized in that the currents (IB) in the high-side branch and (IG) are detected in the low-side branch during operation, that the detected values for the currents are subtracted from each other and that the difference thus formed is compared with an upper limit value (RO) and a lower limit value (RU) • Exceeding of the upper limit value (RO) as a short circuit (SCG1) via the low-side circuit breaker (G) is interpreted, if at the same time no overcurrent in the circuit is measured, • an exceeding of the upper size value (RO) is interpreted as a short circuit (SCG2) via the series connection of low-side circuit breaker (G) and load (L), if an overcurrent in the circuit is measured at the same time, • a shortfall below the lower limit value (RU) (SCB1) is interpreted via the high-side circuit-breaker (B), if at the same time no overcurrent in the circuit is measured, • a shortfall of the lower limit value (RU) as short circuit (SCB2) via the series circuit of high-side circuit breaker ( B) and the load (L) is interpreted as an overcurrent in the circuit is measured simultaneously, and • the measurement of an overcurrent in the circuit with simultaneous measurement of a current difference (ID), which is greater than the lower limit (RU) and smaller when the upper limit (RO) is interpreted as a short circuit (SCL) across the load (L).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Fehlererkennung in integrierten Leistungsbrückenschaltungen mit einem High-Side-Zweig und einem Low-Side-Zweig und einer Last L, einem High-Side-Leistungsschalter B zwischen Last L und Versorgungsspannung VSupply und einem Low-Side-Leistungsschalter G zwischen Last L und Masse M, sowie mit Überstrommessvorrichtungen zur Messung des Überstroms über die Leistungsschalter B und G.The invention relates to a method and a device for fault detection in integrated power bridge circuits having a high-side branch and a low-side branch and a load L, a high-side power switch B between load L and supply voltage V Supply and a low-side branch. Side circuit breaker G between load L and ground M, and with over-current measuring devices for measuring the overcurrent through the circuit breakers B and G.
Derartige Schaltanordnungen sind bekannt. Insbesondere in der Automobiltechnik ist die Erkennung und Unterscheidung verschiedener Fehlerfälle, nämlich Kurzschlüsse über einzelne Elemente, sowie der Schutz der Schaltung vor destruktiver Überlast besonders wichtig, wobei gerade hier aus Kostengründen die Diagnose mit möglichst kleinem Schaltungsaufwand gelöst werden muss. Hierbei spielt eine Rolle, dass die Anforderungen an die Umweltbedingung für Schaltungen in der Automobilindustrie ausgesprochen hoch sind, so dass Bauelemente aufwendiger und teuerer herzustellen sind, was wiederum den Druck auf die Verminderung des Schaltungsaufwands erhöht.Such switching arrangements are known. Especially in the automotive industry, the detection and differentiation of different error cases, namely short circuits on individual elements, as well as the protection of the circuit against destructive overload is particularly important, especially for cost reasons, the diagnosis must be solved with the least possible circuit complexity. A factor here is that the environmental requirements for circuits in the automotive industry are extremely high, so that components are more complicated and expensive to manufacture, which in turn increases the pressure on the reduction of the circuit complexity.
Bei einer beschriebenen Schaltungsanordnung können Kurzschlüsse über den High-Side-Leistungsschalter (SCB1), über die Reihenschaltung aus dem High-Side-Leistungsschalter und der Last L (SCB2), über den Low-Side-Leistungsschalter (SCG1), eine Reihenschaltung aus Low-Side-Leistungsschalter und Last L (SCG2) und ein Kurzschluss über die Last (SCL) auftreten. In der Folge eines Kurzschlusses kann es zu übermäßig hohen Strömen kommen. Zu niedrige Ströme können die Folge von Unterbrechungen sein.In a described circuit arrangement, short circuits can occur via the high-side power switch (SCB 1 ), via the series connection of the high-side power switch and the load L (SCB 2 ), via the low-side power switch (SCG 1 ) Series connection of low-side circuit breaker and load L (SCG 2 ) and a short circuit across the load (SCL) occur. As a result of a short circuit, excessively high currents may occur. Too low currents can be the result of interrupts.
Diese Fehler können jeweils vor dem Einschalten der Last, aber auch während des Betriebs der Last auftreten.These errors can occur before the load is switched on, but also during the operation of the load.
