专利名称：用于短路保护的装置的制作方法
用于短路保护的装置
本发明一般涉及一种用于短路保护的装置。特别地，本发明涉及 机动车辆的引擎的控制电路。
通常，这种装置与电源相连接，例如与机动车辆的电池相连接。 为了在短路的情况下保护该装置，电源和装置之间的连接包括保险 丝。此外，在电源错误地与装置反向连接时，这种装置可以被用于反
向连接保护。对于这种反向连接保护来说，包括场效应晶体管FET、 特别是MOS-FET的主动保护电路的使用是可行的。这限制在装置的 高电流消耗时出现的耗散功率。
在保险丝所保护的线路短路时，在保险丝被触发以前的12t值、即 时间和电流平方的乘积)随着保险丝的额定电流的增大而增大。保险 丝的额定电流越大，在保险丝被触发或熔断之前所消耗的能量就越 大，因此例如增大着火的风险。而且，装置的电流消耗越大，所需要 的导线的尺寸就越大。大于2.5mm2的导线横截面在其处理时较复杂， 并且需要在机械和载流能力方面相应地被设计的插头。为了避免这两 个缺点，可以将两条线路并联连接。这两条线路中的每一条都受相应 的保险丝保护。因此，保险丝可以被设计成具有较低的额定电流，并 且导线可以被设计成与单个线路相比具有较小的横截面。
因此，本发明的目的是提供一种用于短路保护的装置，其在装置 的供电输入端之一短路到地的情况下限制损害的风险。
该目的通过一种具有权利要求1的特征的用于短路保护的装置来 解决。
本发明提供一种用于短路保护的装置，包括两个供电输入端， 用于将该装置连接至电源的端子；两条供电路径，被连接在一起并且 被连接至供电输入端，其中每条供电路径都包括断开装置，用于断开 供电路径；确定装置，用于确定从供电路径之一流经供电路径中的另 一条的电流；以及控制装置，用于根据确定装置所确定的电流来控制 供电路径的断开装置，其中该控制装置与断开装置和确定装置相连 接。 '
根据本发明，该装置包括两条在该装置内并行延伸的供电路径。供电路径在其一端被连接在一起，由此形成接合点、即共同的连接点。 供电路径在其相应的另一端与不同的供电输入端相连接。如果该装置 与电源相连接并且如果在供电输入端之一上存在短路，则电流从没有 短路的供电输入端流到接合点，从那里流经与短路的供电输入端相连 接的供电路径，并且随后流到短路的供电输入端。流经与短路的供电 输入端相连接的供电路径的电流在一个方向上流动，该方向与在没有 短路的正常工作期间的电流流动方向相反。从接合点流经与短路的供 电输入端相连接的供电路径的电流被确定。该被确定的电流于是被用 于控制断开装置，其中该断开装置被结合在供电路径中，用于连接和 断开供电路径。
特别地，断开装置的控制可以依赖于所确定的电流必须满足的预 定条件。根据本发明，在短路的情况下，如果相应的断开装置将所分 配的供电路径断开，则两个供电路径之间的耦合^皮切断。有利地，供电路径受到保护。此外，可以被用于保护所述装置的保险丝的12t值的 减小在此也是可能的，因为在供电路径之一短路到地的情况下只有一 个保险丝被触发。
所述装置包括检测装置，用于检测供电输入端是否与电源的端子 相连接，其中该检测装置与评估电路相连接。该评估电路使得能够检 测所述装置是否被供电。有利地，该评估装置包括微控制器。
此外有利地，利用根据本发明的装置，可以检查两条并行的供电 路径之间的电流分裂是否是对称的。特别地，外部和/或内部部件的老 化和/或损坏可能导致流入该装置的供电路径中的电流的不均衡的分 裂。有利地，确定装置和其所确定的电流可以附加地被用于检查对称 的电流分裂。为此，确定装置的输出端可以与某个评估单元相连接， 该评估单元相应地对所确定的电流进行解释。
在一种优选的实施例中，断开装置包括可控开关或者电阻器、特 别是场效应晶体管FET。这保证供电路径的非常快速的断开以及低耗 散功率。
在另一种优选的实施例中，控制装置包括比较装置，用于比较所 确定的电流和预定阈值。该控制装置被设计用于根据比较的结果来控 制断开装置。例如，如果所确定的电流达到预定阈值，则控制装置驱 动断开装置以断开供电路径。通过阈值的限定，可以正确地确定短路。
