WO2024240752A1 - Schaltungsanordnung zur spannungsgeregelten stromversorgung eines elektrischen verbrauchers in einem fahrzeug, sowie verwendung einer derartigen schaltungsanordnung - Google Patents

Schaltungsanordnung zur spannungsgeregelten stromversorgung eines elektrischen verbrauchers in einem fahrzeug, sowie verwendung einer derartigen schaltungsanordnung Download PDF

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Definitions

  • Circuit arrangement for voltage-controlled power supply of an electrical consumer in a vehicle as well as use of such a
  • the present invention relates to a circuit arrangement according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a use of such a circuit arrangement.
  • the generic circuit arrangement for supplying power to an electrical consumer has a voltage regulator component with an input terminal for inputting an input voltage, an output terminal for outputting an output voltage to the electrical consumer, and a feedback terminal for inputting a feedback voltage dependent on the output voltage, which the voltage regulator component uses as a control variable for controlling the output voltage.
  • the circuit arrangement has an output line running from the output terminal of the voltage regulator component to the electrical consumer and a feedback circuit connected to a circuit node of the output line and to the feedback terminal of the voltage regulator component, which serves to generate the feedback voltage from the output voltage tapped at the circuit node and to supply the generated feedback voltage to the feedback terminal.
  • Such circuit arrangements and the voltage regulator components that can be used for them are known from the prior art and can be used advantageously, for example, to supply power to electrical consumers in a vehicle that require a well-defined and particularly stable supply voltage. This is the case, for example, for many control unit components such as microcontrollers and sensor devices in vehicles.
  • Known voltage regulator components typically include:
  • controllable conducting element e.g. transistor
  • an internal reference voltage source for providing a reference voltage, or an input terminal (setting terminal) for inputting such a reference voltage from external sources,
  • an error amplifier for amplifying a difference between the feedback voltage input at the feedback terminal and the reference voltage
  • the pass element is controlled by an output signal of the error amplifier such that the feedback voltage is adjusted to the reference voltage. If the feedback voltage is lower than the reference voltage, the current flow through the pass element is increased by means of the error amplifier, which also increases the output voltage. If the feedback voltage is higher than the reference voltage, however, this current flow and consequently the output voltage are reduced.
  • the "feedback circuit” consists of an electrical connection between the aforementioned circuit node (branch) of the output line and the feedback connection.
  • the output voltage itself is used as a control variable for regulating the output voltage and the output voltage is regulated to the reference voltage.
  • the electrical connection can be low-impedance or have a significant resistance in order to protect the feedback input through the current-limiting effect of the resistor if an excessively high voltage occurs in the area of the output line.
  • the feedback circuit can be a voltage divider connected to the circuit node (e.g. series connection of two ohmic resistors) in order to generate a voltage-divided version of the output voltage and feed it to the feedback connection.
  • the output voltage is regulated to a multiple of the reference voltage defined by the voltage divider.
  • the output line runs from the output connection of the voltage regulator component, which can be installed in an electronic control unit of the vehicle, for example, usually over a considerable length (e.g. several meters) to the electrical consumer, whereby the line typically runs in a so-called cable harness (together with other lines) and/or via electrical connection devices such as connectors, etc.
  • the voltage regulator component is damaged or even destroyed.
  • commercially available voltage regulator components usually have a certain dielectric strength of the output connection.
  • the protective measures implemented in the design of common voltage regulator components, and in particular the dielectric strength of the output connection may disadvantageously not be sufficient to adequately protect the voltage regulator component in the event of an excessively high voltage occurring in a section of the output line (e.g. due to a short circuit against a relatively high vehicle electrical system supply voltage).
  • the problem in the prior art is that the area of application of the circuit arrangement is more or less restricted depending on the dielectric strength of the voltage regulator component used.
  • the circuit arrangement according to claim 1 is characterized in that it further comprises a semiconductor component arranged in a section of the output line between the output connection and the circuit node, which becomes high-impedance in the event of an excessively high voltage occurring in a section of the output line between the semiconductor component and the electrical load in order to avoid an excessive voltage increase at the output connection.
  • the "high voltage” or the “voltage increase” mentioned here are to be understood as being related to a relevant reference potential, which is also referred to below as ground potential.
  • the invention can thus advantageously prevent the voltage regulator component from being damaged by an excessively high voltage in the region of the output line, thus increasing the range of use of the circuit arrangement.
  • an excessively high voltage in the area of the output line is present if this voltage is significantly higher (e.g. by more than 10%) than the "setpoint" of the output voltage, to whose value it is regulated by the voltage regulator component.
  • the invention depending on the specific design, can also provide protection against an excessively high voltage that is much higher (e.g. at least twice as high) than this setpoint.
  • An excessively high voltage in the area of the output line is therefore present in particular if it exceeds a predetermined setpoint value of the output voltage by more than 10% or by more than 100%.
  • an excessive voltage increase (damaging the voltage regulator component) at the output connection is avoided even if the voltage in the area of the output line assumes a value of more than 4 times, in particular more than 8 times, the target value of the output voltage.
  • the value of the excessively high voltage up to which the circuit arrangement according to the invention remains functional is also referred to below as the "design maximum voltage".
  • the choice of a design maximum voltage in the range of 8 times to 15 times and/or in the range of at least 50 V (in particular at least 60 V) to 100 V is particularly advantageous.
  • the semiconductor component functions properly, the voltage prevailing at the output terminal always remains below 2 times, in particular below 1.5 times, the target voltage (output voltage) prevailing there during normal operation.
  • the feature whereby the semiconductor component "becomes high-resistance" in the area of the output line in the case of a fault described above (an excessively high voltage) can be implemented in different ways (see also the exemplary embodiments). What is important here is that the electrical properties of the semiconductor component (as can be represented by at least one "characteristic curve") in conjunction with its integration into the circuit arrangement lead to the fact that in the event of a fault, from a certain value of the excessively high voltage, the resistance of the semiconductor component increases considerably.
  • the output voltage (setpoint of the output voltage to whose value it is regulated) is in a range from 3 V to 6 V, for example about 5 V. Many electronic devices require a stable supply voltage in this range.
  • the input voltage is in a range of 5 V to 12 V, for example about 6 V.
  • the difference between input voltage and output voltage is in a range from 0.5 V to 5 V, for example approximately 1 V.
  • Most of the voltage regulator components preferably used within the scope of the invention require, due to their design, a certain minimum value of this voltage difference, which is also referred to as the "drop-out" voltage of the voltage regulator component in question and is typically in the range from approximately 0.5 V to 1.5 V.
  • the current carrying capacity of the output terminal i.e. the maximum current that can be delivered at the setpoint value of the output voltage, is in a range from 1 mA to 300 mA, for example approximately 30 mA.
  • the electrical consumer is a sensor device of a vehicle to be supplied with the output voltage.
  • the sensor device can have one or more sensors, for example a sensor for measuring a pressure or a temperature.
  • the sensor device can have a sensor for measuring a position, e.g. angle of rotation, of a mechanical component.
  • the output line runs at least in sections in a wiring harness of a vehicle.
  • a wiring harness is a strand formed from a plurality of cables, possibly branched, for transmitting electrical information signals (e.g. data signals) and/or electrical currents (for energy transmission).
  • Electrical connection devices such as plug connectors etc. often also form part of the wiring harness, in which the relevant cables are usually held together by mechanical means such as cable ties and/or enveloping hoses.
  • the use of the invention is particularly advantageous in such an installation environment due to the increased risk of short circuits.
  • the electrical consumer is provided in a vehicle, wherein an electrical on-board network of the vehicle has an on-board network voltage of more than 12 V.
  • an on-board network voltage e.g.
  • Battery voltage of the vehicle of more than 20 V, for example 24 V, as is common in many types of commercial vehicles.
  • the output line has a length of more than 1 m, in particular more than 2 m.
  • a particularly advantageous use of the invention results for a length of the output line of more than 5 m, as is the case, for example, in the case of supplying a sensor device of a vehicle, and in this case This is not uncommon, especially in a commercial vehicle.
  • the maximum length of the output cable can be limited to 20 m or 50 m or 100 m.
  • the use of the invention is particularly advantageous with longer output line lengths and/or relatively high vehicle electrical system voltages in order to avoid damage to the voltage regulator component.
  • the invention can also be used particularly advantageously, for example, when a capacitor arranged between the output line and ground potential (e.g. for the purpose of buffering the output voltage) has a relatively small (internal) loss resistance, e.g. less than 100 mQ, in particular less than 50 mQ) because in this case the aforementioned resonant circuit has a particularly low attenuation.
  • a ceramic capacitor or a film capacitor can therefore easily be provided at this point (e.g. with loss resistance (in series with the capacitance) of less than 50 mQ).
  • the feedback circuit comprises a current limiting resistor arranged between the circuit node and the feedback terminal and a Zener diode arranged between the feedback terminal and a ground potential (whose breakdown voltage is greater than the target value of the output voltage).