Im Stand der Technik wir bei derartigen integrierten Leistungsschaltern die Diagnose durch Strommessungen in beiden Leistungsschaltern mit Hilfe von Shunt-Widerständen oder Strom-Sense-Transistoren durchgeführt. Eine hochtolerante Diagnose kann dabei auch durch Überwachung der Spannung über einem aktivierten Leistungsschalter realisiert werden.In the prior art, in such integrated circuit breakers, the diagnosis is carried out by current measurements in both circuit breakers with the aid of shunt resistors or current-sense transistors. A highly tolerant diagnosis can also be realized by monitoring the voltage across an activated circuit breaker.
Es ist eine Reihe von Kontrollschaltungen, meist mit Komparatoren, bekannt, die nach dem Stand der Technik in der Lage sind die verschiedenen Fehlerfälle zu unterscheiden. Insbesondere auf der High-Side entsteht dabei jedoch ein erheblich größerer Schaltungsaufwand, da sämtliche Schaltungsteile für höhere Spannungen ausgelegt werden müssen. Die Fehlerfälle werden im Stand der Technik dabei diagnostiziert, indem der Fehler SCB1 im abgeschalteten Zustand diagnostiziert, eine Spannung auf den High-Side-Ausgang geprägt und der Strom nachgemessen wird. Alternativ ist es im Stand der Technik auch bekannt, im abgeschalteten Zustand auf den High-Side-Ausgang einen Strom zu legen und die Spannung nachzumessen. Ferner kann der Low-Side-Leistungsschalter separat eingeschaltet und der Strom im Diagnosemodus bestimmt werden.There are a number of control circuits, usually with comparators, known that are able to distinguish the various error cases in the prior art. However, in particular on the high side, a considerably greater circuit complexity arises since all circuit parts have to be designed for higher voltages. The error cases are diagnosed in the prior art by diagnosing the error SCB 1 in the off state, stamping a voltage on the high-side output and measuring the current. Alternatively, it is also known in the state of the art to apply a current to the high-side output in the switched-off state and to measure the voltage. Furthermore, the low-side power switch can be turned on separately and the current in the diagnostic mode can be determined.
Der Fehler SCB2, der aus einem Kurzschluss über die Reihenschaltung aus High-Side-Leistungsschalter und Last besteht, wird durch Überstrommessung im Low-Side-Leistungsschalter bestimmt. Entsprechend führt der Fehler SCG2 zu einem Überstrom im High-Side-Leistungsschalter. Der Fehler SCG1, also der Kurzschluss über den Low-Side-Leistungsschalter, wird, ähnlich wie der Fehler SCB1, durch Einprägen einer Spannung im abgeschalteten Zustand auf den Low-Side-Ausgang und Nachmessen des Stroms (oder umgekehrt) bestimmt. Möglich ist auch, den Low-Side-Leistungsschalter einzeln einzugeschalten und die Strommessung im Diagnosemodus durchzuführen.The fault SCB 2 , which consists of a short circuit across the series circuit of high-side circuit breaker and load, is determined by overcurrent measurement in the low-side circuit breaker. Accordingly, the fault SCG 2 leads to an overcurrent in the high-side circuit breaker. The fault SCG 1 , ie the short-circuit through the low-side circuit-breaker, is determined, similar to the error SCB 1 , by impressing a voltage in the switched-off state on the low-side output and measuring the current (or vice versa). It is also possible to individually switch on the low-side circuit breaker and to carry out the current measurement in the diagnostic mode.
Der Fehler SCL, also der Kurzschluss über die Last, wird über den Stromanstieg in einem der beiden Leistungsschalter überwacht.The error SCL, ie the short circuit across the load, is monitored by the current increase in one of the two circuit breakers.
