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 Steuergerätemasse

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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

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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