有利地，控制装置包括可控开关、特别是晶体管，该可控开关与 比较装置和断开装置相连接。这是一种非常简单而有效的驱动断开装 置的方法。
在一种优选的实施例中，确定装置被设计为确定供电路径的部件 上的电压降。在这种情况下，流经供电路径的电流被间接地确定。这 是一种非常简单而准确的确定反向电流的方法。
确定装置可以^t设计为确定断开装置上的电压降。特别地，如果
断开装置包括FET并且^皮设计为确定FET的漏极-源极电压降，则本 发明的装置包括一种对短路的有效的保护，而不会非常复杂。在短路 的情况下，反向流动的电流导致正的漏极-源极电压，这随后可以孝皮 确定并被用于控制供电路径的断开。有利地，只要存在短路，断开装 置就保持在断开状态。
在另一种优选的实施例中，供电路径中的至少一条包括分流器， 该分流器与供电路径中的至少一条的相应的断开装置串联，并且确定 装置被设计为确定该分流器上的电压降。这是有利的，因为确定装置 不直接确定断开装置上的电流。
有利地，与供电路径中的至少一条的断开装置相连接的控制装置 包括自动重启电路，用于生成在供电路径中的至少一条已经借助断开 装置被断开之后再次连接该供电路径的预定延迟时间。这保证当分流
下时断开装置不自动再次连接供电路径。
特别地，断开装置被设计为保护所述装置免受电源被反向连接的 影响。因此，本发明的装置能够实现进一步的保护、也即保护免受反 向连接的影响，该反向连接可能破坏所述装置的部件。
在一种优选的实施例中，供电路径中的至少一条包括用于反向连 接保护的另外的断开装置，其中该另外的断开装置与供电路径中的至 少一条的断开装置串联。在这种情况下，被用于反向连接保护的所述 另外的断开装置和在短路情况下被用于保护的断开装置彼此分离。有 利地，可以简单地在断开装置处确定电流并且此外在反向连接的情况 下保护确定装置。
有利地，所述另外的断开装置包括另外的FET。该FET可以^L用 作可控开关，该可控开关在反向连接的情况下非常简单地确保断开。
在另一种优选的实施例中，确定装置包括差动放大器。利用这种 放大器，可以精确地确定电流，而无需复杂的电路。这是一种成本有 效的解决方案。
在另一种优选的实施例中，每个供电输入端都与相应的检测装置 相连接。这确保甚至更好且更精确地检测所述装置是否被正确地供电。
有利地，相应的检测装置包括分压器。这是检测装置的一种特别 简单并且成本有效的设计。
在一种优选的实施例中，供电输入端通过保险丝与电源的端子相 连。这确保所述装置对短路的基本保护。
在一种优选的实施例中，所述装置包括多于两个的用于将所述装 置连接至电源的端子的供电输入端和多于两条的被连接在一起并被连 接至供电输入端的供电路径，其中每条供电路径都包括断开装置，用 于断开所分配的供电路径。利用这种设计，可以进一步将通过所述装 置的电流分给多于两条的供电路径。这进一步降低例如对导线和保险 丝的设计要求。
在一种优选的实施例中，所述装置是用于控制机动车辆的引擎的 控制电路。特别地，电源是机动车辆的电池，并且供电输入端所连接 的电源的端子是电池的正端子。
本发明的示例性实施例将在下面参照附图来描述。其中 图l示出本发明的用于短路保护的装置的第一实施例； 图2示出本发明的用于短路保护的装置的第二实施例；以及 图3示出本发明的用于短路保护的装置的第三实施例。 在附图中，相同的和/或相似的特征(只要没有另外说明)用相同 的参考数字来表示。
图1示出用于短路保护的装置的第一实施例。在此，所述装置是 用于控制机动车辆(特别是汽车)的引擎的控制电路l。控制电路l包 括与电源相连接的两个供电输入端2和3。在此，电源是机动车辆的电 池4。两个供电输入端2和3都与电池4的相同端子相连接，在此，它 们与正端子5相连接。为了保护电池4和控制电路1之间的导线，保 险丝6和7被插入到供电输入端2、 3与电池4的连接中。
控制电路1此外还包括第 一供电路径8，该第 一供电路径以其第一
