DE19604042C1

DE19604042C1 - Schaltungsanordnung zum Erkennen des Leerlaufs einer Last

Info

Publication number: DE19604042C1
Application number: DE19604042A
Authority: DE
Inventors: Jenoe Dr Tihanyi
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 1996-02-05
Filing date: 1996-02-05
Publication date: 1997-04-10
Anticipated expiration: 2016-02-06

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Für viele Anwendungszwecke, zum Beispiel in Kraftfahrzeugen, ist es erwünscht, den Ausfall einer Last, zum Beispiel einer Glühlampe für die Fahrzeugbeleuchtung, durch Anzeige am Be dienungsfeld zu erkennen. Da die Last im allgemeinen räumlich vom Bedienungsfeld entfernt ist, scheidet die Überwachung der Spannung an der Last selbst aus, da hierfür zusätzliche Lei tungen benötigt würden. Aus der EP 0 365 697 B1 ist eine Schaltungsanordnung zum Erkennen des Leerlaufs einer Last nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, bei der der Spannungsabfall am elektronischen Leistungsschalter vermit tels eines Komparators mit einer vorbestimmten Referenzspan nung verglichen wird. Unterschreitet die am Leistungsschalter abfallende Spannung einen vorbestimmten Wert, liefert die Schaltungsanordnung ein dem Leerlauf der Last entsprechendes Signal. Zwar ist eine Temperaturkompensation für die tempera turabhängige Änderung des Einschaltwiderstandes des elektro nischen Leistungsschalters vorgesehen, wodurch bei einer ge ringerwerdenden Temperatur und damit einhergehend Abnahme des Einschaltwiderstandes des Leistungsschalters auch die zu er fassende Spannung mit abnehmender Temperatur kleiner wird. Wegen der Temperaturunabhängigkeit der Offset-Spannung bei der vorbekannten Schaltung wird allerdings die Genauigkeit der Leerlauferkennung mit sinkender Bauelemente-Temperatur zunehmend schlechter. Bei zu geringen Temperaturen kann es daher vorkommen, daß fälschlicherweise ein dem Leerlauf der Last entsprechendes Signal ausgegeben wird, obwohl die dafür vorbestimmten Kriterien eigentlich nicht erfüllt sind.

Aus der US 4 093 874 ist eine zwischen den Source- und Gate elektroden eines MOSFET-Schalters verbundene Kompensations schaltung bekannt geworden, welche eine in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur variable Steuerspannung zur Kompensation des aufgrund von Temperaturschwankungen abhängigen Durch schaltwiderstands des MOSFET-Schalters an den Steueranschluß des Schalters ausgibt. Die Regelung der Steuerspannung er folgt hierbei im wesentlichen unter Verwendung eines Heißlei ters, also eines temperaturabhängigen Widerstands. Bei einem weiteren ähnlichen Stand der Technik nach der US 4 220 877 wird das Temperaturverhalten eines Bipolartransistors sowie zweier Widerstände ausgenutzt, um die Gatespannung eines MOSFET-Schalters im Hinblick auf einen konstanten Durchschaltwi derstand zu regeln. Bei den beiden vorbekannten Kompensati onsschaltungen werden sonach Elemente zur Regelung herangezo gen, die eine bestimmte Temperaturcharakteristik aufweisen, mit der das Temperaturverhalten des MOSFET-Schalters kompen siert werden kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs erwähnten Gattung anzugeben, bei der die Genauigkeit der Leerlauferkennung insbesondere auch bei schwankenden Umgebungstemperaturen verbessert werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die Schaltungsanordnung gemäß An spruch 1 gelöst.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß dem Steueranschluß des elektronischen Leistungsschalters eine Steuerschaltung zugeordnet ist, welche eine in Abhängigkeit der Umgebungstempera tur variable Steuerspannung zur Kompensation des aufgrund von Temperaturschwankungen abhängigen Durchschaltwiderstands des elektronischen Leistungsschalters an den Steueranschluß des Leistungsschalters ausgibt.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht im wesentlichen darin, die Steuerspannung des elektronischen Leistungsschalters in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur derart zu variieren, daß der Widerstandswert des Leistungsschalters im durchgeschalte ten Zustand, der sogenannte Ein-Widerstandswert (R_on) stets denen Wert annimmt, den er im warmen Betriebszustand haben würde.

