JP2004030266A

JP2004030266A - 電源回路

Info

Publication number: JP2004030266A
Application number: JP2002186016A
Authority: JP
Inventors: Akio Kojima; 小島　章夫; Junichi Nagata; 永田　淳一
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-06-26
Filing date: 2002-06-26
Publication date: 2004-01-29
Anticipated expiration: 2022-06-26
Also published as: US20040113599A1; JP3829765B2; US7400125B2; US20060158164A1

Abstract

【課題】シリーズレギュレータ型の電源回路において、出力電源端子側から入力電源端子側に流れる逆方向電流を防止する。
【解決手段】ＩＧスイッチ２３がオフの時、トランジスタ２９のエミッタ・ベース間が出力電圧Ｖｏによる逆方向電流を阻止し、電源回路２８の出力から負荷回路２６への電流回り込みを防止する。ＩＧスイッチ２３がオンの時、トランジスタ３８が抵抗３０に電流Ｉａを供給するとともに定電流回路３９がその電流Ｉａを吸い込むので、電源回路２７は、負荷電流の大小にかかわらず出力電圧Ｖｏを目標出力電圧に定電圧制御することができる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリーズレギュレータ型の電源回路に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
図３は、車載電子機器（ＥＣＵなど）で用いられている電源回路の電気的構成を示している。この電源回路１は、バッテリ２からＩＧスイッチ３を介して電圧ＶＢが与えられる電源回路４（主電源）と、バッテリ２から直接電圧ＶＢが与えられる電源回路５（補助電源）とから構成されている。これら２系統の電源回路４、５は、互いに異なる目標出力電圧を持つシリーズレギュレータであって、それぞれの出力端子６は共通に接続された上で負荷回路７に接続されている。電源回路４の入力側には、他の負荷回路８が接続されており、電源回路４、５の入出力端子間に介在する主トランジスタ９、１０のエミッタ・ベース間には、それぞれ抵抗１１、１２が接続されている。
【０００３】
この構成において、ＩＧスイッチ３がオンしている時には電源回路４と５がともに動作し、出力端子６の電圧Ｖｏは電源回路４と５の目標出力電圧のうち高い方の電圧に整定される。一方、ＩＧスイッチ３がオフしている時には電源回路５のみが動作し、出力端子６の電圧Ｖｏは電源回路４の目標出力電圧に整定される。この後者の場合、ＰＮＰ形トランジスタ９のコレクタ・ベース間が順方向となるため、負荷回路８の構成によっては電源回路５側からトランジスタ９のコレクタ・ベース間、抵抗１１を介して負荷回路８に逆方向電流が流れてしまう。
【０００４】
これに対しては、ＩＧスイッチ３とトランジスタ９との間に逆方向電流阻止のためのダイオードを設ける手段が考えられるが、この手段では電源回路４の入力電圧がダイオードの順方向電圧Ｖｆだけ低下するので、バッテリ電圧ＶＢに対する最低動作電圧の上昇を招いてしまう。この逆方向電流の問題は、出力を共通とする２系統の電源回路４、５に限らず、たとえ１系統の電源回路であっても負荷回路７側から電圧が印加されることのある構成においては起こり得る。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、シリーズレギュレータ型の電源回路において、出力電源端子側から入力電源端子側に流れる逆方向電流を阻止可能な電源回路を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載した手段によれば、電源入出力端子間に介在するトランジスタのエミッタ・ベース間に替えてベース・コレクタ間に抵抗回路が接続されている。この抵抗回路は、ベース電位をコレクタ側の電位に固定して耐ノイズ性を高めるために必要なものである。この接続形態によれば、電源入力端子に入力電圧が印加されていない状態で電源出力端子に電圧が印加された場合、その印加電圧に対し逆方向接続となるトランジスタのエミッタ・ベース間を迂回する電流経路がなくなり、トランジスタのエミッタ・ベース間が有する逆方向電流遮断特性によって逆方向電流を阻止できる。
