Gegen Überspannung geschütztes elektronisches Steuergerät Die Erfindung betrifft ein elektronisches Steuergerät mit einem elektronischen Baustein und mit einer Schutzschaltung zum Schutz des Bausteins vor einer Überspannung.

In elektronischen Steuergeräten für Nutz- und Kraftfahrzeuge werden als elektronische Bausteine anwendungsspezifische in ^¬ tegrierte Schaltungen (englisch: Application Specific Integ- rated Circuit, ASIC) eingesetzt, um Steuerungsaufgaben zu übernehmen. Beispielsweise ist ein solches elektronisches Steuergerät dazu vorgesehen, die Einspritzmengen und -Zeitpunkte für jeweilige Injektoren einer Verbrennungskraftmaschine des Nutz- und Kraftfahrzeugs zu ermitteln und steuern.

Solche anwendungsspezifischen Bausteine werden für Kraftfahrzeuge in hohen Stückzahlen produziert. Dabei sind die Bausteine auf die Verwendung in einem Bordnetz mit einer

Versorgungsspannung von 12 V ausgelegt. Damit der elektronische Baustein bei einem auftretenden Fehler, wie z.B. einer Überspannung aufgrund der Verbindung einer zur Last führenden Leitung mit dem Versorgungspotential des Energiespeichers (d.h.

Kurzschluss zur Batterie) nicht beschädigt wird, ist der elektronische Baustein auf solche Fehler ausgelegt.

In entsprechender Weise gilt dies auch für elektronische Steuergeräte für Nutzfahrzeuge. Im Unterschied zu Kraftfahr- zeugen beträgt die Versorgungsspannung des Energiebordnetzes bei Nutzfahrzeugen jedoch nicht 12 V, sondern 24 V. Dies erfordert daher andere Schutzmechanismen, um die für ein Nutzfahrzeug vorgesehenen elektronischen Steuergeräte gegen Überspannung zu schützen. Da die Stückzahl der benötigten elektronischen Steuergeräte für Nutzfahrzeuge jedoch wesentlich geringer als die Stückzahl von Kraftfahrzeugen ist, sind insbesondere die für Nutzfahrzeug-Steuergeräte benötigten elektronischen anwendungsspezifischen Bausteine sehr viel teurer. Es besteht daher ein Bedürfnis, die wesentlich kostengünstigeren elektronischen Bausteine von elektronischen Steuergeräten für Kraftfahrzeuge auch in elektronischen Steuergeräten für Nutzfahrzeuge einsetzen zu können. Ein dabei zu lösendes Problem besteht jedoch darin, dass aufgrund der doppelt so hohen

Bordnetzspannung bei Nutzfahrzeugen die elektronischen Bausteine, die für den Betrieb in Kraftfahrzeugen mit einer geringeren Bordnetzspannung von 12 V ausgelegt sind, im Falle eines Kurzschlusses mit der Nutzfahrzeug-Bordnetzspannung (24 V) die dabei auftretende Überspannung nicht überstehen.

Aus der US 2014/0002941 AI ist eine Überspannungsschutzschaltung bekannt, bei der ein von einem Steuertransistor angesteuerter Längstransistor, der seriell mit einer Sicherung verbunden ist, zwischen den Ein- und Ausgängen der Schutzschaltung verschaltet ist. Der Ausgang ist dabei gegenüber einer definierten Überspannung am Eingang der Schutzschaltung geschützt. Beim Auftreten einer Überspannung steuert der Steuertransistor den Längstransistor derart an, dass dieser sperrend geschaltet ist. Die mit dem Längstransistor seriell verschaltete Sicherung sorgt dafür, dass auch ein Überstrom von dem Ausgang fern gehalten werden kann. Bei einem zu hohen Strom löst die Sicherung aus.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektronisches Steuergerät anzugeben, das funktional und/oder baulich derart verbessert ist, dass die in dem elektronischen Steuergerät verbauten Komponenten zuverlässig gegenüber einer auftretende Überspannung geschützt sind. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein elektronisches Steuergerät gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Aus ^¬ gestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.

Es wird ein elektronisches Steuergerät mit einem elektronischen Baustein und mit einer Schutzschaltung zum Schutz des Bausteins vor einer Überspannung vorgeschlagen. Das elektronische

Steuergerät ist für die Verwendung in einem Bordnetz eines Nutzfahrzeugs vorgesehen, bei dem die Versorgungsspannung typischerweise 24 V beträgt. Demgegenüber ist der in dem erfindungsgemäßen Steuergerät vorgesehene Baustein auf den Betrieb in einem Steuergerät für eine Versorgungsspannung von 12 V ausgelegt. Dies bedeutet, der Baustein ist von seinen Komponenten und seinen internen Schutzmechanismen für den Betrieb auf eine Spannung ausgelegt, die geringer als die Versorgungsspannung in einem Nutzfahrzeug ist. Bei dem elektronischen Baustein handelt es sich beispielsweise um eine applikationsspezifische inte ^¬ grierte Schaltung (ASIC) für die Verwendung in einem Kraft- fahrzeug.

Die Schutzschaltung umfasst einen Eingangsanschluss zur Ver ^¬ bindung mit einem Ausgangsanschluss des Bausteins des Steu ^¬ ergeräts, wobei durch den Baustein im Betrieb des Steuergeräts ein Steuersignal an den Eingangsanschluss gelegt wird. Die Schutzschaltung umfasst weiter einen Ausgangsanschluss zur Verbindung mit einer Last. Der Ausgangsanschluss der Schutzschaltung kann gleichzeitig den Ausgang des elektronischen Steuergeräts darstellen. Im Ergebnis ist die Schutzschaltung damit zwischen dem elektronischen Baustein (ASIC) und der Last verschaltet. Bei der Last kann es sich beispielsweise im Umfeld von Kraft- bzw. Nutzfahrzeugen um einen Injektor handeln. Auch andere Lasten können mit einem erfindungsgemäßen elektronischen Steuergerät angesteuert werden.

