DE10222149A1

DE10222149A1 - Schutzschaltung

Info

Publication number: DE10222149A1
Application number: DE10222149A
Authority: DE
Inventors: Franz Allmeier; Volker Karrer; Thomas Reindl
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2002-05-17
Filing date: 2002-05-17
Publication date: 2003-12-11
Also published as: US20050094332A1; WO2003098765A1; US7369383B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung (1), insbesondere für einen Überspannungsschutz einer elektronischen Motorsteuerung, mit einem Signalanschluss zur Aufnahme und/oder Abgabe eines elektrischen Signals, einem Schaltelement (4) zur Aktivierung oder Deaktivierung einer Schutzabschaltung, wobei das Schaltelement (4) über einen Steuereingang steuerbar ist, sowie einer Steuerschaltung (5), die eingangsseitig mit dem Signalanschluss und ausgangsseitig mit dem Steuereingang des Schaltelements (4) verbunden ist, um in Abhängigkeit von dem elektrischen Zustand an dem Signalanschluss die Schutzabschaltung zu aktivieren oder zu deaktivieren. Es wird vorgeschlagen, dass die Steuerschaltung (5) ein Hystereseverhalten bezüglich des elektrischen Zustands an dem Signalanschluss aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung, insbesondere für einen Überspannungsschutz einer elektronischen Motorsteuerung für eine Brennkraftmaschine, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus FR 2738086 ist eine derartige Schutzschaltung bekannt, die einen Signalausgang einer elektronischen Schaltung vor Kurzschluss, Überstrom und Überspannung schützt. Hierzu ist in der Masseleitung der Schutzschaltung ein Schaltelement angeordnet, das die Masseleitung im Fehlerfall trennt. Die An- Steuerung dieses Schaltelements erfolgt durch eine Steuerschaltung, die Strom und Spannung an dem Signalausgang misst und das in der Masseleitung angeordnete Schaltelement entsprechend ansteuert.

Die Strommessung erfolgt hierbei durch einen in der Spannungsleitung angeordneten Messwiderstand, wobei die über dem Messwiderstand abfallende Spannung den über den Signalausgang fließenden Strom wiedergibt. Die über dem Messwiderstand abfallende Spannung wird deshalb einem Komparator zugeführt, der beim Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwerts für den Strom das in der Masseleitung angeordnete Schaltelement trennt, wodurch der Strom abgeschaltet wird, um eine Beschädigung zu verhindern.

Die Spannungsmessung erfolgt dagegen durch zwei unterschiedlich dimensionierte Spannungsteiler, die zwischen der Spannungsleitung und der Masseleitung angeordnet sind, wobei die Mittelabgriffe der beiden Spannungsteiler mit den beiden Eingängen eines weiteren Komparators verbunden sind, der das in der Masseleitung angesteuerte Schaltelement spannungsabhängig ansteuert. Die beiden Spannungsteiler sind hierbei so dimensioniert, dass der Komparator das in der Masseleitung angeordnete Schaltelement innerhalb des normalen Spannungsbereichs durchschaltet.

Bei einem Kurzschluss an dem Signalausgang liefern die Mittelabgriffe der beiden Spannungsteiler dagegen die gleiche Spannung, so dass der Komparator das in der Masseleitung angeordnete Schaltelement trennt.

Zum Schutz vor einer Überspannung ist bei einem der beiden Spannungsteiler eine Zenerdiode parallel zu dem masseseitigen Widerstand geschaltet. Dies hat zur Folge, dass die Spannung an dem Mittelabgriff dieses Spannungsteilers nicht über die Zenerspannung ansteigen kann. Falls dann die Spannung an dem Signalausgang über die Zenerspannung ansteigt, so trennt der Komparator das in der Masseleitung angeordnete Schaltelement ebenfalls.

Nachteilig an dieser bekannten Schutzschaltung ist deren Schwingungsneigung bei Überspannungen, die im Bereich der Abschaltspannung schwanken.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die vorstehend beschriebene bekannte Schutzschaltung dahingehend zu verbessern, dass die Schwingungsneigung bei Überspannung verringert wird.