  • the value of the current limiting resistor is significantly smaller than the blocking resistance of the Zener diode (or negligible compared to the latter), then in normal operation practically the entire output voltage is supplied to the feedback terminal as a controlled variable and consequently the voltage regulator component regulates the output voltage to the reference voltage.
  • Zener diode As an alternative to a Zener diode, other diodes designed for operation in the reverse direction in the range of a breakdown voltage can also be considered, such as a suppressor diode, etc. Furthermore, a varistor can also be used at this point.
  • An advantage of this embodiment in comparison to the feedback circuit already mentioned above, consisting only of an electrical connection or a current limiting resistor between the circuit node and the feedback connection, is that in the event of an excessively high voltage occurring in the region of the output line, the component in question, such as a Zener diode due to its breakdown, relieves the feedback input and possibly also the semiconductor component provided in the invention.
  • the diode in question is selected with a breakdown voltage which, on the one hand, is at least 10% greater than the nominal value of the output voltage and, on the other hand, is, for example, in the range of 0.15 times to 0.5 times the above-mentioned maximum design voltage of the circuit arrangement.
  • the semiconductor component is a diode (which is forward-biased for the current flowing to supply the electrical load). If an excessively high voltage occurs in a section of the output line between the diode and the electrical load, the polarity of the voltage prevailing at the diode changes so that the diode becomes high-impedance (in reverse direction) and thus an excessive voltage increase at the output terminal is avoided.
  • the semiconductor component is a transistor, in particular a field effect transistor (FET).
  • FET field effect transistor
  • a control terminal of the transistor i.e. base terminal in a bipolar transistor or gate terminal in a FET, is controlled with a voltage (e.g. switching voltage for switching the transistor) which is generated by means of a control device of the circuit arrangement as a function of the voltage prevailing at the circuit node, such that the transistor is brought into a blocking state when an excessively high voltage occurs at the circuit node and thus becomes high-impedance.
  • a voltage e.g. switching voltage for switching the transistor
  • control device can, for example, have a comparator for comparing the voltage prevailing at the circuit node or a voltage derived therefrom (e.g. voltage-divided) voltage on the one hand and a fixed voltage on the other hand in order to control the transistor by means of an output signal from the comparator.
  • a comparator for comparing the voltage prevailing at the circuit node or a voltage derived therefrom (e.g. voltage-divided) voltage on the one hand and a fixed voltage on the other hand in order to control the transistor by means of an output signal from the comparator.
  • a control terminal of the transistor is subjected to a fixed voltage which is selected such that the transistor is put into a blocking state and thus becomes high-impedance when an excessively high voltage occurs at the circuit node.
  • the fixed voltage is a supply voltage that is already provided to supply the voltage regulator component and/or other electronic components.
  • this supply voltage can be a 12 V voltage, as is often used in vehicles as an auxiliary voltage for controlling power output stages (e.g. inverters for supplying current to electric drives).
  • Such other electronic components can, for example, be components arranged together with the voltage regulator component in an electronic control unit of a vehicle.
  • this can advantageously also be, for example, an on-board network voltage provided by an on-board electrical system of a vehicle. This applies in particular if this on-board network voltage is already provided in the area of the installation location of the voltage regulator component (e.g. in an electronic control unit) and/or on a line of a cable harness that is also intended for routing the output line.
  • an on-board network voltage provided by an on-board electrical system of a vehicle. This applies in particular if this on-board network voltage is already provided in the area of the installation location of the voltage regulator component (e.g. in an electronic control unit) and/or on a line of a cable harness that is also intended for routing the output line.
  • a use of a circuit arrangement of the type described here for supplying power to an electronic component in a vehicle is proposed, wherein the component can in particular be, for example, a sensor device.
  • the sensor device can be arranged in the vehicle away from a control unit that supplies the sensor device and contains the voltage regulator component.
  • the embodiments and special configurations described here for the circuit arrangement according to the invention can, individually or in any combination, also be provided in an analogous manner as embodiments or special configurations of the use according to the invention, and vice versa.
  • Fig. 1 shows an embodiment of a circuit arrangement according to the prior art
  • Fig. 2 shows a circuit arrangement according to a first embodiment of the invention
  • Fig. 3 shows a circuit arrangement according to a second embodiment of the invention
  • Fig. 4 shows a circuit arrangement according to a third embodiment of the invention.
  • Fig. 1 shows a circuit arrangement 10 which is constructed according to a concept known from the prior art and serves to supply power to an electrical consumer 1 in a vehicle which, during operation, requires a well-defined and stable supply voltage Vout, related to a specific reference potential, here "ground potential GND”.
  • the circuit arrangement 10 comprises a voltage regulator component 12 with an input terminal IN for inputting an input voltage Vin, an output terminal OUT for outputting the output voltage Vout to the electrical consumer 1 and a feedback connection FB for inputting a feedback voltage Vfb dependent on the output voltage Vout, which the voltage regulator component 12 uses as a control variable for controlling the output voltage Vout.
  • a voltage regulator component 12 with an input terminal IN for inputting an input voltage Vin, an output terminal OUT for outputting the output voltage Vout to the electrical consumer 1 and a feedback connection FB for inputting a feedback voltage Vfb dependent on the output voltage Vout, which the voltage regulator component 12 uses as a control variable for controlling the output voltage Vout.
  • the (unstabilized) input voltage Vin has a value of 6 V.
  • the input voltage Vin represents a supply voltage of the voltage regulator component 12 and can optionally also be used, for example, to supply other electronic components (not shown) which are, for example, structurally combined with the voltage regulator component 12 (for example in a control unit of the vehicle).
  • a control unit with several circuit arrangements of the type described here can be provided, the corresponding number of voltage regulator components of which are jointly supplied from a supply voltage provided in the control unit (such as Vin in Fig. 1).
  • the feedback voltage Vfb is compared with a reference voltage Vadj and, based on the result of the comparison, the output voltage Vout is changed so that the value of Vfb is adjusted to the value of Vadj.
  • the voltage regulator device 12 has an adjustment terminal ADJ for inputting the reference voltage Vadj, wherein in the example it is assumed that Vadj has a value of 5 V.
  • the circuit arrangement 10 further comprises an output line 14 running from the output terminal OUT of the voltage regulator component 12 to the electrical consumer 1 and a feedback circuit 16 connected to a circuit node K of the output line 14 and to the feedback terminal FB of the voltage regulator component 12, by means of which the feedback voltage Vfb generated from the output voltage Vout tapped at the circuit node K is fed to the feedback terminal FB.
  • the feedback circuit 16 consists of a low-resistance electrical connection between the circuit node K (branch) of the output line 14 and the feedback connection FB.
  • an output capacitor Cout (between the output line and the ground potential GND) is arranged in the course of the output line 14 for additional stabilization (buffering) of the supply voltage Vout.
  • Voltage regulator components e.g. "automotive linear voltage regulators” that can be used in the application situation illustrated in Fig. 1 are known from the prior art.
  • the output line 14 runs from the output connection OUT of the voltage regulator component 12, which in the example shown is installed e.g. in an electronic control unit of the vehicle, over a length of several meters to the electrical consumer 1, mostly in a cable harness, together with other electrical lines of the vehicle.
  • Fig. 2 shows a first embodiment of a circuit arrangement 10 according to the invention.
  • a circuit arrangement 10 of Fig. 2 has a semiconductor component, here in the form of a diode D (in particular e.g.
  • Schottky diode which is polarized in the forward direction for the current flowing to supply the electrical consumer 1, but becomes high-impedance (since blocking) in the event of an excessively high voltage occurring in the line section between the diode D and the electrical consumer 1, so that an excessive voltage increase at the output terminal OUT and thus damage to the voltage regulator component 12 is avoided.
  • the feedback circuit 16 is formed by a resistor (current limiting resistor) R arranged between the circuit node K and the feedback terminal FB and a Zener diode DZ arranged between the feedback terminal FB and the ground potential GND, the breakdown voltage of which is greater than the target value of the output voltage Vout.
  • the reference voltage Vadj e.g. to 5 V.
  • the Zener diode DZ relieves both the diode D and the feedback input FB due to its breakdown. This also applies in an analogous manner if, for example, a suppressor diode or a varistor is used instead of the Zener diode DZ.
  • the diode or Zener diode DZ is selected with a breakdown voltage which is in the range of 1.5 times to 3 times the nominal value of the output voltage (here, for example, 5 V), and/or in the range of 0.15 times to 0.5 times the design maximum voltage.
  • the problem with this embodiment is the voltage drop (typically about 0.5 V to 0.7 V) that occurs at the diode D during normal operation of the circuit arrangement 10.
  • the voltage drop typically about 0.5 V to 0.7 V
  • the use of the diode D with a voltage drop of 0.7 V requires an input voltage Vin of at least 6.2 V.
  • Vin 6 V is desired or required, the voltage regulation in this example would not function reliably.
  • Fig. 3 shows a second embodiment of a circuit arrangement 10 according to the invention.
