DE102013213028B3

DE102013213028B3 - Schaltungsanordnung zum Schalten externer Lasten mit Schutzschaltung

Info

Publication number: DE102013213028B3
Application number: DE201310213028
Authority: DE
Inventors: Stephan Bolz
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2013-07-03
Filing date: 2013-07-03
Publication date: 2014-08-21
Anticipated expiration: 2033-07-04

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einem ersten Anschluss (A1) für ein positives Versorgungspotential (Vbat+), mit einem zweiten Anschluss (A2) für ein Bezugspotential, mit einem dritten Anschluss (A3) zum Anschließen einer induktiven Last (L), mit einem zwischen dem ersten und dem dritten Anschluss (A1, A3) verschalteten ersten steuerbaren Schaltelement (T1), und mit einer zwischen dem dritten und dem zweiten Anschluss (A3, A2) in Sperrrichtung verschalteten ersten Diode (D1). In erfindungsgemäßer Weise ist zwischen dem dritten und dem zweiten Anschluss (A3, A2) in Serie zu der ersten Diode (D1) ein zweites steuerbares Schaltelement (T2) verschaltet und eine Ausschaltverzögerungsschaltung (4) vorgesehen, die mit ihrem Eingangsanschluss mit dem dritten Anschluss (A3) und mit ihrem Ausgangsanschluss mit dem Steueranschluss des zweiten Schaltelements (T2) verbunden ist und die bei einem hohen Potential am dritten Anschluss (A3) das zweite Schaltelement (T2) einschaltet und bei einem niederen Potential am dritten Anschluss (A3) das zweite Schaltelement (T2) verzögert ausschaltet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einem ersten Anschluss für ein positives Versorgungspotential, mit einem zweiten Anschluss für ein Bezugspotential, mit einem dritten Anschluss zum Anschließen einer induktiven Last, mit einem zwischen dem ersten und dem dritten Anschluss verschalteten ersten steuerbaren Schaltelement, und mit einer zwischen dem dritten und dem zweiten Anschluss in Sperrrichtung verschalteten ersten Diode.
Eine solche Schaltungsanordnung ist in der 1 dargestellt und aus der DE 103 41 582 B4 (4) bekannt. Solche Schaltungsanordnungen werden in elektronischen Steuergeräten in Kraftfahrzeugen zur Steuerung/Regelung verschiedenster Funktionen, beispielsweise zum Ein- und Ausschalten elektrischer, insbesondere induktiver, Lasten, eingesetzt. Diese Steuergeräte sind zumeist mit einem Mikrocontroller ausgerüstet.
Zur Betätigung elektrischer Lasten – etwa von Ventilen oder Aktoren – werden elektronische Schalter beispielsweise MOS-FETs oder IGBTs verwendet. Dabei sind sowohl nach Massepotential verbindende Schalter (Low (Potential) Side Schalter) als auch nach Batteriepotential verbindende Schalter (High (Potential) Side Schalter) gebräuchlich. Zum Betrieb von Lasten mit induktivem Impedanzanteil sind auch Freilaufdioden üblich. Ein Steuergerät ist dabei üblicherweise mittels elektrischer Leitungen sowohl mit Bezugspotential (im Fahrzeug häufig als Massepotential bezeichnet) als auch mit dem positiven Versorgungspotential (der positiven Batterieklemme) verbunden, wobei der stromführende Lastpfad über zumindest eine dieser Leitungen führt.
Bei dem in der 1 schematisch dargestellten Teil eines Steuergeräts 1 steuert ein über einen Regler 2 aus der Versorgungsspannung Vbat gespeister Mikrocontroller 3 über zwei Ausgänge OUT1, OUT2 einen High Side Schalter T1 und einen Low Side Schalter T5. Der erforderliche Pegelwandler zwischen dem Steuereingang des als NMOS-FET realisierten High Side Schalters T1 und dem ihm zugeordneten Ausgang OUT1 des Mikrocontrollers 3 ist nicht dargestellt. Der High Side Schalter T1 verbindet die masseseitige externe Last bestehend aus einer Induktivität L und dem Wicklungswiderstand R_L mit dem positiven Versorgungsspannungspotential Vbat+ der Fahrzeugbatterie. Beim Ausschalten entlädt sich die Induktivität L über die Freilaufdiode D1, wobei die Entladespannung auf > –1 V begrenzt wird. Der Low Side Schalter T5 verbindet die mit dem positiven Versorgungsspannungspotential Vbat+ verbundene externe resistive Last R mit dem Bezugspotential 0 des Steuergeräts 1.
