JP4277628B2 - 車両用スイッチング電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両に搭載され、外部電源からの入力を一定電圧に制御して車両内の各種負荷へ供給する車両用スイッチング電源装置に関する。

近年、車載コンピュータやそれによって制御される駆動装置などの各種車載電子機器の消費電力は増加傾向にある。そのため、これら車載電子機器の電源装置としては、小型化でき、しかも装置の発熱を抑えるために、変換効率の高いスイッチング電源装置の使用が主流となっている。そして、スイッチング電源装置には一般に、過負荷などによって過大な電流が負荷側に流れるのを防ぐための過負荷保護機能を備えているものが多い。

このような過負荷保護機能の一つとして、スイッチング素子のスイッチングデューティ比をある値以上にならないよう制限して、負荷に過大な電流が流れないようにするデューティ制限機能が知られている。

また、出力電流を検出して、所定電流値以上となったら出力電流を下げるよう定電流制御し、更に過電流となったら出力を遮断する出力遮断機能も知られている（例えば、特許文献１参照。）。

この出力遮断機能は、上記特許文献１ではスイッチング電源装置の出力電流に基づいて動作するものとして開示されているが、出力電圧に基づいて動作するものもある。即ち、出力電圧が低下して一定時間定電圧制御できなかった場合は、過負荷などの負荷異常が考えられるため、負荷への電力供給を遮断するのである。

上記構成の過負荷保護機能を備えたスイッチング電源装置を自動車に搭載して用いる場合、車載バッテリ・オルタネータからの入力電圧をレギュレートするのが一般的である。具体的には、スイッチング電源装置への入力電圧（例えば１２Ｖ〜１４Ｖ）を、車載コンピュータ用の電源電圧（例えば５Ｖ）或いは車載駆動装置用の電源電圧（例えば８Ｖ）など、所望の電圧にレギュレートしている。
特開２００１−１０３７４１号公報

しかしながら、車載バッテリからは自動車のスタータモータへの給電も行っているため、エンジンスタート時にはバッテリ電圧が通常時よりも低下（例えば通常時の１２Ｖから９Ｖ以下に低下）し、それよってスイッチング電源装置の出力電圧も低下してしまい、所望の電源電圧を負荷側へ供給できなくなる場合がある。

この場合、スイッチング電源装置の動作としては、出力電圧を正常値に維持するために、スイッチングデューティ比を増加させることで入力電圧（バッテリ電圧）の低下分を補おうとする。しかし、上記のデューティ制限機能を備えたスイッチング電源装置では、デューティ比が制限されているため、所望の出力電圧を得るために必要なデューティ比がデューティ制限機能によるデューティ比の上限値（以下「デューティ上限値」という）より大きい場合、所望の電圧を出力できず、負荷の動作が停止してしまうおそれがある。

また、出力電圧に基づいて動作する上記出力遮断機能を備えたスイッチング電源装置においても、入力電圧の低下に起因して出力電圧が低下することにより定電圧制御ができなくなった場合、過負荷・過電流ではないにもかかわらずこの出力遮断機能が動作して、負荷への電力供給が遮断され、負荷の動作が停止してしまうおそれがある。

つまり、過負荷状態ではないにもかかわらず上記のように各種過負荷保護機能が動作することにより、デューティ比が制限されて所望の出力電圧を得られない、或いは、電源出力自体が遮断されてしまって、負荷の動作が停止してしまうのである。

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、過負荷保護機能を備えた車両用スイッチング電源装置において、入力電圧の低下に起因して意図せず過負荷保護機能が動作することにより負荷への電力供給が不足又は停止してしまうのを抑制することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた請求項１記載の車両用スイッチング電源装置は、車載電源から電力供給対象へ至る電力供給経路に、スイッチング素子と、そのスイッチング素子からの出力電圧を平滑化して電力供給対象へ供給する出力平滑化手段とが直列に設けられており、出力平滑化手段からの電圧が予め定められた設定電圧となるように、制御手段が制御信号を出力してスイッチング素子のオン・オフをデューティ制御するよう構成されたものである。

