Grundlagen der Kraftfahrzeugelektronik

1 - Inhalt [Seite 10]
2 - 1 Einleitung: Grundlagen der Schaltungstechnik für Kfz-Elektronik [Seite 16]
3 - 2 Elektronische Systeme in Kraftfahrzeugen [Seite 20]
3.1 - 2.1 Elektronische Systeme im Motorraum [Seite 21]
3.2 - 2.2 Elektronische Systeme innerhalb der Fahrgastzelle [Seite 21]
3.3 - 2.3 Infotainment-Systeme [Seite 22]
3.4 - 2.4 Fahrerassistenzsysteme [Seite 22]
3.5 - 2.5 Weitere Systeme [Seite 23]
3.6 - 2.6 Kommunikation mit externen Systemen außerhalb des Fahrzeuges (Telematik) [Seite 24]
3.6.1 - 2.6.1 Telematik-Infotainment-/Büro-Bereich [Seite 25]
3.6.2 - 2.6.2 Telematik-Navigationsbereich [Seite 25]
3.6.3 - 2.6.3 Telematik-Fahrsituationsbereich [Seite 26]
3.6.4 - 2.6.4 Telematik-Servicebereich [Seite 27]
3.6.5 - 2.6.5 Telematik-Inkasso-Bereich [Seite 27]
4 - 3 Umgebungsanforderungen im Kraftfahrzeug und die Auswirkungen auf die Elektronik [Seite 29]
4.1 - 3.1 Allgemeine Bemerkungen [Seite 29]
4.2 - 3.2 Definition von Umwelteinflüssen für Kraftfahrzeugelektronik [Seite 31]
4.3 - 3.3 Elektrische Anforderungen, Lastsituationen [Seite 34]
4.3.1 - 3.3.1 Allgemeines [Seite 35]
4.3.2 - 3.3.2 Betrieb an einer Gleichspannung [Seite 36]
4.3.3 - 3.3.3 Betrieb bei Überspannung [Seite 36]
4.3.4 - 3.3.4 Start mit erhöhter Spannung (Jump Start, nur 12-V-Systeme) [Seite 37]
4.3.5 - 3.3.5 Überlagerte Schwingung (Voltage Ripple Test, Bordnetzwelligkeits-Test) [Seite 37]
4.3.6 - 3.3.6 Langsamer Spannungseinbruch bzw. Spannungsanstieg [Seite 39]
4.3.7 - 3.3.7 Schneller Spannungseinbruch [Seite 39]
4.3.8 - 3.3.8 Der RESET-Test [Seite 41]
4.3.9 - 3.3.9 Verpolung [Seite 42]
4.3.10 - 3.3.10 Offene Last [Seite 43]
4.3.11 - 3.3.11 Kurzschluss [Seite 44]
4.3.12 - 3.3.12 Lastprüfung [Seite 44]
4.3.13 - 3.3.13 Schleichender Kurzschluss [Seite 46]
4.4 - 3.4 Das 48-Volt-Bordnetz [Seite 46]
5 - 4 Elektromagnetische Verträglichkeit in der Kfz-Elektronik [Seite 49]
5.1 - 4.1 Allgemeines zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMC) [Seite 49]
5.2 - 4.2 EMC-Anforderungen an die Kraftfahrzeugelektronik [Seite 52]
5.2.1 - 4.2.1 Leitungsgebundene Störaussendung im Zeitbereich [Seite 53]
5.2.1.1 - 4.2.1.1 Impuls 1: Abschalten einer Induktivität [Seite 54]
5.2.1.2 - 4.2.1.2 Impuls 2: Abschalten eines Kollektormotors [Seite 55]
5.2.1.3 - 4.2.1.3 Impuls 3: Allgemeine Schaltvorgänge [Seite 56]
5.2.1.4 - 4.2.1.4 Impuls 4: Der Anlassvorgang [Seite 59]
5.2.1.5 - 4.2.1.5 Impuls 5: Lastabwurf (Load-Dump) [Seite 60]
5.2.2 - 4.2.2 Leitungsgebundene Störfestigkeit im Zeitbereich [Seite 62]
5.2.3 - 4.2.3 Allgemeine Betrachtung für die Anforderungen im Frequenzbereich [Seite 63]
5.2.4 - 4.2.4 Störaussendungen im Frequenzbereich [Seite 63]