Die Schutzschaltung umfasst ferner eine Überspannungsdetek- tionseinheit mit Mitteln zur Detektion einer Überspannung an dem Ausgangsanschluss, welche ein Ansteuersignal bereitstellt. Ferner ist eine Schutzschalteinheit mit einem steuerbaren Längstransistor, der zwischen dem Eingangsanschluss und dem

Ausgangsanschluss verschaltet ist, und einem Steuertransistor, der in Abhängigkeit des Ansteuersignais der Überspannungsde- tektionseinheit den Längstransistor leitend oder sperrend schaltet, vorgesehen. Bei einer detektierten Überspannung am Ausgangsanschluss wird mittels des von der Überspannungsde- tektionseinheit bereitgestellten Ansteuersignais der Ein ^¬ gangsanschluss der Schutzschaltung von deren Ausgangsanschluss getrennt. Liegt kein Fehlerfall, d.h. keine detektierte Überspannung am Ausgangsanschluss vor, sind der Eingangsan- schluss und der Ausgangsanschluss der Schutzschaltung elektrisch miteinander verbunden, so dass das von dem Baustein an den Eingangsanschluss gelegte Steuersignal an den Ausgangsanschluss und damit die Last weitergeleitet werden kann.

Erfindungsgemäß umfasst die Schutzschalteinheit einen ersten Kondensator, der zwischen dem Eingangsanschluss und einem Bezugspotential der Schutzschalteinheit bzw. des Steuergeräts verschaltet ist und der derart ausgelegt ist, dass während oder kurz nach dem Sperrendschalten des Längstransistors aufgrund einer an dem Ausgangsanschluss detektierten Überspannung an dem Eingangsanschluss ein in seiner Höhe und Mindestdauer vorge ^¬ gebener Spannungspuls erzeugt wird, der durch den Baustein detektiert und zur Ausgabe eines Fehlersignals verarbeitet werden kann.

Hierdurch ist die Nutzung von elektronischen Bausteinen in einem elektronischen Steuergerät möglich, wenn das Steuergerät für den Betrieb in einem Bordnetz mit einer hohen Spannung vorgesehen ist, obwohl der in dem Steuergerät verwendete elektronische Baustein lediglich Schutzmechanismen für einen kleineren Spannungsbereich aufweist. Durch das Vorsehen des ersten Kondensators in der Schutzschalteinheit können in dem elektronischen Baustein vorhandene interne Schutzmechanismen zur Detektion einer Überspannung aktiviert werden. Dadurch kann der elektronische Baustein, unabhängig davon, dass die Schutzschalteinheit eine Verbindung des Bausteins zu der Last trennt, in einen sicheren Zustand überführt werden. Damit die Schutzmechanismen des elektronischen Bausteins aktiviert werden können, ist es nicht ausreichend, lediglich die elektrische Verbindung zwischen dem Ausgang des Bausteins und der Last zu trennen. Vielmehr muss die an dem Ausgangsanschluss des Bausteins anliegende Spannung im Moment des Auftretens des Fehler derart sein, dass diese als Über ^¬ spannung erkannt wird, wobei jedoch die maximal zulässige, spezifizierte Spannung des Ausgangsanschlusses auf keinen Fall überschritten werden darf. Dies wird durch die Erzeugung des vorgegebenen Spannungspulses mittels des in der Schutz ^¬ schalteinheit vorgesehenen ersten Kondensators bewirkt, der dafür sorgt, dass der Spannungspuls in seiner Höhe ausreichend groß, jedoch kleiner als der maximal zulässige Spannungswert an dem Ausgangsanschluss des Bausteins ist und gleichzeitig den Spannungspuls für eine solche Zeitdauer an dem Ausgangsanschluss anliegen lässt, dass eine interne Logik des Bausteins den Überspannungsfall zuverlässig erkennen kann.

Wie oben beschrieben, ist gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung die Höhe des Spannungspulses um einen vorgegebenen Betrag größer als eine Versorgungsspannung des Bausteins und kleiner als ein maximal zulässiger Spannungswert an dem Ausgangsanschluss des Bausteins. Genauer wird die Höhe des Spannungspulses derart gewählt, dass sie größer als 0,5 V als die Versorgungsspannung des elektronischen Bausteins und geringer als 30 V bis 40 V als maximal zulässiger Spannungswert an dem Ausgangsanschluss des Bausteins ist. Der genannte maximal zulässiger Spannungswert im Bereich von 30 V bis 40 V ist der typische Höchstwert, für die Verwendung in einem 12 V-Bordnetz von elektronischen Bausteinen.

Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist die Höhe des

Spannungspulses durch die Schaltgeschwindigkeit zum Sperr- endschalten des Steuertransistors zur Ansteuerung des Längs ^¬ transistors einstellbar. Insbesondere kann hierzu vorgesehen sein, dass zur Einstellung der Schaltgeschwindigkeit des Steuertransistors ein zweiter Kondensator in der Überspan- nungsdetektionseinheit vorgesehen ist. Der zweite Kondensator ist zweckmäßiger Weise seriell mit einer Zenerdiode der

Überspannungsdetektionseinheit verschaltet, wobei die Se ^¬ rienschaltung zwischen einem Steueranschluss des Steuertransistors und dem Bezugspotential zur Erfassung der Spannung an dem Ausgangsanschluss vorgesehen ist. Mittels der Zenerdiode wird die Überspannung an dem Ausgangsanschluss detektiert. Wenn an dem Ausgangsanschluss die auftretende Spannung größer als eine Steuerspannung des Steuertransistors zuzüglich der

Zenerspannung (Durchbruchspannung) der Zenerdiode ist, wird der Steuertransistor derart angesteuert, dass dies zu einem

Sperrendschalten des Längstransistors führt. Dabei kann mittels des zweiten Kondensators die Schaltgeschwindigkeit des Steu ^¬ ertransistors eingestellt werden.

Parallel zu dem zweiten Kondensator kann ein Widerstand verschaltet sein, durch den im Falle einer Überspannung der durch die Zenerdiode fließende Strom begrenzt wird. Der Widerstand trägt damit dazu bei, den durch die Zenerdiode fließenden Strom derart einzustellen, dass die Zenerdiode in ihrem Zenerbereich betrieben wird.

Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung kann der Schutzschaltung eine Diode parallel geschaltet sein. Durch die Diode können transiente negative Pulse abgeschnitten werden. Positive transiente Pulse werden durch die Schutzschaltung selbst abgeschnitten. Hierdurch weist die Schutzschaltung ein gutes elektromagnetisches Verhalten (EMV) auf. Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist als

Steuertransistor ein Bipolartransistor mit einem hohen

Stromverstärkungsfaktor (z.B. h _FE >100) vorgesehen. Dieser begünstigt die erwünschte Einstellung der Schaltgeschwindigkeit des Steuertransistors und damit der Ausschaltgeschwindigkeit des Längstransistors.

Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist ein Widerstand zur Ansteuerung des Steuertransistors im Fall einer Überspannung zwischen dessen Basis und Emitter verschaltet. Durch diesen Widerstand wird im Falle einer Überspannung am Ausgangsanschluss der Bipolartransistor (Steuertransistor) angesteuert. Der durch den Widerstand festgelegte Basisstrom stellt dabei das von der Überspannungsdetektionseinheit be ^¬ reitgestellte Ansteuersignal dar.

Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist ein dritter Kondensator zwischen dem Eingangsanschluss und einem Steuer- anschluss des Längstransistors verschaltet, durch den die Geschwindigkeit des Sperrendschaltens des Längstransistors einstellbar ist. Durch den dritten Kondensator können für verschiedene Längstransistoren, die in unterschiedlichen elektronischen Steuergeräten zum Einsatz kommen, Fertigungs- Schwankungen im Hinblick auf durch die Produktion verursachte Schwankungen der internen Kapazität des Längstransistors ausgeglichen werden. Der Kapazitätswert des dritten Kondensators ist wesentlich größer als die interne Kapazität des Längs ^¬ transistors, so dass hierdurch sichergestellt ist, dass ein erwünschtes Einschalt- und Ausschaltverhalten des Längstran ^¬ sistors ermöglicht wird. Dies ist zweckmäßig, um den eingangs beschriebenen Spannungspuls am Eingangsanschluss der Schutz ^¬ schaltung in gewünschter Weise erzeugen zu können. Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist ein

Spannungsteiler aus zwei seriell verschalteten Widerständen mit dem Ausgangsanschluss gekoppelt, wobei die an dem Knotenpunkt zwischen den zwei Widerständen anliegende Spannung einer Recheneinheit zugeführt wird, deren digitalisiertes Ausgangs- signal dem Baustein zur Plausibilisierung der detektierten

Überspannung zuführbar ist. Hierdurch wird es dem elektronischen Baustein ermöglicht, zu einem Zeitpunkt, zu dem dieser aufgrund des gerade an seinem Ausgangsanschluss anliegenden Steuersignals nicht in der Lage ist, den am Ausgangsanschluss des Bausteins anlegenden Spannungspuls zu detektieren, Kenntnis von der

Überspannung zu erhalten. Insbesondere ist dadurch auch eine Unterscheidung zwischen Überspannung und offener Leitung (englisch: Open Load) möglich. Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen elektronischen Steuergeräts zur parallelen An- steuerung von beispielhaft vier Lasten, Fig. 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen elektronischen Steuergeräts, bei dem der Aufbau einer erfindungsgemäßen Schutzschaltung zur Ansteuerung einer einzelnen Last dargestellt ist,

Fig. 3 ein elektrisches Blockschaltbild eines erfindungs ^¬ gemäßen elektronischen Steuergeräts zur Ansteuerung einer einzelnen Last, den zeitlichen Verlauf der Spannung am Eingangsan- schluss der Schutzschaltung beim Auftreten einer Überspannung in Abhängigkeit der Dimensionierung eines ersten Kondensators der Schutzschaltung, den zeitlichen Verlauf der Auswirkung auf die Spannung am Eingangsanschluss der Schutzspannung in Abhängigkeit der Dimensionierung eines zweiten Kondensators in einer Überspannungsdetektionseinheit , die Auswirkung auf den zeitlichen Verlauf der Spannung am Eingangsanschluss der erfindungsgemäßen Schutzschaltung in Abhängigkeit eines dritten Kondensators in der Schutzschalteinheit. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungs ^¬ gemäßen elektronischen Steuergeräts 1000. Das elektronische Steuergerät 1000 wird auch als Electronic Control Unit (ECU) bezeichnet. Es ist zur Verwendung in einem Bordnetz eines Nutzfahrzeugs vorgesehen. Die Nenn-Bordnetzspannung von Nutz- fahrzeugen beträgt derzeit 48 V. Das elektronische Steuergerät 1000 dient beispielhaft zur Ansteuerung von vier (allg.: einer Anzahl) in Fig. 1 nicht näher dargestellten Zündspulen. Aus Sicht des elektronischen Steuergeräts 1000 stellt ein jeweilige Zündspule eine Last dar. Die Lasten werden an einen Verbinder 1010 angeschlossen.

