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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein die Spannungsversorgung für ein Kraftfahrzeug-Steuergerät. Konkret wird ein Ansatz zur Unterdrückung von Spannungstransienten in einem Fahrzeugbordnetz angegeben.
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Hintergrund
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In modernen Fahrzeugen werden elektronische Steuergeräte (Electronic Control Units, ECUs) beispielsweise zur elektrischen Ansteuerung von Aktuatoren eingesetzt. Die elektronischen Steuergeräte umfassen hierbei eine Vielzahl von Mikroprozessoren und integrierten Schaltkreisen, welche Signale von Fahrzeugsensoren auswerten und auf Basis dieser Sensorsignale die Aktuatoren elektrisch ansteuern. Beispielsweise können elektronische Steuergeräte zur elektrischen Motorsteuerung (Einspritzregelung, Lambda-Regelung, elektrische Drosselklappensteuerung), zur elektrischen Getriebesteuerung, ABS-Regelung, Airbag-Regelung, Klimaregelung, Lichtsteuerung, usw. eingesetzt werden.
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Ein elektronisches Kraftfahrzeug-Steuergerät wird über das Fahrzeugbordnetz in der Regel mit einer Nominalspannung von 12 V elektrisch versorgt. Ein wesentliches Problem im Zusammenhang mit Fahrzeugbordnetzen besteht darin, dass kurzzeitige Spannungseinbrüche (z. B. beim Starten eines Fahrzeugs) sowie Spannungstransienten (Überspannungspulse) auftreten können, welche den Betrieb des elektronischen Steuergeräts beeinträchtigen. Insbesondere kurzzeitige Spannungstransienten, deren Spannungswerte teilweise ein Vielfaches der Nominalspannung des Fahrzeugbordnetzes erreichen, können zur Beschädigung eines elektronischen Steuergeräts und somit zum Ausfall wichtiger Fahrzeugfunktionen, wie beispielsweise zum Ausfall der ABS-Regelung, führen.
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In der
WO 99/44267 wird eine Spannungsversorgungsschaltung für ein elektronisches Steuergerät gelehrt, welche dazu ausgebildet ist, Spannungstransienten zu begrenzen. Hierfür umfasst der Schaltkreis einen Transistor, der zwischen einer Spannungsquelle (Autobatterie) und einer Spannungsreglereinheit des elektronischen Steuergeräts angeordnet ist und zum Begrenzen von Transienten bei Lastabfällen eingesetzt wird.
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Kurzer Abriss
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, welche ein elektronisches Kraftfahrzeug-Steuergerät gegenüber auftretenden Spannungstransienten im Fahrzeugbordnetz effektiv schützen.
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Hierfür wird eine Spannungsversorgungsschaltung für ein elektronisches Steuergerät eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt, wobei die Schaltung zur Anordnung zwischen einer Spannungsquelle und dem elektronischen Steuergerät vorgesehen ist und folgende Komponenten umfasst: eine Spannungsreglereinheit, welche dazu ausgebildet ist, Spannungstransienten zu begrenzen und eine vorgegebene Spannung Vaus für das elektronische Steuergerät auszugeben, und eine Komparatoreinheit, welche dazu ausgebildet ist, Spannungstransienten mit einem Spannungsschwellenwert zu vergleichen und die Spannungsreglereinheit in einen sperrenden Zustand überzuführen, wenn ein Spannungstransient den Spannungsschwellenwert überschreitet.
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Die Spannungsreglereinheit kann dazu ausgebildet sein, im sperrenden Zustand die Ausgabe der vorgegebenen Spannung Vaus und damit die Spannungsversorgung für das elektronische Steuergerät (zeitweilig) zu unterbrechen. Die Spannungsreglereinheit kann somit unter Kontrolle der Komparatoreinheit als Schalter betrieben werden. Der Spannungsschwellenwert kann hierbei fest vorgegeben oder durch die Komparatoreinheit dynamisch eingestellt werden.
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Die Spannungsreglereinheit kann einen ersten Transistor mit einem ersten Anschluss für die Spannungsquelle, einem zweiten Anschluss für das elektronische Steuergerät und einem Steueranschluss für die Komparatoreinheit umfassen. Der erste Transistor kann somit zwischen der Spannungsquelle (bzw. dem Fahrzeugbordnetz) und dem elektronischen Steuergerät angeordnet sein. Ferner kann der erste Transistor über den Steueranschluss Steuersignale der Komparatoreinheit empfangen. Der erste Transistor kann als Bipolartransistor oder Feldeffekttransistor ausgebildet sein. Entsprechend erfolgt die Steuerung mittels der Komparatoreinheit strom- oder spannungsgesteuert.
