DE102017201210A1

DE102017201210A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zum Erkennen eines Zustands einer an einem Schaltungsanschluss angeschlossenen Last

Info

Publication number: DE102017201210A1
Application number: DE102017201210.2A
Authority: DE
Inventors: Yannick Chauvet; Federico Ignacio Sanchez Pinzon
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-01-26
Filing date: 2017-01-26
Publication date: 2018-07-26
Also published as: CN108362969B; CN108362969A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines Zustands einer an einem Schaltungsanschluss einer Schaltungsanordnung angeschlossenen Last, wobei die Schaltungsanordnung aufweist einen Kondensator zwischen dem Schaltungsanschluss und Masse, einen Potentialanschluss, der mit einer Versorgungsspannungsquelle oder mit Masse verbunden ist, einen Schalter zwischen dem Potentialanschluss und dem Schaltungsanschluss, der dazu eingerichtet ist, den Potentialanschluss und den Schaltungsanschluss miteinander zu verbinden oder voneinander zu trennen, einer Referenzspannungsquelle, die dazu eingerichtet ist, an dem Schaltungsanschluss ein Referenzpotential (V) bereitzustellen, wobei der Schalter geöffnet wird, so dass der Potentialanschluss und der Schaltungsanschluss voneinander getrennt werden, von der Referenzspannungsquelle an dem Schaltungsanschluss das Referenzpotential (V) bereitgestellt wird, ein an dem Schaltungsanschluss anliegendes Messpotential (411, 412, 413) bestimmt wird, der Zustand der Last in Abhängigkeit von dem bestimmten Messpotential (411, 412, 413), von einem ersten Schwellwert (V) und von einem zweiten Schwellwert (V) erkannt wird, wobei der erste Schwellwert (V) zwischen einem Spannungswert (V) der Versorgungsspannungsquelle und dem Massepotential liegt, der zweite Schwellwert (V) zwischen dem ersten Schwellwert (V) und dem Massepotential liegt, ein erster Bereich (401) zwischen dem ersten Schwellwert (V) und dem Spannungswert (V) der Versorgungsspannungsquelle (104) und ein zweiter Bereich (402) zwischen dem Spannungswert der Masse und dem zweiten Schwellwert (V) jeweils kleiner sind als ein dritte Bereich (403) zwischen dem ersten Schwellwert (V) und dem zweiten Schwellwert (V).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zum Erkennen eines Zustands einer an einem Schaltungsanschluss angeschlossenen Last sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens.
Stand der Technik
Schaltungsanordnungen zum Ansteuern von Lasten können Highside-Zweige oder Lowside-Zweige aufweisen. Mittels eines sog. Highside-Schalters kann eine mit Masse verbundene Last mit einer Versorgungsspannungsquelle verbunden oder von dieser getrennt werden. Mittels eines Lowside-Schalters kann hingegen eine mit einer Versorgungsspannung verbundene Last mit Masse verbunden oder von dieser getrennt werden. Zu diesem Zweck können Schalttransistoren als entsprechende Schalter vorgesehen sein, z.B. MOSFET. Zumeist ist weiterhin ein Pufferkondensator vorgesehen, um eine elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) der Schaltungsanordnung zu gewährleisten.
Derartige Schaltungsanordnungen finden oftmals Anwendung im Kraftfahrzeugbereich. Beispielsweise können in Kraftfahrzeugen Lasten vorgesehen sein, welche durch Lowside-Schalter in Endstufen von Steuergeräten angesteuert werden können. Derartige Lasten können z.B. für Fahrzeugfunktionen wie für eine Heizung, Front- bzw. Heckscheibenheizung, Lüftung, Klimaanlage, Innenraumbeleuchtung, etc. des Kraftfahrzeugs verwendet werden. Auch z.B. Kraftstoffeinspritzventile werden mittels elektronischer Endstufen geschaltet.
Vorteilhaft ist, wenn derartige Schaltungsanordnungen neben der Ansteuerung der Lasten auch zum Erkennen von Fehlerzuständen der Last verwendet werden können. Als ein derartiger Fehlerzustand kann eine nicht verbundene Last (engl. Open Load) vorliegen, d.h. dass eine Leitung zu der Last hin oder von der Last zur Spannungsversorgung bzw. Masse unterbrochen ist. Die Last ist in diesem Fall beispielsweise nicht mit dem entsprechenden Highside-Schalter bzw. Lowside-Schalter oder nicht mit Spannungsversorgung bzw. Masse verbunden. Als Fehlerzustand kann auch ein Kurzschluss der Last mit Masse oder mit Versorgung vorliegen, also ein überbrückter Schalter.
Eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Erkennen eines Zustands einer mit einem Lowside-Schalter oder mit einem Highside-Schalter verbundenen Last sind in der DE 10 2006 045 308 B4 beschrieben. Die Last ist dabei über einen Schaltungsanschluss mit der Schaltungsanordnung verbindbar. Zum Detektieren eines Fehlerzustands wird der jeweilige Schalttransistor bzw. der jeweilige MOSFET abgeschaltet und ein Referenzpotenzial wird an den Schaltungsanschluss angelegt. Der Zustand der Last wird in Abhängigkeit von einem Spannungsabfall an dem Schaltungsanschluss erkannt.
Der Spannungsverlauf dieses Spannungsabfalls hängt insbesondere von der Lade- oder Entladesituation eines Pufferkondensators ab. Insbesondere bei einem Open-Load-Fehlerzustand bedarf das jeweilige Umladen des Pufferkondensators eines langen Zeitintervalls, so dass erst nach diesem Zeitintervall eine zuverlässige Diagnose des Lastzustands möglich ist. Um ein besonders schnelles Laden oder Entladen des Pufferkondensators und somit eine schnelle Diagnose des Lastzustands zu ermöglichen, wird gemäß der DE 10 2006 045 308 B4 nach Anlegen des Referenzpotenzials eine zusätzliche Stromquelle zugeschaltet.
