CN1890852A

CN1890852A - 用于控制感性用电器的电路装置和方法

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Publication number: CN1890852A
Application number: CNA2004800356472A
Authority: CN
Inventors: B·鲍尔; M·赫南德滋－迪斯坦西亚; M·克斯特
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2003-12-01
Filing date: 2004-11-29
Publication date: 2007-01-03
Also published as: EP1690326A1; US20070103988A1; WO2005055387A1; DE10356089B4; DE10356089A1; KR20060109974A

Abstract

用于控制感性用电器的、尤其用于防止非故意地导通用电器的电路装置和方法。该电路装置具有一个空载回路(FLK)，以消耗在用电器(5)中所存储的能量。为了在储能装置(6)和该电路装置之间的接地线断路的情况下避免错误地导通用电器(5)，该空载回路(FLK)在断开用电器(5)后在一个预定时间(Δt)之后被断开。因此避免了用电器(5)通过从储能装置(6)的正极(+)经由该电路装置的电子装置(7)和空载回路(FLK)的电流被充电。

Description

用于控制感性用电器的电路装置和方法

本发明涉及用于控制感性用电器的一种电路装置和方法，尤其涉及一种在故障情况下避免导通执行装置的保护电路。

用电器和调节装置通过电子控制设备被导通和关断。在汽车技术中，用电器、诸如燃料喷射阀的励磁线圈或启动电机通常通过一种与该用电器串联的开关元件来控制。该开关元件常常是控制设备的一部分，其中该控制设备在输入侧与供电电压源的两个极相连接。常常只有供电电压源的一个电位通过该控制设备输送至该用电器。第二个电位在汽车技术中通常通过处于地电位的车体输送至该用电器。

在从供电电压源的负端子输送至控制设备的接地线断路的情况下，在某些用电器中可能不能排除该用电器还异常地被供电。

尤其在感性用电器中-其中该感性用电器必须在断开之后把其中所存储的能量通过空载回路来消耗掉，在接地断路的情况下会导致该用电器的异常供电。

在此可以划分为两种情况，其一，在该用电器的导通的开关元件时，还继续由从供电电压源的正电位通过该开关元件和该用电器流向外部接地端子的电流被供电。其二，在被断开的开关元件时，控制设备的内部接地依赖于该控制电子装置和用电器的状况而在该供电电压源的正电位方向上被“拉伸”。由此导致电流从供电电压源的正极流过空载回路和后面的外部接地。这里的问题在于该用电器由于该电流可能被异常地导通的危险。对于启动机继电器的例子，在这种情况下导致异常的启动过程，这出于安全技术的原因而必需无条件地被避免。

该问题的一种公开的解决可能性在于：给这种安全重要的用电器装设一个第二接地线，使得该用电器直接与控制设备的接地电连接。但在多个用电器的情况下这证明是耗费的并且是非常昂贵的。

在一种已公开的电路装置中(US 5166852A)，在接地失效的情况下把负载断开。但这样没有避免上面所解释的再次导通负载的第二种情况。

本发明的任务在于：创造用于控制感性用电器的一种电路装置和方法，该装置和方法在故障情况下也避免导通感性用电器。

该任务通过具有权利要求1的特征的一种电路装置并通过具有权利要求5的特征的一种方法而得到解决。

该电路装置具有一个第一输入和一个第二输入以及一个输出。该第一输入与供电电压源的第一电位电连接，该第二输入与该供电电压源的第二电位电连接。该用电器一方面与该输出连接，另一方面与该供电电压源的第二电位连接。

从而在该情况中在输送至该电路装置的第二电位与该用电器之间不存在直接的连接。该电路装置还具有一个通过信号可控制的第一开关以导通和断开用电器，该开关一方面与该电路装置的第一输入连接，另一方面与该电路装置的输出连接。在开关被导通的情况下，在正常运行中电流从供电电压源的第一电位通过该可控制的开关和该用电器流向该供电电压源的第二电位。

该电路装置还具有一个空载回路和一个第二开关，该空载回路一方面与该电路装置的第二输入连接，另一方面与该电路装置的输出连接。如果该用电器由于第一开关的断开而被断开，那么在该用电器中所存储的能量通过该空载回路放电。为此该第二开关被闭合。

