JP4087641B2 - 負荷駆動回路 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、負荷駆動回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車の電源電圧を、現行の１４Ｖから４２Ｖに変えようとする検討がなされている。こうすることで、ラジエータファンやエアコンファンなどの大型モーターのエネルギー効率がアップし、燃費向上に貢献すると考えられているからである。
【０００３】
ところが、ランプに関しては、４２Ｖの電圧を印加して使用するランプを開発しようとすると、フィラメントの細径化または長尺化を行ってフィラメント抵抗を増大させる必要がある。しかしながら、このようにフィラメントの細径化または長尺化を行うと、振動や衝撃に対する耐久性が低下し、自動車の走行／停止に対応する加速度変化に耐えられないという懸念がある。
【０００４】
そこで、ランプに関しては、現行の定格１２Ｖランプをそのまま用い、電源電圧４２ＶでＰＷＭ制御をしようとする動きがある。ＰＷＭ制御をすれば、電源電圧の変動を読みとって、この電源電圧の変動に応じてデューティ比を変化させることでランプの明るさを一定にしたり、周囲の明るさに応じてデューティ比を変えて明るさを制御したりするなど、様々な制御を行うことが可能となる。
【０００５】
このような制御のため、ＰＷＭ信号はマイクロコンピュータ（以下、単に「マイコン」と略称する）で生成することが好ましい。特に、近年のマイコンは、ＰＷＭ専用ボードが普及しており、このＰＷＭ専用ボードにおけるプログラムの作成も容易になってきている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
マイコンからＰＷＭ信号を出力させると、ＰＷＭ信号の出力開始時点から数周期のパルスにおいて、そのデューティ比が不安定に出力される場合がある。
【０００７】
また、負荷（ランプ）において短絡等が発生した場合、この短絡等の回路異常を検出する何らかの検出手段を設けてマイクロコンピュータにより駆動電流の供給を停止しようとしても、ＰＷＭ信号の最初の入力があってから少なくとも１周期が経過してから駆動電流の供給を停止することになる。これは、マイコンのＰＷＭ信号の出力機能が、プログラムから独立した機能であるために生じる。
【０００８】
また、プログラムの一部に組み込んでいたとしても、プログラムの暴走等で、ＰＷＭ信号の出力が不安定になる場合が考えられる。
【０００９】
ＰＷＭ信号の出力が不安定になると、１２Ｖ定格ランプに４２Ｖを印加する時間が設計値より長くなったりして、極端な場合には負荷（ランプ）の断線等の故障の原因になるおそれがある。
【００１０】
そこで、この発明の課題は、不安定なＰＷＭ信号の出力による負荷の故障を防止し得る負荷駆動回路を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決すべく、請求項１に記載の発明は、所定の負荷をＰＷＭ駆動する負荷駆動回路であって、前記負荷を高速にオンオフ切替えしてＰＷＭ駆動する駆動スイッチ回路と、前記駆動スイッチ回路に対してＰＷＭ信号を与える制御部と、前記制御部から前記駆動スイッチ回路に与えられる前記ＰＷＭ信号を前記制御部からの所定の解除信号に基づいて解除するＰＷＭ信号解除回路とを備え、前記制御部を監視し、当該制御部が所定の異常状態のときに、当該制御部をリセットするためのローレベルのリセット信号を当該制御部に出力する監視回路をさらに備え、前記ＰＷＭ信号解除回路が、前記制御部から与えられるＰＷＭ信号を、少なくとも当該制御部から与えられる前記解除信号に基づいて解除する解除スイッチと、前記監視回路と前記制御部との間の電圧がローレベルに切り替わったときに、直ちに前記解除スイッチに前記解除信号を出力するとともに、前記監視回路と前記制御部との間の電圧が前記ローレベルからハイレベルに切り替わったときに、所定の遅延時間だけ遅延させてから前記解除スイッチへの前記解除信号の出力を停止する遅延回路と
を備えるものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の負荷駆動回路であって、前記制御部が、前記ＰＷＭ信号の出力開始時の直後の一定時間に亘り、前記解除信号を前記ＰＷＭ信号解除回路に出力するものである。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の負荷駆動回路であって、前記駆動スイッチ回路と前記負荷との接続点の駆動電圧を検出する駆動電圧検出回路をさらに備え、前記制御部からＰＷＭ信号を出力しているにも拘わらず、前記駆動電圧検出回路で検出された前記駆動電圧がハイレベル及び／またはローレベルを維持している場合に、前記制御部が、前記解除信号を前記ＰＷＭ信号解除回路に出力するものである。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の負荷駆動回路であって、前記遅延回路が、前記監視回路と前記制御部との接続点と所定の電源との間に接続された抵抗と、前記監視回路と前記制御部との接続点とアース端子との間に接続されたコンデンサとを備えたＲＣ直列回路を有し、前記監視回路と前記制御部との間の電圧がローレベルに切り替わったときに、前記コンデンサからの放電により直ちに前記解除スイッチに前記解除信号を出力するとともに、前記監視回路と前記制御部との間の電圧が前記ローレベルからハイレベルに切り替わったときに、前記コンデンサの充電により所定の遅延時間だけ遅延させてから前記解除スイッチへの前記解除信号の出力を停止するものである。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の負荷駆動回路であって、前記負荷の定格電圧を超えた電源電圧を高速にオンオフ切替えして前記負荷をＰＷＭ駆動するものである。
