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In Kraftfahrzeugen werden eine Vielzahl von elektrischen Verbrauchern manuell durch Fahrzeuginsassen oder gesteuert durch in Steuergeräten ablaufende Programme ein- und ausgeschaltet. Dies können beispielsweise Fahrleuchten oder Scheibenwischer, aber auch Kraftstoffeinspritzventile oder Zündspulen sein. Je nach Verbraucher werden Schalter verwendet, die den Verbraucher mit dem Massepotential einer Spannungsversorgungsquelle, insbesondere Kraftfahrzeugbatterie oder mit einem hohen Potential dieser Spannungsversorgungsquelle verbinden. Statt nur einem hierzu verwendeten Low-Side- bzw. High-Side-Schalter können auch beide gleichzeitig – ggf. auch in einer Vollbrücke verschaltet – verwendet werden. Außerdem sind auch Push-Pull-Endstufen möglich, um beispielsweise kapazitive Verbraucher laden und schnell wieder entladen zu können.
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Als Schaltelemente werden zumeist MOSFETs verwendet. Diese können entweder in einem integrierten Schaltkreis – meist zusammen mit einer Vielzahl von anderen solcher Schaltelemente – oder aber, wenn sie höhere Ströme tragen können müssen, als ein Einzelhalbleiterbaustein realisiert sein. In diesem Fall sind Treiberschaltungen erforderlich, um die Steuerströme für das Betätigen dieser Schaltelemente bereitstellen zu können. Diese Steuerschaltungen sind dann ihrerseits zumeist in integrierten Schaltkreisen realisiert.
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Bei all diesen Anwendungen ist es erforderlich, Überströme – beispielsweise aufgrund eines Kurzschlusses der Last – zu erkennen, um eine Zerstörung des Schaltelements zu vermeiden, indem dieses rechtzeitig abgeschaltet wird.
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Häufig wird zur Messung des Stromes durch das Schaltelement und die dazu in Serie geschaltete Last ein Shuntwiderstand verwendet, der in Serie zu dem Schaltelement und der Last geschaltet ist, wobei die an diesem Shuntwiderstand abfallende Spannung mit einer Referenzspannung verglichen wird und bei Überschreiten der Referenzspannung auf einen Kurzschluss geschlossen und ggf. das Schaltelement öffnend angesteuert wird. Allerdings sind solche Shuntwiderstände zumeist relativ teuer und erfordern außerdem einen Platz auf der Leiterplatte, was ebenfalls die Kosten erhöht.
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Stattdessen kann auch der Spannungsabfall über der Laststrecke des Schaltelements selbst, bei Verwendung eines MOS-Transistors, also der Drain-Source-Widerstand, als Strommesswiderstand verwendet werden, indem die Drain-Source-Spannung als Maß für den durch das Schaltelement fließenden Strom herangezogen wird.
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Allerdings ist dieser Widerstand in hohem Maße von der Temperatur abhängig, so dass die Messung bei hohen Temperaturen und damit hohem Widerstand aufgrund des durch einen bestimmten Strom bedingten höheren Spannungsabfalls auf einen Kurzschluss hindeutet, obwohl ein solcher nicht vorliegt.
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In der
DE 102 37 920 B3 ist bei der Erfassung eines Stromes mittels eines Shuntwiderstand, wobei die Spannung am Shuntwiderstand mittels eines AD-Wandlers erfasst wird, vorgeschlagen, statt eines Widerstandsmaterials mit sehr geringem Temperaturgang einen einfachen Leiter zu verwenden, und zusätzlich die Temperatur zu erfassen und die Größe der Referenzspannung des AD-Wandlers entsprechend dem Temperaturgang des Widerstandsmaterials nachzuführen. Allerdings ist dort nicht angegeben, in welcher Weise die Temperatur erfasst und zur Veränderung der Referenzspannung verwendet werden kann, insbesondere in einer einfach zu realisierenden, integrierbaren Schaltung.
