WO2010136361A2 - Schaltungsanordnung für ein steuergerät - Google Patents

Schaltungsanordnung für ein steuergerät Download PDF

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voltage
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Klaus Dressler
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/04—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage
    • H02H9/049—Circuit arrangements for limiting the number of protection devices

Definitions

  • the invention relates to a circuit arrangement for a control device and a method for driving a control device.
  • Control units in particular in automotive applications, must be protected against clogging and overvoltage (eg load dump).
  • overvoltage eg load dump
  • main relay e.g main relay
  • the reverse polarity protection, overvoltage protection and main relay functions are known as individual, separate circuits.
  • the overvoltage protection is usually realized only by a suppressor diode and all subsequent circuit parts must be able to withstand the terminal voltages of the suppressor diode.
  • a circuit arrangement according to claim 1 is presented. Furthermore, a method according to claim 7 is described. Embodiments of this circuit and the method emerge from the dependent claims.
  • the described circuit arrangement combines, at least in some embodiments, the individual functions polarity reversal protection, overvoltage protection, plug contact protection and main relay.
  • a kind of "Schaltregier" is realized, which when exceeding a switching threshold by clocks the
  • FIG. 1 shows an embodiment of the described circuit arrangement.
  • FIG. 2 shows a further embodiment of the presented circuit arrangement
  • FIG. 3 shows a simplified model of the circuit arrangement.
  • FIG. 4 shows typical current and voltage characteristics.
  • FIG. 1 shows a possible embodiment of the presented circuit arrangement, designated overall by the reference numeral 10.
  • a first field effect transistor T1 12 a second field effect transistor T2 14
  • an optional inductor L1 a capacitor C1 18
  • a control logic (control logic) 20 an optional diode D1 22 and an ignition switch or Ignition Switch 24.
  • the transistor T1 blocks 12 and the quiescent current consumption of the subsequent circuit is approximately 0 A.
  • the drain terminal of T1 12 is applied via the body diode of T2 14, the supply voltage minus the diode voltage of T2 14 , Will now the
  • T1 12 and then T2 14 is controlled via the control logic 20 first and thus low. If the voltage at C1 18 (protected voltage) exceeds a threshold, T1 12 is disabled by the control logic 20. If the voltage at C1 18 has dropped below a second threshold again, T1 12 becomes conductive again and the circle starts from the beginning. This limits the voltage at C1 18.
  • C1 18 and the optional inductor L1 16 serve here for energy storage or for smoothing the voltage at C1 18th
  • T112 can be limited to an intermediate voltage in order to to reduce the power loss in T1 12.
  • T2 14 is blocked via the control logic and thus protects the entire subsequent circuit from reverse polarity.
  • the illustrated circuit arrangement 10 from FIG. 1 or input circuit fulfills the following functions:
  • Figure 2 shows a further embodiment of the circuit arrangement, which is designated overall by the reference numeral 200.
  • a first field-effect transistor 202 and a second field-effect transistor 204 which are shown in simplified form as switches, can be seen.
  • a memory element 206 in this case a capacitor, a control unit 208, a Zener diode 210, a booster capacitor 212 and a comparator 214 is shown.
  • the booster capacitor 212 provides power to switch the first field effect transistor 202 at power up. This switching on is detected via a connection 216 of the control unit 208, the so-called terminal 15. In this way, it is detected whether an ignition key is inserted. If this is not the case, the first field effect transistor 202 blocks and the control unit is not supplied with voltage.
  • the memory element 206 smoothes the voltage provided to the controller.
  • the comparator 214 checks the voltage provided to the controller and compares it with a threshold voltage. If the voltage provided exceeds the threshold voltage, the control unit 208 operates the first field-effect transistor 202 in a clocked manner.
  • the second field effect transistor 204 ensures reverse polarity protection.
  • the first field effect transistor 202 serves as a main relay and ensures the overvoltage contactor and the plug contact protection. In order to meet the customer's requirements for low quiescent currents when the control unit is switched off, there must be no current paths which, in total, exceed a quiescent current of, for example, 100 ⁇ A.
  • the circuitry 30 is for use with standard mosfets.
  • a power Zener diode is arranged after the reverse polarity protection Fet in the control unit. Through this diode the input voltage is e.g. limited to values ⁇ 60V.
  • the diode When a load dump occurs, the diode must absorb a high proportion of the energy produced.
  • the energy to be absorbed by the diode depends on the customer specification or standard in which the pulse is defined (amplitude, duration, internal resistance).
  • a voltage reduction is required (e.g., ⁇ 50V). If this were done completely with a power zener diode, it might be overloaded. To achieve this voltage reduction, the Wegerfet is periodically switched on and off by a 2-point controller, which is included in the control logic and controlled the output voltage of the switching module.
  • the current slew rate is limited by the supply and storage inductor inductance.
  • the maximum pulse current value is determined by the differential voltage between generator and elec- trical voltage and the ohmic resistors in the circuit. A satisfactory function of the circuit is only possible if the internal resistance of the LD pulse is sufficiently high specified. He significantly determines the current amplitude.
  • FIG. 3 shows a simplified model of the circuit arrangement in which the relevant circuit parts are included for the consideration of the LD control.
  • the illustration shows an LD generator 100, an RI-LD generator 102, an L_ feed line 104, a reverse polarity protection Fet 106, a switching Fet 108, an LD diode 110, a C-filter 112, another C-filter 114, an L_EMV 1 16 (optional), an R_ attenuation 118, a diode D8 120, a C-buffer capacitor 122, a resistor R22 124, and an R-load 126.

