DE19815628C1 - Steuereinrichtung für ein Kraftstoff-Einspritzsystem - Google Patents

Steuereinrichtung für ein Kraftstoff-Einspritzsystem

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Abstract

Steuereinrichtung für eine Leistungsendstufe, insbesondere einer Kraftstoffpumpe, mit einer Reihenschaltung eines Highside-Schalters, eines ersten Widerstandes und eines ersten Kondensators, und mit einem Lowside-Schalter, mit einem zweiten Kondensator zwischen dem Highside-Schalter und dem Lowside-Schalter, mit einer Reihenschaltung aus dem ersten Widerstand, einem zweiten Widerstand und einem zweiten Kondensator parallel zum zweiten Kondensator, und mit einem weiteren Widerstand zwischen dem Versorgungsspannungsanschluß und dem Lowside-Schalter.

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung für ein Kraft­ stoff-Einspritzsystem, insbesondere für die Ansteuerung der Leistungsendstufe einer Dieselpumpe.
Am Ausgang der Steuereinrichtung werden Schaltsignale für ei­ ne externe Leistungselektronik ausgegeben, durch welche die Leistungsendstufe und damit eine (Diesel-)Kraftstoffpumpe oder Kraftstoffeinspritzventile betätigt werden. Zur exakten Steuerung der Kraftstoffmenge muß das Zeitverhalten der Schaltsignale präzis und stabil sein, auch wenn die Eingangs­ impedanz der Leistungselektronik fertigungsbedingt in weiten Bereichen schwanken kann. Funktional besonders wichtig ist dabei die abfallende Schaltsignalflanke.
Folgende Forderungen werden an eine solche Steuereinrichtung gestellt:
  • - Signalpegel Low < 0.9 V; High < 3.3 V,
  • - Spannungsschaltflanke 3 µs mit max. Toleranz von ±1.5 µs,
  • - Temperaturbereich: -40°C ... +125°C,
  • - Eingangsimpedanz der Leistungselektronik: 10 kΩ < Rin < 1 MΩ, 1 nF < Cin < 3 nF (ein weiterer 1 nF- Kondensator - C3 - kommt im Motorsteuergerät zur EMV- Entstörung noch hinzu),
  • - Schutz des Ausgangs gegen Kurzschluß nach Masse,
  • - Minimale Leckströme bei Verlust des Massepotentials am Steuergerät ("ioss of ground").
Neben der im Kraftfahrzeug-Bereich erforderlichen Kurzschluß­ festigkeit darf bei "loss of ground" die Leistungselektronik in keinem Fall einschalten; es entstünde ein statischer High- Pegel am Eingang der Leistungselektronik und damit eine un­ kontrollierte Kraftstoffzufuhr, was zu Motor- und Personen­ schaden führen könnte.
Bisherige Schaltungen verwenden einen pnp-Transistor als Highside-Schalter mit einem Serienwiderstand zwischen Kollek­ tor und Ausgang und zusätzlich einen MOS-FET als Lowside- Schalter zwischen Ausgang und Masse, um die EMV-Kapazität so­ wie die Eingangskapazität der nachgeschalteten Leistungselek­ tronik rasch zu entladen. Dies dient dazu, eine abfallende Schaltsignalflanke mit dem geforderten Zeitverhalten zu er­ zeugen.
Da der Drain-Anschluß des Lowside-Schalters direkt mit dem Ausgang verbunden ist, muß eine Überstromabschaltung als Schutz gegen-Kurzschluß nach Batterie vorgesehen sein. Diese ist Teil eines verwendeten komplexen Schalt-IC's.
Die geforderte Abschaltung bei "loss of ground" wird durch Einfügen einer Diode in Reihe mit dem Lowside-Schalter er­ reicht. Durch die zusätzliche Dioden-Flußspannung kann aller­ dings der geforderte Low-Pegel (< 0.9 V) bei tiefen Temperatu­ ren nicht mehr eingehalten werden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Steuereinrichtung für ein Kraftstoff-Einspritzsystem zu schaffen, welche die genannten Forderungen auch bei tiefen Temperaturen erfüllen kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden unter Bezugnahme auf die schematische Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1: eine bisher verwendete, firmenintern bekannte Schaltung, und
Fig. 2: eine erfindungsgemäße Schaltung einer Steuereinrich­ tung für ein Kraftstoff-Einspritzsystem.
Fig. 1 zeigt eine in einem als Kasten angedeuteten Motor­ steuergerät ST befindliche, im wesentlichen bereits weiter oben beschriebene Steuereinrichtung für ein Kraftstoff-Ein­ spritzsystem einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug. Zwischen dem Ausgang eines von einer 12 V-Kraftfahrzeugbatte­ rie gespeisten 5 V-Spannungsreglers SR und einem Masseanschluß GNDm des Motorsteuergeräts ST liegt ein pnp-Highside-Schalter Q2 in Reihenschaltung mit einem Widerstand R, einer Diode D und einem MOS-FET-Lowside-Schalter Q1. Parallel zu Diode D und Lowside-Schalter Q1 liegt ein EMV-Kondensator C.
Am Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand R und dem EMV- Kondensator C befindet sich der Ausgang A dieser Steuerein­ richtung, welcher mit dem Eingang der nachfolgenden, als Ka­ sten angedeuteten Leistungsendstufe LE eines Kraftstoff-Ein­ spritzsystems verbunden ist. Die Eingangsimpedanz dieser Lei­ stungsendstufe LE ist als Parallelschaltung eines Widerstan­ des Rext und eines Kondensators Cext zwischen dem Ausgang A und der Fahrzeugmasse GNDf angedeutet.
Lowside-Schalter Q1 und Highside-Schalter Q2 werden synchron mit einem Ansteuersignal st beaufschlagt, wobei bei Highpegel des Steuersignals st der Ausgang A nahezu auf Massepotential (0 V) liegt, bei Lowpegel nahezu auf Potential der Versor­ gungsspannung +Uv.
Bei der erfindungsgemäßen Schaltung nach Fig. 2 liegt zwi­ schen dem Anschluß der Versorgungsspannung. +Uv und dem Mas­ seanschluß GNDm die aus Fig. 1 bekannte Reihenschaltung ei­ nes pnp-Highside-Schalters Q2, eines Widerstandes R6 und ei­ nes Kondensators C3. Am Verbindungspunkt zwischen dem Wider­ stand R6 und dem Kondensator C3 befindet sich der Ausgang A, welcher, wie in Fig. 1, mit dem Eingang der nachfolgenden, hier nicht mehr angedeuteten Leistungsendstufe LE des nach­ folgenden Kraftstoff-Einspritzsystems verbunden ist. Die Ein­ gangsimpedanz dieser Leistungsendstufe LE ist wieder als Par­ allelschaltung eines Widerstandes Rext und eines Kondensators Cext zwischen dem Ausgang A und der Fahrzeugmasse GNDf ange­ deutet.
