DE102011087432B3

DE102011087432B3 - Schaltungsanordnung zum Ansteuern wenigstens zweier Lasten aus einer Versorgungsquelle

Info

Publication number: DE102011087432B3
Application number: DE201110087432
Authority: DE
Inventors: Franz Allmeier; Klaus Herdt
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2011-11-30
Filing date: 2011-11-30
Publication date: 2013-02-07
Anticipated expiration: 2031-12-01
Also published as: WO2013079551A3; WO2013079551A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Ansteuern wenigstens zweier bidirektional aus einer Versorgungsquelle (V0, GND) zu betreibender reaktiver Lasten (L1, L2, L3, L4), bei der allen Lasten (L1, L2, L3, L4) für jede Betriebsrichtung ein steuerbarer Richtungsschalter (T1, T6) zugeordnet ist, wobei jeder Richtungsschalter (T1, T6) mit einem ersten Anschluss mit einem ersten Versorgungspotential (V0) und mit einem zweiten Anschluss über je eine in Durchlassrichtung gepolte Diode (D1–D8) mit einem ihm zugeordneten Anschluss der Lasten (L1, L2, L3, L4) verbunden ist. Jeder Last (L1, L2, L3, L4) ist für jede Betriebsrichtung je ein steuerbarer Auswahlschalter (T2–T5, T7–T10) zugeordnet, wobei jeder Auswahlschalter (T2–T5, T7–T10) mit einem ersten Anschluss mit einem ihm zugeordneten Anschluss der Last (L1, L2, L3, L4) und mit einem zweiten Anschluss mit einem zweiten Versorgungspotential (GND) verbunden ist. Die Richtungs- (T1, T6) und Auswahlschalter (T2–T5, T7–T10) sind mit Leistungstransitoren mit Inversdioden gebildet, wobei die Drainanschlüsse der Auswahlschalter (T2–T5, T7–T10) über Zenerdioden (ZD2–ZD5, ZD7–ZD10) mit den Gateanschlüssen der Auswahlschalter (T2–T5, T7–T10) verbunden sind.