Dem Prinzip der Erfindung folgend kann vorgesehen sein, daß die Steuerschaltung einen elektronischen Referenzschalter, einen temperaturunabhängigen Widerstand und eine sowohl dem elektronischen Referenzschalter, als auch dem temperaturunab hängigen Widerstand zugeordnete Regelungsschaltung aufweist, welche Regelungsschaltung die Steuerspannung des Referenz schalters so regelt, daß der Widerstandswert des Referenz schalters im durchgeschalteten Zustand gleich dem Wider standswert des temperaturunabhängigen Widerstands ist.

Der temperaturunabhängige Widerstand besitzt einen Wider standswert, der dem des Referenzschalters im durchgeschalte ten Zustand und im warmen Betriebszustand entspricht. An den Eingängen der Regelungsschaltung liegen die am temperatur unabhängigen Widerstand und am Referenzschalter abfallenden Spannungen an, der Ausgang der Regelung führt an die mitein ander verbundenen Steueranschlüsse von Leistungs- und Refe renzschalter. Die Differenz der am temperaturunabhängigen Wi derstand und am Referenzschalter abfallenden Spannungen bil det die Regelgröße, und die Steuerspannung von Leistungs- und Referenzschalter bildet die Stellgröße des Regelkreises. Der Sollwert der Regelgröße ist null, d. h. die am temperaturunab hängigen Widerstand und am Referenzschalter abfallenden Span nungen sollen gleich groß sein. Die Regelungsschaltung gibt eine variable Steuerspannung derart aus, daß am Referenz schalter die gleiche Spannung abfällt wie am temperaturunab hängigen Widerstand. Der Leistungsschalter und der Referenz schalter verhalten sich unabhängig von der Temperatur so, wie sie sich im warmen Betriebszustand verhalten würden. Dies führt dazu, daß der von der Erkennungsschaltung erfaßte Span nungsabfall am Leistungsschalter nur noch von der Last ab hängt, sofern als Versorgungsspannung eine Konstantspannungs quelle angenommen wird.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteran sprüche.

Weitere Merkmale, Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausfüh rungsbeispieles anhand der einzigen Figur.

Das in der Figur dargestellte Ausführungsbeispiel einer er findungsgemäßen Schaltungsanordnung weist einen elektroni schen Leistungsschalter 1 in der Form eines Leistungs-MOSFET auf, welcher eine sourceseitig in Reihe geschaltete Last 2 schaltet. Die aus dem elektronischen Leistungsschalter 1 und der Last 2 bestehende Reihenschaltung liegt an Klemmen 3 und 4 an, die mit einer konstanten Versorgungsspannung V_bb beauf schlagt sind. Der Steueranschluß des elektronischen Lei stungsschalters 1 ist mit einer schematisch angedeuteten La dungspumpe 8 verbunden, welche eine geeignete Gatespannung liefert. Der Sourceanschluß des Leistungsschalters 1 ist mit dem Eingang 5 einer Erkennungsschaltung 7 verbunden, deren weiterer Eingang 6 mit der Klemme 3 gekoppelt ist. Damit liegt zwischen den Eingängen 5 und 6 der Erkennungsschaltung 7 die am Leistungsschalter 1 abfallende Spannung an.

Die Erkennungsschaltung 7 besitzt intern, was in der Figur nicht explizit dargestellt ist, einen Komparator und eine Re ferenzspannungsquelle, an dessen einem Eingang eine aus der Versorgungsspannung V_bb abgeleitete Referenzspannung anliegt, und an dessen anderem Eingang die am Leistungsschalter abfal lende Spannung anliegt, wobei die Referenzspannung kleiner als die bei Netzstrom am Leistungsschalter abfallende Span nung und größer als die bei Leerlauf am Leistungsschalter ab fallende Spannung ist. Wegen näherer Einzelheiten und Merkma le zur Erkennungsschaltung 7 und der darin enthaltenen Schal tungsbestandteile aufweisend insbesondere einen Komparator und eine Referenzspannungsquelle wird ausdrücklich auf die EP 0 365 697 B1 verwiesen und vollinhaltlich bezuggenommen. Die Funktionsweise der Erkennungsschaltung 7 besteht im wesentli chen darin, daß bei einem Unterschreiten der an den Eingängen 5 und 6 anliegenden Spannung bezüglich der vorbestimmten Re ferenzspannung die Erkennungsschaltung 7 an deren Ausgang 9 ein dem Leerlauf der Last entsprechendes Signal liefert. Da der von der Erkennungsschaltung 7 erfaßte Spannungsabfall ge mäß Erfindung temperaturunabhängig ist, ist innerhalb der Er kennungsschaltung 7 im Gegensatz zu der aus der EP 0 365 697 B1 bekannten Schaltung keine weitere Sollwertkorrelation über die Temperatur erforderlich. Dennoch ermöglicht die erfin dungsgemäße Schaltung eine größere Genauigkeit und im ganzen Temperaturbereich konstante Leerlauferkennung.

