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Die Erfindung betrifft eine Treiberschaltung sowie eine Baugruppe aus einer Treiberschaltung und einer Last. Insbesondere bei Fahrzeugen ist darauf zu achten, dass die Funktionen beispielsweise eines Getriebes oder einer Motorsteuerung zuverlässig ausschalten, falls es zu einer Überspannung der Versorgungsspannung kommt.
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In dem Patent
EP 1 155919 B1 ist beschrieben, dass in einem Fahrzeug zwei verschiedene Spannungsversorgungsnetze vorhanden sind, wobei eines mit einer Spannung von 12 V und eines mit einer Spannung von 42 V arbeitet. Allerdings besteht hier besonders die Gefahr, dass es zu Kurzschlüssen zwischen den beiden Netzen kommt, wodurch das Netz mit der niedrigeren Spannung eine Überspannung erfährt, die die an die niedrigere Spannung angeschlossenen Bauteile in ihrer Funktion beeinträchtigt. In diesem Fall werden die Bauteile zerstört oder weisen Fehlfunktionen auf. Dadurch kann nicht vorhergesagt werden, welche Signale das Bauteil an seinen Ausgängen ausgibt. Ist eins dieser aufgrund der Überspannung defekten Bauteile ein Treiber, beispielsweise eines Magnetventils, kann dies dazu führen, dass das Magnetventil unkontrolliert schaltet, wodurch es zu Fehlfunktionen, beispielsweise des Antriebs oder des Getriebes, kommt.
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Es ist beispielsweise aus der
WO 2001/061855 bekannt, in einem Chip, auch integrierte Schaltung genannt, einen Überspannungsschutz vorzusehen. Diese Überspannung überprüft, ob die Versorgungsspannung einen Schwellenwert überschreitet, um den Ausgangstreiber auszuschalten.
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Allerdings stellt sich das Problem, dass eine Überspannungsschutzschaltung am Chip auch defekt werden kann, wodurch es trotzdem zu Fehlfunktionen kommt.
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Die
WO 2005/106230 A1 zeigt eine elektronische Steuereinrichtung, bei der ein Mikrocontroller eingesetzt wird und eine Betriebsspannung überwacht wird. Es werden zwei Spannungsüberwachungseinrichtungen vorgesehen, die in unterschiedlichen Spannungsbereichen arbeiten, damit die Endstufe zuverlässig abgeschaltet werden kann. Dabei ist eine Ausführungsform beschrieben, gemäß der eine der Spannungsüberwachungen in einer Endstufe eines Motorsteuergeräts vorgesehen ist. Trotzdem kann es vorkommen, dass besonders bei schnell steigender Betriebsspannung es nicht zu einem gewünschten Ausschalten kommt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Treiberschaltung für eine Last bereitzustellen, die ein sicheres Ausschalten bei Überspannungen ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß wird eine Treiberschaltung für eine Last bereitgestellt, wobei die Treiberschaltung eine erste integrierte Schaltung enthält. Die erste integrierte Schaltung empfängt eine erste Spannung und weist einen Spannungsgenerator zum Erzeugen einer zweiten Spannung auf. Der Betrag der zweiten Spannung ist kleiner als der Betrag der ersten Spannung. Die Treiberschaltung enthält zudem einen Leistungsschalter zwischen der Last und einem Anschluss für die erste Spannung sowie einen Vortreiber, der in einer zweiten integrierten Schaltung vorgesehen ist. Der Vortreiber ist zum wahlweisen Einschalten und Abschalten des Leistungsschalters vorgesehen.
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Die Treiberschaltung enthält auch eine erste Überspannungserkennungsschaltung in der ersten integrierten Schaltung zum Erkennen einer Überspannung der zweiten Spannung sowie zum Ansteuern des Vortreibers im Falle einer erkannten Überspannung derart, dass der Vortreiber den Leistungsschalter abschaltet.
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Eine zweite Überspannungserkennungsschaltung ist in dem Vortreiber zum Erkennen der Überspannung der zweiten Spannung vorgesehen.