【０００７】
一方、電源入力端子に入力電圧が印加された場合、トランジスタのベース電位はエミッタ電位に従って入力電圧近くにまで上昇し、抵抗回路には入出力電圧差にほぼ等しい電圧が印加される。この電圧により抵抗回路に流れる電流は、ベース電流としてではなくエミッタ・ベース間に接続された電流迂回回路により供給される。この電流迂回回路の迂回電流と抵抗回路の抵抗値との積は（入力電圧−目標電圧）以上となるように設定されているので、出力電圧が目標電圧に制御されている状態で抵抗回路に流れる電流は、全て電流迂回回路から供給できる。従って、エミッタ・ベース間に抵抗回路を付加したことにより流れるベース電流を抑制でき、ベース電流が流れることによる出力電圧の異常上昇を防止することができる。
【０００８】
この入力電圧印加状態において負荷電流が減少すると、上記出力電圧の異常上昇を抑えるために必要な電流を抵抗回路に流すことができなくなり、抵抗回路の電圧降下が低減して出力電圧の上昇が生じる。そこで、少なくとも迂回電流以上の電流引受能力を持つ電流引受回路が、抵抗回路を介して流れる電流を吸い込みまたは吐き出す。これにより、無負荷状態においても抵抗回路に上記出力電圧の異常上昇を抑えるのに必要な電流を流すことが可能となり、負荷の大小にかかわらず出力電圧を目標電圧に制御することが可能となる。
【０００９】
請求項２に記載した手段によれば、電流引受回路は定電流回路により構成されているので、出力電圧の変動にかかわらず、電流迂回回路から抵抗回路を介して流れる電流を確実に引き受ける（つまり吸い込みまたは吐き出す）ことができ、出力電圧の異常上昇をより確実に防止することができる。
【００１０】
請求項３に記載した手段によれば、電流引受回路は抵抗により構成されているので、出力電圧が目標電圧の場合における引受電流の大きさが電流迂回回路の迂回電流以上となるような抵抗値を設定することにより、出力電圧が目標電圧を超えて異常に上昇することを確実に防止することができる。
【００１１】
請求項４に記載した手段によれば、電源入力端子に入力電圧が印加されておらず電流迂回回路が迂回電流を出力していない時に、電流引受回路は電流引受動作を停止するので、（例えば請求項６記載の構成において）不要な出力電流が流れず電源回路の低消費電力化（高効率化）が図られる。
【００１２】
請求項５に記載した手段によれば、電流迂回回路は定電流回路により構成されているので、入力電圧の変動にかかわらず、抵抗回路の抵抗値との積が最大入出力電圧差以上となるような定電流を確実に流すことができ、出力電圧の異常上昇をより確実に防止することができる。
【００１３】
請求項６に記載した手段によれば、１または複数の補助電源回路が動作している時に、抵抗回路と定電流回路とを備えた主電源回路の動作を停止させても、補助電源回路から主電源回路に回り込む逆方向電流が阻止される。これにより、別途ダイオードなどの逆方向電流阻止回路を用いることなく、電源出力端子を共通化した複数系統の電源回路を構成することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について図１および図２を参照しながら説明する。図１は、車両（自動車）用ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｕｎｉｔ）　の電気的構成のうち特に電源回路に関して詳細に示したものである。ＥＣＵ２１の端子２１ａには、ＩＧ（イグニッション）スイッチ２３を介してバッテリ２２の正極端子が接続されるようになっており、端子２１ｂ、２１ｃには、それぞれバッテリ２２の正極端子、負極端子が接続されるようになっている。
【００１５】
ＥＣＵ２１の筐体内に収められた基板（図示せず）には、ＩＣとして構成された電源回路２４、この電源回路２４から電源電圧の供給を受けて動作する負荷回路２５、および端子２１ａと２１ｃとの間に接続された負荷回路２６が搭載されている。このうち負荷回路２５は、上記電源回路２４とは別のＩＣとして構成されたマイクロコンピュータ（マイコン）を主体として構成されている。このマイコンは、通常動作モードと低消費電力動作モードとの動作切替が可能となっており、低消費電力動作モード時の消費電流は通常動作モード時の消費電流に比べて非常に小さくなる。また、負荷回路２６は、マイコンによってオンオフ制御されるスイッチング素子とソレノイドまたはリレーコイルとの直列回路から構成されている。
