JP2010074870A - 電源装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】基準電圧が駆動電圧と同等の電圧であっても、制御回路の誤動作を低減することができる電源装置を提供することを目的とする。
【解決手段】入力電圧(Vin)から基準電圧(Vref)を生成し、前記基準電圧(Vref)を制御回路37に出力する定電圧回路41と、前記入力電圧(Vin)を降圧して駆動電圧(Vcc)を生成し、前記駆動電圧(Vcc)を前記制御回路37に出力する降圧回路43と、前記入力電圧(Vin)が前記定電圧回路41の動作下限電圧(Vt)以下になれば、前記制御回路37にリセット信号(rst)を出力するリセット回路67と、を備えたものである。
【選択図】図1
【解決手段】入力電圧(Vin)から基準電圧(Vref)を生成し、前記基準電圧(Vref)を制御回路37に出力する定電圧回路41と、前記入力電圧(Vin)を降圧して駆動電圧(Vcc)を生成し、前記駆動電圧(Vcc)を前記制御回路37に出力する降圧回路43と、前記入力電圧(Vin)が前記定電圧回路41の動作下限電圧(Vt)以下になれば、前記制御回路37にリセット信号(rst)を出力するリセット回路67と、を備えたものである。
【選択図】図1
Description
本発明は、制御回路に2種類の電圧を供給する電源装置に関するものである。
従来、制御回路に対して、1種類の入力電圧から2種類の電圧、すなわち、制御回路の駆動電圧と基準電圧を出力する電源装置が、例えば特許文献1に提案されている。図2はこのような電源装置のブロック回路図である。電池101の出力電圧は1種類であるが、この電圧はマイクロコンピュータ103の駆動電圧Vccとして供給されるとともに、レギュレータ105を介して基準電圧AVccとして供給される。ここで、基準電圧AVccは、マイクロコンピュータ103が有するアナログデジタル変換機能における基準電圧となる。従って、基準電圧AVccはレギュレータ105により安定化されるので、使用に伴う電池101の電圧が低下しても基準電圧AVccが安定し、簡単な構成で使用時間の延長が可能となる。
特開2006−271192号公報
上記の電源装置によると、確かに電池101の電圧が低下しても使用時間の延長が可能となるのであるが、このような構成の電源装置を自動車(以下、車両という)に適用すると、次のような課題があった。
一般に、車両の電源はバッテリや発電機であるが、その電圧Vbは12〜14V程度である。従って、車載電装品に従来同様のアナログデジタル変換機能を有するマイクロコンピュータが用いられていた場合、通常のマイクロコンピュータの駆動電圧Vccは5Vであるので、5Vまで降圧するための降圧回路が必要となる。ゆえに、前記降圧回路と図2の構成を組み合わせた図3に示すような回路構成が必要となる。すなわち、図3において、バッテリ等の電圧Vbは降圧回路107に入力され、そこで5Vの駆動電圧Vccが生成される。その電圧はマイクロコンピュータ103に入力されるとともに、レギュレータ105により基準電圧AVccが生成され、これもマイクロコンピュータ103に入力される。これにより、車両用であっても、アナログデジタル変換機能を用いることが可能なマイクロコンピュータ103の電源装置とすることができる。
このような構成の場合、レギュレータ105の特性上、必ず出力される電圧(基準電圧AVcc)は入力する電圧(駆動電圧Vcc)よりも低くなる。この条件で使用できる回路仕様の場合は、図3の電源装置とすればよいが、アナログデジタル変換を高精度に行うために、駆動電圧Vccと基準電圧AVccをほぼ等しく設定する場合がある。この際、簡単にはレギュレータ105で5Vの電圧を生成し、駆動電圧Vcc、および基準電圧AVccとしてマイクロコンピュータ103に入力する構成が考えられるが、レギュレータ105の出力を多くの回路に供給すると、配線からのノイズの影響でアナログデジタル変換精度が低下する上に、レギュレータ105が十分な電力を供給できない可能性がある。
