DE3920805C2 - Kurzschlußfeste Treiberstufe - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine kurzschlußfeste Treiberstufe,insbesondere für die Kraft­ fahrzeug-Elektronik, mit einem Leistungstransistor, über den Verbraucher ansteuerbar sind, und mit einem Serien­ widerstand, der in dem Emitter- bzw. Sourcekreis des Lei­ stungstransistors eingefügt ist und zur Begrenzung des Kurzschlußstromes dient, mit einer das Ansteuersignal an der Steuerelektrode des Transistors auf einen Maximalwert, der auf den bei Kurzschluß über den Serienwiderstand hervorgerufenen Spannungsabfall abgestimmt ist, begrenzen­ den Zenerdiode oder dergl., mit einem dem Leistungstransi­ stor vorgeschalteten Überwachungsschaltkreis, der bei zu hohem Verbraucherstrom oder Kurzschlußstrom selbsttätig die Ansteuerung des Leistungstransistors sperrt und der eine Torschaltung enthält, die das Ansteuersignal des Lei­ stungstransistors mit dessen Ausgangssignal vergleicht und bei einem bei intaktem System nicht möglichen Zustand ein Sperrsignal auslöst (DE 34 45 031 A1).

Beispielsweise werden solche Treiber­ stufen für elektronische Antiblockier- oder Antriebs­ schlupfregelsysteme benötigt, bei denen an die auf einer Leiterplatte zusammengeschalteten 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 Treiber­ stufe zerstören. Bei den rauhen Bedingungen, der die Elek­ tronik in Kraftfahrzeugen ausgesetzt ist, sind solche Kurzschlüsse keineswegs selten. Zum Schutz der Treiber­ stufen ist es daher bekannt, einen Serienwiderstand zur Begrenzung des Kurzschlußstromes einzufügen. Im Falle ei­ nes Dauerkurzschlusses wird dadurch jedoch die Verlustlei­ stung hoch. Die Wärme muß abgeführt werden. Der für solche Verlustleistungen ausgelegte 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 Überschrei­ ten einer bestimmten Kristalltemperatur im Inneren der Treiberstufe die Verlustleistung begrenzt. Das Bauteil wird dann andauernd mit maximaler Junction-Temperatur be­ trieben, mit dem Nachteil, daß sich die Lebensdauer der Treiberstufe erheblich reduziert und daß eine erhebliche Verlustleistung in der Baugruppe auftritt. Außerdem sind solche SMART POWER DEVICES relativ teuer.

Eine Treiberstufe der eingangs genannten Art ist aus der DE 34 45 031 A1 bekannt. Diese Treiberstufe enthält als Torschaltung ein NOR-Gatter. Über den vom Ausgang des Transistors zu einem Eingang des NOR-Gatters geführten Weg wird der Transistor bei Kurzschluß des Verbrauchers (der Kollektorlast) und Ansteigen der Kollektorspannung ausge­ schaltet. Beim nächsten Pegelwechsel des Ansteuersignals der Endstufe wird durch die Umladung eines Kondensators, der beide Eingänge des NOR-Gatters verbindet, ein erneutes Auf steuern des Transistors - gefolgt von einem erneuten Ansprechen der Schutzschaltung, falls der Kurzschluß wei­ terhin besteht, - herbeigeführt.

Ferner ist aus der DE 30 01 632 C2 eine Transistor-Schutz­ schaltung bekannt, bei der über ein UND-Gatter die Kollek­ torspannung eines Leistungstransistors mit dem Ansteuer­ signal des Transistors logisch verknüpft wird. Maßnahmen zur Begrenzung des über den Leistungstransistor bei Ver­ braucherkurzschluß fließenden Stromes (Emitterwiderstand in Verbindung mit einer Zenerdiode an der Steuerelektrode des Transistors) sind bei dieser bekannten Schaltung nicht vorgesehen. Auch ist nicht offenbart, wann die Schutz­ schaltung wieder zurückgesetzt wird.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine kurz­ schlußfeste Treiberstufe zu schaffen, die sich durch hohe Zuverlässigkeit, geringen Herstellungsaufwand und vernach­ lässigbar geringe Verlustleistung im Kurzschlußfall aus­ zeichnete die bereits bei einem einmalig auftretenden Feh­ ler anspricht, die jedoch andererseits bei nur kurzzeiti­ gen Störungen eine Wiedereinschaltung des Regelungssystems zuläßt. Z.B. soll bei zu hohem Strom über eine Ventilspule eines ABS die Blockierschutzregelung abschaltet und damit den Erhalt der Bremsenfunktion gewährleistet werden.

