DE4428115A1 - Steuergerät mit einer Schaltungsanordnung zum Schutz des Steuergerätes bei Unterbrechung der Steuergerätemasse - Google Patents

Steuergerät mit einer Schaltungsanordnung zum Schutz des Steuergerätes bei Unterbrechung der Steuergerätemasse

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Description

Die Erfindung betrifft ein Steuergerät mit einer Schaltungsanordnung zum Schutz des Steuergerätes bei Unterbrechung der Steuergerätemasse, insbesondere in Kraftfahrzeugen, mit mindestens einem elektronischen Lastschalter, mit einer Last, die zwischen dem negativen Pol einer Spannungsquelle und einer ersten Elektrode des Lastschalters angeordnet ist und über eine zweite Elektrode, die des Lastschalters, mit dem positiven Pol der Spannungsquelle verbindbar ist und einer Ansteuerschaltung, die eine Steuerelektrode des Lastschalters zur Betätigung des Lastschalters ansteuert.
Ein solches Steuergerät ist aus der europäischen Patentanmeldung 0 239 862 bekannt. In dieser Schrift ist bereits ein Problem beschrieben, welches sich daraus ergibt, daß das Steuergerät und damit die Lastschalter mit einer anderen Masseleitung verbunden sind als die angesteuerten Lasten. Eine solche Anordnung ist insbesondere in Kraftfahrzeugen üblich, da hierdurch zumindest eine Masseleitung zwischen dem Steuergerät und der mindestens einen angesteuerten Last eingespart werden kann.
Kommt es nun zu einer Unterbrechung in der zum Steuergerät führenden Masseleitung, so kann das Potential an der Steuerelektrode des elektronischen Lastschalters soweit ansteigen, daß dieser teilweise durchschaltet. Hierdurch entsteht am Lastschalter eine relativ hohe Verlustleitung, die zur Zerstörung des Lastschalters führen kann.
In der Schaltungsanordnung gemäß der EPa 0 239 862 wird dieses dadurch verhindert, daß die Steuerelektrode eines Depletion-Feldeffekttransistors, mit dem Masseanschluß des Steuergerätes verbunden ist, dessen Schaltstrecke bei Unterbrechung der zum Steuergerät führenden Masseleitung die Source- und die Gate-Elektrode des als Leistungs-MOS-FET ausgebildeten Lastschalters miteinander verbindet und so den Lastschalter dauerhaft sperrt. Hierbei ist nachteilig, daß zum Schutz des Lastschalters ein relativ kostspieliges Bauteil eingesetzt wird. Besonders nachteilig ist dieses, wenn das Steuergerät mehrere Lastschalter aufweist, da in diesem Fall jeder Lastschalter mit einem Schutztransistor versehen werden muß und sich so der zusätzliche Kostenaufwand vervielfacht. Weiterhin ist nachteilig, daß das Steuergerät einen relativ leistungsstarken Ausgang zur Ansteuerung des Lastschalters benötigt, da im Normalbetrieb der Schutztransistor immer in Sättigung betrieben wird. Daher dürfte z. B. eine direkte Ansteuerung des Lastschalters durch einen Mikrocomputer ausgeschlossen sein.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Steuergerät zu schaffen, bei dem der oder die Lastschalter bei einem Bruch der Masseleitung auf besonders einfache und kostengünstige Weise gegen Überlastung geschützt werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen die Verbindungspunkte von Lastschaltern und Lasten und den Masseanschluß des Steuergerätes eine Schutzeinrichtung geschaltet ist, die zumindest eine Diode je Verbindungspunkt aufweist.
Wird die Masseleitung des erfindungsgemäßen Steuergerätes unterbrochen, etwa durch Abziehen oder Abgleiten eines Anschlußsteckers, so wird dem Steuergerät mittels der Schutzeinrichtung intern eine Hilfsmasse zur Verfügung gestellt. Diese Hilfsmasse entsteht dadurch, daß im ausgeschalteten Zustand des mindestens einen Lastschalters der Masseanschluß des Steuergerätes über mindestens eine Last und die Schutzeinrichtung mit der Systemmasse, mit der auch die Lasten in Verbindung stehen, verbunden wird.
