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Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung, insbesondere
für einen Überspannungsschutz
einer elektronischen Steuerung für
ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben der Schutzschaltung.
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Um Fehlfunktionen oder eine Zerstörung eines
Mikroprozessors zu verhindern, ist es nötig, die an Signal- und Spannungseingängen des
Mikroprozessors anliegenden Signale zu begrenzen.
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Eine firmenseitig bekannte Maßnahme zur Begrenzung
der Eingangssignale ist das sogenannte „Clamping" der Signale. Hierzu
wird ein Eingang eines Mikroprozessors, wie in 2 dargestellt, über eine erste Diode (D1) mit
der den Mikroprozessor versorgenden Spannung (VCC) verbunden. Dabei
ist die Anode der Diode mit dem Eingang verbunden. Eine zweite Diode
(D2), die mit ihrer Kathode mit dem Eingang verbunden ist, ist mit
ihrer Anode mit Masse verbunden. Auf diese Weise ist die maximale
Eingangsspannung gleich der Summe aus der Versorgungsspannung und
einer Schwellenspannung der jeweiligen Diode. Der in den Eingang
des Mikroprozessors fließende
elektrische Strom wird durch einen Widerstand begrenzt.
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Ein Nachteil dieser Schaltungsanordnung
ist, dass sich die Versorgungsspannung des Mikroprozessors erhöht, sobald
dieser sich in einem inaktiven Modus befindet und den über die
Schutzschaltung eingespeisten Strom nicht mehr verbrauchen kann.
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Ebenfalls ist firmenseitig bekannt,
diese Schaltungsanordnung durch eine Zenerdiode (D3), die zwischen
Masse und der Versorgungsspannung (VCC) geschaltet wird – wie in 2 ge strichelt dargestellt – zu ergänzen. Die
Zenerdiode (D3) wird leitend, sobald eine Schwellenspannung überschritten wird.
Dadurch wird ein Anstieg der Versorgungsspannung (VCC) verhindert.
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Aufgrund der oft engen Spannungstoleranzen
eines Mikroprozessors ist es jedoch meist nicht möglich, eine
Zenerdiode (D3) einzusetzen, da aufgrund der vorgegebenen Spannungsschwellen
entweder ein erheblicher Ruhestrom fließt oder die Spannung nicht
mehr in einem zulässigen
Betriebsspannungsbereich begrenzt wird.
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In 3 ist
eine dritte firmenseitig bekannte Schutzschaltung für einen
Mikroprozessor dargestellt. Bei dieser Schaltungsanordnung wird
jedem Eingang des Mikroprozessors eine Transistorstufe vorgeschaltet;
diese aus einem Transistor (T5), einer Diode (D5) und drei Widerständen (R5,
R6 und R7) bestehende Transistorstufe führt eine Potentialtrennung
durch. Aufgrund der Transistorstufe ist die Spannung am Eingang
des Mikroprozessors nie größer als
die am Mikroprozessor anliegende Versorgungsspannung.
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Hier erweist es sich als nachteilig,
dass aufgrund der Beschaltung eines jeden Eingangs eine wesentlich
größere Anzahl
von Bauteilen verwendet werden muss und auch jeder Transistor wiederum gegen
Zerstörung
durch eine Überspannung
geschützt
werden muss.
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Es ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Schutz von einem oder mehreren, an ein Kraftfahrzeugbordnetz angeschlossenen
Kraftfahrzeugsteuergeräten
gegenüber Überspannungsimpulsen bekannt
(
DE 197 42 391 C1 ).
Dort wird durch einen Sensor ein Überspannungsimpuls erfasst
und ein oder mehrere Verbraucher bei einem Auftreten einer solchen Überspannung
eingeschaltet. Auf diese Weise wird der Überspannungsimpuls rasch und
vor Erreichen seines Maximalwertes abgebaut und so die im Kraftfahrzeug
enthaltenen elektronischen Schaltungen und Steuergeräte geschützt. Bei
der bekannten Vorrichtung werden externe Verbraucher, wie beispielsweise
das Abblendlicht, eine Innenraumbeleuchtung, eine Klimaanlage, ein
Verstellmotor oder eine Zentralverriegelung angesteuert, um einen
auftretenden Überspannungsimpuls
zu kompensieren.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine
Schutzschaltung für
einen Mikroprozessor und ein Verfahren zum Betreiben der Schutzschaltung
zu schaffen, die einen Mikroprozessor einfach und zuverlässig vor Überspannungen
schützt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Schutzschaltung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein
Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 gelöst.
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Die Schutzschaltung weist eine Steuereinheit,
einen Spannungswandler und eine Schalteinheit auf. Der Spannungswandler
erzeugt aus einer externen Spannung eine interne Versorgungsspannung, die
die Steuereinheit mit Energie versorgt.