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Die Treiberschaltung hat den Vorteil, dass auch bei Ausfall der ersten integrierten Schaltung immer noch sichergestellt werden kann, dass bei einer Überspannung der Leistungsschalter sicher ausgeschaltet wird. Es ist vorteilhaft, diese zweite Überspannungserkennungsschaltung in dem Vortreiber vorzusehen, da dadurch ein kurzer Signalpfad zwischen der Überspannungserkennungsschaltung und dem Leistungsschalter gewährleistet wird. Es besteht somit nicht mehr die Gefahr, dass der Signalpfad zwischen der zweiten Überspannungserkennungsschaltung und dem Leistungsschalter bei schnellem Ansteigen der Spannung schneller funktionsunfähig wird, bevor das Abschaltsignal von der zweiten Überspannungserkennungsschaltung zu dem Leistungsschalter gelangt ist. Zudem ist die Anordnung unmittelbar vor dem Leistungsschalter vorteilhaft, weil Spikes, d. h. kurze Signalspitzen, während des Abschaltens vermieden werden. Dies verhindert, dass der Leistungsschalter für kurze Pulse öffnet, wodurch auch das angesteuerte Gerät beispielsweise ein Getriebeschalter für kurze Zeit aktiviert wird, was nachteilig für den Verschleiß des Getriebeschalters wäre.
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Es ist zudem möglich, den Vortreiber in einer robusteren Technologie als der Technologie der ersten integrierten Schaltung herzustellen, so dass auch bei sehr großen Überspannungen, wenn die erste integrierte Schaltung schon zerstört ist, der Leistungsschalter immer noch sicher ausgeschaltet wird.
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In einer Ausführungsform ist ein zweiter Leistungsschalter zwischen der Last und einem zweiten Anschluss der ersten Spannung vorgesehen. Auch in dieser Konfiguration mit einem High-Side-Schalter und einem Low-Side-Schalter kann, im Falle einer Normalspannung, d. h. keiner Überspannung, die Last vollständig von der ersten Spannung getrennt werden.
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Falls die erste Überspannungserkennungsschaltung und die zweite Überspannungserkennungsschaltung im wesentlichen die gleiche Schaltschwelle zum Erkennen einer Überspannung haben, kommt es bei nur leichter Überspannung nicht zu unterschiedlichen Ergebnissen der Überspannungserkennung. Im Wesentlichen bedeutet das, dass die Überspannungserkennungsschaltungen den gleichen Nominalwert haben, wobei es allerdings zu produktionsbedingten geringen Abweichungen kommen kann.
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In einer Ausführungsform sind die Schaltschwelle der ersten Überspannungserkennungsschaltung und die Schaltschwelle der zweiten Überspannungserkennungsschaltung einstellbar. Dies ermöglicht, produktionsbedingte Abweichungen der Schaltschwellen auszugleichen.
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In einer Ausführungsform ist in einer dritten integrierten Schaltung ein weiterer Vortreiber für den zweiten Leistungsschalter vorgesehen, wobei in dem weiteren Vortreiber eine dritte Überspannungserkennungsschaltung vorgesehen ist zum Ansteuern des weiteren Vortreibers im Falle einer erkannten Überspannung der zweiten Spannung derart, dass der zweite Vortreiber den zweiten Leistungsschalter abschaltet.
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Diese Konfiguration ist besonders vorteilhaft, falls die Last im Überspannungsfall auf einen hochohmigen Zustand geschaltet werden soll.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine weitere integrierte Schaltung zum Ansteuern des Vortreibers bei Normalspannung der zweiten Spannung vorgesehen. Dies hat den Vorteil, dass ein Mikrocontroller mit einer Vielzahl von Funktionen und mit einer großen Rechenkapazität eingesetzt werden kann, um die Ansteuerung der Last, beispielsweise eines Magnetventils durchzuführen.
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Vorzugsweise hat der Vortreiber eine höhere Spannungsfestigkeit bezüglich der zweiten Spannung als die erste integrierte Schaltung. Damit wird die Spannungsfestigkeit auch bei sehr hohen Überspannungen gewährleistet.