Die Aufgabe wird, ausgehend von der eingangs beschriebenen bekannten Schutzschaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung beruht auf der technischen Erkenntnis, dass die Schwingungsneigung der eingangs beschriebenen bekannten Schutzschaltung daher rührt, dass die Schaltschwelle des Komparators aufgrund der im Betrieb auftretenden Spannungsschwankungen abwechselnd über- und unterschritten wird.

Die Erfindung sieht deshalb zur Vermeidung einer derartigen Schwingungsneigung eine Steuerschaltung vor, die ein Hystereseverhalten aufweist. Dies bedeutet, dass für die Aktivierung der Schutzabschaltung und für die Deaktivierung der Schutzabschaltung unterschiedliche Grenzwerte vorgesehen sind.

Vorzugsweise wird die Schutzabschaltung in Abhängigkeit von der Spannung aktiviert bzw. deaktiviert. Hierbei sind die Grenzwerte für die Aktivierung und die Deaktivierung der Schutzabschaltung unterschiedlich, um das erfindungsgemäße Hystereseverhalten zu erreichen. Die Steuerschaltung weist deshalb in dieser Variante der Erfindung eine Spannungsmessschaltung auf, um die Spannung an dem Signalanschluss zu messen.

Die Spannungsdifferenz zwischen den Grenzwerten für die Spannung ist hierbei vorzugsweise größer als die im Betrieb normalerweise auftretenden Spannungsschwankungen und/oder die Messgenauigkeit, um die Schwingungsneigung bei Spannungen im Bereich der Grenzwerte zuverlässig zu unterdrücken.

Es ist jedoch im Rahmen der Erfindung auch möglich, die Schutzabschaltung in Abhängigkeit von dem elektrischen Strom zu aktivieren oder zu deaktivieren. Auch hierbei sind die Grenzwerte für die Aktivierung und die Deaktivierung der Schutzabschaltung unterschiedlich, um das erfindungsgemäße Hystereseverhalten zu erreichen. Die Steuerschaltung weist deshalb in dieser Variante der Erfindung eine Strommessschaltung auf, um den elektrischen Strom zu messen, der über den Signalanschluss fließt.

Bei einer derartigen stromgesteuerten Aktivierung bzw. Deaktivierung der Schutzabschaltung ist die Differenz zwischen den Grenzwerten für die Aktivierung bzw. Deaktivierung der Schutzabschaltung vorzugsweise größer als die im normalen Betrieb auftretenden Stromschwankungen und/oder die Messgenauigkeit, um die Schwingungsneigung bei Strömen im Bereich der Grenzwerte zuverlässig zu unterdrücken.

Die Erfindung ist jedoch hinsichtlich der Aktivierung bzw. Deaktivierung der Schutzabschaltung nicht auf die Messung von Strom und Spannung beschränkt. Es vielmehr auch möglich, die Schutzabschaltung in Abhängigkeit von anderen elektrischen Größen zu aktivieren bzw. zu deaktivieren, wobei beispielsweise die elektrische Leistung, die geflossene elektrische Ladung oder die elektrische Energie zu nennen sind.

In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Spannungsmessung durch einen Spannungsteiler, der aus zwei in Reihe geschalteten Widerständen besteht, wobei der Spannungsteiler vorzugsweise zwischen dem Signalanschluss der Schutzschaltung und Masse geschaltet ist. Der Mittelabgriff des Spannungsteilers zwischen den beiden Widerständen stellt dann die Spannung für die spannungsgesteuerte Aktivierung bzw. Deaktivierung der Schutzabschaltung bereit.

Zur Auswertung der gemessenen Spannung bzw. des gemessenen Stroms weist die Steuerschaltung vorzugsweise ein Schwellenwertglied auf, das eingangsseitig die jeweilige Messgröße erfasst und ausgangsseitig das Steuerelement zur Aktivierung oder Deaktivierung der Schutzabschaltung ansteuert.

Vorzugsweise vergleicht das Schwellenwertglied die jeweilige Messgröße mit einem unteren Grenzwert und einem oberen Grenzwert, wobei die Schutzabschaltung beim Überschreiten des oberen Grenzwerts aktiviert wird, während die Schutzabschaltung deaktiviert wird, wenn die jeweilige Messgröße den unteren Grenzwert unterschreitet.