Der als npn-Transistor ausgeführte Lowside-Schalter Q1 und der pnp-Highside-Schalter Q2 sind mit je einem Basis-Emitter­ widerstand R2 bzw. R4 und je einem Basiswiderstand R1 bzw. R5 versehen. Über diese Basiswiderstände R1 bzw. R5 wird das Steuersignal st beiden Schaltern Q1 und Q2 synchron zuge­ führt.
Zwischen den Kollektoranschlüssen von Highside-Schalter Q2 und Lowside-Schalter Q1 ist ein Kondensator C2 angeordnet, zu welchem eine Reihenschaltung aus dem Widerstand R6, einem weiteren Widerstand R7 und einem weiteren Kondensator C1 par­ allelgeschaltet ist. Zwischen dem Anschluß der Versorgungs­ spannung +Uv und dem Kollektor des Lowside-Schalters Q2 ist ein zusätzlicher Widerstand R3 geschaltet.
Die Schaltung mit der unten angegebenen Bauteile-Dimensionie­ rung arbeitet folgendermaßen:
Während der positiven Schaltflanke des Steuersignals st wird der Lowside-Schalter Q1 leitend und der Highside-Schalter Q2 nichtleitend; die Leistungsendstufe LE wird ausgeschaltet (negative Schaltflanke - Kraftstoffeinspritzung wird ausge­ schaltet). Der statische Low-Pegel wird durch den in der Lei­ stungsendstufe LE befindlichen Widerstand Rext bestimmt. Da­ durch ist ein Low-Pegel < 0.9 V (bezogen auf Fahrzeugmassepo­ tential GNDf) sichergestellt.
Die dynamische Ausgangsimpedanz wird durch den Lowside- Schalter Q1, den Widerstand R7 und den Kondensator C1 be­ stimmt. Der Lowside-Schalter Q1 hat nur eine geringe Sätti­ gungsspannung und die Impedanz von C1 und C2 kann während der Schaltflanke vernachlässigt werden. Somit bestimmt der Wider­ stand R7 im wesentlichen die dynamische Impedanz (ca. 220 Ω in der angegebenen Dimensionierung). Die Kondensatoren C1 und C2, die im leitenden Zustand des Lowside-Schalters Q1 Ladung verlieren, werden anschließend über den Widerstand R3 wieder aufgeladen.
Während der negativen Schaltflanke des Steuersignals st wird der Lowside-Schalter Q1 nichtleitend und der Highside-Schal­ ter Q2 leitend; die Leistungsendstufe LE wird eingeschaltet (positive Schaltflanke - Kraftstoffeinspritzung wird einge­ schaltet). Der statische High-Pegel wird durch den aus dem Highside-Schalter Q2 und den Widerständen R6 und Rext beste­ henden Spannungsteiler bestimmt. Der Widerstand R6 ist so zu dimensionieren, daß bei minimalem Wert von Rext (10 kΩ) und leitendem Highside-Schalter Q2 (Spannungsabfall < 0.2 V) der geforderte Wert für den Highside-Pegel (< 3.3 V) sicher er­ reicht wird.
Der Widerstand R6 dient zugleich zur Strombegrenzung im Kurz­ schlußfall und schützt somit den Highside-Schalter Q2.
Die Ausgangsimpedanz wird durch den Highside-Schalter Q2, die Widerstände R6 und R7 und die Kondensatoren C1 und C2 be­ stimmt. Der Highside-Schalter Q2 hat nur eine geringe Sätti­ gungsspannung und die Impedanz von C1 und C2 kann während der Schaltflanke vernachlässigt werden. Somit bestimmt die Paral­ lelschaltung der Widerstände R6, R7 im wesentlichen die dyna­ mische Gesamt impedanz ca. 200 Ω (220 Ω//2 kΩ) in der angegebe­ nen Dimensionierung).
Die Kondensatoren C1 und C2 werden während der Schaltflanken geringfügig aufgeladen, während des statischen High- oder Low-Pegels erfolgt jedoch eine langsame Entladung über die Widerstände R6 und R7, so daß bis zur nächsten Schaltflanke der Anfangszustand wieder erreicht ist.
Der Innenwiderstand Rext der angeschlossenen Leistungsendstu­ fe LE beträgt minimal 10 kΩ; er ist groß gegenüber der Ge­ samtimpedanz des Ausgangs A und hat somit keinen Einfluß auf die Schaltzeiten T, die durch die Gesamtimpedanz und die Sum­ me der angeschlossenen Kondensatorkapazitäten C3 und Cext be­ stimmt werden: T = R7 . (C3 + Cext).
Bei "loss of ground" des Massepotentials GNDm am Steuergerät ST steigt das Potential am Anschluß der Versorgungsspannung +Uv (normalerweise +5 V) ebenso wie am Masseanschluß GNDm und des Steuersignals st auf +12 V (Batteriespannung). Emitter- und Basispotential des Highside-Schalters Q2 liegen dement­ sprechend auf +12 V, d. h., der Highside-Schalter Q2 ist nicht­ leitend. Das Potential am Ausgang A liegt - über den Wider­ stand Rext - auf Fahrzeugmassepotential GNDf.
Der Lowside-Schalter Q1 ist über den Kondensator C1 und den Widerstand R7 mit dem Ausgang A verbunden. Durch die gleich­ strommäßige Entkopplung wird bei "loss of ground" eine Beein­ flussung des Ausgangs A vermieden. Außerdem ist der Lowside- Schalter Q1 gegen Kurzschluß geschützt.
Damit ergeben sich folgende Vorteile der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung: im Störfall "loss of ground" wird ein Ein­ schalten der Leistungsendstufe sicher verhindert; die Schutz­ diode gegen "loss of ground" entfällt; der geforderte Low-Pe­ gel < 0.9 V wird sicher eingehalten; der Lowside-Schalter Q1 benötigt keinen Schutz gegen Kurzschluß nach Batteriespan­ nung; keine Beeinflussung der Schaltflanken durch den Innen­ widerstand der angeschlossenen Leistungsendstufe; alle stati­ schen und dynamischen Anforderungen an den Ausgang werden er­ füllt; die Schaltung ist kostengünstig mit Standardbauelemen­ ten herstellbar.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel nach der Erfindung werden, unter Berücksichtigung der eingangs definierten For­ derungen an die Steuereinrichtung, unter anderen nachstehend dimensionierte Bauelemente verwendet:
R3 1 kΩ
R6 2 kΩ
R7 220 Ω
C1 100 nF
C2 22 nF
C3 1 nF
Rext 10 kΩ < Rext < 1M Ω
Cext 1 nE < Cext < 3 nF
Q1 pnp-Transistor
Q2 npn-Transistor