端与供电输入端2相连接，并且还包括第二供电路径9，该第二供电路 径以其第一端与供电输入端3相连接。供电路径8、 9在它们各自的第 二端处被连接在一起，由此构成代表两个供电路径8、 9的共同连接点 的接合点10。
第一供电路径8包括第一场效应晶体管11, FET，在此它是n沟 道MOS-FET。 FET 11可以被解释为被用作用于断开供电路径8的断 开装置的可控开关或者电阻器。FET 11的源极与供电输入端2相连 接，而FET11的漏极与接合点IO相连接。FET11典型地包括集成的 体二极管12，该体二极管与FET 11的源极-漏极连接并行工作。体二 极管12的阳极与FET 11的源极相连接，并且体二极管12的阴极与FET 11的漏极相连接。FET11被设计为其保护控制电路1免受电池4被反 向连接的影响。如果电池4以正确的极性与控制电路1相连接，则控 制电路l首先由FET11的体二极管12供电。
随后，在FET 11的栅极-源极上以一定的延迟形成正的辅助电 压，该辅助电压将FET11接通。如果电池4以错误的极性与控制电路 1连接，即控制电路l被反向连接，则FET 11总是作为二极管工作， 因为在FET 11的栅极-源极上没有形成辅助电压，体二极管12^皮反 向偏置。FET11截止，并且保护控制电路l及其部件免受负电压，并 且因此保护它们免受破坏。当然，也可以利用p沟道FET而不是n沟 道FET来设计控制电路1。
差动放大器13与FET 11并联连接。放大器13的反相输入端与源 极相连接，而放大器13的非反相输入端与FET ll的漏极相连接。因 此，差动放大器13确定FET 11的漏极-源极上的电压降。差动放大 器13被设计为确定装置，用于确定流经供电路径8的电流、特别是在 反方向上流动的、即从供电路径9流动到接合点10以及从那里流入并 且流经供电路径8的电流。通过使用供电路径8的部件(在此是FET 11 的漏极-源极电阻)上的电压降来间接地确定该电流。
差动放大器13的输出端与比较器14相连接。而且，参考电压Uref 被施加到比较器14的*入端15上，该比较器在此被设计为比较装置。 参考电压Uref代表流经供电路径8的电流的某个预定阈值。比较器14 将差动放大器13的输出和参考电压Uref进行比较，并且输出对应于该 比较的结果的信号。比较器14的输出端与晶体管16的基极耦合。晶体管16的发射极与地相连接，并且晶体管16的集电极通过电阻器17 与FET 11的栅极相连接。晶体管16被设计为可控开关，该可控开关 根据比较器14的输出信号接通和关断FET 11。比较器14、晶体管16 和电阻器17被设计为用于根据确定装置、即差动放大器13所确定的 电流来控制供电路径8的断开装置、即FET 11的控制装置。
供电输入端2附加地与分压器相连接，该分压器包括串联的电阻 器18和电阻器19。在该分压器的另一端，该分压器接地。位于分压器 的两个电阻器18、 19之间的输出端20与ia控制器的输入端、特别是模 拟输入端相连接。该lu控制器被设计为被用于确定是否有供电电压^L施 加给供电输入端2。特别地，可以确定是否触发了保险丝6。 p控制器 是评估电路的一部分。
第二供电路径9与第一供电路径8相同地被设计。相应地，第二 供电路径9包括第二 FET 21，其源极与供电输入端3相连接，并且其 漏极与接合点IO相连接。FET21包括体二极管22。与FET21并联连 接有差动放大器23。差动放大器23的输出端与比较器24相连接，该 比较器具有输入端25，参考电压Uref也被施加到该输入端25上。比 较器24的输出端与晶体管26的基极耦合，晶体管26的发射极接地， 并且其集电极通过电阻器27连接到FET 21的槺极上。供电输入端3 与分压器相连接，该分压器包括串联的电阻器28和29。
位于该分压器的两个电阻器28、 29之间的输出端30与p控制器的 另外的输入端、特别是模拟输入端相连接。(a控制器被设计为被用于确 定是否有供电电压被施加给供电输入端3。特别地，可以确定是否触发 了保险丝7。
