JP2023136782A - 制御装置の電源回路 - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリ電圧を降圧してマイコンを含む制御装置に直流電圧を供給する電源回路において、降圧回路の故障により降圧回路からの出力電圧が上昇しても、マイコンを継続して動作させることができるようにする。
【解決手段】電源回路は、降圧回路２０と、降圧回路２０から電力供給を受けて電源電圧を生成するセンサ電源回路３０Ａ，３０Ｂ及びマイコン電源回路４０と、切り替え回路３２Ａ，３２Ｂ，４２と、故障検出回路５０と、を備え、故障検出回路は、降圧回路にて降圧された降圧電源電圧が所定の許容電圧を越えると、降圧回路が故障したと判定して、切り替え回路を駆動し、マイコン電源回路への電力供給元をセンサ電源回路に切り替える。
【選択図】図１

Description

本開示は、制御装置の電源回路に関する。

特許文献１に記載のように、制御装置への直流電力の供給経路上に、スイッチング素子とコイルが順に接続され、スイッチング素子とコイルとの接続点に還流回路が接続された電源回路が知られている。この電源回路は、スイッチング素子をオン・オフさせることで、コイルに電流を流し、バッテリ電圧を降圧して制御装置に出力する、降圧回路である。そして、この電源回路において、還流回路は、スイッチング素子のオフ期間にコイルへ電流を還流して、コイルに蓄積されたエネルギにより高電圧が発生するのを抑制する。

また、特許文献１に記載の電源回路には、還流回路の断線故障を検出する故障検出回路が備えられている。そして、故障検出回路にて還流回路の断線故障が検出されると、コイルからの出力電圧が、通常時の第２の電圧よりも高く、且つ、バッテリ電圧である第１の電圧よりも低い、第３の電圧となるように、スイッチング素子のオン・オフ状態が制御される。従って、還流回路が断線故障した場合であっても、降圧回路から制御装置への電力供給が継続され、その継続期間中に、制御装置は安全に動作を停止することができる。

特許第６５３９２０１号公報

ところで、特許文献１に記載の制御装置には、制御対象の状態を検出するセンサと、センサからの検出信号に基づき制御量を算出するマイクロコンピュータ（以下、マイコン）が備えられている。マイコンは、電源電圧が規定電圧範囲から外れると保護回路が作動して動作を停止するため、上記電源回路、すなわち降圧回路から、マイコンに電力供給するようにすると、還流回路が断線した際に、マイコンが動作を停止することがある。

つまり、マイコンは、一定のマイコン電源電圧を生成するマイコン電源回路から電力供給を受けて動作するが、還流回路が断線故障して、上記降圧回路から供給される直流電圧が上昇すると、マイコン電源回路は出力電圧を適正に制御することができなくなる。このため、還流回路が断線故障すると、マイコン電源電圧が規定電圧範囲よりも上昇して、マイコンが動作を停止する。また、降圧回路である上記電源回路において、スイッチング素子が短絡故障した場合にも、バッテリ電圧が出力されることになるので、マイコンの電源電圧も規定電圧範囲から上昇し、マイコンが動作を停止する。このようにマイコンが動作を停止すると、制御を継続して、制御装置を安全に停止させることができなくなる。

本開示の１つの局面は、バッテリ電圧を降圧してマイコンを含む制御装置に直流電圧を供給する電源回路において、降圧回路の故障により降圧回路からの出力電圧が上昇しても、マイコンを継続して動作させることができるようにすること、を目的とする。

本開示の１つの態様による制御装置の電源回路は、降圧回路（２０）と、センサ電源回路（３０Ａ，３０Ｂ）と、マイコン電源回路（４０）と、切り替え回路（３２Ａ，３２Ｂ，４２）と、故障検出回路（５０）と、を備える。

ここで、降圧回路は、バッテリ（１２）から制御装置（２）への電力供給経路上に設けられ、バッテリ電圧を降圧して出力するよう構成される。センサ電源回路は、降圧回路から電力供給を受けて、制御装置に設けられたセンサ（６Ａ，６Ｂ，…）を駆動するためのセンサ電源電圧を生成するよう構成される。

また、マイコン電源回路は、降圧回路から電力供給を受けて、制御装置に設けられたマイクロコンピュータ（８）を駆動するためのマイコン電源電圧を生成するよう構成される。切り替え回路は、マイコン電源回路への電力供給元を、降圧回路からセンサ電源回路に切り替え可能に構成される。

