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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Stroms in einer Leiterplatte, insbesondere einer Leiterplatte in einem Steuergerät, und eine Anordnung zum Durchführen des Verfahrens.
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Stand der Technik
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Steuergeräte sind elektronische Module und werden in Fahrzeugen als eingebettete Systeme dazu eingesetzt, um Prozesse und Komponenten zu steuern und zu regeln. Um einen sicheren Betrieb des Fahrzeugs zu gewährleisten, ist es erforderlich, den Betrieb der eingesetzten Steuergeräte kontinuierlich oder in zeitlichen Abständen zu überwachen. Hierzu gehört auch, Komponenten der Steuergeräte zu prüfen.
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Komponenten von Steuergeräten werden in vielen Fällen auf sogenannten Leiterplatten (PCB: printed circuit board) aufgebracht, die als Träger der Komponenten bzw. Bauteile dient und dabei sowohl die mechanische Befestigung der Bauteile ermöglicht als auch zu deren elektrischer Verbindung dient. Elektrische Verbindungen werden regelmäßig durch Leiterbahnen verwirklicht.
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Zu beachten ist, dass in der Schaltungstechnik derzeitig eingesetzter Steuergeräte der Bedarf steigt, in bestimmten Schaltungsteilen Strom zu messen. Zur Strommessung werden üblicherweise niederimpedante Messwiderstände bzw. Shunts verwendet. Hierbei wird der Spannungsabfall über dem Shunt mittels einer Verstärkerschaltung erfasst. Diese Lösung erfordert allerdings aufgrund einer sehr geringen Messgröße, nämlich dem Spannungsabfall über dem Shunt, den Einsatz von Präzisions-Messverstärkern und hat den Nachteil, dass die stromführende Leiterbahn unterbrochen werden muss, um den Shunt in die Messstrecke zu implementieren. Insbesondere in sicherheitsrelevanten Systemen ist dies jedoch nicht erwünscht, da sich durch diese Maßnahme eine höhere Fehleranfälligkeit ergibt. Dabei sind bspw. fehlerhafte Lötprozesse, eine mechanische Überlastung der Lötstelle, z. B. durch Vibrationen, zu beachten. Zudem hat der Einsatz eines zusätzlichen Bauteils einen Einfluss auf die FMEDA-Bewertung (FMEDA: Failure Modes Effects and Diagnostic Analysis). In Hochvoltsystemen haben solche Lösungen zusätzlich den Nachteil, dass diese eine komplexe galvanische Trennung erfordern.
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Daneben sind Lösungen mit Hall-Sensoren bekannt. Diese sind allerdings aufgrund ihrer Störanfälligkeit durch äußere Einflussfaktoren, wie bspw. elektromagnetische Interferenzen (EMI), und weiterer technischer Einschränkungen, nicht weit verbreitet.
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Die Druckschrift
DE 10 2019 213 254 A1 beschreibt ein Steuergerät zur Ansteuerung von mindestens einem elektrischen Verbraucher. Das Steuergerät weist eine Leiterplatte auf, auf der mehrere Temperatursensoren benachbart zu steuergeräteseitigen Anschlusskontakten positioniert sind. Diese sind in der Lage, eine Temperatur zu ermitteln. Hierbei ist es möglich, dass jedem Anschlusskontakt ein eigener steuergeräteseitiger Temperatursensor zugeordnet ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Anordnung nach Anspruch 9 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
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Das vorgestellte Verfahren dient zum Bestimmen eines Stroms, der durch eine Leiterbahn einer Leiterplatte fließt. Es wird somit die Stärke des Stroms bestimmt, der durch diese Leiterbahn fließt. Bei dem Verfahren ist vorgesehen, dass mit einem Temperatursensor, der im Bereich der Leiterbahn an einem Messpunkt angeordnet ist, eine Temperatur gemessen wird. Im Bereich der Leiterbahn bedeutet, dass der Temperatursensor bspw. auf der Leiterbahn oder auch in insbesondere unmittelbarer Nähe der Leiterbahn angeordnet ist, so dass dieser eine Erwärmung der Leiterbahn erfassen kann.
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Die genaue Position der Sensoren kann je nach Auslegung bzw. der Umgebung der zu messenden Leiterbahn variieren und sollte an die jeweilige Applikation angepasst werden.
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Mit einem Referenz-Temperatursensor, der im Bereich des Messpunkts angeordnet ist, wird außerdem eine Referenztemperatur gemessen. Der Referenz-Temperatursensor ist somit bspw. neben dem Messpunkt, d. h. in der Nähe zur Position des Temperatursensors in einer stabilen thermischen Umgebung, angeordnet.
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Es wird dann die durch den Temperatursensor gemessene Temperatur mit der Referenztemperatur verglichen. Auf Grundlage dieses Vergleichs, der bspw. eine Differenzbildung umfasst, wird der durch die Leiterbahn fließende Strom bestimmt. Es erfolgt somit eine indirekte Messung dieses Stroms bzw. der Stärke dieses Stroms.
