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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Schalten
einer oder mehrerer induktiver Lasten.
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Eine
derartige integrierte Schaltungsanordnung wird beispielsweise in
der
DE 198 41 227
C1 erwähnt (”Mehrfach-Leistungsendstufe”)
und umfasst eine Parallelanordnung mehrerer Schalteinrichtungen
zum jeweiligen Schalten einer induktiven Last. Eine konkrete Ausgestaltung
einer derartigen Schalteinrichtung ist in der
DE 198 41 227 C1 detailliert
beschrieben. Die bekannte Schalteinrichtung dient zum Schalten einer
induktiven Last, die in Reihenschaltung mit einem ansteuerbaren
Schaltelement an den Polen einer Spannungsquelle liegt, wobei eine Schutzbeschaltung
zum Schutz des Schaltelements vor zu hohen Abschaltspannungen vorgesehen
ist, welche im Falle einer Überschreitung einer vorbestimmten
Schutzschwelle durch die Abschaltspannung das Schaltelement zwangsweise
in einen leitenden Zustand steuert.
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Zum
Schutz vor zu hohen Abschaltspannungen am Drain des als FET ausgebildeten
Schaltelements ist als Schutzbeschaltung zwischen dem Gate und dem
Drain des FET eine Reihenschaltung einer zum Drain hin stromleitenden
Zenerdiode, einer zum Gate hin stromleitenden Sperrdiode und eines
Widerstandes angeordnet. Wenn beim Abschalten des FET eine im Wesentlichen
durch die Zenerspannung der Zenerdiode bestimmte Schutzschwelle
durch die Abschaltspannung überschritten wird, so bricht
die Zenerdiode durch und es fließt ein Strom vom Drain zum
Gate, so dass der FET zwangsweise wieder in einen leitenden Zustand
gesteuert wird, bis die gespeicherte Energie in der induktiven Last
nennenswert abgebaut ist. Dies wird als so genanntes ”clamping” der
Abschaltspannung bezeichnet.
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Eine
gattungsgemäße integrierte Schaltungsanordnung
umfasst eine Parallelanordnung von in dieser Weise wirkenden Schalteinrichtungen,
denen jeweils eine Schutzbeschaltung zugeordnet ist. Damit können
vorteilhaft mehrere induktive Lasten durch Verwendung desselben
Bausteins angesteuert werden, wie dies z. B. für die Ansteuerung
mehrerer magnetventilbetätigter Kraftstoffinjektoren bei
einer Brennkraftmaschine nützlich sein kann.
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Die
EP 1 783 909 A1 zeigt
eine Schaltungsanordnung mit zwei parallelen Schaltern, wobei die Schalter
jeweils von einem Treiber angesteuert werden und jeweils eine Schutzschaltung
dafür sorgt, dass die Ausschaltspannung nicht zu groß wird.
Dabei wird für beide Schutzschaltungen eine gemeinsame
Zeneranordnung verwendet, die überprüft, ob die Ausschaltspannung
zwischen den Schaltern und der Last einen vorbestimmten Wert überschreitet.
Dabei enthält jede Schutzschaltung einen Stromspiegel, der
für ein Aufsteuern der Schalter sorgt. Bei produktionsbedingten
Unterschieden der Stromspiegel kommt es allerdings dazu, dass die
Schutzschaltungen bei unterschiedlichen Spannungsverhältnissen einschalten
und somit die Stromverteilung durch die Schalter ungleichmäßig
wird.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung
der eingangs genannten Art im Hinblick auf eine möglichst
universelle Verwendbarkeit zu verbessern.
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Erfindungsgemäß wird
eine Schaltungsanordnung bereitgestellt, die eine Parallelanordnung mindestens
zweier Schalteinrichtungen aufweist. Jede der Schalteinrichtungen
weist ein ansteuerbares Schaltelement zum Schalten einer in Reihenschaltung
mit dem Schaltelement der Schalteinrichtung angebrachten Last. Dabei
weist das Schaltelement einen Steueranschluss auf. Jede der Schalteinrichtungen
weist zudem einen Treiber zum Treiben des Steueranschlusses in Abhängigkeit
eines dem Treiber zugeführten Steuersignals auf. Ferner
weist die Schalteinrichtung eine Schutzbeschaltung zum Schutze des
jeweiligen Schaltelements auf, das im Falle einer Überschreitung
einer vorbestimmten Schutzschwelle durch die Abschaltspannung das
jeweilige Schaltelement zwangsweise in einen leitenden Zustand steuert.
