DE10002375A1

DE10002375A1 - Steuervorrichtung für ein Insassenschutzmittel

Info

Publication number: DE10002375A1
Application number: DE10002375A
Authority: DE
Inventors: Horst Belau; Marten Swart
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1999-09-30
Filing date: 2000-01-20
Publication date: 2001-04-12
Also published as: KR20020037763A

Abstract

Steuervorrichtung für ein Insassenschutzmittel mit einer Zündpille zur Aktivierung des Insassenschutzmittels, einer Energiequelle zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung für die Zündpille, einem Schalttransistor zum Aufschalten der Zündpille auf die Energiequelle, wobei die gesteuerte Strecke des Schalttransistors, die Energiequelle und die Zündpille in Reihe zueinander geschaltet sind, und einer dem Steueranschluß des Schalttransistors vorgeschaltete Ansteuerschaltung, die den Schalttransistor derart steuert, daß der Widerstand der gesteuerten Strecke im eingeschalteten Zustand des Transistors konstant gehalten wird, das dabei am Steueranschluß anliegende Signal ausgewertet wird, aus dem Signal am Steueranschluß die im Schalttransistor umgesetzte Energie ermittelt wird und bei Erreichen eines vorgegebenen Energiegrenzwertes der Schalttransistor abgeschaltet wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für ein Insas senschutzmittel.

Eine beispielsweise in der amerikanischen Patentschrift US 5,194,755 beschriebene, bekannte Steuervorrichtung enthält eine Serienschaltung aus einer ersten steuerbaren Schaltstu fe, einem dem Insassenschutzmittel zugeordneten Zündelement und einer zweiten steuerbaren Schaltstufe. Diese Serienschal tung wird aus einer Energiequelle gespeist. Werden beide Schaltstufen in den leitenden Zustand gebracht, so wird dem Zündelement Energie aus der Energiequelle zugeführt. Das als Heizwiderstand ausgebildete Zündelement wird infolge des Stromflusses erwärmt und führt im zugeordneten Gasgenerator zu einer Gasfreisetzung. Das freigesetzte Gas strömt bei spielsweise in einen Airbag. Es können jedoch auch andere In sassenschutzmittel wie Gurtstraffer oder Überrollbügel auf ähnliche Art betrieben werden.

Oft werden mehrere derartige Zündkreise parallel zueinander angeordnet, wobei insbesondere die Schaltstufen auf einem ge meinsamen Schaltungsträger als ASIC integriert werden. Vor zugsweise werden alle Zündkreise aus einer gemeinsamen Ener giequelle gespeist. Die Energiequelle kann die Fahrzeugbatte rie sein oder ein Zündkondensator, der Energie freigibt für den Fall, dass die Fahrzeugbatterie bei einem Unfall zu Scha den gekommen sein sollte. Der Zündkondensator ist dabei der art bemessen, dass er ausreichend Energie zum Zünden aller Zündelemente trägt. Die Zündelemente unterschiedlicher Zünd kreise können unabhängig voneinander auch zu unterschiedli chen Zeiten gezündet werden.

Um sicher zu stellen, dass ein Zündelement tatsächlich gezün det wird, ist es notwendig, die Einschaltzeit sehr viel län ger zu bemessen als tatsächlich notwendig. Damit muss jedoch die Energiequelle und insbesondere ein zur Pufferung der Fahrzeugbatterie parallel geschalteter Zündkondensator weit aus größer ausgelegt werden, als tatsächlich notwendig ist. Darüber hinaus kann eines der Zündelemente beim Zünden kurz schließen und es würde im Folgenden eine große Energiemenge aus dem Zündkondensator über diesen Kurzschluss abfließen. Für nachfolgend zu zündende Zündelemente würde der Zündkon densator dann nicht mehr ausreichend Energie bereitstellen können.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Steuervorrichtung für ein Insassenschutzmittel anzugeben, bei der der Energie quelle weniger Verlustenergie entnommen wird.

