Grundlagen der Kraftfahrzeugelektronik

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1 Grundlagen der Kraftfahrzeugelektronik Manfred Krüger ISBN Inhaltsverzeichnis Weitere Informationen oder Bestellungen unter sowie im Buchhandel

2 Inhaltsverzeichnis 1 Grundlagen der Schaltungstechnik für Kfz-Elektronik, Einleitung Elektronische Systeme in Kraftfahrzeugen Elektronische Systeme im Motorraum Elektronische Systeme innerhalb der Fahrgastzelle Infotainment-Systeme Weitere Systeme Kommunikation mit externen Systemen außerhalb des Fahrzeuges (Telematik) Telematik-Infotainment-/Büro-Bereich Telematik-Navigationsbereich Telematik-Fahrsituationsbereich Telematik-Servicebereich Telematik-Inkasso-Bereich Umgebungsanforderungen im Kraftfahrzeug und die Auswirkungen auf die Elektronik Allgemeine Bemerkungen Definition von Umwelteinflüssen für Kraftfahrzeugelektronik Elektrische Anforderungen, Lastsituationen (angelehnt an die internationale Norm ISO/DIS ) Allgemeines Betrieb an einer Gleichspannung Betrieb bei Überspannung Start mit erhöhter Spannung (Jump Start, nur 12-V-Systeme) Überlagerte Schwingung (Voltage Ripple Test) Langsamer Spannungseinbruch bzw. Spannungsanstieg Spannungseinbruch Verpolung Offene Last Kurzschluss Lastprüfung Schleichender Kurzschluss Elektromagnetische Verträglichkeit in der Kfz-Elektronik Allgemeines zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMC) EMC-Anforderungen an die Kraftfahrzeugelektronik Leitungsgebundene Störaussendung im Zeitbereich Leitungsgebundene Störfestigkeit im Zeitbereich Allgemeine Betrachtung für die Anforderungen im Frequenzbereich Störaussendungen im Frequenzbereich Störfestigkeit im Frequenzbereich Elektrostatische Entladung (ESD)... 56

3 8 Inhaltsverzeichnis 4.4 EMC-Prüfeinrichtungen in der Kraftfahrzeugtechnik Überprüfung leitungsgebundener Störimpulse im Zeitbereich Leitungsgebundene Störaussendung Störfestigkeit bei den Impulsen 1, 2, 4, 5 (Impulsgenerator) Störfestigkeit bei den Impulsen 3 a und 3 b (Koppelzange) ESD-Prüfeinrichtung Überprüfung gestrahlter Störaussendungen/Störfestigkeit TEM-Zelle (transversal-elektromagnetische Welle) Strip-Line Absorberhalle/Absorberraum Überprüfung leitungsgebundener Störabstrahlung/Störfestigkeit (Strom-Einkopplungszange) Verhalten von Bauelementen unter EMC-Einfluss Energiereiche Störimpulse auf Leitungen Gestrahlte Störeinflüsse Verbesserung des EMC-Verhaltens in einer Kfz-Elektronik Weitergehende Anforderungen an Kraftfahrzeugelektronik Mechanische Anforderungen Mechanische Schwingung Mechanischer Stoß Freier Fall Klimatische Anforderungen Temperatur-Wechselprüfung Temperatur-Schockprüfung Klima Salznebel-Prüfung Dichtigkeit gegen Wasser und Staub Chemische Anforderungen Grundlegende Methoden, Berechnungen und Sichtweisen für die Entwicklung von Kraftfahrzeugelektronik Entwicklungsphasen Musterphasen Schritte für die Entwicklung einer Kraftfahrzeugelektronik Strukturierung nach der Top-Down-Methode Schnittstellendefinition im Hardwarebereich Entwicklung einer Schaltung Anwendung von Simulationswerkzeugen Worst-Case-Rechnung Modularisierung und Realisation von Kraftfahrzeugelektronik Grundsätzlicher Aufbau der Kraftfahrzeugelektronik Stromversorgung (Funktionsblock 1) Standard-Spannungsregler Ersatzschaltbild unter HF-Gesichtspunkten Spannungsregler für den Kraftfahrzeugeinsatz Beispiel einer kraftfahrzeugtauglichen Spannungsversorgung