そして、故障検出回路は、降圧回路にて降圧された降圧電源電圧が所定の許容電圧を越えると、降圧回路が故障したと判定して、切り替え回路を駆動し、マイコン電源回路への電力供給元をセンサ電源回路に切り替えるよう構成される。

このため、降圧回路が故障し、例えばバッテリ電圧など、許容電圧よりも高い電圧が降圧回路から出力されると、故障検出回路がその旨を検出して、切り替え回路を駆動し、センサ電源回路にて生成されたセンサ電源電圧をマイコン電源回路へ出力させる。

従って、降圧回路が故障すると、マイコン電源回路への入力電圧が、降圧回路から出力される高電圧からセンサ電源回路にて生成されたセンサ電源電圧へ速やかに切り替えられて、マイコン電源回路によるマイコン電源電圧の生成を継続できるようになる。

よって、本開示の制御装置の電源回路によれば、降圧回路が故障しても、マイコンによる制御動作を継続させて、故障時のフェルセーフ制御等を実施させることが可能となる。

実施形態の制御装置の電源回路全体の構成を表すブロック図である。 降圧回路の故障判定及び切り替えスイッチの切り替え動作を表すタイムチャートである。 変形例の電源回路の構成を表すブロック図である。

以下、図面を参照しながら、本開示の実施形態を説明する。
［実施形態］
図１に示すように、本実施形態の制御装置２は、例えば、車両に搭載されたエンジンを制御対象４として制御するものであり、制御対象４の動作状態を検出する複数のセンサ６Ａ，６Ｂ…を備える。

複数のセンサ６Ａ，６Ｂ…は、エンジンの回転角度を検出するクランク角センサやカムセンサ、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルセンサ、冷却水温を検出する温度センサなど、制御対象４であるエンジンや車両の状態を検出するためのセンサである。

また、制御装置２には、本開示のマイクロコンピュータとして、複数のセンサ６Ａ，６Ｂ…からの検出信号に基づき制御対象４の制御量を算出して、制御対象４の駆動装置に出力するマイコン８を備える。この駆動装置としては、エンジンの各気筒に燃料を噴射供給する噴射ポンプ、エンジンの各気筒に設けられた点火プラグを点火させる点火装置、などを挙げることができる。

マイコン８は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを含み、制御対象４の制御回路として機能する。マイコン８は、電源電圧が規定電圧範囲から外れると、誤動作することがあるので、マイコン８には、自身の電源電圧を監視する電圧監視部９が設けられている。そして、電圧監視部９は、電源電圧が規定電圧範囲から外れると、マイコン８をリセットして制御動作を停止させる。

次に、電源回路１０は、上述した複数のセンサ６Ａ，６Ｂ…や、マイコン８を動作させるための所定の電源電圧を生成するためのものであり、上述した特許文献１と同様、バッテリ１２からの供給電圧、つまりバッテリ電圧ＶＢを降圧する降圧回路２０を備える。なお、バッテリ電圧ＶＢは、一定ではなく、負荷の変動により１０Ｖ～１６Ｖ程度の範囲内で変動する。

降圧回路２０は、バッテリ１２からセンサ６Ａ，６Ｂ…及びマイコン８に電力供給を行う電力供給経路上に、バッテリ１２側から順に直列に接続されたスイッチング回路２２、及び、コイル２４を備える。

また、降圧回路２０において、スイッチング回路２２とコイル２４との接続点には、還流回路２６が接続され、コイル２４のスイッチング回路２２との反対側には、コンデンサ２８が接続されている。

還流回路２６は、スイッチング回路２２のオフ期間にコイル２４へ電流を還流させて、コイル２４に蓄積されたエネルギにより高電圧が発生するのを抑制するものであり、例えば、還流用のダイオードにて構成される。

コンデンサ２８は、スイッチング回路２２がオン・オフされることにより、コイル２４のスイッチング回路２２とは反対側に発生する降圧電源電圧Ｖ１を安定化させる、電圧平滑用のコンデンサである。

なお、降圧回路２０において、スイッチング回路２２がオン・オフされることにより生成される降圧電源電圧Ｖ１は、バッテリ電圧ＶＢの２分の１程度の、直流６Ｖに設定されている。