本発明（請求項１）では更に、制御手段によるデューティ制御の際のデューティ比が所定の上限値を超えないように制限すると共に、その上限値が、当該車両用スイッチング電源装置へ入力される車載電源からの電源電圧（以下「入力電圧」ともいう）の低下に伴って高くなるよう構成された、デューティ制限手段と、出力平滑化手段からの出力電圧が設定電圧より低い所定の制御下限電圧より小さくなったときに当該車両用スイッチング電源装置から電力供給対象への電力供給を遮断する出力遮断手段と、を備えている。デューティ制限手段は、入力電圧が所定の電圧値以下となった場合にはディーティ比の上限値を１００％とするよう構成されている。
そして更に、入力電圧の低下により該入力電圧が上記所定の電圧値まで低下して上限値が１００％となった後、更に入力電圧が低下して、該入力電圧が、出力平滑化手段から少なくとも制御下限電圧以上の出力電圧を供給可能な所定の入力下限電圧より小さくなったときに、出力遮断手段による遮断動作を停止させる、遮断停止手段を備えている。

上記構成の車両用スイッチング電源装置によれば、入力電圧が低下した場合、制御手段はデューティ比を高くして所望の設定電圧を得るように制御するが、このとき、入力電圧の低下に伴ってデューティ比の上限値も高くなる。そのため、デューティ比を１００％にしても所望の設定電圧が得られなくなる程度にまで入力電圧が低下しない限り、デューティ制限手段によるデューティ比の制限を実際に受けることなく所望の設定電圧を電力供給対象へ供給することが可能となる。
しかも、入力電圧が低下した場合、遮断停止手段によって、出力平滑化手段からの出力電圧が制限下限電圧より小さくなる前に出力遮断手段による遮断動作を停止させることができるため、入力電圧の低下に起因して意図せず電力供給対象への電力供給が遮断されないようにすることが可能となる。

なお、ここでいう「デューティ比」とは、デューティサイクルの一周期におけるスイッチング素子のオン期間の割合を示す、いわゆるオンデューティを意味する。

次に、請求項２に記載の車両用スイッチング電源装置は、車載電源から電力供給対象へ至る電力供給経路に直列に設けられ、制御信号に従ってオン・オフされるスイッチング素子と、電力供給経路におけるスイッチング素子と電力供給対象との間に設けられ、スイッチング素子の出力電圧を平滑化して電力供給対象へ供給する出力平滑化手段と、該出力平滑化手段により平滑化された電圧が予め定められた設定電圧となるようにスイッチング素子のオン・オフをデューティ制御するための制御信号を出力する制御手段と、該制御手段によるデューティ制御の際のデューティ比が所定の上限値を超えないように制限するデューティ制限手段と、出力平滑化手段からの出力電圧が設定電圧より低い所定の制御下限電圧より小さくなったときに当該車両用スイッチング電源装置から電力供給対象への電力供給を遮断する出力遮断手段と、を備えたものである。
デューティ制限手段は、デューティ比が上記の上限値であるパルス信号を出力する制限用パルス出力手段と、該制限用パルス出力手段からのパルス信号がオンの期間にのみ制御手段からスイッチング素子への制御信号の出力を許可する制御信号出力許可手段とからなるものであって、当該車両用スイッチング電源装置へ入力される車載電源からの電源電圧の低下に伴って、上限値を高くするよう構成されている。
出力遮断手段は、出力平滑化手段からの出力電圧が制御下限電圧より小さくなったときに、その旨を示す出力低下信号を制御信号出力許可手段へ出力する。そして制御信号出力許可手段は、この出力低下信号が入力されたとき、制御手段からスイッチング素子へ制御信号を出力させないようにすることによりスイッチング素子を強制的にオフにするよう構成されている。
更に、本発明（請求項２）では、当該車両用スイッチング電源装置へ入力される車載電源からの電源電圧が、出力平滑化手段から少なくとも制御下限電圧以上の出力電圧を供給可能な所定の入力下限電圧より小さくなったときに、出力遮断手段から制御信号出力許可手段への出力低下信号を無効とすることにより該出力遮断手段による遮断動作を停止させる遮断停止手段を備えている。

上記構成の車両用スイッチング電源装置によれば、制御信号出力許可手段が、制限用パルス出力手段からのパルス信号に基づく上記デューティ比の制限と、出力遮断手段からの出力低下信号に基づく電力供給対象への電力供給の遮断とを共に実行するよう構成されており、遮断停止手段が上記出力低下信号を無効とするだけで上記遮断動作を停止させることができるため、当該車両用スイッチング電源装置の構成を簡素化でき、装置全体のコストダウンも可能となる。
次に、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の車両用スイッチング電源装置であって、デューティ制限手段は、上限値を、電源電圧の低下に伴って線形状に高くしていくことを特徴とする。

