JP2020099143A - 負荷地絡検知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ハイサイドの電圧に対応したＩＰＤや、電流モニタ回路を用いることなく、簡易な構成で確実に地絡を検出する。【解決手段】実施形態の負荷地絡検知装置は、電源から負荷に到る電流経路に設けられた回路素子あるいは回路素子群の高電位側の電圧を第１サンプリング周期で検出する第１の電圧モニタと、回路素子あるいは回路素子群の低電位側の電圧を第２サンプリング周期（＜＜第１サンプリング周期）で検出する第２の電圧モニタと、高電位側の電圧と低電位側の電圧との差に基づいて、負荷の高電位側地絡を検知する制御装置と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、負荷地絡検知装置に関する。

従来負荷におけるハイサイド（高電位側）及びローサイド（低電位側）の地絡を検出するために、IＰＤ（Intelligent Power Device）の過電流保護機能や、シャント抵抗を介して検出した電圧差に基づいて電流をモニタする電流モニタ回路（電流モニタＩＣ）を用いて検出する技術が知られている。

特開２０１８−０２６９６３号公報

上記従来技術によれば、ハイサイドの電圧に対応したＩＰＤや、電流モニタ回路（電流モニタＩＣ）が必要であり、高価となる虞があった。
また、上記従来技術では、使用条件によっては、負荷作動時にローサイドの地絡を検出することができない場合が発生する虞があった。

実施形態の負荷地絡検知装置は、電源から負荷に到る電流経路に設けられた回路素子あるいは回路素子群の高電位側の電圧を第１サンプリング周期で検出する第１の電圧モニタと、回路素子あるいは回路素子群の低電位側の電圧を第２サンプリング周期（＜＜第１サンプリング周期）で検出する第２の電圧モニタと、高電位側の電圧と低電位側の電圧との差に基づいて、負荷の高電位側地絡を検知する制御装置と、を備える。
この構成によれば、回路素子あるいは回路素子群の抵抗値の変動の影響を受けることなく、高電位側地絡発生前の電圧と高電位側地絡発生直後の電圧に基づいて、高電位側地絡を確実に検出することができる。

また、上記構成において、第１サンプリング周期は、高電位側地絡の検出前の電圧を保持可能な周期に設定され、第２サンプリング周期は、回路素子あるいは回路素子群の過渡熱特性を考慮して、高電位側地絡により流れる過電流に耐えられる期間よりも短く設定されているようにしてもよい。
この構成によれば、回路素子あるいは回路素子群の保護を図りつつ、高電位側地絡を確実に検出することができる。

また、上記構成において、制御装置は、負荷の高電位側地絡を検知した場合に、高電位側地絡に起因する過電流保護動作を行うようにしてもよい。
この構成によれば、迅速に、回路素子、回路素子群及び負荷の保護を図ることができる。

また、上記構成において、回路素子あるいは回路素子群は、スイッチング素子を含み、制御装置は、スイッチング素子を開状態として電源からの電力供給を遮断するようにしてもよい。
この構成によれば、高電位側地絡に起因する過電流を迅速に遮断して、回路素子群及び負荷の保護を確実に図ることができる。

また、実施形態の負荷地絡検知装置は、負荷と並列に設けられた電流経路を有し、電流経路の電圧に比例する電圧を有する低電位側地絡検知用信号を出力する低電位側地絡検知用回路と、負荷の非作動時に低電位側地絡検知用信号に基づいて、負荷の低電位側地絡を検知する制御装置と、を備える。
この構成によれば、負荷の非作動時に簡易な構成で確実に負荷の低電位側地絡を検知することができる。

また、上記構成において、電流経路は、負荷の高電位側に一端が接続されたプルアップ抵抗と、プルアップ抵抗にアノードが接続され、負荷の低電位側にカソードが接続された逆流防止ダイオードと、を備えるようにしてもよい。
この構成によれば、簡易な構成で、負荷の低電位側地絡時の電圧変動を確実に検出することができる。

