JP2016134960A - 電源回路及び車載制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で出力素子の異常に迅速に対処することができる電源回路及び車載制御装置を提供する。【解決手段】信号処理部は、シリーズレギュレータから出力されるＶＯＭがＦＴ３経過するまで継続して過電圧であった場合は、Ｔ１ＯＦＦ信号を出力することによりスイッチングレギュレータのＴ１のスイッチング動作を停止するので、過電圧がマイコンに出力されてしまう時間をＦＴ３に抑制することができる。【選択図】図４

Description

本発明は、スイッチングレギュレータとシリーズレギュレータとを組み合わせて構成された電源回路、及び当該電源回路を備えた車載制御装置に関する。

例えば車載制御装置では、バッテリ電圧（例えば１２Ｖ）を電源回路により所定の内部電圧（例えば５Ｖ）となるように降圧してから給電している。この場合、スイッチングレギュレータのみでバッテリ電圧を内部電圧に降圧する構成では、変換効率は高いものの内部電圧の電圧精度が低い。一方、シリーズレギュレータのみでバッテリ電圧を内部電圧に降圧する構成では、内部電圧の電圧精度は高いものの変換効率が低い。このような事情から、スイッチングレギュレータとシリーズレギュレータとを直列接続して組み合わせ、スイッチングレギュレータにより電源電圧を中間電圧まで降圧してからシリーズレギュレータにより中間電圧を所定の内部電圧まで降圧することが行われている（特許文献１参照）。

特開２００４−１４７３９１号公報

ところで、車載制御装置に採用される電源回路では、出力素子が例えばショートして車載制御装置に搭載されるマイクロコンピュータに過電流が流れ続けることを防止するために過電流防止機能が搭載されている。特許文献１のものでは、シリーズレギュレータからの出力電流を検出する出力電流検出回路を備え、出力電流検出回路が過電流を検出した場合は、シリーズレギュレータを停止したり、スイッチングレギュレータを停止したりすることを提案している。
しかしながら、出力電流検出回路は、電流−電圧変換回路、電圧比較回路、制御回路等を組み合わせて構成する必要があり、その構成が複雑であると共に、出力電流検出回路が過電流を検出した時点では給電対象の異常が進行している虞がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、簡単な構成で出力素子の異常に迅速に対処することができる電源回路及び車載制御装置を提供することにある。

請求項１の発明によれば、シリーズレギュレータの第２出力素子が例えば何等かの要因でショートすると、シリーズレギュレータからの第２電圧が過電圧となるので、第２異常判定手段は、シリーズレギュレータからの第２電圧が過電圧であることを検出した場合は異常であると判定する。すると、第１停止手段は、スイッチングレギュレータの第１出力素子からの第１電圧の出力を停止するので、給電対象に過電圧が出力されてしまうことを抑制することができる。この場合、過電圧が給電対象に継続して出力されることにより給電対象が損傷してシリーズレギュレータから過電流が給電対象に出力される可能性が高いことから、過電圧を防止することで過電流を未然に防止することが可能となる。

一実施形態における電源回路の電気的構成を示すブロック図 車載制御装置の電気的構成を示すブロック図 Ｔ１ショート時の各信号の波形を示す図 Ｔ２ショート時の各信号の波形を示す図

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
図２に示すように、車載制御装置１は、各種センサからの検出信号等を入力するための入力回路２、各種制御対象を駆動制御する駆動回路３と、検出信号に基づいて各種演算処理を実行することで駆動回路３を制御するマイクロコンピュータ（以下、マイコン）４（給電対象）、電源回路５を備えて構成されている。電源回路５は、図示しないイグニッションスイッチ（以下、ＩＧスイッチ。メイン電源スイッチ）のＯＮ状態で車両バッテリから例えば１２Ｖのバッテリ電圧（以下、ＶＳ）が給電される。尚、図２には示していないが、ＶＳの給電に応じてマイコン４が起動すると、マイコン４は、リレーをＯＮすることでＶＳの給電状態を自己保持し、ＩＧスイッチがＯＦＦされた場合はシャットダウン処理が終了してからリレーをＯＦＦするまでＶＳの給電状態を保持するようになっている。また、車両がハイブリッド自動車や電気自動車のようにＩＧスイッチが設けられていない車両ではなくメイン電源スイッチのＯＮ状態で給電されることになる。