そして、本発明（請求項１〜３）の車両用スイッチング電源装置は、例えば請求項４に記載のように、上記車載電源が、エンジンを始動するエンジン始動装置への電源供給を行う車載バッテリである場合、エンジン始動時に入力電圧が低下しても十分なデューティ比を確保することができ、又は、その入力電圧低下によって出力電圧が低下しても電力供給が遮断されないため、特に効果的である。

以下に、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態の車載電子制御装置１の概略構成を示す構成図である。図示の如く、車載電子制御装置１は、車載バッテリ１１からの入力電圧Ｖｉｎをもとにスイッチング電源回路１３が定電圧を生成して負荷である駆動回路１２へ供給し、その供給された電源によって駆動回路１２が動作して図示しない各種アクチュエータ等を駆動するよう構成されたものである。

車載バッテリ１１からの供給電圧は、通常は１２Ｖであり、スイッチング電源回路１３をはじめ、図示しない各種車載電子機器へ供給される。また、車載バッテリ１１は、図示は省略したものの、エンジン動作中はエンジンにより駆動される発電機（オルタネータ）により充電される。そのため、エンジン動作中は主としてオルタネータからの電圧（例えば１４Ｖ前後）がスイッチング電源回路１３への入力電圧Ｖｉｎとなり、エンジン停止中は車載バッテリ１１の電圧（１２Ｖ）が入力電圧Ｖｉｎとなる。

本発明のエンジン始動装置としてのスタータモータ１５は、図示しないエンジンの始動時にエンジンを回転させるための周知のモータであり、イグニションスイッチ１４をオンすることにより回転駆動し、エンジンを始動させる。

駆動回路１２は、コンピュータ回路１７からの制御信号に従って図示しない各種アクチュエータ等を駆動するよう構成されたものであり、スイッチング電源回路１３からの出力電圧Ｖｏｕｔの供給を受けて動作する。

コンピュータ回路１７は、本車載電子制御装置１の中核をなす部分であり、図示は省略したもののスイッチング電源回路１３と同様の構成の電源回路から電力供給を受けて動作し、駆動回路１２へ制御信号を出力する。具体的には、例えば地図データや外部から提供される車両位置情報などに基づいて自車走行位置や所定の目的地までの走行ルートに関する情報を提供したり、或いは、車両各部の動作状態（速度、エンジン回転数、温度など）に基づいて燃料噴射料を制御したりするなどの、車両内で行われる種々の制御処理が考えられる。そして、コンピュータ回路１７による各制御処理の制御対象（図示略）を駆動回路１２が実際に駆動することになる。

本発明の車両用スイッチング電源装置であるスイッチング電源回路１３は、車載バッテリ１１或いは図示しないオルタネータからの入力電圧Ｖｉｎを、駆動回路１２に必要な安定した定電圧（例えば８Ｖ）に変換して出力電圧Ｖｏｕｔとして出力するものである。この定電圧（８Ｖ）は本発明の設定電圧に相当するものである。コンピュータ回路１７に対しても、既述の通り図示しないスイッチング電源回路から定電圧（例えば５Ｖ）が供給される。以下、スイッチング電源回路１３について詳述する。

本実施形態のスイッチング電源回路１３は、出力電圧Ｖｏｕｔを二つの分圧抵抗Ｒ２，Ｒ３で分圧した分圧値（以下「出力フィードバック値」という）Ｖｏｄをフィードバックしてスイッチング素子としてのスイッチングトランジスタ（以下「ＳＷトランジスタ」という）Ｔ１のスイッチング動作をデューティ制御することにより一定の出力電圧Ｖｏｕｔを供給するものである。ＳＷトランジスタＴ１でスイッチングされた入力電圧Ｖｉｎは、インダクタＬ１，平滑コンデンサＣ１，及びダイオードＤ１からなる出力平滑回路により平滑化され、直流８Ｖの出力電圧Ｖｏｕｔとして駆動回路１２へ供給される。

このように動作する本実施形態のスイッチング電源回路１３は、より具体的には、出力電圧Ｖｏｕｔを一定に保持するために必要な各種基準信号を生成する三角波発振器ＯＳＣ及び基準電圧回路ＣＵＲ１を備えるほか、過負荷保護機能の一つとしての、ＳＷトランジスタＴ１のオン時間を制限するオン時間制限機能を実現するためのオン時間制限電圧回路ＣＵＲ２と、過負荷保護機能の一つとしての、出力電圧Ｖｏｕｔが低下して一定電圧に制御できなくなったときにＳＷトランジスタＴ１を強制的にオフして負荷側を保護する出力遮断機能を実現するための制御範囲外検出電圧回路ＣＵＲ３とを備える。

