JP2016089675A - イグナイタおよび車両 - Google Patents

Abstract

【課題】ＩＧＦ信号のノイズ耐性を改善したイグナイタを提供する。
【解決手段】駆動ステージ３００Ｂは、判定信号Ｓ_ＤＥＴに応じてスイッチ素子２０２のオン、オフを制御する。電流比較回路３５０は、第１電源電圧Ｖ_ＤＤ１を受け、スイッチ素子２０２に流れるコイル電流Ｉ_Ｃを少なくともひとつの基準電流Ｉ_ＴＨと比較し、比較結果に応じた論理レベルを有するフィードバック信号Ｓ２３を生成する。出力トランジスタ３５４の一端は接地され、他端がＩＧＦ信号を出力するための端子と接続され、第１電源電圧Ｖ_ＤＤ１よりも大きなしきい値電圧Ｖ_{ＧＳ（ＴＨ）}を有する。レベルシフタ３５２は、出力トランジスタ３５４のしきい値電圧Ｖ_{ＧＳ（ＴＨ）}より高い第２電源電圧Ｖ_ＤＤ２を受け、フィードバック信号Ｓ２３をレベルシフトして出力トランジスタ３５４の制御端子に出力する。
【選択図】図５

Description

本発明は、エンジンの点火プラグと接続されるイグニッションコイルを制御するイグナイタに関する。

図１は、ガソリンエンジン車（以下、単に車両ともいう）１００のエンジンルーム１０１の斜視図である。エンジンルーム１０１には、エンジン１１０、吸気マニホールド１１２、エアクリーナ１１３、ラジエータ１１４、バッテリ１０２などが収容される。図１には４気筒エンジンが示される。

エンジン１１０には、気筒ごとにプラグホール（不図示）が設けられ、プラグホールには、点火プラグ（不図示）が挿入される。エンジン１１０の各気筒には、エアクリーナ１１３、吸気マニホールド１１２を経由した空気と、図示しない燃料タンクからの燃料との混合気体が供給される。点火プラグを適切なタイミングで点火（スパーク）させることで、エンジンが始動、回転する。

図２は、車両１００ｒの電気系統の一部のブロック図である。車両１００ｒの電気系統は、バッテリ１０２、イグニッションコイル１０４、点火プラグ１０６、ＥＣＵ１０８、イグナイタ２００ｒを備える。ＥＣＵ１０８は、点火プラグ１０６の点火タイミングを指示する点火信号ＩＧＴ（Ignition Timing）を、エンジン１１０の回転と同期して周期的に発生する。イグニッションコイル１０４の２次コイルＬ２は点火プラグ１０６と接続される。イグナイタ２００ｒは、点火信号ＩＧＴに応じてイグニッションコイル１０４の１次コイルＬ１の電流を制御することにより、２次コイルＬ２に数十ｋＶもの高電圧（２次電圧Ｖ_Ｓ）を発生させ、点火プラグ１０６を放電させて、エンジン１１０内の混合気を爆発させる。

イグナイタ２００ｒは、スイッチ素子２０２およびスイッチ制御装置３００ｒを備える。スイッチ素子２０２はたとえばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であり、そのコレクタは１次コイルＬ１と接続され、そのエミッタは接地される。スイッチ制御装置３００ｒは、点火信号ＩＧＴに応じてスイッチ素子２０２の制御端子（ゲート）の電圧を制御し、スイッチ素子２０２のオン、オフを制御する。具体的にはスイッチ制御装置３００ｒは、点火信号ＩＧＴがハイレベルの期間、スイッチ素子２０２をオン状態とする。スイッチ素子２０２がオンすると、１次コイルＬ１の両端間にバッテリ電圧Ｖ_ＢＡＴが印加され、１次コイルＬ１に流れる電流が時間とともに増大する。点火信号ＩＧＴがローレベルに遷移すると、スイッチ制御装置３００ｒはスイッチ素子２０２を瞬時にターンオフさせ、１次コイルＬ１の電流Ｉ_Ｌ１を遮断する。このとき１次コイルＬ１には、電流Ｉ_Ｌ１の時間微分に比例した数百Ｖもの１次電圧Ｖ_Ｌ１（＝Ｌ・ｄＩ_Ｌ１／ｄｔ）が発生する。このとき２次コイルＬ２には、１次電圧Ｖ_Ｌ１に巻線比を乗じた数十ｋＶもの２次電圧Ｖ_Ｓが発生する。

スイッチ制御装置３００ｒは、前段の判定ステージ３００Ａと、後段の駆動ステージ３００Ｂを含む。判定ステージ３００Ａは、ＥＣＵ１０８からの点火信号ＩＧＴを受け、そのレベル（ハイ・ロー）を判定する。ここでイグナイタ２００は、エンジンルーム内で使用され、さまざまなサージノイズや高周波ノイズに晒される。高周波ノイズによるイグナイタ２００の誤動作を防止するために、判定ステージ３００Ａには、点火信号ＩＧＴに重畳する高周波ノイズを除去する高周波フィルタ３０３が設けられる。判定コンパレータ３０２は、高周波フィルタ３０３を通過した点火信号ＩＧＴの電圧レベルＶ_ＦＩＬを所定の基準電圧（しきい値）Ｖ_ＲＥＦと比較し、ハイ・ロー２値の判定信号Ｓ_ＤＥＴを生成する。

