JP2005188936A - 電圧降下式電流計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷電流が大きすぎたり小さすぎたりする場合において、マイコンの損傷を防止し得、また正確に電流計測しながら、電流計測自体が正常に行われているかどうかを判定しやすくする。
【解決手段】シャント抵抗１１から迂回した被計測電流を、出力抵抗１５での電圧降下にて計測して、マイコン１３に出力する。出力抵抗１５からマイコン１３への出力電圧Ｖｏｕｔに対して上限値を設定する上限リミッタ回路１７と、下限値を設定する下限リミッタ回路１９を設ける。マイコン１３への出力が大きすぎたり小さすぎたりするのを防止できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電圧降下式電流計測装置及びそれに関連する技術に関するものである。

例えば自動車等に搭載されて様々な負荷を駆動するのに際して、図９の如く、電流センサ回路１で負荷電流を計測し、その計測結果をマイクロコンピュータ（以下「マイコン」と略称する）２のＡ／Ｄコンバータ３に入力し、マイコン２内のＣＰＵで電流を検出するなどして、発電機等の制御を行うことが行われている。

ここで使用される電流センサ回路１としては、ホール素子を用いたものもあるが、大電流を流す導体の大きさに準じて部品サイズが比較的大きくなり、このため小型化の要請に合致しない場合がある。そこで、電流センサ回路１として、負荷電流が流れる電流経路内にシャント抵抗を配置し、このシャント抵抗に流れる電流を計測することが行われている。

シャント抵抗を用いる電圧降下式の電流センサ回路１は、被測定回路中に抵抗を挿入し、その両端の電圧降下を測定することによって電流値の計測を行うものである。ここで、シャント抵抗の両端の電圧降下をＶ、シャント抵抗の抵抗値をＲとすると、シャント抵抗に流れる電流値Ｉは、オームの法則により次の（１）式で求められる。

Ｉ＝Ｖ／Ｒ …（１）
かかる電流センサ回路１において、シャント抵抗からの出力と負荷電流との相関は、図１０のように線形となる。尚、図１０の横軸はシャント抵抗に流れる負荷電流、縦軸は電流センサ回路１からの出力（電圧値）である。

シャント抵抗を用いる電圧降下式の電流センサ回路１において、図１０のように負荷電流の電流値がＢを超える場合、電流センサ回路１からＡ／Ｄコンバータ３に対して出力値Ａより大きな電圧値が出力されることになる。ここで、Ａ／Ｄコンバータ３の入力限界がαである場合、電流センサ回路１からの出力がαを超過すると、Ａ／Ｄコンバータ３の損傷を招き、ひいてはマイコン２が損傷する事態も生じ得る。

また、電流センサ回路１からの出力が例えばＤより微小である場合、Ａ／Ｄコンバータ３側では、負荷電流に基づくセンサ回路からの出力とノイズとの区別が付きにくくなる。したがって、ノイズにより負荷電流の検出が正確に行われないおそれがある。

このように、電流センサ回路１からの出力が大きすぎる場合と小さすぎる場合は、電流センサ回路１での負荷電流の検出が正確に行われず、さらにこの場合は電流センサ回路１自体が正常に動作しているかどうかも判定しにくくなってしまう。

そこで、本発明の課題は、負荷電流が大きすぎたり小さすぎたりする場合において、マイコンの損傷を防止し得、また正確な電流計測を行いながら、電流計測自体が正常に行われているかどうかを判定しやすくすることにある。

上記課題を解決すべく、請求項１に記載の発明は、導体の電圧降下を計測することによって電流を計測する電圧降下式電流計測装置であって、被計測電流が流れる第１の導体と、前記第１の導体に対して所定の接続点で電気的に接続される第２の導体と、前記第１の導体において前記接続点から前記被計測電流の流れる方向に一定距離離れた第１の点と前記第２の導体において前記接続点から所定の距離離れた第２の点との電位差を比較する電位差比較装置と、前記電位差比較装置からの信号に基づいて、前記第１の点と前記第２の点の電位が等しくなるまで前記第２の導体に計測用電流を流す電流制御装置と、前記計測用電流に応じた出力を行う出力部と、前記出力部からの出力の上限値を規定する上限リミッタ回路とを備えるものである。

