DE102011057002A1 - Device for operational state monitoring of reverse battery protection device, is associated to metal oxide semiconductor field effect transistor-switching unit of reverse battery protection device through channel for detecting voltage drop - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Betriebszustandsüberwachung einer zwischen einer Spannungsquelle und einer Last vorgesehenen Verpolschutzvorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Verwendung einer solchen Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer zwischen einer Spannungsquelle und einer Last vorgesehenen Verpolschutzvorrichtung.The invention relates to a device for operating state monitoring of a provided between a voltage source and a load Verpolschutzvorrichtung according to the preamble of the main claim. Furthermore, the present invention relates to a use of such a device and a method for operating a reverse polarity protection device provided between a voltage source and a load.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, MOSFET-Transistoren zu verwenden, um einen Verpolschutz zu realisieren. Aufgabe einer derartigen Verpolschutzvorrichtung ist es, eine potentiell sensible elektrische Last davor zu schützen, dass die Spannungsquelle nicht in der korrekten Polarität, also verpolt, angeschlossen wird. Gegenüber traditionell zum Zweck des Verpolschutzes eingesetzten Dioden weisen dabei MOSFET-Transistoren insbesondere den Vorteil eines geringen Durchlasswiderstandes sowie eines geringen Spannungsabfalls auf.From the prior art it is known to use MOSFET transistors in order to realize a reverse polarity protection. The object of such a reverse polarity protection device is to protect a potentially sensitive electrical load from the fact that the voltage source is not in the correct polarity, that is, polarity reversed, connected. Compared to traditionally used for the purpose of reverse polarity protection diodes MOSFET transistors have the particular advantage of a low forward resistance and a low voltage drop.
Damit eignet sich eine derartige Vorrichtung insbesondere auch für Hochstrom- bzw. Hochleistungsanwendungen etwa im Kfz-Betrieb, wo bei typischen Bordspannungen im Bereich zwischen 10 V und 14 V (sowie etwa bei 24 V, 42 V, 48 V) Lastströme von 20 A und mehr erreicht können.Thus, such a device is particularly suitable for high-current or high-power applications such as in automotive operation, where at typical on-board voltages in the range between 10 V and 14 V (and about 24 V, 42 V, 48 V) load currents of 20 A and can achieve more.
Typischerweise wird zudem eine (etwa im Fall von Gleichrichteranwendungen ohnehin vorhandene) integrierte Treiberschaltung benutzt, um das zum Ansteuern (Aktivieren) des MOSFET-Gates benötigte Spannungssignal zu erzeugen. Üblicherweise findet hier eine Ladungspumpe od. dgl. insbesondere für N-Kanal MOSFETs Einsatz, so dass (bei ausreichend hoher Spannung zwischen Source und Gate) der MOSFET entlang seines Kanals leitet. Dagegen würde im Fall einer Verpolung der MOSFET-Kanal nichtleitend, da sein Gate positiver als seine Source ist.Typically, an integrated driver circuit (such as is used anyway in the case of rectifier applications) is also used to generate the voltage signal needed to drive (activate) the MOSFET gate. Usually, a charge pump or the like is used here in particular for N-channel MOSFETs, so that (with a sufficiently high voltage between source and gate) the MOSFET conducts along its channel. In contrast, in the case of reverse polarity, the MOSFET channel would become nonconductive because its gate is more positive than its source.
