DE102012214774A1 - Elektronische Schaltungsanordnung in einem Kraftfahrzeugsteuergerät - Google Patents
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Abstract
Elektronische Schaltungsanordnung in einem Kraftfahrzeugsteuergerät zur Ansteuerung einer oder mehrerer Lasten, insbesondere von Magnetventilen für Kraftfahrzeugbremssysteme, umfassend einen die Last/en umfassenden Laststromkreis und einen Steuerstromkreis, welche sich dadurch auszeichnet, dass für eine erste von der Schaltungsanordnung umfasste funktionelle Baugruppe kein elektrischer Verpolschutz vorgesehen ist, wobei die erste funktionelle Baugruppe die Bauelemente und/oder Schaltungsanordnungsteile umfasst, für die Fehlfunktionen aufgrund von elektrischer Verpolung toleriert werden können und/oder eine elektrische Verpolung keine dauerhafte Schädigung und/oder Funktionsstörung hervorruft, und für eine zweite von der Schaltungsanordnung umfasste funktionelle Baugruppe ein elektrischer Verpolschutz vorhanden ist, wobei die zweite funktionelle Baugruppe die Bauelemente und/oder Schaltungsanordnungsteile umfasst, bei welchen Fehlfunktionen aufgrund von elektrischer Verpolung nicht toleriert werden können und/oder eine elektrische Verpolung dauerhafte Schädigungen und/oder Funktionsstörungen hervorruft.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektronische Schaltungsanordnung gemäß Oberbegriff von Anspruch 1 sowie deren Verwendung.
- Um Fehlfunktionen einer zunehmenden Anzahl elektronischer Komponenten in Kraftfahrzeugen und damit verbundene Sicherheits- oder Komforteinschränkungen für die Fahrzeuginsassen zu vermeiden, müssen diese so ausgelegt sein, dass eine möglichst hohe Verfügbarkeit dieser Komponenten trotz unterschiedlichster Fehler- und Störeinflüsse erreicht wird. Dies gilt insbesondere für Steuergeräte eines geregelten Bremssystems (ECU), da die Sicherheit der Fahrzeuginsassen in besonderem Maße von dessen Verfügbarkeit abhängt.
- In einem an sich bekannten Schaltkreis zur Ansteuerung von Ventilspulen einer elektrohydraulischen Bremsanlage, wie beispielsweise in der
DE 10 2006 051 722 A1 beschrieben, wird bei Einsetzen einer Bremskraftregelung ein Halbleiter-Hauptschalter im Lastromkreis bis zur Beendigung des Regelvorgangs geschlossen. Die Bremsdruckregelung erfolgt dabei durch Ansteuerung der separaten Ventilspulen über Low-Side-Treiber durch Anlegen variabler Pulsfolgen. - In der
DE 10 2006 051 722 A1 wird auf dieser Basis eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung der Ventilspulen beschrieben, bei der der Halbleiter-Hauptschalter bei Überspannungen der Spannungsversorgung als Spannungsregler und im Normalbetrieb als Halbleiterschalter betrieben wird. - In elektronischen Schaltungen für Leistungsanwendungen ist es üblich, einen Schutz gegen Fehlerströme zu implementieren, welche andernfalls zu Funktionsstörungen und zur Zerstörung empfindlicher Hardware führen können. Eine Schaltungsanordnung zur Leckstromüberwachung wird beispielsweise in der
EP 0 934 533 B1 beschrieben. Vor jedem Schließen des Halbleiter-Hauptschalters wird hierzu mittels einer Prüfstromquelle eine Leckstromerkennung durchgeführt. Liegt ein Fehler, wie beispielsweise ein Leckstrom, vor wird der Halbleiter-Hauptschalter nicht geschlossen. - Ein weiterer Fall solcher Fehlerströme sind Rückströme, bei denen eine, im Vergleich zum normalen Arbeitsstrom, umgekehrte Flussrichtung auftritt. Dies wird unter anderem durch ungewollte Einkopplung der Energieversorgung hervorgerufen, wie es durch Isolationsdefekte oder Schaltfehler ausgelöst wird. Ein simpler Schutz gegen solche Rückströme erfolgt durch Einsetzen einer, entsprechend des maximalen Summenlaststroms ausgelegten Diode im Zuleitungspfad vor dem Halbleiter-Hauptschalter.
