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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Ansteuern
bzw. Schalten wenigstens eines Verbrauchers, insbesondere mehrerer Verbraucher.
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Zum
Schalten mehrerer Verbraucher sind Halbleiterschaltmodule hinlänglich bekannt,
die mehrere Ausgänge
zum Anschließen
von Verbrauchern und wenigstens einen Eingang zum Zuführen eines Ansteuersignals
aufweisen, wobei das Ansteuersignal die Schalterstellungen der Schalter
vorgibt und beispielsweise von einem Mikrocontroller geliefert wird.
Ein bekanntes derartiges Halbleiterschaltmodul ist beispielsweise
der Baustein BTS 5210G der Infineon Technologies AG, München.
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4 zeigt beispielhaft eine
Schaltung mit einem bekannten derartigen Halbleiterschaltmodul 100,
an das drei Verbraucher angeschlossen sind, die abhängig von
einem Ansteuersignal S100 durch das Halbleiterschaltmodul 100 unabhängig voneinander
geschaltet werden können.
Das Ansteuersignal S100 wird in dem Beispiel durch einen Mikrocontroller μC geliefert,
der seinerseits durch eine Watchdog-Schaltung 200 überwacht
wird. Das von dem Mikrocontroller gelieferte Signal S100 ist beispielsweise ein
serielles Signal, welches die Steuersignale zur Ansteuerung der
in dem Halbleiterschaltmodul vorhandenen Halbleiterschalter zeitlich
aufeinanderfolgend enthält,
wobei dieses serielle Signal in dem Modul 100 in parallele
Ansteuersignale für
die Schalter umgesetzt wird.
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Die
Watchdog-Schaltung 200 ist neben dem Mikrocontroller μC auch an
das Halbleiterschaltmodul angeschlossen, um bei einem Fehler oder
Ausfall des Mikrocontrollers einen Notbetrieb des Moduls auszulösen. Im
Notbetrieb soll sichergestellt sein, dass die Halbleiterschalter
Schaltzustände
annehmen, die für die
jeweilige Anwendung bzw. die jeweiligen Verbraucher unkritisch sind.
Dient das Halbleiterschaltmodul beispielsweise zum Schalten der
Beleuchtung in einem Kraftfahrzeug, so sollten im Notbetrieb über die
Ausgänge
auf jeden Fall das Rücklicht
und das Abblendlicht eingeschaltet sein, nicht jedoch das Fernlicht.
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Für die Realisierung
des Notbetriebs bzw. zur Vorgabe eines Ansteuermusters für die Schalter in
Halbleiterschaltmodulen finden bislang folgende Konzepte Anwendung:
Die
Schaltzustände
der einzelnen Schalter während des
Notbetriebs werden durch eine feste Verdrahtung in dem Halbleiterschaltmodul
vorgegeben. Dies stellt eine einfach realisierbare, aber unflexible
Lösung
dar.
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Die
Schaltzustände
der einzelnen Schalter während
des Notbetriebs werden durch Software in dem Halbleiterschaltmodul
vorgegeben, wobei diese Software durch den Mikrocontroller während des
Anlaufens (Power Up) des Schaltmoduls initialisiert wird. Dies setzt
allerdings voraus, dass der Mikrocontroller während des Hochlaufens funktionsfähig ist, also
noch kein Störverhalten
zeigt, was allerdings nicht garantiert werden kann.
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Weiterhin
sind Halbleiterschaltmodule bekannt, bei denen der Schaltzustand
des wenigstens einen Schalters zusätzlich über einen sogenannten Direkteingang
des Halbleiterschaltmoduls eingestellt werden kann. Allerdings setzt
die Umschaltung auf diesen Direkteingang zur Ansteuerung des Schalters voraus,
dass der Mikrocontroller funktioniert und einen entsprechenden Befehl
an das Halbleiterschaltmodul zur Umschaltung auf den Direkteingang
sendet.