また、上記構成において、負荷の作動時に負荷を流れる電流を検出する電流モニタ回路を備え、制御装置は、電流モニタ回路により検出される電流が所定の負荷の作動時の電流値に対して所定範囲外となった場合に、負荷の低電位側地絡を検知したとするようにしてもよい。
この構成によれば、負荷の非作動時に加えて、負荷の作動時においても、簡易な構成で確実に負荷の低電位側地絡を検知することができる。

また、上記構成において、制御装置は、負荷の低電位側地絡を検知した場合に、低電位側地絡に起因する過電流保護動作を行うようにしてもよい。
この構成によれば、迅速に、回路素子、回路素子群及び負荷の保護を図ることができる。

図１は、実施形態にかかる負荷地絡検知回路を有する負荷駆動回路の回路例の説明図である。 図２は、地絡検知回路の構成例の説明図である。 図３は、実施形態の動作処理フローチャートである。 図４は、地絡検出主体の説明図である。

以下、本発明の例示的な実施形態が開示される。以下に示される実施形態の構成、ならびに当該構成によってもたらされる作用、結果、および効果は、一例である。本発明は、以下の実施形態に開示される構成以外によっても実現可能であるとともに、基本的な構成に基づく種々の効果や、派生的な効果のうち、少なくとも１つを得ることが可能である。

図１は、実施形態にかかる負荷地絡検知回路を有する負荷駆動回路の回路例の説明図である。
負荷駆動回路１０は、直流電源１１と、負荷１２への電源供給を制御するメインＦＥＴ１３と、メインＦＥＴ１３に直列に接続されたコイル１４と、高電位電源側の地絡（ハイサイド地絡）及び低電位電源側の地絡（ローサイド地絡）を検出する地絡検知回路１５と、負荷１２をＰＷＭ制御して駆動するＦＥＴ１６と、電流検出用のシャント抵抗１７と、負荷駆動回路１０全体を制御するコントローラ（ＭＰＵ）１８と、を備えている。

ここで、コントローラ１８は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）と、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）と、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）と、を備えたマイクロコンピュータとして構成されている。この場合において、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭは、同一パッケージ内に集積されていてもよい。

ＣＰＵは、ハードウェアプロセッサの一例であって、ＲＯＭ等の不揮発性の記憶装置に記憶されたプログラムを読み出して、当該プログラムにしたがって各種の演算処理および制御を実行する。

図２は、地絡検知回路の構成例の説明図である。
地絡検知回路１５は、メインＦＥＴ１３と直流電源との間の電圧及びコイル１４と負荷１２との間の電圧を検知し、負荷１２の高電位電源側の地絡（ハイサイド地絡）を検知するハイサイド地絡検知部１５Ｈと、負荷１２の低電位電源側の地絡（ローサイド地絡）を検知するローサイド地絡検知部１５Ｌと、を備えている。

ハイサイド地絡検知部１５Ｈは、メインＦＥＴ１３と直流電源との間の電圧を検知して第１ハイサイド電圧信号ＶＨ１を出力する第１電圧モニタ２１と、コイル１４と負荷１２との間の電圧を検知して第２ハイサイド電圧信号ＶＨ２を出力する第２電圧モニタ２２と、を備えている。

上記構成において、メインＦＥＴ１３とコイル１４の抵抗値は、一般にはバラツキが大きいため、第１電圧モニタ２１と第２電圧モニタ２２のＡ／Ｄサンプリングの周期が同じであると過電流と通常時の電流とを判別することはできない。

このため、第１電圧モニタ２１のＡ／Ｄサンプリング周期を、第２電圧モニタ２２のＡ／Ｄサンプリング周期よりも長くしている。例えば、第１電圧モニタ２１のＡ／Ｄサンプリング周期は、コントローラ１８のメイン処理周期（例えば、数ｍｓ周期）とされる。

また、第２電圧モニタ２２のＡ／Ｄサンプリング周期は、保護対象素子（例えば、本実施形態では、メインＦＥＴ１３）のハイサイド地絡電流に対する過渡熱特性を考慮した許容時間以内に検知できるように設定され、例えば、数μｓ周期とされる。ハイサイド地絡電流の値は、直流電源１１の電源電圧を、配線抵抗及び地絡箇所までの素子抵抗の和で除した値となる。図２の例の場合、直流電源１１の電源電圧を、直流電源１１からメインＦＥＴ１３までの配線抵抗、メインＦＥＴのオン抵抗、コイル１４の抵抗及びコイル１４から地絡箇所までの配線抵抗の和で除した値となる。