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Die
Schaltungsanordnung weist zudem eine ansteuerbare Verbindungseinrichtung
zum wahlweisen miteinander Verbinden der Steueranschlüsse von
Schaltelementen, die verschiedenen der Schalteinrichtungen angehören,
auf. Die Schalteinrichtung ermöglicht es, die beiden Schalter
unabhängig voneinander durch ihre jeweiligen Treiber anzusteuern. Die
Schutzbeschaltungen sorgen dafür, dass kein zu hohes Potenzial
an der Verbindung zwischen dem Schaltelement und der induktiven
Last entsteht. Durch die ansteuerbare Verbindungseinrichtung wird ermöglicht,
dass beim Aktivieren einer der Schutzbeschaltungen nicht nur eines
der Schaltelemente, sondern beide Schaltelemente aktiviert wird
beziehungsweise werden. Somit ist sichergestellt, dass über
beide Schaltelemente die abzubauende Energie abfällt wird.
Die Schaltelemente werden somit gleichmäßiger
belastet, sodass sie kleiner dimensioniert werden können.
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In
einer Ausführungsform koppeln die Treiber den Steueranschluss
wahlweise mit einem ersten Spannungsversorgungsknoten oder mit einem
zweiten Spannungsversorgungsknoten. Damit ist der Treiber zum Ein-
und Ausschalten des Schaltelements eingerichtet, wobei allerdings
das Ausschalten durch die Schutzbeschaltungen und die ansteuerbare
Verbindungseinrichtung wieder rückgängig gemacht
werden kann.
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Durch
die erfindungsgemäße Maßnahme ist es
möglich, mehrere Schalteinrichtungen parallel zu schalten,
um so eine größere Belastbarkeit bei gleichzeitiger
Aufrechterhaltung der Schutzfunktionalität (Schutz der
Schaltelemente vor einer übermäßigen
Abschaltspannung) zu erzielen.
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Was
die Ausbildung des ansteuerbaren Schaltelements anbelangt, so wird
bevorzugt ein ansteuerbares Halbleiterschaltelement wie ein Transistor
verwendet. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist ein
solcher Transistor in DMOS(= ”doppelt dotiert MOS”)-Technologie
(z. B. als DMOS-FET) ausgebildet.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass
die Schutzbeschaltungen jeweils eine Zenerdiodenanordnung zwischen
dem Steueranschluss des jeweiligen Schaltelements und dem mit der
Last verbundenen Anschluss dieses Schaltelements umfassen. Eine
solche Schaltung wird auch als aktive Zenerung bezeichnet.
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Die
integrierte Schaltungsanordnung kann z. B. als eine anwendungsspezifisch
konfigurierte integrierte Schaltung (ASIC) ausgebildet sein.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die integrierte
Schaltungsanordnung eine digitalprogrammierbare Steuereinheit. Eine
solche Steuereinheit kann z. B. für die Erzeugung der den
Steueranschlüssen der jeweiligen Schaltelemente zuzuführenden
Steuersignale und/oder für die Erzeugung eines Ansteuersignals
für die Verbindungseinrichtung vorgesehen bzw. genutzt
werden. Eine digitale Programmierbarkeit einer solchen Steuereinheit
gestattet in einfacher Weise weitere Anpassungen der integrierten
Schaltungsanordnung an den jeweils gewünschten Anwendungs-
bzw. Betriebsfall.
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In
einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die integrierte
Schaltungsanordnung wenigstens teilweise diejenigen Komponenten
umfasst, welche zur Generierung der im Betrieb benötigten
Steuersignale zum Ein- und Ausschalten der Schaltelemente vorgesehen
sind. In einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen,
dass sämtliche zur Generierung dieser Steuersignale vorgesehenen
Komponenten außerhalb der integrierten Schaltungsanordnung
vorgesehen werden. In diesem Fall kann die integrierte Schaltungsanordnung
beispielsweise lediglich ”herausgeführte Steueranschlüsse” aufweisen, um
mittels einer externen Steuereinheit die benötigten Steuersignale
zu generieren und über Kontakte (”Pads”)
der integrierten Schaltungsanordnung zuzuführen.
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In
einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die ansteuerbare
Verbindungseinrichtung eine Reihenschaltung aus zwei Tran sistoren
umfasst, deren Steueranschlüssen ein gemeinsames Ansteuersignal
zugeführt wird.
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Vorzugsweise
wird der jeweilige ohm'sche Widerstand des Treibers zwischen einem
ersten Spannungsversorgungsknoten und dem Steueranschluss des Schaltelements
so dimensioniert, dass er größer, vorzugsweise
sehr viel größer, ist als der ohm'sche Widerstand
der ansteuerbare Verbindungseinrichtung, falls diese geschlossen
ist. Es wird dadurch gewährleistet, dass die Gate-Source-Spannungen
der beiden Schalter nahezu gleich groß sind. Somit wird
sichergestellt, dass das Ausschalten eines Schalters mittels der
Verbindungseinrichtung rückgängig gemacht werden
kann, um die noch vorhandene überschüssige Energie
abzubauen. Im offenen Zustand sollte der Widerstand des Schaltelement
möglichst groß sein
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Vorzugsweise
werden die Schaltelemente und die Schutzbeschaltungen der Schalteinrichtungen
und die ansteuerbare Verbindungseinrichtung zusammen in einer integrierten
Schaltung integriert. Die Schaltungsanordnung ist besonders für
solche integrierten Schaltungen geeignet, da es somit möglich
wird, die integrierte Schaltung universell für unterschiedliche
Lasten einzusetzen. Beim diskreten Aufbau einer Schaltungsanordnung
ist es leichter möglich, zusätzliche Komponenten
hinzuzufügen. Bei einer integrierten Schaltungsanordnung
ist es dagegen besonders sinnvoll, die unterschiedlichen Funktionen
gleich bei der Herstellung der integrierten Schaltung bereits vorzusehen.
