DE19723456A1 - Fehlschlußerkennungseinrichtung für elektrische Verbraucher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Fehlschlußerkennungseinrichtung für elektrische Verbraucher, die über eine Leistungsendstufe mit mindestens zwei von einer Ansteuereinrichtung mit Ansteu­ ersignalen angesteuerten Leistungsschaltern, einem High-Side- und einem Low-Side-Schalter mit Laststrom von einer Versor­ gungsspannung beaufschlagt sind und einen Lastkreis bilden, wobei eine Meß- und Diagnoseeinrichtung zur Erkennung von Störungen vorgesehen ist.

Einrichtungen der gattungsmäßigen Art dienen der Erkennung von Störungen in einem Lastkreis eines elektrischen Verbrau­ chers, der überlastet ist oder Fehlschlüsse zu Masse oder zu einer Versorgungsspannung aufweist.

Aus der DE 40 30 533 A1 ist eine Anordnung zur Überwachung ei­ nes Verbrauchers in Verbindung mit einer Brennkraftmaschine bzw. einem Kraftfahrzeug bekannt. Dabei wird zur Überwachung des Verbrauchers, insbesondere eines elektrischen Antriebs, der mittels einer Endstufe in Form einer Brückenschaltung an­ gesteuert wird, vorgeschlagen, durch Vergleich von Potentia­ len im Bereich des Verbrauchers bzw. der Endstufe mit vorge­ gebenen, aus dem Normalbetrieb abgeleiteten Schwellwerten, ein Alarmsignal zeitverzögert zu erzeugen, wobei die Zeitver­ zögerung abhängig von der Ansteuersignalgröße ist.

Bei dieser Anordnung ist ein Meßpfad vorgesehen, der direkt parallel zur elektrischen Last im Verbrauchszweig liegt, des­ sen Ausgangssignale über Komparatorstufen ausgewertet werden. Der Verbraucher liegt dabei im Brückenzweig einer aus Lei­ stungsendschaltern gebildeten Brücke.

Aus der DE 44 03 375 A1 ist eine Einrichtung und ein Verfahren zum Steuern eines induktiven Verbrauchers bekannt. Dabei wird ein induktiver Verbraucher mit Schaltern, die in einer H-Brücke angeordnet sind, gesteuert. Zum Überwachen der Ein­ richtung wird die H-Brücke kurzzeitig ausgeschaltet. Dadurch wird an den Klemmen des Verbrauchers eine Spannung induziert, die der Brückenquerspannung des eingeschalteten Zustandes entgegengesetzt ist. Der Spannungsabfall am Verbraucher wird mit einem Sollwert verglichen und bei Abweichen davon wird ein Fehlersignal ausgelöst.

Auch bei dieser Einrichtung wird der Meßwert parallel zum elektrischen Verbraucher im Brückenzweig abgegriffen und über Komparatoren ausgewertet.

Aus der DE 38 42 426 A1 ist eine Schaltungsanordnung zur Steue­ rung und Überwachung eines Verbrauchers in Brückenschaltung bekannt. Diese Schaltungsanordnung dient der Steuerung und Überwachung eines elektrischen Verbrauchers in der Diagonale einer Brückenschaltung aus vier Leistungsschaltelementen vom FET-Typ. Diese Schaltungsanordnung dient der Überwachung der Überlastung des Stromkreises des Verbrauchers, der vorüberge­ hend oder bis zur Behebung der Störung abgeschaltet wird.

Auch in dieser Schaltungsanordnung liegt der Meßpfad parallel zum elektrischen Verbraucher im Brückenzweig der Brücke.

Aus der EP-A-0055B16 ist ein elektronischer Schaltkreis mit Leistungsschaltern in Brückenanordnung bekannt, wobei eine in­ duktive Last im Brückenzweig liegt, und diese Spannung am Brückenzweig zu Meß- und Auswertezwecken in einer nachfolgen­ den Auswerteschaltung ausgewertet wird.

Aus "Elektronik", Heft 13, 1993, Seite 86-90, ist eine Schaltung bekannt, die einen monolithischen H-Brückentreiber mit Schutz- und Diagnoseschaltungen behandelt. Dabei wird in Bild 1 dieser Veröffentlichung als elektrischer Verbraucher im Lastkreis ein Motor dargestellt, dessen Laststrom in zwei Richtungen gesteuert wird. Über Relais und für Diagnose- bzw. Meßzwecke wird der Brückenzweig bzw. werden die Spannungen der Anschlüsse des elektrischen Verbrauchers abgefragt und gemessen. Die Meßvorrichtung erfaßt den "gefährlichen Zu­ stand" und wertet ihn aus, und über eine Aktivierungsstufe werden Vorkehrungen getroffen zur Ansteuerung der Leistungs­ schalter. Zur Diagnose werden die ausgewerteten Meßsignale über geeignete Pufferschaltungen nach außen geführt und am Statusausgang sind Übertemperatur, Überstrom, Lastunterbre­ chung und Unterspannung ablesbar. Durch Aussetzung der Zeit­ verzögerung der Temperaturhysterese und durch eine geschickte Reihenfolge beim Abfragen der Eingangssignale kann zusätzlich noch zwischen Kurzschluß von Ausgang 1 bzw. 2 nach Masse und Ubat unterschieden werden.

Aus all den o.g. Veröffentlichungen ist bekannt, bei einem in einer H-Brücke betriebenen elektrischen Verbraucher die Meß- spannung direkt am elektrischen Verbraucher abzugreifen und über geeignete, in der Regel Komparatorschaltungen auszuwer­ ten. Dadurch können bestimmte Betriebsstörungen erfaßt und ausgewertet werden und über Ansteuerschaltungen Vorsorge ge­ troffen werden, daß der Störfall ohne nennenswerte Folgen bleibt.