電源回路５は、図１に示すように、スイッチングレギュレータ６、シリーズレギュレータ７、簡易５Ｖ電源８、信号処理部９（第１停止手段）から構成されている。
スイッチングレギュレータ６は、スイッチング信号発生回路１０、ＮチャンネルタイプのＭＯＳ型ＦＥＴ（以下、Ｔ１。第１出力素子）、平滑回路１１、オペアンプからなるＶＯ６過電圧検出器１２（第２異常判定手段）、第１フィルタ１３（第２停止手段）、出力停止用のＭＯＳ型ＦＥＴ１４から構成されている。

スイッチング信号発生回路１０は、三角波生成器１５、オペアンプからなる誤差増幅器（ＥＯＰ）１６、オペアンプからなる比較器（ＣＯＭ）１７、Ｔ１のソースとグランドとの間に直列接続された抵抗１８，１９から構成されている。比較器１７は、三角波生成器１５から出力される三角波と、誤差増幅器１６とから出力される比較レベルとを比較し、三角波のレベルが比較レベルよりも大きい場合にハイレベルとなり、低い場合にローレベルとなるスイッチング信号を出力する。誤差増幅器１６は、スイッチングレギュレータ６の目標降圧電圧である６Ｖ（以下、ＶＯ６。第１電圧）を抵抗１８，１９で分圧した電圧と、基準電圧とを比較し、それらの差（誤差）に応じて比較器１７に出力する比較レベルを調整する。この場合、基準電圧は、ＶＯ６が６Ｖとなるように設定されている。Ｔ１のドレインは、図示しないＩＧスイッチのＯＮ状態でダイオード２０を介してＶＳが給電され、ゲートには比較器１７からのスイッチング信号が入力する。これにより、Ｔ１は、比較器１７から与えられるスイッチング信号に応じてスイッチング動作し、ＶＯ６のレベルに応じてスイッチング動作のデューティ比が調整されることでＶＯ６を６Ｖに調整する。
Ｔ１のソースは平滑回路１１に接続されている。平滑回路１１は、ローパスフィルタを構成するコイル２１とコンデンサ２２、Ｔ１のオフ時に還流電流を流すフライホイールダオード２３から構成されている。

ＶＯ６過電圧検出器１２は、ＶＯ６と予め設定された基準電圧とを比較し、ＶＯ６が基準電圧を上回っていることを検出した場合はそのことを第１フィルタ１３に通知する。この場合、基準電圧にはヒステリシスが設定されており、ＶＯ６＞閾値ＯＶＨである場合に過電圧を検出し、ＶＯ６＜閾値ＯＶＬとなった場合に過電圧が解除されたことを検出する（図３参照）。

第１フィルタ１３は、ＶＯ６過電圧検出器１２から過電圧であることがＦＴ１時間経過するまで継続して入力した場合はハイレベルのストップ信号を出力し、ＶＯ６過電圧検出器１２から過電圧を解消したことがＦＴ２時間経過するまで継続して入力した場合はストップ信号の出力を停止する。ＦＴ１及びＦＴ２は、ＶＯ６で発生が想定されるオーバーシュート時間に対する余裕度、トランジスタの耐圧破壊余裕度、トランジスタの熱破壊余裕度を元に決定されるフィルタ機能を設定するための時間である。

ＦＥＴ１４のドレインはＴ１のゲートに接続され、そのソースはグランドに接続されており、ＦＥＴ１４のＯＮ状態でＴ１のゲートがグランドラインに接続される。
一方、シリーズレギュレータ７は、リニア信号発生回路２４、ＰＮＰタイプのトランジスタ（以下、Ｔ２。第２出力素子）、オペアンプからなるＶＯＭ過電圧検出器２５（第１異常判定手段）、第２フィルタ２６（第１停止手段）、ダイオードからなる温度センサ２７（温度検出手段）、オペアンプからなる過熱度検出器２８（過熱度検出手段）、出力停止用のトランジスタ２９から構成されている。