Prinzipbedingt weisen MOSFETs eine parasitäre Diode (auch als Body-Diode bekannt) auf; eine derartige Diodeneigenschaft führt bei einer Verwendung eines MOSFET-Transistors zum Verpolschutz dazu, dass selbst in dem Fall, dass (durch kein ausreichendes Gate-Ansteuersignal) der Transistor nicht aktiviert ist, Strom von der Spannungsquelle zur Last fließen kann; mit anderen Worten, die parasitäre Diode ist im Nicht-Verpolungsfall in Durchgangsrichtung geschaltet. Allerdings bewirkt diese parasitäre Diode im nicht aktivierten Betriebszustand des MOSFET-Transistors in der Art einer Vorwärtsspannung einer (diskreten) Diode einen Spannungsabfall, typischerweise ca. 0,6 V bis 0,7 V. Wird daher die gattungsgemäße Verpolschutzvorrichtung mit in Durchlassrichtung geschalteter MOSFET-Schalteinheit in nicht aktiviertem Zustand mit einer elektrischen Last beaufschlagt, erzeugt dieser Spannungsabfall über der parasitären Diode eine nicht unbeträchtliche Verlustleistung (etwa im Fall eines angenommenen Laststroms von 20 A mit angenommener Vorwärtsspannung 0,7 V immerhin 14 W; diesem würde bei aktiviertem, d. h. eingeschaltetem MOSFET-Transistor ein Spannungsabfall über dem Kanal von weniger als 100 mV, resultierend in weniger als 2 W Verlustleistung gegenüberstehen). Nachteilig ist daher eine potentiell zerstörerische Wärmeentwicklung in der Verpolungschutzvorrichtung, wenn der MOSFET-Transistor (etwa aufgrund eines Ansteuerproblems des Gate-Ansteuersignals, einer unbeabsichtigten Leitungsunterbrechung od. dgl.) nicht aktiviert ist und gleichwohl elektrisch belastet wird. Gerade im Bereich der Kraftfahrzeug-Bordnetztechnik mit entsprechenden Umgebungseinflüssen wirkt sich ein solches Verhalten als nachteilig aus, insbesondere als die vorbeschriebene Steuerschaltung zur Erzeugung des Gate-Ansteuersignals zwar ihre eigene Funktionalität überprüfen kann, nicht jedoch selbst feststellen kann, ob das erzeugte Gate-Ansteuersignal tatsächlich zu einer Aktivierung der MOSFET-Schalteinheit führt.Due to the principle, MOSFETs have a parasitic diode (also known as a body diode); such a diode characteristic, when using a MOSFET transistor for reverse polarity protection, causes current to flow from the voltage source to the load even in the case that the transistor is not activated (due to insufficient gate drive signal); In other words, the parasitic diode is connected in the non-reverse polarity case in the passage direction. However, this parasitic diode causes in the non-activated operating state of the MOSFET transistor in the manner of a forward voltage of a (discrete) diode, a voltage drop, typically about 0.6 V to 0.7 V. Therefore, the generic polarity reversal protection device with forward-connected MOSFET When the switching unit is not energized with an electrical load, this voltage drop across the parasitic diode produces a not inconsiderable power loss (for example, assuming a load current of 20 A with assumed forward voltage 0.7 V, at least 14 W; MOSFET transistor facing a voltage drop across the channel of less than 100 mV, resulting in less than 2 W power dissipation). A disadvantage, therefore, is a potentially destructive heat development in the reverse polarity protection device, when the MOSFET transistor (for example because of a driving problem of the gate drive signal, an unintentional line interruption od. Like.) Is not activated and yet electrically charged. Especially in the field of automotive on-board network technology with corresponding environmental influences, such a behavior is disadvantageous, especially when the above-described control circuit for generating the gate drive signal can check their own functionality, but can not determine for themselves whether the generated gate drive signal actually leads to activation of the MOSFET switching unit.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine gattungsgemäße Verpolschutzvorrichtung im Hinblick auf ihre Betriebssicherheit zu überwachen, insbesondere zuverlässig festzustellen, ob eine im Rahmen der Verpolschutzvorrichtung verwendete MOSFET-Schalteinheit durch ein anliegendes Gate-Ansteuersignal aktiviert ist und so (durch entsprechend dann abzuleitende Maßnahmen) schädliche Einflüsse einer bei nicht aktivierter MOSFET-Schalteinheit über deren Kanal abfallender Spannung (und damit verbundener Verlustleistung) zu vermeiden.Object of the present invention is therefore to monitor a generic polarity reversal protection device with regard to their reliability, in particular reliably determine whether a MOSFET switching unit used in the context of polarity reversal protection is activated by an applied gate drive signal and so (by then then measures to be derived) to avoid the harmful effects of a voltage dropping across its channel when the MOSFET switching unit is not activated (and the associated power dissipation).
