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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Reduktion einer Spannungsdifferenz zwischen den Massepotentialen von mindestens zwei Steuereinheiten, insbesondere in einem Fahrzeug. Die Erfindung betrifft außerdem eine Verwendung und ein Fahrzeug mit dieser Schaltungsanordnung.
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Viele der heute hergestellten Fahrzeuge weisen eine große Anzahl von Steuereinheiten auf. Die Steuereinheiten sind über Verbindungskabel mit der Stromversorgung und mit einem Masseanschluss des Fahrzeugs verbunden. Die Verbindungskabel weisen meist einen parasitären Widerstand von weniger als einem Ohm (1 Ω) auf. Da bei zumindest einigen Steuereinheiten in einem Fahrzeug aber hohe Ströme fließen, kann dies zu einem Spannungsversatz („ground shift“) zwischen zwei Steuereinheiten führen. Wenn beispielsweise die Verbindungskabel einer ersten und einer zweiten Steuereinheit 0,1 Ω aufweisen und die erste Steuereinheit einen Strom von 5 A, die zweite Steuereinheit einen Strom von 1 A aufweist, dann entsteht zwischen den Masseanschlüssen der ersten und der zweiten Steuereinheit ein Spannungsversatz von 0,4 V. Dieser Spannungsversatz kann unzulässig hoch sein, insbesondere wenn die Steuereinheiten über ein Kommunikationskabel kommunizieren.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Spannungsversatz zwischen Masseanschlüssen von Steuereinheiten in einem Fahrzeug zu reduzieren.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Reduktion einer Spannungsdifferenz zwischen einem ersten Masseanschluss einer ersten Steuereinheit und einem zweiten Masseanschluss einer zweiten Steuereinheit in einem Fahrzeug. Die Schaltungsanordnung weist einen ersten parasitären Widerstand auf, der zwischen dem ersten Masseanschluss der ersten Steuereinheit und einem ersten Massepotential angeordnet ist, und einen zweiten parasitären Widerstand, der zwischen dem zweiten Masseanschluss der zweiten Steuereinheit und einem zweiten Massepotential angeordnet ist. Das erste Massepotential ist dabei auf demselben Knoten angeordnet wie der zweite Masseanschluss, so dass die Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Masseanschluss und dem zweiten Masseanschluss weniger als einen vordefinierten Wert beträgt.
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Bei dem Fahrzeug handelt es sich beispielsweise um ein Kraftfahrzeug, wie Auto, Bus oder Lastkraftwagen, oder aber auch um ein Schienenfahrzeug, ein Schiff oder ein Luftfahrzeug, wie Helikopter oder Flugzeug. Eine Fahrzeugbatterie für eines dieser Fahrzeuge weist häufig niedrige Spannungen auf, beispielsweise eine Spannung von etwa 12 V oder etwa 48 V.
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Die erste Steuereinheit und die zweite Steuereinheit weisen zur Spannungsversorgung jeweils zwei Pole auf: je einen Anschluss an die Fahrzeugbatterie und je einen Masseanschluss; die erste Steuereinheit weist also einen ersten Masseanschluss, und die zweite Steuereinheit weist einen zweiten Masseanschluss auf. Durch die niedrigen Spannungen der Fahrzeugbatterie können bei den Steuereinheiten hohe Ströme auftreten. Die erste Steuereinheit kann beispielsweise eine Haupteinheit (Head Unit) sein. Die zweite Steuereinheit kann beispielsweise ein Leistungsverstärker sein oder eine leistungsfähige Leistungs- und/oder Kommunikationsversorgung, z.B. ein USB-Hub.
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Der erste und der zweite Masseanschluss sind je an ein Massepotential angeschlossen; der erste Masseanschluss also an ein erstes Massepotential, und der zweite Masseanschluss an ein zweites Massepotential. Zwischen dem ersten Masseanschluss und dem ersten Massepotential ist ein erster parasitärer Widerstand angeordnet, zwischen dem zweiten Masseanschluss und dem zweiten Massepotential ist ein zweiter parasitärer Widerstand angeordnet.