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Das hierin vorgeschlagene Messverfahren basiert somit auf einer Temperaturerfassung bzw. Temperatursensierung einer stromdurchflossenen Leiterbahn und der Vergleich des Messwerts mit einem Referenzmesswert eines definierten Bereichs einer Leiterplatte in der Nähe der stromführenden Leiterbahn. Dem Verfahren liegt somit die Erkenntnis zugrunde, dass eine definierte stromdurchflossene Leiterbahn sich proportional zur Stromstärke erwärmt. Gleichzeitig entwärmt die Leiterbahn sich über die umliegenden Strukturen, wie bspw. anliegende Leiterbahnen, Vias, ICs, PCB-Lagen/Lagenaufbau, was einen Vergleich mit einem Referenzmesswert notwendig macht, der ausschließlich den thermischen Einfluss der umliegenden Strukturen erfasst, ohne dabei die strombedingte Erwärmung der Leiterbahn zu berücksichtigen. Die Leiterbahntemperatur sowie der Referenzwert können mittels Temperatursensoren erfasst werden. Aus den erfassten Temperaturwerten kann der Strom ermittelt werden, ohne dass es hierzu erforderlich ist, die Leiterbahn zu unterbrechen. Die Messung und Berücksichtigung der Referenztemperatur ermöglicht die Kompensierung der Erwärmung der Leiterbahn durch umliegende Strukturen und andere Effekte, die ebenfalls eine Erwärmung der Leiterplatte bzw. Leiterbahn bewirken.
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Die beschriebene Anordnung dient zum Durchführen des vorgestellten Verfahrens und ist bspw. in einer Hardware und/oder Software implementiert. Weiterhin kann die Anordnung in einem Steuergerät integriert sein. Der Anordnung können der Temperatursensor und der Referenz-Temperatursensor zugeordnet sein. Diese können jedoch auch als Komponenten der Anordnung vorgesehen sein. Zudem ist es möglich, mehr als einen Temperatursensor und mehr als einen Referenz-Temperatursensor zu verwenden.
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Das vorgestellte Verfahren hat, zumindest in einigen der Ausführungen, eine Reihe von Vorteilen:
- Es wird eine galvanische Trennung der zu messenden Leitung vom Messsystem erreicht --> Hoch-Volt Messfähigkeit.
- Es besteht keine Notwendigkeit, die Leiterbahn zu unterbrechen, wodurch Impedanzsprünge durch bestückte Bauteile vermieden werden -7 besseres EMV-Verhalten.
- Fehlerquellen können aufgrund der zusätzlichen Messelemente vermieden werden --> höhere Zuverlässigkeit.
- Eine hohe Flexibilität ist gegeben, da die Geometrie der Leiterbahn, abhängig von den Anforderungen, z. B. Stromstärke, Layout-Bedingungen, frei gestaltet werden kann --> Flexibilität der Umsetzung.
- Eine Kostensenkung kann erreicht werden, da das Messelement, bspw. ein Shunt, entfällt --> Kostenvorteil.
- Aufwände zur Verarbeitungsprüfung bzw. der Freigabe von Messshunts entfallen --> Aufwandsminimierung.
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Mögliche Anwendungen des vorgestellten Verfahrens sind:
- - Diagnose
- Eine frühe Erkennung von Fehlfunktionen im Versorgungspfad des Steuergeräts wird ermöglicht. Insbesondere bei mehrphasigen Spannungsreglern lässt sich eine Über- bzw. Unterbelastung einer Phase diagnostizieren, wodurch ein Ausfall des Gesamtsystems vorhergesagt werden kann.
- - allgemeine Strommessung
- - Symmetrie der Ströme
- Bei Stromversorgungen mit redundanten Pfaden lässt sich mit der Messmethode die Stromverteilung in den einzelnen Pfaden überwachen. Damit lassen sich z. B. Abrisse oder Kontaktunterbrechungen eines Pfades erkennen. Das Verfahren lässt sich ebenfalls im Erdungspfad anwenden und kann auf diese Weise eine Masseabrisserkennung realisieren.
- - Kontaktlose Strommessung
- In Systemen mit niedrigeren Genauigkeitsanforderungen an die Strommessung kann der Strom kontaktlos gemessen werden.
- - Hoch-Volt Anwendung
- Prinzipbedingt besteht keine galvanische Verbindung zwischen der zu messenden Leitung und der Messanordnung. Dadurch ist ein Einsatz in Systemen denkbar, die Hochspannungen an den zu messenden Leitungen führen. Die klassische Strommessung mittels Shunt erfordert hingegen hochspannungsfeste kostspielige Messverstärker. Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Figurenliste
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- 1 zeigt in einer Draufsicht eine Leiterplatte zur Verdeutlichung einer Ausführungsform des vorgestellten Verfahrens.