  • a transistor T is arranged instead of the diode (Fig. 2), which in normal operation allows the current flowing to supply the electrical consumer 1 to pass through with a very low resistance (voltage drop e.g. less than 0.1 V), but becomes high-resistance (blocking) in the event of an excessively high voltage occurring in the region of the output line 14, so that an excessive voltage increase at the output terminal OUT and thus damage to the voltage regulator component 12 is avoided.
  • the transistor T is a FET, the gate connection of which is supplied with a switching voltage Vg for actively switching the transistor T on and off.
  • the switching voltage Vg is provided, as can be seen in Fig. 3, at the output of a comparator 18, which compares a voltage-divided version of the voltage Vout with an equally voltage-divided version of a voltage that is fixed in the example, e.g. a supply voltage provided in a control unit, VDD5.
  • the voltage dividers used here are designated in Fig. 3 with the reference numbers 20-1 and 20-2.
  • the voltage VDD5 e.g. 5 V
  • the voltage VDD5 can, for example, simultaneously be the voltage supplied to the voltage regulator component 12 as the reference voltage Vadj.
  • the components 18, 20-1 and 20-2 thus form a control device for generating a control voltage Vg for the transistor T as a function of the voltage Vout prevailing at the circuit node K, so that the transistor T is switched off and thus becomes high-impedance when an excessively high voltage occurs at the circuit node K.
  • the control device or the comparator 18 is supplied with a further supply voltage V12, for example provided in the control unit mentioned, which in the example is greater than VDD5 and is e.g. 12 V.
  • Fig. 4 shows a third embodiment of a circuit arrangement 10 according to the invention, in which, in contrast to the example described with reference to Fig. 3, no such control device is provided. Rather, in the example of Fig. 4, the gate connection (control connection) of the transistor T is supplied with a fixed voltage V12, which is selected such that the transistor T is put into a blocking state when an excessively high voltage occurs at the circuit node K and thus becomes high-impedance.
  • V12 fixed voltage
  • the voltage V12 is a supply voltage for other electronic components (not shown) provided together with the voltage regulator component 12 in an electronic control unit of the vehicle.
  • the voltage V12 is therefore advantageously provided in the area of an installation location of the voltage regulator component 12, here e.g. in an electronic control unit of the vehicle.
  • V12 is a voltage of 12 V.
  • the voltage V12 can also be, for example, a supply voltage provided on a line of a wiring harness within the electrical system of the vehicle, whereby this wiring harness can in particular also be the one that is intended for routing the output line 14 (towards the consumer 1).
  • an NMOSFET can be used particularly advantageously as the transistor T, for example, whose source terminal is arranged on the side of the output terminal OUT and whose drain terminal is arranged on the side of the output line 14 (as shown in Figs. 3 and 4).
  • the operation of the circuit arrangement 10 in the example of Fig. 4 under the premise that the voltage V12 applied to the gate terminal of the NMOSFET (eg 12 V) is greater than the target value (eg 5 V) of the output voltage Vout, and the threshold voltage of the NMOSFET is smaller than the difference between the latter voltages (V12 - Vout), can be described as follows:
  • the so-called inverse diode (parasitic diode) of the NMOSFET also conducts in this current direction.
  • the NMOSFET has a low resistance.
  • a leakage current of the transistor in blocking mode is smaller by at least a factor of 100, in particular at least a factor of 500, than the forward current in forward mode (e.g. switched on).
  • a "high resistance" of the semiconductor component required in the event of a fault can, for example, provide that a leakage current (in the event of a fault) is at least a factor of 100 or, for example, a factor of 500 smaller than the forward current (in normal operation) and/or an electrical resistance of the element in the event of a fault is at least a factor of 100, in particular at least a factor of 500, greater than the resistance during normal operation.
  • the present invention and the above-described embodiments propose advantageous circuit arrangements and their uses for voltage-regulated power supply of an electronic component in a vehicle, which can in particular be a sensor device connected to the relevant voltage regulator component via a vehicle wiring harness.
  • a particularly advantageous use of the invention results for a vehicle electrical system voltage of more than 20 V (e.g. battery voltage of 24 V in a commercial vehicle, e.g. truck).
  • VDD5 supply voltage

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung (10) zur Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers (1) in einem Fahrzeug, aufweisend ein Spannungsreglerbauelement (12) mit einem Eingangsanschluss (IN) zur Eingabe einer Eingangsspannung (Vin), einem Ausgangsanschluss (OUT) zur Ausgabe einer Ausgangsspannung (Vout) an den Verbraucher (1), und einem Rückkoppelanschluss (FB) zur Eingabe einer Rückkoppelspannung (Vfb), die das Spannungsreglerbauelement (12) für eine Regelung der Ausgangsspannung (Vout) verwendet. Die Schaltungsanordnung (10) weist ferner eine vom Ausgangsanschluss (OUT) zum Verbraucher (1) verlaufende Ausgangsleitung (14) und eine an einem Schaltungsknoten (K) der Ausgangsleitung (14) und am Rückkoppelanschluss (FB) angeschlossene Rückkoppelschaltung (16) auf. Um den Ausgangsanschluss (OUT) vor einer z.B. kurzschlussbedingten Überspannung (VB) zu schützen und somit den Verwendungsbereich der Schaltungsanordnung (10) zu erweitern, ist gemäß der Erfindung ein in einem Abschnitt der Ausgangsleitung (14) zwischen Ausgangsanschluss (OUT) und Schaltungsknoten (K) angeordnetes Halbleiterbauelement (T) vorgesehen, welches bei Auftreten einer übermäßig hohen Spannung (VB) in einem Abschnitt der Ausgangsleitung (14) zwischen Halbleiterbauelement (T) und Verbraucher (1) hochohmig wird, um einen übermäßigen Spannungsanstieg am Ausgangsanschluss (OUT) zu vermeiden. Ferner betrifft die Erfindung eine Verwendung einer derartigen Schaltungsanordnung (10) in einem Fahrzeug.

Description

Beschreibung
Schaltungsanordnung zur spannungsgeregelten Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers in einem Fahrzeug, sowie Verwendung einer derartigen
Schaltungsanordnung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Verwendung einer derartigen Schaltungsanordnung.
Die gattungsgemäße Schaltungsanordnung zur Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers weist ein Spannungsreglerbauelement mit einem Eingangsanschluss zur Eingabe einer Eingangsspannung, einen Ausgangsanschluss zur Ausgabe einer Ausgangsspannung an den elektrischen Verbraucher, und einen Rückkoppelanschluss zur Eingabe einer von der Ausgangsspannung abhängigen Rückkoppelspannung auf, die das Spannungsreglerbauelement als eine Regelgröße für eine Regelung der Ausgangsspannung verwendet.
Des Weiteren weist die Schaltungsanordnung eine von dem Ausgangsanschluss des Spannungsreglerbauelements zu dem elektrischen Verbraucher verlaufende Ausgangsleitung und eine an einem Schaltungsknoten der Ausgangsleitung und an dem Rückkoppelanschluss des Spannungsreglerbauelements angeschlossene Rückkoppelschaltung auf, welche zur Erzeugung der Rückkoppelspannung aus der am Schaltungsknoten abgegriffenen Ausgangsspannung und zur Zufuhr der erzeugten Rückkoppelspannung an den Rückkoppelanschluss dient.
Die genannten Spannungen sind hierbei als auf ein gemeinsames Referenzpotential bezogen zu verstehen, welches nachfolgend auch als Massepotential bezeichnet wird.
Derartige Schaltungsanordnungen und hierfür einsetzbare Spannungsreglerbauelemente sind aus dem Stand der Technik bekannt und können vorteilhaft z.B. zur Stromversorgung von elektrischen Verbrauchern in einem Fahrzeug eingesetzt werden, die eine wohldefinierte und besonders stabile Versorgungsspannung benötigen. Dies ist z.B. für viele Steuergerätkomponenten wie z.B. Mikrocontroller sowie Sensoreinrichtungen in Fahrzeugen der Fall. Bekannte Spannungsreglerbauelemente beinhalten typischerweise:
- ein steuerbares Durchlassglied (z.B. Transistor) in einem vom Eingangsanschluss zum Ausgangsanschluss verlaufenden Strompfad,
- eine interne Referenzspannungsquelle zur Bereitstellung einer Referenzspannung, oder einen Eingangsanschluss (Einstellanschluss) zur Eingabe einer solchen Referenzspannung von extern,
- einen Fehlerverstärker (Regelverstärker) zur Verstärkung einer Differenz zwischen der am Rückkoppelanschluss eingegebenen Rückkoppelspannung und der Referenzspannung, wobei das Durchlassglied von einem Ausgangssignal des Fehlerverstärkers derart gesteuert wird, dass die Rückkoppelspannung an die Referenzspannung angeglichen wird. Wenn die Rückkoppelspannung niedriger ist als die Referenzspannung, so wird mittels des Fehlerverstärkers der Stromfluss durch das Durchlassglied erhöht, wodurch sich auch die Ausgangsspannung erhöht. Falls die Rückkoppelspannung jedoch höher als die Referenzspannung ist, so wird dieser Stromfluss und demzufolge die Ausgangsspannung verringert.
