DE4428115C2 - Steuergerät mit einer Schaltungsanordnung zum Schutz des Steuergerätes bei Unterbrechung der Steuergerätemasse - Google Patents
Steuergerät mit einer Schaltungsanordnung zum Schutz des Steuergerätes bei Unterbrechung der SteuergerätemasseInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Steuergerät mit einer Schaltungsanordnung zum Schutz
des Steuergerätes bei Unterbrechung der Steuergerätemasse, insbesondere in
Kraftfahrzeugen, mit mindestens einem elektronischen Lastschalter, mit jeweils
einer Last, die zwischen dem negativen Pol, einer Spannungsquelle und einer
ersten Elektrode des jeweiligen Lastschalters angeordnet ist und über eine zweite
Elektrode des Lastschalters mit dem positiven Pol der Spannungsquelle
verbindbar ist, und mit einer Ansteuerschaltung, die eine Steuerelektrode des
jeweiligen Lastschalters zur Betätigung des Lastschalters ansteuert.
Ein solches Steuergerät ist aus der europäischen Patentanmeldung 0 519 156
bekannt. In dieser Schrift ist bereits ein Problem beschrieben, welches sich
daraus ergibt, daß das Steuergerät und damit die Lastschalter mit einer anderen
Masseleitung verbunden sind als die angesteuerten Lasten. Eine solche
Anordnung ist insbesondere in Kraftfahrzeugen üblich, da hierdurch zumindest
eine Masseleitung zwischen dem Steuergerät und der mindestens einen
angesteuerten Last eingespart werden kann.
Kommt es nun zu einer Unterbrechung in der zum Steuergerät führenden
Masseleitung, so kann das Potential an der Steuerelektrode des elektronischen
Lastschalters soweit ansteigen, daß dieser teilweise durchschaltet. Hierdurch
entsteht am Lastschalter eine relativ hohe Verlustleitung, die zur Zerstörung des
Lastschalters führen kann.
Um dieses zu vermeiden, wird für ein Steuergerät nach der EP 0 519 156 A1
folgende Schutzmaßnahme vorgesehen:
Wird die Masseleitung des Steuergerätes unterbrochen, etwa durch Abziehen
oder Abgleiten eines Anschlußsteckers, so wird dem Steuergerät mittels einer als
Diode ausgebildeten Schutzeinrichtung intern eine Hilfsmasse zur Verfügung
gestellt. Diese Hilfsmasse entsteht dadurch, daß im ausgeschalteten Zustand des
mindestens einen Lastschalters der Masseanschluß des Steuergerätes über
mindestens eine Last und die als Diode ausgebildete Schutzeinrichtung mit der
Systemmasse, mit der auch die Lasten in Verbindung stehen, verbunden wird.
Nachteilig an dem vorbekannten Steuergerät ist, daß es nicht gegen Verpolung
geschützt ist. Werden nämlich der Masseanschluß und der
Spannungsversorgungsanschluß des Steuergerätes beim Anschluß an die
Spannungsquelle vertauscht, so fließt durch die Dioden der Schutzeinrichtung
und die Lastschalter ein hoher Strom, der zu einer Zerstörung der Lastschalter
führen kann.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Steuergerät zu schaffen, bei dem der
oder die Lastschalter bei einem Bruch der Masseleitung auf besonders einfache
und kostengünstige Weise gegen Überlastung geschützt werden können und das
zudem gegen eine Verpolung der Spannungsquelle geschützt ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen die
Verbindungspunkte von Lastschaltern und Lasten und den Masseanschluß des
Steuergerätes eine Schutzeinrichtung geschaltet ist, die aus einer Reihen
schaltung, aus einer Diode je Verbindungspunkt und einem PTC-Widerstand
besteht.
Durch das Einfügen des PTC-Widerstandes kann somit das Steuergerät auf
überraschend einfache Weise verpolsicher ausgeführt werden. Hierbei wird
vorteilhafterweise auch bei mehreren zu schützenden Lastschaltern nur ein
PTC-Widerstand benötigt. Ein besonderer Vorteil ist darin zu sehen, daß im
regulären Betrieb des Steuergerätes (d. h. ohne Unterbrechung der
Steuergerätemasse) der PTC-Widerstand die Temperatur des Steuergerätes
überwachen kann.
