DE102009041872B4

DE102009041872B4 - Schaltungsanordnung zur Bordnetzstabilisierung mit einem Gleichstromsteller

Info

Publication number: DE102009041872B4
Application number: DE200910041872
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Daub; Juris Tlatlik
Original assignee: Hella KGaA Huek and Co
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 2009-09-16
Filing date: 2009-09-16
Publication date: 2014-10-30
Anticipated expiration: 2029-09-17
Also published as: DE102009041872A1

Abstract

Schaltungsanordnung zur Bordnetzstabilisierung mit einem Eingang (VBatt) zur Verbindung der Schaltungsanordnung mit einer Spannungsquelle und mit einem Ausgang (Vout) zur Verbindung mit einem oder mehreren elektrischen Verbrauchern, einem Gleichstromsteller (1), der einerseits mit dem Eingang (VBatt) und andererseits mit dem Ausgang (Vout) verbunden ist, und einer N-Kanal-MOSFET-Anordnung (3), die parallel zu dem Gleichstromsteller (1) angeordnet ist, wobei die N-Kanal-MOSFET-Anordnung (3) parallel geschaltete N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistoren aufweist, deren Gateanschlüsse mit einem Ausgang einer Ladungspumpe verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung wenigstens einen P-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor (2) aufweist, der parallel zu dem Gleichstromsteller (1) und der N-Kanal-MOSFET-Anordnung (3) geschaltet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Bordnetzstabilisierung mit einem Eingang zur Verbindung der Schaltungsanordnung mit einer Spannungsquelle, insbesondere einer Batterie, und mit einem Ausgang zur Verbindung mit einem oder mehreren elektrischen Verbrauchern, einem Gleichstromsteller, der einerseits mit dem Eingang und andererseits mit dem Ausgang verbunden ist, und einer N-Kanal-MOSFET-Anordnung, die parallel zu dem Gleichstromsteller angeordnet ist, wobei die N-Kanal-MOSFET-Anordnung parallel geschaltete N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistoren aufweist, deren Gateanschlüsse mit einem Ausgang einer Ladungspumpe verbunden sind.
Bordnetze in Kraftfahrzeugen werden dazu verwendet die von Generatoren erzeugte, in Batterien gespeicherte und elektrischen Verbrauchern verbrauchte elektrische Energie zu verteilen. Ein Verbraucher, der eine große Leistung hat, ist in jedem Kraftfahrzeugbordnetz der Anlasser. Wird der Anlasser zum Ingangsetzen des Verbrennungsmotors eingeschaltet, wird in kurzer Zeit eine große Menge elektrischer Energie aus dem Bordnetz entnommen. Die hohe Leistung des Anlassers führt in nicht besonders geschützten Bordnetzen zu einer Destabilisierung des Bordnetzes. Diese führt nicht selten zum Abschalten einzelner Verbraucher.
Um zu verhindern, das einzelne Verbraucher im Moment des Anlassens abgeschaltet werden, sind in stabilisierten Bordnetzen Gleichstromsteller vorgesehen, die während des Moments des Anlassens zwischen die Fahrzeugbatterie und das übrige Bordnetz geschaltet werden. Mittels des Gleichstromstellers wird dann während des Anlassens ausreichend elektrische Energie zur Verfügung gestellt, so dass Verbraucher wie Radios, Navigationsgeräte oder andere ohne Unterbrechung betrieben werden können.
Vor oder nach dem Anlassen wird der Gleichstromsteller überbrückt, so dass die Versorgung unter Umgehung des Gleichstromstellers erfolgt. Zum Überbrücken des Gleichstromstellers ist es bekannt bistabile Relais zu verwenden. Als vorteilhaft haben sich allerdings auch N-Kanal-MOSFET-Anordnungen erwiesen, die parallel zu dem Gleichstromsteller angeordnet ist. Etwas Derartiges ist in dem Dokument DE 10 2008 031 270 A1 und dem Dokument DE 10 2004 036 814 A1 offenbart. Auch das Dokument DE 196 45 944 A1 offenbart eine Schaltung, bei welcher ein Gleichspannungswandler durch Feldeffekttransistoren überbrückt werden kann.
Die parallel geschalteten N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistoren der N-Kanal-MOSFET-Anordnung werden außerhalb der Betriebszeiten des Gleichstromstellers so angesteuert, dass eine leitende Verbindung parallel zu dem Gleichstromsteller hergestellt ist. N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistoren haben im Vergleich beispielsweise zu P-Kanal-MOS-Feldeffekttransistoren einen geringen elektrischen Widerstand, weshalb sie besonders geeignet sind, eine lange andauernde elektrische Verbindung der Verbraucher an die Batterie zu ermöglichen.
Im Regelfall muss die an den Gateanschlüssen der N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistoren anliegende Spannung zum Durchschalten der Transistoren größer sein als die im Bordnetz zur Verfügung stehende Spannung. Die N-Kanal-MOSFET-Anordnung weist daher die Ladungspumpe auf, um die Spannung zum Einschalten der Transistoren anzuheben. Diese Ladungspumpe hat allerdings auch bei abgeschalteten Verbrauchern, zum Beispiel bei einem abgestellten Fahrzeug, einen Ruhestrom, der auf Dauer zu einer deutlichen Entladung der Batterie führen kann.
Vor dem Hintergrund dieses Nachteils der eingangs beschriebenen Schaltungsanordnung liegt der Erfindung das Problem zu Grunde, die Schaltungsordnung so zu verbessern, dass die Ladungspumpe möglichst abgeschaltet werden kann, wenn keine oder nur kleine Stromverbraucher in Betrieb sind.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Schaltungsanordnung wenigstens einen P-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor aufweist, der parallel zu dem Gleichstromsteller und der N-Kanal-MOSFET-Anordnung geschaltet ist. Der parallel zu der N-Kanal-MOSFET-Anordnung geschaltete P-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor kann anstelle der N-Kanal-MOSFET-Anordnung (und des Gleichstromstellers) verwendet werden, um die Verbraucher des Bordnetzes mit elektrischer Energie zu Versorgen. Gegenüber einem N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor ist ein P-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor zwar hochohmig. Dieser Nachteil wird aber durch den Vorteil aufgewogen, dass zum Schalten des P-Kanal-MOS-Feldeffekttransistors keine Ladungspumpe notwendig ist. Bei kleinen oder keinen Verbraucherströmen fließt daher bei durchgeschaltetem P-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor und ausgeschalteter N-Kanal-MOSFET-Anordnung kein Ruhestrom zum Betreiben der Ladungspumpe.
