DE19728783A1

DE19728783A1 - Überspannungsschutzschaltung, insbesondere für Eingänge integrierter Schaltungen

Info

Publication number: DE19728783A1
Application number: DE19728783A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Gscheidle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-07-05
Filing date: 1997-07-05
Publication date: 1999-01-14
Also published as: SE9802397D0; JPH1175320A; SE9802397L; US6031705A

Description

Diese Erfindung betrifft eine Überspannungsschutzschaltung, insbesondere für Eingänge integrierter Schaltungen und weist eine Überspannungserkennungsvorrichtung, die eine positive Überspannungsbedingung an mindestens einer Eingangsleitung erkennt und eine von der Überspannungs erkennungsvorrichtung aktivierte Schaltvorrichtung auf, die im aktivierten Zustand die Eingangsleitung unterbricht.

Derartige Überspannungsschutzschaltungen sind besonders im Bereich der Nachrichtenübertragung und in der Hochspan nungstechnik üblich. Zum Schutz von Eingangsleitungen integrierter Schaltungen, beispielsweise von SAE-Diagnose eingängen an Steuergeräten in Kraftfahrzeugen sind bislang Klemmschaltungen üblich, die im Betrieb die Eingangssignale belasten und die entstehende Verlustleistung über Widerstände in Wärme umsetzen, z. B. in Zenerdioden.

Da in einem Kraftfahrzeug die zu einer Diagnoseschnitt stelle führenden Diagnoseleitungen in Kabelbäumen verlegt sind, können unter Umständen Kurzschlüsse zwischen diesen Leitungen durch Aufscheuern oder Ähnliches auftreten, die zum Ausfall von Schaltungsteilen oder zu Fehlerfällen führen können. Dabei kann es vorkommen, daß z. B. eine Diagnoseleitung mit einer Masseleitung oder mit einer die Batteriespannung +U_BAT führenden Leitung kurzgeschlossen wird. Kurzschluß nach Masse stellt für die integrierte Eingangsschaltung eines Kraftfahrzeugsteuergeräts kein Problem dar, wohingegen der Kurzschluß zur Batteriespannung +U_BAT wenigstens in 24 V-Bordnetzen dazu führt, daß der zulässige Eingangsbereich des SAE-Diagnoseschnittstellen IC's überschritten wird, wodurch diese integrierte Schaltung unter Umständen zerstört werden kann.

Kurzfassung der Erfindung

Es ist demnach Aufgabe der Erfindung, eine Über spannungsschutzschaltung, insbesondere für die Eingänge integrierter Schaltungen, z. B. SAE-Diagnoseeingänge an KFZ-Steuergeräten, anzugeben, die solche Eingänge vor zu hohen Eingangsspannungen zuverlässig schützen, die eine leistungslose Spannungsbegrenzung ohne Beeinträchtigung der Eingangssignale im Arbeitsbereich derselben durchführen kann und die nicht auf den Diagnosebus zurückwirkt.

Die obige Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Überspannungsschutzschaltung, insbesondere für Eingänge integrierter Schaltungen, mit
einer Überspannungserkennungsvorrichtung, die eine positive Überspannungsbedingung mindestens einer Eingangs leitung erkennt, und
einer von der Überspannungserkennungsvorrichtung aktivierten Schaltvorrichtung, die im aktivierten Zustand die Eingangsleitung unterbricht, dadurch gekennzeichnet, daß
die Überspannungserkennungsvorrichtung einen Schwell wertschalter aufweist, der aufgrund einer vorbestimmten Abschaltschwellenspannung die Schaltvorrichtung aktiviert, wenn das bzw. die Eingangssignal(e) diese Schwellenspannung überschreitet bzw. überschreiten, und
die Schaltvorrichtung einen in Reihe mit der Eingangsleitung verbundenen Analogschalter aufweist, der, wenn er deaktiviert ist, hochohmigen Zustand annimmt.

Bevorzugt ist die Überspannungsschutzschaltung zum Schutz gegen positive Überspannungen ausgelegt, wobei die Abschaltschwellenspannung einen positiven Pegel hat. Dies ist bei einer ISO-/SAE-Diagnoseschnittstelle der Fall, bei der die Eingangssignale eines Schnittstellentreibers nur innerhalb der Grenzen -10 V-+15 V liegen dürfen, wobei die nominellen Eingangssignale eines solchen integrierten Schnittstellentreibers zwischen 0-+5 V liegen sollen.

