Vorrichtung zum Treiben eines elektromechanischen Bauelements

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Treiben eines elektromechanischen Bauelements. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Treiben eines elektromechanischen Bauelements.

Stand der Technik

Anwendungsspezifische integrierte Bauelemente sind bekannt, welche eine integrierte H-Brücken-Treibereinrichtung aufweisen, mittels denen Bauelemente der Halbleitertechnik angesteuert werden können. Auf diese Weise können mittels der H-Brückentreibereinrichtungen zum Beispiel MOS-FETs, IGBTs (engl, insulated-gate bipolar transistor) und bipolare Transistoren angesteuert werden.

Offenbarung der Erfindung

Eine der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist es, eine vereinfachte Vorrichtung zum Ansteuern von elektromechanischen Bauelementen mittels einer integrierten Schaltung bereitzustellen.

Die Erfindung wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einer Vorrichtung zum Treiben eines elektromechanischen Bauelements, aufweisend:

eine integrierte Schaltung zum Treiben eines Halbleiterbauelements mit einer H-Brücken-Treibereinrichtung; und

eine Schnittstelleneinrichtung, mittels der die H-Brücken-Treibereinrichtung für das elektromechanische Bauelement verwendbar ist, wobei mittels der Schnittstelleneinrichtung ein zeitliches Betriebsverhalten eines Halbleiterbauelements für die integrierte Schaltung simulierbar ist. Vorteilhaft wird dadurch mit einem universell verwendbaren Schaltungsdesign der integrierten Schaltung ein Treiben von unterschiedlichen Bauelementen ermöglicht. Dadurch ist eine Verwendung von in hohen Stückzahlen hergestellten, kostengünstigen integrierten Schaltungen möglich. Ein einfaches und schnelles Anpassen der integrierten Schaltung an den jeweils zu treibenden Bauelemententyp ist dadurch ermöglicht. Auf diese Weise wird ein Smart-ASIC realisiert, der z.B. eine komplette Schutzfunktionalität eines elektromechanischen

Bauelements überwacht.

Die Erfindung wird gemäß einem zweiten Aspekt gelöst mit einem Verfahren zum Treiben eines elektromechanischen Bauelements mittels einer für Halbleiterbauelemente vorgesehenen integrierten Schaltung mit einer H-Brücken- Treibereinrichtung, aufweisend die Schritte:

Ermitteln einer elektrischen Spannung einer Relaisspule des elektromechanischen Bauelements;

Signalisieren der elektrischen Spannung der Relaisspule an die integrierte Schaltung;

Schalten eines Relaiskontakts des elektromechanischen Bauelements;

Simuliertes Rückmeiden eines Betriebsverhaltens eines Halbleiterbauelement an die integrierte Schaltung;

Signalisieren eines Zustande des Relaiskontakts an die integrierte Schaltung; und

Rückgängigmachen eines Aktivierens des elektromechanischen Bauelements, wenn die Spannung der Relaisspule ihren vorgesehen Wert nicht nach einer definierten Zeit aufweist und der Relaiskontakt nicht ordnungsgemäß umgeschaltet wurde.

Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Verzögerungseinrichtung der Schnittstelleneinrichtung eine Funktionalitätsermittlung eines Relaiskontaktes des elektromechanischen Bauelements realisierbar ist. Auf diese Weise wird eine ordnungsgemäße Funktionalität des Relaiskontakts sichergestellt. Insbesondere wird eine Falscherkennung eines Kurzschlusses des Relaiskontakts vermieden. Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Spannung einer Relaisspule und ein Relaiskontakt des elektromechanischen Bauelements prüfbar sind. Dadurch kann eine umfassende und zuverlässige Prüfung einer ordnungsgemäßen Funk- tionalität des elektromechanischen Bauelements durchgeführt werden. Für den