Jedoch ist ein derartiges Zuschalten einer weiteren, zusätzlichen Stromquelle mit einem großen finanziellen und baulichen Aufwand sowie erhöhtem Platzbedarf verbunden und bedarf einer aufwendigen Logik zum Ansteuern der Schaltungsanordnung, insbesondere um ein komplexes und zeitlich aufeinander abgestimmtes Ansteuern des entsprechenden Referenzpotentials und der zusätzlichen Stromquelle zu ermöglichen.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zum Erkennen eines Zustands einer an einem Schaltungsanschluss angeschlossenen Last sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Die Schaltungsanordnung weist den Schaltungsanschluss auf, an welchen die Last angeschlossenen ist. Ein Kondensator ist zwischen den Schaltungsanschluss und Masse geschaltet. Dieser Kondensator ist insbesondere als ein Pufferkondensator vorgesehen, um eine elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) der Schaltungsanordnung zu gewährleisten.
Weiterhin weist die Schaltungsanordnung einen Potentialanschluss auf, der mit einer Versorgungsspannungsquelle oder mit einem Masse verbindbar ist. Ein Schalter zwischen dem Potentialanschluss und dem Schaltungsanschluss ist dazu eingerichtet, den Potentialanschluss und den Schaltungsanschluss miteinander zu verbinden oder voneinander zu trennen. Der Schalter ist zweckmäßigerweise als ein Halbleiterschalter ausgebildet, Insbesondere als ein MOSFET.
Der Schalter kann dabei als ein Highside-Schalter oder als ein Lowside-Schalter ausgebildet sein bzw. dienen. Im Falle eines Highside-Schalters ist der Potentialanschluss zweckmäßigerweise mit der Versorgungsspannungsquelle verbunden. Die Last ist in diesem Fall zweckmäßigerweise zwischen den Schaltungsanschluss und Masse geschaltet. Wenn der Schalter als ein Lowside-Schalter ausgebildet ist, ist der Potentialanschluss zweckmäßigerweise mit Masse verbunden und die Last ist zweckmäßigerweise zwischen den Schaltungsanschluss und die Versorgungsspannungsquelle geschaltet.
Die Schaltungsanordnung weist weiterhin eine Referenzspannungsquelle auf, die dazu eingerichtet ist, an dem Schaltungsanschluss ein Referenzpotential bereitzustellen. Beispielsweise kann diese Referenzspannungsquelle realisiert sein, indem zwischen einen Knoten und einer ersten einstellbaren Spannungsquelle eine erste Stromquelle geschaltet ist und zwischen den Knoten und einer zweiten einstellbaren Spannungsquelle eine zweite Stromquelle.
Zum Erkennen des Zustands der Last wird der Schalter geöffnet, so dass der Potentialanschluss und der Schaltungsanschluss voneinander getrennt werden. Von der Referenzspannungsquelle wird an dem Schaltungsanschluss das Referenzpotential bereitgestellt. Ein an dem Schaltungsanschluss anliegendes Messpotential wird bestimmt. Der Zustand der Last wird in Abhängigkeit von dem bestimmten Messpotential, von einem ersten Schwellwert und von einem zweiten Schwellwert erkannt. Die Schaltungsanordnung kann zu diesem Zweck einen ersten Komparator und einen zweiten Komparator aufweisen, die dazu eingerichtet sind, das Messpotential mit dem ersten Schwellwert und dem zweiten Schwellwert zu vergleichen.
Der erste Schwellwert liegt zwischen einem Spannungswert der Versorgungsspannungsquelle und dem Massepotential, welches insbesondere 0V beträgt. Der zweite Schwellwert liegt zwischen dem ersten Schwellwert und dem Massepotential. Insbesondere liegt der erste Schwellwert dabei zwischen einem Spannungswert des Referenzpotentials und dem Spannungswert der Versorgungsspannungsquelle. Der zweite Schwellwert liegt dabei insbesondere zwischen dem Massepotential und dem Spannungswert des Referenzpotentials.
Ein erster Bereich zwischen dem ersten Schwellwert und dem Spannungswert der Versorgungsspannungsquelle und ein zweiter Bereich zwischen dem Spannungswert der Masse und dem zweiten Schwellwert sind jeweils kleiner als ein dritter Bereich zwischen dem ersten Schwellwert und dem zweiten Schwellwert.
Insbesondere liegt der erste Schwellwert in der Nähe bzw. vergleichsweise nahe an dem Spannungswert der Versorgungsspannungsquelle. Der zweite Schwellwert liegt insbesondere in der Nähe bzw. vergleichsweise nahe an dem Spannungswert des Massepotentials. Insbesondere liegt der erste Schwellwert somit sehr viel näher an dem Spannungswert der Versorgungsspannungsquelle als an dem Wert des Massepotentials. Der zweite Schwellwert liegt zweckmäßigerweise sehr viel näher an dem Spannungswert des Massepotentials als an dem der Versorgungsspannungsquelle.
Der erste und der zweite Schwellwert werden dabei insbesondere nicht in Abhängigkeit von bzw. in Bezug auf den Spannungswert des Referenzpotentials gewählt. Der erste Schwellwert wird insbesondere in Abhängigkeit von bzw. in Bezug auf den Spannungswert der Versorgungsspannungsquelle gewählt und der zweite Schwellwert insbesondere in Abhängigkeit von bzw. in Bezug auf das Massepotential.
