-
Die Erfindung betrifft eine Verpolschutzschaltung für ein elektrisches Gerät, das in einem Aktiv-Modus und in einem Standby-Modus betrieben werden kann, mit einem p-Kanal-MOSFET, dessen Drain-Source-Strecke in eine positive Versorgungsspannungsleitung geschaltet ist, mit einem zwischen Gateelektrode und Massepotential geschalteten Gate-Vorwiderstand, mit einer zwischen Gateelektrode und Sourceelektrode geschalteten Zenerdiode, mit einem zwischen Sourceelektrode und Massepotential geschalteten Pufferkondensator, und mit einem weiteren an der Gateelektrode anliegenden Widerstand, der mit dem Sourcepotential verbunden ist.
-
Viele moderne elektrische Geräte werden bei Nichtbenutzung nicht mehr vollständig ausgeschaltet, sondern in einem Standby-Betrieb gehalten, in dem bestimmte Funktionen aufrechterhalten werden. Der Standby-Betrieb kann beispielsweise das Wiedereinschalten mittels einer Fernbedienung ermöglichen oder auch den schnellen Start des Geräts mit den zuletzt verwendeten Funktionsparametern. Da der Standby-Betrieb über einen relativ langen Zeitraum andauern kann, wird besonders bei batterie- oder akkubetriebenen Geräten angestrebt, die Ruhestromaufnahme im Standby-Betrieb so gering wie möglich zu halten, um den Energiespeicher möglichst wenig zu belasten.
-
Batterie- oder akkubetriebene Geräte weisen zudem häufig eine Verpolschutzschaltung auf, die empfindliche elektronische Bauteile vor Schäden durch einen falsch gepolt angeschlossenen Energiespeicher oder vor eingestreuten Wechselspannungen auf den Eingangsleitungen schützen soll.
-
Es stellte sich die Aufgabe, eine einfache und kostengünstige gattungsgemäße Verpolschutzschaltung zu schaffen, die schnell auf falsch gepolte Eingangsspannungen reagiert und die im Standby-Betrieb einen besonders geringen Ruhestromverbrauch aufweist.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass parallel zum Gate-Vorwiderstand ein Gate-Pufferkondensator geschaltet ist, und dass der weitere an der Gateelektrode anliegende Widerstand mittels eines Highsideschalters mit dem Sourcepotential verbunden werden kann und dass der Highsideschalter im Aktivmodus eingeschaltet und im Standby-Modus des Geräts ausgeschaltet ist.
-
Eine gattungsgemäße Verpolschutzschaltung ist sowohl aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2014 221 215 A1 als auch aus der Druckschrift „Rakesh Panguloori: Basics of eFuses. In: Texas Instruments. Dallas: Application Report. SLVA862A - December 2016 - Revised April 2018“ bekannt.
-
Die
DE 10 2014 221 215 A1 beschreibt zudem, die ganze Schutzschaltung nur bei einer eingeschalteten Zündung zu aktivieren; sie offenbart jedoch nicht, bei ausgeschalteter Zündung lediglich ein schnelles Ansprechen zu deaktivieren.
-
Die nachveröffentlichte deutsche Gebrauchsmusterschrift
DE 20 2017 004 715 U1 zeigt eine Verpolschutzschaltung gemäß dem Oberbegriff des vorliegenden Hauptanspruchs 1, allerdings ohne die übliche Zenerdiode und zusätzlich mit einem Gate-Pufferkondensator. Das Schalten des Gate-Source-Widerstands geht aus diesem Dokument nicht hervor.
-
Die ebenfalls nachveröffentlichte internationale Patentanmeldung
WO 2019 016 200 A1 zeigt eine Verpolschutzschaltung mit einem Gate-Vorwiderstand, einer Zenerdiode, einem ersten und einem zweiten Pufferkondensator und einem an der Gateelektrode anliegenden schaltbaren Widerstand.
-
Aus allen diesen Druckschriften geht nicht hervor, dass ein an der Gateelektrode anliegender Widerstand mittels eines Highsideschalters mit dem Sourcepotential verbunden werden kann und dass der Highsideschalter im Aktivmodus eingeschaltet und im Standby-Modus des Geräts ausgeschaltet ist.
-
Im Folgenden soll die erfindungsgemäße Verpolschutzschaltung anhand der Zeichnung dargestellt und näher erläutert werden. Zudem sollen, ausgehend von bekannten Ausführungen, die Entwicklungsschritte bis zur erfindungsgemäßen Ausführung beschrieben werden.
