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Stand der Technik
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Der Ansatz geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
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Als Verpolschutz werden Dioden oder geschaltete Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren, kurz MOSFETs, in automotive-Steuergeräten verwendet.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine Verpolschutzschaltungsvorrichtung für eine interne Schaltung für ein Fahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben einer Verpolschutzschaltungsvorrichtung gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Verpolschutzschaltungsvorrichtung möglich.
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Die mit dem vorgestellten Ansatz erreichbaren Vorteile bestehen darin, dass durch eine hier vorgestellte Verpolschutzschaltungsvorrichtung ein verlustfreier Verpolschutz mit einem Entladungsschutz eines internen Speicherkondensators, der eine Pufferkondensatoreinrichtung sein kann, geschaffen wird.
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Eine Verpolschutzschaltungsvorrichtung für eine interne Schaltung, beispielsweise für eine Getriebesteuerung, für ein Fahrzeug weist einen Batterieanschluss, einen Masseanschluss, einen Schaltungsanschluss, einen Spitzenanschluss, eine erste Schalteinrichtung, eine Pufferkondensatoreinrichtung, eine Diode, eine Spitzenkondensatoreinrichtung und eine zweite Schalteinrichtung auf.
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Der Batterieanschluss ist dazu ausgebildet, um eine Batteriespannung bereitzustellen. Der Schaltungsanschluss ist dazu ausgebildet, um eine Schaltungsspannung für die interne Schaltung bereitzustellen. Die erste Schalteinrichtung ist zwischen den Batterieanschluss und den Schaltungsanschluss geschaltet und weist einen ersten Steueranschluss auf. Die erste Schalteinrichtung kann geschlossen sein, wenn an dem ersten Steueranschluss ein erster Wert anliegt und geöffnet sein, wenn an dem ersten Steueranschluss ein zweiter Wert anliegt. In dem geschlossenen Zustand der ersten Schalteinrichtung kann die Batteriespannung über die erste Schalteinrichtung auf die interne Schaltung geschaltet werden. Die Pufferkondensatoreinrichtung ist zwischen den Schaltungsanschluss und den Masseanschluss geschaltet. Die Diode ist zwischen den Schaltungsanschluss und den Spitzenanschluss geschaltet. Die Spitzenkondensatoreinrichtung ist zwischen den Spitzenanschluss und den Masseanschluss geschaltet und dazu ausgebildet, um eine an dem Spitzenanschluss anliegende Spitzenspannung zu speichern. Die zweite Schalteinrichtung ist dazu ausgebildet, um die erste Schalteinrichtung zu steuern, wobei die zweite Schalteinrichtung zwischen den Schaltungsanschluss und den ersten Steueranschluss der ersten Schalteinrichtung geschaltet ist und einen zweiten Steueranschluss aufweist.
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Von Vorteil ist es nun, wenn die Verpolschutzschaltungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform eine Komparatoreinrichtung aufweist, die dazu ausgebildet ist, um abhängig von einem Vergleich zwischen der Batteriespannung und der Spitzenspannung ein Schließsignal zum Schließen der zweiten Schalteinrichtung an den zweiten Steueranschluss der zweiten Schalteinrichtung bereitzustellen. So kann abhängig von einem Vergleichsergebnis des Vergleichs die zweite Schalteinrichtung angesteuert werden, um durch das Schließen der zweiten Schalteinrichtung wiederum ein Öffnen der ersten Schalteinrichtung zu bewirken. So kann sich die Pufferkondensatoreinrichtung vorteilhafterweise nicht über die nun geöffnete erste Schalteinrichtung zurück ins Bordnetz entladen. Die Komparatoreinrichtung kann beispielsweise eine Transistoreinrichtung sein.
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Von Vorteil ist es weiterhin, wenn die Komparatoreinrichtung dazu ausgebildet ist, um das Schließsignal bereitzustellen, wenn die Spitzenspannung größer ist als die Batteriespannung. So kann die interne Steuerung bei negativen Batteriespannungen, aber auch bereits bei absinkenden Batteriespannungen bzw. Batteriespannungsunterbrechungen für eine gewisse Zeit durch die Pufferkondensatoreinrichtung versorgt werden.
