DE19516918A1 - Steuergerät, insbesondere zur Steuerung von Funktionen eines Kraftfahrzeugs - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Steuergerät, insbesondere zur Steuerung von Funktionen eines Kraftfahrzeugs nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der EP-0 429 695 A1 ist ein Steuergerät, ins­ besondere zur Steuerung von Funktionen eines Kraftfahr­ zeugs bekannt, welches eine Steuerschaltung mit Digitalbauelementen zur Gewinnung eines Steuersignals aus einem Eingangssignal, und eine Leistungsschaltung mit Leistungsbauelementen zur Signal-Ausgabe aufweist.

Im Digitalteil verursachen hochfrequente Schaltvorgänge Hochfrequenz-Störungen, die vor allem über die Masse­ leitung abgestrahlt werden. Zur Reduktion dieser Abstrahlung sind der Leistungsschaltung einerseits und der Steuerschaltung mit einem Prozessor, Bus und weiteren Digitalbausteinen andererseits elektrisch voneinander isolierte flächenhafte Massen zugeordnet, die jeweils getrennt voneinander mit einer leitenden Grundplatte des Steuergerätes verbunden sind, und an die auch eine Massenleitung angeschlossen ist.

Durch die räumliche Trennung und elektrische Isolierung der der Leistungsschaltung zugeordneten flächenhaften Masse, der Leistungsmasse, und der der Steuerschaltung zugeordneten flächenhaften Masse, der Steuermasse, wird erreicht, daß zum einen die in der Leistungsschaltung fließenden hohen Strömen nicht über die Steuermassen­ schaltung fließen können, wodurch Masseversätze bzw. Potentialverschiebungen, welche die sichere Funktion der Digitalbauelemente stören können, hervorgerufen werden, und zum anderen, daß die hochfrequente Kopplung zwischen den beiden Massen wesentlich verringert wird.

Nachteilig bei dieser Schaltung ist es jedoch, daß trotz der Trennung der beiden Massen auftretende hochfrequente Störungen, die von den Digitalbauelemen­ ten hervorgerufen und von den Leistungsbauelementen der Leistungsschaltung verstärkt werden, immer über die gesamte Leistungsmasse und insbesondere auch über an das Steuergerät angeschlossene externe Leitungen abfließen. Hierdurch ergeben sich für hochfrequente Störströme verhältnismäßig große Stromschleifen, die ihrerseits aufgrund ihrer Antennenwirkung wiederum eine große Störabstrahlung hervorrufen.

Des weiteren ist es aus der Veröffentlichung "Machine Design", September 6, 1984, bekannt, zur Minimierung von hochfrequenten Störabstrahlungen in digitalen Schaltungen die Stromschleifen der hochfrequenten Störungen durch Unterteilung der digitalen Schaltung in mehrere kleine Bereiche möglichst klein auszubilden.

Nachteilig hierbei ist, daß die Unterteilung der Schaltung in viele kleine Bereiche einerseits sehr aufwendig ist, und daß andererseits die Störstrom­ schleifen nicht beliebig verkleinert werden können, da jeder Leiterplatten-Bereich zumindest die Größe eines oder mehrerer Bauteile aufweisen muß.