請求項２に記載の発明は、導体の電圧降下を計測することによって電流を計測する電圧降下式電流計測装置であって、被計測電流が流れる第１の導体と、前記第１の導体に対して所定の接続点で電気的に接続される第２の導体と、前記第１の導体において前記接続点から前記被計測電流の流れる方向に一定距離離れた第１の点と前記第２の導体において前記接続点から所定の距離離れた第２の点との電位差を比較する電位差比較装置と、前記電位差比較装置からの信号に基づいて、前記第１の点と前記第２の点の電位が等しくなるまで前記第２の導体に計測用電流を流す電流制御装置と、前記計測用電流に応じた出力を行う出力部と、前記出力部からの出力の下限値を規定する下限リミッタ回路とを備えるものである。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の電圧降下式電流計測装置であって、前記出力部からの出力の上限値を規定する上限リミッタ回路をさらに備えるものである。

請求項４に記載の発明は、請求項１または請求項３に記載の電圧降下式電流計測装置であって、前記上限リミッタ回路が、少なくとも一対のダイオードが互いに相反する向きに直列接続されてなり、前記出力部に並列に接続されるものである。

請求項５に記載の発明は、請求項１または請求項３に記載の電圧降下式電流計測装置であって、前記上限リミッタ回路が、前記出力部から与えられる入力電圧と、前記上限値を規定する基準電圧とが入力され、前記入力電圧が前記基準電圧より大きくなった場合に当該入力電圧を前記基準電圧に一致させるオペアンプを備えるものである。

請求項６に記載の発明は、請求項１に記載の電圧降下式電流計測装置であって、前記下限リミッタ回路が、前記第１の導体に電流を供給する電源と前記出力部との間に接続され、前記第１の導体に流れる電流が所定の値以下となったときに、前記出力部の出力を前記電源の分圧により前記下限値に設定するバイアス抵抗である。

請求項１及び請求項３に記載の発明の電圧降下式電流計測装置は、上限リミッタ回路により出力部からの出力の上限値を設定できるため、出力先であるマイコンへの過大入力による損傷等を防止できる。また、電圧降下式電流計測装置からの出力が上限値を超えた場合には、電圧降下式電流計測装置自体に短絡等の異常状態が発生していると考えられるので、電圧降下式電流計測装置の異常状態を把握しやすくなる。

請求項２に記載の発明の電圧降下式電流計測装置は、下限リミッタ回路により出力部からの出力の下限値を設定できるため、ノイズ等により出力に変化が起きても、下限値を設定していない場合に比べてその影響が少なくなり、正確な電流計測を行うことができる。また、電圧降下式電流計測装置からの出力が下限値を下回っている場合には、電圧降下式電流計測装置自体に短絡等の異常状態が発生していると考えられるので、電圧降下式電流計測装置の異常状態を把握しやすくなる。

請求項４に記載の発明の電圧降下式電流計測装置は、複数のダイオードからなる簡易な構成の上限リミッタ回路を形成するだけで、出力部の両端電圧の上限を容易に設定できるので、安価な上限リミッタ回路で、出力電圧の出力先であるマイコンの損傷等を防止でき、コストの上昇を低減できる。

請求項５に記載の発明の電圧降下式電流計測装置は、上限リミッタ回路がオペアンプを備え、このオペアンプにより、出力部からの入力電圧が基準電圧より大きくなった場合に当該入力電圧を前記基準電圧に一致させるので、正確で且つ応答性の高い電流計測を行うことができる。

請求項６に記載の発明の電圧降下式電流計測装置は、バイアス抵抗を設けるだけの簡単で安価な構成で下限値を設定できるので、コストの上昇を低減できる。

｛第１実施形態｝
図１は本発明の第１実施形態に係る電圧降下式電流計測装置を示すブロック図である。この電圧降下式電流計測装置（以下「電流センサ回路」と称す）１０は、図１の如く、電源＋Ｂから負荷Ｍに至る電源経路に配置されるシャント抵抗１１の電圧降下を計測することによって電流を計測し、その計測結果をマイコン１３に出力するものであって、特に電流センサ回路１０の出力部１５に、図２のようにその出力の上限値Ｖｍａｘを規定する上限リミッタ回路１７と、その出力の下限値Ｖｍｉｎを規定する下限リミッタ回路１９とを備えたものである。

＜電流センサ回路の基本構成＞
上限リミッタ回路１７及び下限リミッタ回路１９を説明する前に、まず電流センサ回路１０の基本構成を説明する。図３は、本実施形態の電流センサ回路１０から上限リミッタ回路１７及び下限リミッタ回路１９を省略した基本構成を示したブロック図、図４は、同じく電流センサ回路１０の基本構成を示した回路図である。

