Titel

Vorrichtung und Verfahren zur Überspannungsbegrenzung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Überspannungsbegrenzung.

Stand der Technik

Nutzfahrzeuge haben verglichen mit PKW oft erhöhte Anforderungen an die Robustheit der Motorsteuergeräte gegenüber Überspannungs-Störungen auf dem Spannungsversorgungsbordnetz.

Daher ist oft ein Überspannungsschutz vorgeschaltet, der die nachgeschalteten Komponenten gegen Überspannungsereignisse schützt. Das hat den Vorteil, dass die weniger spannungsfesten aber preisgünstigeren Elektronik-Komponenten verwendet werden können.

Die Überspannungsstörungen werden durch die sogenannten „Load-Dump“ Pulse charakterisiert. Dabei liegt die Überspannung deutlich über 60V. Die Load-Dump-Pulse haben eine zeitliche Länge von kleiner ls.

Es kommen jedoch immer öfter Forderungen nach Robustheit gegenüber einem „48V Jump-Start“ -Überspannungsereignis auf. Zwar treten beim „48V Jump-Start“ geringere Überspannungen als beim „Load-Dump“ auf. Dafür ist die zeitliche Dauer mit bis zu 10min deutlich größer. Bisheriger Überspannungsschutz kann die Spannung kurzzeitig abfangen, wird aber bei der geforderten Dauer selbst zerstört, wenn nicht in Zusatzbauteile investiert wird. Der längste Load-Dump-Puls dauert nie länger als ls und wiederholt sich frühestens nach 60s. Die höchste Jump-Start-Spannung überschreitet 49,9 V nicht.

Aus dem Stand der Technik ist eine Schaltung 10 zum Überspannungsschutz bekannt, wobei Load-Dump Pulse abgefangen werden, siehe Figur 1.

Figur 1 zeigt einen Eingang V_Bat_Extern, einen Verpolschutz 12, eine Load-Dump- Diode 14 und eine Überspannungsbegrenzung 16. Die Spannung wird an einem Ausgang V_BAT_intern auf Spannungen, die kleiner als 50V, insbesondere kleiner als 40V sind, begrenzt. Der Verpolschutz 12 schützt gegen negative Spannungen.

Weiterhin umfasst die Schaltung 10 eine Spannungserfassung und Transistorsteuerung 20.

Im Falle einer Überspannung an V_BAT_Extern soll die Ausgangsspannung V_BAT_intern begrenzt werden. Die Ausgangsspannung V_BAT_intern wird durch die Überspannungsbegrenzung 16 begrenzt. Die Überspannungsbegrenzung 16 arbeitet dabei ähnlich wie ein Schalt- oder Zweipunktregler. Jedoch ist die Spannungsbegrenzung auf diese Art Stand heute nur zeitlich begrenzt möglich. Es besteht die Gefahr, dass der Überspannungsschutz bei zeitlich länger dauernden Überspannungen selbst überlastet wird.

Eine parasitäre Induktivität 22 des Kabelbaums ist unvermeidlich, stellt jedoch ein Problem dar. Begrenzt die Überspannungsbegrenzung 16 die Spannung V_BAT_intern durch Abschalten, fließt ein Strom I durch die Induktivität nach. Der Strom muss in der Load-Dump-Diode 14 abgebaut werden. Bei den geforderten Strömen und der benötigten Schaltfrequenz kann das die Diode zwar für die Dauer eines Load-Dump Pulses, für die Dauer eines Jump-Start Pulses jedoch nicht. Das Problem ist daher nicht der Load-Dump Puls, sondern der zeitlich deutlich längere Jump-Start Puls, der die Diode zerstören würde.

Im Stand der Technik lässt sich das Problem dadurch lösen, dass die Spannungsbegrenzung erst oberhalb der Jump-Start Spannung von 49,9 V beginnt. weiterhin könnte ein Kondensator 24 platziert werden, der die Energie aufnimmt. Jedoch muss die Kapazität des Kondensators aufgrund der Rippleströme groß sein, was zu einem baulich großen Kondensator führt.