Der Gleichstromsteller, die N-Kanal-MOSFET-Anordnung und der P-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor weisen vorteilhaft je einen ersten Steuereingang auf. Die ersten Steuereingänge können mit einem Steuergerät verbunden sein. Über die ersten Steuereingänge kann ausgewählt werden, über welchen Teil der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung die Versorgung der elektrischen Verbraucher des Bordnetzes erfolgt. Die Steuerung kann über ein Steuergerät oder mehrere Steuergeräte im Bordnetz erfolgen. Die Steuereingänge können Schnittstellen zu einem Bussystem sein.
Die Schaltungsanordnung kann einen Stromsensor zur Erfassung des Stroms durch die N-Kanal-MOSFET-Anordnung und den P-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor aufweisen. In Abhängigkeit vom Strom kann dann gesteuert werden, ob der P-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor allein die Verbindung zwischen dem Eingang der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und deren Ausgang herstellt oder ob zusätzlich die Transistoren der N-Kanal-MOSFET-Anordnung durchgeschaltet werden. Der Stromsensor kann mit einem zweiten Steueranschluss der N-Kanal-MOSFET-Anordnung verbunden sein.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann so betrieben werden, dass entweder der Gleichstromsteller einerseits oder die N-Kanal-MOSFET-Anordnung und/oder der P-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor andererseits zur Verbindung des Eingangs der Schaltungsanordnung mit dem Ausgang der Schaltungsanordnung verwendet werden.
Der Gleichstromsteller, die N-Kanal-MOSFET-Anordnung und der P-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor können über ein an den ersten Steuereingängen anliegendes Steuersignal ein- oder ausgeschaltet werden. Ebenso kann die N-Kanal-MOSFET-Anordnung über ein am zweiten Steuereingang anliegendes Signal des Stromsensors eingeschaltet werden, wenn der gemessene Strom einen vorgegebenen Wert überschreitet. Falls der gemessene Strom einen vorgegebenen Wert unterschreitet, kann die N-Kanal-MOSFET-Anordnung über ein am zweiten Steuereingang anliegendes Signal des Stromsensors ausgeschaltet werden.
Anhand der beigefügten Zeichnung wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und
2 eine Tabelle zu möglichen Zuständen der Schaltungsanordnung
Die in 1 schematisch dargestellte Schaltungsanordnung weist einen Eingang V_Batt auf, über den die Schaltungsanordnung mit einer Fahrzeugbatterie verbunden werden kann. Über einen Ausgang V_out kann an die Schaltungsanordnung eine Vielzahl von elektrischen Verbrauchern angeschlossen werden.
Zwischen dem Eingang und dem Ausgang der Schaltungsanordnung ist eine Parallelschaltung eines Gleichstromstellers 1, einem P-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor 2 und einer N-Kanal-MOSFET-Anordnung 3 vorgesehen. Die N-Kanal-MOSFET-Anordnung 3 weist eine Vielzahl von parallel geschalteten N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistoren und eine Ladungspumpe auf, an die die Gateanschlüsse der N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistoren angeschlossen sind. Die Ladungspumpe kann über ein Steuersignal an einem ersten Steuereingang 31 oder einem zweiten Steuersignaleingang 32 der N-Kanal-MOSFET-Anordnung 3 ein- oder ausgeschaltet werden.
Auch der Gleichstromsteller 1 und der P-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor 2 weisen einen ersten Steuereingang 11, 21 auf. Die ersten Steuereingänge 11, 21, 31 sind mit einem äußeren Steuereingang S_E verbunden, über die ein Steuersignal eines externen Steuergeräts an den Gleichstromsteller 1, den P-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor 2 und die N-Kanal-MOSFET-Anordnung 3 gegeben werden kann.
An dem zweiten Steuereingang 32 der N-Kanal-MOSFET-Anordnung 3 liegt ein Signal eines Stromsensors 4 an. Der Stromsensor 4 erfasst den aufsummierten Strom durch die N-Kanal-MOSFET-Anordnung 3 und den P-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor 2.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung arbeitet wie folgt: Während eines Anlassens wird über das äußere Steuersignal an den ersten Eingängen 11, 21, 31 der Gleichstromsteller 1 eingeschaltet und die N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistoren der N-Kanal-MOSFET-Anordnung 3 sowie der P-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor 2 werden gesperrt. Die Stromversorgung erfolgt dann ausschließlich über den Gleichstromsteller 1, der die notwendige Menge elektrischer Energie transportieren kann.
Wird des Fahrzeug vor oder nach dem Anlassen betrieben, sind im Regelfall sowohl die N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistoren der N-Kanal-MOSFET-Anordnung 3 als auch der P-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor 2 durchgeschaltet, wozu ein entsprechendes Steuersignal an den ersten Steuereingängen 11, 21, 31 angelegt wird.
Unterschreitet der vom Stromsensor 4 erfasste Strom dagegen ein vorgegebenes Maß, beispielsweise wenn das Fahrzeug längere Zeit abgestellt ist, werden die N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistoren der N-Kanal-MOSFET-Anordnung 3 abgeschaltet und die Stromversorgung der Verbraucher erfolgt ausschließlich über den P-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor 2, der durchgeschaltet bleibt.
Bezugszeichenliste