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Ziel
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zum
Schalten wenigstens eines Verbrauchers zur Verfügung zu stellen, bei welcher
ein Notbetrieb einfach und flexibel gewährleistet werden kann.
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Dieses
Ziel wird durch eine Schaltungsanordnung gemäß den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
zum Schalten wenigstens eines Verbrauchers umfasst wenigstens einen
ersten Schalter mit einem Ansteueranschluss und einer Laststrecke,
wobei die Laststrecke an wenigstens eine Ausgangsklemme der Schaltungsanordnung
angeschlossen ist. Die Schaltungsanordnung umfasst weiterhin eine
erste Eingangsklemme zur Zuführung
eines Eingangssignals, wenigstens eine zweite Eingangsklemme und eine
Schnittstellenschaltung, welche an die erste Eingangsklemme angeschlossen
ist. Die Schnittstellenschaltung weist wenigstens eine Ausgangsklemme zur
Bereitstellung wenigstens eines ersten Ansteuersignals auf. Außerdem ist
wenigstens eine Auswahlschaltung vorhanden, der das wenigstens eine
erste Ansteuersignal zugeführt
ist und der wenigstens ein zweites Ansteuersignal zugeführt ist,
das von einem an der wenigstens einen zweiten Eingangsklemme anliegenden
Signal abhängig
ist, wobei die Auswahlschaltung nach Maßgabe eines Steuersignals ein Ansteuersignal
für den
wenigstens einen Schalter aus dem wenigstens einen ersten Ansteuersignal und
dem wenigstens einen zweiten Ansteuersignal zur Verfügung stellt.
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Bei
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
kann ein Notbetrieb durch das Steuersignal eingeleitet werden, wobei
im Notbetrieb das Ansteuersignal des wenigstens einen Schalters
von einem an dem wenigstens einen zweiten Eingang anliegenden Signal
abgeleitet wird. Durch die äußere Beschaltung
dieses wenigstens einen zweiten Eingangs kann der Schaltzustand
des wenigstens einen Schalters individuell an die jeweilige Anwendung
angepasst eingestellt werden. Der Eingang kann hierfür beispielsweise
an ein vorgegebenes erstes oder zweites Potential angeschlossen
sein, das den Schaltzustand des wenigstens einen Schalters während des
Notbetriebs vorgibt.
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Während des
Normalbetriebs wird das Ansteuersignal des wenigstens einen Schalters
von dem an dem ersten Eingang anliegenden Signal durch die Schnittstellenschaltung
bereitgestellt, wobei dieses Ansteuersignal durch die Auswahlschaltung
während
des Normalbetriebs abhängig
von dem Steuersignal ausgewählt
wird.
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Das
erste Ansteuersignal ist vorzugsweise ein serielles Signal, das
zeitlich aufeinanderfolgend neben Ansteuerbefehlen für den wenigstens
einen Schalter verschiedene weitere Steuerbefehle enthalten kann,
wobei dieses serielle Signal durch die Schnittstellenschaltung in
eine Anzahl parallele Signale umgesetzt wird.
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Das
Steuersignal, welches den Notbetrieb des Schaltmoduls bestimmt,
liegt bei einer Ausführungsform
der Erfindung an einer dritten Eingangsklemme des Schaltmoduls an
und wird beispielsweise durch eine Watchdog-Schaltung bereitgestellt,
die einen das erste Ansteuersignal liefernden Mikrocontroller überwachen
kann.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung wird das Steuersignal intern in dem Schaltmodul durch
eine Steuersignalerzeugungsschaltung erzeugt. Diese Steuersignalerzeugungsschaltung
ist beispielweise dazu ausgebildet, dass sie Betriebsparameter in
dem Schaltmodul, wie z.B. die Temperatur, überwacht und bei Abweichen
eines der Betriebsparameter von einem Sollwert den Notbetrieb des Schaltmoduls
auslöst.