Parallel zum elektronischen Leistungsschalter 1 ist ein elek tronischer Referenzschalter 10 in der Form eines MOSFET-Tran sistors geschaltet, dessen Drain-Source-Widerstand im wesent lichen dasselbe Temperaturverhalten besitzt wie der Lei stungsschalter 1, im übrigen, insbesondere hinsichtlich der Leistungskenngrößen, unterschiedliche Eigenschaften besitzen kann. Die Drainanschlüsse und die Steueranschlüsse der beiden MOSFETs 1 und 10 sind jeweils miteinander gekoppelt. Eine zwischen den Sourceanschlüssen der beiden MOSFETs 1 und 10 in Durchlaßrichtung zum Sourceanschluß des Leistungs-MOSFETs 1 geschaltete Diode sichert den Gleichlauf der Sourcespannungen der beiden MOSFETs 1 und 10 auch beim Abschalten einer induk tiven Last 2. An der Klemme 3 liegt ein temperaturunabhängi ger Widerstand 12, dessen Widerstandswert dem des durchge schalteten Referenzschalters 10 zwischen Drain und Source im warmen Betriebszustand entspricht. Der der Klemme 3 abgewand te Anschluß des temperaturunabhängigen Widerstandes 12 liegt an einem Eingang 13 einer den Steueranschlüssen der beiden MOSFETs 1 und 10 zugeordneten Regelungsschaltung 15, welche die innerhalb der strichlierten Linie 25 bezeichneten Schal tungsteile besitzt. An einem weiteren Eingang 14 der Rege lungsschaltung 15 liegt der Sourceanschluß des Referenzschal ters 10 an. Somit liegt am Eingang 13 der Regelungsschaltung 15 die am temperaturunabhängigen Widerstand 12 abfallende Spannung von etwa 100 bis etwa 200 mV, und am Eingang 14 die zwischen Drain- und Sourceanschluß des Referenzschalters 10 abfallende Spannung an. Der Ausgang 16 der Regelungsschaltung 15 führt an die Steueranschlüsse der beiden MOSFETs 1 und 10 und liefert eine in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur va riable Steuerspannung zur Kompensation des aufgrund von Tem peraturschwankungen abhängigen Widerstandswerts des Leistungs schalters 1 im durchgeschalteten Zustand (sogenannter R_on- Widerstandswert des MOSFET 1). Wie im weiteren noch näher er läutert wird, wird vermittels der Regelungsschaltung 15 die Steuerspannung der beiden MOSFETs 1 und 10 so geregelt, daß deren Drain-Source-Widerstände jene Werte annehmen, die diese im warmen Betriebszustand hätten. Die Regelungsschaltung 15 umfaßt eine zwischen dem Eingang 13 und dem Masseanschluß 17 geschaltete Reihenschaltung bestehend aus einem p-Kanal-Tran sistor 18 vom Hochspannungstyp, einer Stromquelle 20 und ei nem Transistor 21. Der Drainanschluß des Transistors 18 ist mit dem Eingang 13, und der Sourceanschluß des Transistors 21 mit dem Masseanschluß 17 verbunden. Bei dem Transistor 18 sind Source- und Gateanschluß, beim Transistor 21 Drain- und Gateanschluß miteinander gekoppelt, so daß beide Transistoren jeweils als Diode arbeiten. Zwischen dem Eingang 14 und dem Masseanschluß 17 der Regelungsschaltung 15 ist eine weitere Reihenschaltung bestehend aus Transistoren 19 und 22 vorgese hen. Die Transistoren 18 und 19 sind vom gleichen Typ und über ihre Gateanschlüsse miteinander verbunden. Der Drainan schluß des Transistors 19 ist mit dem Eingang 14 verbunden. Der Sourceanschluß des Transistors 22 ist mit dem Massean schluß 17 verbunden. Die Transistoren 21 und 22 sind gleich falls vom selben Typ und ebenfalls über ihre jeweiligen Gate anschlüsse miteinander verbunden. Eine weitere Reihenschaltung bestehend aus Transistoren 23 und 24 ist zwischen dem Ausgang 16 und dem Masseanschluß 17 vorgesehen. Der über seinen Source anschluß mit dem Masseanschluß verbundene Transistor 24 ar beitet aufgrund der Kopplung zwischen seinem Gate- und Drain anschluß ebenfalls als Diode. Der Transistor 23 ist drainsei tig mit dem Ausgang 16 und gateseitig mit dem Sourceanschluß des Transistors 19 und damit ebenfalls mit dem Drainanschluß des Transistors 22 verbunden.