一般に、自動車など小電流〜大電流までを扱う環境においては、ジャンクション・ボックスと称される配線部品等での配電に、バスバーと呼ばれる銅や銅合金もしくはアルミなどで作られた板状の金属片が使用されることがあり、このバスバーを、負荷Ｍに与える電流計測のためのシャント抵抗１１として利用することが可能である。

例えばバスバーの金属材料として銅を使用する場合、この銅の抵抗温度係数は、およそ０．００４／℃である。そして、自動車内の回路でシャント抵抗１１を使用する場合、雰囲気温度が−４０℃〜＋８５℃または＋１２５℃と温度変化の幅が１００℃以上と大きい。このように雰囲気温度の温度差が１００℃あれば、その抵抗値は１．４倍となる。よって、シャント抵抗１１としてバスバーを用いて正確な電流値を知るためには、何らかの手段により抵抗値を補正する必要がある。

この電流センサ回路１０は、例えば、自動車に搭載される各種の負荷Ｍに電源を供給する際に、負荷Ｍに与える負荷電流（被計測電流）Ｉ１を計測するものであって、シャント抵抗１１と同じ抵抗温度係数を有する材料（同じ材料を含む）で構成された温度補償用抵抗体を設け、この温度補償用抵抗体をシャント抵抗１１に近接して配置すれば、シャント抵抗１１と温度補償用抵抗体との温度変化が互いに同等となることを利用して、抵抗値の温度変化の補正を行う。具体的に、この電流センサ回路１０は、例えば負荷Ｍが接続されるジャンクションボックス等に内装されたもので、負荷Ｍに負荷電流Ｉ１を供給するためのシャント抵抗（以下「第１の導体」と称す）１１と、この第１の導体１１内の所定の接続点Ｐｃｎに接続する上記の温度補償用抵抗体としての第２の導体２２と、第１の導体１１内において上記の接続点Ｐｃｎから負荷電流Ｉ１の流れる方向に一定距離だけ離れた点Ａ（第１の点）の電位と第２の導体２２内において上記接続点Ｐｃｎから所定の距離だけ離れた点Ｂ（第２の点）の電位とを比較する電位差比較装置２３と、点Ｂの電位と点Ａの電位が等しくなるまで第２の導体２２に上記の接続点Ｐｃｎから点Ｂに向かって計測用電流Ｉ２を流す電流制御装置２４と、この計測用電流Ｉ２を計測してその計測結果を電圧値Ｖｏｕｔとしてマイコン１３に出力する出力部１５とを備える。

第１の導体１１は、図３の如く、従来よりジャンクションボックス内等で使用されている既存の短冊状の金属片としてのバスバーをそのまま利用して構成する。この金属片としてのバスバーの材料として例えば銅が使用される。

第２の導体２２は、図３の如く、例えばその端部が第１の導体１１中の所定の接続点Ｐｃｎに接続され、第１の導体１１と同じ抵抗温度係数を持つ金属材料（例えば銅）が使用される。この第２の導体２２は、例えば所定のプリント配線基板上に形成されるプリント配線パターンとして実現されても差し支えない。ここで述べたプリント配線基板とは、ガラスやエポキシ樹脂等を使用した硬質の配線基板上にプリント配線が形成されてなるものの他、フレキシブル配線基板（ＦＰＣ）が適用されてもよい。

この第２の導体２２の抵抗値は、第１の導体１１の抵抗値と異なって設定していても差し支えなく、例えば１０，０００：１等の所定の比率に設定される。

そして、第１の導体１１と第２の導体２２の温度に対する変化をほぼ同等とするために、両導体１１，２２が互いに近接して配置され、また、両導体１１，２２の接続点Ｐｃｎ以外の部分は、絶縁シール等の絶縁部材が用いられるなどにより、互いに絶縁されている。そして、両導体１１，２２の抵抗温度係数が上述のように同一とされることで、この両導体１１，２２の温度変化に対する抵抗値の変化率が同等とされる。これにより、第２の導体２２の電流を計測すれば、第１の導体１１の温度変化に対する抵抗値の変化率を考慮した計測を行うことができることから、計測時に両導体１１，２２の温度係数をキャンセルすることができる。

電位差比較装置２３は、図４に示したような演算増幅器（オペアンプ）であり、非反転入力端子が、図３のように第１の導体１１における上記接続点Ｐｃｎよりも負荷Ｍ側の中間点である接続点Ａに接続される。また、図４に示した反転入力端子が、図３のように第２の導体２２の点Ｂに接続され、図４の如く、両入力端子に与えられる電圧の差分が出力端子から出力される。

