JP2005198037A

JP2005198037A - 車両用通信装置

Info

Publication number: JP2005198037A
Application number: JP2004002427A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Maejima; 靖前島
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-01-07
Filing date: 2004-01-07
Publication date: 2005-07-21

Abstract

【課題】車両用通信装置のスリープ、受信および送信の各状態に適合してスイッチングレギュレータの損失を低減し、電源効率を向上する省電力に優れた車両用通信装置を提供することにある。
【解決手段】車両用通信装置1の無線部20のスリープ、受信および送信の各動作状態に対応してスイッチング周波数f_pを変更する周波数設定信号D_fを発生するCPU29と、バッテリィ電圧を、周波数設定信号D_fによって定められたスイッチング周波数f_pで動作するスイッチングレギュレータ100でレギュレートして、無線部20へ供給する直流電圧源P_SDを発生する電源部10を備え、車両用通信装置1の動作状況に応じてスイッチング周波数f_pを制御することにより課題を解決する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電波を使用して情報を授受する車両用通信装置の電源効率向上に関する。

自動車は高度情報化や安全性向上などの社会的ニーズに対応するため、多くの電子機器が搭載されるようになってきた。たとえば、車両の運転を楽にするため、また走行を安全で最適に制御するために、各種のセンサ、アクチュエータとそれらを制御するコンピュータ、また車外とのコミュニケーションに使用される放送受信装置、移動無線、ナビゲーションなどの電子機器が多数搭載されている。このため自動車の電源であるバッテリィの消費電力を低減して燃費を低減するあるいはバッテリィを長持ちさせるなど、これらの電子機器に対して省電力や省エネルギーが求められるようになってきた。

車両用通信装置においては、情報を電波に重畳して遠方に送信する場合があり
高出力の高周波信号を得るために比較的大きな電源電力を必要とする。このため、通信装置にはバッテリィ電圧を所定の電圧に効率良く変換するDC-DCコンバータ等のスイッチングレギュレータが使用されている。従来のスイッチングレギュレータでは使用されるチョークコイルやトランスは、そこを流れる電流に対してその磁束が飽和しないようにするためコア等の磁性体を小形化することが難しい。そこで高い周波数を使用して電流をスイッチングすることで、コイルやトランスに求められるインダクタンスが小さくて済むようにして、その形状をできるだけ小さくするようにしている。しかしながら、従来のスイッチングレギュレータ装置においては、
その電源の負荷電流が最大の時に、すなわち車両用通信装置が最大出力を送信するときに電源効率が最大になるように調整されていることが多い。そのため、車両用通信装置が待受け（見張りのための受信状態と節電のためのスリープ状態が交互に繰り返される）を継続する場合や、送信出力が電波環境等によって自動的に変化する場合等には電源効率が総体的に低下して省電力を保つことができない。このような問題解決の１つとして、スイッチング周波数を送信出力の大小に応じて制御し、その電源効率を向上させる方法が特許文献１に示されている。
特開平４−３６５２２６号公報

しかしながら、このようなスイッチングレギュレータにおいては、車両用通信装置の使用状態に基づいてスリープ時間が長い場合や、送信と受信を交互に繰り返す場合、あるいは用途によって受信状態が連続する場合には、スイッチングレギュレータの負荷電流が小さい時間が使用時間全体の多くの割合を占める。負荷電流がかなり小さい場合には、スイッチング周波数、すなわち電流のスイッチングに使用される半導体スイッチのスイッチング速度に因る、スイッチングレギュレータの内部損失が相対的に大きくなり、結果として電源効率が低下して、このように負荷電流が小さい時間帯が長く続く場合等には省電力を達成することができない。

本発明の課題は、車両用通信装置の送信,受信あるいはスリープの各動作状態に適合して内部損失を低減し、前記のように負荷電流が小さい状態が継続する場合、あるいは負荷電流が小さい時間帯が総体的に大きな時間を占めるような場合においても、高い電源効率を達成できる省電力に優れたスイッチングレギュレータを提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

上記課題を達成するために本発明の車両用通信装置は、
情報を送受信する無線部に対する電源を供給するための、スイッチング周波数の変更可能なスイッチングレギュレータを有する電源部と、
無線部の動作状況に応じてスイッチング周波数を変更する周波数変更手段とを備えたことを特徴とする。

本発明の車両用通信装置は、スイッチングレギュレータのスイッチング周波数を、車両用通信装置の無線部の動作状態、つまりスリープ、受信、送信の各状態に対応して変化させ、その電源効率を向上させる。このようにすると、スリープ時や受信時のように消費電流（負荷電流ともいう）の小さいときに、スイッチング周波数を低くしてその内部損失を低減して電源効率を向上するができる。

