-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Versorgen einer elektrischen Komponente mit einer Spannung.
-
Stand der Technik
-
In der Elektrotechnik können Schaltungsanordnungen zum Begrenzen einer maximalen Spannung an diversen Komponenten oder Steuergeräten verwendet werden. Es handelt sich hierbei um sog. Firewall-Schaltungen. Oftmals bieten diese Schaltungsanordnungen auch einen Verpolungsschutz, um Schäden an den Komponenten bzw. Steuergeräten im Falle einer Verpolung zu verhindern. Solche Schaltungsanordnungen können bspw. im Kraftfahrzeugbereich verwendet werden, um Steuergeräte zu schützen.
-
Eine solche Schaltungsanordnung ist bspw. aus der
DE 10 2009 029 514 A1 bekannt. Hier werden zwei MOSFETs antiseriell geschaltet, wobei einer dieser MOSFETs mittels eines Komparators durch Vergleich mit einer Schwellenspannung ein- bzw. ausgeschaltet werden kann, um eine Überspannung zu verhindern. Der andere MOSFET kann im Falle einer Verpolung gesperrt werden.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Erfindungsgemäß wird eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
-
Vorteile der Erfindung
-
Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung dient zum Versorgen einer elektrischen Komponente mit einer Ausgangsspannung. Bei einer solchen elektrischen Komponente kann es sich bspw. um eine Recheneinheit, insbesondere um ein Steuergerät, handeln, wie sie bspw. in der Kraftfahrzeugtechnik oder der Luftfahrttechnik bzw. Avionik verwendet wird. Hierzu weist die Schaltungsanordnung einen Eingangsanschluss zum Empfangen einer Eingangsspannung, einen Ausgangsanschluss zum Ausgeben der Ausgangsspannung und eine zwischen dem Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss angeordnete erste Schaltereinheit auf. Bei der ersten Schaltereinheit kann es sich insbesondere um ein oder mehrere Transistoren und/oder ein oder mehrere Relais handeln. Als Transistoren kommen wiederum insbesondere MOSFETs, IGBTs oder dergleichen in Frage. Die Schaltungsanordnung ist dazu eingerichtet, die Ausgangsspannung auf einen vorbestimmten Wert zu begrenzen, wobei weiterhin eine parallel zur ersten Schaltereinheit angeordnete Strombegrenzungseinheit vorgesehen ist. Zweckmäßigerweise kann die Strombegrenzungseinheit auch zu- und/oder wegschaltbar sein. Insbesondere dient die Strombegrenzungseinheit zur Einschaltstrombegrenzung.
-
Im Vergleich zu einer herkömmlichen Schaltungsanordnung zum Versorgen einer elektrischen Komponente, wie sie bspw. eingangs erwähnt wurde, ist mit der vorgeschlagenen Schaltungsanordnung nicht nur eine Spannungsbegrenzung, bspw. im Falle eines sog. Load-Dumps nach einem Lastabwurf, sondern zusätzlich auch eine Strombegrenzung möglich. Hohe Ströme treten dabei bspw. im Falle des Ansteuerns eines Steuergeräts beim Einschalten der Zündung in einem Kraft- oder Luftfahrzeug auf, da in der Regel zunächst verschiedene kapazitive Lasten, die das Steuergerät aufweist, geladen werden müssen. Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung ermöglicht es nun, durch geeignete Schaltung der Strombegrenzungseinheit und der ersten Schaltereinheit zunächst eine gezielte Vorladung dieser kapazitiven Lasten mit begrenztem Strom vorzunehmen, bevor die Versorgungsspannung angelegt wird. Die Versorgungsspannung kann zudem auf einen geeigneten Wert begrenzt werden, um Schäden aufgrund von Überspannung zu verhindern. Von besonderer Bedeutung ist diese Strombegrenzung bspw. in der Luftfahrt, in welcher bspw. gemäß der DO-160 für Steuergeräte begrenzte Einschaltströme vorgegeben sind. Zudem könnten durch zu hohe Ströme MOSFETs oder andere Transistoren, die für die Schaltereinheit verwendet werden, beschädigt werden, was durch die vorgeschlagene Schaltungsanordnung vermieden werden kann.
