背景技术
[0001] 用于使用在客车中的
电子装置、特别是娱乐用电器设计用于其中通常的12伏的工作
电压。为了可以也在载重
汽车或公共汽车中以通过那里以24伏的电压驱动的车装
电网给这种装置供电，通常使用直流电压转换器，通过所述直流电压转换器提供12伏的附加电压。如果像通常那样使用在所述环境中的装置这样规定为耐
短路的，以使得所述输入和输出端经得起对地线和车辆
电池的短路，这意味着，在相关的输入和输出端可以产生故障电压，所述故障电压比装置的工作电压高得多并且由此也明显高于由所述特别是在装置中的工作电压推导出的电压。这特别是适用于下述情况，所述装置与其工作电压(在此为12伏)例如由于保险丝故障或中心直流电压转换器的故障而断开，或者适用于于车辆
质量连接的电池驱动的装置。
[0002] 在图1中根据特别简化的英飞凌(Infineon)公司的BSP752T类型的电路模
块的
框图示出电子装置的装置
接口的实例。电路模块100包括电子模块101，所述电子模块具有输入接口102、输出接口103、用于输送工作电压Vbb的工作电压接口104和地线接口105。N-MOSFET 106的栅极107与输出接口103连接，所述N-MOSFET的在漏极108和源极109之间的主
电流通路布置在工作电压接口104和装置接口110之间。MOSFET 106的漏极108和源极109之间的也称为“Body-Diode”的体
二极管112对于工作电压Vbb在截止方向上被极化。负载阻抗111布置在装置接口110和地线105之间。装置接口110是通断的电压输出端，其中，利用N-MOSFET 106形成所谓的“高侧
开关(High-Side-Switch)”。在接通的状态中，MOSFET 106的主电流通路由于正的栅极-源极电压是低欧姆值的，在关断的状态中，
体二极管112和MOSFET 106的主电流通路被截止。没有电流流过MOSFET 106。如果将大于工作电压Vbb的电压施加在装置接口110上，电流从装置接口110经过体二极管112流到工作电压接口104。根据工作电压接口104的布线在那里导致装置接口110上较高的电压以体二极管112的二极管导通电压下降的电势，或者通过体二极管112的电流超过对于其允许的值。工作电压接口
104上的电压升高超过工作电压Vbb可以损坏电子模块101并且可能损坏其他也通过工作电压接口104驱动的电路布置。也在没有这种损坏的情况下，由于装置接口110上的电压导致不期望地给电子模块101并且可能给其他电路布置强制供电。
发明内容
[0003] 本发明的任务在于，使所述类型的电子装置的装置接口也对于与超过工作电压的故障电压相关联的短路是耐短路的。
[0004] 该任务通过一种保护电路解决，该保护电路用于对特别是机动车的电子装置的设置用于外部布线的、优选地设置用于与负载连接的装置接口的
电压保护和/或过电流保护，所述保护电路包括比较级，该比较级用于将由施加在外部布线上的电压形成的测量电压与比较电压、特别是与供电电压或电子装置的由所述供电电压获得的电压进行比较；以及至少一个
串联连接地布置在装置接口和外部布线之间、能由比较级控制的开关元件，该开关元件用于将外部布线与装置接口分离。在根据本发明的保护电路中，比较电压相当于电子装置的供电电压或工作电压或者由其获得。这个比较电压与测量电压比较，所述测量电压是实际施加在装置接口的外部布线、特别是负载上的电压。如果所述测量电压升高超过比较电压，则通过开关元件将装置接口与施加了不允许的高的故障电压的外部布线之间的连接断开。
