Grundlagen der Kraftfahrzeugelektronik

Inhalt

1 Einleitung: Grundlagen der Schaltungstechnik für Kfz-Elektronik

2 Elektronische Systeme in Kraftfahrzeugen

2.1 Elektronische Systeme im Motorraum

2.2 Elektronische Systeme innerhalb der Fahrgastzelle

2.3 Infotainment-Systeme

2.4 Fahrerassistenzsysteme

2.5 Weitere Systeme

2.6 Kommunikation mit externen Systemen außerhalb des Fahrzeuges (Telematik)

2.6.1 Telematik-Infotainment-/Büro-Bereich

2.6.2 Telematik-Navigationsbereich

2.6.3 Telematik-Fahrsituationsbereich

2.6.4 Telematik-Servicebereich

2.6.5 Telematik-Inkasso-Bereich

3 Umgebungsanforderungen im Kraftfahrzeug und die Auswirkungen auf die Elektronik

3.1 Allgemeine Bemerkungen

3.2 Definition von Umwelteinflüssen für Kraftfahrzeugelektronik

3.3 Elektrische Anforderungen, Lastsituationen

3.3.1 Allgemeines

3.3.2 Betrieb an einer Gleichspannung

3.3.3 Betrieb bei Überspannung

3.3.4 Start mit erhöhter Spannung (Jump Start, nur 12-V-Systeme)

3.3.5 Überlagerte Schwingung (Voltage Ripple Test, Bordnetzwelligkeits-Test)

3.3.6 Langsamer Spannungseinbruch bzw. Spannungsanstieg

3.3.7 Schneller Spannungseinbruch

3.3.8 Der RESET-Test

3.3.9 Verpolung

3.3.10 Offene Last

3.3.11 Kurzschluss

3.3.12 Lastprüfung

3.3.13 Schleichender Kurzschluss

3.4 Das 48-Volt-Bordnetz

4 Elektromagnetische Verträglichkeit in der Kfz-Elektronik

4.1 Allgemeines zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMC)

4.2 EMC-Anforderungen an die Kraftfahrzeugelektronik

4.2.1 Leitungsgebundene Störaussendung im Zeitbereich

4.2.1.1 Impuls 1: Abschalten einer Induktivität

4.2.1.2 Impuls 2: Abschalten eines Kollektormotors

4.2.1.3 Impuls 3: Allgemeine Schaltvorgänge

4.2.1.4 Impuls 4: Der Anlassvorgang

4.2.1.5 Impuls 5: Lastabwurf (Load-Dump)

4.2.2 Leitungsgebundene Störfestigkeit im Zeitbereich

4.2.3 Allgemeine Betrachtung für die Anforderungen im Frequenzbereich

4.2.4 Störaussendungen im Frequenzbereich

4.2.5 Störfestigkeit im Frequenzbereich

4.3 Elektrostatische Entladung (ESD)

4.4 EMC-Prüfeinrichtungen in der Kraftfahrzeugtechnik

4.4.1 Überprüfung leitungsgebundener Störimpulse im Zeitbereich

4.4.1.1 Leitungsgebundene Störaussendung

4.4.1.2 Störfestigkeit bei den Impulsen 1, 2, 4, 5 (Impulsgenerator)

4.4.1.3 Störfestigkeit bei den Impulsen 3?a und 3?b (Koppelzange)

4.4.2 ESD-Prüfeinrichtung

4.4.3 Überprüfung gestrahlter Störaussendungen/Störfestigkeit

4.4.3.1 TEM-Zelle (transversal-elektromagnetische Welle)

4.4.3.2 Strip-Line

4.4.3.3 Absorberhalle/Absorberraum

4.4.4 Überprüfung leitungsgebundener Störabstrahlung/Störfestigkeit (Strom-Einkopplungszange)