-
Vorzugsweise ist die Schaltungsanordnung dazu eingerichtet, die Eingangsspannung zuerst über die Strombegrenzungseinheit an den Ausgangsanschluss zu führen, wobei die erste Schaltereinheit geöffnet ist, und eine vorbestimmte Zeitdauer später die erste Schaltereinheit (110) zu schließen. Dazu kann auch vorgesehen sein, am Ausgangsanschluss erst mit einem Einschaltsignal eine Spannung auszugeben. Bei einem solchen Einschaltsignal kann es sich bspw. um ein Zündsignal handeln. Für ein solches automatisches Schließen mit einer zeitlichen Verzögerung können insbesondere ein oder auch mehrere Verzögerungsglieder vorgesehen sein. Bspw. kann es sich bei einem solchen Verzögerungsglied um ein RC-Glied handeln, welches auf eine geeignete Zeitdauer zur Verzögerung abgestimmt ist. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass zunächst nur durch die Strombegrenzungseinheit, d.h. mit begrenztem Strom, die kapazitiven Lasten vorgeladen werden und erst danach, d.h. nachdem die kapazitivem Lasten hinreichend geladen sind, die Versorgungsspannung angelegt wird. Zu hohe Einschaltströme werden so einfach und effektiv vermieden. Zudem kann auf diese Weise sichergestellt werden, dass auch im Falle eines Defekts der Strombegrenzungseinheit die Spannung an der elektrischen Komponente angelegt wird.
-
Vorteilhafterweise ist die Schaltungsanordnung dazu eingerichtet, die Strombegrenzungseinheit mit dem Schließen der ersten Schaltereinheit oder eine vorbestimmte zweite Zeitdauer davor oder danach wegzuschalten. Für ein solches automatisches Wegschalten mit einer zeitlichen Verzögerung können insbesondere ein oder auch mehrere Verzögerungsglieder vorgesehen sein. Bspw. kann es sich bei einem solchen Verzögerungsglied um ein RC-Glied handeln, welches auf eine geeignete Zeitdauer zur Verzögerung abgestimmt ist. Auf diese Weise wird die Strombegrenzungseinheit nur zum Vorladen beim Einschalten verwendet und beeinflusst die elektrische Komponente im regulären Betrieb nicht.
-
Es ist von Vorteil, wenn zur zeitlichen Verzögerung des Wegschaltens der Strombegrenzungseinheit und zur zeitlichen Verzögerung des Schließens der ersten Schaltereinheit dasselbe wenigstens eine Verzögerungsglied vorgesehen ist. Zum einen kann auf diese Weise sehr einfach eine geeignete zeitliche Abstimmung der beiden Vorgänge aufeinander erreicht werden. Zum anderen ist damit der Aufbau der Schaltungsanordnung sehr einfach. Es versteht sich, dass, je nach Bedarf, auch verschiedene Verzögerungsglieder verwendet werden können, um bspw. verschiedene zeitliche Verzögerungen zu erreichen.
-
Vorzugsweise weist die Strombegrenzungseinheit einen strombegrenzten Gleichspannungswandler auf. Ein strombegrenzter Gleichspannungswandler, z.B. mit Cycle-by-Cycle-Strombegrenzung, weist einen begrenzten Ausgabestrom auf, dessen Höhe vorteilhafterweise extern einstellbar ist und der sich somit für zahlreiche Anwendungszwecke eignet. Weiterhin ist ein Gleichspannungswandler oftmals in einer Steuereinheit vorhanden, welche bspw. auch für die Ansteuerung bzw. das Schließen und Öffnen der Schaltereinheit verwendet wird.
-
Vorteilhafterweise ist zur Begrenzung der Ausgangsspannung auf den vorbestimmten Wert, ein Zweipunktregler, bspw. in Form eines Komparators, vorgesehen, mittels welchem die erste Schaltereinheit geschlossen und geöffnet werden kann. Hierzu kann bspw. nach der ersten Schaltereinheit und vor der elektrischen Komponente eine Spannung gemessen werden, welche als Schwellenspannung zum Öffnen der ersten Schaltereinheit dient. Zum Schließen kann eine weitere, etwas geringere Schwellenspannung vorgesehen sein. Dies stellt eine sehr einfache Möglichkeit zur Begrenzung der Spannung dar.
-
Es ist von Vorteil, wenn weiterhin eine zur ersten Schaltereinheit, insbesondere mit ein oder mehreren Transistoren und/oder ein oder mehreren Relais mit entgegengesetzter Polung in Reihe geschaltete zweite Schaltereinheit vorgesehen ist, wobei die Schaltungsanordnung dazu eingerichtet ist, die zweite Schaltereinheit im Falle einer Verpolung beim Anschluss der Eingangsspannung an die Schaltungsanordnung zu öffnen. Als Transistoren kommen wiederum insbesondere MOSFETs, IGBTs oder dergleichen in Frage. Entgegengesetzte Polung bedeutet hier, dass bspw. im Falle eines MOSFETs bei der ersten und eines MOSFETs bei der zweiten Schaltereinheit die beiden Drain-Anschlüsse der MOSFETs miteinander verbunden sind. Eine Logik zur Erkennung einer Verpolung kann bspw. in der bereits erwähnten Steuereinheit, welche auch zu Ansteuerung der zweiten Schaltereinheit verwendet werden kann, integriert sein. Auf diese Weise wird ein erhöhter Schutz der elektrischen Komponente erreicht.
