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Title:
PROTECTIVE CIRCUIT FOR OVERVOLTAGE AND/OR OVERCURRENT PROTECTION
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2016/078909
Kind Code:
A1
Abstract:
The aim of the invention is to make a device terminal (202; PA_SPK-, PA_SPK+) of an electronic device (200; 300; 400; 410), in particular for a motor vehicle, resistant to short-circuits, even a short-circuit with respect to an offset voltage which exceeds the operating voltage (Vbb), said terminal being designed for an external connection, preferably for connecting to a load (RL). This is achieved by a protective circuit (204; 304; 403; 411) for overvoltage and/or overcurrent protection, comprising a comparison stage (SPR1) for comparing a measurement voltage, which is formed from a voltage applied to the external connection, with a comparison voltage, in particular with a supply voltage or a voltage obtained therefrom of the electronic device (200; 300; 400; 410), and at least one switching element (UPR1, UPR2), which is arranged in series between the device terminal (202; PA_SPK-, PA_SPK+) and the external connection and which can be controlled by the comparison stage (SPR1), for separating the external connection from the device terminal (202; PA_SPK-, PA_SPK+).

Inventors:
EIMERTENBRINK RALF (DE)
Application Number:
PCT/EP2015/075596
Publication Date:
May 26, 2016
Filing Date:
November 03, 2015
Export Citation:
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Assignee:
BOSCH GMBH ROBERT (DE)
International Classes:
H02H3/20; H02H3/08
Domestic Patent References:
WO1998007038A11998-02-19
Foreign References:
FR2912848A12008-08-22
US20120063045A12012-03-15
US20110148200A12011-06-23
EP1193824A22002-04-03
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Claims:
Ansprüche

1. Schutzschaltung (204; 304; 403; 411) für einen Überspannungs- und/oder Überstromschutz eines für eine äußere Beschaltung, vorzugsweise zum Verbinden mit einer Last (RL), eingerichteten Geräteanschlusses (202;

PA_SPK-, PA_SPK+) eines elektronischen Geräts (200; 300; 400; 410), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Vergleichsstufe (SPR1) zum Vergleichen einer aus einer an der äußeren Beschaltung anliegenden Spannung gebildeten Messspannung mit einer Vergleichsspannung, insbesondere mit einer Versorgungsspannung oder einer daraus gewonnenen Spannung des elektronischen Geräts (200; 300; 400; 410), sowie wenigstens ein in Reihenschaltung zwischen dem Geräteanschluss (202; PA_SPK-, PA_SPK+) und der äußeren Beschaltung angeordnetes, von der Vergleichsstufe (SPR1) steuerbares Schalterelement (UPR1 , UPR2) zum Trennen der äußeren Beschaltung vom Geräteanschluss (202; PA_SPK-, PA_SPK+).

2. Schutzschaltung (204; 304; 403; 411) nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch wenigstens ein einen Spannungsanstieg begrenzendes Element, ausgebildet insbesondere mit wenigstens einem induktiven Schaltungselement (LPR; LFI; L1 , L2) und/oder wenigstens einem kapazitiven Schaltungselement (CFI) und/oder wenigstens einem resistiven Schaltungselement, zum Begrenzen einer zeitlichen Änderung der Vergleichsspannung gegenüber einer zeitlichen Änderung der an der äußeren Beschaltung anliegenden Spannung.

3. Schutzschaltung (204; 304; 403; 411) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch wenigstens ein Spannungsformungselement, ausgebildet insbesondere mit wenigstens einer Diode (DPR1 , DPR2), zum Bilden der Messspannung aus der an der äußeren Beschaltung anliegenden Spannung und zum Zuführen der Messspannung an die Vergleichsstufe (SPR1).

4. Schutzschaltung (204; 304; 403; 411) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Spannungsformungselement weiterhin mit wenigstens einem Spannungsspeicherelement (CPRTP; CPRTP1) ausgebildet ist zum Bilden und/oder Speichern der Messspannung.

5. Schutzschaltung (204; 304; 403; 411) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines des wenigstens einen einen Spannungsanstieg begrenzenden Elements in Reihen- und/oder Kettenschaltung mit dem Schalterelement (UPR1 , UPR2) zwischen dem Geräteanschluss (202; PA_SPK-, PA_SPK+) und der äußeren Beschaltung angeordnet ist.

6. Schutzschaltung (204; 304; 403; 411) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines des wenigstens einen, in Reihen- und/oder Kettenschaltung mit dem Schalterelement (UPR1 , UPR2) zwischen dem Geräteanschluss (202; PA_SPK-, PA_SPK+) und der äußeren Beschaltung angeordneten, einen Spannungsanstieg begrenzenden Elements von wenigstens einem Filterelement (L1 , L2, C1 , C2) zum Filtern einer der äußeren Beschaltung vom Geräteanschluss (202; PA_SPK-, PA_SPK+) zuführbaren Spannung gebildet ist.

7. Schutzschaltung (204; 304; 403; 411) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines des wenigstens einen einen Spannungsanstieg begrenzenden Elements in Reihen- und/oder Kettenschaltung zwischen einer Versorgungsspannungsquelle (UBAT12) zum Speisen des elektronischen Geräts (200; 300; 400; 410) und dem elektronischen Gerät (200; 300; 400; 410) angeordnet ist.