Description

Insbesondere in Kraftfahrzeugen müssen eine große Anzahl von Lasten ein- und ausgeschaltet werden. Dazu zählen neben rein resistiven Beleuchtungsmitteln auch kapazitive Lasten wie Piezoaktoren für Einspritzventile oder induktive Lasten wie Magnetaktoren für Einspritzventile oder diverse Motoren beispielsweise für Fensterheber oder Scheibenwischer.
Insbesondere bei Motoren aber auch bei magnetischen Ventilen ist es dabei häufig erforderlich, dass diese in zwei Richtungen betrieben werden können. Zur Ansteuerung solcher reaktiver Lasten wird dabei häufig eine Vollbrückenschaltung – eine sogenannte H-Brücke – verwendet, wie sie beispielsweise in der DE 199 50 144 A1 gezeigt ist. Eine solche Vollbrücke, die im Kraftfahrzeug zumeist hohe Ströme schalten muss, ist mit Leistungstransistoren gebildet, von denen je zwei in Serie geschaltet zwischen dem positiven und dem negativen Potential der Versorgungsquelle verschaltet sind. Die zu betätigende Last ist dabei in der Brücke zwischen diesen beiden Serienschaltungen angeordnet. Zum Betreiben der Last in eine Richtung wird dabei der High-Side-Schalter des ersten Brückenzweiges und der Low-Side-Schalter des zweiten Brückenzweiges eingeschaltet und für den Betrieb in der anderen Richtung entsprechen der High-Side-Schalter des zweiten Brückenzweiges und der Low-Side-Schalter des ersten Brückenzweiges.
Um beispielsweise vier magnetische Aktoren für die Einspritzventile eines Vier-Zylindermotors betätigen zu können, sind entsprechend vier Vollbrücken mit insgesamt sechzehn Leistungstransistoren erforderlich. Dies ist nicht nur aufgrund der Kosten für die einzelnen Leistungstransistoren teuer sondern auch auf Grund des Flächenbedarfs auf einer Leiterplatte, die entsprechend größer und damit teurer gewählt werden muss.
Die WO 2011/000731 A1 offenbart eine Einsparung von Schaltern bei der Ansteuerung einer Mehrzahl von induktiven Lasten, indem neben jeweils einem Auswahlschalter für jede Last nur ein Ansteuerschalter für alle Lasten vorgesehen ist. Allerdings kann bei der dortigen Schaltungsanordnung der Strom nur in einer Richtung durch die Lasten fließen.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine weniger aufwändige und kostengünstigere Schaltungsanordnung zum Ansteuern wenigstens zweier bidirektional aus einer Versorgungsquelle zu betreibender reaktiver Lasten anzugeben.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1. vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Demnach ist in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung allen Lasten für jede Betriebsrichtung ein steuerbarer Richtungsschalter zugeordnet, wobei jeder Richtungsschalter mit einem ersten Anschluss mit einem ersten Versorgungspotential und mit einem zweiten Anschluss über je eine in Durchlassrichtung gepolte Diode mit einem ihm zugeordneten Anschluss der Lasten verbunden ist. Außerdem ist jeder Last für jede Betriebsrichtung je ein steuerbarer Auswahlschalter zugeordnet, wobei jeder Auswahlschalter mit einem ersten Anschluss mit einem ihm zugeordneten Anschluss der Last und mit einem zweiten Anschluss mit einem zweiten Versorgungspotential verbunden ist. Die Richtungs- und Auswahlschalter sind dabei mit Leistungstransistoren mit Inversdioden gebildet, wobei die Drainanschlüsse der Auswahlschalter über Zenerdioden mit den Gateanschlüssen der Auswahlschalter verbunden sind.
Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind also nur zwei Richtungsschalter für eine beliebige Anzahl reaktiver Lasten vorgesehen, wobei durch die Betätigung eines der Richtungsschalter die Betriebsrichtung ausgewählt wird. Die Auswahl der zu betätigenden Last erfolgt entsprechend durch den dieser zugeordneten und am anderen Anschluss der Last, an dem der ausgewählte Richtungsschalter nicht verbunden ist, angeordneten Auswahlschalter. Die die Richtungsschalter mit den Lasten verbindenden Dioden sorgen dafür, dass die einzelnen Lasten voneinander entkoppelt sind. Da beim Betrieb induktiver Lasten Freilaufpfade für den Abbau der in den Lasten gespeicherten magnetischen Energie vorgesehen werden müssen, werden einerseits Leistungsschalter mit implementierten Inversdioden verwendet und andererseits die Drainschlüsse der Auswahlschalter über Zenerdioden geeigneter Dimensionierung mit den Gateanschlüssen verbunden, sodass beim Deaktivieren der Auswahlschalter diese solange im leitfähigen Zustand gehalten werden, wie die in der entsprechenden Last vorhandene Restmagnetenergie einen Stromfluss erzwingt.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist das erste Versorgungspotential das positive Potential der Versorgungsquelle und das zweite Versorgungspotential das negative Potential der Versorgungsquelle. Hierdurch sind die Auswahlschalter als Low-Side-Schalter ausgebildet, die kostengünstiger realisiert werden können als High-Side-Schalter. Da pro Last zwei Auswahl- und damit Low-Side-Schalter verwendet werden, ist diese Anordnung von besonderem Vorteil.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung lässt sich in besonders vorteilhafter Weise bei induktiven Lasten verwenden.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe einer Figur näher erläutert werden. Dabei zeigt
1 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit vier induktiven Lasten und als High-Side-Schalter betriebene Richtungsschalter und
2 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit vier induktiven Lasten und als Low-Side-Schalter betriebene Richtungsschalter.
Die Schaltungsanordnung gemäß 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit vier induktiven Lasten L1–L4, die aus einer Versorgungsquelle mit einem positiven Versorgungspotential V₀ und einem negativen Versorgungspotential GND betrieben werden sollen. Hierzu sind erste Anschlüsse der Lasten L1–L4 jeweils über eine Diode D1–D4, die in Sperrrichtung betrieben ist, und einen ersten Richtungsschalter T1, der als Leitungstransistor mit Inversdiode ausgebildet ist, mit dem positiven Versorgungspotential V₀ der Versorgungsquelle verbunden. Die jeweils zweiten Anschlüsse der Lasten L1–L4 sind in entsprechender Weise jeweils über Dioden D5–D8, die ebenfalls in Sperrrichtung betrieben werden und einen zweiten Richtungsschalter T6, der ebenfalls als Leistungstransistor mit Inversdiode ausgebildet ist, mit dem positiven Versorgungspotenzial V₀ der Versorgungsquelle verbunden. Hierdurch ist zum Laden der Lasten L1–L4 ein Stromfluss aus der Versorgungsquelle zur jeweiligen Last L1–L4 möglich.
Die Richtungsschalter T1, T6 sind als N-Kanal-MOS-Transistoren dargestellt, es können jedoch auch P-Kanal-MOS-Transistoren verwendet werden. Bei der Verwendung von kostengünstiger herzustellender N-Kanal-MOS-Transistoren muss jedoch eine über dem positiven Potential V₀ der Versorgungsspannung liegende Spannung zur Ansteuerung der Gate-Anschlüsse bereitgestellt werden, damit die N-Kanal-MOS-Transistoren sicher durchschalten.
Jeder erste Anschluss und jeder zweite Anschluss der Lasten L1–L4 sind außerdem jeweils über je einen Auswahlschalter T2–T5 und T7–T10 mit dem negativen Potential GND der Versorgungsquelle verbunden. Die Auswahlschalter T2–T5 und T7–T10 sind ebenfalls als Leistungstransistoren mit Inversdioden ausgebildet. Die Drainanschlüsse dieser Auswahlschalter T2–T5 und T7–T10 sind über die Serienschaltung eines Strombegrenzungswiderstands R1–R8 und einer Zenerdiode ZD1–ZD8 mit den jeweiligen Gateanschlüssen der Auswahlschalter T2–T5 und T7–T10 verbunden.
Wird beispielsweise die erste Last L1 in einer ersten Betriebsrichtung betrieben, so wird der erste Richtungsschalter T1 und der erforderliche Auswahlschalter T2 eingeschaltet. Wird zum Abschalten der ersten Last L1 der erste Richtungsschalter T1 abgeschaltet, so kann sich das in der ersten Last L1 aufgebaute magnetische Feld durch einen Strom über die Inversdiode des mit dem ersten Anschluss der Last L1 verbundenen Auswahlschalters T7 und den mit dem zweiten Anschluss verbundenen, noch eingeschalteten Auswahlschalter T2 durch einen entsprechenden Stromfluss abbauen.
Wird hingegen zum Abschalten der ersten Last L1 nur der Auswahlschalter T2 deaktiviert, so erzwingt die Klemmung des Gateanschlusses des Auswahlschalters T2 über die Zenerdiode Z3 mit dem Drainanschluss des Auswahlschalters T2 einen Stromfluss durch diesen Auswahlschalter T2, bis aufgrund des Abbaus des magnetischen Feldes in der ersten Last L1 die Spannung am Drainanschluss des Auswahlschalters T2 unter die Zenerspannung der Zenerdiode ZD1 absinkt.
In entsprechender Weise sind Freilaufpfade für die weiteren Lasten L2–L4 realisiert.
In 2 ist eine Realisierung der Schaltungsanordnung mit als Low-Side-Schalter realisierten Richtungsschaltern T1', T6' dargestellt. Um zum Laden der Lasten L1–L4 eine Stromfluss aus der Versorgungsquelle zu ermöglichen und die einzelnen Ladepfade trotzdem zu entkoppeln, sind Dioden D1'–D8' jeweils zwischen den Lasten L1–L4 und den Richtungsschaltern T1', T6' in Durchlassrichtung gepolt angeordnet. Die als High-Side-Schalter angeordneten Auswahlschalter T2'–T5' und T7'–T10' sind in diesem Ausführungsbeispiel als P-Kanal-MOS-Transistoren mit Inversdioden ausgebildet. Ansonsten sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen wie in 1 und lediglich um ein „'” ergänzt.