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Das erste Massepotential ist dabei auf demselben Knoten angeordnet wie der zweite Masseanschluss. Damit wird erreicht, dass das zweite Massepotential in Abhängigkeit von einem Gesamtstrom durch die erste Steuereinheit und die zweite Steuereinheit angehoben wird. Damit wird die Strom-Differenz zwischen der ersten Steuereinheit und der zweiten Steuereinheit irrelevant. Tatsächlich hängt durch diese Schaltungsanordnung die Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Masseanschluss (der ersten Steuereinheit) und dem zweiten Masseanschluss (der zweiten Steuereinheit) nicht mehr von dem Strom durch die zweite Steuereinheit ab. Damit beträgt die Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Masseanschluss und dem zweiten Masseanschluss, auch wenn die zweite Steuereinheit mit einem Maximalstrom durchflossen wird, weniger als einen vordefinierten Wert.
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Diese Schaltungsanordnung ist einfach, robust und kostengünstig. Weiterhin erfordert sie keine zusätzlichen Komponenten und keinen zusätzlichen Bauraum auf den Baugruppen der Steuereinheiten. Darüber hinaus weist diese Schaltungsanordnung eine geringe Verlustleistung auf.
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In einer Ausführungsform weist die erste Steuereinheit einen niedrigeren Strombedarf auf als die zweite Steuereinheit. Die geschilderte Schaltungsanordnung ist besonders vorteilhaft für Konstellationen, bei denen die zweite Steuereinheit als eine Leistungskomponente ausgelegt ist und die damit durch den Spannungsversatz in einen Bereich kommen könnte, in dem das Risiko besteht, dass sie bestimmte spezifizierte Anforderungen nicht mehr erfüllen können.
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In einer Ausführungsform weisen die erste Steuereinheit und die zweite Steuereinheit je einen USB-Anschluss auf (USB: Universal Serial Bus). Damit sind die Steuereinheiten geeignet, miteinander über USB-Kabel zu kommunizieren. Eine USB-Spezifikation -z.B. die Spezifikation des USB C (Release 1.3 vom 14.7.2017), Abschnitt 4.4.1 - fordert jedoch eine maximale Spannungsdifferenz von 250 mV zwischen zwei kommunizierenden Einheiten. Daher beträgt in diesem Fall der vordefinierte Wert der Spannungsdifferenz 250 mV. Dieser Wert kann mit dieser Schaltungsanordnung innerhalb eines genau spezifizierten Bereichs (d.h. maximal zulässiger Strombedarf der ersten Steuereinheit) eingehalten werden. Diese Schaltungsanordnung ist also vorteilhafterweise z.B. für Geräte einsetzbar, die einen hohen Strombedarf aufweisen und mit einem Gerät mit niedrigerem, insbesondere deutlich niedrigerem, Strombedarf über USB kommunizieren. In einem Fahrzeug kann ein Beispiel für diese Konstellation sein, wenn eine Haupteinheit (Head Unit) mit einen USB-Hub, der z.B. für 120 W ausgelegt ist, oder mit einem Leistungsverstärker mit einer Verlustleistung in dieser Größenordnung kommuniziert.
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In einer Ausführungsform beträgt der Maximalstrom durch die zweite Steuereinheit mehr als 5 A, insbesondere mehr als 10 A. Bei derartigen Geräten besteht das Risiko, eine Spezifikation - z.B. die USB-Spezifikation - zu verletzen; diese kann mit dieser Schaltungsanordnung vermieden werden.
