JP2008079386A - 自動車用電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】自動車用電装品スイッチング電源は国際規格ＣＩＳＰＲ２５に規定のノイズ限度値内でなければならない。従来は規格をクリアするのが容易でないという問題点を解消する。
【解決手段】バッテリ電源に並列のＬＩＳＮに接続の第１、第２のコモンモードコアと、これににつながるノーマルモードコアおよびスイッチング電源と、この電源とノーマルモードコア間に並列の第１、第２のコモンモードコンデンサを備え、この第１、第２のコンデンサ間とスイッチング電源筐体は配線され、また筐体は接地され、各回路のＬ、Ｃが（１）、（２）式を満たす。
150(kHz)<1/(2π√(Cc1(La+Lb))<300(kHz) ・・・(1)
20(kHz)>1/(2π√(Cc1×Cz/(Cc1+Cz)+Lc+Ln+La+Lb)) ・・・(2)
【選択図】図１

Description

この発明は、自動車用電源装置に関するもので、特にスイッチング電源からのＡＣラインへ出す妨害性の雑音を抑えるためのノイズフィルタを備えた電源装置に係るものである。

自動車用電装品に関する国際規格ＣＩＳＰＲ２５（International Special Committee on Radio Interference, 国際無線障害特別委員会）に規定されている狭帯域伝導妨害波の限度値は周波数毎に設定され、例えばｃｌａｓｓ５では５０ｄＢμＶ（０．１５ＭＨｚ〜０．３ＭＨｚ）、３４ｄＢμＶ（０．５３ＭＨｚ〜２．０ＭＨｚ）と定義されている。
このような規定に対するノイズ低減対策の一つの方案として、スイッチング電源のスイッチングノイズを低減するために、コモンモードコイル、コモンモードコンデンサ、ノイズ源の内部インピーダンスに着目した等価回路で共振周波数を算出し、この共振周波数をスイッチング電源のスイッチング周波数より小さくして、外部ＡＣ電源ラインに出すノイズの伝播を抑える方法が示されている（例えば、特許文献１）。
一方、他の方案としてＬＩＳＮ（伝導ノイズを測定する装置、疑似電源回路網の略）を含むノイズ伝播経路を等価回路で定義し、外部ＡＣ電源ラインへのノイズの伝播を抑える方法が示されている（例えば、特許文献２）。

特開平０５−１６７３７６号公報 特開平０６−２３６８２２号公報

一般に外部ＡＣ電源へ出す妨害性ノイズの種類として、コモンモードノイズとノーマルモードノイズがある。ノイズフィルタにはノーマルモードノイズを抑えるためにノーマルモードコイルとコモンモードコンデンサが実装されており、ノーマルモードコイルはコモンモードノイズに影響を与える。
しかしながら、前記特許文献１に示されたノイズフィルタでは、コンデンサなどをグランドに接地するために必要な導線のインダクタンス、いわゆるコモンモードノイズ因子が等価回路に考慮されておらず、またＬＩＳＮを含む経路の共振についても言及されてないという問題点がある。
また、前記特許文献２に示されたノイズフィルタでは、コモンモードノイズを考慮し、ＬＩＳＮを含むノイズ伝播経路を等価回路で定義して、ノイズを抑える方法を示しているが、ノイズ伝播経路の共振周波数とスイッチング電源のスイッチング周波数との関係についての記載がなく、またコンデンサなどをグランドに接地するために必要な導線のインダクタンスについても等価回路上で考慮されてないという問題点がある。
このような前記特許文献１、２に示された技術を実際の製品に適用した場合には、実機のノイズ測定結果を受けて、製品毎個別のノイズ対策、例えばグランドに接地する導線の配置変更やコンデンサの容量調整等の微調整作業が必要となる。以上のことは外部電源がＤＣ電源の場合も同様である。

上記のように、特許文献１、２に開示されたノイズフィルタでは、前述した自動車用電装品の国際規格ＣＩＳＰＲ２５に規定されている周波数領域における妨害波限度値を、ノイズフィルタの設計段階においてクリヤすることは困難であった。

