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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Steuergerät, das beispielsweise in einem Fahrzeug eingesetzt werden kann.
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Bei in sicherheitsrelevanten Systembereichen von Fahrzeugen eingesetzten Steuergeräten, z.B. Steuergeräten, welche für das autonome Fahren von Fahrzeugen genutzt werden, ist es von substantieller Bedeutung, dass Leitungsunterbrechungen insbesondere im Bereich der Anbindung an das Massepotenzial eines Fahrzeugs erkannt werden. Auch kann, wenn die Masseausgänge mehrerer derartiger Steuergeräte zusammen an das Massepotenzial angebunden sind, dann, wenn diese zusammengefassten Masseausgänge ihre Verbindung zum Massepotenzial verlieren, ein Problem dahingehend entstehen, dass Ströme von einem der Steuergeräte durch ein anderes Steuergerät geleitet werden und dieses schädigen oder in seiner Funktionalität beeinträchtigen können.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Steuergerät, insbesondere für ein Fahrzeug, mit baulich einfachen Maßnahmen gegen Probleme, welche bei einem Masseverlust auftreten können, zu schützen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Steuergerät, insbesondere für ein Fahrzeug, umfassend einen mit einer Spannungsquelle verbundenen oder zu verbindenden Potenzialeingang und einen über wenigstens einen Masseanschluss mit einem Massepotenzial verbundenen oder zu verbindenden Masseausgang, ferner umfassend eine Masseverlust-Erkennungsanordnung, wobei die Masseverlust-Erkennungsanordnung in Zuordnung zu wenigstens einem, vorzugsweise jedem Masseanschluss eine Masseverlust-Erkennungsschaltung mit einem bei Auftreten eines Masseverlustes seinen Schaltzustand ändernden Masseverlust-Erkennungstransistor sowie eine Spannungsabfall-Erfassungsanordnung zur Erfassung eines Spannungsabfalls über den Masseverlust-Erkennungstransistor umfasst.
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Durch die Erfassung eines Spannungsabfalls über den Masseverlust-Erkennungstransistor wird es möglich, dann, wenn ein Masseverlust auftritt und dieser Masseverlust-Erkennungstransistor seinen Schaltzustand ändert, also beispielsweise aus einem leitenden Zustand in einen Sperrzustand übergeht, sofort festzustellen, dass ein Masseverlust aufgetreten ist, um dann entsprechende Schutzmaßnahmen einzuleiten.
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Um für die Erfassung des Spannungsabfalls ein definiertes Potenzial bereitzustellen, wird vorgeschlagen, dass die Masseverlust-Erkennungsschaltung eine Reihenschaltung aus einem Masseverlust-Erkennungswiderstand und dem mit seiner Kollektor-Emitter-Strecke zwischen den Masseverlust-Erkennungswiderstand und den Masseanschluss geschalteten Masseverlust-Erkennungstransistor umfasst, wobei die Spannungsabfall-Erkennungsanordnung die Spannung an einem Spannungsmesspunkt zwischen dem Masseverlust-Erkennungswiderstand und dem Masseverlust-Erkennungstransistor abgreift.
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Beispielsweise kann der Masseverlust-Erkennungstransistor ein npn-Transistor sein. Ein Kollektor-Anschluss des Masseverlust-Erkennungstransistors kann mit dem Masseverlust-Erkennungswiderstand verbunden sein, und ein Emitter-Anschluss des Masseverlust-Erkennungstransistors kann mit dem Masseanschluss verbunden sein.
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Um sicherzustellen, dass durch eine falsch angeschlossene Energiequelle, also beispielsweise Fahrzeugbatterie, eine Schädigung des Steuergeräts nicht erzeugt werden kann, wird vorgeschlagen, dass in Zuordnung zu wenigstens einem, vorzugsweise jedem Masseanschluss eine Verpolschutzschaltung vorgesehen ist.
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Die Verpolschutzschaltung kann einen zwischen den Masseausgang und den Masseanschluss geschalteten Verpolschutz-Transistor umfassen. Wird eine Energiequelle mit falscher Polung angeschlossen, schaltet der Verpolschutz-Transistor in seinen Sperrzustand, um somit das Steuergerät zu schützen.
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Der Verpolschutz-Transistor ist vorzugsweise ein MOSFET, beispielsweise ein N-Kanal-Leistungsmosfet. Ein Source-Anschluss des Verpolschutz-Transistors kann mit dem Masseausgang verbunden sein, und ein Drain-Anschluss des Verpolschutz-Transistors kann mit dem Masseanschluss verbunden sein.