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Die Komparatoreinheit kann den ersten Transistor zwischen dem ersten und zweiten Anschluss von einem leitenden in einen nicht-leitenden, sperrenden Zustand schalten, wenn ein (kurzzeitig) auftretender Spannungstransient im Fahrzeugbordnetz den Spannungsschwellenwert überschreitet. Dabei kann die Komparatoreinheit den ersten Transistor mit einem entsprechenden Steuersignal (Spannungspuls oder Strompuls) versorgen, wodurch der erste Transistor zwischen dem ersten und zweiten Anschluss nicht-leitend, also sperrend wird. Auf diese Weise kann das mit dem zweiten Anschluss des ersten Transistors in Verbindung stehende elektronische Steuergerät von der Spannungsquelle elektrisch entkoppelt werden. Der nicht-leitende, sperrende Zustand am ersten Transistor wird dabei zumindest so lange aufrecht erhalten, bis der Spannungstransient abgeklungen ist oder dessen Spannungswert den Spannungsschwellenwert unterschreitet. Auf diese Weise kann das elektronische Steuergerät vor hohen Spannungstransienten geschützt werden, indem das elektronische Steuergerät mit Hilfe des ersten Transistors kurzzeitig von der Spannungsquelle getrennt wird.
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Die Spannungsreglereinheit kann ferner eine Referenzspannungsquelle umfassen, welche ausgangsseitig mit dem Steueranschluss des ersten Transistors elektrisch gekoppelt sein kann. Ferner kann die Spannungsreglereinheit zur elektrischen Versorgung eingangsseitig an die Spannungsquelle gekoppelt sein. Die Spannungsreglereinheit ist dazu ausgebildet ist, unabhängig von auftretenden Spannungstransienten den ersten Transistor mit einem konstanten Steuersignal (Steuerspannung oder Steuerstrom) zu versorgen, auf Basis dessen der erste Transistor Spannungstransienten mit Amplituden kleiner oder gleich dem Spannungsschwellenwert auf eine vorgegebene Ausgangsspannung Vaus regelt.
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Die Referenzspannungsquelle kann beispielsweise eine Zener-Diode (Z-Diode) mit einem zur Strombegrenzung vorgeschalteten ersten Widerstand umfassen. Die Zener-Diode wird hierbei in Sperrrichtung oberhalb ihrer Durchbruchspannung betrieben, so dass eine konstante Spannung zwischen einer Kathode und Anode der Zener-Diode abgegriffen werden kann. Die Kathode kann mit dem Steueranschluss des ersten Transistors elektrisch gekoppelt sein, wodurch am Steueranschluss eine konstante Steuerspannung (bzw. konstantes Steuerpotenzial) bereitgestellt wird. Anstelle einer Zener-Diode kann die Referenzspannungsquelle einen Operationsverstärker umfassen, welcher den ersten Transistor mit einem konstanten Steuersignal versorgt.
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Die Komparatoreinheit kann einen Spannungsteiler und einen mit dem Spannungsteiler elektrisch gekoppelten zweiten Transistor umfassen. Der Spannungsteiler kann einen zweiten Widerstand und einen zum zweiten Widerstand in Reihe angeordneten dritten Widerstand beinhalten. Der zweite Widerstand und der dritte Widerstand können hierbei über ihre ersten Anschlüsse miteinander und mit einem Steueranschluss des zweiten Transistors elektrisch gekoppelt sein. Ferner ist der Spannungsteiler über jeweilige zweite Anschlüsse der beiden Widerstände an das Fahrzeugbordnetz elektrisch gekoppelt.
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Der zweite Transistor kann ferner ausgangsseitig mit dem Steueranschluss des ersten Transistors elektrisch gekoppelt sein. Zusätzlich kann der zweite Transistor ausgangsseitig mit der Kathode der Zener-Diode elektrisch gekoppelt sein. Der zweite Transistor kann ferner eingangsseitig geerdet oder mit einer Referenzleitung elektrisch gekoppelt sein.
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Die über den Spannungsteiler abfallende Spannung des Fahrzeugbordnetzes kann als Steuerspannung für den zweiten Transistor verwendet werden. Konkret kann die über den dritten Widerstand des Spannungsteilers abfallende Teilspannung als Steuersignal dem Steueranschluss des zweiten Transistors zugeführt werden. Übersteigt diese Teilspannung eine Transistorschwellspannung, so kann der zweite Transistor von einem nicht-leitenden, sperrenden Zustand in einen leitenden Zustand schalten.