Nachteilig ist bei all diesen Anordnungen, daß ein Defekt an den Leistungsendschaltern selbst nicht oder nur bedingt de­ tektierbar und auswertbar ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Fehlschlußerkennungseinrichtung anzugeben, durch die Fehlschlüsse, die sowohl durch den elektrischen Verbraucher bedingt sind, als auch Fehlschlüsse, die aus den Leistungs­ endschaltern resultieren, erkennbar, lokalisierbar, auswert­ bar und anzeigbar gemacht werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Meßeinrichtung parallel zu den Leistungsschaltern und dem zu diesen in Serie liegenden elektrischen Verbraucher geschaltet ist und ihr entweder der spannungspotentialführende Anschluß des Low-Side-Schalters oder der Anschluß der der Versorgungs­ spannung abgewandten Elektrode des High-Side-Schalters zuge­ führt ist, wobei eine Diagnosespannung als Ausgangssignal der Meßeinrichtung der Diagnoseeinrichtung zugeführt ist und dort zur Erkennung von Fehlschlüssen im Lastkreis mit einem Refe­ renzwert verglichen wird.

Am Ausgang der Diagnoseeinrichtung stehen mehrere Ausgangs­ signale oder nur ein Ausgangssignal an, die bzw. das in einer Auswerteeinrichtung verarbeitet werden bzw. wird und in Folge davon als lokalisierbare Fehlschlüsse bzw. Fehlschluß im Lastkreis erkannt werden bzw. wird und über eine Anzeigeein­ richtung angezeigt werden bzw. wird.

Ansteuereinrichtung und Auswerteeinrichtung sind bevorzugt durch einen Microcontroller realisiert.

Die Ausgangssignale bzw. das Ausgangssignal der Diagnoseein­ richtung können bzw. kann im Microcontroller mit den Ansteu­ ersignalen korreliert oder unkorreliert mit den Ansteuersi­ gnalen von High-Side- und Low-Side-Schalter verknüpft oder unverknüpft ausgewertet werden. Dadurch ergeben sich vorteil­ hafterweise exakt lokalisierbare Fehlquellen, die in der An­ zeigeeinrichtung direkt angegeben werden können.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren darge­ stellt.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild der Fehlschlußerkennungseinrich­ tung,

Fig. 2 eine modifizierte Darstellung des Prinzipschaltbildes der Fig. 1,

Fig. 3 eine Abwandlung des Prinzipschaltbildes der Fig. 2,

Fig. 4 eine Applikation einer Fehlschlußerkennungseinrichtung mit mehreren elektrischen Verbrauchern und mehreren parallelen High-Side-Schaltern und nur einem gemeinsa­ men Low-Side-Schalter,

Fig. 5 eine Applikation einer Fehlschlußerkennungseinrich­ tung mit zu Gruppen zusammengeschalteten elektrischen Verbrauchern,

Fig. 6 ein erstes Diagramm, und

Fig. 7 ein zweites Diagramm.

Die Fehlschlußerkennungseinrichtung gemäß Fig. 1 zeigt mit dem Bezugszeichen 1 einen elektrischen Verbraucher, der über eine Leistungsendstufe angesteuert wird. Die Leistungsendstu­ fe besteht aus mindestens zwei ansteuerbaren Leistungsschal­ tern, dem High-Side- 3 und dem Low-Side-Schalter 4, die mit dem elektrischen Verbraucher 1 einen Lastkreis bilden, in dem der Laststrom IL fließt, der von der Versorgungsspannung Vinj beaufschlagt wird. Die Ansteuersignale U1 und U2 für die bei­ den Leistungsschalter 3, 4 liefert die Ansteuereinrichtung 2. Der High-Side-Schalter 3 wird über die Ansteuereinrichtung 2 mit dem Ansteuersignal U1 angesteuert und der Low-Side- Schalter 4 wird ebenfalls von der Ansteuereinrichtung 2 mit dem Ansteuersignal U2 angesteuert. Es sind die Meßeinrichtung 5 und die Diagnoseeinrichtung 6 zur Erkennung von Störungen vorgesehen.

Erfindungsgemäß liegt die Meßeinrichtung 5 parallel zu den Leistungsschaltern 3, 4 und dem zu diesen in Serie liegenden elektrischen Verbraucher 1, und der Meßeinrichtung 5 ist ent­ weder der spannungspotentialführende Anschluß 7 des Low-Side-Schalters 4 oder der Anschluß 10 der der Versorgungsspannung Vinj abgewandten Elektrode des High-Side-Schalters 3 zuge­ führt.

In den Ausführungsformen der Fig. 1 bis 5 wird der spannungs­ potentialführende Anschluß 7 des Low-Side-Schalters 4 bevor­ zugt herangezogen und der Meßeinrichtung 5 zugeführt.

Prinzipiell lassen sich ähnliche Fallunterscheidungen von er­ kennbaren Fehlschlüssen auch messen und auswerten, wenn statt des Anschlusses 7 der Anschluß 10 der der Versorgungsspannung Vinj abgewandten Elektrode des High-Side-Schalters 3 zuge­ führt wird.

