WO2013098157A1 - Schaltungsanordnung mit einer induktiven last und einem als low-side-schalter fungierenden mos-transistor - Google Patents

Schaltungsanordnung mit einer induktiven last und einem als low-side-schalter fungierenden mos-transistor Download PDF

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low
side switch
inductive load
mos transistor
circuit arrangement
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Martin GLÖTZL
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Continental Automotive Gmbh
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    • H03K17/081—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage without feedback from the output circuit to the control circuit
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    • H03K17/08142—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage without feedback from the output circuit to the control circuit by measures taken in the output circuit in field-effect transistor switches
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    • H03K17/04163—Modifications for accelerating switching without feedback from the output circuit to the control circuit by measures taken in the output circuit in field-effect transistor switches

Definitions

  • inductive loads such as motors for windows or windscreen wipers but also actuators such as fuel valves or other magnetically actuated actuators.
  • actuators such as fuel valves or other magnetically actuated actuators.
  • the switching on and off of these inductive loads is usually done by built in ECUs, realized as MOS transistors electronic switch. For cost reasons, these are usually realized as low-side switches integrated in an ASIC.
  • the object is achieved by a circuit arrangement with a between the positive and the negative potential of a
  • Supply voltage arranged in series circuit of an inductive load and a formed with an intrinsic Zener diode, acting as a low-side switch MOS transistor, wherein the connection node between the load and the transistor via a series circuit of a resistor and a diode polarized in the direction of flow is connected to the positive potential of the supply voltage.
  • the current in the freewheeling circuit is limited by means of the resistor connected in series with the diode, so that the intrinsic Zener diode of the MOS transistor breaks through and thus the current through both this Zener diode and through the additional freewheeling circuit formed with the resistor and the Diode, flows as long as the potential at the zener diode is higher than the supply voltage.
  • the output energy of the inductive load when switching off is thus divided and the integrated low-side switch thermally relieved.
  • cost and space-consuming discrete circuit parts are avoided, and a standard of integrated low-side switch must be equipped only with a small set to ⁇ circuit of the resistor and the diode.
  • Figure 1 shows a circuit arrangement according to the invention.
  • the series ⁇ circuit of an inductive load L and a low-side switch S which is formed with an n-channel MOS transistor T with intrinsic Zener diode ZD, connected.
  • the connection node between the load L and the switch S is connected via the series ⁇ circuit of a resistor R and a poled in the direction of flow diode D to the positive potential V_Batt Ver ⁇ supply voltage.
  • the intrinsic Zener diode ZD of the low-side switch S breaks and conducts current until the voltage at the Zener diode ZD reaches the level of the supply voltage V_Batt.
  • the total power dissipation of play, at 20 mJ ⁇ from the internal zener diode ZD would be to wear without the freewheeling circuit R, D.
  • integrated low-side switches can only dissipate energies of about 10 - 15mJ per output. If implemented in an integrated semiconductor device, it would overheat.
  • D breaks when switching off the inductive load L due to the resulting overvoltage not only the intrinsic Ze ⁇ nerdiode ZD of the low-side switch S through and performs a current I_ZD, but it is also on the freewheeling circuit of the
  • the freewheeling circuit R, D relieves the intrinsic Zener diode ZD by about 35% of power loss. Instead of the 20mJ only 13mJ need to be dissipated from the low-side switch in the illustrated example of the invention, which means that an integrated low-side switch can be used.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einer zwischen dem positiven (V_Batt) und dem negativen (GND) Potential einer Versorgungsspannung angeordneten Serienschaltung aus einer induktiven Last (L) und einem mit einer intrinsischen Zenerdiode (ZD) ausgebildeten, als Low-Side-Schalter (S) fungierenden MOS-Transistor (T), wobei der Verbindungsknoten zwischen der Last (L) und dem Transistor (T) über eine Serienschaltung aus einem Widerstand (R) und einer in Flussrichtung gepolten Diode (D) mit dem positiven Potential (V_Batt) der Versorgungsspannung verbunden ist.