Hierbei ist es vorteilhaft, daß die Funktion des Steuergerätes aufrechterhalten wird, zumindest solange nicht alle Lasten gleichzeitig angesteuert werden.
Vorteilhaft ist auch, daß für die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung nur eine Diode je zu schützendem Lastschalter benötigt wird, die verglichen mit einem speziell ausgebildeten Transistor sehr kostengünstig ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen gehen aus den Unteransprüchen hervor.
So ist es vorteilhaft, wenn die Ansteuerschaltung eine Spannungsüberwachungseinrichtung aufweist, die ein an der Schutzeinrichtung vorliegendes Potential überwacht. Sofern vorgesehen ist, daß das Steuergerät alle Lasten gleichzeitig ansteuern kann, fällt in diesem Fall die Hilfsmasse am Masseanschluß des Steuergerätes fort. Dieses wird durch die Spannungsüberwachungseinrichtung erkannt, worauf die Ansteuerschaltung die weitere Ansteuerung der Lastschalter einstellt. Eine solche in die Ansteuerschaltung integrierte Spannungsüberwachung verursacht dabei nur einen unwesentlichen Kostenanteil der Ansteuerschaltung.
Vorteilhaft ist auch, wenn zur Schutzeinrichtung ein PTC-Widerstand gehört. Hierdurch kann das Steuergerät verpolsicher ausgeführt werden. Hierbei wird vorteilhafterweise auch bei mehreren zu schützenden Lastschaltern nur ein PTC-Widerstand benötigt. Ein besonderer Vorteil ist darin zu sehen, daß im regulären Betrieb des Steuergerätes (d. h. ohne Unterbrechung der Steuergerätemasse) der PTC-Widerstand die Temperatur des Steuergerätes überwachen kann.
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Steuergerätes sollen im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert werden.
Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Steuergerätes mit diskret ausgeführten Lastschaltern;
Fig. 2 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Steuergerätes mit integrierten Lastschaltern;
Fig. 3 eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Steuergerätes mit einer abgewandelt ausgeführten Schutzeinrichtung;
Fig. 4 ein Steuergerät nach dem Stand der Technik.
Anhand der Fig. 4 soll zunächst die der Erfindung zugrundeliegende Problematik näher ausgeführt werden.
Zu dem in der Fig. 4 dargestellten Steuergerät (SG) gehören ein oder mehrere Lastschalter (allgemein n Stück) von denen in der Fig. 4 zwei Lastschalter (T1, Tn) beispielhaft dargestellt sind. Die Lastschalter sind hier als Leistungs-MOS-Feldeffekttransistoren ausgeführt. Als übliche Maßnahme zum Schutz vor Überspannung ist parallel zur Source-Gate-Strecke jedes Lastschalters (T1, Tn) eine Zener-Diode (Z1, Zn) geschaltet.
Das steuergerät (SG) kann über die Lastschalter (T1, Tn) Lasten (L1, Ln) mit dem positiven Pol (+) einer Spannungsquelle (B) verbinden. Die außerhalb des Steuergerätes angeordneten Lasten (L1, Ln) stehen mit der Systemmasse (GND) (beispielsweise in einem Kraftfahrzeug der Kraftfahrzeugkarosserie) in Verbindung. Zur Ansteuerung der Lastschalter (T1, Tn) besitzt das Steuergerät eine Ansteuerschaltung (A). Zum Einschalten eines Lastschalters (T1, Tn) beaufschlagt die Ansteuerschaltung (A) die Gate-Elektrode (G) des Lastschalters (T1, Tn) mit einem positiven Potential und zum Sperren des Lastschalters (T1, Tn) entsprechend mit einem Potential, welches in der Nähe des Massepotentials liegt.
Hierzu ist die Ansteuerschaltung (A) sowohl mit dem positiven Pol (+) der Spannungsquelle (B) als auch über den Masseanschluß (M) des Steuergerätes (SG) mit einer eigenen Masseleitung (im folgenden als Steuergerätemasse GND1 bezeichnet) verbunden.