駆動ステージ３００Ｂは、判定信号Ｓ_ＤＥＴに応じて、スイッチ素子２０２のオン、オフを切りかえる。遅延回路３０４は、判定信号Ｓ_ＤＥＴに所定の遅延を与える。この遅延量は、点火信号ＩＧＴの遷移と点火プラグの放電の時間の時間差（遅れ）が所定値となるように設定される。プリドライバ３０６およびゲートドライバ３０８は、遅延回路３０４の出力に応じてスイッチ素子２０２のゲート電圧を制御する。

点火確認回路（以下、ＩＧＦ（Ignition Feedback）回路という）３４０ｒは、スイッチ素子２０２に流れるコイル電流Ｉ_Ｃを監視し、その結果を示すＩＧＦ信号をＥＣＵ１０８に通知する。具体的にはＩＧＦ回路３４０ｒには２つの基準電流Ｉ_ＴＨＬ、Ｉ_ＴＨＨが規定されており、Ｉ_Ｃ＜Ｉ_ＴＨＬまたはＩ_ＴＨＨ＜Ｉ_Ｃのとき、ＩＧＦ信号を第１レベル（たとえばハイレベル）、Ｉ_ＴＨＬ＜Ｉ_Ｃ＜Ｉ_ＴＨＨのとき、ＩＧＦ信号を第２レベル（たとえばローレベル）とする。

図３は、本発明者が検討したＩＧＦ回路３４０ｒの回路図である。ＩＧＦ回路３４０ｒは、コンパレータＣＭＰ１、ＣＭＰ２、論理ゲート３４２、出力トランジスタ３４４を備える。スイッチ素子２０２のエミッタと接地の間には、電流検出用の抵抗Ｒ_ＣＳが挿入される。抵抗Ｒ_ＣＳには、コイル電流Ｉ_Ｃに比例した電圧降下（検出電圧Ｖ_ＣＳ）が発生する。

コンパレータＣＭＰ１は、検出電圧Ｖ_ＣＳを第１基準電流Ｉ_ＴＨＨに対応する基準電圧Ｖ_ＴＨＨと比較し、Ｖ_ＴＨＨ＞Ｖ_ＣＳのときハイレベルとなる比較信号Ｓ１１を出力する。コンパレータＣＭＰ２は、検出電圧Ｖ_ＣＳを第２基準電流Ｉ_ＴＨＬに対応する基準電圧Ｖ_ＴＨＬと比較し、Ｖ_ＴＨＬ＜Ｖ_ＣＳのときハイレベルとなる比較信号Ｓ１２を出力する。論理ゲート３４２は、２つの比較信号Ｓ１１、Ｓ１２を論理演算し、フィードバック信号Ｓ１３を出力する。たとえば論理ゲート３４２は、比較信号Ｓ１１の反転信号と比較信号Ｓ１２の論理積を生成する。

ＩＧＦ回路３４０ｒは、オープンドレイン（オープンコレクタ）形式の出力トランジスタ３４４を備える。出力トランジスタ３４４のドレインはＩＧＦ端子と接続され、ソースは接地ライン３１２と接続され、ゲートには論理ゲート３４２の出力Ｓ１３が入力される。ＩＧＦ端子とＥＣＵ１０８の間は、ハーネス１１６を介して接続される。ＩＧＦ信号を伝送するハーネス１１６の信号ライン１１８は、ＥＣＵ１０８の内部においてプルアップされる。ＥＣＵ１０８は、信号ライン１１８の電圧波形（エッジのタイミングやパルス幅）Ｖｘにもとづいて、イグナイタ２００が正常動作しているかどうかを検出する。

特開２０１１−１８５１６５号公報 特開２０１４−０５１９０４号公報 特開２０１３−１２４６０３号公報

本発明者は、図３のイグナイタ２００ｒについて検討した結果、以下の課題を認識するに至った。
ここでイグナイタ２００ｒは、エンジンルーム内で使用され、さまざまなサージやノイズ（以下、単にノイズとも総称する）に晒される。したがってイグナイタ２００ｒには、さまざまなノイズに対する耐性が要求され、その要求レベルはますます高まっている。

図４は、図３のイグナイタ２００ｒの動作波形図である。本明細書で参照する波形図やタイムチャートの縦軸および横軸は、理解を容易とするために適宜拡大、縮小したものであり、また示される各波形も、理解の容易のために簡略化され、あるいは誇張もしくは強調されている。イグナイタ２００にサージやノイズＳ２０が入力されると、検出電圧Ｖ_ＣＳ、接地ライン３１２の電位Ｖ_ＧＮＤ、あるいは電源電圧Ｖ_ＤＤが変動する。これにより比較信号Ｓ１１、Ｓ１２がチャタリングを起こし、フィードバック信号Ｓ１３に伝搬する。これによりＩＧＦ信号が変動する。

あるいはノイズＳ２１の影響で、比較信号Ｓ１１、Ｓ１２のレベル変化のタイミングが前後にシフトし、これによりフィードバック信号Ｓ１３、ひいてはＩＧＦ信号のタイミングにずれが生ずる。

比較信号Ｓ１１、Ｓ１２のチャタリングに起因するフィードバック信号Ｓ１３の変動（チャタリング）に対しては、コンパレータＣＭＰ１、ＣＭＰ２にヒステリシスを設定することにより、ある程度の対策が可能である。

一方で、接地ライン３１２にノイズが混入して接地電圧Ｖ_ＧＮＤがスイングしたり、出力トランジスタ３４４のゲートにノイズが混入すると、比較信号Ｓ１１、Ｓ１２が正常であっても、ノイズの影響で出力トランジスタ３４４がスイッチングし、ＩＧＦ信号が振動することとなる。