Die Aufgabe wird durch eine Steuervorrichtung gemäß Patentan spruch 1 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Er findungsgedanken sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Vorteil der Erfindung ist es, dass die Zündenergie je einzel nem Zündkreis, d. h. für jedes Zündelement einzeln dosiert werden kann. Es wird dabei nur soviel Energie den Zündelemen ten zugeführt, als diese zum Zünden benötigen. Damit können kleinere Energiespeicher vorgesehen werden, welche einen ge ringeren Platzbedarf, geringere Kosten und einen besseren Wirkungsgrad bieten. Bei gleicher Energiequelle ist daher die Versorgung einer höheren Anzahl von Zündelementen möglich.

Erreicht wird dies dadurch, dass durch geeignete Steuerung von als Schaltstufen verwendeten Transistoren im eingeschal teten Zustand deren Widerstand auf der gesteuerten Strecke konstant gehalten wird. Der Stromfluss durch die Transistoren führt zu deren Erwärmung. Das Halbleitervolumen des Transis tors wirkt dabei als thermische Kapazität eines Energie- Integrators. Dabei wirken sich durch die Energiezunahme be dingte Erhöhungen der Temperatur des Siliziums in einer ent sprechenden Zunahme des Widerstands auf der gesteuerten Strecke des Transistors aus. Um trotz sich ändernder Temperatur den Widerstand der gesteuerten Strecke konstant zu halten ist eine Änderung der Ansteuerspannung notwendig. Die Spannungs änderung ist also proportional zur Temperatur und kann damit zur Energieberechnung ausgenutzt werden. Nach dem Beginn der Energieaufzeichnung erfolgt mittels einer entsprechenden E nergieberechnung dann das kontrollierte Abschalten der Schaltstufe(n).

Im Einzelnen wird bei einer aus einer Energiequelle gespeis ten Reihenschaltung aus einem Zündelement und der gesteuerten Strecke eines Schalttransistors der Steueranschluss des Schalttransistors durch eine vorgeschaltete Ansteuerschaltung derart gesteuert, dass der Widerstand der gesteuerten Strecke im eingeschalteten Zustand des Transistors konstant gehalten wird, dass das an einem Steueranschluss anliegende Signal ausgewertet wird, aus dem Signal am Steueranschluss die im Schalttransistor umgesetzte Energie ermittelt wird und bei Erreichen eines vorgegebenen Energiegrenzwertes innerhalb ei ner bestimmten Zeit der Schalttransistor abgeschaltet wird.

Bevorzugt ist der Energiequelle eine Kapazität, beispielswei se ein Zündkondensator parallel geschaltet, die dazu dient, bei Ausfall der Fahrzeugbatterie die Energie für die Zündele mente bereitzustellen. Als Energiequelle für eine Zündung kann auch nur ein Kondensator alleine vorgesehen werden, des sen Ladespannung auch über der Bordspannung liegen kann.

Die Ansteuerschaltung ist vorzugsweise mit einem Sensor, bei spielsweise einem Crash-Sensor verbunden. Bei bestimmten Sig nalen des Sensors, beispielsweise bei einem Aufprall entspre chenden Signalen, wird dann in Abhängigkeit von dem Sensor signal durch die Ansteuerschaltung der Schalttransistor durchgeschaltet. Beim Durchschalten des Schalttransistors wird dieser bevorzugt getaktet, wodurch die Energie dem Schalttransistor in Portionen zugeführt wird. Dabei werden die Energieportionen mittels Impulsen derart abgegeben, dass ein einzelner Impuls nicht zur Zündung führen kann. Auf diese Weise ist eine sehr einfache Dosierung der Energiemenge mög lich und es lassen sich vorteilhafter Weise alle Zündkreise (mit unterschiedlichen Zündpillen) aus nur einem einzigen Energiespeicher versorgen.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuerschaltung einen Vergleichstransistor aufweist, des sen gesteuerte Strecke durch eine Stromquelle gespeist wird und bei dem zur Ermittlung des Widerstandes auf der gesteuer ten Strecke des Schalttransistors der Widerstand auf der ge steuerten Strecke des Vergleichstransistors durch Bestimmen der Spannung über der gesteuerten Strecke des Vergleichstran sistors ermittelt wird. Damit läßt sich mit geringem Aufwand und hoher Genauigkeit ohne Eingriff in den Ausgangskreis des Schalttransistors dessen Widerstand auf der gesteuerten Stre cke bestimmen.