Durch die zwei Schwellwerte wird der Bereich zwischen dem Massepotential und dem Spannungswert der Versorgungsspannungsquelle somit in drei Bereiche unterteilt, so dass drei Zustände der Last unterschieden werden können. Je nachdem in welchem dieser Bereiche das Messpotential liegt, liegt ein unterschiedlicher Zustand der Last vor. In einem ersten, fehlerhaften Zustand liegt eine nicht verbundene Last (Open Load) vor, z.B. weil eine Leitung zu der Last hin unterbrochen ist. In einem zweiten, ebenfalls fehlerhaften Zustand liegt ein Kurzschluss der Last mit Masse oder mit der Versorgungsspannungsquelle vor (überbrückter Schalter). In einem dritten, fehlerfreieren Zustand hingegen liegt kein Fehler vor.
Durch diese Wahl des ersten und des zweiten Schwellwerts kann auf besonders aufwandsarme und schnelle Weise der Zustand der Last zuverlässig erkannt werden. Insbesondere kann die Schaltungsanordnung bzw. der Schalter als Highside- oder als Lowside-Schalter konfiguriert und verwendet werden, ohne dass - wie im Stand der Technik - unterschiedliche Schwellwerte nötig wären. Unabhängig davon, ob die Schaltungsanordnung für einen Highside- oder Lowside-Zweig verwendet wird, sprich unabhängig davon, ob an dem Potentialanschluss die Versorgungsspannungsquelle oder Masse angeschlossen wird, kann zuverlässig und schnell der Zustand der jeweiligen Last erkannt werden, ohne dass es Umbaumaßnahmen oder einer Umkonfiguration bedarf.
Das Erkennen des Zustands mit Hilfe des ersten und zweiten Schwellwerts ist insbesondere unabhängig von einem Zeitintervall, welches für ein Umladen des Kondensators benötigt wird. Wenn in dem Fehlerzustand der nicht verbundenen Last (Open Load) der Schalter geöffnet und das Referenzpotential angelegt wird, wird zunächst der Kondensator geladen oder entladen. Nach einem bestimmten, vergleichsweise langen Zeitintervall stellt sich an dem Schaltungsanschluss daraufhin ein Spannungswert ein, welcher im Wesentlichen dem Spannungswert des Referenzpotentials entspricht oder identisch mit diesem ist. Ein derartiger Spannungswert an dem Schaltungsanschluss deutet somit insbesondere auf einen Open-Load-Fehler hin.
Bei einem Kurzschluss der Last stellt sich an dem Schaltungsanschluss nach Öffnen des Schalters insbesondere relativ schnell ein Spannungswert ein, welcher im Wesentlichen demjenigen Potential entspricht, welches mit dem Potentialanschluss verbunden ist. Im Highside-Fall liegt daher nach Öffnen des Schalters an dem Schaltungsanschluss insbesondere der Spannungswert der Versorgungsspannungsquelle an, im Lowside-Fall liegt hingegen ein Spannungswert nahe oder gleich dem Massepotential.
Bei fehlerfreiem Betrieb hingegen stellt sich nach Öffnen des Schalters an dem Schaltungsanschluss relativ schnell ein Spannungswert ein, welcher im Wesentlichen dem Potential entspricht, welches nicht mit dem Potentialanschluss verbunden ist. Somit liegt an dem Schaltungsanschluss im fehlerfreien Zustand der Last nach Öffnen des Schalters im Highside-Fall zweckmäßigerweise ein Spannungswert nahe oder identisch mit dem Massepotentials an und im Lowside-Fall ein Spannungswert nahe oder identisch mit der Versorgungsspannungsquelle.
Durch die Wahl des ersten und zweiten Schwellwerts ist es nicht notwendig abzuwarten, bis das Umladen des Kondensators abgeschlossen ist und bis sich der Spannungswert an dem Schaltungspunkt entsprechend eingependelt hat, um eine zuverlässige Aussage über den Zustand der Last zu machen. Die Schwellwerte werden derart gewählt, dass das Erreichen eines der beiden Schwellwerte als Indiz für das Vorliegen eines Open-Load-Fehlers interpretiert werden kann, da das Überschreiten von einem der beiden Schwellwerte darauf hindeutet, dass das Messpotential an dem Schaltungspunkt sich in Richtung der Referenzpotentials bewegt. Bei schnellem Überschreiten beider Schwellwerte oder wenn keiner der beiden Schwellwerte überschritten wird, deutet das hingegen auf einen Kurzschluss bzw. fehlerfreien Betrieb hin.
Wie eingangs erläutert wurde, werden in der DE 10 2006 045 308 B4 eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Erkennen eines Zustands einer Last beschrieben, wobei der Lastzustand in Abhängigkeit von einem Spannungsabfall an dem Schaltungsanschluss erkannt wird. Um dabei eine schnelle Diagnose des Lastzustands, insbesondere eines Open-Load-Zustands, zu ermöglichen, wird nach Anlegen eines Referenzpotenzials eine zusätzliche Stromquelle zugeschaltet, um ein besonders schnelles Laden oder Entladen eines entsprechenden Pufferkondensators zu ermöglichen.
Jedoch sind die Schaltungsanordnung und das Verfahren gemäß der DE 10 2006 045 308 B4 mit erheblichen Nachteilen behaftet. Für das rechtzeitige Zuschalten der zusätzlichen Stromquelle muss ein schneller Puls ausgesendet werden, wofür ein leistungsstarker, vergleichsweise großer und teurer Schalter benötigt wird. Somit ist die Schaltungsanordnung mit großem finanziellem und baulichem Aufwand sowie erhöhtem Platzbedarf verbunden. Des Weiteren bedarf es einer aufwendigen Logik zum Ansteuern der Schaltungsanordnung, insbesondere um ein komplexes und zeitlich aufeinander abgestimmtes Ansteuern des entsprechenden Referenzpotentials und der zusätzlichen Stromquelle zu ermöglichen.
