Manfred Krüger
Grundlagen der Kraftfahrzeugelektronik
Schaltungstechnik
Inhalt
11
1 Einleitung: Grundlagen der Schaltungstechnik für
1 Einleitung: Grundlagen der Schaltungstechnik für
17
17
2 Elektronische Systeme in Kraftfahrzeugen
21
2.1 Elektronische Systeme im Motorraum
22
2.2 Elektronische Systeme innerhalb
2.2 Elektronische Systeme innerhalb
22
22
2.3 Infotainment-Systeme
23
2.4 Fahrerassistenzsysteme
23
2.5 Weitere Systeme
24
2.6 Kommunikation mit externen Systemen außerhalb des Fahrzeuges (Telematik)
25
2.6.1 Telematik-Infotainment-/Büro-Bereich
26
2.6.2 Telematik-Navigationsbereich
26
2.6.3 Telematik-Fahrsituationsbereich
27
2.6.4 Telematik-Servicebereich
28
2.6.5 Telematik-Inkasso-Bereich
28
3 Umgebungsanforderungen im Kraftfahrzeug und
3 Umgebungsanforderungen im Kraftfahrzeug und
30
30
3.1 Allgemeine Bemerkungen
30
3.2 Definition von Umwelteinflüssen
3.2 Definition von Umwelteinflüssen
32
32
3.3 Elektrische Anforderungen,
3.3 Elektrische Anforderungen,
35
35
3.3.1 Allgemeines
36
3.3.2 Betrieb an einer Gleichspannung
37
3.3.3 Betrieb bei Überspannung
38
3.3.4 Start mit erhöhter Spannung (Jump Start, nur 12-V-Systeme)
39
3.3.5 Überlagerte Schwingung
3.3.5 Überlagerte Schwingung
39
39
3.3.6 Langsamer Spannungseinbruch bzw. Spannungsanstieg
40
3.3.7 Spannungseinbruch
41
3.3.8 Der RESET-Test
43
3.3.9 Verpolung
43
3.3.10 Offene Last
45
3.3.11 Kurzschluss
45
3.3.12 Lastprüfung
46
3.3.13 Schleichender Kurzschluss
47
4 Elektromagnetische Verträglichkeit in der Kfz-Elektronik
48
4.1 Allgemeines zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMC)
48
4.2 EMC-Anforderungen an die Kraftfahrzeugelektronik
51
4.2.1 Leitungsgebundene Störaussendung im Zeitbereich
52
4.2.1.1 Impuls 1: Abschalten einer Induktivität
53
4.2.1.2 Impuls 2: Abschalten eines Kollektormotors
54
4.2.1.3 Impuls 3: Allgemeine Schaltvorgänge
55
4.2.1.4 Impuls 4: Der Anlassvorgang
58
4.2.1.5 Impuls 5: Lastabwurf (Load-Dump)
59
4.2.2 Leitungsgebundene Störfestigkeit im Zeitbereich
61
4.2.3 Allgemeine Betrachtung für die Anforderungen
4.2.3 Allgemeine Betrachtung für die Anforderungen
62
62
4.2.4 Störaussendungen im Frequenzbereich
62
4.2.5 Störfestigkeit im Frequenzbereich
66
4.3 Elektrostatische Entladung (ESD)
67
4.4 EMC-Prüfeinrichtungen in der Kraftfahrzeugtechnik
70
4.4.1 Überprüfung leitungsgebundener Störimpulse im Zeitbereich
70
4.4.1.1 Leitungsgebundene Störaussendung
70
4.4.1.2 Störfestigkeit bei den Impulsen 1, 2, 4, 5 (Impulsgenerator)
71
4.4.1.3 Störfestigkeit bei den Impulsen 3.a und 3.b (Koppelzange)
71
4.4.2 ESD-Prüfeinrichtung
73
4.4.3 Überprüfung gestrahlter Störaussendungen/Störfestigkeit
73
4.4.3.1 TEM-Zelle (transversal-elektromagnetische Welle)
74
4.4.3.2 Strip-Line
76
4.4.3.3 Absorberhalle/Absorberraum
77
4.4.4 Überprüfung leitungsgebundener Störabstrahlung/Störfestigkeit (Strom-Einkopplungszange)
80
4.5 Verhalten von Bauelementen unter
4.5 Verhalten von Bauelementen unter
81
81
4.5.1 Energiereiche Störimpulse auf Leitungen
81
4.5.2 Gestrahlte Störeinflüsse
83
4.6 Verbesserung des EMC-Verhaltens
4.6 Verbesserung des EMC-Verhaltens
84
84
5 Weitergehende Anforderungen an Kraftfahrzeugelektronik
87
5.1 Mechanische Anforderungen
87
5.1.1 Mechanische Schwingung
88
5.1.2 Mechanischer Stoß
89
5.1.3 Freier Fall
89
5.2 Klimatische Anforderungen
90
5.2.1 Temperatur-Wechselprüfung
90
5.2.2 Temperatur-Schockprüfung
92
5.2.3 Klimaprüfung
93
5.2.4 Salznebel-Prüfung
94
5.2.5 Dichtigkeit gegen Wasser und Staub
95