5.2.5 - 4.2.5 Störfestigkeit im Frequenzbereich [Seite 67]
5.3 - 4.3 Elektrostatische Entladung (ESD) [Seite 68]
5.4 - 4.4 EMC-Prüfeinrichtungen in der Kraftfahrzeugtechnik [Seite 71]
5.4.1 - 4.4.1 Überprüfung leitungsgebundener Störimpulse im Zeitbereich [Seite 71]
5.4.1.1 - 4.4.1.1 Leitungsgebundene Störaussendung [Seite 71]
5.4.1.2 - 4.4.1.2 Störfestigkeit bei den Impulsen 1, 2, 4, 5 (Impulsgenerator) [Seite 72]
5.4.1.3 - 4.4.1.3 Störfestigkeit bei den Impulsen 3?a und 3?b (Koppelzange) [Seite 72]
5.4.2 - 4.4.2 ESD-Prüfeinrichtung [Seite 74]
5.4.3 - 4.4.3 Überprüfung gestrahlter Störaussendungen/Störfestigkeit [Seite 74]
5.4.3.1 - 4.4.3.1 TEM-Zelle (transversal-elektromagnetische Welle) [Seite 75]
5.4.3.2 - 4.4.3.2 Strip-Line [Seite 77]
5.4.3.3 - 4.4.3.3 Absorberhalle/Absorberraum [Seite 78]
5.4.4 - 4.4.4 Überprüfung leitungsgebundener Störabstrahlung/Störfestigkeit (Strom-Einkopplungszange) [Seite 80]
5.5 - 4.5 Verhalten von Bauelementen unter EMC-Einfluss [Seite 82]
5.5.1 - 4.5.1 Energiereiche Störimpulse auf Leitungen [Seite 82]
5.5.2 - 4.5.2 Gestrahlte Störeinflüsse [Seite 84]
5.6 - 4.6 Verbesserung des EMC-Verhaltens in einer Kfz-Elektronik [Seite 85]
6 - 5 Weitergehende Anforderungen an Kraftfahrzeugelektronik [Seite 88]
6.1 - 5.1 Mechanische Anforderungen [Seite 88]
6.1.1 - 5.1.1 Mechanische Schwingung [Seite 89]
6.1.2 - 5.1.2 Mechanischer Stoß [Seite 90]
6.1.3 - 5.1.3 Freier Fall [Seite 90]
6.2 - 5.2 Klimatische Anforderungen [Seite 91]
6.2.1 - 5.2.1 Temperatur-Wechselprüfung [Seite 91]
6.2.2 - 5.2.2 Temperatur-Schockprüfung [Seite 93]
6.2.3 - 5.2.3 Klimaprüfung [Seite 94]
6.2.4 - 5.2.4 Salznebel-Prüfung [Seite 95]
6.2.5 - 5.2.5 Dichtigkeit gegen Wasser und Staub [Seite 96]
6.3 - 5.3 Chemische Anforderungen [Seite 98]
7 - 6 Grundlegende Methoden, Berechnungen u. Sichtweisen für die Entwicklung von Kraftfahrzeugelektronik [Seite 100]
7.1 - 6.1 Entwicklungsphasen [Seite 100]
7.2 - 6.2 Musterphasen [Seite 103]
7.3 - 6.3 Schritte für die Entwicklung einer Kraftfahrzeugelektronik [Seite 104]
7.3.1 - 6.3.1 Strukturierung nach der Top-Down-Methode [Seite 104]
7.3.2 - 6.3.2 Schnittstellendefinition im Hardwarebereich [Seite 105]
7.3.3 - 6.3.3 Entwicklung einer Schaltung [Seite 107]
7.3.4 - 6.3.4 Anwendung von Simulationswerkzeugen [Seite 108]
7.3.5 - 6.3.5 Worst-Case-Rechnung [Seite 109]
8 - 7 Modularisierung und Realisation von Kraftfahrzeugelektronik [Seite 118]
8.1 - 7.1 Grundsätzlicher Aufbau der Kraftfahrzeugelektronik [Seite 118]
8.2 - 7.2 Stromversorgung [Seite 121]
8.2.1 - 7.2.1 Standard-Spannungsregler [Seite 121]
8.2.2 - 7.2.2 Ersatzschaltbild unter HF-Gesichtspunkten [Seite 122]