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Während des
Normalbetriebs des Schaltmoduls kann das an dem wenigstens einen
zweiten Eingang anliegende Signal als Steuersignal weiteren Komponenten
in dem Schaltmodul zugeführt
sein, so dass das an dem zweiten Eingang anliegende Signal nur während des
durch das Steuersignal vorgegebenen Notbe triebs als Ansteuersignal
für die
Halbleiterschalter dient. Dadurch können während des Normalbetriebs Signale
an die wenigstens eine zweite Eingangsklemme angelegt werden, die
von den Signalen während
des Notbetriebs abweichen, wobei nur während das Notbetriebs geeignete,
den Schaltzustand während
des Notbetriebs bestimmende Signale anliegen. Das an dem wenigstens
einen zweiten Eingang anliegende Signal wird bei dieser Ausführungsform
beispielsweise durch eine externe Schaltung ebenfalls nach Maßgabe des
Steuersignals geliefert, um im Fall des Notbetriebs ein Ansteuersignal für den wenigstens
einen Schalter bereitzustellen.
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Vorzugsweise
umfasst die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
mehr als einen Schalter und eine der Anzahl der Schalter entsprechende
Anzahl zweiter Anschlussklemmen, wobei die Schnittstellenschaltung
eine der Anzahl der Schalter entsprechende Anzahl erster Ansteuersignale
bereitstellt und der Auswahlschaltung eine der Anzahl der Schalter
entsprechende Anzahl zweiter Ansteuersignale zugeführt sind.
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Die
Auswahlschaltung umfasst vorzugsweise eine der Anzahl der Schalter
entsprechende Anzahl Auswahlschaltungen, wobei jeder der Auswahlschaltungen
eines der ersten Ansteuersignale und eines der zweiten Ansteuersignale
und das Steuersignal zugeführt
sind und jede der Auswahlschaltungen eines der Ansteuersignale bereitstellt.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand von
Figuren näher erläutert. In
den Figuren zeigt
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
zum Schalten wenigstens eines Verbrauchers die eine durch ein Steuersignal
angesteuerte Auswahlschaltung aufweist,
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
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3 ein
Ausführungsbeispiel
einer Auswahlschaltung,
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4 eine
Schaltungsanordnung nach dem Stand der Technik.
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In
den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen
gleiche Teile und Signale mit gleicher Bedeutung.
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1a zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zum
Schalten wenigstens eines Verbrauchers, wobei die dargestellte Schaltungsanordnung
beispielhaft zum Schalten von drei Verbrauchern ausgebildet ist. Die
Schaltungsanordnung umfasst drei Halbleiterschalter T1, T2, T3,
die in dem Ausführungsbeispiel als
Leistungs-MOSFET
ausgebildet sind, wobei die Laststrecken dieser Leistungstransistoren
in dem Ausführungsbeispiel
jeweils zwischen ein Versorgungspotential V1 und eine Ausgangsklemme
OUT1, OUT2, OUT3 geschaltet sind. Diese Schalter T1, T2, T3 dienen
jeweils zum Schalten einer an einer der Ausgangsklemmen OUT1, OUT2,
OUT3 anschließbaren
Last, wobei eine Last gestrichelt in 1 dargestellt
ist, die mit einem der Ausgangsklemme OUT1 abgewandten Anschluss
an ein Bezugspotential angeschlossen ist.
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Die
Halbleiterschalter T1, T2, T3 leiten oder sperren jeweils nach Maßgabe eines
Ansteuersignals S1, S2, S3. In dem Ausführungsbeispiel ist jedes dieser
Ansteuersignale S1, S2, S3 jeweils über eine Treiberschaltung DRV1,
DRV2, DRV3 einem Ansteueranschluss eines der Transistoren T1, T2,
T3 zugeführt.
Die Treiberschaltungen DRV1, DRV2, DRV3 dienen zum Umsetzen der
Logiksignale S1, S2, S3 auf einen zur Ansteuerung der Transistoren
T1, T2, T3 geeigneten Ansteuerpegel.
