DE102019110096A1

DE102019110096A1 - Lastspannungsregler und zugehöriges zweistufiges ISO26262 konformes Regelverfahren für eine spannungsempfindliche sicherheitsrelevante Last

Info

Publication number: DE102019110096A1
Application number: DE102019110096.8A
Authority: DE
Inventors: André Sudhaus; Fikret Abaza
Original assignee: Elmos Semiconductor SE
Current assignee: Elmos Semiconductor SE; Hyundai Mobis Co Ltd
Priority date: 2019-01-24
Filing date: 2019-04-17
Publication date: 2020-07-30
Anticipated expiration: 2039-04-18
Also published as: DE102019110099B4; DE102019110099A1; DE102019110096B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Regelschaltung für die Lastspannung (VL) einer sicherheitsrelevanten Last (SL), die gegen Lastspannungswerte der Lastspannung (VL) außerhalb eines sicheren Lastspannungsbereiches (SOA) empfindlich ist. Sie weist einen siebten Knoten (V7), ein Bezugspotenzial (PCB_GND), einen dominierenden Regelkreis (OTA, C1, V4, T1, V5, V6, T2, V7, SL, R2, R1, V3) und einen NICHT dominierenden Regelkreis (OTA, C1, V4, T1, R3, V7', R2, R1, V3) auf. Der siebte Knoten (V7) ist Teil des dominierenden Regelkreises (OTA, C1, V4, T1, V5, V6, T2, V7, SL, R2, R1, V3) ist und kein Teil des nicht dominierenden Regelkreises (OTA, C1, V4, T1, R3, V7', R2, R1, V3). Der siebte Knoten (V7) ist mit der sicherheitsrelevanten Last (SL) verbunden. Die sicherheitsrelevante Last (SL) ist mit dem Bezugspotenzial (PCB_GND) verbunden. Die Lastspannung (VL) fällt zwischen dem siebten Knoten (V7) und dem Bezugspotenzial (PCB_GND) ab. Der dominierende Regelkreis (OTA, C1, V4, T1, V5, V6, T2, V7, SL, R2, R1, V3) umfasst die Lastspannung (VL) als Regelparameter an zumindest einer Stelle der Regelschleife, wohingegen der nicht dominierende Regelkreis (OTA, C1, V4, T1, R3, V7', R2, R1, V3) diese an keiner Stelle der Regelschleife umfasst. Die Lastspannung (VL) hängt im Falle eines NICHT unterbrochenen dominierenden Regelkreises (OTA, C1, V4, T1, V5, V6, T2, V7, SL, R2, R1, V3) von der Lastspannung (VL) ab und ist im Falle eines unterbrochenen dominierenden Regelkreises (OTA, C1, V4, T1, V5, V6, T2, V7, SL, R2, R1, V3) von der Lastspannung (VL) NICHT abhängig und trotzdem geregelt.