そこで、図4に示すように、降圧回路107とレギュレータ105の両方に電圧Vbを入力する構成が考えられる。これにより、基準電圧AVccを駆動電圧Vccと等しい5Vとすることができるとともに、低ノイズな基準電圧AVccの出力と、十分な電力容量の駆動得電圧Vccの出力が得られる。
しかし、図4の構成では、図3の構成に比べ、電圧Vbが大きく低下した場合、次のような課題があった。
まず、図3の構成で電圧Vbが低下すると、降圧回路107の出力が大きく変動する。その結果、駆動電圧Vccが低下し、マイクロコンピュータ103の動作が停止するが、それと同時にレギュレータ105の出力も停止する。
一方、図4の構成で電圧Vbが低下すると、レギュレータ105、および降圧回路107の両方の出力が変動するのであるが、それによりレギュレータ105からの基準電圧AVccが異常な値であるにもかかわらずマイクロコンピュータ103が動作し続ける可能性がある。この場合は、基準電圧AVccが異常値のままマイクロコンピュータ103がアナログ入力電圧をデジタル値に変換してしまうので、マイクロコンピュータ103が誤ったデジタル値で制御を行い、車載電装品の誤動作を招く可能性があるという課題があった。
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、基準電圧が駆動電圧と同等の電圧であっても、制御回路の誤動作を低減することができる電源装置を提供することを目的とする。
前記従来の課題を解決するために、本発明の電源装置は、入力電圧(Vin)から基準電圧(Vref)を生成し、前記基準電圧(Vref)を制御回路に出力する定電圧回路と、前記入力電圧(Vin)を降圧して駆動電圧(Vcc)を生成し、前記駆動電圧(Vcc)を前記制御回路に出力する降圧回路と、前記入力電圧(Vin)が前記定電圧回路の動作下限電圧(Vt)以下になれば、前記制御回路にリセット信号(rst)を出力するリセット回路と、を備えたものである。
本発明の電源装置によれば、定電圧回路の動作下限電圧Vtは降圧回路の動作下限電圧Vkよりも高くなるので、入力電圧Vinの低下により、定電圧回路の基準電圧Vrefが先に低下する。この時、入力電圧Vinの変化をリセット回路が監視しているので、入力電圧Vinが定電圧回路の動作下限電圧Vt以下になれば、制御回路がまだ正常に動作している間にリセット信号を出力することができる。従って、制御回路を確実に停止でき、その誤動作を低減することが可能な電源装置を実現できるという効果が得られる。
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。なお、ここでは車両の主電源電圧が低下した時に、蓄電部の電力を負荷に供給する電源バックアップユニットに電源装置を適用した例について述べる。
(実施の形態)
図1は、本発明の実施の形態における電源装置のブロック回路図である。なお、図1において太線は電力系配線を、細線は信号系配線をそれぞれ示す。
図1は、本発明の実施の形態における電源装置のブロック回路図である。なお、図1において太線は電力系配線を、細線は信号系配線をそれぞれ示す。
図1において、電源バックアップユニット11は主電源15と負荷17との間に接続されている。主電源15はバッテリと発電機の並列回路(図示せず)からなり、その電圧Vbは発電機の動作中は約14V、停止中はバッテリ電圧である約12Vとなる。負荷17は例えば電気的に車両の制動を制御する車両制動システムの電子制御部である。
電源バックアップユニット11は次の構成を有する。まず、主電源15の出力には充電回路19と、主電源15の電圧Vbを検出する主電源電圧検出回路21が接続されている。充電回路19には蓄電部23が接続されている。蓄電部23は電力を蓄える蓄電素子として定格電圧が2.2Vの電気二重層キャパシタ(以下、キャパシタという)を用い、これを複数個(本実施の形態では6個とした)直列に接続して必要な電力を賄っている。従って、蓄電部23の定格電圧は13.2V(=2.2V×6個)となる。なお、蓄電部23は前記の構成に限定されるものではなく、負荷17に要求される電力仕様に応じてキャパシタの個数を増減したり直並列接続としてもよいし、単数であってもよい。