そして、図３において、接続点Ｐｃｎと接続点Ａとの離間距離は、この間を流れる電流に対する抵抗値を規定することになるが、通電時に接続点Ｐｃｎと接続点Ａとの間で所定の電圧降下が生じて電位差比較装置２３での電圧検知精度に適応するような抵抗値を有するように、接続点Ｐｃｎと接続点Ａとの離間距離が設定される。このようにする場合、第１の導体１１としてバスバーを採用し、そのバスバーの中間位置を接続点Ｐｃｎ及び接続点Ａとしているので、電位差比較装置２３での電圧検知精度に適応するような電圧降下を実現する場合に、その抵抗値を決定するための接続点Ｐｃｎと接続点Ａとの離間距離の設定を極めて容易に行うことができ便利である。

また、この電位差比較装置２３の電源は、基本的には計測電流が流れる電源＋Ｂから生成すればよいが、この電位差比較装置２３の電源電圧及び入力電圧範囲など電位差比較装置２３の仕様によって電源回路を構成する必要があるため、電源＋Ｂの電位から昇圧／降圧を行って、電位差比較装置２３の正・負（もしくは正・ＧＮＤ）の電源とすることが望ましい。この昇圧／降圧のための電源回路２７としては、例えば図５の如く、昇圧用のチャージポンプ回路２８及び降圧用のドロッパ式レギュレータ２９を併用して行えばよい。具体的には、チャージポンプ回路２８を利用して電源（＋Ｂ）より高い電位Ｖ＋をつくり出し、またドロッパ式レギュレータ２９によって、電源（＋Ｂ）より低い電位Ｖ−をつくり出す。そして、チャージポンプ回路２８で昇圧された電位Ｖ＋とドロッパ式レギュレータ２９によって降圧された電位Ｖ−との電位差を電源として電位差比較装置２３に与えることにより、高価なRail-to-Rail入力の仕様でないオペアンプを使用した電位差比較装置２３であっても問題なく動作させることができる。よって、電位差比較装置２３として安価なオペアンプを使用することが可能となる。尚、電源回路２７として、チャージポンプ回路２８及びドロッパ式レギュレータ２９を使用する代わりに、昇圧／降圧用のＤＣ／ＤＣコンバータを使用しても差し支えない。

電流制御装置２４は、ＰチャネルＦＥＴであって、ソースが第２の導体２２の点Ｂに接続され、ドレインが出力部１５に接続される。そして、電流制御装置２４のゲートは電位差比較装置２３の出力端子に接続されている。即ち、点Ｂからは、電位差比較装置２３の反転入力端子への経路と、電流制御装置２４への経路の２経路に分岐した回路が構成されていることになる。

これにより、図３及び図４中の第１の導体１１に負荷電流Ｉ１が流れた際に生じる第１の導体１１での電圧降下によって電位差比較装置２３が電流制御装置２４のゲート入力を制御し、Ａ点とＢ点の電圧降下が等しくなるようにＢ点に電流Ｉ２が流れることになる。

出力部１５は、図４の如く、計測用電流Ｉ２を電圧に変換するための出力抵抗であり、この出力抵抗としての出力部１５の一端の電位をマイコン１３内のＡ／Ｄ変換器（図９中に示したＡ／Ｄ変換器３）に出力する。このように、出力部１５として簡単な出力抵抗で構成しているので、安価な電流センサ回路１０を構成できる。

＜下限リミッタ回路の構成＞
そして、本実施形態の電流センサ回路１０は、負荷電流Ｉ１がゼロ値以下となった場合に、出力部１５からの出力Ｖｏｕｔを所定の下限値Ｖｍｉｎに固定する下限リミッタ回路１９が備えられている。

図６は、図４に示した電流センサ回路１０の基本構成に下限リミッタ回路１９を設置した状態を示す回路図である。この下限リミッタ回路１９は、出力部１５としての出力抵抗と電源（＋Ｂ）とを直結するバイアス抵抗であり、負荷電流Ｉ１がゼロ値となる場合に、電源（＋Ｂ）バイアス抵抗である下限リミッタ回路１９と出力抵抗である出力部１５との分圧により、この出力部１５の電圧を下限値Ｖｍｉｎに固定するようになっている。この下限値Ｖｍｉｎは、ノイズの混入によってもそのノイズの成分を無視できる程度の正の値に設定するものである。

そして、マイコン１３は、出力部１５からの出力が下限値Ｖｍｉｎとなったときに、電流センサ回路１０に異常が発生したものとして、所定の警報ランプ（図示省略）を点滅させる等により警報を発するようになっている。