Description

Diese Offenlegung nimmt die Prioritäten der deutschen Patentanmeldungen DE 10 2019 104 912.1 vom 27.02.2019 und DE 10 2019 101 741.6 vom 24.01.2019 in Anspruch.
Oberbegriff
Die Erfindung richtet sich auf eine Regelschaltung für die Lastspannung (VL) einer sicherheitsrelevanten Last (SL), die gegen Lastspannungswerte der Lastspannung (VL) außerhalb eines sicheren Lastspannungsbereiches (SOA) empfindlich ist, und ein Verfahren zu deren Betrieb.
Allgemeine Einleitung
Airbag-Systeme werden Fahrzeugen für das Rückhalten der Insassen im Falle von Kollisionen eingesetzt. Da es sich um sicherheitsrelevante Vorrichtungen handelt, werden diese Vorrichtungen bevorzugt nach dem Standard ISO 26262 entwickelt. Hierbei muss die Wahrscheinlichkeit für eine gefährliche Fehlfunktion unter einen vorgegebenen Wert gesenkt werden. Mit der hier vorgelegten Offenbarung werden einige Maßnahmen vorgestellt, die einen Bonddrahtabriss, der im Betrieb an einer kritischen Stelle im Falle einer Fehlfunktion der Intermetallischen Verbindungen erfolgen kann, so kompensieren, dass sie eine unbeabsichtigte Zündung des Sprengsatzes (Englisch: Squib) zur Entfaltung des Airbags sicher ausschließen.
Bei einer unbeabsichtigten Auslösung eines Airbags während der Fahrt muss von schwersten Verletzungen und sogar vom möglichen Tod von Insassen ausgegangen werden. Im Sinne der ISO26262 darf daher ein solcher Bonddrahtabriss nicht ohne Abfangmaßnahme bleiben. Dies ist im Stand der Technik nicht gelöst.
Im Falle eines Bondabrisses, kann die Spannung über der elektrischen Last den zulässigen Lastspannungsbereich (SOA) der elektrischen Last, hier der Squib-Last (SL), überschreiten. Das führt dazu, dass die elektrische Last (in unserem Beispiel SQUIB's) thermisch zerstört werden kann.
Stand der Technik
Die Erfindung wird anhand der beispielhaften Figuren erläutert.
Der Stand der Technik entspricht einer Schaltung entsprechend der 1. Die Schaltung gliedert sich in eine integrierte mikroelektronische Schaltung (IC) zur Kontrolle und Ansteuerung der Zündvorrichtung für den Airbag und in eine gedruckte Schaltung (PCB). Die integrierte mikroelektronische Schaltung (IC) ist natürlich auf der gedruckten Schaltung (PCB) bevorzugt untergebracht und insofern Teil der gedruckten Schaltung. Mit dem Bezugszeichen PCB ist hier daher insofern der Rest der gedruckten Schaltung gemeint. Die Partitionierung zwischen IC und PCB ist hier nur beispielhaft und kann im Einzelfall abweichen.
Ein Transkonduktanzverstärker (OTA) speist einen Ausgangsstrom (I4) in den vierten Konten (V4) ein. Dabei nutzt der Transkonduktanzverstärker (OTA) die Kapazität (C1) zur Strom-Spannungswandlung um seinen Ausgangsstrom (I4) in eine Steuerspannung für den Steueranschluss eines externen zweiten Transistors (T2) umzuwandeln. Die Kapazität (C1) kann eine parasitäre Bauteilkapazität, beispielsweise die Gate-Source-Kapazität des zweiten Transistors (T2), sein. Sie muss es allerdings nicht sein. Darüber hinaus möchten wir hier erwähnen, dass dem technisch versierten Leser weitere Varianten für eine Kompensation eines solchen Spannungsreglers über die Kapazität (C1) und/oder weitere Kondensatoren mit optional unterschiedlichen Bezugspotentialen aus dem Stand der Technik bekannt sein sollten. Die gezeichnete Kompensationsschaltung aus Transkonduktanzverstärker (OTA) und Kapazität (C1) in 1 nennt man im Stand der Technik typischerweise eine Kompensationsschaltung vom TYP I. (Das I steht hierbei für das Einfügen des I-Anteils in die Regelschleife). Stattdessen kann auch eine Kompensationsschaltung vom TYP II verwendet werden, die beispielsweise zwei Pole und eine Nullstelle aufweist. Auch ist die Verwendung einer Kompensationsschaltung vom TYP III mit beispielsweise zwei Polen und zwei Nullstellen möglich. Eine Kompensationsschaltung vom Typ III ist typischerweise jedoch sehr komplex und aufwendig und für die typischerweise beabsichtigten Nutzungen der Vorrichtung, die eine einfache, kostengünstige Regelstrecke aufweisen sollte, nicht empfehlenswert.
Eine Kompensationsschaltung vom Typ III wird zum Beispiel beim DC-DC-Spannungswandlern im „Voltage Mode Control“ verwendet um eine Übertragungsstrecke zweiter Ordnung zu stabilisieren. Mit Kompensationsschaltungen vom Typ III wird im Bereich -40db/dec die Stabilität des jeweiligen Regelkreises hergestellt.
Die Verwendung dieser komplexeren Kompensationsschaltungen ist von den Ansprüchen umfasst.
Mit dieser Steuerspannung schaltet der Transkonduktanzverstärker (OTA) den externen zweiten Transistor (T2) bei Bedarf. Der Ausgangsstrom (I4) des Transkonduktanzverstärkers (OTA) ist dabei bevorzugt proportional zur Differenz zwischen dem Spannungspotenzial an seinem positiven Eingang (+) minus dem Spannungspotenzial an seinem negativen Eingang (-). Das System wird aus einer Versorgungsspannungsleitung (VDD) und einer Bezugspotenzialleitung (PCB_GND) der gedruckten Schaltung (PCB) mit elektrischer Energie versorgt.
Die Bezugspotenzialleitung (IC_GND) der integrierten Schaltung (IC) ist über einen Anschluss (AGND) der Bezugspotenzialleitung (IC_GND) der integrierten Schaltung (IC) an die Bezugspotenzialleitung (PCB_GND) der gedruckten Schaltung (PCB) angeschlossen.
