DE102014113715A1

DE102014113715A1 - Eine Schutzschaltung für den Schutz elektronischer Steuerungen vor transienten Automobil-Überspannungsimpulsen

Info

Publication number: DE102014113715A1
Application number: DE102014113715.9A
Authority: DE
Inventors: Govindarajan Sivakumar
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Visteon Global Technologies Inc
Priority date: 2013-10-01
Filing date: 2014-09-23
Publication date: 2015-04-02
Also published as: IN2013KO01132A; JP6103719B2; JP2015071409A; US20150092312A1

Abstract

Die Erfindung offenbart eine Schutzschaltung zum Schutz einer elektronischen Steuerung (Electronic Control Unit, ECU) vor transienten Automobil-Überspannungsimpulsen. Die Schaltung umfasst eine Eingangsklemme für die Aufnahme der Eingangsspannung, eine Ausgangsklemme für die Ausgabe der Ausgangsspannung, einen Transistor mit einer vordefinierten Schwellenspannung, der über eine Last von der Eingangsklemme zur Ausgangsklemme in Reihe geschaltet ist, eine TVS(Transient Voltage Suppressor)-Diode mit einer vordefinierten Durchbruchspannung, die zur Last in Reihe geschaltet ist, um die an der Last anliegende Spannung auf einen risikoärmeren Wirkungsbereich zu begrenzen, wobei unter normalen Bedingungen der Strom durch den Transistor fließt und der Transistor im Fall eines transienten Automobil-Überspannungsimpulses über der vordefinierten Abschalt-Schwellenspannung des in Reihe geschalteten Transistors in den Abschaltmodus wechselt und der Strom durch die TVS-Diode Fließt, was die Ausgangsspannung um den Betrag der vordefinierten Durchbruchspannung reduziert.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für den Schutz einer elektronischen Steuerung (Electronic Control Unit, ECU) vor transienten Automobil-Überspannungsimpulsen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Nutzung von TVS(Transient Voltage Suppressor)-Dioden für den Überspannungsschutz.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Der Schutz von ECUs vor transienten Überspannungsimpulsen (siehe 1) ist ein stetiges Problem in der Automobilindustrie. Wenn Überspannungsimpulse nicht ordnungsgemäß behandelt werden, kann dies ECUs beschädigen. Die herkömmlichen Verfahren des Überspannungsschutzes von ECUs sind entweder unwirksam oder kostspielig.
Bei einem herkömmlichen Verfahren dienen TVS(Transient Voltage Suppressor)-Dioden oder TAT(Transient Absorption Zener)-Dioden zum Ableiten (siehe 2a) der Energie zur Masse, wobei sie absorbiert und in Wärme umgewandelt wird. Dies erfordert eine starke TVS-Diode, die kostspielig ist, Implementierungsprobleme, z. B. Verpolschutz, aufweist und zur Wärmeableitung eine größere Kupferbeschichtung auf der Platine erfordert.
In einem weiteren herkömmlichen Verfahren werden die Überspannungsimpulse mit einem aktiven Schalter vom System getrennt (siehe 2b). Bei diesem Verfahren wird die Stromversorgung der ECU, sofern in Stromleitungen implementiert, getrennt. Dadurch wird die Funktionalität der ECU unterbrochen, es sei denn, sie wird durch einen Kondensator mit hoher Kapazität unterstützt. Dies ist jedoch in den meisten Fällen nicht durchführbar. Dieses Verfahren weist beschränkte Anwendungsmöglichkeiten auf.
Bei einem weiteren herkömmlichen Verfahren werden die Überspannungsimpulse mithilfe separater Schaltungen wie Bipolartransistoren (Bi-Polar Junction Transistors, BJTs) oder Feldeffektivtransistoren (Field Effect Transistors, FETs) im Linearmodus gesteuert, und die Energie wird im Gerät in Wärme umgewandelt (siehe 2b). Dieses Verfahren erfordert separate Vorrichtungen mit hoher Leistung zum Behandeln der Energie, und dies ist mit hohen Kosten verbunden.
Die obigen Betrachtungen machen deutlich, dass ein verbessertes Verfahren zum Schutz der ECU vor transienten Automobil-Überspannungsimpulsen benötigt wird, das die oben erwähnten Probleme löst.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen eines verbesserten Verfahrens zum Schutz der ECU vor transienten Automobil-Überspannungsimpulsen unter Verwendung von TVS-Dioden geringer Leistung.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen eines verbesserten Verfahrens zum Schutz der ECU vor transienten Automobil-Überspannungsimpulsen, das im Unterschied zu herkömmlichen Verfahren die Nutzung eines BJT/FET mit geringer Durchbruchspannung ermöglicht.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen eines verbesserten Verfahrens zum Schutz der ECU vor transienten Automobil-Überspannungsimpulsen, das kostengünstig ist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen eines verbesserten Verfahrens zum Schutz der ECU vor transienten Automobil-Überspannungsimpulsen, das die Unterbrechung der ECU-Funktionalität verhindert.
Um die oben genannten Aufgaben zu erfüllen, offenbart die vorliegende Erfindung eine Schutzschaltung zum Schutz der elektronischen Steuerung (Electronic Control Unit, ECU) vor transienten Automobil-Überspannungsimpulsen. Die Schaltung umfasst eine Eingangsklemme für die Aufnahme einer Eingangsspannung, eine Ausgangsklemme für die Ausgabe einer Ausgangsspannung, einen Transistor mit einer vordefinierten Schwellenspannung, der durch den Regelkreis gesteuert wird und über eine Last von der Eingangsklemme zur Ausgangsklemme in Reihe geschaltet ist, eine TVS(Transient Voltage Suppressor)-Diode mit einer vordefinierten Durchbruchspannung, die zur Last in Reihe geschaltet ist, um die an der Last anliegende Spannung auf einen risikoärmeren Wirkungsbereich zu begrenzen, wobei unter normalen Bedingungen der Strom durch den Transistor fließt und der Transistor im Fall eines transienten Automobil-Überspannungsimpulses über der vordefinierten Schwellenspannung in den Abschaltmodus wechselt und der Strom durch die TVS-Diode fließt, was die Ausgangsspannung um den Betrag der vordefinierten Durchbruchspannung verringert.
In einer Ausführungsform umfasst die Schutzschaltung einen Eingangskondensator von relativ geringer Größe, der die Leistung für einen Eingangsspannungsbereich zwischen der vordefinierten Schwellenspannung zum Trennen des in Reihe geschalteten Transistors und der vordefinierten Durchbruchspannung der TVS-Diode zum Verhindern einer Unterbrechung der ECU-Funktionalität bereitstellt.