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Die
Belastbarkeiten der mehreren Schalteinrichtungen können
z. B. alle gleich groß vorgesehen sein. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist jedoch vorgesehen, dass
die Schalteinrichtungen mit voneinander verschiedenen Belastbarkeiten
dimensioniert sind. Diese Maßnahme trägt in der
Praxis zur Erreichung des Ziels einer möglichst universellen Verwendbarkeit
bei.
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In
einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die induktive
Last eine Erregerwicklung eines Magnetaktors, insbesondere die Erregerwicklung
eines Magnetventils darstellt. Im Bereich der Automobilelektronik
kann die induktive Last beispielsweise die Erregerwicklung eines
Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine darstellen.
Insbesondere in einem derartigen Anwendungsfall müssen
die einzelnen Lasten mit möglichst exakt einzuhaltenden Schaltzeiten
angesteuert werden, wofür die Realisierbarkeit von raschen
Abschaltvorgängen von besonderem Vorteil ist.
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Die
Erfindung betrifft auch eine Baugruppe aus einer erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung und einer induktiven Last, die an beide Schalteinrichtungen
angeschlossen ist. Dabei wird vorzugsweise eine Steuereinrichtung
vorgesehen zum Schließen der ansteuerbaren Verbindungseinrichtung,
falls eine einzige induktive Last an beide Schalteinrichtungen angeschlossen
ist. Damit wird bei einer parallelen Verwendung der Schalteinrichtung
für eine einzige Last sichergestellt, dass bei einer Aktivierung
einer der Schutzbeschaltungen auch das andere Schaltelement eingeschaltet
wird. Nichts desto trotz ist es noch möglich, die Schaltungsanordnung
auch in anderen Konfigurationen mit unabhängig voneinander arbeitenden
Schaltelementen vorzusehen.
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Eine
besonders bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung besteht für eine Leistungsendstufe
zum Schalten einer oder mehrerer induktiver Lasten im Bereich einer
Automobilelektronik. Insbesondere kann die Schaltungsanordnung in
einem Motorsteuergerät zur Steuerung von Funktionen einer
Brennkraftmaschine vorgesehen sein.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen
mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben.
Es stellen dar:
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1 ein
Schaltbild einer Mehrfach-Leistungsendstufe zum Schalten von einer
oder zwei induktiven Lasten, dargestellt für den Anwendungsfall der
Ansteuerung einer vergleichsweise kleinen Last,
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2 dieselbe
Mehrfach-Leistungsendstufe, dargestellt für den Anwendungsfall
der Ansteuerung einer vergleichsweise großen Last, und
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3 ein
Schaltbild einer Verbindungseinrichtung, die in der integrierten
Schaltung von 1 und 2 enthalten
ist.
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4 Signalverläufe
an ausgewählten Knoten der Mehrfach-Leistungsentstufe aus 2.
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1 zeigt
eine als integrierte Schaltung ausgebildete Endstufe 10 zum
Schalten wenigstens einer induktiven Last, die als eine Induktivität
L1 und ein Widerstand R1 ausgeführt ist. Bei der Last handelt
es sich z. B. um eine Erregerwicklung eines Kraftstoffeinspritzventils.
Die Last ist in Reihe mit einem Schalttransistor T1 der integrierten
Schaltung 10 so geschaltet, dass der positive Pol einer
Spannungsquelle Vbat an einem ersten Anschluss der Last anliegt.
Der negative Pol der Spannungsquelle Vbat, bei welcher es sich im
dargestellten Ausführungsbeispiel um die Batterie eines
Kraftfahrzeuges handelt, ist an einem Anschluss der Laststrecke,
die Source, des Schalttransistors T1 angeschlossen. Der negative
Pol der Spannungsquelle ist auch an die Fahrzeugmasse GND angeschlossen.
Ein zweiter Anschluss der Laststrecke, die Drain, des Schalttransistors
ist mit über den Knoten A1 mit einem zweiten Anschluss
der Last verbunden.