リニア信号発生回路２４は、Ｔ２とグランドとの間に接続された抵抗３０，３１、オペアンプからなる増幅器（ＯＰ）３２、トランジスタ３３から構成されている。増幅器３２は、Ｔ２から出力される電圧（以下、ＶＯＭ。第２電圧）を抵抗３０，３１で分圧した電圧と、予め設定された基準電圧とを比較し、それらの電圧差に応じた電流をトランジスタ３３のベースに出力する。トランジスタ３３のコレクタはＴ２のベースに接続されている。

Ｔ２のエミッタはスイッチングレギュレータ６の平滑回路１１と接続され、コレクタはコンデンサ３４を介してグランドラインに接続されている。これにより、Ｔ２は、増幅器３２から与えられる電流に応じてリニア動作する。この場合、増幅器３２に与える基準電圧は、ＶＯＭが５Ｖとなるように設定されており、ＶＯＭのレベルに応じてＴ２のリニア動作が制御されることでＶＯＭが５Ｖに調整される。ＶＯＭ過電圧検出器２５は、ＶＯＭを抵抗３０，３１で分圧した電圧と基準電圧とを比較し、ＶＯＭが過電圧であることを検出した場合は過電圧であることを第２フィルタ２６に通知する。トランジスタ３３のベースにはトランジスタ２９のコレクタが接続されており、トランジスタ２９のオン状態でトランジスタ３３のベースがグランドラインに接続される。

第２フィルタ２６は、ＶＯＭ過電圧検出器２５から過電圧であることがＦＴ３時間経過するまで継続して通知された場合はハイレベルのストップ信号を出力する。このストップ信号は後述する信号処理部９に出力される。ＦＴ３は、ＶＯＭで発生が想定されるオーバーシュート時間に対する余裕度、トランジスタの耐圧破壊余裕度、トランジスタの熱破壊余裕度を元に決定されるフィルタ機能を設定するための時間である。

過熱度検出器２８はＴ２の過熱度を検出するもので、温度センサ２７による検出電圧と基準電圧との差電圧を過熱度として各フィルタ１３，２６に通知する。
ここで、各フィルタ１３，２６に設定されたＦＴ１〜ＦＴ３は、過熱度検出器２８が検出した過熱度が大きくなる程、短くなるように設定されている。これは、Ｔ２が過熱する程、Ｔ２の動作の余裕度が低下するからである。

簡易５Ｖ電源８にはＶＳが給電される。簡易５Ｖ電源８は、ＶＳラインとグランドと間に直列接続された抵抗３５と逆流防止用のダイオード３６とツェナーダイオード３７の直列回路、トランジスタ３８から構成されている。トランジスタ３８のコレクタにはＶＳが給電され、ベースにはツェナー３７のツェナー電圧が入力する。

信号処理部９は、状態保持回路３９、起動回路４０から構成されており、各回路には簡易５Ｖ電源８から５Ｖが給電される。
状態保持回路３９はフリップフロップからなり、そのデータ入力端子には簡易５Ｖ電源８の給電状態でハイレベル（５Ｖ）が入力し、クロック入力端子（立ち上りエッジアクティブ）には第２フィルタ２６から過電圧検出がＦＴ３を越えて発生したことをローレベルからハイレベルの信号変化として入力し、データ出力端子からデータ入力端子にハイレベルの入力状態で状態保持した場合にハイレベルのストップ信号をＦＥＴ１４のベースに出力する。起動回路４０は、アンド回路４１、ディレイ回路４２から構成されている。アンド回路４１の一方の入力端子には簡易５Ｖ電源８の給電状態でハイレベル（５Ｖ）が入力し、他方の入力端子にはディレイ回路４２を介してハイレベル（５Ｖ）が入力する。ディレイ回路４２は、５Ｖの給電タイミングから所定時間遅らせてハイレベルをアンド回路４１に出力する。アンド回路４１は、両方の入力端子がハイレベルとなった場合にハイレベルのＶＳ起動信号を状態保持回路３９のリセット端子（ローアクティブ）に出力する。