-
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
-
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einer bevorzugten Ausführungsform.
-
Ausführungsform(en) der Erfindung
-
In 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 100 in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Über einen Eingangsanschluss 101 kann eine Eingangsspannung V+, bspw. eine Versorgungsspannung, die von einer Batterie oder einem Bordnetz bereitgestellt wird, an die Schaltungsanordnung 100 angeschlossen sein. Über einen Ausgangsanschluss 102 kann eine elektrische Komponente 200, bspw. ein Steuergerät, an die Schaltungsanordnung 100 angeschlossen sein. Am Ausgangsanschluss 102 wird dabei die Ausgangsspannung V' bereitgestellt.
-
Die Schaltungsanordnung 100 weist eine erste Schaltereinheit 110 auf, welche vorliegend als n-Kanal-MOSFET ausgebildet ist, auf. Zu der ersten Schaltereinheit 110 ist eine zweite Schaltereinheit 120, welche vorliegend ebenfalls als n-Kanal-MOSFET ausgebildet ist, in Reihe geschaltet. Dabei sind die beiden MOSFETs mit entgegengesetzter Polung (antiseriell) verschaltet, d.h. es sind bspw. die Drain-Anschlüsse der beiden MOSFETs miteinander verbunden. Zu jedem der beiden MOSFETs ist die jeweils zugehörige Body-Diode dargestellt.
-
Die erste und/oder die zweite Schaltereinheit können jeweils jedoch auch mehr als einen MOSFET, bspw. jeweils zwei MOSFETs aufweisen, wodurch ein höherer Stromfluss ermöglicht werden kann.
-
Über die erste Schaltereinheit 110 und die zweite Schaltereinheit 120 kann somit – bei geeigneter Schaltung der beiden Schaltereinheiten – die Eingangsspannung V+ abzüglich der über die jeweiligen Body-Dioden abfallende Spannung, an das Steuergerät 200 angelegt werden. Zwischen der ersten Schaltereinheit 110 und dem Ausgangsanschluss 102 ist beispielhaft noch ein PI-Filter mit einer Spule und zwei Kondensatoren vorgesehen. Damit können bspw. EMV-Störungen reduziert werden.
-
Parallel zur ersten Schaltereinheit 110 ist eine Strombegrenzungseinheit 130 angeordnet, bei welcher es sich vorliegend um einen strombegrenzten Gleichspannungswandler bzw. einen DC/DC-Wandler handelt. Es kann hier bspw. ein Gleichspannungswandler mit integrierter Strombegrenzung verwendet werden, bspw. einer sog. Cycle-by-Cycle-Strombegrenzung. Hier wird der Strom durch den Gleichspannungswandler gemessen bzw. anhand anderer Parameter berechnet und ein seriell geschalteter MOSFET abgeschaltet, sobald der Strom die definierte Schwelle übersteigt.
-
Zwischen der ersten Schaltereinheit 110 und der zweiten Schaltereinheit 120 ist beispielhaft eine optionale Diode 170 vorgesehen, welche bspw. zur Begrenzung der an der ersten Schaltereinheit anliegenden Zwischenspannung verwendet werden kann, um eine Verlustleistung der ersten Schaltereinheit zu reduzieren.
-
Weiterhin ist ein Zündschalter 150 gezeigt, welcher ein Einschaltsignal an eine Steuereinheit 140 gibt. Bei dem Zündschalter kann es sich um bspw. um einen entsprechenden Schalter eines Kraftfahrzeugs handelt, der bei geeigneter Stellung eines Zündschlüssels betätigt wird und in der Regel während des Betriebs auch bleibt. Ein solches Einschaltsignal, mit dem eine Versorgung des Steuergeräts 200 mit Spannung angestoßen werden soll, kann jedoch bspw. auch über ein Bordnetz der Steuereinheit 140 zur Verfügung gestellt werden.
-
Die Steuereinheit 140 kann nun mit Erhalt des Einschaltsignals die zweite Schaltereinheit 120 schließen, so dass die Eingangsspannung V+ an der ersten Schaltereinheit 110 und der Strombegrenzungseinheit 130 anliegt.
-
Die Steuereinheit 140 ist zudem dazu eingerichtet sein, im Falle einer Verpolung, d.h. einer am Anschluss 101 angeschlossenen falschen Polarität, die zweite Schaltereinheit 120 zu öffnen oder mit dem Einschaltsignal erst gar nicht zu öffnen. Hierzu kann die Steuereinheit 140 bspw. an den Anschluss 101 angebunden sein, um die Polarität zu ermitteln.