この発明は前記のような課題を解決するためになされたものであって、ノイズ伝播経路の共振周波数を、スイッチング電源のスイッチング周波数より低く、かつ、スイッチング電源のスイッチング周波数の高調波と一致しないようにして、ノイズ伝播経路に流れるノイズ電流を低減し、前記国際規格ＣＩＳＰＲ２５の規定を満たす自動車用電源装置を提供することにある。

この発明に係る自動車用電源装置は、互に直列接続されたキャパシタンスＣｚ値の内部キャパシタンスと基準抵抗とからなりバッテリ電源に並列接続された疑似電源回路網と、この疑似電源回路網を介してバッテリ電源のプラス端にはインダクタンス値Ｌｃの第１のコモンモードコアが接続され、バッテリ電源のマイナス端にはインダクタンス値Ｌｃの第２のコモンモードコアが接続されているとともに、バッテリ電源のマイナスラインおよび疑似電源回路網の基準抵抗端は接地されており、第１のコモンモードコアに接続されたインダクタンス値Ｌｎのノーマルモードコアと、このノーマルモードコアとはプラス端で、第２のコモンモードコアとはマイナス端で出力が接続されるスイッチング電源が備えられており、このスイッチング電源とノーマルモードコアおよび第２のコモンモードコアとの間には、互に直列接続されたキャパシタンスＣｃ１値の第１のコモンモードコンデンサと、キャパシタンスＣｃ２値の第２のコモンモードコンデンサとが並列に接続されており、第１、第２のコモンモードコンデンサを接続する線と、スイッチング電源の筐体との間を接続するインダクタンス値Ｌａの配線が設けられているとともに、スイッチング電源の筐体はインダクタンス値Ｌｂの配線で接地されており、各インダクタンス、キャパシタンスが以下の（１）式、（２）式
150000(Hz)<1/(2π√(Cc1(La+Lb))<300000(Hz) ・・・(1)
20000(Hz)>1/(2π√(Cc1×Cz/(Cc1+Cz)+Lc+Ln+La+Lb)) ・・・(2)
を満たす値に設定されているものである。

この発明に係る自動車用電源装置は、互に直列接続されたキャパシタンスＣｚ値の内部キャパシタンスと基準抵抗とからなりバッテリ電源に並列接続された疑似電源回路網と、この疑似電源回路網を介してバッテリ電源のプラス端にはインダクタンス値Ｌｃの第１のコモンモードコアが接続され、バッテリ電源のマイナス端にはインダクタンス値Ｌｃの第２のコモンモードコアが接続されているとともに、バッテリ電源のマイナスラインおよび疑似電源回路網の基準抵抗端は接地されており、第１のコモンモードコアに接続されたインダクタンス値Ｌｎのノーマルモードコアと、このノーマルモードコアとはプラス端で、第２のコモンモードコアとはマイナス端で出力が接続されるスイッチング電源が備えられており、このスイッチング電源とノーマルモードコアおよび第２のコモンモードコアとの間には、互に直列接続されたキャパシタンスＣｃ１値の第１のコモンモードコンデンサと、キャパシタンスＣｃ２値の第２のコモンモードコンデンサとが並列に接続されており、第１、第２のコモンモードコンデンサを接続する線と、スイッチング電源の筐体との間を接続するインダクタンス値Ｌａの配線が設けられているとともに、スイッチング電源の筐体はインダクタンス値Ｌｂの配線で接地されており、各インダクタンス、キャパシタンスが以下の（１）式、（２）式
150000(Hz)<1/(2π√(Cc1(La+Lb))<300000(Hz) ・・・(1)
20000(Hz)>1/(2π√(Cc1×Cz/(Cc1+Cz)+Lc+Ln+La+Lb)) ・・・(2)
を満たす値に設定されているので、スイッチング電源から電源ラインへ出すノイズのうち、コモンモード成分が減少でき、自動車用電装品に関する国際規格ＣＩＳＰＲ２５の規定の周波数領域における妨害波限度値を下廻ることを可能としている。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１による自動車用電源装置を図に基づいて説明する。
図１は自動車用電源装置１００の等価回路図である。図１に示すように自動車用電源装置１００は、バッテリ電源４０、疑似電源回路網５０、ノイズフィルタ６０、スイッチング電源７０とで構成されている。バッテリ電源４０の出力に接続される疑似電源回路網（以降、ＬＩＳＮと称す）５０は、スイッチング電源７０からノイズフィルタ６０を介して外部ＡＣ電源ラインに出るノイズの測定を行う回路であり、通常専用の測定装置として用いられているものであるが、この実施の形態１では自動車用電源装置１００内に具備する。
ノイズフィルタ６０はＬＩＳＮ５０とスイッチング電源７０との間に設けられ、スイッチング電源７０で発生したノイズを低減する機能をもつ。ＬＩＳＮ５０は基準抵抗８とキャパシタンスＣｚ値の内部キャパシタンス９と、Ｌｚ値をもつ内部インダクタンス１０を有し、基準抵抗８の両端電圧Ｖを測定することでノイズを評価する。ノイズフィルタ６０には、ノイズのうちノーマルモードを遮蔽するインダクタンスＬｎ値を有するノーマルモードコア１と、コモンモードを遮蔽する第１のコモンモードコア２、第２のコモンモードコア３が設けられ、これら第１、第２のコモンモードコア２、３はともにインダクタンス値Ｌｃを有している。また、キャパシタンスＣｃ１値を有する第１のコモンモードコンデンサ４およびキャパシタンスＣｃ２値を有する第２のコモンモードコンデンサ５が設けてある。スイッチング電源７０はノイズフィルタ６０に接続されており、その定格は例えば最大定格のＤＣ電流が６Ａ、スイッチング周波数１０ｋＨｚ〜２０ｋＨｚのものが用いられている。