また、蓄電部23には、その電圧Vcを検出して出力する電圧検出回路25が接続されるとともに、蓄電部23の電力を任意に放電するための放電回路27が接続されている。なお、放電回路27は内蔵した放電抵抗(図示せず)に蓄電部23からの電流を流すことで、熱として電力を消費して蓄電部23を放電する構成とした。この時、放電電流は一定になるように制御している。
さらに、蓄電部23には、その電力を負荷17に出力するための切替スイッチ29の一端が接続されている。これにより、蓄電部23の電力の負荷17への供給を制御している。
切替スイッチ29の他端、および主電源電圧検出回路21には、それぞれ第1ダイオード31と第2ダイオード33のアノードが接続されている。第1ダイオード31と第2ダイオード33のカソードは、いずれも負荷17に接続されている。
充電回路19、主電源電圧検出回路21、電圧検出回路25、放電回路27、および切替スイッチ29は、マイクロコンピュータからなる制御回路37にも接続されている。このことから、制御回路37は主電源電圧検出回路21から主電源15の電圧Vbを、電圧検出回路25から蓄電部23の電圧Vcを、それぞれ読み込む。なお、これらの読み込まれた電圧は図示しないアナログデジタル変換部(制御回路37に内蔵される)によりデジタル値に変換される。また、制御回路37は、充電制御信号Ccntを送信することにより充電回路19を、放電制御信号Dcntを送信することにより放電回路27を、オンオフ信号Sofを送信することにより切替スイッチ29のオンオフを、それぞれ制御する。さらに、制御回路37は車両側制御回路(図示せず)とdata信号により相互に送受信を行う機能を有している。なお、図1の制御回路37において、マイクロコンピュータを動作させるための詳細な回路構成を省略している。
次に、制御回路37に内蔵されたアナログデジタル変換部の基準電圧Vrefを生成する定電圧回路41と、制御回路37の駆動電圧Vccを生成する降圧回路43について説明する。
まず、定電圧回路41と降圧回路43への入力電圧Vinは、主電源15と電気的に接続された第3ダイオード45と、蓄電部23に電気的に接続された第4ダイオード47の、互いのカソードの接続点から得られる構成とした。ここで、上記接続点を入力電圧接続点49という。このように構成することで、主電源15の電圧Vbと蓄電部23の電圧Vcの高い方の電圧が入力電圧Vinとなる。従って、通常時は発電機による発電電圧(14V)により、主電源15の電圧Vbの方が蓄電部23の電圧Vc(定格電圧13.2V)より高いので、第3ダイオード45がオンに、第4ダイオード47がオフになり、主電源15の電圧Vbに比例した電圧が入力電圧Vinとなる。一方、もし主電源15の電圧Vbが低下すれば、第3ダイオード45がオフに、第4ダイオード47がオンになり、蓄電部23の電圧Vcに比例した電圧が入力電圧Vinとなる。このような構成とすることで、主電源15の電圧Vbが低下しても制御回路37は駆動し続けることができる。
次に、定電圧回路41について説明する。入力電圧接続点49には、定電圧回路41の抵抗器51を介してツェナダイオード53のカソードが接続されている。従って、抵抗器51とツェナダイオード53の接続点が基準電圧Vrefの出力となる。また、抵抗器51の抵抗値は定電圧回路41の動作下限電圧Vtが、例えば7Vになるように決定されている。従って、入力電圧Vinが定電圧回路41の動作下限電圧Vt(=7V)以下になれば、定電圧回路41は、もはや基準電圧Vrefを安定した電圧(5V)として出力することができず、入力電圧Vinの低下に伴って、基準電圧Vrefも低下する。
基準電圧Vrefの出力には2個の分圧抵抗器55、57がグランドとの間に直列に接続されている。この分圧抵抗器55、57の接続点の電圧は基準電圧Vrefと比例関係にあるので、その電圧をツェナダイオード53に入力することにより、基準電圧Vrefが正確に5Vになるようにフィードバック制御される。これにより、精度約±1%の基準電圧Vrefが得られる。
