JP2018186665A

JP2018186665A - 車両用の電源回路と電源供給方法

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Publication number: JP2018186665A
Application number: JP2017087861A
Authority: JP
Inventors: 高橋　潤; Jun Takahashi; 潤高橋; 博之宮部; Hiroyuki Miyabe
Original assignee: Nippon Seiki Co Ltd
Current assignee: Nippon Seiki Co Ltd
Priority date: 2017-04-27
Filing date: 2017-04-27
Publication date: 2018-11-22

Abstract

【課題】車両用バッテリの電圧の低下が生じても、制御マイコンの安定動作を確保する。【解決手段】電源回路２０１は、安定化電源回路１１と、電源電圧監視回路１５と、安定化電源回路バイパス回路１６を備える。電源電圧監視回路１５は、車両用バッテリ３２２の電圧が第１の閾値電圧Ｖｄを下回った際に、安定化電源回路バイパス回路１６に安定化電源回路１１をバイパスさせる。これにより、表示装置２０２には、安定化電源回路１１を介さずに電源入力電圧Ｖａが負荷供給電圧Ｖｂとして供給される。そのため、負荷供給電圧Ｖｂの第１のリセット閾値電圧Ｖｃに対する余裕度が大となる。【選択図】図１

Description

本発明は、車両用の電源回路と電源供給方法に関する。

車両用表示装置等では、バッテリの出力電圧を安定化電源回路により所望の電圧に変換及び安定化して負荷である制御マイコン等に供給している（例えば、特許文献１等参照）。

特開２０１２−９８７９５号公報

バッテリの劣化によりバッテリ電圧が低下した場合や、何らかの原因により負荷へ過電流が流入した場合などには、安定化電源回路が、出力電圧を維持することはできず、出力電圧が低下することがある。

一方、制御マイコンは、安定動作の確保等の観点から、供給電圧が所定の値を下回るとリセットされる構成が採られることがある。したがって、安定化電源回路の出力電圧が低下し、制御マイコンのリセットが発生する電圧付近で変動を繰り返す場合などには、制御マイコンのリセットが頻繁に繰り返される虞がある。従って、安定化電源回路の出力電圧が低下した場合でも、制御マイコンを安定してさせることが望まれている。

本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、安定動作を可能とする車両用の電源回路と電源供給方法を提供することを目的とする。

上記本発明の目的を達成するため、本発明に係る車両用の電源回路は、
車両用バッテリの電圧を安定化し、車両負荷へ供給する安定化電源回路と、
前記車両用バッテリの電圧が閾値を下回った場合に、前記車両用バッテリの電圧を前記安定化電源回路をバイパスして前記車両負荷へ供給するバイパス回路と、
を備える。

上記本発明の目的を達成するため、本発明に係る電源供給方法は、
バッテリの電圧を安定化し、負荷へ供給するステップと、
バッテリの電圧が所定の閾値を下回ったときに、バッテリの出力電圧を前記負荷へ供給するステップと、
を備える。

本発明によれば、バッテリの電圧が閾値を下回って、安定化電源回路の出力電圧が不安定となる場合に、安定化電源回路を介さずに、バッテリの出力電圧が負荷に印加される。これにより、負荷にマイコン等が含まれている場合に、リセットの発生が抑えられ、安定動作が確保される。

本発明の実施の形態に係る車載計器の回路図である。図１に示す車載計器において、バッテリ電圧の変動が正常な範囲にある場合の電圧変化例と制御マイコンのリセットとの関係を模式的に示す模式図である。図１に示す車載計器において、安定化電源回路バイパス回路が動作する場合のバッテリ電圧の変化と制御マイコンのリセットとの関係を模式的に示す模式図である。従来回路におけるバッテリ電圧の変化例と制御マイコンのリセットとの関係を模式的に示す模式図である。

以下、本発明の実施の形態にかかる車両用の電源回路について、この電源回路を備える車載計器を例に、図１乃至図３を参照しつつ説明する。
なお、以下に説明する部材、配置等は本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。

最初に、車載計器の構成について、図１を参照しつつ説明する。
図１に示すように、本実施の形態の車載計器３１０は、電源回路２０１と、表示装置２０２を備え、走行に必要な各種データを表示する。

電源回路２０１は、電源供給部３２０から供給される電源を表示装置２０２に供給する。
表示装置２０２は、電源回路２１０から電源供給を受けて電力を消費する車両負荷に相当する。表示装置２０２は、例えば、フロントガラスなどの投射部材に反射される表示画像の光を用いて運転者に虚像を視認させるヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）装置である。