Das elektronische Steuergerät 1000 umfasst einen elektronischen Baustein 200 in Gestalt einer applikationsspezifischen inte- grierten Schaltung (Application Specific Integrated Circuit, ASIC) . Der elektronische Baustein 200 ist auf den Betrieb in einem Steuergerät für die Verwendung in einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs ausgelegt, wobei die Nenn-Bordnetzspannung eines Kraftfahrzeugs 12 V beträgt. Beim Betrieb des elektronischen Steuergeräts 1000 in ein Nutzfahrzeug können Spannungen von bis zu 70 V auftreten. Darüber hinaus kann eine Überspannung aufgrund eines Defekts auftreten, indem eine mit einer jeweiligen Last verbundene Leitung mit einer Versorgungsspannungsleitung in Kontakt kommt. Bei den dabei auftretenden Überspannungen kann der elektronische Baustein 200, der für den Betrieb mit einer geringeren Versorgungsspannung ausgelegt ist, ohne weitere Maßnahmen Schaden erleiden. Aus diesem Grund umfasst das elektronische Steuergerät 1000 neben dem elektronischen Baustein 200 eine Anzahl an Schutzschaltungen 100a, lOOd. Die jeweiligen Schutzschaltungen 100a, lOOd sind zwischen einem jeweiligen Ausgangsanschluss des Steuergeräts 1000, der mit einer zugeordneten Last verbunden ist, und einem Ausgang des elektronischen Bausteins 200 angeordnet.

Fig. 2 zeigt eine weitere schematische Darstellung eines er ^¬ findungsgemäßen elektronischen Steuergeräts 1000, wobei die Ausgestaltung der Schutzschaltung 100 (stellvertretend für die Schutzschaltungen 100a, 100b, 100c, lOOd) für die Verbindung mit einer einzigen Last 300 näher ausgeführt ist. Es versteht sich, dass die in Fig. 2 gezeigte Schutzschaltung 100 in entsprechender Weise für jede an das Steuergerät 1000 anzuschließende Last vorgesehen werden muss. Die Schutzschaltung 100 umfasst eine Schutzschalteinheit 110, eine Überspannungsdetektionseinheit 120 sowie eine optionale Diagnoseeinheit 130. Die Schutz ^¬ schalteinheit 110 ist zwischen einem Eingangsanschluss 101 und einem Ausgangsanschluss 102 der Schutzschaltung 100 angeordnet. Die Schutzschalteinheit 110 umfasst einen in Fig. 2 nicht näher dargestellten steuerbaren Längstransistor, der zwischen dem

Eingangsanschluss 101 und dem Ausgangsanschluss 102 verschaltet ist . Der Ausgangsanschluss 102 der Schutzschaltung 100 stellt gleichzeitig einen Ausgangsanschluss des Steuergeräts 1000 dar, welcher beispielsweise durch einen Verbinder 1010 repräsentiert ist. Der Eingangsanschluss 101 der Schutzschaltung 100 ist mit einem Ausgangsanschluss 202 des elektronischen Bausteins 200 verbunden. Durch den Baustein 200 wird im Betrieb des Steuergeräts 1000 ein Steuersignal DRV erzeugt, das bei leitend geschaltetem Längstransistor der Schutzschalteinheit 110 durch die Schutzschaltung 100 hindurch an die Last 300 übertragen wird. Das Steuersignal DRV ist beispielsweise ein periodisches Signal, um die Last 300 periodisch ein- und auszuschalten.

Die Überspannungsdetektionseinheit 120 ist mit Mitteln zur Detektion einer Überspannung an dem Ausgangsanschluss 102 ausgestattet. Sie ist dazu ausgebildet über ein Ansteuersignal den Längstransistor der Schutzschalteinheit leitend oder sperrend zu schalten. Ein Sperrendschalten des Längstransistors erfolgt dabei dann, wenn am Ausgangsanschluss 102 der

Schutzschaltung 100 eine Überspannung detektiert ist. Eine Überspannung am Ausgangsanschluss 102 tritt beispielsweise dann auf, wenn eine Leitung 310, die den Ausgangsanschluss 102 mit der Last 300 verbindet, mit der Versorgungsspannung des Nutzfahrzeugs, z.B. aufgrund eines Fehlers in Kontakt gerät, d.h. ein Kurzschluss entsteht.

Die mit der Überspannungsdetektionseinheit 120 gekoppelte Diagnoseeinheit 130 gibt im Fall der Detektion einer am Aus ^¬ gangsanschluss 102 der Schutzschaltung auftretenden Überspannung ein Signal aus, das durch eine Recheneinheit 400 (z.B. ein MikroController) ausgewertet und an den Baustein 200 übertragen wird. Unabhängig von einer internen Diagnoselogik des Bausteins 200 zur Überspannungsdetektion wird diesem durch die Recheneinheit 400 das Vorhandensein einer Überspannung am Ausgangsanschluss 102 mitgeteilt, woraufhin der Baustein 200 das Steuersignal für die Last 300 abschalten kann.