Ein wesentlicher Nachteil des Stands der Technik ist die aufwändige Verschaltung sowie die notwendige Auslegung der Messschaltungen für hohe Belastungen. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Diagnose eines Kurzschlusses über einen Schalter allein nur im abgeschalteten Zustand erfolgen kann.A major disadvantage of the prior art is the complex interconnection and the necessary design of the measuring circuits for high loads. Another disadvantage is that the diagnosis of a short circuit via a switch alone can only be done in the off state.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, diese Nachteile des Stands der Technik zu vermeiden und ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche bei einfachem schaltungstechnischem Aufbau und geringer Belastung die verschiedenen Fehlerfälle zuverlässig unterscheide kann.The object of the present invention is therefore to avoid these disadvantages of the prior art and to provide a method and a device which, with a simple circuitry design and low load, can reliably distinguish the various error cases.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 und 3 gelöst. Offenbart ist ein Verfahren welches die Ströme IB und IG im High-Side- und Low-Side-Zweig erfasst, die erfassten Werte der Ströme voneinander abzieht und die so gebildete Differenz mit einem oberen Grenzwert RO und einem unteren Grenzwert RU vergleicht.This object is achieved by a method and an apparatus according to claims 1 and 3. Disclosed is a method which detects the currents I B and I G in the high-side and low-side branch, subtracts the detected values of the currents and compares the difference thus formed with an upper limit R O and a lower limit R U ,
Dabei können die Ströme zum Beispiel mit Hilfe von Stromspiegelschaltungen direkt erfasst und als Ströme weiter verarbeitet werden. Es ist aber auch möglich, die Ströme als über Shunt-Widerständen abfallende Spannungen zu messen und als Spannungen weiter zu verarbeiten.In this case, the currents can be detected directly, for example, with the aid of current mirror circuits and processed further as currents. However, it is also possible to measure the currents as voltages dropping across shunt resistors and processing them as voltages.
Ein Überschreiten des oberen Grenzwertes RO kann dabei als Kurzschluss SCG1 über den Low-Side-Leistungsschalter G interpretiert werden, wenn gleichzeitig kein Überstrom in der Schaltung gemessen wird. Wird gleichzeitig ein Überstrom gemessen, kann das Überschreiten des oberen Grenzwertes RO als Kurzschluss SCG2 über die Reihenschaltung aus Low Side-Leistungsschalter G und Last L interpretiert werden. Exceeding the upper limit value R O can be interpreted as a short circuit SCG 1 via the low-side power switch G, if at the same time no overcurrent in the circuit is measured. If an overcurrent is measured at the same time, the exceeding of the upper limit value R O can be interpreted as a short circuit SCG 2 via the series connection of low side circuit breaker G and load L.
Umgekehrt kann ein Unterschreiten des unteren Grenzwertes RU als Kurzschluss SCB1 über den High-Side-Leistungsschalter B interpretiert werden, wenn gleichzeitig kein Überstrom in der Schaltung gemessen wird. Wird dagegen gleichzeitig ein Überstrom gemessen, kann das Unterschreiten des unteren Grenzwertes RU als Kurzschluss SCB2 über die Reihenschaltung aus High-Side-Leistungsschalter G und die Last L interpretiert werden.Conversely, falling below the lower limit value R U can be interpreted as a short circuit SCB 1 via the high-side power switch B, if at the same time no overcurrent in the circuit is measured. If, on the other hand, an overcurrent is measured at the same time, the undershooting of the lower limit value R U can be interpreted as a short circuit SCB 2 via the series connection of high-side power switch G and the load L.
Schließlich ist es möglich, die Messung eines Überstroms in der Schaltung bei gleichzeitiger Messung einer Stromdifferenz ID, die größer als der untere Grenzwert RU und kleiner als der obere Grenzwert RO ist, die sich also innerhalb des durch die Grenzwerte festgelegten Normalbereiches bewegt, als Kurzschluss SCL über der Last L interpretiert werden.Finally, it is possible to measure an overcurrent in the circuit while simultaneously measuring a current difference I D which is greater than the lower limit R U and less than the upper limit R O , which therefore moves within the normal range defined by the limits, be interpreted as a short circuit SCL across the load L.
Offenbart ist darüber hinaus eine Vorrichtung zur Fehlererkennung in integrierten Leistungsbrückenschaltungen mit einer Last L, einem High-Side-Leistungsschalter B zwischen Last L und Versorgungsspannung Vsupply und einem Low-Side-Leistungsschalter G zwischen Last L und Masse M, sowie mit Überstrommessvorrichtungen zur Messung des Überstroms über die Leistungsschalter B und G, wobei die Vorrichtung mindestens zwei Strommessgeräte, die die Ströme IKS und ILS im High-Side und im Low-Side-Zweig erfassen, und mindestens eine Differenzschaltung aufweist, zu der die gemessenen Ströme IB und IG geführt werden, so dass der Differenzstrom ID der Ströme IB und IG gebildet wird. Zusätzlich weist die Vorrichtung eine Vergleichsschaltung K auf, die den Differenzstrom ID mit einem oberen Grenzwert RO und einem unteren Grenzwert RU vergleicht.Disclosed is also an apparatus for fault detection in integrated power bridge circuits with a load L, a high-side power switch B between load L and supply voltage V supply and a low-side power switch G between load L and ground M, and with over-current measuring devices for measurement the overcurrent via the power switches B and G, wherein the device comprises at least two ammeters, which detect the currents I KS and I LS in the high-side and the low-side branch, and at least one differential circuit, to which the measured currents I B and I G are guided, so that the differential current I D of the currents I B and I G is formed. In addition, the device has a comparison circuit K, which compares the differential current I D with an upper limit R O and a lower limit R U.