Fall, dass eines der genannten Elemente nicht das gewünschte Prüfergebnis liefert, wird das elektromechanische Bauelement nicht aktiviert.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die H-Brücken-Treibereinrichtung intern oder extern von der integrierten Schaltung angeordnet ist. Auf diese Weise ist ein flexibles Schaltungsdesign unterstützt, welches eine rasche und einfache Schaltung von Treiberschaltungen ermöglicht. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass Schwellenwerte an einem Signaleingang zur Überprüfung einer Funktionalität des Relaiskontakts einstellbar sind. Auf diese Weise kann ein individuelles Anpassen von unterschiedlichen elektromechanischen Bauelementen an die integrierte Schaltung durchgeführt werden. Eine Verwendbarkeit der integrierten Schaltung ist dadurch vorteilhaft sehr flexibel.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass eine High-Side-Stufe oder eine Low-Side-Stufe der H-Brücken-Treibereinrichtung zum Treiben des elektromechanischen Bau- elements verwendbar ist. Auf diese Weise kann die H-Brücken-Treibereinrichtung sehr flexibel eingesetzt werden.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das Ermitteln der Spannung der Relaisspule und das Überprüfung des Re- laiskontakts über einen einzigen Signaleingang der integrierten Schaltung durchgeführt wird. Dadurch ist eine sparsame Verwendung von Anschlusspins der integrierten Schaltung unterstützt, wodurch eine effektive Ausnutzung von Schaltungsressourcen ermöglicht ist. Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren detailliert beschrieben. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung, sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in den Figuren. Die Figuren sind vor allem dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen.

In den Figuren zeigt:

Fig. 1 ein prinzipielles Blockschaltbild einer Ausführungsform der erfin- dungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 ein prinzipielles Detailschaltbild eines herkömmlichen elektrome- chanischen Relais; Fig. 3 ein prinzipielles Detailschaltbild einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und

Fig. 4 ein prinzipielles Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Ausführungsformen der Erfindung

Fig. 1 zeigt ein prinzipielles Blockschaltbild einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 zum Treiben eines elektromechanischen Bau- elements 200. Das elektromechanische Bauelement 200 ist dabei beispielsweise als ein elektromechanisches Relais ausgebildet. Die Vorrichtung 100 umfasst eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung 10 (ASIC engl, application- specific integrated circuit), die integral eine H-Brücken-Treibereinrichtung 20 zum Treiben von Halbleiterbauelementen, vorzugsweise MOS-FETs, aufweist. Die zu treibenden Halbleiterbauelemente können auch als IGBTs, bipolare Transistoren, usw. ausgebildet sein. Die integrierte Schaltung 10 umfasst eine Rechnereinrichtung 40, z.B. in Form eines Mikrocontrollers. Weitere an sich bekannte Elemente und Einrichtungen der integrierten Schaltung 10 sind nicht erfindungswesentlich und hier deshalb weder dargestellt noch näher erläutert. Mittels der H-Brückentreibereinrichtung 20 können in Kombination mit einer Schnittstelleneinrichtung 30 Relaiskontakte 230, 240 und Relaisspulen 210, 220 des elektromechanischen Bauelements 200 überwacht bzw. gesteuert werden. Zu diesem Zweck sind an die Rechnereinrichtung 40 Sensierleitungen 1 1 zuge- führt, die an die Rechnereinrichtung 40 einen Zustand der Relaiskontakte 230,

240 bzw. eine elektrische Spannung der Relaisspulen 210, 220 übermitteln. Es werden beide genannten Elemente überprüft, wobei für den Fall, dass eines von ihnen nicht ordnungsgemäß funktioniert, eine Nichtfunktionalität der gesamten elektromechanischen Bauelements 200 erkannt wird und das elektromechani- sehe Bauelement 200 nicht aktiviert wird.

Mittels Motorkontakten 300 kann ein Elektromotor (z.B. ein Antriebsmotor eines elektrischen Fensterhebers eines Kraftfahrzeugs, nicht dargestellt) über das elektromechanische Bauelement 200 an eine elektrische Versorgungsspannung U _ß att angeschlossen werden, wobei der Motor nur dann angeschaltet wird, wenn sowohl die Relaisspulen 210, 220 als auch die Relaiskontakte 230, 240 des elektromechanischen Bauelements 200 ordnungsgemäß funktionieren.