本発明はかかる課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、ＩＧＦ信号のノイズ耐性を改善したイグナイタの提供にある。

本発明のある態様はイグナイタに関する。イグナイタは、イグニッションコイルの１次コイルと接続されるスイッチ素子と、ＥＣＵ（Engine Control Unit）からの点火信号に応じてスイッチ素子を制御するスイッチ制御装置と、を備える。スイッチ制御装置は、点火信号が入力される入力ラインと、入力ラインの電圧を所定の基準電圧と比較し、判定信号を生成する判定ステージと、判定信号に応じてスイッチ素子のオン、オフを制御する駆動ステージと、第１電源電圧を受け、スイッチ素子に流れるコイル電流を少なくともひとつの基準電流と比較し、比較結果に応じた論理レベルを有するフィードバック信号を生成する電流比較回路と、一端が接地され、他端が点火確認信号を出力するための端子と接続され、第１電源電圧よりも大きな基準電圧を有する出力トランジスタと、出力トランジスタのしきい値電圧より高い第２電源電圧を受け、フィードバック信号をレベルシフトして出力トランジスタの制御端子に出力するレベルシフタと、を備える。

この態様では、電流比較回路に含まれる論理回路は、第１電源電圧で動作可能な、したがって第１電源電圧より小さなしきい値電圧を有するトランジスタで構成される。これにより、電流比較回路での消費電力を小さく維持される。また出力トランジスタを、第２電源電圧よりも大きなしきい値電圧を有するトランジスタで構成することにより、ノイズやサージにより出力トランジスタの制御端子の電位が変化したときに、サージやノイズにより出力トランジスタがオン、オフするのを防止でき、ＩＧＦ信号のノイズ耐性を高めることができる。

レベルシフタは、第２電源電圧が供給される第２電源ラインと接地ラインの間に直列に接続された第１抵抗および第１トランジスタを含んでもよい。

電流比較回路は、コイル電流を上側基準電流および下側基準電流と比較してもよい。フィードバック信号は、（i）コイル電流が下側基準電流より小さいまたはコイル電流が上側基準電流より大きいとき第１レベルであり、（ii）コイル電流が下側基準電流より大きく、かつ上側基準電流より小さいとき第２レベルであってもよい。

電流比較回路は、コイル電流に比例した検出電圧を、少なくともひとつの基準電流に対応する少なくともひとつの基準電圧と比較する少なくともひとつの電圧コンパレータを含んでもよい。

電流比較回路は、検出電圧のノイズを除去するフィルタ回路を含んでもよい。これにより、検出電圧に重畳するノイズを除去でき、ノイズ耐性を高めることができる。

少なくともひとつの基準電圧はそれぞれヒステリシスを有してもよい。これにより、検出電圧にノイズが重畳したときに比較信号がチャタリングするのを防止できる。

少なくともひとつの電圧コンパレータはそれぞれ、第２トランジスタと、第２トランジスタのエミッタと接地ラインの間に設けられた第２抵抗と、第２トランジスタとベースが共通に接続され、そのエミッタに検出電圧が入力される第３トランジスタと、第２トランジスタのコレクタに接続される第１電流源と、第３トランジスタのコレクタに接続される第２電流源と、ベースが第２トランジスタのコレクタと接続され、エミッタが第２トランジスタおよび第３トランジスタのベースに接続される第４トランジスタと、第２トランジスタおよび第３トランジスタのベースと、第２トランジスタのエミッタの間に直列に接続される第３抵抗および第４抵抗と、第３抵抗と第４抵抗の接続点と接地ラインの間に設けられ、そのベースに電圧コンパレータの出力信号が入力される第５トランジスタと、を含んでもよい。
検出電圧の電圧レベルが小さい場合には、差動アンプ（オペアンプ）を用いた電圧コンパレータを利用できない場合がある。この構成によれば、差動アンプを用いずに電圧比較が可能となり、また基準電圧にヒステリシスを設定できる。

イグナイタは、スイッチ素子と接地の間に挿入された電流センス抵抗をさらに備えてもよい。電流センス抵抗の両端間の電圧が、検出電圧であってもよい。

電流比較回路は、コイル電流に応じた検出電圧を、上側基準電流に対応する上側基準電圧と比較し、第１比較信号を出力する第１コンパレータと、検出電圧を、下側基準電流に対応する下側基準電圧と比較し、第２比較信号を出力する第２コンパレータと、第１比較信号と第２比較信号を論理演算してフィードバック信号を生成するロジック回路と、を含んでもよい。

スイッチ制御装置は、ひとつの半導体基板に一体集積化されてもよい。
「一体集積化」とは、回路の構成要素のすべてが半導体基板上に形成される場合や、回路の主要構成要素が一体集積化される場合が含まれ、回路定数の調節用に一部の抵抗やキャパシタなどが半導体基板の外部に設けられていてもよい。

本発明の別の態様は、車両に関する。車両は、ガソリンエンジンと、点火プラグと、１次コイルと、点火プラグと接続される２次コイルと、を有するイグニッションコイルと、点火プラグの点火を指示する点火信号を生成するＥＣＵと、点火信号に応じてイグニッションコイルを駆動する上述のいずれかのイグナイタと、を備えてもよい。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明のある態様によれば、ＩＧＦ信号のサージやノイズに対する耐性を改善できる。

