DE3920805A1 - Kurzschlussfeste treiberstufe - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine kurzschlußfeste Treiber­ stufe, die insbesondere für die Kraftfahrzeug-Elektronik, aber auch für andere Anwendungen geeignet ist und die einen Leistungstransistor besitzt, über den Verbraucher, wie Relais, Warnlampen, elektrisch betätigbare Hydraulikventile, Elektromotoren und dergl. ansteuerbar sind und das mit einem Serienwiderstand zur Begrenzung des Kurzschlußstromes aus­ gerüstet ist. Beispielsweise werden solche Treiberstufen für elektronische Antiblockier- oder Antriebsschlupfregelsysteme benötigt, bei denen an die auf einer Leiterplatte zusammen­ geschalteten elektronischen Bausteine über Steckverbindungen und Kabel elektrisch betätigbare Hydraulikventile und andere Verbraucher angeschlossen sind.

Ein Kurzschluß, der durch einen defekten Verbraucher, durch blanke Anschlußdrähte, durch Handhabungsfehler oder dergl. entstehen könnte, würde die entsprechende Treiberstufe zer­ stören. Bei den rauhen Bedingungen, der die Elektronik in Kraftfahrzeugen ausgesetzt ist, sind solche Kurzschlüsse keineswegs selten. Zum Schutz der Treiberstufen ist es daher bekannt, einen Serienwiderstand zur Begrenzung des Kurz­ schlußstromes einzufügen. Im Falle eines Dauerkurzschlusses wird dadurch jedoch die Verlustleistung hoch. Die Wärme muß abgeführt werden. Der für solche Verlustleistungen ausge­ legte Widerstand ist relativ groß und aufwendig.

Weiterhin sind sogenannte SMART POWER DEVICES bekannt. Dies sind Treiberstufen mit integriertem Kurzschlußschutz. Bei solchen Stufen wird im Kurzschlußfall beim Überschreiten einer bestimmten Kristalltemperatur im Inneren der Treiber­ stufe die Verlustleistung begrenzt. Das Bauteil wird dann andauernd mit maximaler Junction-Temperatur betrieben, mit dem Nachteil, daß sich die Lebensdauer der Treiberstufe er­ heblich reduziert und daß eine erhebliche Verlustleistung in der Baugruppe auftritt. Außerdem sind solche SMART POWER DEVICES relativ teuer.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die geschil­ derten Nachteile zu beseitigen und eine kurzschlußfeste Treiberstufe zu schaffen, die sich durch hohe Zuverlässig­ keit, geringen Herstellungsaufwand und vernachlässigbar ge­ ringe Verlustleistung im Kurzschlußfall auszeichnet.

Es hat sich nun herausgestellt, daß diese Aufgabe durch eine Treiberstufe der eingangs genannten Art gelöst werden kann, deren Besonderheit darin besteht, daß dem Leistungs­ transistor ein Überwachungsschaltkreis vorgeschaltet ist, der bei zu hohem Verbraucherstrom oder Kurzschlußstrom selbsttätig die Ansteuerung des Leistungstransistors sperrt.

Der Überwachungsschaltkreis der erfindungsgemäßen Treiber­ stufe läßt sich durch einen integrierten Schaltkreis, bei­ spielsweise durch einen kundenspezifischen integrierten Schaltkreis, realisieren. Der Herstellungsaufwand für solche Schaltkreise ist sehr gering. Es lassen sich zahlreiche Schaltkreise dieser Art - für mehrere Treiberstufen - in einem einzigen Baustein unterbringen. Ein besonderer Vorteil des Überwachungsschaltkreises besteht noch darin, daß er nur drei Anschlüsse benötigt, nämlich einen für das Eingangs­ signal, einen für die Steuerelektrode des Leistungs­ transistors und einen für den Verbraucheranschluß (Kollektor bzw. Drain des Leistungstransistors) benötigt, was ebenfalls die Herstellungskosten günstig beeinflußt.

Nach einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Serienwiderstand in dem Emitter- oder Sourcekreis des Leistungstransistors eingefügt, und es ist das Ansteuer­ signal an der Steuerelektrode des Transistors mit Hilfe einer Zenerdiode oder dergl. auf einen Maximalwert begrenzt, der auf den bei Kurzschluß über den Serienwiderstand hervor­ gerufenen Spannungsabfall abgestimmt ist; sobald der Span­ nungsabfall über dem Serienwiderstand die Zenerspannung er­ reicht (bei Vernachlässigung der Differenzspannung zwischen Gate und Source), wird der Transistor abgeschaltet.

Zweckmäßigerweise enthält der Überwachungsschaltkreis eine Torschaltung, die das Ansteuersignal des Leistungs­ transistors mit dessen Ausgangssignal vergleicht und bei einem bei intaktem System nicht möglichen Vergleichsergebnis ein Sperrsignal auslöst. Als Torschaltung ist in einem Fall ein UND-Gatter vorgesehen, das bei logisch gleichen Ein­ gangssignalen ein Flip-Flop setzt und dadurch die Sperrung des Ansteuersignals für den Leistungstransistor hervorruft.