Das Ausgangssignal der Meßeinrichtung 5, die Diagnosespannung Vdiag, wird der Diagnoseeinrichtung 6 zugeführt und dort zur Erkennung von Fehlschlüssen im Lastkreis mit einem Referenz­ wert Vref verglichen. Am Ausgang der Diagnoseeinrichtung 6 stehen je nach ihrer Modifikation mehrere Ausgangssignale U3, U4 oder nur ein Ausgangssignal U5 an, die bzw. das in der Auswerteeinrichtung 2 verarbeitet werden bzw. wird und als lokalisierbare Fehlschlüsse bzw. Fehlschluß im Lastkreis er­ mittelt werden bzw. wird und über die Anzeigeeinrichtung 8 angezeigt werden bzw. wird. Die Meßeinrichtung 5 besteht er­ findungsgemäß entsprechend Fig. 2 aus dem Spannungsteiler 9 mit den zwei Widerständen R1 und R2, dessen Abgriff mit dem spannungspotentialführenden Anschluß 7 des Low-Side-Schalters 4 verbunden ist. An diesem Abgriff steht zugleich das Aus­ gangssignal der Meßeinrichtung 5, die Diagnosespannung Vdiag, an. Die nachgeschaltete Diagnoseeinrichtung 6, der die Dia­ gnosespannung Vdiag der Meßeinrichtung 5 zugeführt ist, be­ steht aus einem strom- oder spannungsgesteuerten Fensterkom­ parator (nicht dargestellt), dem zum einen der aus einer Re­ ferenzeinrichtung (nicht dargestellt) gebildete konstante Re­ ferenzwert Vref zugeführt ist und zum anderen die Diagnose­ spannung Vdiag der Meßeinrichtung 5 zugeführt ist.

Für einen stromgesteuerten Fensterkomparator sind aus dem Re­ ferenzwert Vref zwei Stromschwellwerte 11 und 12 abgeleitet bzw. sind für einen spannungsgesteuerten Fensterkomparator aus den Referenzwert Vref zwei Spannungsschwellwerte U6 und U7 abgeleitet und den Eingängen des Fensterkomparators zuge­ führt, wobei den anderen Eingängen des Fensterkomparators die Diagnosespannung Vdiag bzw. ein vergleichbarer Strom Idiag der Meßeinrichtung 5 zugeführt ist und die Schwellwerte I1, I2 bzw. U6, U7 den Fensterbereich bilden.

Die dem Fensterkomparator zugeführten Schwellwerte I1, I2 bzw. U6, U7 sind so gebildet, daß die ebenfalls dem Fenster­ komparator zugeführte Diagnosespannung Vdiag bzw. der Diagno­ sestrom Idiag der Meßeinrichtung 5 am Ausgang des Fenster­ komparators als oberhalb des Fensterbereichs, im Fensterbe­ reich oder unterhalb des Fensterbereichs detektierbar ist.

Der Fensterkomparator besteht im wesentlichen aus den zwei Komparatoren 11, 12, deren Ausgangssignale identisch sind mit den Ausgangssignalen U3, U4 der Diagnoseeinrichtung 6. Die Ausgangssignale U3, U4 der beiden Komparatoren 11, 12 des Fen­ sterkomparators können über ein Netzwerk (nicht dargestellt) zusammengeschaltet sein und das einzige Ausgangssignal U5 ge­ mäß Fig. 3 am Ausgang der Diagnoseeinrichtung 6 liefern.

Die Ansteuereinrichtung 2 und die Auswerteeinrichtung 2' kön­ nen in Form des Microcontrollers 16 eine Einheit bilden.

Das in Fig. 4 dargestellte Applikationsbeispiel zeigt mehrere parallele Lastkreise mit je einem elektrischen Verbraucher 1 und je einem High-Side-Schalter 3 und einem allen elektri­ schen Verbrauchern 1 gemeinsamen Low-Side-Schalter 4.

Das in Fig. 5 dargestellte Applikationsbeispiel zeigt mehrere Gruppen von parallelen Lastkreisen mit mehreren par­ allel angeordneten elektrischen Verbrauchern 1 und je einem High-Side-Schalter 3 in jedem Lastkreis, wobei jede Gruppe von einem gemeinsamen Low-Side-Schalter 4 und je einer Meßeinrichtung 5 sowie je einer Diagnoseeinrichtung 6 zusam­ mengefaßt ist. Die Ansteuerung der Gruppen mit dem Gruppen­ auswahlsignal U8 kann über den Decoder 13 und die Abfragung der Diagnoseeinrichtung 6 über den Multiplexer 14, gesteuert vom Microcontroller 16, erfolgen.

Über das vom Microcontroller 16 dem Decoder 13 zugeführte Gruppenauswahlsignal U8 werden die einzelnen Gruppen vonein­ ander unterschieden. Über die Ansteuersignale U1A, U1B des Microcontrollers 16 sind über den Decoder 13 die Ansteuersi­ gnale U11, U12, U13, U14 gebildet, durch die die zugeordneten High-Side-Schalter 3 angesteuert werden. Über das vom Micro­ controller 16 dem Decoder 13 zugeführte Ansteuersignal U20 sind die Ansteuersignale U21, U22 für die zugeordneten Low-Side-Schalter 4 gebildet. Über das Gruppenauswahlsignal U8 und den Multiplexer 14 ist aus den Ausgangssignalen U51, U52 der einzelnen Gruppen dem Microcontroller 16 das Ausgangs­ signal U5 zugeführt.

