JP2009071373A - 車載用信号入力回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 信号処理回路の電源入力インピーダンスが高くなった場合でも、簡単な部品追加により、電源ラインや信号入力端子に印加される電圧が過度に上昇することを安価に防止できる車載用信号入力回路を提供する。
【解決手段】 定格電源電圧Ｖｃｃよりも高い信号電圧を入力可能な信号処理ＩＣ１０１（例えばマイコン）において、その内部電源経路ＰＬＩに該信号電圧をクランプする。そして、内部信号処理回路１０２の電源入力インピーダンスが低い場合は、該内部信号処理回路１０２を経由して接地側にクランプ電流を落とす。他方、内部信号処理回路１０２の電源入力インピーダンスが上昇した場合は、内部電源経路ＰＬＩにつながるＩＣ外の外部電源ラインＰＬＥから接地側に分岐する外部クランプ経路ＣＬＥ上に電圧規制素子ＺＤを設けたので、外部電源ラインＰＬＥあるいは信号処理ＩＣ１０１の信号入力端子に、上記電源入力インピーダンス上昇に由来した過電圧が印加されることが効果的に防止される。
【選択図】 図１

Description

この発明は、車両（例えば、自動車）に搭載された電子機器の制御等を司る車載用信号入力回路に関する。

富士通株式会社Ｆ２ＭＣ−１６ＬＸ／ＭＢ９０９４５シリーズ データシート

自動車には、各種電子機器（被制御要素）を制御するために多数のＥＣＵが搭載されている。ＥＣＵはマイコンを主体に構成され、イグニッションＯＦＦ時など機能停止時においてＥＥＰＲＯＭ等の不揮発性メモリを用いずにバックアップデータを保持するために、マイコン内ＲＡＭにデータを記憶し、そのＲＡＭデータを保持するためにマイコンへの電源供給を継続する場合がある。この場合、暗電流を低減のため、ＣＰＵのクロック発振停止などを行なう省電力モードとする方式が採用されている。

ところで、ＥＣＵに使用されている汎用マイコンの中には、電流制限用抵抗とマイコン内部の保護用ダイオードを介してマイコンの内部電源経路にクランプすることにより、定格電圧（例えば５Ｖ）以上の信号入力（例えば車載バッテリー電圧（＋Ｂ：１０〜１６Ｖ程度））を可能としたものがある（非特許文献１）。

非特許文献１のようなマイコンでは、定格電圧以上の信号入力を行なう場合に、クランプ電流の通電経路がマイコン内部の信号処理回路（例えばＣＰＵ部分）を経由して接地に流れるようになっている。この場合、バッテリー電圧のごとくマイコンの定格を超える信号電圧が入力されても動作上支障がないようにするためには、内部電源経路の電圧がマイコン自身の定格電圧を超えないことが必要である。しかし、前述の省電力モード時においては、信号処理回路の電源入力インピーダンスが高くなり、その状態でバッテリー電圧がマイコンの各ポートへ印加されると、マイコンの内部電源経路ひいてはこれにつながる外部電源ラインの電圧が定格電圧以上に持ち上がってしまうおそれがある。この場合、該外部電源ラインにマイコン等の他の機器が接続されている場合は、その動作に悪影響を及ぼす可能性がある。また、マイコンへの信号入力電圧は、マイコンの各ポートに接続された電流制限用抵抗と、クランプされている電源ライン、つまり、信号処理回路の電源入力インピーダンスとの分圧により定まるので、信号処理回路の電源入力インピーダンスが高くなると、バッテリー電圧が電流制限用抵抗で十分下がりきらずにポート入力されることになり、ポート破損等の不具合も懸念される。

また、これを防止するために、信号入力に使用されるバッテリー電圧を、マイコン電源とは別のラインにクランプする回路を、マイコンの外部にて入力回路毎に個別に追加することも考えられるが、部品点数が多くなりがちであり、コスト増加要因となることは避けがたい。