[0005] 本发明实现了可靠地保护所述类型的电子装置。根据本发明的保护电路能够同样有利地用于模拟的并且可通断的装置接口，例如也用于所谓的“D类”输出级的输出接口。特别优选的应用领域是结合车辆例如载重汽车、飞机等的高压车装电网驱动的低压装置，所述低压装置必须被保护防止相对于高压车装电网的高的工作电压发生短路。本发明实现了对于这种低压装置的所有工作状态可靠的耐短路性。一个另外的优点在于，在关断装置接口或者取消电子装置的供电电压时，装置接口被自动地保护防止过电压和/或过电流。
[0006] 本发明的有利的设计方案在从属
权利要求中示出。
[0007] 根据本发明的保护电路的一个优选的扩展方案的特征在于特别是以至少一个电感电路元件和/或至少一个电容电路元件和/或至少一个
电阻电路元件构成的至少一个限制电压升高的元件，所述限制电压升高的元件用于针对施加在所述外部布线上的电压的时间改变限制比较电压的时间改变。由此在产生所述形式的短路的情况下实现了，由施加在外部布线上的电压推导出的测量电压比比较电压更快地升高，只要这个比较电压由于短路同样被影响，并且由此比较电压为了可靠地对比较级作出反应而足够地升高。在一个变体中，至少一个限制电压升高的元件也能够以至少一个电阻电路元件构成。
[0008] 根据本发明的保护电路的一个优选的实施方式的特征在于特别是以至少一个二极管构成的至少一个电压形成元件，所述电压形成元件用于由施加在外部布线上的电压形成测量电压并且用于将测量电压输送到比较级上。优选地，施加在外部布线上的用于形成测量电压的电压以可预定的值减小。由此实现了，比较电路在施加在外部布线上的电压仅仅是微小的、对于装置接口仍然是无损害的升高的情况下，以还不用于将外部布线与装置接口分离的方式驱控开关元件并且由此例如低幅度的干扰脉冲还不会导致使保护电路作出反应。优选地，实现至少一个二极管导通电压通过至少一个二极管减小。在一个变体中，至少一个电压形成元件可以由比较电路所包括，例如作为比较器的可调节的或可编程的
阈值电路，利用所述比较器形成比较电路。
[0009] 在根据本发明的保护电路的一个优选的实施方式中，至少一个电压形成元件还以用于形成和/或存储测量电压的至少一个电压存储元件构成。特别是由装置接口上高频改变的电压可以由此通过平滑而推导出测量电压至少几乎恒定的值。在此，测量电压仅仅这样短暂地被存储，以使得所述测量电压在产生短路时为了对装置接口可靠地实施保护可以足够快地升高。特别是测量电压可以被限制在初始值上，确保了在故障情况中从所述初始值起可靠地快速地升高。
[0010] 按照根据本发明的保护电路的一个另外的实施方式，所述至少一个限制电压升高的元件中的至少一个与开关元件串联联接和/或链式联接地布置在装置接口和外部布线之间。由此，装置接口上的电压升高在故障情况中相对于测量电压的升高而足够地延迟以可靠地触发保护。
[0011] 在根据本发明的保护电路的一个另外的优选的实施方式中，所述至少一个与开关元件串联联接和/或链式联接地在装置接口和外部布线之间的、限制电压升高的元件中的至少一个由至少一个用于过滤可从装置接口输送给外部布线的电压的滤波元件构成。由此，这种滤波元可以有利地双重地使用。这个实施方式的一个优选的应用是下述的装置接口，所述装置接口设计用于例如由“D类”输出级输出可通断的、例如脉冲宽度调制的电压。
[0012] 按照根据本发明的保护电路的一个另外的实施方式，所述至少一个限制电压升高的元件中的至少一个与开关元件串联联接和/或链式联接地布置在用于给电子装置供电的供电电压源和电子装置之间。当在电子装置上产生故障电压时，则由用于给电子装置供电的供电电压源提供的供电电压或工作电压的升高被限制、特别是被足够长地延迟以使比较级并且由此使保护电路可靠地作出反应。此外，由此所有由供电电压源供电的电路布置被保护免受过电压影响。