一个监控单元监控空载回路中的电位，并根据该电位断开或闭合该第二开关。该第二开关在此被优选地如此控制，使得该空载回路在用电器断开态期间被导通，并且如果不需要该空载回路就把它断开。

该监控单元在低于或超过一个预定电压阈值的情况下断开或导通该第二开关。以这种方式实现了在故障情况下、也即在该电路装置接地失效的情况下不会错误地导通该用电器。

该监控单元还具有一个时间延迟机构，该时间延迟机构在低于或超过预定电压阈值后一个预定时间段之后把该第二开关断开。这样保证了在该感性用电器中所存储的能量在该时间段内通过该空载回路被放电。在该放电过程之后，该空载回路优选地通过断开的第二开关而保持断开，避免了电流通过该空载回路流向该用电器。

本发明的有利的改进在从属权利要求中被描述。

为了排除在故障情况下由于第一开关的导通而再次导通负载，该电路装置优选地具有一个逻辑连接单元，只有排除了在故障情况下的非故意的导通，该连接单元才能导通该用电器。如果该第一开关首先收到一个断开信号并接着收到一个导通信号，和/或该监控单元已经导通了该第二开关，那么这就是优选的。

下面借助一个优选实施例的说明和附图来对本发明进行详细解释。其中：

附图1示出了本发明电路装置的一个实施例，

附图2示出了一个流程图，该流程图示出了本发明方法的一个实施例的步骤，以及

附图3示出了一个时间延迟机构和一个逻辑连接单元的实施例。

附图1示出了一种用于控制感性用电器5的电路装置的实施例。该用电器5在这里被等效地描述为一个电感L和一个电阻R的串联电路。

该电路装置具有一个第一输入1和一个第二输入2，这两个输入分别与供电电压源(这里是蓄电池6)的一个电位电连接。这里，第一端子1与该蓄电池6的正极+电连接，第二输入2与该蓄电池6的负极-电连接。在控制设备中在输入1和2之间所设置的电子装置这里被描述为等效电阻7。该等效电阻7对应于直接或间接由蓄电池6供电的所有组件的并联电路。

该电路装置还具有一个第一开关S1，该第一开关一方面与第一输入1电连接，另一方面与输出3电连接。该用电器5一方面与输出3电连接，一方面与接地GND₂电连接。

在这里所示的实施例中，在该电路装置的内部接地GND₁和用电器5的接地GND₂之间不存在直接的连接。在汽车技术领域中通常把车辆的车体用作接地连接。

为了在断开用电器(这里通过断开开关S1来实现)后把电感L中所存储的能量E消耗掉并从而实现用电器5的断开，在第二输入2和输出3之间设置一个空载回路FLK。该空载回路FLK这里具有一个第二开关S2和一个二极管D_F的串联电路。如果该第二开关S2被闭合，那么在断开第一开关S₁之后，在一个有限的时间段t_entlade内有一个电流I从用电器5流过二极管D_F和开关S2。

该放电时间段t_entlade取决于用电器5的电感L中所存储的能量E：

E = \frac{1}{2} L {\cdot I}^{2} .

在电感L充电时，电流强度I首先线性增加并接近恒定最终值I₀：

I_{0} = \frac{U_{A}}{R} .

线圈L的放电时间t_entlade可以根据等式

I = I_{0} {\cdot e}^{- \frac{R}{L} t}

导出。

这里作为所谓“高压侧”开关被实施的第一开关S1也可以作为“低压侧”开关来实施。为此只改变端子1和2与蓄电池6的极之间的连接，以及改变空载二极管D_F的导通方向。用电器5则将利用其与输出3背离的端子与蓄电池6的正极电连接。

该第一开关S1和第二开关S2被构造为可控制的电开关，比如功率MOS场效应晶体管(MOSFET)或绝缘栅极双极晶体管(IGBT)。开关S1、S2的控制端子由控制电路8控制。在此第一开关S1通过第一控制线UST1、第二开关S2通过第二控制线UST2与控制电路8电连接。

该控制电路8具有一个逻辑连接单元9、一个微控制器10、一个供电电压监控装置11和一个时间延迟机构12。该供电电压监控装置11具有两个输入，即：与该电路装置的第一输入1电连接的第一输入UE和与该电路装置的输出3电连接的第二输入UA。