Es ist nun Aufgabe der Erfindung, ein Steuergerät, insbesondere zur Steuerung von Funktionen eines Kraftfahrzeugs dahingehend zu verbessern, daß hoch­ frequente Störströme nicht mehr über die gesamte Leistungsmasse und über eine daran angeschlossene externe Masse fließen und daß diese hochfrequenten Störströme im Vergleich mit denen bekannter Steuergerä­ te auf einfache Weise wesentlich stärker gedämpft werden. Insbesondere sollen hochfrequente Störstrom­ schleifen flächenmäßig möglichst klein ausgebildet sein.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung wird bei einem Steuergerät, insbesondere zur Steuerung von Funktionen eines Kraftfahrzeugs, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß durch das kennzeichnende Merkmal des Patentanspruchs 1 gelöst. Der Vorteil hierbei ist, daß durch die elektrische Verbindung der Steuermasse mit der Leistungsmasse durch wenigstens eine Kapazität zur Ausbildung eines Kurzschlusses in den hochfrequenten Störstromkreisen auf kürzestem Wege nur noch sehr kleine Störstromschleifen entstehen, im Vergleich zu der Stromschleife, die sich über die ansonsten existie­ rende galvanische Verbindung zwischen Steuermasse und Leitungsmasse ausbildet. Diese kleinen Störstrom­ schleifen wirken aufgrund ihrer kleinen Ausdehnung nur als kleine Antennen, welche Störsignale abstrahlen oder auch empfangen können. Hierdurch wird eine weitere erhebliche Verminderung der Abstrahlung oder des Empfangs von Störsignalen erreicht. Es wird auch verhindert, daß hochfrequente Störströme über die gesamte Leistungsmasse und über die an dieser angeord­ neten externen Leitungen abfließen oder auf benachbarte Leitungen überkoppeln können.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausführungs­ formen der Erfindung beschrieben. Beispielsweise ist es vorteilhaft, daß das Steuergerät eine Mehrlagenleiter­ platte aufweist, deren eine Lage, die Massenlage, sowohl die Steuermasse als auch die Leistungsmasse umfaßt. Dies verringert den technischen Aufwand zur Herstellung der beiden voneinander getrennten Massen im Vergleich zu bekannten Steuergeräten erheblich.

Vorzugsweise ist die Steuermasse von der Leistungsmasse durch einen nichtleitenden Spalt räumlich getrennt, der auf der Massenlage einfach als Unterbrechung der leitenden Beschichtung ausgebildet ist.

Zur galvanischen Verbindung der Steuermasse mit der Leistungsmasse und der beiden Massen mit einer externen Masseleitung ist auf der Massenlage vorzugsweise ein Massensternpunkt angeordnet. Auf diese Weise sind keine zusätzlichen Leitungen zur Verbindung der beiden Massen untereinander nötig, die als zusätzliche Störquellen für die Abstrahlung hochfrequenter Störsignale dienen können.

Um die Störstromschleifen in ihrer räumlichen Aus­ dehnung möglichst klein zu gestalten, sind die Kapazi­ täten vorteilhafterweise räumlich benachbart zu den Masseanschlüssen der Leistungsbauelementen angeordnet. Besonders vorteilhaft ist es, wenn jeweils jedem Leistungsbauelement eine Kapazität zugeordnet ist. Hierdurch werden mehrere sehr kleine Stromschleifen ermöglicht, die ihrerseits aufgrund ihrer kleinen Ausdehnungen auch nur eine sehr kleine Antennenwirkung zeigen.

Vorzugsweise sind die Kapazitäten direkt mit den Masseanschlüssen der Leistungsbauelemente sowie mit den Masseanschlüssen der Digitalbauelemente auf nieder­ ohmigstem Weg elektrisch leitend verbunden.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeich­ nung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 schematisch ein Steuergerät mit einer Mehr­ lagenleiterplatte, welche eine Steuerschal­ tung, eine Leistungsschaltung sowie eine Steuermasse und eine von dieser getrennte Leistungsmasse umfaßt und

Fig. 2 ein Steuergerät mit zwei Mehrlagenleiter­ platten, die jeweils eine Steuerschaltung, eine Leistungsschaltung, eine Steuermasse und eine von dieser getrennte Leistungsmasse umfaßt.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Der Grundgedanke vorliegender Erfindung besteht darin, bei einem Steuergerät, insbesondere zur Steuerung von Funktionen eines Kraftfahrzeugs, mit wenigstens einer Steuerschaltung, die Digitalbauelemente zur Gewinnung eines Steuersignals aus einem Eingangssignal umfaßt, mit wenigstens einer Leistungsschaltung, die Leistungs­ bauelemente zur Signal-Ausgabe umfaßt, mit wenigstens einer der Steuerschaltung zugeordneten ersten flächen­ haften Masse (Steuermasse) und mit wenigstens einer von der Steuermasse räumlich getrennten und mit Ausnahme einer galvanischen Verbindung zur Steuermasse elek­ trisch isolierten, der Leistungsschaltung zugeordneten zweiten flächenhaften Masse (Leistungsmasse) die Abstrahlung von hochfrequenten Störungen dadurch zu minimieren, daß die Stromschleifen der hochfrequenten Störströme durch wenigstens eine zusätzliche elek­ trische Verbindung der Steuermasse mit der Leistungs­ masse mittels Kapazitäten flächenmäßig möglichst klein ausgestaltet sind, so daß die mit den Stromkreisen verbundene Antennenwirkung möglichst gering ist.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, ist ein Steuergerät zur Steuerung von Funktionen eines Kraftfahrzeugs als Mehrlagenleiterplatte 1 ausgebildet, welche eine Steuerschaltung 2 mit Digitalbauelementen 3 und eine Leistungsschaltung 4 mit Leistungsbauelementen 6 umfaßt.