Die genaue Funktionsweise und ein exemplarischer Ausbau der Realisierung einer Schutzschaltung für ein erfindungsgemäßes elektronisches Steuergerät wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben.

Der elektronische Baustein 200 umfasst zwei seriell zwischen einer Spannungsquelle 40 und einem Bezugspotential verschaltete Halbleiterschaltelemente 210, 220. Ein Verbindungspunkt zwi ^¬ schen den beiden Schaltelementen 210, 220 ist mit dem Ausgangsanschluss 202 des Bausteins 200 verbunden. Die Serien ^¬ schaltung der beiden Schaltelemente 210, 220 bildet eine Push-Pull-Stufe, durch die der Ausgangsanschluss 202 entweder mit der von einer Spannungsquelle 240 bereitgestellten Spannung Vcc oder einem anderen Potential verbunden werden kann. Die von der Spannungsquelle 240 bereitgestellte Spannung Vcc ist in der Regel wesentlich kleiner als die Bordnetzspannung, da die an dem Ausgangsanschluss 202 zur Verfügung gestellte Spannung lediglich ein Ansteuersignal ist. Zwischen der Spannungsquelle 240 und der Push-Pull-Stufe ist eine Diode 230 als Schutzdiode (Rück ^¬ speiseschutz) verschaltet. Ferner umfasst der elektronische Baustein 200 einen ersten Treiber 211 und einen zweiten Treiber 221. Der erste Treiber 211 stellt an seinem Ausgang eine Information über den Schaltzustand des Schaltelements 210 bereit, dessen Funktion weiter unten beschrieben wird. Der zweite Treiber 221 steuert den Schaltzustand des zweiten, mit Bezugspotential verbundenen Schaltelements (Low Side-Schaltelement ) .

Der Ausgangsanschluss 202 des Bausteins 200 ist mit dem Ein- gangsanschluss 101 der Schutzschaltung 100 verbunden. Der Eingangsanschluss 101 stellt einen Eingang 111 der Schutz ^¬ schalteinheit 110 dar. Die Schutzschalteinheit 110 umfasst als Längstransistor beispielhaft einen normal-sperrenden p-Kanal MOSFET (Metall Oxid Semiconductor Field Oxid Transistor) , dessen Drain-Anschluss D mit dem Anschluss 101 und dessen Sour- ce-Anschluss S mit einem Ausgang 112 der Schutzschalteinheit 110 verbunden ist. Zwischen dem Drain-Anschluss D und dem Ga- te-Anschluss G des Längstransistors Tl ist ein Kondensator C16 verschaltet. Die zwischen dem Source-Anschluss S und dem Ga- te-Anschluss G verschaltete Spannungsmessvorrichtung dient lediglich der Verifikation der Funktionsweise und ist bei einer realen Schutzschalteinheit 110 nicht erforderlich bzw. vor ^¬ gesehen. Der Gate-Anschluss G des Längstransistors Tl ist ferner über einen Widerstand R24 mit dem Bezugspotential des elekt ^¬ ronischen Steuergeräts verbunden. Zwischen dem Eingangsan- schluss 111 und dem Bezugspotential ist ferner ein weiterer Kondensator C13 verschaltet. Sämtliche in Fig. 3 gezeigten Bezugspotentiale weisen das gleiche Potential auf.

Ein Steuertransistor T2 in Gestalt eines Bipolartransistors ist zwischen dem Source-Anschluss S des Längstransistors Tl bzw. dem Ausgang 112 und dem Gate-Anschluss G des Längstransistors Tl verschaltet. Dabei ist der Emitter E des Steuertransistors T2 mit dem Source-Anschluss S und dem Kollektor K mit dem Gate-Anschluss G des Längstransistors Tl verschaltet. Die Basis B des Steu- ertransistors T2 empfängt ein Ansteuersignal STS von der nachfolgend beschriebenen Überspannungsdetektionseinheit 120.

Die Überspannungsdetektionseinheit 120 umfasst als die Spannung am Ausgangsanschluss 102 detektierendes Element eine Zenerdiode Dzl sowie einen Kondensator C15, der zwischen einem Anoden- anschluss der Zenerdiode Dzl und dem Bezugspotential verschaltet ist. Parallel zu dem Kondensator C15 ist ein Widerstand R26 zwischen dem Knotenpunkt zwischen der Zenerdiode Dzl und dem Kondensator C15 sowie dem Bezugspotential verschaltet. Der Kathodenanschluss der Zenerdiode Dzl ist über einen Widerstand R25 mit dem Eingang der Überspannungsdetektionseinheit 120 verschaltet. Der Eingang 121 ist mit dem Ausgang 122 der Überspannungsdetektionseinheit 120 direkt verbunden. Parallel zu dem Widerstand R25 ist eine Serienschaltung aus Dioden Dl, D2 verschaltet, wobei der Kathodenanschluss der Diode Dl mit dem Eingang 121 bzw. Ausgang 122 der Überspannungsdetektionseinheit 120 verbunden ist. Der Anodenanschluss der Diode D2 ist mit einem Knotenpunkt verbunden, der mit dem Steuerausgang 123, an dem das Ansteuersignal STS ausgegeben wird, verbunden ist. Der Kno- tenpunkt ist zwischen dem Kathodenanschluss der Zenerdiode Dzl dem Widerstand R25 und dem Anodenanschluss der Diode D2 gebildet . Der Ausgang 122 der Überspannungsdetektionseinheit 120 ist über einen optionalen Widerstand R20 mit dem Ausgangsanschluss 102 der Schutzschaltung 100 verbunden. Zwischen dem Ausgangsanschluss 102 und dem Bezugspotential ist ein ebenfalls optionaler Kondensator C6 verschaltet. Zwischen dem Knotenpunkt des

Ausgangs 122 der Überspannungsdetektionseinheit 120 und dem Widerstand R20 und dem Bezugspotential ist eine Diode D3 verschaltet, wobei deren Anodenanschluss mit dem Bezugspotential und deren Kathodenanschluss mit dem genannten Knotenpunkt verbunden ist.