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In einer Ausführungsform sind der erste parasitäre Widerstand und/oder der zweite parasitäre Widerstand ein Widerstand eines Verbindungskabels und/oder eines Anschlusselements. Der Widerstand des Verbindungskabels kann beispielsweise durch einen geringen Querschnitt und/oder durch die Verwendung von weniger leitfähigen Materialien, wie z.B. Aluminium, erhöht sein. Das Anschlusselement kann z. B. ein Stecker sein, der z. B. durch Korrosion und/oder mangelnde Vergütung und/oder besondere Auslegung einen hohen Übergangswiderstand aufweist.
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In einer Ausführungsform weist der erste parasitäre Widerstand und/oder der zweite parasitäre Widerstand einen Widerstandswert zwischen 10 mΩ und 50 mΩ, insbesondere von 30 mΩ, auf. Diese Werte gelten insbesondere bei Fahrzeugen als realistisch für den parasitären Widerstand zwischen Masseanschluss und Steuereinheit.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Verwendung einer Schaltungsanordnung wie oben oder im Folgenden erläutert zur Reduktion einer Spannungsdifferenz zwischen den Massepotentialen von mindestens zwei Steuereinheiten in einem Fahrzeug.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer Schaltungsanordnung wie oben oder im Folgenden erläutert.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Diese Ausführungsbeispiele sind nur zur weiteren Erläuterung, nicht aber als Einschränkungen zu verstehen.
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Dabei zeigt:
- 1: ein schematisches Beispiel für ein Fahrzeug mit einer Schaltungsanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 2: ein schematisches Beispiel für die Problemstellung der vorliegenden Erfindung;
- 3: ein schematisches Beispiel für eine erste Lösung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 4: ein schematisches Beispiel für eine zweite Lösung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt ein schematisches Beispiel für ein Fahrzeug 10 mit einer Schaltungsanordnung 50. Die Schaltungsanordnung 50 weist eine erste Steuereinheit 20 und eine zweite Steuereinheit 30 auf. Die erste Steuereinheit 20 und die zweite Steuereinheit 30 sind über eine Kommunikationsverbindung 25, beispielsweise ein USB-Kabel, verbunden. Die erste Steuereinheit 20 kann z.B. eine Haupteinheit (Head Unit), z.B. die Steuerung eines Multimedia-Systems Infotainment-System, sein. Die zweite Steuereinheit 30 kann beispielsweise ein USB-Hub sein, an dem verschiedene Geräte - z.B. Audio-, Videogeräte und/oder Geräte, die über eine USB-Schnittstelle versorgt und/oder aufgeladen werden - angeschlossen sind. Für einige Typen einer Kommunikationsverbindung 25 ist ein maximaler Spannungsversatz, bezogen auf das Massepotential („ground shift“), zwischen zwei Steuereinheiten mit dieser Kommunikationsverbindung 25 spezifiziert. Im Falle z.B. einer USB-Schnittstelle ist dieser maximale Spannungsversatz mit 250 mV spezifiziert.
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2 zeigt ein schematisches detailliertes Beispiel für eine Schaltungsanordnung
40. Die Schaltungsanordnung
40 weist eine erste Steuereinheit
20 und eine zweite Steuereinheit
30 auf. Die erste Steuereinheit
20 weist einen ersten Kommunikationsanschluss
22 auf, die zweite Steuereinheit
30 weist einen zweiten Kommunikationsanschluss
32 auf. Die Anschlüsse
22,
32 der Steuereinheiten
20,
32 sind über eine Kommunikationsverbindung
25, beispielsweise ein USB-Kabel, verbunden. Die erste Steuereinheit
20 ist an die Spannung
U1 und, über den ersten Masseanschluss
21, an das erste Massepotential
GND1 angeschlossen. Zwischen dem ersten Masseanschluss
21 und dem ersten Massepotential
GND1 ist ein erster parasitärer Widerstand
R1 angeordnet. Analog dazu ist die zweite Steuereinheit
30 an die Spannung
U2 und, über den zweiten Masseanschluss
31 und den zweiten parasitären Widerstand
R2, an das zweite Massepotential
GND2 angeschlossen. Der erste parasitäre Widerstand
R1 verursacht einen Spannungsabfall
Up1, der zweite parasitäre Widerstand
R2 verursacht einen Spannungsabfall
Up2. Damit ergibt sich ein Spannungsversatz oder eine Spannungsdifferenz
Up12 gegenüber einer gemeinsamen Masse GND von
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Zur Illustration der Spannungsverhältnisse können Werte angenommen werden, die für Steuereinheiten in einem Fahrzeug realistisch sind, also z.B.