Es ist jedoch alternativ auch möglich, dass die Schutzabschaltung bereits aktiviert wird, wenn die jeweilige Messgröße den unteren Grenzwert überschreitet, während die Schutzabschaltung deaktiviert wird, wenn die Messgröße den oberen Grenzwert wieder unterschreitet.

Eine derartiges Schwellenwertglied kann schaltungstechnisch beispielsweise durch einen Operationsverstärker realisiert werden, wobei der eine Eingang des Operationsverstärkers vorzugsweise mit dem Mittelabgriff eines Spannungsteilers verbunden ist, während der andere Eingang des Operationsverstärkers vorzugsweise mit einer Referenzspannungsquelle verbunden ist. Die Grenzwerte für die Aktivierung bzw. Deaktivierung der Schutzabschaltung können dann durch eine geeignete Dimensionierung des Spannungsteilers und der Referenzspannungsquelle eingestellt werden.

Beim Einsatz eines Operationsverstärkers als Schwellenwertglied lässt sich das erfindungsgemäße Hystereseverhalten vorteilhaft erreichen, indem der Ausgang des Operationsverstärkers durch eine Rückkopplungsschleife mit einem der beiden Eingänge des Operationsverstärkers verbunden wird. Vorzugsweise besteht die Rückkopplungsschleife aus einem Widerstand, der eingangsseitig vorzugsweise mit dem nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden ist. Es ist jedoch alternativ auch möglich, den Widerstand in einer Rückkopplungsschleife mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers zu verbinden, um das gewünschte Hystereseverhalten zu erreichen.

Ferner ist in einer Variante der Erfindung vorgesehen, dass die Schutzschaltung einen Fehlersignalausgang aufweist, an dem ein Fehlersignal ausgegeben wird, das die Aktivierung oder Deaktivierung der Schutzabschaltung anzeigt.

Das Schaltelement zur Aktivierung bzw. Deaktivierung der Schutzabschaltung ist vorzugsweise in der Spannungsleitung der Schutzschaltung angeordnet. Es ist jedoch alternativ auch möglich, das Schaltelement in der Masseleitung anzuordnen. Ferner kann es vorteilhaft sein, sowohl in der Masseleitung als auch in der Spannungsleitung ein steuerbares Schaltelement anzuordnen, das in der erfindungsgemäßen Weise angesteuert wird, um eine zweipolige Schutzabschaltung zu ermöglichen. Darüber hinaus kann die Schutzabschaltung auch in anderer Weise bewirkt werden, was für den Fachmann bekannt ist.

Als Schaltelement zur Aktivierung der Schutzabschaltung eignen sich beispielsweise Transistoren, IGBTs, Relais, FETs, MOSFETs, Transmission-Gates oder andere Halbleiterschaltung, jedoch ist die Erfindung nicht auf diese Typen von Schaltelementen beschränkt. Es ist beispielsweise denkbar, dass künftige neue Typen von Schaltelementen entwickelt werden, die in gleicher Weise einsetzbar sind.

Weiterhin ist zu erwähnen, dass die Erfindung nicht auf einen eingangsseitigen Schutz einer elektronischen Schaltung beschränkt ist. Es vielmehr auch möglich, die erfindungsgemäße Schutzschaltung zum Schutz eines Signalausgangs einer elektronischen Schaltung einzusetzen.

Ferner ist es möglich, die erfindungsgemäße Schutzschaltung wahlweise in die zu schützende Schaltung zu integrieren oder als separates Bauteil bzw. Gerät auszuführen.