Wird nun – etwa durch einen Leitungsbruch – die Verbindung der positiven Batterieklemme Vbat+ zum Steuergerät 1 unterbrochen, so verliert der Mikrocontroller 3 seine Versorgungsspannung VCC und die Ausgänge des Steuergerätes 1 schalten ab. Dies ist ein sicherer Zustand.
Wird jedoch die Bezugspotential-seitige Verbindungsleitung unterbrochen, kann es zu nicht kontrolliertem – und somit nicht akzeptabel unsicherem – Verhalten des Steuergerätes kommen. In 2 ist nun die Masseverbindung zwischen dem negativen Potential (Massepotential) Vbat– der Fahrzeugbatterie und dem Bezugspotentialanschluss A2 des Steuergeräts 1 unterbrochen (doppelt durchgestrichen). Aufgrund der Freilaufdiode D1 ergibt sich ein parasitärer Strompfad vom Bezugspotential des Steuergerätes 1 zum Massepotential der Versorgungsspannung über die Freilaufdiode D1, die Lastinduktivität L und den Wicklungswiderstand R_L. Bei geringem Strom liegt das Bezugspotential des Steuergerätes 1 nun ca. +0.7V über dem Massepotential der Versorgungsspannung Vbat+.
Wird nun aber der Low Side Schalter T5 (oder ein anderer, nicht dargestellter Low Side Schalter) betätigt, so ergibt sich ein Strompfad vom positiven Versorgungspotential Vbat+ über die resistive Last R, die Laststrecke des Low Side Schalters T5, die Diode D1, die induktive Last L und den Wicklungswiderstand R_L zum Massepotential der Versorgungsspannung Vbat+. Dabei wird das Bezugspotential 0 des Steuergerätes 1 einen Wert annehmen, der durch das Verhältnis der Widerstandswerte der resistiven Last R und des Wicklungswiderstands R_L bestimmt ist. Das Problem dabei ist, dass zum einen die verbleibende Spannung im Steuergerät 1 ausreicht, um den Mikrocontroller 3 weiterhin zu versorgen, zum anderen aber die resistive Last R ungewollt betätigt werden kann und darüber hinaus die Spannung am Wicklungswiderstand R_L nicht ausreicht, eine gewollte Betätigung der induktiven Last L, R_L zu bewirken. Wird nun – wie in Steuergeräten durchaus üblich – eine Vielzahl von Lasten zeitnah ein- und ausgeschaltet, so ist das gesamte Verhalten des Systems nicht mehr sicher beherrschbar.
Ein weiterer ungewollter Nebeneffekt dieser Situation ist, dass die Freilaufdiode D1 den gesamten Steuergerätestrom tragen muss. Da dieser durchaus 10 A bis 50 A betragen kann, ist im Fehlerfalle eine Zerstörung der Diode D1 durch thermische Überlastung gegeben.
Neben möglichen schaltungstechnischen Maßnahmen sind zwei – recht einfache – Lösungen dieses Problems bekannt. Zum einen kann die masseseitige Verbindung zum Steuergerät durch eine Mehrzahl an Verbindungsleitungen mit individuellen (Steck-)Verbindungen von der Versorgungsmasse zum Bezugspotential des Steuergerätes hergestellt werden. Dies reduziert die Wahrscheinlichkeit eines Leitungsfehlers ganz wesentlich, kann sie aber nicht vollständig ausschließen. Zum Anderen kann man entweder auf den gleichzeitigen Einsatz von High Side- und Low Side Schaltern oder von Freilaufdioden verzichten. Die erste Variante genügt oftmals den Sicherheitsanforderungen der Automobilhersteller und ist deshalb gebräuchlich, die zweite Variante ist oftmals aus funktionalen Gründen nicht umsetzbar.
Als schaltungstechnische Maßnahmen sind beispielsweise das Erkennen des Fehlerzustandes und Abschalten des Mikrocontrollers, bzw. das Trennen der Versorgungsspannung vorstellbar.
Fordert nun ein Automobilhersteller einen vollständigen Schutz beispielsweise aus Gründen der Produkthaftung bei gleichzeitiger Verwendung der o. g. Schalter- und Diodenkonfigurationen, so ist dies mit den o. g. einfachen Lösungsansätzen nicht zu bewerkstelligen.