スイッチング電源７０のプラス端は、ノイズフィルタ６０のノーマルモードコア１を介して第１のコモンモードコア２に接続されており、マイナス端は第２のコモンモードコア３に接続されている。第１、第２のコモンモードコンデンサ４、５は直列に接続され、この直列回路はスイッチング電源７０のプラス端、マイナス端に並列接続されている。また、前記第１、第２のコモンモードコンデンサ４、５の接続線とスイッチング電源７０の筐体７０ａの間には、インダクタンスＬａ値を有する配線６が、さらに前記筐体７０ａと接地面１１との間にはインダクタンスＬｂ値を有する接地線７が設けられている。前記インダクタンスＬａは、ノイズフィルタ６０の部品の一部をなすもので自動車電源装置１００の設計時に設計者が決められる定数である。前記インダクタンスＬｂは、伝導ノイズを測定するためにスイッチング電源７０と接地面とを接続するために、付帯的に生じる定数であり、設計者が任意に決定し難い定数である。

バッテリ電源４０のプラス端は前記ＬＩＳＮ５０を介して第１のコモンモードコア２に、マイナス端は第２のコモンモードコア３に接続されている。さらにこのバッテリ電源４０のマイナス端は接地面１１につながっている。ＬＩＳＮ５０に設けられた５０Ωの基準抵抗８とキャパシタンスＣｚ値を有する内部キャパシタンス９とは直列接続され、この内部キャパシタンス９の他端は前記バッテリ電源４０のプラス端と第１のコモンモードコア２との結ぶ線に接続され、基準抵抗８の他端は接地面１１につながっている。従って、ＬＩＳＮ５０は接地面１１を介してバッテリ電源４０、スイッチング電源７０と並列回路をなしている。なおＬＩＳＮ５０にはインダクタンスＬｚ値の内部インダクタンス１０を有しており、測定周波数領域で前記内部インダクタンス（Ｌｚ）１０から決まるインピーダンスは、前記内部キャパシタンス（Ｃｚ）９と基準抵抗８の直列抵抗からのインピーダンスより十分に大きい。つまり、測定周波数領域でノイズが基準抵抗８に流れるようになっている。

ノーマルモードコア１のインダクタンスＬｎはコモンモードに影響し、第１、第２のコモンモードコンデンサ４、５をスイッチング電源７０に実装するための配線６のインダクタンスＬａと、スイッチング電源７０を接地面１１に電気的に接続する接地線７のインダクタンスＬｂもコモンモードに影響する。