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Die Schalteinheit ist mit einem Eingang
der Steuereinheit elektrisch verbunden. Abhängig von der externen Spannung,
von der die interne Versorgungsspannung der Steuereinheit direkt
oder indirekt abhängig
ist, erzeugt die Schalteinheit ein Steuersignal an dem Eingang der
Steuereinheit.
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Beim Überschreiten eines vorbestimmten Schwellenwerts
wird durch das von der Schalteinheit erzeugte Steuersignal ein oder
auch mehrere Verbraucher zumindest teilweise zugeschaltet. Der zugeschaltete
Verbraucher wird dann von der internen Versorgungsspannung mit Energie
versorgt. Der interne Stromverbrauch steigt, wodurch ein Anstieg
der internen Versorgungsspannung verhindert wird.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung sind in den Unteransprüchen
beschrieben.
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Vorteilhafter Weise weist die Steuereinheit einen
Ruhe- und einen Betriebsmodus auf. Die Steuereinheit wird dann,
wenn die externe Spannung den Schwellwert überschreitet, zunächst vom
Ruhe in den Betriebsmodus geschaltet.
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Bei dem Ruhemodus handelt es sich
um einen Modus, in dem die Steuereinheit einen im Vergleich zum
Betriebsmodus geringeren Energiebedarf aufweist.
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Falls die Steuereinheit sich bereits
in dem Betriebsmodus befindet oder das Umschalten von dem Ruhemodus
in den Betriebsmodus nicht ausreicht, um die überwachte Spannung in den zulässigen Spannungsbereich
zurückzuführen, so
kann über
einen Ausgang des Mikroprozessors ein weiterer Verbraucher zugeschaltet
werden, die den Stromverbrauch des Systems weiter erhöht.
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Auf diese Weise wird der Stromverbrauch der
Schaltungsanordnung erhöht
und die die Steuereinheit versorgende Spannung reduziert.
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Auch wird so verhindert, dass die
Versorgungsspannung einen unzulässigen
Spannungsbereich erreicht.
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Auch können über weitere Ausgänge des
Mikroprozessors Informationen über
das Überschreiten einer
vorgegebenen Versorgungsspannungsschwelle weitergegeben werden.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
wird im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen,
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1 eine
erfindungsgemäße Schutzschaltung,
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2 eine
bekannte Schutzschaltung und 3 eine
weitere bekannte Schutzschaltung.
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Die in der 1 dargestellte Schaltungsanordnung weist
einen Mikroprozessor 1 auf, der mit dem Ausgang eines Span nungswandlers 2 elektrisch verbunden
ist und von diesem mit einer Versorgungsspannung VCC versorgt wird.
Der Spannungswandler 2 ist eingangsseitig mit einer nicht
dargestellten Batterie mit einer Nennspannung von 12 Volt elektrisch
verbunden. Die Batterie stellt eine Spannung UBAT zur Verfügung.
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Der Mikroprozessor 1 weist
einen ersten Eingang E1 und einen zweiten Eingang E2 sowie einen Ausgang
A1 auf.
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Der erste Eingang E1 ist über einen
aus zwei Widerständen
R1 und R2 bestehenden Spannungsteiler mit einem Steuereingang S1
verbunden. Über diesen
Steuereingang S1 werden dem Mikroprozessor 1 externe Steuersignale
zugeführt.
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Die Schaltungsanordnung weist weiter
eine erste Diode D1 und eine zweite Diode D2 auf. Die erste Diode
D1 ist mit ihrer Anode mit dem Eingang E1 und mit ihrer Kathode
mit der positiven Versorgungsspannung VCC verbunden. Die zweite
Diode D2 ist mit ihrer Kathode mit dem Eingang E1 und mit ihrer
Anode mit Masse verbunden.
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Der zweite Eingang E2 ist über einen
Widerstand R12 mit Masse verbunden. Des Weiteren ist der zweite
Eingang E2 mit einem Kollektor eines Transistors T10 verbunden.
Der Transistor T10 ist hier ein pnp-Transistor. Die Basis des Transistors T10
ist mit der positiven Versorgungsspannung VCC des Mikroprozessors 1 verbunden.
Der Emitter des Transistors T10 ist über eine Diode D10 und einen Widerstand
R10 mit dem positiven Anschluss der nicht dargestellten Batterie
verbunden. Zwischen dem Emitter und der Basis des Transistors T10
ist ein weiterer Widerstand R11 angeordnet.
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Der Ausgang A1 des Mikroprozessors 1 ist über einen
Verbraucher RL mit Masse verbunden.
