Titel

Verfahren und Anordnung zur Ansteuerung von mindestens einem Auslöseelement für ein Personenschutzmittel

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Ansteuerung von mindestens einem Auslöseelement für ein Personenschutzmittel nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 1 , und von einer Anordnung zur Ansteuerung von mindestens einem Auslöseelement für ein Personenschutzmittel nach Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 7.

Aus dem Stand der Technik bekannte Personenschutzsysteme weisen keinen Zündmodus zur Ansteuerung von Schaltkreisen mit Low-Energy-Aktuatoren (LEA) auf. Diese magnetischen Aktuatoren werden beispielsweise zur Auslösung von Überrollbügeln, in Kopfschutzsystemen für Cabrios und/oder zur Auslösung von Vorrichtungen zum Anheben von Motorhauben in Fußgängerschutzsystemen benutzt.

Die Benutzung von bekannten Zündmodi für pyrotechnische Airbagaktuatoren entsprechend den gültigen Sicherheitsanforderungen mit Zündströmen von 1 ,2A und einer Impulsdauer von 2ms bzw. 1 ,75A mit einer Impulsdauer von 0.5ms erfüllen nicht die Sicherheitsanforderungen für die Low-Energy-Aktuatoren (LEA), welche einen Strom im Bereich von 1 ,5A bis 2,2A mit einer Impulsdauer im Bereich von 1 ,0 bis 1 ,5ms fordern. Zudem ist eine Gesamtansteuerzeit von 3ms erforderlich, um den langsamen Stromanstieg der induktiven Low-Energy- Aktuatoren (LEA) auch bei niedriger Energiereservespannung bzw. Batteriespannung zu ermöglichen. Bisher bekannte Lösungen verwenden beispielsweise diskrete High-Side-Endstufen zur Auslösung von solchen Schaltkreisen mit Low- Energy-Aktuatoren (LEA). Alternativ werden Speziallösungen mit reduzierten An- forderungen durch bekannte pyrotechnische Zündmodi von integrierten High- Side-Endstufen erfüllt. Die simple Umsetzung der längeren Ansteuerzeit (3ms), bei einem Strom von 1 ,5 bis 2,2A vergrößert eine integrierte High-Side-Endstufe deutlich, welche für einen bekannten pyrotechnischen Zündkreis ausgelegt ist.

In der Offenlegungsschrift DE 10 2009 027 918 A1 werden beispielsweise eine Anordnung und ein Verfahren zur Ansteuerung von wenigstens einem Auslöseelement für ein Personenschutzmittel beschrieben. Die beschriebene Anordnung umfasst eine High-Side-Schaltung, welche eine erste Verbindung von einer Energiequelle zu dem wenigstens einen Auslöseelement herstellt, und eine Low-

Side-Schaltung, welche eine zweite Verbindung von dem wenigstens einen Auslöseelement zur Masse herstellt. Des Weiteren ist eine Regelung vorgesehen, welche einen Auslösestrom für das wenigstens eine Auslöseelement regelt, wobei die Regelung der High-Side-Schaltung und/oder der Low-Side-Schaltung zu- geordnet ist. Zudem weisen die High-Side-Schaltung und die Low-Side-

Schaltung jeweils zwei parallel geschaltete Endstufen für die Regelung des Auslösestroms pro Auslöseelement auf, wobei zumindest eine der wenigstens zwei Endstufen eine Stromregelung und einen oder mehrere parallel geschaltete Transistoren aufweisen. Durch die Parallelisierung der Endstufen ist eine Skalie- rung darstellbar, d.h. höhere bzw. längere Auslösestromimpulse werden mit zwei oder mehr parallel geschalteten Endstufen realisiert. Die Auslösestromimpulse führen zur Zündung eines Sprengsatzes bzw. zur magnetischen Betätigung eines Personenschutzmittels. Offenbarung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ansteuerung von mindestens einem Auslöseelement für ein Personenschutzmittel mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie die erfindungsgemäße Anordnung zur Ansteuerung von mindestens einem Auslöseelement für ein Personenschutzmittel mit den

Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 7 haben demgegenüber den Vorteil, dass in eine integrierten High-Side-Steuerschaltung für pyrotechnische Zündkreise, welche im Wesentlichen ohmsche Auslöseelemente aufweisen, ein zusätzlicher Zündmodus für elektromagnetische Zündkreise vorgesehen wird, welche im Wesentlichen induktive Auslöseelemente, so genannte Low-Energy- Aktuatoren (LEA) aufweisen, ohne die erforderliche Schaltungsfläche der integrierten High-Side-Endstufe zu vergrößern.

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kontrollieren in vorteilhafter Wei- se die Eigenschaften der unterschiedlichen Zündkreislasten eines weitgehend ohmschen pyrotechnischen Zündkreises gegenüber einem massiv induktiven Zündkreis mit Low-Energy-Aktuatoren (LEA) so, dass eine weitgehend flächenneutrale Integration der High-Side-Endstufe möglich wird. Die flächenmäßige Auslegung einer integrierten High-Side-Endstufe richtet sich vor allem nach der Verlustleistung und Verlustenergie, welche die Endstufe im Falle eines Kurzschlusses während eines Zündvorganges erfährt. Die umgesetzte Energie wird in die Wärmekapazität der Endstufe, welche durch die erforderliche Siliziumfläche gegeben ist, eingebracht und über den Effekt der Wärmeableitung über die Zeit abtransportiert. Aufgrund der hohen Zündgeschwindigkeit ist der Effekt der Ablei- tung nur verzögert wirksam. Bei ca. gleicher Grenzenergie pro integrierter Flächeneinheit ist zur Abdeckung der Aktivierung des induktiven Zündkreises eine um ca. 1.76 fache größere Endstufe als zur Aktivierung des ohmschen Zündkreises erforderlich. Durch Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird dieser Flächenzuwachs verhindert.