三角波発振器ＯＳＣは、ＳＷトランジスタＴ１のスイッチングデューティ比を決める（即ち、ＳＷトランジスタＴ１のベースに入力されるパルスをＰＷＭ制御する）際の基準となる基準三角波Ｖｔｒｉを生成する。

基準電圧回路ＣＵＲ１は、出力電圧Ｖｏｕｔを一定電圧に保持するための、出力フィードバック値Ｖｏｄの比較対象である基準電圧Ｖｒｅｆを生成する。そして、差動アンプＡＭＰが、出力フィードバック値Ｖｏｄと基準電圧Ｖｒｅｆとの差を増幅し、両者の差に応じた誤差信号を出力する。

オン時間制限電圧回路ＣＵＲ２は、オン時間制限機能においてＳＷトランジスタＴ１のオン時間の上限を決める基準となるオン時間制限電圧Ｖｌｏｎを出力する回路である。ここで、オン時間制限機能と既述のデューティ制限機能は同義であり、オン時間制限機能におけるオン時間とは、ＳＷトランジスタＴ１のデューティ制御一周期内においてＳＷトランジスタＴ１がオンされる時間をいう。そして、オン時間が所定の上限時間（以下「オン上限時間」という）より大きくならないようにされており、オン時間がオン上限時間のときのデューティ比が、既述のデューティ上限値である。

本実施形態では、オン時間制限電圧Ｖｌｏｎを一定にせずスイッチング電源回路１３への入力電圧Ｖｉｎに応じて変化させることにより、オン上限時間が入力電圧Ｖｉｎに応じて変化（換言すれば、デューティ上限値が入力電圧Ｖｉｎに応じて変化）するようにしている。具体的には、図６（詳細は後述）に一点鎖線で示すように、入力電圧Ｖｉｎの変化に追随してデューティ上限値が変化するよう、オン時間制限電圧Ｖｌｏｎを変化させるのであり、入力電圧Ｖｉｎの低下に伴ってオン時間制限電圧Ｖｌｏｎも低下する。

制御範囲外検出電圧回路ＣＵＲ３は、出力遮断機能を実現するために設けられているものである。即ち、本スイッチング電源回路１３の出力電圧Ｖｏｕｔが低下して定電圧制御可能範囲を外れた場合にＲＳフリップフロップ（以下「ＲＳ−ＦＦ」という）１６をリセットしてＳＷトランジスタＴ１を強制的にオフするための基準となる、制御範囲外検出電圧Ｖｄｅｔを出力する。本実施形態では、出力電圧Ｖｏｕｔが定電圧８Ｖより低い所定の保護実行出力しきい電圧（例えば、７．５Ｖ以上８Ｖ未満における任意の値）を下回った場合に範囲外検出用比較器ＣＭＰ３からの出力がHighレベルとなってＳＷトランジスタＴ１がオフするよう、制御範囲外検出電圧Ｖｄｅｔを設定している。この保護実行出力しきい電圧は本発明の制御下限電圧に相当するものであり、範囲外検出用比較器ＣＭＰ３からのHighレベル出力が本発明の出力低下信号に相当するものである。

出力制御用比較器ＣＭＰ１は、三角波発振器ＯＳＣからの基準三角波Ｖｔｒｉと差動アンプＡＭＰからの誤差信号とを比較し、基準三角波Ｖｔｒｉが差動アンプＡＭＰからの誤差信号より大きいときにその出力（以下「制御パルス」という）Ｐ１がHighレベルとなる。この制御パルスは本発明の制御信号に相当するものである。

オン制限用比較器ＣＭＰ２は、三角波発振器ＯＳＣからの基準三角波Ｖｔｒｉとオン時間制限電圧回路ＣＵＲ２からのオン時間制限電圧Ｖｌｏｎとを比較し、基準三角波Ｖｔｒｉがオン時間制限電圧Ｖｌｏｎより大きいときにその出力（以下「オン時間制限パルス」という）Ｐ２がHighレベルとなる。