Mittels der Schnittstelleneinrichtung 30 wird für die Rechnereinrichtung 40 ein Vorliegen eines Halbleiterbauelements simuliert, wobei ein charakteristisches

Unterscheidungskriterium zu einem elektromechanischen Bauelement 200 darin besteht, dass ein Halbleiterbauelement wesentlich schneller angeschaltet wird bzw. eine Rückmeldung an die Rechnereinrichtung 40 signalisieren kann. Für Bauelemente der Halbleitertechnologie steht deshalb in der Regel nur eine sehr kurze Zeit für eine Diagnose zur Verfügung. Typischerweise erfolgt die genannte

Diagnose innerhalb von ca. 1 s bis ca. 40 s.

Erfindungsgemäß wird diese Überprüfung zeitverzögert mittels einer elektronischen Schaltungserweiterung durchgeführt. Dies ist dadurch begründet, dass ein typisches elektromechanisches Relais ca. 2 ms bis ca. 3 ms benötigt, um auf

Schaltsignale zu reagieren, was durch ein Prellen des Relais bedingt sein kann.

Fig. 2 zeigt eine Innenschaltung eines herkömmlichen elektromechanischen Bauelements 200, welches als ein Doppelrelais mit zwei Relais in einem Gehäu- se ausgeführt ist. Erkennbar ist eine Relaisspule 210 und ein Relaiskontakt 230 eines ersten Relais sowie eine Relaisspule 220 und ein Relaiskontakt 240 eines zweiten Relais. Die weitere Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 wird im Folgenden unter Bezugnahme auf das erste Relais vorgenommen, wobei eine Funktionsweise des zweiten Relais identisch mit jener des ersten Relais ist.

Über einen Anschluss REL_1_ON kann die Relaisspule 210 angeschaltet werden bzw. ein Zustand der Relaisspule 210 an die Rechnereinrichtung 40 übermittelt werden. Die Relaisspule 210 ist an eine über eine Verpolschutzdiode (nicht dargestellt) angeschlossene elektrische Spannung V_BAT_D2 (z.B. 13 V) ge- schaltet. Ein Zustand des Relaiskontakts 230 kann über einen Anschluss

SH 1_M1 an die Rechnereinrichtung 40 gemeldet werden.

Dargestellt ist ein nicht aktivierter Zustand des Relais, wobei der Relaiskontakt 230 dauerhaft auf dem Potential der Versorgungsspannung U _Ba tt liegt, wodurch die Signalisierungs-Anschlüsse SH1 und SH 1_M 1 an U _Ba tt liegen.

Fig. 3 zeigt ein prinzipielles Detailschaltbild einer Schnittstelleneinrichtung 30 in einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100. Erkennbar ist ein im Wesentlichen symmetrischer Aufbau der Schnittstelleneinrichtung 30, wobei jeweils ein halber Schaltungsteil der Schnittstelleneinrichtung 30 für eine der beiden Relaisspulen des Doppelrelais von Fig. 2 verwendet wird. Eine Funktionsweise beider Schaltungsteile ist dabei identisch.

Mittels eines von der H-Brücken-Treibereinrichtung 20 bereitgestellten Anschlusses GL1 wird der Relaiskontakt 230 über einen ersten Transistor T1 angeschaltet bzw. aktiviert. Zu diesem Zweck muss dem Anschluss GL1 ein High-Signal zugeführt werden. Eine elektrische Spulenspannung der Relaisspule 210 wird über den Anschluss SH 1_M1 über eine Doppeldiode D und ein RC Glied mit einem Widerstand R1 (z.B. 100kQ) und einem Kondensator C1 (z.B. an den Eingang SH 1 an die Rechnereinrichtung 40 signalisiert.

