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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Erkennen eines Kurzschlusses mit einer zwischen den Potentialen einer Energieversorgung verschalteten Serienschaltung aus zumindest einem steuerbaren elektronischen Schaltelement und einer Last.
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Eine solche Last können beliebige Verbraucher insbesondere in einem Kraftfahrzeug sein, wie beispielsweise Leuchten, Motoren oder andere Aktoren.
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Als Energieversorgung kann jede Art von Spannungsquelle dienen, die eine Spannung bereitstellt, die durch die Potentialdifferenz der zwei Potentiale der Energieversorgung definiert ist.
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Die schaltbare Stromversorgung solcher elektrischer Verbraucher wird häufig mit Leistungs-MOSFETs als steuerbare elektronische Schaltelemente gelöst. Die MOSFETs lassen sich über ein geeignetes digitales Eingangssignal, das beispielsweise von einem Mikroprozessor erzeugt wird, ansteuern und damit der Verbraucher oder die Last betätigt oder wieder abgeschaltet werden.
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Besondere Ausführungsformen solcher MOSFETs können auch Statusinformationen über den Betriebszustandes des MOSFETs liefern und / oder einen Ausgang aufweisen, an dem ein Signal anliegt, das dem Wert des den MOSFET durchfließenden Stromes repräsentiert. Solche MOSFETs werden meist als SENSEFETs bezeichnet.
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Das elektronische Schaltelement kann zwischen dem hohen Potential der Energieversorgung und der Last oder zwischen dem niederen Potential der Energieversorgung und der Last angeordnet sein und wird üblicherweise als High-Side-Schalter bzw. als Low-Side-Schalter bezeichnet. Es ist auch möglich, beide Varianten gleichzeitig zu verwenden.
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Ein Kurzschluss der Last führt dazu, dass sich die Umgebungswerte wie beispielsweise der Strom, die Temperatur oder die Versorgungsspannung verändern. Üblicherweise erhöht sich der Strom bei einem Kurzschluss, da der Widerstand deutlich kleiner wird und in Folge davon auch die Temperatur. Es kann allerdings auch sein, dass aufgrund der höheren Belastung der Energieversorgung aufgrund des Kurzschlussstromes deren Ausgangsspannung abnimmt.
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Es ist in solch einem Fall zumeist möglich, dass entweder der MOSFET selber abschaltet oder über die ausgelesene Statusinformation kann die Software im Mikroprozessor dafür entscheiden, den MOSFET abzuschalten, so dass er vom Mikroprozessor entsprechend angesteuert wird.
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Die Schwierigkeit liegt nun darin, zwischen fehlerfreien und fehlerhaften Systemen eindeutig zu unterscheiden. Es werden üblicherweise drei Fälle unterschieden:
- 1) Fehlerfrei: Umgebungswerte sind besser, als das „worst performing acceptable“ (WPA) System
- 2) Fehlerhaft: Umgebungswerte sind schlechter, als das „best performing unacceptable“ (BPU) System
- 3) Keine Aussage möglich: Umgebungswerte liegen zwischen den beiden Schwellwerten.
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Üblicherweise werden die Umgebungswerte eines „best performing unacceptable“ (BPU) Systems als Entscheidungskriterium definiert.
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Bei einer Temperaturüberwachung muss jedoch beachtet werden, dass umgebungstemperaturabhängig lange genug ein erheblich höherer Strom fließen muss, als in einem fehlerfreien System, damit die Temperatur des MOSFETs die kritische Grenze erreicht.
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Bei einer Stromüberwachung muss hingegen beachtet werden, dass im Falle eines Kurzschlusses die Versorgungsspannung einbrechen kann und somit über den MOSFET auch weniger Strom fließt.
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In beiden Fällen kann weder eine Selbstschutzschaltung noch eine Überwachung des Stromwertes per Software die MOSFETs abschalten.
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Wenn auf der anderen Seite ein MOSFET häufig wegen erhöhten Stroms abschaltet, kann er beschädigt werden, wobei dann ggf. das gesamte Steuergerät, in dem der MOSFET verbaut ist, ausgetauscht werden muss.