Auch die DE 34 42 764 A1 beschreibt eine Schaltungsanordnung zum Schalten eines induktiven Verbrauchers, bei der jedoch der Schalter zwischen der induktiven Last und dem Bezugspotential angeordnet ist. Eine zwischen der induktiven Last und dem Bezugspotential verschaltete Serienschaltung aus einer Diode und einem Kondensator, wobei die Diode über einen ihr parallelgeschalteten Transistor überbrückt werden kann, dient als schneller Freilaufpfad, wobei die hierdurch im Kondensator gespeicherte Energie dazu dient, die induktive Last nach dem Abklingen des Freilaufstromes umgekehrt zu betreiben, um ein durch die induktive Last realisiertes Ventil schneller zu schließen. Da jedoch die induktive Last nicht direkt mit dem Bezugspotential verbunden ist, kann sich bei einer Unterbrechung der Bezugspotential-seitigen Verbindungsleitung kein Strompfad über diese Last und eine Freilaufdiode ergeben.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Lösung für das oben genannte Problem anzugeben.
Die Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung zum Schalten externer Lasten gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Bei einer gattungsgemäßen Schaltungsanordnung ist zwischen dem dritten und dem zweiten Anschluss, in Serie zu der ersten Diode, ein zweites steuerbares Schaltelement verschaltet, das durch eine Ausschaltverzögerungsschaltung, die mit ihrem Eingangsanschluss mit dem dritten Anschluss und mit ihrem Ausgangsanschluss mit dem Steueranschluss des zweiten Schaltelements verbunden ist, bei einem hohen Potential am dritten Anschluss eingeschaltet und bei einem niederen Potential am dritten Anschluss verzögert ausgeschaltet wird.
Wenn die Verzögerung so gewählt wird, dass beim Ausschalten des zweiten Schaltelements die in der induktiven Last gespeicherte magnetische Energie abgebaut ist, so kann die Verbindung der Freilaufdiode zum Bezugspotential problemlos getrennt und ein parasitärer Stromfluss über die Freilaufdiode verhindert werden.
In einer vorteilhaften, weil einfachen Ausbildung der Erfindung ist die Ausschaltverzögerungsschaltung der Schaltungsanordnung mit einem dritten steuerbaren Schaltelement gebildet, dessen erster Laststreckenanschluss über einen Spannungsteiler aus einem ersten und einem zweiten Widerstand mit dem ersten Anschluss, dessen zweiter Laststreckenanschluss mit dem zweiten Anschluss und dessen Steueranschluss über einen dritten Widerstand mit dem ersten Anschluss und über einen vierten Widerstand und eine zweite in Flussrichtung gepolte Diode mit dem dritten Anschluss verbunden ist. Sie weist ferner ein viertes steuerbares Schaltelement auf, dessen erster Laststreckenanschluss über einen fünften Widerstand mit dem ersten Anschluss, dessen zweiter Laststreckenanschluss mit dem zweiten Anschluss und dessen Steueranschluss mit dem Verbindungsknoten des ersten und des zweiten Widerstands verbunden ist, sowie einen Kondensator, der zwischen dem ersten Laststreckenanschluss und dem Steueranschluss des dritten Schaltelements verschaltet ist.
Hierdurch ist eine einfache Ausschaltverzögerungsschaltung realisiert, die auch in einer integrierten Schaltung implementiert werden kann.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe von Figuren näher erläutert werden. Dabei zeigen
1 eine Schaltungsanordnung zum Schalten von Lasten nach dem Stand der Technik,
2 die Schaltungsanordnung nach 1 mit durchtrenntem Masseanschluss,
3 eine Schaltungsanordnung mit einer erfindungsgemäßen Ausschaltverzögerungsschaltung, und
4 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit mehreren High Side Schaltern mit zugeordneten Freilaufdioden.
3 zeigt ein schematisch dargestelltes Steuergerät 1 mit einer erfindungsgemäßen Ausschaltverzögerungsschaltung 4. Dort bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Schaltungsteile wie in den 1 und 2. So ist auch dort zwischen dem ersten Anschluss A1 und dem dritten Anschluss A3 des Steuergeräts 1 ein erstes steuerbares Schaltelement T1 verschaltet, das im Ausführungsbeispiel als NMOS-Feldeffekttransistor ausgebildet ist. Zwischen dem dritten Anschluss A3 und dem zweiten Anschluss A2 des Steuergeräts 1 ist eine in Sperrrichtung gepolte erste (Freilauf-)Diode D1 verschaltet, die bei einer an das Steuergerät 1 bzw. die darin implementierte Schaltungsanordnung zum Ein- und Ausschalten externer Lasten angeschlossenen induktiven Last L, R_L ermöglicht, dass sich ein beim Betrieb der induktiven Last L, R_L aufgebautes Magnetfeld nach dem Abschalten der induktiven Last L, R_L wieder abbauen kann.
