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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum Testen einer Einrichtung zum Schutz eines elektronischen Bauelements gegen Überhitzung sowie ein zugehöriges Verfahren.
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Beim Betrieb von integrierten Halbleiterschaltungen wird zumindest ein Teil der elektrischen Leistung in Wärme umgesetzt. Unter bestimmten Bedingungen – zum Beispiel bei Überlast, Kurzschluss, externer Erwärmung des Halbleiterchips – kann dies zu einer unerwünschten Übertemperatur führen. Zur Erfassung dieser Übertemperatur und zum Schutz der integrierten Halbleiterschaltungen weisen diese typischerweise eine Temperaturschutzeinrichtung auf. Diese muss jedoch unterschiedlichen Anforderungen Genüge leisten.
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Bei Schaltungsanordnungen mit einem Leistungsschalter, der zum Schalten von Lasten, wie zum Beispiel einem Gleichstrommotor, einem Asynchronmotor oder dergleichen, ausgelegt ist, kann es zu einem Kurzschluss im Lastkreis kommen, durch den der Leistungsschalter bzw. sogar die zu schaltende Last zerstört werden können. Zum Schutz des Leistungsschalters ist dieser mit einem oder mehreren Temperatursensoren versehen, deren Signale von einer Auswerteschaltung ausgewertet werden und die beim Auftreten eines Kurzschlusses, der einen starken Temperaturanstieg im Leistungsschalter zur Folge hat, den Leistungsschalter abschalten. Beim Überschreiten einer vorgegebenen Temperaturschwelle wird der Leistungsschalter abgeschaltet und somit vor Zerstörung geschützt. Die Temperatursensoren, die typischerweise als Widerstände, Dioden oder Transistorsensoren ausgebildet sind, werden hier vorzugsweise in der Nähe des entsprechenden Hotspots, das heißt also in der Nähe der heißesten Stelle des Leistungsschalters, integriert. Das Signal des Temperatursensors wird dann von einer Auswerteschaltung derart verarbeitet, dass die Abschaltung des Leistungsschalters oder zumindest eine Leistungsreduzierung erfolgt, sobald die am Temperatursensor anliegende Temperatur eine vorbestimmte Temperaturschwelle, die von der jeweiligen Applikation abhängig ist und die typischerweise über 150°C liegt, überschreitet.
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Aus
DE 101 07 386 C1 ist eine Anordnung zum Schutz einer integrierten Schaltung gegen Übertemperatur bekannt mit mindestens einer Detektoreinrichtung, die einen Störfall der integrierten Schaltung erkennt, mit mindestens einem Temperatursensor, der die Temperatur zumindest eines Teils der integrierten Schaltung erfasst und mit einer Logikeinrichtung, die nach Maßgabe eines erfassten Störfalles und/oder der erfassten Temperatur einen Störbetrieb feststellt und die im Normalbetrieb dem Temperatursensor eine erste Temperaturschaltstufe HTL zuweist und die im Störbetrieb dem Temperatursensor eine zweite, niedrigere Temperaturschaltstufe zuweist. Ferner ist aus
DE 101 07 386 C1 eine integrierte Schaltung mit einer solchen Anordnung sowie ein Verfahren zum Schutz einer integrierten Schaltung gegen Übertemperaturen bekannt.
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Eine Schaltungsanordnung zum Schutz eines Leistungsschalters vor Überhitzung ist aus
EP 0 208 970 B1 bekannt. Zum Schutz des Leistungs-MOS-FET bei auftretender Übertemperatur ist auf einen den Leistungs-MOS-FET enthaltenden Halbleiterkörper ein zweiter Halbleiterkörper geklebt, welcher eine Temperatursensorschaltung und einen Halbleiterschalter enthält. Die beiden Halbleiterkörper stehen einander in Wärmekontakt, so dass eine auftretende Übertemperatur innerhalb des Halbleiterkörpers des Leistungs-MOS-FET in der Temperatursensorschaltung erfasst werden kann. Der elektronische Schalter, z.B. ein Thyristor, innerhalb des zweiten Halbleiterkörpers ist zwischen die Sourceelektrode und Drainelektrode des Leistungs-MOS-FET geschaltet. Steigt die Temperatur im Inneren des MOS-FET durch Überlastung oder hohe Umgebungstemperatur an, schließt der im zweiten Halbleiterkörper enthaltende, elektronische Schalter die Gateelektrode zur Sourceelektrode des MOS-FET kurz, so dass die im eingeschalteten Zustand zuvor zwischen Sourceelektrode und Gateelektrode des MOS-FET anstehende Spannung zusammenbricht und der MOS-FET ausschaltet.