Die angegebene erfindungsgemäße Überspannungsschutz schaltung funktioniert im Prinzip wie ein überspannungs gesteuertes Relais. Sobald an den Eingangsleitungen eine Spannung ansteht (Spitzenwert der Spannung), die die zulässigen Pegel der integrierten Eingangsschaltung über schreitet, erkennt die Überspannungserkennungsvorrichtung das Vorliegen einer Überspannung und erzeugt ein die Schaltvorrichtung aktivierendes Signal, so daß die Schaltvorrichtung wie ein seinen Kontakt öffnendes Relais die Eingangssignale abschaltet, d. h. vom Eingang der nachfolgenden integrierten Schaltung abtrennt. Dieser Zustand wird aufgehoben, sobald die Eingangsspannung der Überspannungsschutzschaltung wieder unterhalb der Schwellenspannung liegt.

Bevorzugt weist die Überspannungserkennungsvorrichtung der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzschaltung zur Erzeu gung der Schwellenspannung eine Zenerdiode und als Schwellwertschalter einen dieser Zenerdiode nachgeschal teten Transistor auf.

Vorteilhafterweise wird die Abschaltschwellenspannung vom Schwellwertschalter auf der Basis einer stabilisierten, von der Batteriespannung abgeleiteten Vergleichsspannung erzeugt.

Der Analogschalter der Schaltvorrichtung der erfindungs gemäßen Überspannungsschutzschaltung weist bevorzugt einen Feldeffekttransistor auf, dessen Gate-Anschluß mit dem aktivierenden Ausgang des Schwellwertschalters, dessen Drain-Anschluß direkt mit dem Eingangsanschluß der Überspannungsschutzschaltung und dessen Source-Anschluß direkt mit dem Ausgangsanschluß derselben verbunden sind. Zum Schutz des Feldeffekttransistors gegen zu hohe Gate-Source-Spannungen ist eine Schutzdiode zwischen dem Gate-Source-Anschluß des Feldeffekttransistors verbunden.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erfindungs gemäße Überspannungsschutzschaltung zur Überwachung zweier Eingangsleitungen ausgelegt, die z. B. korrespondierende, differentielle Signale führen, und weist dazu zwei Feldeffekttransistoren als Analogschalter auf, deren Gate-Anschlüsse jeweils vom aktivierenden Ausgang des gemeinsamen Schwellwertschalters angesteuert werden, deren Drain-Anschluß jeweils direkt mit einem Eingangsanschluß und deren Source-Anschluß jeweils direkt mit einem Ausgangsanschluß der Überspannungsschutzschaltung verbunden sind. Dazu ist der gemeinsamen Überspannungserkennungs vorrichtung eine die momentanen Spannungsspitzenwerte an den beiden Eingangsanschlüssen kombinierende Verknüpfungs schaltung vorgeschaltet. Diese Verknüpfungsschaltung weist bevorzugt zwei in Reihe zwischen den beiden Eingangs leitungen verbundene gegenpolig geschaltete Dioden auf, die mit ihrem gemeinsamen Verbindungspunkt mit der Zenerdiode der Überspannungserkennungsvorrichtung verbunden sind.

Die oben beschriebene erfindungsgemäße Überspannungsschutz schaltung ist einfach und kostengünstig und zusammen mit einer integrierten Eingangsschaltung einer SAE-Schnitt stellenschaltung auf einem gemeinsamen Substrat implemen tierbar. Sie ermöglicht eine leistungslose Begrenzung der Eingangssignale. Ferner ist sie vorteilhafterweise an verschiedene Abschaltpegel durch Änderung der Schaltungs dimensionierung anpaßbar. Die erfindungsgemäße Überspan nungsschutzschaltung hat keine Rückwirkung auf den Diagnosebus, der an der SAE-Diagnoseschnittstelle ange schlossen ist. Im Normalfall stellt die erfindungsgemäße Überspannungsschutzschaltung, d. h. deren Schaltvorrichtung eine niederohmige Verbindung zwischen ihrem Eingangs- und Ausgangsanschluß her. Dagegen stellt die erfindungsgemäße Überspannungsschutzschaltung, d. h. deren Schaltvorrichtung im Überspannungsfall eine hochohmige Verbindung zwischen Eingang und Ausgang der Schaltung her, so als ob die Eingangsleitungen abgetrennt wären. Dabei entstehen keine Rückwirkungen der Überspannungsschutzschaltung auf die auf der Eingangsleitung liegenden Signale.

Zusätzlich kann der Ausgang der Überspannungserkennungs vorrichtung für Überwachungszwecke der Schnittstelle dienen.

