JP2019054653A - 電子制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】マイナスサージ電圧からの保護機能と逆接保護機能を維持しつつ、小型化と低コスト化が図れる電子制御装置を提供する。【解決手段】電子制御装置は、第1、第2電源端子VBATT,VIGN、第1、第2電圧制限素子Z1,Z2、第1、第2ダイオードD1,D2及び電源IC11を備える。第1電源端子には、バッテリVBから電圧が印加される。第2電源端子には、バッテリから始動スイッチIGNSWを介して電圧が印加される。第1電圧制限素子は、第1電源端子と電源ICの入力端子との間に設けられる。第1ダイオードのカソードは電源ICの入力端子に接続される。第2電圧制限素子は、第2電源端子と第1ダイオードのアノードとの間に設けられる。第2ダイオードのカソードは、第1ダイオードのアノードに接続され、アノードは接地される。第1電圧制限素子の制限電圧は、第2電圧制限素子の制限電圧よりも高く構成される。【選択図】図1

Description

本発明は、マイナスサージから電源入力部を保護するサージ保護機能を有する車載用の電子制御装置に関する。
従来、車載用の電子制御装置には、人為的ミスなどによるバッテリ端子の逆接続から内部回路を保護するために、逆接保護回路が設けられている。また、負荷を駆動する際のスイッチング動作等で発生したサージ電圧から内部回路を保護するために、電源入力部にサージ保護回路が設けられる。
例えば、特許文献1には、MOSFETにより逆接保護回路を構成し、サージ電圧の発生時に当該MOSFETの保護を行う車載用制御装置が記載されている。この特許文献1の技術では、バッテリの電圧がECU(Electronic Control Unit)の動作可能な限界電圧付近まで低下してもECUの動作保証ができ、サージ電圧印加時にECUの内部回路の保護やECUのリセットを防止できるようになっている。
特開2013−66321号公報
しかしながら、上記特許文献1のような回路構成では、バッテリ端子にマイナスサージが印加されると、このサージ電圧が逆接保護用FETのドレインに直接印加されるため、耐圧の高い高価な素子が必要となる。また、逆接保護用FET及びこのFETのスイッチング用FETをマイナスサージ電圧からの保護用に使用した場合、これらのFETを制御する周辺回路を含めた多数の素子が必要となり、回路基板の実装面積が大きくなる。このため、電子制御装置の大型化と製品コストの増大の一因となる。
本発明は上記のような事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、マイナスサージ電圧からの保護機能と逆接保護機能を維持しつつ、小型化と低コスト化が図れる電子制御装置を提供することにある。
本発明の一態様に係る電子制御装置は、車両に搭載されたバッテリから電圧が印加される第1電源端子と、前記バッテリから始動スイッチを介して電圧が印加される第2電源端子と、前記第1及び第2電源端子に印加された前記バッテリの電圧から内部動作電圧を生成する電源ICと、前記第1電源端子と前記電源ICの入力端子との間に設けられ、前記第1電源端子側の電圧を負の所定電圧に制限する第1電圧制限素子と、カソードが前記電源ICの入力端子に接続された第1ダイオードと、前記第2電源端子と前記第1ダイオードのアノードとの間に設けられ、前記第2電源端子側の電圧を前記第1電圧制限素子の制限電圧よりも高い負の所定電圧に制限する第2電圧制限素子と、カソードが前記第1ダイオードのアノードに接続され、アノードが接地された第2ダイオードとを具備することを特徴とする。
本発明によれば、第1電圧制限素子で第1電源端子側の電圧を負の所定電圧に制限し、第2電圧制限素子で第2電源端子側の電圧を負の所定電圧に制限するので、第1及び/または第2電源端子に過大な負電圧が印加されるのを抑制して、内部回路をマイナスサージから保護できる。また、第1電圧制限素子の制限電圧が、第2電圧制限素子の制限電圧よりも高いことで、電源ICの動作停止の発生要因となる入力端子電圧の低下を回避できる。更に、第2電源端子から電源ICへの電流経路に設けた第2ダイオードを、第1及び第2の電源端子への保護経路で共有できるので部品点数を削減できる。
このように、簡素な回路構成でありながら、従来と同等のサージ保護機能と逆接保護機能を実現できる。
従って、部品点数を削減することで回路基板の実装面積を縮小して小型化が図れる。また、第1及び第2の電圧制限素子を用いて、高電圧印加部が生成されないようにしてサージ保護を行うので、高価な高耐圧素子を用いる必要がなく、低コスト化が図れる。