Es können auch spannungsfestere Komponenten verwendet werden. Jedoch sind damit Mehrkosten zu erwarten.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung vermeidet größeren Zusatzaufwand an Bauteilen. Es wird zwischen einem Load-Dump-Ereignis und einem Jump-Start-Ereignis unterschieden.

In der Erfindungsmeldung werden Maßnahmen zur Vermeidung von Überspannungen vorgeschlagen, die zwischen einem „Load-Dump“- und einem „Jump-Start“-Ereignis unterscheiden. Hierbei wird eine zeitliche Überwachung realisiert. Es wird dabei ausgenutzt, dass der längste Load-Dump-Puls nie länger als ls dauert und sich frühestens nach z.B. 60 s wiederholt. Die höchste Jump- Start Spannung überschreitet nie 49,9 V.

Zeichnungen

Figur 1 zeigt eine Schaltung aus dem Stand der Technik.

Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltung 10.

Beschreibung

Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltung 10. Die Schaltung 10 weisst einen Eingang V_Bat_Extern, eine Load-Dump-Diode 14 und eine Überspannungsbegrenzung 16 auf. Die Spannung wird an einem Ausgang V_BAT_intern auf Spannungen, die kleiner als 50V, insbesondere kleiner als 40V sind, begrenzt.

Weiterhin umfasst die Schaltung 10 eine Spannungserfassung und Transistorsteuerung 20. Die Überspannungsereignisse sind wie folgt voneinander abgrenzbar:

Load Dump: Der längste Load-Dump-Puls dauert maximal ls und wiederholt sich frühestens nach 60s.

Jump-Start: Die höchste Jump-Start Spannung überschreitet 49,9V nicht.

Eine zeitliche Überwachung 30 unterscheidet die Überspannungsereignisse. Ist die Überspannungsbegrenzung kürzer als ls aktiv, ist es ein Load-Dump Ereignis. Ist die Überspannungsbegrenzung länger als ls aktiv, ist es ein Jump-Start Ereignis. In dem Fall wird die Spannungsbegrenzung durch die zeitliche Überwachung beendet.

Das nächste Load-Dump Ereignis tritt frühestens nach 60s wieder auf. Aus diesem Grund wird die Spannungsbegrenzung durch die zeitliche Steuerung erst nach frühestens 50s wieder frei gegeben. Die zeitlche Überwachung weist dabei einem Komparator 32, ein Logikgatter 34, das ein logisches UND auswertet, eine Zeitbegrenzung 36, einen Signalspeicher 38 und einen Ereigniszähler 40 auf.

Der Komparator 32 gibt erst nach 50s und dem Unterscheiten einer Spannung einen neue Load dump Frei. Ein Load-Dump Ereignis und ein Jump-Start Ereignis treten nicht zu derselben Zeit gemeinsam auf. So wird eine erneute Load-Dump Begrenzung erst nach 50s und dem Unterschreiten einer Spannung durch den Komparator zusammen mit dem Logikgatter frei gegeben.

Die zeitliche Überwachung 36 realisiert, ob es ein Load-Dump Ereignis oder ein Jump- Start Ereignis ist. Arbeitet die Überspannungsbegrenzung länger als ls, ist es ein Jump-Start Ereignis. In dem Fall wird die Überspannungsbegrenzung zum Schutz abgeschaltet.

Jump Start Ereignisse sind nicht hinsichtlich ihrer Dauer der Spannungsbegrenzung kritisch, sondern es sind die Anzahl der Abschaltpulse pro Zeiteinheit problematisch. Bei jedem Abschaltpuls fließt durch die parasitäte Induktivität Strom nach, der abgebaut werden muss. Somit können statt einer zeitlichen Begenzung auch die Menge der Abschaltpulse reduziert werden. Der Zähler zählt dabei die Abschaltungen. Ist der maximale Zählerstand errreicht, wird die Überspannungsbegrenzung abgeschaltet, um diese zu schützen.