また本発明の車両用通信装置は、無線部のスリープ、受信および送信の各動作状態に対応してスイッチング周波数を２段階もしくは３段階に変更するように構成することが好ましい。このようにすると、車両用通信装置は、無線部の各動作状態に対応して、適切なスイッチング周波数でスイッチングレギュレータを動作させるので、各動作状態における電源効率を最適にすることができる。言い換えれば、車両用通信装置はスリープ、受信および送信の総て状態において、常に電源効率を最良に保持することができる。

また本発明の車両用通信装置は、スイッチング周波数の変更が、無線部がスリープ、受信および送信のいずれの状態にあるかを指示する状態指示信号に基づいておこなわれるように構成してもよい。

また本発明の車両用通信装置は、スイッチング周波数の変更が、無線部が動作状態に対応して定めた周波数を設定する周波数設定信号に基づいておこなわれるように構成することもできる。

以下、添付の図面を参照しつつ本発明の車両用通信装置の最良形態を説明する。図１に電源部10と無線部20とから構成される車両用通信装置1の基本ブロック構成を示す。電源部10はバッテリィ電圧を無線部に供給する直流電圧源に電圧変換するDC-DCコンバータであるスイッチングレギュレータ100で構成される。ここで、無線部の構成と機能を以下に、簡単に説明する。搭乗者と音声／画像／keyboard等を介してインターフェースするUser Interface 回路21は送信するデータをまず、ベースバンド信号処理回路22に送って、データ圧縮・帯域圧縮等の信号処理をすると同時に通信情報の品質を向上するための符号誤り制御（誤り検出・誤り訂正符号の付加）をおこなって変調器23に情報を送る。変調器23では受けた情報を、多重化通信方式（例えば、FDMA、TDMA、CDMAなど）に適したデジタル変調をおこなって信号処理し、高周波信号であるキャリアに重畳した変調信号を発生して送信高周波部24に送る。送信高周波部24ではその変調信号を周波数変換したりフイルタ処理して所定の通信バンドの周波数に変えて、さらに適切なレベルに高周波電力増幅して送信信号を発生し、Duplexerを介してアンテナ26に送り電波として空間に放射する。

他方、アンテナ26で受信した微弱な高周波受信信号は受信高周波部27に導かれて高感度・低雑音に増幅され、通常はIFに周波数変換されて復調器28に送られる。復調器28では、上記変調方式に対応して受信信号を検波し、且つ適切な誤り検出あるいは誤り訂正等の符号誤り制御を施して受信した情報の品質を向上してベースバンド信号処理装置22に受信情報を送る。ベースバンド信号処理装置22では受信情報に適切な信号処理、例えばデータ圧縮の復調・解凍あるいはフィルタ処理等をおこなった後に、User Interface 回路21を通して搭乗者に、適切な情報形態で受信情報を伝える。また、User Interface回路は無線部20から独立してもよい。

前記の無線部20の各ブロック21〜28はCPU: Central Processing Unit（MPU: Micro Processor Unitともいう）で構成される制御回路29によって送受信に適した制御がなされる。またスイッチングレギュレータ10から供給された直流電圧源P_SDは電圧供給制御回路30に入力されて、無線部20の前記各ブロックに対して種々の電源を適切に供給する。スイッチング制御信号100の動作に付いては詳細を後述するが、制御回路29（以後、「CPU」という）から送出される状態指示信号または周波数設定信号D_f（スイッチングレギュレータ100のスイッチング周波数を定める）およびス電源部10の動作を停止／作動させる第1ON/OFF制御信号S_SW1に基づいてスイッチングレギュレータ100のスイッチング周波数の制御がなされる。なお、無線部20のCPU29にインターフェースする別の制御回路（図示せず）を電源部10に設けて、この制御回路でスイッチングレギュレータ100のスイッチング周波数の制御を行うようにしてもよい。

次に、図２を使用して、電源部10として、無線部20にスリープ電源P_SSを供給するスリープ用電源300を、スイッチングレギュレータ100に加えた実施形態について説明する。なお、無線部20については図１の無線部20と同様であるで説明を省略する。スイッチングレギュレータ100のスイッチング制御の周波数設定は図１と同様におこなわれる。またCPU29から送出された第1ON/OFF制御信号S_SW1でスイッチングレギュレータ100の作動／停止が制御され、その第１ON/OFF制御信号S_SW1をインバータ回路400で極性反転して第２ON/OFF制御信号S_SW2を発生し、この第２ON/OFF制御信号S_SW2でスリープ用電源300の停止／作動が制御される。端的にいえば、スイッチングレギュレータ100とスリープ用電源300とは、一方が作動しているときに他方は停止しているようにCPU29で制御される。なお、無線部20のCPU29にインターフェースする別の制御回路（図示せず）を電源部10に設けて、この制御回路でスイッチングレギュレータ100のスイッチング周波数並びにスリープ用電源300／スイッチングレギュレータ100の作動／停止の制御を行うようにしてもよい。スリープ用電源300はスリープ専用に設計されており、負荷電流の小さいスリープ状態において高効率で動作する電源である。