＜上限リミッタ回路の構成＞
本実施形態の電流センサ回路１０は、上述のように、負荷電流Ｉ１が所定の値Ｂ以上となることにより、出力部１５からの出力値が所定の上限値Ｖｍａｘ以上となった場合に、その上限値Ｖｍａｘを出力Ｖｏｕｔとする上限リミッタ回路１７が備えられている。

図７は、図４に示した電流センサ回路１０の出力部１５に上限リミッタ回路１７を設置した状態を示す回路図である。この上限リミッタ回路１７は、一対のダイオード３１，３２を互いに相反する向きに直列接続して構成された直列回路であり、この直列回路としての上限リミッタ回路１７が出力部１５に並列に接続される。

ここで、第１のダイオード３１は出力部１５の電圧に対して逆方向接続されるため、ツェナーダイオードとして機能する。また、第２のダイオード３２は、出力部１５の電圧に対して順方向接続されるため、順方向ダイオードとして機能する。そして、ツェナーダイオードとして機能する第１のダイオード３１のツェナー電圧をＶｚとし、順方向ダイオードとして機能する第２のダイオード３２の順方向電圧をＶｆとした場合に、「Ｖｚ＋Ｖｆ＝Ｖｍａｘ」に設定されている。

そして、マイコン１３は、出力部１５からの出力が上限値Ｖｍａｘとなったときに、電流センサ回路１０に異常が発生したものとして、所定の警報ランプ（図示省略）を点滅させる等により警報を発するようになっている。

＜使用方法＞
上記構成の電流センサ回路１０の動作を説明する。

図３及び図４中の電源（＋Ｂ）からの電源電圧が供給されると、第１の導体１１に負荷電流Ｉ１が流れ、この負荷電流Ｉ１が負荷Ｍに供給される。

ここで、第１の導体１１に負荷電流Ｉ１が流れると、第１の導体１１での電圧降下によって、図４の如く、電位差比較装置２３の非反転入力端子がローとなる。そうすると、電位差比較装置２３の出力端子がローとなり、これがＰチャネルＦＥＴである電流制御装置２４のゲートに与えられ、このゲート入力が制御されることで、電位差比較装置２３の動作に基づき図４中のＡ点とＢ点の電圧降下が等しくなるように第２の導体２２に計測用電流Ｉ２が流れる。

この場合、第１の導体１１の抵抗値をＲ１とし、第２の導体２２の抵抗値をＲ２として、「Ｒ１×Ｉ１＝Ｒ２×Ｉ２」となるように、電位差比較装置２３が電流制御装置２４を制御する。かかる動作において、電位差比較装置２３の各入力端子には電流が流れ込まないので、分流電流としての計測用電流Ｉ２は全て電流制御装置２４のドレイン電流として出力部１５に出力される。

出力部１５の出力抵抗としての出力部１５に計測用電流Ｉ２が流れると、この出力部１５の一端に生じる電圧がマイコン１３のＡ／Ｄ変換器に与えられ、これにより計測用電流Ｉ２を計測することで、負荷電流Ｉ１を計測する。

この場合、出力抵抗としての出力部１５の抵抗値をＲｏｕｔ、出力抵抗としての出力部１５の両端電圧をＶｏとすると、「Ｖｏ＝Ｒｏｕｔ×Ｉ２」であり、また「Ｉ２＝（Ｒ１／Ｒ２）×Ｉ１」であるため、「Ｖｏ＝Ｒｏｕｔ×（Ｒ１／Ｒ２）×Ｉ１」である。したがって、負荷電流Ｉ１は、マイコン１３で計測されたＶｏに基づいて、「Ｉ１＝Ｖｏ×（Ｒ２／Ｒ１）／Ｒｏｕｔ」という式により演算で求めることができる。

＜下限リミッタ回路の動作＞
ここで、負荷電流Ｉ１がゼロ値以下（図２）となった場合、下限リミッタ回路１９により、出力部１５からの出力Ｖｏｕｔが所定の下限値Ｖｍｉｎに固定される。

具体的に、負荷電流Ｉ１がゼロ値となる場合には、図６の如く、電源（＋Ｂ）バイアス抵抗である下限リミッタ回路１９と出力抵抗である出力部１５との分圧により、この出力部１５の電圧が下限値Ｖｍｉｎに固定される。このように、負荷電流Ｉ１がゼロ値となっても、出力部１５からの出力Ｖｏｕｔが下限値Ｖｍｉｎに固定されるので、出力部１５からの出力Ｖｏｕｔを、ノイズの混入によってもそのノイズの成分を無視できる程度の正の値に設定することができる。