Bei Verwendung eines Vergleichstransistors kann auch vorgese hen werden, dass bei ausgeschalteten Schalttransistor der Wi derstand auf der gesteuerten Strecke des Vergleichstransis tors ermittelt wird, der jeweils aktuelle Widerstandswert beim Einschalten des Schalttransistors gespeichert wird, beim Einschalten der Steueranschluss des Schalttransistors mit dem Steueranschluss des Vergleichstransistors gekoppelt wird und nachfolgend der Spannungswert an den gekoppelten Steueran schlüssen von Schalttransistor und Vergleichstransistor ge genüber dem gespeicherten Spannungswert des Vergleichstran sistors beim Einschalten geregelt wird. Dabei wird die Ände rung der Ansteuerspannung ausgewertet und zur Energieberech nung verwendet. Damit läßt sich mit hoher Genauigkeit und ge ringem Aufwand die Energieaufnahme des Schalttransistors bestimmen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in der einzigen Fi gur der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Bei der als Ausführungsbeispiel gezeigten erfindungsgemäßen Steuervorrichtung ist ein Zündelement 1 über einen High-Side- Schalter und einen Low-Side-Schalter an einer Energiequelle angeschlossen, welche beispielsweise durch eine Batterie 2 und einer dazu parallel geschalteten Reihenschaltung aus ei ner Diode 23 und einem Kondensator 3 gebildet wird. Der Low- Side-Schalter besteht im wesentlichen aus einem MOS- Feldeffekttransistor 4 vom n-Kanal-Typ, dessen Sour ceanschluss mit dem negativen Pol der Batterie 2 sowie dem negativen Pol einer Spannungsquelle 5 verbunden ist. Der Drainanschluss des Feldeffekttransistors 4 ist mit einem An schluss des Zündelements 1 verbunden, dessen anderer An schluss mit dem Sourceanschluss eines MOS-Feldeffekttransis tors 6 vom n-Kanal-Typ verbunden ist.

Der Feldeffekttransistor 6 bildet einen wesentlichen Bestand teil des High-Side-Schalters und ist über seinen Drai nanschluss unter Zwischenschaltung der Diode 23 mit dem posi tiven Pol der Batterie 2 gekoppelt. Der Gateanschluss des Feldeffekttransistor 6 ist über einen gesteuerten Schalter 7 auf den Gateanschluss eines MOS-Feldeffekttransistors 8 vom n-Kanal-Typ aufschaltbar. Die Sourceanschlüsse der beiden Feldeffekttransistoren 6 und 8 sind miteinander gekoppelt so wie unter Zwischenschaltung eines Widerstandes 9 mit dem in vertierenden Eingang eines Differenzverstärkers 10 verbunden. Der nicht invertierende Eingang des Differenzverstärkers 10 ist unter Zwischenschaltung eines Widerstandes 11 an den Drainanschluss des Feldeffekttransistors 8 angeschlossen, wo bei der Drainanschluss des Feldeffekttransistors 8 zudem über eine Stromquelle 12 mit dem positiven Pol der Spannungsquelle 5 gekoppelt ist. Der Ausgang des Differenzverstärkers 10 ist über einen Widerstand 13 mit dem nicht invertierenden Eingang eines weiteren Differenzverstärkers 14 gekoppelt, dessen in vertierender Eingang über eine Referenzspannungsquelle 15 mit dem negativen Pol der Spannungsquelle 5 beziehungsweise der Batterie 2 verbunden ist.