また、電源回路１０には、降圧回路２０から電力供給を受けて、複数のセンサ６Ａ，６Ｂ…を駆動するためのセンサ電源電圧Ｖ２を生成する２系統のセンサ電源回路３０Ａ，３０Ｂが備えられている。

この２つのセンサ電源回路３０Ａ，３０Ｂは、それぞれ、三端子レギュレータなどのシリーズレギュレータにて構成されており、センサ電源電圧Ｖ２として、降圧電源電圧Ｖ１よりも低い、例えば５Ｖの直流定電圧を生成する。

また、電源回路１０には、降圧回路２０から電力供給を受けて、センサ電源電圧Ｖ２よりも低いマイコン電源電圧Ｖ３、例えば１．２Ｖの直流定電圧、を生成するマイコン電源回路４０も備えられている。

このマイコン電源回路４０は、降圧電源電圧Ｖ１から低損失でマイコン電源電圧Ｖ３を生成できるように、スイッチングレギュレータにて構成されている。そして、マイコン電源回路４０にて生成されたマイコン電源電圧Ｖ３は、マイコン８に供給される。

次に、センサ電源回路３０Ａ，３０Ｂから複数のセンサ６Ａ，６Ｂ…への２系統の電力供給経路上には、センサ電源電圧Ｖ２の出力先を、センサ６Ａ，６Ｂ…からマイコン電源回路４０側に切り替え可能な第１切り替えスイッチ３２Ａ，３２Ｂが設けられている。

また、電源回路１０には、マイコン電源回路４０への電力供給経路を切り替える第２切り替えスイッチ４２も設けられている。第２切り替えスイッチ４２は、マイコン電源回路４０への電力供給経路を、降圧回路２０から降圧電源電圧Ｖ１を直接入力する第１経路Ｌ１から、第１切り替えスイッチ３２Ａ，３２Ｂを介してセンサ電源電圧Ｖ２を入力する第２経路Ｌ２に切り替え可能である。

第１切り替えスイッチ３２Ａ，３２Ｂ及び第２切り替えスイッチ４２は、本開示の切り替え回路に相当するものであり、本実施形態では、それぞれ、電力供給経路を切り替え可能な半導体スイッチにて構成されている。

具体的には、例えば、分岐する２つの電力供給経路に、それぞれ、ＦＥＴ等のスイッチング素子が設けられ、スイッチング素子の一方が選択的にオン状態となる、半導体スイッチにて構成されている。なお、第１切り替えスイッチ３２Ａ，３２Ｂ及び第２切り替えスイッチ４２は、リレーなどを利用して構成することもできる。

また、電源回路１０には、降圧電源電圧Ｖ１から降圧回路２０の故障を検出する故障検出回路５０が設けられている。故障検出回路５０は、コンパレータ５２と遅延回路５４とを備える。

コンパレータ５２は、図２に示すように、降圧電源電圧Ｖ１と故障判定用の閾値電圧Ｖｔｈ１とを比較し、降圧電源電圧Ｖ１が閾値電圧Ｖｔｈ１を越えると、出力がローベルからハイレベルに反転することで、第１切り替え信号ＴＳ１を発生する。なお、閾値電圧Ｖｔｈ１は、本開示の許容電圧に相当する。

つまり、降圧回路２０内の還流回路２６が断線故障して、還流経路が開放されたときや、スイッチング回路２２が短絡故障してオン状態となったときは、降圧回路２０から出力される降圧電源電圧Ｖ１がバッテリ電圧ＶＢ付近まで上昇する。そこで、コンパレータ５２は、降圧電源電圧Ｖ１が閾値電圧Ｖｔｈ１を越えると、降圧回路２０が故障したと判定して、第１切り替え信号ＴＳ１を発生する。

コンパレータ５２から出力される第１切り替え信号ＴＳ１は、第１切り替えスイッチ３２Ａ，３２Ｂに入力される。そして、第１切り替えスイッチ３２Ａ，３２Ｂは、第１切り替え信号ＴＳ１がローレベルからハイレベルに立ち上がる時点ｔ１にて、センサ６Ａ，６Ｂ側から、マイコン電源回路４０側に切り替えられる。

従って、故障検出回路５０にて降圧回路２０の故障が検出されると、センサ電源回路３０Ａ，３０Ｂにて生成されたセンサ電源電圧Ｖ２が、第２切り替えスイッチ４２に出力されるようになる。