範囲外検出用比較器ＣＭＰ３は、差動アンプＡＭＰからの誤差信号と制御範囲外検出電圧回路ＣＵＲ３からの制御範囲外検出電圧Ｖｄｅｔとを比較し、差動アンプＡＭＰからの誤差信号が制御範囲外検出電圧Ｖｄｅｔより小さくなったときに出力がHighレベルとなる。既述の通り、本実施形態では、出力電圧Ｖｏｕｔが保護実行出力しきい電圧を下回ったときに誤差信号が制御範囲外検出電圧Ｖｄｅｔより小さくってＲＳ−ＦＦ１６がリセットされ、ＳＷトランジスタＴ１がオフすることになる。

範囲外検出用比較器ＣＭＰ３からの出力は、抵抗Ｒ４及びコンデンサＣ２からなる遅延回路を介してＲＳ−ＦＦ１６のリセット入力端子に入力される。つまり、範囲外検出用比較器ＣＭＰ３の出力が、所定の時間（遅延回路による遅延時間）を経てＲＳ−ＦＦ１６に伝達されることになる。そのため、出力電圧Ｖｏｕｔの低下によって範囲外検出用比較器ＣＭＰ３の出力がHighレベルになると、それが遅延回路を介してＲＳ−ＦＦ１６のリセット入力端子に入力される。

保護動作禁止電圧回路ＣＵＲ４は、範囲外検出用比較器ＣＭＰ３からの出力状態に拘わらずＲＳ−ＦＦ１６がリセットされないようにして出力遮断機能の動作を禁止させるための基準となる、所定の保護動作禁止電圧Ｖｓｔｐを出力する。

この保護動作禁止電圧Ｖｓｔｐは、保護禁止用比較器ＣＭＰ４にて、入力電圧Ｖｉｎを二つの分圧抵抗Ｒ６，Ｒ７で分圧した分圧値（以下「入力分圧値」という）Ｖｉｄと比較される。そして、入力分圧値Ｖｉｄが保護動作禁止電圧Ｖｓｔｐを下回ったときに保護禁止用比較器ＣＭＰ４の出力がHighレベルとなる。本実施形態では、入力電圧Ｖｉｎが所定の保護禁止入力しきい電圧（例えば１０Ｖ）を下回ったときに保護禁止用比較器ＣＭＰ４がHighレベルとなるよう、保護動作禁止電圧Ｖｓｔｐが設定されている。この保護禁止入力しきい電圧は本発明の入力下限電圧に相当するものである。

保護禁止用比較器ＣＭＰ４は、上記の通り、入力分圧値Ｖｉｄと保護動作禁止電圧Ｖｓｔｐとを比較するものであり、その出力端子はベース抵抗Ｒ５を介してトランジスタＴ２のベースに接続されている。そして、入力電圧Ｖｉｎが保護禁止入力しきい電圧（１０Ｖ）以上のときは保護禁止用比較器ＣＭＰ４の出力はLow レベルであるため、トランジスタＴ２はオフとなる。そのためこの場合は、範囲外検出用比較器ＣＭＰ３からの出力が遅延回路を介してそのままＲＳ−ＦＦ１６に入力されることになる。

一方、入力電圧Ｖｉｎが１０Ｖを下回ると、保護禁止用比較器ＣＭＰ４の出力がHighレベルとなって、トランジスタＴ２はオンし、ＲＳ−ＦＦ１６のリセット入力端子は接地電位となる。そのためこの場合は、範囲外検出用比較器ＣＭＰ３の出力状態に拘わらず、ＲＳ−ＦＦのリセット入力端子はLow レベルに保持され、ＲＳ−ＦＦ１６の出力Ｑのセット状態（Highレベル）が保持される。

ＲＳ−ＦＦ１６は、周知のリセット・セット型フリップフロップであり、本実施形態では、スイッチング電源回路１３が起動した時にセット入力端子がHighレベルとなり、以後、リセット入力端子がHighレベルとならない限り出力Ｑはセット状態（Highレベル）に保持される。なお、スイッチング電源回路１３の起動後、出力電圧Ｖｏｕｔが安定するまでの一定期間は、リセット入力端子への入力が禁止される。

ゲート回路Ｇ１は、出力制御用比較器ＣＭＰ１，オン制限用比較器ＣＭＰ２，及びＲＳ−ＦＦ１６の各出力の論理積をとる回路であり、この論理積が、ＳＷトランジスタＴ１をスイッチングさせるためのデューティ信号（以下「ゲート出力パルス」という）Ｐｇとして出力される。