1: Gleichstromsteller
11: erster Steuereingang von 1
2: P-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor
21: erster Steuereingang von 2
3: N-Kanal-MOSFET-Anordnung
31: erster Steuereingang von 3
32: zweiter Steuereingang von 3
4: Stromsensor
V_Batt: Eingang
V_out: Ausgang
S_E: Steuersignaleingang
S_I: Stromsensorsignal

Claims

Schaltungsanordnung zur Bordnetzstabilisierung mit einem Eingang (V_Batt) zur Verbindung der Schaltungsanordnung mit einer Spannungsquelle und mit einem Ausgang (V_out) zur Verbindung mit einem oder mehreren elektrischen Verbrauchern, einem Gleichstromsteller (1), der einerseits mit dem Eingang (V_Batt) und andererseits mit dem Ausgang (V_out) verbunden ist, und einer N-Kanal-MOSFET-Anordnung (3), die parallel zu dem Gleichstromsteller (1) angeordnet ist, wobei die N-Kanal-MOSFET-Anordnung (3) parallel geschaltete N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistoren aufweist, deren Gateanschlüsse mit einem Ausgang einer Ladungspumpe verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung wenigstens einen P-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor (2) aufweist, der parallel zu dem Gleichstromsteller (1) und der N-Kanal-MOSFET-Anordnung (3) geschaltet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichstromsteller (1), die N-Kanal-MOSFET-Anordnung (3) und der P-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor (2) je einen ersten Steuereingang (11, 21, 31) aufweisen.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Steuereingänge (11, 21, 31) mit einem Steuergerät verbunden sind oder verbindbar sind.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung einen Stromsensor (4) zur Erfassung des Stroms durch die N-Kanal-MOSFET-Anordnung (3) und den P-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor (2) aufweist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromsensor (4) mit einem zweiten Steueranschluss (32) der N-Kanal-MOSFET-Anordnung (3) verbunden ist.
Verfahren zur Versorgung von Verbrauchern in einem Bordnetz mit elektrischer Energie über eine Schaltungsanordnung zur Bordnetzstabilisierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass entweder der Gleichstromsteller (1) einerseits oder die N-Kanal-MOSFET-Anordnung (3) und/oder der P-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor (2) andererseits zur Verbindung des Eingangs (V_Batt) der Schaltungsanordnung mit dem Ausgang (V_out) der Schaltungsanordnung verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichstromsteller (1), die N-Kanal-MOSFET-Anordnung (3) und der P-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor (2) über ein an den ersten Steuereingängen (11, 21, 31) anliegendes Steuersignal individuell ein- oder ausgeschaltet werden.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die N-Kanal-MOSFET-Anordnung (3) über ein am zweiten Steuereingang (32) anliegendes Signal des Stromsensors (4) eingeschaltet wird, wenn der gemessene Strom einen vorgegebenen Wert überschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die N-Kanal-MOSFET-Anordnung (3) über ein am zweiten Steuereingang (32) anliegendes Signal des Stromsensors (4) ausgeschaltet wird, wenn der gemessene Strom einen vorgegebenen Wert unterschreitet.