このように、定電圧回路41は、定電圧回路41の動作下限電圧Vtを決定する抵抗器51と、抵抗器51にカソードが接続されたツェナダイオード53と、ツェナダイオード53に電気的に接続された周辺回路(分圧抵抗器55、57)から構成されている。なお、定電圧回路41の基準電圧Vrefは制御回路37の基準電圧入力端子59に入力されるよう電気的に接続されている。基準電圧入力端子59は制御回路37の内部でアナログデジタル変換部に接続されているので、基準電圧Vrefはアナログデジタル変換部に入力されることになる。
次に、降圧回路43について説明する。入力電圧接続点49には、降圧回路43におけるトランジスタ61のエミッタが電気的に接続されている。トランジスタ61のコレクタからは降圧回路43の駆動電圧Vccが出力される。これは、制御回路37の駆動電圧入力端子63に入力される。また、出力された駆動電圧Vccはトランジスタ駆動回路65に取り込まれる。さらに、トランジスタ61のベースはトランジスタ駆動回路65に接続されている。このような構成により、トランジスタ駆動回路65は、取り込んだ駆動電圧Vccが安定した電圧(5V)になるようにトランジスタ61の制御を行う。この時の駆動電圧Vccの精度は約±5%であるので、基準電圧Vrefとしては精度が不十分であるが、制御回路37等の5V系電源を必要とする回路を駆動するには十分である。
次に、リセット回路67について説明する。リセット回路67は、入力電圧Vinを取り込むとともに、制御回路37に対してリセット信号rstを出力する構成を有し、具体的には、入力電圧接続点49に電気的に接続された入力電圧分圧抵抗器69、71と、これらの接続点に電気的に接続されたリセット信号生成部73からなる。これにより、入力電圧Vinが既定電圧(本実施の形態では定電圧回路の動作下限電圧Vt)以下になれば、リセット信号生成部73がリセット信号rstを出力する。このリセット信号rstは、マイクロコンピュータからなる制御回路37のリセット端子75に入力される。
次に、このような電源バックアップユニット11の動作について説明する。
車両の通常使用時は、電源バックアップユニット11には主電源15の異常時に備えて蓄電部23に電力が蓄えられた状態となっている。なお、蓄電部23への初期充電は制御回路37により電圧検出回路25で蓄電部23の電圧Vcを検出しながら充電回路19を制御することで行われる。
従って、蓄電部23の電圧Vcは上記したように定格電圧の13.2Vであり、主電源15の電圧Vbは発電機駆動中であるので、約14Vである。その結果、第3ダイオード45がオンに、第4ダイオード47がオフになるため、主電源15の電力が定電圧回路41、および降圧回路43を経由して制御回路37に供給される。ここで、定電圧回路41は基準電圧Vrefを、降圧回路43は駆動電圧Vccを、それぞれ出力している。また、入力電圧Vinは主電源15の電圧Vb(約14V)から第3ダイオード45の電圧降下(約0.7V)を差し引いた約13.3Vとなり、この正常な入力電圧Vinが入力電圧分圧抵抗器69、71を介してリセット信号生成部73に入力される。従って、リセット回路67からはリセット信号rstを出力していない状態である。
次に、車両使用中に主電源15の電圧Vbが急に低下する異常状態になったとする。この電圧Vbの変化は主電源電圧検出回路21により検出され、制御回路37に出力される。これを受け、制御回路37は直ちに切替スイッチ29をオンにするようオンオフ信号Sofを送信する。その結果、切替スイッチ29がオンになり、第1ダイオード31のアノードに蓄電部23の電圧Vcが印加される。この時、主電源15の電圧Vbは低下しているので、第1ダイオード31がオンに、第2ダイオード33がオフになる。その結果、負荷17には主電源15からの電流が遮断され、図1中に放電経路と書かれた矢印の方向に蓄電部23からの電流が供給される。このような動作により、主電源15の電圧低下に対しても、蓄電部23からの電流が負荷17に供給されるので、負荷17を使用し続けることができる。