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Die erste Schalteinrichtung und/oder die zweite Schalteinrichtung kann als ein Leistungstransistor ausgeformt sein. Dadurch können auch hohe Ströme durch die Schalteinrichtung geleitet werden.
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Die Kathode der Diode ist vorteilhafterweise mit dem Spitzenanschluss verbunden. Dadurch wird ein Entladen der Spitzenkondensatoreinrichtung in die interne Schaltung hinein verhindert.
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Die Verpolschutzschaltungsvorrichtung kann außerdem einen ersten Widerstand aufweisen, der zwischen den ersten Steueranschluss und den Masseanschluss geschaltet ist. Ferner kann die Verpolschutzschaltungsvorrichtung einen zweiten Widerstand aufweisen, der zwischen den Schaltungsanschluss und dem ersten Steueranschluss geschaltet ist. Zusätzlich oder alternativ kann die Verpolschutzschaltungsvorrichtung einen dritten Widerstand umfassen, der zwischen den Spitzenanschluss und den Masseanschluss geschaltet ist.
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Ein Verfahren zum Betreiben einer der vorgestellten Verpolschutzschaltungsvorrichtungen umfasst zumindest die folgenden Schritte:
- Einlesen der Batteriespannung;
- Empfangen der Spitzenspannung; und
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Bereitstellen eines Schließsignals zum Schließen der zweiten Schalteinrichtung an den zweiten Steueranschluss der zweiten Schalteinrichtung, wenn die Spitzenspannung größer ist als die Betriebsspannung.
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Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät, beispielsweise in der vorgestellten Komparatoreinrichtung, implementiert sein.
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Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 ein Blockschaltbild einer Verpolschutzschaltungsvorrichtung für eine interne Schaltung für ein Fahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
- 2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer Verpolschutzschaltungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele des vorliegenden Ansatzes werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt ein Blockschaltbild einer Verpolschutzschaltungsvorrichtung 100 für eine interne Schaltung 105 für ein Fahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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Die Verpolschutzschaltungsvorrichtung 100 weist einen Batterieanschluss 110, einen Masseanschluss 115, einen Schaltungsanschluss 120, einen Spitzenanschluss 125, eine erste Schalteinrichtung 130, eine Pufferkondensatoreinrichtung 135, eine Diode 140, eine Spitzenkondensatoreinrichtung 145 und eine zweite Schalteinrichtung 150 auf. Die erste Schalteinrichtung 130 und die zweite Schalteinrichtung 150 sind beispielhaft als Leistungstransistoren ausgeformt.
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Der Batterieanschluss 110 ist dazu ausgebildet, um eine Batteriespannung 155, die auch als Ubatt bezeichnet werden kann, bereitzustellen. Dazu kann der Batterieanschluss 110 mit einer Batterie des Fahrzeugs verbunden werden. Der Schaltungsanschluss 120 ist dazu ausgebildet, um eine Schaltungsspannung 160, die auch als Uprot bezeichnet werden kann, für die interne Schaltung 105 bereitzustellen. Somit kann die interne Schaltung 105 über den Schaltungsanschluss 120 mit Energie versorgt werden.
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Die erste Schalteinrichtung 130 ist zwischen den Batterieanschluss 110 und den Schaltungsanschluss 120 geschaltet und weist einen ersten Steueranschluss 165 auf, wobei die erste Schalteinrichtung 130, die gemäß diesem Ausführungsbeispiel als ein MOSFET ausgeformt ist, geschlossen ist, wenn an dem ersten Steueranschluss 165 ein erster Wert anliegt und geöffnet ist, wenn an dem ersten Steueranschluss 165 ein zweiter Wert anliegt. Im geschlossenen Zustand stellt die erste Schalteinrichtung 130 eine direkte niederohmige Verbindung zwischen dem Batterieanschluss 110 und dem Schaltungsanschluss 120 her. Somit wird im geschlossenen Zustand der ersten Schalteinrichtung 130 die Batteriespannung 155 zu der internen Schaltung 105 durchgeschaltet. Mittels eines Pfeils 167 ist eine Spannung zwischen einem Gateanschluss und dem Sourceanschluss der hier als Transistor ausgeführten ersten Schalteinrichtung 130 dargestellt. Diese Spannung kann auch als Ugs bezeichnet werden.