Im Gegensatz dazu ermöglicht die Erfindung das Erkennen des Lastzustands mit wesentlich geringerem Aufwand, ohne Zuschalten einer weiteren, zusätzlichen Stromquelle und somit ohne Aussenden eines schnellen Pulses. Es wird somit kein leistungsstarker, großer und teurer Schalter für das Zuschalten einer zusätzlichen Stromquelle und keine aufwendige Logik zeitlich abgestimmten Ansteuern von Referenzpotential und zusätzlicher Stromquelle benötigt. Lediglich durch die geeignete Wahl des ersten und zweiten Schwellwerts kann ein schnelles und zuverlässiges Erkennen des Lastzustands ermöglicht werden, ohne zusätzliche Elemente und ohne großem Schaltungs- bzw. Steuerungsaufwand.
Besonders vorteilhaft wird somit, nachdem der Schalter geöffnet wird, so dass der Potentialanschluss und der Schaltungsanschluss voneinander getrennt sind, und nachdem von der Referenzspannungsquelle an dem Schaltungsanschluss das Referenzpotential bereitgestellt wird, keine weitere, zusätzliche Stromquelle zugeschaltet.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind der erste Bereich und der zweite Bereich im Wesentlichen oder genau gleich groß. Vorteilhafterweise liegt der erste Schwellwert somit im Wesentlichen oder genau so weit unterhalb des Spannungswerts der Versorgungsspannungsquelle wie der zweite Schwellwert oberhalb des Massepotentials liegt.
Vorteilhafterweise betragen der erste Bereich und/oder der zweite Bereich jeweils maximal 25% des Spannungswerts der Versorgungsspannungsquelle, weiter bevorzugt maximal 20%, weiter bevorzugt maximal 15%. Somit beträgt der erste Schwellwert bevorzugt mindestens 75% des Spannungswerts der Versorgungsspannungsquelle, weiter bevorzugt mindestens 80%, weiter bevorzugt mindestens 85%. Der zweite Schwellwert beträgt somit vorteilhafterweise maximal 25% des Spannungswerts der Versorgungsspannungsquelle, bevorzugt maximal 20%, weiter bevorzugt maximal 15%.
Vorzugsweise betragen der erste Bereich und/oder der zweite Bereich jeweils maximal 3V, bevorzugt maximal 2V, bevorzugt maximal 1V. Somit liegt der erste Schwellwert bevorzugt maximal 3V, weiter bevorzugt maximal 2V, weiter bevorzugt maximal 1V unterhalb des Spannungswerts der Versorgungsspannungsquelle. Bei einer Versorgungsspannungsquelle von 12V, wie sie oftmals in Kraftfahrzeugbordnetzen verwendet wird, liegt der erste Schwellwert somit vorteilhafterweise minimal bei 9V, vorzugsweise minimal bei 10V, weiter bevorzugt minimal bei 11V. Der zweite Schwellwert liegt vorzugsweise maximal 3V, bevorzugt maximal 2V, bevorzugt maximal 1V oberhalb des Massepotentials.
Durch derartige Wahl des ersten und zweiten Schwellwerts bzw. des ersten und zweiten Bereichs liegt der erste Schwellwert zweckmäßigerweise nahe dem Spannungswert der Versorgungsspannungsquelle und der zweite Schwellwert zweckmäßigerweise nahe dem Massepotential. Dadurch kann insbesondere gewährleistet werden, dass nach einem vergleichsweise kurzen Diagnosezeitintervall nach Öffnen des Schalters und nach Anlegen des Referenzpotentials eine zuverlässige und eindeutige Aussage über den Zustand der Last getroffen werden kann, insbesondere ohne dass es weiterer Pulse oder weiterer Stromquellen bedarf.
Für das Referenzpotential kann ein zweckmäßiger Wert zwischen dem ersten und zweiten Schwellwert gewählt werden. Insbesondere ist das Erkennen des Zustands unabhängig von dem konkreten Wert des Referenzpotentials. Beispielsweise kann der Wert des Referenzpotentials vergleichsweise nahe an dem zweiten Schwellwert liegen, insbesondere 0,5V, 1V oder 1,5V oberhalb des zweiten Schwellwerts.
Vorteilhafterweise wird überprüft, ob das Messpotential innerhalb eines Diagnosezeitintervalls nach Öffnen des Schalters und nach Anlegen des Referenzpotentials den ersten Schwellwert erreicht oder den zweiten Schwellwert erreicht oder sowohl den ersten Schwellwert als auch den zweiten Schwellwert erreicht oder keinen der beiden Schwellwerte erreicht, wobei in Abhängigkeit von dieser Überprüfung der Zustand der Last erkannt wird.
Ein derartiges Diagnosezeitintervall wird vorteilhafterweise vergleichsweise klein gewählt. Vorteilhafterweise beträgt das Diagnosezeitintervall 1 ms, bevorzugt 0,5 ms, weiter bevorzugt 0,25 ms, weiter bevorzugt 0,1 ms. Insbesondere endet das Diagnosezeitintervall somit unmittelbar oder im Wesentlichen unmittelbar nach Öffnen des Schalters und nach Anlegen des Referenzpotentials. Nach diesem vergleichsweise kurzen Diagnosezeitintervall kann somit bereits eindeutig der Zustand der Last erkannt werden.