Claims

Schaltungsanordnung zum Ansteuern wenigstens zweier bidirektional aus einer Versorgungsquelle (V₀, GND) zu betreibender reaktiver Lasten (L1, L2, L3, L4), bei der allen Lasten (L1, L2, L3, L4) für jede Betriebsrichtung ein steuerbarer Richtungsschalter (T1, T6) zugeordnet ist, wobei jeder Richtungsschalter (T1, T6) mit einem ersten Anschluss mit einem ersten Versorgungspotential (V₀; GND) und mit einem zweiten Anschluss über je eine Diode (D1–D8) mit einem ihm zugeordneten Anschluss der Lasten (L1, L2, L3, L4) verbunden ist, wobei die Dioden (D1–D8) derart gepolt sind, dass zum Laden der Lasten (L1, L2, L3, L4) aus der Versorgungsquelle (V₀, GND) ein Stromfluss möglich ist, bei der jeder Last (L1, L2, L3, L4) für jede Betriebsrichtung je ein steuerbarer Auswahlschalter (T2–T5, T7–T10) zugeordnet ist, wobei jeder Auswahlschalter (T2–T5, T7–T10) mit einem ersten Anschluss mit einem ihm zugeordneten Anschluss der Last (L1, L2, L3, L4) und mit einem zweiten Anschluss mit einem zweiten Versorgungspotential (GND; V₀) verbunden ist, wobei die Richtungs- (T1, T6) und Auswahlschalter (T2–T5, T7–T10) mit Leistungstransistoren mit Inversdioden gebildet sind und wobei die Drainanschlüsse der Auswahlschalter (T2–T5, T7–T10) über Zenerdioden (ZD1–ZD8) mit den Gateanschlüssen der Auswahlschalter (T2–T5, T7–T10) verbunden sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Versorgungspotential das positive Potential (V₀) der Versorgungsquelle und das zweite Versorgungspotential das negative Potential (GND) der Versorgungsquelle ist und dass die Dioden (D1–D8) vom jeweiligen Richtungsschalter (T1, T6) zur jeweiligen Last (L1, L2, L3, L4) in Durchlassrichtung gepolt sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Versorgungspotential das negative Potential (GND) der Versorgungsquelle und das zweite Versorgungspotential das positive Potential (V₀) der Versorgungsquelle ist und dass die Dioden (D1–D8) vom jeweiligen Richtungsschalter (T1, T6) zur jeweiligen Last (L1, L2, L3, L4) in Sperrrichtung gepolt sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Last (L1, L2, L3, L4) eine Induktivität ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Zenerdiode (ZD1–ZD8) in Serie mit einem Widerstand (R1 bis R8) zwischen dem Drain- und dem Gateanschluss eines Auswahlschalters (T2–T5, T7–T10) angeordnet ist.