本発明の第1の実施形態に係る電子制御装置における電源入力部近傍の回路図である。 本発明の電子制御装置が適用されるCVT用電子制御装置の概略構成を示す分解図、及び配線基板の平面図である。 図1に示した回路において、二つの電源端子に個別にサージ電圧が印加された場合の保護経路を示す回路図である。 図1に示した回路において、二つの電源端子に同時にサージ電圧が印加された場合の保護経路を示す回路図である。 電源端子にマイナスサージが印加された場合の、逆接保護用MOSFETのドレイン電圧と電源ICの入力電圧について説明するための図である。 本発明の第2の実施形態に係る電子制御装置における電源入力部近傍の回路図である。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
[第1の実施形態]
図1は、本発明の第1の実施形態に係る電子制御装置における電源入力部近傍の回路構成を示している。また、図2は、本発明の電子制御装置が適用されるCVT(Continuously Variable Transmission)用電子制御装置の概略構成を示している。図2(a)に示すように、電子制御装置は、回路基板(PCB)1と、この回路基板1を搭載する金属ベース2及び樹脂カバー3と、を含んで構成される。回路基板1は、金属ベース2と樹脂カバー3で形成される空間内に収容され、図2(b)に示すような平面形状を有している。図示しないが、この回路基板1には各種の電子部品が実装されており、外部機器との電気接続用のコネクタ4が、樹脂カバー3の側面から接続部が露出するように設けられる。
金属ベース2は、例えばアルミや鉄等の放熱性に優れた金属材料で成形されている。コネクタ4及び樹脂カバー3は、例えばPBT(ポリブチレンテレフタレート)樹脂やPPS(ポリフェニレンサルファイド)樹脂等の強度と耐熱性に優れたプラスチック材で形成される。回路基板1の角部は、回路基板固定用ネジ6−1〜6−4を用いて金属ベース2に固定される。電子部品の内、特に高発熱電子部品からの発熱は、金属ベース2における回路基板1の搭載面側に設けられた放熱材5に伝えられる。
また、電子制御装置の気密性を確保するために、金属ベース2と樹脂カバー3、金属ベース2とコネクタ4及び樹脂カバー3とコネクタ4の間に、シール材7a,7b,7cがそれぞれ介在される。シール材7a,7b,7cには、液状ガスケット(FIPG:Formed In Place Gasket)を用いることができる。電子制御装置の気密性を満足できれば良いので、例えば、硬化前に流動性を有する液状接着剤やOリングを用いることもできる。樹脂カバー3には、通気孔が設けられ、電子制御装置の内部と外部環境を通気する呼吸フィルタ8が熱溶着されている。この呼吸フィルタ8は、水や汚染物質等は通さず、空気のみを通すようになっている。金属ベース2と樹脂カバー3は、例えば樹脂カバー3の外周部四隅から突出したボス3a,3b,3cを熱成形した熱かしめによって固定される。
図1に示すように、回路基板1(電子制御装置)の電源入力部10には、電源端子VBATTと電源端子VIGNが設けられている。電源端子VBATTは車両に搭載されたバッテリ(直流電源)VBの正極に接続され、電源端子VIGNはイグニッションスイッチ(始動スイッチ)IGNSWを介してバッテリVBの正極に接続される。
電源端子VBATTには、電源遮断用のスイッチング素子として働くPチャネル型MOSFET Tr1のソースが接続される。このMOSFET Tr1のドレインには、電圧制限素子として働くツェナーダイオードZ1のアノードが接続され、そのカソードは電源IC11の入力端子(接続点)N1に接続される。また、電源端子VIGNには、電圧制限素子として働くツェナーダイオードZ2のアノードが接続され、そのカソードはダイオードD1のアノードに接続される。ダイオードD1のカソードはツェナーダイオードZ1のカソード及び電源IC11の入力端子N1に接続される。ダイオードD2のカソードはダイオードD1のアノード及びツェナーダイオードZ2のカソードに接続され、このダイオードD2のアノードは接地点に接続される。更に、電源IC11の入力端子N1と接地点間には、電圧の変動を抑制するコンデンサC1が接続される。この電源IC11の入力端子N1には、当該電源IC11の遮断ポート11aが接続される。
電源IC11は、電源端子VBATTに印加されたバッテリVBの電圧から内部動作電圧を生成するものである。この電源IC11で生成された内部動作電圧は、例えばトランスミッションのドライブプーリの油圧制御用ポンプを制御するMCU(Micro Controller Unit)12に供給される。上記MOSFET Tr1は、電源IC11あるいはMCU12の作動停止をするときにオフされる。