本発明の課題は、信号入力に使用されるバッテリー電圧を信号処理回路の電源ラインにクランプする構成を前提として、信号処理回路の電源入力インピーダンスが高くなった場合でも、簡単な部品追加により、電源ラインや信号入力端子に印加される電圧が過度に上昇することを安価に防止できる車載用信号入力回路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

上記の課題を解決するために、本発明の車載用信号入力回路は、
処理対象となる信号電圧が信号入力経路を介して入力される内部信号処理回路と、該内部信号処理回路を動作させるための定格電源電圧を供給する内部電源経路と、信号入力経路から分岐して内部電源経路につながる形で形成され、定格電源電圧よりも高い信号電圧が入力された場合に該信号電圧を内部電源経路にクランプし、そのクランプ電流を、内部信号処理回路を経由して接地側に落とす内部クランプ経路とを有する信号処理ＩＣと、
信号処理ＩＣの内部電源経路に定格電源電圧を供給する外部電源ラインから接地側に分岐する形で形成され、定格電源電圧よりも高い信号電圧入力に由来した過電圧が内部クランプ経路及び内部電源経路を経由して外部電源ラインに印加されることを抑制する電圧規制素子が設けられ、該電圧規制素子を介して前記クランプ電流を接地側に落とす外部クランプ経路と、を備えたことを特徴とする。

上記本発明によると、定格電源電圧よりも高い信号電圧を入力可能な信号処理ＩＣ（例えばマイコン）において、その内部電源経路に該信号電圧をクランプする。そして、内部信号処理回路の電源入力インピーダンスが低い場合は、該内部信号処理回路を経由して接地側にクランプ電流を落とす。他方、内部信号処理回路の電源入力インピーダンスが上昇した場合は、内部電源経路につながるＩＣ外の外部電源ラインから接地側に分岐する外部クランプ経路上に電圧規制素子を設けたので、外部電源ラインあるいは信号処理ＩＣの信号入力端子に、上記電源入力インピーダンス上昇に由来した過電圧が印加されることが効果的に防止される。

信号入力経路に入力可能な定格電源電圧よりも高い信号電圧として、車載バッテリー電圧を例示できる。車載バッテリーの電源ライン電圧は、電源付加状況やオルターネータの発電電圧重畳状況により、最大で＋１６〜１９Ｖ前後まで上昇し、例えば信号処理ＩＣの標準的な定格信号入力電圧（例えば＋６Ｖ前後）を大きく上回る。しかし、本発明の採用により、内部信号処理回路の電源入力インピーダンスが上昇した場合にあっても、信号処理ＩＣの信号入力端子に過電圧が付加される心配がなく、車載バッテリー電圧を利用した簡便な信号電源回路構成を問題なく採用することができる。

また、電圧規制素子はツェナーダイオードで構成することが回路構成の簡略化を図る観点において望ましい。この場合、上記のツェナーダイオードのツェナー電圧は、信号処理ＩＣ及び外部電源ラインに接続される回路素子への保護機能を担保する観点において、それらの最大定格電源電圧以下とする必要があり、かつ、外部電源ラインにおいて通常予測される範囲内の電圧にて不必要にツェナーダイオードがブレークダウンしないよう、該外部電源ラインに接続される安定化電源回路の出力電圧最大値以上である必要がある。

外部電源ラインには、信号処理ＩＣに定格電源電圧を供給する安定化電源回路を設けることができる。この構成では、安定化電源回路の外部電源ラインへの電源出力に、定格電源電圧より高い信号入力電圧がクランプされても、電圧規制素子により外部電源ラインの電圧上昇が規制され、安定化電源回路による定格電源電圧供給の安定化を図ることができる。

また、外部電源ラインは、信号処理ＩＣの周辺回路への電源供給ラインが分岐したものとして構成することができる。外部電源ラインに定格電源電圧より高い信号入力電圧がクランプされても、電圧規制素子により外部電源ラインの電圧上昇が規制されるので、周辺回路への電源供給電圧の上昇も効果的に抑制され、その動作等に悪影響が及ぶことがない。