ここで、上記の動作を行うためには、主電源15の電圧Vbが低下しても制御回路37に駆動電圧Vccや基準電圧Vrefが印加され続けなければならない。これに対し、定電圧回路41、降圧回路43、およびリセット回路67からなる電源装置には、第3ダイオード45と第4ダイオード47により主電源15の電圧Vbと蓄電部23の電圧Vcの内、高い方の電圧が入力電圧Vinとして印加されるように構成している。従って、主電源15の電圧Vbが急に低下しても、直ちに、第3ダイオード45がオフに、第4ダイオード47がオンになるので、蓄電部23の電力が制御回路37に供給され続ける。
以上のようにして、蓄電部23の電力が負荷17に供給されると、その電圧Vcは経時的に低下していく。その結果、入力電圧Vinも経時的に低下し、やがて定電圧回路41の動作下限電圧Vt(=7V)以下になると、もはや定電圧回路41は正確な基準電圧Vrefを出力することができなくなる。そこで、リセット回路67は入力電圧Vinが定電圧回路41の動作下限電圧Vt以下になると、直ちにリセット信号rstを制御回路37に出力する。この時点では、入力電圧Vinが降圧回路43の動作下限電圧Vt(=6V)に至っていないので、駆動電圧Vccは5Vのまま出力され続けている。従って、制御回路37は正常に動作している。この状態で、リセット回路67からリセット信号rstが出力されると、制御回路37が正常に動作している状態でリセット信号rstを取り込むことができる。このような動作により、基準電圧Vrefが低下していく状態になると、直ちに制御回路37を確実に停止することができる。その結果、誤った基準電圧Vrefでアナログデジタル変換を行い、制御回路37が誤動作を起こしてしまう可能性を低減することができる。
その後、もし主電源15の電圧Vbが回復すれば、制御回路37は切替スイッチ29をオフにする。これにより、第1ダイオード31がオフに、第2ダイオード33がオンになるので、再び主電源15の電力が負荷17に供給される。
車両の使用を終了すれば、制御回路37は放電回路27に対し、蓄電部23が蓄えている電力を放電するよう制御する。その結果、蓄電部23の電力は放電回路27により放電され、非使用時のキャパシタへの不要な電圧印加を回避している。これにより、蓄電部23の長寿命化を図ることができる。
以上の構成、動作により、制御回路37の駆動電圧Vccと基準電圧Vrefがほぼ等しくなる回路構成とした場合、入力電圧Vinが低下し、定電圧回路41の動作下限電圧Vt以下になると、前記リセット回路は直ちに制御回路37にリセット信号rstを出力するので、制御回路37が正常に動作している間に、制御回路37を停止させることができる。その結果、誤ったアナログデジタル変換を行ってしまう可能性を低減できる。これにより、次のような効果が得られる。
例えば基準電圧Vrefが低下している時に、主電源15の電圧Vbも低下した状態であれば、アナログデジタル変換部では電圧Vbを正常値範囲のデジタル値に変換してしまうことがある。従って、実際は電圧Vbが低くて負荷17を駆動できないにもかかわらず、制御回路37が切替スイッチ29をオフにしてしまい、その結果、負荷17への電力供給が途切れてしまうことが起こり得る。本実施の形態によれば、上記した構成、動作により、このような制御回路37の誤動作を低減することが可能な電源装置が得られる。
なお、定電圧回路41や降圧回路43として、例えばDC/DCコンバータを適用することも可能であるが、回路構成と動作が複雑になり高コスト化するため、定電圧回路41を抵抗器51、ツェナダイオード53、および、それに電気的に接続された周辺回路(分圧抵抗器55、57)から構成するとともに、降圧回路43をトランジスタ61、およびトランジスタ61に電気的に接続されたトランジスタ駆動回路65から構成する本実施の形態が望ましい。
