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Title:
PROTECTIVE CIRCUIT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2008/141595
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a protective circuit for protecting electronic assemblies. In order to provide as reliable and low power-loss protective circuit as possible, according to the invention said circuit comprises a current-limiting component (1) requiring no dedicated power supply for implementing the current-limiting properties thereof, a current-detecting unit (2) for measuring the current flowing through the current-limiting component (1), a control unit (3) for generating a switch-off signal when said current exceeds an upper threshold value, and an active switching element (4) disposed in series with the current-limiting component (1) for interrupting the current when the switch-off signal is present.

Inventors:
GUENTHER HARALD (DE)
MUNZ DIETER (DE)
VOGT TORSTEN (DE)
Application Number:
PCT/DE2007/000927
Publication Date:
November 27, 2008
Filing Date:
May 23, 2007
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (DE)
GUENTHER HARALD (DE)
MUNZ DIETER (DE)
VOGT TORSTEN (DE)
International Classes:
H03K17/082; H02H9/02
Foreign References:
US3873887A1975-03-25
DE10059115A12002-06-06
DE102004055057A12006-05-24
EP0635923A11995-01-25
GB2315172A1998-01-21
Attorney, Agent or Firm:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (München, DE)
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Claims:

Patentansprüche

1. Schutzbeschaltung für eine elektronische Baugruppe mit einem strombegrenzenden Bauteil (1) , welches zur Realisie- rung seiner strombegrenzenden Eigenschaften keine eigene Energieversorgung benötigt, einer Stromerfassungseinheit (2) zur Messung des durch das strombegrenzende Bauteil (1) fließenden Stroms, einer Kontrolleinheit (3) zur Erzeugung eines Abschaltsig- nals, wenn besagter Strom einen oberen Schwellwert überschreitet, und einem in Reihe zum strombegrenzenden Bauteil (1) angeordneten aktiven Schaltelement (4) zur Unterbrechung des Stromes bei vorliegendem Abschaltsignal .

2. Schutzbeschaltung nach Anspruch 1, wobei die Kontrolleinheit (3) einen Schmitt-Trigger umfasst, der derart ausgebildet ist, dass er ein Einschaltsignal für das Schaltelement (4) erzeugt, nachdem der Strom einen unte- ren Schwellwert unterschreitet.

3. Schutzbeschaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Kontrolleinheit (3) einen Mikrokontroller umfasst.

4. Schutzbeschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Schaltelement (4) in einem unversorgten Zustand offen ist.

5. Schutzbeschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Schaltelement (4) in einem unversorgten Zustand geschlossen ist.

6. Schutzbeschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Schaltelement (4) einen Analogschalter mit integ- riertem Stromerfassungswiderstand umfasst.

7. Schutzbeschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das strombegrenzende Bauteil (1) einen JFET umfasst.

8. Schutzbeschaltung nach Anspruch 7, wobei das strombegrenzende Bauteil (1) eine Stromregeldiode ist .

9. Schutzbeschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das strombegrenzende Bauteil (1) und das aktive Schaltelement (4) ein stromrichtungsunabhängiges Betriebsverhalten aufweisen .

10. Elektronische Baugruppe umfassend eine Schutzbeschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, die mit einem Eingang der elektronischen Baugruppe zur Begrenzung eines Eingangsstromes verschaltet ist, und/oder eine Schutzbeschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, die mit einem Ausgang der elektronischen Baugruppe zur Begrenzung eines Ausgangsstromes verschaltet ist.

Description:

Beschreibung

Schutzbeschaltung

Die Erfindung betrifft eine Schutzbeschaltung zum Schutz elektronischer Baugruppen vor überspannungen und/oder überströmen an deren Ein- und Ausgängen.

