Grundlagen der Kraftfahrzeugelektronik - Schaltungstechnik
von: Manfred Krüger
Carl Hanser Fachbuchverlag, 2014
ISBN: 9783446441613
Sprache: Deutsch
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| 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 |