Nachstehend wird eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzschaltung anhand der Zeichnung beschrieben. Die Zeichnungsfiguren zeigen im einzelnen:

- Fig. 1 ein prinzipielles Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Überspannungs schutzschaltung;
- Fig. 2 in Form eines Oszillogramms ein Eingangs- und Ausgangssignaldiagramm und eine der Aktivierung der Schalt vorrichtung zugrundeliegende Abschaltschwellenspannung Ua im Normalfall, wenn keine Überspannung auftritt;
- Fig. 3 ebenfalls in Form eines Oszillogramms dieselben Signale in einem Zeitabschnitt, in dem die Eingangsspannung Ue eine leichte Überspannung hat; und
- Fig. 4 ebenfalls in Form eines Oszillogramms einen Zustand, in dem die Eingangsspannung Ue die Abschalt schwellenspannung erheblich überschreitet.

In der nachfolgenden Beschreibung wird immer von einer beispielhaft zugrundegelegten SAE-Diagnoseschnittstelle SAE J 1708 ausgegangen.

Die in Fig. 1 dargestellte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzschaltung ist zur Überwachung der Spannungen zweier Eingangsleitungen jeweils zwischen Eingangs- und Ausgangsanschlüssen e1-a1 und e2-a2 ausgelegt. Zunächst wird die links von der gestrichelten Linie gezeigte Überspannungserkennungsvorrichtung i beschrieben. Die jeweils an einem Eingangsanschluß e1, e2 angelegten Eingangsspannungen U_e1, U_e2 sind über zwei gegenpolig mit ihren Kathodenanschlüssen verbundene Dioden D1, D2 an den Kathodenanschluß einer Zenerdiode D3 geführt, deren Anodenanschluß über eine eine Basisvorspannung erzeugende Widerstandskombination R1, R2 an den Basisanschluß eines Transistors T1 geführt ist. Mit dieser Schaltungsanordnung wird der Transistor T1 bei Eingangsspannungen U_e1, U_e2 < U_AB = U_D1 + U_D3 + U_BE oder = U_D2 + U_D3 + U_BE des Transistors T1 leitend geschaltet. Der Transistor ist emitterseitig an Masse gelegt und kollektorseitig mit einer die Gate-Ansteuerspannung für zwei Feldeffekttransistoren T2, T3 der Schaltvorrichtung 2 erzeugenden Kombination aus einem mit einer Batterie spannung U_BAT verbundenen Widerstand R3 in Kombination mit einer stabilisierenden weiteren Zenerdiode D4 verbunden.

Die Gate-Ansteuerspannung, die von der Kombination R3, D4 erzeugt wird, muß immer um ca. 2V größer sein als die Spannung an den Source-Anschlüssen der MOS-Feldeffekt transistoren T2 und T3. Die Drain-Anschlüsse der beiden Feldeffekttransistoren T2, T3 der Schaltvorrichtung 2 liegen jeweils an den Eingangsanschlüssen e1, e2 und die Source-Anschlüsse jeweils an den Ausgangsanschlüssen a1, a2 der Überspannungsschutzschaltung. Zwischen den Gate- und Source-Anschlüssen der beiden MOS-Feldeffekttransistoren T2, T3 sind jeweils Schutzdioden D5, D6 verbunden, die die Feldeffekttransistoren vor einer zu hohen Gate-Source-Spannung schützen, falls die Source-Anschlüsse der Feldeffekttransistoren nicht auf ein bestimmtes Potential festgebunden sind. Zu erwähnen ist noch, daß zwischen dem Verbindungspunkt des Widerstands R3 mit der Zenerdiode D4 und den Gateanschlüssen der Transistoren T2, T3 jeweils ein Widerstand R4, R5 zur Gate-Vorspannungserzeugung einge schaltet ist.

Die in Fig. 1 gezeigte Schaltung funktioniert wie folgt:
Im Normalfall, wenn weder an e1 noch an e2 eine Überspan nung auftritt, leiten die beiden MOS-Feldeffekttransistoren T2 und T3 und stellen somit jeweils eine niederohmige Verbindung zwischen e1-a1 einerseits und e2-a2 andererseits her. Für alle Eingangsspannungen, die kleiner sind als U_D3 + U_D1 + U_BE oder U_D3 + U_D2 + U_BE, wird T1 nichtleitend, so daß die MOS-Feldeffekttransistoren T2, T3 für Signale in beiden Richtungen auf den beiden Eingangsleitungen einen niederohmigen Widerstand darstellen.