これらにより、第１電圧モニタ２１は、地絡直前の電圧値（通常時電圧値に相当）を一定時間保持（ホールド）することが可能となり、コントローラ１８の処理負荷を抑制しつつ、コントローラ１８は、第１電圧モニタ２１の出力した第１ハイサイド電圧信号ＶＨ１と、第２電圧モニタ２２の出力した第２ハイサイド電圧信号ＶＨ２（ハイサイド地絡時には、ハイサイド地絡に起因する過電流時電圧値に相当）に基づいて通常時電流と過電流とを判別することが可能となる。

ローサイド地絡検知部１５Ｌは、一端が負荷１２の高電位側に接続されたプルアップ用の抵抗２５と、抵抗２５の他端にアノードが接続され、負荷１２とＦＥＴ１６との接続点にカソードが接続された逆流防止ダイオード２６と、一端が逆流防止ダイオード２６のアノードに接続され、他端がコントローラ１８の汎用入出力端子に接続された抵抗２７と、一端がコントローラ１８の汎用入出力端子に接続され、他端が接地された抵抗２８と、シャント抵抗１７の両端電圧から負荷１２の作動時（ＦＥＴ１６のオン時）に負荷１２を流れる電流を検出し、電流量に応じたアナログ信号である電流検出信号ＩＬを出力する電流モニタ２９と、を備えている。

また、抵抗２５、逆流防止ダイオード２６、抵抗２７及び抵抗２８は、負荷非作動時のローサイド地絡を検知するためのローサイド地絡検知信号ＶＬをコントローラ１８の汎用入出力端子に出力するローサイド地絡検知回路を構成している。

さらに上記構成において、電流モニタ２９として、ローサイド駆動用の安価なローサイド用アンプＩＣを用いている。

次に実施形態の動作を説明する。
図３は、実施形態の動作処理フローチャートである。
図示しない電源ボタンの投入により電源投入が指示されると、コントローラ１８は、メインＦＥＴ１３をオン状態として、電源を投入する（ステップＳ１１）。

続いて、コントローラ１８は、第１電圧モニタ２１の出力した第１ハイサイド電圧信号ＶＨ１及び第２電圧モニタ２２の出力した第２ハイサイド電圧信号ＶＨ２を取り込んでハイサイド電圧を検出する（ステップＳ１２）。

続いて、コントローラ１８は、第１ハイサイド電圧信号ＶＨ１に相当する電流値と第２電圧モニタ２２の出力した第２ハイサイド電圧信号ＶＨ２に相当する電流値との差が、所定のハイサイド地絡検出閾値以上であるか否かに基づいてハイサイド地絡が検知されたか否かを判別する（ステップＳ１３）。

ステップＳ１３の判別において、第１ハイサイド電圧信号ＶＨ１に相当する電流値と第２電圧モニタ２２の出力した第２ハイサイド電圧信号ＶＨ２に相当する電流値との差が、所定のハイサイド地絡検出閾値以上であり、ハイサイド地絡が検知されたと判別された場合には（ステップＳ１３；Ｙｅｓ）、コントローラ１８は、メインＦＥＴ１３をオフ状態として、電源遮断を行い（ステップＳ２１）、ローサイド地絡検知回路の出力である汎用ポートから入力されるローサイド地絡検知信号ＶＬのマスクの解除（あるいは、解除状態の維持）を行い（ステップＳ２０）、処理を終了する。

一方、ステップＳ１３の判別において、第１ハイサイド電圧信号ＶＨ１に相当する電流値と第２電圧モニタ２２の出力した第２ハイサイド電圧信号ＶＨ２に相当する電流値との差が、所定のハイサイド地絡検出閾値未満であり、ハイサイド地絡が検知されていないと判別された場合には（ステップＳ１３；Ｎｏ）、コントローラ１８は、汎用入出力端子に入力されているローサイド地絡検知回路の出力であるローサイド地絡検知信号ＶＬのレベルが“Ｌ”レベル（＝ローサイド地絡検知時）であるか否かに基づいて、ローサイド地絡が検知されたか否かを判別する（ステップＳ１４）。