Dabei sind sowohl die Digitalbauelemente 3, beispiels­ weise Mikroprozessoren, Speicher und dgl. auf einem Bereich 7 der Leiterplatte als auch die Leistungs­ bauelemente 6 auf einem Bereich 8 der Mehrlagenleiter­ platte angeordnet.

Der Steuerschaltung 2 ist eine erste flächenhafte Masse, die Steuermasse 9, und der Leistungsschaltung 4 ist eine zweite flächenhafte Masse, die Leistungsmasse 11 zugeordnet. Die Steuermasse 9 ist von der Leistungs­ masse 11 räumlich getrennt und mit Ausnahme einer galvanischen Verbindung in Form eines Massensternpunk­ tes 15 elektrisch isoliert durch einen nichtleitenden Spalt 12. Bei der in Fig. 1 dargestellten Mehrlagenlei­ terplatte 1 sind sowohl die Steuermasse 9 als auch die Leistungsmasse 11 jeweils Teil einer einzigen Massenla­ ge. Der Spalt 12 ist dabei lediglich eine Unterbrechung der leitenden Beschichtung dieser Massenlage.

An der Mehrlagenleiterplatte 1 ist zum Anschluß externer Leitungen eine Steckerleiste 13 angeschlossen, deren einer Pin 14 mit wenigstens einer externen Masseleitung (nicht dargestellt) verbunden ist. Der Pin 14, die Steuermasse 9 und die Leistungsmasse 11 sind an einem gemeinsamen auf der Massenlage angeordneten Massensternpunkt 15 miteinander elektrisch leitend verbunden. Dabei ist der Pin 14 vorzugsweise direkt auf der Massenlage angeordnet und mit dieser kontaktiert. Auf diese Weise entfallen sämtliche Verbindungsleitun­ gen zwischen der Steuermasse 9, der Leistungsmasse 11 und dem Pin 14. Wie aus Fig. 1 weiter hervorgeht, führt der Leistungsstromweg an der Steckerleiste 13 vorbei, hin zu dem Pin 14 und wird über diesen durch die (nicht dargestellte) externe Massenleitung abgeführt (vgl. Pfeile A).

Eine durch die Digitalbauelemente 3 hervorgerufene hochfrequente Störung - beispielsweise durch eine steile Signalflanke - würde nun über die Leistungs­ bauelemente 6, beispielsweise Leistungsendstufen zur Verstärkung der Signale, ebenfalls entlang dem mit den Pfeilen A gekennzeichneten Leistungsstromweg hin zu der Masseleitung abgeführt. Auf diese Weise würde sich eine verhältnismäßig große Stromschleife ergeben, die als sehr gute Antenne zur Abstrahlung, aber auch zum Empfang von Störungen wirken würde. Darüber hinaus würde die externe Masseleitung als weitere Antenne wirken.

Um diese großen Stromschleifen zu verhindern, sind benachbart zu den Leistungsbauelementen 6 Kapazitäten 16 angeordnet, die jeweils einen Kurzschluß in den hochfrequenten Störstromkreisen auf kürzestem Wege ermöglichen. Durch diese Kurzschlüsse wird der Stromweg von der Quelle der Störströme zur Senke wesentlich verringert, wodurch sich die Antennenwirkung dieser Störstromkreise erheblich reduziert.

Vorzugsweise sind die Kapazitäten 16 räumlich benach­ bart zu den Leistungsbauelementen 6 angeordnet, wobei jedem Leistungsbauelement 6 eine Kapazität 16 zugeord­ net ist. Hierdurch ergeben sich besonders kleine Störungsstromschleifen und damit besonders kleine Antennen.