Bei einem stromgesteuerten Fensterkomparator kann die Diagno­ sespannung Vdiag der Meßeinrichtung 5 über den Widerstand R3 und dem Abgriff 15 mit dem Referenzwert Vref in Form einer konstanten Referenzspannungsquelle der Diagnoseeinrichtung 6 verbunden sein, wobei je nach Größe der Diagnosespannung Vdiag in Bezug auf die konstante Referenzspannungsquelle Vref ein Diagnosestrom Idiag über den Widerstand R3 fließt, der je nach gewählter Pfeilrichtung positiv, Null oder negativ sein kann und so im wesentlichen drei unterschiedliche Zustands­ formen haben kann, die über den Fensterkomparator digitali­ sierbar sind.

Das Ruhepotential der Diagnosespannung Vdiag der Meßeinrich­ tung 5 ist im statischen Betrieb so gewählt, daß, wenn sowohl High-Side- 3 als auch Low-Side-Schalter 4 offen oder gesperrt und die beiden Widerstände R1, R2 des Spannungsteilers 9 so dimensioniert sind, daß bei ohmschen-induktiven elektrischen Verbrauchern 1 mit relevanten kapazitiven Anteilen eine schnelle Reaktion der Meß- 5 und Diagnoseeinrichtung 6 beim Umladen der Kapazitäten erreicht wird, wenn die Leistungs­ schalter 3, 4 wieder dynamisch angesteuert werden. Das Ruhepo­ tential der Diagnosespannung Vdiag der Meßeinrichtung 5 ist über die Widerstände R1, R2 des Spannungsteilers 9 so einge­ stellt, daß es zwischen 0,7 Vinj und 0,9 Vinj liegt, vorzugs­ weise 0,9 Vinj beträgt.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren gemäß der Ansprüche 16 und 17 können die Ausgangssignale U3, U4 bzw. das Ausgangs­ signal U5 der Diagnoseeinrichtung U6 korreliert mit den An­ steuersignalen U1, U2 von High-Side- 3 und Low-Side-Schalter 4 im Microcontroller 16 verknüpft oder unverknüpft durch ein Verarbeitungsprogramm ausgewertet werden. Daneben ist es mög­ lich, diese Korrelierung oder Verknüpfung durch eine diskre­ te, mittels Hardwarekomponenten gebildete elektronische Schaltung zu realisieren.

Die Ansteuersignale U1, U2 von High-Side- 3 und Low-Side-Schalter 4 sind vorzugsweise digitale Signale, wobei zu Dia­ gnosezwecken und einer Fehlschlußerkennung eines der beiden Ansteuersignale U1 bzw. U2 alleine die entsprechenden Lei­ stungsschalter 3, 4 ansteuert und das andere Ansteuersignal U2 bzw. U1 zeitlich verzögert an die betreffenden Leistungs­ schalter 3, 4 zugeschaltet wird.

Die erfindungsgemäße Fehlschlußerkennungseinrichtung dient vorzugsweise der Erkennung von Fehlschlüssen beim Betreiben eines im wesentlichen induktiven elektrischen Verbraucher 1 mit ohmschen Anteilen sowie kapazitiven Komponenten. Ein be­ vorzugter Anwendungsbereich ist die Kraftfahrzeugelektronik. Insbesondere bei Ankerwicklungen von Einspritzventilen als induktiven elektrischen Verbrauchern 1 mit getaktet angesteu­ erten Leistungsschaltern 3, 4 als Leistungsendstufe läßt sich diese Fehlschlußerkennungseinrichtung anwenden.

Die Leistungsendstufe aus High-Side- 3 und Low-Side-Schalter 4 kann als FET-Leistungstransistor oder Bipolar-Transistor realisiert sein. Das Bezugszeichen 18 zeigt Freilaufdioden.

Durch die erfindungsgemäße Fehlschlußerkennungseinrichtung können Kurzschlüsse und resistive Schlüsse zur Versorgungs­ spannung und zu Masse erkannt und voneinander unterschieden werden. Die Diagnose kann bereits bei stromloser Leistungs­ endstufe erfolgen, d. h. daß der High-Side- 3 und der Low-Side-Schalter 4 nicht gleichzeitig zu Diagnosezwecken einge­ schaltet sind. Wenn mehrere elektrische Verbraucher 1 über einen gemeinsamen Low-Side-Schalter 4 betrieben werden, wird ein Diagnosekanal pro Low-Side-Schalter 4 verwendet. Mehrere Diagnosekanäle können durch den Multiplexer 14 auf einen ein­ zigen Diagnoseausgang geführt werden und als Ausgangssignal U5 dem Microcontroller 16 zugeführt werden, wenn immer nur ein Low-Side-Schalter 4 aktiv sein darf.

Das Diagnosekonzept läßt sich prinzipiell auch dann anwenden, wenn gemeinsame High-Side-Schalter 3 statt gemeinsamen Low-Side-Schaltern 4 verwendet werden.

Die Funktionsweise des Diagnosekonzepts der erfindungsgemäßen Fehlschlußerkennungseinrichtung sei anhand des Blockschalt­ bildes der Fig. 1 bzw. 2 erläutert. Die Last bzw. der elektrische Verbraucher 1 kann in einem bevorzugten Anwen­ dungsfall aus der Ankerwicklung eines Einspritzventils und den Kabelbaumkapazitäten einer Einspritzeinrichtung im Kraft­ fahrzeug bestehen. Die diskrete Leistungsendstufe enthält ne­ ben den Leistungsschaltern in Form des High-Side-Schalters 3 und des Low-Side-Schalters 4 (MOSFETs) die Freilaufdioden 18 und den hochohmigen Spannungsteiler 9 mit den Widerständen R1 und R2 zur Einstellung der Diagnosespannung Vdiag bei ge­ sperrten Leistungsschaltern 3, 4. Die der Meßeinrichtung 5 nachgeschaltete Diagnoseeinrichtung 6 kann als integrierte Schaltung realisiert sein und die Referenzspannungsquelle Vref mit einem Innenwiderstand sowie den Fensterkomparator zur Messung des Diagnosestroms Idiag bzw. der Diagnosespan­ nung Vdiag realisiert sein.