Es ist aus der DE-OS 23 31 708 zwar bekannt, einen PTC-Widerstand zur
Absicherung von Stromkreisen gegen Kurzschluß vorzusehen, wozu der
PTC-Widerstand hier allerdings in Reihe mit dem abzusichernden Verbraucher
geschaltet ist. Auch findet sich in der DE-OS 23 31 708 keine Anregung, den
PTC-Widerstand als Verpolschutz einzusetzen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen gehen aus den Unter
ansprüchen hervor.
So ist es vorteilhaft, wenn die Ansteuerschaltung eine Spannungsüberwachungs
einrichtung aufweist, die ein an der Schutzeinrichtung vorliegendes Potential
überwacht. Sofern vorgesehen ist, daß das Steuergerät alle Lasten gleichzeitig
ansteuern kann, fällt in diesem Fall die Hilfsmasse am Masseanschluß des
Steuergerätes fort.
Dieses wird durch die Spannungsüberwachungseinrichtung erkannt, worauf die
Ansteuerschaltung die weitere Ansteuerung der Lastschalter einstellt. Eine solche
in die Ansteuerschaltung integrierte Spannungsüberwachung verursacht dabei
nur einen unwesentlichen Kostenanteil der Ansteuerschaltung.
Beispiele von Steuergeräten nach dem Stand der Technik sowie ein
Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Steuergerätes sollen im folgenden
anhand der Zeichnung näher erläutert werden.
Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Beispiel eines nach dem Stand der Technik
ausgeführten Steuergerätes mit diskret ausgeführten Lastschaltern;
Fig. 2 ein zweites Beispiel eines nach dem Stand der Technik
ausgeführten Steuergerätes mit integrierten Lastschaltern;
Fig. 3 eine Ausführungsform eines Steuergerätes mit einer erfindungsgemäß
ausgeführten Schutzeinrichtung.
Anhand der Fig. 1 soll zunächst die der Erfindung zugrunde liegende
Problematik näher ausgeführt werden.
Zu dem in der Fig. 1 dargestellten Steuergerät (SG) gehören ein oder mehrere
Lastschalter (allgemein n Stück) von denen in der Fig. 1 zwei Lastschalter (T1,
Tn) beispielhaft dargestellt sind. Die Lastschalter sind hier als
Leistungs-MOS-Feldeffekttransistoren ausgeführt. Als übliche Maßnahme zum
Schutz vor Überspannung ist parallel zur Source-Gate-Strecke jedes
Lastschalters (T1, Tn) eine Zener-Diode (Z1, Zn) geschaltet.
Das Steuergerät (SG) kann über die Lastschalter (T1, Tn) Lasten (L1, Ln) mit dem
positiven Pol (+) einer Spannungsquelle (B) verbinden. Die außerhalb des
Steuergerätes angeordneten Lasten (L1, Ln) stehen mit der Systemmasse (GND)
(beispielsweise in einem Kraftfahrzeug der Kraftfahrzeugkarosserie) in
Verbindung.
Zur Ansteuerung der Lastschalter (T1, Tn) besitzt das Steuergerät eine
Ansteuerschaltung (A). Zum Einschalten eines Lastschalters (T1, Tn)
beaufschlagt die Ansteuerschaltung (A) die Gate-Elektrode (G) des Lastschalters
(T1, Tn) mit einem positiven Potential und zum Sperren des Lastschalters (T1,
Tn) entsprechend mit einem Potential, welches in der Nähe des Massepotentials
liegt.
Hierzu ist die Ansteuerschaltung (A) sowohl mit dem positiven Pol (+) der
Spannungsquelle (B) als auch über den Masseanschluß (M) des Steuergerätes
(SG) mit einer eigenen Masseleitung (im folgenden als Steuergerätemasse GND1
bezeichnet) verbunden.