【００１６】
電源回路２４は、ＩＣの端子２４ａと２４ｃとの間に形成された電源回路２７（主電源）と、端子２４ｂと２４ｃとの間に形成された電源回路２８（補助電源）とから構成されている。ＩＣの端子２４ａ、２４ｂは、それぞれＥＣＵ２１の端子２１ａ、２１ｂに接続されており、出力端子２４ｃとグランド端子２４ｄは、負荷回路２５の電源入力端子に接続されている。
【００１７】
電源回路２７、２８は、それぞれ５．０Ｖ、４．９Ｖを目標出力電圧とし、端子２４ｃの出力電圧Ｖｏを定電圧制御するシリーズレギュレータである。このうち電源回路２７は、以下のように構成されている。
【００１８】
端子２４ａと２４ｃとの間には、主トランジスタであるＰＮＰ形トランジスタ２９のエミッタ・コレクタ間が接続されており、ベース・コレクタ間には抵抗３０（抵抗回路に相当）が接続されている。ベースは、駆動用のＮＰＮ形トランジスタ３１のコレクタ・エミッタ間を介してグランドに接続されている。
【００１９】
端子２４ｃとグランドとの間には、抵抗３２と３３との直列回路からなる分圧回路３４（電圧検出回路に相当）が接続されており、その分圧点はオペアンプ３５の反転入力端子に接続されている。このオペアンプ３５は端子２４ａから電源供給を受けて動作するもので、オペアンプ３５の出力端子は、前記トランジスタ３１のベースに接続されており、非反転入力端子は、目標出力電圧（５．０Ｖ）に相当する基準電圧Ｖｒ１を出力する基準電圧発生回路３６に接続されている。ここで、トランジスタ３１およびオペアンプ３５が電圧制御回路に相当する。
【００２０】
トランジスタ２９のエミッタ・ベース間および端子２４ｃとグランドとの間には、それぞれバイアス回路３７で生成されるバイアス電圧によって動作するトランジスタ３８（電流迂回回路に相当）および定電流回路３９（電流引受回路に相当）が接続されている。トランジスタ３８、定電流回路３９を構成するトランジスタ４０およびバイアス回路３７を構成するトランジスタ（図示せず）の各ベースおよび各エミッタは共通に接続されている。定電流回路３９において、端子２４ｃとグランドとの間に接続されたトランジスタ４１と、トランジスタ４０とグランドとの間に接続されたトランジスタ４２とはカレントミラー回路を構成している。
【００２１】
一方、電源回路２８は、従来と同様の構成を有している。すなわち、端子２４ｂと２４ｃとの間には、ＰＮＰ形トランジスタ４３のエミッタ・コレクタ間が接続されており、エミッタ・ベース間には抵抗４４が接続されている。ベースは、駆動用のトランジスタ４５のコレクタ・エミッタ間を介してグランドに接続されている。
【００２２】
端子２４ｃとグランドとの間には、抵抗４６と４７との直列回路からなる分圧回路４８が接続されており、その分圧点はオペアンプ４９の反転入力端子に接続されている。このオペアンプ４９は、端子２４ｂから電源供給を受けて動作するもので、オペアンプ４９の出力端子は、前記トランジスタ４５のベースに接続されており、非反転入力端子は、目標出力電圧（４．９Ｖ）に相当する基準電圧Ｖｒ２を出力する基準電圧発生回路５０に接続されている。なお、上述した基準電圧発生回路３６、５０は、例えばバンドギャップ基準電圧回路などから構成されている。
【００２３】
次に、本実施形態の作用について図２も参照しながら説明する。
ＩＧスイッチ２３がオンからオフになると、電源回路２７の動作が停止し、電源回路２８の定電圧動作により４．９Ｖの出力電圧Ｖｏが得られる。この時、後述するようにトランジスタ２９のコレクタ側からエミッタ側への逆方向電流は流れない。負荷回路２５を構成するマイコンは、ＩＧスイッチ２３のオンオフ状態を検出可能に構成されており、ＩＧスイッチ２３がオンからオフになると、マイコンは直ちに通常動作モードから低消費電力動作モードに移行する。従って、電源回路２８は、電源回路２７と比較して電流出力能力が低く設定されており、その分損失の小さい回路となっている。
【００２４】