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Aus der
US 4,937,697 ist eine in einer integrierten Schaltung ausgebildete Diagnoseschaltung zur Ermittlung eines Überstromes durch ein eine Last mit einer Versorgungsspannungsquelle verbindendes Schaltelement mit einem Steueranschluss und einer Laststrecke mit zwei Laststreckenanschlüssen bekannt, welche mit einer Vergleicherschaltung zum Vergleichen der den Strom durch die Laststrecke repräsentierenden Spannung über der Laststrecke mit einer angepassten Referenzspannung, mit einer Treiberschaltung zum Ansteuern des Steueranschlusses des Schaltelements, die mit dem Ausgang der Vergleicherschaltung verbunden ist und von dieser deaktiviert werden kann, mit einer Temperatursensordiode, und mit einer mit der Temperatursensordiode verbundenen Referenzspannungsermittlungseinheit und einer Referenzspannungsquelle, die eingerichtet ist, die angepasste Referenzspannung zu ermitteln und zu erzeugen, und die mit einem Eingang der Vergleicherschaltung verbunden ist, gebildet ist.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung eine einfache, in einem integrierten Schaltkreis realisierbare Diagnoseschaltung anzugeben.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine in einer integrierten Schaltung ausgebildete Diagnoseschaltung zur Ermittlung eines Überstromes durch ein eine Last mit einer Versorgungsspannungsquelle verbindendes Schaltelement mit einem Steueranschluss und einer Laststrecke mit zwei Laststreckenanschlüssen, mit einer Vergleicherschaltung zum Vergleichen der den Strom durch die Laststrecke repräsentierenden Spannung über der Laststrecke mit einer Referenzspannung, mit einer Treiberschaltung zum Ansteuern des Steueranschlusses des Schaltelements, die mit dem Ausgang der Vergleicherschaltung verbunden ist und von dieser deaktiviert werden kann, mit einem spannungsgesteuerten Oszillator, der mit einem ersten Eingang der integrierten Schaltung zur Verbindung mit einer Temperatursensordiode verbunden ist, mit einer Referenzspannungsermittlungseinheit, deren Eingang mit dem Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators verbunden ist und die eingerichtet ist, aus der Frequenz des Oszillatorsignals die Temperatur und daraus die angepasste Referenzspannung zu ermitteln und diese in der Frequenz ihres Ausgangssignals kodiert auszugeben, und mit einer frequenzgesteuerten Referenzspannungsquelle, die mit dem Ausgang der Referenzspannungsermittlungsschaltung und einem Eingang der Vergleicherschaltung verbunden ist.
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In erfindungsgemäßer Weise wird durch einfache Spannungs-Frequenz- und Frequenz-Spannungs-Wandlung, was durch Verwendung eines spannungsgesteuerten Oszillators und einer frequenzgesteuerten Spannungsquelle leicht in integrierter Schaltungstechnik realisiert werden kann, eine digitale Ermittlung einer der Temperatur angepassten Referenzspannung möglich.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist zwischen der Vergleicherschaltung und der Treiberschaltung eine Verriegelungsschaltung angeordnet, die das Ausgangssignal der Vergleicherschaltung zwischenspeichert.
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In weiterer vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist zwischen der Vergleicherschaltung und der Verriegelungsschaltung eine Filterschaltung angeordnet, die das Ausgangssignal der Vergleicherschaltung nur an die Verriegelungsschaltung weiterleitet, wenn das Ausgangssignal einen vorgegebener Pegel über eine vorgegebene Zeitdauer aufweist.
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Hierdurch können kurzzeitige Stromspitzen nicht zu einer Deaktivierung des Schaltelements führen.
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In einer Ausbildung der Erfindung weist die integrierte Schaltung eine Stromquelle auf, die mit einem ersten Ausgang der integrierten Schaltung zur Verbindung mit einer an die integrierte Schaltung anzuschließenden Temperatursensordiode verbunden ist.
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Die Erfindung betrifft auch eine Schaltungsanordnung mit einer die Diagnoseschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 aufweisenden integrierten Schaltung und einem mit dieser verbundenen Schaltelement sowie einer mit dem ersten Ausgang der integrierten Schaltung verbundenen Temperatursensordiode.
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In einer Ausbildung der Erfindung ist das Schaltelement ein MOSFET.
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In vorteilhafter Weise sind das Schaltelement und die Temperatursensordiode auf einem Halbleiterchip ausgebildet.
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In einer einfachen Ausbildung der Erfindung weist das Schaltelement eine Substratdiode auf, die zur Temperatursensierung dient. Hierdurch kann eine zusätzliche Temperatursensordiode eingespart werden.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe von Figuren näher erläutert werden. Dabei zeigen:
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1 zwei Diagramme, die die Abhängigkeit der Spannung an einer Diode von der Temperatur und andererseits die Abhängigkeit der Spannung an einem MOSFET von der Temperatur zeigen, und
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2 eine erfindungsgemäße integrierte Diagnoseschaltung.
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In der oberen Hälfte der 1 ist die Spannung an einer Diode als Funktion der Temperatur dargestellt. Wenn also durch Messung der Spannung an der Diode, was in der 1 mit 1 bezeichnet ist, die Spannung bekannt ist, so kann aufgrund der ebenfalls bekannten Charakteristik, die beispielsweise in einem Kennfeld abgelegt ist, die Temperatur der Diode bzw. des Chips, auf dem die Diode realisiert ist, ermittelt werden.