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Der
Steueranschluss des Schalttransistors T1 wird von einem Treiber
Tr1 angesteuert. Der Treiber T1 ist als Inverter ausgebildet, der
in Reaktion auf ein digitales Eingangssignal Usl seinen Ausgang
entweder mit der Masse oder mit einem Spannungsversorgungsknoten,
der auf 5 V liegt, verbindet. Der Ausgang des Treibers Tr1 ist mit
seinem Ausgang an einen ersten Anschluss des Widerstands R2 angeschossen,
dessen zweiter Anschluss über den Knoten K1 mit dem Gate
des Transistors T1 verbunden ist. Der Widerstand R2 symbolisiert
den Innenwiderstand des Treibers Tr1. Es versteht sich, dass dieser unterschiedliche
Werte annehmen kann, je nachdem der Treiber an seinem Ausgang ein
Potential von 5 V oder von 0 V gegenüber Masse bereitstellt.
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Das
Potential am Gate bzw. einem Schaltungsknoten K1 bestimmt den Zustand
des Transistors T1. Der Transistor T1 beginnt zu leiten, wenn dessen
Gate-Source-Spannung die betreffende Schwellenspannung des Transistors übersteigt.
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Beim
Einschalten des Transistors T1 kommt es in an sich bekannter Weise
zu einem Anstieg des durch die induktive Last L1 fließenden
Laststromes bis maximal auf einen Wert, der dem Quotienten aus der
Versorgungsspannung, der Spannungsquelle Vbat, und dem ohmschen
Widerstandsanteil R1 entspricht.
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Beim
Ausschalten des Transistors T1, z. B. durch Anlegen eines Potentials ”0” an
dem Steuereingang, welches der elektrischen Masse GND entspricht,
baut sich auf Grund der Selbstinduktion in der induktiven Last L1
eine mehr oder weniger große Abschaltspannung zwischen
dem Drain und der Source des Transistors T1 auf, die in der Praxis
zumeist auf einen Wert ansteigt, der ein Vielfaches der Versorgungsspannung
darstellt. Da der Transistor T1 auch in seinem ausgeschalteten Zustand
keinen unendlich großen Widerstand besitzt, fließt
in dieser Abschaltphase ein gewisser Strom durch den Transistor,
der zu einer unter Umständen gefährlich großen
Verlustleistung im Transistor führt. Insbesondere besteht
in dieser Abschaltphase auf Grund des erhöhten Stroms und/oder
der erhöhten Spannung die Gefahr einer Schädigung
wenn nicht sogar Zerstörung des Transistors bzw. des diesen
Transistor enthaltenden elektronischen Bausteins, der integrierten
Schaltung 10.
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Um
diese Gefahr zu beseitigen, ist zwischen dem mit der Last L1 verbundenen
Anschluss (Drain) des Transistors T1 bzw. einem Lastanschluss A1
und dem Steueranschluss (Gate) des Transistors T1 bzw. dem Schaltungsknoten
K1 eine Schutzbeschaltung vorgesehen, welche im Falle einer Überschreitung
einer vorbestimmten Schutzschwelle durch die Abschaltspannung den
Tran sistor T1 zwangsweise in einen leitenden Zustand steuert. Dieses
Verhalten wird auch als ”clamping” bezeichnet.
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Die
Schutzbeschaltung besteht wie dargestellt aus einer Reihenschaltung
von drei Zenerdioden D2, D3 und D4 sowie einer Sperrdiode D1. Dabei ist
die Anode der Sperrdiode D1 mit dem Kathode der Zenerdiode D2, deren
Anode mit der Kathode der Zenerdiode D3 verbunden ist. Die Anode
der Zenerdiode D3 ist mit der Kathode der Zenerdiode D4 verbunden,
deren Anode mit dem Knoten K1 verbunden ist.
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In
diesem Beispiel ergibt sich die Schutzschwelle im Wesentlichen durch
die Summe der einzelnen Zenerspannungen. Die Flussspannung der Sperrdiode
D1 und die Gate-Source-Spannung des Transistors T1 sind demgegenüber
in erster Näherung vernachlässigbar. Wenn die
Abschaltspannung diese Schutzschwelle überschreitet, so
brechen die Zenerdioden D2 bis D4 durch und es fließt ein
das Potential am Schaltungsknoten K1 erhöhender Strom durch
die Dioden D1 bis D4, so dass auf Grund eines leitenden Zustands
des Transistors T1 eine Verringerung bzw. Begrenzung der Abschaltspannung
auf ein unbedenkliches Maß bewirkt wird. Dieses Maß entspricht
etwa der Summe der drei Zenerspannungen.
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Der
Treiber Tr1 ist außerhalb des Bausteins 10 vorgesehen.
Deshalb sind entsprechende Steuerleitungen an die Kontaktanordnung
(Pads) des Bausteins 10 herausgeführt.