次に、図３を使用して、本発明の電源部10に使用したスイッチングレギュレータ100の実施形態について説明する。なお、無線部20のスリープ、受信および送信の各状態に対するスイッチング周波数f_pの制御については、詳細を後述する。入力端子V_inに供給されたバッテリィ電圧V_Bは、MOSFET101を使用した半導体素子QsでCPU29（又は制御回路）によって設定されたスイッチング周波数f_p（周波数f_pの設定方法については後述）を有するスイッチング制御信号S_fに応じてスイッチングされて断続電流I_swを発生する。半導体素子Qsが遮断されたときには、チョークコイルL_Cに蓄えられたエネルギーを放出するためにZener Diode のD_fにフリーホイル電流I_fがI_sと同じ方向に流れ、チョークコイルL_Cにはこの両電流が流れる。その両電流をチョークコイルL_Cと平滑コンデンサC_sで平滑することにより平滑電流I_smを生じ、この平滑電流I_smによって出力電圧V_outを発生する。無線部20の動作（信号の変復調あるいはデータの圧縮・解凍あるいはユーザ・インターフェースに応じて）に伴い負荷電流が多少変化(負荷インピーダンスが変わる)すると平滑電流I_smが減少する等の変化を起こすので同時に出力電圧V_outも多少変化する。

この出力電圧V_outを２つの抵抗R1、R2で分圧した分電圧V_dと基準電圧V_refの差電圧を演算増幅器を使用した誤差増幅器102で差動増幅して誤差信号S_cを発生する。CPU29が無線部20のスリープ、受信および送信の各動作状態に合わせてスイッチング制御信号100の周波数f_pを設定する2値化信号(High／Lowのデジタル信号)あるいは多値化信号（アナログ信号）である周波数設定信号D_fを送出する。また、CPU29が無線部20のスリープ、受信および送信の各状態を示す信号を制御回路に送り、制御回路が前述の周波数設定信号D_fを送出してもよい。

CPU29（または制御回路）がデータバスを使用してスイッチング周波数設定f_pを制御する場合は、次のように行われる。セラミック発振子あるいは水晶振動子等を使用し、安定した基準周波数f₀で発振する低周波発振器の出力の基準信号をProgrammable
Counter/Programmable Dividerに入力し、アドレスバス／データバスのインターフェースによってCPU29が送出した周波数設定信号（車両用通信装置1のスリープ、受信および送信の各状態に対応した）D_fに基づいて基準周波数f₀に対する分周比N_pが定まり、最適なスイッチング周波数f_pを有するスイッチング制御信号S_pを発生する。さらに、CPU29が無線部20のスリープ、受信および送信の各動作状態を指示する状態指示信号D_fをスイッチング制御信号100に送信する場合には、デコーダ150（図示せず）にその状態指示信号D_fを入力して内容を解読して、前述と同様の周波数設定信号D_fを発生し、これを発振器104に入力して同様に最適な周波数f_pを発生すればよい。その他にも、CPU29（あるいは制御回路）でスイッチング周波数f_pを変更／制御する方法は、V/Fコンバータなど色々とあるが、要は無線部の各動作状態に適したスイッチング周波数f_pを発生することが目的であるので、それらは省略する。
次に、このスイッチング周波数f_pを有するスイッチング制御信号S_pを三角波発生器105に入力して積分し、繰り返し周波数f_pの三角波信号S_Tを発生する。誤差信号Scと三角波信号S_TをPWM Comparator106 に入力して周波数がf_pでパルス幅T_wが誤差信号S_eに比例したパルス幅変調信号S_PWMをつくる。このパルス幅変調信号S_PWMとCPU29（あるいは制御回路）が送出する第1ON／OFF制御信号S_SW1をNAND回路107に入力して両信号の論理積をつくり、半導体スイッチQsを駆動するゲート信号S_SGを発生する。

このゲート信号S_SGでMOSFET101の半導体スイッチQsのON/OFFを制御する（出力電圧V_outが基準電圧V_refより低下した場合にはON時間を長くして半導体スイッチを流れる電流I_sを増大し、反対に出力電圧V_outが基準電圧V_refより上昇した場合にはON時間を短くして半導体スイッチを流れる電流I_sを減少する）ことにより、出力電圧V_outの変動を補償するフィードバック制御が行われて、負荷変動(負荷電流の増減変化)に対しても出力電圧を一定電圧に保つ高精度の電圧安定化制御が達成される。このように、無線部20の前記の各動作状態に合わせてスイッチング周波数f_pを制御することにより、スイッチング損失等の内部損失を無線部の動作状態に応じて低減することができる。その結果、車両用通信装置1の無線部20のスリープ、受信および送信の各動作状態において常に電源効率を最良に保つことができる。