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  • Electronic Switches (AREA)
  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)
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  • Protection Of Static Devices (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

Es werden eine Schaltungsanordnung (10) für ein Steuergerät und ein Verfahren zum Betreiben dieser Schaltungsanordnung (10) beschrieben. Die Schaltungsanordnung (10) weist einen ersten Feldeffekttransistor (12), über den das Steuergerät angesteuert ist, und einen Komparator auf, der die zum Ansteuern des Steuergeräts vorgesehene Spannung mit einer Schwellenspannung vergleicht und bei Überschreiten der Schwellenspannung über eine Steuereinheit (20) einen getakteten Betrieb des ersten Feldeffekttransistors (12) einstellt.

Description

Beschreibung
Titel
Schaltungsanordnung für ein Steuergerät
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für ein Steuergerät und ein Verfahren zum Ansteuern eines Steuergeräts.
Stand der Technik
Steuergeräte, insbesondere bei automotiven Anwendungen, müssen vor Verpo- lung und Überspannung (bspw. Load Dump) geschützt werden. Zum Betrieb dieser Steuergeräte ist weiterhin ein sogenanntes Hauptrelais, das eine äußerst geringe Ruhestromaufnahme gewährleisten soll, notwendig.
Bislang sind die Funktionen Verpolschutz, Überspannungsschutz und Hauptrelais als einzelne, getrennte Schaltungen bekannt. Dabei ist der Überspannungsschutz üblicherweise nur durch eine Suppressordiode realisiert und alle nachfolgenden Schaltungsteile müssen den Klemmenspannungen der Suppressordiode standhalten können.
Offenbarung der Erfindung
Es wird eine Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1 vorgestellt. Weiterhin wird ein Verfahren gemäß Anspruch 7 beschrieben. Ausführungsformen dieser Schal- tung und des Verfahrens ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die beschriebene Schaltungsanordnung vereint, zumindest in einigen Ausführungen, die Einzelfunktionen Verpolschutz, Überspannungsschutz, Steckerkontaktschutz und Hauptrelais. Mit der Schaltungsanordnung wird eine Art „Schalt- regier" verwirklicht, der bei Überschreiten einer Schaltschwelle durch Takten die
Spannung begrenzt. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt eine Ausführungsform der beschriebenen Schaltungsanordnung.
Figur 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorgestellten Schaltungsanordnung
Figur 3 zeigt ein vereinfachtes Modell der Schaltungsanordnung.
Figur 4 zeigt typische Strom- und Spannungsverläufe.
Ausführungsformen der Erfindung
In Figur 1 ist eine mögliche Ausführungsform der vorgestellten Schaltungsanordnung, insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet, dargestellt. Zu erkennen ist ein erster Feldeffekttransistor T1 12, ein zweiter Feldeffekttransistor T2 14, eine optionale Induktivität L1 16, ein Kondensator C1 18, eine Steuereinheit bzw. Steuerlogik (control logic) 20, eine optionale Diode D1 22 und ein Zündungs- Schalter bzw. Ignition Switch 24.
Wenn der Zündungsschalter 24 geöffnet ist, sperrt der Transistor T1 12 und die Ruhestromaufnahme der nachfolgenden Schaltung ist näherungsweise 0 A. Am Drain-Anschluss von T1 12 liegt über die Body-Diode von T2 14 die Versor- gungsspannung abzüglich der Diodenspannung von T2 14 an. Wird nun der
Zündungsschalter 24 geschlossen, wird über die Steuerlogik 20 zuerst der Transistor T1 12 und anschließend T2 14 angesteuert und damit niederohmig. Übersteigt die Spannung an C1 18 (protected voltage) eine Schwelle, wird T1 12 durch die Steuerlogik 20 gesperrt. Ist die Spannung an C1 18 wieder unter eine zweite Schwelle abgesunken, wird T1 12 wieder leitend und der Kreis beginnt von vorne. Dadurch wird die Spannung an C1 18 begrenzt. C1 18 und die optionale Induktivität L1 16 dienen hierbei zur Energiespeicherung bzw. zur Glättung der Spannung an C1 18.
Mit der optionalen Suppressor-Diode D1 22 kann die Spannung am Drain-
Anschluss von T1 12 auf eine Zwischenspannung begrenzt werden, um die Ver- lustleistung in T1 12 zu verringern. Im Falle einer Verpolung wird über die Steuerlogik 20 T2 14 gesperrt und somit die gesamte nachfolgende Schaltung vor Verpolung geschützt.