[0013] 在根据本发明的保护电路的一个另外的优选的实施方式中，所述至少一个与开关元件串联联接和/或链式联接地布置在用于给电子装置供电的供电电压源和电子装置之间的、限制电压升高的元件中的至少一个由至少一个供电电压平滑元件构成。由此，这种供电电压平滑元件可以有利地双重地使用。
[0014] 根据本发明的保护电路的一个另外的实施方式包括电荷
泵电路，通过所述
电荷泵电路能够由比较级控制用于将装置接口与外部布线分离的开关元件。这个电荷泵电路产生用于开关元件的控制电压，所述控制电压的电压电平至少相当于电子装置的供电电压的电压电平，由此确保可靠地通断开关元件。特别是所述控制电压的电压电平超出供电电压的电压电平一对于可靠地通断开关元件是必需的电压值。
[0015] 在根据本发明的保护电路的一个另外的优选的实施方式中，所述至少一个设计用于将装置接口与外部布线分离的开关元件以至少一个MOSFET构成。由此实现了在接通的状态中非常小的导通电阻，由此减小了对于由装置接口输出的电压的影响。在此有利地，MOSFET的体二极管被极化以抵抗预期的故障电压。
[0016] 通过根据本发明的保护电路来非常快地识别故障情况的发生，并且在过电压脉冲导致电流脉冲并且由此可以产生干扰作用之前，使电流通路在过电压脉冲的情况下断开。装置接口在所有工作状态中被保护免受过电压和过电流影响。特别有利地，通过本发明，设计用于低的工作电压、例如12伏的电子标准组件、例如集成电路被也可以无危险地结合较高的工作电压的、例如24伏的车装电网来使用。由此，例如用于使用在载客汽车中的标准元件也可以例如使用在载重汽车或公共汽车中，这是成本低廉的并且首先实现了一些装置方案。
附图说明
[0017] 本发明的
实施例在附图中示出并且在下文中详细说明，其中，在附图中一致的元件设有相同的附图标记并且取消对所述元件重复的说明。附图中：
[0019] 图2示出根据本发明的保护电路的第一实例，
[0020] 图3示出根据本发明的保护电路的第二实例，
[0021] 图4示出根据本发明的保护电路的第三实例，以及
[0022] 图5示出根据图4的保护电路的变体。
具体实施方式
[0023] 图2示出根据本发明的保护电路的一个实施例，所述保护电路用于对以“高侧开关(High-Side-Switch)”201构成的电子装置200进行过电压保护。“高侧开关”201包括MOSFET U1，其结构与出自图1的MOSFET 106一致。MOSFET U1的源极-漏极-线路布置在第一工作电压接口UBAT12和装置接口202之间，所述第一工作电压接口例如提供来自未示出的直流电压变换器或电池的12伏的供电直流电压。由在此形成接通
信号源的脉冲信号源V2使得MOSFET U1通过控制
位置SW和欧姆
分压器R1，R2以控制电压V1来通断，从而能够在装置接口202上提供可通断的电压。在装置接口202和使负载RL向地线GND连接的负载接口203之间布置根据本发明的保护电路204。所述保护电路包括作为用于使负载RL与装置接口202隔开的开关元件的MOSFET UPR1。MOSFET UPR1的体二极管沿着从装置接口202流到负载RL的电流的方向被极化。在此以电感LPR构成的阻抗与MOSFET UPR1的源极-漏极-线路串联地布置，所述阻抗用作限制装置接口202上的电压升高的元件，确切地说，用于针对施加在负载接口
203处的电压的时间改变限制在装置接口202处形成比较电压的电压的时间改变。形成电压形成元件的由二极管DPR1、电阻RPRTP1和电容CPRTP1构成的串联电路从负载接口203被引导到地线GND上，以用于形成由施加在负载接口203处的电压形成的测量电压并且用于将测量电压输送到比较级SPR1的输入端“+”。将比较电压输送给比较级SPR1的输入端“-”。电荷泵VPRCP1通过串联电阻RPRCP1连接在装置接口202和MOSFET UPR1的栅极之间以及与比较级SPR1连接，并且将所述栅极通过非线性电阻RPRG1施加到地线GND上。