次に上記構成の作用について説明する。
ユーザが車両のＩＧスイッチをオンすると、電源回路５にＶＳが給電されるようになる。すると、スイッチングレギュレータ６のＴ１はＶＳを降圧してＶＯ６が６Ｖとなるようにスイッチング動作すると共に、シリーズレギュレータ７のＴ２はＶＯ６を降圧してＶＯＭが５Ｖとなるようにリニア動作する。これにより、電源回路５からマイコン４にＶＯＭが給電されるようになるので、マイコン４が動作開始して制御対象を制御可能となる。

ユーザにより車両が運転されている状態では、ＶＳが変動したり、制御対象の負荷（出力負荷）が変動したりするので、ＶＯ６及びＶＯＭが一時的に目標電圧からオーバーシュートすることがある。ＶＯ６が一時的にオーバーシュートした場合はＴ１のスイッチング動作が一時的に停止するので、ＶＯ６のオーバーシュートは直ちに解消される。同様に、ＶＯＭが一時的にオーバーシュートした場合はＴ２が一時的にオフされるので、ＶＯＭのオーバーシュートは直ちに解消される。

さて、スイッチングレギュレータ６のＴ１が何らかの要因でショートした場合は、図３に示すようにスイッチングレギュレータ６からのＶＯ６が閾値ＯＶＨを上回るようになるので、過電圧（≒ＶＳ）がシリーズレギュレータ７のトランジスタに出力されてしまう状態となる。このような場合、シリーズレギュレータ７により過電圧はＶＯＭとなるように降圧されるので、過電圧がマイコン４に出力されてしまうことを防止することができるものの、シリーズレギュレータ７の入力電圧としては定格よりも高い状態であり、シリーズレギュレータ７が高負荷状態となっている。このとき、ＶＯ６過電圧検出器１２が過電圧を検出して第１フィルタ１３に通知する。第１フィルタ１３は、ＶＯ６過電圧検出器１２から過電圧が通知されている時間を計時しており、その計時時間がＦＴ１となった場合はＴ１がショートした可能性があると判定し、シリーズレギュレータ７のトランジスタ２９にハイレベルのＴ２ＯＦＦ信号を出力する。これにより、トランジスタ２９がオンし、それに伴ってトランジスタ３３、ひいてはＴ２がオフして、Ｔ２のリニア動作が停止するので、シリーズレギュレータ７の高負荷状態をＦＴ１に抑制することができる。

Ｔ１のショート状態が解消された場合は、図３に示すようにＶＯ６が閾値ＶＯＬを下回るようになるので、ＶＯ６過電圧検出器１２から過電圧が解消されたことが第１フィルタ１３に通知される。第１フィルタ１３は、ＶＯ６過電圧検出器１２から過電圧が解消されたことが通知されている時間を計時しており、その計時時間がＦＴ２となった場合はＴ１のショート状態が解消されたと判定し、Ｔ２ＯＦＦ信号の出力を停止する。これにより、トランジスタ２９がオフし、それに伴ってトランジスタ３３が動作してＴ２がリニア動作を再開するようになるので、シリーズレギュレータ７からマイコン４への給電状態が復帰する。
尚、Ｔ１のショート状態が解消されない場合は、後述するようにユーザに対して電源回路５の異常が報知される。

一方、シリーズレギュレータ７のトランジスタが何らかの要因でショートした場合は、図４に示すようにシリーズレギュレータ７からのＶＯＭが閾値ＯＶＨを上回るようになるので、過電圧（≒ＶＯ６）がマイコン４に出力されてしまう状態となる。このようにマイコン４の定格電圧よりも高い過電圧がマイコン４に出力されてしまう状態が継続すると、やがては過電圧によりマイコン４が破損して過電流が発生するようになることから、シリーズレギュレータ７からの過電圧の出力状態を直ちに停止する必要がある。

そこで、ＶＯＭ過電圧検出器２５が過電圧であることを検出して第２フィルタ２６に通知すると、第２フィルタ２６は、ＶＯＭ過電圧検出器２５から過電圧であることが通知されている時間を計時し、その計時時間がＦＴ３となった場合はハイレベルのストップ信号を信号処理部９に出力する。信号処理部９の状態保持回路３９は、ストップ信号が入力すると、データ入力端子に入力しているハイレベル信号を保持するので、状態保持回路３９の出力端子からハイレベルのＴ１ＯＦＦ信号をスイッチングレギュレータ６のＦＥＴ１４のゲートに出力する。この場合、状態保持回路３９は、Ｔ１ＯＦＦ信号を状態保持する。これにより、ＦＥＴ１４がオンし、それに伴ってＴ１がオフしてスイッチング動作を停止するようになるので、ＶＯ６、ひいてはＶＯＭの電圧が低下するようになり、図４に示すようにシリーズレギュレータ７から過電圧がマイコン４に出力されてしまうことをＦＴ３時間に抑制することができる。