Um eine Schädigung oder Zerstörung elektronischer Baugruppen zu verhindern, werden deren Ein- und Ausgänge vor überspannungen und überströmen geschützt. Derartige überspannungen bzw. überströme können durch Fehlbeschaltungen hervorgerufen werden sowie durch so genannte Surge- oder Burst-Störungen. Insbesondere in der industriellen Automatisierungstechnik können diese Fehlerquellen nicht immer ausgeschlossen werden, so dass für die hier verwendeten Baugruppen entsprechende Schutzbeschaltungen vorgesehen werden. Schutzbeschaltungen für Peripheriebaugruppen, wie sie z.B. in der Automatisierungstechnik eingesetzt werden, werden daher durch großzügig dimensionierte Schutzdioden oder aufwändige Schutzbeschaltungen realisiert, die auf die VersorgungsSpannung bezogen sind. Beispiele für solche Peripheriebaugruppen sind Ein-/Ausgabemodule.

Zum Schutz vor überspannung oder überströmen werden in bestimmten Anwendungen Vorwiderstände, Stromregeldioden, PoIy- fuses (PTC) oder Sicherungen eingesetzt. Sowohl Polyfuses als auch Sicherungen haben große Toleranzen und eine stromabhängige Auslösezeit. Deshalb müssen sie vor allem bei niederoh- migen Stromeingangsstufen überdimensioniert werden, um ein

Versagen der Schutzbeschaltung in allen Fällen zu verhindern.

Aus US 2003/0095368 Al ist eine Strombegrenzungsschaltung für USB-Peripheriegeräte bekannt. Die Strombegrenzungsschaltung umfasst einen Leistungs-MOSFET und eine Messeinrichtung zur Erfassung des durch den Leistungs-MOSFET fließenden Stroms. In Form einer Referenzspannung können Grenzwerte für den durch den MOSFET fließenden Strom vorgegeben werden, deren

Einhaltung durch geeignete Wahl der Gate-Spannung des MOSFETs sichergestellt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine möglichst zu- verlässige und verlustleistungsarme Schutzbeschaltung zur Verfügung zu stellen.

Diese Aufgabe wird durch eine Schutzbeschaltung für eine elektronische Baugruppe gelöst mit - einem strombegrenzenden Bauteil, welches zur Realisierung seiner strombegrenzenden Eigenschaften keine eigene Energieversorgung benötigt, einer Stromerfassungseinheit zur Messung des durch das strombegrenzende Bauteil fließenden Stroms, - einer Kontrolleinheit zur Erzeugung eines Abschaltsignals, wenn besagter Strom einen oberen Schwellwert überschreitet, und einem in Reihe zum strombegrenzenden Bauteil angeordneten aktiven Schaltelement zur Unterbrechung des Stromes bei vorliegendem Abschaltsignal.

Die erfindungsgemäße Schutzbeschaltung umfasst sowohl ein Bauteil, welches zur Realisierung seiner strombegrenzenden Eigenschaften keine eigene Energieversorgung benötigt als auch ein aktives Element, das in Reihe zum strombegrenzenden Bauteil geschaltet ist. Für das strombegrenzende Bauteil bietet sich vorteilhafterweise der Einsatz eines zweipoligen Bauelementes an. Durch das strombegrenzende Bauteil wird schon ein Schutz vor überspannungen bzw. überströmen im un- versorgten Zustand der Schaltung gewährleistet.

Das aktive Schaltelement hingegen benötigt eine Energieversorgung, um eine Schalthandlung durchzuführen. Ein Beispiel für ein solches aktives Schaltelement ist ein MOSFET, dessen Schalthandlung durch eine am Gate des Bauteils angelegte

Spannung bewirkt wird. Durch das aktive Schaltelement kann der Stromkreis am Ein- oder Ausgang einer elektronischen Baugruppe im Fall eines überstroms aktiv unterbrochen werden.

Sobald durch die Kontrolleinheit ein unzulässiger überstrom festgestellt wird, unterbricht das aktive Schaltelement den Strom und schützt so die mit der SchutzbeSchaltung beschaltete elektronische Baugruppe.