一方、遅延回路５４は、第１切り替え信号ＴＳ１の立上がりを一定の遅延時間ＤＴ１だけ遅延させる。そして、遅延回路５４から出力される遅延信号は、第２切り替え信号ＴＳ２として、第２切り替えスイッチ４２に入力される。

このため、第２切り替えスイッチ４２は、図２に示す時点ｔ１から遅延時間ＤＴ１だけ遅延された時点ｔ２で、マイコン電源回路４０への電力供給経路を、第１経路Ｌ１から第２経路Ｌ２に切り替える。

従って、電源回路１０において、降圧回路２０が故障し、降圧電源電圧Ｖ１が異常判定用の閾値電圧Ｖｔｈ１を越えると、第１切り替えスイッチ３２Ａ，３２Ｂ及び第２切り替えスイッチ４２が、図１に示す初期状態から順に切り替えられることになる。

そして、各スイッチの切り替え後は、センサ電源回路３０Ａ，３０Ｂにて生成されたセンサ電源電圧Ｖ２が、マイコン電源回路４０に供給されて、マイコン電源回路４０はマイコン電源電圧Ｖ３の生成を継続することができる。

また、第２切り替えスイッチ４２は、第１切り替えスイッチ３２Ａ，３２Ｂの切り替え後、遅延時間ＤＴ１だけ遅れて切り替えられるので、各スイッチの初期状態からの切り替え時に、マイコン電源回路４０への電力供給が遮断されることはない。

従って、マイコン電源回路４０から出力されるマイコン電源電圧Ｖ３が瞬断するようなことはなく、マイコン８は、マイコン電源電圧Ｖ３の瞬断によりリセットされて動作を停止することはない。

また、マイコン８には、故障検出回路５０から第１切り替え信号ＴＳ１が入力される。このため、マイコン８側では、第１切り替え信号ＴＳ１により降圧回路２０が故障したことを検知し、降圧回路２０の故障時の制御処理を実施する。

具体的には、降圧回路２０が故障すると、センサ６Ａ，６Ｂ…への電力供給が遮断されるので、例えば、センサ６Ａ，６Ｂ…による検出結果を、制御対象４の運転を継続するのに必要な所定値に固定し、制御対象４の運転を継続する。そして、制御対象４の運転を停止するように、制御量を徐々に低下させる。

なお、降圧回路２０の故障時の制御処理では、例えば、車両の運転者に降圧回路２０の故障を報知して、車両を低速で退避走行させるためのエンジンン制御を実施するようにしてもよい。また、車両が自動運転車両であれば、こうしたエンジン制御とは別に、車両の走行制御装置に降圧回路２０の故障を通知することで、車両を低速で路肩に移動させる自動運転制御を実施させるようにしてもよい。

［変形例］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。

例えば、上記実施形態では、故障検出回路５０は、オペアンプや遅延回路等を含む電子回路にて構成されているものとして説明したが、故障検出回路５０の機能は、マイコン８において実行されるプログラムにて実現されてもよい。

また、上記実施形態では、降圧回路２０が故障すると、センサ電源回路３０Ａ，３０Ｂから、複数のセンサ６Ａ，６Ｂ…への電力供給経路を、全て、マイコン電源回路４０側に切り換えるものとして説明した。

しかし、図３に示すように、２つのセンサ電源回路３０Ａ，３０Ｂのうち、センサ電源回路３０Ｂからセンサ６Ｂへの電力供給経路に第１切り替えスイッチ３２Ｂを設け、センサ電源回路３０Ａからセンサ６Ａへの電力供給経路は遮断できないようにしてもよい。

このようにすれば、降圧回路２０が故障した際、センサ電源回路３０Ｂにて生成されたセンサ電源電圧Ｖ２をマイコン電源回路４０に供給することで、マイコン８による制御対象４の制御を継続させつつ、センサ６Ａを動作させることができるようになる。

このため、降圧回路２０の故障時には、マイコン８はセンサ６Ａによる検出結果を利用して制御対象４を制御することができるようになり、上記のように制御対象４の運転を停止させることなく、制御対象４の運転を継続することができるようになる。

なお、この場合、２系統のセンサ電源回路３０Ａ，３０Ｂから、複数のセンサ６Ａ，６Ｂ…への電力供給経路には、制御の冗長性を確保するため、制御対象４に対し２重に設けられた２重系のセンサ６Ａ，６Ｂが設けられているとよい。