更に、電源端子VBATTには、電源遮断用のスイッチング素子として働くPチャネル型MOSFET Tr2と、逆接保護用のPチャネル型MOSFET Tr3の電流通路を直列に介して、負荷駆動回路13の入力端子が接続される。MOSFET Tr2のソースは電源端子VBATTに接続され、ドレインはMOSFET Tr3のドレインに接続される。また、MOSFET Tr3のソースは負荷駆動回路13の入力端子に接続される。これらMOSFET Tr2,Tr3の寄生ダイオードは、通電方向が逆になっている。そして、負荷駆動回路13でソレノイド等の負荷14を駆動するようになっている。
上記のような回路構成において、ツェナーダイオードZ1のツェナー電圧Vz1は、ツェナーダイオードZ2のツェナー電圧Vz2よりも高く設定されている。すなわち、「Vz1>Vz2」である。また、電源IC11の作動電圧をVI1としたときに、マイナスサージ電圧発生時の電源IC11の作動電圧を確保するために、ツェナーダイオードZ1,Z2のツェナー電圧Vz1,Vz2は次式(1)の条件を満たす。ここでは、電源端子VBATT,VIGNに同時にマイナスサージ電圧が印加されるものとする。
(−Vz1−Vfd1)−(−Vz2)≧Vl1…(1)
但し、Vfd1はダイオードD1の順方向電圧である。
図3は、図1に示した回路において、電源端子VBATTと電源端子VIGNに個別にマイナスサージが印加された場合の保護経路(サージ放電経路)を示している。電源端子VBATTにマイナスのサージ電圧が印加されると、ツェナーダイオードZ1がブレークダウンし、破線20で示すように接地点からダイオードD2のアノード・カソード、ダイオードD1のアノード・カソード、ツェナーダイオードZ1のカソード・アノード及びMOSFET Tr1の寄生ダイオードのカソード・アノードを介して電源端子VBATTに電流が流れる。これによって、MOSFET Tr3のドレイン電圧VDは、
VD=Vign−Vfz2−Vfd1−Vfz1…(2)
となり、電源IC11の入力電圧VIは、
VI=Vign−Vfz2−Vfd1…(3)
となる。上式(2),(3)において、Vignは電源端子VIGNに印加されている電圧(バッテリVBの電圧)、Vfz1はツェナーダイオードZ1の順方向電圧、Vfz2はツェナーダイオードZ2の順方向電圧である。
従って、負の過大電圧が電子制御装置の内部回路に印加されるのが抑制される。
一方、電源端子VIGNにマイナスのサージ電圧が印加された場合には、ツェナーダイオードZ2がブレークダウンし、一点鎖線21で示すように接地点からダイオードD2のアノード・カソード、及びツェナーダイオードZ2のカソード・アノードを介して電源端子VIGNに電流が流れる。これによって、MOSFET Tr3のドレイン電圧VDは、
VD=Vbatt…(4)
となり、電源IC11の入力電圧VIは、
VI=Vbatt−Vfz1…(5)
となる。上式(4),(5)において、Vbattは電源端子VBATTに印加されている電圧(バッテリVBの電圧)である。
従って、負の過大電圧が電子制御装置の内部回路に印加されるのが抑制される。このように、ダイオードD2は、電源端子VBATTにサージ電圧が印加された場合と、電源端子VIGNにサージ電圧が印加された場合の両方の保護動作で共用される。
次に、具体例を挙げて説明する。説明を簡単にするために、ツェナーダイオードZ1のツェナー電圧Vz1を40V、ツェナーダイオードZ2のツェナー電圧Vz2を20V、ダイオードD1,D2の順方向電圧Vfd1,Vfd2をそれぞれ1Vとし、電源端子VIGNにバッテリVBから14Vの電圧が印加された状態で、電源端子VBATTに−100Vのサージ電圧が印加されたと仮定する。ツェナーダイオードZ1のアノード側の電圧は、「14−1−1−40=−28」となり、電源端子VBATTに印加されたマイナスサージ電圧そのものではなく、逆接保護用のMOSFET Tr3のソース・ドレイン間に印加される電位差が小さくなる。よって、MOSFET Tr3には、低耐圧の安価な素子を用いることができる。
これに対し、電源端子VBATTにバッテリVBから14Vの電圧が印加された状態で、電源端子VIGNに−100Vのサージ電圧が印加されたと仮定すると、ツェナーダイオードZ2がブレークダウンするので、やはり逆接保護用のMOSFET Tr3のソース・ドレイン間には大きな電圧は印加されない。