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Die Pufferkondensatoreinrichtung 135 ist zwischen den Schaltungsanschluss 120 und den Masseanschluss 115 geschaltet. Die Diode 140 ist zwischen den Schaltungsanschluss 120 und den Spitzenanschluss 125 geschaltet. Dabei ist die Kathode der Diode 140 mit dem Spitzenanschluss 125 verbunden. Die Spitzenkondensatoreinrichtung 145 ist zwischen den Spitzenanschluss 125 und den Masseanschluss 115 geschaltet und dazu ausgebildet, um eine an dem Spitzenanschluss 125 anliegende Spitzenspannung 170, die auch als Us bezeichnet werden kann, zu speichern. Die zweite Schalteinrichtung 150 ist dazu ausgebildet, um die erste Schalteinrichtung 130 zu steuern, wobei die zweite Schalteinrichtung 150 zwischen den Schaltungsanschluss 120 und den ersten Steueranschluss 165 der ersten Schalteinrichtung 130 geschaltet ist und einen zweiten Steueranschluss 175 aufweist.
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Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist die Verpolschutzschaltungsvorrichtung 100 zudem eine Komparatoreinrichtung 180 auf, die dazu ausgebildet ist, um abhängig von einem Vergleich zwischen der Batteriespannung 155 und der Spitzenspannung 170 ein Schließsignal 185 zum Schließen der zweiten Schalteinrichtung 150 an den zweiten Steueranschluss 175 der zweiten Schalteinrichtung 150 bereitzustellen. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel stellt die Komparatoreinrichtung das Schließsignal 185 bereit, wenn die Spitzenspannung 170 größer ist als die Batteriespannung 155.
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Die Verpolschutzschaltungsvorrichtung 100 weist außerdem einen ersten Widerstand 190 auf, der zwischen den ersten Steueranschluss 165 und den Masseanschluss 115 geschaltet ist, und einen zweiten Widerstand 192 auf, der zwischen den Schaltungsanschluss 120 und den ersten Steueranschluss 165 geschaltet ist. Ein dritter Widerstand 195 der Verpolschutzschaltungsvorrichtung 100 ist zwischen den Spitzenanschluss 125 und den Masseanschluss 115 geschaltet.
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Wenn die zweite Schalteinrichtung 150 geöffnet ist, liegt an dem ersten Steueranschluss 165 der ersten Schalteinrichtung 130 eine Spannung an, die sich aus der an dem Schaltungsanschluss 120 anliegenden Schaltungsspannung 160 und einem Verhältnis aus den Widerstandswerten der Widerstände 190, 192 ergibt.
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Wenn die zweite Schalteinrichtung 150 geschlossen ist, liegt an dem ersten Steueranschluss 165 der ersten Schalteinrichtung 130 die Schaltungsspannung 160 an, wodurch die erste Schalteinrichtung 130 geöffnet wird und ein Stromfluss zwischen dem Batterieanschluss 110 und dem Schaltungsanschluss 120 unterbunden wird.
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Im Folgenden werden Details der Verpolschutzschaltungsvorrichtung 100 noch einmal mit anderen Worten beschrieben:
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Die hier vorgestellte Verpolschutzschaltungsvorrichtung 100 verhindert eine Entladung der internen Pufferkondensatoreinrichtung 135 in das Bordnetz sowie eine Verpolung bei trotzdem geringen Durchlassverlusten.