-
Es zeigen die
- 1 eine erfindungsgemäß ausgeführte Verpolschutzschaltung,
- 2 und 3 Verpolschutzschaltungen nach dem Stand der Technik,
- 4 und 5 in Richtung auf die erfindungsgemäße Ausführung weiterentwickelte Verpolschutzschaltungen.
-
Die nachfolgend dargestellten Verpolschutzschaltungen sind, rein beispielhaft, für Anwendungen in einem Kraftfahrzeug dargestellt. KL30, als Abkürzung für die Bezeichnung Klemme 30, steht hier für das, nicht über einen Schalter geführte, positive Batteriepotential. Das Massepotential wird jeweils durch ein Dreieck symbolisiert. Zweck einer Verpolschutzschaltung ist es, weitere, hier nicht dargestellte elektronische Bauteile oder Geräte vor Schäden durch eine falsch gepolt angeschlossene Fahrzeugbatterie, aber auch vor in die Zuleitungen eingestreuten Wechselspannungen zu schützen. In allen Figuren sind die abgebildeten Verpolschutzschaltungen mit einer korrekt gepolten Eingangsspannung dargestellt.
-
Die 2 zeigt eine besonders einfache vorbekannte Verpolschutzschaltung, die aus einer in die Zuleitung des positiven Batteriepotentials KL30 liegenden Verpolschutzdiode D2 und einem nachfolgenden, gegen Masse geschalteten Pufferkondensator C2 besteht. Die Verpolschutzdiode D2 sperrt eine falsch gepolte Eingangsspannung. Der Pufferkondensator C2 stabilisiert die Ausgangsspannung der Verpolschutzdiode D2 bei schwankenden oder wechselnden Eingangsspannungen.
-
Üblicherweise wird als Verpolschutzdiode D2 eine Standard-Siliziumdiode oder eine Schottky-Diode verwendet. Bei diesen Beschaltungen ergibt sich durch die Flussspannung der Verpolschutzdiode D2 (Größenordnung ca. 0,5 bis 1 V) bei höheren Strömen eine relativ hohe Verlustleistung.
-
Dieses Problem kann durch die Verwendung eines aktiven Schaltelements gravierend entschärft werden. Für Geräte mit hoher Stromaufnahme wird daher zur Reduzierung der Verlustleistung häufig ein aktiver Verpolschutz vorgesehen.
-
Die meisten aktiven Verpolschutzschaltungen werden mit MOSFETs aufgebaut. Dabei stellt die Beschaltung mit einem p-Kanal-MOSFET die einfachste Variante dar.
-
Eine Standardschaltung mit einem p-Kanal MOSFET, die beispielsweise auf der Internetseite http://www.lothar-miller.de/s9y/categories/39-Verpolschutz dargestellt wird, ist in der 3 abgebildet. Die Funktionsweise dieser Schaltung ist wie folgt.
-
Der p-Kanal-MOSFET T1 ist im Einschaltmoment gesperrt, so dass lediglich seine parasitäre Diode DP wirkt und die Source des p-Kanal-MOSFETs T1 versorgt. Mit dem Anstieg der Sourcepotentials V_Source bewirkt die Differenz zwischen dem Sourcepotential V_Source und dem Gatepotential V_Gate, bedingt durch den an Massepotential liegenden Gate-Vorwiderstand R1, das Durchschalten des p-Kanal-MOSFETs T1. Damit reduziert sich der Drain-Source-Spannungsabfall von der Flussspannung der parasitären Diode DP auf den Spannungsabfall, der durch den Durchgangswiderstand RDSON des p-Kanal-MOSFETs T1 bestimmt wird.
-
Die Zenerdiode D1 wird zum Schutz des p-Kanal-MOSFETs T1 benötigt. Die Zenerdiode D1 verhindert, dass die maximal zulässige Gate-Source-Spannung des p-Kanal-MOSFETs T1 überschritten wird. Die Zenerdiode D1 kann dabei auch innerhalb des p-Kanal-MOSFETs T1 implementiert sein; in diesem Fall ist die Beschaltung mit einer externen Zenerdiode nicht zwingend erforderlich.
-
Nachteilig an dieser Schaltung ist, dass im Verpolungsfall oder im Fall einer überlagerten Wechselspannung der p-Kanal-MOSFET T1 zeitverzögert sperrt, was zu einer Entladung des Pufferkondensators C2 führt, der zu der Verpolschutzschaltung gehört.