Der Ausgang des Differenzverstärkers 14 ist dabei mit dem Ga teanschluss des Feldeffekttransistors 8 derart verbunden, dass der Ausgang des Differenzverstärkers 14 permanent dem Gateanschluss des Feldeffekttransistors 8 verbunden ist und über den Schalter 7 auf den Gateanschluss des Feldeffekttran sistors 6 aufschaltbar ist. Der Ausgang des Differenzverstär kers 14 ist zudem zum einen über einen Widerstand 150 mit dem nicht invertierenden Eingang eines Differenzverstärkers 16 und zum anderen mittels eines gesteuerten Schalters 17 auf den invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 16 auf schaltbar. Der invertierende Eingang des Differenzverstärkers 16 ist dabei über einen Kondensator 18 und der nicht inver tierende Eingang des Differenzverstärkers 16 ist über eine Stromsenke 19 mit dem negativen Pol der Spannungsquelle 5 be ziehungsweise der Batterie 2 gekoppelt. Der Ausgang des Dif ferenzverstärkers 16 steuert schließlich den Schalter 7. Der Schalter 17 sowie der Gateanschluss des Feldeffekttransistors 4 werden durch eine Auswerteschaltung 20 in Angängigkeit von einem Crash-Sensor 21 bei einem Aufprall gelieferten Signal gesteuert.

Die Funktionsweise der gezeigten Steuervorrichtung beruht darauf, dass der Stromfluss durch den Feldeffekttransistor 6 zur Erwärmung desselben führt. Das Siliziumvolumen des Feld effekttransistors 6 dient dabei als thermische Kapazität ei nes Energieintegrators. Eine Änderung der Temperatur des Si liziumvolumens zieht eine proportionale Änderung des Wider standes der Drain-Source-Strecke des Feldeffekttransistors 6 nach sich. Durch entsprechende Ansteuerung des Gateanschlus ses des Feldeffekttransistors 6 wird der Widerstand auf der Drain-Source-Strecke des Feldeffekttransistors 6 konstant gehalten. Die Spannungsänderung, die notwendig ist um den Wi derstand konstant zu halten, ist proportional zur Temperatur und kann damit zur Energieberechnung ausgenutzt werden. Dazu wird beim Einschalten die Gatespannung gespeichert und als Startwert angenommen. Demgegenüber wird dann die Veränderung der Temperatur bestimmt. Überschreitet diese Temperaturände rung einen bestimmten Wert, erfolgt ein kontrolliertes Ab schalten des Feldeffekttransistors C. Durch besondere Maßnah men könnte in gleicher Weise aber auch zusätzlich ein Ab schalten des Feldeffekttransistors 4 erfolgen.

Beim Ausführungsbeispiel wird die Temperaturänderung und da mit die Energieaufnahme im Feldeffekttransistor 6 mittels ei nes Vergleichstransistors, nämlich des Feldeffekttransistors 8, ermittelt, wobei beide Feldeffekttranssitoren 6 und 8 thermisch sehr gut miteinender gekoppelt sind. Mit dem Ein schalten werden die Feldeffektransistoren 6 und 8 eingangsei tig parallel betrieben und dabei der Widerstand auf der Drain-Source-Strecke des Feldeffekttransistors 8 gemessen, indem dieser durch die Stromquelle 12 mit einem Konstantstrom gespeist wird und dazu die Spannung über der Drain-Source- Strecke des Feldeffekttransistors 8 mittels des Differenzver stärkers 10 gemessen wird. Der nachgeschaltete Differenzver stärker 14 dient in Verbindung mit der Referenzspannungsquel le 15 dazu, die schwebende Spannung der Drain-Source-Strecke des Feldeffekttransistors 8 in eine Spannung umzusetzen, die auf die negativen Pole der beiden Batterien 2 und 5 bezogen ist. Am Ausgang des Differenzverstärkers 14 steht somit eine Spannung zur Verfügung, die zur Regelung des Widerstandes auf der Drain-Source-Strecke des Feldeffekttransistors 8 an des sen Gateanschluss angelegt ist.