Schließlich ist der im Rahmen der Erfindung verwendete Begriff einer Schutzabschaltung allgemein zu verstehen und umfasst neben der vollständigen Trennung bzw. Abschaltung auch Ausführungsformen, bei denen lediglich die elektrische Ankopplung an die Schutzschaltung verändert wird, indem beispielsweise die Eingangs- bzw. Ausgangsimpedanz verändert wird.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Schutzschaltung als Blockschaltbild sowie
Fig. 2a und 2b Schaltdiagramme der erfindungsgemäßen Schutzschaltung zur Verdeutlichung des Hystereseverhaltens.
Das in Fig. 1 dargestellte Blockschaltbild zeigt eine erfindungsgemäße Schutzschaltung 1, die eine elektronische Motorsteuerung 2 mit einem Sensor 3 verbindet, wobei die Schutzschaltung 1 die Motorsteuerung 2 vor einem Kurzschluss und einer Überspannung auf der Seite des Sensors 3 schützt.
Hierzu weist die Schutzschaltung 1 ein steuerbares Schaltelement 4 auf, das in der Spannungsleitung angeordnet ist und eine Trennung des Sensors 3 von der Motorsteuerung 2 ermöglicht. Zur Aktivierung einer Schutzabschaltung trennt das Schaltelement 4 also, während das Schaltelement 4 zur Deaktivierung der Schutzabschaltung durchschaltet.
Die Ansteuerung des Schaltelements 4 erfolgt durch eine Steuerschaltung 5, welche die Eingangsspannung U_IN misst und die Schutzabschaltung in Abhängigkeit von der gemessenen Spannung aktiviert oder deaktiviert.
Hierzu weist die Steuerschaltung 5 einen Spannungsteiler auf, der aus zwei Widerständen R1, R2 besteht, die sensorseitig zwischen der Spannungsleitung und der Masseleitung in Reihe geschaltet sind.
Der Mittelabgriff des Spannungsteilers zwischen den beiden Widerständen R1 und R2 ist mit dem nicht-invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers OP verbunden, der als Schwellenwertglied dient und die gemessene Spannung mit vorgegebenen Grenzwerten vergleicht und das Schaltelement 4 entsprechend ansteuert, wie auch aus den Schaltdiagrammen in den Fig. 2a und 2b ersichtlich ist.
Zur Festlegung eines Grenzwerts ist der invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP über ein Referenzspannungselement 6 mit Masse verbunden. Der Operationsverstärker OP trennt also das Schaltelement 4, wenn die elektrische Spannung an dem Mittelabgriff des Spannungsteilers zwischen den beiden Widerständen R1, R2 die elektrische Spannung des Referenzspannungselements 6 übersteigt.
Darüber hinaus ist der Ausgang des Operationsverstärkers OP durch eine Rückkopplungsschleife mit dem nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP verbunden, wobei in der Rückkopplungsschleife ein Widerstand R3 angeordnet ist. Die Rückkopplungsschleife mit dem Widerstand R3 bewirkt ein Hystereseverhalten des Operationsverstärkers OP, so dass der Operationsverstärker OP das Schaltelement 4 trennt, wenn die Eingangsspannung U_IN einen vorgegebenen Grenzwert U_AUS überschreitet, während der Operationsverstärker OP das Schaltelement 4 durchschaltet, wenn die Eingangsspannung U_IN einen vorgegebenen Grenzwert U_EIN unterschreitet, wie in Fig. 2a dargestellt ist. Der Grenzwert U_EIN für die Deaktivierung der Schutzabschaltung ist hierbei kleiner als der Grenzwert V_AUS für die Aktivierung der Schutzabschaltung, um ein Schwingen der Schutzschaltung 1 bei schwankenden Eingangsspannungen U_IN zu vermeiden.
Schließlich weist die Schutzschaltung 1 einen Fehlersignalausgang ERROR auf, der ebenfalls mit der Motorsteuerung 2 verbunden ist, um diese über die Aktivierung bzw. Deaktivierung der Schutzabschaltung zu informieren. Hierzu ist der Operationsverstärker OP ausgangsseitig mit einem Rücksetz- Eingang R eines Flip-Flops 7 verbunden, welches das Steuersignal zur Aktivierung bzw. Deaktivierung der Schutzabschaltung zwischenspeichert, wobei der Ausgang Q des Flip-Flops 7 mit dem Fehlersignalausgang ERROR der Schutzschaltung 1 verbunden ist. Der Setz-Eingang 5 des Flip-Flops 7 ist dagegen mit einem Rücksetzeingang RESET der Schutzschaltung 1verbunden, wobei der Rücksetzeingang RESET ebenfalls mit der Motorsteuerung 2 verbunden ist.
Fig. 2b zeigt dagegen ein alternatives Schaltdiagramm, bei dem der Grenzwert U_AUS für die Aktivierung der Schutzabschaltung kleiner ist als der Grenzwert U_EIN für die Deaktivierung der Schutzabschaltung.
Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen.