In einer Ausführungsform wirkt die Last als Serienimpedanz auf die TVS-Diode, indem sie den Strom begrenzt und dadurch eine Reduzierung der Verlustleistung in der TVS-Diode sicherstellt.
In einer Ausführungsform kann der Transistor ein BJT mit geringer Durchbruchspannung oder ein FET mit geringer Durchbruchspannung sein. Außerdem kann es sich bei der TVS-Diode um eine TVS-Diode geringer Leistung handeln.
Es versteht sich, dass sowohl die vorangehende allgemeine Beschreibung als auch die folgende ausführliche Beschreibung der vorliegenden Ausführungsformen der Erfindung eine Übersicht oder einen Rahmen für das Verständnis von Art und Wesen der Erfindung bieten sollen, auf die Anspruch erhoben wird. Die beigefügten Zeichnungen sollen das Verständnis der Erfindung vertiefen. Sie sind in diese Spezifikation integriert und stellen einen Teil von ihr dar. Die Zeichnungen zeigen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung und erläutern zusammen mit der Beschreibung die Prinzipien und Funktionsweise der Erfindung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Durch Bezugnahme auf die in den beigefügten Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispiele der Erfindung werden die oben genannten Merkmale und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung besser verständlich und deutlicher erkennbar, wobei
1 einen typischen transienten Automobil-Überspannungsimpuls zeigt;
2 das herkömmliche Verfahren zum Schutz vor transienten Automobil-Überspannungsimpulsen als Stand der Technik zeigt;
3 ein Verfahren zum Schutz der ECU vor transienten Automobil-Überspannungsimpulsen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch darstellt;
4 und 5 zwei exemplarische ECUs mit einer TVS(Transient Voltage Suppressor)-Diode geringer Leistung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen;
6 den Betrieb eines ECU-Kreises unter normalen und Überspannungsbedingungen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
7 Eingangsspannung und Ausgangsspannung während des Schutzes durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Nachfolgend wird auf die in den beigefügten Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispiele der Erfindung Bezug genommen. Wann immer möglich werden für gleiche oder ähnliche Teile die gleichen Bezugszeichen benutzt.
Dabei wird ein Verfahren zum Schutz der ECU vor transienten Automobil-Überspannungsimpulsen offenbart. 3 ist die schematische Darstellung einer solchen Schaltung und eines solchen Verfahrens zum Schutz der ECU vor transienten Automobil-Überspannungsimpulsen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die Schaltung wurde auf besondere Weise als Kombination von aktivem Schutz (Abschaltung) und TVS-Diode geringer Leistung zum Behandeln der Energie ohne Unterbrechung der ECU konzipiert. TVS-Dioden werden im Allgemeinen parallel zum Lastkreis/nachgeschalteten Kreis benutzt, um transiente Überspannungen nach Masse abzuleiten. In der vorliegenden Erfindung ist die TVS-Diode (304) während transienter Überspannungsimpulse (302) in Reihe zur Last (310) geschaltet, um die an der Last anliegende Spannung auf einen risikoärmeren Wirkungsbereich zu begrenzen. Ein BJT/FET (306) und eine Steuerung (308) können ebenfalls mit der Last in Reihe geschaltet werden. Die Schaltung umfasst außerdem einen Eingangskondensator von relativ geringer Größe, der die Leistung für einen Eingangsspannungsbereich zwischen der vordefinierten Schwellenspannung zum Trennen des in Reihe geschalteten Transistors und der vordefinierten Durchbruchspannung der TVS-Diode zum Verhindern einer Unterbrechung der ECU-Funktionalität bereitstellt. 4 und 5 zeigen zwei exemplarische Schaltungen mit einer TVS(Transient Voltage Suppressor)-Diode geringer Leistung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 zeigt den Betrieb eines ECU-Kreises unter normalen und Transienten-Bedingungen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Q101 ist ein gesättigter Schalter unter normalen Bedingungen, der stetige Leistung zum Lastkreis/nachgeschalteten Kreis liefert. Z101 ist unter normalen Bedingungen nichtleitend. Q101 wechselt während eines transienten Überspannungsimpulses in den Abschaltmodus. Die Abschalt-Schwellenspannung wird von Z101 eingestellt. In einem Ausführungsbeispiel kann die Schwellenspannung 39 V betragen. Dies begrenzt die Gate-Source-Spannung von Q101 nach Q102. Z101 beginnt zu leiten, wenn die transiente Überspannung über der Durchbruchspannung (Vz) liegt, die eine begrenzte Spannung an den Lastkreis/nachgeschalteten Kreis liefert. Spannung am nachgeschalteten Kreis = Vin – Vz
Beispiel: Bei einer Durchbruchspannung von 56 V und einer transienten Überspannung von 100 V ist Vout = 100 – 56 = 44 V.
Zwischen 39 V und 56 V (Totzone) versorgt der Eingangskondensator während der Totzone den Lastkreis/nachgeschalteten Kreis. Dies verhindert ein MCU-Reset und schützt somit den Inhalt des Arbeitsspeichers.
Da der nachgeschaltete Kreis als Last an der TVS-Diode fungiert, was eine hohe Impedanz für die TVS-Diode bedeutet, wird durch das Verringern der Größe der Komponente die Verlustleistung der TVS-Diode drastisch reduziert.
Dies ist die beste Lösung zum Begrenzen eines Load Dump der Kategorie IV mit extremer Energie. Dies kann auch zum Begrenzen von transienten Überspannungen mittlerer Energie mit Hilfe von Z-Dioden anstelle von TVS-Dioden in der vorliegenden Erfindung benutzt werden. Diese Lösung kann im typischen Automobil-Temperaturbereich (–40°C bis 125°C) benutzt werden.
In der vorliegenden Erfindung werden eine TVS-Diode und ein BJT/FES benutzt, deren Leistung bzw. Durchbruchspannung niedriger als in den herkömmlichen Verfahren ist. Außerdem bietet die vorliegende Erfindung eine im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren kostengünstige Lösung. Zudem kann mit kleineren Kondensatoren die Unterbrechung der ECU-Funktionalität vermieden werden.
Es versteht sich für den Durchschnittsfachmann, dass verschiedene Änderungen und Variationen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang und Sinn der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Daher ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung solche Änderungen und Variationen abdeckt, solange sie im Bereich der angefügten Ansprüche und ihrer Entsprechungen liegen.