ここで、信号処理部９は、簡易５Ｖ電源８から給電されているので、上述したようにＶＯＭの電圧が低下した場合であっても、状態保持回路３９によるＴ１ＯＦＦ信号の出力状態を保持することができる。そして、ＶＯＭがマイコン４の動作可能電圧よりも低下すると、マイコン４、ひいては車載制御装置１の動作が停止する。

以上のようにして車載制御装置１が停止すると、例えばインストルメントパネルに設置された警告ランプ等によりユーザに対して異常が報知される。この場合、車載制御装置１が停止するにしても、フェールセーフ機能によりリンプホームモードが機能し、車載制御装置１の機能が最低限に制限されるので、車載制御装置１が車両の走行制御に関係する場合は、低速走行で自宅、或いは整備工場にたどり着くことができる。ＩＧスイッチをＯＦＦすると、図４に示すようにＶＳが給電されなくなることにより、状態保持回路３９による状態保持機能が喪失する。

さて、電源回路５の異常が自然に回復したり、故障が修理されたりした後に、ＩＧスイッチがオンされると、ＶＳが電源回路５に再給電されるようになる。ＶＳが電源回路５に再給電されると、図４に示すように起動回路４０がハイレベル信号を状態保持回路３９に出力するようになるが、起動回路４０はハイレベル信号の出力を所定時間遅らせるので、状態保持回路３９に正常に給電された状態で状態保持回路３９のリセット端子（ローアクティブ）にハイレベル信号が入力して正常に初期化する。これにより、状態保持回路３９の出力端子から初期状態としてハイレベルのＴ１ＯＦＦ信号が出力されることはないので、スイッチングレギュレータ６のＴ１はスイッチング動作可能となる。

一方、第１フィルタ１３は、温度センサ２７が検出したＴ２の過熱度が大きくなる程、ＦＴ１及びＦＴ２を段階的に短く設定する。同様に、第２フィルタ２６は、Ｔ２の過熱度が大きくなる程、ＦＴ３を段階的に短く設定する。これにより、Ｔ２の過熱度が大きくなった場合であっても、Ｔ１ＯＦＦ信号及びＴ２ＯＦＦ信号を安定して出力することができる。

このような実施形態によれば、次のような効果を奏することができる。
信号処理部９は、シリーズレギュレータ７から出力されるＶＯＭがＦＴ３経過するまで継続して過電圧であった場合は、スイッチングレギュレータ６のＴ１のスイッチング動作を停止するので、過電圧がマイコン４に出力されてしまう時間をＦＴ３に抑制することができる。

信号処理部９には簡易５Ｖ電源８から５Ｖが給電されており、ＩＧスイッチがオフして簡易５Ｖ電源８からの給電が停止するまでスイッチングレギュレータ６のＴ１の動作停止状態を保持するので、過電圧がマイコン４に再出力されてしまうことを確実に防止することができる。

ＶＯ６がＦＴ１経過するまで継続して過電圧である場合はシリーズレギュレータ７のＴ２がリニア動作することを停止し、ＶＯ６がＦＴ２経過するまで継続して過電圧が解消されたことを検出した場合はＴ２の動作停止状態を解除するようにしたので、Ｔ２が一時的にショートした場合に電源回路５が無用に停止してしまうことを防止できる。

Ｔ２の検出温度に応じて各フィルタ１３，２６のＦＴ１〜ＦＴ３の時間を段階的に変更するようにしたので、Ｔ２の検出温度に応じて過電圧を検出する余裕度を適切に設定することができる。