ステップＳ１４の判別において、ローサイド地絡が検知された場合には（ステップＳ１４；Ｙｅｓ）、コントローラ１８は、メインＦＥＴ１３をオフ状態として、電源遮断を行い（ステップＳ２１）、ローサイド地絡検知回路の出力である汎用ポートから入力されるローサイド地絡検知信号ＶＬのマスクの解除（あるいは、解除状態の維持）を行い（ステップＳ２０）、処理を終了する。

ステップＳ１４の判別において、ローサイド地絡が検知されなかった場合には（ステップＳ１４；Ｎｏ）、コントローラ１８は、ＦＥＴ１６にＰＷＭ制御信号ＳＰＷＭを出力して、ＰＷＭ制御を行い、所望の電圧を負荷に供給して負荷駆動を開始する（ステップＳ１５）。

次にコントローラ１８は、ローサイド地絡検知回路の出力である汎用ポートから入力されるローサイド地絡検知信号ＶＬをマスクするように設定する（ステップＳ１６）。これは、負荷駆動時であって、ＦＥＴ１６がオン状態であれば、ローサイド地絡検知信号ＶＬが“Ｌ”レベルとなることがあるからであり、ローサイド地絡の誤検知を防止するためである。

これと並行して、コントローラ１８は、電流モニタ２９からＡ／Ｄポートを介して入力された電流検出信号ＩＬに基づいて検出された電流値が、ＰＷＭ制御信号ＳＰＷＭに対応する所定の電流値を所定割合以上、下回っているか否か、すなわち、ローサイド地絡が検知されたか否かを判別する（ステップＳ１７）。

ステップＳ１７の判別において、電流検出信号ＩＬに基づいて検出された電流値が、ＰＷＭ制御信号ＳＰＷＭに対応する所定の電流値を所定割合以上、下回っている場合には、ローサイド地絡が検知されているので（ステップＳ１７；Ｙｅｓ）、コントローラ１８は、メインＦＥＴ１３をオフ状態として、電源遮断を行い（ステップＳ２１）、ローサイド地絡検知回路の出力である汎用ポートから入力されるローサイド地絡検知信号ＶＬのマスクの解除（あるいは、解除状態の維持）を行い（ステップＳ２０）、処理を終了する。

一方、ステップＳ１７の判別において、電流検出信号ＩＬに基づいて検出された電流値が、ＰＷＭ制御信号ＳＰＷＭに対応する所定の電流値に対して所定範囲内である場合には、ローサイド地絡が検知されていないので（ステップＳ１７；Ｎｏ）、負荷１２の駆動継続が可能な状態であるとして、コントローラ１８は、負荷駆動停止指示がなされているか否かを判別する（ステップＳ１８）。

ステップＳ１８の判別において、負荷駆動停止指示がなされていない場合には（ステップＳ１８；Ｎｏ）、処理を再びステップＳ１２に移行して、上述した処理を繰り返すこととなる。

ステップＳ１８の判別において、負荷駆動停止指示がなされている場合には（ステップＳ１８；Ｙｅｓ）、ＰＷＭ制御信号ＳＰＷＭの出力を停止し、負荷駆動を停止し（ステップＳ１９）、ローサイド地絡検知回路の出力である汎用ポートから入力されるローサイド地絡検知信号ＶＬのマスクの解除を行い（ステップＳ２０）、処理を終了する。

図４は、地絡検出主体の説明図である。
上述したように、負荷ハイサイド地絡については、負荷１２の非作動時及び作動時の双方において、ハイサイド地絡検知部１５Ｈが、検知を担う。

また、負荷ローサイド地絡については、負荷非作動時には、抵抗２５、逆流防止ダイオード２６、抵抗２７及び抵抗２８により構成されるローサイド地絡検知回路が負荷ローサイド地絡の検知を担い、負荷作動時には、電流モニタ２９が負荷ローサイド地絡の検知を担う。

以上の説明のように、負荷作動時の負荷ローサイド地絡の検知を担う電流モニタ２９としては、ローサイド駆動用の安価なローサイド用アンプＩＣを用いることができるので、安価に信頼性の高い回路を構築できる。