Parallel zur Diode D3 ist ein Spannungsteiler aus den Widerständen R18, R19 verschaltet. Ein Knotenpunkt zwischen den Widerständen R18, R19 ist mit einem Eingang 131 der bereits erwähnten, optionalen Diagnoseeinheit 130 verbunden. Die Diagnoseeinheit 130 umfasst einen AD-Wandler 134, der das am Eingang 131 anliegende Analogsignal in ein digitales Signal wandelt und einem ersten Eingang eines UND-Gatters 135 zuführt. Der zweite Eingang des UND-Gatters 135 ist mit einem Eingang 133 der Diagnoseeinheit 130 verbunden. Der Eingang 133 empfängt das von dem Treiber 211 des Bausteins 200 abgegebene Signal und ist zu diesem Zweck entsprechend mit diesem verbunden. Der Ausgang des UND-Gatters 135 ist mit einem Ausgang 132 der Diagnoseeinheit 130 verbunden. Dieser ist mit einem Eingang 206 des Bausteins 200 verbunden, welcher im Inneren des Bausteins mit einer Recheneinheit verbunden ist.

In der Schutzschaltung 100 sind ferner drei mit den Bezugszeichen "1", "2" und "3" gekennzeichnete Messpunkte eingezeichnet, auf die in der nachfolgenden Beschreibung der Funktion der

Schutzschaltung 100 Bezug genommen wird. Zu diesem Zweck ist auch eine Strommessquelle an dem Messpunkt "3" angeschlossen, mit der der Strom I_DRV erfasst wird und welche lediglich zur Beschreibung der Funktionalität der Schutzschaltung 100 vorhanden ist.

Zu einem Zeitpunkt des normalen, ungestörten Betriebs ist das Schaltelement 210 geschlossen und das Schaltelement 220 ge- öffnet, d.h. am Ausgangsanschluss 201 liegt ein logisches Signal "hoch" an. Durch seine interne Diode (Body-Diode) ist der Längstransistor Tl selbst angesteuert und fängt zum Leiten an. Wenn am Ausgangsanschluss 102 (Messpunkt "1") die Spannung höher als die Basis-Emitter-Spannung des Steuertransistors T2 zu ^¬ züglich der Zenerspannung der Diode Dzl ist (VBE , T2 +V _{D Z} I) , fängt der Steuertransistor T2 an zu leiten, wodurch der Längstransistor Tl etwas weniger leitet, bis er schließlich sperrend geschaltet ist. Dadurch wird der Ausgangsanschluss 202 des Bausteins 200 von dem Ausgangsanschluss 102 (Messpunkt "1", an dem nun eine Überspannung vorliegt) vor der Überspannung geschützt.

Der Kondensator C13 stellt einen sog. Diagnose-Kondensator dar. Dies deshalb, da die Spannung am Messpunkt "3", d.h. am Aus- gangsanschluss 202 des Bausteins bzw. Eingangsanschluss 101 der Schutzschaltung 100 bis zu einer bestimmten, durch die Kondensatoren C15 und C16 festgelegten Schwelle ansteigt, während der Längstransistor Tl durch den Steuertransistor T2 vollständig gesperrt wird. Diese Schwelle des am Ausgangsanschluss 202 entstehenden Spannungspulses muss geringer als die maximal am Ausgangsanschluss 202 erlaubte Spannung sein.

Der Baustein 200 weist eine interne Überspannungsdetektions- einheit 120 zur Detektion eines Kurzschlusses zur Versor- gungsspannung des Bordnetzes auf. Damit diese Diagnose an ^¬ sprechen kann, wird durch den Kondensator C13 ein Spannungspuls für eine kurze Zeit "gespeichert", damit diese interne De- tektionseinheit des Bausteins 200 (nicht gezeigt) die Über ^¬ spannung detektieren kann. Diese interne Überspannungsdetek- tionseinheit wird durch den Baustein 200 ohne weitere

Schutzbeschaltung genutzt, wenn dieser in einem Steuergerät für ein Kraftfahrzeug und nicht für ein Nutzfahrzeug, wie hier beschrieben, eingebaut ist. Der Spannungspuls ist in seiner Amplitude und in seiner Dauer für eine sichere Zeitdauer geformt. Dies bedeutet, er muss größer sein als die minimale Überspannungserkennungsschwelle (z.B. 0,5 V zuzüglich der Versorgungsspannung Vcc der Spannungsquelle 210) des Bausteins 200 und geringer als die maximale erlaubte Spannung am Ausgang 202 (in der Regel zwischen 30 V und 40 V) . Die minimale Zeitdauer beträgt beispielsweise 200 ms. Aus diesem Grund ist es erforderlich, den Spannungspuls derart zu formen, dass diese Bedingungen erfüllt sind.