Die Aufgabe wird durch die Vorrichtung zur Betriebszustandsüberwachung nach dem Hauptanspruch, sowie nach dem unabhängigen Patentanspruch 9 und 10, ferner das Verfahren nach dem unabhängigen Patentanspruch 11 sowie die Verwendung nach dem unabhängigen Patentanspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.The object is achieved by the device for operating state monitoring according to the main claim, and according to the
In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise wird zunächst durch die Vorrichtung gemäß Hauptanspruch erreicht, dass eine Erfassung des Spannungsabfalls über dem Kanal erfolgen kann, mithin also eine zuverlässige Detektion möglich ist, ob die MOSFET-Schalteinheit aktiviert ist (kein parasitärer Spannungsabfall VDS) bzw. nicht aktiviert ist (parasitärer Spannungsabfall VDS in Höhe des typischen p/n-Schwellwerts von ca. 0,6 V bis 0,7 V). Erfindungsgemäß wird durch die Erfassungsmittel diese Erfassung in ein Erfassungssignal (Detektionssignal) umgesetzt, welches dann nachgeordnete Schaltungseinheiten, insbesondere Mittel zur elektrischen Lastreduktion, aktivieren kann, wenn etwa ein Nicht-Aktivierungszustand der MOSFET-Schalteinheit detektiert wird. Auf diese Weise kann dann etwa eine elektrische Lastabsenkung (z. B. durch Begrenzung eines im Kanal fließenden Stroms) erfolgen, mit der Wirkung, dass potentiell schädliche Erwärmung reduziert wird. So kann etwa ein Ausfall verhindert werden und eine weitere Funktionsfähigkeit (mit reduzierter Leistung) sichergestellt werden.In accordance with the invention advantageously achieved by the device according to the main claim that detection of the voltage drop across the channel can be done, therefore, a reliable detection is possible, whether the MOSFET switching unit is activated (no parasitic voltage drop V DS ) or not activated is (parasitic voltage drop V DS at the level of the typical p / n threshold of about 0.6 V to 0.7 V). According to the detection means this detection is converted into a detection signal (detection signal), which then downstream Circuit units, in particular means for electrical load reduction, can activate when, for example, a non-activation state of the MOSFET switching unit is detected. In this way, an electrical load reduction (eg by limiting a current flowing in the channel) can then take place, with the effect that potentially harmful heating is reduced. For example, a failure can be prevented and further functionality (with reduced power) can be ensured.
Dabei ist es weiterbildungsgemäß bevorzugt, mit Hilfe geeignet hochohmiger Erfassungsmittel an Drain und Source der MOSFET-Schalteinheit den Spannungsabfall über dem Kanal unmittelbar zu messen, wobei, in bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung, hier zum einen etwa ein Bipolar-Transistor (an Emitter bzw. Basis) eingesetzt werden kann, alternativ ein als Komparator oder Spannungssubtrahierer beschalteter Operationsverstärker.In this case, it is preferable for further development to measure the voltage drop across the channel directly by means of suitable high-impedance detection means at the drain and source of the MOSFET switching unit, wherein, in preferred developments of the invention, here for example a bipolar transistor (at emitter or base ), alternatively an operational amplifier connected as a comparator or voltage subtractor.
So ist es gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, die Erfassungsmittel durch einen Bipolar-Transistor zu realisieren, der mit Emitter bzw. Basis über dem Kanal des MOSFET-Transistors geschaltet ist. Dies führt dann erfindungsgemäß vorteilhaft dazu, dass im Fall eines aktivierten MOSFET-Transistors (mit entsprechend keinem bzw. sehr kleinem Spannungsabfall VDS über dem Kanal) die Basis-Emitter-Spannung am Bipolar-Transistor nahe 0 V beträgt und entsprechend dieser bipolare Transistor sperrt, also kein Strom zum Kollektor fließt. Ist dagegen, bei anliegender Versorgungsspannung sowie Last, der MOSFET-Transistor (z. B. durch eine Unterbrechung in der Gate-Ansteuerung) nicht aktiviert, liegt die Vorwärtsspannung (z. B. 0,7 V) der parasitären Diode im Drain-Source Kanal des MOSFET über Emitter und Basis des Bipolar-Transistors, wodurch dieser aufschaltet und zum Kollektor hin öffnet. Ein entsprechend im Kollektor fließender Strom (über einen dort geeignet vorzusehenden Widerstand begrenzt) kann dann das gewünschte erfindungsgemäße Detektionssignal als Spannungssignal (und ggf. begrenzt durch geeignete Spannungsbegrenzungsmittel, etwa eine Zenerdiode) anbieten.Thus, it is provided according to a preferred embodiment of the invention to realize the detection means by a bipolar transistor which is connected with emitter or base over the channel of the MOSFET transistor. In accordance with the invention, this advantageously results in that, in the case of an activated MOSFET transistor (with correspondingly no or very small voltage drop V DS across the channel), the base-emitter voltage at the bipolar transistor is close to 0 V and accordingly blocks this bipolar transistor , so no current flows to the collector. On the other hand, if the MOSFET transistor (eg due to an interruption in the gate drive) is not activated when the supply voltage and the load are present, the forward voltage (eg 0.7 V) of the parasitic diode is in the drain-source Channel of the MOSFET via emitter and base of the bipolar transistor, whereby this turns on and opens towards the collector. A current correspondingly flowing in the collector (limited by a resistor to be suitably provided there) can then offer the desired detection signal according to the invention as a voltage signal (and, if appropriate, limited by suitable voltage limiting means, such as a Zener diode).