ガソリンエンジン車のエンジンルームの斜視図である。 車両の電気系統の一部のブロック図である。 本発明者が検討したＩＧＦ回路の回路図である。 図３のイグナイタの動作波形図である。 実施の形態に係るイグナイタの回路図である。 図６（ａ）は、図５のイグナイタの動作波形図であり、図６（ｂ）は、図３のイグナイタの動作波形図である。 イグナイタの構成例を示す回路図である。 図８（ａ）、（ｂ）は、コンパレータの構成例を示す回路図である。 図９（ａ）〜（ｃ）は、変形例に係るイグナイタの回路図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

本明細書において、「部材Ａと部材Ｂが接続」された状態とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合や、部材Ａと部材Ｂが、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

図５は、実施の形態に係るイグナイタ２００の回路図である。イグナイタ２００は、スイッチ素子２０２およびスイッチ制御装置３００を備える。スイッチ制御装置３００は、判定ステージ３００Ａ、駆動ステージ３００Ｂ、電流比較回路３５０、レベルシフタ３５２、出力トランジスタ３５４を備え、ひとつの半導体基板に一体集積化された機能ＩＣである。判定ステージ３００Ａ、駆動ステージ３００Ｂの基本構成は図２のそれと同じである。

判定ステージ３００Ａは、高周波フィルタ３０３および判定コンパレータ３０２を備える。入力ライン３０１には、ＥＣＵ１０８からの点火信号ＩＧＴが入力される。高周波フィルタ３０３は、入力ライン３０１の高周波ノイズを除去する。

判定コンパレータ３０２は、高周波フィルタ３０３の出力電圧Ｖ_ＦＩＬを基準電圧Ｖ_ＲＥＦと比較し、判定信号Ｓ_ＤＥＴを生成する。本実施の形態では、Ｖ_ＦＩＬ＞Ｖ_ＲＥＦ（Ｖ_ＩＮ＞Ｖ_ＲＥＦ）の状態が、スイッチ素子２０２のオンに、Ｖ_ＦＩＬ＜Ｖ_ＲＥＦ（Ｖ_ＩＮ＜Ｖ_ＲＥＦ）の状態が、スイッチ素子２０２のオフに対応づけられる。また、判定信号Ｓ_ＤＥＴは、Ｖ_ＦＩＬ＞Ｖ_ＲＥＦのとき、ハイレベル（アサート）、Ｖ_ＦＩＬ＜Ｖ_ＲＥＦのときローレベル（ネゲート）であり、したがって、判定信号Ｓ_ＤＥＴのハイレベルは、スイッチ素子２０２のオンに対応するアサートレベルであり、判定信号Ｓ_ＤＥＴのローレベルは、スイッチ素子２０２のオフに対応するネゲートレベルである。なお、ハイレベル、ローレベルとアサート、ネゲートの割り当ては設計事項であり、入れかえてもよい。

駆動ステージ３００Ｂは、判定ステージ３００Ａにより生成された判定信号Ｓ_ＤＥＴに応じて、スイッチ素子２０２のオン、オフを制御する。駆動ステージ３００Ｂは、遅延回路３０４、プリドライバ３０６、ゲートドライバ３０８を含む。遅延回路３０４は、判定信号Ｓ_ＤＥＴに所定の遅延Ｔｄ１を与える。この遅延量Ｔｄ１は、点火信号ＩＧＴの遷移と点火プラグの放電の時間の時間差（遅れ）が所定値となるように設定される。プリドライバ３０６およびゲートドライバ３０８は、遅延回路３０４の出力Ｓ２に応じてスイッチ素子２０２の制御端子（ゲート）の電圧Ｖ_Ｇを制御する。

スイッチ制御装置３００はさらに、電流比較回路３５０、レベルシフタ３５２、出力トランジスタ３５４を備える。イグナイタ２００には、電圧レベルが異なる第１電源電圧Ｖ_ＤＤ１および第２電源電圧Ｖ_ＤＤ２が供給される。これらの電源電圧Ｖ_ＤＤ１、Ｖ_ＤＤ２は、イグナイタ２００が内蔵する内部レギュレータ３１６、３１７により生成される。電源電圧Ｖ_ＤＤ１、Ｖ_ＤＤ２は、外部の電源から供給されてもよい。

電流比較回路３５０は、第１電源電圧Ｖ_ＤＤ１を動作電圧（電源電圧）として受ける。電流比較回路３５０は、スイッチ素子２０２に流れるコイル電流Ｉ_Ｃを少なくともひとつの基準電流Ｉ_ＴＨと比較し、比較結果に応じた論理レベルを有するフィードバック信号Ｓ２３を生成する。電流比較回路３５０から出力されるフィードバック信号Ｓ２３は、接地電圧（Ｖ_ＧＮＤ＝０Ｖ）および第１電源電圧Ｖ_ＤＤ１をそれぞれ、ローレベルおよびハイレベルとする。

たとえば電流比較回路３５０には、図３のＩＧＦ回路３４０ｒと同様に、２つの基準電流Ｉ_ＴＨＨ、Ｉ_ＴＨＬが規定され、Ｉ_ＴＨＬ＜Ｉ_Ｃ＜Ｉ_ＴＨＨのとき第１レベル（ここではハイレベル）、Ｉ_Ｃ＜Ｉ_ＴＨＬもしくはＩ_ＴＨＨ＜Ｉ_Ｃのとき第２レベル（ここではローレベル）となるフィードバック信号Ｓ２３を生成する。

出力トランジスタ３５４は、ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴであり、一端（ソース）が接地され、他端（ドレイン）が点火確認（ＩＧＦ）信号を出力するためのＩＧＦ端子と接続される。出力トランジスタ３５４のゲートソース間しきい値電圧Ｖ_{ＧＳ（ＴＨ）}は、第１電源電圧Ｖ_ＤＤ１よりも大きい。つまり第１電源電圧Ｖ_ＤＤ１をハイレベルとするフィードバック信号Ｓ２３を直接、出力トランジスタ３５４のゲートに入力しても、出力トランジスタ３５４をターンオンさせることはできない。