【００１６】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の負荷駆動回路が自動車に搭載されるものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の一の実施の形態に係る負荷駆動回路を示す回路図である。この負荷駆動回路は、図１の如く、例えば定格１２Ｖ（耐電圧１６Ｖ）の負荷としてのランプＬＰについて、４２Ｖ電源１からの電源電圧を用いて駆動スイッチ回路２でＰＷＭ駆動する場合に、マイクロコンピュータ（制御部：以下、単に「マイコン」と略称する）３から駆動スイッチ回路２に高周波数のパルス波形のＰＷＭ信号を与えてＰＷＭ制御するようになっており、特にＰＷＭ信号のデューティ比が不安定なときに、このＰＷＭ信号を強制的にアース端子側に逃がすことで、駆動スイッチ回路２を強制的にオフにする。
【００１８】
具体的に、この負荷駆動回路は、ランプＬＰをＰＷＭ駆動するための駆動スイッチ回路２と、この駆動スイッチ回路２を制御するマイコン３と、このマイコン３の暴走等の監視を行う監視回路（ウオッチドッグ回路）４と、駆動スイッチ回路２とランプＬＰとの接続点の電圧を検出してマイコン３に伝達する駆動電圧検出回路５と、マイコン３及び監視回路４からの信号に基づいてマイコン３から駆動スイッチ回路２に与えられるＰＷＭ信号をアース端子側に逃がして解除するＰＷＭ信号解除回路６とを備える。
【００１９】
駆動スイッチ回路２は、４２Ｖ電源１からの駆動電流を高速にオンオフ切替する電界効果型トランジスタ（ｐチャンネルＭＯＳＦＥＴ）Ｍ１と、マイコン３から与えられるＰＷＭ信号に従って電界効果型トランジスタＭ１のゲートの高速オンオフ切替えを行う高速スイッチ（バイポーラトランジスタ）Ｑ１とを備える。尚、駆動スイッチ回路２内の符号１１，１２は、高速スイッチＱ１がオンのときに電界効果型トランジスタＭ１のゲート電圧を確保するための分圧抵抗、符号１３，１４はマイコン３からＰＷＭ信号が与えられたときに高速スイッチＱ１のベース電圧を確保するための分圧抵抗をそれぞれ示している。
【００２０】
マイコン３は、ＲＯＭ、ＲＡＭ及びＣＰＵが内蔵されており、ＲＯＭ内に予め格納されたソフトウェアプログラムに従って動作する機能要素である。このマイコン３の動作については後述する。
【００２１】
監視回路４は、マイコン３の暴走の有無、マイコン３の電源電圧の低下、マイコン３中のグラウンドレベルへのノイズ混入等を検出し、この暴走等が発見されたときには、マイコン３のリセット端子Ｒsetにグラウンドレベル（ローレベル）のリセット信号を入力して再起動させるものである。
【００２２】
駆動電圧検出回路５は、駆動スイッチ回路２の電界効果型トランジスタＭ１とランプＬＰとの接続点とアース端子との間に介装された分圧抵抗１５，１６であり、両抵抗１５，１６の抵抗分圧比によりランプＬＰに印加される駆動電圧をマイコン３のＡ／Ｄ入力ポートに適した電圧レベルに調整する。
【００２３】
ＰＷＭ信号解除回路６は、駆動スイッチ回路２の高速スイッチＱ１のベースに与えられるＰＷＭ信号をアース端子側に逃がして解除するための解除スイッチＱ２と、監視回路４がマイコン３の暴走を検出してリセット信号を出力した旨を出力するとともに、その後にそのリセット信号を解除した旨の信号を遅延させる遅延回路２１と、マイコン３から与えられる信号（解除信号）と遅延回路２１に接続された反転回路２７からの信号との論理和をとる論理和回路（ＯＲ回路）２２とを備える。
【００２４】
解除スイッチＱ２はｎｐｎ型バイポーラトランジスタが使用されており、そのベースは、論理和回路２２の出力端子とアース端子との間に介装された分圧抵抗２４，２５の接続中間点に接続されている。そして、解除スイッチＱ２のコレクタが高速スイッチＱ１のベースに、解除スイッチＱ２のエミッタがアース端子に接続され、論理和回路２２からのハイアクティブの信号が与えられたときにオン動作して、高速スイッチＱ１のベースに与えられるＰＷＭ信号をアース端子側に逃がしてこれを解除する。
【００２５】
遅延回路２１は、５Ｖ電源２８とアース端子との間で抵抗ＲとコンデンサＣが直列に接続されたＲＣ直列回路であって、この抵抗ＲとコンデンサＣとの接続点と論理和回路２２との間に反転回路（ＮＯＴ回路）２７が設けられている。そして、監視回路４からグラウンドレベルのリセット信号が出力されたときに、遅延回路２１のコンデンサＣが放電してローレベルとなり、このローレベルの信号を反転回路２７により反転してハイレベルの信号として論理和回路２２に与える。また、その後に、監視回路４がリセット信号を解除してハイレベルの信号を出力した時点で、遅延回路２１のコンデンサＣの充電が開始され、ＲＣ直列回路の時定数により定まる一定の遅延時間が経過してから、反転回路２７にハイレベルの信号を与え、この反転回路２７で反転したローレベルの信号を論理和回路２２に与える。この場合、監視回路４からマイコン３のリセット端子に与える信号がローレベルからハイレベルに復帰する場合のみ遅延がかかるようになっている。この場合の遅延時間は、マイコン３のリセットからプログラムがスタートするまでの時間を考慮し、それに応じて遅延回路２１の時定数を定めておけば良い。尚、符号Ｄ１は電流の逆流防止用のダイオードを示している。
【００２６】
論理和回路２２は、マイコン３からの解除信号または反転回路２７からのハイレベルの信号が与えられた場合に、分圧抵抗２４，２５にハイレベルの信号を出力して、解除スイッチＱ２をオンに切り替える。
【００２７】
上記構成の負荷駆動回路の動作を説明する。
【００２８】
＜通常駆動時＞
マイコン３から出力されるＰＷＭ信号は、分圧抵抗１３，１４を経てアース端子側に出力される。このとき、両分圧抵抗１３，１４の接続点にベース接続された高速スイッチＱ１は、ＰＷＭ信号に従って高速オンオフ動作を繰り返し、４２Ｖ電源１から分圧抵抗１１，１２を経由する電流を高速にオンオフ切替する。これにより、両分圧抵抗１１，１２の接続点にゲート接続された電界効果型トランジスタＭ１がＰＷＭ制御され、これにより４２Ｖ電源１から与えられた駆動電流を用いてランプＬＰをＰＷＭ駆動する。