- Die
DE 10 2006 006 878 A1 beschreibt eine Schaltungsanordnung mit Rück- und Überstromschutz für Fälle, in denen ein Rückstrom auftritt. Im Laststromkreis sind dafür zwei in Reihe geschaltete MOS-FETs vorhanden, welche so geschaltet sind, dass deren jeweiligen Inversdioden bezüglich der Sperrrichtung entgegengesetzt angeordnet sind. Der Stromfluss kann somit entsprechend des auftretenden Fehlerfalls in eine oder in beide Richtungen gesperrt werden. - Die
WO 2008 080 793 A1 beschreibt ein im Low-Side- oder Massepfad vorhandenes aktives Halbleiter-Bauelement, welches als Verpolschutz des Laststromkreises dient. - Ein Verpolschutz kann demnach mit einem ansteuerbarem Verpolschutz-FET als aktiver Verpolschutz oder durch eine Verpolschutzdiode als passiver Verpolschutz realisiert sein. Diese Bauelemente befinden sich jeweils im Zuleitungspfad des Laststromkreises. Die Spannungsabfälle über die Verpolschutzbauelemente sind bei der Schaltungsauslegung zu berücksichtigen und stehen den Lasten nicht zur Verfügung.
- Für einen Schutz gegen Rückströme muss die gesamte Schaltungsanordnung eines Kraftfahrzeugsteuergerätes gegen elektrische Verpolung geschützt werden. Für den Laststromkreis ist daher eine Verpol-Schutzschaltung mit voller Stromtragfähigkeit der Bauteile erforderlich.
- Die Einzelbauteile einer ECU werden in Stückzahlen von mehreren Millionen produziert und verkauft. Damit in Zusammenhang steht ein großer Material- und Herstellungsaufwand. Unter dem Druck der stetigen Kostenoptimierung besteht die Aufgabe der Erfindung darin, diese Kosten einer ECU im Vergleich zum Stand der Technik weiter zu verringern.
- Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1 gelöst.
- Die erfindungsgemäße elektronische Schaltungsanordnung in einem Kraftfahrzeugsteuergerät zur Ansteuerung einer oder mehrerer Lasten, insbesondere von Magnetventilen für Kraftfahrzeugbremssysteme, umfassend einen die Last/en umfassenden Laststromkreis und einen Steuerstromkreis, zeichnet sich dadurch aus, dass für eine erste von der Schaltungsanordnung umfasste funktionelle Baugruppe kein elektrischer Verpolschutz vorgesehen ist, wobei die erste funktionelle Baugruppe die Bauelemente und/oder Schaltungsanordnungsteile umfasst, für die Fehlfunktionen aufgrund von elektrischer Verpolung toleriert werden können und/oder eine elektrische Verpolung keine dauerhafte Schädigung und/oder Funktionsstörung hervorruft, und für eine zweite von der Schaltungsanordnung umfasste funktionelle Baugruppe ein elektrischer Verpolschutz vorhanden ist, wobei die zweite funktionelle Baugruppe die Bauelemente und/oder Schaltungsanordnungsteile umfasst, bei welchen Fehlfunktionen aufgrund von elektrischer Verpolung nicht toleriert werden können und/oder eine elektrische Verpolung dauerhafte Schädigungen und/oder Funktionsstörungen hervorruft.
- Vorteilhafterweise werden durch diese systematische Aufteilung die Bauelemente- und Herstellungskosten für Kraftfahrzeugsteuergeräte und insbesondere ECUs eines Kraftfahrzeugbremssystems deutlich verringert. Funktionellen Einschränkungen, welche aufgrund des Spannungsabfalls dieser Verpolschutzbauelemente vorlagen, werden zudem vermieden.
- Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist der Laststromkreis derart aufgebaut, dass die erste funktionelle Baugruppe im wesentlichen Bauelemente und/oder Schaltungsanordnungsteile des Laststromkreises und die zweite funktionelle Baugruppe im wesentlichen Bauelemente und/oder Schaltungsanordnungsteile des Steuerstromkreises umfasst. Vorteilhafterweise entfallen dadurch Verpolschutzbauelemente, welche ausgelegt sind, den vollen Laststrom zu tragen. Die sensibleren Bauelemente des Steuerstromkreises lassen sich durch weitaus kleiner dimensionierte und somit preiswertere Bauelemente wirksam gegen Verpolung schützen.
- Bevorzugt ist der Laststromkreis derart aufgebaut, dass dieser im Falle einer elektrischen Verpolung einen Rückstrom toleriert. Vorteilhafterweise werden die Bauelemente, bei nicht vorhandenen separaten Verpolschutzmaßnahmen, nicht beschädigt. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird der Kurzschluss- und/oder Rückstrom, welcher durch eine Verpolung des Laststromkreises hervorgerufen wird, durch die vom Laststromkreis umfassten ohmschen Widerstände, insbesondere der Wicklungswiderstände der Lastspulen, und/oder von Substratdioden der Treiber, begrenzt.