Vorteilhafterweise wird erkannt, dass der Fehlerzustand der nicht verbundenen Last vorliegt, wenn das Messpotential innerhalb des Diagnosezeitintervalls den ersten oder den zweiten Schwellwert (aber nicht beide) erreicht. Vorzugsweise wird der Fehlerzustand eines Kurzschlusses der Last erkannt, wenn das Messpotential innerhalb des Diagnosezeitintervalls weder den ersten noch den zweiten Schwellwert erreicht. Dass kein Fehlerzustand der Last vorliegt wird vorteilhafterweise erkannt, wenn das Messpotential innerhalb des Diagnosezeitintervalls sowohl den ersten als auch den zweiten Schwellwert erreicht. Diese Kriterien sind unabhängig davon, ob die Schaltungsanordnung in einem Highside-Zweig oder in einem Lowside-Zweig verwendet wird.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist der Potentialanschluss der Schaltungsanordnung mit der Versorgungsspannungsquelle verbunden. Die Schaltungsanordnung ist somit vorzugsweise in einen Highside-Zweig integriert. Bei geschlossenem Schalter liegt in diesem Fall an dem Schaltungsanschluss insbesondere ein Spannungswert nahe dem der Versorgungsspannungsquelle an.
In diesem Highside-Zweig wird in dem fehlerfreien Zustand nach Öffnen des Schalters und Anlegen des Referenzpotentials vergleichsweise schnell an dem Schaltungsanschluss ein Wert nahe Masse anliegen und das Messpotential wird somit schnell beide Schwellwerte überschreiten. Bei dem Fehlerzustand eines Kurzschlusses hingegen bleibt das Messpotential nahe dem Wert der Versorgungspannungsquelle. Somit wird keiner der beiden Schwellwerte erreicht.
Gemäß einer zweiten vorteilhaften Ausführungsform ist der Potentialanschluss der Schaltungsanordnung mit Masse verbunden. Die Schaltungsanordnung ist dabei bevorzugt in einen Lowside-Zweig integriert. In diesem Lowside-Fall liegt an dem Schaltungsanschluss bei geschlossenem Schalter insbesondere ein Spannungswert nahe Masse an.
In diesem Lowside-Zweig liegt im fehlerfreien Zustand der Last liegt nach Öffnen des Schalters und Anlegen des Referenzpotentials an dem Schaltungspunkt schnell ein Wert nahe dem der Versorgungsspannungsquelle an, so dass beide Schwellwerte von dem Messpotential überschritten werden. Bei einem Kurzschluss hingegen ändert sich der Spannungswert an dem Schaltungsanschluss kaum und das Messpotential liegt nahe Masse, so dass keiner der beiden Schwellwerte erreicht wird.
Sowohl im Highside- als auch im Lowside-Zweig nähert sich das Massepotential bei dem Open-Load-Fehlerzustand dem Wert des Referenzpotentials an. Wenn also genau einer der beiden Schwellwerte in dem Diagnosezeitintervall erreicht wird, kann zuverlässig auf einen Open-Load-Fehler geschlossen werden. Zweckmäßigerweise sind der erste und der zweite Schwellwert derart gewählt, dass bei dem Open-Load-Fehlerzustand das Messpotential innerhalb des Diagnosezeitintervalls den jeweiligen Schwellwert erreicht.
Besonders vorteilhaft eignet sich die Schaltungsanordnung für eine Anwendung im Kraftfahrzeugbereich. Die Schaltungsanordnung kann vorteilhafterweise in ein Steuergerät (bzw. eine Endstufe darin) eines Kraftfahrzeugs integriert sein. Insbesondere kann somit erkannt werden, ob ein Fehler einer Last bzw. eines Verbrauchers in einem Kraftfahrzeugbordnetz vorliegt. Beispielsweise kann als Last ein Einspritzventil, eine Heizung, Front- bzw. Heckscheibenheizung, Lüftung, Klimaanlage, Innenraumbeleuchtung, etc. des Kraftfahrzeugs überwacht werden.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Mikrocontroller, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Die Schaltungsanordnung weist zweckmäßigerweise eine derartige Recheneinheit auf.
Der Mikrocontroller kann zweckmäßigerweise als ein Teil eines Steuergeräts eines Kraftfahrzeugs ausgebildet sein. Zweckmäßigerweise ist die Schaltungsanordnung in diesem Steuergerät angeordnet.
Auch die Implementierung des Verfahrens in Form eines Computerprogramms ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Figurenliste

1 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, welche in einem Highside-Zweig verwendet wird.
2 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, welche in einem Lowside-Zweig verwendet wird.
3 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens als ein Blockdiagramm.
4 zeigt zeitliche Verläufe eines Messpotentials, welche im Zuge von bevorzugten Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt werden können.

Ausführungsform(en) der Erfindung
Eine bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist in 1 schematisch dargestellt und mit 100 bezeichnet.
An einem Schaltungsanschluss 101 der Schaltungsanordnung 100 ist eine Last 102 angeschlossen. Weiterhin ist die Last 102 mit Masse verbunden. Zwischen den Schaltungsanschluss 101 und Masse ist weiterhin ein Kondensator 105 geschaltet, welcher als Pufferkondensator dient.
Beispielsweise können die Schaltungsanordnung 100 und die Last 102 in einem Kraftfahrzeug verwendet werden. Die Last 102 kann z.B. als eine Heckscheibenheizung ausgebildet sein. Die Schaltungsanordnung 100 kann zum Ansteuern der Heckscheibenheizung vorgesehen und in ein Steuergerät des Kraftfahrzeugs integriert sein.
An einem Potentialanschluss 103 ist eine Versorgungsspannungsquelle 104 angeschlossen. Die Versorgungsspannungsquelle 104 ist beispielsweise als eine Kraftfahrzeugbatterie mit einem Spannungswert von 12V ausgebildet.
Die Schaltungsanordnung 100 ist in diesem Beispiel einem Highside-Zweig vorgesehen, um den Schaltungsanschluss 101 und somit die Last 102 mit der Versorgungsspannungsquelle 104 zu verbinden oder von dieser zu trennen.