そこで電流比較回路３５０と出力トランジスタ３５４の間には、レベルシフタ３５２が設けられる。レベルシフタ３５２には、電源電圧として第１電源電圧Ｖ_ＤＤ１より高い第２電源電圧Ｖ_ＤＤ２が供給される。この第２電源電圧Ｖ_ＤＤ２は、出力トランジスタ３５４のしきい値電圧Ｖ_{ＧＳ（ＴＨ）}より高い。たとえばＶ_{ＧＳ（ＴＨ）}＝５Ｖ、Ｖ_ＤＤ２＝７Ｖである。レベルシフタ３５２は、フィードバック信号Ｓ２３をレベルシフトし、また必要に応じて論理反転する。レベルシフタ３５２は、具体的には、その出力Ｓ２４のハイレベル電圧を、出力トランジスタ３５４のしきい値電圧Ｖ_{ＧＳ（ＴＨ）}より高い電圧レベルＶ_ＤＤ２にレベルシフトして、出力トランジスタ３５４の制御端子（ゲート）に出力する。

以上がイグナイタ２００の基本構成である。続いてその動作を説明する。図６（ａ）は、図５のイグナイタ２００の動作波形図であり、図６（ｂ）は、図３のイグナイタ２００の動作波形図である。

実施の形態に係るイグナイタ２００の利点をより明確なものとするため、はじめに図６（ｂ）を参照して、図３のイグナイタ２００ｒの動作を説明する。

論理ゲート３４２の出力Ｓ１３がハイレベルの区間に着目する。このとき、出力トランジスタ３４４のゲートソース間電圧Ｖ_ＧＳは電源電圧Ｖ_ＤＤであり、たとえばＶ_ＤＤ＝３Ｖ程度である。

ハーネス１１６にノイズが入射すると、ＩＧＴ端子やＩＧＦラインを経由して接地ライン３１２や電源ライン３１４に伝搬し、接地電圧Ｖ_ＧＮＤや電源電圧Ｖ_ＤＤが振れることになる。ノイズにより、接地電圧Ｖ_ＧＮＤや電源電圧Ｖ_ＤＤが変動すると、出力トランジスタ３４４のゲートソース間電圧Ｖ_ＧＳが変動する。

出力トランジスタ３４４のオンを維持するためには、Ｖ_ＧＳ＞Ｖ_{ＧＳ（ＴＨ）}でなければならず、許容されるノイズの電圧振幅Ｖ_ＭＲＧＮは、Ｖ_ＤＤ−Ｖ_{ＧＳ（ＴＨ）}となる。Ｖ_{ＧＳ（ＴＨ）}＝２．５Ｖとすると、Ｖ_ＭＲＧＮ＝０．５Ｖであり、それを超えるノイズＳ３０が出力トランジスタ３４４のゲートソース間に入力されると、ＩＧＦ信号にノイズＳ３１の影響が現われる。

続いて、図６（ａ）を参照し、図５のイグナイタ２００の動作を説明する。
レベルシフタ３５２の出力Ｓ２４がハイレベルの期間に着目する。このとき、出力トランジスタ３５４のゲートソース間電圧Ｖ_ＧＳは電源電圧Ｖ_ＤＤ２（＝７Ｖ）であり、また出力トランジスタ３５４のしきい値電圧Ｖ_{ＧＳ（ＴＨ）}は５Ｖである。出力トランジスタ３５４のオンを維持するために許容されるノイズの電圧振幅Ｖ_ＭＲＧＮは、Ｖ_ＤＤ２−Ｖ_{ＧＳ（ＴＨ）}＝２Ｖとなる。つまり、図３のイグナイタ２００ｒに比べて、ノイズ耐性が格段に高まっている。これにより、ゲートソース間電圧Ｖ_ＧＳにノイズＳ３０が発生しても、出力トランジスタ３５４のオンが維持され、ＩＧＦ信号にはノイズの影響が現われない。

出力トランジスタ３５４を誤動作させるノイズの侵入経路として、（i）ＩＧＦ端子からゲートドレイン間容量（帰還容量Ｃ_ｒｓｓ）を介してゲートに至るもの、（ii）ＩＧＦ端子からドレインソース間容量（出力容量Ｃ_ｏｓｓ）を介して接地ライン３１２に至るもの、が例示される。実施の形態に係るイグナイタ２００によればこれらの経路から侵入するノイズに対する耐性を高めることができる。

なお単純にノイズ耐性を高めることのみを考慮した場合、スイッチ制御装置３００のすべての回路素子を、高い電源電圧で動作させるというアプローチも存在するが、これはスイッチ制御装置３００の消費電力を増大させることとなり、省エネの要請に反する。実施の形態に係るイグナイタ２００では、ＩＧＦ端子に接続される出力トランジスタ３５４のみを、高しきい値ＭＯＳＦＥＴで構成し、その前段は低しきい値ＭＯＳＦＥＴで構成し、電流比較回路３５０については、低い電源電圧Ｖ_ＤＤ１で動作させることにより、消費電力の増大を抑制できる。

本発明は、図５のブロック図、回路図として把握され、あるいは上述の説明から導かれるさまざまな回路に及ぶものであり、特定の回路構成に限定されるものではないが、以下では、その具体的な構成例を説明する。