Es hat sich herausgestellt, daß diese Aufgabe durch eine Treiberstufe der eingangs genannten Art gelöst werden kann, deren Besonderheit darin besteht, daß die Torschal­ tung beim Ansteuern des Leistungstransistors und zu hohem Verbraucherstrom oder Kurzschlußstrom ein Flip-Flop setzt und dadurch die Sperrung des Ansteuersignals für den Lei­ stungstransistor hervorruft und daß das Flip-Flop bei je­ der Betätigung der Motorzündung zurücksetzbar ist.

Der Überwachungsschaltkreis der erfindungsgemäßen Treiber­ stufe läßt sich durch einen integrierten Schaltkreis, bei­ spielsweise durch einen kundenspezifischen integrierten Schaltkreis, realisieren. Der Herstellungsaufwand für sol­ che Schaltkreise ist sehr gering. Es lassen sich zahlreiche Schaltkreise dieser Art - für mehrere Treiberstufen - in einem einzigen Baustein unterbringen.

Nach einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung ist als Torschaltung ein UND-Gatter vorgesehen, das bei Erfüllung der UND-Bedingung das Flip-Flop setzt und da­ durch die Sperrung des Ansteuersignals für den Leistungs­ transistor hervorruft.

Ferner ist es in vielen Fällen von Vorteil, wenn der Überwachungsschaltkreis ein Zeitglied, 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.

Als Leistungstransistor sind bipolare Transistoren oder Feldeffekttransistoren besonders geeignet.

Schließlich besteht eine weitere vorteilhafte Ausführungs­ art der Erfindung noch darin, daß der Überwachungs­ schaltkreis als integrierter Schaltkreis ausgebildet ist und über drei Anschlüsse, nämlich über einen Anschluß für das Eingangsignal, einen Anschluß für die Steuerelektrode des Leistungstransistors und einen Verbraucheranschluß (Kollektor bzw. Drain des Leistungstransistors) verfügt.

Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der bei­ gefügten Abbildung hervor.

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 dem 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 (6)

1. Kurzschlußfeste Treiberstufe, insbesondere für die Kraft­ fahrzeug-Elektronik, mit einem Leistungstransistor, über den Verbraucher ansteuerbar sind, und mit einem Serienwiderstand, der in dem Emitter- bzw. Sourcekreis des Leistungstransistors eingefügt ist und zur Begrenzung des Kurzschlußstromes dient, mit einer das Ansteuersignal an der Steuerelektrode des Transistors auf einen Maximalwert, der auf den bei Kurzschluß über den Serienwiderstand hervorgerufenen Spannungsabfall abgestimmt ist, begrenzenden Zenerdiode oder dergl., mit einem dem Leistungstransistor vorgeschalteten Überwachungsschaltkreis, der bei zu hohem Verbraucherstrom oder Kurzschlußstrom selbsttätig die Ansteuerung des Leistungstransistors sperrt und der eine Torschaltung enthält, die das Ansteuersignal des Leistungstransistors mit dessen Ausgangssignal vergleicht und bei einem bei intaktem System nicht möglichen Zustand ein Sperrsignal aus löst, dadurch gekennzeichnet, daß die Torschaltung (8) beim Ansteuern des Leistungstransistors (T1) und zu hohem Verbraucherstrom oder Kurzschlußstrom ein Flip-Flop (11) setzt und dadurch die Sperrung des Ansteuersignals für den Leistungstransistor (T1) her­ vorruft und daß das Flip-Flop (11) bei jeder Betätigung der Motorzündung zurücksetzbar ist.

2. Treiberstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Torschaltung (8) ein UND-Gatter vorgesehen ist, das bei Erfüllung der UND- Bedingung das Flip-Flop (11) setzt.

3. Treiberstufe nach Ansprüche 1 oder 2, 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.

4. Treiberstufe nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß als Leistungstransistor (T1) ein bipolarer Transistor vorgesehen ist.

5. Treiberstufe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Leistungstransistor (T1) ein Feldeffekttransistor vorgesehen ist.

6. Treiberstufe nach einem der Ansprüche 1-5, 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.