なお、スイッチングレギュレータ100の構成と機能を図３に示されるBuck Converter型スイッチングレギュレータを使用して説明したが、Fly-back Converter型をはじめとする他の方式のスイッチングレギュレータを使用してもよい。

最後に、図４を用いてスイッチング制御信号S_fのスイッチング周波数f_pの制御内容およびスイッチングレギュレータ100の作動／停止の制御について簡単に説明する。まず［Ａ］において、スイッチング周波数f_pの制御の実施形態Ａを説明する。車両用通信装置1のスリープ、受信および送信の各状態に対応してスイッチング周波数f_pをそれぞれf1（スリープ対応）、f2（受信対応）、f3（送信対応）と変化させて、その負荷電流に適したスイッチングを行い、スイッチングレギュレータ100の電源効率を、車両用通信装置1のスリープ、受信および送信の状態に拘わらず、常に最良に保つことを発明の中心にしている。

［Ｂ］においては、スイッチング周波数f_pの制御の実施形態Ｂを説明する。車両用通信装置1のスリープ、受信および送信の各状態に対応してスイッチング周波数f_pをそれぞれf1（スリープ対応）、f3（受信および送信対応）と変化させて、送受信においては同一のスイッチング周波数f3で電流スイッチングを行う。その結果として、スリープにおけるスイッチングレギュレータ100の電源効率を向上させることを発明の中心にしている。

［Ｃ］においては、スイッチング周波数f_pの制御の実施形態Ｃを説明する。車両用通信装置1のスリープ、受信および送信の各状態に対応してスイッチング周波数f_pをそれぞれf1（スリープおよび受信対応）、f3（送信対応）と変化させて、スリープと受信とにおいては同一のスイッチング周波数f1で電流スイッチングを行う。その結果として、スリープおよび受信の両状態におけるスイッチングレギュレータ100の電源効率を向上させることを発明の中心にしている。

［Ｄ］においては、スイッチング周波数f_pの制御の実施形態Ｄを説明する。車両用通信装置1のスリープ、受信および送信の各状態に対応してスイッチング周波数f_pをそれぞれf2（受信対応）、f3（送信対応）と変化させて、送受信状態ではスイッチングレギュレータ100を作動させる。また、スリープ状態においてはスイッチングレギュレータ100の動作を停止して、小電流かつ高電源効率を有するスリープ用電源300を作動させる。スイッチングレギュレータ100とスリープ用電源300を切替制御して車両用通信装置1のスリープ、受信および送信の状態に拘わらず、常に最良に保つことおよび特に最も長い時間を占める可能性の大きいスリープ状態において最大の電源効率を果たして車両用通信装置1の省電力を最良とすることを発明の中心にしている。

スイッチングレギュレータを含む、本発明の車両用通信装置の基本の電気的構成を示す図。スリープ用電源を備えたスイッチングレギュレータを含む、本発明の車両用通信装置の電気的構成を示す図。スイッチングレギュレータの回路構成および機能を説明する図。本発明の車両用通信装置におけるスイッチング周波数の制御を説明する図。

符号の説明

1 車両用通信装置
10 電源部
20 無線部
100 スイッチングレギュレータ
29 CPU
300 スリープ用電源
Qs、101 半導体スイッチ（MOSFET）
L_cチョークコイル
C_s 平滑コンデンサ
102 誤差増幅器
105 三角波発生器
106 PWM Comparator
107 NAND回路
D_f 周波数設定信号、状態指示信号、周波数設定データ
S_f スイッチング制御信号
f_p スイッチング周波数
S_T 三角波信号
S_e 誤差信号
S_PWM パルス幅変調信号
S_SW1 第1ON／OFF制御信号
S_SW2 第2ON／OFF制御信号
P_SD 直流電圧源
P_SS スリープ電源
V_in 入力電圧
V_out 出力電圧
I_s スイッチング電流
S_SG 論理積出力、ゲート信号

Claims

車両用通信装置において、
情報を送受信する無線部に対する電源を供給するための、スイッチング周波数の変更可能なスイッチングレギュレータを有する電源部と、
前記無線部の動作状況に応じて前記スイッチング周波数を変更する周波数変更手段とを備えた車両用通信装置。
前記無線部のスリープ、受信および送信の各動作状態に対応して前記スイッチング周波数を２段階もしくは３段階に変更する請求項１記載の車両用通信装置。
前記スイッチング周波数の変更は、前記無線部がスリープ、受信および送信のいずれの状態にあるかを指示する状態指示信号に基づいておこなわれる請求項１または２に記載の車両用通信装置。
前記スイッチング周波数の変更は、前記無線部が前記動作状態に対応して定めた周波数を設定する周波数設定信号に基づいておこなわれる請求項１または２に記載の車両用通信装置。