また、以上の説明においては、負荷が一つの場合について説明したが、複数有る場合でも、ローサイド地絡検知部１５Ｌを安価な少数の素子（抵抗２５、逆流防止ダイオード２６、抵抗２７、抵抗２８及び電流モニタ２９）で構成することができ、基板の小型化も期待できる。

以上、本発明の実施形態を例示したが、あくまで一例であって、発明の範囲を限定することは意図していない。上記実施形態や変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、組み合わせ、変更を行うことができる。また、各実施形態や各変形例の構成や形状は、部分的に入れ替えて実施することも可能である。

１０…負荷駆動回路、１１…直流電源、１２…負荷、１３…メインＦＥＴ（回路素子、回路素子群）、１４…コイル（回路素子、回路素子群）、１５…地絡検知回路、１５Ｈ…ハイサイド地絡検知部、１５Ｌ…ローサイド地絡検知部、１６…ＦＥＴ、１７…シャント抵抗、１８…コントローラ（制御装置）、２１…第１電圧モニタ、２２…第２電圧モニタ、２５…抵抗、２６…逆流防止ダイオード、２７…抵抗、２８…抵抗、２９…電流モニタ、ＩＬ…電流検出信号、ＳＰＷＭ…ＰＷＭ制御信号、ＶＨ１…第１ハイサイド電圧信号、ＶＨ２…第２ハイサイド電圧信号、ＶＬ…ローサイド地絡検知信号。

Claims (8)

1. 電源から負荷に到る電流経路に設けられた回路素子あるいは回路素子群の高電位側の電圧を第１サンプリング周期で検出する第１の電圧モニタと、
   前記回路素子あるいは前記回路素子群の低電位側の電圧を第２サンプリング周期（＜＜第１サンプリング周期）で検出する第２の電圧モニタと、
   前記高電位側の電圧と前記低電位側の電圧との差に基づいて、前記負荷の高電位側地絡を検知する制御装置と、
   を備えた負荷地絡検知装置。
2. 前記第１サンプリング周期は、前記高電位側地絡の検出前の電圧を保持可能な周期に設定され、
   前記第２サンプリング周期は、前記回路素子あるいは前記回路素子群の過渡熱特性を考慮して、前記高電位側地絡により流れる過電流に耐えられる期間よりも短く設定されている、
   請求項１記載の負荷地絡検知装置。
3. 前記制御装置は、前記負荷の高電位側地絡を検知した場合に、前記高電位側地絡に起因する過電流保護動作を行う、
   請求項１又は請求項２記載の負荷地絡検知装置。
4. 前記回路素子あるいは前記回路素子群は、スイッチング素子を含み、
   前記制御装置は、前記スイッチング素子を開状態として前記電源からの電力供給を遮断する、
   請求項３記載の負荷地絡検知装置。
5. 負荷と並列に設けられた電流経路を有し、前記電流経路の電圧に比例する電圧を有する低電位側地絡検知用信号を出力する低電位側地絡検知用回路と、
   前記負荷の非作動時に前記低電位側地絡検知用信号に基づいて、前記負荷の低電位側地絡を検知する制御装置と、
   を備えた負荷地絡検知装置。
6. 前記電流経路は、前記負荷の高電位側に一端が接続されたプルアップ抵抗と、
   前記プルアップ抵抗にアノードが接続され、前記負荷の低電位側にカソードが接続された逆流防止ダイオードと、を備える、
   請求項５記載の負荷地絡検知装置。
7. 前記負荷の作動時に前記負荷を流れる電流を検出する電流モニタ回路を備え、
   前記制御装置は、前記電流モニタ回路により検出される電流が所定の前記負荷の作動時の電流値に対して所定範囲外となった場合に、前記負荷の低電位側地絡を検知したとする、
   請求項５又は請求項６記載の負荷地絡検知装置。
8. 前記制御装置は、前記負荷の低電位側地絡を検知した場合に、前記低電位側地絡に起因する過電流保護動作を行う、
   請求項５乃至請求項７のいずれか一項記載の負荷地絡検知装置。

Images