電源供給部３２０は、オルタネータ(Alternator)３２１と車両用バッテリ３２２とを有している。

オルタネータ３２１は、車両用バッテリ３２２に並列に接続され、車両用バッテリ３２２を充電する充電器として機能する。
車両用バッテリ３２２は、正極側が車載計器３１０の第１の接続端子（ＣＮ１）４１に、負極側が車載計器３１０の第２の接続端子（ＣＮ２）４２に、それぞれ接続されている。

第１の接続端子４１は、電源回路２０１に設けられた逆接防止用ダイオード（Ｄ１）６のアノードに接続され、第２の接続端子４２は、車両のグランド側に接続されている。

電源回路２０１は、安定化電源回路１１と、電源電圧監視回路１５と、安定化電源回路バイパス回路１６と、基準電圧ＩＣ１４と、を備える。
安定化電源回路１１は、入力電圧の安定化と所望の電圧への変換を行う。

安定化電源回路１１は、例えば、従来から用いられているＤＣ−ＤＣコンバータ回路等によって構成される。
安定化電源回路１１の入力段は、第１のコイル（Ｌ１）３５を介して逆接防止用ダイオード６のカソードが接続されると共に、第１の電解コンデンサ（Ｃ１）３７を介してグランドに接続されている。

安定化電源回路１１の出力段は、第２のコイル（Ｌ２）３６を介して表示装置２０２、及び、基準電圧ＩＣ１４に接続されている。表示装置２０２、及び、基準電圧ＩＣ１４と接続された第２のコイル３６の一端とグランドとの間には、第２の電解コンデンサ（Ｃ２）３８が接続されている。

表示装置２０２は、電源回路２０１による電源電圧の供給を受ける。
本実施の形態において、表示装置２０２は、表示デバイス１７、制御マイコン１３、及び、リセットＩＣ１２を備える。

表示デバイス１７は、先に述べたようにフロントガラスなどの投射部材へ投射する画像を表示するために用いられる液晶表示器、表示素子、ＬＥＤ等である。
なお、この他、表示装置２０２には、計器の指針を駆動するためのモータ（図示せず）などが含まれてもよい。

制御マイコン１３は、表示デバイス１７の動作制御などを実行する制御回路である。
リセットＩＣ１２は、詳細は後述するように表示デバイス１７や制御マイコン１３へ供給される電圧（以下、「負荷供給電圧」と称する）Ｖｂが所定の閾値電圧以下となった場合に、制御マイコン１３をリセットし、再起動するものである。リセットＩＣ１２は、制御マイコン１３の外部にあっても、制御マイコン１３の内部に配置されていてもよい。いずれの場合も、制御マイコン１３は、電源電圧が閾値以下になったときにリセットするリセット機能を備えていると解する。

電源電圧監視回路１５は、詳細は後述するように、逆接防止用ダイオード６のカソードの電圧（以下、「電源入力電圧」と称する）Ｖａに応じて、安定化電源回路バイパス回路１６の動作を制御する。
電源電圧監視回路１５は、演算増幅器（ＩＣ１）５、第４のトランジスタ（Ｑ４）４を主たる構成要素として構成されている。電源電圧監視回路１５は、ヒステリシスを有する電圧比較回路が演算増幅器５を中心に構成されている。

演算増幅器５は、その反転入力端子に基準電圧Ｖrefが印加される。基準電圧Ｖrefは、基準電圧ＩＣ１４によって負荷供給電圧Ｖｂを基に生成され、印加される。
演算増幅器５の非反転入力端子には、負荷供給電圧Ｖｂを第１の抵抗器（Ｒ１）２１と第２の抵抗器（Ｒ２）２２で分圧した分圧電圧が印加される。

第１の抵抗器２１と第２の抵抗器２２は、逆接防止用ダイオード６のカソードとグランドとの間に、逆接防止用ダイオード６のカソード側から第１の抵抗器２１、第２の抵抗器２２の順で直列接続されて設けられている。

第１の抵抗器２１と第２の抵抗器２２の相互の接続点は、演算増幅器５の非反転入力端子に接続されている。また、演算増幅器５の非反転入力端子は、第３の抵抗器（Ｒ３）２３を介してＮＰＮ型の第４のトランジスタ４のコレクタに接続されている。この第４のトランジスタ４のエミッタは、グランドに接続されている。

演算増幅器５の出力端子は、次述する安定化電源回路バイパス回路１６の第４の抵抗器（Ｒ４）２４を介してＰＮＰ型の第２のトランジスタ（Ｑ２）２のベースに接続されている。
第４のトランジスタ４のベースは、次述する安定化電源回路バイパス回路１６の第１０の抵抗器（Ｒ１０）３０を介して第２のトランジスタ２のコレクタに接続されている。