Die Kapazitäten 16 sind dabei direkt mit den Massean­ schlüssen der Leistungsbauelemente 6 sowie mit den Masseanschlüssen der Digitalbauelemente 3 auf nieder­ ohmigstem Weg elektrisch leitend verbunden. Sie sind vorzugsweise mit den Anschlußbeinen der Masseanschlüsse der Leistungsbauelemente 6 und beispielsweise mit der Massefläche des Rechnerkerns elektrisch leitend verbunden.

Die Kapazitäten 16 sind vorzugsweise Keramikkondensato­ ren oder Filmkondensatoren.

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Steuerschaltung, insbesondere zur Steuerung von Funktionen eines Kraftfahrzeugs. Die Ausführungsform gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von derjenigen gemäß Fig. 1 nur dadurch, daß zwei Mehrlagenleiterplatten 1 vorgesehen sind, welche jeweils wenigstens eine Steuerschaltung 2, wenigstens eine Leistungsschaltung 4 sowie diesen jeweils zugeordnete Steuermassen 9 und Leistungsmassen 11 aufweisen. Die Steuermassen 9 und die Leistungsmassen 11 sind auch hierbei durch einen elektrisch nichtleitenden Spalt 12 räumlich voneinander getrennt. Jede Mehrlagenleiterplatte 1 umfaßt des weiteren eine Steckerleiste 13.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, sind die beiden Mehr­ lagenleiterplatten 1 über einen Leiterplattenverbinder 17 miteinander verbunden. Die beiden Leistungsmassen 11 sind über eine Massenleitung 18 miteinander verbunden. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, weist eine der beiden Mehrlagenleiterplatten 1 den Massensternpunkt 15 auf, an dem die Steuermassen 9 und die Leistungsmassen 11 der beiden Mehrlagenleiterplatten 1 mit einem Massen­ anschlußpin 14 einer der beiden Steckerleisten 13 verbunden ist. Die beiden Mehrlagenleiterplatten 1 sind vorzugsweise übereinander liegend in dem Steuergerät montiert.

Selbstverständlich ist es auch möglich, mehr als zwei Mehrlagenleiterplatten 1 miteinander auf die beschrie­ bene Weise zu verknüpfen.

Claims (7)

1. Steuergerät, insbesondere zur Steuerung von Funktionen eines Kraftfahrzeugs, mit wenigstens einer Steuerschaltung, welche Digitalbauelemente zur Gewinnung eines Steuersignals aus wenigstens einem Eingangssignal umfaßt, mit wenigstens einer Leistungsschaltung, welche Leistungsbauelemente zur Signal-Ausgabe umfaßt, mit wenigstens einer der Steuerschaltung zugeordneten ersten flächen­ haften Masse (Steuermasse) und mit wenigstens einer von der Steuermasse räumlich getrennten und mit Ausnahme einer galvanischen Verbindung zur Steuermasse elektrisch isolierten, der Leistungs­ schaltung zugeordneten zweiten flächenhaften Masse (Leistungsmasse), dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermasse (9) mit der Leistungsmasse (11) zur Ausbildung eines Kurzschlusses in hoch­ frequenten Störstromkreisen auf kürzestem Wege über wenigstens eine Kapazität (16) elektrisch verbunden ist.

2. Steuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Steuermasse (9) von der Leistungs­ masse (11) durch wenigstens einen nichtleitenden Spalt (12) räumlich getrennt ist.

3. Steuergerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät wenigstens eine Mehrlagenleiterplatte aufweist, deren eine Lage (Massenlage) sowohl die Steuermasse (9) als auch die Leistungsmasse (11) umfaßt.

4. Steuergerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Steuermasse (9), die Leistungsmasse (11) und wenigstens ein Anschluß (14) für eine externe Masseleitung an einem gemeinsamen, auf der Massenlage angeordneten Massensternpunkt (16) miteinander elektrisch leitend verbunden sind.

5. Steuergerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitäten (16) räumlich benachbart zu den Leistungsbauelementen (6) angeordnet sind.

6. Steuergerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß jedem Leistungsbauelement (6) jeweils eine Kapazität (16) zugeordnet ist.

7. Steuergerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kapazitäten (6) direkt mit den Masseanschlüssen der Leistungsbauelemente (16) sowie mit den Masseanschlüssen der Digitalbauele­ mente (3) auf niederohmigstem Weg elektrisch leitend verbunden sind.