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Nachteil an den aus dem Stand der Technik bekannten Schaltungsanordnungen ist, dass die Funktion des Temperatursensors im normalen Betrieb nicht getestet werden kann.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltung anzugeben, mit welcher es möglich ist, einen Temperatursensor und eine mit dem Temperatursensor verbundene Schaltung zum Schutz eines elektronischen Bauelements vor Überhitzung zu testen. Eine weitere Aufgabe besteht in der Angabe eines Verfahrens.
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Diese Aufgabe wird mit der Anordnung gemäß den Merkmalen des geltenden unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie mit den Merkmalen des geltenden Patentanspruchs 4 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zum Schutz eines elektronischen Bauelements gegen Überhitzung. Das elektronische Bauelement kann z.B. ein Teil eines Steuergeräts, z.B. eines Getriebesteuergeräts für Fahrzeuge sein. Diese Einrichtung umfasst einen Temperatursensor, der mit dem elektronischen Bauelement in thermischer Verbindung bzw. Kontakt steht. Diese thermische Verbindung kann z.B. dadurch realisiert sein, dass der Temperatursensor auf das elektronische Bauelement mittels eines thermisch leitfähigen Klebers aufgebracht ist. Das elektronische Bauelement kann auch ein auf einer Leiterplatte aufgebrachter Halbleiterkörper sein, wobei der Temperatursensor dann auch in thermischer Verbindung oder thermischen Kontakt mit der Leiterplatte stehen kann. Im Weiteren ist unter einem elektronischen Bauelement somit einerseits jede Art von Wärme erzeugenden Halbleiterkörper, z.B. integrierte Schaltung oder Transistor als auch eine diesen Halbleiterkörper tragende Trägerplatte, z.B. Leiterplatte zu verstehen.
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Das elektronische Bauelement ist mit einer ersten Steuerschaltung verbunden. Diese Steuerschaltung kann ein Mikrocontroller sein, welcher im Wesentlichen die Strom- und Spannungsversorgung des elektronischen Bauelements steuert. Die Steuerschaltung kann aber auch von dem elektronischen Bauelement erzeugte Signale und/oder Daten empfangen und verarbeiten. Der Temperatursensor ist elektrisch mit der ersten Steuerschaltung verbunden. Es ist somit möglich, dass die erste Steuerschaltung Signale und Daten des Temperatursensors empfangen und verarbeiten kann.
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Gemäß der Erfindung ist ein Heizelement vorhanden, welches mit dem Temperatursensor thermisch verbunden ist. Die thermische Verbindung kann z.B. durch die Verwendung eines thermisch leitfähigen Klebers erreicht werden mittels welchem das Heizelement auf den Temperatursensor aufgebracht ist. Es ist aber auch möglich, dass das Heizelement in den Temperatursensor integriert ist. Das Heizelement ist mit einer zweiten Steuerschaltung verbunden. Diese zweite Steuerschaltung steuert die Strom- und Spannungsversorgung des Heizelements.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Mittel zum Speichern der Aufheizkurve des Temperatursensors vorhanden. Zweckmäßig ist die erste Steuerschaltung derart eingerichtet, dass die von dem Temperatursensor an die erste Steuerschaltung übermittelten temperaturabhängigen Signalen gespeichert werden können.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Mittel zur Überprüfung des Schaltzustands des elektronischen Bauelements vorhanden. Zweckmäßig ist die erste Steuerschaltung derart eingerichtet, dass der Betriebszustand des elektronischen Bauelements bestimmbar ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Testen einer Einrichtung zum Schutz eines elektronischen Bauelements gegen Überhitzung umfasst folgende Verfahrensschritte:
- a) Bereitstellen einer Einrichtung zum Schutz eines elektronischen Bauelements, wobei die Einrichtung einen Temperatursensor und einen mit dem elektronischen Bauelement in thermischer Verbindung stehenden Temperatursensor umfasst,
- b) Bereitstellen eines in thermischer Verbindung mit dem Temperatursensor stehenden Heizelements,
- c) Aufheizen des Temperatursensors auf eine Soll-Temperatur mittels des Heizelements,
- d) Vergleichen der Soll-Temperatur und der Ist-Temperatur des Temperatursensors,
- e) Abschalten des elektronischen Bauelements, wenn die Ist-Temperatur des Temperatursensors die Soll-Temperatur überschreitet.