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Die
Ansteuersignale S1, S2, S3 werden nach Maßgabe eines Steuersignals CS
durch eine Auswahlschaltung 10 aus ersten Ansteuersignalen
S11, S12, S13 und zweiten Ansteuersignalen S21, S22, S23 bereitgestellt.
Die ersten Ansteuersignale S11, S12, S13 werden in dem Ausführungsbeispiel
durch eine Schnittstellenschaltung SPI geliefert, der ein an einem
ersten Eingang INS anliegendes serielles Eingangssignal Sser zugeführt ist.
Das serielle Eingangssignal umfasst zeitlich aufeinanderfolgend
Ansteuerbefehle für
die Halbleiterschalter T1, T2, T3 und gegebenenfalls weitere in
dem Schaltmodul verwendete Ansteuerbefehle, deren Verwendung in 1 nicht näher dargestellt ist, und die
in 1 gestrichelt an dem Schnittstellenmodul
SPI eingezeichnet sind. Die Schnittstellenschaltung SPI erzeugt
aus diesem seriellen Eingangssignal Sser drei erste Ansteuersignale
S11, S12, S13, wobei jedes dieser Ansteuersignale S11, S12, S13
nach Maßgabe
des Steuersignals CS zur Ansteuerung eines der Halbleiterschalter
T1, T2, T3 dient.
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Das
serielle Eingangssignal Sser wird beispielsweise durch einen in 1 gestrichelt dargestellten Mikrocontroller μC zur Verfügung gestellt.
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Die
zweiten Ansteuersignale S21, S22, S23 stehen jeweils an zweiten
Eingangsklemmen IN1, IN2, IN3 des Schaltmoduls zur Verfügung, wobei
die Erzeugung und Zuführung
dieser zweiten Schaltsignale S21, S22, S23 in dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1 dadurch erfolgt, dass die zweiten Eingangsklemmen
IN1, IN2, IN3 extern an ein erstes oder zweites Potential angeschlossen
sind. Bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1 bezeichnet V2 beispielsweise ein Potential,
bei welchem der zugehörige
Halbleiterschalter leiten soll, und V3 bezeichnet beispielsweise
ein Potential, bei welchem der zugehörige Halbleiterschalter sperren
soll.
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Die
Auswahlschaltung 10 ist dazu ausgebildet, nach Maßgabe des
Steuersignals CS die ersten Ansteuersignale S11, S12, S13 oder die
zweiten Ansteuersignale S21, S22, S23 als Ansteuersignale S1, S2,
S3 für
die Halbleiterschalter T1, T2, T3 auszugeben. Das Steuersignal CS
kennzeichnet vorzugsweise einen Normalbetrieb oder einen Notbetrieb
des Schaltmoduls, wobei im Normalbetrieb die aus dem seriellen Eingangssignal
Sser abgeleiteten ersten Ansteuersignale S11, S12, S13 als Ansteuersignale S1,
S2, S3 weitergegeben, und wobei während des Notbetriebs die zweiten
Ansteuersignale S21, S22, S23 als Ansteuersignale für die Halbleiterschalter
T1, T2, T3 weitergegeben werden. Welchen Schaltzustand der jeweilige
Schalter T1, T2, T3 während
des Notbetriebes annehmen soll, ist durch die externe Beschaltung
der zweiten Eingangsklemmen IN1, IN2, IN3 bestimmt, so dass die
Schaltzustände
der Schalter T1, T2, T3 während
des Notbetriebes in einfacher Weise abhängig vom Einsatzzweck des Schaltmoduls über die
externe Beschaltung in flexibler Weise vorgegeben werden können.
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Das
den Normal- oder Notbetrieb bestimmende Steuersignal CS wird bei
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1 durch eine Watchdog-Schaltung WD vorgegeben,
die den Mikrocontroller μC überwacht
und die das Steuersignal CS auf einen den Notbetrieb kennzeichnenden
Wert setzt, wenn ein Fehler des Mikrocontrollers μC detektiert
wird.