[0024] 保护电路204的功能根据三个工作情况示出。在第一工作情况中，装置200在没有供电电压的情况中，也就是说，第一工作电压接口UBAT 12是无电压的，并且存在从负载接口203向第二工作电压接口UBAT24的短路KS，所述第二工作电压接口通有例如24伏的加高的工作电压。在第二工作情况中，第一工作电压接口UBAT12通有在此例如为12伏的第一工作电压，也就是说，给装置200供应电压，并且由此高侧开关201和MOSFET U1是激活的。不存在向第二工作电压接口UBAT24的短路。这是无干扰的工作情况。在第三种工作情况中，第一工作电压接口UBAT12如同在第二工作情况中的那样通有第一工作电压，然而出现向第二工作电压接口UBAT24的短路。这些工作情况按意义也适用于下述实施例。
[0025] 在装置200的第一工作情况中，MOSFET UPR1是高电阻的，因为通过装置接口202未将工作电压输送给所述MOSFET UPR1。电荷泵VPRCP1也是未激活的。MOSFET UPR1的栅极由此通过串联电阻RPRCP1加在地线GND上。MOSFET UPR1的体二极管截止。因此，没有
故障电流流过MOSFET UPR1，并且在装置接口202上不产生故障电压。在第二工作情况中，电压由第一工作电压接口UBAT12接到装置接口202上。电荷泵VPRCP1是激活的，并且将下述的电压施加在MOSFET UPR1的栅极上，所述电压大于MOSFET UPR1的漏极、即装置接口202上的电压。MOSFET UPR1接通并且来自装置接口202的电压在负载接口203上准备好用于驱动负载RL。
在第三工作情况中，与此相对地，负载接口203上的电压由于短路KS而大于装置接口202上的电压。所述电压的差值激活了比较级SPR1，所述比较级优选地包括具有输入端“+”和“-”的比较器和通过所述比较器控制的用于使MOSFET UPR1的栅极与地线GND连接的开关。所述开关通过比较器激活，并且通过接到地线GND上的栅极使得MOSFET UPR1是高电阻的。因为MOSFET UPR1的体二极管也被截止，所以电流从负载接口203至装置接口202的反向通路被截止，并且在所述装置接口上不产生增大的故障电压。对于在产生将电压跳变施加在负载接口203上的短路KS时保护电路204的作用方式十分重要的是，由于这个电压跃不在装置接口202上产生过电压。这通过阻抗、即在此为电感LPR来阻止，所述阻抗用作限制装置接口
202上的电压升高的元件。如果负载接口203上的电压跳变也导致装置接口202上的电压跳变，则必须突然使电感LPR中的电压反向流动。然而这通过电感LPR产生延迟。在反向电流损坏高侧开关201并且装置接口202上的电压升高之前，比较级SPR1可以作出反应。在负载接口203上的电压缓慢升高超过装置接口202上的电压的电势时，保护电路204作出反应，只要负载接口203上的电压和装置接口202上的电压之间的电压差值大于二极管DPR1的导通电压，即当测量电压与比较电压同样大时。这个电压差值对于高侧开关201是允许的。
[0026] 图3示出根据本发明的保护电路的实施例，所述保护电路用于对于装备有以四个MOSFETs UPA1，UPA2，UPA3，UPA4在图腾柱电路中构成的