Die Versorgungsspannungsleitung der integrierten Schaltung (IC) ist über einen Anschluss (AVDD) der Versorgungsspannungsleitung der integrierten Schaltung (IC) an die Versorgungsspannungsleitung (VDD) der gedruckten Schaltung (PCB) angeschlossen.
Der Source-Anschluss des zweiten Transistors (T2) ist mit der Versorgungsspannungsleitung (VDD) verbunden. Der Drain-Anschluss des zweiten Transistors (T2) ist mit einem siebten Knoten (V7) verbunden. Zwischen den siebten Knoten (V7) und bevorzugt dem Bezugspotenzial (PCB_GND) der gedruckten Schaltung (PCB) ist die Squib-Last (SL) geschaltet. Sie umfasst in der Regel eine Serienschaltung aus einem ersten Zündtransistor, einem Sprengsatz (dem Squib) und einem zweiten Zündtransistor. Diese Serienschaltung aus diesen drei Elementen ist zur Vereinfachung hier nicht eingezeichnet, sondern nur als monolithischer Block (SL) dargestellt. Die betreffenden Steuerungen und Steuerleitungen wurden aus dem gleichen Grund zur Vereinfachung der Darstellung weggelassen. Diese Squib-Last (SL) enthält somit die beiden Sicherheitsschalter für die Zündung des SQUIB und die SQUIBs selbst.
Der siebte Knoten (V7) ist über einen Anschluss (AV7) des siebten Knotens (V7) mit einem ersten Anschluss eines zweiten Widerstands (R2) innerhalb der integrierten Schaltung (IC) verbunden. Der zweite Anschluss des zweiten Widerstands (R2) ist mit dem ersten Anschluss eines ersten Widerstands (R1) innerhalb der integrierten Schaltung (IC) und einem dritten Knoten (V3) innerhalb der integrierten Schaltung (IC) verbunden. Der zweite Widerstand (R2) und der erste Widerstand (R1), die zusammen einen Spannungsteiler bilden, können in der Realität durch funktionsähnliche komplexere Schaltungen ersetzt sein. Der dritte Knoten (V3) bildet den negativen Eingang (-) des Transkonduktanzverstärkers (OTA). Der positive Eingang (+) des Transkonduktanzverstärkers (OTA) ist mit einem zweiten Knoten (V2) verbunden. Der Transkonduktanzverstärker (OTA) wird in dem Beispiel der 1 aus der Versorgungsspannungsleitung (VDD) der gedruckten Schaltung (PCB) über einen Anschluss (AVDD) der Versorgungsspannungsleitung des Integrierten Schaltkreises (IC) und die Bezugspotenzialleitung (IC_GND) der integrierten Schaltung (IC) mit elektrischer Energie versorgt. Die Kapazität (C1) ist in dem Beispiel der 1 zwischen den Ausgang (V4) des Transkonduktanzverstärkers (OTA) und der Bezugspotenzialleitung (IC_GND) der integrierten Schaltung (IC) als beispielhafter Signalmasse geschaltet. Über den zweiten Knoten (V2) kann eine Zündung der Squib-Last (SL) erlaubt werden.
Das hier zu lösende Problem tritt nun bei einem potenziellen, kritischen Bonddrahtabriss (BWB) zwischen dem zweiten Widerstand (R2) und dem siebten Knoten (V7) auf, der sich zwischen dem zweiten Transistor (T2) und der Squib-Last (SL) befindet. Der der zweite Transistor (T2) ist dann immer noch mit der Squib-Last (SL) verbunden. Trotz des Fehlerfalls in Form des kritischen Bonddrahtabrisses (BWB) ist damit eine Zündung der Squib-Last (SL) nicht ausgeschlossen.
Noch wichtiger als der Auschluss der unbeabsichtigten Zündung ist in der Regel sogar, dass die Zündfähigkeit durch den Fehler eingeschränkt wird, da eventuell sichere Betriebsbereiche (SOA) nach dem Fehlereintritt durch den Betrieb in diesem fehlerhaften Zustand verletzt werden können. In der Fehlerfolge können dadurch weitere Zündungen unterbunden werden.
Die Squib-Last (SL) kann dann, bei einer möglichen Versorgungsspannung (VDD) von 30V gegenüber dem Bezugspotenzial (PCB_GND) der gedruckten Schaltung (PCB) von beispielsweise 33V, mit einer Spannung von mehr als 30V belastet werden. Dies kann die Squib-Last (SL) schädigen oder sogar zünden. In jedem Fall handlet es sich um ein Verlassen des Bereichs der erlaubten Betriebswerte der Squib-Last (SL) (Safe-Operating-Area-Violation oder SOA-Verletzung).
Aufgabe
Dem Vorschlag liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen die die obigen Nachteile des Stands der Technik nicht aufweist und weitere Vorteile aufweist. Diese Aufgabe wird durch Vorrichtungen nach Anspruch 1 und/oder 2 und ein Verfahren nach Anspruch 3 gelöst.
Lösung der Aufgabe
Im Rahmen der Ausarbeitung der Erfindung wurde erkannt, dass ein zusätzlicher erster Schalter (S1) notwendig ist, um die Sicherheit der Gesamtvorrichtung zu erhöhen. (Siehe 2) Bevorzugt wird dieser erste Schalter (S1) extern außerhalb des integrierten Schaltkreises (IC) gefertigt. Ein Vorschlag für eine beispielhafte Realisierung dieses ersten Schalters ist in 3 dargestellt.