Für die nachfolgend unterscheidbaren Fehlschlüsse in der Fehlschlußerkennungseinrichtung sei auf das Prinzipschaltbild der Fig. 2 Bezug genommen, in der die Diagnosespannung Vdiag mit der Referenzspannungsquelle Vref über den Widerstand R3 verbunden ist.

Wenn beide Leistungsschalter 3, 4 gesperrt sind, d. h. es liegt keine Ansteuerung durch die Ansteuersignale U1 bzw. U2 vor und es liegt kein resistiver Schluß zur Versorgungsspan­ nung Vinj oder zu Masse vor, dann sind die Referenzspannung Vref und die Diagnosespannung Vdiag ungefähr gleich (die Un­ terschiede sind durch Toleranzen bedingt). Die Stromschwellen I1 bzw. I2 des Fensterkomparators sind so gewählt, daß der Diagnosestrom Idiag in jedem Fall innerhalb der beiden Schwellen I1, I2 liegt. Tritt ein resistiver Schluß zur Ver­ sorgungsspannung Vinj oder zu Masse auf, der einen merklichen Einfluß auf die Funktionsweise der Leistungsendstufe hat, so wird die Diagnosespannung Vdiag deutlich verändert. Der Be­ trag des Diagnosestroms Idiag steigt deutlich an, und der Fensterkomparator erkennt je nach Vorzeichen des Diagnose­ stroms Idiag die Art des resistiven Schlusses.

Der Fensterkomparator kann auch die Diagnosespannung Vdiag messen und statt mit Stromschwellen 11, 12 mit einstellbaren Spannungsschwellwerten U6, U7 operieren.

Durch Korrelation der Diagnosesignale in Form der Ausgangs­ signale U3, U4 am Ausgang der Fensterkomparators mit den An­ steuersignalen U1, U2 der Leistungsschalter 3, 4 können mit­ tels des Microcontrollers 16 folgende Fehler erkannt und von­ einander unterschieden werden:

• a) Kurzschluß oder resistiver Schluß zur Versorgungsspannung Vinj einschließlich eines ständig leitenden High-Side-Schalters 3: dieser Fehlschluß ist direkt am Ausgang des Fensterkomparators erkennbar.
• b) Kurzschluß oder resistiver Schluß zu Masse einschließlich eines ständig leitenden Low-Side-Schalters 4: dieser Fehl­ schluß ist direkt am Ausgang des Fensterkomparators er­ kennbar.
• c) Fehlender elektrischer Verbraucher einschließlich eines ständig gesperrten High-Side-Schalters 3: nach Schließen des High-Side-Schalters 3 wird kein Schluß zur Versor­ gungsspannung Vinj detektiert.
• d) Offener Low-Side-Schalter 4: nach Ansteuern des Low-Side-Schalters 4 wird kein Schluß zu Masse detektiert, weil der Low-Side-Schalter 4 ständig gesperrt ist.
• e) High-Side- 3 und Low-Side-Schalter 4 lassen sich nur ge­ meinsam ein- und abschalten: nach Schließen des High-Side-Schalters 3 wird statt eines Schlusses zur Versor­ gungsspannung ein Schluß zu Masse detektiert.

Von dem zuvor beschriebenen Prinzip des Diagnosekonzepts las­ sen sich Spezialfälle ableiten, die in den folgenden Applika­ tionsbeispielen beschrieben werden.

Gemäß Fig. 3 sind die Ausgänge des integrierten Fensterkompa­ rators miteinander zu einem Diagnoseausgang mit dem Ausgangs­ signal U5 am Ausgang des Komparators 19 kombiniert, um eine Signalleitung zwischen der Diagnoseeinrichtung 6 in Form ei­ ner integrierten Schaltung und dem Microcontroller 16 entfal­ len zu lassen.

Durch Korrelation des Diagnoseausgangssignals U5 mit den An­ steuersignalen U1, U2, der Leistungsschalter 3, 4, können mit­ tels Microcontroller 16 die Fehlschlußfälle folgendermaßen erkannt und voneinander unterschieden werden:

• a) Kurzschluß oder resistiver Schluß zur Versorgungsspannung Vinj einschließlich eines ständig leitenden High-Side-Schalters 3. Ein Schluß zur Versorgungsspannung Vinj oder zu Masse wird bereits bei gesperrten Leistungsschaltern 3, 4 erkannt, kann aber nicht lokalisiert werden. Durch den erfindungsgemäßen Verfahrensschritt wird als nächstes der Low-Side-Schalter 4 für kurze Zeit geschlossen. Bei einem Schluß zur Versorgungsspannung Vinj war die Diagno­ sespannung Vdiag auf dem Niveau der Versorgungsspannung Vinj, wird aber nun auf Masse gezogen. Während die Diagnosespannung Vdiag den Spannungsbereich zwischen Ver­ sorgungsspannung Vinj und Masse durchwandert, durchquert der Diagnosestrom Idiag den Fensterbereich des Fenster­ komparators. Am Diagnoseausgang mit dem Ausgangssignal U5 tritt daher ein kurzer Impuls auf, für den das Ausgangs­ signal U5 einen passiven Zustand annimmt.
• b) Kurzschluß oder resistiver Schluß zu Masse einschließlich eines ständig leitenden Low-Side-Schalters 4. Ein Schluß zur Versorgungsspannung Vinj oder zu Masse wird bereits bei gesperrten Leistungsschaltern 3, 4 erkannt, kann aber nicht lokalisiert werden. Im nachfolgenden Verfahrens­ schritt wird der Low-Side-Schalter 4 für kurze Zeit ge­ schlossen. Bei einem Schluß zu Masse bleibt die Ausgangs­ spannung U5 unverändert aktiv.
• c) Fehlende Last einschließlich eines gesperrten High-Side-Schalters 3. Nach Schließen des High-Side-Schalters 3 bleibt das Ausgangssignal U5 passiv.
• d) Offener Low-Side-Schalter 4. Nach Aktivieren des Low-Side-Schalters 4 bleibt das Ausgangssignal U5 passiv, weil der Low-Side-Schalter 4 ständig gesperrt ist.
• e) High-Side- 3 und Low-Side-Schalter 4 lassen sich nur ge­ meinsam ein- und abschalten. Nach Schließen des High-Side-Schalters 3 wird das Ausgangssignal U5 aktiv, nach zusätzlichem Schließen des Low-Side-Schalters 4 tritt am Diagnoseausgang kein Impuls auf, für den das Ausgangs­ signal U5 einen passiven Zustand annimmt.

Gemäß Fig. 4 können mehrere elektrische Verbraucher 1 über je einen High-Side-Schalter 3 und einen gemeinsamen Low-Side-Schalter 4 betrieben werden. Die Fehlerdiagnose erfolgt wie zuvor beschrieben über einen Diagnosekanal, der durch den An­ schluß 7 am Low-Side-Schalter 4 gebildet ist. Die Erkennung und Unterscheidung der Fehlerfälle erfolgt wie bei der Be­ schreibung des Prinzips mit folgender Ausnahme: Ein Kurz­ schluß oder resistiver Schluß zur Versorgungsspannung Vinj kann zwar erkannt, aber nicht einem bestimmten Zweig aus elektrischem Verbraucher 1 und High-Side-Schalter 3 zugeord­ net werden.

Mehrere Gruppen aus elektrischen Verbrauchern 1 und High- Side-Schaltern 3 werden über je einen Low-Side-Schalter 4 be­ trieben. Dabei ist pro Low-Side-Schalter 4 ein Diagnosekanal notwendig.

Die Ausgänge der einzelnen Fensterkomparatoren werden ent­ sprechend Fig. 3 paarweise miteinander verknüpft und können über den Multiplexer 14 ausgegeben werden. Der Microcontrol­ ler 16 wählt dann durch entsprechendes Ansteuern des Multi­ plexers 14 aus, für welchen der Low-Side-Schalter 4 die Dia­ gnose durchgeführt werden soll.

Die Erkennung und Unterscheidung der Fehlerfälle erfolgt wie bei der Beschreibung des Applikationsbeispiels gemäß Fig. 3 mit folgender Ausnahme: Ein Kurzschluß oder resistiver Schluß zur Versorgungsspannung Vinj in einer Gruppe kann zwar er­ kannt, aber nicht einen bestimmten Zweig aus elektrischem Verbraucher 1 und zugeordnetem High-Side-Schalter 3 innerhalb der Gruppe zugeordnet werden.

Besondere Vorkehrungen zur schnellen Diagnose bei kapazitiven Lasten, die insbesondere gebildet sein können durch lange Ka­ belbäume mit abgeschirmtem Kabel und relativ hohen Leitungs­ kapazitäten, betreffen die Auslegung des Spannungsteilers 9 mit den Widerständen R1 und R2.

Die Zeit, die benötigt wird, um nach Schalten gegen Masse bzw. Vinj wieder die eingestellte Diagnosespannung Vdiag zu erreichen, ist direkt proportional zum Umladestrom und zur Lastkapazität. Der Ladestrom kann aus mehreren Gründen nicht beliebig erhöht werden, um die Umladezeit zu verkürzen. Auch die Kabelkapazität ist nicht beliebig zu verkleinern. In vie­ len Anwendungsfällen wird die umzuladende Lastkapazität aus Gründen der elektromagnetischen Verträglichkeit noch erhöht.

Um trotz o.g. Probleme ein schnelles Umladen der Kapazitä­ ten und damit eine schnelle Reaktion der Diagnoseschaltung zu erreichen, werden erfindungsgemäß zwei Maßnahmen getroffen:

• 1. Die Diagnoseruhespannung Vdiag wird von 50% Vinj auf vor­ zugsweise 90% Vinj erhöht. Die Umladezeit von Vinj auf die Diagnosespannung verkürzt sich dabei um ca. 85% (siehe Diagramm der Fig. 6).

Damit sich die Umladezeit von Masse auf das Diagnosepoten­ tial nicht deutlich vergrößert, muß

• 2. entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahrensschritt nach Anspruch 18 vor der Auswertung der Diagnose der High- Side-Schalter 3 für wenige µs aktiviert werden, wodurch als Folge davon die Spannung ohne zusätzliche Leistungs­ treiber von einem beliebigen Potential aktiv auf Vinj ge­ laden wird (siehe Diagramm der Fig. 7), so daß anschlie­ ßend die kapazitiven Komponenten 17 in Form der Kabelka­ pazität immer von Vinj aus um 0,1 Vinj entladen werden kann, bis die Diagnosespannung Vdiag erreicht wird.