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Befindet sich der zweite Transistor zwischen seinem eingangsseitigen und ausgangsseitigen Anschluss im leitenden Zustand, so wird eine am Steueranschluss des ersten Transistors angelegte Steuerspannung auf das am zweiten Transistor eingangsseitig anliegende Massepotenzial bzw. Referenzpotenzial gezogen. Durch diese Potenzialänderung (Spannungsänderung) am Steueranschluss des ersten Transistors wird dieser in einen nicht-leitenden, sperrenden Zustand geschaltet, wodurch der erste Transistor zwischen dem ersten und zweiten Anschluss elektrisch nicht-leitend wird. Auf diese Weise kann das elektronische Steuergerät vom Fahrzeugbordnetz elektrisch getrennt werden.
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Erreicht oder unterschreitet hingegen die am Spannungsteiler abfallende Spannung den vorgegebenen Spannungsschwellenwert, so kann der zweite Transistor in einen nicht-leitenden, sperrenden Zustand geschaltet werden. In diesem Fall kann eine am Steueranschluss des ersten Transistors aufgebaute Steuerspannung nicht über den zweiten Transistor (durch Aufbau einer Kurzschlussleitung über den zweiten Transistor) abgebaut werden. Am ersten Transistor kann dann eine durch die Referenzspannungsquelle aufgebaute, konstante Spannung anliegen, welche den ersten Transistor in einem leitenden Zustand hält. Im leitenden Zustand kann hierbei der erste Transistor als regelbarer Widerstand betrieben werden, welcher Spannungstransienten, die den Spannungsschwellenwert nicht überschreiten, auf einen vorgegebenen Spannungswert begrenzt.
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Der zweite Transistor kann als Bipolartransistor oder Feldeffekttransistor ausgebildet sein. Es ist auch denkbar, dass anstelle der Verwendung eines Transistors unter Ausnutzung einer Transistorschwellspannung ein Operationsverstärker zum Vergleichen der Spannungstransienten mit dem Spannungsschwellenwert und zum spannungsabhängigen Ansteuerung der Spannungsreglereinheit implementiert wird.
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Es wird ferner ein System bereitgestellt, welches ein elektronisches Steuergerät für ein Kraftfahrzeug und eine an einem Versorgungseingang des elektronischen Steuergeräts vorgeschaltete Spannungsversorgungsschaltung gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst.
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Es wird ferner ein Verfahren zum Steuern einer Spannungsreglereinheit für ein elektronisches Steuergerät eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt, wobei die Spannungsreglereinheit zum Begrenzen von Spannungstransienten und zum Ausgeben einer vorgegebenen Spannung Vaus vorgesehen ist und wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Vergleichen von Spannungstransienten mit einem Spannungsschwellenwert und Überführen der Spannungsreglereinheit in einen sperrenden Zustand, wenn ein Spannungstransient den Spannungsschwellenwert überschreitet. Die Spannungstransienten können hierbei in einer Komparatoreinheit (50) verglichen werden, welche mit der Spannungsreglereinheit (20) elektrisch gekoppelt ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile ergeben sich aus den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie aus den Zeichnungen. Es zeigen:
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1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Spannungsversorgungsschaltung; und
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2 eine beispielhafte Ausführung der Spannungsversorgungsschaltung von 1.
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Detaillierte Beschreibung
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1 zeigt in Form eines Blockschaltbildes ein Ausführungsbeispiel einer Spannungsversorgungsschaltung 100 für ein elektronisches Steuergerät eines Kraftfahrzeugs. Die Spannungsversorgungsschaltung 100 ist zwischen einer Spannungsquelle in Form einer Fahrzeugbatterie bzw. dem Fahrzeugbordnetz (nicht dargestellt) und dem elektronischen Steuergerät (nicht dargestellt) angeordnet und ist eingangsseitig an die Spannungsquelle und ausgangsseitig an das elektronische Steuergerät (nicht dargestellt) elektrisch gekoppelt.
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Die Spannungsversorgungsschaltung 100 umfasst eine Spannungsreglereinheit 20 mit einem Transistor 10 und einer Referenzspannungsquelle 30, eine Komparatoreinheit 50 sowie eine Versorgungsleitung 1 und Masseleitung 3.