特に、信号処理ＩＣの内部信号処理回路が、電源電圧の入力インピーダンスが電流制限抵抗のインピーダンスよりも高い高インピーダンス状態と、同じく低い低インピーダンス状態との間で切り替え遷移するように構成されている場合は、定格電源電圧よりも高い信号電圧入力に由来したクランプ電流を、内部信号処理回路が高インピーダンス状態となった場合は外部クランプ経路により、内部信号処理回路が低インピーダンス状態となった場合は内部クランプ経路により、それぞれ接地側に落とすようにすればよい。具体的には、信号処理ＩＣは、内部信号処理回路をなすＣＰＵと、該ＣＰＵのワークメモリとなるＲＡＭとを内蔵したマイコンとすることができ、高インピーダンス状態は、ＲＡＭの記憶内容が電源バックアップされる一方、ＣＰＵへの電源電圧供給が遮断された省電力モードによる動作状態とすることができる。

前述のごとく、マイコンが省電力モードで動作している場合、信号処理回路の電源入力インピーダンスが高くなり、定格電圧より高い信号電圧がマイコンの各ポートへ入力されると、マイコンの内部電源経路ひいてはこれにつながる外部電源ラインの電圧が定格電圧以上に持ち上がり、例えば該外部電源ラインにマイコン等の他の機器が接続されている場合は、その動作に悪影響を及ぼす可能性がある。しかし、本発明の採用により、そのような不具合を効果的に解消できる。

この場合、内部クランプ経路上に電源側から信号入力側へ電流が逆流することを阻止する保護ダイオードを設けることができ、マイコンの各ポートに、定格電源電圧よりも高い信号電圧が入力された場合の過電流を阻止する電流制限抵抗を外付けすることができる。マイコンへのポート電圧は、ポートに接続された電流制限用抵抗と、クランプされている電源ライン、つまり、信号処理回路の電源入力インピーダンスとの分圧により定まるので、信号処理回路の電源入力インピーダンスが高くなると、バッテリー電圧が電流制限用抵抗で十分下がりきらずにポート入力されることになり、ポート破損等の不具合も懸念される。しかし、本発明のごとく、外部電源ラインから接地側に分岐する外部クランプ経路上に電圧規制素子を設けることでマイコンのポートに上記電源入力インピーダンス上昇に由来した過電圧が印加されること、ひいては該過電圧によるポートの破損等を効果的に防止することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る車載用信号入力回路１の電気的な構成図である。車載用信号入力回路１の要部を構成するのはマイコン１０１である。該マイコン１０１として、処理対象となる信号電圧が信号入力経路ＳＬＩを介して入力されるＣＰＵ（内部信号処理回路：入出力回路を含む）１０２と、該ＣＰＵ１０２を動作させるための定格電源電圧Ｖｃｃを供給する内部電源経路ＰＬＩと、後述の内部クランプ経路ＣＬＩとを有する。マイコン１０１の内部電源経路ＰＬＩには、これにつながる外部電源ラインＰＬＥから定格電源電圧Ｖｃｃが供給される。本実施形態において、該マイコン１０１として、市販品（富士通（株）製：Ｆ２ＭＣ−１６ＬＸ／ＭＢ９０９４５シリーズ）を採用している。ＣＰＵ１０２の入出力回路には、デジタル信号が直接入力されるＩ／Ｏポートと、アナログ信号をデジタル変換しつつ入力するＡ／Ｄ変換ポートとが設けられている。

また、車載用信号入力回路１には、該外部電源ラインＰＬＥか接地側に分岐する形で外部クランプ経路ＣＬＥが形成され、該外部クランプ経路ＣＬＥ上には電圧規制素子をなすツェナーダイオードＺＤが設けられている。