Die dargestellte Schaltungsanordnung 10 aus Figur 1 bzw. Eingangsbeschaltung erfüllt folgende Funktionen:
• Internes, elektronisches Hauptrelais
• Load-Dump-Schutz • Verpolungsschutz
• Steckerkontaktschutz beim Stecken unter Spannung
Figur 2 zeigt eine weitere Ausführung der Schaltungsanordnung, die insgesamt mit der Bezugsziffer 200 bezeichnet ist. Zu erkennen ist ein erster Feldeffekttran- sistor 202 und ein zweiter Feldeffekttransistor 204, die vereinfacht als Schalter dargestellt sind. Weiterhin ist ein Speicherelement 206, in diesem Fall ein Kondensator, eine Steuereinheit 208, eine Zenerdiode 210, ein Booster-Kondensator 212 und ein Komparator 214 dargestellt.
Der Booster-Kondensator 212 stellt Energie zum Schalten des ersten Feldeffekttransistors 202 beim Einschalten zur Verfügung. Dieses Einschalten wird über einen Anschluss 216 der Steuereinheit 208, der sogenannten Klemme 15, erkannt. Auf diese Weise wird erkannt, ob ein Zündschlüssel eingeschoben ist. Ist dies nicht der Fall, sperrt der erste Feldeffekttransistor 202 und das Steuergerät wird nicht mit Spannung versorgt.
Das Speicherelement 206 glättet die dem Steuergerät bereitgestellte Spannung. Der Komparator 214 überprüft die dem Steuergerät zur Verfügung gestellte Spannung und vergleicht diese mit einer Schwellenspannung. Übersteigt die zur Verfügung gestellte Spannung die Schwellenspannung, wird über die Steuereinheit 208 der erste Feldeffekttransistor 202 getaktet betrieben.
Der zweite Feldeffekttransistor 204 stellt einen Verpolschutz sicher. Der erste Feldeffekttransistor 202 dient als Hauptrelais und stellt den Überspannungs- schütz und den Steckerkontaktschutz sicher. Um den Anforderungen der Kunden nach niedrigen Ruheströmen bei ausgeschaltetem Steuergerät zu genügen, dürfen keine Strompfade vorhanden sein die in Summe einen Ruhestrom von z.B. 100 μA überschreiten.
Durch die gewählte Schaltungsanordnung 10 ist es möglich, das Steuergerät an den Kabelbaum anzuschließen, ohne dass es bereits beim Anstecken zu einem hohen Kontaktstrom wegen der Aufladung der internen Elkos kommt. Die Schaltungsanordnung 30 ist zur Verwendung von Standard-Mosfets vorgesehen.
Load Dump Schutz
Zum Schutz gegen hohe Überspannungen aus dem Bordnetz ist im Steuergerät eine Leistungs-Zener-Diode nach dem Verpolschutz-Fet angeordnet. Durch diese Diode wird die Eingangsspannung z.B. auf Werte < 60 V begrenzt.
Beim Auftreten eines Load-Dumps muss die Diode einen hohen Anteil der anfallenden Energie aufnehmen. Die von der Diode aufzunehmende Energie ist von der Kundenspezifikation oder Norm abhängig, in welcher der Puls definiert ist (Amplitude, Dauer, Innenwiderstand).
Für verschiedene Schaltungsteile ist eine Spannungsreduktion erforderlich (z.B. < 50 V). Würde dies komplett mit einer Leistungs-Zener-Diode erfolgen, wäre diese möglicherweise überlastet. Um diese Spannungsreduktion zu erreichen, wird der Schalterfet durch einen 2-Punkt-Regler, der in der Steuerlogik enthalten ist, periodisch ein- und ausgeschaltet und die Ausgangsspannung des Schaltmoduls geregelt.
Bei der relativ niedrigen Frequenz und der geringen Induktivität der als Speicherdrossel verwendeten EMV-Drossel ist ein klassischer Schaltreglerbetrieb nicht möglich. Dies bedeutet, dass der Strom beim Takten lückt. Beim Einschalten des
Schalt-Mosfets wird die Stromanstiegsgeschwindigkeit durch die Zuleitungs- und Speicherdrossel-Induktivität begrenzt. Der maximale Pulsstromwert wird durch die Differenzspannung zwischen Generator- und Elkospannung und den im Kreis liegenden ohmschen Widerständen bestimmt. Eine zufriedenstellende Funktion der Schaltung ist nur möglich, wenn der Innenwiderstand des LD-Pulses ausreichend hoch spezifiziert ist. Er bestimmt maßgeblich die Stromamplitude.
Figur 3 zeigt ein vereinfachtes Modell der Schaltungsanordnung, in dem die relevanten Schaltungsteile enthalten sind für die Betrachtung der LD-Regelung. Die Darstellung zeigt einen LD-Generator 100, einen RI-LD-Generator 102, eine L_Zuleitung 104, einen Verpolschutz-Fet 106, einen Schalt-Fet 108, eine LD- Diode 110, ein C-Filter 112, ein weiteres C-Filter 114, ein L_EMV 1 16 (optional), eine R_Dämpfung 1 18, eine Diode D8 120, einen C-Puffer-Elko 122, einen Widerstand R22 124 und eine R-Last 126.