Für den induktiven Zündkreis mit einem magnetischen Low-Energy-Aktuator (LEA) wird die Ansteuerzeit nur deshalb länger gewählt, weil der Strom in einem solchen induktiven Schaltkreis, insbesondere bei Aktivierung aus einer Fahrzeugbatterie, eine lange Anstiegszeit zum Erreichen des minimalen Ansteuer- Stroms erfordert. Wird der induktive Zündkreis in einem Fehlerfall während der

Aktivierung auf der Plus-Seite nach Masse kurzgeschlossen dann ist keine nennenswerte Induktivität im Zündkreis mehr vorhanden, da der Strom nicht mehr durch den Low-Energy-Aktuator (LEA) fließt. In diesem Falle ist die in die High- Side-Endstufe eingebrachte Energie am größten, da der Strom sofort einen ma- ximalen Wert annimmt, welcher über einen längeren Zeitraum gehalten wird.

Durch die Einbindung der Strom Überwachung im Endstufendesign bezüglich Abschaltung, lässt sich nach Feststellung eines Kriteriums für die zeitliche Dauer des Aktivierungsstroms eine deutliche Reduktion der in der Endstufe umgesetzten Energie erreichen, ohne die Sicherheitsanforderungen für den induktiven Zündkreis zu verletzen. Ist im Zündkreis eine reguläre Induktivität vorhanden, so benötigt der Strom eine durch diese und die vorhandene Energiereservespan- nung vorgegebene Anstiegszeit, um den Zielstrom zu erreichen, bzw. nach dem Abschalten über eine Freilaufdiode parallel zum magnetischen Schalter wieder zu verlieren. Daher wird die Endstufe bei einem vorhandenen induktiven Zündkreis zunächst für eine festgelegte minimale Ansteuerzeitspanne leitend gesteu- ert. Nach Ablauf der minimalen Ansteuerzeitspanne wird die High-Side-Endstufe innerhalb einer maximalen Ansteuerzeitspanne ausgeschaltet, sobald das vorgegebene zeitliche Kriterium erfüllt ist. Wird das zusätzliche zeitliche Kriterium nicht erfüllt, dann wird die High-Side-Endstufe mit Ablauf der maximalen Ansteuerzeitspanne ausgeschaltet. Hierbei entspricht die minimale Ansteuerzeitspanne auch dem vorgegebenen zeitlichen Kriterium. Das bedeutet, dass die High-Side-

Endstufe durch die beschriebene intelligentere Ansteuerung für einen induktiven Zündkreis gleich dimensioniert werden kann, wie beim Einsatz für eine ohmsche Zündpille.

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen ein Verfahren zur Ansteuerung von mindestens einem Auslöseelement für ein Personenschutzmittel zur Verfügung, welche eine High-Side-Steuerschaltung, welche eine erste Verbindung von einer Energiequelle zu dem mindestens einen Auslöseelement herstellt, einer Low-Side-Steuerschaltung, welche eine zweite Verbindung von dem mindestens einen Auslöseelement zur Masse herstellt, und einer Regelanordnung zur Regelung eines Zündstroms für das mindestens eine Auslöseelement umfasst. Erfindungsgemäß werden mehrere Zündmodi vorgesehen, von welchen in Abhängigkeit von einem angeschlossenen Auslöseelement ein Zündmodus ausgewählt wird, wobei in einem ersten Zündmodus ein erster Zündstrom mit einem ersten zeitlichen Verlauf für ein im Wesentlichen ohmsches Auslöseelement und in einem zweiten Zündmodus ein zweiter Zündstrom mit einem zweiten zeitlichen Verlauf für ein im Wesentlichen induktives Auslöseelement erzeugt werden, wobei eine Stromüberwachungsfunktion ausgeführt wird, welche mindestens ein Steuersignal erzeugt, welches den ausgegebenen Zündstrom in Abhängigkeit vom aktuellen Zündmodus zeitlich begrenzt.

Zudem wird eine Anordnung zur Ansteuerung von mindestens einem Auslöseelement für ein Personenschutzmittel vorgeschlagen, welche eine High-Side- Steuerschaltung, welche eine erste Verbindung von einer Energiequelle zu dem mindestens einen Auslöseelement herstellt, eine Low-Side-Steuerschaltung, welche eine zweite Verbindung von dem mindestens einen Auslöseelement zur Masse herstellt, und eine Regelanordnung zur Regelung eines Zündstroms für das mindestens eine Auslöseelement umfasst. Erfindungsgemäß sind mehrere Zündmodi vorgesehen, wobei eine Auswerte- und Steuereinheit in Reaktion auf eine Vorgabe einen Zündmodus für ein angeschlossenes Auslöseelement auswählt und in einem ersten Zündmodus einen ersten Zündstrom mit einem ersten zeitlichen Verlauf für ein im Wesentlichen ohmsches Auslöseelement und in einem zweiten Zündmodus einen zweiten Zündstrom mit einem zweiten zeitlichen Verlauf für ein im Wesentlichen induktives Auslöseelement erzeugt, wobei die Auswerte- und Steuereinheit eine Stromüberwachungsfunktion ausführt und mindestens ein Steuersignal erzeugt, welches den ausgegebenen Zündstrom in Abhängigkeit vom aktuellen Zündmodus zeitlich begrenzt.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen des im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen Verfahrens zur Ansteuerung von mindestens einem Auslöseelement für ein Personenschutzmittel und der im unabhängigen Patentanspruch 7 angegebenen Anordnung zur Ansteuerung von mindestens einem Auslöseelement für ein Personenschutzmittel möglich.

Besonders vorteilhaft ist, dass im ersten Zündmodus ein erstes Steuersignal mit einer konstanten ersten Ansteuerzeitspanne erzeugt und an die Regelanordnung zur Regelung des ersten Zündstroms angelegt wird. Der erste Zündmodus kann daher zur Ansteuerung von ohmschen Auslöseelementen verwendet werden, welche keine wesentliche Verzögerungen der Anstiegsflanken bzw. Abfallflanken des Zündstroms bewirken.