Das dargestellte Steuergerät weist eine Schutzeinrichtung (SE) auf. Zur
Darstellung deren Funktion sei zunächst angenommen, diese Schutzeinrichtung
sei nicht vorhanden.
Erfolgt nun durch einen Fehler (Kabelbruch, abgleitender Anschlußstecker oder
ähnliches) eine Unterbrechung der Steuergerätemasse (in der Zeichnung
angedeutet durch ein punktiertes Linienstück), so kann die Ansteuerschaltung (A)
den Steuerelektroden (G) der Lastschalter (T1, Tn) nicht das zum Sperren nötige
Potential zur Verfügung stellen.
Über die Ansteuerschaltung (A) gelangt nun ein mehr oder weniger hohes
Potential an die Steuerelektroden (G) der Lastschalter, welches zum Einschalten
der Lasten führt.
Schlimmer noch ist es, wenn es bei nicht ausreichend hohem Potential an der
Steuerelektrode (G) der Lastschalter (T1, Tn) zu einem undefinierten
Schaltzustand, etwa einem teilweisen Durchschalten der Lastschalter kommt, bei
welchen eine hohe Verlustleistung an den Lastschaltern auftritt und zu deren
Zerstörung führt.
Dieses wird durch die Schutzeinrichtung (SE) verhindert.
Hierbei ist jedem zu schützenden Lastschalter (T1, Tn) eine Diode (D1, Dn)
zugeordnet, deren Kathode mit dem Verbindungspunkt (V1, Vn) von Lastschalter
(T1, Tn) und Last (L1, Ln) verbunden ist.
Anodenseitig sind alle Dioden (D1, Dn) miteinander und mit dem Masseanschluß
(M) des Steuergerätes verbunden.
Die durch diese Anordnung von Dioden (D1, Dn) ausgebildete Schutzeinrichtung
(SE) stellt im Falle einer Unterbrechung der Steuergerätemasse (GND1) der
Ansteuerschaltung (A) eine Hilfsmasse zur Verfügung.
Die Funktionsweise eines Steuergerätes mit einer solchen Schutzeinrichtung (SE)
soll im folgenden anhand der Fig. 1 näher erläutert werden:
Die Ansteuerschaltung (A) kann jede Last (L1, Ln) jeweils durch Beaufschlagung
der Steuerelektrode (G) des zugeordneten Lastschalters (T1, Tn) mit einem
hohen Potential mit dem Pluspol (+) der Spannungsquelle verbinden oder die
Lastschalter (T1, Tn) durch Beaufschlagung der Steuerelektrode mit einem
niedrigen Potential sperren und damit die zugeordnete Last (L1, Ln) abschalten.
Fällt nun durch eine Unterbrechung der Steuergerätemasse (GND1) das
Massepotential am Masseanschluß (M) des Steuergerätes fort und sei
angenommen, daß zumindest eine der Lasten nicht eingeschaltet ist, so erhält der
Masseanschluß (M) des Steuergerätes über die nicht eingeschaltete Last (L1, Ln)
und die zugehörige Diode (D1, Dn) Massepotential von der Systemmasse (GND)
zugeführt und kann seine Funktion fortsetzen.
Fig. 2 zeigt eine gleichartige Schaltung, die statt diskret ausgebildeten
Lastschaltern integrierte Lastschalter (IC1, ICn) (sogenannte High-Side-Treiber)
aufweist. Solche integrierten Lastschalter (IC1, ICn) ermöglichen eine
vereinfachte Ansteuerung, wodurch die zur Ansteuerung verwendete
Ansteuerschaltung einen einfacheren Aufbau aufweisen kann. In der
grundsätzlichen Funktionsweise unterscheidet sich dieses Steuergerät nicht von
dem in der Fig. 1 dargestellten.