Damit ergibt sich Up12 zu:
Dieser Wert liegt jedoch z.B. über dem für USB-Geräte maximal zulässigem Wert von 250 mV. Im Folgenden werden Schaltungsanordnungen gezeigt, mittels derer die Kommunikationsverbindung
25 zulässige Werte für den, für die Kommunikationsverbindung
25 relevanten, Spannungsversatz („ground shift“) erreicht.
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3 zeigt ein schematisches Beispiel für eine erste Schaltungsanordnung 45 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen wie bei 2 dieselben Komponenten der Schaltung. Bei der Schaltungsanordnung 45 wurden jedoch zusätzliche Komponenten in die Schaltung aufgenommen, nämlich ein ersten galvanischer Trenner 29, der zwischen einem Kommunikationsausgang (nicht dargestellt) der ersten Steuereinheit 20 und dem ersten Kommunikationsanschluss 22 angeordnet ist. Ein zweiter galvanischer Trenner 39 ist zwischen einem Kommunikationsausgang der zweiten Steuereinheit 30 und dem zweiten Kommunikationsanschluss 32 angeordnet. Die galvanischen Trenner 29 und 39 können beispielsweise durch Transformatoren oder Optokoppler realisiert sein. Zwar wird bei der Schaltungsanordnung 45 nicht die Spannungsdifferenz Up12, außerhalb der Steuereinheiten 20 und 30, reduziert, aber durch die galvanische Trennung werden die Spezifikationen der Kommunikationsleitungen, z.B. der USB-Anschlüsse, erfüllt.
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4 zeigt ein schematisches Beispiel für eine zweite Schaltungsanordnung 50 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dabei ist das erste Massepotential GND1 auf demselben Knoten K wie der zweite Masseanschluss 31 angeordnet. Dies hat den Effekt, dass die Spannungsdifferenz Up12 zwischen dem ersten Masseanschluss 21 und dem zweiten Masseanschluss 31 weniger als einen vordefinierten Wert beträgt, selbst wenn die zweite Steuereinheit 30 mit einem Maximalstrom I2 = I2max durchflossen wird. Tatsächlich gelingt es, bei der Schaltungsanordnung 50, die Spannungsdifferenz Up12 unabhängig von dem Strom 12, durch die zweite Steuereinheit 30, zu halten. Die Spannungsdifferenz Up12 ist gleich Up1, und ist nur noch abhängig von I1, durch die erste Steuereinheit 20, und dem ersten parasitären Widerstand R1. Dabei ist insbesondere vorteilhaft, dass die Schaltungen der ersten Steuereinheit 20 und der zweiten Steuereinheit 30 unverändert belassen werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Fahrzeug
- 20
- erste Steuereinheit
- 21
- erster Masseanschluss
- 22
- erster Kommunikationsanschluss, USB-Anschluss
- 25
- Kommunikationsverbindung
- 29
- erster galvanischer Trenner
- 30
- zweite Steuereinheit
- 31
- zweiter Masseanschluss
- 32
- zweiter Kommunikationsanschluss, USB-Anschluss
- 39
- zweiter galvanischer Trenner
- 40, 45, 50
- Schaltungsanordnung
- GND1
- erstes Massepotential
- GND2
- zweites Massepotential
- R1, R2
- parasitärer Widerstand
- Up1,
- Up2 Spannungsabfall
- Up12
- Spannungsdifferenz