- 2 zeigt in in einem Flussdiagramm einen möglichen Ablauf des vorgestellten Verfahrens.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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1 zeigt in einer Draufsicht eine Leiterplatte, die insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Die Darstellung zeigt eine zu messende Leiterbahn 12, einen Temperatursensor 14, der auch als Haupttemperatursensor bezeichnet wird, elektrische Anschlüsse 16 des Temperatursensors 14 und einen Referenz-Temperatursensor 18.
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Es wird hierin vorgeschlagen, mit dem Temperatursensor 14 die lokale Temperaturerhöhung der stromführenden Leiterbahn 12 zu ermitteln und dadurch Rückschlüsse auf die Belastung der Leiterbahn 12 zu ziehen. Hierzu wird in der Leiterbahn 12 ein Messpunkt 20 definiert, bei dem die Geometrie so gewählt wird, dass bei bekannter Maximalbelastung eine definierte Temperaturerhöhung stattfindet, ein sogenannter Hotspot. Damit die äußeren Temperatureinflüsse kompensiert bzw. herausgefiltert werden können, wird eine zusätzliche Messung durch den Referenz-Temperatursensor 18 durchgeführt. Diese Messung wird zur Kompensation der äußeren Einflüsse herangezogen.
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Zur Kompensation der äußeren Einflüsse können auch zuvor gemessene bzw. bekannte Werte herangezogen werden, bspw. von anderen bereits vorhandenen Temperatursensoren im oder außerhalb des Steuergeräts. Weiterhin möglich ist die Verwendung der bereits erfassten Daten aus dem sogenannten „golden Sample“, einem Referenzgerät, oder aus der Statistik.
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Die stromführende Leiterbahn 12 wird durch den Temperatursensor 14 nicht unterbrochen, wodurch es nur zu minimalen Änderungen der Leitungsgeometrie und zu einer geringen Impedanzänderung kommt. Die Vermeidung von Stoßstellen, die bei Einsatz eines zusätzlichen Messelements in der Leiterbahn 12 unvermeidbar sind, führt zu einer geringeren elektromagnetischen Abstrahlung. Ebenfalls entfallen die entsprechenden Lötstellen eines Serien-Messelements, bspw. eines Shunt, was sich positiv auf die Zuverlässigkeit auswirkt.
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Da der entsprechende Messpunkt 20 für die hier beschriebene Methode frei gewählt werden kann, wird eine höhere Flexibilität bei der Layouterstellung erzielt.
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Die Aufwände zur Freigabe von speziellen Messshunts, u. A. die Bewertung der Verarbeitbarkeit, entfallen bei dem vorgestellten Verfahren ebenfalls, wodurch neben dem erzielten Kostenvorteil auch der Aufwand reduziert wird. Zudem können bereits im System vorhandene Temperatursensoren durch eine entsprechende Platzierung verwendet werden.
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Ein möglicher Ablauf des vorgestellten Verfahrens ist in dem Flussdiagramm der 2 skizziert. Danach wird in einem ersten Schritt 50 mit einem Temperatursensor an einem Messpunkt, der sich in der unmittelbaren Nähe oder an einer Leiterbahn befindet, eine Temperatur gemessen. Im wesentlichen zur gleichen Zeit wird mit einem Referenz-Temperatursensor in einem zweiten Schritt 52 eine Referenztemperatur, typischerweise in der Nähe des Messpunkts oder in einer thermisch stabilen Umgebung, gemessen. Es erfolgt dann in einem dritten Schritt 54 ein Vergleich der beiden gemessenen Temperaturen. Auf Grundlage dieses Vergleichs wird dann in einem Schritt 56 der durch die Erwärmung der stromführenden Leiterbahn erzeugte Temperaturunterschied erfasst. Der Strom bzw. die Stärke des Stroms wird somit indirekt gemessen. Der Strom kann kontinuierlich, nach Bedarf oder in zeitlichen Abständen bestimmt werden. Dies ermöglicht in einem Schritt 58 eine Abschätzung bzw. Bestimmung des Stroms bzw. der Belastung der Leiterbahn.
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Selbstverständlich ist es möglich, die indirekt gemessene Stromstärke alternativ oder ergänzend auch für andere Zwecke, bspw. für die Überwachung eines korrekten Betriebs der Leiterplatte, zu nutzen.
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Bei dem vorgestellten Verfahren wird in Ausgestaltung zur Bestimmung der aktuellen Belastung der Leiterbahn über einem definierten Messpunkt ein Temperatursensor platziert, der dann die Temperatur der Messstelle misst. Ein weiterer Sensor wird so platziert, dass dieser die Referenztemperatur erfassen kann, die nicht durch die zu messende Leiterbahn beeinflusst wird. Aus den Daten beider Sensoren wird eine Differenz ermittelt, die zur Bestimmung des Stroms durch die zu messende Leiterbahn verwendet wird.
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Da diese Differenz bspw. durch eine Referenzmessung im Fertigungsprozess abgeglichen werden kann, lassen sich auch mechanische Ungenauigkeiten, wie bspw. die Position der Sensoren auf der Leiterplatte, und eine Wärmeverteilung/- ableitung, sowie Messtoleranzen abgleichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019213254 A1 [0006]