-
Weiterhin wird das Einschaltsignal an eine Logikschaltung 135 gegeben, mittels welcher die Strombegrenzungseinheit 130 zu- bzw. weggeschaltet werden kann. Hierzu weist die Logikschaltung 135 einen weiteren Eingang auf, auf welchen ein Signal der Steuereinheit 140 gegeben wird, nachdem es ein Verzögerungsglied 145, bspw. ein RC-Glied, durchlaufen hat. Die Logikschaltung 135 arbeitet hier als sog. Inhibitor, d.h. der Eingang mit dem Signal des Verzögerungsglieds 145 ist invertiert.
-
Dies bedeutet, dass, solange das Einschaltsignal vorhanden ist und das Signal nach dem Verzögerungsglied 145 noch nicht einen bestimmten Wert erreicht hat, die Strombegrenzungseinheit 130 zugeschaltet wird.
-
Weiterhin wird auch die erste Schaltereinheit 110 durch die Steuereinheit 140 angesteuert bzw. kann damit geschlossen werden. Dies kann bspw. über Anlegen einer Spannung am Gate des MOSFETs erfolgen. Hierzu wird ebenfalls das Signal nach dem Verzögerungsglied 145 verwendet, welches in eine Logikschaltung 115 gegeben wird. Der Eingang des Signals nach dem Verzögerungsglied 115 ist hier nicht invertiert.
-
Weiterhin wird ein Signal eines Komparators 117 in die Logikschaltung 115 gegeben, wobei der entsprechende Eingang invertiert ist. Der Komparator 117 misst die Spannung, die am Anschluss 102 und somit am Steuergerät 200 anliegt, und gibt wenn die Spannung über einem Schwellwert, bspw. 38 V, liegt, ein entsprechendes Signal aus.
-
Die Logikschaltung 115 ist dabei derart ausgebildet, dass die erste Schaltereinheit 110 geschlossen wird, wenn die Spannung am Anschluss 102 unter dem Schwellwert oder einem weiteren, etwas niedrigeren Schwellwert, liegt und das Signal bzw. die Spannung nach dem Verzögerungsglied 145 den bestimmten Wert erreicht bzw. überschritten hat.
-
Für den Beginn der Ansteuerung des Steuergeräts 200 bedeutet dies nun, dass mit dem Einschaltsignal – neben dem Schließen der zweiten Schaltereinheit 120 im Falle richtiger Polung – zunächst nur die Strombegrenzungseinheit 130 zugeschaltet wird. Die erste Schaltereinheit 110 hingegen bleibt noch geöffnet.
-
Etwaige im Steuergerät 200 vorhandene kapazitive Lasten können nun von der Spannung V+ über die Strombegrenzungseinheit – und im Falle einer Verwendung eines DC/DC-Wandlers als Strombegrenzungseinheit ggf. mit veränderter Spannung – mit begrenztem Stromfluss geladen bzw. vorgeladen werden.
-
Nachdem das Signal nach dem Verzögerungsglied 145 den bestimmt Wert erreicht bzw. überschritten hat, werden die Strombegrenzungseinheit 130 weggeschaltet und die erste Schaltereinheit 110 geschlossen. Da die kapazitiven Lasten im Steuergerät 200 bereits geladen sind, tritt kein hoher Stromfluss über die erste Schaltereinheit auf.
-
Im Falle einer Überschreitung des Schwellwerts im Komparator 117 kann nun, bspw. im Falle eines sog. Load-Dumps, d.h. bspw. bei Abschaltung einer Last am Bordnetz, die Spannung am Steuergerät 200 begrenzt werden, da die erste Schaltereinheit 110 geöffnet wird. Der Komparator kann hierzu einen Zweipunktregler mit einer gewissen Hysterese aufweisen, sodass die erste Schaltereinheit 110 nach einem kurzen Absinken der Spannung wieder geschlossen wird.
-
Aus dieser begrenzten Spannung können nun durch weitere (hier nicht gezeigte) Komponenten, bspw. einem weiteren DC/DC-Wandler und/oder einem Linearregler, weitere Spannungen erzeugt werden, die bspw. im Steuergerät 200 verwendet werden können.
-
Als Strombegrenzungseinheit 130 kann anstatt eines separaten DC/DC-Wandlers bspw. auch ein in einer anderen Komponente integrierter DC/DC-Wandler verwendet werden. Bspw. weist eine Steuereinheit wie die hier gezeigte Steuereinheit 140 oftmals einen DC/DC-Wandler auf der als die hier gezeigte Strombegrenzungseinheit 130 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
-
- DE 102009029514 A1 [0003]