-
Das Entladen des Pufferkondensators C2 kann durch Hinzufügen eines Gate-Pufferkondensators C1 parallel zum Gate-Vorwiderstand R1 reduziert werden. Diese in der 4 dargestellte Maßnahme löst das Problem jedoch nur anteilig.
-
Eine weitere Verbesserung stellt die Aufnahme eines zweiten Widerstands R2 dar, der mit dem Gate-Vorwiderstand R1 einen Spannungsteiler bildet. Mit dieser in der 5 dargestellten Beschaltung wird die Gate-Source-Differenzspannung im Verpolungsfall deutlich reduziert, was das Sperren des p-Kanal-MOSFET T1 beschleunigt und damit das Entladen des Pufferkondensators C2 verringert.
-
Nachteilig ist jedoch, dass sich durch das Hinzufügen des Widerstands R2 die Ruhestromaufnahme der Verpolschutzschaltung erhöht, da bei durchgeschaltetem p-Kanal-MOSFET T1 durch die Reihenschaltung des Widerstand R2 mit dem Gate-Vorwiderstand R1 ständig Strom fließt. In den meisten Fällen kann damit die für Kraftfahrzeuge übliche Standardanforderung, die besagt, dass der Ruhestrom im Stand-by-Betrieb 100 µA nicht übersteigen soll, nicht eingehalten werden.
-
Die vorgenannten Probleme werden durch die in der 1 dargestellte erfindungsgemäße Verpolschutzschaltung gelöst. Die Beschaltung mit dem Widerstand R2 und Gate-Pufferkondensator C1 wird dahingehend erweitert, dass der Widerstand R2 nur im Aktiv-Modus eingeschaltet ist und daher im Standby-Modus keine Erhöhung der Ruhestromaufnahme bewirkt.
-
Im Standby-Modus funktioniert die Schaltung lediglich in der Kombination des Gate-Vorwiderstands R1 und Gate-Pufferkondensators C1 entsprechend der Beschreibung zur 4.
-
Bei Verlassen des Standby-Betriebs durch Starten des Aktiv-Modus wird ein Highsideschalter HS eingeschaltet. Bei dem hier beispielhaft als Highsideschalters HS vorgesehenen p-Kanal-MOSFET geschieht dieses durch Anlegen eines gegenüber der Sourceelektrode negativen Potentials an die Gateelektrode des Highsideschalters HS, welches aus dem nun aktiv geschalteten Gerät abgeleitet wird.
-
Der Highsideschalter HS kann alternativ auch als Bipolartransistor ausgeführt sein oder auch durch ein Relais, das vorteilhaft in einem Kraftfahrzeug, über die durch den Zündschalter eingeschaltete Klemme 15 bestromt wird.
Als Highsideschalter HS kann auch jeder andere Treiber vorgesehen werden, der das Sourcepotential V_Source schalten kann.
-
Über den im Aktiv-Modus eingeschalteten Highsideschalter HS ist der Widerstand R2 mit dem Sourcepotential V_Source verbunden. Dadurch wird der p-Kanal-MOSFET T1, entsprechend der Schaltung der 5, im Verpolungsfall beziehungsweise bei schwankender Versorgungsspannung schnell gesperrt und damit eine Entladung des Pufferkondensators C2 verhindert. Der schnell sperrende p-Kanal-MOSFET T1 kann so insbesondere auf eine die Eingangsspannung überlagernde Wechselspannung schnell zum Schutz des nachgeschalteten Geräts reagieren.
-
Bei im Standby-Modus abgeschalteten Highsideschalter HS reagiert der p-Kanal-MOSFET T1 etwas langsamer, was aber durch den Vorteil der nun sehr geringen Ruhestromaufnahme im Standby-Modus vorteilhaft aufgewogen wird.
-
Bezugszeichenliste
-
- C1
- Gate-Pufferkondensator
- C2
- Pufferkondensator
- D1
- Zenerdiode
- D2
- Verpolschutzdiode
- DP
- parasitäre Diode
- HS
- Highsideschalter
- KL30
- Klemme 30 (positives Batteriepotential)
- R1
- Gate-Vorwiderstand
- R2
- Widerstand
- T1
- p-Kanal-MOSFET
- V_Gate
- Gatepotential
- V_Source
- Sourcepotential