4.5 Verhalten von Bauelementen unter EMC-Einfluss

4.5.1 Energiereiche Störimpulse auf Leitungen

4.5.2 Gestrahlte Störeinflüsse

4.6 Verbesserung des EMC-Verhaltens in einer Kfz-Elektronik

5 Weitergehende Anforderungen an Kraftfahrzeugelektronik

5.1 Mechanische Anforderungen

5.1.1 Mechanische Schwingung

5.1.2 Mechanischer Stoß

5.1.3 Freier Fall

5.2 Klimatische Anforderungen

5.2.1 Temperatur-Wechselprüfung

5.2.2 Temperatur-Schockprüfung

5.2.3 Klimaprüfung

5.2.4 Salznebel-Prüfung

5.2.5 Dichtigkeit gegen Wasser und Staub

5.3 Chemische Anforderungen

6 Grundlegende Methoden, Berechnungen u. Sichtweisen für die Entwicklung von Kraftfahrzeugelektronik

6.1 Entwicklungsphasen

6.2 Musterphasen

6.3 Schritte für die Entwicklung einer Kraftfahrzeugelektronik

6.3.1 Strukturierung nach der Top-Down-Methode

6.3.2 Schnittstellendefinition im Hardwarebereich

6.3.3 Entwicklung einer Schaltung

6.3.4 Anwendung von Simulationswerkzeugen

6.3.5 Worst-Case-Rechnung

7 Modularisierung und Realisation von Kraftfahrzeugelektronik

7.1 Grundsätzlicher Aufbau der Kraftfahrzeugelektronik

7.2 Stromversorgung

7.2.1 Standard-Spannungsregler

7.2.2 Ersatzschaltbild unter HF-Gesichtspunkten

7.2.3 Spannungsregler für den Kraftfahrzeugeinsatz

7.2.4 Beispiel einer kraftfahrzeugtauglichen Spannungsversorgung

7.3 Funktionserzeugung

7.3.1 Fest verdrahtete Logik (diskrete Hardware)

7.3.2 Verwendung eines applikationsspezifischen integrierten Schaltkreises (ASIC, integrierte Hardware)

7.3.3 Verwendung eines programmierbaren Steuerwerkes (Firmware)

7.3.4 Verwendung eines Mikrocontrollers (µC, Software)

7.4 Sensorik

7.4.1 Digitaler Eingang mit Verbindung zur Betriebsspannung

7.4.2 Digitaler Eingang ohne Verbindung zur Betriebsspannung

7.4.3 Analoger Eingang mit Verbindung zur Betriebsspannung

7.4.4 Analoger Eingang ohne Verbindung zur Betriebsspannung

7.5 Aktuatorik

7.5.1 Leistungsklassen (14-Volt-Bordnetz)

7.5.2 Realisation

7.5.3 Ansteuerung der Aktuatorik

7.5.4 Grundfunktionen

7.5.5 Analoge Leistungsregelung: Pulsweiten-Modulation (PWM)

7.5.6 Erzeugung der Diagnoseinformationen

7.5.7 Dynamische Abschaltvorgänge der Aktuatorik

7.5.8 Laststufen zur Ansteuerung der Aktuatorik: Low-Side-Schalter

7.5.8.1 Low-Side-Schalter mit Standard-MOS-Power-Transistor

7.5.8.2 Verbesserung des Kurzschluss- und Überlastverhaltens durch Verwendung eines selbstschützenden Transistors

7.5.8.3 Low-Side-Schalter mit einem Logic-Level-MOS-Power-Transistor

7.5.9 Laststufen zur Ansteuerung der Aktuatorik: High-Side-Schalter

7.5.9.1 Einführung

7.5.9.2 High-Side-Schalter unter Verwendung einer Ladungspumpe

7.5.9.3 High-Side-Schalter für den getakteten Betrieb (PWM)

7.5.9.4 Verwendung eines N-Kanal-CMOS-Power-Transistors mit integrierter Elektronik zur Ansteuerung

7.6 Kommunikation und Diagnose

7.7 Schnittstelle zur Anzeige

7.7.1 Ansteuerung einzelner Anzeigeelemente

7.7.2 Anschluss von Displays

8 Mikrocontroller in der Kraftfahrzeugelektronik

8.1 Mikrocontroller: Hardware

8.1.1 Grundstruktur eines Mikrocontrollers

8.1.2 Verwendung eines Mikrocontrollers (Prinzip)

8.1.3 Startphase eines Mikrocontrollers

8.2 Mikrocontroller: Grundlegende Überlegungen zur Software

8.2.1 Dynamische Softwaregrundstruktur

8.2.2 Erzeugung eines Watch-Dog-Signals

8.2.3 Verarbeitung digitaler Signale

8.2.4 Verarbeitung analoger Signale

8.2.5 Betriebssysteme für Mikrocontroller

8.2.6 Verarbeitung relativ langsamer Ereignisse

8.3 Entwicklungswerkzeuge

8.3.1 Ausführungsformen eines Mikrocontrollers

8.3.2 Assembler/Compiler/IDE

8.3.3 Überprüfung eines Mikrocontroller-Programms durch Einsatz eines Softwaresimulators