Zu diesem Zweck weist die Schaltungsanordnung 100 einen Schalter 110 auf, welcher als ein MOSFET mit einem Steueranschluss bzw. Gate-Anschluss 111 und zwei Arbeitsanschlüssen 112, 113 (Source-Anschluss 112 und Drain-Anschluss 113) ausgebildet ist. Über den Steueranschluss 111 kann der Schalter mittels eines Steuersignals 114 angesteuert werden, welches über einen Steuereingang 115 der Schaltungsanordnung 100 empfangen werden kann.
Eine Referenzspannungsquelle 120 ist vorgesehen, um an dem Schaltungsanschluss 101 ein Referenzpotential bereitzustellen. Dabei ist zwischen einen Knoten 121 und einer ersten einstellbaren Spannungsquelle 122 eine erste Stromquelle 123 geschaltet und zwischen den Knoten 121 und einer zweiten einstellbaren Spannungsquelle 125 eine zweite Stromquelle 126. Die erste Stromquelle 123 kann über einen ersten Schalter 124 zugeschaltet werden und die zweite Stromquelle 126 über einen zweiten Schalter 127.
Eine Rechen- bzw. Steuereinheit 130, welche z.B. als ein Mikrocontroller ausgebildet ist, ist dazu eingerichtet, die Schalter 124 und 127 über entsprechende Steuersignale 128 und 129 derart anzusteuern, dass an dem Knoten 121 und somit an dem Schaltungsanschluss 101 das Referenzpotential anliegt. Das Referenzpotential besitzt dabei einen Spannungswert, der geringer ist als derjenige der Versorgungsspannungsquelle 104. Beispielsweise kann das Referenzpotential 2,5V betragen.
Es ist auch denkbar, die Schaltungsanordnung in einen Lowside-Zweig zu integrieren. Eine entsprechende bevorzugte Ausgestaltung der Schaltungsanordnung ist schematisch in 2 dargestellt und mit 100' bezeichnet. Identische Bezugszeichen in den 1 und 2 bezeichnen dabei gleiche oder gleich wirkende Elemente.
Die Last 102 ist dabei im Beispiel von 2 zwischen den Schaltungsanschluss 101 der Schaltungsanordnung 100' und die Versorgungsspannungsquelle 104 geschaltet. Der Potentialanschluss 103 der Schaltungsanordnung 100' ist mit Masse verbunden. Der Schalter 110 dient somit dazu, den Schaltungsanschluss 101 und somit die Last 102 mit Masse zu verbinden bzw. von dieser zu trennen.
Die Steuereinheit 130 der Schaltungsanordnung 100 bzw. 100' ist weiterhin dazu eingerichtet, eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen, um einen Zustand der Last 102 zu erkennen, wie nachfolgend erläutert wird.
In 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens als ein Blockdiagramm dargestellt. Das Verfahren eignet sich dabei gleichermaßen für die Schaltungsanordnung 100 in dem Highside-Zweig wie auch für die Schaltungsanordnung 100' in dem Lowside-Zweig.
In einem Schritt 301 wird der Schalter 110 geöffnet, so dass der Potentialanschluss 103 und der Schaltungsanschluss 101 voneinander getrennt werden.
In Schritt 302 wird von der Referenzspannungsquelle 120 an dem Knoten 121 und somit an dem Schaltungsanschluss 101 das Referenzpotential von hier beispielsweise 2,5V bereitgestellt.
In Schritt 303 wird ein an dem Schaltungsanschluss 101 anliegendes Messpotential bestimmt. Das Öffnen des Schalters 110 und das Anlegen des Referenzpotentials erfolgt dabei insbesondere im Wesentlichen gleichzeitig.
In Schritt 304 wird der Zustand der Last in Abhängigkeit von dem bestimmten Messpotential, von einem ersten Schwellwert und von einem zweiten Schwellwert erkannt.
Dabei wird in Schritt 310 überprüft, ob das Messpotential innerhalb eines Diagnosezeitintervalls nach Öffnen des Schalters und nach Anlegen des Referenzpotentials den ersten Schwellwert oder den zweiten Schwellwert oder beide Schwellwerte oder keinen der Schwellwerte erreicht. Beispielsweise beträgt das Diagnosezeitintervall hier 0,25 ms.
Wenn das Messpotential innerhalb des Diagnosezeitintervalls gemäß Schritt 311 den ersten oder den zweiten Schwellwert (aber nicht beide) erreicht, wird ein Fehlerzustand einer nicht verbundenen Last 102 (Open Load) erkannt, bei welchem eine Leitung zu der Last 102 oder zwischen Last und Mass bzw. Versorgungsspannung unterbrochen ist.
Wenn gemäß Schritt 312 das Messpotential innerhalb des Diagnosezeitintervalls weder den ersten noch den zweiten Schwellwert erreicht, wird ein Fehlerzustand eines Kurzschlusses der Last 102 (überbrückter Schalter; d.h. die Last wird ständig bestromt) erkannt.
Gemäß Schritt 313 wird erkannt, dass kein Fehlerzustand der Last 102 vorliegt, wenn das Messpotential innerhalb des Diagnosezeitintervalls sowohl den ersten als auch den zweiten Schwellwert erreicht.
In den 4a und 4b sind jeweils verschiedene zeitliche Verläufe des Messpotentials an dem Schaltungsanschluss 101 schematisch in einem Spannungs-Zeit-Diagramm dargestellt.
V_Batt ist dabei der Spannungswert der Versorgungsspannungsquelle 104 von 12V. V_Ref ist der Spannungswert des Referenzpotentials von 2,5V. Der erste Schwellwert V₁ beträgt 10V und liegt somit 2V unterhalb des der Werts der Versorgungsspannungsquelle 104. Der zweite Schwellwert V₂ beträgt 2V und liegt somit 2V oberhalb des Werts des Massepotentials von 0V.