Der erste Schalter (S1) wird bevorzugt von einem nicht zusätzlich eingezeichneten Mikrorechner, der bevorzugt Teil der Vorrichtung ist, bedient. Der Mikrorechner ist bevorzugt Teil eines Kontrollblocks (S1CB) für den ersten Schalter (S1), der weitere Funktionen umfassen kann. Der erste Schalter (S1) und der Kontrollblock (S1CB) für den ersten Schalter (S1) können Teil der integrierten Schaltung (IC) sein. Bevorzugt sind sie jedoch zur Erhöhung der Sicherheit extern von der integrierten Schaltung (IC) als Teil der gedruckten Schaltung (PCB) gefertigt. Dieser externe erste Schalter (S1) ermöglicht den Test des zweiten Transistors (T2). Ein nicht eingezeichneter Analog-zu-Digital-Wandler, der bevorzugt Teil der integrierten Schaltung (IC) ist, kann nach dem Öffnen des ersten Schalters (S1) das Verhalten des Regelkreises überprüfen. Der erste Schalter (S1) wird zwischen den Ausgang (V4) des Transkonduktanzverstärkers (OTA) und dem Steuereingang des zweiten Transistors (T2), den sechsten Knoten (V6), geschaltet und von dem Kontrollblock (S1CB) für den ersten Schalter (S1) gesteuert.
3 zeigt einen beispielhaft vorgeschlagenen externen ersten Schalter (S1). Die Schaltung ist auf der linken Seite mit dem fünften Knoten (V5), der später beschrieben wird, bzw. bei einer Verwendung in der Schaltung der 2 mit dem Ausgang (V4) des Transkonduktanzverstärkers (OTA) verbunden. Auf der rechten, gegenüberliegenden Seite ist die beispielhafte Schaltung des ersten Schalters (S1) mit dem Steueranschluss des zweiten Transistors (T2) in Form des sechsten Knotens (V6) verbunden. Dazwischen ist der dritte Transistor (T3) geschaltet, der den eigentlichen Schalter darstellt. Dessen Basis ist über einen vierten Widerstand (R4) mit seinem Emitter verbunden. Diese Basis des dritten Transistors (T3) wird über einen vierten Transistor (T4) und einen sechsten Widerstand (R6) angesteuert. Die Basis des vierten Transistors (T4) wird dann durch den nicht mehr eingezeichneten beispielhaften Mikrorechner bzw. den Kontrollblock (S1CB) für den ersten Schalter (S1) angesteuert. Andere Realisierungen des ersten Schalters (S1), z.B. in Form von Relais sind denkbar.
Diese Modifikation der Schaltung aus 1 durch den zusätzlichen externen ersten Schalter (S1) ist in 2 dargestellt.
Dieser externe erste Schalter (S1) wäre bei einer Verschaltung entsprechend der 2 eine Belastung für den Transkonduktanzverstärker (OTA). Der Ausgang (V4) des Transkonduktanzverstärkers (OTA) sollte daher durch einen Source-Folger entkoppelt werden.
Dies ist in 4 dargestellt.
In 4 wurde der Ausgangsknoten (V4) des Transkonduktanzverstärkers (OTA) in einen vierten Knoten (V4), der weiterhin der Ausgang (V4) des Transkonduktanzverstärkers (OTA) ist, und einen fünften Knoten (V5) aufgespalten. Der fünfte Knoten (V5) ist nun vorteilhafterweise anstelle des Ausgangs (V4) des Transkonduktanzverstärkers (OTA) mit dem ersten Schalter (S1) verbunden.
Der Vorteil dieser Verschaltung liegt dabei insbesondere darin, dass durch den ersten Transistor (T1) weitere externe Beschaltungen, wie beispielsweise der Kontrollblock (S1CB) für den ersten Schalter (S1) oder passive Elemente eine Last darstellen, die das Regelverhalten nicht nachteilig beeinflussen soll. Solche passiven, typischerweise parasitären Elemente sind in 4 zur Vereinfachung nicht gezeichnet, dem Fachmann aber naheliegend.
Der Steueranschluss eines ersten Transistors (T1), der bevorzugt Teil der integrierten Schaltung (IC) ist, ist mit dem Ausgang (V4) des Transkonduktanzverstärkers (OTA) nun verbunden. Der Drain-Anschluss dieses ersten Transistors (t1) ist mit dem besagten fünften Knoten (V5) und damit mit dem ersten Schalter (S1) verbunden. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist nun jedoch der fünfte Knoten (V5) über einen dritten Widerstand (R3) mit dem siebten Knoten (V7) zusätzlich verbunden. Wird der dritte Widerstand hochohmig genug ausgeführt, so wird das Potenzial am negativen Eingang (-) des Transkonduktanzverstärkers (OTA) weiterhin wesentlich vom Potenzial am siebten Knoten (V7) und nicht vom Potenzial des fünften Knotens (V5) bestimmt.
Durch das Einfügen vom des ersten Transistors (T1) als Source-Folger und das Einfügen des dritten Widerstands (R3) wird neben dem äußeren, dominierenden Regelkreis über den zweiten Transistor (T2), die Squib-Last (SL) und den Spannungsteiler aus erstem Widerstand (R1) und zweiten Widerstand (R2) nun ein zusätzlicher schwächerer und nicht dominierender interner Regelkreis aus ersten Transistor (T1), drittem Widerstand (R3), zweiten Widerstand (R2) und erstem Widerstand (R1) gebildet.
Eine wichtige Eigenschaft des dritten Widerstands (R3), die hier noch erwähnt werden sollte ist, dass bevorzugt der Impedanzwert des dritten Widerstands (R3) deutlich größer sein sollte als die Impedanzwerte am Source des zweiten Transistors (T2), d.h. am siebten Knoten (V7), im Betrieb der Schaltung. Der Impedanzwert des dritten Widerstands (R3) sollte bevorzugt aber gleichzeitig mit Rücksicht auf den Wert des vorgegebenen Verhältnisses (R1/R2) des Impedanzwerts des ersten Widerstands (R1) zum Impedanzwert des zweiten Widerstands (R2) und zu deren impedanzwerten ausgewählt werden.
Dieser zweite nicht dominierende Regelkreis übernimmt die Reglerfunktion immer dann, wenn der äußere Regelkreis hochohmig unterbrochen ist. Dies ist insbesondere im Falle des besagten Bonddrahtabrisses (BWB) der Fall. Dieser interne, nicht dominierende Regelkreis befindet sich bevorzugt komplett innerhalb der integrierten Schaltung (IC).
Der zusätzliche erste Transistor (T1) hat somit zwei Funktionen:

Der erste Transistor (T1) dient im Normalbetrieb als Treiber für eine Last, die am Steueranschluss, dem sechsten Knoten (V6) des externen zweiten Transistors (T2) angeschlossen ist.

Der erste Transistor (T1) dient im Fehlerfall als Treiber für den inneren nicht dominanten Regelkreis über den dritten Widerstand (R3), den zweiten Widerstand (R2) und den ersten Widerstand (R1).
Im Normalbetrieb ohne Bondabriss (BWB) erfolgt die Regelung wie folgt:

Der zweite Transistor (T2) ist ein externer Transistor, der mit einem Fehlerverstärker (Englisch „Error-Amplifier“) bestehend aus dem Transkonduktanzverstärker (OTA), der Kapazität (C1), dem ersten Transistor (T1), dem Spannungsteiler aus erstem Widerstand (R1) und zweiten Widerstand (R2) und über den ersten Schalter (S1) angesteuert wird. In diesem Fall arbeitet der erste Transistor (T1) als ein Source-Folger. Typischerweise kann der dritte Widerstand (R3) durch seine niedrige Impedanz am Source des ersten Transistors (T1) und am Source des zweiten Transistors (T2) für diesen Regelungsfall vernachlässigt werden.

Im Fehlerbetrieb mit Bondabriss (BWB) erfolgt die Regelung wie folgt:

Der dritte Widerstand (R3) wird nicht mehr in seiner Wirkung durch den zweiten Transistor (T2) überschrieben und unterdrückt, da die Verbindung zwischen dem freigeschalteten inneren siebten Knoten (V7') und dem eigentlichen außenliegenden siebten Knoten (V7) und damit zum zweiten Transistor (T2) durch den Bonddrahtabriss (BWB) unterbrochen ist. Somit bestimmt nicht mehr der zweite Transistor (T2) im Falle eines Bonddrahtabrisses (BWB) das Potenzial des inneren freigeschalteten siebten Knotens (V7') sondern der Spannungsteiler aus drittem Widerstand (R3), zweiten Widerstand (R2) und erstem Widerstand (R1) sowie das Potential am Ausgang (V4) des Transkonduktanzverstärkers (OTA). Im Gegensatz zum Stand der Technik entsteht somit im Falle eines Bonddrahtabrisses (BWB) ein neuer innerer, nicht dominanter Regelkreis, der für ein definiertes Potenzial unterhalb der Zündschwelle und innerhalb des zulässigen Arbeitsbereichs der Squib-Last (SL) am siebten Knoten (V7) sorgt. Dieser innere nicht dominante Regelkreis umfasst den Transkonduktanzverstärker (OTA), den ersten Widerstand (R1), den zweiten Widerstand (R2), den dritten Widerstand (R3), die Kapazität (C1) und den ersten Transistor (T1) wird eingefügt. In diesem Fall Arbeitet der externe zweite Transistor (T2) als Source-Folger.

Durch den externen ersten Sicherheitsschalter (S1) kann die Zündeinheit (Squib) innerhalb der Squib-Last (SL) dimensionsmäßig kleiner ausgeführt werden und wird daher kostengünstiger.
Der zusätzliche fünfte Widerstand (R5) übernimmt die Regelung für den Normalfall (Nicht-Zündung) bei dem der erste Schalter (S1) zu Testzwecken für die Überprüfung des zweiten Transistors (T2) geöffnet ist.Die Funktion des zusätzlichen fünften Widerstands (R5) besteht im Wesentlichen dann darin, die Squib-Last (SL) zu Diagnosezwecken aus einer begrenzten Impedanz zu versorgen. Dies dient insbesondere einer Diagnose, die hinsichtlich nicht beabsichtigter Zündung als sicher erachtet werden kann.
Das Potenzial am Steueranschluss (V6) des zweiten Transistors (T2) wird dabei dann durch eine zweite Kapazität (Cp) gehalten. Typischerweise reicht es aus, wenn die zweite Kapazität (Cp) die parasitäre Gate-Kapazität des zweiten Transistors (T2) ist.
Merkmale der Erfindung
Die Erfindung betrifft somit eine Regelschaltung für die Lastspannung (VL) einer sicherheitsrelevanten Last (SL), die gegen Lastspannungswerte der Lastspannung (VL) außerhalb eines sicheren Lastspannungsbereiches (SOA) der Lastspannung (VL)empfindlich ist. Die Regelschaltung weist einen siebten Knoten (V7), ein Bezugspotenzial (PCB_GND) und einen dominierenden Regelkreis (OTA, C1, V4, T1, V5, V6, T2, V7, SL, R2, R1, V3) und einen nicht dominierenden Regelkreis (OTA, C1, V4, T1, R3, R2, R1) auf. Der siebte Knoten (V7) ist dabei mit der sicherheitsrelevanten Last (SL) verbunden. Die sicherheitsrelevante Last, hier die Squib-Last (SL), ist mit dem Bezugspotenzial (PCB_GND) oder indirekt über ggf. vorhandene weitere Bauteile verbunden. Die Lastspannung (VL) fällt zwischen dem siebten Knoten (V7) und dem Bezugspotenzial (PCB_GND) auf der gedruckten Schaltung (PCB) ab. Das Bezugspotenzial (PCB_GND) der gedruckten Schaltung (PCB) und das Bezugspotenzial (IC_GND) innerhalb der integrierten Schaltung stehen bevorzugt in einem festen Verhältnis zueinander oder sind bevorzugt sogar gleich. Der dominierende Regelkreis, der bevorzugt aus dem Transkonduktanzverstärker (OTA), der Kapazität (C1), dem vierten Knoten (V4), dem ersten Transistor (T1), dem fünften Knoten (V5), dem sechsten Knoten (V6), de, zweiten Transistor (T2), dem siebten Knoten (V7), der sicherheitsrelevanten Last (SL), dem zweiten Widerstand (R2), dem ersten Widerstand (R1) und dem dritten Knoten (V3) besteht, umfasst die Lastspannung (VL) als Regelparameter an zumindest einer Stelle der Regelschleife des dominierenden Regelkreises. Der nicht dominierende Regelkreis, der bevorzugt aus dem Transkonduktanzverstärker (OTA), der Kapazität (C1), dem vierten Konten (V4), dem ersten Transistor (T1), dem dritten Widerstand (R3), dem inneren siebten Knoten (V7'), dem zweiten Widerstand (R2), dem ersten Widerstand (R1) und dem dritten Knoten (V3) besteht, umfasst die Lastspannung (VL) als Regelparameter bevorzugt an keiner Stelle der Regelschleife des nicht dominierenden Regelkreises. Die Lastspannung (VL) hängt dabei dann

a. im Falle eines nicht unterbrochenen dominierenden Regelkreises (OTA, C1, V4, T1, V5, V6, T2, V7, SL, R2, R1, V3) von dem dominierenden Regelkreis (OTA, C1, V4, T1, V5, V6, T2, V7, SL, R2, R1, V3) ab und
b. im Falle eines unterbrochenen dominierenden Regelkreises (OTA, C1, V4, T1, V5, V6, T2, V7, SL, R2, R1, V3) von dem nicht dominierenden Regelkreis (OTA, C1, V4, T1, R3, V7', R2, R1, V3) abhängt.