【００２９】
ところで、この負荷駆動回路においては、ＰＷＭ信号解除回路６でマイコン３からのＰＷＭ信号をアース端子側に逃がすことで、駆動スイッチ回路２でのランプＬＰのＰＷＭ制御をキャンセルするようになっている。このＰＷＭ信号解除回路６でマイコン３からのＰＷＭ信号をアース端子側に逃がす機会としては、マイコン３でＰＷＭ信号の出力が開始された直後と、ＰＷＭ信号の出力が停止される直前と、駆動電圧検出回路５でランプＬＰに印加される駆動電圧が異常であるときと、監視回路４によりマイコン３がリセットされた場合の４つを設定している。これらの４つの機会についてそれぞれ説明する。
【００３０】
＜ＰＷＭ信号の出力開始直後の動作＞
マイコン３からのＰＷＭ信号の出力を開始する際、このＰＷＭ信号のデューティ比が最初の数周期の間は安定しないことを考慮し、このマイコン３から論理和回路２２に対して、予め定められたＰＷＭ信号の数周期の間だけハイレベルの信号を出力する。
【００３１】
この場合、論理和回路２２はマイコン３からのハイレベルの信号（解除信号）に応じて解除スイッチＱ２をオンに切り替える。そうすると、オン切替えした解除スイッチＱ２は、駆動スイッチ回路２の高速スイッチＱ１のベースをグラウンドレベルに降下させ、この高速スイッチＱ１のベースに与えられるＰＷＭ信号をアース端子側に逃がしてこれを解除する。これにより、高速スイッチＱ１及び電界効果型トランジスタＭ１はオフの状態に保持され、ランプＬＰの駆動が停止される。
【００３２】
その後、ＰＷＭ信号の数周期の時間が経過した時点で、マイコン３は論理和回路２２へのハイレベルの信号（解除信号）の出力を停止する。そうすると、解除スイッチＱ２がオフになり、マイコン３からのＰＷＭ信号に応じて高速スイッチＱ１の高速オンオフ動作が開始される。
【００３３】
このようにすることで、マイコン３から出力されるＰＷＭ信号の初期的なデューティ比の乱れが原因となって１２Ｖ定格ランプに４２Ｖを印加する時間が設計値より長くなるのを確実に防止でき、ランプの断線を防止できる。
【００３４】
＜ＰＷＭ信号の出力停止直前の動作＞
マイコン３からのＰＷＭ信号の出力を停止する際にも、このＰＷＭ信号のデューティ比が安定しないことがある。このことを考慮し、このマイコン３がＰＷＭ信号の出力を停止しようとする場合には、その直前における予め定められたＰＷＭ信号の数周期の間だけ、論理和回路２２に対してハイレベルの信号（解除信号）を出力する。このときの動作は、上記した＜ＰＷＭ信号の出力開始直後＞の場合と同様である。
【００３５】
その後、マイコン３からのＰＷＭ信号の出力を停止した時点で、マイコン３は論理和回路２２へのハイレベルの信号（解除信号）の出力を停止する。
【００３６】
このようにすることで、マイコン３からのＰＷＭ信号の出力を停止する直前においても、そのデューティ比の乱れが原因となって１２Ｖ定格ランプに４２Ｖを印加する時間が設計値より長くなるのを確実に防止でき、ランプの断線を防止できる。
【００３７】
＜駆動電圧異常時の動作＞
例えば、駆動スイッチ回路２の電界効果型トランジスタＭ１がゲート信号に拘わらず常時オンするといったショートモード故障や、電界効果型トランジスタＭ１と負荷としてのランプＬＰとの接続点がグラウンドショートすることがある。このような場合には、マイコン３がその旨を、駆動電圧検出回路５を介してマイコン３のＡ／Ｄ入力ポートに与えられた電圧により判断することが可能である。具体的には、駆動スイッチ回路２の電界効果型トランジスタＭ１とランプＬＰとの接続点とアース端子との間に介装された分圧抵抗１５，１６の抵抗分圧比により、ランプＬＰに印加される駆動電圧をマイコン３のＡ／Ｄ入力ポートに適した電圧レベルに調整して入力する。
【００３８】
そして、マイコン３は、ＰＷＭ信号の出力を行っているにも拘わらず、Ａ／Ｄ入力ポートへの入力が常時ハイレベルである場合は、電界効果型トランジスタＭ１にショートモード故障が生じていると判断し、論理和回路２２に対して直ちにハイレベルの信号を出力する。
【００３９】
そうすると、論理和回路２２及び抵抗２４を経て解除スイッチＱ２のベースにハイレベルの信号が与えられ、この解除スイッチＱ２のオン切替えにより駆動スイッチ回路２の高速スイッチＱ１のベースに与えられるＰＷＭ信号がアース端子側に逃げるようになる。これにより、高速スイッチＱ１及び電界効果型トランジスタＭ１はオフの状態に保持され、ランプＬＰの駆動が停止される。
【００４０】
尚、この際、必要に応じて所定の外部回路に診断出力（ダイアグノーシス）のための信号を出力する。
【００４１】
また、マイコン３のＡ／Ｄ入力ポートに与えられる電圧レベルが常時グラウンドレベル（ローレベル）である場合には、電界効果型トランジスタＭ１とランプＬＰとの間の配線のどこかが、グラウンドにショートしている可能性がある。この場合において、マイコン３がＰＷＭ信号の出力をオフに切り替えることも考えられるが、ＰＷＭ信号をオフにするだけでは電界効果型トランジスタＭ１がオフするのに時間がかかる可能性がある。そこで、この場合には、マイコン３は解除スイッチＱ２をオンさせるためのハイレベルの信号（解除信号）を直ちに出力し、これにより電界効果型トランジスタＭ１を直ちにオフに切り替える。これにより、過電流によって電界効果型トランジスタＭ１が故障するのを防止できる。
【００４２】
＜マイコンリセット時の動作＞
例えば、マイコン３のプログラム暴走、マイコン３の電源電圧の低下、またはマイコン３のグラウンドレベルに対するノイズ混入等によって、監視回路４がマイコン３のリセット端子のポート電位をハイレベルからローレベルに落とし、マイコン３にリセットがかかる。かかるリセット時は、マイコン３のポート出力が不定となり、予想外の動きをする可能性がある。これを阻止するために監視回路４のリセット出力を用いる。
【００４３】