8. Schutzschaltung (204; 304; 403; 411) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines des wenigstens einen in Reihen- und/oder Kettenschaltung zwischen der Versorgungsspannungsquelle (UBAT12) zum Speisen des elektronischen Geräts (200; 300; 400; 410) und dem elektronischen Gerät (200; 300; 400; 410) angeordneten, einen Spannungsanstieg begrenzenden Elements von wenigstens einem Versorgungsspannungs- Glättungselement (LFI, CFI) gebildet ist.

9. Schutzschaltung (204; 304; 403; 411) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Ladungspumpenschaltung (VPRCP; VPRCP1), über die das Schalterelement (UPR1 , UPR2) zum Trennen der äußeren Beschaltung vom Geräteanschluss (202; PA_SPK-, PA_SPK+) von der Vergleichsstufe (SPR1) steuerbar ist.

10. Schutzschaltung (204; 304; 403; 411) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine zum Trennen der äußeren Beschaltung vom Geräteanschluss (202; PA_SPK-, PA_SPK+) ausgebildete Schalterelement (UPR1 , UPR2) mit wenigstens einem MOSFET ausgebildet ist.

Description:
Beschreibung

Titel

Schutzschaltung für einen Überspannungs- und/oder Überstromschutz Stand der Technik

Elektronische Geräte, insbesondere der Unterhaltungselektronik, zum Einsatz in Pkws sind für eine darin übliche Betriebsspannung von 12 Volt ausgelegt. Um derartige Geräte auch in Lkws oder Bussen mit einem dort mit einer Betriebsspannung von 24 Volt betriebenen Bordnetz versorgen zu können, werden häufig Gleichspannungswandler eingesetzt, durch die eine zusätzliche Betriebsspannung von 12 Volt bereitgestellt wird. Soll, wie üblich, ein in einer solchen Umgebung eingesetztes Gerät derart kurzschlussfest spezifiziert sein, dass alle Ein- und Ausgänge einen Kurzschluss gegen Masse und Fahrzeugbatterie standhalten, bedeutet dies, dass an den betreffenden Ein-und Ausgängen Fehlspannungen auftreten können, die deutlich höher sind als die Betriebsspannung des Geräts und damit auch deutlich höher als aus dieser Betriebsspannung insbesondere im Gerät abgeleitete Spannungen. Dies gilt insbesondere auch für den Fall, dass das Gerät von seiner Betriebsspannung - hier 12 Volt - z.B. durch einen Sicherungsausfall oder einen Ausfall eines zentralen Gleichspannungswandlers getrennt ist, oder für batteriebetriebene Geräte, die mit Fahrzeugmasse verbunden sind.

In Figur 1 ist anhand eines stark vereinfachten Blockschaltbilds eines Schaltungsbausteins des Typs BSP752T der Firma Infineon ein Beispiel eines Geräteanschlusses eines elektronischen Geräts dargestellt. Der Schaltungsbaustein 100 umfasst einen elektronischen Baustein 101 mit einem Eingangsanschluss 102, einem Ausgangsanschluss 103, einem Betriebsspannungsanschluss 104 zum Zuführen einer Betriebsspannung Vbb und einen Masseanschluss 105. Mit dem Ausgangsanschluss 103 ist ein Gate 107 eines N-MOSFET 106 verbunden, dessen Hauptstrompfad zwischen Drain 108 und Source 109 zwischen dem Be- triebsspannungsanschluss 104 und einem Geräteanschluss 110 angeordnet ist. Eine Substratdiode 1 12, auch als "Body-Diode" bezeichnet, zwischen Drain 108 und Source 109 des MOSFET 106 ist für die Betriebsspannung Vbb in Sperrich- tung gepolt. Zwischen dem Geräteanschluss 1 10 und Masse 105 ist eine Lastimpedanz 1 11 angeordnet. Der Geräteanschluss 110 stellt einen geschalteten Spannungsausgang dar, bei dem mit dem N-MOSFET 106 ein sogenannter "High Side Switch" gebildet ist. Im eingeschalteten Zustand ist der Hauptstrompfad des MOSFET 106 durch eine positive Gate-Source-Spannung niederohmig, im ausgeschalteten Zustand sind die Substratdiode 1 12 und der Hauptstrompfad des MOSFET 106 gesperrt. Es fließt kein Strom durch den MOSFET 106. Wird am Geräteanschluss 1 10 eine Spannung angelegt, die größer ist als die Betriebsspannung Vbb, fließt ein Strom vom Geräteanschluss 110 durch die Substratdiode 112 zum Betriebsspannungsanschluss 104. Je nach Beschaltung des Betriebsspannungsanschlusses 104 wird dort ein um die Diodenflussspannung der Substratdiode 1 12 vermindertes Potential der höheren Spannung am Geräteanschluss 1 10 hervorgerufen, oder der Strom durch die Substratdiode 1 12 überschreitet einen für sie zulässigen Wert. Das Anheben der Spannung am Betriebsspannungsanschluss 104 über die Betriebsspannung Vbb hinaus kann den elektronischen Baustein 101 und ggf. weitere Schaltungsanordnungen zerstören, die auch über den Betriebsspannungsanschluss 104 betrieben werden. Auch ohne eine solche Zerstörung kann es durch die Spannung am Geräteanschluss 1 10 zu einer unerwünschten Fremdspeisung des elektronischen Bausteins 101 und ggf. der weiteren Schaltungsanordnungen kommen.

