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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Erhöhen der Freilaufspannung einer induktiven Last und eine Endstufe mit einer solchen Schaltungsanordnung.
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Stand der Technik
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Schaltungsanordnungen zum Ansteuern von Lasten finden oftmals Anwendung im Kraftfahrzeugbereich. Beispielsweise können in Kraftfahrzeugen Lasten vorgesehen sein, welche durch Highside- oder Lowside-Schalter in Endstufen angesteuert werden können. Derartige Lasten können insbesondere auch induktive Lasten, wie magnetische Aktoren, beispielsweise Einspritzventile, sein.
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Beispielsweise für die Ansteuerung von Saugrohr-Einspritzventilen können MOSFET-Lowside-Schalter in Form von Endstufen-ASIC verwendet werden. Die Ventile werden üblicherweise im Ein/Aus- Modus mit einer maximalen Frequenz von z.B. 50 Hz betrieben. Für eine genaue Dosierung der Einspritzmenge ist es erforderlich, dass der Zustand des Ventils dem Schaltsignal im Wesentlichen verzögerungsfrei folgt. Die
US 8468810 B2 schlägt vor, zum schnelleren Ausschalten eines Injektors für ein Abgasnachbehandlungssystem die Spannung über dem Ventil mittels einer zusätzlichen Spannungsquelle zu erhöhen.
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Um ein schnelles Entmagnetisieren zu erreichen, kann auch nach dem Öffnen der Endstufe (Schalten in den nicht-leitenden Zustand) eine möglichst hohe Freilaufspannung (Induktionsspannung nach dem Öffnen des Schalters) zugelassen werden, damit der Strom durch das Ventil möglichst schnell abklingt und das Ventil definiert schnell schließt. Eine solche hohe Freilaufspannung ist beispielsweise durch eine Schutzbeschaltung umfassend eine in Sperrrichtung betriebene Zenerdiode in Reihe mit einer Diode parallel zur Drain-Gate-Strecke des Halbleiterschalters möglich. Die Drain-Source-Spannung und damit die Freilaufspannung werden dadurch im Wesentlichen auf die Summe aus der Zenerspannung und der Schwellspannung der Diode geklemmt.
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Die maximale Freilaufspannung ist jedoch durch die Bauart des Endstufenbausteins, insbesondere die verwendeten Dioden, festgelegt, wobei hier Werte von z.B. 50 V möglich sind. Sind höhere Freilaufspannungen erwünscht, muss der komplette Endstufenbaustein neu designt werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Schaltungsanordnung zum Erhöhen der Freilaufspannung einer induktiven Last und eine Endstufe aufweisend eine solche Schaltungsanordnung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Im Rahmen der Erfindung wird nun eine Schaltungsanordnung vorgestellt, die einem herkömmlichen Endstufenbaustein vorgeschaltet werden kann, also beispielsweise zwischen Last und Lastanschluss des Endstufenbausteins, und dazu dient, die Freilaufspannung zu erhöhen. Der Endstufenbaustein selbst kann unverändert bleiben. Seine Funktionen, insbesondere auch hinsichtlich einer Diagnose von Fehlern (z.B. offene Last, überbrückter Schalter, Massekurzschluss, Spannungskurschluss), werden nicht beeinträchtigt. Auch der Einschaltvorgang wird nicht negativ beeinflusst. Somit schlägt die Erfindung eine effektive und vor allem kostengünstige Möglichkeit zur Erhöhung der Freilaufspannung vor. Somit kann eine Art von Endstufenbaustein für unterschiedliche Anwendungen mit unterschiedlichen Freilaufspannungen verwendet werden. Dies ist insbesondere bei Mehrfach-Endstufenbausteinen vorteilhaft, die zahlreiche identische Endstufenschaltungen aufweisen und von denen nun ein Teil mit der designgemäßen Freilaufspannung und ein anderer Teil mit einer erhöhten Freilaufspannung betrieben werden kann. Ebenso ist dies vorteilhaft, um den gleichen Endstufenbaustein für unterschiedliche Anwendungsfälle, z.B. unterschiedliche Einspritzventile mit unterschiedlichen Freilaufspannungen, verwenden zu können.