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Dass
im dargestellten Anwendungsbeispiel der positive Pol der Spannungsquelle
Vbat über die zu bestromende Last L1 mit dem Lastanschluss
A1 und der negative Pol der Spannungsquelle Vbat mit einem ”Masseanschluss” G
des Bausteins 10 verbunden ist, ist lediglich beispielhaft
zu verstehen. Anstelle der in 1 dargestellten
masseseitigen (”low side”)-Anordnung des Schalttransistors
T1 könnte auch eine versorgungsseitige (”high
side”)-Anordnung dieses Transistors vorgesehen sein, bei
welcher die zu schaltende induktive Last L1 zwischen dem negativen
Pol der Spannungsquelle Vbat und dem Masseanschluss G angeordnet
ist und der positive Pol der Spannungsquelle mit dem Anschluss A1 verbunden
ist.
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Wie
aus 1 ersichtlich, umfasst die integrierte Schaltungsanordnung 10 einen
weiteren Lastpfad bzw. eine weitere Schalteinrichtung, die parallel zu
der vorstehend beschriebenen Schalteinrichtung angeordnet ist und
an welche über einen weiteren Lastanschluss A2 eine weitere
induktive Last anschließbar ist. Die weitere Schalteinrichtung
umfasst einen Schalttransistor T2, dessen Steueranschluss (Gate)
an den Schaltungsknoten K2 angeschlossen ist. Der Schaltungsknoten
K2 ist über einen Widerstand R3 mit dem Ausgang eines Treibers
Tr2 verbunden. Diesem Schalttransistor T2 zugeordnet ist eine Schutzbeschaltung
bestehend aus einer Sperrdiode D5 und einer Reihenschaltung aus
drei Zenerdioden D6, D7 und D8. Dabei ist die Anode der Sperrdiode
D5 mit dem Kathode der Zenerdiode D6, deren Anode mit der Kathode
der Zenerdiode D7 verbunden ist. Die Anode der Zenerdiode D7 ist
mit der Kathode der Zenerdiode D8 verbunden, deren Anode mit dem
Knoten K2 verbunden ist.
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Abweichend
vom Anwendungsbeispiel gemäß 1 könnte
eine induktive Last also anstatt am Lastanschluss A1 auch am Lastanschluss
A2 betrieben werden, was z. B. im Falle von unterschiedlichen Belastbarkeiten
und/oder Abschaltschwellen der beiden Schalteinrichtungen zweckmäßig
sein kann. Außerdem ist es mit dem Baustein 10 möglich,
zwei verschiedene induktive Lasten unabhängig voneinander zu
betreiben, wobei eine dieser Lasten am Lastanschluss A1 (vgl. z.
B. 1) und die andere dieser Lasten am Lastanschluss
A2 angeschlossen ist.
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Zwischen
dem Knoten K1 und dem Knoten K2 ist eine ansteuerbarere Verbindungseinrichtung 12 vorgesehen,
mit der die Knoten K1 und K2 miteinander gekoppelt werden können.
Dies wird insbesondere gemacht, wenn eine einzige induktive Last
so angeschlossen ist, dass die Schalter T1 und T2 parallel geschlossen
sind, indem die Anschlüsse A1 und A2 miteinander verbunden
sind und zwischen diese beiden Anschlüsse A1 und A2 auf
der einen Seite und dem Pluspol der Batterie auf der anderen Seite die
induktive Last geschaltet wird.
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Der
Knoten K1, der an den Steueranschluss des Transistors T1 angeschlossen
ist, kann somit von drei Elementen angesteuert werden. Erstens kann
der Treiber Tr1 das Potenzial am Knoten K1 verändern, indem
er entweder mit einer Spannung von 0 V oder einer Spannung von 5
V gegenüber Masse GND den Knoten K1 treibt. Der Treiber
Tr1 ist als einfacher Inverter vorgesehen, dessen Versorgungseingänge
an eine Spannungsversorgung von 5 V und 0 V angeschlossen ist. Der
Treiber Tr1 koppelt in Abhängigkeit des digitalen Signals
Us1 den Knoten K1 entweder mit einem ersten Spannungsversorgungsknoten,
der ein Potenzial von 0 V hat oder mit einem zweiten Spannungsversorgungsknoten,
der ein Potenzial von 5 V hat. Der Widerstand R2 ist der Innenwiderstand
des Treiber Tr1 oder die Summe aus dem Innenwiderstand des Treibers
Tr1 und eines zustäzlichen Widerstands.
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Der
zweite Treiber Tr2 ist analog zum ersten Treiber Tr1 aufgebaut.
Er koppelt in Abhängigkeit des digitalen Steuersignals
Us2 den Knoten K2 entweder mit dem ersten Spannungsversorgungsknoten
oder dem zweiten Spannungsversorgungsknoten über den Widerstand
R3.
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Eine
Besonderheit der Endstufe 10 besteht somit darin, dass
außerdem eine induktive Last über eine Parallelschaltung
der beiden zur Verfügung stehenden Schalteinrichtungen
betrieben werden kann, wie dies in 2 dargestellt
ist.
