JP2007329987A - 負荷異常検出回路 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷のＶＢ電源ショート時またはレアショート時に、負荷動作を停止させて、負荷制御用のトランジスタの発熱損傷を防止した負荷異常検出回路を得る。
【解決手段】負荷２０にコレクタＣが接続されたトランジスタ３と、ベースＢに駆動信号Ｄを与えて負荷２０を駆動するマイコン１と、コレクタ−エミッタ間の電圧レベルＶｃｅを検出してマイコン１に入力する電圧検出回路４とを備えている。マイコン１は、負荷２０の異常時の電圧レベルに対応した閾値を設定する閾値設定手段と、電圧レベルＶｃｅと閾値との比較に基づいて負荷２０の異常を検出する異常検出手段とを有する。異常検出手段は、負荷２０の駆動直後の電圧レベルと閾値との第１の比較結果と、負荷２０を一定時間駆動したときの電圧レベルと閾値との第２の比較結果と、の少なくとも２点の比較結果に基づいて、負荷２０の異常の有無を検出する。
【選択図】図１

Description

この発明は、負荷を駆動するためのバッテリ電源（以下、「ＶＢ電源」という）およびトランジスタを有するシステムの負荷異常検出回路に関し、特にシステムに接続された負荷ラインがＶＢ電源ショートした場合、または負荷がレアショートした場合に、トランジスタに過電流が流れるのを防止する保護機能を備えた負荷異常検出回路に関するものである。

一般に、負荷を駆動するトランジスタを有するシステムのコントロールユニットは、マイクロコンピュータ（以下、「マイコン」という）およびトランジスタを有しており、トランジスタのベースはマイコンの駆動信号出力ポートに接続され、トランジスタのエミッタはグランドに接地され、コレクタはコントロールユニットの出力端子に接続されている。
また、コントロールユニットの出力端子は、負荷の端子に接続され、負荷の端子はＶＢ電源に接続されている。

この種のシステムにおいて、負荷のＯＮ／ＯＦＦは、マイコンの駆動信号出力ポートから出力される駆動信号の電圧レベルにより制御される。
すなわち、駆動信号出力ポートがハイ（Ｈ）レベルの場合には、トランジスタがＯＮし、ＶＢ電源から負荷および出力端子を介して、トランジスタのコレクタからエミッタに向けて電流が流れる。

一方、駆動信号出力ポートがロー（Ｌ）レベルの場合には、トランジスタのベースとエミッタとが同電位となってトランジスタがＯＦＦするので、ＶＢ電源から負荷に電流が流れず、負荷はオフされる。
このように駆動信号のＯＮ／ＯＦＦによって変動するトランジスタのコレクタ部の電圧レベルをマイコンでモニタして負荷の異常を検出するために、従来から、トランジスタのコレクタ部の電圧レベルを検出する電圧検出回路が用いられている（たとえば、特許文献１参照）。

特開２００５−２４８９２３号公報

従来の負荷異常検出回路では、単にトランジスタのコレクタ部の電圧レベルを検出しているのみなので、負荷の端子とコントロールユニットの出力端子とを含む負荷ラインがＶＢ電源ショートした場合、または負荷がレアショートした場合には、負荷の動作を停止することができず、ＶＢ電源からトランジスタに過大な電流が流れて、トランジスタが発熱して損傷する可能性があるという課題があった。

この発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、負荷の端子とコントロールユニットの出力端子とを含む負荷ラインがＶＢ電源ショートした場合、または負荷がレアショートした場合でも、負荷駆動中の少なくとも２点のタイミングで検出された電圧レベルとマイコン内でプログラム設定した閾値との比較結果に基づき、負荷の異常を確実に検出することのできる負荷異常検出回路を得ることを目的とする。
また、異常検出時に負荷の動作を停止させて、ＶＢ電源からの電流を遮断して過電流が流れるのを確実に防止することのできる保護機能を実現した負荷異常検出回路を得ることを目的とする。