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Erreicht wird dies dadurch, dass die Schaltungsanordnung einen Lastanschluss (zur Last) und einen Masseanschluss (zum Endstufenbaustein) aufweist, zwischen denen ein Halbleiterschalter mit seinen beiden Arbeitsanschlüssen (z.B. Drain/Source bzw. Emitter/Kollektor) und eine Schutzbeschaltung geschaltet ist, wobei die Schutzbeschaltung zwischen einem Steueranschluss (z.B. Gate oder Basis) des Halbleiterschalters und dem Lastanschluss der Schaltungsanordnung geschaltet und dazu eingerichtet ist, die zwischen dem Lastanschluss und dem Steueranschluss abfallende Spannung auf einen Freilaufspannungserhöhungswert zu klemmen. Die gesamte Freilaufspannung setzt sich dann zusammen aus der Freilaufspannung, die der Endstufenbaustein zulässt, und dem Freilaufspannungserhöhungswert.
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Vorzugsweise weist die Schutzbeschaltung eine in Sperrrichtung betriebene Zenerdiode in Reihe mit einer Diode auf. Der Freilaufspannungserhöhungswert setzt sich dann zusammen im Wesentlichen aus der Höhe der Zenerspannung, der Schwellspannung der Diode und der Spannung zwischen dem Steueranschluss und dem lastseitigen Arbeitsanschluss des Halbleiterschalters (Gate-Source-Spannung bei MOSEFT). Vorteilhaft sind hier die sehr geringe Abfallverzögerung und der einfache Schaltungsaufbau.
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Vorzugsweise weist die Schaltungsanordnung eine Steuerspannungsversorgung für den Steueranschluss des Halbleiterschalters und ein Spannungsabfallselement, insbesondere ein Widerstandselement, zwischen dem Steueranschluss des Halbleiterschalters und dem Masseanschluss auf. Dies dient dazu, dass der Halbleiterschalter in Abhängigkeit von dem am Massenanschluss anliegenden Potential eingeschaltet wird, und er somit dem nachgeschalteten Endstufenbaustein folgen kann. Schaltet der Schalter im Endstufenbaustein ein, stellt sich am Masseanschluss der Schaltungsanordnung Massepotential ein und am Steueranschluss liegt im Wesentlichen die Steuerspannung an. Der Halbleiterschalter der Schaltungsanordnung schaltet ebenfalls ein. Vorzugsweise weist die Steuerspannungsversorgung eine Steuerspannungsquelle auf, die durch eine Diode vor einer Rückspeisung aus dem Laststromkreis geschützt ist.
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Vorzugsweise weist die Schaltungsanordnung ein parallel zum Halbleiterschalter geschaltetes Leitelement auf, das einen stromleitenden Zustand der Schaltungsanordnung zwischen Lastanschluss und Masseanschluss auch für den Fall, dass der Halbleiterschalter in einem nicht-leitenden Zustand ist, sicherstellt. Hierzu eignet sich besonders bevorzugt ein einfaches Widerstandselement. Diese Maßnahme stellt insbesondere sicher, dass Diagnosefunktionen des nachgeschalteten Endstufenbausteins, die im ausgeschalteten Zustand eine Spannung an die Last anlegen, z.B. zur Erkennung von Fehlern wie offene Last, überbrückter Schalter, Massekurzschluss, Spannungskurschluss, weiter funktionieren.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Endstufe aufweisend einen herkömmlichen Endstufenbaustein und eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zum Erhöhen der Freilaufspannung einer induktiven Last.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Endstufe schaltplanartig dargestellt und mit 100 bezeichnet. Die Endstufe 100 weist einen Endstufenbaustein 10 und eine diesem vorgeschaltete Schaltungsanordnung 20 zum Erhöhen der Freilaufspannung einer induktiven Last 1, beispielsweise eines Einspritzventils, auf. Im gezeigten Beispiel handelt es sich um eine Lowside-Schaltung, bei der die Last 1 dauerhaft mit Versorgungsspannung verbunden ist und die Endstufe 100 zwischen Last 1 und Masse geschaltet ist.
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Der Endstufenbaustein 10 weist einen Halbleiterschalter S1 auf, um eine leitende Verbindung zwischen Arbeitsanschlüssen 11 und 12 herzustellen oder aufzutrennen. Zur Ansteuerung des Halbleiterschalters S1 verfügt der Endstufenbaustein 10 über eine Kontrolllogik 13, die neben der Funktion F1 der Ansteuerung des Halbleiterschalters S1 noch weitere Funktionen erfüllen kann. Insbesondere handelt es sich dabei um Diagnosefunktionen zur Fehlererkennung, beispielsweise Über-Temperatur F2, „offene Last“ F3, Massekurzschluss F4, Überstrombegrenzung F5 und Versorgungsspannungskurzschluss F6. Zur Gewährleistung der Diagnosefunktion verfügt der Endstufenbaustein 10 über ein Diagnoseschaltungsteil 14.