Mit den Bezugszeichen 21 und 22 in den Fig. 6 und 7 sind ver­ schiedene Ruhepotentiale am Anschluß 7 dargestellt. Bezugs­ zeichen 23 in Fig. 6 zeigt eine abklingende Exponentialfunk­ tion für eine beschleunigte Umladung der kapazitiven Last von Vinj aus durch Reduzierung der umzuladenden Spannungsdiffe­ renz aufgrund einer erhöhten Diagnosespannung (0, 9 Vinj).

Fig. 7 zeigt ein beschleunigtes Umladen der kapazitiven Last, ausgehend von Massepotential, durch aktives Umladen auf das Potential Vinj.

Claims (23)

1. Fehlschlußerkennungseinrichtung für elektrische Verbraucher (1), die über eine Leistungsendstufe mit mindestens zwei von einer Ansteuereinrichtung (2) mit Ansteuersignalen (U1, U2) angesteuerten Leistungsschaltern, einem High-Side- (3) und einem Low-Side-Schalter (4) mit Laststrom (IL) von einer Versorgungsspannung (Vinj) beaufschlagt sind und einen Lastkreis bilden, wobei eine Meß- (5) und Diagnoseeinrichtung (6) zur Erkennung von Störungen vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (5) parallel zu den Leistungsschaltern (3, 4) und dem zu diesen in Se­ rie liegenden elektrischen Verbraucher (1) geschaltet ist und ihr entweder der spannungspotentialführende Anschluß (7) des Low-Side-Schalters 4 oder der Anschluß (10) der der Versorgungsspannung (Vinj) abgewandten Elektrode des Migh-Side-Schalters (3) zugeführt ist, wobei eine Diagnosespannung (Vdiag) als Ausgangssignal der Meßeinrichtung (5) der Diagnoseeinrichtung (6) zugeführt ist und dort zur Erkennung von Fehlschlüssen im Lastkreis mit einem Refe­ renzwert (Vref) verglichen wird.

2. Fehlschlußerkennungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß am Ausgang der Diagnoseeinrichtung (6) mehrere Ausgangssignale (U3, U4) oder nur ein Ausgangssignal (U5) anstehen bzw. ansteht, die bzw. das in einer Auswerteeinrichtung (2') ver­ arbeitet werden bzw. wird und in Folge davon lokalisierbare Fehl­ schlüsse bzw. Fehlschluß im Lastkreis ermittelt werden bzw. wird und über eine Anzeigeeinrichtung (8) angezeigt werden bzw. wird.

3. Fehlschlußerkennungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (5) aus einem Spannungstei­ ler (9) mit zwei Widerständen (R1, R2) besteht, dessen Abgriff mit dem spannungspotentialführenden Anschluß (7) des Liow-Side-Schalters (4) verbunden ist und daß an diesem Abgriff zugleich das Ausgangssignal der Meßeinrichtung (5) die Diagnosespannung (Vdiag) ansteht.

4. Fehlschlußerkennungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Diagnoseein­ richtung (6) aus einem strom- oder spannungsgesteuerten Fenster­ komparator besteht, dem zum einen der aus einer Referenzeinrich­ tung gebildete konstante Referenzwert (Vref) und zum anderen die Diagnosespannung (Vdiag) der Meßeinrichtung (5) zugeführt sind

5. Fehlschlußerkennungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem konstanten Referenzwert (Vref) für einen stromgesteuerten Fensterkomparator zwei Stromschwellwerte (I1, (I2) bzw. für einen spannungsgesteuer­ ten Fensterkomparator zwei Spannungsschwellwerte (U6, U7) abgelei­ tet und den einen Eingängen des Fensterkomparators zugeführt sind, wobei den anderen Eingängen des Fensterkomparators die Dia­ gnosespannung (Vdiag) der Meßeinrichtung (5) zugeführt ist und die Schwellwerte (I1, I2) bzw. (U6, U7) den Fensterbereich bilden.

6. Fehlschlußerkennungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Fensterkom­ parator zugeführten Schwellwerte (11, 12) bzw. (U6, U7) so gebildet sind, daß die ebenfalls dem Fensterkomparator zugeführte Diagnose­ spannung (Vdiag) der Meßeinrichtung (5) am Ausgang des Fensterkom­ parators als oberhalb des Fensterbereichs, im Fensterbereich und unterhalb des Fensterbereichs detektierbar ist.

7. Fehlschlußerkennungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Fensterkompara­ tor im wesentlichen aus zwei Komparatoren (11, 12) besteht, deren Ausgangssignale identisch sind mit den Ausgangssignalen (U3, U4) der Diagnoseeinrichtung (6).

8. Fehlschlußerkennungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale (U3, U4) der beiden Komparatoren (11, 12) des Fensterkomparators über ein Netzwerk zusammengeschaltet sind das ein einziges Aus­ gangssignal (U5) am Ausgang der Diagnoseeinrichtung (6) liefert.

9. Fehlschlußerkennungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerein­ richtung (2) und die Auswerteeinrichtung (2') in Form eines Micro­ controllers (16) eine Einheit bilden.

10. Fehlschlußerkennungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere parallele Lastkreise mit je einem elektrischen Verbraucher (1) und je einem High-Side-Schalter (3) und einem gemeinsamen Low-Side-Schalter (4) zusammengeschaltet sind.

11. Fehlschlußerkennungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere elektri­ sche Verbraucher (1) zu Gruppen von parallelen Lastkreisen mit je einem High-Side-Schalter (3) und einem gemeinsamen Low-Side-Schalter (4) und je einer Meßeinrichtung (5) sowie je einer Dia­ gnoseeinrichtung (6) zusammengeschaltet sind.