Detaillierter betrifft die Erfindung eine Regelschaltung für die Lastspannung (VL) einer sicherheitsrelevanten Last (SL), die gegen Lastspannungswerte der Lastspannung (VL) außerhalb eines sicheren Lastspannungsbereiches (SOA) empfindlich ist, mit einem dritten Knoten (V3), mit einem vierten Knoten (V4), mit einem fünften Knoten (V5), mit einem optionalen sechsten Knoten (V6), mit einem siebten Knoten (V7), mit einem Transkonduktanzverstärker (OTA) mit einem positiven Eingang (+) und einem negativen Eingang (-), mit einem ersten Transistor (T1), mit einem zweiten Transistor (T2), mit einem ersten Widerstand (R1), mit einem zweiten Widerstand (R2), mit einem dritten Widerstand (R3), mit einer Kapazität (C1) und mit einem Bezugspotenzial (PCB_GND, IC_GND)). Der Ausgang (V4) des Transkonduktanzverstärkers (OTA) wird dabei durch den vierten Knoten (V4) gebildet. Die Kapazität (C1) kann dabei als zwischen den vierten Knoten (V4) und dem Bezugspotenzial (IC_GND) wirkend betrachtet werden. Im Prinzip ist nur wichtig, dass das verwendete Bauelement und seine Verschaltung die gleiche funktionale Wirkung wie eine solche Kapazität (C1) hat. Es kann sich beispielsweise um ein parasitäres Bauelement handeln. Der Steueranschluss des ersten Transistors (T1) ist mit dem vierten Knoten (V4) verbunden, wodurch der erste Transistor (T1) durch die Spannung über die Kapazität (C1) gesteuert wird, die sich aus der Integration des Ausgangsstromes (I4) des Transkonduktanzverstärkers (OTA) aus seinem Ausgang (V4) in die Kapazität (C1) hinein ergibt. Der Drain-Anschluss des ersten Transistors (T1) ist bevorzugt mit dem fünften Knoten (V5) oder dem sechsten Knoten (V6) verbunden. Wird kein erster Schalter (S1) verwendet, so sind der sechste Knoten (V6) und der fünfte Knoten (V5) miteinander verbunden. Wird ein erster Schalter (S1) verwendet, so ist dieser erste Schalter (S1) auf der einen Seite mit dem fünften Knoten (V5) verbunden und auf der anderen Seite mit dem sechsten Knoten (V6) verbunden und der Steueranschluss des zweiten Transistors (T2) ist in diesem Fall dann mit dem sechsten Knoten (V6) verbunden.
Der dritte Widerstand (R3) ist zwischen den fünften Knoten (V5) und dem siebten Knoten (V7) geschaltet. Der zweite Widerstand (R2) ist zwischen den siebten Knoten (V7) und dem dritten Knoten (V3) geschaltet. Der erste Widerstand (R1) ist zwischen den dritten Knoten (V3) und dem Bezugspotenzial (IC_GND) geschaltet. Der dritte Knoten (V3) ist mit dem negativen Eingang (-) des Transkonduktanzverstärkers (OTA) verbunden. Der siebte Knoten (V7) ist mit der sicherheitsrelevanten Last (SL) verbunden. Die sicherheitsrelevante Last (SL) ist zwischen siebten Knoten (V7) und dem Bezugspotenzial (PCB_GND) geschaltet. Der zweite Transistor (T2) ist mit seinem Drain-Anschluss mit dem siebten Knoten (V7) verbunden. Der zweite Transistor (T2) mit seiner Steuerelektrode mit dem fünften Knoten (V5), ggf. über einen ersten Schalter (S1) und den besagten sechsten Knoten (V6) (siehe 4) verbunden.
Der Wert des dritten Widerstands (R3) wird dabei bevorzugt so hochohmig gestaltet, dass die Lastspannung zwischen dem siebten Knoten unmittelbar am Anschluss der sicherheitsrelevanten Last (SL) an diesen siebten Knoten (V7) und dem Bezugspotenzial (PVB_GND) die Spannung zwischen dem dritten Knoten (V3) gegenüber dem Bezugspotenzial (IC_GND) im Wesentlichen bestimmt.
Der Erfindung liegt ein Verfahren zu Regelung der Lastspannung (VL) einer sicherheitsrelevanten Last (SL), die gegen Lastspannungswerte der Lastspannung (VL) außerhalb eines sicheren Lastspannungsbereiches (SOA) empfindlich ist, zugrunde. Es umfasst die Schritte

a. der Regelung der Lastspannung (VL) über einen dominierenden Regelkreis (OTA, C1, V4, T1, V5, V6, T2, V7, SL, R2, R1, V3), falls dieser dominierende Regelkreis (OTA, C1, V4, T1, V5, V6, T2, V7, SL, R2, R1, V3) nicht unterbrochen ist, und
b. der Regelung der Lastspannung (V7) über einen nicht dominierenden Regelkreis (OTA, C1, V4, T1, V5, R3, V7', R2, R1, V3), falls dieser dominierende Regelkreis (OTA, C1, V4, T1, V5, V6, T2, V7, SL, R2, R1, V3) unterbrochen ist.

Vorteil
Eine solche Regelschaltung für die Lastspannung (VL) über eine sicherheitsrelevante Last (SL) ermöglicht zumindest in einigen Realisierungen die Reduktion der maximal an der sicherheitsrelevanten Last (SL) auftretenden Spannung. Die Vorteile sind hierauf aber nicht beschränkt.
Durch den zusätzlichen ersten Transistor (T1) und den dritten Widerstand (R3) wird die Sicherheitsanforderung erfüllt, dass die Zündeinheit (Squib) innerhalb der Squib-Last (SL) nicht durch eine zu hohe Spannung am siebten Knoten (V7) beschädigt werden kann.
Der wirtschaftliche Vorteil ergibt sich dadurch, dass der externe Schaltkreis des ersten Schalters (S1) nur wenige preiswerte Bauteile umfasst und durch die Verwendung dieses externen Schaltkreises des ersten Schalters (S1) die Zündeinheit (Squib) innerhalb der Squib-Last (SL) mit einem engeren Betriebsparameterbereich (SOA) ausgestattet werden kann und damit kleiner gewählt werden kann und kostengünstiger hergestellt werden kann. Dies ist technisch möglich, weil infolge der doppelten Absicherung beispielsweise nur 21,7V statt ca. beispielsweise 30V an die Zündeinheit (Squib) innerhalb der Squib-Last (SL) gelangen können. Die vorgeschlagene Reglerstruktur mit einem dominieren äußeren Regelkreis und einem nicht dominierenden inneren Regelkreis verhindert somit mögliche Verletzungen des sicheren Betriebsparameterbereichs (SOA).
Figurenliste