In einem Ausführungsbeispiel wird das Flip-Flop in regel­ mäßigen Zeitabständen, bei regelmäßig wiederkehrenden Er­ eignissen usw., insbesondere bei jeder Betätigung der Motor­ zündung, zurückgesetzt.

Nach einer weiteren Ausführungsart der Erfindung weist der Überwachungsschaltkreis ein Zeitglied, d.h. ein RC-Glied, einen Tiefpaß oder dergl., auf, das eine kurzzeitig auftre­ tende Nichterfüllung der UND-Bedingung, die für eine kurz­ zeitige Störung oder für Einschaltvorgänge typisch ist, un­ terdrückt.

Als Leistungstransistor ist ein bipolarer oder ein uni­ polarer Transistor, z.B. Feldeffekttransistor vorgesehen.

Die erfindungsgemäße Treiberstufe ist also auch gegen Dauer-Kurzschlüsse völlig unempfindlich, weil das Eingangs­ signal - bis zur nächsten Zündung des KFZ-Motors - abge­ schaltet wird. Der Kurzschlußstrom, der den zum Auslösen des Abschaltvorganges erforderlichen Spannungsabfall über dem Serienwiderstand hervorruft, fließt folglich nur für eine sehr kurze Zeitspanne, weshalb die entstehende Verlust­ leistung vernachlässigbar gering ist. Es genügt daher als Serienwiderstand ein vergleichsweise kleiner und billiger ohmscher Widerstand geringer Belastbarkeit.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung eines Aus­ führungsbeispieles anhand des beigefügten Schaltbildes her­ vor.

Die dargestellte Treiberstufe besteht im wesentlichen aus einem Feldeffekt-Leistungstransistor T1 und aus einem vorge­ schalteten Überwachungsschaltkreis 2. Ein niederohmiger Serienwiderstand 3, der zwischen dem Source-Anschluß S des Transistors T1 und dem Massenanschluß eingefügt ist, dient zur Begrenzung des Kurzschlußstromes. Außerdem löst die über diesen Widerstand 3 abfallende Spannung, wie anschließend noch genauer beschrieben wird, eine Abschaltung der Treiber­ stufe im Kurzschlußfall aus.

Mit Treiberstufen der dargestellten Art lassen sich bei­ spielsweise in der Kraftfahrzeugelektronik Verbraucher ein- und ausschalten, die eine relativ hohe Leistung benöti­ gen. Symbolisch sind in der Abbildung eine Warnlampe 4 und eine Relaiswicklung oder Magnetventilwicklung 5 dargestellt. Elektromagnetisch betätigbare Hydraulikventile werden bei­ spielsweise zur Bremsdruckmodulation in blockiergeschützten Bremsanlagen oder Antriebsschlupfregelsystemen benötigt. Elektrische Stellmotoren in Kraftfahrzeugen werden ebenfalls mit Hilfe solcher Treiberstufen ein- und ausgeschaltet. U_B symbolisiert die Versorgungs- oder Batteriespannung eines Kraftfahrzeugs.

Über den erfindungswesentlichen Überwachungsschaltkreis 2 wird ein Stellsignal oder Eingangssignal IN der Steuer­ elektrode oder Gate-Elektrode des Transistors T1 zugeführt. Der Überwachungsschaltkreis 2 besteht ausschließlich aus elektrischen Komponenten, die sich in eine integrierten Schaltung, z.B. in einem sog. kundenspezifischen in­ tegrierten Schaltkreis, unterbringen lassen. Eine Zenerdiode 6, die hier unmittelbar am Gate-Anschluß c des Transistors T1 anliegt, jedoch auch vor einem Verstärker 7 angeschaltet sein könnte, legt einen oberen Grenzwert für das Eingangs­ signal des Transistors T1 fest.

Ein UND-Gatter 8 vergleicht den logischen Zustand der Signale am Eingang und Ausgang des Transistors T1 bzw. am Gate und Drain des Feldeffekttransistors T1. Der Ausgang des UND-Gatters 8 führt über ein RC-Glied 9, 10, das hier als Tiefpaß zum Ausfiltern von kurzen Störsignalen dient, zu dem Setzeingang S eines Flip-Flops 11. Zurückgesetzt wird das Flip-Flop 11 durch ein Signal an dessen Reset-Eingang R. Der Reset-Eingang ist im vorliegenden Beispiel an dem Zündschal­ ter eines Kraftfahrzeuges angeschlossen, damit das Flip-Flop 11 bei jedem Anlassen des Fahrzeugmotors zurückgesetzt wird.

Über einen Ausgang Q des Flip-Flops 11 wird ein bipolarer Transistor T2 angesteuert, der, sobald er leitend ist, das Eingangssignal IN praktisch kurzschließt.