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Das Aufheizen des Temperatursensors auf eine Soll-Temperatur in Verfahrensschritt d) kann zweckmäßig während des Betriebs des elektronischen Bauelements erfolgen. Die Verfahrensschritte c), d) und e) können in verschiedenen Zeitabständen während des Betriebs der auf Überhitzung zu überwachenden Schaltung oder elektronischen Bauelemente erfolgen. Selbstverständlich können die Verfahrensschritte auch beim Startvorgang der elektronischen Bauelemente, mit anderen Worten beim Einschalten erfolgen.
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Die Erfindung wird im Weiteren anhand von Figuren näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine prinzipielle Schaltungsanordnung mit Überhitzungsschutz,
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2 ein verallgemeinertes Ausführungsbeispiel einer Temperaturschutzschaltung.
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1 zeigt eine prinzipielle Schaltungsanordnung, die eine Anordnung zum Schutz der Schaltungsanordnung gegen Überhitzung aufweist. In 1 ist die Schaltungsanordnung mit 1 bezeichnet. Die Schaltungsanordnung 1 weist ein elektronisches Bauelement 6 auf. Dieses elektronische Bauelement 6 ist z.B. eine Leistungsschaltung oder ein Halbleiterelement, welches im Betrieb Wärme durch Verlustleistung erzeugt. Selbstverständlich kann das elektronische Bauelement 6 auch eine Leiterplatte mit mehreren elektronischen Bauelementen 6 sein.
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In der unmittelbaren Umgebung, zweckmäßig direkt in thermischer Verbindung mit dem elektronischen Bauelement 6 weist die Schaltungsanordnung 1 einen Temperatursensor 2 auf. Dieser Temperatursensor 2 ist auf das elektronische Bauelement 6 mittels einer thermisch leitfähigen Verbindung z.B. mittels eines thermisch leitfähigen Klebers aufgebracht. Es ist aber möglich, dass der Temperatursensor 2 innerhalb des elektronischen Bauelements 6 angeordnet ist, mit anderen Worten im elektronischen Bauelement 6 integriert ist.
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Weiterhin weist die Schaltungsanordnung 1 ein erstes Steuergerät 4 auf. Dieses erste Steuergerät 4 ist mit dem Temperatursensor 2 verbunden. Das Steuergerät ist ferner mit der Strom- und Spannungsversorgung 5 für das elektronische Bauelement 6 verbunden. Das Steuergerät 4 ist dabei derart ausgebildet, dass die vom Temperatursensor 2 gemessenen Temperaturwerte gespeichert werden können. Weiterhin ist das Steuergerät 4 ausgebildet, dass bei Überschreiten der gemessenen Temperatur über einen vorgegebenen Schwellwert die Strom- und Spannungsversorgung 5 für das elektronische Bauelement 6 unterbrochen wird und somit eine weitere Überhitzung des elektronischen Bauelements 6 verhindert wird.
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Die Schaltungsanordnung 1 weist weiterhin ein Heizelement 3 auf, welches im thermischen Kontakt mit dem Temperatursensor 2 steht. Dieses Heizelement 3 kann auch in den Temperatursensor 2 integriert sein. Es ist auch möglich, dass das Heizelement 3, der Temperatursensor 2 und das elektronische Bauelement 6 in einem einzelnen Bauteil integriert sind.
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Das Heizelement 3 ist mit einem zweiten Steuergerät 7 verbunden. Dieses zweite Steuergerät 7 ist derart ausgebildet, dass das Heizelement 3 mit Strom und Spannung versorgt wird. Das zweite Steuergerät 7 und das erste Steuergerät 4 können zweckmäßig ein einzelnes Steuergerät bilden.
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2 zeigt ein verallgemeinertes Ausführungsbeispiel einer Temperaturschutzschaltung, bei welcher der Aufbau und die Funktionsweise noch ausführlicher beschrieben werden.