Claims

Schutzschaltung zum Schutz einer elektronischen Steuerung (Electronic Control Unit, ECU) vor transienten Automobil-Überspannungsimpulsen, die Folgendes umfasst: eine TVS(Transient Voltage Suppressor)-Diode geringer Leistung mit einer vordefinierten Durchbruchspannung, die mit der Last in Reihe geschaltet ist, um die auf die Last angewendete Spannung auf einen risikoärmeren Wirkungsbereich zu begrenzen, wobei unter normalen Bedingungen der Strom durch den in Reihe geschalteten Transistor fließt, der in Reihe geschaltete Transistor im Falle eines transienten Automobil-Überspannungsimpulses über der vordefinierten Schwellenspannung in den Abschaltmodus wechselt und der Strom durch die TVS-Diode fließt, wodurch die Ausgangsspannung um den Betrag der vordefinierten Durchbruchspannung der TVS-Diode verringert wird. Die Last wirkt als Strom begrenzende Impedanz auf die TVS-Diode und reduziert dadurch deren Verlustleistung.
Schutzschaltung nach Anspruch 1, die einen Eingangskondensator von relativ geringer Größe umfasst, der die Leistung für einen Eingangsspannungsbereich zwischen der vordefinierten Schwellenspannung zum Abschalten des in Reihe geschalteten Transistors und der vordefinierten Durchbruchspannung der TVS-Diode zum Verhindern einer Unterbrechung/eines Reset der ECU-Funktionalität bereitstellt.
Schutzschaltung nach Anspruch 1, wobei der in Reihe geschaltete Transistor einen FET mit niedriger Durchbruchspannung oder einen BJT mit niedriger Durchbruchspannung umfasst.
Schutzschaltung nach Anspruch 1, wobei die TVS-Diode eine TVS-Diode geringer Leistung umfasst.
Schutzschaltung gemäß Anspruch 1, wobei die Last als Serienimpedanz auf die TVS-Diode wirkt, indem sie den Strom begrenzt und dadurch eine Reduzierung der Verlustleistung in der TVS-Diode sicherstellt.