これに対し、ＩＧスイッチ２３がオフからオンになると、電源回路２７と２８がともに動作状態となる。この時、出力電圧Ｖｏは、電源回路２７と２８の目標出力電圧のうち高い方の電圧である５．０Ｖに整定され、４．９Ｖの目標出力電圧を持つ電源回路２８は、電圧偏差が負になることによりトランジスタ４３をオフ状態に制御する。マイコンは、ＩＧスイッチ２３がオフからオンになると低消費電力動作モードから通常動作モードに移行して電源回路２７から電源供給を受けるようになる。
【００２５】
図２は、従来の電源回路１（図３）から本実施形態の電源回路２４（図１）を得る過程において発明者らによって検討された電源回路の要部の電気的構成を示しており、図１と同一構成部分には同一符号を付している。この図２に示す構成の作用を順次説明することにより、電源回路２４に付加されたトランジスタ３８および定電流回路３９の意義を明らかにする。なお、図２（ａ）、（ｂ）は、何れも電源回路として正常に動作し得ないものである。
【００２６】
図２（ａ）に示す電源回路は、従来の電源回路１に対し、抵抗３０をトランジスタ２９のエミッタ・ベース間ではなくベース・コレクタ間に接続した構成となっている。この構成によれば、ＩＧスイッチ２３がオフされている時、トランジスタ４３から出力された４．９Ｖの定電圧はトランジスタ２９のベース・エミッタ間の接合に対し逆方向電圧となるため、トランジスタ２９を介して負荷回路２６に流れ込む逆方向電流が阻止される。加えて、トランジスタ２９のベース電位がコレクタ側の電位に固定されるため、耐ノイズ性を高めることができる。
【００２７】
しかしながら、ＩＧスイッチ２３がオンされている時には、トランジスタ２９のベース電位はＶＢ−Ｖｆ（Ｖｆ：順方向電圧）となり、抵抗３０にＶＢ−Ｖｆ−Ｖｏに比例した電流が流れる。抵抗３０に流れるこの電流は、トランジスタ３１の状態にかかわらず全てトランジスタ２９のベース電流となるため、そのベース電流に応じて出力電圧Ｖｏが目標出力電圧（５．０Ｖ）を超えて上昇してしまう。
【００２８】
これに対し、図２（ｂ）に示す電源回路は、図２（ａ）に示す電源回路にトランジスタ３８を付加した構成となっている。このトランジスタ３８は、抵抗３０の抵抗値をＲａとして、次の（１）式で示す電流Ｉａ以上の定電流Ｉ１（迂回電流に相当）を出力する。
Ｉ１≧Ｉａ＝（ＶＢ−Ｖｆ−５．０）／Ｒａ　　　　　　　…（１）
この場合、Ｖｆが（ＶＢ−５．０）よりも十分に小さい場合には、（１）式は次の（２）式により近似できる。
Ｉ１≧Ｉａ＝（ＶＢ−５．０）／Ｒａ　　　　　　　　　　…（２）
【００２９】
この構成によれば、ＩＧスイッチ２３がオンされている時に抵抗３０に流れる電流は、トランジスタ２９のベース電流としてではなくトランジスタ３８により供給される。従って、ある程度の負荷電流が流れる状況下では、オペアンプ３５がトランジスタ３１を介してトランジスタ２９のベース電流を制御することにより、出力電圧Ｖｏの定電圧制御が可能となる。この場合、余分な電流（Ｉ１−Ｉａ）は、トランジスタ３１を通してグランドに流れる。しかしながら、この構成としても、電源回路の出力電流ＩｏがＩａよりも減少すると、抵抗３０に電流Ｉａを流すことができなくなり出力電圧Ｖｏが上昇するという問題が生じる。
【００３０】
そこで、図１に示す本実施形態の電源回路２４には、出力電流のうちトランジスタ３８が出力する電流Ｉ１と等しい一定の電流Ｉ２を吸い込む定電流回路３９が付加されている。本実施形態ではＩ１＝Ｉ２としたが、電流Ｉ２は少なくとも次の（３）式の関係を満たせば良い。
Ｉ２≧Ｉ１　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…（３）
【００３１】
本実施形態ではＩ１＝Ｉ２≧Ｉａの関係が成立するため、定電流回路３９は、出力電圧Ｖｏが５．０Ｖに制御された状態で抵抗３０に流れる電流Ｉａを全て吸い込むことができる。これにより、電源回路２４から負荷回路２５に流れる負荷電流が減少しても、抵抗３０に電流Ｉａを流し続けることが可能となり、出力電圧Ｖｏの異常上昇を抑えることができる。
【００３２】