Die "Rückkoppelschaltung" besteht im einfachsten Fall aus einer elektrischen Verbindung zwischen dem besagten Schaltungsknoten (Abzweigung) der Ausgangsleitung und dem Rückkoppelanschluss. In diesem Fall wird die Ausgangsspannung selbst als eine Regelgröße für die Regelung der Ausgangsspannung verwendet und die Ausgangsspannung auf die Referenzspannung geregelt. Die elektrische Verbindung kann hierbei niederohmig vorgesehen sein, oder aber einen nennenswerten Widerstand besitzen, um bei Auftreten einer übermäßig großen Spannung im Bereich der Ausgangsleitung den Rückkoppeleingang durch die strombegrenzende Wirkung des Widerstands zu schützen.
Alternativ kann die Rückkoppelschaltung z.B. ein am Schaltungsknoten angeschlossener Spannungsteiler (z.B. Reihenschaltung zweier ohmscher Widerstände) sein, um damit eine spannungsgeteilte Version der Ausgangsspannung zu erzeugen und dem Rückkoppelanschluss zuzuführen. In diesem Fall wird die Ausgangsspannung auf ein durch den Spannungsteiler definiertes Vielfaches der Referenzspannung geregelt. Bei Verwendung der Schaltungsanordnung zur Versorgung eines elektrischen Verbrauchers in einem Fahrzeug verläuft die Ausgangsleitung ausgehend vom Ausgangsanschluss des Spannungsreglerbauelements, das z.B. in einem elektronischen Steuergerät des Fahrzeuges verbaut sein kann, in der Regel über eine beträchtliche Länge (z.B. mehrere Meter) bis hin zum elektrischen Verbraucher, wobei die Leitung typischerweise in einem sog. Kabelbaum (zusammen mit weiteren Leitungen) und/oder über elektrische Anschlusseinrichtungen wie Steckverbinder etc. verläuft.
Insbesondere in derartigen Installationsumgebungen besteht die Gefahr, dass durch einen Kurzschluss der Ausgangsleitung, sei es z.B. gegen ein Bezugspotential (Massepotential) oder eine Versorgungsspannung (z.B.
Batteriespannung) eines elektrischen Bordnetzes des Fahrzeuges, das Spannungsreglerbauelement beschädigt oder sogar zerstört wird. Um derartigen fehlerbedingten Spannungsbelastungen standzuhalten, besitzen kommerziell erhältliche Spannungsreglerbauelemente in der Regel eine gewisse Spannungsfestigkeit des Ausgangsanschlusses.
Es hat sich jedoch herausgestellt, dass in bestimmten Verwendungssituationen die bei gängigen Spannungsreglerbauelementen konstruktiv realisierten Schutzmaßnahmen und hierbei insbesondere die Spannungsfestigkeit des Ausgangsanschlusses nachteiligerweise unter Umständen nicht ausreichen, um im Falle eines Auftretens einer übermäßig hohen Spannung in einem Abschnitt der Ausgangsleitung (z.B. durch einen Kurzschluss gegen eine relativ hohe Bordnetz-Versorgungsspannung) das Spannungsreglerbauelement ausreichend zu schützen. Anders ausgedrückt besteht im Stand der Technik das Problem, dass der Verwendungsbereich der Schaltungsanordnung je nach Spannungsfestigkeit des eingesetzten Spannungsreglerbauelements mehr oder weniger eingeschränkt ist.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorstehende Problematik zu beseitigen und somit den Verwendungsbereich einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zu erweitern.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass diese ferner ein in einem Abschnitt der Ausgangsleitung zwischen dem Ausgangsanschluss und dem Schaltungsknoten angeordnetes Halbleiterbauelement aufweist, welches im Falle eines Auftretens einer übermäßig hohen Spannung in einem Abschnitt der Ausgangsleitung zwischen dem Halbleiterbauelement und dem elektrischen Verbraucher hochohmig wird, um einen übermäßigen Spannungsanstieg am Ausgangsanschluss zu vermeiden. Die genannte "hohe Spannung" bzw. der "Spannungsanstieg" sind hierbei wieder wie die übrigen Spannungen auf ein betreffendes Referenzpotential bezogen zu verstehen, welches nachfolgend auch als Massepotential bezeichnet wird.
Mit der Erfindung kann somit vorteilhaft vermieden werden, dass das Spannungsreglerbauelement durch eine übermäßig hohe Spannung im Bereich der Ausgangsleitung geschädigt wird, womit der Verwendungsbereich der Schaltungsanordnung vergrößert wird.
Eine übermäßig hohe Spannung im Bereich der Ausgangsleitung liegt im Prinzip bereits dann vor, wenn diese Spannung nennenswert größer (z.B. um mehr als 10%) als der "Sollwert" der Ausgangsspannung ist, auf deren Wert diese mittels des Spannungsreglerbauelements geregelt wird. In der Praxis besonders bedeutsam ist jedoch der Fall, dass mit der Erfindung je nach konkreter Ausgestaltung insbesondere auch ein Schutz vor einer übermäßig hohen Spannung bewerkstelligbar ist, welche sehr viel größer (z.B. wenigstens doppelt so groß) als dieser Sollwert ist. Eine übermäßig hohe Spannung im Bereich der Ausgangsleitung liegt somit insbesondere vor, wenn diese einen vorgegebenen Sollwert der Ausgangsspannung um mehr als 10% oder um mehr als 100% übersteigt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist beispielsweise vorgesehen, dass ein übermäßiger (das Spannungsreglerbauelement schädigender) Spannungsanstieg am Ausgangsanschluss selbst dann noch vermieden wird, wenn der Fall eintritt, dass die Spannung im Bereich der Ausgangsleitung einen Wert von mehr als dem 4-fachen, insbesondere mehr als dem 8-fachen, des Sollwerts der Ausgangsspannung annimmt. Der Wert der übermäßig hohen Spannung, bis zu dem die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung funktionsfähig bleibt (d.h. nicht geschädigt oder zerstört wird), wird nachfolgend auch als "Auslegungsmaximalspannung" bezeichnet. Insbesondere bei den im Rahmen der Erfindung bevorzugten Verwendungen (in einem Fahrzeug) ist die Wahl einer Auslegungsmaximalspannung im Bereich des 8-fachen bis 15-fachen und/oder im Bereich von mindestens 50 V (insbesondere mindestens 60 V) bis 100 V besonders vorteilhaft.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung, ordnungsgemäße Funktion des Halbleiterbauelements vorausgesetzt, die am Ausgangsanschluss herrschende Spannung stets unterhalb des 2-fachen, insbesondere unterhalb des 1 ,5-fachen, der dort im normalen Betrieb herrschenden Sollspannung (Ausgangsspannung) bleibt.
Das Merkmal, wonach das Halbleiterbauelement im erläuterten Fehlerfall (einer übermäßig hohen Spannung) im Bereich der Ausgangsleitung "hochohmig wird", kann in unterschiedlicher Weise realisiert werden (vgl. auch Ausführungsbeispiele). Wesentlich ist hierbei, dass die elektrischen Eigenschaften des Halbleiterbauelements (wie etwa durch wenigstens eine "Kennlinie" darstellbar) in Verbindung mit dessen Einbindung in die Schaltungsanordnung dazu führen, dass im Fehlerfall, ab einem bestimmten Wert der übermäßig hohen Spannung, der Widerstand des Halbleiterbauelements sich beträchtlich erhöht.
In einer Ausführungsform der Erfindung liegt die Ausgangsspannung (Sollwert der Ausgangsspannung, auf deren Wert diese geregelt wird) in einem Bereich von 3 V bis 6 V, beispielsweise bei etwa 5 V. Viele elektronische Einrichtungen benötigen eine stabile Versorgungsspannung in diesem Bereich.
In einer Ausführungsform liegt die Eingangsspannung in einem Bereich von 5 V bis 12 V, beispielsweise bei etwa 6 V.
In einer Ausführungsform liegt die Differenz zwischen Eingangsspannung und Ausgangsspannung in einem Bereich von 0,5 V bis 5 V, beispielsweise bei etwa 1 V. Die meisten der im Rahmen der Erfindung bevorzugt einzusetzenden Spannungsreglerbauelemente erfordern konstruktiv bedingt einen gewissen Mindestwert dieser Spannungsdifferenz, der auch als "drop-out"-Spannung des betreffenden Spannungsreglerbauelements bezeichnet wird und typischerweise im Bereich von etwa 0,5 V bis 1 ,5 V liegt. In einer Ausführungsform liegt die Strom belastbarkeit des Ausgangsanschlusses, d.h. die bei dem Sollwert der Ausgangsspannung maximal lieferbare Stromstärke, in einem Bereich von 1 mA bis 300 mA, beispielsweise bei etwa 30 mA.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der elektrische Verbraucher eine mit der Ausgangsspannung zu versorgende Sensoreinrichtung eines Fahrzeuges ist.