12. Fehlschlußerkennungseinrichtung nach Anspruch 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ansteuerung der Gruppen über einen Decoder (13) und die Abfragung der Diagnoseeinrichtungen (6) über einen Multiplexer (14) erfolgt.

13. Fehlschlußerkennungseinrichtung nach Anspruch 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß über das vom Microcontroller (16) dem Decoder (13) zugeführte Gruppenauswahlsignal (U5) die einzelnen Gruppen voneinander unterschieden werden und wobei über die Ansteuersigna­ le (U1A, U1B) des Microcontrollers (16) über den Decoder (13) die Ansteuersignale (U11, U12, U13, U14) gebildet sind, durch die die zu­ geordneten High-Side-Schalter (3) angesteuert werden und wobei über das vom Microcontroller (16) dem Decoder (13) zugeführte An­ steuersignal (U20) die Ansteuersignale (U21, U22) für die zugeord­ neten Low-Side-Schalter (4) gebildet sind, und daß über das Grup­ penauswahlsignal (U5) und den Multiplexer (14) aus den Ausgangs­ signalen (U51, U52) der einzelnen Gruppen dem Microcontroller (16) das Ausgangssignal (U5) zugeführt ist.

14. Fehlschlußerkennungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem stromge­ steuerten Fensterkomparator die Diagnosespannung (Vdiag) der Meßeinrichtung (5) über einen Widerstand (R3) mit einem Abgriff (15) mit dem Referenzwert (Vref) der Referenzeinrichtung der Dia­ gnoseeinrichtung (6) verbunden ist, wobei je nach Größe der Dia­ gnosespannung (Vdiag) in Bezug auf den konstanten Referenzwert (Vref) in Form einer konstanten Spannungsquelle ein Diagnosestrom (Idiag) über den Widerstand (R3) fließt, der je nach gewählter Pfeilrichtung positiv, Null oder negativ sein kann und so im we­ sentlichen drei unterschiedliche Zustandsformen haben kann, die über den Fensterkomparator digitalisierbar sind.

15. Fehlschlußerkennungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Ruhepotential der Diagnosespannung (Vdiag) im statischen Betrieb, d. h. wenn so­ wohl High-Side- (3) als auch Low-Side-Schalter (4) gesperrt sind, die beiden Widerstände (R1, R2) des Spannungsteilers (9) so dimen­ sioniert sind, daß bei ohmschen induktiven elektrischen Verbrau­ chern (1) mit relevanten kapazitiven Anteilen eine schnelle Reak­ tion der Meß- (5) und Diagnoseeinrichtung (6) beim Umladen der Ka­ pazitäten erreicht wird, wenn die Leistungsschalter (3, 4) wieder dynamisch angesteuert sind.

16. Fehlschlußerkennungseinrichtung nach Anspruch 15, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Ruhepotential der Diagnosespannung (Vdiag) der Meßeinrichtung (5) über die beiden Widerstände (R1, R2) des Spannungsteilers (9) so eingestellt ist, daß es zwischen 0,7 Vinj und 0,9 Vinj liegt, vorzugsweise 0,9 Vinj beträgt.

17. Verfahren zur Auswertung von Fehlschlüssen in einer Fehlschlußer­ kennungseinrichtung nach Anspruch 1 bis 16, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ausgangssignale (U3, U4) bzw. das Ausgangssignal (U5) der Diagnoseeinrichtung (6) korreliert oder unkorreliert mit den Ansteuersignalen (U1, U2) von High-Side- (3) bzw. Low-Side-Schalter (4) im Microcontroller (16) verknüpft oder unverknüpft ausgewertet werden.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuersignale (U1, U2) von High-Side- (3) und Low-Side-Schalter (4) digitale Signale sind, und daß zu Diagnosezwecken und Fehl­ schlußerkennung eines der beiden Ansteuersignale (U1) bzw. (U2) alleine und das andere Ansteuersignal (U2) bzw. (U1) zeitlich ver­ zögert zugeschaltet wird.

19. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß vor Auswertung der Ausgangssignale (U3, U4) bzw. des Ausgangssignals (U5) in der Auswerteeinrichtung (2') der High-Side-Schalter (3) für wenige µs aktiviert wird, wo­ durch das Diagnosepotential (Vdiag) ohne zusätzliche Lei­ stungstreiber von einem beliebigen Potential aktiv auf das Versor­ gungsspannungspotential (Vinj) geladen wird, so daß anschließend die kapazitive Komponenten (17) immer von Versorgungsspannungspo­ tential (Vinj) aus um vorzugsweise 0,1 Vinj entladen werden kann, bis die Diagnosespannung (Vdiag) erreicht ist.

20. Fehlschlußerkennungseinrichtung nach Anspruch 1 bis 19, ge­ kennzeichnet durch die Verwendung bei ohmschen oder/und induktiven oder/und kapazitiven elektrischen Verbrauchern (1).

21. Fehlschlußerkennungseinrichtung nach Anspruch 20, gekennzeich­ net durch die Verwendung bei im wesentlichen induktiven elektri­ schen Verbrauchern (1) mit ohmschen Anteilen und kapazitiven Kom­ ponenten.

22. Fehlschlußerkennungseinrichtung nach Anspruch 20 oder 21, ge­ kennzeichnet durch die Verwendung in der Kraftfahrzeugelektronik.

23. Fehlschlußerkennungseinrichtung nach Anspruch 22, gekennzeich­ net durch die Verwendung bei Spulen von Einspritzventilen als in­ duktiven elektrischen Verbrauchern (1) in der Kraftfahrzeugelek­ tronik.