Ein erster Bereich 401 zwischen dem ersten Schwellwert V₁ von 10V und dem Spannungswert der Versorgungsspannungsquelle 104 von 12V beträgt somit 2V. Ein zweiter Bereich 402 zwischen dem Massepotential von 0V und dem zweiten Schwellwert V₂ von 2V beträgt ebenfalls 2V. Insbesondere betragen der erste Bereich 401 und der zweite Bereich 402 somit jeweils ca. 17% des Spannungswerts der Versorgungsspannungsquelle von 12V. Somit sind der erste Bereich 401 von 2V und der zweite Bereich 402 von ebenfalls 2V jeweils kleiner als ein dritter Bereich 403 zwischen dem ersten Schwellwert V₁ und dem zweiten Schwellwert V₂ von 8V.
Der erste Schwellwert V₁ liegt somit vergleichsweise nahe an dem Spannungswert der Versorgungsspannungsquelle 104 und der zweite Schwellwert V₂ liegt vergleichsweise nahe an dem Massepotential.
Zu dem Zeitpunkt to werden der Schalter 110 geöffnet und das Referenzpotential wird bereitgestellt. Zwischen dem Zeitpunkt t₀ und t_Diag läuft das Diagnosezeitintervall von 0,25 ms.
In 4a sind Spannungsverläufe dargestellt, die beispielsweise von der Schaltungsanordnung 100 aus 1 im Highside-Zweig bestimmt werden können.
Die Kurve 411 zeigt dabei einen Spannungsverlauf des Messpotentials bei einem Open-Load-Fehlerzustand. Das Messpotential sinkt dabei vergleichsweise langsam von dem Wert V_Batt der Versorgungsspannungsquelle 104 auf den Wert V_Ref des Referenzpotentials. Zu dem Zeitpunkt t₁ von beispielsweise 0,1 ms erreicht das Messpotential den ersten Schwellwert. Nach Ablauf des Diagnosezeitintervalls kann somit zuverlässig der Open-Load-Fehler erkannt werden, da nur einer der Schwellwerte erreicht wurde.
Kurve 412 zeigt dabei einen Spannungsverlauf des Messpotentials bei einem Kurzschluss der Last 102. Das Messpotential bleibt dabei in der Nähe des Werts der Versorgungsspannungsquelle 104 und somit oberhalb des ersten Schwellwerts. Somit wird innerhalb des Diagnosezeitintervalls keiner der Schwellwerte erreicht.
Kurve 413 zeigt den Verlauf des Messpotentials, wenn kein Fehler vorliegt. Dabei fällt das Messpotential sehr schnell nach to auf einen Wert nahe Masse ab. Nach Ablauf des Diagnosezeitintervalls wurden somit beide Schwellwerte V₁ und V₂ erreicht.
In 4b sind Spannungsverläufe dargestellt, die beispielsweise von der Schaltungsanordnung 100' aus 2 im Lowside-Zweig bestimmt werden können.
Die Kurve 421 zeigt einen Spannungsverlauf bei einem Open-Load-Fehlerzustand. Das Messpotential steigt dabei und nähert sich dem Wert V_Ref an. Zu dem Zeitpunkt t₂ von beispielsweise 0,1 ms erreicht das Messpotential den ersten Schwellwert. Nach Ablauf des Diagnosezeitintervalls wird der Open-Load-Fehler erkannt, da nur der Schwellwerte V₂ erreicht wurde.
Kurve 422 zeigt einen Spannungsverlauf bei einem Kurzschluss. Das Messpotential bleibt dabei nahe 0V, so dass nach dem Diagnosezeitintervall keiner der Schwellwerte erreicht wird.
Kurve 423 zeigt den fehlerfreien Zustand, bei welchem das Messpotential sehr schnell nach to auf einen Wert nahe V_Batt ansteigt und nach dem Diagnosezeitintervalls beide Schwellwerte V₁ und V₂ erreicht wurden.
Wie in 4 ersichtlich ist, wird es durch die Wahl des ersten und zweiten Schwellwerts V₁ und V₂ ermöglicht, bereits nach sehr kurzer Zeit von 0,25 ms zuverlässig erkennen zu können, welcher Zustand der Last 102 vorliegt, insbesondere unabhängig von dem vergleichsweise langsamen Anstieg bzw. Abfall des Messpotentials im Open-Load-Fall.
Somit wird durch die Erfindung eine Möglichkeit zum schnellen und zuverlässigen Erkennen von Lastzuständen bereitgestellt, welches erhebliche Vorteile gegenüber dem in der DE 10 2006 045 308 B4 beschriebenen Verfahren und Schaltungsanordnungen aufweist. Um den Ladevorgang eines Pufferkondensators im Open-Load-Fall und somit einen entsprechenden Spannungsanstieg- bzw. Abfall zu beschleunigen, wird gemäß der DE 10 2006 045 308 B4 eine zusätzliche Stromquelle zugeschaltet.