Die Sensoreinrichtung kann hierbei einen oder mehrere Sensoren aufweisen, beispielsweise einen Sensor zur Messung eines Drucks oder einer Temperatur. Alternativ oder zusätzlich kann die Sensoreinrichtung z.B. einen Sensor zur Messung einer Position, z.B. Drehwinkelstellung, eines mechanischen Bauteils aufweisen. Mit dem Einsatz der Erfindung können derartige Sensoreinrichtungen vorteilhaft mit einer stabilen Versorgungsspannung versorgt werden, wobei gleichzeitig der in einem Fahrzeug inhärent erhöhten Gefahr von Kurzschlüssen vorteilhaft Rechnung getragen wird.
In einer Ausführungsform der Erfindung verläuft die Ausgangsleitung zumindest abschnittweise in einem Kabelbaum eines Fahrzeuges. Ein solcher Kabelbaum ist ein aus einer Mehrzahl von Kabeln gebildeter, gegebenenfalls verzweigter Strang zur Übertragung elektrischer Informationssignale (z.B. Datensignale) und/oder elektrischer Ströme (zur Energieübertragung). Oftmals bilden auch elektrische Anschlusseinrichtungen wie Steckverbinder etc. einen Bestandteil des Kabelbaums, in welchem die betreffenden Kabel in der Regel durch mechanische Mittel wie Kabelbinder und/oder umhüllende Schläuche zusammengehalten werden. Der Einsatz der Erfindung ist in einer derartigen Installationsumgebung aufgrund der hierbei erhöhten Gefahr von Kurzschlüssen besonders vorteilhaft.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist der elektrische Verbraucher in einem Fahrzeug vorgesehen, wobei ein elektrisches Bordnetz des Fahrzeuges eine Bordnetzspannung von mehr als 12 V besitzt. Eine besonders vorteilhafte Verwendung der Erfindung ergibt sich für eine Bordnetzspannung (z.B.
Batteriespannung) des Fahrzeuges von mehr als 20 V, beispielsweise 24 V, wie z.B. gängig bei vielen Arten von Nutzfahrzeugen.
In einer Ausführungsform besitzt die Ausgangsleitung eine Länge von mehr als 1 m, insbesondere mehr als 2 m. Eine besonders vorteilhafte Verwendung der Erfindung ergibt sich für eine Länge der Ausgangsleitung von mehr als 5 m, wie dies z.B. im Falle einer Versorgung einer Sensoreinrichtung eines Fahrzeuges, und hierbei wieder z.B. insbesondere bei einem Nutzfahrzeug, keine Seltenheit ist. Eine maximale Länge der Ausgangsleitung kann auf 20 m oder 50 m oder 100 m beschränkt sein.
In diesem Zusammenhang hat sich herausgestellt, dass eine relativ große Länge der Ausgangsleitung bzw. genauer gesagt die damit einhergehende größere parasitäre Induktivität der Ausgangsleitung das der Erfindung zugrundeliegende Problem durch einen Effekt verschärfen kann, der wie folgt erklärbar ist: Die Induktivität der Ausgangsleitung bildet zusammen mit einer in der Praxis häufig z.B. am Ausgangsanschluss des Spannungsreglerbauelements und/oder an einem Eingang des elektrischen Verbrauchers angeordneten Kapazität (z.B. Kondensator zur Pufferung der Versorgungsspannung) einen Schwingkreis mit sehr geringer Dämpfung. Dieser Schwingkreis kann durch einen an der Ausgangsleitung plötzlich auftretenden Kurzschluss gegen eine bestimmte Spannung wie z.B. eine Bordnetzspannung (z.B. Batteriespannung) in einem Fahrzeug zum Schwingen angeregt werden, wobei durch einen anfänglichen Überschwingvorgang kurzzeitig eine die betreffende Spannung (z.B. Bordnetzspannung) sogar nennenswert übersteigende Spannung auf den Ausgangsanschluss des Spannungsreglerbauelements einwirken kann. Insofern ist die Verwendung der Erfindung insbesondere vorteilhaft bei größeren Längen der Ausgangsleitung und/oder relativ großen Bordnetzspannungen, um damit eine Schädigung des Spannungsreglerbauelements zu vermeiden.
Auch ist die Erfindung hierbei z.B. dann besonders vorteilhaft einzusetzen, wenn ein zwischen Ausgangsleitung und Massepotential angeordneter Kondensator (z.B. zum Zwecke einer Pufferung der Ausgangsspannung) einen relativ kleinen (internen) Verlustwiderstand besitzt, z.B. kleiner als 100 mQ, insbesondere kleiner als 50 mQ) weil in diesem Fall der vorerwähnte Schwingkreis eine besonders geringe Dämpfung besitzt. In einer vorteilhaften Ausführungsform kann an dieser Stelle daher problemlos z.B. ein Keramikkondensator oder z.B. ein Folienkondensator vorgesehen sein (z.B. mit Verlustwiderstand (in Reihe zur Kapazität) von weniger als 50 mQ).
In einer Ausführungsform weist die Rückkoppelschaltung einen zwischen dem Schaltungsknoten und dem Rückkoppelanschluss angeordneten Strombegrenzungswiderstand und eine zwischen dem Rückkoppelanschluss und einem Massepotential angeordnete Zenerdiode auf (deren Durchbruchsspannung größer ist als der Sollwert der Ausgangsspannung). In diesem Fall, wenn der Wert des Strombegrenzungswiderstands wesentlich kleiner ist als der Sperrwiderstand der Zenerdiode (bzw. im Vergleich zu letzterem vernachlässigbar), so wird im normalen Betrieb dem Rückkoppelanschluss praktisch die gesamte Ausgangsspannung als Regelgröße zugeführt und demzufolge regelt das Spannungsreglerbauelement die Ausgangsspannung auf die Referenzspannung.
Alternativ zu einer Zenerdiode kommen auch andere zum Betrieb in Sperrrichtung im Bereich einer Durchbruchsspannung ausgelegte Dioden in Betracht, wie etwa eine Suppressordiode, etc. Des Weiteren kann an dieser Stelle auch z.B. ein Varistor eingesetzt werden.
Ein Vorteil dieser Ausführungsform im Vergleich zu der weiter oben bereits erwähnten Rückkoppelschaltung bestehend nur aus einer elektrischen Verbindung bzw. einem Strom begrenzungswiderstand zwischen dem Schaltungsknoten und dem Rückkoppelanschluss besteht darin, dass im Falle eines Auftretens einer übermäßig hohen Spannung im Bereich der Ausgangsleitung das betreffende Bauelement, wie z.B. eine Zenerdiode aufgrund deren Durchbruchs, den Rückkoppeleingang und gegebenenfalls auch das bei der Erfindung vorgesehene Halbleiterbauelement entlastet.
In dieser Hinsicht ist gemäß einer Ausführungsform vorgesehen, dass die betreffende Diode mit einer Durchbruchsspannung gewählt ist, welche einerseits um mindestens 10% größer als der Sollwert der Ausgangsspannung ist und andererseits z.B. im Bereich des 0,15-fachen bis 0,5-fachen der weiter oben erwähnten Auslegungsmaximalspannung der Schaltungsanordnung ist.
In einer sehr einfachen Ausführungsform der Erfindung ist das Halbleiterbauelement eine Diode (die in Durchlassrichtung für den zur Versorgung des elektrischen Verbrauchers fließenden Stroms gepolt ist). Bei Auftreten einer übermäßig hohen Spannung in einem Abschnitt der Ausgangsleitung zwischen der Diode und dem elektrischen Verbraucher kommt es zu einem Wechsel der Polarität der an der Diode herrschenden Spannung, so dass die Diode (in Sperrrichtung) hochohmig wird und damit ein übermäßiger Spannungsanstieg am Ausgangsanschluss vermieden wird. Die im Falle des Auftretens der übermäßig hohen Spannung im Rahmen der Erfindung geforderte "Hochohmigkeit" kann insbesondere bei dieser Ausführungsform (Halbleiterbauelement = Diode) z.B. dann als gegeben angesehen werden, wenn ein Leckstrom des Elements (im Fehlerfall) um mindestens einen Faktor 100, insbesondere mindestens einen Faktor 500, kleiner ist als der Durchlassstrom (im Normalbetrieb) des Elements.
Problematisch ist beider Ausführungsform mit Diode jedoch der im normalen Betrieb der Schaltungsanordnung sich an der Diode ergebende Spannungsabfall von typischerweise etwa 0,5 V bis 0,7 V, der nachteiligerweise zum einen eine relativ hohe Verlustleistung mit sich bringt und zum anderen die Freiheit bei der Wahl der Eingangsspannung am Spannungsreglerbauelement insofern einschränkt, als die hier in Rede stehenden Spannungsreglerbauelemente konstruktiv bedingt jeweils einen gewissen Mindestwert der Differenz zwischen Eingangsspannung und Ausgangsspannung ("drop-out"-Spannung) erfordern, um eine fehlerfreie Regelung der Ausgangsspannung bewerkstelligen zu können. So würde beispielsweise bei einer "drop-out"-Spannung des eingesetzten Spannungsreglerbauelements von z.B. 0,5 V und einer gewünschten Ausgangsspannung von 5 V der vorgenannte Einsatz einer Diode mit Spannungsabfall von 0,7 V am Ausgangsanschluss es verunmöglichen, eine Eingangsspannung von 6 V vorzusehen. Notwendig wären in diesem Beispiel mindestens 6,2 V.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist das Halbleiterbauelement ein Transistor, insbesondere ein Feldeffekttransistor (FET). Damit kann der im normalen Betrieb sich an dem Halbleiterbauelement (Transistor) ergebende Spannungsabfall vorteilhaft sehr viel kleiner ausfallen als bei einer Diode.