Durch die Kombination des strombegrenzenden Bauteils mit dem aktiven Schutz innerhalb der Schutzbeschaltung wird gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Schutzbeschaltungen eine Reihe von Vorteilen erzielt. Im versorgten Zustand wer- den die maximal auftretenden Verluste dadurch begrenzt, dass der Stromkreis mit Hilfe des aktiven Schaltelements geöffnet werden kann. Durch das strombegrenzende Bauteil erreicht man den Schutz vor überspannung bzw. überströmen bereits im unversorgten Zustand. Im Vergleich zu Polyfuses oder Sicherun- gen ergibt sich im versorgten Zustand eine sehr viel kürzere Reaktionszeit dieser Schutzbeschaltung, da die Unterbrechung des Stromkreises, beispielsweise mit einem leistungselektronischen Schaltelement, sehr viel schneller geschehen kann, als es bei den besagten konventionellen Schutzmaßnahmen der Fall ist.

Aufgrund des zusätzlich vorhandenen aktiven Schaltelements können zusätzliche Schutzdioden kleiner dimensioniert werden, was zu einer Reduzierung von Leckströmen gegenüber Versorgung führt. Hierdurch ergibt sich auch eine geringere Verfälschung analoger Signale, die von der zu schützenden elektronischen Baugruppe empfangen oder ausgegeben werden.

Darüber hinaus lassen sich durch die Kombination des strombe- grenzenden Bauteils und des aktiven Schaltelementes innerhalb der Schutzbeschaltung sowohl eine Kosten- als auch eine Platzersparnis gegenüber herkömmlichen konventionellen Schutzbeschaltungen erzielen.

Durch das aktive Schaltelement kann die maximal auftretende Verlustleistung im versorgten Zustand durch öffnen, Takten oder eine intelligente Regelung des aktiven Schaltelements im Fehlerfall reduziert werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

So kennzeichnet sich eine sehr einfache und kostengünstige Ausführungsform der Erfindung dadurch, dass die Kontrolleinheit einen Schmitt-Trigger umfasst, der derart ausgebildet ist, dass er ein Einschaltsignal für das Schaltelement erzeugt, nachdem der Strom einen unteren Schwellwert unterschreitet. Bei einer solchen Ausführungsform erzeugt der Schmitt-Trigger bei einer überschreitung des oberen Schwellwertes zunächst das Abschaltsignal. Durch das öffnen des Schalters wird der untere Schwellwert automatisch unterschritten, so dass der Schmitt-Trigger nach seiner Bauelement-inhärenten Verzögerungszeit automatisch wieder das Ein- schaltsignal zur Verfügung stellt. Hierdurch wird das aktive Schaltelement geschlossen und bleibt in diesem Zustand, bis eine erneute überschreitung des oberen Schwellwerts durch die Stromerfassungseinheit detektiert wird. Der Schmitt-Trigger bewirkt folglich sich ständig wiederholende Kurzunterbrechun- gen des überstromes.

Umfangreichere Regelungen können in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung dadurch realisiert werden, dass die Kontrolleinheit einen Mikrocontroller umfasst.

Je nach Eigenschaft der elektronischen Baugruppe bzw. ihres mit der Schutzbeschaltung zu beschaltenden Ein- oder Ausgangs ist eine Ausführungsform vorteilhaft, bei der das Schaltelement in einem unversorgten Zustand offen ist. Alternativ kann eine Ausgestaltung der Erfindung zweckmäßig sein, bei der das Schaltelement in einem unversorgten Zustand geschlossen ist.