Besonders vorteilhaft an dieser bevorzugten Realisierungsform der Erfindung ist die äußerst einfache schaltungstechnische Realisierung, welche mit minimalem zusätzlichem Hardware-Aufwand die Besonderheiten der Spannungssituationen im aktivierten bzw. deaktivierten Zustand nutzt und so unmittelbar das Ableiten des gewünschten Detektionssignals ermöglicht.Particularly advantageous in this preferred embodiment of the invention is the extremely simple circuit implementation, which uses the peculiarities of the voltage situations in the activated or deactivated state with minimal additional hardware complexity and thus directly enables the derivation of the desired detection signal.
Alternativ ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen, mit Hilfe ansonsten bekannter Operationsverstärker das Detektionssignal zu erzeugen, wobei eine potentiell interessante Realisierungsform der Erfindung insbesondere auch darin liegt, in der Art einer Spannungs-Subtraktionsvorrichtung die Differenz zwischen Drain- und Source-Spannung zu bilden und diese dann einer weiteren Auswertung zuzuführen.Alternatively, it is provided within the scope of the present invention to generate the detection signal with the aid of otherwise known operational amplifiers, wherein a potentially interesting embodiment of the invention lies in particular in forming, in the manner of a voltage subtraction device, the difference between drain and source voltage and then forward this to a further evaluation.
Ein im Rahmen der vorliegenden Erfindung alternativ beschreitbarer und unabhängig beanspruchter Weg sieht vor, statt des Spannungsabfalls über den Kanal als Grundlage für das Detektionssignal unmittelbar die am Gate anliegende Gate-Spannung des Gate-Ansteuersignals zu erfassen. Auch dies kann an einem geeignet hochohmigen Eingang z. B. eines Operationsverstärkers od. dgl. (wiederum im Vergleich mit einem entsprechenden Vorgabe- bzw. Schwellwert) erfolgen, so dass festgestellt werden kann, ob die MOSFET-Schalteinheit in einer beabsichtigten Weise aktiviert ist.An alternatively beschreitbare in the present invention and independently claimed path provides, instead of the voltage drop across the channel as a basis for the detection signal to detect directly applied to the gate gate voltage of the gate drive signal. This can also be done on a suitable high-impedance input z. B. an operational amplifier od. Like. (Again, in comparison with a corresponding default or threshold) done so that it can be determined whether the MOSFET switching unit is activated in an intended manner.
Wiederum alternativ bietet auch die im vorliegenden Erfindungskontext zu überwindende, nachteilige und als Ergebnis des parasitären Spannungsabfalls entstehende Erwärmung bzw. deren Detektion die Möglichkeit, steuernd einzugreifen und im Bedarfsfall eine elektrische Belastung abzusenken. Für diesen Zweck ist es beispielsweise vorteilhaft und weiterbildungsgemäß möglich, im Rahmen vorhandener Schaltungseinheiten typischerweise ohnehin vorhandene Temperatursensoren geeignet auf das Erreichen bzw. Überschreiten einer Temperaturschwelle auszuwerten, auf den potentiell nachteiligen Nicht-Aktivierungszustand der MOSFET-Schalteinheit zu schließen und entsprechend weitere Funktionalitäten auszulösen. Allerdings wäre bei dieser Erfindungsvariante, für welche wiederum unabhängig Schutz beansprucht wird, in der vorteilhaften Weiterbildung zusätzlich die Kausalität sicherzustellen und insbesondere auszuschließen, dass mögliche Fremdeinwirkungen für eine detektierte Temperaturerhöhung ursächlich sind.Again, alternatively, in the present context of invention to be overcome, disadvantageous and resulting from the parasitic voltage drop heating or their detection offers the ability to intervene controlling and lower, if necessary, an electrical load. For this purpose, it is possible, for example, advantageously and according to further development, to evaluate temperature sensors which are already present in the framework of existing circuit units in a suitable manner for reaching or exceeding a temperature threshold, to close the potentially disadvantageous non-activated state of the MOSFET switching unit and to correspondingly trigger further functionalities. However, in this variant of the invention, for which in turn independent protection is claimed, the causality should be additionally ensured in the advantageous development and in particular precluded that possible external influences are causative for a detected temperature increase.