In einer ersten Ausführungsvariante wird ein Steueranschluss des Transistors, also Basisanschluss bei einem Bipolartransistor bzw. Gateanschluss bei einem FET, mit einer Spannung (z.B. Schaltspannung zum Schalten des Transistors) angesteuert, die mittels einer Ansteuereinrichtung der Schaltungsanordnung in Abhängigkeit von der am Schaltungsknoten herrschenden Spannung erzeugt wird, derart, dass der Transistor beim Auftreten einer übermäßig hohen Spannung am Schaltungsknoten in einen sperrenden Zustand gebracht und somit hochohmig wird.
Die Ansteuereinrichtung kann hierfür z.B. einen Komparator zum Vergleichen der am Schaltungsknoten herrschenden Spannung oder einer daraus abgeleiteten (z.B. spannungsgeteilten) Spannung einerseits mit einer z.B. fest vorgegebenen Spannung andererseits aufweisen, um mittels eines Ausgangssignals des Komparators den Transistor anzusteuern.
In einer zweiten Ausführungsvariante wird ein Steueranschluss des Transistors mit einer fest vorgegebenen Spannung beaufschlagt, die derart gewählt ist, dass der Transistor beim Auftreten einer übermäßig hohen Spannung am Schaltungsknoten in einen sperrenden Zustand gebracht und somit hochohmig wird.
In einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausführungsvariante handelt es sich bei der fest vorgegebenen Spannung um eine zur Versorgung des Spannungsreglerbauelements und/oder anderer elektronischer Komponenten ohnehin bereitgestellte Versorgungsspannung. Beispielsweise kann es sich bei dieser Versorgungsspannung um eine 12 V-Spannung handeln, wie diese z.B. in Fahrzeugen häufig als eine Hilfsspannung zum Ansteuern von Leistungsendstufen (z.B. Inverter zur Bestromung von elektrischen Antrieben) benutzt wird.
Derartige andere elektronische Komponenten können z.B. zusammen mit dem Spannungsreglerbauelement in einem elektronischen Steuergerät eines Fahrzeuges angeordnete Komponenten sein.
Alternativ oder zusätzlich kann es sich hierbei vorteilhaft z.B. auch um eine von einem elektrischen Bordnetz eines Fahrzeuges bereitgestellte Bordnetzspannung handeln. Dies gilt insbesondere dann, wenn diese Bordnetzspannung ohnehin im Bereich des Einbauorts des Spannungsreglerbauelements (z.B. in einem elektronischen Steuergerät) und/oder an einer Leitung eines Kabelbaums bereitgestellt wird, der auch zur Leitungsführung der Ausgangsleitung vorgesehen ist.
Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wird eine Verwendung einer Schaltungsanordnung der hier beschriebenen Art zur Stromversorgung einer elektronischen Komponente in einem Fahrzeug vorgeschlagen, wobei es sich bei der Komponente insbesondere z.B. um eine Sensoreinrichtung handeln kann.
Insbesondere kann die Sensoreinrichtung hierbei im Fahrzeug entfernt von einem die Sensoreinrichtung versorgenden und das Spannungsreglerbauelement beinhaltenden Steuergerät angeordnet sein. Die für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung hier beschriebenen Ausführungsformen und besonderen Ausgestaltungen können, einzeln oder in beliebiger Kombination, in analoger Weise auch als Ausführungsformen bzw. besondere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verwendung vorgesehen sein, und umgekehrt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen jeweils schematisch dar:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 2 eine Schaltungsanordnung gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
Fig. 3 eine Schaltungsanordnung gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung, und
Fig. 4 eine Schaltungsanordnung gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung 10, die gemäß eines aus dem Stand der Technik bekannten Konzepts aufgebaut ist und zur Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers 1 in einem Fahrzeug dient, der im Betrieb eine wohldefinierte und stabile Versorgungsspannung Vout benötigt, bezogen auf ein bestimmtes Referenzpotential, hier "Massepotential GND".
Dies ist in Fahrzeugen generell beispielsweise für viele Steuergerätkomponenten wie z.B. Mikrocontroller sowie Sensoreinrichtungen (z.B. zur Messung eines Drucks oder einer Temperatur) der Fall. Im Beispiel von Fig. 1 sei angenommen, dass der elektrische Verbraucher 1 eine Sensoreinrichtung eines Fahrzeuges ist, die (zumindest bis zu einer bestimmten Stromstärke von z.B. etwa 50 mA) mit einer präzisen und stabilen Spannung von Vout = 5 V (Sollwert) zu versorgen ist.
Die Schaltungsanordnung 10 weist ein Spannungsreglerbauelement 12 mit einem Eingangsanschluss IN zur Eingabe einer Eingangsspannung Vin, einen Ausgangsanschluss OUT zur Ausgabe der Ausgangsspannung Vout an den elektrischen Verbraucher 1 und einen Rückkoppelanschluss FB zur Eingabe einer von der Ausgangsspannung Vout abhängigen Rückkoppelspannung Vfb auf, die das Spannungsreglerbauelement 12 als eine Regelgröße für eine Regelung der Ausgangsspannung Vout verwendet. Im Beispiel von Fig. 1 sei angenommen, dass die (unstabilisierte) Eingangsspannung Vin einen Wert von 6 V besitzt.
Die Eingangsspannung Vin stellt im dargestellten Beispiel eine Versorgungsspannung des Spannungsreglerbauelements 12 dar und kann gegebenenfalls z.B. auch zur Versorgung (nicht dargestellter) weiterer elektronischer Komponenten dienen, die z.B. zusammen mit dem Spannungsreglerbauelement 12 baulich zusammengefasst (z.B. in einem Steuergerät des Fahrzeuges) vorgesehen sind. Insbesondere kann z.B. ein Steuergerät mit mehreren Schaltungsanordnungen der hier beschriebenen Art vorgesehen sein, deren dementsprechend mehrere Spannungsreglerbauelemente gemeinsam aus einer im Steuergerät bereitgestellten Versorgungsspannung (wie Vin in Fig. 1 ) versorgt werden.
Bei der vorerwähnten Regelung wird die Rückkoppelspannung Vfb mit einer Referenzspannung Vadj verglichen und basierend auf dem Ergebnis des Vergleichs die Ausgangsspannung Vout so geändert, dass der Wert von Vfb dem Wert von Vadj angeglichen wird. Im dargestellten Beispiel weist das Spannungsreglerbauelement 12 einen Einstellanschluss ADJ zur Eingabe der Referenzspannung Vadj auf, wobei im Beispiel angenommen sei, dass Vadj einen Wert von 5 V besitzt.
Die Schaltungsanordnung 10 weist des Weiteren eine von dem Ausgangsanschluss OUT des Spannungsreglerbauelements 12 zu dem elektrischen Verbraucher 1 verlaufende Ausgangsleitung 14 und eine an einem Schaltungsknoten K der Ausgangsleitung 14 und an dem Rückkoppelanschluss FB des Spannungsreglerbauelements 12 angeschlossene Rückkoppelschaltung 16 auf, mittels welcher die Rückkoppelspannung Vfb aus der am Schaltungsknoten K abgegriffenen Ausgangsspannung Vout erzeugt dem Rückkoppelanschluss FB zugeführt wird.
Im dargestellten Beispiel besteht die Rückkoppelschaltung16 aus einer niederohmigen elektrischen Verbindung zwischen dem Schaltungsknoten K (Abzweigung) der Ausgangsleitung 14 und dem Rückkoppelanschluss FB. Somit wird die Ausgangsspannung Vout als eine Regelgröße für die Regelung der Ausgangsspannung Vout verwendet und auf die Referenzspannung Vadj geregelt (hier also: Vout = Vadj = 5 V).
Außerdem ist im dargestellten Beispiel im Verlauf der Ausgangsleitung 14 ein Ausgangskondensator Cout (zwischen der Ausgangsleitung und dem Massepotential GND) zur zusätzlichen Stabilisierung (Pufferung) der Versorgungsspannung Vout angeordnet.
In der mit Fig. 1 veranschaulichten Verwendungssituation einsetzbare Spannungsreglerbauelemente (z.B. "automotive linear voltage regulators") sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Die Ausgangsleitung 14 verläuft ausgehend vom Ausgangsanschluss OUT des Spannungsreglerbauelements 12, das im dargestellten Beispiel z.B. in einem elektronischen Steuergerät des Fahrzeuges verbaut ist, über eine Länge von mehreren Metern zum elektrischen Verbraucher 1 , und zwar größtenteils in einem Kabelbaum, zusammen mit weiteren elektrischen Leitungen des Fahrzeuges.