安定化電源回路バイパス回路１６は、詳細は後述するように、電源電圧監視回路１５による制御に応じて、安定化電源回路１１をバイパスし、逆接防止用ダイオード６のカソード側の負荷供給電圧Ｖｂを、表示装置２０２の入力段へ印加する。

図１に示された安定化電源回路バイパス回路１６は、ＰチャンネルＭＯＳトランジスタである第１のトランジスタ（Ｑ１）１、ＰＮＰ型トランジスタである第２のトランジスタ２、及び、ＮＰＮ型トランジスタである第３のトランジスタ（Ｑ３）３を主たる構成要素として構成されている。

第１のトランジスタ１は、ソースが逆接防止用ダイオード６のカソードに、ドレインが第２のコイル３６と第２の電解コンデンサ３８との接続点に、それぞれ接続されている。
第１のトランジスタ１のゲートは、第９の抵抗器（Ｒ９）２９を介して第３のトランジスタ３のコレクタに接続されると共に、第８の抵抗器（Ｒ８）２８を介してソースに接続されている。

第３のトランジスタ３のエミッタは、グランドに接続されている。
第３のトランジスタ３のベースは、第６の抵抗器（Ｒ６）２６を介して第２のトランジスタ２のコレクタに接続されると共に、第７の抵抗器（Ｒ７）２７を介してグランドに接続されている。

第２のトランジスタ２のエミッタは、第１のトランジスタ１のソースに接続されている。
第２のトランジスタ２のベースは、第５の抵抗器（Ｒ５）２５を介して第１のトランジスタ１のソースに接続されると共に、先に述べたように第４の抵抗器２４を介して演算増幅器５の出力端子に接続されている。

第１１の抵抗器（Ｒ１１）３１の一端は、第４のトランジスタ４のベースに接続される一方、他端はグランドに接続されている。

次に、上記構成を有する車載計器３１０の動作を説明する。
最初に、車両用バッテリ３２２の出力電圧（以下、「バッテリ電圧」と称する）が正常な範囲にある場合について説明する。
バッテリ電圧が正常な範囲に有る場合とは、換言すれば、バッテリ電圧がリセット閾値電圧以上であり、制御マイコン１３のリセットが生じない変動範囲にある場合である。この場合における電源入力電圧Ｖａと制御マイコン１３への負荷供給電圧Ｖｂ、及び、第１のリセット閾値電圧Ｖｃとの関係について、図２を参照しつつ説明する。

電源入力電圧Ｖａは、逆接防止用ダイオード６のカソードにおける電圧である。
負荷供給電圧Ｖｂは、表示装置２０２に供給される電圧で、第２のコイル３６と第２の電解コンデンサ３８の接続点における電圧である。
第１のリセット閾値電圧Ｖｃは、リセットＩＣ１２が制御マイコン１３をリセットする際の電圧である。

バッテリ電圧は、車両が運転状態にある場合、種々の要因により変動し、それに伴い電源入力電圧Ｖａも、図２に例示するように、変動する。
図２に示すように、電源入力電圧Ｖａが変動しても、その変動の範囲が、安定化電源回路１１による電圧安定化動作を維持可能な範囲であれば、制御マイコン１３には、負荷供給電圧Ｖｂが供給される。そして、リセットＩＣ１２の第１のリセット閾値電圧Ｖｃを下回ることはないため、制御マイコン１３はリセットされることなく動作する。

次に、安定化電源回路バイパス回路１６を有しない従来回路において、バッテリ電圧の変動が正常とされる範囲を逸脱し、制御マイコン１３がリセットされる場合について、図４を参照しつつ説明する。
図４に示すように、車両用バッテリ３２２が経年変化等により劣化したり、一時的な過負荷状態が生ずると、電源入力電圧Ｖａが低下し、それに伴い負荷供給電圧Ｖｂも低下する。この時、負荷供給電圧Ｖｂが、第１のリセット閾値電圧Ｖｃを下回るとリセットＩＣ１２により制御マイコン１３がリセットされる。

特に、図４に示すように、負荷供給電圧Ｖｂが第１のリセット閾値電圧Ｖｃの付近で変動する場合には、制御マイコン１３のリセットが度々生じ、動作の安定性が維持できなくなる。

次に、本発明の実施の形態にかかる車載計器３１０の動作について、図３を参照しつつ説明する。
まず、電源電圧監視回路１５において、演算増幅器５の非反転入力端子には、第１及び第２の抵抗器２１，２２による電源入力電圧Ｖａの分圧電圧が印加される。
電源入力電圧Ｖａが正常な変動範囲にある場合、分圧電圧は、演算増幅器５の反転入力端子に印加された基準電圧Ｖrefを下回ることはない。その結果、演算増幅器５は、論理値Ｈｉｇｈに相当する所定の正電圧を出力する。