まず、監視回路４からマイコン３のリセット端子に与える信号がグラウンドレベルに落ちると、ダイオードＤ１のアノード側電位が直ちにローレベルに落ち、その電位が反転回路２７で反転されて論理和回路２２に入力される。その結果、解除スイッチＱ２をオンに切り替える。この解除スイッチＱ２のオン切替えにより、駆動スイッチ回路２の高速スイッチＱ１のベースに与えられるＰＷＭ信号がアース端子側に逃げ、故に、高速スイッチＱ１及び電界効果型トランジスタＭ１がオフの状態に保持され、ランプＬＰの駆動が停止される。
【００４４】
次に、監視回路４がマイコン３のリセット端子に与えるグラウンドレベルの信号をオフにした後（即ち、ハイレベルの信号を出力した後）、マイコン３のプログラムはすぐに走らないため、しばらく、ＰＷＭ信号の出力が不定または不安定な状態となる。この場合、監視回路４がリセット信号を解除してハイレベルの信号を出力した時点で、遅延回路２１のコンデンサＣの充電が開始され、ＲＣ直列回路の時定数により定まる一定の遅延時間が経過してから、反転回路２７にハイレベルの信号を与え、この反転回路２７で反転したローレベルの信号を論理和回路２２に与える。これにより、論理和回路２２が解除スイッチＱ２のベースにローレベルの信号を与え、この解除スイッチＱ２のオフ切替えにより駆動スイッチ回路２の高速スイッチＱ１のベースにＰＷＭ信号が再び与えられるようになる。そうすると、高速スイッチＱ１及び電界効果型トランジスタＭ１の高速オンオフ動作が再開され、ランプＬＰのＰＷＭ制御が再開される。
【００４５】
したがって、マイコン３のリセットによる復帰後に、このマイコン３から出力されるＰＷＭ信号が不定または不安定になっても、遅延回路２１での遅延により一定の遅延時間だけ電界効果型トランジスタＭ１のオンオフ動作を停止させることができ、ランプの断線を防止できる。
【００４６】
尚、上記実施の形態では、負荷としてランプＬＰを例に挙げて説明したが、この他にモータ等のどのような負荷を適用しても差し支えない。
【００４７】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、制御部のリセットによる復帰後に、この制御部から出力されるＰＷＭ信号が不定または不安定になっても、ＰＷＭ信号解除回路の遅延回路での遅延により一定の遅延時間だけ駆動スイッチ回路のオンオフ動作を停止させることができ、負荷の故障を防止できる。
請求項２に記載の発明によれば、所定の負荷をＰＷＭ駆動する負荷駆動回路であって、制御部から駆動スイッチ回路にＰＷＭ信号を与える際、このＰＷＭ信号を、制御部からの所定の解除信号に基づいて解除するようにし、制御部が、ＰＷＭ信号の出力開始時の直後の一定時間に亘り、解除信号を出力してＰＷＭ信号を解除するので、ＰＷＭ信号の初期的なデューティ比の乱れが原因となって大電圧を負荷に印加する時間が設計値より長くなるのを確実に防止でき、負荷の故障等を防止できる。
【００４８】
請求項３に記載の発明によれば、制御部からＰＷＭ信号を出力しているにも拘わらず、駆動電圧検出回路で検出された駆動電圧がハイレベル及び／またはローレベルを維持している場合に、制御部が解除信号を出力するので、駆動スイッチ回路内にショートモード故障が発生し、または負荷と駆動スイッチ回路の間の配線のどこかがグラウンドにショートしているような場合には、制御部が解除信号を出力してＰＷＭ信号を解除するので、過電流によって駆動スイッチ回路が故障するのを防止できる。
【００４９】
請求項４に記載の発明によれば、制御部のリセットによる復帰後に、この制御部から出力されるＰＷＭ信号が不定または不安定になっても、ＰＷＭ信号解除回路の遅延回路での遅延により一定の遅延時間だけ駆動スイッチ回路のオンオフ動作を停止させることができ、負荷の故障を防止できる。
【００５０】
これらの効果は、請求項５のように、負荷の定格電圧を超えた電源電圧を高速にオンオフ切替えして負荷をＰＷＭ駆動する場合に有効であり、特に、請求項６のように、負荷駆動回路が自動車に搭載される場合に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一の実施の形態に係る負荷駆動回路を示す回路図である。
【符号の説明】
１ ４２Ｖ電源
２ 駆動スイッチ回路
３ マイコン
４ 監視回路
５ 駆動電圧検出回路
６ ＰＷＭ信号解除回路
２１ 遅延回路
２２ 論理和回路
２７ 反転回路
Ｄ１ ダイオード
ＬＰ 負荷（ランプ）
Ｍ１ 電界効果型トランジスタ
Ｑ１ 高速スイッチ
Ｑ２ 解除スイッチ
Ｃ コンデンサ
Ｒ 抵抗
【発明の属する技術分野】
この発明は、負荷駆動回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車の電源電圧を、現行の１４Ｖから４２Ｖに変えようとする検討がなされている。こうすることで、ラジエータファンやエアコンファンなどの大型モーターのエネルギー効率がアップし、燃費向上に貢献すると考えられているからである。
【０００３】
ところが、ランプに関しては、４２Ｖの電圧を印加して使用するランプを開発しようとすると、フィラメントの細径化または長尺化を行ってフィラメント抵抗を増大させる必要がある。しかしながら、このようにフィラメントの細径化または長尺化を行うと、振動や衝撃に対する耐久性が低下し、自動車の走行／停止に対応する加速度変化に耐えられないという懸念がある。
【０００４】
そこで、ランプに関しては、現行の定格１２Ｖランプをそのまま用い、電源電圧４２ＶでＰＷＭ制御をしようとする動きがある。ＰＷＭ制御をすれば、電源電圧の変動を読みとって、この電源電圧の変動に応じてデューティ比を変化させることでランプの明るさを一定にしたり、周囲の明るさに応じてデューティ比を変えて明るさを制御したりするなど、様々な制御を行うことが可能となる。
【０００５】