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Bei einer zu niedrigen Versorgungsspannung kann ein Kurzschluss nicht robust erkannt werden.
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Aus der
DE 10 2008 018 244 B3 ist bekannt, zum Erkennen eines Kurzschlusses gegen Batteriespannung oder gegen Masse an geeigneten Stellen der Schaltung eine Spannung einzuprägen und den Strom zu messen oder umgekehrt. Hierzu sind allerdings entweder präzise Spannungs- oder Stromquellen erforderlich.
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US 2008 / 0 093 924 A1 betrifft eine Stromversorgungs-Steuerungsvorrichtung für elektrische Lasten, die in einem elektronischen Steuergerät im Fahrzeug verwendet werden, und insbesondere eine Stromversorgungs-Steuerungsvorrichtung, die eine Unterbrechung und Kurzschlussanomalie eines Stromversorgungsschaltkreises für elektrische Lasten, die mit einer Fahrzeugkarosserie an einem negativen Anschluss davon verbunden sind, erkennt.
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DE 10 2004 009 006 A1 betrifft betrifft ein Verfahren zur Funktionsprüfung einer Lampenschaltung, bestehend aus mindestens einer Lampe, durch Messung von Strom und Spannung. Dabei wird ein Widerstandswert berücksichtigt, welcher als ein Polynom zumindest 1. Ordnung, vorzugsweise 3. Ordnung, abhängig von der aktuell gemessenen Spannung an der Lampenschaltung vorgegeben wird, wobei die Parameter des Polynoms durch eine zumindest der Ordnung des Polynoms entsprechende Anzahl von Messungen bei bekannten sich unterscheidenden Betriebsbedingungen bestimmt werden und der spezifische Widerstandswert oder eine daraus abgeleitete Größe mit einem Vorgabewert verglichen werden.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, hier Abhilfe zu schaffen.
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Die Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung zum Erkennen eines Kurzschlusses mit einer zwischen den Potentialen einer Energieversorgung verschalteten Serienschaltung aus zumindest einem steuerbaren elektronischen Schaltelement und einer Last gelöst, die mit einer Strommesseinrichtung, die den durch das elektronische Schaltelement und die Last fließenden Strom erfasst, und mit einer Spannungsmesseinrichtung, die die über der Serienschaltung oder der Last abfallende Spannung erfasst, gebildet ist. Sie weist außerdem eine Verarbeitungseinrichtung auf, die mit der Strommesseinrichtung und der Spannungsmesseinrichtung verbunden ist und eingerichtet ist, aus dem gemessenen Strom und der gemessenen Spannung einen Widerstandswert zu berechnen und an einem Ausgang zur Verfügung zu stellen. Eine Vergleichereinrichtung ist mit dem Ausgang der Verarbeitungseinrichtung verbunden und eingerichtet, den Widerstandswert mit zumindest einem Grenzwert für einen Widerstand zu vergleichen und bei einer Abweichung an einem Ausgang anzuzeigen, dass ein Kurzschluss der Last vorliegt.
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Mit der beschriebenen Lösung kann der Widerstandbereich erweitert werden, mit anderen Worten, es können Kurzschlüsse mit einem höheren Widerstand erkannt werden. Der Kurzschluss kann unabhängig vom Pegel der Versorgungsspannung erkannt werden. Der Kurzschluss kann auch bereits bei niedrigeren Strömen erkannt werden, wodurch ein besserer Komponentenschutz erreicht wird.
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Erfindungsgemäß ist die Strommesseinrichtung in das elektronische Schaltelement integriert. Dies reduziert den Platzbedarf.
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Erfindungsgemäß ist das elektronische Schaltelement als SENSEFET ausgebildet.
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Erfindungsgemäß ist der Ausgang der Vergleichereinrichtung mit einem Steuereingang des elektronischen Schaltelements verbunden, wodurch das elektronische Schaltelement bei einem Kurzschluss der Last abgeschaltet wird.