Als Ergebnis des Anschaltens des Relaiskontakts 230 wird von der Relaisspule 210 ein elektromagnetisches Feld generiert, welches eine Kraftwirkung auf den Relaiskontakt 230 ausübt, wodurch der Relaiskontakt 230 auf das Massepotential umgeschaltet wird. Eine typische Kurzschlusserkennung für Bauelemente in Halbleitertechnologie sollte innerhalb der obengenannten kurzen Zeitspannen durchgeführt werden. Da jedoch im vorliegenden Fall ein im Vergleich zum Halbleiterbauelement bedeutend trägeres elektromechanisches Bauelement 40 in Form eines Relais anzusteuern ist, ist vorgesehen, dass ein fehlerfreier Relaiskontakt vorerst simuliert wird.

Zu diesem Zweck wird nach Durchschalten des Transistors T1 über den An- schluss GL1 das RC-Glied R1 C1 mit einer definierten Zeitkonstante aufgeladen, wobei kurz danach über den Anschluss SH1 ein Low-Zustand gemeldet wird. Dadurch wird„simuliert", dass das Relais o.k. ist, weil C1 im Schaltmoment von T1 entladen ist und das Massepotential nach SH1 übergekoppelt wird. Aufgrund der zeitkonstante des RC Glieds nähert sich das Signal an SH1 danach zeitverzögert an den High-Zustand an, wenn der Relaiskontakt 230 als Reaktion auf die Aktivierung nicht auf Massepotential umgeschaltet wurde. Dies bedeutet, dass das Relais nicht o.k. ist, sondern„klebt".

Wenn der Relaiskontakt 230 jedoch als Reaktion auf die Aktivierung auf Massepotential umgeschaltet wurde, wird die Diode D leitend und hält das Signal SH1 dauerhaft auf Massepotential, was bedeutet, dass das Relais o.k. ist.

Im Falle, dass der Relaiskontakt 230„klebt", d.h. nicht Massepotential annimmt sonder auf U _Ba tt„kleben" bleibt, wird das Signal SH1 gemäß der Zeitkonstante des RC-Glieds R1 C1 weiter aufgeladen, bis ein vordefinierter Schwellenwert erreicht wird, wobei bei dessen Überschreiten ein Fehler des Relaiskontakts 230 gemeldet wird. Als Folge wird das Relais aufgrund der erkannten Nichtfunktiona- lität des Relaiskontaktes 230 nicht weiter aktiviert bzw. abgeschaltet, um eine Bewegung des angeschlossenen Elektromotors zu vermeiden.

Im Ergebnis wird durch das RC-Glied R1 C1 also Zeit bereitgestellt bzw. gewonnen, um einen Status des„langsamen" Relaiskontakts 230 ordnungsgemäß zu erkennen.

Im Falle eines Nichtvorhandenseins des RC-Glieds R1 C1 und der Diode D würde das Signal an SH1 nämlich einen Fehler des Relaiskontakts 230 erkennen, weil sofort ein High-Signal ausgegeben werden würde, was aber lediglich aufgrund der Trägheit des Relaiskontakts 230 erfolgt und keinen echten Fehler darstellt. Ein authentisches Überprüfen eines Status des Relaiskontakts 230 lässt sich somit ohne das erfindungsgemäße Verzögerungskonzept mit dem RC-Glied R1C1 und der Diode D nicht realisieren.

Im Ergebnis wird also berücksichtigt, dass der Relaiskontakt 230 systembedingt eher träge auf das Ansteuerungssignal des Transistors T1 reagiert. Es wird im Ergebnis also eine schnelle Rückmeldung eines vermeintlich umgeschalteten Relaiskontakts simuliert, obwohl das Relais aufgrund seiner Trägheit einen derar- tigen Zustand gar nicht derartig schnell zurückmelden kann. Im Ergebnis wird damit vermieden, dass die Rechnereinrichtung 40 einen Kurzschluss des Relaiskontakts erkennt.