4 Inhaltsverzeichnis Funktionserzeugung (Funktionsblock 2) Fest verdrahtete Logik (diskrete Hardware) Verwendung eines applikationsspezifischen integrierten Schaltkreises (ASIC, integrierte Hardware) Verwendung eines programmierbaren Steuerwerkes (Firmware) Verwendung eines Mikrocontrollers (lc, Software) Sensorik (Funktionsblock 3) Digitaler Eingang mit Verbindung zur Betriebsspannung Digitaler Eingang ohne Verbindung zur Betriebsspannung Analoger Eingang mit Verbindung zur Betriebsspannung Analoger Eingang ohne Verbindung zur Betriebsspannung Aktuatorik (Funktionsblock 4) Leistungsklassen Realisation Ansteuerung der Aktuatorik Grundfunktionen Analoge Leistungsregelung: Pulsweiten-Modulation (PWM) Erzeugung der Diagnoseinformationen Dynamische Abschaltvorgänge der Aktuatorik Laststufen zur Ansteuerung der Aktuatorik, Low-Side-Schalter Low-Side-Schalter mit Standard-MOS-Power-Transistor Verbesserung des Kurzschluss- und Überlastverhaltens durch Verwendung eines selbstschützenden Transistors Low-Side-Schalter mit einem Logic-Level-MOS-Power- Transistor Laststufen zur Ansteuerung der Aktuatorik, High-Side-Schalter Einführung High-Side-Schalter unter Verwendung einer Ladungspumpe High-Side-Schalter für den getakteten Betrieb (PWM) Verwendung eines N-Kanal-CMOS-Power-Transistors mit integrierter Elektronik zur Ansteuerung Kommunikation und Diagnose (Funktionsblock 5) Diagnoseschnittstelle K-(L)-Line Diagnose-CAN Kommunikation mit anderen Systemen innerhalb des Fahrzeuges Controller Area Network (CAN) Local Interconnect Network (LIN-Bus) Zeitsynchrone Sicherheitskommunikation Kommunikation im Entertainment-Bereich innerhalb des Fahrzeuges Schnittstelle zur Anzeige (Funktionsblock 6) Ansteuerung einzelner Anzeigeelemente Anschluss von Displays

5 10 Inhaltsverzeichnis 8 Mikrocontroller in der Kraftfahrzeugelektronik Mikrocontroller, Hardware (Funktionsblock 2) Grundstruktur eines Mikrocontrollers Verwendung eines Mikrocontrollers (Prinzip) Startphase eines Mikrocontrollers Mikrocontroller, grundlegende Überlegungen zur Software Dynamische Softwaregrundstruktur Erzeugung eines Watch-Dog-Signals Verarbeitung digitaler Signale Verarbeitung analoger Signale Betriebssysteme für Mikrocontroller Entwicklungswerkzeuge Ausführungsformen eines Mikrocontrollers Assembler/Compiler/IDE Überprüfung eines Mikrocontroller-Programms durch Einsatz eines Softwaresimulators In-Circuit-Emulator unter Verwendung des Original-Mikrocontrollers In-Circuit-Emulator unter Verwendung eines Bond-Out-Chips Kombinationsmethoden (Hardware in The Loop) Einbindung eines Mikrocontrollers in eine EMC-kritische Umgebung Hauptoszillator Versorgungsleitungen Ein-/Ausgangsleitungen Verwendung externer Speicher Layout Spezialthemen der Kfz-Hardwareentwicklung Verpolschutz Die Verpolschutzdiode Verpolschutz durch Abschmelzen einer Sicherung Inverser Betrieb eines N-Kanal-MOS-Power-Transistors Verpolung bei einem N-Kanal-MOS-Power-Transistor Verpolschutz durch einen invers betriebenen N-Kanal-MOS- Power- Transistor Verpolschutzrelais Grundsätzlicher Einfluss der nicht elektrischen Umgebungsbedingungen aufdieelektronik Temperatur Feuchtigkeit und Staub Mechanische Einflüsse End-Of-Line-(EOL)-Programmierung Verschiedene Abgleichverfahren Abgleich durch Verwendung eines Potentiometers Abgleich durch eine Auswahlkette Abgleich auf voll elektronischem Wege unter Verwendung des Mikrocontrollers

6 Inhaltsverzeichnis Prinzip der End-Of-Line-Programmierung Beispiel für den Abgleich eines analogen Einganges eines Mikrocontrollers Korrektur des Temperaturverhaltens einer Kraftfahrzeugelektronik Informationsgehalte der Datenblätter elektronischer Bauelemente Deckblatt Typenaufschlüsselung Elektrische Daten Mechanische Daten Statistische Angaben Logistik Absolute Maximal-Werte (Absolut Maximum Ratings) Elektrische Eigenschaften (Electrical Characteristics) Einige statistische Begriffe Maßzahlen Ausfallraten über die Lebensdauer eines elektronischen Systems Serienbegleitende Prüfungen In-Circuit-Test (ICT) Endkontrolle bzw. Endprüfung Stichprobe Run-In Burn-In Serienbegleitende Requalifikation Tabellen und Übersichten Beispielhafter Entwicklungs-Ablaufplan für eine Komponente (Kraftfahrzeugelektronik) Musterphasen (Beispiel) IP-Code-Bestandteile nach DIN Widerstandsreihen Wichtige Klemmenbezeichnungen (Auszug aus DIN ) Elektronische Bauteileabkürzungen ISO 7637, Schärfegrade, Übersicht Literaturverzeichnis Verweise auf Normen Verwendete Fachbegriffe Sachwortverzeichnis