- Für zumindest einen vom Steuerstromkreis umfassten Logikteil ist bevorzugt ein weiterer elektrischer Verpolschutz vorhanden. Die Logik ist eine gegenüber Fehlerströmen besonders empfindliche Hardware und wird durch diese Maßnahme vorteilhafterweise gegen Verpolung geschützt.
- Für mindestens eine Last ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ein Freilaufpfad vorhanden, wobei der Freilaufpfad einen separaten Verpolschutz umfasst und wobei bevorzugt bei Vorhandensein mehrerer Lasten mit Freilaufpfaden ein gemeinsamer elektrischer Verpolschutz vorhanden ist. Der separate Verpolschutz im Freilaufpfad einer oder mehrerer Lasten kann kleiner dimensioniert werden, als es für einen Verpolschutz im Zuleitungspfad des Laststromkreises der Fall ist, wodurch sich ein Kostenvorteil ergibt.
- Besonders bevorzugt ist für Ansteuerleitungen und/oder aktive Prüfeinrichtungen, insbesondere Leckstrom-Prüfquellen, welche elektrisch zwischen Steuerstromkreis und Laststromkreis angeordnet sind, ein weiterer elektrischer Verpolschutz vorhanden.
- Die Erfindung bezieht sich außerdem auf die Verwendung der vorstehend beanspruchten elektronischen Schaltungsanordnung in einem Kraftfahrzeugbremssystem, insbesondere einem Fahrdynamikregelungssystem, oder einem System zur Fahrwerksregelung oder in einem Steuergerät für Fahrzeugsicherheitssysteme.
- Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand von
1 . - Es zeigt:
-
1 eine beispielgemäße Umsetzung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung für ein digitales ABS-Steuergerät. - In
1 ist eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung in schematisch vereinfachter Weise, am Beispiel eines digitalen ABS-Steuergerätes, dargestellt. Im Normalbetrieb, also bei korrekt angelegter, positiver Spannung an der bei Kraftfahrzeugen üblichen KL30, wird beim Einsetzen einer ABS-Regelung der Lastromkreis bis zur Beendigung des Regelvorgangs über die leitende Drain-Source Strecke von Hauptschalter-FET MD geschlossen. Die Bremsdruckregelung mit den Ventilspulen L1...Ln erfolgt über die separate Ansteuerung der Low-Side-Treiber T1 bis Tn. Die Low-Side-Treiber T1 bis Tn können intern oder extern von Schaltungsblock1 angeordnet sein. Schaltungsblock3 dient zur Realisierung einer Abschaltung von Hauptschalter-FET MD durch Block4 . - Für den Laststromkreis ist kein Verpolschutz vorgesehen, weshalb die Bauelemente im Lasstromkreis derart ausgelegt sind, dass diese einen Fehler- oder Rückstrom tolerieren können. Ein Verpolschutz-FET oder eine Verpolschutzdiode im Zuleitungspfad des Laststromkreises wird nicht benötigt, wodurch die Kosten für das jeweilig verwendete Bauelement (z.B. Verpolschutz-FET 10...20ct) sowie eventuelle Ansteuerelektronik bei aktivem Verpolschutz eingespart werden. Der durch das jeweilige Bauelement verursachte Spannungsabfall (z.B. 0,3...1,2V) entfällt damit ebenso und muss in der Schaltungsauslegung nicht mehr berücksichtigt werden.
- Der maximal auftretende Strom im Verpolungsfall wird durch die ohmschen Widerstände Rc1...Rcn der Spulenwicklungen L1...Ln und durch die Spannungsabfälle der Substratdioden der Transistoren MD und T1...Tn begrenzt.
- Integrierte Schaltkreise wie ASICs besitzen ebenso wie FETs Substratdioden, welche durch DS1 und DS2 repräsentiert werden. Bei Verpolung ergibt sich ohne Verpolschutz über die Substratdioden ein leitfähiger Pfad in Richtung KL30. Für diesen Fall sind Diode DP und Transistor TP vorgesehen, welche bei Vorliegen eines negativen Potentials an KL30 (echte Verpolung) einen Schutz der parasitären Substratstrompfade DS1 und DS2 vornehmen. Durch diese Maßnahme wird der Verpolschutz für den Steuerstromkreis realisiert. Diese Schutzfunktionen können durch Schalten von Schaltverbindung S1 in Verbindung mit Prüfstromquelle
2 überprüft werden. Schaltverbindung S1 kann dafür als Halbleiterschalter ausgeführt werden, welcher durch Schaltungsblock1 angesteuert wird. - Die Widerstände R1 und Rp können zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit sowie Spannungsüberwachung von Hauptschalter-FET MD eingesetzt werden, wobei diese parallel zu Transistor Tp und Diode Dp verschaltet werden. In diesem Fall erfolgt eine Begrenzung des Verpolstroms durch diese Widerstände. Anstatt der Verwendung der Widerstände R1 und Rp oder in Verbindung, beispielsweise in Parallelschaltung zu R1 und Rp, können auch Kondensatoren eingesetzt werden.