Offenbarung der Erfindung

Die Erfindung hat die Aufgabe, einen Geräteanschluss eines elektronischen Geräts der beschriebenen Art auch für einen Kurzschluss gegenüber einer die Betriebsspannung überschreitenden Fehlspannung kurzschlussfest zu machen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schutzschaltung für einen Überspannungsund/oder Überstromschutz eines für eine äußere Beschaltung, vorzugsweise zum Verbinden mit einer Last, eingerichteten Geräteanschlusses eines elektronischen Geräts, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Vergleichsstufe zum Vergleichen einer aus einer an der äußeren Beschaltung anliegenden Spannung gebildeten Messspannung mit einer Vergleichsspannung, insbesonde- re mit einer Versorgungsspannung oder einer daraus gewonnenen Spannung des elektronischen Geräts, sowie wenigstens ein in Reihenschaltung zwischen dem Geräteanschluss und der äußeren Beschaltung angeordnetes, von der Vergleichsstufe steuerbares Schalterelement zum Trennen der äußeren Beschaltung vom Geräteanschluss. Bei der erfindungsgemäßen Schutzschaltung entspricht die Vergleichsspannung der Versorgungsspannung bzw. Betriebsspannung des elektronischen Geräts oder wird daraus gewonnen. Diese Vergleichsspannung wird mit der Messspannung verglichen, die die tatsächlich an der äußeren Beschaltung, insbesondere einer Last, des Geräteanschlusses anliegende Spannung darstellt. Übersteigt diese die Vergleichsspannung, wird die Verbindung zwischen dem Geräteanschluss und der äußeren Beschaltung, an der eine unzulässig hohe Fehlspannung anliegt, durch das Schalterelement aufgetrennt.

Die Erfindung ermöglicht einen sicheren Schutz elektronischer Geräte der beschriebenen Art. Die erfindungsgemäße Schutzschaltung ist für analoge und geschaltete Geräteanschlüsse, z.B. auch für Ausgangsanschlüsse sogenannter "Klasse-D"-Endstufen, gleichermaßen vorteilhaft einsetzbar. Ein besonders bevorzugtes Einsatzgebiet sind im Zusammenhang mit einem Hochvolt-Bordnetz von Fahrzeugen, z.B. Lkws, Flugzeugen, usw., betriebene Niedervoltgeräte, die gegen Kurzschlüsse zur hohen Betriebsspannung des Hochvolt-Bordnetzes gesichert werden müssen. Die Erfindung ermöglicht eine zuverlässige Kurzschlussfestigkeit für alle Betriebszustände derartiger Niedervoltgeräte. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass bei ausgeschaltetem Geräteanschluss oder Wegfall der Versorgungsspannung des elektronischen Geräts der Geräteanschluss automatisch gegen Überspannungen und/oder Überströme geschützt ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Eine bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schutzschaltung ist gekennzeichnet durch wenigstens ein einen Spannungsanstieg begrenzendes Element, ausgebildet insbesondere mit wenigstens einem induktiven Schaltungselement und/oder wenigstens einem kapazitiven Schaltungselement und/oder wenigstens einem resistiven Schaltungselement, zum Begrenzen einer zeitlichen Änderung der Vergleichsspannung gegenüber einer zeitlichen Änderung der an der äußeren Beschaltung anliegenden Spannung. Dadurch wird beim Auftreten eines Kurzschlusses der beschriebenen Art erreicht, dass die aus der an der äußeren Beschaltung anliegenden Spannung abgeleitete Messspannung schneller ansteigt als die Vergleichsspannung, insoweit diese durch den Kurzschluss ebenfalls beeinflusst wird, und damit die Vergleichsspannung für ein sicheres Ansprechen der Vergleichsstufe hinreichend übersteigt. In einer Abwandlung kann das wenigstens eine einen Spannungsanstieg begrenzende Element auch mit wenigstens einem resistiven Schaltungselement, ausgebildet sein.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schutzschaltung umfasst wenigstens ein Spannungsformungselement, ausgebildet insbesondere mit wenigstens einer Diode, zum Bilden der Messspannung aus der an der äußeren Beschaltung anliegenden Spannung und zum Zuführen der Messspannung an die Vergleichsstufe. Bevorzugt wird die an der äußeren Beschaltung anliegende Spannung zum Bilden der Messspannung um einen vorgebbaren Betrag verringert. Dadurch wird erreicht, dass die Vergleichsschaltung bei nur geringem, für den Geräteanschluss noch unschädlichem Ansteigen der an der äußeren Beschaltung anliegenden Spannung das Schalterelement noch nicht zum Trennen der äußeren Beschaltung vom Geräteanschluss ansteuert und somit z.B. Störimpulse geringer Amplitude noch nicht zum Ansprechen der Schutzschaltung führen. Vorzugsweise erfolgt eine Verringerung um wenigstens eine Diodenflussspannung durch wenigstens eine Diode. In einer Abwandlung kann das wenigstens eine Spannungsformungselement von der Vergleichsschaltung umfasst sein, z.B. als eine einstellbare oder programmierbare Schwellenschaltung eines Komparators, mit dem die Vergleichsschaltung ausgebildet ist.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schutzschaltung ist das wenigstens eine Spannungsformungselement weiterhin mit wenigstens einem Spannungsspeicherelement ausgebildet zum Bilden und/oder Speichern der Messspannung. Insbesondere aus einer hochfrequent variierenden Spannung am Geräteanschluss kann damit durch eine Glättung ein wenigstens nahezu konstanter Wert für die Messspannung abgeleitet werden. Dabei wird die Messspannung nur so kurzzeitig gespeichert, dass sie beim Auftreten eines Kurzschlusses für eine zuverlässige Ausübung des Schutzes des Geräteanschlusses hinreichend schnell ansteigen kann. Insbesondere kann die Messspannung auf einen anfänglichen Wert geklemmt werden, von dem aus ein zuverlässig schneller Anstieg im Fehlerfall gewährleistet ist. Nach einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schutzschaltung ist wenigstens eines des wenigstens einen einen Spannungsanstieg begrenzenden Elements in Reihen- und/oder Kettenschaltung mit dem Schalterelement zwischen dem Geräteanschluss und der äußeren Beschaltung angeordnet. Dadurch wird der Spannungsanstieg am Geräteanschluss im Fehlerfall gegenüber dem Anstieg der Messspannung für ein zuverlässiges Auslösen des Schutzes hinreichend verzögert.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schutzschaltung ist wenigstens eines des wenigstens einen, in Reihen- und/oder Kettenschaltung mit dem Schalterelement zwischen dem Geräteanschluss und der äußeren Beschaltung angeordneten, einen Spannungsanstieg begrenzenden Elements von wenigstens einem Filterelement zum Filtern einer der äußeren Beschaltung vom Geräteanschluss zuführbaren Spannung gebildet. Damit lassen sich derartige Filterelemente vorteilhaft doppelt nutzen. Eine bevorzugte Anwendung dieser Ausführungsform sind Geräteanschlüsse, die zum Abgeben geschalteter, z.B. pulsweitenmodulierter, Spannungen ausgebildet sind, wie z.B. von "Klasse-D"-Endstufen.