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Die Erfindung betrifft auch eine Baugruppe aus einer Treiberschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und einer Last, die von dieser Treiberschaltung angesteuert wird. Diese Last weist beispielsweise einen Magnetschalter auf. Magnetschalter besitzen eine Impedanz mit einem hohen induktiven Anteil.
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Die Erfindung betrifft schließlich auch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Baugruppe in einem Kraftfahrzeug, wobei die erste Spannung von der Fahrzeugbatterie bereitgestellt wird. Besonders hier ist die Verwendung der Baugruppe besonders vorteilhaft, weil das Fahrzeug auch bei Kurzschlüssen zwischen verschiedenen Spannungsversorgungsnetzen möglichst sicher in einen sicheren Zustand schalten soll.
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Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass zwei unabhängige Überwachungseinheiten die zweite Spannung überwachen und Überspannungsbedingungen detektieren. Ein erster Überspannungsblock arbeitet dabei in einer Art von einem Standardspannungsbereich, beispielsweise zwischen 5 und 7 Volt, falls die zweite Spannung nominell 5 V ist. Der zweite Überspannungsblock arbeitet in einem erweiterten Bereich von bis zu beispielsweise 20 V. Das bedeutet, dass dieser Block bis 20 V arbeitet, wenn alle anderen Blöcke bereits ihre Arbeit eingestellt haben und zerstört sind oder in einem unbekannten Zustand sind.
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Es wird generell ein besseres Verhalten im Fehlerfall in sicherheitsrelevanten Anwendungen wie Antrieb oder Getriebe bereitgestellt.
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Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels anhand der Figur gezeigt.
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1 zeigt dabei ein Schaltbild einer Schaltung mit induktiven Lasten und der dazugehörigen Treiberschaltung für die induktiven Lasten.
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1 zeigt einen Schaltplan einer Schaltung 1, die induktive Lasten 71 und 72 sowie die dazugehörige Treiberschaltung aufweist. Die Treiberschaltung enthält einen Mikrocontroller 2, einen Systembasischip 3, einen ersten Vortreiber 5, einen zweiten Vortreiber 6, einen Low-Side-Schalter 43, eine erste High-Side-Schaltung 40 und eine zweite High-Side-Schaltung 44. Die Treiberschaltung wird von einer ersten Spannung UBAT, die zwischen einem ersten Anschluss 34 und dem Masseanschluss 33 anliegt, betrieben. Der Anschluss 34 ist mit einem ersten Pol einer Fahrzeugbatterie eines Fahrzeugs verbunden, während der Masseanschluss 33 mit dem zweiten Pol der Fahrzeugbatterie verbunden ist. Die Fahrzeugbatterie hat eine nominelle Spannung von 12 V, allerdings kann die Batteriespannung UBATT zwischen 6 V und 40 V liegen. Die hohen Spannungen entstehen, falls es zu einem plötzlichen Abklemmen der Batterie kommt, wobei sich Induktivitäten im Bordnetz ihre Energie abbauen.
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Der Systembasischip 3 ist als eine integrierte Schaltung aufgebaut, die als zentrale Steuerschaltung und Spannungsversorgungsschaltung für die Treiberschaltung dient. Der Systembasischip 3 empfängt die erste Spannung UBAT und erzeugt daraus in einem Generator 32 drei Versorgungsspannungen für die restliche Treiberschaltung. Auf der Leitung V5 wird ein Potential mit dem Nominalbetrag von 5 V, auf die Leitung V33 wird ein Potential mit dem nominalen Betrag von 3,3 V und auf die Leitung V15 wird ein Potential mit dem Nominalbetrag von 1,5 V ausgegeben. Zudem ist der Systembasischip 3 über einen SPI(Serial Peripheral Interface)-Bus mit dem Mikrocontroller 2 verbunden. Der Systembasischip 3 erzeugt zudem ein Signal RST C zum Erzeugen eines Reset des Mikrocontrollers 2 sowie ein Signal NDDRV zum Deaktivieren des Low-Side-Schalters 43 und der High-Side-Schaltungen 40 und 44.