8.3.4 In-Circuit-Emulator unter Verwendung des Original-Mikrocontrollers (In-Circuit-Debugger (ICD))

8.3.5 In-Circuit-Emulator (ICE) unter Verwendung eines Bond-Out-Chips

8.3.6 Kombinationsmethoden (Hardware in the Loop)

8.3.7 Prüfung von Softwarefunktionen

8.4 Einbindung eines Mikrocontrollers in eine EMC-kritische Umgebung

8.4.1 Hauptoszillator

8.4.2 Versorgungsleitungen

8.4.3 Ein-/Ausgangsleitungen

8.4.4 Verwendung externer Speicher

8.4.5 Layout der Leiterkarte

9 Diagnoseschnittstelle und Kommunikation in Fahrzeugen

9.1 Diagnoseschnittstelle

9.1.1 K-(L)-Line

9.1.2 Diagnose-CAN

9.2 Kommunikation mit anderen Systemen innerhalb des Fahrzeuges

9.2.1 Controller Area Network (CAN)

9.2.2 Local Interconnect Network (LIN-Bus)

9.2.3 Zeitsynchrone Sicherheitskommunikation

9.2.3.1 FlexRay-Bus

9.2.3.2 Physikalische Bitübertragung beim FlexRay

9.3 Kommunikation im Entertainment-Bereich innerhalb des Fahrzeuges (MOST-Bus)

9.4 Ethernet im Fahrzeug

9.5 Zusammenfassung und Ausblick

9.5.1 Übersicht über die Kommunikationsformen

9.5.2 Ausblick auf die Zukunft

10 Spezialthemen der Kfz-Hardwareentwicklung

10.1 Verpolschutz

10.1.1 Die Verpolschutzdiode

10.1.2 Verpolschutz durch Abschmelzen einer Sicherung

10.1.3 Inverser Betrieb eines N-Kanal-MOS-Power-Transistors

10.1.4 Verpolung bei einem N-Kanal-MOS-Power-Transistor

10.1.5 Verpolschutz durch einen invers betriebenen N-Kanal-MOS-Power-Transistor

10.1.6 Verpolschutzrelais

10.2 Grundsätzlicher Einfluss der nicht elektrischen Umgebungs­bedingungen auf die Elektronik

10.2.1 Temperatur

10.2.2 Feuchtigkeit und Staub

10.2.3 Mechanische Einflüsse

10.3 End-of-Line (EOL)-Programmierung

10.3.1 Verschiedene Abgleichverfahren

10.3.1.1 Abgleich durch Verwendung eines Potentiometers

10.3.1.2 Abgleich durch eine Auswahlkette

10.3.1.3 Abgleich auf voll elektronischem Wege unter Verwendung des Mikrocontrollers

10.3.2 Prinzip der End-of-Line-Programmierung

10.3.3 Beispiel für den Abgleich eines analogen Einganges eines Mikrocontrollers

10.3.4 Korrektur des Temperaturverhaltens einer Kraftfahrzeugelektronik

10.4 Informationsgehalte der Datenblätter elektronischer Bauelemente

10.4.1 Deckblatt

10.4.2 Typenaufschlüsselung

10.4.3 Elektrische Daten

10.4.4 Mechanische Daten

10.4.5 Statistische Angaben

10.4.6 Logistik

10.4.7 Absolute Maximal-Werte (Absolut Maximum Ratings)

10.4.8 Elektrische Eigenschaften (Electrical Characteristics)

10.5 Einige statistische Begriffe

10.5.1 Maßzahlen

10.5.2 Ausfallraten über die Lebensdauer eines elektronischen Systems

10.6 Serienbegleitende Prüfungen

10.6.1 Die Eingangsinspektion

10.6.2 In-Circuit-Test (ICT)

10.6.3 Endkontrolle bzw. Endprüfung

10.6.4 Stichprobe

10.6.5 Run-In

10.6.6 Burn-In

10.6.7 Serienbegleitende Requalifikation

11 Tabellen und Übersichten

11.1 Beispielhafter Entwicklungsablaufplan für eine ­Komponente (­Kraftfahrzeugelektronik)

11.2 Musterphasen (Beispiel)

11.3 IP-Code-Bestandteile nach DIN 40?050-9

11.4 Widerstandsreihen

11.5 Wichtige Klemmenbezeichnungen

11.6 Elektronische Bauteileabkürzungen

11.7 ISO 7637, Schärfegrade, Übersicht

11.8 Tabelle der ASCII-Codierung

Verwendete Fachbegriffe

Literatur

Index