Description

Beschreibung
Schaltungsanordnung mit einer induktiven Last und einem als Low-Side-Schalter fungierenden MOS-Transistor
In Fahrzeugen gibt es eine große Anzahl induktiver Lasten wie beispielsweise Motoren für Fensterheber oder Scheibenwischer aber auch Aktuatoren wie Treibstoffventile oder sonstige magnetisch betätigte Stellglieder. Das Ein- und Ausschalten dieser induktiven Lasten erfolgt zumeist durch in Steuergeräten verbaute, als MOS-Transistoren realisierte elektronische Schalter. Aus Kostengründen werden diese zumeist als in einem ASIC integrierte Low-Side-Schalter realisiert.
Beim Betrieb einer induktiven Last muss beachtet werden, dass das in der Spule aufgebaute Magnetfeld und die darin gespeicherte magnetische Energie beim Abschalten der Last sich durch einen entsprechenden Strompfad wieder abbauen kann. Die in einer solchen Anordnung entstehende Verlustleistung wird dabei zum Einen durch den Strom und zum Anderen durch die Induktivität der Last bestimmt. Induktive Lasten die aufgrund der von ihnen aufzubringenden Kräfte einen hohen Strom erfordern, können aus Verlustleistungsgründen nicht mit integrierten
Low-Side-Schaltern aufgrund der thermischen Überlastung ge¬ schaltet werden. Solche Lasten werden zumeist mit diskreten Low-Side-Schaltern betrieben. Dies verursacht jedoch auf der Leiterplatte einen erhöhten Platzbedarf sowie Einschränkungen bei der Diagnose und erhöht somit die Kosten.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile zu vermeiden .
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung mit einer zwischen dem positiven und dem negativen Potential einer
Versorgungsspannung angeordneten Serienschaltung aus einer induktiven Last und einem mit einer intrinsischen Zenerdiode ausgebildeten, als Low-Side-Schalter fungierenden MOS-Transistor, wobei der Verbindungsknoten zwischen der Last und dem Transistor über eine Serienschaltung aus einem Widerstand und einer in Flussrichtung gepolter Diode mit dem positiven Potential der Versorgungsspannung verbunden ist.
Bei Verwendung eines einfachen Freilaufkreises mit nur einer Diode würde zwar die Energie in die Fahrzeugbatterie zurück¬ gespeist werden, was die Verlustleistung reduzieren würde. Dies allein würde jedoch zu einer Verlängerung der Dauer des Energieabbaus führen, was wiederum zu Diagnoseproblemen führen kann .
In erfindungsgemäßer Weise wird daher der Strom im Freilaufkreis mittels des in Serie zur Diode geschalteten Widerstands begrenzt, so dass die intrinsische Zenerdiode des MOS-Transistors durchbricht und somit der Strom sowohl durch diese Zenerdiode als auch durch den zusätzlichen Freilaufkreis , gebildet mit dem Widerstand und der Diode, fließt, solange das Potential an der Zenerdiode höher als die Versorgungsspannung ist.
Die abgegebene Energie der induktiven Last beim Abschalten wird somit aufgeteilt und der integrierte Low-Side-Schalter thermisch entlastet. Damit sind Kosten und platzaufwendige diskrete Schaltungsteile vermieden, wobei ein standardmäßiger inte- grierter Low-Side-Schalter lediglich mit einer kleinen Zu¬ satzschaltung aus dem Widerstand und der Diode ausgestattet werden muss .
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe einer Figur näher erläutert. Dabei zeigt
Figur 1 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung.
Zwischen dem positiven Potential V_Batt einer Versorgungs- Spannung und deren negativem Potential GND ist die Serien¬ schaltung aus einer induktiven Last L und einem Low-Side-Schalter S, der mit einem n-Kanal MOS-Transistor T mit intrinsischer Zenerdiode ZD gebildet ist, geschaltet. Der Verbindungsknoten zwischen der Last L und dem Schalter S ist über die Serien¬ schaltung aus einem Widerstand R und einer in Flussrichtung gepolten Diode D mit dem positiven Potential V_Batt der Ver¬ sorgungsspannung verbunden.
Beim Abschalten der induktiven Last entsteht eine Überspannung, die intrinsische Zenerdiode ZD des Low-Side-Schalters S bricht durch und führt Strom bis die Spannung an der Zenerdiode ZD das Niveau der Versorgungsspannung V_Batt erreicht. Dabei wäre ohne den Freilaufkreis R, D die gesamte Verlustleistung von bei¬ spielsweise 20mJ von der internen Zenerdiode ZD zu tragen. Integrierte Low-Side-Schalter können jedoch nur Energien von ca. 10 - 15mJ pro Ausgang abführen. Bei Realisierung in einem integrierten Halbleiterbaustein würde dieser überhitzen.
Bei Verwendung des zusätzlichen erfindungsgemäßen Freilaufkreises R, D bricht beim Abschalten der induktiven Last L aufgrund der entstehenden Überspannung nicht nur die intrinsische Ze¬ nerdiode ZD des Low-Side-Schalters S durch und führt einen Strom I_ZD, sondern es wird auch über den Freilaufkreis aus der
Serienschaltung des Widerstandes R und der Diode D ein Strom I_RD zurück in die Versorgungsspannung gespeist.
Dabei entlastet der Freilaufkreis R, D die intrinsische Ze- nerdiode ZD um ca. 35% an Verlustleistung. Statt der 20mJ müssen im dargestellten Beispiel der Erfindung lediglich 13mJ vom Low-Side-Schalter abgeführt werden, was dazu führt, dass ein integrierter Low-Side-Schalter verwendet werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Schaltungsanordnung mit einer zwischen dem positiven (V_Batt) und dem negativen (GND) Potential einer Versorgungsspannung angeordneten Serienschaltung aus einer induktiven Last (L) und einem mit einer intrinsischen Zenerdiode (ZD) ausgebildeten, als Low-Side-Schalter (S) fungierenden MOS-Transistor (T), wobei der Verbindungsknoten zwischen der Last (L) und dem Transistor (T) über eine Serienschaltung aus einem Widerstand (R) und einer in Flussrichtung gepolten Diode (D) mit dem positiven Potential (V_Batt) der Versorgungsspannung verbunden ist.
PCT/EP2012/076172 2011-12-30 2012-12-19 Schaltungsanordnung mit einer induktiven last und einem als low-side-schalter fungierenden mos-transistor WO2013098157A1 (de)

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