In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im zweiten Zündmodus ein zweites Steuersignal mit einer variablen Ansteuerzeitspanne erzeugt und an die Regelanordnung zur Regelung des zweiten Zündstroms an- gelegt. Das zweite Steuersignal wird im zweiten Zündmodus vorzugsweise durch eine logische Kombination von mindestens zwei weiteren Steuersignalen erzeugt. Eine maximale Ansteuerzeitspannne des zweiten Steuersignals kann beispielsweise durch ein drittes Steuersignal, und eine minimale Ansteuerzeitspanne des zweiten Steuersignals kann beispielsweise durch ein viertes Steuersignal vorgegeben werden. Des Weiteren kann aus einem Ausgabesignal einer Überwachungsanordnung ein fünftes Steuersignal erzeugt werden, wobei das zweite Steuersignal durch Kombinieren des fünften Steuersignal mit dem dritten und vierten Steuersignal mit einer Ansteuerzeitspanne erzeugt werden kann, welche zwischen der minimalen und der maximalen Ansteuerzeitspanne liegt. Durch die variable Ansteuerzeitspanne, kann die Ansteuerzeit im Fehlerfall in vorteilhafter Weise auf die minimale Ansteuerzeitspanne reduziert werden, um eine zu hohe

Verlustenergie zu verhindern.

In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung kann die Auswerte- und Steuereinheit im ersten Zündmodus über die Stromüberwachungs- funktion ein erstes Steuersignal mit einer konstanten ersten Ansteuerzeitspanne erzeugen und an die Regelanordnung zur Regelung des ersten Zündstroms anlegen.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung kann die Auswerte- und Steuereinheit im zweiten Zündmodus ein zweites Steuersignal mit einer variablen Ansteuerzeitspanne erzeugen und an die Regelanordnung zur Regelung des zweiten Zündstroms anlegen. Die Auswerte- und Steuereinheit kann das zweite Steuersignal im zweiten Zündmodus vorzugsweise durch eine logische Kombination von mindestens zwei weiteren Steuersignalen erzeugen, wobei eine maximale Ansteuerzeitspannne des zweiten Steuersignals durch ein drittes Steuersignal und eine minimale Ansteuerzeitspanne des zweiten Steuersignals durch ein viertes Steuersignal vorgegeben werden kann. Des Weiteren kann die Auswerte- und Steuereinheit aus einem Ausgabesignal der Überwachungsanordnung ein fünftes Steuersignal erzeugen und durch Kombinieren des fünften Steuersignal mit dem dritten und vierten Steuersignal das zweite Steuersignal mit einer Ansteuerzeitspanne erzeugen, welche zwischen der minimalen und der maximalen Ansteuerzeitspanne liegt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Ansteuerung von mindestens einem Auslöseelement.

Fig. 2 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer High-Side-Steuerschaltung für die erfindungsgemäße Anordnung zur Ansteuerung von mindestens einem Auslöseelement aus Fig. 1.

Fig. 3 zeigt ein schematisches Kennliniendiagram von Steuersignalen in der High-Side-Steuerschaltung aus Fig. 2 und eines zugehörigen ersten Zündstroms in einem ersten Zündmodus.

Fig. 4 zeigt ein schematisches Kennliniendiagram von Steuersignalen in der High-Side-Steuerschaltung aus Fig. 2 und eines zugehörigen zweiten Zündstroms in einem zweiten Zündmodus.

Fig. 5 zeigt ein schematisches Kennliniendiagram von Steuersignalen in der High-Side-Steuerschaltung aus Fig. 2 und eines zugehörigen Zündstromverlaufs während eines Fehlerfalls im zweiten Zündmodus.

Fig. 6 zeigt ein schematisches Kennliniendiagram von Steuersignalen in der High-Side-Steuerschaltung aus Fig. 2 und eines zugehörigen Zündstromverlaufs während eines Worst-Case-Fehlerfalls im zweiten Zündmodus.

Ausführungsformen der Erfindung

Wie aus Fig. 1 und 2 ersichtlich ist, umfasst das dargestellte Ausführungsbeispiel einer Anordnung 1 zur Ansteuerung von mindestens einem Auslöseelement LEA, ZP für ein Personenschutzmittel eine Ansteuerschaltung 5 mit einer High-Side- Steuerschaltung 100, welche eine erste Verbindung von einer Energiequelle ER zu dem mindestens einen Auslöseelement LEA, ZP herstellt, und einer Low- Side-Steuerschaltung 200, welche eine zweite Verbindung von dem mindestens einen Auslöseelement LEA, ZP zur Masse herstellt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein induktives Auslöseelement LEA mit korrespondierenden Ausgangskontakten (+), (-) der Ansteuerschaltung 5 verbunden. Zudem ist eine Freilaufdiode FD zu dem induktiven Auslöseelement LEA parallel geschaltet. AI- ternativ kann ein gestrichelt dargestelltes ohmsches Auslöseelement ZP, das beispielsweise als Zündpille ausgeführt ist, mit den beiden Ausgangskontakten (+), (-) der Ansteuerschaltung 5 verbunden werden. Die High-Side- Steuerschaltung 100 umfasst eine High-Side-Endstufe 20, eine Regelanordnung 5 30 zur Regelung eines Zündstroms I _LEA , I _ZP für das mindestens eine Auslöseelement LEA, ZP und eine Überwachungsanordnung 40 zur Überwachung des Zündstroms I _LEA , I _ZP für das mindestens eine Auslöseelement LEA, ZP.

Erfindungsgemäß sind mehrere Zündmodi vorgesehen, wobei eine Auswerte- 10 und Steuereinheit 50 in Reaktion auf eine Vorgabe einen Zündmodus für ein angeschlossenes Auslöseelement LEA, ZP auswählt und in einem ersten Zündmodus einen ersten Zündstrom I _ZP mit einem ersten zeitlichen Verlauf für das im Wesentlichen ohmsche Auslöseelement ZP und in einem zweiten Zündmodus einen zweiten Zündstrom I _LEA mit einem zweiten zeitlichen Verlauf für das im Wei s sentlichen induktive Auslöseelement LEA erzeugt. Hierbei führt die Auswerte- und Steuereinheit 50 eine Stromüberwachungsfunktion aus und erzeugt mindestens ein Steuersignal Si , S ₂ , welches den ausgegebenen Zündstrom I _ZP , L _EA in Abhängigkeit vom aktuellen Zündmodus zeitlich begrenzt.