この実施の形態１において上記した図１の回路構成を採用するに当たり、図２に示す回路構成にて予備的実験をもってノイズ測定を行った。その結果を図３に示す。
図２の回路構成のバッテリ電源４０のＤＣ電流１Ａ、スイッチング電源７０の基本周波数２０ｋＨｚ、立ち上がり／立ち下がり時間が１２５ｎｓｅｃの場合、図３に示すように１５０ｋＨｚ付近のノイズレベルが６０ｄＢμＶでｃｌａｓｓ５を満たしていないことが判った。このような実験結果からこの実施の形態１では特に、ｃｌａｓｓ５に規定の０．１５ＭＨｚ〜０．３ＭＨｚの周波数領域で、かつスイッチング電源７０の動作電流値の全範囲にわたって、ノイズレベルを低減するような回路構成を創出するに到った。その詳細を図４に基づいて説明する。図４は前述した図１上にコモンモード高周波電流の経路８０ａと、コモンモード高周波電流の経路８０ｂを追記したものである。経路８０ａはスイッチング電源７０のプラス端から第１のコモンモードコンデンサ４、配線６、筐体７０ａ、接地線７に到るものであり、経路８０ｂはスイッチング電源７０のプラス端からノーマルモードコア１、第１のコモンモードコア２、内部キャパシタンス９、基準抵抗８、接地面１１を介し、接地線７、筐体７０ａ、配線６、第１のコモンモードコンデンサ４に到るものである。

この経路８０ａにおけるコモンモードコンデンサ４のキャパシタンスＣｃ１値を以下のようにして決める。
接地面１１に対するコモンモードコンデンサ４までのインピーダンスを０．１５ＭＨｚ〜０．３ＭＨｚで共振させて極小とする必要がある。よって次の（１）式を満たすようにコモンモードコンデンサ４のキャパシタンスＣｃ１および配線６のインダクタンスＬａ、接地線７のインダクタンスＬｂを設定する。
150000(Hz)<1/(2π√(Cc1(La+Lb))<300000(Hz) ・・・(1)
（１）式に例えば、Ｃｃ１＝６．８μＦ（ノイズフィルタ定数であるため設計者が設定可能）、Ｌａ＝４５ｎＨ（設計者が設定可能）、Ｌｂ＝５０ｎＨ（設計段階にて設計者が設定することは困難）と設定して代入すると、１９８０００（Ｈｚ）となり（１）式を満たす。

次に経路８０ｂにおけるノーマルモードコア１のインダクタンス値Ｌｎおよび第１のコモンモードコア２のインダクタンス値Ｌｃを設定する。図４に示した経路８０ｂのインピーダンスが極小となる共振周波数と、スイッチング電源７０からＡＣ電源ラインに出る高周波電流の基本周波数成分が一致すると、経路８０ｂの高周波電流が増大する。その増大した高周波電流によって第１のコモンモードコア２に用いられている例えばフェライト製のコアは磁気飽和して、インダクタンス値が低下する。よって、０．１５ＭＨｚ以上のノイズに対してもノイズフィルタ６０の遮蔽効果がなくなり、ノイズが増加する。
そのため、図４に示すような経路８０ｂのインピーダンスが極小となる共振周波数が、スイッチング電源７０からＤＣ電源ラインに出る高周波電流の基本周波数よりも小さくなるように、ノーマルモードコア１のインダクタンス値Ｌｎおよび第１のコモンモードコア２のインダクタンス値Ｌｃを次の（２）式を用いて設定する。
20000(Hz)>1/(2π√(Cc1×Cz/(Cc1+Cz)+Lc+Ln+La+Lb)) ・・・(2)
（２）式に（１）式における、Ｃｃ１＝６．８μＦ、Ｌａ＝４５ｎＨ、Ｌｂ＝５０ｎＨと、例えばＣｚ＝０．４７μＦ（ＬＩＳＮ装置の定数、設計者が設定不可能）、Ｌｃ＝２１９μＨ（設計者が設定可能）、Ｌｎ＝４．８μＨ（設計者が設定可能）を設定、代入すると、１６０００（Ｈｚ）となり，（２）式を満たす。