Ebenfalls offenbart ist eine Vorrichtung zur Fehlererkennung in integrierten Leistungsbrückenschaltungen mit einer Last L, einem High-Side-Leistungsschalter B zwischen Last L und Versorgungsspannung Vsupply und einem Low-Side-Leistungsschalter G zwischen Last L und Masse M, sowie mit Überstrommessvorrichtungen zur Messung des Überstroms über die Leistungsschalter B und G,
bei der die Vorrichtung mindestens zwei Strommessgeräte mit gepaarten Shunt-Widerständen aufweist, die die Ströme IB und IG im High-Side- und im Low-Side-Zweig über die über den Shunt-Widerständen abfallenden Spannungen UB und UG erfassen, wobei die Vorrichtung weiterhin wenigstens einen Pegelwandler (Level-Shifter) aufweist, der die Spannung UB auf die Low-Side verschiebt, sowie mindestens eine Differenzschaltung, zu der die gemessenen Spannungen UB und UG geführt werden, so dass die Differenzspannung UD der Spannungen UB und UG gebildet wird. Zusätzlich weist die Vorrichtung eine Vergleichsschaltung K auf, die die Differenzspannung UD mit einem oberen Grenzwert RO und einem unteren Grenzwert RU vergleicht.Also disclosed is a device for fault detection in integrated power bridge circuits with a load L, a high-side power switch B between load L and supply voltage V supply and a low-side power switch G between load L and ground M, as well as over-current measuring devices for measuring the Overcurrent via the circuit breakers B and G,
in which the device has at least two current measuring devices with paired shunt resistors, which detect the currents I B and I G in the high-side and in the low-side branch via the voltages U B and U G dropping across the shunt resistors, wherein the device further comprises at least one level converter (level shifter), which shifts the voltage U B to the low side, and at least one differential circuit, to which the measured voltages U B and U G are guided, so that the differential voltage U D the voltages U B and U G is formed. In addition, the device has a comparison circuit K, which compares the differential voltage U D with an upper limit R O and a lower limit R U.
Alternativ kann der Pegelwandler (Level-Shifter) auch so realisiert sein, dass er direkt einen Strom verschiebt, der proportional zum im High-Side-Leistungsschalter fließenden Strom ist. Dabei kann die Strommessung sowohl mit Shunt-Widerständen als auch mit Stromspiegelschaltungen (Sense-FET) erfolgen. Die weitere Verarbeitung des Stromsignals vom High-Side-Schalter kann auf der Low-Side mittels Spannungen oder Strömen realisiert werden.Alternatively, the level shifter may also be implemented to directly shift a current that is proportional to the current flowing in the high-side power switch. In this case, the current measurement can be done both with shunt resistors and with current mirror circuits (sense FET). The further processing of the current signal from the high-side switch can be realized on the low-side by means of voltages or currents.
Es hat sich dabei als vorteilhaft erwiesen, wenn die Strommessgeräte in die Schalter integrierte Stromspiegel aufweisen. In diesem Fall ist es darüber hinaus günstig, wenn die Vorrichtung eine zusätzliche Schaltung aufweist, die dafür sorgt, dass die Gate-Source Spannungen des Schalter Transistors und dessen Spiegeltransistors gleich gehalten werden.It has proved to be advantageous if the ammeters have integrated in the switch current mirror. In this case, it is also advantageous if the device has an additional circuit which ensures that the gate-source voltages of the switch transistor and its mirror transistor are kept equal.