図７は、イグナイタ２００の構成例を示す回路図である。上述したように電流比較回路３５０は、コイル電流Ｉ_Ｃを上側基準電流Ｉ_ＴＨＨおよび下側基準電流Ｉ_ＴＨＬと比較し、フィードバック信号Ｓ２３は、（i）Ｉ_ＴＨＬ＜Ｉ_Ｃ＜Ｉ_ＴＨＨのとき第１レベル（ここではハイレベル）、（ii）Ｉ_Ｃ＜Ｉ_ＴＨＬもしくはＩ_ＴＨＨ＜Ｉ_Ｃのとき第２レベル（ここではローレベル）となる。電流比較回路３５０は、ローパスフィルタ３６２、３６４、第１コンパレータＣＭＰ１、第２コンパレータＣＭＰ２、ロジック回路３５６を備える。

電流比較回路３５０には、コイル電流Ｉ_Ｃに比例する検出電圧Ｖ_ＣＳが入力される。検出電圧Ｖ_ＣＳは、電流センス抵抗Ｒ_ＣＳの電圧降下である。電流センス抵抗Ｒ_ＣＳは、チップ部品であってもよいし、ボンディングワイヤの抵抗成分であってもよいし、スイッチ制御装置３００のＩＣに集積化された抵抗であってもよい。

ローパスフィルタ３６２、３６４は、検出電圧Ｖ_ＣＳのノイズを除去する。ローパスフィルタ３６２、３６４のカットオフ周波数は、正常動作時の検出電圧Ｖ_ＣＳの波形の周波数成分（数十〜数百Ｈｚ）より高く、除去すべきノイズの周波数（ラジオ受信障害ＢＣＩで１ＭＨｚ）より低く定められる。したがって、カットオフ周波数は、数百Ｈｚ〜数十ｋＨｚ程度が好適である。ローパスフィルタ３６２、３６４の構成は特に限定されないが、ＲＣフィルタで簡易に構成してもよい。ローパスフィルタ３６２、３６４を設けることで、検出電圧Ｖ_ＣＳに重畳するノイズに対する耐性を高めることができる。

２つのコンパレータＣＭＰ１、ＣＭＰ２は２つの基準電流Ｉ_ＴＨＨ、Ｉ_ＴＨＬに対応づけられ、ローパスフィルタ３６２、３６４を経た検出電圧Ｖ_ＣＳ１、Ｖ_ＣＳ２を受ける。２つのコンパレータＣＭＰ１、ＣＭＰ２は、コイル電流Ｉ_Ｃに比例した検出電圧Ｖ_ＣＳ１、Ｖ_ＣＳ２を基準電流Ｉ_ＴＨＨ、Ｉ_ＴＨＬに対応する２つの基準電圧Ｖ_ＴＨＨ、Ｖ_ＴＨＬと比較する。

第１コンパレータＣＭＰ１は、Ｖ_ＣＳ１＞Ｖ_ＴＨＨのときハイレベルとなる比較信号Ｓ２１を出力し、第２コンパレータＣＭＰ２は、Ｖ_ＣＳ２＞Ｖ_ＴＨＬのときハイレベルとなる比較信号Ｓ２２を出力する。各基準電圧Ｖ_ＴＨＨ、Ｖ_ＴＨＬはそれぞれヒステリシスを有することが望ましい。これにより検出電圧Ｖ_ＣＳや基準電圧Ｖ_ＴＨＨ、Ｖ_ＴＨＬにノイズが重畳したときのチャタリングを防止できる。

ロジック回路３５６は、２つの比較信号Ｓ２１、Ｓ２２を論理演算してフィードバック信号Ｓ２３を生成する。ロジック回路３５６の構成は、比較信号Ｓ２１、Ｓ２２およびフィードバック信号Ｓ２３のハイレベルとローレベルの組み合わせに応じて設計すればよく、特に限定されない。本実施の形態ではロジック回路３５６は、比較信号Ｓ２１の反転信号と比較信号Ｓ２２の論理積を生成するＡＮＤゲート３５８と、ＡＮＤゲート３５８の出力を反転するインバータ３６０を含む。

レベルシフタ３５２は、第２電源電圧Ｖ_ＤＤ２が供給される第２電源ライン３１５と接地ライン３１２の間に直列に接続された第１抵抗Ｒ１１および第１トランジスタＭ１１を含む。第１トランジスタＭ１１のゲートには、フィードバック信号Ｓ２３が入力される。レベルシフタ３５２は、第１抵抗Ｒ１１と第１トランジスタＭ１１の接続点の信号Ｓ２４を出力する。

図８（ａ）、（ｂ）は、コンパレータＣＭＰ１（ＣＭＰ２）の構成例を示す回路図である。２つのコンパレータＣＭＰ１、ＣＭＰ２は同じ構成を有するため、ＣＭＰと総称して説明する。コンパレータＣＭＰは、基本構成として、第２トランジスタＱ２１、第２抵抗Ｒ２１、第３トランジスタＱ２２、第１電流源ＣＳ１、第２電流源ＣＳ２、第４トランジスタＱ２３、第３抵抗Ｒ２３、第４抵抗Ｒ２４、第５トランジスタＱ２４を含む。第２トランジスタＱ２１は、ＮＰＮ型バイポーラトランジスタである。第２抵抗Ｒ２１は、第２トランジスタＱ２１のエミッタと接地ライン３１２の間に設けられる。第３トランジスタＱ２２のベースは、第２トランジスタＱ２１とベースが共通に接続され、そのエミッタに検出電圧Ｖ_ＣＳが入力される。