20 Wie aus Fig. 1 und 2 weiter ersichtlich ist, umfasst die High-Side-Endstufe 20 im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei MOSFET-Leistungsschalter T und T _s welche als Stromspiegelschaltung angeordnet sind. Zur Strommessung ist im Zweig eines Sense-Transistors T _s ein Sense-Widerstand R _s angeordnet, durch welchen ein Sense-Strom l _s als definierter Teil des Zündstrom I _ZP , L _EA fließt, SO

25 dass über dem Sense-Widerstand R _s eine dem Zündstrom I _ZP , L _EA entsprechende Spannung abfällt, welche beispielsweise über mindestens einen als Operationsverstärker ausgeführten Komparator R1 , C1 ausgewertet werden kann. Am Ausgang der High-Side-Endstufe 20 addieren sich der durch den Sense- Transistor T _s fließende Sense-Strom l _s und ein durch den Transistor T fließender

30 Strom l _T zum Zündstrom I _ZP , L _EA , welcher durch das Auslöseelement LEA, ZP zur

Low-Side-Steuerschaltung 200 geleitet wird.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird die über dem Sense-Widerstand R _s abfallende Spannung von einem ersten Komparator R1 ausgewertet, welcher als 35 Regler Teil der Regelanordnung 30 ist und die den Zündstrom I _ZP , L _EA repräsentierende Spannung mit einer über einem Regelwiderstand R _RR abfallenden Spannung vergleicht, welche einen Regelreferenzstrom l _RR repräsentiert. Der als Regler ausgeführte erste Komparator R1 erzeugt ein entsprechendes Regelsignal für die MOSFET-Leistungsschalter T und T _s zur Regelung des Zündstroms I _ZP , L _EA - In Abhängigkeit vom Regelsignal des Reglers R1 werden die Durch- gangswiderstände der beiden MOSFET-Leistungsschalter T und T _s eingestellt, um den gewünschten Zündstrom I _ZP , L _EA ZU erzeugen. Zudem weist die Regelanordnung 30 eine erste einstellbare Stromquelle 32 zur Vorgabe des Regelreferenzstroms I _RR auf. Des Weiteren wird die über dem Sense-Widerstand R _s abfallende Spannung im dargestellten Ausführungsbeispiel von einem zweiten Kom- parator C1 ausgewertet, welcher Teil der Überwachungsanordnung 40 ist und die den Zündstrom I _ZP , L _EA repräsentierende Spannung mit einer über einem Überwachungswiderstand R _MR abfallenden Spannung vergleicht, welche einen Über- wachungsregelreferenzstrom l _MR repräsentiert. Der zweite Komparator C1 erzeugt ein Startsignal für einen Zähler Z1 , wenn die den Zündstrom I _ZP , L _EA reprä- sentierende Spannung gleich oder größer als die den Überwachungsregelrefe- renzstrom l _MR repräsentierende Spannung ist. Zudem erzeugt der zweite Komparator 01 ein Stoppsignal für den Zähler Z1 , wenn die den Zündstrom I _ZP , L _EA repräsentierende Spannung kleiner als die den Überwachungsregelreferenzstrom I _MR repräsentierende Spannung ist. Der Zähler Z1 arbeitet mit einem vorgegebe- nen Taktsignal Olk, das beispielsweise eine Frequenz von 40KHz aufweist. Zudem weist die Überwachungsanordnung 40 eine zweite einstellbare Stromquelle 42 zur Vorgabe des Überwachungsreferenzstroms I _MR auf. Die zweite einstellbare Stromquelle 42 und der Zähler Z1 werden eingesetzt, um zu überprüfen, ob vorgegebenen Zeitkriterien erfüllt sind. So kann beispielsweise überprüft werden, ob ein Zündstrom I _ZP , L _EA mit einer vorgegebenen Stromstärke für eine vorgegebene Zeitspanne ausgegeben wurde.

Wie aus Fig. 1 und 2 weiter ersichtlich ist, umfasst die Auswerte- und Steuereinheit 50 einen Signalgenerator 52 zur Erzeugung der Steuersignale Si, S _min , S _max und eine Steuerlogik 54 mit einem Vergleicher V1 und mehreren Gattern G1 , G2,

G3 zur Erzeugung eines Steuersignals S ₂ und zur Ausgabe eines Steuersignals für die erste einstellbare Stromquelle 32. Hierbei gibt die Auswerte- und Steuereinheit 50 in Abhängigkeit von einem Zündmodussteuersignal S _ZM ein erstes Steuersignal Si als Steuersignal für die einstellbare Stromquelle 32 aus, wenn das im Wesentlichen ohmsche Auslöseelement ZP angeschlossen ist. So kann beispielsweise ein erster logischer Zustand des Zündmodussteuersignals S _ZM den ersten Zündmodus repräsentieren, bei welchem das erste Steuersignal Si als Steuersignal für die einstellbare Stromquelle 32 ausgegeben wird, und ein zweiter logischer Zustand das Zündmodussteuersignals S _Z M kann beispielsweise den zweiten Zündmodus repräsentieren, bei welchem das zweite Steuersignal S ₂ als Steuersignal für die einstellbare Stromquelle 32 ausgegeben wird. Zudem ist eine Auswahllogik 10 vorgesehen, welche in Abhängigkeit des Zündmodus- Steuersignals S _Z M weitere Zündmodus-Steuersignale SZMI , SZM2, SZM3 erzeugt, um über einen Multiplexer G3 das erste oder zweite Steuersignal Si, S ₂ auszuwählen, eine erforderliche Amplitude für die erste einstellbare Stromquelle 32 zur Vorgabe des Regelreferenzstroms l _RR und für die zweite einstellbare Stromquelle

42 zur Vorgabe des Überwachungsreferenzstroms I _M R einzustellen sowie den Signalgenerator 52 zur Erzeugung der Steuersignale Si, S _min , S _max , den Vergleicher V1 zur Ausgabe eines Steuersignals S _L EA und den Zähler Z1 in Abhängigkeit des ausgewählten Zündmodus entsprechend anzusteuern.