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Der Transistor 10 der Spannungsreglereinheit 20 ist in Reihe zum elektronischen Steuergerät angeordnet. Hierbei mündet die mit dem Fahrzeugbordnetz in elektrischer Verbindung stehende Versorgungsleitung 1 in einen ersten Anschluss 11 des Transistors 10. An einem zweiten Anschluss 12 des Transistors 10 setzt sich die Versorgungsleitung 1 fort und mündet in einem Versorgungseingang des elektronischen Steuergeräts (nicht gezeigt). Ferner ist der Transistor 10 mit einem Steueranschluss 13 über eine erste elektrische Leitung 5 an einen Ausgang 35 der Referenzspannungsquelle 30 und über eine zweite elektrische Leitung 7 an einen Ausgang 58 der Komparatoreinheit 50 elektrisch gekoppelt. Die Komparatoreinheit 50 und die Referenzspannungsquelle 30 sind jeweils eingangsseitig mit der Versorgungsleitung 1 und der Masseleitung 3 elektrisch gekoppelt.
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Die Referenzspannungsquelle 30 ist dazu ausgebildet, den Transistor 10 unabhängig von der Höhe auftretender Spannungstransienten mit einer konstanten Steuerspannung zu versorgen, so dass der Transistor 10 in einem leitenden Zustand als regelbarer Widerstand betrieben werden kann. Der Transistor 10 regelt hierbei die am ersten Anschluss 11 anliegende Eingangsspannung Vein auf einen vorgegebenen Spannungswert Vaus. Der Transistor 10 begrenzt somit auftretende Spannungstransienten (z. B. Spannungsspitzen) und stellt ausgangsseitig eine konstante Ausgangsspannung Vaus für das elektronische Steuergerät bereit.
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Die Komparatoreinheit 30 vergleicht Spannungstransienten in der Versorgungsleitung 1 mit einem Spannungsschwellenwert. Wird dieser Spannungsschwellenwert durch einen Spannungstransienten überschritten, so gibt die Komparatoreinheit 30 ein Steuersignal an den Steueranschluss 13 des Transistors 10 aus, wodurch der Transistor 10 in einen nicht-leitenden (also sperrenden) Zustand geschaltet wird. Die Versorgungsleitung 1 wird dabei am Transistor 10 elektrisch unterbrochen. Mit anderen Worten gibt der Transistor 10 an seinem zweiten Anschluss 12 keine Ausgangsspannung Vaus aus. Der Transistor dient somit als Trennelement, welches das elektronische Steuergerät vom Fahrzeugbordnetz trennt. Der Transistor 10 bleibt dabei solange im nicht-leitenden Zustand, bis der Spannungstransient im Fahrzeugbordnetz abgebaut ist oder die Amplitude des Spannungstransienten den vorgegeben Spannungsschwellenwert erreicht bzw. unterschreitet.
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Anhand von 2 wird ein exemplarischer Aufbau und das Zusammenwirken der Komponenten der Spannungsversorgungsschaltung 100 genauer beschrieben.
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Die Referenzspannungsquelle 30 umfasst einen ersten Widerstand 32 und eine dazu in Reihe geschaltete, in Sperrrichtung betriebene Zener-Diode 34. Die Zehner-Diode 34 ist hierbei über ihre Anode 37 an die Masseleitung 3 und über ihre Kathode 35 an den Steueranschluss 13 des Transistors 10 und an einen Anschluss des ersten Widerstands 32 elektrisch gekoppelt. Der erste Widerstand 32 ist seinerseits über einen weiteren Anschluss an die Versorgungsleitung 1 elektrisch gekoppelt.
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Die über den ersten Wiederstand 32 und die Zener-Diode 34 abfallende Spannung entspricht der im Fahrzeugbordnetz bereitgestellten Spannung. Die in Sperrrichtung angeordnete Zener-Diode 34 wird dabei oberhalb einer sogenannten Durchbruchspannung UZ (typischerweise 2–5 V für Silizium-basierte Dioden) betrieben. In diesem Betriebsmodus ist die Zener-Diode 34 leitfähig, wobei die über die Zener-Diode 34 abfallende Spannung konstant bleibt. Spannungstransienten im Fahrzeugbordnetz wirken sich somit nur auf die über den ersten Widerstand 32 abfallende Teilspannung, nicht jedoch auf die über die Zener-Diode 34 abfallende Spannung aus. Somit kann an der Kathode 35 ein von Spannungstransienten unabhängiges konstantes Potenzial abgegriffen werden.