Ein erfindungsgemäß aufgebautes Steuergerät zeigt die Fig. 3. Hier gehört zur
Schutzeinrichtung (SE) ein PTC-Widerstand (PTC), der mit den anodenseitig
verbundenen Dioden (D1, Dn) in Reihe geschaltet ist. Hierdurch wird das
Steuergerät gegen Verpolung geschützt. Wird nämlich bei einer Schaltung nach
Fig. 1 oder Fig. 2 versehentlich der positive Pol (+) der Spannungsquelle (B)
mit dem Masseanschluß (M) des Steuergerätes und der negative Pol (-) der
Spannungsquelle (B) mit dem Spannungsversorgungseingang (U+) des
Steuergerätes verbunden, so fließt über die Reihenschaltung aus Dioden und
Lastschalter jeweils ein sehr hoher Strom, der zur Zerstörung der Lastschalter
(T1, Tn, IC1, ICn) führt.
Bei der Schaltung gemäß Fig. 3 wirkt der PTC-Widerstand (PTC) in diesem Fall
als strombegrenzender Widerstand, der durch den PTC-Widerstand (PTC)
fließende Strom erwärmt diesen und vergrößert dadurch noch seinen Widerstand.
Hierdurch wird der Strom durch PTC-Widerstand, Dioden und Lastschalter auf ein
für die Lastschalter (T1, Tn, IC1, ICn) ungefährliches Maß reduziert.
Vorteilhaft ist, wenn eine Spannungsüberwachungseinrichtung (SÜ) der Ansteuer
schaltung (A) das Potential am Verbindungspunkt zwischen dem PTC-Widerstand
(PTC) und den Dioden (D1, Dn) überwacht. Unterschreitet die Spannung (UPTC)
einen vorgegebenen Wert, so verhindert die Ansteuerschaltung eine weitere
Ansteuerung der Lastschalter. Hierbei erkennt die Ansteuerschaltung nicht nur
eine unterbrochene Steuergerätemasseleitung (GND1), sondern auch eine
überhöhte Belastung der Hilfsmasse sowie im regulären Betrieb (das heißt ohne
Masseunterbrechung) eine unzulässig hohe Erwärmung des Steuergerätes.
Das am Masseanschluß (M) vorliegende Massepotential fällt allerdings in dem
Fall weg, daß die Ansteuerschaltung alle Lasten gleichzeitig ansteuert. Sofern die
Funktion des Steuergerätes eine gleichzeitige Ansteuerung aller Lasten
ermöglicht, wird für die Ansteuerschaltung eine Spannungsüberwachungs
einrichtung (SÜ) vorgesehen. Diese Spannungsüberwachungseinrichtung (SÜ)
überwacht die an der Ansteuerschaltung (A) anliegende Betriebsspannung und
damit das am Masseanschluß des Steuergerätes anliegende Potential. Werden
nun bei unterbrochener Steuergerätemasse (GND1) alle Lasten (L1, Ln)
gleichzeitig eingeschaltet, sinkt die Spannung an der Spannungs
überwachungseinrichtung (SÜ) ab. Die Ansteuerschaltung (A), die beispielsweise
durch einen Mikroprozessor realisiert sein kann, erkennt aufgrund des Absinkens
der Spannung, daß eine Unterbrechung der Steuergerätemasse vorliegt und wird
die weitere Ansteuerung der Lasten (L1, Ln) verhindern. Die so erweiterte
Schutzeinrichtung funktioniert auch in dem Fall, daß die Masseunterbrechung zu
einem Zeitpunkt auftritt, an dem alle Lasten gleichzeitig eingeschaltet sind.