- Eine Limitierung von Verpolstrom IR des Laststromkreises erfolgt durch die ohmschen Widerstände RC1...RCn der Spulenwicklungen L1...Ln sowie durch die pn-Übergänge der jeweiligen Substratdioden von Treiber MD und T1 bis Tn. Werden für die Ventilspulen Freilaufpfade mit Freilaufdioden DF vorgesehen, besitzen diese einen separaten Verpolschutz TF, wobei für mehrere Lasten ein gemeinsamer Verpolschutz im Freilaufpfad verwendet werden kann.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006051722 A1 [0003, 0004]
- EP 0934533 B1 [0005]
- DE 102006006878 A1 [0007]
- WO 2008080793 A1 [0008]
Claims (8)
- Elektronische Schaltungsanordnung in einem Kraftfahrzeugsteuergerät zur Ansteuerung einer oder mehrerer Lasten, insbesondere von Magnetventilen für Kraftfahrzeugbremssysteme, umfassend einen die Last/en umfassenden Laststromkreis und einen Steuerstromkreis, dadurch gekennzeichnet, dass für eine erste von der Schaltungsanordnung umfasste funktionelle Baugruppe kein elektrischer Verpolschutz vorgesehen ist, wobei die erste funktionelle Baugruppe die Bauelemente und/oder Schaltungsanordnungsteile umfasst, für die Fehlfunktionen aufgrund von elektrischer Verpolung toleriert werden können und/oder eine elektrische Verpolung keine dauerhafte Schädigung und/oder Funktionsstörung hervorruft, und für eine zweite von der Schaltungsanordnung umfasste funktionelle Baugruppe ein elektrischer Verpolschutz vorhanden ist, wobei die zweite funktionelle Baugruppe die Bauelemente und/oder Schaltungsanordnungsteile umfasst, bei welchen Fehlfunktionen aufgrund von elektrischer Verpolung nicht toleriert werden können und/oder eine elektrische Verpolung dauerhafte Schädigungen und/oder Funktionsstörungen hervorruft.
- Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste funktionelle Baugruppe im wesentlichen Bauelemente und/oder Schaltungsanordnungsteile des Laststromkreises und die zweite funktionelle Baugruppe im wesentlichen Bauelemente und/oder Schaltungsanordnungsteile des Steuerstromkreises umfasst.
- Schaltungsanordnung nach Anspruche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Laststromkreis derart aufgebaut ist, dass dieser im Falle einer elektrischen Verpolung einen Rückstrom toleriert.
- Schaltungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für zumindest einen vom Steuerstromkreis umfassten Logikteil ein weiterer elektrischer Verpolschutz vorhanden ist.
- Schaltungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass für mindestens eine Last ein Freilaufpfad vorhanden ist, wobei der Freilaufpfad einen separaten Verpolschutz umfasst.
- Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorhandensein mehrerer Lasten mit Freilaufpfaden ein gemeinsamer elektrischer Verpolschutz im Freilaufpfad vorhanden ist.
- Schaltungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für Ansteuerleitungen und/oder aktive Prüfeinrichtungen, insbesondere Leckstrom-Prüfquellen, welche elektrisch zwischen Steuerstromkreis und Laststromkreis angeordnet sind, ein weiterer elektrischer Verpolschutz vorhanden ist.
- Verwendung der elektronischen Schaltungsanordnung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 in einem Kraftfahrzeugbremssystem, insbesondere einem Fahrdynamikregelungssystem, oder einem System zur Fahrwerksregelung oder in einem Steuergerät für Fahrzeugsicherheitssysteme.
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| R012 | Request for examination validly filed | ||
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Owner name: CONTINENTAL AUTOMOTIVE TECHNOLOGIES GMBH, DE Free format text: FORMER OWNER: CONTINENTAL TEVES AG & CO. OHG, 60488 FRANKFURT, DE |
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Owner name: CONTINENTAL AUTOMOTIVE TECHNOLOGIES GMBH, DE Free format text: FORMER OWNER: CONTINENTAL AUTOMOTIVE TECHNOLOGIES GMBH, 30165 HANNOVER, DE |
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