Die Auswerte- und Steuereinheit 50 erzeugt das erste Steuersignal Si mit einer konstanten ersten Ansteuerzeitspanne ti und legt es an die Regelanordnung 30 zur Regelung des ersten Zündstroms Izp an. Ist das im Wesentlichen induktive Auslöseelement LEA angeschlossen, dann gibt die Auswerte- und Steuereinheit 50 in Abhängigkeit vom Zündmodussteuersignal S _Z M ein zweites Steuersignal S ₂ als Steuersignal für die einstellbare Stromquelle 32 aus. Die Auswerte- und Steuereinheit 50 erzeugt das zweite Steuersignal S ₂ mit einer variablen Ansteuerzeitspanne t ₂ und legt es an die Regelanordnung 30 zur Regelung des zweiten Zündstroms I LEA an. Wie aus Fig. 2 weiter ersichtlich ist, erzeugt die Auswerte- und Steuereinheit 50 das zweite Steuersignal S ₂ im zweiten Zündmodus durch eine logische Kombination von mindestens zwei weiteren Steuersignalen S _min , S _max , SLEA- Hierbei werden eine maximale Ansteuerzeitspannne t _max des zweiten Steuersignals S ₂ durch ein drittes Steuersignal S _max und eine minimale Ansteuerzeitspanne t _m i _n des zweiten Steuersignals S ₂ durch ein viertes Steuersignal S _min vorgegeben. Zudem erzeugt die Auswerte- und Steuereinheit 50 aus einem Ausgabesignal der Überwachungsanordnung 40, insbesondere aus einem Ausgabesignals des Zählers Z1 , ein fünftes Steuersignal S _L EA- Das fünfte Steuersignal SLEA repräsentiert den aktuellen Zustand des Zählers Z1 und wird beispielsweise mit Starten des Zählers Z1 auf einen ersten logischen Pegel gesetzt und bei Er- reichen eines vorgegebenen Zeitschwellwertes auf einen zweiten logischen Pegel zurückgesetzt. Durch Kombinieren des fünften Steuersignal SLEA mit dem drit- ten und vierten Steuersignal S _max , S _min erzeugt die Auswerte- und Steuereinheit 50 das zweite Steuersignal S ₂ mit einer Ansteuerzeitspanne t ₂ , welche zwischen der minimalen und der maximalen Ansteuerzeitspanne t _min , t _max liegt. Im ersten Zündmodus ist aufgrund der üblichen Toleranzen für eine garantierte

Überwachung eines minimalen Zündstromes I _ZP von 1 ,2A nach den gültigen Sicherheitsanforderungen ein typischer Regelstrom l _RR von ca. 1 ,55A erforderlich. Der genaue Wert ist von den Toleranzen spezifischer Halbleiterprozesse abhängig. Der Zündstromregelbereich liegt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel im ersten Zündmodus zwischen 1 ,4 bis 1 JA und der Zündstromüberwachungs- bereich liegt im Bereich von 1 ,2 bis 1 ,4A.

Zudem werden im ersten und zweiten Zündmodus der Zähler Z1 und der Vergleicher V1 in Verbindung mit einem nicht dargestellten Speicher verwendet, um den Verlauf des ersten bzw. zweiten Zündstroms I _ZP , L _EA ZU dokumentieren, so dass nach einem Crash der Ablauf des Zündvorgangs mit Dauer und Amplitude des tatsächlichen Zündstroms I _ZP , L _EA überprüft werden kann.

Die flächenmäßige Auslegung einer integrierten Ansteuerschaltung 5 richtet sich vor allem nach der Verlustleistung und Verlustenergie, welche die Ansteuerschaltung 5 im Falle eines Kurzschlusses während eines Zündvorganges erfährt. In Fig. 1 und 2 ist der Zustand, welcher die Ansteuerschaltung 5 in der Fläche dimensioniert gepunktet dargestellt und zeigt einen Kurzschluss des ersten Ausgangskontaktes (+) nach Masse. Ein maximaler Zündstrom l _maX( zp ₎ ergibt sich im ersten Zündmodus aus einem spezifizierten minimalen Zündstrom von 1 ,4A multipliziert mit einem Toleranzfaktor, welcher Stromregel- und/oder Stromerfassungstoleranzen umfasst. Im dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht der Toleranzfaktor einem Wert von ca. 1 ,42. Eine maximale Verlustleistung P _ma x ₍ zp ₎ der Ansteuerschaltung 5 ergibt sich im ersten Zündmodus aus dem maximalen Zündstrom l _maX( zp ₎ multipliziert mit einer maximalen Zündspannung U _max . Die maximale Verlustenergie E _max(Z p ₎ der Ansteuerschaltung 5 ergibt sich aus der maximalen Verlustleistung P _maX( zp ₎ multipliziert mit der maximalen Ansteuerzeit t _max . Für eine maximale Zündspannung U _max von beispielsweise 20V ergibt sich im ersten Zündmodus eine maximale Verlust- leistung P _ma x ₍ zp ₎ nach Gleichung (1) und eine maximale Verlustenergie E _max(Z p ₎ nach Gleichung (2).

Die umgesetzte Energie wird in die Wärmekapazität der Ansteuerschaltung 5 eingebracht, welche durch die notwendige Silizium Fläche gegeben ist, und über den Effekt der Wärmeableitung über die Zeit abtransportiert. Aufgrund der hohen Zündgeschwindigkeit ist der Effekt der Ableitung nur verzögert wirksam.

Entsprechend dem wirksamen Wärmemodel gilt gemäß Gleichung (3) und (4):

Die wirksame Endstufenergie ~ I x U x dt x [ _e - ^{(t"dt) T} + e ^{"(t"2dt) T} +... ] (3)

I x U x dt x Σ( _Β -<'- ^Η ^ ^/Τ ), t >: ndt (4)

Mit n=1 bis Ta = n x dt, Ta = Ansteuerzeit und T = Zeitkonstante der Wärmeableitung (Annahme = 5ms) ergibt sich für den ersten Zündmodus im Mittel eine Wärmeableitung E_WL _(Z p ₎ gemäß Gleichung (5).