第１電流源ＣＳ１は、第２トランジスタＱ２１のコレクタに接続され、第２電流源ＣＳ２は第３トランジスタＱ２２のコレクタに接続される。第４トランジスタＱ２３のベースは第２トランジスタＱ２１のコレクタと接続され、エミッタは第２トランジスタＱ２１および第３トランジスタＱ２２のベースに接続される。第３抵抗Ｒ２３および第４抵抗Ｒ２４は、第２トランジスタＱ２１および第３トランジスタＱ２２のベースと、第２トランジスタＱ２１のエミッタの間に直列に接続される。第５トランジスタＱ２４は、第３抵抗Ｒ２３と第４抵抗Ｒ２４の接続点と接地ライン３１２の間に設けられ、そのベースに電圧コンパレータＣＭＰの出力信号Ｓ２１（Ｓ２２）が入力される。

以上がコンパレータＣＭＰの基本構成である。トランジスタＱ２１のエミッタ電圧（しきい値電圧Ｖ_ＴＨ）とトランジスタＱ２２のエミッタ電圧（検出電圧Ｖ_ＣＳ）が比較され、大小関係に応じてトランジスタＱ２２のコレクタ電圧Ｖｘが変化する。エミッタフォロア型の出力段３７０は、電流ＣＳ１３、トランジスタＱ２５、抵抗Ｒ２５を含み、トランジスタＱ２２のコレクタ電圧Ｖｘを、比較信号Ｓ２１（Ｓ２２）として出力する。

電流センス抵抗Ｒ_ＣＳは電力損失となるため、その抵抗値は極力小さいことが望ましい。一方、その抵抗値を小さくすると検出電圧Ｖ_ＣＳの振幅が小さくなるため、オペアンプや差動アンプを用いた電圧コンパレータでは、電圧比較の精度が低下する恐れがある。そこで図８（ａ）のコンパレータＣＭＰを用いることで、振幅の小さな検出電圧Ｖ_ＣＳを高精度で比較できる。また、抵抗Ｒ２３、Ｒ２４およびトランジスタＱ２４により、トランジスタＱ２１のエミッタ電圧、つまり基準電圧Ｖ_ＴＨにヒステリシスを設定できる。

そこで図８（ｂ）には、コンパレータＣＭＰの別の構成が示される検出電圧Ｖ_ＣＳの振幅が有る程度大きい場合には、差動アンプやオペアンプを用いたコンパレータ３７２が利用できる。基準電圧生成回路３７４は、電源ライン３１４と接地ライン３１２の間に直列に設けられた電流源ＣＳ３１、抵抗Ｒ３１、Ｒ３２と、抵抗Ｒ３２と並列に設けられたトランジスタＭ３１を含み、電流源ＣＳ３１と抵抗Ｒ３１の接続点の電圧を、基準電圧Ｖ_ＴＨとして出力する。トランジスタＭ３１が、コンパレータ３７２の出力に応じてオン、オフすることで、基準電圧Ｖ_ＴＨにヒステリシスが設定される。

まとめると、実施の形態に係るイグナイタ２００によれば、以下のノイズ対策により、ＩＧＦ信号のノイズ耐性を高めている。
１． 出力段の出力トランジスタ３５４のしきい値電圧Ｖ_{ＧＳ（ＴＨ）}を高めることにより、出力トランジスタ３５４のノイズ耐性を高めている。これにより、（i）ノイズに起因する接地ライン３１２の接地電圧Ｖ_ＧＮＤの変動、（ii）ＩＧＦ端子から出力トランジスタ３５４の帰還容量Ｃ_ｒｓｓを介して入力するノイズによるゲート電圧の変動、（iii）ノイズに起因する第２電源ライン３１５の電圧Ｖ_ＤＤ２の変動、等による誤動作を防止できる。

またローパスフィルタ３６２、３６４を設けることで、（i）ＯＵＴ端子経由およびスイッチ素子２０２の寄生容量を経由して検出電圧Ｖ_ＣＳに混入するノイズ、（ii）接地ライン３１２を経由して検出電圧Ｖ_ＣＳに混入するノイズに対する耐性を高めることができる。これにより、ノイズによりフィードバック信号Ｓ２３の論理レベルが変化するのを防止できる。

さらに第１コンパレータＣＭＰ１、第２コンパレータＣＭＰ２にヒステリシスを設定することにより、チャタリングを防止できる。これにより、ノイズによりフィードバック信号Ｓ２３の論理レベルが変化するのを防止できる。

実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例を説明する。

図９（ａ）〜（ｃ）には、いくつかの変形例が示される。実施の形態と共通する構成は省略している。図９（ａ）のロジック回路３５６は、比較信号Ｓ２１を反転するインバータ３８０と、ＮＡＮＤゲート３８２を含む。図９（ｂ）では、図９（ａ）のインバータ３８０が省略され、その代わりにコンパレータＣＭＰ１の入力の極性が入れ替わっている。図９（ｃ）では、２つのコンパレータＣＭＰ１、ＣＭＰ２に対して、１個のローパスフィルタ３６２が共通に設けられる。当業者によれば、そのほかにもさまざまな変形例が存在することが理解される。

実施の形態にもとづき本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎないことはいうまでもなく、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められることはいうまでもない。