Bezugszeichenliste
A Ansteuerschaltung
B Spannungsquelle
+/- Pole der Spannungsquelle
GND Systemmasse
GND1 Steuergerätemasse
M Masseanschluß des Steuergerätes
U+ Spannungsversorgungsanschluß des Steuergerätes
UPTC Potential am PTC-Widerstand
PTC PTC-Widerstand
SE Schutzeinrichtung
SG Steuergerät
SÜ Spannungsüberwachungseinrichtung
IC1, ICn (integrierte) Lastschalter
T1, Tn (diskrete) Lastschalter
S erste Elektrode (Source-Elektrode)
D zweite Elektrode (Drain-Elektrode)
G Steuerelektrode (Gate-Elektrode)
D1, Dn Dioden
L1, Ln Lasten
V1, Vn Verbindungspunkte
B Spannungsquelle
+/- Pole der Spannungsquelle
GND Systemmasse
GND1 Steuergerätemasse
M Masseanschluß des Steuergerätes
U+ Spannungsversorgungsanschluß des Steuergerätes
UPTC Potential am PTC-Widerstand
PTC PTC-Widerstand
SE Schutzeinrichtung
SG Steuergerät
SÜ Spannungsüberwachungseinrichtung
IC1, ICn (integrierte) Lastschalter
T1, Tn (diskrete) Lastschalter
S erste Elektrode (Source-Elektrode)
D zweite Elektrode (Drain-Elektrode)
G Steuerelektrode (Gate-Elektrode)
D1, Dn Dioden
L1, Ln Lasten
V1, Vn Verbindungspunkte
Claims (6)
1. Steuergerät (SG) mit einer Schaltungsanordnung zum Schutz des
Steuergerätes bei Unterbrechung der Steuergerätemasse (GND1),
insbesondere in Kraftfahrzeugen, mit mindestens einem elektronischen
Lastschalter (T1, Tn, IC1, ICn), mit jeweils einer Last (L1, Ln), die zwischen
dem negativen Pol (-) einer Spannungsquelle (B) und einer ersten Elektrode
(S) des jeweiligen Lastschalters (T1, Tn, IC1, ICn) angeordnet
ist und über eine zweite Elektrode (D) des Lastschalters (T1, Tn, IC1, ICn) mit
dem positiven Pol (+) der Spannungsquelle (B) verbindbar ist, und mit einer
Ansteuerschaltung (A), die eine Steuerelektrode (G) des jeweiligen
Lastschalters (T1, Tn, IC1, ICn) zur Betätigung des Lastschalters (T1, Tn, IC1,
ICn) ansteuert, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Verbindungspunkte
(V1, Vn) von Lastschaltern (T1, Tn, IC1, ICn) und Lasten (L1, Ln) und den
Masseanschluß (M) des Steuergerätes (SG) eine Schutzeinrichtung (SE)
geschaltet ist, die aus einer Reihenschaltung, aus einer Diode (D1, Dn) je
Verbindungspunkt (V1, Vn) und einem PTC-Widerstand (PTC) besteht.
2. Steuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens
eine elektronische Lastschalter als n-Kanal-Leistungs-MOS-Feldeffekt
transistor ausgebildet ist.
3. Steuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens
eine elektronische Lastschalter als integrierter High-Side-Treiber-Baustein
(IC1, ICn) ausgebildet ist.
4. Steuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät
(SG) mehrere Lastschalter (T1, Tn, IC1, ICn) zur Ansteuerung jeweils einer
Last (L1, Ln) aufweist, und daß jeder Verbindungspunkt (V1, Vn) zwischen Last
(L1, Ln) und Lastschalter (T1, Tn, IC1, ICn) mit dem Kathodenanschluß einer
Diode (D1, Dn) verbunden ist und daß zwischen die verbundenen
Anoden-Anschlüsse der Dioden (D1, Dn) und den Masseanschluß (M) des
Steuergerätes (SG) der PTC-Widerstand (PTC) geschaltet ist.
5. Steuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Ansteuerschaltung (A) eine Spannungsüberwachungseinrichtung (SÜ)
aufweist, welche ein an der Schutzeinrichtung (SE) vorliegendes Potential
(UPTC) überwacht.
6. Steuergerät nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Spannungsüberwachungseinrichtung (SÜ) das
Potential (UPTC) an den Anoden-Anschlüssen der Dioden (D1, Dn) überwacht
und daß die Ansteuerschaltung die Ansteuerung aller Lastschalter (T1, Tn,
IC1, ICn) beendet, wenn die Potentialdifferenz zwischen dem überwachten
Potential (UPTC) und dem Potential des positiven Pols (+) der Spannungsquelle
(B) einen vorgegebenen Wert unterschreitet.
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