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2 zeigt
dieselbe integriere Schaltungsanordnung 10, jedoch in Verbindung
mit einer Last L1' (und deren ohmschen Anteil R1'), die unter Nutzung einer
Parallelanordnung beider Schalteinrichtungen bzw. beider Schalttransistoren
T1 und T2 betrieben wird.
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In
diesem Anwendungsfall ergibt sich eine größere
Belastung der integrierten Schaltungsanordnung 10, weil
der ohmsche Anteil R1' kleiner als R1 ist und die Induktivität
L1' größer als L1 ist.
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Bei
gleicher Versorgungsspannung der Spannungsquelle Vbat ergibt sich
somit im eingeschalteten Zustand, in dem T1 und T2 leitend sind, ein
größerer Laststrom. Außerdem muss beim
Abschalten der beiden Transistoren T1 und T2 mehr in der Induktivität
L1' gespeicherte Energie dissipiert werden.
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Die
einwandfreie Funktion des Bausteins 10 wird in diesem Anwendungsfall
durch die Aktivierung einer Verbindungseinrichtung 12 gewährleistet,
welche die Gates der Transistoren T1 und T2 bzw. die Schaltungsknoten
K1 und K2 miteinander verbindet. Die Aktivierung der Verbindung
wird durch ein Ansteuersignal Ust bewirkt, welches von einer Steuereinheit 14 erzeugt
wird, die im dargestellten Ausführungsbeispiel in der integrierten
Schaltungsanordnung 10 enthalten ist.
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine
digital programmierbare Steuereinheit 14, welche von extern
für den betreffenden Anwendungsfall programmiert werden
kann Dies ist symbolisiert durch den Doppelpfeil in den 1 und 2.
Vorteilhaft könnte die programmierbare Steuereinheit 14 außerdem
im Zusammenhang mit der Generierung der erforderlichen Steuersignale
Us1 und Us2 verwendet werden.
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Im
einfachsten Fall ist die Verbindungseinrichtung 12 in allen
Betriebsphasen des in 2 dargestellten Anwendungsfalles
aktiviert, d. h. stellt eine elektrisch leitende Verbindung zwischen
den Steueranschlüssen der betreffenden Schalttransistoren
her. Damit kann in einfacher Weise sichergestellt werden, dass die
beiden Transistoren T1 und T2 stets gleichzeitig eingeschaltet und
ausgeschaltet werden.
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Außerdem
wird damit sichergestellt, dass in der Betriebsphase unmittelbar
nach einem Ausschaltvorgang, in der ”clamping”-Phase,
beide Transistoren in einen leitenden Zustand zum Überspannungsschutz
versetzt werden.
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An
dieser Stelle sei angemerkt, dass dieser Schutz der beiden Transistoren
T1 und T2 im Falle einer übermäßig großen
Ab schaltspannung ohne die mittels der Verbindungseinrichtung 12 hergestellte elektrische
Verbindung zwischen den Steueranschlüssen dieser Transistoren
nicht funktionieren würde. Dies deshalb, weil in der Praxis
die Schutzschwellen der beiden Schutzbeschaltungen, also die Zenerspannungen
einerseits der Dioden D2 bis D4 und andererseits der Dioden D6 bis
D8, sich nicht exakt gleich groß dimensionieren lassen.
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Dies
hat zur Folge, dass bei ansteigender Abschaltspannung zunächst
eine der beiden Schutzbeschaltungen, und zwar diejenige mit der
niedrigeren Schutzschwelle, anspricht und die Abschaltspannung begrenzt,
was wiederum zur Folge hätte, dass die Schutzbeschaltung
des anderen Transistors überhaupt nicht mehr ansprechen
würde. Die Dissipation der in der induktiven Last gespeicherten
magnetischen Energie während der Abschaltphase würde
demnach nur in einem der beiden Transistoren erfolgen, so dass eine
erhebliche Gefahr für eine Schädigung wenn nicht
Zerstörung dieses Transistors bestünde.
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Mittels
der erfindungsgemäß vorgesehenen Verbindungseinrichtung 12 wird
demgegenüber sichergestellt, dass im Falle eines Ansprechens
einer der beiden Schutzbeschaltungen zwangsweise beide Steuerpotentiale
an den Steueranschlüssen der beiden Transistoren T1 und
T2 so verändert werden, dass beide Transistoren in den
schützenden leitenden Zustand versetzt werden.
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Zusammenfassend
kann die beschriebene integrierte Schaltungsanordnung 10 sehr
universell eingesetzt werden. An jedem der Lastanschlüsse
A1 und A2 kann jeweils eine Last angeschlossen werden (vgl. z. B. 1).
Außerdem kann eine größere Last betrieben
werden, indem diese an beide Lastanschlüsse A1 und A2 angeschlossen
wird (vgl. 2). Die Schutzfunktionalität
bleibt hierbei voll erhalten.
