DE102009029514A1

DE102009029514A1 - Schaltungsanordnung für ein Steuergerät

Info

Publication number: DE102009029514A1
Application number: DE102009029514A
Authority: DE
Inventors: Ralph Bauer; Klaus Dressler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-05-29
Filing date: 2009-09-16
Publication date: 2010-12-02
Also published as: WO2010136361A3; US20120120535A1; WO2010136361A2; CN102449909A; CN102449909B; US8879216B2

Abstract

Es werden eine Schaltungsanordnung (10) für ein Steuergerät und ein Verfahren zum Betreiben dieser Schaltungsanordnung (10) beschrieben. Die Schaltungsanordnung (10) weist einen ersten Feldeffekttransistor (12), über den das Steuergerät angesteuert ist, und einen Komparator auf, der die zum Ansteuern des Steuergeräts vorgesehene Spannung mit einer Schwellenspannung vergleicht und bei Überschreiten der Schwellenspannung über eine Steuereinheit (20) einen getakteten Betrieb des ersten Feldeffekttransistors (12) einstellt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für ein Steuergerät und ein Verfahren zum Ansteuern eines Steuergeräts.
Stand der Technik
Steuergeräte, insbesondere bei automotiven Anwendungen, müssen vor Verpolung und Überspannung (bspw. Load Dump) geschützt werden. Zum Betrieb dieser Steuergeräte ist weiterhin ein sogenanntes Hauptrelais, das eine äußerst geringe Ruhestromaufnahme gewährleisten soll, notwendig.
Bislang sind die Funktionen Verpolschutz, Überspannungsschutz und Hauptrelais als einzelne, getrennte Schaltungen bekannt. Dabei ist der Überspannungsschutz üblicherweise nur durch eine Suppressordiode realisiert und alle nachfolgenden Schaltungsteile müssen den Klemmenspannungen der Suppressordiode standhalten können.
Offenbarung der Erfindung
Es wird eine Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1 vorgestellt. Weiterhin wird ein Verfahren gemäß Anspruch 7 beschrieben. Ausführungsformen dieser Schaltung und des Verfahrens ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die beschriebene Schaltungsanordnung vereint, zumindest in einigen Ausführungen, die Einzelfunktionen Verpolschutz, Überspannungsschutz, Steckerkontaktschutz und Hauptrelais. Mit der Schaltungsanordnung wird eine Art „Schaltregler” verwirklicht, der bei Überschreiten einer Schaltschwelle durch Takten die Spannung begrenzt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine Ausführungsform der beschriebenen Schaltungsanordnung.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorgestellten Schaltungsanordnung
3 zeigt ein vereinfachtes Modell der Schaltungsanordnung.
4 zeigt typische Strom- und Spannungsverläufe.
Ausführungsformen der Erfindung
In 1 ist eine mögliche Ausführungsform der vorgestellten Schaltungsanordnung, insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet, dargestellt. Zu erkennen ist ein erster Feldeffekttransistor T1 12, ein zweiter Feldeffekttransistor T2 14, eine optionale Induktivität L1 16, ein Kondensator C1 18, eine Steuereinheit bzw. Steuerlogik (control logic) 20, eine optionale Diode D1 22 und ein Zündungsschalter bzw. Ignition Switch 24.
Wenn der Zündungsschalter 24 geöffnet ist, sperrt der Transistor T1 12 und die Ruhestromaufnahme der nachfolgenden Schaltung ist näherungsweise 0 A. Am Drain-Anschluss von T1 12 liegt über die Body-Diode von T2 14 die Versorgungsspannung abzüglich der Diodenspannung von T2 14 an. Wird nun der Zündungsschalter 24 geschlossen, wird über die Steuerlogik 20 zuerst der Transistor T1 12 und anschließend T2 14 angesteuert und damit niederohmig. Übersteigt die Spannung an C1 18 (protected voltage) eine Schwelle, wird T1 12 durch die Steuerlogik 20 gesperrt. Ist die Spannung an C1 18 wieder unter eine zweite Schwelle abgesunken, wird T1 12 wieder leitend und der Kreis beginnt von vorne. Dadurch wird die Spannung an C1 18 begrenzt. C1 18 und die optionale Induktivität L1 16 dienen hierbei zur Energiespeicherung bzw. zur Glättung der Spannung an C1 18.
Mit der optionalen Suppressor-Diode D1 22 kann die Spannung am Drain-Anschluss von T1 12 auf eine Zwischenspannung begrenzt werden, um die Ver lustleistung in T1 12 zu verringern. Im Falle einer Verpolung wird über die Steuerlogik 20 T2 14 gesperrt und somit die gesamte nachfolgende Schaltung vor Verpolung geschützt.
Die dargestellte Schaltungsanordnung 10 aus 1 bzw. Eingangsbeschaltung erfüllt folgende Funktionen:

• Internes, elektronisches Hauptrelais
• Load-Dump-Schutz
• Verpolungsschutz
• Steckerkontaktschutz beim Stecken unter Spannung

2 zeigt eine weitere Ausführung der Schaltungsanordnung, die insgesamt mit der Bezugsziffer 200 bezeichnet ist. Zu erkennen ist ein erster Feldeffekttransistor 202 und ein zweiter Feldeffekttransistor 204, die vereinfacht als Schalter dargestellt sind. Weiterhin ist ein Speicherelement 206, in diesem Fall ein Kondensator, eine Steuereinheit 208, eine Zenerdiode 210, ein Booster-Kondensator 212 und ein Komparator 214 dargestellt.
Der Booster-Kondensator 212 stellt Energie zum Schalten des ersten Feldeffekttransistors 202 beim Einschalten zur Verfügung. Dieses Einschalten wird über einen Anschluss 216 der Steuereinheit 208, der sogenannten Klemme 15, erkannt. Auf diese Weise wird erkannt, ob ein Zündschlüssel eingeschoben ist. Ist dies nicht der Fall, sperrt der erste Feldeffekttransistor 202 und das Steuergerät wird nicht mit Spannung versorgt.
Das Speicherelement 206 glättet die dem Steuergerät bereitgestellte Spannung. Der Komparator 214 überprüft die dem Steuergerät zur Verfügung gestellte Spannung und vergleicht diese mit einer Schwellenspannung. Übersteigt die zur Verfügung gestellte Spannung die Schwellenspannung, wird über die Steuereinheit 208 der erste Feldeffekttransistor 202 getaktet betrieben.
Der zweite Feldeffekttransistor 204 stellt einen Verpolschutz sicher. Der erste Feldeffekttransistor 202 dient als Hauptrelais und stellt den Überspannungsschutz und den Steckerkontaktschutz sicher.
Um den Anforderungen der Kunden nach niedrigen Ruheströmen bei ausgeschaltetem Steuergerät zu genügen, dürfen keine Strompfade vorhanden sein die in Summe einen Ruhestrom von z. B. 100 μA überschreiten.
Durch die gewählte Schaltungsanordnung 10 ist es möglich, das Steuergerät an den Kabelbaum anzuschließen, ohne dass es bereits beim Anstecken zu einem hohen Kontaktstrom wegen der Aufladung der internen Elkos kommt. Die Schaltungsanordnung 30 ist zur Verwendung von Standard-Mosfets vorgesehen.
Load Dump Schutz
Zum Schutz gegen hohe Überspannungen aus dem Bordnetz ist im Steuergerät eine Leistungs-Zener-Diode nach dem Verpolschutz-Fet angeordnet. Durch diese Diode wird die Eingangsspannung z. B. auf Werte < 60 V begrenzt.
Beim Auftreten eines Load-Dumps muss die Diode einen hohen Anteil der anfallenden Energie aufnehmen. Die von der Diode aufzunehmende Energie ist von der Kundenspezifikation oder Norm abhängig, in welcher der Puls definiert ist (Amplitude, Dauer, Innenwiderstand).
Für verschiedene Schaltungsteile ist eine Spannungsreduktion erforderlich (z. B. < 50 V). Würde dies komplett mit einer Leistungs-Zener-Diode erfolgen, wäre diese möglicherweise überlastet. Um diese Spannungsreduktion zu erreichen, wird der Schalterfet durch einen 2-Punkt-Regler, der in der Steuerlogik enthalten ist, periodisch ein- und ausgeschaltet und die Ausgangsspannung des Schaltmoduls geregelt.
Bei der relativ niedrigen Frequenz und der geringen Induktivität der als Speicherdrossel verwendeten EMV-Drossel ist ein klassischer Schaltreglerbetrieb nicht möglich. Dies bedeutet, dass der Strom beim Takten lückt. Beim Einschalten des Schalt-Mosfets wird die Stromanstiegsgeschwindigkeit durch die Zuleitungs- und Speicherdrossel-Induktivität begrenzt. Der maximale Pulsstromwert wird durch die Differenzspannung zwischen Generator- und Elkospannung und den im Kreis liegenden ohmschen Widerständen bestimmt.
Eine zufriedenstellende Funktion der Schaltung ist nur möglich, wenn der Innenwiderstand des LD-Pulses ausreichend hoch spezifiziert ist. Er bestimmt maßgeblich die Stromamplitude.
3 zeigt ein vereinfachtes Modell der Schaltungsanordnung, in dem die relevanten Schaltungsteile enthalten sind für die Betrachtung der LD-Regelung. Die Darstellung zeigt einen LD-Generator 100, einen RI-LD-Generator 102, eine L_Zuleitung 104, einen Verpolschutz-Fet 106, einen Schalt-Fet 108, eine LD-Diode 110, ein C-Filter 112, ein weiteres C-Filter 114, ein L_EMV 116 (optional), eine R_Dämpfung 118, eine Diode D8 120, einen C-Puffer-Elko 122, einen Widerstand R22 124 und eine R-Last 126.