Unabhängiger Schutz im Rahmen der Erfindung wird entsprechend beansprucht für ein Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur Betriebszustandsüberwachung, wobei, als Reaktion auf das detektierte Nicht-Aktivieren der MOSFET-Schalteinheit (insbesondere durch das Detektieren des Spannungsabfalls über der parasitären Diode im Kanal) eine entsprechende leistungsabsenkende Reaktion erfolgt.Independent protection within the scope of the invention is accordingly claimed for a method of operating the inventive device for operating state monitoring, wherein, in response to the detected non-activation of the MOSFET switching unit (in particular by detecting the voltage drop across the parasitic diode in the channel) a corresponding performance-reducing reaction takes place.
Damit eignet sich die vorliegende Erfindung insbesondere günstig für Anwendungen im Bereich der Automobil- bzw. Kraftfahrzeugtechnik und an entsprechenden Bordnetzen, ist jedoch nicht auf diesen Einsatzzweck beschränkt. Vielmehr eignet sich die vorliegende Erfindung für jegliche Einsatzzwecke, bei welchen in schaltungstechnisch überraschend einfacher Weise eine zuverlässige Überwachung eines in einer Durchlassrichtung zu betreibenden MOSFET-Transistors auf Aktivierung erforderlich ist.Thus, the present invention is particularly suitable for applications in the field of automotive or automotive technology and on corresponding on-board networks, but is not limited to this application. Rather, the present invention is suitable for any application in which in circuitry surprisingly simple way a reliable monitoring of a in a forward direction to be operated MOSFET transistor is required for activation.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments and from the drawings; these show in:
Die
Genauer gesagt findet in ansonsten bekannter Weise die Ansteuerung am Gate G über eine (nicht gezeigte) Ansteuerschaltung und einen Begrenzungswiderstand
Gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel und zur Realisierung eines ersten Erfindungsprinzips wird die Spannungsdifferenz zwischen S und D an
Die Funktionsweise der in
Die entsprechend über Emitter E und Basis B des Bipolar-Transistors
Kommt es dagegen, etwa durch eine Leitungsunterbrechung oder eine Störsituation, zu keiner oder keiner ausreichenden Steuerspannung am Gate G (auch wenn ggf. die zugehörige Ansteuerung CP' der Treibereinheit erfolgt), so ist der MOSFET
In diesem Betriebszustand würde jedoch der Spannungsabfall zwischen S und D zu einer entsprechenden Spannungsdifferenz zwischen Emitter E und Basis B des Transistors
Damit ist mit einem Minimum an Bauelementen, im gezeigten Ausführungsbeispiel lediglich mit Hilfe des Transistors
Die
Die Vergleichereinheit
Wiederum alternativ ist in der
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt, vielmehr sind die eingangs- und lastseitig gezeigten Konfigurationen ebenso als rein exemplarisch zu verstehen, wie die zwar bevorzugt mittels eines Bipolar-Tansistors realisierbare, jedoch nicht darauf (bzw. die alternativ vorgeschlagenen Operationsverstärker) realisierte Lösung zum Erfassen des Spannungsabfalls über dem MOSFET-Kanal.The present invention is not limited to the exemplary embodiments shown; rather, the configurations shown on the input and load sides are also to be understood as purely exemplary, as realized by means of a bipolar transistor, but not realized thereon (or the alternatively proposed operational amplifiers) Solution for detecting the voltage drop across the MOSFET channel.
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