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Zur Bereitstellung einer ausreichend hohen Freilaufspannung für den Fall, dass von dem Endstufenbaustein 10 induktive Lasten geschaltet werden, verfügt der Endstufenbaustein 10 auch über eine entsprechende Schutzbeschaltung 15, welche eine in Sperrrichtung geschaltete Zenerdiode in Reihe mit einer Diode aufweist.
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In Situationen, in denen die von der Schutzbeschaltung 15 definierte Freilaufspannung zu niedrig ist, kann nun die Schaltungsanordnung 20 in Art eines Vorschaltmoduls dem Endstufenbaustein 10 vorgeschaltet werden.
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Die Schaltungsanordnung 20 verfügt über einen Lastanschluss 21 zur Last 1 und einen Masseanschluss 22 zum Endstufenbaustein 10. Zwischen dem Lastanschluss 21 und dem Masseanschluss 22 ist ein Halbleiterschalter S2 mit seinen beiden Arbeitsanschlüssen D, S, z.B. ein MOSFET mit Drain und Source, geschaltet. Der Steueranschluss (Gate) G des Halbleiterschalters S2 ist über eine Schutzbeschaltung 30 mit dem Lastanschluss 21 verbunden. Die Schutzbeschaltung 30 weist eine in Sperrrichtung geschaltete Zenerdiode 31 in Reihe mit einer Diode 32 auf. Die Schutzbeschaltung 30 klemmt die abfallende Spannung auf die Summe aus der Höhe der Zenerspannung und der Schwellspannung der Diode.
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Die Schutzbeschaltung 20 weist weiterhin eine Steuerspannungsversorgung 40 für den Steueranschluss G des Halbleiterschalters S2 auf. Die Steuerspannungsversorgung weist eine Reihenschaltung aus einer Steuerspannungsquelle VS, einem Widerstandselement 41 und einer Diode 42 als Rückspeiseschutz an dem Steueranschluss G sowie ein hier als Widerstandselement 43 ausgebildetes Spannungsabfallselement zwischen dem Steuerspannungsanschluss G und dem Masseanschluss 22 auf.
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Weiterhin weist die Schutzbeschaltung 20 ein parallel zum Halbleiterschalter S2 geschaltetes Leitelement auf, welches hier als Widerstandselement 50 ausgebildet ist. Das Widerstandselement 50 stellt einen stromleitenden Zustand der Schaltungsanordnung zwischen Lastanschluss 21 und Masseanschluss 22 auch für den Fall sicher, dass der Halbleiterschalter S2 in einem nicht-leitenden Zustand ist. Dadurch wird die Funktionalität der Diagnoseschaltung 14 im Endstufenbaustein 10 aufrechterhalten.
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Schließlich verfügt die Schutzbeschaltung 20 im vorliegenden Beispiel auch über einen Kondensator 60 zum ESD-Schutz (elektrostatische Entladung, englisch: electrostatic discharge) auf.
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Ausgehend von dem offenen Zustand des Schalters S1 im Endstufenbaustein 10 stellt sich am Masseanschluss 22 (in Abhängigkeit von den beteiligten Widerständen der Bauteile der Schaltungsanordnung 20 und der Last 1) im Wesentlichen das Batteriepotential Ubat ein. Die Gate-Source-Spannung am Halbleiterschalter S2 ist negativ und der Halbleiterschalter S2 leitet ebenfalls nicht.
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Wird der Halbleiterschalter S1 in den leitenden Zustand geschaltet, sinkt das Potential am Masseanschluss 22 in Richtung Masse ab. Die Gate-Source-Spannung am Halbleiterschalter S2 wird irgendwann ausreichend positiv und der Halbleiterschalter S2 schaltet ebenfalls in den leitenden Zustand.
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Nach dem Öffnen des Halbleiterschalters S1 steigt das Potential am Masseanschluss 22 durch den abklingenden Laststrom stark an, bis die Spannung über dem Halbleiterschalter S1 auf den durch die Schutzbeschaltung 15 definierten Wert geklemmt wird. In gleicher Weise steigt die Spannung über dem Halbleiterschalter S2 an, bis die Schutzbeschaltung 30 auf den dadurch definierten Spannungserhöhungswert geklemmt wird. Die gesamte (negative) Freilaufspannung über der Last 1 setzt sich somit zusammen aus der Summe aus Klemmspannung des Endstufenbausteins 10 und Klemmspannung bzw. Freilauferhöhungsspannung der Schaltungsanordnung 20 abzüglich der Versorgungsspannung Ubat.
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Auf diese Weise kann ein schnelleres Löschen des Laststroms als ohne Schaltungsanordnung bewirkt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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