Auf diese Weise kann vorteilhaft mittels eines für ein Treiben von Halbleiterbau- elementen verwendetes ASIC für ein Treiben und Überprüfen eines elektrome- chanischen Relais verwendet werden.

Auf diese Weise ist vorteilhaft eine Verwendung eines Standard-ASIC für ein eine vielfältige Verwendung zum Treiben von technologisch unterschiedlichen Elementen ermöglicht. Eine kostengünstige Realisierung von Schaltungskonzepten ist auf diese Weise vorteilhaft unterstützt.

Ebenso kann eine Verwendung von Pins des ASIC wesentlich flexibler gehandhabt werden, da die H-Brücken-Treibereinrichtung ausschließlich zum Treiben der Elemente vorgesehen wird. Dadurch, dass H-Brücken-Treiber verwendet werden, können andere Pins des ASIC anderweitig verwendet werden. Im Ergebnis bedeutet dies einen Gewinn an nutzbaren Pins des ASICs. Zur Überwachung eines elektromechanischen Relais ist vorteilhaft lediglich ein einziger Pin an der integrierten Schaltung 10 in Form von SH1 bzw. SH2 erforderlich.

Zudem ist vorteilhaft keinerlei Software-Modifikation innerhalb der Schaltung 10 erforderlich, um mittels der integrierten Schaltung 10 eine Vielfalt von unterschiedlichen Bauelementen treiben zu können. Vorteilhaft können sowohl die High-Side-Stufe als auch die Low-Side-Stufe der genannten H-Brücken-Treiberschaltung 30 verwendet werden. In einer nicht in Figuren dargestellten Ausführungsform der Vorrichtung ist es auch denkbar, dass die gezeigte Schnittstelleneinrichtung 20 extern von der Schaltung 10 angeordnet ist. Auf diese Weise kann durch ein einfaches Verwenden der genannten Schnittstelleneinrichtung 20 das genannte Standard-ASIC für vielfältige Zwecke verwendet werden.

Im Gegensatz zur konventionellen Lösung, die in Abhängigkeit von einer Leistungs-Technologie der zu treibenden Bauelemente verschiedene ASIC-Designs vorsieht, kann mittels der Erfindung ein in hohen Stückzahlen und damit kosten- günstiges ASIC verwendet werden.

Fig. 4 zeigt ein Prinzip eines Ablaufdiagramms einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten Schritt 400 wird eine elektrische Spannung einer Relaisspule des elektromechanischen Bauelements 200 ermittelt.

In einem zweiten Schritt 401 wird ein Signalisieren der elektrischen Spannung der Relaisspule an die integrierte Schaltung 10 durchgeführt.

In einem dritten Schritt 402 wird ein Schalten eines Relaiskontakts des elektromechanischen Bauelements 200 durchgeführt.

In einem vierten Schritt 403 wird ein simuliertes Rückmeiden eines Betriebsver- haltens eines Halbleiterbauelements an die integrierte Schaltung durchgeführt.

In einem fünften Schritt 404 wird ein Zustand des Relaiskontakts 230 an die integrierte Schaltung signalisiert. Schließlich wird in einem sechsten Schritt 405 ein Aktivieren des elektromechanischen Bauelements 200 rückgängig gemacht, wenn die Spannung der Relaisspule ihren vorgesehen Wert nicht nach einer definierten Zeit (z.B. nach mehreren Millisekunden) aufweist und der Relaiskontakt 230 nicht ordnungsgemäß umgeschaltet wurde. Es versteht sich von selbst, dass die gezeigten Schaltungen lediglich beispielhafte Ausführungsformen sind, wobei das erfindungsgemäße Konzept auch mit einer Vielzahl von anderen Schaltungskonstellationen realisiert werden kann. Optional kann dabei eine Logik auch invers ausgebildet sein, wie vorangehend be- schrieben.

Der Fachmann wird also die offenbarten Merkmale abändern oder miteinander kombinieren können, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.