8.2.3 - 7.2.3 Spannungsregler für den Kraftfahrzeugeinsatz [Seite 124]
8.2.4 - 7.2.4 Beispiel einer kraftfahrzeugtauglichen Spannungsversorgung [Seite 125]
8.3 - 7.3 Funktionserzeugung [Seite 128]
8.3.1 - 7.3.1 Fest verdrahtete Logik (diskrete Hardware) [Seite 129]
8.3.2 - 7.3.2 Verwendung eines applikationsspezifischen integrierten Schaltkreises (ASIC, integrierte Hardware) [Seite 130]
8.3.3 - 7.3.3 Verwendung eines programmierbaren Steuerwerkes (Firmware) [Seite 131]
8.3.4 - 7.3.4 Verwendung eines Mikrocontrollers (µC, Software) [Seite 133]
8.4 - 7.4 Sensorik [Seite 133]
8.4.1 - 7.4.1 Digitaler Eingang mit Verbindung zur Betriebsspannung [Seite 134]
8.4.2 - 7.4.2 Digitaler Eingang ohne Verbindung zur Betriebsspannung [Seite 139]
8.4.3 - 7.4.3 Analoger Eingang mit Verbindung zur Betriebsspannung [Seite 140]
8.4.4 - 7.4.4 Analoger Eingang ohne Verbindung zur Betriebsspannung [Seite 142]
8.5 - 7.5 Aktuatorik [Seite 145]
8.5.1 - 7.5.1 Leistungsklassen (14-Volt-Bordnetz) [Seite 145]
8.5.2 - 7.5.2 Realisation [Seite 145]
8.5.3 - 7.5.3 Ansteuerung der Aktuatorik [Seite 146]
8.5.4 - 7.5.4 Grundfunktionen [Seite 147]
8.5.5 - 7.5.5 Analoge Leistungsregelung: Pulsweiten-Modulation (PWM) [Seite 148]
8.5.6 - 7.5.6 Erzeugung der Diagnoseinformationen [Seite 153]
8.5.7 - 7.5.7 Dynamische Abschaltvorgänge der Aktuatorik [Seite 157]
8.5.8 - 7.5.8 Laststufen zur Ansteuerung der Aktuatorik: Low-Side-Schalter [Seite 161]
8.5.8.1 - 7.5.8.1 Low-Side-Schalter mit Standard-MOS-Power-Transistor [Seite 161]
8.5.8.2 - 7.5.8.2 Verbesserung des Kurzschluss- und Überlastverhaltens durch Verwendung eines selbstschützenden Transistors [Seite 162]
8.5.8.3 - 7.5.8.3 Low-Side-Schalter mit einem Logic-Level-MOS-Power-Transistor [Seite 163]
8.5.9 - 7.5.9 Laststufen zur Ansteuerung der Aktuatorik: High-Side-Schalter [Seite 165]
8.5.9.1 - 7.5.9.1 Einführung [Seite 165]
8.5.9.2 - 7.5.9.2 High-Side-Schalter unter Verwendung einer Ladungspumpe [Seite 167]
8.5.9.3 - 7.5.9.3 High-Side-Schalter für den getakteten Betrieb (PWM) [Seite 170]
8.5.9.4 - 7.5.9.4 Verwendung eines N-Kanal-CMOS-Power-Transistors mit integrierter Elektronik zur Ansteuerung [Seite 173]
8.6 - 7.6 Kommunikation und Diagnose [Seite 175]
8.7 - 7.7 Schnittstelle zur Anzeige [Seite 176]
8.7.1 - 7.7.1 Ansteuerung einzelner Anzeigeelemente [Seite 176]
8.7.2 - 7.7.2 Anschluss von Displays [Seite 178]
9 - 8 Mikrocontroller in der Kraftfahrzeugelektronik [Seite 180]
9.1 - 8.1 Mikrocontroller: Hardware [Seite 181]
9.1.1 - 8.1.1 Grundstruktur eines Mikrocontrollers [Seite 181]
9.1.2 - 8.1.2 Verwendung eines Mikrocontrollers (Prinzip) [Seite 183]
9.1.3 - 8.1.3 Startphase eines Mikrocontrollers [Seite 185]