该供电电压监控装置11还具有两个输出。其中一个输出U_E，Reset与逻辑连接单元9电连接，第二个输出U_A，Signal与该时间延迟机构12电连接。该微控制器10具有至少一个输出ENA，其中该输出ENA与该逻辑连接单元9连接。该逻辑连接单元9还与该控制电路8的控制线UST1连接。该时间延迟机构12与该控制电路8的第二控制线UST2连接。

只要不出现故障情况并且该第一开关S1导通，则在用电器5上存在一个电压降U_A，该电压降大致等于输入电压U_E。

附图2示出了一个流程图，借助该流程图来详细解释为了运行用电器5所必需的方法步骤。

该流程的开始用“开始”表示。这里首先询问第一开关S1是否导通(步骤101)。根据该判断可以区分两种可能的故障情况：在导通用电器5时的接地失效和在断开用电器5时的该电路装置的接地失效。

在导通第一开关S1时的第一种情况中，在步骤102中验证是否从该微处理器10输出一个断开信号。在该情况下导通信号ENA由状态“0”被变换到状态“1”，并因此把该第一开关断开(ENA＝“1”这里对应于低电位)。如果对该用电器5具有安全性要求，那么在一个预定的时间段Δt之后该第二开关S2也被断开，其中在该时间段Δt期间在该电感L中存储的能量E通过该空载回路FLK基本被消耗。从而在用电器5随后被断开的情况下也排除了在蓄电池6的负端子和输入2之间的连接线断路的情况下用电器5被不经意地导通(步骤104｀)。在步骤104｀之后分支至该流程图的结束。

这里如此地选择该预定时间段Δt，使得在该时间段Δt结束之后电感L已被最大程度地放电。

该时间段Δt可以在以下范围内选择：

5τ≤Δt≤10τ，其中τ＝L/R。

如果该时间段Δt选择得太大，那么有可能在故障情况下在该时间段期间已经再次导通。因此必需按照用电器5中能量消耗所需要的那样来确定该时间段Δt的大小。

如果在步骤102中还存在微控制器10的导通信号ENA，那么就分支到步骤103，并在那里进行输出电压U_A的验证。在正常运行情况下该输出电压U_A大致等于输入电压U_E。

在第一开关S1断开的情况下和/或在接地失效的情况下，也即这里在蓄电池6的的负极-和第二输入2之间的线路断路的情况下，该输出电压U_A大致等于该空载二极管D_F的导通电压。该导通电压与该空载二极管D_F的类型有关，在这里所述的实施例中大致为-0.7伏。根据该二极管D的导通电压来确定一个电压阈值U_A，MIN，低于该阈值时在该空载回路FLK中就流过电流。

如果该输出电压U_A高于该预定阈值U_A，MIN，那么就能排除故障情况并分支至该流程图的结束。

但是如果该输出电压U_A低于该预定阈值U_A，MIN，那么在第一开关S1导通的情况下可以认为是该电路装置的“断开的”接地连接，并分支至步骤104。在那里首先断开第一开关S1，然后在预定时间段Δt之后把第二开关S2断开，从而使从蓄电池6通过输入1、等效电阻7、第二开关S2、二极管D和用电器5的电流被中断，其中该预定时间段Δt如前所述与电感L的放电时间t_entlade有关。因此排除了在断开第二开关S2之后用电器5的非故意的导通，并分支至该流程图的结束。

可选择的是这里可以附加设置一个故障标志，通过该标志把接地线路的中断通知给控制设备。

如果在步骤101中第一开关S1没有导通，那么就分支至步骤202，在该步骤中验证第二开关S2是否已闭合。如果开关S2已闭合，那么在步骤203中再次验证输出电压U_A是否低于该预定阈值U_A，MIN。如果是这种情况，那么就分支至步骤204，并断开开关S2并随后分支至该流程图的结束。如果不是这种情况或者该输出电压UA等于零，那么就直接分支至该流程图的结束。可选择的是，该第二开关S2也可以在该预定时间段Δt之后才断开。

如果该开关S2在步骤202中已断开(S2＝0)，那么就分支至步骤203｀，在那里等待微控制器10的重导通信号。该重导通信号比如可以是导通信号ENA从状态0到状态1的状态切换。以这种方式避免了该用电器在接地失效后不经意地再次导通。