また、本実施の形態では、降圧回路43は、入力電圧(Vin)側、すなわち入力電圧接続点49にエミッタが電気的に接続されたトランジスタ61と、トランジスタ61のベースに電気的に接続されたトランジスタ駆動回路65から構成されているが、これは、トランジスタ61を電界効果トランジスタに替えてもよい。この場合、トランジスタ駆動回路65は前記電界効果トランジスタの駆動用に変更した電界効果トランジスタ駆動回路とする。従って、降圧回路43は、入力電圧(Vin)側にソースが電気的に接続された前記電界効果トランジスタと、前記電界効果トランジスタのゲートに電気的に接続された前記電界効果トランジスタ駆動回路から構成される。このように構成しても、トランジスタ61とトランジスタ駆動回路65から構成された降圧回路43と同等の動作を行うことができるので、適宜いずれかの構成を選択すればよい。
また、本実施の形態では、トランジスタ駆動回路65とリセット回路67を別体で構成しているが、これはリセット回路67をトランジスタ駆動回路65に内蔵する一体構成としてもよい。
また、本実施の形態では、蓄電部23に電気二重層キャパシタを用いたが、これは電気化学キャパシタ等の他のキャパシタや二次電池でもよい。
また、本実施の形態では、電源装置の最適な用途として、アナログデジタル変換部を内蔵したマイクロコンピュータへの駆動電圧Vccと基準電圧Vrefの出力に用いたが、これは、アナログデジタル変換部が別体の回路構成に用いてもよいし、駆動電圧Vccと基準電圧Vrefの両方を使用する一般回路構成に用いてもよい。
また、本実施の形態では、電源装置を車両用の電源バックアップユニット11に適用した例について述べたが、これに限定されるものではなく、制御回路37を用いる他の車載電装品や車両以外の電子機器等に適用することができる。
本発明にかかる電源装置は、制御回路の誤動作を低減することができるので、制御回路に2種類の電圧を供給する電源装置等として有用である。
37 制御回路
41 定電圧回路
43 降圧回路
53 ツェナダイオード
61 トランジスタ
65 トランジスタ駆動回路
67 リセット回路
41 定電圧回路
43 降圧回路
53 ツェナダイオード
61 トランジスタ
65 トランジスタ駆動回路
67 リセット回路
Claims (4)
- 入力電圧(Vin)から基準電圧(Vref)を生成し、前記基準電圧(Vref)を制御回路に出力する定電圧回路と、
前記入力電圧(Vin)を降圧して駆動電圧(Vcc)を生成し、前記駆動電圧(Vcc)を前記制御回路に出力する降圧回路と、
前記入力電圧(Vin)が前記定電圧回路の動作下限電圧(Vt)以下になれば、前記制御回路にリセット信号(rst)を出力するリセット回路と、を備えた電源装置。 - 前記制御回路は、アナログデジタル変換部を内蔵したマイクロコンピュータであり、
前記駆動電圧(Vcc)は前記マイクロコンピュータの駆動電圧入力端子に入力され、
前記基準電圧(Vref)は前記アナログデジタル変換部に接続された前記マイクロコンピュータの基準電圧入力端子に入力され、
前記リセット信号(rst)は前記マイクロコンピュータのリセット端子に入力されるようにした請求項1に記載の電源装置。 - 前記降圧回路は、前記入力電圧(Vin)側にエミッタが電気的に接続されたトランジスタと、前記トランジスタのベースに電気的に接続されたトランジスタ駆動回路から構成されるか、
または、前記入力電圧(Vin)側にソースが電気的に接続された電界効果トランジスタと、前記電界効果トランジスタのゲートに電気的に接続された電界効果トランジスタ駆動回路から構成される請求項1に記載の電源装置。 - 前記定電圧回路は、前記定電圧回路の動作下限電圧(Vt)を決定する抵抗器と、前記抵抗器にカソードが接続されたツェナダイオードと、前記ツェナダイオードに電気的に接続された周辺回路から構成される請求項1に記載の電源装置。
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US9600047B2 (en) | 2012-03-30 | 2017-03-21 | Hitachi Automotive Systems, Ltd. | Electronic control unit |
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