E_WL ₍ ZP ₎ = (E _max(ZP) /2) x (1 -e ^{"Ta T} ) = 34.4mWs x (1 -e ^{"2ms 5ms} ) = 11.3mWs (5)

Die Worst-Case-Energie E _gre nz_ausiegung(zp), welche von der Ansteuerschaltung 5 im ersten Zündmodus verkraftet werden muss, berechnet sich gemäß Gleichung (6).

Eg _r enz_ausiegung(zp) = E _max(ZP ) - E_WL _(ZP ) = 68mWs-11.3mWs = 56.7mWs (6)

Für diese Energie ist die Fläche der integrierten Ansteuerschaltung 5 zu dimensionieren, bzw. ist bereits nach Stand der Technik so dimensioniert.

Für den zweiten Zündmodus ergibt sich für die Ansteuerschaltung 5 ein maximaler Zündstrom I max ₍ LEA ₎ aus dem spezifizierten minimalen Zündstrom LEA von 1 ,5A multipliziert mit dem Toleranzfaktor, welcher wie oben bereits erwähnt ist einen Wert von ungefähr 1 ,42 aufweist. Die maximale Verlustleistung P _m ax ₍ _EA ₎ der Ansteuerschaltung 5 ergibt sich im zweiten Zündmodus aus dem maximalen Zündstrom Imax ₍ LEA ₎ multipliziert mit der maximalen Zündspannung U _max , die im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit ca. 20V vorgegeben ist. Somit ergibt sich im zweiten Zündmodus eine maximale Verlustleistung P _m ax ₍ _EA ₎ nach Gleichung (7) und eine maximale Verlustenergie E _MAX( LEA ₎ ohne die Erfindung nach Gleichung (8).

Pmax(LEA) = Lax x U _max = 2.13A X 20V = 42.6W (7)

Emax(LEA) = Pmax x t _max = 42,6W x 3ms = 127.8mWs (8)

Für den zweiten Zündmodus ergibt sich im Mittel eine Wärmeableitung E_WL _(L EA ₎ gemäß Gleichung (9).

E_WL(LEA) = (E _ma x(LEA)/2) x (1- e ^{"Ta T} ) = 63,9mWs x (1 - e ^{"3ms 5ms} ) = 28.8mWs (9)

Die Worst-Case-Energie E _gre nz_ausiegung(LEA), welche von der Ansteuerschaltung 5 im zweiten Zündmodus ohne die Erfindung verkraftet werden muss, berechnet sich gemäß Gleichung (10).

-grenz ausiegung(LEA) = E _max(LE A ₎ -E_WL(LEA) = 127.8mWs-28.8mWs = 100mWs (10)

Bei ca. gleicher Grenzenergie pro integrierter Flächeneinheit ist ohne die Erfindung zur Abdeckung des zweiten Zündmodus eine um 1 ,76 fache größere Ansteuerschaltung 5 erforderlich (E _gre nz_auslegung(LEA)/E grenz_auslegung(ZP) 1 ,76)

Durch Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann dieser Flächenzuwachs verhindert werden. Hierzu wird der Unterschied zwischen dem als ohm- sche Zündpille ausgeführten ersten Ansteuerelement ZP und dem als magneti- scher Low-Energy-Aktuator ausgeführten zweiten Ansteuerelement LEA betrachtet.

Unter Bezugnahme auf Fig. 3 bis 6 wird nachfolgend die Funktionsweise der Ansteuerschaltung 5 beschrieben.

Wie aus Fig. 3 weiter ersichtlich ist, ist im ersten Zündmodus zur Ansteuerung des ersten AnSteuerelements ZP ein erster Zündstrom I _Z P erforderlich, welcher beispielsweise eine Rechteckform mit einer Amplitude von ca. 1 ,2A aufweist und für maximal 2ms ausgegeben wird. Hierzu wird das erste Steuersignal Si für eine erste Ansteuerzeitdauer ti von 2ms an das erste Ansteuerelement ZP ausgegeben. Im Worst-Case-Fehlerfall, d.h. bei einem Kurzschluss des ersten Ausgangs- kontaktes (+) nach Masse, wird im ersten Zündmodus der maximale Zündstrom lmax ₍ zp ₎ für die erste Ansteuerzeitdauer ti über den ersten Ausgangskontakt (+) nach Masse ausgegeben. Wie oben bereits ausgeführt ist, ist die vorliegende Ansteuerschaltung 5 für diesen Fehlerfall entsprechend ausgelegt. Im zweiten Zündmodus wird die maximale Ansteuerzeit t ₂ mit 3ms für das als magnetischer

Low-Energy-Aktuator ausgeführte zweite Ansteuerelement LEA nur deshalb solange gewählt, weil der Strom in einem induktiven Schaltkreis, insbesondere bei Aktivierung aus einer Fahrzeugbatterie mit Spannungen, welche kleiner als 12V sind, eine lange Anstiegszeit t _an zum Erreichen des Mindeststroms I LEA von 1 ,5A benötigt. Im Normalfall zündet das erste Ansteuerelement ZP bereits nach einer wesentlichen kürzeren Zeitspanne, beispielsweise zum dargestellten Zündzeitpunkt t _z . Durch Zünden des ersten AnSteuerelements ZP wird die Verbindung zwischen den Ausgangskontakten (+), (-) aufgetrennt, so dass trotz anliegendem ersten Steuersignal Si kein erster Zündstrom I _Z P mehr fließt.