Hierbei besteht grundsätzlich die Gefahr, dass durch einen in Fig. 1 durch einen Schalter SCB symbolisierten Kurzschluss der Ausgangsleitung 14 gegen eine relativ hohe Spannung, im dargestellten Beispiel eine Versorgungsspannung VB (z.B. Batteriespannung von 24 V) eines elektrischen Bordnetzes des Fahrzeuges, das Spannungsreglerbauelement 12 beschädigt oder sogar zerstört wird.
Mit Bezug auf die Fig. 2 bis 4 werden nachfolgend Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen beschrieben, bei denen die vorstehende Problematik beseitigt ist.
Bei dieser nachfolgenden Beschreibung von weiteren Ausführungsbeispielen werden für gleichwirkende Komponenten die gleichen Bezugszeichen verwendet. Dabei wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem bzw. den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen eingegangen und im Übrigen hiermit ausdrücklich auf die Beschreibung vorangegangener Ausführungsbeispiele verwiesen.
Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 10. Im Unterschied zu dem mit Bezug auf Fig. 1 beschriebenen Beispiel besteht eine Besonderheit der Schaltungsanordnung 10 von Fig. 2 darin, dass diese in einem Abschnitt der Ausgangsleitung 14 zwischen dem Ausgangsanschluss OUT und dem Schaltungsknoten K ein Halbleiterbauelement, hier in Form einer Diode D (insbesondere z.B.
Schottkydiode), aufweist, welche in Durchlassrichtung für den zur Versorgung des elektrischen Verbrauchers 1 fließenden Stroms gepolt ist, jedoch im Falle eines Auftretens einer übermäßig hohen Spannung im Leitungsabschnitt zwischen der Diode D und dem elektrischen Verbraucher 1 hochohmig wird (da sperrend), so dass ein übermäßiger Spannungsanstieg am Ausgangsanschluss OUT und somit eine Schädigung des Spannungsreglerbauelements 12 vermieden wird.
Eine weitere Besonderheit besteht in diesem Beispiel darin, dass die Rückkoppelschaltung 16 von einem zwischen dem Schaltungsknoten K und dem Rückkoppelanschluss FB angeordneten Widerstand (Strombegrenzungswiderstand) R und einer zwischen dem Rückkoppelanschluss FB und dem Massepotential GND angeordneten Zenerdiode DZ gebildet ist, deren Durchbruchsspannung größer ist als der Sollwert der Ausgangsspannung Vout. In diesem Fall wird im normalen Betrieb dem Rückkoppelanschluss FB praktisch die gesamte Ausgangsspannung Vout zugeführt und demzufolge die Ausgangsspannung Vout auf die Referenzspannung Vadj geregelt (z.B. auf 5 V).
Im Falle eines Auftretens einer übermäßig hohen Spannung im Bereich der Ausgangsleitung 14 entlastet die Zenerdiode DZ aufgrund deren Durchbruchs vorteilhaft sowohl die Diode D als auch den Rückkoppeleingang FB. Dies gilt in analoger Weise auch, wenn anstelle der Zenerdiode DZ z.B. eine Suppressordiode oder z.B. ein Varistor eingesetzt wird.
In einer Ausführungsform des Beispiels gemäß Fig. 2 ist vorgesehen, dass die Diode bzw. Zenerdiode DZ mit einer Durchbruchsspannung gewählt ist, welche im Bereich des 1 ,5-fachen bis 3-fachen des Sollwerts der Ausgangsspannung (hier z.B. 5 V) liegt, und/oder im Bereich des 0,15-fachen bis 0,5-fachen der Auslegungsmaximalspannung.
Problematisch ist bei diesem Ausführungsbeispiel der im normalen Betrieb der Schaltungsanordnung 10 sich an der Diode D ergebende Spannungsabfall (typischerweise etwa 0,5 V bis 0,7 V). Beispielsweise bei einer "drop-out"-Spannung des eingesetzten Spannungsreglerbauelements 12 von z.B. 0,5 V und einer Ausgangsspannung (Sollwert) Vout von 5 V bedingt der Einsatz der Diode D mit einem Spannungsabfall von z.B. 0,7 V eine Eingangsspannung Vin von mindestens 6,2 V. Falls jedoch z.B. Vin = 6 V gewünscht bzw. erfordert ist, so würde die Spannungsregelung in diesem Beispiel nicht zuverlässig funktionieren.
Mit Bezug auf die Fig. 3 und 4 werden nachfolgend Ausführungsbeispiele beschrieben, bei denen diese vorstehende Problematik beseitigt und somit der Verwendungsbereich der Schaltungsanordnung vorteilhaft erweitert ist.
Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 10. Im Unterschied zu dem mit Bezug auf Fig. 2 beschriebenen Beispiel ist im Abschnitt der Ausgangsleitung 14 zwischen dem Ausgangsanschluss OUT und dem Schaltungsknoten K anstelle der Diode (Fig. 2) ein Transistor T angeordnet, welcher im normalen Betrieb den zur Versorgung des elektrischen Verbrauchers 1 fließenden Stroms sehr niederohmig durchlässt (Spannungsabfall z.B. kleiner als 0,1 V), jedoch im Falle eines Auftretens einer übermäßig hohen Spannung im Bereich der Ausgangsleitung 14 hochohmig (sperrend) wird, so dass ein übermäßiger Spannungsanstieg am Ausgangsanschluss OUT und somit eine Schädigung des Spannungsreglerbauelements 12 vermieden wird.
Im dargestellten Beispiel handelt es sich bei dem Transistor T um einen FET, dessen Gateanschluss mit einer Schaltspannung Vg zum aktiven Ein- und Ausschalten des Transistors T beaufschlagt wird. Die Schaltspannung Vg wird wie in Fig. 3 ersichtlich am Ausgang eines Komparators 18 bereitgestellt, welcher eine spannungsgeteilte Version der Spannung Vout mit einer gleichermaßen spannungsgeteilten Version einer im Beispiel z.B. fest vorgegebenen Spannung, z.B. einer in einem Steuergerät bereitgestellten Versorgungsspannung, VDD5 vergleicht. Hierbei verwendete Spannungsteiler sind in Fig. 3 mit den Bezugszahlen 20-1 und 20-2 bezeichnet. Im dargestellten Beispiel kann die Spannung VDD5 (z.B. 5 V) beispielsweise gleichzeitig die dem Spannungsreglerbauelement 12 als Referenzspannung Vadj zugeführte Spannung sein.
Bei dem Beispiel der Schaltungsanordnung 10 von Fig. 3 bilden die Komponenten 18, 20-1 und 20-2 also eine Ansteuereinrichtung, um in Abhängigkeit von der am Schaltungsknoten K herrschenden Spannung Vout eine Ansteuerspannung Vg für den Transistor T zu erzeugen, so dass der Transistor T beim Auftreten einer übermäßig hohen Spannung am Schaltungsknoten K ausgeschaltet und somit hochohmig wird. Die Ansteuereinrichtung bzw. der Komparator 18 wird mit einer weiteren, z.B. im genannten Steuergerät bereitgestellten, Versorgungsspannung V12 versorgt, die im Beispiel größer als VDD5 ist und z.B. 12 V beträgt.
Das Erfordernis bzw. die Kosten einer solchen Ansteuereinrichtung sowie der im Betrieb der Schaltungsanordnung 10 damit verbundene zusätzliche Stromverbrauch stellen in der Praxis einen Nachteil dieses Ausführungsbeispiels dar.
Fig. 4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 10, bei welchem im Unterschied zu dem mit Bezug auf Fig. 3 beschriebenen Beispiel keine solche Ansteuereinrichtung vorgesehen ist. Vielmehr wird im Beispiel von Fig. 4 der Gateanschluss (Steueranschluss) des Transistors T mit einer fest vorgegebenen Spannung V12 beaufschlagt, die derart gewählt ist, dass der Transistor T beim Auftreten einer übermäßig hohen Spannung am Schaltungsknoten K in einen sperrenden Zustand gebracht und somit hochohmig wird.
Im Beispiel handelt es sich bei der Spannung V12 um eine Versorgungsspannung für zusammen mit dem Spannungsreglerbauelement 12 in einem elektronischen Steuergerät des Fahrzeuges vorgesehene (nicht dargestellte) weitere elektronische Komponenten. Die Spannung V12 wird also vorteilhaft ohnehin im Bereich eines Einbauorts des Spannungsreglerbauelements 12, hier z.B. in einem elektronischen Steuergerät des Fahrzeuges, bereitgestellt. Beispielsweise handelt es sich bei V12 um eine Spannung von 12 V.