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Falls nichts anderes angegeben ist, sind alle Potentiale in Bezug auf das Massepotential angegeben. Die Spannung zwischen der Leitung V5 und der Masse wird als Spannung U5 bezeichnet.
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Ein Fehlerfall ist gegeben, falls es zu einem Kurzschluss zwischen dem Anschluss 34 und der Leitung V5 kommt. In dem Systembasischip ist eine Überspannungserkennungsschaltung 31 vorgesehen, die überprüft, ob die Spannung U5 zwischen der Leitung V5 und der Masse 33 größer als 5,2 V ist. Der Systembasischip 3 ist als integrierte Schaltung in einer BCD (Bipolar, CMOS, DMOS) Technologie implementiert. Diese Technologie ist gegen Überspannungen der Spannung U5 bis 7 V funktional. Bei Spannungen größer als 7 V kann nicht mehr sichergestellt werden, dass der Systembasischip 3 noch die richtigen Ausgangssignale ausgibt. Bei großen Überspannungen kann der Systembasischip 3 sogar dauerhaft geschädigt sein.
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Der Mikrocontroller 2 empfängt über Verbindungsleitungen V5, V33 und V15 jeweils Versorgungspotentiale von 5 V, 3,3 V beziehungsweise 1,5 V. Diese Versorgungspotentiale und das Massepotential benutzt der Mikrocontroller 2 für die Versorgung seiner Schaltungen mit elektrischer Energie. Der Mikrocontroller 2 berechnet die Zeitpunkte für das Öffnen und Schließen der Magnetventile 71 und 72 und gibt entsprechend die Steuersignale DRVH und DRVL aus.
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Der erste Vortreiber 5, der als integrierte Schaltung implementiert ist, empfängt das Steuersignal DRVL, das von dem Systembasischip 3 ausgegebene Steuersignal NDDRV sowie das Spannungsversorgungspotential 5 V. Der erste Vortreiber 5 enthält eine Überspannungserkennungsschaltung 51 sowie ein UND-Gatter 52. Der erste Vortreiber 5 nutzt das Spannungsversorgungspotential 5 V sowie die Masse 33 als Versorgungsspannung. Gleichzeitig wird in der Überspannungserkennungsschaltung 51 überprüft, ob die Spannung U5 über 5,2 V liegt.
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Falls die Spannung darunter liegt, gibt die Überspannungserkennungsschaltung 51 an ihrem Ausgang 511 ein hohes Potential aus. Andernfalls, bei Erkennung einer Überspannung, gibt die Überspannungserkennungsschaltung 51 an ihrem Ausgang 511 ein niedriges Potential aus. Damit gibt auch das UND-Gatter 52 ein niedriges Potential auf Ausgang LDRV des Vortreibers 5 aus. Da der Ausgang LDRV des Vortreibers 5 direkt mit dem Gate des Low-Side-Schalters 43 verbunden ist, schaltet der Low-Side-Schalter 43 aus.
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Das Vorsehen der Überspannungserkennungsschaltung 51 in dem ersten Vortreiber 5 hat den Vorteil, dass ein sicheres Ausschalten gewährleistet ist, auch wenn die Versorgungsspannung schnell ansteigt. Es bestünde sonst die Gefahr, dass die Schaltungen auf dem Signalpfad zwischen dem der Überspannungserkennungsschaltung 51 und dem Low-Side-Schalter 43 bereits defekt sind, bevor der Low-Side-Schalter 43 ausgeschaltet wurde. Zudem werden Spikes am Gate des Low-Side-Schalters 43 vermieden.
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Der Systembasischip kann neben dem SPI-Bus (Serial Peripheral Inteface) auch weitere Busse wie z. B. den CAN-(Controller Area Network) oder einen LIN-(Local Interconnect Network)Bus unterstützen.
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Die Spannung U5 ist besonders kritisch für das Funktionieren der Treiberschaltung. Dazu muss die Spannung U5 bezüglich einer möglichen Unterspannung überwacht werden. Dabei überwacht der Systembasischip 3, dass die Spannung U5 nicht geringer als 5 V–10% wird. Zudem muss die Spannung U5 hinsichtlich einer Überspannung überprüft werden. Dies erfolgt im Systembasischip 3 mit Hilfe ihrer Überspannungserkennungsschaltung 31. Falls der Systembasischip 3 erkennt, dass Überspannung vorliegt, wird das Signal NDDRV derart beschaltet, dass mit Hilfe der Vortreiber 5 und 6 die High-Side-Schaltungen 40 und 44 und der Low-Side-Schalter 43 ausgeschaltet werden.