1 zeigt die prinzipielle, nicht beanspruchte Ansteuerschaltung für eine Zündeinheit (Squib) innerhalb der Squib-Last (SL) aus dem Stand der Technik.
2 zeigt die prinzipielle Ansteuerschaltung für eine Zündeinheit (Squib) innerhalb der Squib-Last (SL) mit einem ersten Sicherheitsschalter (S1).
3 zeigt eine mögliche, beispielhafte Schaltung für einen ersten Sicherheitsschalter (S1).
2 zeigt die prinzipielle Ansteuerschaltung für eine Zündeinheit (Squib) innerhalb der Squib-Last (SL) mit einem ersten Sicherheitsschalter (S1) und einem inneren nicht dominierenden und einem äußeren dominierenden Regelkreis.

Bezugszeichenliste

AGND: Anschluss der Bezugspotenzialleitung (IC_GND) der integrierten Schaltung (IC) an die Bezugspotenzialleitung (PCB_GND) der gedruckten Schaltung (PCB);
AV5: Anschluss der V5-Spannung bzw. V5-Leitung;
AV7: Anschluss der V7-Spannung bzw. V7-Leitung bzw. des siebten Knotens (V7);
AVDD: Anschluss der Versorgungsspannungsleitung der integrierten Schaltung (IC) an die Versorgungsspannungsleitung (VDD) der gedruckten (PCB);
B_IC_PCB: beispielhafte Grenze zwischen integrierter Schaltung (IC) und gedruckter Schaltung (PCB);
BWB: potenzieller, kritischer Bonddrahtabriss;
C1: Kapazität;
Cp: zweite Kapazität. Typischerweise ist die zweite Kapazität die parasitäre Gate-Kapazität des zweiten Transistors (T2);
I4: Ausgangsstrom des Transkonduktanzverstärkers (OTA);
IC: integrierte Schaltung;
IC_GND: Bezugspotenzial bzw. Bezugspotenzialleitung der integrierten Schaltung (IC);
OTA: Transkonduktanzverstärker;
PCB: gedruckte Schaltung (Englisch: Printed Circuit Board =PCB);
PCB_GND: Bezugspotenzial bzw. Bezugspotenzialleitung der gedruckten Schaltung (PCB);
R1: erster Widerstand;
R2: zweiter Widerstand;
R3: dritter Widerstand;
R4: vierter Widerstand;
R5: fünfter Widerstand;
R6: sechster Widerstand;
S1: erster Schalter;
S1CB: Kontrollblock für den ersten Schalter (S1);
SdT: Stand der Technik;
SL: Squib-Last, auch sicherheitsrelevante Last genannt;
SOA: Abkürzung (kein Bezugszeichen). Sicherer Betriebsparameterbereich (Englisch: Safe Operating Area);
T1: erster Transistor;
T2: zweiter Transistor;
T3: dritter Transistor;
T4: vierter Transistor;
V2: zweiter Knoten, an dem ein Sollwert von außen vorgegeben wird. Der zweite Konten ist mit dem positiven Eingang (+) des Transkonduktanzverstärkers (OTA) verbunden;
V3: dritter Knoten;
V4: vierter Knoten. Der vierte Knoten stellt den Ausgang des Transkonduktanzverstärkers (OTA) dar;
V5: fünfter Knoten;
V6: sechster Knoten;
V7: siebter Knoten;
V7': innerer siebter Knoten innerhalb des integrierten Schaltkreises, der durch Abtrennung, beispielsweise durch einen Bonddrahtabriss (BWB) aus dem siebten Knoten (V7) abgetrennt wird;
VDD: Versorgungsspannung (z.B. 33V) bzw. Versorgungsspannungsleitung;
VL: Lastspannung;

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102019104912 [0001]
DE 102019101741 [0001]