図4は、図1に示した回路において、電源端子VBATTと電源端子VIGNに同時にマイナスサージが印加された場合の保護経路を示している。例えば、イグニッションスイッチIGNSWがオンしている状態で、電源端子VBATTまたは電源端子VIGNにマイナスのサージ電圧が印加された場合である。ツェナーダイオードZ1のツェナー電圧Vz1は、ツェナーダイオードZ2のツェナー電圧Vz2よりも高く設定されているので、マイナスサージが印加されるとツェナーダイオードZ2が先にブレークダウンし、二点鎖線22で示すように接地点からダイオードD2のアノード・カソード、及びツェナーダイオードZ2のカソード・アノードを介して電源端子VIGNに電流が流れる。
これによって、MOSFET Tr3のドレイン電圧VDは、
VD=−Vfd2−Vz2…(6)
となり、電源IC11の入力電圧VIは、
VI=−Vfd2−Vz2+Vz1…(7)
となる。
従って、負の過大電圧が電子制御装置の内部回路に印加されるのが抑制される。また、ツェナーダイオードZ1がブレークダウンしないことで、電源IC11の入力端子N1の電圧を維持(電源電圧)でき、電源IC11の動作が停止したり、次段のMCU12がリセットされたりするのを抑制できる。
図5は、上述した各電源端子にマイナスサージが印加された場合の、逆接保護用MOSFET Tr3のドレイン電圧VDと電源IC11の入力電圧VIの関係をまとめて示している。電源端子VBATT及び電源端子VIGNの一方、または両方に−100Vの過大なサージ電圧が印加されても、MOSFET Tr3のドレインに印加される電圧VDを低くできるので、当該MOSFET Tr3の破壊を抑制できると共に、MOSFET Tr3に耐圧の高い高価な素子は不要であるのでコストの上昇を抑制できる。また、電源IC11の入力電圧VIが作動電圧VI1以下になることは無いので、電源IC11の動作が停止したり、この電源IC11から動作電源が供給されるMCU12がリセットされたりするのを抑制できる。
このように、ツェナーダイオードZ1で電源端子VBATT側の電圧を第1の負の所定電圧(ツェナー電圧Vz1)に制限し、ツェナーダイオードZ2で電源端子VIGN側の電圧を第2の負の所定電圧(ツェナー電圧Vz2)に制限するので、電源端子VBATT,VIGNに過大な負電圧が印加されるのを抑制して、内部回路をマイナスサージ電圧から保護できる。
また、ツェナーダイオードZ1のツェナー電圧Vz1(制限電圧)が、ツェナーダイオードZ2のツェナー電圧Vz2よりも高いことで、電源IC11の動作停止やMCU12のリセットの発生要因となる入力端子電圧の低下を回避できる。更に、電源端子VIGNから電源IC11への電流経路に設けたダイオードD2を、第1及び第2のサージ放電経路(破線20及び一点鎖線21)で共有化するので、部品点数を削減した簡素な回路構成でありながら、従来と同等のサージ保護機能と逆接保護機能を実現できる。
従って、部品点数を削減できるので回路基板1の実装面積を縮小して小型化が図れ、高価な高耐圧MOSFETを用いる必要がないので低コスト化が可能である。
[第2の実施形態]
図6は、本発明の第2の実施形態に係る電子制御装置における電源入力部近傍の回路構成を示している。本第2の実施形態は、第1の実施形態におけるMOSFET Tr1とTr2を共用し、1つのMOSFET Tr1’にしたものである。すなわち、MOSFET Tr2を除去し、MOSFET Tr1’のソースを電源端子VBATTに接続し、ドレインをツェナーダイオードZ1のアノードとMOSFET Tr3のドレインに接続している。
他の構成は、図1と同様であるので同じ部分に同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
そして、上記のような構成において、電源端子VIGNに印加される電圧をVign、ツェナーダイオードZ2の順方向電圧をVfz2、ダイオードD1の順方向電圧をVfd1、ツェナーダイオードZ2のツェナー電圧をVz2、MOSFET Tr3のドレイン・ソース最大定格電圧をVdc_maxとすると、次式(8)の関係を満たすようになっている。
Vign−Vfz2−Vfd1−Vz2<Vdc_max…(8)
そして、MOSFET Tr3の印加電圧が絶対最大定格電圧以下となるように、ツェナーダイオードZ1のツェナー電圧Vz1が設定される。これによって、ツェナーダイオードZ1は、MOSFET Tr3の印加電圧が絶対最大定格電圧以下でブレークダウンするので、第1の実施形態に比べて更に素子数を削減しながら、MOSFET Tr3を効果的に保護できる。