そして、マイコン１３は、出力部１５からの出力が下限値Ｖｍｉｎとなったときに、電流センサ回路１０に異常が発生したものとして、所定の警報ランプ（図示省略）を点滅させる等により警報を発するなどして、操作者が電流センサ回路１０の異常事態を容易に認識することができる。

＜上限リミッタ回路の動作＞
また、負荷電流Ｉ１が所定の値Ｂ以上（図２）となって出力部１５からの出力値が所定の上限値Ｖｍａｘ以上となった場合に、上限リミッタ回路１７により、出力部１５からの出力Ｖｏｕｔが上限値Ｖｍａｘに固定される。

具体的に、図７の如く、上限リミッタ回路１７の第１のダイオード３１はツェナーダイオードとして機能し、第２のダイオード３２は順方向ダイオードとして機能する。

ここで、図４のように、上限リミッタ回路１７が接続されていないと仮定した場合の出力部１５の両端電圧をＶｏとし、図７のように、上限リミッタ回路１７が接続されている場合の出力部１５の両端電圧をＶｏｕｔとする。図７のように、ツェナーダイオードとして機能する第１のダイオード３１のツェナー電圧をＶｚとし、順方向ダイオードとして機能する第２のダイオード３２の順方向電圧をＶｆとした場合、「Ｖｏ＜（Ｖｚ＋Ｖｆ）＝Ｖｍａｘ」のときには、ツェナーダイオードとしての第１のダイオード３１はオフであるため、上限リミッタ回路１７に電流が流れることはなく、よって図４に示した場合と同様に、「Ｖｏｕｔ＝Ｖｏ」となる。

逆に、「Ｖｏ＞（Ｖｚ＋Ｖｆ）＝Ｖｍａｘ」のときには、ツェナーダイオードとしての第１のダイオード３１がオンとなるため、上限リミッタ回路１７に電流が流れ、よって出力部１５の両端電圧は、この出力部１５に並列接続された上限リミッタ回路１７の両端電圧にまで低下し、「Ｖｏｕｔ＝（Ｖｚ＋Ｖｆ）＝Ｖｍａｘ」となる。

ここで、例えば、第１のダイオード３１のツェナー電圧Ｖｚが４．１ボルトであり、第２のダイオード３２の順方向電圧Ｖｆが０．６ボルトである場合、これらを互いに相反する向きに直列接続した直列回路としての上限リミッタ回路１７に電流が流れると、その直列回路の両端電圧はＶｚ＋Ｖｆ＝４．１＋０．６＝４．７ボルトとなる。したがって、出力部１５の両端電圧Ｖｏｕｔの上限値ＶｍａｘがＶｚ＋Ｖｆ＝４．７ボルトに設定されることになる。

このように、一対のダイオード３１，３２からなる簡易な構成の上限リミッタ回路１７を形成するだけで、出力部１５の両端電圧Ｖｏｕｔの上限を容易に設定できるため、安価な上限リミッタ回路で、出力電圧Ｖｏｕｔの出力先であるマイコンの損傷等を防止できる。そして、電流センサ回路１０からの出力が上限値Ｖｍａｘを超えた場合や、下限値Ｖｍｉｎを下回っている場合には、電流センサ回路１０自体に短絡等の異常状態が発生していると考えられるので、電流センサ回路１０の異常状態を把握しやすくなる。

また、第１の導体１１と第２の導体２２とは同じ抵抗温度係数の材料で構成されており、また両導体１１，２２が互いに近接配置されているため、温度変化に対する抵抗値の変化率はほぼ同一である。したがって、第２の導体２２から流れ出る計測用電流Ｉ２を計測することで、温度変化に対する抵抗値の変化率を演算等によって考慮しなくても、第１の導体１１から流れ出る負荷電流Ｉ１を計測することができる。

さらに、負荷電流Ｉ１を計測する場合に、既存のバスバーをそのままシャント抵抗である第１の導体１１として使用し、これにプリント配線パターンとして実現される第２の導体２２を設置するだけで電流計測を正確に行うことができるので、大きなサイズを余儀なくされるホール素子を使用する場合に比べて、自動車内における設置スペースが増大するのを可及的に低減できる。

さらにまた、バスバーを第１の導体１１とし、そのバスバーの中間位置を接続点Ｐｃｎ及び接続点Ａとしているので、電位差比較装置２３での電圧検知精度に適応するような第１の導体１１での電圧降下を実現する際に、その抵抗値を決定するための接続点Ｐｃｎと接続点Ａとの離間距離の設定を極めて容易に行うことができ便利である。特に、例えば被覆電線等の中間位置の両端電圧を計測する場合などに比べると、バスバーは元々金属面が露出している構成となっているため、両端電圧の取り出しが容易である。