Für die bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden hingegen keine weiteren, zusätzlichen Stromquellen benötigt, lediglich die Stromquellen 123 und 126, welche zur Bereitstellen des Referenzpotentials verwendet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006045308 B4 [0005, 0006, 0024, 0025, 0081]

Claims

Verfahren zum Erkennen eines Zustands einer an einem Schaltungsanschluss (101) einer Schaltungsanordnung (100, 100') angeschlossenen Last (102), - wobei die Schaltungsanordnung (100, 100') aufweist ○ einen Kondensator (105) zwischen dem Schaltungsanschluss (101) und Masse, ○ einen Potentialanschluss (103), der mit einer Versorgungsspannungsquelle (104) oder mit Masse verbunden ist, ○ einen Schalter (110) zwischen dem Potentialanschluss (103) und dem Schaltungsanschluss (101), der dazu eingerichtet ist, den Potentialanschluss (103) und den Schaltungsanschluss (101) miteinander zu verbinden oder voneinander zu trennen, ○ einer Referenzspannungsquelle (120), die dazu eingerichtet ist, an dem Schaltungsanschluss (101) ein Referenzpotential (V_Ref) bereitzustellen, - wobei ○ der Schalter (110) geöffnet wird, so dass der Potentialanschluss (103) und der Schaltungsanschluss (101) voneinander getrennt werden (301), ○ von der Referenzspannungsquelle (120) an dem Schaltungsanschluss (101) das Referenzpotential (V_Ref) bereitgestellt wird (302), ○ ein an dem Schaltungsanschluss (101) anliegendes Messpotential (411, 412, 413, 421, 422, 423) bestimmt wird (303), ○ der Zustand der Last in Abhängigkeit von dem bestimmten Messpotential (411, 412, 413, 421, 422, 423), von einem ersten Schwellwert (V₁) und von einem zweiten Schwellwert (V₂) erkannt wird (304), - wobei ○ der erste Schwellwert (V₁) zwischen einem Spannungswert (V_Batt) der Versorgungsspannungsquelle (104) und dem Massepotential liegt, ○ der zweite Schwellwert (V₂) zwischen dem ersten Schwellwert (V₁) und dem Massepotential liegt, ○ ein erster Bereich (401) zwischen dem ersten Schwellwert (V₁) und dem Spannungswert (V_Batt) der Versorgungsspannungsquelle (104) und ein zweiter Bereich (402) zwischen dem Spannungswert der Masse und dem zweiten Schwellwert (V₂) jeweils kleiner sind als ein dritter Bereich (403) zwischen dem ersten Schwellwert (V₁) und dem zweiten Schwellwert (V₂).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste Bereich (401) und der zweite Bereich (401) im Wesentlichen oder genau gleich groß sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Bereich (401) und/oder der zweite Bereich (402) jeweils maximal 25% des Spannungswerts (V_Batt) der Versorgungsspannungsquelle (104) betragen, bevorzugt maximal 20%, bevorzugt maximal 15%.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste Bereich (401) und/oder der zweite Bereich (402) jeweils maximal 3V, bevorzugt maximal 2V, bevorzugt maximal 1V betragen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei überprüft wird (310), ob das Messpotential (411, 412, 413, 421, 422, 423) innerhalb eines Diagnosezeitintervalls (t_Diag) nach Öffnen (301) des Schalters (110) und nach Anlegen (302) des Referenzpotentials (V_Ref) den ersten Schwellwert (V₁) erreicht oder den zweiten Schwellwert (V₂) erreicht oder sowohl den ersten Schwellwert (V₁) als auch den zweiten Schwellwert (V₂) erreicht oder keinen der beiden Schwellwerte (V₁, V₂) erreicht, und wobei in Abhängigkeit von dieser Überprüfung der Zustand der Last erkannt wird (304).
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei erkannt wird, dass ein Fehlerzustand einer nicht verbundenen Last vorliegt, wenn das Messpotential (411, 421) innerhalb eines Diagnosezeitintervalls (t_Diag) nach Öffnen (301) des Schalters (110) und nach Anlegen (302) des Referenzpotentials (V_Ref) den ersten Schwellwert (V₁) oder den zweiten Schwellwert (V₂) erreicht (311).
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei erkannt wird, dass ein Fehlerzustand eines Kurzschlusses der Last vorliegt, wenn das Messpotential (412, 422) innerhalb eines Diagnosezeitintervalls (t_Diag) nach Öffnen (301) des Schalters (110) und nach Anlegen (302) des Referenzpotentials (V_Ref) weder den ersten Schwellwert (V₁) noch den zweiten Schwellwert (V₂) erreicht (312).
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei erkannt wird, dass kein Fehlerzustand der Last vorliegt, wenn das Messpotential (413, 423) innerhalb eines Diagnosezeitintervalls (t_Diag) nach Öffnen (301) des Schalters (110) und nach Anlegen (302) des Referenzpotentials (V_Ref) sowohl den ersten Schwellwert (V₁) als auch den zweiten Schwellwert (V₂) erreicht (313).
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei das Diagnosezeitintervall 1 ms beträgt, bevorzugt 0,5 ms, weiter bevorzugt 0,25 ms, weiter bevorzugt 0,1 ms.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei nachdem der Schalter (110) geöffnet wird (301), so dass der Potentialanschluss (103) und der Schaltungsanschluss (101) voneinander getrennt sind, und nachdem von der Referenzspannungsquelle (120) an dem Schaltungsanschluss (101) das Referenzpotential (V_Ref) bereitgestellt wird (302) keine weitere, zusätzliche Stromquelle zugeschaltet wird.
Recheneinheit (130), die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
Schaltungsanordnung (100, 100') zum Erkennen eines Zustands einer an einem Schaltungsanschluss (101) anschließbaren Last (102), aufweisend einen Kondensator (105) zwischen dem Schaltungsanschluss (101) und Masse, einem Potentialanschluss (103), der dazu eingerichtet ist, mit einer Versorgungsspannungsquelle (104) oder mit Masse verbunden zu werden, einen Schalter (110) zwischen dem Potentialanschluss (103) und dem Schaltungsanschluss (101), der dazu eingerichtet ist, den Potentialanschluss (103) und den Schaltungsanschluss (101) miteinander zu verbinden oder voneinander zu trennen, einer Referenzspannungsquelle (120), die dazu eingerichtet ist, an dem Schaltungsanschluss (101) ein Referenzpotential (V_Ref) bereitzustellen, und eine Recheneinheit (130) nach Anspruch 11.
Computerprogramm, das eine Recheneinheit dazu veranlasst, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit (130) ausgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 13.