このような制御のため、ＰＷＭ信号はマイクロコンピュータ（以下、単に「マイコン」と略称する）で生成することが好ましい。特に、近年のマイコンは、ＰＷＭ専用ボードが普及しており、このＰＷＭ専用ボードにおけるプログラムの作成も容易になってきている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
マイコンからＰＷＭ信号を出力させると、ＰＷＭ信号の出力開始時点から数周期のパルスにおいて、そのデューティ比が不安定に出力される場合がある。
【０００７】
また、負荷（ランプ）において短絡等が発生した場合、この短絡等の回路異常を検出する何らかの検出手段を設けてマイクロコンピュータにより駆動電流の供給を停止しようとしても、ＰＷＭ信号の最初の入力があってから少なくとも１周期が経過してから駆動電流の供給を停止することになる。これは、マイコンのＰＷＭ信号の出力機能が、プログラムから独立した機能であるために生じる。
【０００８】
また、プログラムの一部に組み込んでいたとしても、プログラムの暴走等で、ＰＷＭ信号の出力が不安定になる場合が考えられる。
【０００９】
ＰＷＭ信号の出力が不安定になると、１２Ｖ定格ランプに４２Ｖを印加する時間が設計値より長くなったりして、極端な場合には負荷（ランプ）の断線等の故障の原因になるおそれがある。
【００１０】
そこで、この発明の課題は、不安定なＰＷＭ信号の出力による負荷の故障を防止し得る負荷駆動回路を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決すべく、請求項１に記載の発明は、所定の負荷をＰＷＭ駆動する負荷駆動回路であって、前記負荷を高速にオンオフ切替えしてＰＷＭ駆動する駆動スイッチ回路と、前記駆動スイッチ回路に対してＰＷＭ信号を与える制御部と、前記制御部から前記駆動スイッチ回路に与えられる前記ＰＷＭ信号を前記制御部からの所定の解除信号に基づいて解除するＰＷＭ信号解除回路とを備え、前記制御部を監視し、当該制御部が所定の異常状態のときに、当該制御部をリセットするためのローレベルのリセット信号を当該制御部に出力する監視回路をさらに備え、前記ＰＷＭ信号解除回路が、前記制御部から与えられるＰＷＭ信号を、少なくとも当該制御部から与えられる前記解除信号に基づいて解除する解除スイッチと、前記監視回路と前記制御部との間の電圧がローレベルに切り替わったときに、直ちに前記解除スイッチに前記解除信号を出力するとともに、前記監視回路と前記制御部との間の電圧が前記ローレベルからハイレベルに切り替わったときに、所定の遅延時間だけ遅延させてから前記解除スイッチへの前記解除信号の出力を停止する遅延回路と
を備えるものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の負荷駆動回路であって、前記制御部が、前記ＰＷＭ信号の出力開始時の直後の一定時間に亘り、前記解除信号を前記ＰＷＭ信号解除回路に出力するものである。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の負荷駆動回路であって、前記駆動スイッチ回路と前記負荷との接続点の駆動電圧を検出する駆動電圧検出回路をさらに備え、前記制御部からＰＷＭ信号を出力しているにも拘わらず、前記駆動電圧検出回路で検出された前記駆動電圧がハイレベル及び／またはローレベルを維持している場合に、前記制御部が、前記解除信号を前記ＰＷＭ信号解除回路に出力するものである。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の負荷駆動回路であって、前記遅延回路が、前記監視回路と前記制御部との接続点と所定の電源との間に接続された抵抗と、前記監視回路と前記制御部との接続点とアース端子との間に接続されたコンデンサとを備えたＲＣ直列回路を有し、前記監視回路と前記制御部との間の電圧がローレベルに切り替わったときに、前記コンデンサからの放電により直ちに前記解除スイッチに前記解除信号を出力するとともに、前記監視回路と前記制御部との間の電圧が前記ローレベルからハイレベルに切り替わったときに、前記コンデンサの充電により所定の遅延時間だけ遅延させてから前記解除スイッチへの前記解除信号の出力を停止するものである。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の負荷駆動回路であって、前記負荷の定格電圧を超えた電源電圧を高速にオンオフ切替えして前記負荷をＰＷＭ駆動するものである。
【００１６】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の負荷駆動回路が自動車に搭載されるものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の一の実施の形態に係る負荷駆動回路を示す回路図である。この負荷駆動回路は、図１の如く、例えば定格１２Ｖ（耐電圧１６Ｖ）の負荷としてのランプＬＰについて、４２Ｖ電源１からの電源電圧を用いて駆動スイッチ回路２でＰＷＭ駆動する場合に、マイクロコンピュータ（制御部：以下、単に「マイコン」と略称する）３から駆動スイッチ回路２に高周波数のパルス波形のＰＷＭ信号を与えてＰＷＭ制御するようになっており、特にＰＷＭ信号のデューティ比が不安定なときに、このＰＷＭ信号を強制的にアース端子側に逃がすことで、駆動スイッチ回路２を強制的にオフにする。
【００１８】
具体的に、この負荷駆動回路は、ランプＬＰをＰＷＭ駆動するための駆動スイッチ回路２と、この駆動スイッチ回路２を制御するマイコン３と、このマイコン３の暴走等の監視を行う監視回路（ウオッチドッグ回路）４と、駆動スイッチ回路２とランプＬＰとの接続点の電圧を検出してマイコン３に伝達する駆動電圧検出回路５と、マイコン３及び監視回路４からの信号に基づいてマイコン３から駆動スイッチ回路２に与えられるＰＷＭ信号をアース端子側に逃がして解除するＰＷＭ信号解除回路６とを備える。
【００１９】