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In der unteren Hälfte der 1 ist die Abhängigkeit der Drain-Source-Spannung eines MOSFET von der Temperatur bei konstantem Drain-Strom dargestellt. So kann bei bekannter Temperatur des Chips, auf dem der MOSFET realisiert ist, was durch die Zahl 3 in der 1 dargestellt ist, die bei dieser Temperatur aufgrund des durch den MOSFET fließenden Drain-Stroms abfallende Drain-Source-Spannung ermittelt werden, was durch eine Ziffer 4 dargestellt ist. Dieser Zusammenhang zwischen der Drain-Source-Spannung und der Temperatur kann ebenfalls entweder über eine die Charakteristik repräsentierende Formel oder ein Kennlinienfeld in einer Ermittlungseinheit abgelegt werden.
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Die Diode zur Messung der Temperatur ist vorteilhafterweise auf demselben Halbleiterchip integriert, auf dem auch der MOSFET-Transistor realisiert ist. Die Kennlinien, die die Zusammenhänge zwischen den Spannungen und der Temperatur kennzeichnen, sind üblicherweise in den Datenblättern solcher Bauteile niedergelegt.
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Wie der 1 zu entnehmen ist, ist die Abhängigkeit der Diodenspannung von der Temperatur nahezu linear, jedoch ist die Abhängigkeit der Drain-Source-Spannung des MOSFET von der Temperatur bei konstantem Drain-Strom nicht linear, sondern etwa hyperbelförmig.
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Um den Zusammenhang zwischen der Drain-Source-Spannung des MOSFET und der Temperatur durch eine einfache Gleichung darstellen zu können, kann die Hyperbel durch eine geeignete Gerade angenähert werden, die dadurch ermittelt werden kann, dass vorgegeben ist, dass die mittlere Abweichung im interessierenden Temperaturbereich minimal ist.
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Bei Kenntnis der beiden linearen Abhängigkeiten der Diodenspannung von der Temperatur einerseits und der Drain-Source-Spannung des MOSFET von der Temperatur andererseits kann eine lineare Gleichung für die Abhängigkeit der Drain-Source-Spannung von der einfach zu messenden Diodenspannung aufgestellt werden und für eine erfindungsgemäße Kompensation der Referenzspannung zur Überstromerkennung verwendet werden. Es ist jedoch auch möglich, die Kurven als Kennfelder abzuspeichern und den Zusammenhang zwischen der Drain-Source-Spannung des MOSFET und der Diodenspannung aufgrund der dort abgespeicherten Werte zu ermitteln.
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Die 2 zeigt nun eine erfindungsgemäße Diagnoseschaltung in einem integrierten Schaltkreis ASC (applicance pacific integrated circuit), in den neben der erfindungsgemäßen Diagnoseschaltung auch die Gate-Treiber-Schaltung für das MOSFET realisierte Schaltelement realisiert ist.
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In dem Ausführungsbeispiel der 2 wird die Last L mittels eines Low-Side-Schaltelements SE, das als n-Kanal-MOSFET mit Substratdiode SD realisiert ist, mit den Klemmen Vsup, GND einer Versorgungsspannungsquelle verbunden. Auf dem Halbleiterchip, auf dem das als n-Kanal-MOSFET ausgebildete Schaltelement SE integriert ist, ist auch die Temperatursensordiode TD ausgebildet, um möglichst exakt die Temperatur des Schaltelements SE erfassen zu können.
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Auch der integrierte Schaltkreis IC ist mit den Klemmen Vsup, GND der Versorgungsspannungsquelle verbunden, wobei intern – nicht dargestellt – die dortigen Schaltungsbestandteile mit Spannungen versorgt werden, die durch ebenfalls nicht dargestellte dem Fachmann bekannte Spannungsregelschaltungen aus der Spannungsversorgungsquellenspannung erzeugt werden.
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Ebenfalls mit der Spannungsversorgungsquellenspannung Vsup verbunden ist eine Stromquelle 9, die im integrierten Schaltkreis IC ausgebildet ist, und deren anderer Anschluss mit einem ersten Ausgangsanschluss 18 des integrierten Schaltkreises IC verbunden ist, der mit der Anode der Temperatursensordiode TD verbunden ist, die andererseits mit dem niederen Potential GND der Spannungsversorgungsquelle verbunden ist. Es fließt also ein konstanter Strom durch die Temperatursensordiode TD, wobei der sich ergebende Spannungsabfall von der Temperatur abhängig ist, wie in 1 dargestellt.
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Zur Ermittlung der Spannung an der Temperatursensordiode TD ist der Anodenanschluss ebenfalls an einen ersten Eingangsanschluss 19 des integrierten Schaltkreises IC geführt. Der integrierte Schaltkreis IC weist zumindest einen dritten und eine vierten Eingangsanschluss 22, 22 auf, von denen einer mit dem Drain-Anschluss und der andere mit dem Source-Anschluss des MOSFET verbunden ist.