借助根据本发明的控制电路1，可以在供电输入端2、 3之一短路 的情况下保护部件、特别是保险丝6、 7。图1示出在供电输入端3处 到地的短路31。供电输入端2的短路将相应地被处理。控制电路l包 括两个并行的供电路径8、 9，它们都被连接到电池4的正端子5上。 这被设计用于将电流分配给两个供电路径，以限制对导线、特别是它 们的横截面的要求。因此，在没有另外的保护的情况下，两个保险丝6、 7将在短路31的情况下、即在没有由控制FET 11、 21的差动放大器 13、 23、比较器14、 24和晶体管16、 26等所提供的保护的情况下被触 发或者熔断。在这种没有另外的保护的情况下，非常大的电流会直接流到供电输入端3和到地的短路31。此外，非常大的电流会流到供电 输入端2，通过供电路径8流到接合点10，并且从那里作为反向电流 通过供电路径9和短路31流到地。在这种情况下，两个保险丝6、 7 都将^皮触发并且熔断，以防止大电流流入控制电路l中。
根据本发明的第一实施例，可以确定FET 11或21上的正漏极-源极电压。如果所确定的漏极-源极电压超过参考电压Uref所给出的 预定值，则被分配给供电路径8或9的相应的FET 11或21被驱动以 被关断并且断开所分配的供电路径8或9，其中所述供电路径8或9的 供电输入端2或3,皮短路。在短路31存在于供电输入端3的情况下， 保险丝7被触发并^皮破坏。无论如何，都可以保护保险丝6，因为FET 21将供电路径9断开。
只要短路存在，FET 11或21就保持被关断并且所分配的供电路径 8或9保持被断开。有利地，即使短路被消除，FET11或21也保持被 关断，但是保险丝仍然纟皮熔断。相应的FET 11或21的源极通过分压 器接地，而电池的正电位被施加到漏极上。如果供电输入端2、 3上电 池电压的存在被监控以检测熔断的保险丝，这尤其可以提供优点。如 上所述，包括电阻器18、 19和28、 29的分压器可以净皮用于该检测。 如果保险丝6或7仍然被熔断，则在所分配的分压器上没有从控制电 路1的外部产生的电压降，即由电池4所提供的电压产生的电压降。 如果被分配的供电路径8或9的FET 11或21在短路之后永久地保持 被关断，则在相应的分压器上没有从控制电路1的内部产生的电压降。 因此，可以检测熔断的保险丝。
图2示出本发明的用于短路保护的装置的第二实施例。基本上， 根据第二实施例的控制电路1对应于图1的第一实施例的控制电路1。 不同的是，图2的控制电路1包括在第一供电路径8中的第一分流器 32和在第二供电路径9中的第二分流器33。分流器32与FET 11串联， 使得分流器32净皮布置在FET11的漏极和接合点IO之间。在第二实施 例中，用于确定供电路径8的部件上的电压降的差动放大器13不再与 FET11并联，而是与分流器32并联。因此，差动放大器13确定分流 器32上的电压降。
而且，在第二实施例中，用于确定供电路径9的部件上的电压降 的差动放大器23不再与FET 21并联，而是与分流器33并联。因此，
差动放大器23确定分流器33上的电压降。FET 11或21仍然祐:设计用 于在分流器32、 33上的电压降高于施加给比较器14、 24的参考电压 Uref的情况下将供电路径8、 9断开。
根据第二实施例的控制电路1具有以下优点，即差动放大器13、 23不再直接与电池4的正端子5相连接。因为FET 11和21被布置在 电池4和差动放大器13、 23之间并且因为它们仍然净皮用于保护控制电 路1免受电池4 ^皮反向连接的影响，所以在电池被反向连接的情况下 不可能将不正确的负电压施加给差动放大器13、 23的输入端。
此外，为了在断开相应的供电路径8、 9之后相应的分流器32、 33 上的电压降又减小时避免FETll、 21的直接接通，将自动重启电路34 布置在比较器14的输出端和晶体管16之间并且将自动重启电路35布 置在比较器24的输出端和晶体管26之间。自动重启电路34、 35被设 计用于生成在供电路径8、 9已经借助FET 11、 21^皮断开之后再次连 接供电路径8、 9的预定延迟时间。FETll、 21的连续的高频接通和关 断被有利地防止。在短路的情况下，自动重启电路34、35提供FET11、 21的快速关断，并且因此提供供电电路8、 9的快速断开，并且在再次 接通FETll、 21之前还提供足够的延迟时间。如果FETll、 21为了 诊断的目的而被关断，则可以检测被触发的或者^皮熔断的保险丝。