Um einen parasitären Stromfluss, wie er in 2 angedeutet und oben beschrieben ist, zu unterbinden, ist in erfindungsgemäßer Weise ein zweites steuerbares, im Ausführungsbeispiel ebenfalls als NMOS-Feldeffekttransistor ausgebildetes Schaltelement T2 vorgesehen, dass in Serie zur Diode D1 zwischen dem dritten Anschluss A3 und dem zweiten Anschluss A2 des Steuergeräts 1 angeordnet ist.
Das – aufgrund einer nicht dargestellten Substratdiode invers betriebene – zweite Schaltelement T2 ist im Normalbetrieb eingeschaltet, so dass die erste Diode D1 ihre Klemmfunktion im Freilauffalle ausüben kann. Dazu wird über eine zweite Diode D2 und einen vierten Widerstand R4 das Potential am dritten Anschluss A3 (Source von T1) mit Bezug auf das Bezugspotential 0 des Steuergerätes 1 erfasst. Solange dieses Ausgangspotential positiv ist, wird ein drittes, im dargestellten Ausführungsbeispiel als npn-Bipolartransistor ausgebildetes Schaltelement T3 über einen mit dem positiven Versorgungspotential Vbat+ verbundenen Widerstand R3 eingeschaltet. Entsprechend wird ein – als Stromquelle beschaltetes, als pnp-Bipolartransistor ausgebildetes viertes Schaltelement T4 über als Spannungsteiler fungierende erste und zweite Widerstände R1 und R2, die den Kollektor des dritten Schaltelements T3 mit dem positiven Versorgungspotential Vbat+ verbinden, ebenfalls eingeschaltet. Dadurch erhält das zweite Schaltelement T2 positives Gatepotential und schaltet ein.
Schaltet das erste Schaltelement T1 nun aus, so entlädt sich die induktive Last L über die erste Diode D1 und das zweite Schaltelement T2, wobei das Ausgangspotential auf ca. –1 V absinkt. Durch die zweite Diode D2 und den Spannungsteiler R1, R2 wird das Basispotential des dritten Schaltelements T3 ebenfalls abgesenkt und – abhängig vom gewählten Spannungsteilerverhältnis – kann das dritte Schaltelement T3 stromlos werden, was aber durch einen Kondensator C1, der zwischen dem Basis- und dem Kollektoranschluss des dritten Schaltelements T3 angeordnet ist, für eine durch die Wahl der Werte für den Kondensator C1 und den vierten Widerstand R4 vorgebbare Zeitdauer verhindert wird. Dabei ist es sinnvoll, diese Zeitdauer etwas länger zu wählen, als die maximale Freilaufdauer der induktiven Last L, R_L. Dadurch bleiben das dritte Schaltelement T3 – und entsprechend auch das vierte Schaltelement T4 – während der Freilaufphase eingeschaltet.
Im Fehlerfalle hat jedoch die Ausgangsspannung statisch negatives Potential. Entsprechend wird – nach Ablauf der o. g. Zeitdauer – das dritte Schaltelement T3 ausgeschaltet, woraufhin das vierte Schaltelement T4 ebenfalls stromlos wird und ein zwischen dem Gate- und dem Source-Anschluss des zweiten Schaltelements T2 verschalteter sechster Widerstand R6 das Gate-Source Potential des zweiten Schaltelements T2 reduziert und dieses abschaltet. Dadurch ist der o. g. parasitäre Strompfad sicher unterbrochen und ein unkontrolliertes Fehlverhalten des Steuergerätes 1 wird verhindert.
Auch kann der Mikrocontroller 3 das Kollektorpotential des dritten Schaltelements T3 überwachen und so recht einfach den Fehlerfall erkennen und geeignete Maßnahmen ergreifen; z. B. abschalten.
Da in der Regel in einem Steuergerät mehrere Ausgänge mit Freilaufdioden verwendet werden, kann die Schaltung durch Hinzufügen weiterer zweiter Dioden D2a, D2b ... sehr einfach auf beliebig viele Ausgänge erweitert werden, was in 4 angedeutet ist. Zur Platzeinsparung können diese Dioden D2a, D2b ... auch als Mehrfachdioden in einem Gehäuse mit gemeinsamem Anodenanschluss ausgeführt sein.
Durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit der Ausschaltverzögerungsschaltung wird im Fehlerfalle der parasitäre Strompfad durch die Freilaufdiode D1 erkannt und unterbrochen. Dies geschieht, ohne die Funktionalität der Freilaufdiode zu beeinträchtigen. Das Eintreten des Fehlerfalls ist durch Beobachten des Pegels am Kollektor des dritten Schaltelements einfach zu erkennen, so dass der Mikrocontroller in geeigneter Weise reagieren kann. Bei Verpolung der Versorgungsspannung (verkehrter Anschluss der Batterie) verhindert die Schutzschaltung einen parasitären Strompfad, der dann durch die Substratdiode des ersten Schaltelements T1 und die Freilaufdiode D1 gegeben ist. Unter günstigen Voraussetzungen kann deshalb eine ansonsten erforderliche Verpolschutzschaltung für das Steuergerät entfallen, was wiederum Kosten spart.
Die Schaltung ist einfach und kostengünstig mit Standard-Bauelementen herstellbar. Das zweite Schaltelement und erste Diode müssen nicht den Maximalstrom im Fehlerfall tragen, sondern nur den Nominalstrom. Sie können entsprechend kostengünstig dimensioniert werden. Eine Erweiterung der Schaltung auf mehrere Ausgänge ist sehr einfach und kostengünstig herstellbar.

Claims

Schaltungsanordnung mit einem ersten Anschluss (A1) für ein positives Versorgungspotential (Vbat+), mit einem zweiten Anschluss (A2) für ein Bezugspotential (0), mit einem dritten Anschluss (A3) zum Anschließen einer induktiven Last (L), mit einem zwischen dem ersten und dem dritten Anschluss (A1, A3) verschalteten ersten steuerbaren Schaltelement (T1), und mit einer zwischen dem dritten und dem zweiten Anschluss (A3, A2) in Sperrrichtung verschalteten ersten Diode (D1), gekennzeichnet durch ein zwischen dem dritten und dem zweiten Anschluss (A3, A2), in Serie zu der ersten Diode (D1) verschaltetes, zweites steuerbares Schaltelement (T2), und eine Ausschaltverzögerungsschaltung (4), die mit ihrem Eingangsanschluss mit dem dritten Anschluss (A3) und mit ihrem Ausgangsanschluss mit dem Steueranschluss des zweiten Schaltelements (T2) verbunden ist und die bei einem hohen Potential am dritten Anschluss (A3) das zweite Schaltelement (T2) einschaltet und bei einem niederen Potential am dritten Anschluss (A3) das zweite Schaltelement (T2) verzögert ausschaltet.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausschaltverzögerungsschaltung (4) gebildet ist mit: einem dritten steuerbaren Schaltelement (T3), dessen erster Laststreckenanschluss über einen Spannungsteiler aus einem ersten und einem zweiten Widerstand (R1, R2) mit dem ersten Anschluss (A1), dessen zweiter Laststreckenanschluss mit dem zweiten Anschluss (A2) und dessen Steueranschluss über einen dritten Widerstand (R3) mit dem ersten Anschluss (A1) und über einen vierten Widerstand (R4) und eine zweite in Flussrichtung gepolte Diode (D2) mit dem dritten Anschluss (A3) verbunden ist, einem vierten steuerbaren Schaltelement (T4), dessen erster Laststreckenanschluss über einen fünften Widerstand (R5) mit dem ersten Anschluss (A1), dessen zweiter Laststreckenanschluss mit dem zweiten Anschluss (A2) und dessen Steueranschluss mit dem Verbindungsknoten des ersten und des zweiten Widerstands (R1, R2) verbunden ist, und einem Kondensator (C1), der zwischen dem ersten Laststreckenanschluss und dem Steueranschluss des dritten Schaltelements (T3) verschaltet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch zumindest ein fünftes steuerbares Schaltelement (T5), das zwischen dem zweiten Anschluss (A2) und einem vierten Anschluss (A4) zum Anschließen einer mit dem positiven Versorgungspotential (Vbat+) verbundenen Last (R) verschaltet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste, zweite und fünfte Schaltelement (T1, T2, T5) mit MOS-Transistoren gebildet sind.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Schaltelement (T3) ein npn- und das vierte Schaltelement (T4) ein pnp-Bipolar-Transistor ist.