5.3 Chemische Anforderungen
97
6 Grundlegende Methoden, Berechnungen und Sichtweisen für die Entwicklung von Kraftfahrzeugelektronik
99
6.1 Entwicklungsphasen
99
6.2 Musterphasen
102
6.3 Schritte für die Entwicklung
6.3 Schritte für die Entwicklung
103
103
6.3.1 Strukturierung nach der Top-Down-Methode
103
6.3.2 Schnittstellendefinition im Hardwarebereich
104
6.3.3 Entwicklung einer Schaltung
106
6.3.4 Anwendung von Simulationswerkzeugen
107
6.3.5 Worst-Case-Rechnung
108
7 Modularisierung und Realisation von Kraftfahrzeugelektronik
117
7.1 Grundsätzlicher Aufbau der Kraftfahrzeugelektronik
117
7.2 Stromversorgung
120
7.2.1 Standard-Spannungsregler
120
7.2.2 Ersatzschaltbild unter HF-Gesichtspunkten
121
7.2.3 Spannungsregler für den Kraftfahrzeugeinsatz
123
7.2.4 Beispiel einer kraftfahrzeugtauglichen Spannungsversorgung
124
7.3 Funktionserzeugung
127
7.3.1 Fest verdrahtete Logik (diskrete Hardware)
128
7.3.2 Verwendung eines applikationsspezifischen integrierten Schaltkreises (ASIC, integrierte Hardware)
129
7.3.3 Verwendung eines programmierbaren Steuerwerkes (Firmware)
130
7.3.4 Verwendung eines Mikrocontrollers (µC, Software)
132
7.4 Sensorik
132
7.4.1 Digitaler Eingang mit Verbindung zur Betriebsspannung
133
7.4.2 Digitaler Eingang ohne Verbindung zur Betriebsspannung
138
7.4.3 Analoger Eingang mit Verbindung zur Betriebsspannung
139
7.4.4 Analoger Eingang ohne Verbindung zur Betriebsspannung
141
7.5 Aktuatorik
144
7.5.1 Leistungsklassen
144
7.5.2 Realisation
144
7.5.3 Ansteuerung der Aktuatorik
145
7.5.4 Grundfunktionen
146
7.5.5 Analoge Leistungsregelung: Pulsweiten-Modulation (PWM)
147
7.5.6 Erzeugung der Diagnoseinformationen
152
7.5.7 Dynamische Abschaltvorgänge der Aktuatorik
156
7.5.8 Laststufen zur Ansteuerung der Aktuatorik:
7.5.8 Laststufen zur Ansteuerung der Aktuatorik:
160
160
7.5.8.1 Low-Side-Schalter mit Standard-MOS-Power-Transistor
160
7.5.8.2 Verbesserung des Kurzschluss- und Überlastverhaltens durch Verwendung eines selbstschützenden Transistors
161
7.5.8.3 Low-Side-Schalter mit einem Logic-Level-MOS-Power-Transistor
162
7.5.9 Laststufen zur Ansteuerung der Aktuatorik: High-Side-Schalter
164
7.5.9.1 Einführung
164
7.5.9.2 High-Side-Schalter unter Verwendung einer Ladungspumpe
166
7.5.9.3 High-Side-Schalter für den getakteten Betrieb (PWM)
169
7.5.9.4 Verwendung eines N-Kanal-CMOS-Power-Transistors
7.5.9.4 Verwendung eines N-Kanal-CMOS-Power-Transistors
172
172
7.6 Kommunikation und Diagnose
174
7.7 Schnittstelle zur Anzeige
175
7.7.1 Ansteuerung einzelner Anzeigeelemente
175
7.7.2 Anschluss von Displays
177
8 Mikrocontroller in der Kraftfahrzeugelektronik
179
8.1 Mikrocontroller: Hardware
180
8.1.1 Grundstruktur eines Mikrocontrollers
180
8.1.2 Verwendung eines Mikrocontrollers (Prinzip)
182
8.1.3 Startphase eines Mikrocontrollers
184
8.2 Mikrocontroller: Grundlegende Überlegungen zur Software
186
8.2.1 Dynamische Softwaregrundstruktur
187
8.2.2 Erzeugung eines Watch-Dog-Signals
189
8.2.3 Verarbeitung digitaler Signale
192
8.2.4 Verarbeitung analoger Signale
195
8.2.5 Betriebssysteme für Mikrocontroller
197
8.2.6 Verarbeitung relativ langsamer Ereignisse
199
8.3 Entwicklungswerkzeuge
200
8.3.1 Ausführungsformen eines Mikrocontrollers
200
8.3.2 Assembler/Compiler/IDE
202
8.3.3 Überprüfung eines Mikrocontroller-Programms durch Einsatz eines Softwaresimulators
205
8.3.4 In-Circuit-Emulator unter Verwendung des
8.3.4 In-Circuit-Emulator unter Verwendung des
206
206