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Der integrierte Schaltkreis IC weist auch eine Treiberschaltung 11 auf, die mit einem zweiten Ausgang 20 des integrierten Schaltkreises IC verbunden ist, der mit dem Gateanschluss des Schaltelements SE verbunden ist. Die Treiberschaltung 11 weist einen ersten Eingang auf, der mit einem zweiten Eingang 17 des integrierten Schaltkreises IC verbunden ist, über den Steuersignale einer Steuereinheit, beispielsweise eines Mikroprozessors, an die Treiberschaltung 11 gegeben werden können.
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Der integrierte Schaltkreis IC weist einen Differenzverstärker 16 auf, dessen nicht invertierender Eingang mit dem vierten Eingang 22 des integrierten Schaltkreises IC verbunden ist, der mit dem Drain-Anschluss des Schaltelements SE verbunden ist. Der invertierende Eingang des Differenzverstärkers 16 ist mit dem dritten Eingang 21 des integrierten Schaltkreises IC verbunden, der mit dem Source-Anschluss des Schaltelements SE verbunden ist. Der Ausgangsanschluss des Differenzverstärkers 16 ist mit dem einen Eingang einer Vergleicherschaltung 15 verbunden, während der andere Eingang dieser Vergleicherschaltung 15 mit einer frequenzgesteuerten Referenzspannungsquelle 10 mit veränderbarer Referenzspannung verbunden ist.
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Der Ausgang des Komparators 15 ist mit einer Verzögerungsschaltung 14 verbunden, deren Ausgang mit einer Verriegelungsschaltung 13 verbunden ist, die ihrerseits mit ihrem Ausgang mit einem Eingang DIS der Treiberschaltung 11 verbunden ist, um die Treiberschaltung zu deaktivieren, wenn die Drain-Source-Spannung des Schaltelements SE über eine durch das Verzögerungsglied 14 definierte Zeitdauer oberhalb der veränderbaren Referenzspannung der Referenzspannungsquelle 10 liegt.
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Der Anschluss 19 des integrierten Schaltkreises IC, der mit dem Anodenanschluss der Temperatursensordiode TD verbunden ist, ist mit einem spannungsgesteuerten Oszillator 8 verbunden, dessen Ausgangssignal eine Frequenz aufweist, die die Höhe der Spannung an der Temperatursensordiode TD und damit der Temperatur des Halbleiterchips, auf dem das Schaltelement SE realisiert ist, wiederspiegelt. Prinzipiell könnte statt dem spannungsgesteuerten Oszillator 8 auch ein Analog-Digital-Wandler oder ein Pulsweitenmodulator Verwendung finden, diese sind jedoch wesentlich teurer in der Realisierung, so dass es sich bei dem spannungsgesteuerten Oszillator 8 um eine sehr einfache und damit kostengünstige Realisierung zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Prinzips handelt.
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Das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators 8 mit temperaturabhängiger Frequenz wird einer Referenzspannungsermittlungseinheit 7 zugeführt, die entweder durch Berechnung mit Hilfe der oben angegebenen Formel oder durch Ermittlung aus Kennlinienfeldern, die ein der Drain-Source-Spannung des Schaltelements SE bei der entsprechenden Temperatur entsprechendes Signal mit einer entsprechenden Frequenz erzeugt, das der frequenzgesteuerten Referenzspannungsquelle 10 zugeführt wird.
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Der integrierte Schaltkreis IC weist des Weiteren eine die gesamte Diagnoseschaltung steuernde Steuereinheit 12 auf, die abhängig von einem durch die Referenzspannungsermittlungseinheit 7 gelieferten, der Temperatur entsprechenden Signal ein Reset der Verriegelungsschaltung 13 durchführt, wenn die Temperatur wieder unter einen vorgegebenen Schwellwert gefallen ist.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind das als n-Kanal-MOSFET realisierte Schaltelement SE mit Substratdiode SD und die Temperatursensordiode TD auf einem gemeinsamen Halbleiterchip realisiert. Prinzipiell ist es jedoch auch möglich, zur Temperaturmessung diese Substratdiode SD zu verwenden und daher ein Schaltelement ohne die Temperatursensordiode TD zu verwenden. Allerdings ist hierzu eine Ansteuerschaltung für die Substratdiode SD erforderlich, die einen schnellen Strom durch diese Diode SD senden kann, und das auch nur, wenn das Schaltelement SE abgeschaltet ist. Hierzu ist eine entsprechende Steuerschaltung erforderlich.