１００…車両、１０１…エンジンルーム、１０２…バッテリ、１０４…イグニッションコイル、１０６…点火プラグ、Ｌ１…１次コイル、Ｌ２…２次コイル、１０８…ＥＣＵ、１１０…エンジン、１１２…吸気マニホールド、１１３…エアクリーナ、１１４…ラジエータ、２００…イグナイタ、２０２…スイッチ素子、３００…スイッチ制御装置、３００Ａ…判定ステージ、３００Ｂ…駆動ステージ、３０１…入力ライン、３０２…判定コンパレータ、３０３…高周波フィルタ、３０４…遅延回路、３０６…プリドライバ、３０８…ゲートドライバ、３１２…接地ライン、３１４，３１５…電源ライン、３１６，３１７…内部レギュレータ、３４０…ＩＧＦ回路、３５０…電流比較回路、３５２…レベルシフタ、３５４…出力トランジスタ、ＣＭＰ１…第１コンパレータ、ＣＭＰ２…第２コンパレータ、３５６…ロジック回路、３５８…ＡＮＤゲート、３６０…インバータ、３６２，３６４…ローパスフィルタ、３７０…出力段、Ｒ１１…第１抵抗、Ｍ１１…第１トランジスタ。

Claims (11)

1. イグニッションコイルの１次コイルと接続されるスイッチ素子と、
   ＥＣＵ（Engine Control Unit）からの点火信号に応じて前記スイッチ素子を制御するスイッチ制御装置と、
   を備え、
   前記スイッチ制御装置は、
   前記点火信号が入力される入力ラインと、
   前記入力ラインの電圧を所定の基準電圧と比較し、判定信号を生成する判定ステージと、
   前記判定信号に応じて前記スイッチ素子のオン、オフを制御する駆動ステージと、
   第１電源電圧を受け、前記スイッチ素子に流れるコイル電流を少なくともひとつの基準電流と比較し、比較結果に応じた論理レベルを有するフィードバック信号を生成する電流比較回路と、
   一端が接地され、他端が点火確認信号を出力するための端子と接続され、前記第１電源電圧よりも大きなしきい値電圧を有する出力トランジスタと、
   前記出力トランジスタの前記しきい値電圧より高い第２電源電圧を受け、前記フィードバック信号をレベルシフトして前記出力トランジスタの制御端子に出力するレベルシフタと、
   を備えることを特徴とするイグナイタ。
2. 前記レベルシフタは、前記第２電源電圧が供給される第２電源ラインと接地ラインの間に直列に接続された第１抵抗および第１トランジスタを含むことを特徴とする請求項１に記載のイグナイタ。
3. 前記電流比較回路は、前記コイル電流を上側基準電流および下側基準電流と比較し、前記フィードバック信号は、（i）前記コイル電流が前記下側基準電流より小さいまたは前記コイル電流が前記上側基準電流より大きいとき第１レベルであり、（ii）前記コイル電流が前記下側基準電流より大きく、かつ前記上側基準電流より小さいとき第２レベルであることを特徴とする請求項１または２に記載のイグナイタ。
4. 前記電流比較回路は、前記コイル電流に比例した検出電圧を、前記少なくともひとつの基準電流に対応する少なくともひとつの基準電圧と比較する少なくともひとつの電圧コンパレータを含むことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のイグナイタ。
5. 前記電流比較回路は、前記検出電圧のノイズを除去するフィルタ回路を含むことを特徴とする請求項４に記載のイグナイタ。
6. 前記少なくともひとつの基準電圧はそれぞれヒステリシスを有することを特徴とする請求項４または５に記載のイグナイタ。
7. 前記少なくともひとつの電圧コンパレータはそれぞれ、
   第２トランジスタと、
   前記第２トランジスタのエミッタと接地ラインの間に設けられた第２抵抗と、
   前記第２トランジスタとベースが共通に接続され、そのエミッタに前記検出電圧が入力される第３トランジスタと、
   前記第２トランジスタのコレクタに接続される第１電流源と、
   前記第３トランジスタのコレクタに接続される第２電流源と、
   ベースが前記第２トランジスタのコレクタと接続され、エミッタが前記第２トランジスタおよび前記第３トランジスタのベースに接続される第４トランジスタと、
   前記第２トランジスタおよび前記第３トランジスタのベースと、前記第２トランジスタのエミッタの間に直列に接続される第３抵抗および第４抵抗と、
   前記第３抵抗と前記第４抵抗の接続点と接地ラインの間に設けられ、そのベースに前記電圧コンパレータの出力信号が入力される第５トランジスタと、
   を含むことを特徴とする請求項６に記載のイグナイタ。
8. 前記スイッチ素子と接地の間に挿入された電流センス抵抗をさらに備え、
   前記電流センス抵抗の両端間の電圧が、前記検出電圧であることを特徴とする請求項４から７のいずれかに記載のイグナイタ。
9. 前記電流比較回路は、
   前記コイル電流に応じた検出電圧を、前記上側基準電流に対応する上側基準電圧と比較し、第１比較信号を出力する第１コンパレータと、
   前記検出電圧を、前記下側基準電流に対応する下側基準電圧と比較し、第２比較信号を出力する第２コンパレータと、
   前記第１比較信号と前記第２比較信号を論理演算して前記フィードバック信号を生成するロジック回路と、
   を含むことを特徴とする請求項３に記載のイグナイタ。
10. 前記スイッチ制御装置は、ひとつの半導体基板に一体集積化されることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載のイグナイタ。
11. ガソリンエンジンと、
    点火プラグと、
    １次コイルと、前記点火プラグと接続される２次コイルと、を有するイグニッションコイルと、
    前記点火プラグの点火を指示する点火信号を生成するＥＣＵと、
    前記点火信号に応じて前記イグニッションコイルを駆動する請求項１から１０のいずれかに記載のイグナイタと、
    を備えることを特徴とする車両。

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