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Der Aufbau entspricht im Wesentlichen dem Aufbau aus 1, wobei ein Heizelement 3 in thermischer Kopplung mit einem Temperatursensor 2 steht, wobei letzterer wiederum in thermischer Kopplung mit einem elektronischen Bauelement 6 steht.
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Der Temperatursensor 2 misst die Temperatur des elektronischen Bauelements 6, z.B. einer Leistungsschaltung, die sich durch Eigenerwärmung und/oder Fremderwärmung erhöht. Der Komparator 9 vergleicht die Temperatur des Temperatursensors 2 mit einem Schwellwert z.B. 130°C eines Schwellwertgebers 8. Dieser Schwellwertgeber 8 kann auch in das Steuergerät 4 integriert sein. Überschreitet die Temperatur den Schwellwert, schaltet der Komparator 9 über den Transistor 10 die Leistungsschaltung 6 ab und schützt die Schaltung 1 vor Überhitzung. Danach kann sich die Schaltung 6 wieder abkühlen, bis die Temperatur des Temperatursensors 2 wieder unter den Schwellwert des Schwellwertgebers 8 fällt. Dann schaltet der Komparator 9 über den Transistor 10 die Leistungsschaltung 6 wieder ein. Die Abschaltung erfolgt dabei derart, dass sie Strom- und Spannungsversorgung 5 zur Leistungsschaltung 6 unterbrochen wird.
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Der Komparator 9 hat typischerweise eine Hysterese.
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Über die AD-Wandler-Eingänge 13 und 14 am ersten Steuergerät 4, welches z.B. ein Mikrocontroller ist, kann die aktuelle Temperatur und die Schaltschwelle gemessen werden. Über den AD-Wandler-Eingang 15 des Mikrocontrollers 4 kann der Mikrocontroller 4 dann prüfen, ob die Leistungsschaltung 6 abgeschaltet ist. Wenn nicht, kann der Mikrocontroller 4 die Leistungsschaltung 6 zusätzlich über den Transistor 11 abschalten.
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Die Abschaltung der Leistungsschaltung 6 wird über das zweite Steuergerät 7 des Heizelements 3 ausgelöst. In 2 ist das zweite Steuergerät 7 in das erste Steuergerät 4, den Mikrocontroller integriert. Der Ausgang 12 des Mikrocontrollers 4 steuert den Transistor 17 an der wiederum das Heizelement 3 einschaltet. Dieses Heizelement 3 heizt den Temperatursensor 2 auf eine vorgebbare Temperatur, z.B. 130°C auf. Erkennt der Komparator 9, dass die Temperatur des Temperatursensors 2 den Schwellwert des Schwellwertgebers 8 überschreitet, dann schaltet der Komparator 9 über den Transistor 10 die Leistungsschaltung 6 aus. Die Abschaltung kann mit dem AD-Wandler-Eingang 15 am Mikrocontroller 4 kontrolliert werden. Falls über den Eingang 15 erkannt wird, dass die Leistungsschaltung 6 nicht abgeschaltet wurde, kann wie oben beschrieben über den Ausgang 16 am Mikrocontroller 4 und dem Transistor 11 die Strom- und Spannungsversorgung 5 für die Leistungsschaltung 6 zusätzlich abgeschaltet werden.
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Über den Eingang 14 am Mikrocontroller 4 kann die Aufheizkurve des Temperatursensors 2 beim Einschalten des Heizelements 3 aufgezeichnet werden und auf Plausibilität geprüft werden. Beispielsweise kann geprüft werden, ob der Temperatursensor 2 in einem festgelegten Zeitfenster eine bestimmte Temperatur erreicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schaltungsanordnung
- 2
- Temperaursensor
- 3
- Heizelement
- 4
- erstes Steuergerät
- 5
- Strom- und Spanungsversorgung
- 6
- elektronisches Bauelement
- 7
- zweites Steuergerät
- 8
- Schwellwertgeber
- 9
- Komparator
- 10
- Transistor
- 11
- Transistor
- 12
- Ausgang Steuergerät zum Heizelement
- 13
- Eingang erstes Steuergerät zu Schwellwertgeber
- 14
- Eingang erstes Steuergerät zu Temperatursensor
- 15
- Prüfeingang
- 16
- Ausgang Abschaltung
- 17
- Transistor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10107386 C1 [0004, 0004]
- EP 0208970 B1 [0005]