Nach einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schutzschaltung ist wenigstens eines des wenigstens einen einen Spannungsanstieg begrenzenden Elements in Reihen- und/oder Kettenschaltung zwischen einer Versorgungs- spannungsquelle zum Speisen des elektronischen Geräts und dem elektronischen Gerät angeordnet. Beim Auftreten einer Fehlspannung am elektronischen Gerät wird so ein Anstieg einer von der Versorgungsspannungsquelle zum Speisen des elektronischen Geräts bereitgestellten Versorgungsspannung bzw. Betriebsspannung für ein sicheres Ansprechen der Vergleichsstufe und damit der Schutzschaltung begrenzt, insbesondere hinreichend lange verzögert. Außerdem werden dadurch alle von der Versorgungsspannungsquelle gespeisten Schaltungsanordnungen gegen Überspannung geschützt.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schutzschaltung ist wenigstens eines des wenigstens einen in Reihen- und/oder Kettenschaltung zwischen der Versorgungsspannungsquelle zum Speisen des elektronischen Geräts und dem elektronischen Gerät angeordneten, einen Span- nungsanstieg begrenzenden Elements von wenigstens einem Versorgungsspan- nungs-Glättungselement gebildet. Damit lassen sich derartige Versorgungsspan- nungs-Glättungselemente vorteilhaft doppelt nutzen.

Eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schutzschaltung umfasst eine Ladungspumpenschaltung, über die das Schalterelement zum Trennen der äußeren Beschaltung vom Geräteanschluss von der Vergleichsstufe steuerbar ist. Diese Ladungspumpenschaltung erzeugt eine Steuerspannung für das Schalterelement, deren Spannungspegel mindestens demjenigen einer Versorgungsspannung des elektronischen Geräts entspricht, wodurch ein sicheres Schalten des Schalterelements gewährleistet ist. Insbesondere übersteigt der Spannungspegel dieser Steuerspannung denjenigen der Versorgungsspannung um einen Spannungsbetrag, der zum sicheren Schalten des Schalterelements erforderlich ist.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schutzschaltung ist das wenigstens eine zum Trennen der äußeren Beschaltung vom Geräteanschluss ausgebildete Schalterelement mit wenigstens einem MOSFET ausgebildet. Dadurch wird ein sehr geringer Durchgangswiderstand im eingeschalteten Zustand erzielt, wodurch ein Einfluss auf eine vom Geräteanschluss abgegebene Spannung verringert wird. Vorteilhaft ist dabei eine Substratdiode des MOSFET entgegen einer erwarteten Fehlspannung gepolt.