Claims (2)

1. Steuereinrichtung für eine Leistungsendstufe, insbesondere für die Ansteuerung einer Leistungsendstufe einer Kraftstoff­ pumpe oder eines Kraftstoff-Einspritzventils einer Brennkraft­ maschine,
mit einer zwischen den Polen (+Uv, GNDm) einer der Steuerein­ richtung (ST) zugeordneten Versorgungsspannungsquelle ange­ ordneten Reihenschaltung eines aus einem bipolaren pnp- Transistor bestehenden Highside-Schalters (Q2), eines ersten Widerstandes (R6) und eines ersten Kondensators (C3),
mit einem Lowside-Schalter (Q1), wobei der Ausgang der Steu­ ereinrichtung zwischen dem ersten Widerstand (R6) und dem er­ sten Kondensator (C3) liegt,
mit einem zwischen dem Highside-Schalter (Q2) und dem Lowsi­ de-Schalter (Q1) angeordneten zweiten Kondensator (C2),
mit einer parallel zum zweiten Kondensator (C2) angeordneten Reihenschaltung aus dem ersten Widerstand (R6), einem zweiten Widerstand (R7) und einem dritten Kondensator (C1), und
mit einem zwischen dem Versorgungsspannungsanschluß (+Uv) und dem Lowside-Schalter (Q1) angeordneten weiteren Widerstand (R3).
2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lowside-Schalter (Q1) ein npn-Transistor ist.
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