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Überschreitet
die am Steuereingang S1 anliegende Spannung eine durch die Versorgungsspannung
VCC und die Schwellenspan nung der beiden Dioden D1 und D2 vorgegebenen
Schwellenspannung, so schaltet, je nachdem, ob die Schwellenspannung
zum positiven oder zum negativen hin überschritten wird, die Diode
D1 oder die Diode D2 durch und leitet die Überspannung an die Versorgungsspannung
VCC oder an Masse ab. Die Spannung am Eingang E1 ist dadurch auf
einen durch VCC, D1 und D2 vorgegebenen Wert begrenzt. Die Dioden
D1, D2 sind Schutzdioden, die eine Zerstörung des Mikroprozessors 1 durch
einen sog. „Latch-Up"-Effekt
verhindern. Steigt die Eingangsspannung über einen Schwellwert an, so
beginnt eine Kanal-Substrat Diode im Mikroprozessor 1 zu
leiten und überschwemmt
dadurch das Substrat mit Ladungsträgern. Dies kann zu einem Kurzschluss
der Versorgungsspannung VCC und somit zu einer Zerstörung des
Mikroprozessors führen.
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Überschreitet
die Batteriespannung UBAT einen vorbestimmten Spannungsschwellwert USCHWELLE,
so schaltet der Transistor T10 durch. Der Spannungsschwellwert USCHWELLE
wird durch geeignete Wahl des Transistors T10, der Diode D bestimmt.
Hier ist der Schwellwert USCHWELLE auf ca. 18 Volt festgelegt.
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Auf diese Weise wird der Eingang
E2 des Mikroprozessors von einem Low-Pegel auf einen High-Pegel
geschaltet, sobald die Batteriespannung UBAT den vorbestimmten Schwellwert
USCHWELLE überschreitet.
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Die Spannungspegel sind wie folgt
definiert:
Low-Pegel: 0 Volt < U < 0,05 Volt
High-Pegel:
4,95 Volt < U < 5 Volt
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Bei dem Eingang E2 handelt es sich
um einen „Wake
Up"-Eingang. Die
durch das Umschalten vom Low-Pegel zum High-Pegel entstehende Flanke am Eingang
E2 vom Mikroprozessor 1 als Wecksignal interpretiert.
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Hierdurch wird im Mikroprozessor
die folgende Reaktion ausgelöst:
- – falls
sich der Mikroprozessor im Ruhemodus befindet, so wird er in den
Betriebsmodus geschaltet, oder
- – falls
sich der Mikroprozessor bereits im Betriebsmodus befindet, so wird über den
Ausgang A1 ein weiterer Verbraucher RL zugeschaltet.
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Durch beide Maßnahmen wird der Stromverbrauch
der Schaltungsanordnung erhöht,
wodurch Spannungsspitzen kompensiert werden.
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Aufgrund des Wecksignal am Eingang
E2 wird ein hier nicht dargestellter Oszillator, der im Ruhemodus
ausgeschaltet ist, eingeschaltet. Dadurch erhöht sich der Stromverbrauch
des Mikroprozessors, da der Stromverbrauch bei einem CMOS-Bauelement von der
Schaltfrequenz abhängig
ist.
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Der Stromverbrauch eines als Beispiel
herangezogenen Mikroprozessors 1, der im Ruhemodus 60 bis
170 μA verbraucht,
erhöht
sich im Betriebsmodus auf einen Stromverbrauch von 50 mA.
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Der zulässige Spannungsbereich für die Versorgungsspannung
VCC sind von den zulässigen Spannungstoleranzen
der verwendeten Bauteile abhängig.
Dieser Spannungsbereich kann beispielsweise zwischen 4,7 und 5,2
V liegen.
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Zwischen dem Ausgang des Spannungswandlers 2 und
Masse ist ein Kondensator C angeordnet, der schnelle Spannungsspitzen,
die die Reaktionszeit des Mikroprozessors, um vom Ruhe- in den Betriebsmodus
zu schalten, unterschreiten zu glätten.
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Bei dem weiteren Verbraucher RL kann
es sich beispielsweise um einen Widerstand handeln, der Teil der
Schaltungsanordnung oder Teil eines Steuergeräts ist, die durch die Schaltungsanordnung vor Überspannung
geschützt
wird.
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Ein so erkanntes Überschreiten einer Schwellenspannung
kann auch für
weitere Funktionen verwendet werden. Beispielsweise kann es zum Abschalten
von Endstufen oder Eingängen,
die empfindlich gegen Überspannungen
sind, verwendet werden.
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Die Information, dass eine bestimmte
Spannungsschwelle überschritten
wurde, kann auch über einen
Fahrzeugbus an andere Steuergeräte
gesendet und/oder in einen Diagnosefehlerspeicher eingetragen werden.