8.3.5 In-Circuit-Emulator (ICE) unter Verwendung eines Bond-Out-Chips
208
8.3.6 Kombinationsmethoden (Hardware in the Loop)
210
8.3.7 Prüfung von Softwarefunktionen
211
8.4 Einbindung eines Mikrocontrollers
8.4 Einbindung eines Mikrocontrollers
213
213
8.4.1 Hauptoszillator
213
8.4.2 Versorgungsleitungen
215
8.4.3 Ein-/Ausgangsleitungen
216
8.4.4 Verwendung externer Speicher
216
8.4.5 Layout der Leiterkarte
217
9 Diagnoseschnittstelle und Kommunikation in Fahrzeugen
220
9.1 Diagnoseschnittstelle
222
9.1.1 K-(L)-Line
223
9.1.2 Diagnose-CAN
229
9.2 Kommunikation mit anderen Systemen innerhalb des Fahrzeuges
230
9.2.1 Controller Area Network (CAN)
231
9.2.2 Local Interconnect Network (LIN-Bus)
236
9.2.3 Zeitsynchrone Sicherheitskommunikation
237
9.2.3.1 FlexRay-Bus
238
9.2.3.2 Physikalische Bitübertragung beim FlexRay
241
9.3 Kommunikation im Entertainment-Bereich innerhalb des Fahrzeuges (MOST-Bus)
242
9.4 Zusammenfassung und Ausblick
244
9.4.1 Übersicht über die Bussysteme
245
9.4.2 Ausblick auf die Zukunft
245
10 Spezialthemen der Kfz-Hardwareentwicklung
249
10.1 Verpolschutz
249
10.1.1 Die Verpolschutzdiode
249
10.1.2 Verpolschutz durch Abschmelzen einer Sicherung
250
10.1.3 Inverser Betrieb eines N-Kanal-MOS-Power-Transistors
252
10.1.4 Verpolung bei einem N-Kanal-MOS-Power-Transistor
254
10.1.5 Verpolschutz durch einen invers betriebenen N-Kanal-MOS-Power-Transistor
257
10.1.6 Verpolschutzrelais
260
10.2 Grundsätzlicher Einfluss
10.2 Grundsätzlicher Einfluss
263
263
10.2.1 Temperatur
263
10.2.2 Feuchtigkeit und Staub
266
10.2.3 Mechanische Einflüsse
267
10.3 End-of-Line (EOL)-Programmierung
267
10.3.1 Verschiedene Abgleichverfahren
268
10.3.1.1 Abgleich durch Verwendung eines Potentiometers
268
10.3.1.2 Abgleich durch eine Auswahlkette
268
10.3.1.3 Abgleich auf voll elektronischem Wege unter Verwendung
10.3.1.3 Abgleich auf voll elektronischem Wege unter Verwendung
269
269
10.3.2 Prinzip der End-of-Line-Programmierung
269
10.3.3 Beispiel für den Abgleich eines analogen Einganges
10.3.3 Beispiel für den Abgleich eines analogen Einganges
269
269
10.3.4 Korrektur des Temperaturverhaltens einer
10.3.4 Korrektur des Temperaturverhaltens einer
273
273
10.4 Informationsgehalte der Datenblätter
10.4 Informationsgehalte der Datenblätter
274
274
10.4.1 Deckblatt
274
10.4.2 Typenaufschlüsselung
274
10.4.3 Elektrische Daten
274
10.4.4 Mechanische Daten
274
10.4.5 Statistische Angaben
275
10.4.6 Logistik
275
10.4.7 Absolute Maximal-Werte (Absolut Maximum Ratings)
275
10.4.8 Elektrische Eigenschaften (Electrical Characteristics)
275
10.5 Einige statistische Begriffe
277
10.5.1 Maßzahlen
277
10.5.2 Ausfallraten über die Lebensdauer eines elektronischen Systems
279
10.6 Serienbegleitende Prüfungen
280
10.6.1 Die Eingangsinspektion
280
10.6.2 In-Circuit-Test (ICT)
280
10.6.3 Endkontrolle bzw. Endprüfung
281
10.6.4 Stichprobe
281
10.6.5 Run-In
282
10.6.6 Burn-In
282
10.6.7 Serienbegleitende Requalifikation
283
11 Tabellen und Übersichten
284
11.1 Beispielhafter Entwicklungsablaufplan
11.1 Beispielhafter Entwicklungsablaufplan
284
284
11.2 Musterphasen (Beispiel)
286
11.3 IP-Code-Bestandteile nach
11.3 IP-Code-Bestandteile nach
288
288
11.4 Widerstandsreihen
290
11.5 Wichtige Klemmenbezeichnungen
292
11.6 Elektronische Bauteileabkürzungen
295
11.7 ISO 7637, Schärfegrade, Übersicht
296
11.8 Tabelle der ASCII-Codierung
297
Verwendete Fachbegriffe
298
Literatur
302
Index
307
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