尚、この実施形態において、上限リミッタ回路１７は、一対のダイオード３１，３２が互いに相反する向きに直列接続されて構成されていたが、ダイオードは一対のみで構成されていなくても差し支えなく、３個以上のダイオードを直列に接続してもよい。この場合でも、少なくとも一対のダイオードは、互いに相反する向きに直列接続されている。

｛第２実施形態｝
上記の第１実施形態では、上限リミッタ回路１７として、図７に示したように、一対のダイオード３１，３２を互いに相反する向きに直列接続して構成された直列回路を適用し、この直列回路である上限リミッタ回路１７を出力部１５に並列に接続していた。

このような第１実施形態の場合、各ダイオード３１，３２の製造上のばらつきにより、これらが直列に接続されてなる上限リミッタ回路１７の電圧特性として０．２〜０．３ボルトの誤差が生じるおそれがあり、電圧精度に限界がある。また、ツェナーダイオードとしての第１のダイオード３１のツェナー電圧を利用しているため、数十ｋＨｚ〜数百ｋＨｚ程度に高速に電流値が変化する場合には、その応答性の向上に限界がある。

このことを考慮し、本発明の第２実施形態に係る電流センサ回路１０では、上限リミッタ回路１７として、図８の如く、出力電圧Ｖｏｕｔの上限を、オペアンプ４１を用いて基準電圧Ｖｒｅｆに設定している。

具体的に、この上限リミッタ回路１７は、オペアンプ４１の反転入力端子に、出力抵抗としての出力部１５のハイ側の電圧が、抵抗４２を介して入力される。また、オペアンプ４１の非反転入力端子には、基準電圧Ｖｒｅｆが入力される。この基準電圧Ｖｒｅｆは、図２中のＶｍａｘに等しく設定されている。さらに、オペアンプ４１の出力端子には、ダイオードＤｉのカソードが接続される。このダイオードＤｉのアノードには、オペアンプ４１の反転入力端子の電圧Ｖｉｎ＝出力電圧Ｖｏｕｔが入力される。

尚、符号４３は、出力部１５の抵抗値がオペアンプ４１の入力抵抗に比べて大きい場合、オペアンプ４１の非反転入力端子に接続された抵抗４２を介して、電流がオペアンプ４１側の回路に流れ込んで、誤動作やオペアンプ４１を破壊するのを防止するために挿入するインピーダンス変換回路である。

かかる構成において、オペアンプ４１の反転入力端子に電圧Ｖｉｎが入力され、この電圧Ｖｉｎが基準電圧Ｖｒｅｆより小さい場合（Ｖｉｎ＜Ｖｒｅｆの場合）、オペアンプ４１の出力端子がオフとなるため、ダイオードＤｉに電流が流れることはない。このため、出力電圧Ｖｏｕｔはオペアンプ４１の反転入力端子に入力される電圧Ｖｉｎがそのまま適用される（Ｖｏｕｔ＝Ｖｉｎ）。

一方、オペアンプ４１の反転入力端子への入力電圧Ｖｉｎが基準電圧Ｖｒｅｆより大きい場合（Ｖｉｎ＞Ｖｒｅｆの場合）、このオペアンプ４１の出力端子がオンすることによりダイオードＤｉに電流が流れる。そして、このダイオードＤｉのアノードがオペアンプの反転入力端子に接続されていることから、オペアンプ４１は負帰還接続の状態となり、よってオペアンプ４１は反転入力端子に入力されるＶｉｎ（＝Ｖｏｕｔ）を非反転入力端子に入力される基準電圧Ｖｒｅｆに一致させる（Ｖｏｕｔ＝Ｖｒｅｆ）。即ち、出力抵抗としての出力部１５の両端電圧Ｖｏが基準電圧Ｖｒｅｆ（＝Ｖｍａｘ）よりも大きくなっても、オペアンプ４１によって出力電圧ＶｏｕｔをＶｒｅｆに強制的に設定することになり、これにより出力電圧Ｖｏｕｔの上限値を基準電圧Ｖｒｅｆ（＝Ｖｍａｘ）に設定できる。