Mit der erfindungsgemäßen Schutzschaltung wird das Eintreten eines Fehlerfalls sehr schnell erkannt und der Strompfad bei einem Überspannungsimpuls aufgetrennt, bevor der Überspannungsimpuls einen Stromimpuls verursachen und damit störende Auswirkungen haben kann. Die Geräteanschlüsse werden in allen Betriebszuständen vor Überspannungen und Überströmen geschützt. Besonders vorteilhaft lassen sich mit der Erfindung elektronische Standardbaugruppen, z.B. integrierte Schaltungen, die für eine niedrige Betriebsspannung, wie z.B. 12 Volt, ausgelegt sind, gefahrlos auch im Zusammenhang mit einem Bordnetz höherer Betriebsspannung, wie z.B. 24 Volt, einsetzen. Damit können z.B. für einen Einsatz in Pkw ausgelegte Standardbauteile z.B. auch in Lkw oder Bussen eingesetzt werden, was kostengünstiger ist und manche Gerätekonzepte erst ermöglicht. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im nachfolgenden näher beschrieben, wobei übereinstimmende Elemente in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen sind und eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente weggelassen wird. Es zeigen:

Figur 1 einen Schaltungsbaustein nach dem Stand der Technik,

Figur 2 ein erstes Beispiel für eine erfindungsgemäße Schutzschaltung,

Figur 3 ein zweites Beispiel für eine erfindungsgemäße Schutzschaltung,

Figur 4 ein drittes Beispiel für eine erfindungsgemäße Schutzschaltung und

Figur 5 eine Abwandlung der Schutzschaltung gemäß Figur 4.

Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schutzschaltung für einen Überspannungsschutz eines mit einem "High-Side-Switch" 201 ausgebildeten elektronischen Geräts 200. Der "High-Side-Switch" 201 umfasst einen MOSFET IM , dessen Aufbau mit dem des MOSFET 106 aus Figur 1 übereinstimmt. Die Source-Drain-Strecke des MOSFET 111 ist zwischen einem ersten Betriebsspannungsanschluss UBAT12, der z.B. eine Versorgungsgleichspannung von 12 Volt aus einem nicht dargestellten Gleichspannungswandler oder einer Batterie liefert, und einem Geräteanschluss 202 angeordnet. Von einer Impulssignalquelle V2,die hier eine Einschaltsignalquelle bildet, wird der MOSFET 111 über eine Schaltstufe SW und einen ohmschen Spannungsteiler R1 , R2 mit einer Steuerspannung V1 geschaltet, so dass am Geräteanschluss 202 eine geschaltete Spannung verfügbar ist. Zwischen dem Geräteanschluss 202 und einem Lastanschluss 203, von dem eine Last RL gegen Masse GND verbunden ist, ist eine erfindungsgemäße Schutzschaltung 204 angeordnet. Diese umfasst einen MOSFET UPR1 als Schalterelement zum Trennen der Last RL vom Geräteanschluss 202. Eine Substratdiode des MOSFET UPR1 ist in Flussrichtung eines vom Geräteanschluss 202 zur Last RL fließenden Stroms gepolt. In Reihe mit der Source-Drain-Strecke des MOSFET UPR1 ist eine Impedanz, hier gebildet mit einer Induktivität LPR, angeordnet, die als einen Spannungsanstieg am Geräteanschluss 202 begrenzendes Element wirkt, und zwar zum Begrenzen einer zeitlichen Änderung der eine Vergleichsspannung bildenden Spannung am Geräteanschluss 202 gegenüber einer zeitlichen Änderung der am Lastan- schluss 203 anliegenden Spannung. Vom Lastanschluss 203 ist eine ein Span- nungsformungselement bildende Reihenschaltung aus einer Diode DPR1 , einem Widerstand RPRTP1 und einer Kapazität CPRTP1 an Masse GND geführt, zum Bilden einer Messspannung aus der am Lastanschluss 203 anliegenden Spannung und zum Zuführen der Messspannung an einen Eingang "+" einer Vergleichsstufe SPR1. Einem Eingang "-" der Vergleichsstufe SPR1 wird die Vergleichsspannung zugeführt. Eine Ladungspumpe VPRCP1 ist über einen Vorwiderstand RPRCP1 zwischen dem Geräteanschluss 202 und dem Gate des MOS- FET UPR1 sowie an die Vergleichsstufe SPR1 angeschlossen, und das Gate ist über einen Ableitwiderstand RPRG1 an Masse GND gelegt.

Die Funktion der Schutzschaltung 204 wird anhand dreier Betriebsfälle dargestellt. In einem ersten Betriebsfall ist das Gerät 200 ohne Spannungsversorgung, d.h. der erste Betriebsspannungsanschluss UBAT12 ist spannungslos, und es liegt ein Kurzschluß KS vom Lastanschluss 203 gegen einen zweiten Betriebsspannungsanschluss UBAT24 vor, der eine höhere Betriebsspannung von z.B. 24 Volt führt. In einem zweiten Betriebsfall führt der erste Betriebsspannungsanschluss UBAT12 die erste Betriebsspannung, hier z.B. 12 Volt, d.h. die Spannungsversorgung des Geräts 200 und damit der High-Side-Switch 201 und der MOSFET 111 sind aktiv. Ein Kurzschluß gegen den zweiten Betriebsspannungsanschluss UBAT24 liegt nicht vor. Dies ist der störungsfreie Betriebsfall. In einem dritten Betriebsfall führt der erste Betriebsspannungsanschluss UBAT12 wie im zweiten Betriebsfall die erste Betriebsspannung, es tritt jedoch der Kurzschluss KS gegen den zweiten Betriebsspannungsanschluss UBAT24 auf. Diese Betriebsfälle gelten sinngemäß auch für die folgenden Ausführungsbeispiele.