（その他の実施形態）
本発明は、上記実施形態に限定されることなく、次のように変形または拡張したり、各変形例を上記実施形態と組合せたり、各変形例を組み合わせるようにしてもよい。
スイッチングレギュレータ６のＴ１の温度を温度センサにより検出し、その検出温度に応じて各フィルタのＦＴ１〜ＦＴ３を段階的に変更するようにしてもよい。
デューティ比を０とすることによりＴ１のスイッチング動作を停止するようにしてもよいし、Ｔ１からＶＯ６が出力されることを遮断する手段を設けるようにしてもよい。
スイッチングレギュレータ及びシリーズレギュレータの構成は上記実施形態に限定されることなく任意の構成を採用することができる。

図面中、１は車載制御装置、５は電源回路、６はスイッチングレギュレータ、７はシリーズレギュレータ、９は信号処理部（第１停止手段）、１２はＶＯ６過電圧検出器（第２異常判定手段）、１３は第１フィルタ（第２停止手段）、２５はＶＯＭ過電圧検出器（第１異常判定手段）、２６は第２フィルタ（第１停止手段）、２７は温度センサ（温度検出手段）、２８は過熱度検出器（過熱度検出手段）、３９は状態保持回路、４０は起動回路、Ｔ１はＦＥＴ（第１出力素子）、Ｔ２はトランジスタ（第２出力素子）である。

Claims (8)

1. 第１出力素子（Ｔ１）のスイッチング動作により外部電源から給電される給電電圧を第１電圧に降圧するスイッチングレギュレータ（６）と、
   第２出力素子（Ｔ２）のリニア動作により前記第１電圧を第２電圧に降圧して給電対象に給電するシリーズレギュレータ（７）と、
   前記第２電圧が過電圧であることを検出した場合は異常であると判定する第１異常判定手段（２５）と、
   前記第１異常判定手段が異常であると判定した場合は、前記第１出力素子から前記第１電圧が出力されることを停止する第１停止手段（９，２６）と、
   を備えたことを特徴とする電源回路。
2. 前記第１停止手段は、前記第１電圧の出力停止状態を保持する保持動作を実行することを特徴とする請求項１に記載の電源回路。
3. 前記第１停止手段は、前記外部電源から給電されるように設けられ、前記外部電源からの給電が停止するまで前記保持動作を実行することを特徴とする請求項２に記載の電源回路。
4. 前記第１停止手段は、
   前記第１異常判定手段が異常であると判定した場合は前記第１出力素子から前記第１電圧が出力されることを停止すると共に、その動作停止状態を保持する状態保持回路（３９）と、
   前記外部電源からの給電停止後に再給電された場合は前記状態保持回路をリセットしてから起動する起動回路（４０）と、
   を備えて構成されていることを特徴とする請求項３に記載の電源回路。
5. 前記第１電圧が過電圧であることを検出した場合は異常であると判定し、前記第１電圧が非過電圧であることを検出した場合は異常判定を解除する第２異常判定手段（１２）と、
   前記第２異常判定手段が異常であると判定した場合は前記第２出力素子から前記第２電圧が出力されることを停止し、前記第２異常判定手段が異常判定を解除した場合は前記第２出力素子に対する停止状態を解除する第２停止手段（１３）と、
   を備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の電源回路。
6. 前記第２出力素子の温度を検出する温度検出手段（２７）と、
   前記温度検出手段による検出温度に基づいて前記第２出力素子の過熱度を検出する過熱度検出手段（２８）と、を備え、
   前記第１異常判定手段は、前記第２電圧が第１時間継続して過電圧であることを検出した場合に異常であると判定すると共に、前記過熱検出手段による過熱度に応じて前記第１時間を変更することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の電源回路。
7. 前記第２異常判定手段は、前記第１電圧が第２時間継続して過電圧であることを検出した場合に異常であると判定すると共に前記第１電圧が第３時間継続して過電圧が解消されていることを検出した場合に異常判定を解除し、前記過熱検出手段による過熱度に応じて前記第２時間及び前記第３時間を変更することを特徴とする請求項６に記載の電源回路。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の電源回路と、
   マイクロコンピュータ（４）と、を備え、
   前記外部電源は、メイン電源スイッチのオン状態で前記電源回路に給電する車両バッテリであり、
   前記給電対象は、前記マイクロコンピュータであることを特徴とする車載制御装置。

Images