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Der Mikrocontroller 2 arbeitet nur bis zu einer Versorgungsspannung von 5,5 V. Falls die Spannung U5 diesen Wert überschreitet, ist es sehr wahrscheinlich, dass der Mikrocontroller 2 zerstört wird und somit sich dann in einem unbekannten Zustand befindet. Mit Hilfe des Systembasischips 3 werden die Treiber High-Side-Schaltungen 40, 44 und Low-Side-Schalter 43 abgeschaltet, damit sichergestellt wird, dass alle Ausgänge der Schaltung 1 abgeschaltet werden. Beim Abschalten kann sich noch Energie in den Magnetschaltern 71 und 72 befinden. Diese Energie wird aber kurz nach dem Abschalten des Low-Side-Schalters 43 verbraucht, so dass danach das System in einem sicheren Zustand ist.
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Der zweite Vortreiber 6 enthält ein UND-Gatter 61 und eine Ansteuerlogik 62. Der zweite Vortreiber 6 wird von der Spannung U5 versorgt. Das UND-Gatter 61 empfängt die Steuersignale DRVH von dem Mikroprozessor 2 und das Steuersignal NDDRV von dem Systembasischip 3. Falls beide ein hohes Potential liefern, liefert das UND-Gatter 61 an seinem Ausgang EN ebenfalls ein hohes Potential. Andernfalls gibt es an dem Ausgang EN ein negatives Potential aus. Die Logikeinheit 62 steuert die Ausgänge des Vortreibers HDRV1, HDRV2 und RBP an.
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Die High-Side-Schaltung 40 enthält einen High-Side-Schalter 42 und einen Batterieschutzschalter 41. Desgleichen weist die High-Side-Schaltung 44 einen High-Side-Schalter 46 und einen Batterieschutzschalter 45 auf. Die High-Side-Schalter 42 und 46 sowie die Batterieschutzschalter 41 und 45 sind jeweils als NMOS-Transistoren ausgebildet. Der Batterieschutzschalter hat die Funktion eines Rückwärtsstrom-Batterieschutzes (englisch Reverse Battery Protection (RPB)).
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Die Source und der Bulk des Batterieschutzschalters 41 sind mit dem Anschluss 34 verbunden, während seine Drain mit der Drain des High-Side-Schalters 42 verbunden ist und sein Gate mit dem Ausgang RBP des Vortreibers 6 verbunden ist.
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Das Gate des High-Side-Schalters 42 wird von dem Ausgang HDRV des Vortreibers 6 gesteuert. Die Source des High-Side-Schalters 42 ist mit einem ersten Anschluss 711 des Magnetschalters 71 verbunden. Der zweite Anschluss 710 des Magnetschalters 71 ist mit der Drain des Low-Side-Schalters 43 verbunden, dessen Source und Bulk mit der Masse 33 verbunden sind. Das Gate des Low-Side-Schalters 43 wird von dem Ausgang LDRV des Vortreibers 5 angesteuert. Die Source und der Bulk des Batterieschutzschalters 45 ist mit dem Anschluss 34 verbunden, während die Drain des Batterieschutzschalters 45 mit der Drain des High-Side-Schalters 46 verbunden ist. Source und Bulk des Hight-Side-Schalters 46 sind mit einem ersten Anschluss 721 des Magnetschalters 72 verbunden. Das Gate des High-Side-Schalters 46 ist mit dem Ausgang HDRV2 des Vortreibers 6 verbunden.
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Der zweite Anschluss 720 des Magnetschalters 72 ist ebenfalls mit der Drain des Low-Side-Schalters 43 verbunden.