Die Funktionsweise der in der Figur dargestellten Schaltungs anordnung ist wie folgt.

Im Idealfall liefert die Erkennungsschaltung 7 bei Unter schreitung der innerhalb der Erkennungsschaltung 7 erzeugten, vorbestimmten Referenzspannung durch die am Leistungs-MOSFET 1 abfallende Spannung ein dem Leerlauf entsprechendes Signal am Ausgang 9, welches beispielsweise zur Ansteuerung einer Warnvorrichtung verwendet wird. Ein Leerlauf liegt beispiels weise dann vor, wenn der Widerstandswert der Last 2, bei spielsweise eine Glühlampe, beim Durchbrennen der Glühlampe sehr groß wird. In diesem Fall fällt annähernd der gesamte Anteil der Versorgungsspannung V_bb an der Last 2 ab, während der verbleibende, geringere Teil am Leistungsschalter 1 ab fällt. Durch Erfassung dieses geringen Spannungsabfalles am Leistungsschalter 1 wird vermittels der Erkennungsschaltung 7 ein Leerlauf erkannt. Im Realfall wird bei Temperaturen un terhalb der Betriebstemperaturen, insbesondere kurz nach dem Einschalten der Last 2, der Drain-Source-Widerstand des Lei stungsschalters 1 kleiner, und damit auch die an diesem ab fallende und zwischen den Eingängen 5 und 6 anliegende Span nung. Damit könnte aufgrund der Temperaturabhängigkeit des R_on-Widerstandswertes des Leistungsschalters 1 bei ungünsti gen Bedingungen fehlerhafterweise ein dem Leerlauf entspre chendes Signal ausgelöst werden. Zur Kompensation dieses Ef fektes werden die an den beiden MOSFETs 1 und 10 anliegenden Gatespannungen vermittels der Regelschaltung 15 geregelt. Hierbei liegen an den Eingängen 13 und 14 die am temperatur unabhängigen Widerstand 12 und am Referenzschalter 10 abfal lenden Spannungen an, die im warmen Betriebszustand etwa gleich groß sind. Bei einer temperaturbedingten Abnahme des Drain-Source-Widerstandes des Leistungsschalters 1 nimmt auch der Drain-Source-Widerstand des Referenzschalters 10 in ana loger Weise ab. Die am Referenzschalter 10 abfallende Span nung wird dadurch kleiner als die am temperaturunabhängigen Widerstand 12 abfallende Spannung. Die dadurch zwischen den Eingängen 13 und 14 der Regelungsschaltung 15 auftretende Po tentialdifferenz wird als Regelgröße erfaßt und bewirkt, daß die Regelungsschaltung 15 über ihren Ausgang 16 die Gatespan nung des Referenzschalters 10, die die Stellgröße bildet, so weit herunterzieht, daß die Potentialdifferenz zwischen den Eingängen 13 und 14 verschwindet, was gleichen Widerstands werten vom temperaturunabhängigen Widerstand 12 und vom Refe renzschalter 10 zwischen seinen Drain- und Sourceanschlüssen entspricht. Der Innenwiderstand der Ladungspumpe 8 bildet hierbei mit dem Innenwiderstand des Ausgangs der Regelungs schaltung 15 einen variablen Spannungsteiler. Da der Steuer anschluß des Leistungsschalters 1 mit dem des Referenzschal ters 10 verbunden ist, hat dessen Widerstandswert zwischen einem Drain- und Sourceanschluß jenen Wert, den er im warmen Betriebszustand hätte. Liegen die Drainanschlüsse der Transi storen 18 und 19 auf dem gleichen Potential, fließen vom Ein gang 13 zum Masseanschluß 17 und vom Eingang 14 zum Massean schluß 17 die gleichen Ströme. Liegen die Drainanschlüsse der Transistoren 18 und 19 nicht auf dem gleichen Potential, wird der Transistor 23 so weit geöffnet, und damit die Gatespan nung der beiden MOSFETs 1 und 10 so weit heruntergezogen, bis die Drainspannungen der Transistoren 18 und 19 gleich groß sind. Die aus der Ladungspumpe 8 und den Transistoren 23 und 24 bestehende Reihenschaltung bilden einen Spannungsteiler, von dem die effektive Steuerspannung der beiden MOSFETs 1 und 10 abgegriffen wird. Auf diese Weise nehmen die Widerstands werte zwischen dem Drain- und dem Sourceanschluß der beiden MOSFETs 1 und 10 unabhängig von deren Temperatur jene Werte an, die sie im warmen Betriebszustand haben würden. Wird die Versorgungsspannung V_bb von einer Konstantspannungsquelle zur Verfügung gestellt, hängt die am Leistungsschalter 1 abfal lende Spannung nur von der Last 2 ab.