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Um für die Ansteuerung des Verpolschutz-Transistors ein definiertes Potenzial bereitzustellen, wird vorgeschlagen, dass die Verpolschutzschaltung einen Verpolschutz-Widerstand zwischen einem Gate-Anschluss des Verpolschutz-Transistors und dem Potenzialeingang umfasst.
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Das für die Ansteuerung des Verpolschutz-Transistors bereitgestellte definierte Potenzial kann in einfacher Weise auch für die Ansteuerung des Masseverlust-Erkennungstransistors genutzt werden, wenn ein Basis-Anschluss des Masseverlust-Erkennungstransistors einer einem Masseanschluss zugeordneten Masseverlust-Erkennungsschaltung mit der diesem Masseanschluss zugeordneten Verpolschutzschaltung zwischen dem Verpolschutz-Widerstand und dem Gate-Anschluss des Verpolschutz-Transistors verbunden ist.
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Um dabei sicherzustellen, dass die Wechselwirkung des Basis-Anschlusses des Masseverlust-Erkennungstransistors mit dem Gate-Anschluss des Verpolschutz-Transistors ein zu starkes Absinken der Spannung am Gate-Anschluss nicht herbeiführen kann, wird vorgeschlagen, dass ein Spannungsbegrenzungselement für den Gate-Anschluss des Verpolschutz-Transistors zwischen den Masseverlust-Erkennungstransistor und den Masseanschluss geschaltet ist. Beispielsweise kann das Spannungsbegrenzungselement eine Zenerdiode (Z-Diode) umfassen.
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Um bei Auftreten eines Masseverlustes definiert messbare Spannungsverhältnisse am Masseverlust-Erkennungstransistor zu gewährleisten, kann die Masseverlust-Erkennungsschaltung einen parallel zu dem Masseverlust-Erkennungstransistor zwischen den Potenzialeingang und den Masseanschluss geschalteten Referenzwiderstand umfassen.
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Eine erhöhte Ausfallsicherheit durch Erzeugen einer Redundanz kann dadurch erreicht werden, dass wenigstens zwei Masseanschlüsse, vorzugsweise drei Masseanschlüsse, mit diesen zugeordneten Masseverlust-Erkennungsschaltungen vorgesehen sind.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die beiliegende 1 detailliert beschrieben, welche in prinzipartiger Darstellung ein Steuergerät, beispielsweise für ein Fahrzeug, mit einer diesem zugeordneten Masseverlust-Erkennungsanordnung zeigt.
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In 1 ist ein prinzipartig dargestelltes Steuergerät mit 10 bezeichnet. Ein elektrischer Widerstand 12 symbolisiert den steuerungstechnisch wirksam werdenden Schaltungsteil des Steuergeräts 10 bzw. dessen Stromaufnahme. Das Steuergerät 10 ist über einen Potenzialeingang 14 an den Pluspol einer als Energiequelle wirksamen Batterie 16 angeschlossen. Ein Masseausgang 18 des Steuergeräts 10 bzw. des steuerungstechnisch wirksam werdenden Schaltungsteils des Steuergeräts 10 ist über zwei Masseanschlüsse 20, 22 an das Massepotenzial 24 beispielsweise in einem Fahrzeug angeschlossen, ebenso wie der Minuspol der Batterie 16.
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Elektrische Widerstände 26, 28 symbolisieren weitere Steuergeräte bzw. deren Stromaufnahme. Auch diese Steuergeräte 26, 28 weisen jeweilige Potenzialeingänge auf, die, so wie der Potenzialeingang 14 des Steuergeräts 10, an den Pluspol der Batterie 16 angeschlossen sind. Ein Masseausgang des Steuergeräts 26 ist zusammen mit dem Masseanschluss 20 des Steuergeräts 10 an das Massepotenzial 24 angeschlossen. Ein Masseausgang des Steuergeräts 28 ist zusammen mit dem Masseanschluss 22 des Steuergeräts 10 an das Massepotenzial 24 angeschlossen. Elektrische Widerstände 30, 32 symbolisieren dabei jeweils den elektrischen Widerstand der die Anbindung an das Massepotenzial 24 herstellenden Masseleitungen.
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In Zuordnung zu jedem Masseanschluss 20, 22 weist das Steuergerät 10 eine Verpolschutzschaltung 34, 36 auf. Die beiden Verpolschutzschaltungen 34, 36 sind zueinander beispielsweise baugleich, so dass nachfolgend deren Aufbau und Funktionalität im Wesentlichen mit Bezug auf die in Zuordnung zum Masseanschluss 20 vorgesehene Verpolschutzschaltung 34 beschrieben wird.