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Es wird also nicht nur ein Kurzschluss erkannt, sondern auch eine Schutzmaßnahme getroffen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen
- 1 ein Prinzipschaltbild einer Schaltungsanordnung zum Erkennen eines Kurzschlusses und
- 2 ein Ersatzschaltbild für die wesentlichen Widerstandswerte.
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Im Prinzipschaltbild der 1 ist eine Last als Widerstand RL dargestellt und mit einem Anschluss mit dem niederen Potential GND einer Energieversorgung verbunden. Mit ihrem anderen Anschluss ist die Last über ein elektronisches Schaltelement T mit dem hohen Potential Uv der Energieversorgung verbunden. Die Last ist hier zwar als ohmscher Widerstand RL dargestellt, kann jedoch auch induktiv oder kapazitiv sein oder zumindest induktive oder kapazitive Anteile aufweisen.
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Das elektronische Schaltelement T ist als MOSFET ausgebildet, der in der dargestellten Ausführungsform ein SENSEFET ist, also einen weiteren Ausgang aufweist, an dem ein Wert abgreifbar ist, der dem durch das Schaltelement T fließenden Strom Im proportional ist. In dem elektronischen Schaltelement T ist also eine Strommesseinrichtung STME integriert. Dieser Ausgang des elektronischen Schaltelements T bzw. der Strommesseinrichtung STME ist mit einer Verarbeitungseinheit VAE ebenso verbunden wie der Anschluss des hohen Potentials Uv der Energieversorgung, wodurch die Spannung Um an diesem Anschluss ebenfalls der Verarbeitungseinheit VAE zugeführt wird. Diese bildet in erfindungsgemäßer Weise aus dem gemessenen Spannungswert Um und dem gemessenen Stromwert Im einen Widerstandswert, der einer Vergleichereinrichtung VGE zugeführt und dort mit einem Referenzwert Ref1 verglichen wird. Wenn der berechnete Widerstandswert unterhalb des Referenzwertes Ref1 liegt, der ermittelte Widerstandswert also kleiner als der Referenzwert Ref1 ist, wird davon ausgegangen, dass ein Kurschluss vorliegt, was einem Mikroprozessor µP signalisiert wird, welcher das elektronische Schaltelement T aufgrund des Verarbeitungssignals ansteuert und in diesem Falle aufgrund des erkannten Kurzschlusses abschaltet, um eine Beschädigung des elektronischen Schaltelements T und/oder der Last zu vermeiden.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Spannung am Verbindungspunkt des hohen Potentials Uv der Energieversorgung und des elektronischen Schaltelements T mit einer Spannungsmesseinrichtung SPME gemessen, es wäre ebenso möglich, die Spannung zwischen dem elektronischen Schaltelement T und dem Lastwiderstand RL abzugreifen, wobei in beiden Fällen die Spannung gegen das Massepotential GND gemessen wird. Es wäre auch möglich die Spannung über dem Widerstand RL zu messen.
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Die 2 zeigt ein Ersatzschaltbild der Energieversorgung und der Serienschaltung aus dem elektronischen Schaltelement T und dem Lastwiderstand RL. Die Energieversorgung ist als Spannungsquelle dargestellt, die eine Leerlaufspannung U0 und einen Innenwiderstand RI aufweist; das elektronische Schaltelement T wird mit einem Durchlasswiderstand RE repräsentiert und ein Kurzschluss soll mit einem kleinen Widerstand RK realisiert sein und einen Wert von ungefähr 0 Ohm haben.
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Durch die Berechnung des Verhältnisses der gemessenen Spannung Um und des gemessenen Stromes Im in der Verarbeitungseinheit VAE wird ein Wert für den Gesamtwiderstand ermittelt, der insbesondere von dem Kurzschlusswiderstand abhängt und dann mit einem Referenzwert Ref1 verglichen werden kann, um festzustellen ob der Gesamtwiderstand unterhalb eines vorgegebenen Wertes liegt und damit auf einen Kurzschluss geschlossen werden kann.
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Durch diese erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann ein Kurzschluss präzise festgestellt werden, selbst wenn die Versorgungsspannung Uv der Energiequelle bei einem Kurzschlussstrom einbrechen sollte.