Sobald an mindestens einem Eingang e1, e2 eine Überspannung auftritt, d. h. U_e1, U_e2 < U_D3 + U_D1 + U_BE oder U_D3 + U_D2 + U_BE, wird der Transistor T1 leitend und schließt die Gatespannung U_D4 kurz. Damit werden beide Feldeffekttransistoren T2, T3 in den Sperrzustand gebracht, die Ausgänge a1, a2 der Überspannungsschutzschaltung hochohmig von den zugehörigen Eingängen e1, e2 abgetrennt. Wichtig ist die Polarität der MOS-Feldeffekttransistoren T2, T3, so daß ihr Drain-Anschluß jeweils mit dem Eingang e1, e2 und ihr Source-Anschluß mit dem Ausgang a1, a2 verbunden ist, da die interne Inversdiode der MOS-Feldeffekttransistoren nur in der gezeigten Schaltungsweise die korrekte Funktion zuläßt.

Das in Fig. 2 in Form eines Oszillogramms dargestellte Signal-Zeitdiagramm zeigt den Normalfall, d. h. die Eingangsspannung U_e1, U_e2 ist kleiner oder höchstens gleich der Abschaltschwellenspannung U_AB. In diesem Normalfall verhält sich die Schaltung so, daß die beiden Eingänge e1, e2 jeweils niederohmig, d. h. annähernd direkt mit den Ausgängen a1, a2 der Schaltung verbunden sind.

Das in Fig. 3 ebenfalls in Form eines Oszillogramms und im gleichen Maßstab gezeigte Signal-Zeitdiagramm zeigt einen Zustand, wo die Überspannungsschutzschaltung, d. h. die Erkennungsvorrichtung, bereits einen Überspannungszustand einer der Eingangsspannungen U_e1, U_e2 erkannt hat und die beiden MOS-Feldeffekttransistoren T2, T3 der Schalt vorrichtung 2 hochohmig geschaltet worden sind (U_e < U_AB).

Desgleichen zeigt Fig. 4 in Form eines Oszillogramms und im gleichen Maßstab wie der der vorangehenden Fig. 2 und 3 einen Überspannungszustand, wobei mindestens eine der Eingangsspannungen U_e1, U_e2 die Abschaltschwellenspannung erheblich überschreitet.

Bei dem den Fig. 2 bis 4 zugrundeliegenden Experiment lag im betrachteten Zeitintervall zunächst in Fig. 2 der Spitzenwert von U_e1, U_e2 bei etwa 5V und U_AB bei annähernd 12V; dann lag in Fig. 3 der Spitzenwert der Eingangs spannungen U_e1, U_e2 bei etwa 13V; die Abschaltschwellen spannung U_AB betrug wie in Fig. 2 ca. 12V; schließlich hatte in Fig. 4 im betrachteten Zeitintervall der Spitzenwert der Eingangsspannung U_e1, U_e2 etwa 24V. Die Abschaltschwellenspannung lag unverändert bei 12V. Die in Form eines Oszillogramms in den Fig. 2 bis 4 gezeigten Signal-Zeitdiagramme zeigen, daß die in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Überspannungsschutzschaltung praktisch verzögerungsfrei reagierte und daß nur noch schmale Schaltspitzen jeweils zu Beginn und Ende jedes der Überspannungsimpulse auftraten. Solche Schaltspitzen können leicht durch einfache Tiefpaßfilter ausgesiebt werden.

Die in Fig. 1 gezeigte Schaltung kann durch die Dimensionierung ihrer Bauelemente in einfacher Weise zur Überspannungsüberwachung und zum Überspannungsschutz einer SAE-Diagnoseschnittstelle nach SAE J 1708 ausgelegt werden.

Wie beschrieben, ist die in Fig. 1 dargestellte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Überspannungsschutz schaltung für den kombinierten Schutz zweier Signal leitungen ausgelegt. Dabei ist die Überspannungs erkennungsvorrichtung gemeinsam, so daß beim Auftreten einer Überspannungssituation an einer oder auch an beiden Eingangsleitungen beide MOS-Feldeffekttransistoren T2, T3 hochohmig werden. Selbstverständlich läßt sich mit dem erfindungsgemäßen Schaltungsprinzip auch eine Über spannungsschutzschaltung separat für jede Leitung realisieren. Ferner lassen sich auch mehr als zwei Signalleitungen kombinieren, um mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzschaltung vor Über spannungssituationen geschützt zu werden.