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Die Verpolschutzschaltung 34 umfasst einen Verpolschutz-Transistor 38, der beispielsweise als MOSFET, insbesondere als N-Kanal-Leistungsmosfet, ausgebildet sein kann. Ein Source-Anschluss 40 des Verpolschutz-Transistors 38 ist mit dem Masseausgang 18 verbunden. Ein Drain-Anschluss 42 des Verpolschutz-Transistors 38 ist mit dem Masseanschluss 20 verbunden. Ein Gate-Anschluss 44 ist über einen Verpolschutz-Widerstand 46 mit dem Potenzialeingang 14 verbunden. Durch den Verpolschutz-Widerstand 46 wird ein definiertes Potenzial am Gate-Anschluss 44 bereitgestellt, welches den Verpolschutz-Transistor 38 leitend schaltet, wenn eine Spannung mit korrekter Polarität am Potenzialeingang 14 anliegt, die Batterie 16 also richtig angeschlossen ist. Andernfalls sperrt der Verpolschutz-Transistor 38 und schützt somit den steuerungstechnisch wirksam werdenden Schaltungsteil des Steuergeräts 10 gegen einen ungeeigneten Stromfluss.
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Das Steuergerät 10 umfasst ferner eine allgemein mit 48 bezeichnete Masseverlust-Erkennungsanordnung. Die Masseverlust-Erkennungsanordnung 48 umfasst in Zuordnung zu jedem Masseanschluss 20, 22 eine Masseverlust-Erkennungsschaltung 50, 52. Auch die den beiden Masseanschlüssen 20, 22 zugeordneten Masseverlust-Erkennungsschaltungen 50, 52 sind zueinander vorzugsweise im Wesentlichen baugleich, so dass deren Aufbau und Funktionalität nachfolgend nur mit Bezug auf die dem Masseanschluss 20 zugeordnete Masseverlust-Erkennungsschaltung 50 beschrieben wird.
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Die Masseverlust-Erkennungsschaltung 50 umfasst eine zwischen den Potenzialeingang 14 und den Masseanschluss 20 geschaltete Serienschaltung aus einem Masseverlust-Erkennungswiderstand 54, einem Masseverlust-Erkennungstransistor 56 und einer als Spannungsbegrenzungselement 58 wirksamen Zenerdiode. Ein Kollektor-Anschluss 60 des als npn-Transistor ausgebildeten Masseverlust-Erkennungstransistors 56 ist mit dem Masseverlust-Erkennungswiderstand 54 verbunden. Ein Emitter-Anschluss 62 des Masseverlust-Erkennungstransistors 56 ist mit der als Spannungsbegrenzungselement 58 wirksamen Zenerdiode verbunden. Ein Basisanschluss 64 des Masseverlust-Erkennungstransistors 56 ist mit der dem selben Masseanschluss 20 zugeordneten Verpolschutzschaltung 34 zwischen dem Verpolschutz-Widerstand 46 und dem Gate-Anschluss 44 des Verpolschutz-Transistors 38 verbunden. Trotz dieser über den Masseverlust-Erkennungstransistor 46 hergestellten Verbindung zwischen dem Gate-Anschluss 44 und dem Masseanschluss 20 sorgt die als Spannungsbegrenzungselement 58 wirksame Zenerdiode für ein ausreichend hohes Potenzial am Gate-Anschluss 44, so dass ein zuverlässiges Schalten des Verpolschutz-Transistors 38 in seinen leitenden Zustand gewährleistet ist. Anstelle einer Zenerdiode als Spannungsbegrenzungselement könnten andere Schaltungselemente, wie zum Beispiel mehrere in Flussrichtung in Reihe geschaltete Dioden, vorgesehen sein. Parallel zu der Serienschaltung aus Masseverlust-Erkennungswiderstand 54, Masseverlust-Erkennungstransistor 56 und Spannungsbegrenzungselement 58 ist ein Referenzwiderstand 66 geschaltet.
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An einem zwischen dem Masseverlust-Erkennungswiderstand 54 und dem Masseverlust-Erkennungstransistor 56 gelegenen Messpunkt 68 wird vermittels einer Spannungsabfall-Erfassungsanordnung 70 die Spannung bzw. das Potenzial bezüglich des Massepotenzials 24 erfasst. Der durch die Spannungsabfall-Erfassungsanordnung 70 erfasste Spannungsabfall kann als Indikator dafür genutzt werden, ob der jeweils zugeordnete Masseanschluss 20 bzw. 22 korrekt mit dem Massepotenzial verbunden ist, oder nicht.