Erfolgt durch einen Fehler (Kabelbruch, abgleitender Anschlußstecker oder ähnliches) eine Unterbrechung der Steuergerätemasse (in der Zeichnung angedeutet durch ein punktiertes Linienstück), so kann die Ansteuerschaltung (A) den Steuerelektroden (G) der Lastschalter (T1, Tn) nicht das zum Sperren nötige Potential zur Verfügung stellen.
Über die Ansteuerschaltung (A) gelangt nun ein mehr oder weniger hohes Potential an die Steuerelektroden (G) der Lastschalter, welches zum Einschalten der Lasten führt.
Schlimmer noch ist es, wenn es bei nicht ausreichend hohem Potential an der Steuerelektrode (G) der Lastschalter (T1, Tn) zu einem undefinierten Schaltzustand, etwa einem teilweisen Durchschalten der Lastschalter kommt, bei welchen eine hohe Verlustleistung an den Lastschaltern auftritt und zu deren Zerstörung führt.
Es sind Schutzschaltungen für solche Steuergeräte bekannt, bei denen jedem Lastschalter ein weiterer (in der Figur nicht dargestellter) Transistor zugeordnet wird, welcher bei Unterbrechung der Steuergerätemasse die Gate-Elektrode (G) und die Source-Elektrode (S) jedes MOS-Feldeffekttransistors kurzschließt und so den Lastschalter sperrt.
Besonders bei Steuergeräten mit einer größeren Anzahl von Lastschaltern stellen diese zusätzlich benötigten Transistoren einen erheblichen Kostenfaktor dar.
Weitaus kostengünstiger ist demgegenüber die erfindungsgemäße Lösung, die in drei Ausführungsbeispielen in Fig. 1 bis 3 dargestellt ist.
Die Fig. 1 zeigt ein Steuergerät (SG) mit einer erfindungsgemäß ausgebildeten Schutzeinrichtung (SE). Hierbei ist jedem zu schützenden Lastschalter (T1, Tn) eine Diode (D1, Dn) zugeordnet, deren Kathode mit dem Verbindungspunkt (V1, Vn) von Lastschalter (T1, Tn) und Last (L1, Ln) verbunden ist.
Anodenseitig sind alle Dioden (D1, Dn) miteinander und mit dem Masseanschluß (M) des Steuergerätes verbunden.
Die durch diese Anordnung von Dioden (D1, Dn) ausgebildete Schutzeinrichtung (SE) stellt im Falle einer Unterbrechung der Steuergerätemasse (GND1) der Ansteuerschaltung (A) eine Hilfsmasse zur Verfügung.
Die Funktionsweise eines Steuergerätes mit einer erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung (SE) soll im folgenden anhand der Fig. 1 näher erläutert werden:
Die Ansteuerschaltung (A) kann jede Last (L1, Ln) jeweils durch Beaufschlagung der Steuerelektrode (G) des zugeordneten Lastschalters (T1, Tn) mit einem hohen Potential mit dem Pluspol (+) der Spannungsquelle verbinden oder die Lastschalter (T1, Tn) durch Beaufschlagung der Steuerelektrode mit einem niedrigen Potential sperren und damit die zugeordnete Last (L1, Ln) abschalten.
Fällt nun durch eine Unterbrechung der Steuergerätemasse (GND1) das Massepotential am Masseanschluß (M) des Steuergerätes fort und sei angenommen, daß zumindest eine der Lasten nicht eingeschaltet ist, so erhält der Masseanschluß (M) des Steuergerätes über die nicht eingeschaltete Last (L1, Ln) und die zugehörige Diode (D1, Dn) Massepotential von der Systemmasse (GND) zugeführt und kann seine Funktion fortsetzen.