Claims

Schaltungsanordnung für ein Steuergerät mit einem ersten Feldeffekttransistor (12, 202), über den das Steuergerät angesteuert ist, einem Komparator (214), der die zum Ansteuern des Steuergeräts vorgesehene Spannung mit einer Schwellenspannung vergleicht und bei Überschreiten der Schwellenspannung über eine Steuereinheit (20, 208) einen getakteten Betrieb des ersten Feldeffekttransistors (12, 202) einstellt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der eine Diode (22), bspw. eine Zener-Diode (210), vor dem ersten Feldeffekttransistor (12, 202) direkt angeschlossen ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der ein Speicherelement (206) vorgesehen ist, über das die dem Steuergerät bereitgestellte Spannung geglättet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, bei der als Speicherelement (206) ein Kondensator (18) dient.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der ein zweiter Feldeffekttransistor (14, 204) vorgesehen ist, der antiseriell (back-to-back) in Reihe zu dem ersten Feldeffekttransistor (12, 202) geschaltet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der ein Booster-Kondensator (212) vorgesehen ist, der zum Zeitpunkt des Einschaltens Energie bereitstellt.
Verfahren zur Ansteuerung eines Steuergeräts, insbesondere mit einer Schaltungsanordnung (10, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem über einen ersten Feldeffekttransistor (12, 202) das Steuergerät angesteuert wird, wobei mit einem Komparator (214) die zum Ansteuern des Steuerge räts vorgesehene Spannung mit einer Schwellenspannung verglichen und bei Überschreiten der Schwellenspannung über eine Steuereinheit (20, 208) ein getakteter Betrieb des ersten Feldeffekttransistors (12, 202) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem ein Speicherelement (206) vorgesehen ist, über das die dem Steuergerät bereitgestellte Spannung geglättet wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem ein zweiter Feldeffekttransistor (14, 204) vorgesehen ist, der antiseriell in Reihe zu dem ersten Feldeffekttransistor (12, 202) geschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem ein Booster-Kondensator (212) vorgesehen ist, der zum Zeitpunkt des Einschaltens Energie bereitstellt.