この発明に係る負荷異常検出回路は、ＶＢ電源に接続された負荷を駆動するとともに、負荷の異常を検出するコントロールユニットからなる負荷異常検出回路であって、コントロールユニットは、負荷にコレクタが接続されたローサイドのトランジスタと、トランジスタのベースに駆動信号を与えて負荷を駆動するマイコンと、トランジスタのコレクタ−エミッタ間の電圧レベルを検出してマイコンに入力する電圧検出回路とを備え、マイコンは、負荷の異常時の電圧レベルに対応した閾値を設定する閾値設定手段と、電圧検出回路から入力された電圧レベルと閾値との比較に基づいて負荷が異常であることを検出する異常検出手段とを有し、異常検出手段は、負荷の駆動直後に検出される第１の電圧レベルと閾値との第１の比較結果と、負荷を一定時間駆動したときに検出される第２の電圧レベルと閾値との第２の比較結果と、の少なくとも２点の比較結果に基づいて、負荷の異常の有無を検出するものである。

この発明によれば、負荷のＶＢ電源ショートまたはレアショートを検出した場合に、マイコンにより負荷の動作を停止させることによって、負荷の動作を制御するトランジスタが発熱して損傷するのを防止することができる。

実施の形態１．
以下、図１〜図３を参照しながら、この発明の実施の形態１について詳細に説明する。
図１はこの発明の実施の形態１に係る負荷異常検出回路を示す回路ブロック図であり、ＶＢ電源３０に接続された負荷２０を駆動するＥＣＵ（電子制御ユニット）１０からなるシステムを概略的に示している。

図１において、コントロールユニットを構成するＥＣＵ１０は、マイコン１と、トランジスタ３からなる負荷駆動回路２と、電圧検出回路４とを備えており、出力端子１０ａを介して負荷２０を駆動するとともに負荷２０の異常を検出する。

トランジスタ３は、負荷２０にコレクタＣが接続されたローサイドのトランジスタからなる。
マイコン１の出力ポートは、トランジスタ３のベースＢに接続されており、マイコン１は、トランジスタ３のベースＢに駆動信号Ｄを与えて負荷２０を駆動する。
トランジスタ３のエミッタＥはグランドに接地され、トランジスタ３のコレクタＣは、ＥＣＵ１０の出力端子１０ａに接続されている。
ＥＣＵ１０の出力端子１０ａは、負荷２０の一端に接続されており、負荷２０の他端は、バッテリからなるＶＢ電源３０に接続されている。

負荷２０のＯＮ／ＯＦＦは、マイコン１から出力される駆動信号Ｄの電圧レベルにより制御される。
すなわち、駆動信号ＤがＨレベルの場合にはトランジスタ３がＯＮし、ＶＢ電源３０から、負荷２０および出力端子１０ａを介して、トランジスタ３のコレクタＣからエミッタＥに向けて電流が流れる。

一方、駆動信号Ｄがロー（Ｌ）レベルの場合には、トランジスタ３のベースＢとエミッタＥとが同電位となって、トランジスタ３がＯＦＦするので、ＶＢ電源３０から負荷２０に電流が流れず、負荷２０はオフされる。
このとき、電圧検出回路４は、駆動信号ＤのＯＮ／ＯＦＦにより変動するトランジスタ３のコレクタ部の電圧レベルＶｃｅ（コレクタ−エミッタ間のコレクタ電圧）をモニタしてマイコン１に入力する。

マイコン１は、負荷２０の異常時の電圧レベルに対応した閾値Ｔｈ１、Ｔｈ２を設定する閾値設定手段と、電圧検出回路４から入力された電圧レベルＶｃｅと閾値Ｔｈ１、Ｔｈ２との比較に基づいて負荷２０が異常であることを検出する異常検出手段とを有する。
異常検出手段は、負荷２０を駆動中におけるトランジスタ３のコレクタ−エミッタ間の電圧レベルＶｃｅに着目して負荷２０の異常の有無を検出する。

すなわち、後述するように、マイコン１内の異常検出手段は、負荷２０の駆動直後（時刻ｔ１）に検出される第１の電圧レベルＶｃｅ１と閾値Ｔｈ１との第１の比較結果と、負荷２０を一定時間τだけ駆動したとき（時刻ｔ２）に検出される第２の電圧レベルＶｃｅ２と閾値Ｔｈ２との第２の比較結果と、の少なくとも２点の比較結果に基づいて、負荷２０の異常の有無を検出する。
また、マイコン１は、異常検出手段により負荷２０の異常が検出された場合に、負荷２０の動作を停止させる異常停止手段を有する。