かかる上限リミッタ回路１７では、上記した第１実施形態に比較して高価となるが、出力電圧Ｖｏｕｔの上限値を正確に基準電圧Ｖｒｅｆ（＝Ｖｍａｘ）に設定でき、またオペアンプ４１の高速性を利用して高速応答性に優れた上限リミッタ回路１７を構成できる。

本発明の第１実施形態に係る電圧降下式電流計測装置を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態に係る電圧降下式電流計測装置を用いたときの負荷電流とマイコンに対する出力との関係を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る電圧降下式電流計測装置の上限リミッタ回路及び下限リミッタ回路を省略した基本構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態に係る電圧降下式電流計測装置の上限リミッタ回路及び下限リミッタ回路を省略した基本構成を示す回路図である。 本発明の第１実施形態に係る電圧降下式電流計測装置の上限リミッタ回路及び下限リミッタ回路を省略した基本構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態に係る電圧降下式電流計測装置の下限リミッタ回路を示す回路図である。 本発明の第１実施形態に係る電圧降下式電流計測装置の上限リミッタ回路を示す回路図である。 本発明の第２実施形態に係る電圧降下式電流計測装置の上限リミッタ回路を示すブロック図である。 電流センサ回路での電流計測結果がマイコンに出力されている状態を示すブロック図である。 負荷電流と電流センサ回路の出力を示す図である。

符号の説明

１０ 電流センサ回路
１１ シャント抵抗
１１ 第１の導体
１３ マイコン
１５ 出力部
１７ 上限リミッタ回路
１９ 下限リミッタ回路
２２ 第２の導体
２３ 電位差比較装置
２４ 電流制御装置
２７ 電源回路
３１，３２ ダイオード
４１ オペアンプ
Ｄｉ ダイオード
ＦＥＴ チャネル
ＦＰＣ
Ｉ１ 負荷電流
Ｉ２ 計測用電流
Ｍ 負荷

Claims (6)

1. 導体の電圧降下を計測することによって電流を計測する電圧降下式電流計測装置であって、
   被計測電流が流れる第１の導体と、
   前記第１の導体に対して所定の接続点で電気的に接続される第２の導体と、
   前記第１の導体において前記接続点から前記被計測電流の流れる方向に一定距離離れた第１の点と前記第２の導体において前記接続点から所定の距離離れた第２の点との電位差を比較する電位差比較装置と、
   前記電位差比較装置からの信号に基づいて、前記第１の点と前記第２の点の電位が等しくなるまで前記第２の導体に計測用電流を流す電流制御装置と、
   前記計測用電流に応じた出力を行う出力部と、
   前記出力部からの出力の上限値を規定する上限リミッタ回路と
   を備える電圧降下式電流計測装置。
2. 導体の電圧降下を計測することによって電流を計測する電圧降下式電流計測装置であって、
   被計測電流が流れる第１の導体と、
   前記第１の導体に対して所定の接続点で電気的に接続される第２の導体と、
   前記第１の導体において前記接続点から前記被計測電流の流れる方向に一定距離離れた第１の点と前記第２の導体において前記接続点から所定の距離離れた第２の点との電位差を比較する電位差比較装置と、
   前記電位差比較装置からの信号に基づいて、前記第１の点と前記第２の点の電位が等しくなるまで前記第２の導体に計測用電流を流す電流制御装置と、
   前記計測用電流に応じた出力を行う出力部と、
   前記出力部からの出力の下限値を規定する下限リミッタ回路と
   を備える電圧降下式電流計測装置。
3. 請求項２に記載の電圧降下式電流計測装置であって、
   前記出力部からの出力の上限値を規定する上限リミッタ回路をさらに備える電圧降下式電流計測装置。
4. 請求項１または請求項３に記載の電圧降下式電流計測装置であって、
   前記上限リミッタ回路が、少なくとも一対のダイオードが互いに相反する向きに直列接続されてなり、前記出力部に並列に接続される、電圧降下式電流計測装置。
5. 請求項１または請求項３に記載の電圧降下式電流計測装置であって、
   前記上限リミッタ回路が、前記出力部から与えられる入力電圧と、前記上限値を規定する基準電圧とが入力され、前記入力電圧が前記基準電圧より大きくなった場合に当該入力電圧を前記基準電圧に一致させるオペアンプを備える電圧降下式電流計測装置。
6. 請求項１に記載の電圧降下式電流計測装置であって、
   前記下限リミッタ回路が、前記第１の導体に電流を供給する電源と前記出力部との間に接続され、前記第１の導体に流れる電流が所定の値以下となったときに、前記出力部の出力を前記電源の分圧により前記下限値に設定するバイアス抵抗である電圧降下式電流計測装置。

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