駆動スイッチ回路２は、４２Ｖ電源１からの駆動電流を高速にオンオフ切替する電界効果型トランジスタ（ｐチャンネルＭＯＳＦＥＴ）Ｍ１と、マイコン３から与えられるＰＷＭ信号に従って電界効果型トランジスタＭ１のゲートの高速オンオフ切替えを行う高速スイッチ（バイポーラトランジスタ）Ｑ１とを備える。尚、駆動スイッチ回路２内の符号１１，１２は、高速スイッチＱ１がオンのときに電界効果型トランジスタＭ１のゲート電圧を確保するための分圧抵抗、符号１３，１４はマイコン３からＰＷＭ信号が与えられたときに高速スイッチＱ１のベース電圧を確保するための分圧抵抗をそれぞれ示している。
【００２０】
マイコン３は、ＲＯＭ、ＲＡＭ及びＣＰＵが内蔵されており、ＲＯＭ内に予め格納されたソフトウェアプログラムに従って動作する機能要素である。このマイコン３の動作については後述する。
【００２１】
監視回路４は、マイコン３の暴走の有無、マイコン３の電源電圧の低下、マイコン３中のグラウンドレベルへのノイズ混入等を検出し、この暴走等が発見されたときには、マイコン３のリセット端子Ｒsetにグラウンドレベル（ローレベル）のリセット信号を入力して再起動させるものである。
【００２２】
駆動電圧検出回路５は、駆動スイッチ回路２の電界効果型トランジスタＭ１とランプＬＰとの接続点とアース端子との間に介装された分圧抵抗１５，１６であり、両抵抗１５，１６の抵抗分圧比によりランプＬＰに印加される駆動電圧をマイコン３のＡ／Ｄ入力ポートに適した電圧レベルに調整する。
【００２３】
ＰＷＭ信号解除回路６は、駆動スイッチ回路２の高速スイッチＱ１のベースに与えられるＰＷＭ信号をアース端子側に逃がして解除するための解除スイッチＱ２と、監視回路４がマイコン３の暴走を検出してリセット信号を出力した旨を出力するとともに、その後にそのリセット信号を解除した旨の信号を遅延させる遅延回路２１と、マイコン３から与えられる信号（解除信号）と遅延回路２１に接続された反転回路２７からの信号との論理和をとる論理和回路（ＯＲ回路）２２とを備える。
【００２４】
解除スイッチＱ２はｎｐｎ型バイポーラトランジスタが使用されており、そのベースは、論理和回路２２の出力端子とアース端子との間に介装された分圧抵抗２４，２５の接続中間点に接続されている。そして、解除スイッチＱ２のコレクタが高速スイッチＱ１のベースに、解除スイッチＱ２のエミッタがアース端子に接続され、論理和回路２２からのハイアクティブの信号が与えられたときにオン動作して、高速スイッチＱ１のベースに与えられるＰＷＭ信号をアース端子側に逃がしてこれを解除する。
【００２５】
遅延回路２１は、５Ｖ電源２８とアース端子との間で抵抗ＲとコンデンサＣが直列に接続されたＲＣ直列回路であって、この抵抗ＲとコンデンサＣとの接続点と論理和回路２２との間に反転回路（ＮＯＴ回路）２７が設けられている。そして、監視回路４からグラウンドレベルのリセット信号が出力されたときに、遅延回路２１のコンデンサＣが放電してローレベルとなり、このローレベルの信号を反転回路２７により反転してハイレベルの信号として論理和回路２２に与える。また、その後に、監視回路４がリセット信号を解除してハイレベルの信号を出力した時点で、遅延回路２１のコンデンサＣの充電が開始され、ＲＣ直列回路の時定数により定まる一定の遅延時間が経過してから、反転回路２７にハイレベルの信号を与え、この反転回路２７で反転したローレベルの信号を論理和回路２２に与える。この場合、監視回路４からマイコン３のリセット端子に与える信号がローレベルからハイレベルに復帰する場合のみ遅延がかかるようになっている。この場合の遅延時間は、マイコン３のリセットからプログラムがスタートするまでの時間を考慮し、それに応じて遅延回路２１の時定数を定めておけば良い。尚、符号Ｄ１は電流の逆流防止用のダイオードを示している。
【００２６】
論理和回路２２は、マイコン３からの解除信号または反転回路２７からのハイレベルの信号が与えられた場合に、分圧抵抗２４，２５にハイレベルの信号を出力して、解除スイッチＱ２をオンに切り替える。
【００２７】
上記構成の負荷駆動回路の動作を説明する。
【００２８】
＜通常駆動時＞
マイコン３から出力されるＰＷＭ信号は、分圧抵抗１３，１４を経てアース端子側に出力される。このとき、両分圧抵抗１３，１４の接続点にベース接続された高速スイッチＱ１は、ＰＷＭ信号に従って高速オンオフ動作を繰り返し、４２Ｖ電源１から分圧抵抗１１，１２を経由する電流を高速にオンオフ切替する。これにより、両分圧抵抗１１，１２の接続点にゲート接続された電界効果型トランジスタＭ１がＰＷＭ制御され、これにより４２Ｖ電源１から与えられた駆動電流を用いてランプＬＰをＰＷＭ駆動する。
【００２９】
ところで、この負荷駆動回路においては、ＰＷＭ信号解除回路６でマイコン３からのＰＷＭ信号をアース端子側に逃がすことで、駆動スイッチ回路２でのランプＬＰのＰＷＭ制御をキャンセルするようになっている。このＰＷＭ信号解除回路６でマイコン３からのＰＷＭ信号をアース端子側に逃がす機会としては、マイコン３でＰＷＭ信号の出力が開始された直後と、ＰＷＭ信号の出力が停止される直前と、駆動電圧検出回路５でランプＬＰに印加される駆動電圧が異常であるときと、監視回路４によりマイコン３がリセットされた場合の４つを設定している。これらの４つの機会についてそれぞれ説明する。
【００３０】
＜ＰＷＭ信号の出力開始直後の動作＞
マイコン３からのＰＷＭ信号の出力を開始する際、このＰＷＭ信号のデューティ比が最初の数周期の間は安定しないことを考慮し、このマイコン３から論理和回路２２に対して、予め定められたＰＷＭ信号の数周期の間だけハイレベルの信号を出力する。
【００３１】
この場合、論理和回路２２はマイコン３からのハイレベルの信号（解除信号）に応じて解除スイッチＱ２をオンに切り替える。そうすると、オン切替えした解除スイッチＱ２は、駆動スイッチ回路２の高速スイッチＱ１のベースをグラウンドレベルに降下させ、この高速スイッチＱ１のベースに与えられるＰＷＭ信号をアース端子側に逃がしてこれを解除する。これにより、高速スイッチＱ１及び電界効果型トランジスタＭ１はオフの状態に保持され、ランプＬＰの駆動が停止される。