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Anders als bei Verpolschutzschaltungsvorrichtungen, bei denen als Verpolschutz Dioden zum Einsatz kommen, hat die hier vorgestellte erste Schalteinrichtung 130 der Verpolschutzschaltungsvorrichtung 100 eine Durchlassspannung, die zu einer geringen Verlustleistung in der internen Steuerung 105, die auch als Steuergerät bezeichnet werden kann, führt. Übliche MOSFET-Schaltungen mit lediglich einem MOSFET wiederum haben zwar geringe Durchlassverlustleistungen und schalten den Leistungstransistor bei negativen Batteriespannungen aus, die Spannung eines internen Pufferkondensators jedoch folgt dann der Batteriespannung bis zur vollständigen Entladung. Dieser MOSFET verhindert hierbei nur eine negative Spannungsbelastung des Pufferkondensators und der angeschlossenen Schaltung.
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Die hier vorgestellte Verpolschutzschaltungsvorrichtung 100 schaltet den MOSFET in Form der ersten Schalteinrichtung 130 vorteilhafterweise bereits bei einem schnellen Absinken der Batteriespannung 155 ab und verhindert dadurch die Entladung der internen Pufferkondensatoreinrichtung 135 in das Bordnetz. Die Pufferkondensatoreinrichtung 135 kann so deutlich kleiner ausgelegt werden, eine Häufigkeit von Störungen auf der internen Versorgungsspannung wird reduziert.
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Es folgt eine Funktionsbeschreibung der Verpolschutzschaltungsvorrichtung 100:
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Die erste Schalteinrichtung 130, die gemäß diesem Ausführungsbeispiel ein MOSFET ist, ist ein Leistungstransistor, der die Batteriespannung 155 auf die interne Schaltung 105 schaltet. Dort verzweigt die Schaltung 105 an weitere Verbraucher und Baugruppen wie Lasten und/oder Treiber. Die Pufferkondensatoreinrichtung 135 soll bei Batteriespannungsunterbrechungen und negativen Batteriespannungen 155 die Versorgung der Baugruppen für eine gewisse Zeit darstellen. Diese ist üblicherweise im einstelligen ms- Bereich. Die erste Schalteinrichtung 130 wird über den Transistor in Form der zweiten Schalteinrichtung 150 eingeschaltet. Die interne Spannung in Form der Schaltungsspannung 160 wird über die Diode 140 auf einen kleinen Kondensator in Form der Spitzenkondensatoreinrichtung 145 geführt. Die Spitzenspannung 170 folgt nicht schnellen negativen Änderungen der Batteriespannung 155, sondern speichert einen Spitzenwert. Die Komparatoreinrichtung 180 vergleicht diesen Spitzenwert der Spitzenspannung 170 mit der aktuellen Batteriespannung 155 und aktiviert die zweite Steuereinrichtung 150, die auch als Hilfstransistor bezeichnet werden kann, wenn die Spitzenspannung 170 größer als die Batteriespannung 155 ist. In dem hier gezeigten Fall gab es ein schnelles Absinken der Batteriespannung 155. Die zweite Steuereinrichtung 150 schaltet eine Steuerspannung der ersten Steuereinrichtung 130 aus und die erste Steuereinrichtung 130 geht in einen gesperrten Zustand. Damit ist die interne Spannung 160 von der absinkenden Batteriespannung 155 abgekoppelt. Die Komparatoreinrichtung 180 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel als ein Transistor ausgeformt.
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2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 200 zum Betreiben einer Verpolschutzschaltungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei kann es sich um ein Verfahren 200 handeln, das von der anhand von 1 beschriebenen Verpolschutzschaltungsvorrichtung, genauer der Transistoreinrichtung der Verpolschutzschaltungsvorrichtung, ausführbar ist.
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Das Verfahren 200 weist zumindest einen Schritt 205 des Einlesens, einen Schritt 210 des Empfangens und einen Schritt 215 des Bereitstellens auf. Im Schritt 205 des Einlesens wird die Batteriespannung eingelesen. Im Schritt 210 des Empfangens wird die Spitzenspannung empfangen. Im Schritt 215 des Bereitstellens wird ein Schließsignal zum Schließen der zweiten Schalteinrichtung an den zweiten Steueranschluss der zweiten Schalteinrichtung bereitgestellt, wenn die Spitzenspannung größer ist als die Betriebsspannung.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.