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In
dem Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung 10 sind
der erste Treiber Tr1 und der zweite Treiber Tr2 Teil der integrierten
Schaltungsanordnung und somit Teil der gleichen integrierten Schaltung
wie die Dioden D1 bis D8 und die Transistoren T1 und T2 sowie die
ansteuerbare Verbindungseinrichtung 12 und die Steuereinheit 14.
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Was
die Gestaltung der Verbindungseinrichtung 12 anbelangt,
so gibt es hierfür vielfältige Möglichkeiten.
Ein Ausführungsbeispiel dieser Einrichtung ist in 3 dargestellt.
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3 zeigt
die bei der integrierten Schaltungsanordnung 10 verwendete
Verbindungseinrichtung 12. Diese besteht aus einer Reihenschaltung von
zwei FETs, deren Steueranschlüsse (Gates) miteinander verbunden
sind.
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Die
Verbindungseinrichtung 12 enthält einen ersten
Transistor TV1 und einen zweiten Transistor TV2. Beide sind als
n-Kanalfeldeffekttransistoren ausgebildet. Die Drain des ersten
Transistors TV1 ist mit dem Knoten K1 und die Drain des zweiten
Transistors TV2 ist mit dem Knoten K2 verbunden. Die Sources und
Bulks des ersten Transistors TV1 und des zweiten Transistors TV2
sind miteinander verbunden. Die Gates der beiden Transistoren TV1
und TV2 werden von dem Steuersignal Ust angesteuert.
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Bei
dieser so genannten ”Back-to-Back”-Transistoranordnung
sind die intrinsischen Source-Drain-Dioden mit entgegengesetzten Flussrichtungen
angeordnet. Die dargestellte Gestaltung besitzt somit den Vorteil,
dass im ausgeschalteten Zustand kein Strom zwischen den mit der
Einrichtung 12 verbundenen Schaltungsknoten K1 und K2 fließen
kann.
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Wenngleich
die Erfindung beispielhaft anhand eines Ausführungsbeispiels
erläutert wurde, so können in der Praxis zahlreiche
Modifikationen vorgenommen werden.
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Insbesondere
ist die Anzahl von parallel angeordneten Schalteinrichtungen innerhalb
der integrierten Schaltungsanordnung von nachrangiger Bedeutung
bzw. kann den Bedürfnissen entsprechend angepasst werden.
Insbesondere für eine Anwendung als Endstufe zur Ansteuerung
von Kraftstoffinjektoren einer Brennkraftmaschine eignet sich in
der Praxis beispielsweise eine Anzahl von acht oder sechzehn parallelen
Schalteinrichtungen.
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Die
einzelnen Schalteinrichtungen können identisch ausgebildet
bzw. dimensioniert sein. Dasselbe gilt für die jeweils
zugeordneten Schutzbeschaltungen. In der Praxis ist jedoch zumeist
eine Gestaltung von Vorteil, bei welcher die einzelnen Schalteinrichtungen
nicht alle identisch ausgebildet sind, sondern sich in der Belastbarkeit
und/oder den zugeordneten Schutzschwellen unterscheiden.
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Ferner
könnte, abweichend vom oben beschriebenen Ausführungsbeispiel
(1 und 2), die integrierte Schaltungsanordnung
auch für eine versorgungsseitige (”high side”)-Anordnung
der Schalttransistoren in der Weise modifiziert werden, dass anstelle
eines einzigen ”Masseanschlusses” (in 1 und 2 mit
G bezeichnet), für jeden Schalttransistor ein eigener Masseanschluss
aus der integrierten Schaltung herausgeführt wird. Wenn
die integrierte Schaltungsanordnung besonders universell sowohl
in einer ”high side”- als auch einer ”low
side”-Konfiguration einsetzbar sein soll, so sollten sowohl
die masseseitigen als auch die versorgungsseitigen Anschlüsse
der einzelnen Schalttransistoren separat aus der integrierten Schaltung
herausgeführt sein.
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Schließlich
könnte, abweichend vom oben beschriebenen Ausführungsbeispiel,
eine Verbindungseinrichtung zum wahlweisen miteinander Verbinden
der Steueranschlüsse von mehr als zwei Schalttransistoren,
allgemein: Schaltelementen, vorgesehen sein, die verschiedenen der
Schalteinrichtungen angehören.
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Zusammenfassend
betrifft die Erfindung eine integrierte Schaltungsanordnung, insbesondere
einen ASIC-Baustein, umfassend eine Parallelanordnung mehrerer Schalteinrichtungen
zum jeweiligen Schalten einer induktiven Last (L1), wobei für
jede der Schalteinrichtungen eine Schutzbeschaltung (D2-D4, D6-D8)
zum Schutz des jeweiligen Schaltelements (T1, T2) vorgesehen ist,
welche bei Überschreitung einer vorbestimmten Schutzschwelle durch
die Abschaltspannung das jeweilige Schaltelement (T1, T2) zwangsweise
in einen leitenden Zustand steuert (”clamping”).