9.2 - 8.2 Mikrocontroller: Grundlegende Überlegungen zur Software [Seite 187]
9.2.1 - 8.2.1 Dynamische Softwaregrundstruktur [Seite 188]
9.2.2 - 8.2.2 Erzeugung eines Watch-Dog-Signals [Seite 190]
9.2.3 - 8.2.3 Verarbeitung digitaler Signale [Seite 193]
9.2.4 - 8.2.4 Verarbeitung analoger Signale [Seite 196]
9.2.5 - 8.2.5 Betriebssysteme für Mikrocontroller [Seite 198]
9.2.6 - 8.2.6 Verarbeitung relativ langsamer Ereignisse [Seite 200]
9.3 - 8.3 Entwicklungswerkzeuge [Seite 201]
9.3.1 - 8.3.1 Ausführungsformen eines Mikrocontrollers [Seite 201]
9.3.2 - 8.3.2 Assembler/Compiler/IDE [Seite 203]
9.3.3 - 8.3.3 Überprüfung eines Mikrocontroller-Programms durch Einsatz eines Softwaresimulators [Seite 206]
9.3.4 - 8.3.4 In-Circuit-Emulator unter Verwendung des Original-Mikrocontrollers (In-Circuit-Debugger (ICD)) [Seite 207]
9.3.5 - 8.3.5 In-Circuit-Emulator (ICE) unter Verwendung eines Bond-Out-Chips [Seite 209]
9.3.6 - 8.3.6 Kombinationsmethoden (Hardware in the Loop) [Seite 211]
9.3.7 - 8.3.7 Prüfung von Softwarefunktionen [Seite 212]
9.4 - 8.4 Einbindung eines Mikrocontrollers in eine EMC-kritische Umgebung [Seite 214]
9.4.1 - 8.4.1 Hauptoszillator [Seite 214]
9.4.2 - 8.4.2 Versorgungsleitungen [Seite 216]
9.4.3 - 8.4.3 Ein-/Ausgangsleitungen [Seite 217]
9.4.4 - 8.4.4 Verwendung externer Speicher [Seite 217]
9.4.5 - 8.4.5 Layout der Leiterkarte [Seite 218]
10 - 9 Diagnoseschnittstelle und Kommunikation in Fahrzeugen [Seite 221]
10.1 - 9.1 Diagnoseschnittstelle [Seite 223]
10.1.1 - 9.1.1 K-(L)-Line [Seite 224]
10.1.2 - 9.1.2 Diagnose-CAN [Seite 230]
10.2 - 9.2 Kommunikation mit anderen Systemen innerhalb des Fahrzeuges [Seite 231]
10.2.1 - 9.2.1 Controller Area Network (CAN) [Seite 232]
10.2.2 - 9.2.2 Local Interconnect Network (LIN-Bus) [Seite 237]
10.2.3 - 9.2.3 Zeitsynchrone Sicherheitskommunikation [Seite 238]
10.2.3.1 - 9.2.3.1 FlexRay-Bus [Seite 239]
10.2.3.2 - 9.2.3.2 Physikalische Bitübertragung beim FlexRay [Seite 242]
10.3 - 9.3 Kommunikation im Entertainment-Bereich innerhalb des Fahrzeuges (MOST-Bus) [Seite 243]
10.4 - 9.4 Ethernet im Fahrzeug [Seite 245]
10.5 - 9.5 Zusammenfassung und Ausblick [Seite 249]
10.5.1 - 9.5.1 Übersicht über die Kommunikationsformen [Seite 249]
10.5.2 - 9.5.2 Ausblick auf die Zukunft [Seite 250]
11 - 10 Spezialthemen der Kfz-Hardwareentwicklung [Seite 252]
11.1 - 10.1 Verpolschutz [Seite 252]
11.1.1 - 10.1.1 Die Verpolschutzdiode [Seite 252]
11.1.2 - 10.1.2 Verpolschutz durch Abschmelzen einer Sicherung [Seite 253]
11.1.3 - 10.1.3 Inverser Betrieb eines N-Kanal-MOS-Power-Transistors [Seite 255]
11.1.4 - 10.1.4 Verpolung bei einem N-Kanal-MOS-Power-Transistor [Seite 257]