Alternativ oder zusätzlich kann es sich bei der Spannung V12 auch z.B. um eine an einer Leitung eines Kabelbaums bereitgestellte Versorgungsspannung innerhalb des elektrischen Systems des Fahrzeuges handeln, wobei dieser Kabelbaum insbesondere auch derjenige sein kann, der zur Leitungsführung der Ausgangsleitung 14 (hin zum Verbraucher 1 ) vorgesehen ist.
Insbesondere bei den in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsformen kann als der Transistor T besonders vorteilhaft z.B. ein NMOSFET eingesetzt werden, dessen Sourceanschluss seitens des Ausgangsanschlusses OUT und dessen Drainanschluss seitens der Ausgangsleitung 14 angeordnet ist (wie in den Fig. 3 und 4 dargestellt). In diesem Fall lässt sich die Funktionsweise der Schaltungsanordnung 10 im Beispiel von Fig. 4, unter der Prämisse, dass die am Gateanschluss des NMOSFET angelegte Spannung V12 (z.B. 12 V) größer als der Sollwert (z.B. 5 V) der Ausgangsspannung Vout ist, und die Schwellenspannung des NMOSFET kleiner als die Differenz der letztgenannten Spannungen (V12 - Vout) bemessen ist, wie folgt beschreiben:
Im normalen Betrieb der Schaltungsanordnung 10 beträgt die Gate-Source-Spannung V12 - Vout = 7 V und liegt damit über der entsprechend bemessenen Schwellenspannung (von z.B. 5 V) des NMOSFET, dessen Kanal somit leitend für den vom Ausgangsanschluss OUT zum Verbraucher 1 fließenden Strom ist. Zusätzlich leitet in dieser Situation auch die sogenannte Inversdiode (parasitäre Diode) des NMOSFET in dieser Stromrichtung. Der NMOSFET ist niederohmig.
Falls jedoch, z.B. ausgelöst durch einen Kurzschluss (Schließen des Schalters SCB) eine übermäßig hohe Spannung von VB (oder mehr) im Leitungsabschnitt zwischen dem NMOSFET und dem elektrischen Verbraucher 1 auftritt, so geht der NMOSFET in einen sperrenden Zustand über, da bereits nach einem vergleichsweise kleinen Anstieg der am Ausgangsanschluss OUT bzw. Sourceanschluss herrschenden Spannung die Gate-Source-Spannung unter die Schwellenspannung des NMOSFET fällt. Darüber hinaus sperrt dann auch die Inversdiode. Der NMOSFET ist in dieser Situation hochohmig. Damit ist ein übermäßiger Spannungsanstieg (hier z.B. um mehr als 2 V) am Ausgangsanschluss OUT und somit eine Schädigung des Spannungsreglerbauelements 12 verhindert.
Vorteilhaft kann bei Ausführungsformen mit einem Transistor als das Halbleiterbauelement (vgl. Fig. 3 und 4) im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass ein Leckstrom des Transistors im Sperrbetrieb (z.B. ausgeschaltet) um mindestens einen Faktor 100, insbesondere mindestens einen Faktor 500, kleiner ist als der Durchlassstrom im Durchlassbetrieb (z.B. eingeschaltet).
Bei allen Ausführungsformen der Erfindung kann eine im Fehlerfall (übermäßig hohe Spannung an der Ausgangsleitung) erforderliche "Hochohmigkeit" des Halbleiterbauelements z.B. vorsehen, dass ein Leckstrom (im Fehlerfall) um mindestens einen Faktor 100 oder z.B. einen Faktor 500 kleiner ist als der Durchlassstrom (im Normalbetrieb) und/oder ein elektrischer Widerstand des Elements im Fehlerfall um mindestens einen Faktor 100, insbesondere mindestens einen Faktor 500, größer ist als der Widerstand im Normalbetrieb.
Zusammenfassend werden mit der vorliegenden Erfindung und den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen vorteilhafte Schaltungsanordnungen und deren Verwendungen zur spannungsgeregelten Stromversorgung einer elektronischen Komponente in einem Fahrzeug vorgeschlagen, wobei es sich insbesondere z.B. um eine über einen Kabelbaum des Fahrzeuges an dem betreffenden Spannungsreglerbauelement angeschlossene Sensoreinrichtung handeln kann. Eine besonders vorteilhafte Verwendung der Erfindung ergibt sich für eine Bordnetzspannung des Fahrzeuges von mehr als 20 V (z.B. Batteriespannung von 24 V bei einem Nutzfahrzeug, z.B. LKW).
Bezugszeichenliste
1 elektrischer Verbraucher (z.B. Sensoreinrichtung)
10 Schaltungsanordnung
12 Spannungsreglerbauelement
IN Eingangsanschluss
Vin Eingangsspannung
OUT Ausgangsanschluss
Vout Ausgangsspannung
D Diode
T Transistor
ADJ Einstellanschluss
Vadj Referenzspannung
FB Rückkoppelanschluss
Vfb Rückkoppelspannung
GND Massepotential
14 Ausgangsleitung
K Schaltungsknoten
Cout Ausgangskondensator
16 Rückkoppelschaltung
R Widerstand
DZ Zenerdiode
VB Bordnetzspannung bzw. Batteriespannung
SCB "Kurzschluss' -Schalter
18 Komparator
20-1 , 20-2 Spannungsteiler
VDD5 Versorgungsspannung
V12 Versorgungsspannung

Claims

Patentansprüche
1. Schaltungsanordnung (10) zur Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers (1 ) in einem Fahrzeug, aufweisend ein Spannungsreglerbauelement (12) mit einem Eingangsanschluss (IN) zur Eingabe einer Eingangsspannung (Vin), einem Ausgangsanschluss (OUT) zur Ausgabe einer Ausgangsspannung (Vout) an den elektrischen Verbraucher (1 ) zur Stromversorgung des elektrischen Verbrauchers (1 ), und einem Rückkoppelanschluss (FB) zur Eingabe einer von der Ausgangsspannung (Vout) abhängigen Rückkoppelspannung (Vfb), die das Spannungsreglerbauelement (12) als eine Regelgröße für eine Regelung der Ausgangsspannung (Vout) verwendet, eine von dem Ausgangsanschluss (OUT) zu dem elektrischen Verbraucher (1 ) verlaufende Ausgangsleitung (14), und eine an einem Schaltungsknoten (K) der Ausgangsleitung (14) und an dem Rückkoppelanschluss (FB) angeschlossene Rückkoppelschaltung (16) zur Erzeugung der Rückkoppelspannung (Vfb) aus der am Schaltungsknoten (K) abgegriffenen Ausgangsspannung (Vout) und zur Zufuhr der erzeugten Rückkoppelspannung (Vfb) an den Rückkoppelanschluss (FB), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Schaltungsanordnung (10) ferner ein in einem Abschnitt der Ausgangsleitung (14) zwischen dem Ausgangsanschluss (OUT) und dem Schaltungsknoten (K) angeordnetes Halbleiterbauelement (D, T) aufweist, welches im Falle eines Auftretens einer übermäßig hohen Spannung (VB) in einem Abschnitt der Ausgangsleitung (14) zwischen dem Halbleiterbauelement (D, T) und dem elektrischen Verbraucher (1 ) hochohmig wird, um einen übermäßigen Spannungsanstieg am Ausgangsanschluss (OUT) zu vermeiden.
2. Schaltungsanordnung (10) nach Anspruch 1 , wobei der elektrische Verbraucher (1 ) eine mit der Ausgangsspannung (Vout) zu versorgende Sensoreinrichtung eines Fahrzeuges ist.
3. Schaltungsanordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Ausgangsleitung (14) zumindest abschnittweise in einem Kabelbaum eines Fahrzeuges verläuft.
4. Schaltungsanordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der elektrische Verbraucher (1 ) in einem Fahrzeug vorgesehen ist und ein elektrisches Bordnetz des Fahrzeuges eine Bordnetzspannung von mehr als 12 V besitzt.
5. Schaltungsanordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Ausgangsleitung (14) eine Länge von mehr als 1 m, insbesondere mehr als 2 m, besitzt.
6. Schaltungsanordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Rückkoppelschaltung (16) einen zwischen dem Schaltungsknoten (K) und dem Rückkoppelanschluss (FB) angeordneten Strombegrenzungswiderstand (R) und eine zwischen dem Rückkoppelanschluss (FB) und einem Massepotential (GND) angeordnete Zenerdiode (DZ) aufweist.
7. Schaltungsanordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Halbleiterbauelement (D, T) ein Transistor (T), insbesondere ein FET, ist.
8. Schaltungsanordnung (10) nach Anspruch 7, wobei ein Steueranschluss des Transistors (T) mit einer fest vorgegebenen Spannung (V12) beaufschlagt wird.
9. Schaltungsanordnung (10) nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Steueranschluss des Transistors (T) mit einer zur Versorgung des Spannungsreglerbauelements (12) und/oder anderer elektronischer Komponenten bereitgestellten Versorgungsspannung (V12) beaufschlagt wird.
10. Verwendung einer Schaltungsanordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Stromversorgung einer Sensoreinrichtung (1 ) in einem Fahrzeug.
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