Das am Masseanschluß (M) vorliegende Massepotential fällt allerdings in dem Fall weg, daß die Ansteuerschaltung alle Lasten gleichzeitig ansteuert. Sofern die Funktion des Steuergerätes eine gleichzeitige Ansteuerung aller Lasten ermöglicht, wird für die Ansteuerschaltung eine Spannungsüberwachungseinrichtung (SÜ) vorgesehen. Diese Spannungsüberwachungseinrichtung (SÜ) überwacht die an der Ansteuerschaltung (A) anliegende Betriebsspannung und damit das am Masseanschluß des Steuergerätes anliegende Potential. Werden nun bei unterbrochener Steuergerätemasse (GND1) alle Lasten (L1, Ln) gleichzeitig eingeschaltet, sinkt die Spannung an der Spannungsüberwachungseinrichtung (SÜ) ab. Die Ansteuerschaltung (A), die beispielsweise durch einen Mikroprozessor realisiert sein kann, erkennt aufgrund des Absinkens der Spannung, daß eine Unterbrechung der Steuergerätemasse vorliegt und wird die weitere Ansteuerung der Lasten (L1, Ln) verhindern. Die so erweitere Schutzeinrichtung funktioniert auch in dem Fall, daß die Masseunterbrechung zu einem Zeitpunkt auftritt, an dem alle Lasten gleichzeitig eingeschaltet sind.
Fig. 2 zeigt eine gleichartige Schaltung, die statt diskret ausgebildeten Lastschaltern integrierte Lastschalter (IC1, ICn) (sogenannte High-Side-Treiber) aufweist. Solche integrierten Lastschalter (IC1, ICn) ermöglichen eine vereinfachte Ansteuerung,wodurch die zur Ansteuerung verwendete Ansteuerschaltung einen einfacheren Aufbau aufweisen kann. In der grundsätzlichen Funktionsweise unterscheidet sich dieses Steuergerät nicht von dem in der Fig. 1 dargestellten.
Eine vorteilhafte Variante des in der Fig. 1 dargestellten Steuergerätes zeigt die Fig. 3. Hier gehört zur Schutzeinrichtung (SE) ein PTC-Widerstand (PTC), der mit den anodenseitig verbundenen Dioden (D1, Dn) in Reihe geschaltet ist. Hierdurch wird das Steuergerät gegen Verpolung geschützt. Wird nämlich bei einer Schaltung nach Fig. 1 oder Fig. 2 versehentlich der positive Pol (+) der Spannungsquelle (B) mit dem Masseanschluß (M) des Steuergerätes und der negative Pol (-) der Spannungsquelle (B) mit dem Spannungsversorgungseingang (U+) des Steuergerätes verbunden, so fließt über die Reihenschaltung aus Dioden und Lastschalter jeweils ein sehr hoher Strom der zur Zerstörung der Lastschalter (T1, Tn, IC1, ICn) führt.
Bei der Schaltung gemäß Fig. 3 wirkt der PTC-Widerstand (PTC) in diesem Fall als strombegrenzender Widerstand, der durch den PTC-Widerstand (PTC) fließende Strom erwärmt diesen und vergrößert dadurch noch seinen Widerstand. Hierdurch wird der Strom durch PTC-Widerstand, Dioden und Lastschalter auf ein für die Lastschalter (T1, Tn, IC1, ICn) ungefährliches Maß reduziert.
Vorteilhaft ist, wenn die Spannungsüberwachungseinrichtung (SÜ) der Ansteuerschaltung (A) das Potential am Verbindungspunkt zwischen dem PTC-Widerstand (PTC) und den Dioden (D1, Dn) überwacht. Unterschreitet die Spannung (U PTC) einen vorgegebenen Wert, so verhindert die Ansteuerschaltung eine weitere Ansteuerung der Lastschalter. Hierbei erkennt die Ansteuerschaltung nicht nur, wie bei einer Schaltung gemäß den Fig. 1 und 2 eine unterbrochene Steuergerätemasseleitung (GND1), sondern auch eine überhöhte Belastung der Hilfsmasse sowie im regulären Betrieb (das heißt ohne Masseunterbrechung) eine unzulässig hohe Erwärmung des Steuergerätes.