这里所述的方法的实施比如可以根据用电器5或微控制器10的运行状态或者还可以通过外部控制信号而被启动。

图3示出了该时间延迟机构12和逻辑连接单元9的一种实施例。

如果开关S1被导通，那么在用电器5上存在一个电压U_A，其中该电压大致等于该输入电压U_E。该时间延迟机构12具有一个与开关元件S1无关的电流供电输入1｀，其中该电流供电输入1｀用于该电路装置的电压供电。在该输出3和该输入1｀之间设置有一个串联电路，该串联电路由一个第一电阻R1、一个反向连接的二极管D1、一个第二电阻R2和一个第三电阻R3组成。开关S2在这里作为n沟道MOSFET被实施，其中其漏极端子与该第二输入2连接，其源极端子通过正向连接的空载二极管D_F与该输出3连接。栅极端子与由第四电阻R4和第一电容C1组成的串联电路的中间抽头连接，其中该第四电阻R4的第二端子与第二电阻R2和第三电阻R3之间的中间抽头连接。该电容C1的第二端子与该开关S2的源极端子连接。

同样地，在第二二极管D2和第五电阻R5之间的中间抽头与开关S2的栅极端子连接，其中该第二二极管D2与第四电阻R4并联，其导通方向朝向开关S2的栅极端子，并且该第五电阻R5与该第一电容C1并联。

晶体管T1的基极-发射极段并联于该第二电阻R2。在这里所示的实施例中晶体管T1是一个pnp晶体管。该晶体管T1的基极端子与第二电阻R2和二极管D1之间的抽头连接。发射极端子与第二电阻R2和第三电阻R3之间的抽头连接。该晶体管T1的集电极端子与空载二极管D_F的和输出3背离的端子连接。

在开关S1导通时晶体管T1截止，电容C1通过第三电阻R3和第二二极管D2被充电至输入1｀上所具有的供电电压VCC。因此开关S2被导通并从而空载回路FLK被启动。该电路装置被如此设计，即在用电器5的电感L中存储了较大的能量值之前该开关S2被导通。

如果现在开关S1被断开，那么由于在用电器5的电感L中所存储的能量而使电流流过由开关S2和空载二极管D_F所构成的空载回路FLK。在用电器5上现在下降微约0.7伏的输出电压U_A。这等于空载二极管D_F的导通电压。晶体管T1由于该电压被导通，电容C1通过电阻R4放电。如果电容C1已经放电，那么晶体管T2被断开。在开关S1的断开和开关S2的断开之间的时间段Δt被如此选择，使得在开关S2的断开时间点时在电感L中所存储的能量已经最大程度地被消耗。

在开关S1断开并且开关S2断开的情况下，现在在蓄电池的负极-和第二输入2之间的连接被中断，这样就不可能有电流通过空载回路FLK流向用电器5。

该逻辑连接单元9针对以下的输入值被设计：微控制器10的导通信号(ENA＝0)对应于输入ENA上的低电平；断开信号(ENA＝1)对应于输入ENA上的高电平。只要供电电压VCC足够高，该供电电压监控装置11便在输入U_E，Reset上提供一个具有高电平的信号。在输入U_E，Reset上存在的低电平代表低于一个预定电压阈值的供电电压VCC。

来自微控制器10的信号ENA在第一反相器13中被反相并被传输至与门14。与门14的第二输入与供电电压监控装置11的输出U_E，Reset连接。只要两个输入信号、也即被反相的输入信号ENA和供电电压监控装置的信号U_E，Reset都具有高电平，那么该与门14的输出就一直具有高电平。

在该输入上的电压电平被分配给如下的电平“低”和“高”：

低电平为：0V＜U＜0.4V

高电平为：3.7V＜U＜4.5V

(HCMOS部件74HC具有VCC＝4.5V的供电电压)

与门14的输出信号被传输至D触发器15的置位输入S。第一反相器13的输出信号通过一个由电阻R6和电容C2构成的低通和另两个反相器16和17被传输至D触发器15的时钟输入CLK。被反相的输出 Q反馈至该D触发器15的D输入D上。该D触发器15的输出Q在这里与控制线U_ST1连接。如果现在由于欠电压而在输入U_E，Reset上存在低电平并同时设置了微控制器10的导通要求(在输入ENA上的低电平)，那么在D触发器15的置位输入S上存在一个低电平。这导致在D触发器15的输出Q上存在一个高电平并从而把第一开关S1断开。