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Der Transistor 10 ist als Feldeffekttransistor mit einem Source-, Drain- und Gate-Anschluss 11, 12, 13 ausgebildet. Der Gate-Anschluss 13 ist über die erste elektrische Leitung 5 mit der Kathode 35 der Zener-Diode 34 elektrisch gekoppelt. Somit liegt am Gate-Anschluss 13 das an der Kathode abgegriffene, konstante elektrische Potenzial an, welches den ersten Transistor 10 in einen leitenden Zustand schaltet. Im leitenden Zustand regelt der erste Transistor die am Source-Anschluss 11 anliegende Eingangsspannung Vein auf einen konstanten Spannungswert und gibt diesen Spannungswert als Ausgangsspannung Vaus an der Drain-Elektrode 12 aus.
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Die Komparatoreinheit 20 umfasst einen Spannungsteiler mit einem zweiten Widerstand 52 und einem dritten Widerstand 54 sowie einen zweiten Transistor 56, welcher als npn-Bipolartransistor ausgebildet ist. Der zweite Widerstand 52 und der dritte Widerstand 54 sind dabei über einen jeweiligen ersten Anschluss 51a, 51b miteinander und mit einem Basis-Anschluss 57 des npn-Bipolartransistors 56 elektrisch gekoppelt. Ferner ist der Spannungsteiler über einen zweiten Anschluss 53a des zweiten Widerstandes 52 an die Versorgungsleitung 1 und über einen zweiten Anschluss 53b des dritten Widerstandes 54 an die Masseleitung 3 elektrisch gekoppelt. Der npn-Bipolartransistor 56 ist ferner über dessen Emitter-Anschluss 59 an die Masseleitung 3 und über dessen Kollektor-Anschluss 58 an die Kathode 35 der Zener-Diode 34 und an den Gate-Anschluss 13 des Feldeffekttransistors 10 elektrisch gekoppelt.
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Am Spannungsteiler wird die im Fahrzeugbordnetz auftretende Spannung (d. h. die Eingangsspannung Vein) in zwei Teilspannungen aufgeteilt. Dabei entspricht die über dem dritten Widerstand 54 abfallende Teilspannung der zwischen dem Basis- und dem Emitter-Anschluss 57, 59 anliegenden Spannung. Übersteigt nun die zwischen Basis und Emitter anliegende Spannung eine Transistorschwellspannung, so schaltet der npn-Bipolartransistor 56 von einem nicht-leitenden in einen leitenden Zustand. Die über den dritten Widerstand 54 abfallende Teilspannung (und somit die zwischen der Basis 57 und dem Emitter 59 anliegende Spannung) korreliert dabei mit der über den Spannungsteiler abfallenden Eingangsspannung Vein. Auf diese Weise kann bei genügend hoher Eingangsspannung Vein, d. h. oberhalb eines bestimmten Schwellenwerts, der npn-Bipolartranistor 56 zwischen Kollektor-Anschluss 58 und Emitter-Anschluss 59 in einen leitenden Zustand geschaltet werden.
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Bei leitender Kollektor-Emitter-Strecke wird nun das über die Zener-Diode 34 am Gate-Anschluss 13 aufgebaute Potenzial auf Masse gezogen. Mit anderen Worten wird über den npn-Bipolartransistor 56 im leitenden Zustand eine Kurzschlussleitung bereitgestellt, welche das am Gate-Anschluss 11 konstant anliegende Potenzial abbaut. Durch den Potenzialabbau am Gate-Anschluss 13 wird der Feldeffekttransistor 10 in einen nicht-leitenden (also sperrenden) Zustand geschaltet, wodurch die Versorgungsleitung 1 elekrtisch unterbrochen wird. Andererseits schaltet der npn-Bipolartransistor 56 wieder in den nicht-leitenden (sperrenden) Zustand (und der an den npn-Bipolartransistor 56 über den Gate-Anschluss 13 gekoppelte Feldeffekttransistor 10 in den leitenden Zustand), sobald die über den Spannungsteiler abfallende Eingangsspannung Vein den Schwellenwert erreicht oder unterschreitet.
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Auf diese Weise fungiert die Spannungsversorgungsschaltung 100 sowohl als Spannungsregler (Spannungsbegrenzer) als auch als ein vom Spannungswert des auftretenden Spannungstransienten abhängiges Trennelement oder Schalter zum Schutz sowohl des Steuergeräts als auch des ersten Transistors 10 der Spannungsreglereinheit 20. Die Spannungsversorgungsschaltung zeichnet sich dabei durch einen kompakten und bauteiloptimierten Aufbau aus, welche mit wenigen, preiswerten Bauteilen auskommt.
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Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung nicht von der konkreten Ausführung der elektronischen Bauteile abhängt. Insbesondere können beliebige Transistoren für die Spannungsversorgungsschaltung benutzt werden. Ferner kann die Komparatorfunktion der Komparatoreinheit durch einen Operationsverstärker realisiert sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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