Claims

Regelschaltung für die Lastspannung (VL) einer sicherheitsrelevanten Last (SL), die gegen Lastspannungswerte der Lastspannung (VL) außerhalb eines sicheren Lastspannungsbereiches (SOA) empfindlich ist, mit einem siebten Knoten (V7) und mit einem Bezugspotenzial (PCB_GND) und mit einem dominierenden Regelkreis (OTA, C1, V4, T1, V5, V6, T2, V7, SL, R2, R1, V3) und mit einem nicht dominierenden Regelkreis (OTA, C1, V4, T1, R3, V7', R2, R1, V3), wobei der siebte Knoten (V7) Teil des dominierenden Regelkreises (OTA, C1, V4, T1, V5, V6, T2, V7, SL, R2, R1, V3) ist und wobei der siebte Knoten (V7) kein Teil des nicht dominierenden Regelkreises (OTA, C1, V4, T1, R3, V7', R2, R1, V3) ist und wobei der siebte Knoten (V7) mit der sicherheitsrelevanten Last (SL) verbunden ist und wobei die sicherheitsrelevante Last (SL) mit dem Bezugspotenzial (PCB_GND) verbunden ist und wobei die Lastspannung (VL) zwischen dem siebten Knoten (V7) und dem Bezugspotenzial (PCB_GND) abfällt und wobei der dominierende Regelkreis (OTA, C1, V4, T1, V5, V6, T2, V7, SL, R2, R1, V3) die Lastspannung (VL) als Regelparameter an zumindest einer Stelle der Regelschleife des dominierenden Regelkreises umfasst und wobei der nicht dominierende Regelkreis (OTA, C1, V4, T1, R3, V7', R2, R1, V3) die Lastspannung (VL) als Regelparameter an keiner Stelle der Regelschleife des nicht dominierenden Regelkreises umfasst und wobei die Lastspannung (VL) im Falle eines NICHT unterbrochenen dominierenden Regelkreises (OTA, C1, V4, T1, V5, V6, T2, V7, SL, R2, R1, V3) von der Lastspannung (VL) abhängt und wobei die Lastspannung (VL) im Falle eines unterbrochenen dominierenden Regelkreises (OTA, C1, V4, T1, V5, V6, T2, V7, SL, R2, R1, V3) von der Lastspannung (VL) NICHT abhängt und geregelt ist.
Regelschaltung für die Lastspannung (VL) einer sicherheitsrelevanten Last (SL), die gegen Lastspannungswerte der Lastspannung (VL) außerhalb eines sicheren Lastspannungsbereiches (SOA) empfindlich ist, mit einem dritten Knoten (V3) und mit einem vierten Knoten (V4) und mit einem fünften Knoten (V5) und mit einem optionalen sechsten Knoten (V6) und mit einem siebten Knoten (V7) und mit einem Transkonduktanzverstärker (OTA) mit einem positiven Eingang (+) und einem negativen Eingang (-) und mit einem ersten Transistor (T1) und mit einem zweiten Transistor (T2) und mit einem ersten Widerstand (R1) und mit einem zweiten Widerstand (R2) und mit einem dritten Widerstand (R3) und mit einer Kapazität (C1) und mit einem Bezugspotenzial (PCB_GND, IC_GND)), wobei die Lastspannung (VL) zwischen dem siebten Knoten (V7) und dem Bezugspotenzial (PCB_GND) abfällt und wobei der Ausgang (V4) des Transkonduktanzverstärkers (OTA) durch den vierten Knoten (V4) gebildet wird und wobei die Kapazität (C1) als zwischen den vierten Knoten (V4) und dem Bezugspotenzial (IC_GND) wirkend betrachtet werden kann und wobei der Steueranschluss des ersten Transistors (T1) mit dem vierten Knoten (V4) verbunden ist und wobei der Drain-Anschluss des ersten Transistors (T1) mit dem fünften Knoten (V5) oder dem sechsten Knoten (V6) verbunden ist wobei der dritte Widerstand (R3) zwischen den fünften Knoten (V5) und dem siebten Knoten (V7) geschaltet ist und wobei der zweite Widerstand (R2) zwischen den siebten Knoten (V7) und dem dritten Knoten (V3) geschaltet ist und wobei der erste Widerstand (R1) zwischen den dritten Knoten (V3) und dem Bezugspotenzial (IC_GND) geschaltet ist und wobei der dritte Knoten (V3) mit dem negativen Eingang (-) des Transkonduktanzverstärkers (OTA) verbunden ist und wobei der siebte Knoten (V7) mit der sicherheitsrelevanten Last (SL) verbunden ist und wobei die sicherheitsrelevante Last (SL) zwischen siebten Knoten (V7) und dem Bezugspotenzial (PCB_GND) geschaltet ist und wobei der zweite Transistor (T2) mit seinem Drain-Anschluss mit dem siebten Knoten (V7) verbunden ist und wobei der zweite Transistor (T2) mit seiner Steuerelektrode mit dem fünften Knoten (V5), ggf. über einen ersten Schalter (S1) verbunden ist und wobei der Wert des dritten Widerstands (R3) so hochohmig gestaltet ist, dass die Lastspannung (VL) zwischen dem siebten Knoten (V7) unmittelbar am Anschluss der sicherheitsrelevanten Last (SL) an diesen siebten Knoten (V7) und dem Bezugspotenzial (PVB_GND) die Spannung zwischen dem dritten Knoten (V3) gegenüber dem Bezugspotenzial (IC_GND) im Wesentlichen bestimmt.
Verfahren zu Regelung der Lastspannung (VL) einer sicherheitsrelevanten Last (SL), die gegen Lastspannungswerte der Lastspannung (VL) außerhalb eines sicheren Lastspannungsbereiches (SOA) empfindlich ist, mit den Schritten Regelung der Lastspannung (VL) über einen dominierenden Regelkreis (OTA, C1, V4, T1, V5, V6, T2, V7, SL, R2, R1, V3), falls dieser dominierende Regelkreis (OTA, C1, V4, T1, V5, V6, T2, V7, SL, R2, R1, V3) nicht unterbrochen ist und Regelung der Lastspannung (V7) über einen nicht dominierenden Regelkreis (OTA, C1, V4, T1, V5, R3, V7', R2, R1, V3), falls dieser dominierende Regelkreis (OTA, C1, V4, T1, V5, V6, T2, V7, SL, R2, R1, V3) unterbrochen ist.
Regelschaltung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem der dritte Widerstand (R3) geeignet ausgewählt wird, so dass im Falle einer Regelkreisunterbrechung (BWB) zwischen dem siebten Knoten (V7) und dem zweiten Transistor (T2) die Spannungserhöhung am Ausgang des ersten Transistors (T1, Knoten V4) gegenüber dem Anschluss am zweiten Widerstand (V7' an R2) näherungsweise der sich im nicht unterbrochenen Betrieb einstellenden Spannung zwischen dem sechsten Knoten (V6, Gate von T2) und dem Ausgang V7 (Source von T2) entspricht.