Claims

Ansprüche
1 . Schaltungsanordnung für ein Steuergerät mit einem ersten Feldeffekttransistor (12, 202), über den das Steuergerät angesteuert ist, einem Komparator (214), der die zum Ansteuern des Steuergeräts vorgesehene Spannung mit einer Schwellenspannung vergleicht und bei Überschreiten der Schwellenspannung über eine Steuereinheit (20, 208) einen getakteten Betrieb des ersten Feldeffekttransistors (12, 202) einstellt.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der eine Diode (22), bspw. eine Zener-Diode (210), vor dem ersten Feldeffekttransistor (12, 202) direkt angeschlossen ist.
3. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der ein Speicherelement (206) vorgesehen ist, über das die dem Steuergerät bereitge- stellte Spannung geglättet ist.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, bei der als Speicherelement (206) ein Kondensator (18) dient.
5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der ein zweiter
Feldeffekttransistor (14, 204) vorgesehen ist, der antiseriell (back-to-back) in Reihe zu dem ersten Feldeffekttransistor (12, 202) geschaltet ist.
6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der ein Boos- ter-Kondensator (212) vorgesehen ist, der zum Zeitpunkt des Einschaltens
Energie bereitstellt.
7. Verfahren zur Ansteuerung eines Steuergeräts, insbesondere mit einer Schaltungsanordnung (10, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem über einen ersten Feldeffekttransistor (12, 202) das Steuergerät angesteuert wird, wobei mit einem Komparator (214) die zum Ansteuern des Steuerge- räts vorgesehene Spannung mit einer Schwellenspannung verglichen und bei Überschreiten der Schwellenspannung über eine Steuereinheit (20, 208) ein getakteter Betrieb des ersten Feldeffekttransistors (12, 202) eingestellt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem ein Speicherelement (206) vorgesehen ist, über das die dem Steuergerät bereitgestellte Spannung geglättet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem ein zweiter Feldeffekttransistor (14, 204) vorgesehen ist, der antiseriell in Reihe zu dem ersten Feldeffekttransistor (12, 202) geschaltet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem ein Booster- Kondensator (212) vorgesehen ist, der zum Zeitpunkt des Einschaltens Energie bereitstellt.
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