図２はマイコン１にモニタされる電圧レベルＶｃｅを示すタイミングチャートであり、駆動信号Ｄに応答して変動する電圧レベルＶｃｅの挙動を、負荷２０が正常の場合と、負荷２０に各種の異常が発生した場合とについて、それぞれ対比させて示している。
図３は図２内の各電圧レベルの違いを拡大して示すタイミングチャートである。

図３において、実線波形は負荷２０が正常の場合の電圧レベルを示し、破線はオープン異常発生時、２点鎖線はＶＢ電源３０へのショート異常発生時、１点鎖線は負荷２０のレアショート異常発生時の各電圧レベルを示している。
この場合、電圧検出回路４により電圧レベルＶｃｅを検出（モニタ）するタイミングとしては、負荷２０を駆動した直後の時刻ｔ１と、負荷２０を一定時間τだけ駆動した時刻ｔ２との２点が設定されている。

負荷２０の正常時（実線参照）において、時刻ｔ１で検出される電圧レベルＶｃｅ１と、時刻ｔ２で検出される電圧レベルＶｃｅ２との関係は、Ｖｃｅ１＜Ｖｃｅ２となる。
また、レアショート時（１点鎖線参照）においては、時刻ｔ１で検出される電圧レベルＶｃｅ１と、時刻ｔ２で検出される電圧レベルＶｃｅ２ｒとの関係は、Ｖｃｅ１＜Ｖｃｅ２ｒとなる。
ただし、図３から明らかなように、時刻ｔ２において、正常時の電圧レベルＶｃｅ２とレアショート時の電圧レベルＶｃｅ２ｒとの関係は、Ｖｃｅ２＜Ｖｃｅ２ｒとなる。

一方、負荷２０のオープン時（破線参照）においては、時刻ｔ１で検出される電圧レベルＶｃｅ１ｏと、時刻ｔ２で検出される電圧レベルＶｃｅ２ｏとの関係は、Ｖｃｅ１ｏ＝Ｖｃｅ２ｏ＝０（「Ｌ」レベル）となる。
また、ＶＢ電源３０へのショート時（２点鎖線参照）においては、時刻ｔ１で検出される電圧レベルＶｃｅ１ｓと、時刻ｔ２で検出される電圧レベルＶｃｅ２ｓとの関係は、Ｖｃｅ１ｓ＝Ｖｃｅ２ｓとなる。

ただし、図３から明らかなように、負荷２０のオープン時の電圧レベルＶｃｅ１ｏ（＝Ｖｃｅ２ｏ＝０）と、ＶＢ電源ショート時の電圧レベルＶｃｅ１ｓ（＝Ｖｃｅ２ｓ）との関係は、Ｖｃｅ１ｏ＜Ｖｃｅ１ｓとなり、さらに、Ｖｃｅ２ｒ＜Ｖｃｅ１ｓとなる。

そこで、各異常状態を判別するために、マイコン１内の閾値設定手段により、点線で示すように、レベルの異なる閾値Ｔｈ１、Ｔｈ２（Ｔｈ１＜Ｔｈ２）が設定されている。
この場合、図３から明らかなように、閾値Ｔｈ１は、Ｖｃｅ１＜Ｔｈ１＜Ｖｃｅ２の関係を満たすように設定され、閾値Ｔｈ２は、Ｖｃｅ２＜Ｔｈ２＜Ｖｃｅ２ｒの関係を満たすように設定される。

以下、この発明の実施の形態１における異常発生時の電圧レベルＶｃｅの挙動および異常検出動作について、負荷２０の正常時と、オープン時、ＶＢ電源ショート時およびレアショート時とに分けて説明する。
まず、図３に示すように、マイコン１は、閾値設定手段により閾値Ｔｈ１、Ｔｈ２を設定し、電圧検出回路４は、電圧レベルＶｃｅを検出してマイコン１にモニタ入力するタイミングｔ１、ｔ２を決定する。