外部電源ラインＰＬＥには、マイコン１０１に定格電源電圧Ｖｃｃを供給する安定化電源回路１０３が設けられている。安定化電源回路１０３は市販のレギュレータＩＣ（いわゆる三端子レギュレータ）を主体に構成されるものであり、変動する車載バッテリー電圧＋Ｂを入力として、これを、直流定電圧（例えば＋５Ｖ）に変換して外部電源ラインＰＬＥへ定格電源電圧Ｖｃｃとして出力するものである。さらに、外部電源ラインＰＬＥからは、マイコン１０１の周辺回路（例えば、他のマイコン）への電源供給ラインＰＬＪが分岐している。安定化電源回路１０３から当該電源供給ラインＰＬＪへの分配電源出力は、図示しない制御主体からの指令信号を受けて動作する電源スイッチトランジスタＴｒ１により、供給／遮断の間で切り替え可能である。

次に、車載バッテリー電圧＋Ｂは、安定化電源回路１０３を経由しない形で、信号入力経路ＳＬＩ（すなわち、マイコン１０１のポート（Ｉ／ＯないしＡ／Ｄ））に対し、定格電源電圧Ｖｃｃよりも高い信号電圧として直接入力可能となっている。ここで、車載バッテリーの供給電圧は、電源付加状況やオルターネータの発電電圧重畳状況により最大で＋１７〜１９Ｖ前後まで上昇し、これがマイコン１０１のポートに入力された場合、信号入力に伴うポート電圧が、定格信号入力電圧Ｖｃｃの上限値（＋６Ｖ）よりも高くなる可能性がある。

前述の内部クランプ経路ＣＬＩは、信号入力経路ＳＬＩから分岐して内部電源経路ＰＬＩにつながる形で形成されている。また、該内部クランプ経路ＣＬＩ上には電源側から信号入力側へ電流が逆流することを阻止する保護ダイオードＤ１がそれぞれ設けられている。また、マイコン１０１の各信号入力ポートには、定格電源電圧Ｖｃｃよりも高い信号電圧が入力された場合の過電流を阻止する電流制限抵抗ＲＢが外付けされている。

次に、マイコン１０１のＣＰＵ１０２は、電源電圧の入力インピーダンスが電流制限抵抗ＲＢのインピーダンスよりも高い高インピーダンス状態と、同じく低い低インピーダンス状態との間で切り替え遷移するように構成されている。マイコン１０１は、ＣＰＵ１０２と、該ＣＰＵ１０２のワークメモリとなるＲＡＭ１０２Ａとを内蔵し、ＣＰＵがＲＡＭ１０２Ａの記憶内容を元にクロック信号に従い通常の演算動作を行なう通常モードが低インピーダンス状態であり、他方、ＲＡＭの記憶内容が電源バックアップされる一方、ＣＰＵ１０２へのクロック信号入力が休止されているか、あるいは電源電圧供給が遮断された省電力モードによる動作状態が高インピーダンス状態である。

例えば、通常モードと省電力モードとを一定期間で交互に繰り返すシステム制御系体の場合、マイコン１０１は所定の条件が成立すると、ウェイクアップ信号発生回路１０４内に設けられたスリープタイマーに省電力モードの継続時間（スリープ時間）をセットし、省電力モードへ移行する。省電力モードでは、動作主体であるＣＰＵ１０２の電源入力が高インピーダンス化することで、当該モードでの動作暗電流が減少しバッテリー消耗が抑制される。ウェイクアップ信号発生回路１０４は、スリープ時間がタイムアップすればウェイクアップ信号を送信しマイコン１０１を通常モードへ復帰させる。