推挽放大器(Gegentakt-Endstufe)的电子装置300、在此为声音放大器。MOSFETs UPA1，UPA3的体二极管沿着其从推挽放大器的输出接口PA_SPK-或PA_SPK+至其供电电压接口U141的流动方向被极化，所述输出接口在此形成抵抗过电压或过电流待保护的装置接口。通过声音输入端301和前置放大级使得MOSFETs UPA1和UPA2或者UPA3和UPA4以推挽的方式被控制。利用推挽放大器的装置接口PA_SPK-或PA_SPK+上的
输出电压通过扬声器接口SPK-或SPK+给作为负载的扬声器S1供电，所述扬声器接口在此形成负载接口。供电电压接口U41通过由纵向电感LFI和接到地线GND上的横向电感CFI构成的平滑
滤波器与两个提供工作电压的电网、例如具有12伏和24伏的车装电网的第一工作电压接口UBAT12连接。通过在此从24伏成为12伏的直流电压变换器303使得第一工作电压接口UBAT12与第二工作电压接口UBAT24连接。在装置接口PA_SPK-，PA_SPK+和负载接口SPK-或SPK+之间布置根据本发明的保护电路304。所述保护电路包括各一个作为开关元件的MOSFET UPR1，UPR2用于分别使所述负载接口SPK-或SPK+中的一个与装置接口PA_SPK-，PA_SPK+分离。MOSFETs UPR1，UPR2的体二极管沿着从装置接口PA_SPK-，PA_SPK+流到负载S1的电流的流动方向被极化。形成电压形成元件的由两个二极管DPR1，DPR2、一个电阻RPRTP和电容CPRTP构成的电路从负载接口SPK-或SPK+通到接线GND，其中，各一个二极管DPR1，DPR2分别与一个负载接口SPK-，SPK+连接，以用于由施加到负载接口SPK-，SPK+的电压形成测量电压并且用于将测量电压输送到比较级SPR1的输入端“+”。第一工作电压接口UBAT12的作为比较电压的工作电压被输送给比较级SPR1的输入端“-”。电荷泵VPRCP通过串联电阻RPRCP连接在第一工作电压接口UBAT12和MOSFETs UPR1，UPR2的与共同的栅极接口305的栅极之间以及与比较级SPR1连接，并且栅极接口305通过非线性电阻RPRG接到地线GND上。纵向电感LFI和横向电感CFI用作限制装置接口PA_SPK-，PA_SPK+上的电压升高的元件，确切地说，用于针对施加到负载接口SPK-，SPK+上的电压的时间改变限制装置接口PA_SPK-，PA_SPK+上的形成比较电压的时间改变。
[0027] 在第一工作情况中，其中，产生所述负载接口SPK-，SPK+中的一个或两个与第二工作电压接口UBAT24的短路，MOSFET UPR1，UPR2是高电阻的，因为无工作电压的栅极接口305未获得电荷泵VPRCP的电压并且因此通过非线性电阻RPRG接到地线GND上。UPR1，UPR2的体二极管截止。没有故障电流流过，在装置接口PA_SPK-，PA_SPK+上不产生故障电压。在第二工作情况中，装置接口PA_SPK-，PA_SPK+上的电压由声音输入端推挽地来控制，即彼此相反地在接地电势和供电电压接口U41上的电压之间
波动并且由此时间上的平均值为数值的一半。电荷泵VPRCP在栅极接口305上产生比装置接口PA_SPK-，PA_SPK+上的电压高的电压。MOSFET UPR1，UPR2导通并且装置接口PA_SPK-，PA_SPK+上的电压通过MOSFET UPR1，UPR2非常小的接通电阻到达负载接口SPK-，SPK+上。在第三工作情况中，与此相对地，所述负载接口SPK-，SPK+中的一个或两个上的电压由于短路KS而大于装置接口PA_SPK-，PA_SPK+上的电压。所述电压的差值通过比较级的比较器激活比较级SPR1。比较级SPR1的开关由比较器激活，并且由于接到地线GND上的栅极接口使MOSFET UPR1，UPR2是高电阻的。因为MOSFET UPR1，UPR2的体二极管也截止，所以从负载接口SPK-，SPK+向装置接口PA_SPK-，PA_SPK+的电流的反向通路被截止，并且在所述装置接口上不产生高的故障电压。在所述负载接口SPK-，SPK+中的一个或两个上的电压缓慢升高超过供电电压接口U141的电势时保护电路