Die Auswirkung der Dimensionierung des Kondensators C13 wird in Fig. 4 dargestellt. In Fig. 4 sind übereinander die zeitlichen Verläufe dreier Signale CMD_D, SC und DS sowie die am Messpunkt "3" anliegende Spannung U_DRV sowie die Gate-Source-Spannung U _G s des Längstransistors Tl dargestellt. Das Signal CMD_D ist das Steuersignal für das Schaltelement 210. Ist das Schaltelement 210 geöffnet, liegt ein Signal logisch "0" an, ist das Schaltelement 210 durch das Steuersignal CMD_D geschlossen, liegt ein Signal logisch "1" an, d.h. der Ausgangsanschluss 202 des Bausteins 200 und damit der Messpunkt "3" ist mit der Versorgungsspannung Vcc der Spannungsquelle 240 verbunden. Das Signal SC nimmt den Zustand logisch "0" an, wenn am Ausgang der Schutzschaltung 100, d.h. der Messpunkt "1" kein Kurzschluss und damit keine

Überspannung vorliegt. Demgegenüber ist das Signal SC logisch "1" bei einem Kurzschluss, d.h. wenn eine Überspannung am Messpunkt "1" vorliegt. Das Signal SC wird in der in Fig. 3 gezeigten elektronischen Schaltung nirgends übertragen oder erzeugt, es dient lediglich zur Illustration der Funktionsweise. Das Signal DS ist das von der Diagnoseeinheit 130 an den Baustein 200 gelieferte Diagnosesignal.

Zum Zeitpunkt ti wechselt das Schaltelement 210 seinen Zustand von Sperrend zu Geschlossen, wodurch CMD_D den Zustand von logisch "0" zu logisch "1" wechselt. Wie oben bereits be ^¬ schrieben, beginnt der Längstransistor Tl zum Zeitpunkt ti zu leiten, wie der Gate-Source-Spannung U _G s entnommen werden kann. Durch entsprechende Verbindung der Spannung Vcc mit dem Messpunkt "3" steigt auch die Spannung am Eingangsanschluss der

Schutzschaltung 100 auf Vcc an, was dem Signalverlauf von U_DRV entnommen werden kann. Zum Zeitpunkt t ₂ tritt am Messpunkt "1", d.h. am Ausgang 102 der Schutzschaltung 100 ein Kurzschluss auf, d.h. das Signal SC wechselt von logisch "0" nach logisch "1". Damit verbunden steigt die Spannung U-DRV am Messpunkt "3" aufgrund des Vorhandenseins des Kondensators C13 an.

In dem mittleren Zeitverlauf, das den Verlauf der Spannung U_DRV wiedergibt, sind die Spannungsverläufe für unterschiedliche Dimensionierungen des Kondensators C13 dargestellt. Die un ^¬ terschiedlichen Dimensionierungen sind mit C13-1, C13-4 dargestellt. Wie ohne weiteres ersichtlich ist, ist die Di ^¬ mensionierung des Kondensators C13-1 nicht korrekt, da die maximale Spannung bei 80 V über dem maximal zulässigen Spannungswert des Ausgangsanschlusses 202 liegt. Die anderen Di ^¬ mensionierungen C13-2, C13-4 bleiben jedoch unterhalb der geforderten Schwelle von etwa 30 V, so dass jede der Dimensionierungen in Betracht kommt.

Zum Zeitpunkt t3 gibt die Diagnoseeinheit 130 das Signal DS aus, indem dieses den Wert von logisch "0" nach logisch "1" wechselt, wodurch der Baustein 200 zwingend abschaltet, unabhängig von seiner internen Diagnose, die oben erwähnt wurde. Zu diesem Zeitpunkt wird das Schaltelement 210 geöffnet, d.h. das Signal CMD_D nimmt den Wert logisch "0" an. Wie auch aus Fig. 4 hervorgeht, wird der Längstransistor Tl zum Zeitpunkt t ₂ mit dem Auftreten der Überspannung am Messpunkt "1" durch die

Schutzschalteinheit 110 sperrend geschaltet, d.h. seine Ga- te-Source-Spannung geht zurück auf den Wert 0.

Wie beschrieben, ist es die Aufgabe des Steuertransistors T2, den Längstransistor Tl im Falle eines Kurzschlusses des Aus ^¬ gangsanschlusses 102 mit Versorgungsspannung (Batterie) ab- zuschalten. Die Amplitude des mit dem Ausschalten erzeugten Pulses (siehe Zeitdiagramm von U_DRV) , welcher durch den Kondensator C13 gespeichert wird, kann durch die Schaltge ^¬ schwindigkeit des Steuertransistors T2 eingestellt werden. Die Schaltgeschwindigkeit des Steuertransistors T2 wird durch das Vorhandensein des Kondensators C15 in der Überspannungsde- tektionseinheit 120 erhöht. Hierzu ist es zweckmäßig, wenn der Steuertransistor T2 einen hohen Stromverstärkungsfaktor ß aufweist . Die Auswirkung des Vorhandenseins des Kondensators C15 kann in Fig. 5 qualitativ ersehen werden. Wiederum ist der zeitliche Verlauf der Signale CMD_D, SC und DS dargestellt, zusammen mit dem zeitlichen Verlauf der Spannung U_DRV und dem Strom I_DRV am Messpunkt "3" sowie der Gate-Source-Spannung des Längstransistors Tl. Die Spannung U_DRV am Messpunkt "3" ist wiederum beispielhaft für vier unterschiedliche Dimensionierungen des Kondensators C15 dargestellt, wobei die unterschiedlichen Dimensionierungen mit C15-1, C15-2, C15-3 und C15-4 reprä- sentiert sind. Wenn der Wert von dem Kondensator C15 zu klein gewählt wird (C15-1) übersteigt die Spannung am Ausgangsan- schluss 202 die maximal zulässige Spannung, darüber hinaus wird der Längstransistor Tl zu langsam abgeschaltet. Bei einer hohen Dimensionierung wird die maximal zulässige Spannung am Aus- gangsanschluss 202 nicht überschritten (z.B. C15-4) gleichzeitig wird mit größer werdendem Kapazitätswert das Ausschalten be ^¬ schleunigt .