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1b zeigt
eine Abwandlung der in 1a dargestellten Ansteuerschaltung,
die sich von der in 1a dargestellten durch eine
Speicheranordnung 20 unterscheidet, die zwischen den Steuereingang INC
und die Auswahlschaltung 10 geschaltet ist. Diese Speicheranordnung 20 ist
in dem Beispiel mittels eines von der Schnittstellenschaltung SPI
gelieferten Rücksetzsignals
RS rücksetzbar.
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Die
Schaltungsanordnung nach 1a eignet
sich beispielsweise für
Watchdog-Schaltungen WD die so gestaltet sind, dass das die Betriebsart
bestimmende Steuersignal CS während
der gesamten Zeitdauer, während
der diese Betriebsart eingestellt sein soll, anliegt. Bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1b besteht
die Möglichkeit,
eine Watchdog-Schaltung einzusetzen, die nur kurze Impulse, beispielsweise
Rücksetzimpulse,
liefert die den Betriebsmodus bestimmen. Die Speicheranordnung 20, beispielsweise
ein RS-Flip-Flop, speichert den Wert dieses Impulses und stellt
ihn der Auswerteschaltung 10 zur Verfügung bis die Speicheranordnung 20 zurückgesetzt
wird, wobei der am Ausgang der Speicheranordnung 20 nach
dem Zurücksetzen
anliegende Wert einen anderen Betriebszustand bestimmt.
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Bei
einem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Schaltmoduls wird
das Steuersignal TS durch eine Steuersignalerzeugungsschaltung CC
intern in dem Schaltmodul erzeugt, wobei diese Steuersignalerzeugungsschaltung
CC beispielsweise Betriebsparameter des Schaltmoduls überwacht
und bei Abweichen eines oder mehrerer der Betriebsparameter von
einem Sollwert das Steuersignal CS auf einen den Notbetrieb kennzeichnenden
Wert setzt.
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Die
Auswahlschaltung 10, die nach Maßgabe des Steuersignals CS
die ersten Ansteuersignale S11-S13 oder die zweiten Ansteuersignale
S21-S23 als Ansteuersignale S1-S3 an die Halbleiterschalter T1-T3
ausgibt, enthält
beispielsweise eine der Anzahl der Halbleiterschalter T1-T3 entsprechende
Anzahl Umschalter, wobei jedem der Umschalter eines der ersten Ansteuersignale
S11-S13 und eines der zweiten Ansteuersignale S21-S23 zugeführt ist
und jeder der Umschalter eines der Ansteuersignale S1-S3 ausgibt.
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3 zeigt
im Detail eine solche Auswahlschaltung, die in dem Ausführungsbeispiel
drei Umschalter 11, 12, 13 aufweist,
wobei jedem der Umschalter eines der ersten Ansteuersignale S11-S13 und
eines der zweiten Ansteuersignale S21-S23 und das Steuersignal CS
zugeführt
sind. Der interne Aufbau des Umschalters 11 ist in 3 im
Detail dargestellt, die beiden anderen Umschalter 12, 13 sind
entsprechend aufgebaut.
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Der
Umschalter umfasst zwei UND-Gatter UD1, UD2 sowie ein den Ausgängen der
UND-Gatter UD1, UD2 nachgeschaltetes ODER-Gatter OR1, an dessen Ausgang das Ansteuersignal
S1 anliegt. Einem der Eingänge
des ersten UND-Gatters UD1 ist das erste Ansteuersignal S11 und
einem der Eingänge
des zweiten UND-Gatters
UD2 ist das zweite Ansteuersignal S21 zugeführt. Dem zweiten Eingang des
zweiten UND-Gatters UD2 ist das Steuersignal CS direkt und dem zweiten
Eingang des ersten UND-Gatters
UD1 ist das Steuersignal CS invertiert über einen Inverter INV zugeführt. Weist
das Steuersignal CS einen Low-Pegel
auf, so blockiert das zweite UND-Gatter UD2 das zweite Ansteuersignal
S21, während
das erste UND-Gatter UD1 das erste Ansteuersignal S11 passieren
lässt,
welches über
das ODER-Gatter
OR1 als Ansteuersignal S1 ausgegeben wird. Weist das Steuersignal
CS einen High-Pegel auf, der auf den Notbetrieb hinweist, so blockiert das
erste UND-Gatter UD1 das erste Ansteuersignal S11 und das zweite
Ansteuersignal S21 wird über das
zweite UND-Gatter UD2 und das nachgeschaltete ODER-Gatter OR1 als
Ansteuersignal S1 für
den ersten Halbleiterschalter T1 ausgegeben.