11.1.5 - 10.1.5 Verpolschutz durch einen invers betriebenen N-Kanal-MOS-Power-Transistor [Seite 260]
11.1.6 - 10.1.6 Verpolschutzrelais [Seite 263]
11.2 - 10.2 Grundsätzlicher Einfluss der nicht elektrischen Umgebungs­bedingungen auf die Elektronik [Seite 266]
11.2.1 - 10.2.1 Temperatur [Seite 266]
11.2.2 - 10.2.2 Feuchtigkeit und Staub [Seite 269]
11.2.3 - 10.2.3 Mechanische Einflüsse [Seite 270]
11.3 - 10.3 End-of-Line (EOL)-Programmierung [Seite 270]
11.3.1 - 10.3.1 Verschiedene Abgleichverfahren [Seite 271]
11.3.1.1 - 10.3.1.1 Abgleich durch Verwendung eines Potentiometers [Seite 271]
11.3.1.2 - 10.3.1.2 Abgleich durch eine Auswahlkette [Seite 271]
11.3.1.3 - 10.3.1.3 Abgleich auf voll elektronischem Wege unter Verwendung des Mikrocontrollers [Seite 272]
11.3.2 - 10.3.2 Prinzip der End-of-Line-Programmierung [Seite 272]
11.3.3 - 10.3.3 Beispiel für den Abgleich eines analogen Einganges eines Mikrocontrollers [Seite 272]
11.3.4 - 10.3.4 Korrektur des Temperaturverhaltens einer Kraftfahrzeugelektronik [Seite 276]
11.4 - 10.4 Informationsgehalte der Datenblätter elektronischer Bauelemente [Seite 277]
11.4.1 - 10.4.1 Deckblatt [Seite 277]
11.4.2 - 10.4.2 Typenaufschlüsselung [Seite 277]
11.4.3 - 10.4.3 Elektrische Daten [Seite 277]
11.4.4 - 10.4.4 Mechanische Daten [Seite 277]
11.4.5 - 10.4.5 Statistische Angaben [Seite 278]
11.4.6 - 10.4.6 Logistik [Seite 278]
11.4.7 - 10.4.7 Absolute Maximal-Werte (Absolut Maximum Ratings) [Seite 278]
11.4.8 - 10.4.8 Elektrische Eigenschaften (Electrical Characteristics) [Seite 278]
11.5 - 10.5 Einige statistische Begriffe [Seite 280]
11.5.1 - 10.5.1 Maßzahlen [Seite 280]
11.5.2 - 10.5.2 Ausfallraten über die Lebensdauer eines elektronischen Systems [Seite 282]
11.6 - 10.6 Serienbegleitende Prüfungen [Seite 283]
11.6.1 - 10.6.1 Die Eingangsinspektion [Seite 283]
11.6.2 - 10.6.2 In-Circuit-Test (ICT) [Seite 283]
11.6.3 - 10.6.3 Endkontrolle bzw. Endprüfung [Seite 284]
11.6.4 - 10.6.4 Stichprobe [Seite 284]
11.6.5 - 10.6.5 Run-In [Seite 285]
11.6.6 - 10.6.6 Burn-In [Seite 285]
11.6.7 - 10.6.7 Serienbegleitende Requalifikation [Seite 286]
12 - 11 Tabellen und Übersichten [Seite 287]
12.1 - 11.1 Beispielhafter Entwicklungsablaufplan für eine ­Komponente (­Kraftfahrzeugelektronik) [Seite 287]
12.2 - 11.2 Musterphasen (Beispiel) [Seite 289]
12.3 - 11.3 IP-Code-Bestandteile nach DIN 40?050-9 [Seite 291]
12.4 - 11.4 Widerstandsreihen [Seite 293]
12.5 - 11.5 Wichtige Klemmenbezeichnungen [Seite 295]
12.6 - 11.6 Elektronische Bauteileabkürzungen [Seite 298]
12.7 - 11.7 ISO 7637, Schärfegrade, Übersicht [Seite 299]
12.8 - 11.8 Tabelle der ASCII-Codierung [Seite 300]
13 - Verwendete Fachbegriffe [Seite 301]
14 - Literatur [Seite 305]
15 - Index [Seite 310]