このとき、負荷２０が正常であれば、前述のように、駆動信号ＤがＨレベルとなるタイミングでトランジスタ３がＯＮし、ＶＢ電源３０から、負荷２０を介して、トランジスタ３のコレクタＣからエミッタＥへと電流が流れるので、トランジスタ３に過剰な電流が流れることはなく、トランジスタ３の発熱はわずかであり、発熱によってトランジスタ３が損傷する可能性はない。
この場合、駆動直後の時刻ｔ１で検出される電圧レベルはＶｃｅ１（＞０）となり、一定時間τだけ駆動した後の時刻ｔ２での電圧レベルはＶｃｅ２（＞Ｖｃｅ１）となる。

一方、負荷２０にオープン異常が発生した場合には、駆動信号ＤがＨレベルまたはＬレベルであっても、時刻ｔ１、ｔ２で検出される電圧レベルＶｃｅ１ｏ、Ｖｃｅ２ｏは常に「０」（Ｌレベル）になる。
また、負荷２０にＶＢ電源ショート異常が発生した場合には、駆動信号ＤがＬレベルであれば、トランジスタ３がＯＦＦしてＶＢ電源３０から電流が流れないので、トランジスタ３が発熱することはない。

しかし、負荷２０にＶＢ電源ショート異常が発生した場合に、駆動信号ＤがＨレベルであれば、トランジスタ３がＯＮして、ＶＢ電源３０から直接的に、トランジスタ３のコレクタＣからエミッタＥへと電流が流れ、トランジスタ３に過大な電流が流れるので、電圧検出回路４により検出される電圧レベルＶｃｅは、Ｖｃｅ１ｓ（＝Ｖｃｅ２ｓ＞Ｖｃｅ２ｒ）となる。

このとき、マイコン１は、電圧検出回路４を用いて、時刻ｔ１、ｔ２における電圧レベルＶｃｅ１ｓ、Ｖｃｅ２ｓをモニタする。
また、マイコン１内において、閾値設定手段は閾値Ｔｈ１をプログラム設定し、異常検出手段は、電圧レベルＶｃｅと閾値Ｔｈ１との比較に基づき負荷２０の異常の有無を検出する。

さらに、マイコン１内の異常停止手段は、負荷２０の駆動中に電圧レベルＶｃｅ１ｓ（＝Ｖｃｅ２ｓ）が閾値Ｔｈ１を超えたこと（異常発生状態）を検出した時点で、負荷２０の動作を停止させる。
ここで、閾値Ｔｈ１の設定条件は、以下の式（１）のように定義される。

Ｖｃｅ１＜Ｔｈ１＜Ｖｃｅ１ｓ（＝Ｖｃｅ２ｓ） ・・・（１）

なお、負荷２０のＶＢ電源ショート時においては、負荷２０の駆動直後の時刻ｔ１で負荷２０の異常の有無を判別することができるので、電圧レベルＶｃｅをモニタするタイミングとして、時刻ｔ１、ｔ２のどちらを選択してもよい。

また、負荷２０にレアショート異常が発生した場合には、駆動信号ＤがＬレベルであれば、トランジスタ３がＯＦＦしてＶＢ電源３０から電流が流れないので、トランジスタ３が発熱することはない。
続いて、レアショート異常時に駆動信号ＤがＨレベルとなり、負荷２０が駆動された直後（時刻ｔ１）においては、電圧検出回路４を介してモニタされる電圧レベルＶｃｅは、正常時と同じ電圧レベルＶｃｅ１であり、異常の有無を判別することはできない。

しかし、負荷２０を一定時間τだけ駆動した後の時刻ｔ２においては、正常時よりも過大な電流が流れるので、トランジスタ３のコレクタ部の電圧レベルＶｃｅは、Ｖｃｅ２ｒとなる。

したがって、レアショート時において、マイコン１は、電圧検出回路４を介して、時刻ｔ２での電圧レベルＶｃｅ２ｒをモニタする。
このとき、マイコン１内において、閾値設定手段は閾値Ｔｈ２をプログラム設定し、異常検出手段は、電圧レベルＶｃｅと閾値Ｔｈ２との比較に基づき負荷２０の異常の有無を検出する。

さらに、マイコン１内の異常停止手段は、負荷２０の駆動中の時刻ｔ２で電圧レベルＶｃｅ２ｒが閾値Ｔｈ２を超えたこと（異常発生状態）を検出した時点で、負荷２０の動作を停止させる。
ここで、閾値Ｔｈ２の設定条件は、上記閾値Ｔｈ１と関連付けて、以下の式（２）のように定義される。