内部電源経路ＰＬＩと各ポートへの信号入力電圧は、マイコン１０１の各ポートに接続された電流制限用抵抗ＲＢと、クランプされている電源ラインのインピーダンス、つまり、ＣＰＵ（信号処理回路）１０２の電源入力インピーダンスとの分圧により定まる。図２に模式的に示すように、信号電圧が車載バッテリー電圧＋Ｂに等しいと考え、電源入力に係るＣＰＵ（信号処理回路）１０２の内部インピーダンスをＲＬとし、電流制限抵抗の電気抵抗値をＲＢとすれば、ＲＢとＲＬとの分圧形成点にて該信号電圧＋Ｂが、内部クランプ経路ＣＬＩを介して内部電源経路ＰＬＩ（ひいては外部電源ラインＰＬＥ）にクランプされているので、内部電源経路ＰＬＩに印加される信号電圧（車載バッテリー電圧）＋Ｂに由来した分圧寄与Ｖｋは、
Ｖｋ＝｛ＲＬ／（ＲＢ＋ＲＬ）｝×（＋Ｂ） ‥（１）
となる。

通常モードでは、ＣＰＵ（信号処理回路）１０２の電源入力インピーダンスＲＬが小さい低インピーダンス状態であり、ＲＬ≪ＲＢである。例えばＲＬ＝０．１ＲＢとすれば、
Ｖｋ＝０．１×（＋Ｂ） ‥（２）
であり、信号電圧（＋Ｂ）がマイコン１０１の定格電源電圧より相当高くなっていても、（２）式から内部電源経路ＰＬＩに重畳される分圧寄与Ｖｋはそれほど大きくならないことがわかる。また、保護ダイオードＤ１での電圧降下は、シリコンダイオードの場合それほど大きくないので（例えば、＋０．６Ｖ）、マイコン１０１のポート電圧も略（２）式のＶｋ程度であり、ポート電圧の定格値（例えば＋６Ｖ）を超える惧れはほとんどない。このとき、クランプ電流は、内部クランプ経路ＣＬＩによりＣＰＵ（信号処理回路）１０２を経由して接地側に流れる（経路Ａ）。

しかし、省電力モードでは、ＣＰＵ（信号処理回路）１０２の電源入力インピーダンスＲＬが大きい高インピーダンス状態であり、ＲＬ≫ＲＢなので、（１）式は、
Ｖｋ ≒（＋Ｂ） ‥（３）
となり、定格電源電圧より高い信号電圧（＋Ｂ）の大部分が、内部電源経路ＰＬＩに対し分圧寄与する形となる。その結果、安定化電源回路１０３につながる外部電源ラインＰＬＥの電圧を過度に上昇させ、該外部電源ラインＰＬＥにつながるマイコン１０１だけでなく、ここから分岐する電源供給ラインＰＬＪにつながる周辺回路（例えば、他のマイコン）への電源電圧も、定格電源電圧＋Ｖｃｃを大きく超える値にまで上昇させ、悪影響が及ぶことにつながる。また、マイコン１０１のポート電圧も定格を超えて＋Ｂ程度に上昇し、ポート破損等の心配が生ずる。

しかし、図１の回路構成では、上記内部クランプ経路ＣＬＩとは別に上記外部電源ラインＰＬＥから接地側に分岐する形で形成された外部クランプ経路ＣＬＥ上にツェナーダイオードＺＤが設けられている。このツェナーダイオードＺＤは、マイコン１０１（信号処理ＩＣ）及び外部電源ラインＰＬＥに接続される回路素子（周辺回路）の最大定格電源電圧以下であって、外部電源ラインＰＬＥに接続される安定化電源回路１０３の出力電圧最大値以上のツェナー電圧を有したものが使用される。そして、上記の省電力モード（高インピーダンス状態）において外部電源ラインＰＬＥがツェナー電圧Ｖｚを超えると、ツェナーダイオードＺＤがブレークダウンする。これにより、外部電源ラインＰＬＥの電位が該ツェナー電圧Ｖｚに規制されつつ、クランプ電流が該外部クランプ経路ＣＬＥを経由して接地側に流れることとなる（経路Ｂ）。その結果、ＣＰＵ（信号処理回路）１０２の電源入力が高インピーダンス化する省電力モードにあっても、外部電源ラインＰＬＥの過度の電圧上昇が抑制され、該外部電源ラインＰＬＥにつながるマイコン１０１及び電源供給ラインＰＬＪにつながる周辺回路（例えば、他のマイコン）への、電源電圧上昇に伴う悪影響が効果的に防止できる。また、マイコン１０１のポート電圧が定格を超えて上昇することも抑制される。