Um eine zu schnelle Einschaltverzögerung des Steuertransistors T2 zu kompensieren, ist der Kondensator C16 in der Schutzschalteinheit 110 zwischen dem Drain-Anschluss D und dem Ga- te-Anschluss G des Längstransistors Tl vorgesehen. Ein zu schnelles Ausschalten des Längstransistors Tl führt zu einem zu geringen Spannungspuls, ein zu langsames Ausschalten führt zu einem großen Spannungspuls an dem Messpunkt "3", wie aus den zeitlichen Verläufen der Fig. 6 ersichtlich ist.

Fig. 6 zeigt wiederum die Signale CMD_D, SC und DS, zusammen mit der Spannung U_DRV am Messpunkt "3" und der Gate-Source-Spannung des Längstransistors Tl. Zwischen ti und t ₂ ist wiederum der reguläre Betrieb ersichtlich, zum Zeitpunkt t ₂ tritt der Kurzschluss zur Versorgungsspannung, d.h. Batterie am Messpunkt "1" bzw. dem Ausgangsanschluss 102 der Schutzschaltung 100 auf. Unterschiedliche Dimensionierungen des Kondensators C16 sind wiederum mit C16-1, C16-4 dargestellt. Bei einer zu großen Kapazität des Kondensators Cl 6 (C16-4) wird die maximal zulässige Spannung am Messpunkt "3" und damit am Ausgangsanschluss 202 des Bausteins 200 überschritten. Die anderen Dimensionierungen C16-3, Cl 6-2 und Cl 6-1 bleiben im erlaubten Bereich . Demgegenüber entsteht jedoch bei einer nicht vorhandenen Kapazität (re ^¬ präsentiert durch den Verlauf von C16-1 kein Spannungspuls, wodurch die interne Diagnostik des Bausteins 200 nicht ansprechen kann) . Für eine korrekte Dimensionierung wird daher ein Kapazitätswert entsprechend C16-2 oder C16-3 gewählt. Der Verlauf der Gate-Source-Spannung U _G s zeigt, dass der Längstransistor Tl ab dem Zeitpunkt t ₂ sperrend geschaltet ist. Die Dioden Dl und D2 schützen den Steuertransistor T2 gegen eine Umkehr-Basis-Emitter-Spannung. Die Diode D3 sorgt dafür, dass die Schutzschaltung 100 EMV Erfordernisse erfüllt. Dabei schneidet die Diode D3 negative Pulse ab, während positive Pulse durch die Schutzschalteinheit 110 selbst abgeschnitten bzw. vom Baustein 200 ferngehalten werden.

Der Widerstand R20 stellt einen Strombegrenzer dar. Der Widerstand R20 ist optional. Er ist sinnvoll im Hinblick auf eine Strombegrenzung bei negativen Spannungen am Ausgangsanschluss 102.

Der Widerstand R25 dient zum Steuern des Bipolartransistors T2 im Falle einer Überspannung am Ausgangsanschluss 102. Der Widerstand R26 sorgt dafür, dass die Zenerdiode Dzl in ihrer Zenerregion arbeitet. Der Widerstand R24 limitiert den Kol ^¬ lektorstrom des Steuertransistors T2 und stellt eine Bezugs ^¬ referenz für das Gate des Längstransistors Tl dar. Im Falle des Auftretens eines Kurzschlusses des Ausgangsan ^¬ schlusses 102 mit der Folge einer Überspannung in einer "aus" Phase des Bausteins 200, in der das Schaltelement 210 sperrend und das Schaltelement 220 leitend geschaltet ist (der

Lowside-Treiber 221 ist ein) kann die interne Diagnostik des Bausteins 200 am Ausgangsanschluss 202 des Bausteins (Messpunkt "3") die Überspannung nicht detektieren. Der Ausgangsanschluss 202 ist dennoch durch die bereits beschriebene Funktion der Schutzschaltung 100 geschützt, da der Längstransistor Tl die Verbindung zwischen dem Ausgangsanschluss 202 und dem Aus- gangsanschluss 102 aufgetrennt hat.

Mittels des Spannungsteilers aus den Widerständen R18 und R19 wird die Überspannung detektiert und der Diagnoseeinheit 130 zugeführt. Diese digitalisiert die aufgrund der Überspannung auftretende Spannung am Knotenpunkt der Widerstände R18 und R19 und führt diese dem UND-Gatter 135 zu. Der zweite Eingang des UND-Gatters 135 erhält die Information über den Schaltzustand des Schaltelements 210 des Bausteins 200. Durch die Verarbeitung dieser beiden Informationen in der geschilderten Situation (Schaltelement 210 ist sperrend geschaltet, Schaltelement 220 ist leitend) erhält der Baustein 200 die Information über das Vorliegen einer Überspannung. Der Baustein 200 wird damit in die Lage versetzt, zwischen einer Überspannung und einer offenen Last (englisch: Open Load) zu unterscheiden. Das Signal DS wird somit dazu genutzt, dem Baustein 200 das Vorliegen einer Überspannung am Ausgangsanschluss 202 mitzuteilen.