第１の閾値電圧Ｖｄは、演算増幅器５が論理値Ｈｉｇｈに相当する電圧を出力する状態から以下説明するように論理値Ｌｏｗに相当する電圧を出力する際の演算増幅器５の非反転入力端子における電圧である。

第１の閾値電圧Ｖｄは、次のように定められる。
まず、バッテリ電圧が正常で、電源入力電圧Ｖａが予め設定された値にある場合におけるその電圧を、「標準電源入力電圧」と称すると共にＶａ(ST)と表記する。

第１の閾値電圧Ｖｄは、電源入力電圧Ｖａが標準電源入力電圧Ｖａ(ST)である場合に演算増幅器５の非反転入力端子に印加される電圧である。

上述した演算増幅器５の所定の正電圧の出力は、安定化電源回路バイパス回路１６の第２のトランジスタ２のベースに印加される。その結果、第２のトランジスタ２は、非導通状態となる。
第２のトランジスタ２が非導通状態のため、第３のトランジスタ３も非導通状態となる。

第１のトランジスタ１は、ＰチャンネルＭＯＳトランジスタであるため、ゲートが閾値電圧以下となると導通状態となる。したがって、この場合、第１のトランジスタ１のゲートは、導通状態となる閾値電圧よりも高い電位に維持されるため、第１のトランジスタ１は非導通状態となる。

その結果、安定化電源回路バイパス回路１６は非動作状態となる。すなわち、安定化電源回路１１は、安定化電源回路バイパス回路１６によってバイパスされること無く、入力された電圧を基に安定化された電圧を生成、出力する。

次に、電源入力電圧Ｖａが低下と共に、演算増幅器５の非反転入力端子に印加される電圧が第１の閾値電圧Ｖｄを下回った場合について図３を参照して説明する。

この場合、演算増幅器５は、論理値Ｌｏｗに相当する電圧を出力するオン状態となる。この論理値Ｌｏｗに相当する電圧は、具体例としてはグランド電位である。演算増幅器５の出力がグランド電位となるとＰＮＰ型トランジスタである第２のトランジスタ２は導通状態となる。

第２のトランジスタ２が導通状態となることによって、ＮＰＮ型トランジスタの第３のトランジスタ３のベース電位が上昇するため、第３のトランジスタ３も導通状態となる。

第３のトランジスタ３が導通状態となることで、第１のトランジスタ１のゲート電位が、第１のトランジスタ１を導通状態とするに必要な閾値電圧以下となるため、第１のトランジスタ１が導通状態となる。

第１のトランジスタ１が導通状態となることで、逆接防止用ダイオード６のカソードが表示装置２０２の入力段と接続される。このため、電源入力電圧Ｖａは、第１のコイル３５、安定化電源回路１１、及び、第２のコイル３６を介することなく表示装置２０２に印加されることとなる。

通常、第１のコイル３５、安定化電源回路１１、及び、第２のコイル３６を介して電源入力電圧Ｖａを表示装置２０２に供給する場合、それぞれにおいて電圧降下が生ずる。そのため、表示装置２０２に実際に供給される電圧は、電源入力電圧Ｖａよりも上述の電圧降下分だけ低い電圧となる。

これに対して、本実施の形態においては、電源入力電圧Ｖａが負荷供給電圧Ｖｂとして供給されるため、負荷供給電圧Ｖｂは、上述の電圧降下分だけ第１のリセット閾値電圧に対する余裕が生ずる。

したがって、図３及び図４に示すように、電源入力電圧Ｖａが、制御マイコン１３のリセットが生ずる従来の電圧レベルに達しても、第１のリセット閾値電圧Ｖｃに対して上述の電圧降下分だけ余裕があるため、制御マイコン１３は、従来と異なりリセットされることなくその動作が維持される。

第２のトランジスタ２が導通状態となると、電源電圧監視回路１５においては、第４のトランジスタ４が導通状態となる。その結果、第２の抵抗器２２に第３の抵抗器２３が並列接続される。このため、演算増幅器５の非反転入力端子とグランド間の抵抗値が小さくなり、非反転入力端子に印加される電圧が低下する。

非反転入力端子における印加電圧の引き下げによって、演算増幅器５をオン状態から、論理値Ｈｉｇｈに相当する電圧を出力するオフ状態とするためには、電源入力電圧Ｖａは、上述の電圧低下分だけさらに高い電圧レベルとなる必要がある。