【００３２】
その後、ＰＷＭ信号の数周期の時間が経過した時点で、マイコン３は論理和回路２２へのハイレベルの信号（解除信号）の出力を停止する。そうすると、解除スイッチＱ２がオフになり、マイコン３からのＰＷＭ信号に応じて高速スイッチＱ１の高速オンオフ動作が開始される。
【００３３】
このようにすることで、マイコン３から出力されるＰＷＭ信号の初期的なデューティ比の乱れが原因となって１２Ｖ定格ランプに４２Ｖを印加する時間が設計値より長くなるのを確実に防止でき、ランプの断線を防止できる。
【００３４】
＜ＰＷＭ信号の出力停止直前の動作＞
マイコン３からのＰＷＭ信号の出力を停止する際にも、このＰＷＭ信号のデューティ比が安定しないことがある。このことを考慮し、このマイコン３がＰＷＭ信号の出力を停止しようとする場合には、その直前における予め定められたＰＷＭ信号の数周期の間だけ、論理和回路２２に対してハイレベルの信号（解除信号）を出力する。このときの動作は、上記した＜ＰＷＭ信号の出力開始直後＞の場合と同様である。
【００３５】
その後、マイコン３からのＰＷＭ信号の出力を停止した時点で、マイコン３は論理和回路２２へのハイレベルの信号（解除信号）の出力を停止する。
【００３６】
このようにすることで、マイコン３からのＰＷＭ信号の出力を停止する直前においても、そのデューティ比の乱れが原因となって１２Ｖ定格ランプに４２Ｖを印加する時間が設計値より長くなるのを確実に防止でき、ランプの断線を防止できる。
【００３７】
＜駆動電圧異常時の動作＞
例えば、駆動スイッチ回路２の電界効果型トランジスタＭ１がゲート信号に拘わらず常時オンするといったショートモード故障や、電界効果型トランジスタＭ１と負荷としてのランプＬＰとの接続点がグラウンドショートすることがある。このような場合には、マイコン３がその旨を、駆動電圧検出回路５を介してマイコン３のＡ／Ｄ入力ポートに与えられた電圧により判断することが可能である。具体的には、駆動スイッチ回路２の電界効果型トランジスタＭ１とランプＬＰとの接続点とアース端子との間に介装された分圧抵抗１５，１６の抵抗分圧比により、ランプＬＰに印加される駆動電圧をマイコン３のＡ／Ｄ入力ポートに適した電圧レベルに調整して入力する。
【００３８】
そして、マイコン３は、ＰＷＭ信号の出力を行っているにも拘わらず、Ａ／Ｄ入力ポートへの入力が常時ハイレベルである場合は、電界効果型トランジスタＭ１にショートモード故障が生じていると判断し、論理和回路２２に対して直ちにハイレベルの信号を出力する。
【００３９】
そうすると、論理和回路２２及び抵抗２４を経て解除スイッチＱ２のベースにハイレベルの信号が与えられ、この解除スイッチＱ２のオン切替えにより駆動スイッチ回路２の高速スイッチＱ１のベースに与えられるＰＷＭ信号がアース端子側に逃げるようになる。これにより、高速スイッチＱ１及び電界効果型トランジスタＭ１はオフの状態に保持され、ランプＬＰの駆動が停止される。
【００４０】
尚、この際、必要に応じて所定の外部回路に診断出力（ダイアグノーシス）のための信号を出力する。
【００４１】
また、マイコン３のＡ／Ｄ入力ポートに与えられる電圧レベルが常時グラウンドレベル（ローレベル）である場合には、電界効果型トランジスタＭ１とランプＬＰとの間の配線のどこかが、グラウンドにショートしている可能性がある。この場合において、マイコン３がＰＷＭ信号の出力をオフに切り替えることも考えられるが、ＰＷＭ信号をオフにするだけでは電界効果型トランジスタＭ１がオフするのに時間がかかる可能性がある。そこで、この場合には、マイコン３は解除スイッチＱ２をオンさせるためのハイレベルの信号（解除信号）を直ちに出力し、これにより電界効果型トランジスタＭ１を直ちにオフに切り替える。これにより、過電流によって電界効果型トランジスタＭ１が故障するのを防止できる。
【００４２】
＜マイコンリセット時の動作＞
例えば、マイコン３のプログラム暴走、マイコン３の電源電圧の低下、またはマイコン３のグラウンドレベルに対するノイズ混入等によって、監視回路４がマイコン３のリセット端子のポート電位をハイレベルからローレベルに落とし、マイコン３にリセットがかかる。かかるリセット時は、マイコン３のポート出力が不定となり、予想外の動きをする可能性がある。これを阻止するために監視回路４のリセット出力を用いる。
【００４３】
まず、監視回路４からマイコン３のリセット端子に与える信号がグラウンドレベルに落ちると、ダイオードＤ１のアノード側電位が直ちにローレベルに落ち、その電位が反転回路２７で反転されて論理和回路２２に入力される。その結果、解除スイッチＱ２をオンに切り替える。この解除スイッチＱ２のオン切替えにより、駆動スイッチ回路２の高速スイッチＱ１のベースに与えられるＰＷＭ信号がアース端子側に逃げ、故に、高速スイッチＱ１及び電界効果型トランジスタＭ１がオフの状態に保持され、ランプＬＰの駆動が停止される。
【００４４】
次に、監視回路４がマイコン３のリセット端子に与えるグラウンドレベルの信号をオフにした後（即ち、ハイレベルの信号を出力した後）、マイコン３のプログラムはすぐに走らないため、しばらく、ＰＷＭ信号の出力が不定または不安定な状態となる。この場合、監視回路４がリセット信号を解除してハイレベルの信号を出力した時点で、遅延回路２１のコンデンサＣの充電が開始され、ＲＣ直列回路の時定数により定まる一定の遅延時間が経過してから、反転回路２７にハイレベルの信号を与え、この反転回路２７で反転したローレベルの信号を論理和回路２２に与える。これにより、論理和回路２２が解除スイッチＱ２のベースにローレベルの信号を与え、この解除スイッチＱ２のオフ切替えにより駆動スイッチ回路２の高速スイッチＱ１のベースにＰＷＭ信号が再び与えられるようになる。そうすると、高速スイッチＱ１及び電界効果型トランジスタＭ１の高速オンオフ動作が再開され、ランプＬＰのＰＷＭ制御が再開される。
【００４５】