Wird im zweiten Zündmodus im Worst-Case-Fehlerfall der erste Ausgangskontakt (+) nach Masse kurzgeschlossen, dann ist keine nennenswerte Induktivität mehr vorhanden, da der Strom nicht mehr durch den Low-Energy-Aktuator LEA fließt. In diesem Falle ist die in die Ansteuerschaltung 5 eingebrachte Energie wie im ersten Zündmodus am größten, da der Strom im Wesentlichen ohne Anstiegszeit sofort den Regelwert zwischen 1 ,5A bis 2, 12A annimmt und die Spannung über der Endstufe den Wert der Energiereservespannung von beispielsweise z.B. 20V hat. Durch die erfindungsgemäße Einbindung der Stromüberwachung in die Ansteuerschaltung 5 und der korrespondierenden Abschaltung, lässt sich nach Feststellung des vorgegebenen Kriteriums, dass der zweite Zündstrom I LEA für eine vorgegebene Zeitspanne von beispielsweise mindestens 1 ,5ms einen vorgegeben Schwellwert von beispielsweise 1 ,5A überschritten hat, eine deutliche Reduktion der in der Ansteuerschaltung 5 umgesetzten Energie erreichen, ohne die Sicherheitsanforderungen an den zweiten Zündstrom LEA zur Aktivierung des zweiten AnSteuerelements LEA zu verletzen. We aus Fig. 4 weiter ersichtlich ist, benötigt der zweite Zündstrom I LEA im zweiten Zündmodus eine durch die im Zündkreis angeordnete reguläre Induktivität LEA und die vorhandene Energiereservespan- nung U _E R eine vorgegebene Anstiegszeitspanne t _an , um den Zielstrom zwischen einem Schwellwert von 1 ,5A und einem maximalen Wert von 2,12A zu erreichen, bzw. eine Abfallzeitspanne t _ab , um den Strom nach dem Abschalten über die Freilaufdiode wieder zu verlieren. Daher wird im zweiten Zündmodus für die Ansteuerschaltung 5 eine festgelegte maximale Ansteuerzeitspanne t _max von beispielsweise 3ms über das viertes Steuersignal S _max zur Verfügung gestellt, wel- ches vom Signalgenerator 52 mit einer Impulsdauer t _max von 3ms erzeugt und an einen ersten Eingang eines UND-Gatters G2 angelegt wird. Um eine minimale Ansteuerzeitspanne t _min von beispielsweise 1 ,5ms zur Verfügung zu stellen, erzeugt der Signalgenerator 52 das dritte Steuersignal S _min mit einer Pausenzeit t _mir von 1 ,5ms und legt es an einen ersten Eingang eines NAND-Gatters G1 an. Ein Ausgang des NAND-Gatters G1 ist mit einem zweiten Eingang des UND-Gatters

G2 verbunden, so dass das UND-Gatter G2 für mindestens 1 ,5ms unabhängig vom Zählerstand des Zählers Z1 das zweite Steuersignal S ₂ mit einem hohen logischen Pegel ausgibt und als Steuersignal an die erste einstellbare Stromquelle 32 anlegt. Dies geschieht im dargestellten Ausführungsbeispiel über ein ODER- Gatter G3, welches ersten Zündmodus das erste Steuersignal Si und im zweiten

Zündmodus das zweite Steuersignal S ₂ an die erste einstellbare Stromquelle 32 anlegt. Nach Ablauf der Mindestansteuerzeit bzw. der minimalen Ansteuerzeitspanne t _min von 1.5ms wird die High-Side-Endstufe 20 innerhalb des maximalen Zeitfensters t _max von 3ms ausgeschaltet, sobald das vorgegebenen Kriterium für den zweiten Zündstrom LEA erfüllt ist, welches durch das fünfte Steuersignal S _L EA repräsentiert wird. Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, beginnt der Zähler Z1 zum Zeitpunkt Z _start mit dem Zählvorgang und das fünfte Steuersignal SLEA wechselt auf einen niedrigen logischen Pegel. Nach Ablauf der minimalen Ansteuerzeitspanne t _min von 1 ,5ms wechselt das dritte Steuersignal S _min auf einen hohen logischen Pegel. Da das fünfte Steuersignal S _L EA jedoch bis zum Erreichen eines vorgegebenen maximalen Zählerstands zum Zeitpunkt Z _max auf dem niedrigen logischen Pegel bleibt, bleibt auch das Ausgangssignal des NAND-Gatters G1 bis zum Zeitpunkt Z _max auf dem hohen logischen Pegel und somit bleibt auch das zweite Steuersignal S ₂ am Ausgang des UND-Gatters G2 auf dem hohen logischen Pe- gel.

Entsprechend dem dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich ein zweites Auslöseelement LEA mit einer Induktivität von ca. 3mH im Zündkreis und die Energiereservespannung U _E R ist maximal 20V. Somit wird der minimale erforder- liehe Schwellwert SW von 1 ,5A für den zweiten Zündstrom I LEA nach ca. 300us erreicht. Dann erfolgt die Zählung durch den Zähler Z1 , wie lange ein zweiter Zündstrom I _LEA fließt, welcher mindestens einen Wert von 1 ,5A aufweist. Erreicht der Zähler Z1 der Überwachungsanordnung 40 den Zeitwert von 1 ,5ms, dann ist das zweite Auslöseelement LEA gemäß den Sicherheitsanforderungen ausreichend mit Strom versorgt worden, d.h. eine Abschaltung der High-Side-Endstufe 20 ist zulässig, noch bevor die getriggerte maximale Ansteuerzeitspanne t _max von