图3示出本发明的用于短路保护的装置的第三实施例。基本上， 根据第三实施例的控制电路1对应于图1的第一实施例的控制电路1。 不同的是，图3的控制电路1包括第三FET36，该第三FET净皮布置在 第一供电路径8中，并且与FET 11串联，而FET 36的源极与供电输 入端2相连接，并且FET36的漏极与FET11的源极相连接。
而且，图3的控制电路1包括第四FET37,该第四FET被布置在 第二供电路径9中，并且与FET21串联，而FET 37的源极与供电输 入端3相连接，并且FET 37的漏极与FET 21的源极相连接。与图l 的第一实施例相比，FET 11、 21不再完成保护控制电路1免受电池4 被反向连接的影响的任务。现在，该任务由FET36、 37来完成。两个 任务，即一方面防止反向连接，另一方面防止短路，现在通过分离的 装置来实现。辅助控制电压被施加到FET 36、 37的栅极38和39上， 该辅助控制电压接通FET36、 37。如果与电池的连接的极性是正确的， 则这些辅助控制电压通过FET36、 37的体二极管^皮建立。
根据图3的第三实施例的控制电路1的优点是差动放大器13、 23 的输入端被保护免受危险的负电压、特别是瞬时电压的影响。在保险 丝熔断的情况下，FET36、 37不再被接通。此外，像自动重启电路34、 35那样的附加的自动重启电路不是必要的。如已经结合图1的第一实 施例所描述的那样，无论熔断的原因是什么，在任何时候都可以检测 熔断的保险丝。
电流在并行的供电路径8、 9之间的对称分裂取决于控制电路1的 内部部件和电路以及电池4和控制电路1之间的外部连接元件、例如 保险丝、端子、导线。内部电路的电阻越低，外部元件的影响就越大。 如果测量相应的供电路径中的电流，则可以检测到由外部元件或者连 接的老化或者损坏引起的电流的不均衡的分裂。在此，可以附加地使 用差动放大器13、 23来确定或者测量该电流。例如，差动放大器13、 23通过利用差动放大器13、 23的输出端和iu控制器的输入端之间的滤 波器与p控制器的另外的输入端相连接。
上面已经描述了本发明的优选的实施例。这应该仅仅被视为非限 制性的例子。在如权利要求和说明书中所限定的本发明的范围中，将 可以实现多种改进，而不偏离本发明的核心。特别地，可以在控制电
的供电路曰径。有利地，这进一步降低对导线和保险丝的设计要求。
权利要求
1.用于短路保护的装置(1)，包括(a)两个供电输入端(2，3)，用于将该装置(1)连接至电源(4)的端子(5)；(b)两条供电路径(8，9)，被连接在一起并且被连接至供电输入端(2，3)，其中每条供电路径(8，9)都包括断开装置(11，21)，用于断开供电路径(8，9)；(c)确定装置(13，23)，用于确定从供电路径(8，9)之一流经供电路径(8，9)中的另一条的电流；(d)控制装置(14，16，24，26)，用于根据确定装置(13，23)所确定的电流来控制供电路径(8，9)的断开装置(11，21)，其中该控制装置(14，16，24，26)与断开装置(11，21)和确定装置(13，23)相连接；以及(e)检测装置(18-20，28-30)，用于检测供电输入端(2，3)是否与电源(4)的端子(5)相连接，其中该检测装置(18-20，28-30)与评估电路相连接。
2. 根据权利要求l所述的装置，其中断开装置(11， 21)包括可 控开关或者电阻器、特别是场效应晶体管FET。
3. 根据上述权利要求中的至少一个所述的装置，其中控制装置 (14， 16， 24， 26)包括比较装置(14, 24),用于将所确定的电流和预定阈值进行比较，并且该控制装置(14， 16， 24， 26)被设计为 根据比较的结果来控制断开装置(11, 21)。