従来例では配線６のインダクタンスＬａ値、接地線７のインダクタンスＬｂ値は考慮されていなかった。そのためノイズフィルタ６０の回路定数の設定が困難であったが、この実施の形態１に示す（１）、（２）式のような複数の式を用いることにより、回路定数の設定が容易となる。
このようにして設定された回路定数を有するノイズフィルタ６０をもつ図１に示した自動車用電源装置１００でノイズ測定を行った結果を図５に示す。この場合、バッテリ電源４０に流れるＤＣ電流を６Ａとしたが、第１のコモンモードコア２の磁気飽和は認められず、図５に示すように国際規格ＣＩＳＰＲ２５の規定する０．１５ＭＨｚ〜０．３ＭＨｚの周波数領域における妨害性のノイズ（伝導エミッション値）を十分低下させることができる。
またこの実施の形態１の自動車用電源装置１００では、バッテリ電源４０とスイッチング電源７０を接続する電源ラインに、最大６ＡものＤＣ電流が流れるために、そのスイッチングをおこなうスイッチング電源７０で発生する１０ｋＨｚ〜２０ｋＨｚの高周波電流も増加して、ノイズフィルタ６０の第１のコモンモードコア２が飽和することを避ける。また、このフィルタ設計を容易にするためにフィルタに用いる部品の特性の微調整作業を避ける。

なお、この発明の実施の形態１は自動車用電源装置の例について述べたが、必ずしもこれに限定されるものでない。

この発明の実施の形態１は自動車用電装品を駆動するスイッチング電源や、一般の低ノイズ化が要求されるスイッチング電源に利用できる。

この発明の実施の形態１による電源装置の等価回路図を示す。 この発明に到る前に行った予備実験用電源装置の等価回路図を示す。 予備実験による周波数−雑音レベルのデータを示す図である。 この発明の実施の形態１による電源装置の等価回路上の高周波電流経路を示す図である。 この発明の実施の形態１の電源装置の実験結果による周波数−雑音レベルのデータを示す図である。

符号の説明

１ ノーマルモードコア、２ 第１のコモンモードコア、
３ 第２のコモンモードコア、４ 第１のコモンモードコンデンサ、
５ 第２のコモンモードコンデンサ、６ 配線、７ 接地線、８ 基準抵抗、
９ 内部キャパシタンス、１０ ＬＩＳＮ内部インダクタンス、１１ 接地面、
４０ バッテリ電源、５０ ＬＩＳＮ（疑似電源回路網）、６０ ノイズフィルタ、
７０ スイッチング電源、１００ 自動車用電源装置。

Claims (1)

1. 自動車用電源装置であって、互に直列接続されたキャパシタンスＣｚ値の内部キャパシタンスと基準抵抗とからなりバッテリ電源に並列接続された疑似電源回路網と、該疑似電源回路網を介して前記バッテリ電源のプラス端にはインダクタンス値Ｌｃの第１のコモンモードコアが接続され、前記バッテリ電源のマイナス端にはインダクタンス値Ｌｃの第２のコモンモードコアが接続されているとともに、前記バッテリ電源のマイナスラインおよび前記疑似電源回路網の基準抵抗端は接地されており、前記第１のコモンモードコアに接続されたインダクタンス値Ｌｎのノーマルモードコアと、該ノーマルモードコアとはプラス端で、前記第２のコモンモードコアとはマイナス端で出力が接続されるスイッチング電源が備えられており、該スイッチング電源と前記ノーマルモードコアおよび第２のコモンモードコアとの間には、互に直列接続されたキャパシタンスＣｃ１値の第１のコモンモードコンデンサと、キャパシタンスＣｃ２値の第２のコモンモードコンデンサとが並列に接続されており、前記第１、第２のコモンモードコンデンサを接続する線と、前記スイッチング電源の筐体との間を接続するインダクタンス値Ｌａの配線が設けられているとともに、前記スイッチング電源の筐体はインダクタンス値Ｌｂの配線で接地されており、前記各インダクタンス、キャパシタンスが以下の（１）式、（２）式
   150000(Hz)<1/(2π√(Cc1(La+Lb))<300000(Hz) ・・・(1)
   20000(Hz)>1/(2π√(Cc1×Cz/(Cc1+Cz)+Lc+Ln+La+Lb)) ・・・(2)
   を満たす値に設定されていることを特徴とする自動車用電源装置。

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