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Der Low-Side-Schalter 43 dient somit als gemeinsamer Low-Side-Schalter für alle Magnetventile. Durch Änderung im Strom durch die Magnetventile 71 wird ein Magnetfeld erzeugt, das das Ventil öffnet oder schließt. Die Magnetschalter 71 und 72 haben eine Impedanz, deren Größeanteil durch die Induktivität bedingt ist.
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In einer weiteren, in der Figur nicht gezeigten, Ausführungsform sind zwei weitere Magnetventile verbunden, die jeweils von einer weiteren High-Side-Schaltung angetrieben werden. Der zweite Anschluss dieser jeweiligen Magnetventile ist aber jeweils mit der Drain des Low-Side-Schalters 43 verbunden.
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Die Überspannungserkennungsschaltung 51 erkennt auch eine Überspannung der Spannung U5. Die Schaltschwelle liegt auch bei 5,2 V. Die Schaltschwellen der Überspannungserkennungsschaltungen 51 und 31 können auch zwischen 5,2 und 5,5 V in weiteren Ausführungsformen eingestellt sein.
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Der erste Vortreiber 5 ist in einer derartigen Technologie hergestellt, dass sie auch bis zu 20 V noch funktioniert. Die Überspannungserkennungsschaltung 51 kann in der gleichen Technologie wie der Überspannungserkennungsschaltung 31 realisiert sein. Allerdings ist sicherzustellen, dass der Vortreiber 5 insgesamt bis 20 V funktioniert. Falls es zu einem Kurzschluss zwischen dem Anschluss 34 und der Leitung V5 kommt und somit die Spannung zwischen der Leitung V5 und der Masse auf beispielsweise 15 V steigt, ist der erste Vortreiber noch funktional und schaltet den Low-Side-Schalter 43 über das Signal LDRV aus.
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In einer erweiterten Überspannungsbedingung von einer Spannung von über 7 V auf der Leitung V5 sind höchstwahrscheinlich alle Treiberbausteine bis auf den ersten Vortreiber 5 und die High-Side-Schaltungen 40 und 44 sowie der Low-Side-Schalter 43 zerstört. Dadurch sind die zerstörten Bauteile in einem unbekannten Zustand und es ist nicht sicher, ob die High-Side-Schaltungen 40 und 41 ausgeschaltet sind. Durch das Ausschalten des gemeinsamen Low-Side-Schalters 43 wird aber sichergestellt, dass der Strompfad durch die Magnetschalter 71 und 72 unterbrochen ist. Nach einem kurzzeitigen Abbau der noch in den Magnetschaltern 71 und 72 befindlichen Energie kann somit kein Magnetfeld erneut aufgebaut werden, so dass die Magnetschalter sicher ausgeschaltet sind.
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In alternativen Ausführungsformen befindet sich die Überspannungsschaltung in dem zweiten Vortreiber 6.
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In weiteren alternativen Ausführungsformen befinden sich sowohl im ersten Vortreiber 5 als auch im zweiten Vortreiber 6 Überspannungserkennungsblöcke 51.
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Der Low-Side-Schalter 43 und die High-Side-Schalter 40 und 44 sind aus Leistungstransistoren aufgebaut, die mindestens bis 46 V, und somit die maximal mögliche Batteriespannung vertragen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schaltung
- 2
- Mikroprozessor
- 3
- Systembasischip
- 5
- erster Vortreiber
- 6
- zweiter Vortreiber
- 32
- Spannungsgenerator
- 31
- Überspannungserkennungsschaltung
- 33
- Masse
- 34
- Anschluss
- 40
- High-Side-Schaltung
- 41
- Batterieschutzschalter
- 42
- High-Side-Schalter
- 43
- Low-Side-Schalter
- 44
- High-Side-Schaltung
- 45
- Batterieschutzschalter
- 46
- High-Side-Schalter
- 51
- Überspannungserkennungsschaltung
- 52
- UND-Gatter
- 61
- UND-Gatter
- 62
- Logik
- 71
- erster Magnetschalter
- 72
- zweiter Magnetschalter
- 511
- Ausgang
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1155919 B1 [0002]
- WO 2001/061855 [0003]
- WO 2005/106230 A1 [0005]