304作出反应，只要测量电压和比较电压之间的电压差值大于二极管DPR1或DPR2的导通电压。这个小的电压差值对于输出级是允许的。在突然产生高的在负载接口SPK-，SPK+上的电压时保护电路304这样快速地作出反应，以使得装置接口PA_SPK-，PA_SPK+上的故障电压或故障电流保持在允许值内。
[0028] 图4示出具有“D类”输出级的电子装置400，所述输出级的电子装置在很大程度上与电子装置300的结构相同。替代声音输入端301和前置放大级302，在此出现脉冲宽度调制输入端401或脉冲宽度调制驱动级402，通过其以脉冲宽度调制信号使得MOSFETs UPA1至UPA4以大约100kHz至2MHz的
节拍循环在地线GND和供电电压接口U141之间来回被通断。这个高频的交流电压从装置接口PA_SPK-，PA_SPK+通过由各一个滤波电感L1，L2和各一个滤波电容C1，C2构成的EMV滤波器、即去干扰滤波器来输送。此外，滤波电感L1，L2和滤波电容C1，C2用作另外的限制装置接口PA_SPK-，PA_SPK+上的电压升高的元件，确切地说，用于相对于施加到负载接口SPK-，SPK+上的电压的时间改变限制装置接口PA_SPK-，PA_SPK+上的形成比较电压的时间改变，形成保护电路403的组件并且确保在负载接口SPK-，SPK+上的电压跳变的情况下及时关断。
[0029] 保护电路403基本上相应于保护电路304。如果在第三工作情况中一个或两个负载接口SPK-，SPK+上的电压并且由此测量电压由于至第二工作电压接口UBAT24的短路KS而脉冲式地升高超过供电电压接口U141上的电压，通过一个或两个滤波线圈L1，L2的电流改变并且由此第一工作电压接口UBAT12上的比较电压仅仅延迟。测量电压和比较电压的差值快速地改变并且如同所述地激活比较级SPR1。
[0030] 图5示出具有保护电路411和脉冲宽度调制控制级PWM的电子装置400的变体410，所述脉冲宽度调制控制级包括检验级DFE，利用所述检验级能够探测负载接口SPK-，SPK+上的电压故障、例如不对称的负载或超出供电电压接口U141上的供电电压的电压范围的电压。为此，负载接口SPK-，SPK+上的电压被输送通过二极管DPR1，DPR2。在故障情况中，脉冲宽度调制控制级PWM为了自我保护而关断MOSFETs UPA1至UPA4。此外，保护电路411包括图5中详细示出的电荷泵，所述电荷泵包含由两个二极管DCP1，DCP2构成的电压倍增电路，所述电压倍增电路通过电容C3以来自装置接口PA_SPK+的矩形电压供电。电容CPRTP在由并联的电阻RPRTP确定的时间内保持电荷泵的通过串联电阻RPRCP输送给栅极接口305的电压并且将正的栅极-源极电压提供到MOSFET UPR1，UPR2上。在所述工作情况中，保护电路411如同根据图4的保护电路403那样地作出反应，其中，在故障情况中通过关断MOSFETs UPA1至UPA4时电荷泵也被关断并且MOSFET UPR1，UPR2被截止。
[0031] 利用根据本发明的保护电路可以在一个另外的实施方式中也保护装置接口，所述装置接口设计用于输送电压、特别是可通断的电压、特别优选地可通断的输出电压，所述输出电压小于装置的供电电压。这例如是汽车收音机的USB接口，被可通断的5V的电压施加到所述接口上。所述接口也可以通过根据本发明的保护电路来保护，当比较电压相应于可通断的输出电压、即在此例如USB接口的5V的电压。