以上説明したように、本実施形態の電源回路２４は、出力を共通とする２つの電源回路２７、２８から構成されており、このうちＩＧスイッチ２３の状態に応じて入力電圧の供給が停止する電源回路２７について、トランジスタ２９のエミッタ・ベース間に替えてベース・コレクタ間に抵抗３０を接続した。これにより、ＩＧスイッチ２３がオフの時に、トランジスタ２９のエミッタ・ベース間が出力電圧Ｖｏによる逆方向電流を阻止するので、電源回路２８から負荷回路２６への電流回り込みを防止することができる。また、トランジスタ２９のベース電位がコレクタ側の電位に固定されるので耐ノイズ性を高めることができる。
【００３３】
一方、ＩＧスイッチ２３がオンの時、トランジスタ３８が抵抗３０に電流Ｉａを供給するとともに定電流回路Ｉ２がその電流Ｉａを吸い込むので、電源回路２７は、負荷電流の大小にかかわらず出力電圧Ｖｏを目標出力電圧（５．０Ｖ）に定電圧制御することができる。
【００３４】
車両のＥＣＵはバッテリ２２を電源としているため、車両が未使用状態であってＩＧスイッチ２３がオフされている時は、マイコンを低消費電力動作モードに移行させるなどして消費電流（暗電流）を極力低減させる必要がある。電源回路２７にはトランジスタ３８と定電流回路３９が付加されているが、これらトランジスタ３８と定電流回路３９はＩＧスイッチ２３がオンの時だけ定電流を出力するので、上記暗電流を増加させることもない。
【００３５】
なお、本発明は上記し且つ図面に示す実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のように変形または拡張が可能である。
電流引受回路には定電流回路３９に替えて抵抗を用いても良い。この場合の抵抗値Ｒｂは、次の（４）式のように設定すれば良い。
Ｒｂ≦５．０／Ｉ１　　　　　　　　　　　　　　　　　　…（４）
この場合、ＩＧスイッチ２３がオンの時だけ抵抗に電流が流れるように、抵抗と直列にスイッチ回路を設けると良い。
【００３６】
トランジスタ２９のエミッタ・ベース間に接続する電流迂回回路は、そのベース側からエミッタ側へ流れる逆方向電流を阻止する特性を有し且つ電流Ｉ１を流すことができる回路であれば定電流回路に限られない。
主トランジスタとしてＮＰＮ形トランジスタ２９を用いるシリーズレギュレータに対しても同様の構成が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示すＥＣＵの電源回路の電気的構成図
【図２】本発明の電源回路を得る途中過程で検討された電源回路の要部の電気的構成図
【図３】従来技術を示す図１相当図
【符号の説明】
２４、２７、２８は電源回路、２４ａは端子（電源入力端子）、２４ｃは端子（電源出力端子）、２９はトランジスタ、３４は分圧回路（電圧検出回路）、３０は抵抗（抵抗回路）、３８はトランジスタ（電流迂回回路）、３９は定電流回路（電流引受回路）である。

Claims

電源入力端子と電源出力端子との間にエミッタ・コレクタ間が接続されたトランジスタと、
前記電源出力端子の電圧を検出する電圧検出回路と、
前記トランジスタのベースに接続され、前記検出された出力電圧とその目標電圧とに基づいて前記トランジスタのベース電流を制御する電圧制御回路と、
前記トランジスタのベース・コレクタ間に接続された抵抗回路と、
前記トランジスタのエミッタ・ベース間に接続され、前記トランジスタを迂回して所定の迂回電流を流す電流迂回回路と、
前記電源出力端子に接続され、出力電流のうち所定の引受電流を吸い込みまたは吐き出す電流引受回路とを備え、
前記引受電流の大きさが前記迂回電流以上に設定されているとともに、前記迂回電流と前記抵抗回路の抵抗値との積が前記電源入力端子の電圧と前記目標電圧との差電圧以上となるように設定されていることを特徴とする電源回路。
前記電流引受回路は、定電流回路により構成されていることを特徴とする請求項１記載の電源回路。
前記電流引受回路は、抵抗により構成されていることを特徴とする請求項１記載の電源回路。
前記電流引受回路は、前記電流迂回回路が迂回電流を出力している時に限り引受電流を吸い込みまたは吐き出すように構成されていることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の電源回路。
前記電流迂回回路は、定電流回路により構成されていることを特徴とする請求項１ないし４の何れかに記載の電源回路。
前記電圧制御とは独立した電圧制御を行う補助電源回路が、前記電源出力端子を共通の電源出力端子として設けられていることを特徴とする請求項１ないし５の何れかに記載の電源回路。