在微控制器10输出一个断路指令的情况下(在输入ENA上的高电平)，则开关S1同样通过置位输入S被断开。在输入ENA上的高电平导致在与门14的输入上的低电平。也即：在与门的输出上与信号U_E，Reset无关地存在一个低电平。这导致在D触发器15的输出Q上存在一个高电平，由此开关S1保持断开。在输入ENA上的一个下降沿的情况下、也即从高电平切换到低电平的情况下或者在该D触发器的时钟输入Clk上的上升沿的情况下，导致第一开关S1的导通。通过低通滤波器R6、C2实现了信号的时间延迟，其中该时间延迟通过合适地选择第六电阻R6和电容C2来进行调节，使得信号上升沿到达D触发器15的时钟输入CLK之前，在该D触发器15的置位输入S上总是存在高电平。

在电阻R6和D触发器15的时钟输入CLK之间连接有两个作为施密特触发反相器的反相器16、17，通过这两个反相器改善了时钟输入CLK上的边沿陡度。作为选择也可以设置一个非反相的施密特触发器门来代替这两个反相器。

在故障情况下，如果控制设备上的接地端子断路并且期间在微控制器10的输出上存在一个导通信号ENA(低电平)，那么通过D触发器15的置位输入S如前所述地把第一开关S1断开。但在用电器5断开之后，同样如前所述，供电电压VCC再次上升。现在为了避免-在供电电压监控装置11再次通过高电平显示存在一个足够的供电电压VCC并因此用电器5似乎可能再次被导通之后-，只有当微控制器10在输出ENA上提供了一个断开信号(高电平)并且接着提供一个导通信号(低电平)，才能通过该微控制器再次导通。

Claims

1.用于控制感性用电器的电路装置，尤其是用于安全地运行感性用电器的保护电路，其具有：

-一个第一和一个第二输入(1、2)，其中该第一输入(1)与供电电压源(6)的第一电位(+)连接，该第二输入(2)与供电电压源(6)的第二电位(-)连接，

-一个输出(3)，在该输出上连接了用电器(5)，其中该用电器(5)一方面与输出(3)连接，另一方面与供电电压源(6)的第二电位(-)连接，

-一个可以通过第一控制信号(UST1)控制的第一开关(S1)，用于导通和断开用电器(5)，其中该第一开关(S1)一方面与第一输入(1)连接，另一方面与输出(3)连接，

-一个空载回路(FLK)，该空载回路一方面与第二输入(2)连接，另一方面与输出(3)连接，并且还具有一个第二开关(S2)，

-一个监控单元(8、11)，该监控单元监控空载回路(FLK)中的电位(UA)，并根据该电位(UA)通过一个第二控制信号(UST2)导通和/或断开该第二开关(S2)，其特征在于：

该监控单元(8)具有一个时间延迟机构(12)，该时间延迟机构在低于或高于预定电压阈值(U_A，Min)之后在一个预定时间段(Δt)后把该第二开关(S2)断开，如此使得在该预定时间段(Δt)之后在该用电器(5)中所存储的能量通过该空载回路被消耗。

2.根据权利要求1的电路装置，其特征在于：该监控单元(8)具有一个逻辑连接单元(9)，该逻辑连接单元(9)具有两个输入(ENA；UE，Reset)和一个输出(UST1)，其中该第一控制信号(UST1)取决于在该输入(ENA；UE，Reset)上的信号的电平和时间曲线。

3.用于控制用电器的方法，其具有以下步骤：

-检验第一开关(S1)的开关状态，

-把第一电压(UA)与预定电压阈值(U_A，Min)相比较，其中根据该比较和该第一开关(S1)的开关状态来确定故障情况，

-根据该比较和/或第一开关(S1)的开关状态来开关第二开关(S2)，其特征在于：该第二开关(S2)的开关被延迟了一个预定时间段(Δt)，如此使得在该预定时间段(Δt)之后在该用电器(5)中所存储的能量通过空载回路被消耗。

4.根据权利要求3的方法，其特征在于：该第一开关(S1)在故障情况下通过一个再次导通信号被导通。