Die oben beschriebene erfindungsgemäße Überspannungsschutz schaltung hat insbesondere folgende Vorteile:

- Der Einsatz von Feldeffekttransistoren als Analogschalter läßt es zu, daß Signale in beiden Richtungen geleitet werden;
- die Schaltung läßt sich einfach und kostengünsgig realisieren;
- die Eingangssignale können leistungslos begrenzt werden;
- die Überspannungsschutzschaltung läßt sich an verschie dene Abschaltpegel durch Anpassung der Bauelementewerte anpassen, beispielsweise durch Bestückungsänderung;
- die Schaltung hat keine Rückwirkung auf einen mit einer SAE-Schnittstelle verbundenen Diagnosebus;
- die erfindungsgemäß verwendeten Feldeffekttransistoren stellen im Normalfall, d. h. wenn keine Überspannung auftritt, eine niederohmige Verbindung zwischen Eingang und Ausgang der Schaltung her;
- der Überspannungsabschaltpfad (T1) kann zusätzlich für Überwachungszwecke der Schnittstelle dienen.

Claims

1. Überspannungsschutzschaltung, insbesondere für Eingänge integrierter Schaltungen, mit
einer Überspannungserkennungsvorrichtung (i), die eine positive oder negative Überspannungsbedingung mindestens einer Eingangsleitung (e1-a1, e2-a2) erkennt, und
einer von der Überspannungserkennungsvorrichtung (1) aktivierten Schaltvorrichtung (2), die im aktivierten Zustand die Eingangsleitung (e1-a1, e2-a2) unterbricht, dadurch gekennzeichnet, daß
die Überspannungserkennungsvorrichtung (1) einen Schwellwertschalter (R1, R2, T1) aufweist, der aufgrund einer vorbestimmten Abschaltschwellenspannung (U_AB) die Schaltvorrichtung (2) aktiviert, wenn das bzw. die Eingangssignal(e) (Ue1, Ue2) diese Schwellenspannung überschreitet bzw. überschreiten, und
die Schaltvorrichtung (2) einen in Reihe mit der Eingangsleitung (e1-a1, e2-a2) verbundenen Analogschalter (T2, T3) aufweist, der, wenn er aktiviert ist, hochohmigen Zustand annimmt.

2. Überspannungsschutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie gegen positive Überspannungen schützt und daß die Abschaltschwellenspannung einen positiven Pegel hat.

3. Überspannungsschutzschaltung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Überspannungserkennungs vorrichtung (1) den momentanen Spitzenwert der Eingangs spannung(en) (Ue1, Ue2) erkennt.

4. Überspannungsschutzschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Überspannungserkennungsvorrichtung (1) zur Erzeugung der Schwellenspannung eine zenerdiode (D3) und einen nach geschalteten Transistor (T1) als Schwellwertschalter aufweist.

5. Überspannungsschutzschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwertschalter die Abschaltschwellenspannung (U_AB) aufgrund einer stabilisierten Vergleichsspannung (U_BATT) erzeugt.

6. Überspannungsschutzschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Analogschalter der Schaltvorrichtung (2) einen Feldeffekt transistor (T2, T3) aufweist, dessen Gate-Anschluß mit dem aktivierenden Ausgang des Schwellwertschalters, dessen Drain-Anschluß direkt mit dem Eingangsanschluß (e1, e2) und dessen Source-Anschluß direkt mit dem Ausgangsanschluß (a1, a2) der Überspannungsschutzschaltung verbunden sind.

7. Überspannungsschutzschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schutzdiode (D5, D6) zwischen dem Gate- und Source-Anschluß des Feldeffekttransistors (T2, T3) verbunden ist, um diesen vor zu hoher Gate-Source Spannung zu schützen.

8. Überspannungsschutzschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Überwachung zweier Eingangsleitungen (e1-a1, e2-a2) ausgelegt ist und dazu zwei Feldeffekttransistoren (T2, T3) aufweist, deren Gate-Anschluß jeweils gemeinsam mit dem aktivierenden Ausgang des gemeinsamen Schwellwertschalters, deren Drain-Anschluß jeweils direkt mit einem Eingangsanschluß (e1, e2) und deren Source-Anschluß jeweils direkt mit einem Ausgangsanschluß (a1, a2) der Überspannungsschutzschaltung verbunden sind, und
daß der gemeinsamen Überspannungserkennungsvorrichtung (1) eine die momentanen Spannungsspitzenwerte an den beiden Eingangsanschlüssen (e1, e2) kombinierende Verknüpfungs schaltung vorgeschaltet ist.

9. Überspannungsschutzschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verknüpfungsschaltung zwischen den beiden Eingangsleitungen (e1, e2) zwei gegenpolig miteinander verbundene, in Reihe geschaltete Dioden (D1, D2) aufweist, die mit ihrem gemeinsamen Verbindungspunkt mit der Zenerdiode (D3) der Überspannungserkennungs vorrichtung (1) verbunden sind.

10. Anwendung der Überspannungsschutzschaltung zur Überwachung und zum Schutz einer Diagnoseschnittstelle nach SAE J 1708.