Durch eingangseitige Parallelschaltung der Feldeffekttransis toren 6 und 8 verhalten sich die Widerstände R₆, R₈ der Drain-Source-Strecken umgekehrt proportional zu den Flächen F₆, F₈ der Feldeffekttransistoren 6 und 8 (R₆.F₆ = F₅.R₈). Die Ansteuerspannung für den Gateanschluss des Feldeffekttransis tors 8 wird darüber hinaus zur Energieberechnung ausgewertet dadurch, dass die vor dem Einschalten auftretende Spannung am Gateanschluss des Feldeffekttransistors 8 in dem Kondensator 18 gespeichert wird und beim Durchschalten der Steuervor richtung durch die Auswerteeinrichtung 20 der Schalter 17 ge öffnet wird. Damit bleibt der bisherige Wert in dem Kondensa tor 18 gespeichert. In diesem Fall sind auch die Ga teanschlüsse der beiden Feldeffekttransistoren 6 und 8 einan der parallel geschaltet, so dass sich Temperaturänderungen beim Feldeffekttransistor 6 auf die Ansteuerspannung für die beiden Gateanschlüsse auswirkt. Diese Änderung wird über ei nem Widerstand 150 auf den Differenzverstärker 16 eingekoppelt, dem zusätzlich ein Strom von der Stromquelle 19 zugeführt wird. Der Strom der Stromquelle 19 markiert dabei einen Tem peraturgrenzwert.

Übersteigt nun der durch den Widerstand 150 fließende Strom in Verbindung mit dem von der Stromquelle 19 bereitgestellten Referenzstrom einen Pegel, der durch die Spannung über dem Kondensator 18 vorgegeben ist, dann schaltet der Differenz verstärker 16 an seinem Ausgang um und trennt den Ga teanschluss des Feldeffekttransistors 6 von dem Gateanschluss des Feldeffekttransistors 8. Dadurch sperrt wiederum der Feldeffekttransistor 6 und der das Zündelement 1 einschlies sende Stromkreis wird gesperrt.

Im Falle der Auslösung des Crashsensors 21 wird folglich die Auswerteschaltung aktiviert, welche dann den Schalter 17 und den Feldeffekttransistor 4 getaktet einschaltet. Das bedeu tet, dass während der Einschaltphase ein mehrmaliges Ein- und Ausschalten erfolgt, während im ausgeschalteten Zustand die Feldeffekttransistoren 4 und 6 permanent gesperrt sind. Die Energie wird somit den Feldeffekttransistoren 4 und 6 in Por tionen zugeführt, wodurch es möglich ist, auch mehrere Zünd kreise (nicht in der Zeichnung dargestellt) aus einem Ener giespeicher, nämlich aus der Batterie 2 in Verbindung mit dem Kondensator 3 zu versorgen. Die Energieimpulse sind vorzugs weise so bemessen, dass ein einzelner Impuls nicht zur Zün dung führen kann.

Nachdem eine ausreichende Menge Energie durch das Zündelement 1 geflossen ist, zündet das Zündelement 1, wodurch ein Airbag 22 aufgeblasen wird. Nach dem Zünden hat das Zündelement 1 entweder einen sehr hohen Widerstand, so dass der Stromfluss durch die Feldeffekttransistoren 4 und 6 ohnehin äußerst ge ring ist, oder aber einen sehr kleinen, einen kurzschluss ähnlichen Widerstand, was eine Aufheizung insbesondere des Feldeffekttransistors 6 zur Folge hat. Durch die Temperatur zunahme wird dann das Zündelement mittels Feldeffekt transistor 6 in der oben beschriebenen Weise abgeschaltet. Folglich wird keine weitere Energie mehr aus der Energiequel le bestehend aus Batterie 2 und/oder Kondensator 3 entnommen, die dann für weitere Zündelemente zur Verfügung steht.

Die durch den Feldeffekttransistor 6 aufgenommene elektrische Energie E in Abhängigkeit vom Drain-Source-Strom I des Feld effekttransistors 6, vom Drain-Source-Widerstand R₆ des Feld effekttransistors 6 und von der Zeit t läßt sich unter der Bedingung, dass die Zeit t so kurz ist, dass die Wärmeablei tung vernachlässigt werden kann, formal wie folgt beschrei ben:

E = I².R₆.t ≈ Q = C.m.ΔT.