Um eine solche integrierte Schaltungsanordnung im Hinblick auf eine
möglichst universelle Verwendbarkeit zu verbessern, ist
erfindungsgemäß eine ansteuerbare Verbindungseinrichtung
(12) zum wahlweisen miteinander Verbinden der Steueranschlüsse
(K1, K2) von Schaltelementen (T1, T2) vorgesehen, die verschiedenen
der Schalteinrichtungen angehören. Damit ist es bei Aufrechterhaltung
der Schutzfunktionalität möglich, die mehreren
Schalteinrichtungen parallel zu schalten, um so im Bedarfsfall eine
größere Belastbarkeit zu erzielen.
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In
einer ersten Ausführungsform wird die ansteuerbare Verbindungseinrichtung
geschlossen, falls an beide Anschlüsse A1 und A2 gemeinsam eine
einzige induktive Last angeschlossen wird. Dieser Zustand kann in
die Steuereinheit 14 programmiert werden. In einer der
alternativen Ausführungsformen wird die ansteuerbare Verbindungseinrichtung
geschlossen, wenn gemeinsam an die beiden Anschlüsse A1
und A2 eine einzige induktive Last angeschlossen wird und die Treiber
Tr1 und Tr2 die Knoten K1 und K2 zum Ausschalten der Transistoren T1
und T2 ansteuern.
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4 zeigt
Spannungen und Ströme an ausgewählten Knoten der
Schaltungsanordnung von 2. Das erste Diagramm zeigt
dabei die Ströme durch die Schutzdioden D1 und D2, das
zweite Diagramm die Ströme durch die Transistoren T1 und
T2, das dritte Diagramm die Spannungen an den Drains der Transistoren
T1 und T2 und das vierte Diagramm die Spannungen an den Gates der
Transistoren T1 und T2 über der Zeit. Von etwa 0,2 ms bis
etwa 3,2 ms liegen an den Steuereingängen der Transistoren T1
und T2, d. h. an den Knoten K1 und K2, Spannungen von 5 V an, die
von den Treibern Tr1 und Tr2 jeweils bereitgestellt werden.
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Zum
Zeitpunkt 3,2 ms schalten die Treiber Tr1 und Tr2 so um, dass an
ihrem Ausgang eine Spannung von 0 V anliegt. Daraufhin steigt die
Spannung an den Drains der Transistoren auf bis zu 35 V an, da in
der induktiven noch elektro-magnetische Energie gespeichert ist.
Der Betrag des Stroms durch die Diode D1 steigt daraufhin stark
an, während der Strom durch die Diode D2 auf 0 verbleibt.
Dies liegt daran, dass die erste Schutzbeschaltung D1, D2, D3, D4
aktiviert ist, während die zweite Schutzbeschaltung D5,
D6, D7, D8 noch nicht aktiviert ist. Dies liegt an den Variationen
der Zehnerspannungen der zwei Schutzbeschaltungen. Wäre
keine ansteuerbare Verbindungseinrichtung 12 vorhanden,
so würde daraufhin nur der Schalter T1 öffnen.
Aufgrund der Verbindung durch die ansteuerbare Verbindungseinrichtung wird
allerdings dafür gesorgt, dass die Spannung an den Gates
der Transistoren T1 und T2 gleich sind. Bis etwa 5,2 ms verbleibt
die Spannung am Knoten K1 und K2 auf Werten zwischen 3 und 2,6 V,
sodass ein Strom durch die Laststrecke der Transistoren T1 und T2
fließt. Der Betrag dieses Stroms sinkt langsam. Sind die
Ströme dann auf 0 A, geht der Strom durch die Schutzdiode
D1 wieder auf 0 A zurück, die Spannung an den Knoten K1
und K2 sind ebenfalls auf 0 und die Spannung an den Drains der Transistoren
T1 und T2 variiert in einem Bereich um die 12,5 V. Ab 6,2 ms werden
mit der Treiber Tr1 und Tr2 jeweils die Transistoren T1 und T2 geöffnet,
sodass der Strom durch die Laststrecken dieser Transistoren wieder
ansteigt. Danach wiederholt sich der beschriebene Zyklus mehrfach.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass auch die in
2 der
EP 783 9009 beschriebene
Schaltung auch mithilfe der ansteuerbaren Verbindungseinrichtung
verbessert werden kann. Auch wenn die Zehnerspannung für
beide Schutzschaltungen gleich ist, so gibt es auch Unterschied
in den Stromspiegeln. Bei fertigungsbedingten Unterschieden dieser
Stromspiegel würde nur einer der Tranistoren T1 bis Tn durchschalten.
Dies kann durch die Verbindungseinrichtung verhindert werden, indem
bei Aktivieren einer der Schutzschaltungen auch die anderen Transistoren
geöffnet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19841227
C1 [0002, 0002]
- - EP 1783909 A1 [0005]
- - EP 7839009 [0069]