演算増幅器５をオン状態からオフ状態とする際に電源入力電圧Ｖａに必要とされる電圧レベルは、第２の閾値電圧Ｖｅとなる。すなわち、電源入力電圧Ｖａが第２の閾値電圧Ｖｅを上回ると演算増幅器５はオン状態からオフ状態となる。第１の閾値電圧Ｖｄと第２の閾値電圧Ｖｅは、第１の閾値電圧Ｖｄ＜第２の閾値電圧Ｖｅの関係となる。

このように、演算増幅器を中心に構成される電圧比較回路は、そのオン、オフの際の入力電圧に電圧差、すなわち、いわゆるヒステリシス特性を有している。
このようなヒステリシス特性を設けたのは、入力電圧が閾値電圧の近傍で変動しても、安定した動作を確保するためである。

電源入力電圧Ｖａが上昇し、第２の閾値電圧Ｖｅを越えると、演算増幅器５は、オフ状態となり、論理値Ｈｉｇｈに相当する電圧を出力する。
その結果、第１乃至第４のトランジスタ１〜４は、全て非導通状態となり、安定化電源回路バイパス回路１６は非動作状態（バイパスの停止）となる。

すなわち、安定化電源回路１１による表示装置２０２への電源電圧の供給が再開されることとなる。

第４のトランジスタ４が非導通状態となることで、第２の抵抗器２２に対する第３の抵抗器２３の並列接続は解消される。
その結果、演算増幅器５の入力段における閾値電圧は、再び第１の閾値電圧Ｖｄに戻る。

なお、安定化電源回路バイパス回路１６が作動して、表示装置２０２に安定化していない電圧を供給する場合に、安定化電源回路１１をオフし、消費電力を抑えるようにしてもよい。この場合、例えば、第１のトランジスタ１のゲート電位を、安定化電源回路１１のＩＣチップのローアクティブのチップイネーブル端子に供給する等すればよい。なお、チップイネーブル端子がハイアクティブの場合には、第１のトランジスタ１のゲート電位の反転電圧を供給してもよい。安定化電源回路１１をオフさせる構成自体は任意である。

なお、車両用バッテリが現在の鉛電池から新型電池に切り替えられ、それに伴いバッテリ電圧が、例えば、１２Ｖから５乃至７Ｖ程度の低圧に変更される可能性がある。このような場合、車両用電源回路に本発明を適用することによって、安定化電源回路の使用の要否を必要に応じて選択して電圧降下の低減を図ることが可能となる。

上記実施の形態においては、車載計器３１０を例に、この発明を説明した。ただし、本願発明は、車載計器に限定されない。電源電圧の低下によりリセットされる機能を有するプロセッサ、マイクロコンピュータ、コンピュータ、制御装置、を備える種々の回路及び装置に適用可能である。

本発明は、車両に用いられる種々の回路の電源回路に適用可能である。

１１安定化電源回路
１２リセットＩＣ
１３制御マイコン
１５電源電圧監視回路
１６安定化電源回路バイパス回路

Claims

車両用バッテリの電圧を安定化し、車両負荷へ供給する安定化電源回路と、
前記車両用バッテリの電圧が閾値を下回った場合に、前記車両用バッテリの電圧を前記安定化電源回路をバイパスして前記車両負荷へ供給するバイパス回路と、
を備える車両用の電源回路。
前記車両用バッテリの電圧が第１の閾値電圧を下回った際に、前記バイパス回路に前記安定化電源回路をバイパスさせる電源電圧監視回路を備える、
ことを特徴とする請求項１に記載の車両用の電源回路。
前記電源電圧監視回路は、前記車両用バッテリの電圧が、前記第１の閾値電圧より高い第２の閾値電圧を上回った際に、前記バイパス回路にバイパスを停止させる、
ことを特徴とする請求項２に記載の車両用の電源回路。
前記バイパス回路から前記車両負荷に電源電圧を供給しているときに、前記安定化電源回路を停止させる手段を備える、
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の車両用の電源回路。
前記車両負荷は、供給される電源電圧が閾値以下となったときに、リセットされる制御回路を含む、
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の車両用の電源回路。
前記車両用バッテリは、バッテリと該バッテリの充電器を含み、
前記車両負荷は、供給される電源電圧が閾値以下となったときに、リセットされる制御回路を含む車両用表示装置を備える、
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電源回路。
バッテリの電圧を安定化し、負荷へ供給するステップと、
バッテリの電圧が所定の閾値を下回ったときに、バッテリの出力電圧を前記負荷へ供給するステップと、
を備える電源供給方法。