Ｖｃｅ１＜Ｔｈ１＜Ｖｃｅ２＜Ｔｈ２＜Ｖｃｅ２ｒ＜Ｖｃｅ２ｓ ・・・（２）

なお、負荷２０のレアショート時においては、電圧レベルＶｃｅをモニタするタイミングとして、時刻ｔ２が選択される。

以上のように、この発明の実施の形態１によれば、負荷２０において、ＶＢ電源ショートまたはレアショートによる異常が発生した場合には、異常発生状態を確実に検出して負荷２０の動作を停止させ、トランジスタ３が発熱して損傷するのを未然に防止することができる。

また、マイコン１に負荷２０に関する情報を入力することにより、ＥＣＵ１０に接続される負荷２０に合わせて、異常検出用の比較基準となる閾値Ｔｈ１、Ｔｈ２を最適な値にプログラム設定することができる。
また、マイコン１にＶＢ電源３０の出力電圧を入力することにより、ＶＢ電源３０の電圧値に応じて、閾値Ｔｈ１、Ｔｈ２を追従設定することができる。

また、負荷２０がＶＢ電源ショートした場合（図３内の２点鎖線参照）には、負荷２０の駆動直後の時刻ｔ１で異常発生状態を検出することができるので、迅速に負荷２０の駆動を停止させて、負荷２０を駆動するトランジスタ３を保護することができる。
さらに、この発明の実施の形態１によれば、負荷２０の状態を、正常時と、オープン時、ＶＢ電源ショート時、レアショート時などの各異常状態とに分けて検出することができるので、負荷２０の各状態をマイコン１内で解析してダイアグ機能に表示または保存することができる。

この発明の実施の形態１に係る負荷異常検出回路を示す回路ブロック図である。 この発明の実施の形態１により検出される電圧レベルの挙動を示すタイミングチャートである。 この発明の実施の形態１により検出される電圧レベルと閾値との関係を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１ マイコン（マイクロコンピュータ）、２ 負荷駆動回路、３ トランジスタ、４ 電圧検出回路、１０ ＥＣＵ（コントロールユニット）、１１ マイコン、２０ 負荷、３０ ＶＢ電源、Ｂ ベース、Ｃ コレクタ、Ｄ 駆動信号、Ｅ エミッタ、Ｖｃｅ 電圧レベル、Ｖｃｅ１、Ｖｃｅ１ｏ、Ｖｃｅ１ｒ、Ｖｃｅ１ｓ 第１の電圧レベル、Ｖｃｅ２、Ｖｃｅ２ｏ、Ｖｃｅ２ｒ、Ｖｃｅ２ｓ 第２の電圧レベル、Ｔｈ１、Ｔｈ２ 閾値、ｔ１、ｔ２ 電圧レベルを検出するタイミング、τ 一定時間。

Claims (2)

1. ＶＢ電源に接続された負荷を駆動するとともに、前記負荷の異常を検出するコントロールユニットからなる負荷異常検出回路であって、
   前記コントロールユニットは、
   前記負荷にコレクタが接続されたローサイドのトランジスタと、
   前記トランジスタのベースに駆動信号を与えて前記負荷を駆動するマイコンと、
   前記トランジスタのコレクタ−エミッタ間の電圧レベルを検出して前記マイコンに入力する電圧検出回路とを備え、
   前記マイコンは、
   前記負荷の異常時の電圧レベルに対応した閾値を設定する閾値設定手段と、
   前記電圧検出回路から入力された電圧レベルと前記閾値との比較に基づいて前記負荷が異常であることを検出する異常検出手段とを有し、
   前記異常検出手段は、
   前記負荷の駆動直後に検出される第１の電圧レベルと前記閾値との第１の比較結果と、
   前記負荷を一定時間駆動したときに検出される第２の電圧レベルと前記閾値との第２の比較結果と、
   の少なくとも２点の比較結果に基づいて、前記負荷の異常の有無を検出することを特徴とする負荷異常検出回路。
2. 前記マイコンは、前記異常検出手段により前記負荷の異常が検出された場合に、前記負荷の動作を停止させる異常停止手段を有することを特徴とする請求項１に記載の負荷異常検出回路。

Images