Die aufgenommene elektrische Energie E ist darüber hinaus proportional zur Wärmemenge Q, die ihrerseits gleich dem Produkt aus der spezifischen Wärmekapazität C des Feldeffekt transistors 6, der Masse m des Halbleiters und der Tempera turänderung ΔT ist. Der Widerstand R₆ ist dabei proportional dem Produkt aus der Gatespannung U_gs des Feldeffekttransis tors 6 der Temperatur T und einer von der Halbleiterfläche abhängigen Konstante K:

R₆ = K.T/U_gs.

Das bedeutet, dass zum Konstanthalten des Widerstandes R₆ bei sich aufgrund einer Energieaufnahme steigenden Temperatur T die Gatespannung entsprechend nach geregelt werden muß. Die somit notwendige Spannungsänderung kann aber zur Bestimmung der Temperaturänderung und damit zur Bestimmung der aufgenom menen Energie ausgewertet werden.

Eine bestimmte Energie muss also zur korrekten Zündung inner halb einer bestimmten Zeitspanne abhängig von der verwendeten Zündpille zugeführt werden. Wird die gleiche Energie bei spielsweise über einen längeren Zeitraum zugeführt, erfolgt dagegen keine Zündung, da die erforderliche Wärme wieder ab geleitet wird und die zum Zünden erforderliche Temperatur (ca. 300 Grad Celcius am Zünddraht) nicht erreicht wird.

Claims

1. Steuervorrichtung für ein Insassenschutzmittel mit
einer Zündpille zur Aktivierung des Insassenschutzmit tels,
einer Energiequelle zum Bereitstellen einer Versorgungs spannung für die Zündpille,
einem Schalttransistor zum Aufschalten der Zündpille auf die Energiequelle, wobei die gesteuerte Strecke des Schalt transistors, die Energiequelle und die Zündpille in Reihe zu einander geschaltet sind, und
einer dem Steueranschluß des Schalttransistors vorge schaltete Ansteuerschaltung, die den Schalttransistor derart steuert,
daß der Widerstand der gesteuerten Strecke im eingeschal teten Zustand des Transistors konstant gehalten wird, das da bei am Steueranschluß anliegende Signal ausgewertet wird, aus dem Signal am Steueranschluß die im Schalttransistor umge setzte Energie ermittelt wird und bei Erreichen eines vorge gebenen Energiegrenzwertes innerhalb einer bestimmten Zeit der Schalttransistor abgeschaltet wird.

2. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, bei der eine Kapazität der Energiequelle parallel geschaltet ist.

3. Steuervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Steueranschaltung mit einem Sensor verbunden ist und bei be stimmten Signalen des Sensors den Schalttransistor durch schaltet.

4. Steuervorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Steuer schaltung den Schalttransistor getaktet durchschaltet.

5. Steuervorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Steuerschaltung einen Vergleichstransistor auf weist, dessen gesteuerte Strecke durch eine Stromquelle ge speist wird und bei dem zur Ermittlung des Widerstandes auf der gesteuerten Strecke des Schalttransistors der Widerstan des auf der gesteuerten Strecke des Vergleichstransistors durch Bestimmen der Spannung über der gesteuerten Strecke des Vergleichstransistors ermittelt wird.

6. Steuervorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Steuerschaltung einen Vergleichstransistor auf weist, wobei
bei ausgeschaltetem Schalttransistor der Widerstand auf der gesteuerten Strecke des Vergleichstransistors ermittelt wird,
der jeweils aktuelle Widerstandswert beim Einschalten des Schalttransistors gespeichert wird,
beim Einschalten der Steueranschluß des Schalttransistors mit dem Steueranschluß des Vergleichstransistors gekoppelt wird und
nachfolgend der Spannungswert an den gekoppelten Steuer anschlüssen von Schalttransistor und Vergleichstransistor ge genüber dem gespeicherten Spannungswert des Vergleichstransi tors beim Einschalten geregelt wird.