本発明の車載用信号入力回路の一例を示す回路図。 図１の回路の動作説明図。

符号の説明

１ 車載用信号入力回路
１０１ マイコン（信号処理ＩＣ）
１０２ ＣＰＵ（内部信号処理回路）
１０２Ａ ＲＡＭ
１０３ 安定化電源回路
ＳＬＩ 信号入力経路
ＰＬＩ 内部電源経路
ＣＬＩ 内部クランプ経路
Ｄ１ 保護ダイオード
ＲＢ 電流制限抵抗
ＰＬＥ 外部電源ライン
ＰＬＪ 電源供給ライン
ＺＤ ツェナーダイオード（電圧規制素子）
ＣＬＥ 外部クランプ経路

Claims (8)

1. 処理対象となる信号電圧が信号入力経路を介して入力される内部信号処理回路と、該内部信号処理回路を動作させるための定格電源電圧を供給する内部電源経路と、前記信号入力経路から分岐して前記内部電源経路につながる形で形成され、前記定格電源電圧よりも高い信号電圧が入力された場合に該信号電圧を前記内部電源経路にクランプし、そのクランプ電流を、前記内部信号処理回路を経由して接地側に落とす内部クランプ経路とを有する信号処理ＩＣと、
   前記信号処理ＩＣの前記内部電源経路に前記定格電源電圧を供給する外部電源ラインから接地側に分岐する形で形成され、前記定格電源電圧よりも高い信号電圧入力に由来した過電圧が前記内部クランプ経路及び前記内部電源経路を経由して前記外部電源ラインに印加されることを抑制する電圧規制素子が設けられ、該電圧規制素子を介して前記クランプ電流を接地側に落とす外部クランプ経路と、
   を備えたことを特徴とする車載用信号入力回路。
2. 前記外部電源ラインに前記定格電源電圧を供給する安定化電源回路が設けられている請求項１に記載の車載用信号入力回路。
3. 前記外部電源ラインから、前記信号処理ＩＣの周辺回路への電源供給ラインが分岐している請求項１又は請求項２に記載の車載用信号入力回路。
4. 前記内部信号処理回路は、電源電圧の入力インピーダンスが前記電流制限抵抗のインピーダンスよりも高い高インピーダンス状態と、同じく低い低インピーダンス状態との間で切り替え遷移するようになっており、
   前記定格電源電圧よりも高い信号電圧入力に由来したクランプ電流を、前記内部信号処理回路が前記高インピーダンス状態となった場合は前記外部クランプ経路により、前記内部信号処理回路が前記低インピーダンス状態となった場合は前記内部クランプ経路により、それぞれ接地側に落とす請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の車載用信号入力回路。
5. 前記信号処理ＩＣは、前記内部信号処理回路をなすＣＰＵと、該ＣＰＵのワークメモリとなるＲＡＭとを内蔵したマイコンであり、前記高インピーダンス状態は、前記ＲＡＭの記憶内容が電源バックアップされる一方、前記ＣＰＵへの前記電源電圧供給が遮断された省電力モードによる動作状態である請求項４記載の車載用信号入力回路。
6. 前記内部クランプ経路上に電源側から信号入力側へ電流が逆流することを阻止する保護ダイオードが設けられ、
   前記マイコンの信号入力ポートに、前記定格電源電圧よりも高い信号電圧が入力された場合の過電流を阻止する電流制限抵抗が外付けされている請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の車載用信号入力回路。
7. 前記定格電源電圧よりも高い信号電圧として、車載バッテリー電圧が前記信号入力経路に入力可能とされてなる請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の車載用信号入力回路。
8. 前記電圧規制素子はツェナーダイオードにて構成されている請求項７記載の車載用信号入力回路。

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