Bezugszeichenliste

1 Leistungsschalter
2 Last
3, 4 Klemmen
5, 6 Eingänge der Erkennungsschaltung
7 Erkennungsschaltung
8 Ladungspumpe
9 Ausgang der Erkennungsschaltung
10 Referenzschalter
11 Diode
12 temperaturunabhängiger Widerstand
13, 14 Eingänge der Regelungsschaltung
15 Regelungsschaltung
16 Ausgang der Regelungsschaltung
17 Masseanschluß der Regelungsschaltung
18, 19 p-Kanal-Transistoren
20 Stromquelle
21, 22, 23, 24 n-Kanal-Transistoren
25 strichlierte Linie
V_bb Versorgungsspannung

Claims

1. Schaltungsanordnung zum Erkennen des Leerlaufs einer mit einem elektronischen Leistungsschalter (1) geschalteten Last (2), dadurch gekennzeichnet, daß dem Steueranschluß des elektronischen Leistungsschalters (1) eine Steuerschaltung zugeordnet ist, welche eine in Abhängig keit der Umgebungstemperatur variable Steuerspannung zur Kom pensation des aufgrund von Temperaturschwankungen abhängigen Durchschaltwiderstands des elektronischen Leistungsschalters (1) an den Steueranschluß des Leistungsschalters (1) ausgibt, wobei die Steuerschaltung einen elektronischen Referenzschal ter (10), einen temperaturunabhängigen Widerstand (12) und eine sowohl dein elektronischen Referenzschalter (10), als auch dem temperaturunabhängigen Widerstand (12) zugeordnete Regelungsschaltung (15) aufweist, welche die Steuerspannung des Referenzschalters (10) so regelt, daß der Widerstandswert des Referenzschalters (10) im durch geschalteten Zustand gleich dem Widerstandswert des tempera turunabhängigen Widerstands (12) ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Widerstandswert des elektronischen Referenz schalters (10) im durchgeschalteten Zustand das gleiche Tem peraturverhalten aufweist wie der elektronische Leistungs schalter (1).

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Steueranschlüsse des Leistungsschalters (1) und des Referenzschalters (10) auf dem gleichen Potential liegen.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß der Leistungsschalter (1) und der Referenz schalter (10) zueinander parallel geschaltet sind.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß der Leistungsschalter (1), der Referenzschalter (10) und der temperaturunabhängige Widerstand (12) an einer Versorgungsspannung (V_bb) liegen.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß zwischen den Ausgängen des Leistungsschalters (1) und des Referenzschalters (10) eine Diode (11) mit Durch laß in Richtung des Leistungsschalters (1) zwischengeschaltet ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß dem Leistungsschalter (1) eine Erkennungsschal tung (7), die die am Leistungsschalter (1) abfallende Span nung mit einer Referenzspannung vergleicht, zugeordnet ist.