従って、回路基板1の実装面積を縮小して小型化が図れ、高価な高耐圧MOSFETを用いる必要がないので低コスト化が可能である。
以上第1、第2の実施形態を用いて本発明の説明を行ったが、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。例えばCVT用の電子制御装置を例に取って説明したが、CVT用に限られるものではない。また、上記各実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件の適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば各実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題の少なくとも1つが解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果の少なくとも1つが得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
1…回路基板、10…電源入力部、11…電源IC、11a…遮断ポート、12…MCU、13…負荷駆動回路、14…負荷(ソレノイド)、VB…バッテリ、IGNSW…イグニッションスイッチ(始動スイッチ)、VBATT…電源端子(第1電源端子)、VIGN…電源端子(第2電源端子)、Tr1〜Tr3…MOSFET(スイッチング素子)、Z1…ツェナーダイオード(第1電圧制限素子)、Z2…ツェナーダイオード(第2電圧制限素子)、D1…ダイオード(第1ダイオード)、D2…ダイオード(第2ダイオード)

Claims (8)

  1. 車両に搭載されたバッテリから電圧が印加される第1電源端子と、
    前記バッテリから始動スイッチを介して電圧が印加される第2電源端子と、
    前記第1及び第2電源端子に印加された前記バッテリの電圧から内部動作電圧を生成する電源ICと、
    前記第1電源端子と前記電源ICの入力端子との間に設けられ、前記第1電源端子側の電圧を負の所定電圧に制限する第1電圧制限素子と、
    カソードが前記電源ICの入力端子に接続された第1ダイオードと、
    前記第2電源端子と前記第1ダイオードのアノードとの間に設けられ、前記第2電源端子側の電圧を前記第1電圧制限素子の制限電圧よりも高い負の所定電圧に制限する第2電圧制限素子と、
    カソードが前記第1ダイオードのアノードに接続され、アノードが接地された第2ダイオードと
    を具備することを特徴とする電子制御装置。
  2. 前記第1電源端子と前記第1電圧制限素子との間に介在される電流遮断用の第1スイッチング素子と、負荷を駆動する負荷駆動回路と、前記第1電源端子と前記負荷駆動回路の入力端子との間に直列に設けられる、電流遮断用の第2スイッチング素子及び逆接保護用の第3スイッチング素子と、を更に具備することを特徴とする請求項1に記載の電子制御装置。
  3. 前記第1電源端子と前記第1電圧制限素子との間に介在される電流遮断用の第1スイッチング素子と、負荷を駆動する負荷駆動回路と、前記負荷駆動回路の入力端子と前記第1スイッチング素子と前記第1電圧制限素子との接続点間に設けられる逆接保護用の第2スイッチング素子と、を更に具備することを特徴とする請求項1に記載の電子制御装置。
  4. 前記第1電圧制限素子が第1ツェナーダイオードであり、前記第2電圧制限素子が第2ツェナーダイオードであり、前記第1ツェナーダイオードのツェナー電圧は、前記逆接保護用の第3スイッチング素子の絶対最大定格電圧よりも低い、ことを特徴とする請求項2に記載の電子制御装置。
  5. 前記第1電圧制限素子が第1ツェナーダイオードであり、前記第2電圧制限素子が第2ツェナーダイオードであり、前記第1ツェナーダイオードのツェナー電圧は、前記逆接保護用の第2スイッチング素子の絶対最大定格電圧よりも低い、ことを特徴とする請求項3に記載の電子制御装置。
  6. 前記第1ツェナーダイオードのツェナー電圧は、前記第2ツェナーダイオードのツェナー電圧よりも低い、ことを特徴とする請求項4又は5に記載の電子制御装置。
  7. 前記電源ICの入力端子が当該電源ICの遮断ポートに接続される、ことを特徴とする請求項1乃至6いずれか1項に記載の電子制御装置。
  8. 前記電源ICの作動停止をするときに、前記第1スイッチング素子をオフする、ことを特徴とする請求項2乃至7いずれか1項に記載の電子制御装置。
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