3ms abgelaufen ist. Zu Erhöhung der Verfügbarkeit der High-Side-Endstufe 20 erfolgt die Abschaltung nur dann, wenn das vorgegebene Kriterium erfüllt ist, d.h. der zweite Zündstrom L _EA hat für mindestens 1 ,5ms den Schwellwert SW von 1 ,5A überschritten, und gleichzeitig war die totale Ansteuerzeit t ₂ der High-Side- Endstufe 20 länger als 1 ,5ms. Durch die Verknüpfung des NAND-Gatters G1 mit dem UND-Gatter G2 wird auch im Falle einer Fehlmessung die High-Side- Endstufe 20 ausreichend lange angesteuert, um das vorgegebene Kriterium zu erfüllen. Wird im zweiten Zündmodus im Worst-Case-Fehlerfall der erste Ausgangskontakt (+) nach Masse kurzgeschlossen, dann ist keine nennenswerte Induktivität mehr vorhanden, da der Strom nicht mehr durch den Low-Energy-Aktuator LEA fließt. In diesem Falle ist die in die Ansteuerschaltung 5 eingebrachte Energie wie im ersten Zündmodus am größten, da der Strom im Wesentlichen ohne An- stiegszeit sofort den Regelwert zwischen 1 ,5A bis 2, 12A annimmt und die Spannung über der Endstufe den Wert der Energiereservespannung von beispielsweise 20V hat. Wie aus Fig. 5 weiter ersichtlich ist, erreicht der zweite Zündstrom L _EA den minimalen erforderlichen Schwellwert SW von 1 ,5A nach einer kürzeren Zeitspanne, da keine Induktivität mehr vorhanden ist. Dann erfolgt die Zählung durch den Zähler Z1 , wie lange ein zweiter Zündstrom I _LEA fließt, welcher mindestens 1 ,5A beträgt. Erreicht der Zähler Z1 der Überwachungsanordnung 40 den Zeitwert von 1 ,5ms, dann ist das zweite Auslöseelement LEA gemäß den Sicherheitsanforderungen ausreichend mit Strom versorgt worden, d.h. eine Abschaltung der High-Side-Endstufe 20 ist zulässig, noch bevor die getriggerte ma- ximale Ansteuerzeitspanne t _max von 3ms abgelaufen ist und die maximale Verlustenergie im Worst-Case-Fehlerfall, d.h. bei einem Kurzschluss des ersten Ausgangskontaktes (+) nach Masse, wird begrenzt.

Fig. 6 zeigt einen maximal möglichen Belastungsfall der Ansteuerschaltung 5 im zweiten Zündmodus. We aus Fig. 6 weiter ersichtlich ist, tritt der maximale Belastungsfall der Ansteuerschaltung 5 im zweiten Zündmodus ein, wenn unmittel- bar vor Erreichen der Überwachungsstromgrenze von 1 ,5A ein Kurzschluss den ersten Ausgangskontakt (+) nach Masse kurzschließt und die Induktivität des zweiten AnSteuerelements LEA aus dem Kreis nimmt und den zweiten Zündstrom LEA bei nahezu unveränderter maximaler Energiereservespannung U _E R von beispielsweise 20V auf den maximalen zweiten Zündstrom I max ₍ LE A) von 2,12A springen lässt. Dieser Zustand hält dann für eine weitere Zeitspanne an, welche kürzer als das vorgegebene Kriterium von 1 ,5ms ist und beispielsweise einen Wert von 1 ,475ms aufweist, so dass der Zähler Z1 zum Zeitpunkt Z _stop den Zählvorgang anhält, wobei das fünfte Steuersignal S _L EA jedoch auf dem niedrigen Pe- gel bleibt, und die Abschaltbedingung gerade nicht erreicht wird. Dies kann hypothetisch durch eine theoretische Widerstandserhöhung im Kurzschlusskreis von bisher 0Ω auf ca. 12Ω verbunden mit einer Stromreduzierung von 2, 12A auf knapp unter 1 ,5A (1 ,49A) verursacht werden. Dadurch bleibt die High-Side- Endstufe 20 auch für die restliche Zeitspanne bis zum Erreichen der maximalen Ansteuerzeitspanne t _max von 3ms aktiviert und gibt Strom in den Kurzschluss ab, wohl aber nicht mehr auf der Toleranzobergrenze des Regelstroms von 2, 12A. Die maximal mögliche Verlustenergie E _MAX( LEA)n für diesen konstruierten Fehlerfall setzt sich gemäß Gleichung (11) aus der Summe der Verlustenergie während des Stromanstiegs im zweiten Auslöseelement (300με) und der Verlustenergie während des ΟΩ-Kurzschlusses am ersten Ausgangskontakt (+) nach Masse für

1 ,475ms und der Verlustenergie während des am ersten Ausgangskontakt (+) nach Masse für 1 ,225ms zusammen.

E _m ax ₍ LEA)n = 0.75V x (1 ,5A/2) x 0,3ms + 20V x 2.12A x 1.475ms + 1.62V x 1.499A x 1.08 x 1 ,225ms = 66mWs (1 1)

Dies entspricht in etwa der maximalen Verlustenergie der Ansteuerschaltung 5 im ersten Zündmodus. Durch Anwendung des Wärmemodells gilt für die Wärmeableitung Gleichung (12).

E_WL ₍ LEA)n ~ 31.27mWs (1- _e ⁽ - ^{1 5ms 5ms)} ) = 8.1 mJ (12)

Die Belastung der Ansteuerschaltung 5 im zweiten Zündmodus für das zweite Auslöseelement LEA ergibt sich im ungünstigsten Fall aus Gleichung (13).

Egrenz_auslegung(LEA)n = EmaX(LEA)n"E_WL(LEA)n = 66mWS-8.1 mWS = 57.9mWS (13) Dieser Wert kommt der Belastung der Ansteuerschaltung 5 im ersten Zündmodus nahe.

Egrenz auslegung (ZP) ^— 57mWS

Egrenz auslegung (LEA)n ⁼ 58mWS

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in vorteilhafter Weise unterschiedliche Zündkreislasten, welche beispielsweise einen weitgehend ohm- schen pyrotechnischen Zündkreis mit einer Induktivität im μΗ-Bereich als auch einen Schaltkreis mit Low-Energy-Aktuatoren (LEA) mit einer Induktivität im mH-

Bereich aufweisen, so kontrollieren, dass eine weitgehend flächenneutrale Integration der Ansteuerschaltung möglich wird. Das bedeutet, dass Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sowohl zur Aktivierung von ohmschen Auslöseelementen als auch von induktiven Auslöseelementen verwendet werden kön- nen. Damit ist eine Ansteuerschaltung entstanden, die bei gleicher Fläche den

Zündpillenarbeitspunkt, sowie den LEA Arbeitspunkt bedienen kann einschließlich der Fehlerfälle.

Die dargestellten Funktionen der logischen Gatter G1 , G2, G3 lässt sich selbst- verständlich auch durch eine reine NAND- oder NOR-Logik ersetzen. Zudem können die dargestellten Funktionen und Steuersignale auch durch Abarbeiten eines Softwareprogramms durch eine als Recheneinheit ausgeführte Auswerte- und Steuereinheit erzeugt werden.