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Bei korrekter Verbindung der beiden Masseanschlüsse 20, 22 mit dem Massepotenzial 24 sind die Verpolschutz-Transistoren 38 der Verpolschutz-Schaltungen 34, 36 und die Masseverlust-Erkennungstransistoren 56 der jeweils mit dem selben Masseanschluss 20 bzw. 22 zusammenwirkenden Masseverlust-Erkennungsschaltungen 50 bzw. 52 in ihren leitenden Zustand geschaltet, so dass der Betriebsstrom des steuerungstechnisch wirksam werdenden Schaltungsteils des Steuergeräts 10 sich auf die beiden über die Verpolschutz-Transistoren 38 der Verpolschutzschaltungen 34, 36 führenden Leitungspfade aufteilt. Die Spannungsabfall-Erfassungsanordnung 70 erfasst am Messpunkt 68 einen Spannungsabfall bezüglich des Massepotenzials 24, welcher der Summe des Spannungsabfalls der Kollektor-Emitter-Strecke des leitend geschalteten Masseverlust-Erkennungstransistors 56 und des Spannungsabfalls, also der Vorwärtsspannung an der Zenerdiode entspricht.
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Wird beispielsweise die Verbindung des Masseanschlusses 20 mit dem Massepotenzial 24 unterbrochen, schaltet der Verpolschutz-Transistor 38 der Verpolschutz-Schaltung 34 in seinen Sperrzustand. Somit ist der steuerungstechnisch wirksam werdende Schaltungsteil des Steuergeräts 10 vom Masseanschluss 20 entkoppelt, so dass auch keine die Funktionalität des Schaltungsteils 12 beeinträchtigende Wechselwirkung beispielsweise mit dem weiteren Steuergerät 26 entstehen kann. Der steuerungstechnisch wirksam werdende Schaltungsteil des Steuergeräts 10 bzw. der Masseausgang 18 desselben ist über den Masseanschluss 22 nach wie vor mit dem Massepotenzial 24 verbunden, so dass das Steuergerät 10 seine volle Funktionalität erfüllen kann.
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Mit dem Verpolschutz-Transistor 38 der Verpolschutzschaltung 34 wird auch der Masseverlust-Erkennungstransistor 56 der Masseverlust-Erkennungsschaltung 50 in seinen Sperrzustand geschaltet. Die nunmehr am Messpunkt 68 durch die Spannungsabfall-Erfassungsanordnung 70 erfasste Potenzialdifferenz bezüglich des Massepotenzials 24 entspricht in diesem Zustand der Batteriespannung, also dem am Potenzialeingang 14 anliegenden Potenzial. Dies kann erkannt bzw. als Indikator dafür genutzt werden, dass im Bereich des Masseanschlusses 20 ein Masseverlust aufgetreten ist. Durch das Steuergerät 10 selbst oder ein mit diesem zusammenwirkendes weiteres Steuergerät kann in diesem Falle eine Warnung erzeugt werden, welche signalisiert, dass ein derartiger Defekt im Bereich des Steuergeräts 10 vorliegt. Gleichwohl ist durch den noch vorhandenen weiteren Masseanschluss 22 das Steuergerät 10 noch voll funktionsfähig und kann die durch dieses bereitzustellende Steuerungsfunktionalität vollständig erfüllen. Ist das Steuergerät 10 sicherheitsrelevant, beispielsweise bei einem Fahrzeug, das für autonomes Fahren aufgebaut ist, kann in einem derartigen Falle entschieden werden, dass der Zustand „autonomes Verfahren“ beendet wird bzw. nicht mehr aktiviert werden kann. Um dabei die Sicherheit weiter zu erhöhen und gleichwohl eine Beeinträchtigung der Funktionalität soweit als möglich auszuschließen, können beispielsweise drei Masseanschlüsse und dementsprechend drei mit diesen zusammenwirkende Masseverlust-Erkennungsschaltungen bzw. Verpolschutzschaltungen vorgesehen sein. Tritt bei einem der Masseanschlüsse ein Masseverlust auf und wird dies durch die Spannungsauswertung am Messpunkt 68 verifiziert, stehen immer noch zwei redundant arbeitende Masseanschlüsse bereit. Es kann bei einem derartigen System dann bei Auftreten eines Masseverlustes an einem der Masseanschlüsse ein Warnsignal generiert werden. Gleichwohl ist es in diesem Zustand noch nicht erforderlich, irgendwelche Funktionsbeschränkungen auch sicherheitsrelevanter Systembereiche einzuleiten.