Bei einer sehr kostengünstigen und kompakten Ausführung der Erfindung umfasst das Schaltelement einen Analogschalter mit integriertem Stromerfassungswiderstand. Bei einem solchen

Analogschalter handelt es sich um eine integrierte Schaltung, die in der Regel MOSFETs umfasst.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfasst das strombegrenzende Bauteil einen JFET.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist das strombegren- zende Bauteil eine Stromregeldiode. Eine Stromregeldiode oder Strombegrenzer-Diode ist ein Halbleiterbauelement, das in einer Richtung nur einen bestimmten Maximalstrom durchlässt. Vom Aufbau her ist eine Stromregeldiode ein JFET, bei dem die Anschlüsse Source and Gate miteinander verbunden sind.

Je nach Anwendungsfall kann eine Ausführungsform der Erfindung vorteilhaft sein, die einen bidirektionalen Stromfluss erlaubt, d.h. , dass das strombegrenzende Bauteil und das aktive Schaltelement ein stromrichtungsunabhängiges Betriebs- verhalten aufweisen.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird eine elektronische Baugruppe bereitgestellt, die eine Schutzbeschaltung gemäß einer der zuvor beschriebe- nen Ausführungsformen, die mit einem Eingang der elektronischen Baugruppe zur Begrenzung eines EingangsStroms verschaltet ist und/oder eine Schutzbeschaltung nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen, die mit einem Ausgang der elektroni- sehen Baugruppe zur Begrenzung eines Ausgangsstroms verschaltet ist, aufweist .

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert .

Es zeigen:

FIG 1 eine erste aus dem Stand der Technik bekannte

Schutzbeschaltung,

FIG 2 eine zweite aus dem Stand der Technik bekannte Schutzbeschaltung,

FIG 3 ein mit einer Schutzbeschaltung gemäß einer Ausfüh- rungsform der Erfindung beschalteter Eingang einer elektronischen Baugruppe und

FIG 4 ein mit der Schutzbeschaltung aus Figur 3 beschalteter Ausgang einer elektronischen Baugruppe.

Figur 1 zeigt eine erste aus dem Stand der Technik bekannte Schutzbeschaltung für einen Ein- oder Ausgang einer elektronischen Baugruppe. Zur Begrenzung des Stroms umfasst die Schutzbeschaltung einen Widerstand 5. Die Spannung am Ausgang der Schutzbeschaltung ist durch die Verwendung einer ersten und einer zweiten Diode 6, 7 auf die maximale Spannung U P und die minimale Spannung U N begrenzt. Sofern die Spannung am Ausgang der Schutzbeschaltung weder den zulässigen Höchstwert Up überschreitet, noch den unteren Schwellwert U N unter- schreitet, sind beide Dioden 6, 7 in Sperrrichtung geschaltet. Da es sich naturgemäß bei den Dioden 6, 7 nicht um ideale Bauelemente handelt, fließt trotz dieses "Normalzustandes" ein Leckstrom, der eine zusätzliche Verlustleistung und Signalverfälschung zur Folge hat.

Figur 2 zeigt eine zweite aus dem Stand der Technik bekannte Schutzbeschaltung für eine elektronische Baugruppe. Auch hier werden strombegrenzende zweipolige Bauelemente zum Schutz der elektronischen Baugruppe vor überspannungen und überströmen verwendet. Der Schutz vor einer überspannung wird wiederum durch einen Vorwiderstand realisiert. Durch die dargestellte Verschaltung einer dritten und vierten Diode 8, 9 und einer ersten und zweiten Zenersiode 10, 11 wird erreicht, dass das Potential am Ausgang der Schutzbeschaltung nur in begrenztem Maße von dem Potential M abweichen kann. Im Wesentlichen wird diese maximal zulässige Abweichung durch die Durchbruchspan- nung der verwendeten Zenerdioden 10, 11 definiert. Auch hier wird über den Diodenzweig stets ein Leckstrom zu dem Punkt M

fließen, der eine Verlustleistung und eine Signalverfälschung zur Folge hat. Weiterhin wird sowohl in dieser Schaltung wie auch in der Schaltung gemäß Figur 1 eine Verlustleistung im Vorwiderstand 5 erzeugt.