4. 根据权利要求3所述的装置，其中控制装置(14, 16， 24， 26) 包括可控开关、特别是晶体管(16， 26),该可控开关与比较装置(14,24) 和断开装置(11， 21)相连接。
5. 根据上述权利要求中的至少一个所述的装置，其中确定装置 (13, 23)被设计为确定供电路径(8, 9)的部件上的电压降。
6. 根据权利要求5所述的装置，其中确定装置(13， 23)被设计 为确定断开装置(11， 21)上的电压降。
7. 根据权利要求6所述的装置，其中断开装置(ll， 21)包括FET, 并且被设计为确定FET上的漏极-源极电压降。
8. 根据权利要求5所述的装置，其中供电路径(8， 9)中的至少一条包括分流器(32， 33),该分流器与供电路径(8, 9)中的至少 一条的相应的断开装置(11， 21)串联，并且确定装置(13， 23)被 设计为确定该分流器(32， 33)上的电压降。
9.根据权利要求8所述的装置，其中与供电路径(8, 9)中的至 少一条的断开装置(11， 21)相连接的控制装置(14， 16, 24， 26) 包括自动重启电路(34， 35)，用于生成在供电路径(8, 9)中的至 少一条已经借助断开装置(11， 21)被断开之后再次连接该供电路径 的预定延迟时间。
10.根据上述权利要求中的至少一个所述的装置，其中断开装置 (11, 21)被设计为保护所述装置(1)免受电源(4)被反向连接的 影响。
11. 根据权利要求l-7中的至少一个所述的装置，其中供电路径 (8， 9)中的至少一条包括另外的断开装置(36， 37),用于反向连接保护，其中该另外的断开装置(36， 37)与所述供电路径(8， 9) 中的至少一条的断开装置(11， 21)串联。
12. 根据权利要求ll所述的装置，其中所述另外的断开装置(36， 37)包才舌另外的FET。
13. 根据上述权利要求中的至少一个所述的装置，其中确定装置 (13， 23)包括差动放大器。
14. 根据上述权利要求中的至少一个所述的装置，其中供电输入 端(2， 3)中的每一个都与相应的检测装置(18-20， 28-30)相连 接。
15. 根据权利要求14所述的装置，其中相应的检测装置(18-20, 28 - 30)包才舌分压器。
16. 根据上述权利要求中的至少一个所述的装置，其中供电输入 端(2, 3)通过保险丝(6， 7)与电源(4)的端子(5)相连接。
17. 根据上述权利要求中的至少一个所述的装置，其中所述装置 包括多于两个的用于将所述装置(1)连接至电源(4)的端子(5)的 供电输入端(2, 3)和多于两条的被连接在一起并被连接至供电输入 端(2， 3)的供电路径(8， 9)，其中每条供电路径(8， 9)都包括 断开装置(11， 21)，用于断开所分配的供电路径(8, 9)。
18. 根据上述权利要求中的至少一个所述的装置，其中所述装置是用于控制机动车辆的引擎的控制电路(1)。
19. 根据上迷权利要求中的至少一个所述的装置，其中所述电源 (4)是机动车辆的电池。
20. 根据权利要求19所述的装置，其中供电输入端(2， 3)所连 接的电源(4)的端子(5)是电池的正端子(5)。
全文摘要
本发明涉及一种用于短路保护的装置。该装置包括两个用于将该装置连接至电源的端子的供电输入端和两条被连接在一起并且被连接至供电输入端的供电路径，其中每条供电路径都包括用于断开供电路径的断开装置。此外，该装置还包括用于确定从供电路径之一流经供电路径中的另一条的电流的确定装置和用于根据确定装置所确定的电流来控制供电路径的断开装置的控制装置，其中该控制装置与断开装置和确定装置相连接。
文档编号H02H3/087GK101203994SQ200680017069
公开日2008年6月18日 申请日期2006年5月5日 优先权日2005年5月17日
发明者B·鲍尔, M·克里斯特夫, M·赫南德茨-迪斯塔尼西亚, O·多夫纳斯 申请人:西门子威迪欧汽车电子股份公司;斯坎尼亚Cv股份有限公司