Im Folgenden wird die Erfindung an Hand von drei Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail below with reference to three exemplary embodiments. Show it:
Mögliche Fehler sind Kurzschlüsse über den High-Side-Leistungsschalter alleine (SCB1), über die Last alleine (SCL) und über eine Reihenschaltung aus High-Side-Leistungsschalter B und Last L (SCB2). Possible faults include short circuits via the high-side circuit breaker alone (SCB 1 ), via the load alone (SCL) and via a series connection of high-side circuit breaker B and load L (SCB 2 ).
Erfindungsgemäß wird, wie in
Der Differenzstrom ID wird dann mit einem oberen und einem unteren Grenzwert verglichen, wobei hierzu jeweils ein Komparator, etwa ein Operationsverstärker, verwendet wird, an dem auf der einen Seite der Differenzstrom ID oder ein Signal proportional zum Differenzstrom ID liegt. Zum Vergleich mit dem unteren Grenzwert RU wird an den einen Komparator
Gleichzeitig wird, in
Gibt nunmehr der Komparator
Fließt andererseits ein höherer Strom über den Low-Side-Zweig, wird die Differenz aus IB und IG negativ. Wird dabei der untere Grenzwert RU unterschritten, gibt der Komparator
Bei dem Verfahren, welches an Hand der Schaltung nach
Ein Sonderfall ist ein Kurzschluss über die Last alleine (SCL), da hier die Stromdifferenz aus IB und IG unterhalb des Grenzwerts bleiben wird. Es wird allerdings ein Überstrom fließen, der erkannt wird, so dass die Messung eines Überstroms bei gleichzeitigem Verbleib der Stromdifferenz innerhalb der beiden Grenzwerte RO und RU zuverlässig als Kurzschluss über die Last interpretiert wird.A special case is a short circuit over the load alone (SCL), because here the current difference between I B and I G will remain below the limit value. However, an overcurrent will flow, which is detected, so that the measurement of an overcurrent while simultaneously maintaining the current difference within the two limit values R O and R U is reliably interpreted as a short circuit across the load.
Aus der Beschreibung dieser Vorrichtung sowie des ausgeführten Verfahrens wird klar, dass durch diese Verwendung von gepaarten Strukturen ein niedertoleranter Vergleich der Ströme in High-Side- und Low-Side-Leistungsschaltern ausgenutzt wird, welcher während des laufenden Betriebs möglich ist. Damit wird die Diagnose gegenüber dem Stand der Technik erheblich vereinfacht, da die Notwendigkeit eines separaten Diagnosemodus außerhalb des regulären Betriebs der Schaltung verzichtbar ist.It is clear from the description of this device as well as the method performed that a low-tolerance comparison of the currents in high-side and low-side circuit breakers is exploited by this use of paired structures, which is possible during operation. Thus, the diagnosis over the prior art is greatly simplified, since the need for a separate diagnostic mode outside the regular operation of the circuit is dispensable.
Durch die höhere Genauigkeit, die diese erfindungsgemäße Schaltung und das mit dieser Schaltung ausgeführte Verfahren ermöglicht, kann die Überdimensionierung für einen Kurzschlussfall geringer ausfallen, was den Aufwand für die Herstellung der Schaltung und die damit verbundenen Kosten weiter senkt. Ein stromloser Zustand zur Diagnose ist nicht erforderlich, vor allem wird aber auch der Schaltungsaufwand gegenüber den Lösungen, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, geringer.Due to the higher accuracy that allows this circuit according to the invention and carried out with this circuit method, the oversizing for a short circuit case can be lower, which further reduces the cost of producing the circuit and the associated costs. A currentless state for diagnosis is not required, but above all, the circuit complexity compared to the solutions which are known from the prior art, less.
Eine weitere schaltungstechnische Vereinfachung kann erreicht werden, wenn der Strom als Spannungsabfall über einen Shunt-Widerstand
Da bei einem Verfahren mit einer Schaltung nach
Eine weitere Ausführungsform zeigt
Nach dieser Ausführungsform werden zur Strommessung Stromspiegel (
Der gespiegelte High-Side-Strom wird dann auf der Low-Side erneut gespiegelt und die gespiegelten High-Side- und Low-Side-Ströme werden voneinander subtrahiert.The mirrored high-side current is then mirrored again on the low-side and the mirrored high-side and low-side currents are subtracted from each other.
Wie bereits bei dem Ausführungsbeispiel nach
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- 2007-09-28 DE DE102007046488.8A patent/DE102007046488B4/en active Active
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2008
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