Claims

1. Schutzschaltung (1), insbesondere für einen Überspannungsschutz einer elektronischen Motorsteuerung, mit
einem Signalanschluss zur Aufnahme und/oder Abgabe eines elektrischen Signals,
einem Schaltelement (4) zur Aktivierung oder Deaktivierung einer Schutzabschaltung, wobei das Schaltelement (4) über einen Steuereingang steuerbar ist, sowie
einer Steuerschaltung (5), die eingangsseitig mit dem Signalanschluss und ausgangsseitig mit dem Steuereingang des Schaltelements (4) verbunden ist, um in Abhängigkeit von dem elektrischen Zustand an dem Signalanschluss die Schutzabschaltung zu aktivieren oder zu deaktivieren,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuerschaltung (5) ein Hystereseverhalten bezüglich des elektrischen Zustands an dem Signalanschluss aufweist.

2. Schutzschaltung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (5) eine Spannungsmessschaltung aufweist, um die Eingangsspannung (U_IN) an dem Signalanschluss zu messen.

3. Schutzschaltung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsmessschaltung einen Spannungsteiler (R1, R2) aufweist.

4. Schutzschaltung (1) nach Anspruch 2 und/oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (5) ein Schwellenwertglied (OP) aufweist, um die Schutzabschaltung zu aktivieren, wenn die Eingangsspannung (U_IN) eine vorgegebene Ausschaltspannung (U_AUS) überschreitet und um die Schutzabschaltung zu deaktivieren, wenn die Eingangsspannung (U_IN) eine vorgegebene Einschaltspannung (U_EIN) unterschreitet, wobei die Einschaltspannung (U_EIN) und die Ausschaltspannung (U_AUS) unterschiedlich sind.

5. Schutzschaltung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausschaltspannung (U_AUS) größer als die Einschaltspannung (U_EIN) ist.

6. Schutzschaltung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausschaltspannung (U_AUS) kleiner als die Einschaltspannung (U_EIN) ist.

7. Schutzschaltung (1) nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsdifferenz zwischen der Ausschaltspannung (U_AUS) und der Einschaltspannung (U_EIN) größer ist als die Messgenauigkeit der Spannungsmessschaltung und/oder die im Betrieb auftretenden Spannungsschwankungen.

6. Schutzschaltung (1) nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwellenwertglied einen Operationsverstärker (OP) und einen Rückkopplungswiderstand (R3) zur Erzeugung des Hystereseverhaltens aufweist.

9. Schutzschaltung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückkopplungswiderstand (R3) zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers und dem nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (OP) angeordnet ist.

10. Schutzschaltung (1) nach Anspruch 8 und/oder Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der invertierende Eingang des Operationsverstärkers (OP) mit einer Referenzspannungsquelle (6) verbunden ist.

11. Schutzschaltung (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Signalausgang, der mit dem Signalanschluss über einen Signalpfad verbunden ist, wobei das steuerbare Schaltelement (4) in dem Signalpfad angeordnet ist.

12. Schutzschaltung (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (4) ein Transistor, ein IGBT, ein FET, ein MOSFET, ein Relais oder ein Transmission-Gate ist.

13. Schutzschaltung (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abgabe eines Fehlersignals ein Fehlersignalausgang (ERROR) vorgesehen ist, wobei die Steuerschaltung (5) ausgangsseitig mit dem Fehlersignalausgang (ERROR) verbunden ist.

14. Schutzschaltung (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Steuerschaltung (5) und dem Fehlersignalausgang (ERROR) ein bistabiles Kippglied (7) angeordnet ist, um das Fehlersignal zu speichern.

15. Schutzschaltung (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Kippglied (7) einen Rücksetzeingang (R) aufweist.