Die dargestellte Treiberstufe arbeitet wie folgt:
Im Normalfall, wenn alles intakt ist, wird ein Eingangs­ signal IN - high oder low - zum Leistungstransistor T1 wei­ tergeleitet. "high" am Eingang des Leistungstransistors T1 führt zum Einschalten der Verbraucher 4, 5. Bei "low" am Gate-Anschluß c des Transistors T1 wird dieser Treiber hoch­ ohmig, so daß die Lampe 4 erlischt und das Ventil 5 in seine Ruhestellung zurückkehrt.

Bei einem Kurzschluß in einem Verbraucher 4 oder 5 tritt der Überwachungsschaltkreis 2 in Funktion. Nach Ansteuerung bzw. Einschaltung des Transistors T1 führt ein Kurzschluß im Ver­ braucher zu einem so hohen Spannungsabfall über dem Serien­ widerstand 3, daß das durch die Zenerdiode 6 begrenzte Ein­ gangssignal am Gate-Anschluß c nicht mehr zur Durchsteuerung des Transistors T1 genügt. Der Transistor sperrt. Nunmehr ist die UND-Bedingung erfüllt, so daß der Ausgang des Gat­ ters 8 "high" wird. Nach einer sehr kurzen Verzögerung, be­ dingt durch das RC-Glied 9, 10, wird das Flip-Flop 11 gesetzt und dadurch über den Transistor T2 das Eingangssignal IN kurzgeschlossen. Die Ansteuerung des Transistors T1 wird da­ durch bis zum Zurücksetzen des Flip-Flops 11 unterbunden. Der Kurzschluß im Verbraucher kann daher dem Transistor T1 nichts mehr anhaben.

Die Überwachungsschaltung benötigt also nur die drei An­ schlüsse a, b, c und damit nur drei Anschlußstifte. Dadurch können in einem einzigen integrierten Schaltkreis, der nur eine beschränkte Anzahl von Anschlußstiften besitzt, eine relativ große Zahl von Schaltungen dieser Art untergebracht werden.

Claims (9)

1. Kurzschlußfeste Treiberstufe, insbesondere für die Kraft­ fahrzeug-Elektronik, mit einem Leistungstransistor, über den Verbraucher, wie Relais, Warnlampen, elektrisch betä­ tigbare Hydraulikventile, Elektromotore und dergl., an­ steuerbar sind, und mit einem Serienwiderstand zur Be­ grenzung des Kurzschlußstromes, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dem Leistungstransistor (T1) ein Überwachungsschaltkreis (2) vorgeschaltet ist, der bei zu hohem Verbraucherstrom oder Kurzschlußstrom selbsttätig die Ansteuerung des Leistungstransistors (T1) sperrt.

2. Treiberstufe nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Serienwiderstand (3) in dem Emitter- bzw. Sourcekreis des Leistungstransistors (T1) eingefügt ist und daß das Ansteuersignal an der Steuer­ elektrode des Transistors mit Hilfe einer Zenerdiode (6) oder dergl. auf einen Maximalwert begrenzt ist, der auf den bei Kurzschluß über den Serienwiderstand (3) hervor­ gerufenen Spannungsabfall abgestimmt ist.

3. Treiberstufe nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Überwachungsschaltkreis (2) eine Torschaltung (8) enthält, die das Ansteuersignal des Leistungstransistors (T1) mit dessen Ausgangssignal ver­ gleicht und bei einem bei intaktem System nicht möglichen Zustand ein Sperrsignal auslöst.

4. Treiberstufe nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Torschaltung (8) ein UND-Gatter vorgesehen ist, das bei Erfüllung der UND-Be­ dingung ein Flip-Flop (11) setzt und dadurch die Sperrung des Ansteuersignals für den Leistungstransistor (T1) her­ vorruft.

5. Treiberstufe nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Flip-Flop (11) in regelmäßigen Zeitabständen oder bei regelmäßig wiederkehrenden Ereig­ nissen, insbesondere bei jeder Betätigung der Motorzün­ dung, zurücksetzbar ist.

6. Treiberstufe nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Überwachungs­ schaltkreis (2) ein Zeitglied (9, 10), d.h. ein RC-Glied, einen Tiefpaß oder dergl., aufweist, das eine kurzzeitig auftretende Nichterfüllung der UND-Bedingung, die auf kurzzeitige Störungen oder Einschaltvorgänge zurückgehen kann, unterdrückt.

7. Treiberstufe nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß als Leistungs­ transistor (T1) ein bipolarer Transistor vorgesehen ist.

8. Treiberstufe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Leistungstransistor (T1) ein Feldeffekttransistor vorgesehen ist.

9. Treiberstufe nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß der Überwachungs­ schaltkreis (2) als integrierter Schaltkreis ausgebildet ist und über drei Anschlüsse (a, b, c), nämlich über einen Anschluß für das Eingangssignal (IN), einen Anschluß für die Steuerelektrode des Leistungstransistors (T1) und einen Verbraucheranschluß (Kollektor bzw. Drain des Leistungstransistors) verfügt.