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Selbstverständlich sind
beliebige weitere Auswahlschaltungen im Zusammenhang mit der Erfindung
einsetzbar, welche abhängig
von dem Steuersignal CS eines der ersten Ansteuersignale S11-S13 oder eines der
zweiten Ansteuersignale S21-S23 passieren lassen.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1, bei dem die zweiten Eingangsklemmen
IN1, IN2, IN3 an feste Potentiale V1, V3 angeschlossen sind, dienen
die Eingangsklemmen IN1, IN2, IN3 ausschließlich zur Festlegung des Schaltzustandes
der Halbleiterschalter T1-T3 während
des Notbetriebes. Da während
des Normalbetriebes die an diesen Eingangsklemmen IN1-IN3 anliegenden
Signale nicht als Ansteuersignale für die Halbleiterschalter T1-T3 verwendet
werden, besteht darüber
hinaus die Möglichkeit,
während
des Normalbetriebs Signale an diese zweiten Eingangsklemmen IN1-IN3
anzulegen, die in weiteren Schaltungskomponenten des Schaltungsmoduls
verwendet werden, wie dies gestrichelt in 2 dargestellt
ist, wo mit 30 eine weitere Komponente des Schaltmoduls
bezeichnet ist. Durch eine geeignete Ansteuerung eines die zweiten
Ansteuersignale S21-S23 liefernde Schaltungsanordnung 40 abhängig von
dem Steuersignal CS muss bei dieser Ausführungsform gewährleistet
sein, dass bei einem Übergang
des Schaltmoduls in den Notbetrieb die an den Eingängen IN1-IN3
anliegenden Signale zur Ansteuerung der Halbleiterschaltung T1-T3
während des
Notbetriebs geeignete Signale sind.
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In
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 2 werden
die an den Eingängen
IN1-IN3 anliegenden Signale durch eine externe Schaltung 40,
der auch das Steuersignal CS zugeführt ist, bereitgestellt. Die Eingangssignale
sind insbesondere während
des Normalbetriebs einer Schaltungseinheit 30 zu deren Ansteuerung
zugeführt.
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- μC
- Mikrocontroller
- 10
- Auswahlschaltung
- 11,
12, 13
- Umschalter
- 30
- Schaltungseinheit
- 40
- Signalerzeugungsschaltung
- CC
- Steuersignalerzeugungsschaltung
- CS
- Steuersignal
- DRV1,
DRV2, DRV3
- Treiberschaltungen
- IN1,
IN2, IN3
- zweite
Eingänge
- INC
- Steuersignaleingang
- INs1
- erster
Eingang
- INV
- Inverter
- OR1
- ODER-Gatter
- OUT1,
OUT2, OUT3
- Ausgänge
- S1,
S2, S3
- Ansteuersignale
- S11,
S12, S13
- erste
Ansteuersignale
- S21,
S22, S23
- zweite
Ansteuersignale
- SPI
- Schnittstellenschaltung
- T1,
T2, T3
- Halbleiterschalter
- UD1,
UD2
- UND-Gatter
- V1
- Versorgungspotential
- V2,
V3
- Ansteuerpotentiale
- WD
- Watchdog-Schaltung