したがって、マイコン３のリセットによる復帰後に、このマイコン３から出力されるＰＷＭ信号が不定または不安定になっても、遅延回路２１での遅延により一定の遅延時間だけ電界効果型トランジスタＭ１のオンオフ動作を停止させることができ、ランプの断線を防止できる。
【００４６】
尚、上記実施の形態では、負荷としてランプＬＰを例に挙げて説明したが、この他にモータ等のどのような負荷を適用しても差し支えない。
【００４７】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、制御部のリセットによる復帰後に、この制御部から出力されるＰＷＭ信号が不定または不安定になっても、ＰＷＭ信号解除回路の遅延回路での遅延により一定の遅延時間だけ駆動スイッチ回路のオンオフ動作を停止させることができ、負荷の故障を防止できる。
請求項２に記載の発明によれば、所定の負荷をＰＷＭ駆動する負荷駆動回路であって、制御部から駆動スイッチ回路にＰＷＭ信号を与える際、このＰＷＭ信号を、制御部からの所定の解除信号に基づいて解除するようにし、制御部が、ＰＷＭ信号の出力開始時の直後の一定時間に亘り、解除信号を出力してＰＷＭ信号を解除するので、ＰＷＭ信号の初期的なデューティ比の乱れが原因となって大電圧を負荷に印加する時間が設計値より長くなるのを確実に防止でき、負荷の故障等を防止できる。
【００４８】
請求項３に記載の発明によれば、制御部からＰＷＭ信号を出力しているにも拘わらず、駆動電圧検出回路で検出された駆動電圧がハイレベル及び／またはローレベルを維持している場合に、制御部が解除信号を出力するので、駆動スイッチ回路内にショートモード故障が発生し、または負荷と駆動スイッチ回路の間の配線のどこかがグラウンドにショートしているような場合には、制御部が解除信号を出力してＰＷＭ信号を解除するので、過電流によって駆動スイッチ回路が故障するのを防止できる。
【００４９】
請求項４に記載の発明によれば、制御部のリセットによる復帰後に、この制御部から出力されるＰＷＭ信号が不定または不安定になっても、ＰＷＭ信号解除回路の遅延回路での遅延により一定の遅延時間だけ駆動スイッチ回路のオンオフ動作を停止させることができ、負荷の故障を防止できる。
【００５０】
これらの効果は、請求項５のように、負荷の定格電圧を超えた電源電圧を高速にオンオフ切替えして負荷をＰＷＭ駆動する場合に有効であり、特に、請求項６のように、負荷駆動回路が自動車に搭載される場合に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一の実施の形態に係る負荷駆動回路を示す回路図である。
【符号の説明】
１ ４２Ｖ電源
２ 駆動スイッチ回路
３ マイコン
４ 監視回路
５ 駆動電圧検出回路
６ ＰＷＭ信号解除回路
２１ 遅延回路
２２ 論理和回路
２７ 反転回路
Ｄ１ ダイオード
ＬＰ 負荷（ランプ）
Ｍ１ 電界効果型トランジスタ
Ｑ１ 高速スイッチ
Ｑ２ 解除スイッチ
Ｃ コンデンサ
Ｒ 抵抗
Claims (6)
- 所定の負荷をＰＷＭ駆動する負荷駆動回路であって、
前記負荷を高速にオンオフ切替えしてＰＷＭ駆動する駆動スイッチ回路と、
前記駆動スイッチ回路に対してＰＷＭ信号を与える制御部と、
前記制御部から前記駆動スイッチ回路に与えられる前記ＰＷＭ信号を前記制御部からの所定の解除信号に基づいて解除するＰＷＭ信号解除回路と
を備え、
前記制御部を監視し、当該制御部が所定の異常状態のときに、当該制御部をリセットするためのローレベルのリセット信号を当該制御部に出力する監視回路をさらに備え、
前記ＰＷＭ信号解除回路が、
前記制御部から与えられるＰＷＭ信号を、少なくとも当該制御部から与えられる前記解除信号に基づいて解除する解除スイッチと、
前記監視回路と前記制御部との間の電圧がローレベルに切り替わったときに、直ちに前記解除スイッチに前記解除信号を出力するとともに、前記監視回路と前記制御部との間の電圧が前記ローレベルからハイレベルに切り替わったときに、所定の遅延時間だけ遅延させてから前記解除スイッチへの前記解除信号の出力を停止する遅延回路と
を備える負荷駆動回路。 - 請求項１に記載の負荷駆動回路であって、
前記制御部が、前記ＰＷＭ信号の出力開始時の直後の一定時間に亘り、前記解除信号を前記ＰＷＭ信号解除回路に出力することを特徴とする負荷駆動回路。 - 請求項１または請求項２に記載の負荷駆動回路であって、
前記駆動スイッチ回路と前記負荷との接続点の駆動電圧を検出する駆動電圧検出回路をさらに備え、
前記制御部からＰＷＭ信号を出力しているにも拘わらず、前記駆動電圧検出回路で検出された前記駆動電圧がハイレベル及び／またはローレベルを維持している場合に、前記制御部が、前記解除信号を前記ＰＷＭ信号解除回路に出力することを特徴とする負荷駆動回路。 - 請求項１〜３のいずれかに記載の負荷駆動回路であって、
前記遅延回路が、前記監視回路と前記制御部との接続点と所定の電源との間に接続された抵抗と、前記監視回路と前記制御部との接続点とアース端子との間に接続されたコンデンサとを備えたＲＣ直列回路を有し、前記監視回路と前記制御部との間の電圧がローレベルに切り替わったときに、前記コンデンサからの放電により直ちに前記解除スイッチに前記解除信号を出力するとともに、前記監視回路と前記制御部との間の電圧が前記ローレベルからハイレベルに切り替わったときに、前記コンデンサの充電により所定の遅延時間だけ遅延させてから前記解除スイッチへの前記解除信号の出力を停止することを特徴とする負荷駆動回路。 - 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の負荷駆動回路であって、
前記負荷の定格電圧を超えた電源電圧を高速にオンオフ切替えして前記負荷をＰＷＭ駆動することを特徴とする負荷駆動回路。 - 請求項５に記載の負荷駆動回路が自動車に搭載されることを特徴とする負荷駆動回路。
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