Figur 3 zeigt einen mit einer Schutzbeschaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beschalteten Eingang einer elektronischen Baugruppe. Der Eingang der Baugruppe ist hier durch einen Shunt-Widerstand 12 symbolisiert. Ein zweipoliges strombegrenzendes Bauelement 1 ist in Reihe zu einem aktiven Schaltelement 4 geschaltet. Bei diesem Bauelement handelt es sich um eine Stromregeldiode, die auch mit dem englischen Ausdruck "current-regulator diode" bezeichnet wird. Da in Reihe zu diesem Bauelement das aktive Schaltelement 4 ge- schaltet ist, welches im Fehlerfalle geöffnet werden kann, um den Stromfluss zu unterbrechen, kann das strombegrenzende zweipolige Bauelement 1 bezüglich seiner zulässigen Verlustleistung sehr viel kleiner dimensioniert sein, als der Vorwiderstand 5 aus den Figuren 1 und 2.

Optional kann die Spannung am Eingang zusätzlich mittels einer ersten und einer zweiten Diode 6,7 analog zur bekannten Schaltung aus FIG 1 begrenzt werden. Dies ist vorteilhaft, wenn das Schaltelement 4 im unversorgten Zustand offen (nor- mally-off) ist und als integrierte Schaltung ausgeführt ist. Die Schutzdioden 6,7 können jedoch in diesem Fall deutlich kleiner als die in Figur 1 gezeigten ausfallen

Mit Hilfe einer Stromerfasungseinheit 2 wird der Strom durch das aktive Schaltelement 4 gemessen. Sobald dieser Strom einen zulässigen Maximalwert überschreitet, wird mit Hilfe einer Kontrolleinheit 3, die als MikroController ausgeführt ist, ein Abschaltsignal für das Schaltelement 4 generiert. Aufgrund dieses Abschaltsignals wird das Schaltelement 4 ge- öffnet. In dem Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem

Schaltelement 4 um einen MOSFET. Eine den MOSFET ansteuernde Treiberstufe wird durch Anlegen einer entsprechenden Gatespannung den MOSFET in den Sperrbetrieb schalten.

Figur 4 zeigt einen mit der Schutzbeschaltung gemäß Figur 3 beschalteten Ausgang einer elektronischen Baugruppe. Sofern das aktive Schaltelement 4 in der Lage ist, bidirektional den Strom zu leiten und Sperrspannungen in beide Richtungen auf- zunehmen, kann für Ein- und Ausgang dieselbe Schutzbeschaltung verwendet werden. Diese Eigenschaften bei handelüblichen integrierten Analogschaltern auf MOSFET Basis gegeben.

Optional kann auch hier die Spannung am Ausgang zusätzlich mittels einer ersten und einer zweiten Diode 6,7 analog zur bekannten Schaltung aus FIG 1 begrenzt werden. Dies ist vorteilhaft, wenn das Schaltelement 4 im unversorgten Zustand offen (normally-off) ist und als integrierte Schaltung ausgeführt ist. Die Schutzdioden 6,7 können jedoch in diesem Fall deutlich kleiner als die in Figur 1 gezeigten ausfallen.

Durch das zweipolige strombegrenzende Bauelement 1 ist ein Schutz des Ein- bzw. Ausgangs der elektronischen Baugruppe auch dann gewährleistet, wenn keine VersorgungsSpannung an der Schutzbeschaltung anliegt. Da die in Figur 1 und Figur 2 gezeigten Diodenschaltungen deutlich kleiner dimensioniert werden können, ist die Verlustleistung der in Figur 3 und Figur 4 gezeigten Schutzbeschaltung vergleichsweise gering. Sie wird in erster Linie durch die strombegrenzende Stromregler- diode bewirkt, die aufgrund des in Serie geschalteten aktiven Schaltelements 4 sehr viel kleiner dimensioniert werden kann, als der Vorwiderstand 5 aus den Figuren 1 und 2.