Im ersten Betriebsfall des Geräts 200 ist der MOSFET UPR1 hochohmig, da ihm über den Geräteanschluss 202 keine Betriebsspannung zugeführt wird. Auch die Ladungspumpe VPRCP1 ist nicht aktiv. Das Gate des MOSFET UPR1 liegt somit über den Vorwiderstand RPRCP1 an Masse GND. Die Substratdiode des MOSFET UPR1 sperrt. Daher fließt kein Fehlerstrom über den MOSFET UPR1 , und am Geräteanschluss 202 entsteht keine Fehlerspannung. Im zweiten Betriebsfall wird die Spannung vom ersten Betriebsspannungsanschluss UBAT12 an den Geräteanschluss 202 durchgeschaltet. Die Ladungspumpe VPRCP1 ist aktiv und legt am Gate des MOSFET UPR1 eine Spannung an, die höher ist als die Span- nung am Drain des MOSFET UPR1 , d.h. am Geräteanschluss 202. Der MOS- FET UPR1 schaltet durch und die Spannung vom Geräteanschluss 202 steht am Lastanschluss 203 zum Betreiben der Last RL bereit. Im dritten Betriebsfall ist demgegenüber die Spannung am Lastanschluss 203 durch den Kurzschluss KS größer als die Spannung am Geräteanschluss 202. Die Differenz dieser Spannungen aktiviert die Vergleichsstufe SPR1 , die bevorzugt einen Komparator mit Eingängen "+" und "-" und einen durch den Komparator gesteuerten Schalter zum Verbinden des Gate des MOSFET UPR1 mit Masse GND umfasst. Der Schalter wird durch den Komparator aktiviert, und durch das an Masse GND gelegte Gate wird der MOSFET UPR1 hochohmig. Da auch die Substratdiode des MOSFET UPR1 sperrt, ist der Rückwärtspfad für den Strom vom Lastanschluss 203 zum Geräteanschluss 202 gesperrt, und an letzterem entsteht keine erhöhte Fehlerspannung. Für die Wirkungsweise der Schutzschaltung 204 beim Auftreten des Kurzschlusses KS, durch den ein Spannungssprung am Lastanschluss 203 angelegt wird, ist es entscheidend, dass durch diesen Spannungssprung keine Überspannung am Geräteanschluss 202 entsteht. Dies wird durch die Impedanz, d.h. hier die Induktivität, LPR verhindert, die als einen Spannungsanstieg am Geräteanschluss 202 begrenzendes Element wirkt. Soll ein Spannungssprung am Lastanschluss 203 auch einen Spannungssprung am Geräteanschluss 202 hervorrufen, müsste sich schlagartig der Strom in der Induktivität LPR umkehren. Durch die Induktivität LPR geschieht dies allerdings verzögert. Die Vergleichsstufe SPR1 kann reagieren, bevor ein Rückwärtsstrom den High-Side-Switch 201 beschädigt und die Spannung am Geräteanschluss 202 ansteigt. Bei einem langsamen Ansteigen der Spannung am Lastanschluss 203 über das Potential der Spannung am Geräteanschluss 202 reagiert die Schutzschaltung 204, sobald die Spannungsdifferenz zwischen der Spannung am Lastanschluss 203 und derjenigen am Geräteanschluss 202 größer ist als die Flussspannung der Diode DPR1 , d.h. wenn die Messspannung so groß wird wie die Vergleichsspannung. Diese Spannungsdifferenz ist für den High-Side Switch 201 zulässig.

Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schutzschaltung für einen Überspannungsschutz eines mit einer mit vier MOSFETs UPA1 , UPA2, UPA3, UPA4 in Totempole-Schaltung ausgebildeten Gegentakt-Endstufe ausgestatteten elektronischen Geräts 300, hier eines Audio-Verstärkers. Substratdioden der MOSFETs UPA1 , UPA3 sind in ihrer Flussrichtung von Ausgangsanschlüssen PA_SPK- bzw. PA_SPK+ der Gegentakt-Endstufe, die hier gegen Überspannung bzw. Überstrom zu schützende Geräteanschlüsse bilden, zu deren Versorgungsspannungsanschluss U141 gepolt. Über einen Audioeingang 301 und Vorverstärkerstufen 302 werden die MOSFETs UPA1 und UPA2 bzw. UPA3 und UPA4 im Gegentakt ausgesteuert. Mit Ausgangsspannungen an den Geräteanschlüssen PA_SPK- bzw. PA_SPK+ der Gegentakt-Endstufe wird als Last ein Lautsprecher S1 über Lautsprecheranschlüsse SPK- bzw. SPK+, die hier Lastanschlüsse bilden, gespeist. Der Versorgungsspannungsanschluss 11141 ist über ein Glättungsfilter aus einer Längsinduktivität LFI und einer gegen Masse GND geschalteten Querkapazität CFI mit dem ersten Betriebsspannungs- anschluss UBAT12 eines zwei Betriebsspannungen bereitstellenden Netzes, z.B. eines Bordnetzes mit 12 Volt und 24 Volt, verbunden. Über einen Gleichspannungswandler 303, hier von 24 Volt auf 12 Volt ist der erste Betriebsspannungs- anschluss UBAT12 an den zweiten Betriebsspannungsanschluss UBAT24 angeschlossen. Zwischen den Geräteanschlüssen PA_SPK-, PA_SPK+ und den Lastanschlüssen SPK-, SPK+ ist eine erfindungsgemäße Schutzschaltung 304 angeordnet. Diese umfasst je einen MOSFET UPR1 , UPR2 als Schalterelement zum Trennen je eines der Lastanschlüsse SPK-, SPK+ von den Geräteanschlüssen PA_SPK-, PA_SPK+. Substratdioden der MOSFETs UPR1 , UPR2 sind in Flussrichtung eines von den Geräteanschlüssen PA_SPK-, PA_SPK+ zur Last S1 fließenden Stroms gepolt. Von den Lastanschlüssen SPK-, SPK+ ist eine ein Span- nungsformungselement bildende Schaltung aus zwei Dioden DPR1 , DPR2, einem Widerstand RPRTP und einer Kapazität CPRTP an Masse GND geführt, wobei je eine der Dioden DPR1 , DPR2 mit je einem der Lastanschlüsse SPK-, SPK+ verbunden ist, zum Bilden einer Messspannung aus an den Lastanschlüssen SPK-, SPK+ anliegenden Spannungen und zum Zuführen der Messspannung an den Eingang "+" der Vergleichsstufe SPR1. Dem Eingang "-" der Vergleichsstufe SPR1 wird als Vergleichsspannung die Betriebsspannung vom ersten Betriebsspannungsanschluss UBAT12 zugeführt. Eine Ladungspumpe VPRCP ist über einen Vorwiderstand RPRCP zwischen dem ersten Betriebsspannungsanschluss UBAT12 und den am gemeinsamen Gateanschluss 305 verbundenen Gates der MOSFETs UPR1 , UPR2 sowie an die Vergleichsstufe SPR1 angeschlossen, und der Gateanschluss 305 ist über einen Ableitwiderstand RPRG an Masse GND gelegt. Die Längsinduktivität LFI und die Querkapazität CFI wirken als einen Spannungsanstieg an den Geräteanschlüssen

PA_SPK-, PA_SPK+ begrenzendes Element, und zwar zum Begrenzen einer zeitlichen Änderung der eine Vergleichsspannung bildenden Spannung an den Geräteanschlüssen PA_SPK-, PA_SPK+ gegenüber einer zeitlichen Änderung der an den Lastanschlüssen SPK-, SPK+ anliegenden Spannungen.

Im ersten Betriebsfall, in dem ein Kurzschluss KS eines oder beider Lastanschlüsse SPK+, SPK- gegen den zweiten Betriebsspannungsanschluss UBAT24 auftritt, sind die MOSFETs UPR1 , UPR2 hochohmig, da der Gateanschluss 305 ohne Betriebsspannung keine Spannung von der Ladungspumpe VPRCP erhält und daher über den Ableitwiderstand RPRG an Masse GND liegt. Die Substratdioden von UPR1 , UPR2 sperren. Es fließt kein Fehlerstrom, an den Geräteanschlüssen PA_SPK-, PA_SPK+ entsteht keine Fehlerspannung. Im zweiten Betriebsfall werden die Spannungen an den Geräteanschlüssen PA_SPK+, PA_- SPK- vom Audioeingang im Gegentakt ausgesteuert, d.h. schwanken gegenläufig zwischen Massepotential und der Spannung am Versorgungsspannungsan- schluss U141 und nehmen davon im zeitlichen Mittel den halben Wert ein. Die Ladungspumpe VPRCP erzeugt am Gateanschluss 305 eine Spannung, die höher ist als die Spannungen an den Geräteanschlüssen PA_SPK+, PA_SPK-. Die MOSFETs UPR1 , UPR2 leiten und die Spannungen an den Geräteanschlüssen PA_SPK+, PA_SPK- gelangen über die sehr geringen Einschaltwiderstände der MOSFETs UPR1 , UPR2 an die Lastanschlüsse SPK+, SPK-. Im dritten Betriebsfall sind demgegenüber die Spannungen an einem oder beiden Lastanschlüssen SPK+, SPK- durch den Kurzschluss KS größer als die Spannungen an den Geräteanschlüssen PA_SPK+, PA_SPK-. Die Differenz dieser Spannungen aktiviert die Vergleichsstufe SPR1 über deren Komparator. Der Schalter der Vergleichsstufe SPR1 wird durch den Komparator aktiviert, und durch den an Masse GND gelegten Gateanschluss werden die MOSFETs UPR1 , UPR2 hochohmig. Da auch die Substratdioden der MOSFETs UPR1 , UPR2 sperren, sind die Rückwärtspfade für Ströme von den Lastanschlüssen SPK+, SPK- zu den Geräteanschlüssen PA_SPK+, PA_SPK- gesperrt, und an letzteren entstehen keine erhöhten Fehlerspannungen. Bei einem langsamen Ansteigen der Spannungen an einem oder beiden Lastanschlüssen SPK+, SPK- über das Potential am Versor- gungsspannungsanschluss 11141 reagiert die Schutzschaltung 304, sobald die Spannungsdifferenz zwischen Messspannung und Vergleichsspannung größer ist als die Flussspannung der Dioden DPR1 bzw. DPR2. Diese geringe Spannungsdifferenz ist für die Endstufen zulässig. Bei einer schlagartig auftretenden hohen Spannung an den Lastanschlüssen SPK+, SPK- reagiert die Schutzschal- tung 304 so schnell, dass die Fehlerspannung bzw. der Fehlerstrom an den Geräteanschlüssen PA_SPK+, PA_SPK- innerhalb der zulässigen Werte bleibt.