またこの場合、センサ６Ａ，６Ｂは、必ずしも同一のものではなくてもよく、例えば、クランクセンサとカムセンサ、吸気温と冷却水温、のように、エンジンンの回転角や温度などの同種の物理量を検出し得るセンサであってもよい。

このようにすれば、降圧回路２０が故障した際、マイコン８が動作を停止するのを抑制することができるだけでなく、マイコン８による制御対象４の制御を、より適正に継続して実施することができるようになる。

上記実施形態における１つの構成要素が有する複数の機能を、複数の構成要素によって実現したり、１つの構成要素が有する１つの機能を、複数の構成要素によって実現したりしてもよい。また、複数の構成要素が有する複数の機能を、１つの構成要素によって実現したり、複数の構成要素によって実現される１つの機能を、１つの構成要素によって実現したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。

また、本開示の電源回路は、センサ及びマイコンを含む制御システムとして実現されてもよい。また、故障検出回路５０としての機能は、コンピュータ読み取り可能な非遷移有形記録媒体に記憶されてもよい。つまり、本開示は、電源回路の他、制御システム、プログラム、プログラムを記録した半導体メモリ等の非遷移的実態的記録媒体、電源制御方法など、種々の形態で実現することができる。

２…制御装置、６Ａ，６Ｂ…センサ、８…マイコン、１０…電源回路、１２…バッテリ、２０…降圧回路、３０Ａ，３０Ｂ…センサ電源回路、３２Ａ，３２Ｂ…第１切り替えスイッチ、４０…マイコン電源回路、４２…第２切り替えスイッチ、５０…故障検出回路。

Claims (3)

1. バッテリ（１２）から制御装置（２）への電力供給経路上に設けられ、バッテリ電圧を降圧して出力するよう構成された降圧回路（２０）と、
   前記降圧回路から電力供給を受けて、前記制御装置に設けられたセンサ（６Ａ，６Ｂ…）を駆動するためのセンサ電源電圧を生成するよう構成されたセンサ電源回路（３０Ａ，３０Ｂ）と、
   前記降圧回路から電力供給を受けて、前記制御装置に設けられたマイクロコンピュータ（８）を駆動するためのマイコン電源電圧を生成するよう構成されたマイコン電源回路（４０）と、
   前記マイコン電源回路への電力供給元を、前記降圧回路から前記センサ電源回路に切り替え可能に構成された切り替え回路（３２Ａ，３２Ｂ，４２）と、
   前記降圧回路にて降圧された降圧電源電圧が所定の許容電圧を越えると、前記降圧回路が故障したと判定して、前記切り替え回路を駆動し、前記マイコン電源回路への電力供給元を前記センサ電源回路に切り替えるよう構成された故障検出回路（５０）と、
   を備えた、制御装置の電源回路。
2. 請求項１に記載の制御装置の電源回路であって、
   前記センサ電源回路を複数備え、
   前記故障検出回路は、前記降圧回路が故障したと判定すると、前記複数のセンサ電源回路の一つが前記マイコン電源回路への電力供給元となるよう、前記電力供給元を切り替えるように構成されている、制御装置の電源回路。
3. 請求項１又は請求項２に記載の制御装置の電源回路であって、
   前記切り替え回路は、
   前記センサ電源回路から前記センサへの電力供給経路上に設けられ、前記センサ電源電圧の出力先を前記センサから前記マイコン電源回路側に切り替え可能な第１切り替えスイッチ（３２Ａ，３２Ｂ）と、
   前記マイコン電源回路への電力供給経路を、前記降圧回路から前記降圧電源電圧を直接入力する第１経路（Ｌ１）から、前記第１切り替えスイッチを介して前記センサ電源回路から前記センサ電源電圧を入力する第２経路（Ｌ２）に切り替え可能な第２切り替えスイッチ（４２）と、
   を備え、
   前記故障検出回路は、前記降圧電源電圧が所定の許容電圧を越えると、前記第１切り替えスイッチを前記マイコン電源回路側に切り替え、前記第１切り替えスイッチの切り替えと同時若しくは前記第１切り替えスイッチの切り替え後に、前記第２切り替えスイッチを前記降圧回路側から前記センサ電源回路側に切り替えるように構成されている、制御装置の電源回路。

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