Bezugszeichenliste
A Ansteuerschaltung
B Spannungsquelle
+/- Pole der Spannungsquelle
GND Systemmasse
GND1 Steuergerätemasse
M Masseanschluß des Steuergerätes
U+ Spannungsversorgungsanschluß des Steuergerätes
U PTC Potential am PTC-Widerstand
PTC PTC-Widerstand
SE Schutzeinrichtung
SG Steuergerät
SÜ Spannungsüberwachungseinrichtung
IC1, ICn (integrierte) Lastschalter
T1, Tn (diskrete) Lastschalter
S erste Elektrode (Source-Elektrode)
D zweite Elektrode (Drain-Elektrode)
G Steuerelektrode (Gate-Elektrode)
D1, Dn Dioden
L1, Ln Lasten
V1, Vn Verbindungspunkte

Claims (8)

1. Steuergerät (SG) mit einer Schaltungsanordnung zum Schutz des Steuergerätes bei Unterbrechung der Steuergerätemasse (GND1), insbesondere in Kraftfahrzeugen, mit mindestens einem elektronischen Lastschalter (T1, Tn, IC1, ICn), mit einer Last (L1, Ln), die zwischen dem negativen Pol (-) einer Spannungsquelle (B) und einer ersten Elektrode (S) des Lastschalters (T1, Tn, IC1, ICn) angeordnet ist und über eine zweite Elektrode (D), die des Lastschalters (T1, Tn, IC1, ICn), mit dem positiven Pol (+) der Spannungsquelle (B) verbindbar ist, und einer Ansteuerschaltung (A), die eine Steuerelektrode (G) des Lastschalters (T1, Tn, IC1, ICn) zur Betätigung des Lastschalters (T1, Tn, IC1, ICn) ansteuert, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Verbindungspunkte (V1, Vn) von Lastschaltern (T1, Tn, IC1, ICn) und Lasten (L1, Ln) und den Masseanschluß (M) des Steuergerätes (SG) eine Schutzeinrichtung (SE) geschaltet ist, die zumindest eine Diode (D1, Dn) je Verbindungspunkt (V1, Vn) aufweist.
2. Steuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine elektronische Lastschalter als n-Kanal-Leistungs-MOS-Feldeffekttransistor ausgebildet ist.
3. Steuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine elektronische Lastschalter als integrierter High-Side-Treiber-Baustein (IC1, ICn) ausgebildet ist.
4. Steuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzeinrichtung (SE) aus einer Reihenschaltung, aus einer Diode (D1, Dn) und einem PTC-Widerstand (PTC) besteht.
5. Steuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (SG) mehrere Lastschalter (T1, Tn, IC1, ICn) zur Ansteuerung jeweils einer Last (L1, Ln) aufweist, und daß jeder Verbindungspunkt (V1, Vn) zwischen Last (L1, Ln) und Lastschalter (T1, Tn, IC1, ICn) mit dem Kathodenanschluß einer Diode (D1, Dn) verbunden ist und daß die Anoden-Anschlüsse aller Dioden (D1, Dn) mit dem Masseanschluß (M) des Steuergerätes (SG) verbunden sind.
6. Steuergerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die verbundenen Anoden-Anschlüsse der Dioden (D1, Dn) und den Masseanschluß (M) des Steuergerätes (SG) ein PTC-Widerstand (PTC) geschaltet ist.
7. Steuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerschaltung (A) eine Spannungsüberwachungseinrichtung (SÜ) aufweist, welche ein an der Schutzeinrichtung (S) vorliegendes Potential (U PTC) überwacht.
8. Steuergerät nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsüberwachungseinrichtung (SÜ) das Potential (U PTC) an den Anoden-Anschlüssen der Dioden (D1, Dn) überwacht und daß die Ansteuerschaltung die Ansteuerung aller Lastschalter (T1, Tn, IC1, ICn) beendet, wenn die Potentialdifferenz zwischen dem überwachten Potential (U PTC) und dem Potential des positiven Pols (+) der Spannungsquelle (B) einen vorgegebenen Wert unterschreitet.
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