Figur 4 zeigt ein elektronisches Gerät 400 mit einer„Klasse-D"-Endstufe, das weitgehend baugleich mit dem elektronischen Gerät 300 ist. An die Stelle des Audioeingangs 301 und der Vorverstärkerstufen 302 treten hier ein PWM-Ein- gang 401 bzw. PWM-Treiberstufen 402, über die die MOSFETs UPA1 bis UPA4 mit einem PWM-Signal im Taktzyklus von ca. 100kHz bis 2 MHz zwischen Masse GND und Versorgungsspannungsanschluss U141 hin und her geschaltet werden. Diese hochfrequente Wechselspannung wird von den Geräteanschlüssen PA_SPK+, PA_SPK- über ein EMV-Filter, d.h. Entstörfilter, aus je einer Filterinduktivität L1 , L2 und je einer Filterkapazität C1 , C2 der Last S1 zugeführt. Filterinduktivitäten L1 , L2 und Filterkapazitäten C1 , C2 wirken außerdem als weiteres einen Spannungsanstieg an den Geräteanschlüssen PA_SPK-, PA_SPK+ begrenzendes Element, und zwar zum Begrenzen einer zeitlichen Änderung der eine Vergleichsspannung bildenden Spannung an den Geräteanschlüssen PA_- SPK-, PA_SPK+ gegenüber einer zeitlichen Änderung der an den Lastanschlüssen SPK-, SPK+ anliegenden Spannungen, bilden Bestandteile einer Schutzschaltung 403 und sichern ein rechtzeitiges Abschalten bei Spannungssprüngen an den Lastanschlüssen SPK+, SPK-.

Die Wrkungsweise der Schutzschaltung 403 entspricht im Wesentlichen derjenigen der Schutzschaltung 304. Steigt im dritten Betriebsfall die Spannung an einem oder beiden Lastanschlüssen SPK+, SPK- und damit die Messspannung durch einen Kurzschluss KS zum zweiten Betriebsspannungsanschluss UBAT24 impulsartig über die Spannung am Versorgungsspannungsanschluss U 141 an, ändert sich der Strom durch eine oder beide Filterspulen L1 , L2 und damit die Vergleichsspannung am ersten Betriebsspannungsanschluss UBAT12 nur verzögert. Die Differenz von Messspannung und Vergleichsspannung ändert sich schnell und aktiviert die Vergleichsstufe SPR1 wie beschrieben.

Figur 5 zeigt eine Abwandlung 410 des elektronischen Geräts 400 mit einer Schutzschaltung 411 und einer PWM-Steuerstufe PWM, die eine Prüfstufe DFE umfasst, mit der Spannungsfehler an den Geräteanschlüssen PA_SPK-, PA_- SPK+ wie z.B. unsymmetrische Last oder Spannungen außerhalb des Spannungsbereich der Versorgungsspannung am Versorgungsspannungsanschluss 11141 detektierbar sind. Dazu werden die Spannungen an den Lastanschlüssen SPK+, SPK- über Dioden DRP1 , DRP2 der Prüfstufe DFE zugeführt. Im Fehlerfall schaltet die PWM-Steuerstufe PWM zum Selbstschutz die MOSFETs UPA1 bis UPA4 ab. Die Schutzschaltung 411 umfasst weiterhin eine in Figur 5 detailliert dargestellte Ladungspumpe, die eine Spannungsverdopplungsschaltung aus zwei Dioden DCP1 , DCP2 enthält, die über eine Kapazität C3 mit der Rechteckspannung aus dem Geräteanschluss PA_SPK+ gespeist wird. Die Kapazität CPRTP hält die Spannung der Ladungspumpe, die über den Vorwiderstand RPRCP dem Gateanschluss 305 zugeführt wird, für eine vom parallelgeschalteten Widerstand RPRTP bestimmte Zeit und liefert eine positive Gate-Source- Spannung an die MOSFETs UPR1 , UPR2. In den beschriebenen Betriebsfällen reagiert die Schutzschaltung 41 1 wie die Schutzschaltung 403 nach Figur 4, wobei im Fehlerfall durch Abschalten der MOSFETs UPA1 bis UP A4 auch die Ladungspumpe abgeschaltet und die MOSFETs UPR1 , UPR2 gesperrt werden.

Mit der erfindungsgemäßen Schutzschaltung können in einer weiteren Ausführungsform auch Geräteanschlüsse geschützt werden, die zum Führen von Spannungen, insbesondere geschalteten Spannungen, besonders bevorzugt geschalteten Ausgangsspannungen, die geringer sind als eine Versorgungsspannung des Geräts, ausgebildet sind. Dies sind z.B. USB Anschlüsse eines Autoradios, an denen eine geschaltete Spannung von 5V anliegt. Auch diese können mit der erfindungsgemäßen Schutzschaltung geschützt werden, wenn die Vergleichsspannung der geschalteten Ausgangsspannung entspricht, d.h. hier z.B. der Spannung von 5V eines USB-Anschlusses.