ドライバ回路Ｇ２は、ゲート回路Ｇ１からのゲート出力パルスＰｇに従ってＳＷトランジスタＴ１を駆動するための回路であり、ゲート出力パルスＰｇを、ＳＷトランジスタＴ１を駆動できる程度のレベルに増幅し、その増幅後の信号（以下「スイッチングパルス」という）Ｐｓをベース抵抗Ｒ１を介してＳＷトランジスタＴ１のベースに入力する。ＳＷトランジスタＴ１は、このスイッチングパルスＰｓに従ってドライブ（スイッチング）される。

上記のように構成された車載電子制御装置１の動作につき、特にスイッチング電源回路１３の動作について説明する。図２は、入力電圧Ｖｉｎが一定であって、且つ、出力電圧Ｖｏｕｔが保護実行出力しきい電圧を下回らない（つまりＲＳ−ＦＦがセット状態を保持している）場合のスイッチング電源回路１３の定電圧制御を表すタイムチャートである。尚、以下の説明において「パルス幅」とは、Highレベル状態の幅（時間）を意味するものとする。

図２に示す如く、ゲート回路Ｇ１からのゲート出力パルスＰｇは、出力制御用比較器ＣＭＰ１からの制御パルスＰ１及びオン制限用比較器ＣＭＰ２からのオン時間制限パルスＰ２が共にHighレベルのときにHighレベルとなる。そして、このゲート出力パルスＰｇに対応してＳＷトランジスタＴ１がスイッチングすることになる。つまり、ゲート出力パルスＰｇのデューティ比が基本的にはそのままドライバ回路Ｇ２からのスイッチングパルスＰｓのデューティ比、延いてはＳＷトランジスタＴ１のスイッチングデューティ比となる。

まず、時刻ｔ１〜ｔ４の間は、出力電圧Ｖｏｕｔが安定しており、制御パルスＰ１のパルス幅はオン時間制限パルスＰ２のパルス幅に対して十分余裕を持っている。しかし、時刻ｔ４以降、過負荷等の何らかの要因により出力電圧Ｖｏｕｔが低下して差動アンプＡＭＰの出力が低下すると、制御パルスＰ１のパルス幅が広がって、それに伴いゲート出力パルスＰｇのパルス幅も広がり、結果としてドライバ回路Ｇ２からのスイッチングパルスＰｓのパルス幅が広がる。つまり、ＳＷトランジスタＴ１のスイッチングデューティ比を高くして出力電圧Ｖｏｕｔを上昇させるよう制御する（時刻ｔ４〜ｔ６）。

一方、ゲート出力パルスＰｇのパルス幅は、オン時間制限機能により制限される。即ち、ゲート出力パルスＰｇをオン（Highレベル）できる時間は、オン時間制限パルスＰ２がオンの期間中に制限される。そのため、出力電圧Ｖｏｕｔがさらに低下して、差動アンプＡＭＰの出力レベルが制御範囲外検出電圧Ｖｄｅｔより低くなると、制御パルスＰ１のパルス幅はその出力電圧Ｖｏｕｔの低下に応じて広がっていくものの、ゲート出力パルスＰｇのパルス幅は、オン時間制限パルスＰ２のパルス幅を超えることはない。

即ち、制御パルスＰ１のオン期間であって、且つ、オン時間制限パルスＰ２のオン期間に、ゲート出力パルスＰｇがオンすることになる（時刻ｔ６〜ｔ８）。このオン時間制限パルスＰ２のパルス幅が、上記のオン上限時間であり、そのデューティ比が上記のデューティ上限値である。

そして、更に出力電圧Ｖｏｕｔが低下して保護実行出力しきい電圧を下回ると、出力遮断機能の動作によってＳＷトランジスタＴ１が強制的にオフされる。この出力遮断機能について、図３に基づいて説明する。図３は、入力電圧Ｖｉｎが一定であって、且つ、出力電圧Ｖｏｕｔが保護実行出力しきい電圧を下回る（つまりＲＳ−ＦＦ１６がリセットされる）場合のスイッチング電源回路１３の定電圧制御を表すタイムチャートである。

出力電圧Ｖｏｕｔが保護実行出力しきい電圧以上のときは、差動アンプＡＭＰの出力レベルが制御範囲外検出電圧Ｖｄｅｔ以上である。そのためこの間は、図３に示す如く、範囲外検出用比較器ＣＭＰ３の出力はLow レベルであって、ＲＳ−ＦＦ１６のリセット入力端子はLow レベルに保持され、その出力Ｑはセット状態（Highレベル）に保持される。従って、ゲート回路Ｇ１からは制御パルスＰ１に応じたゲート出力パルスＰｇが出力される。但し、オン時間制限機能による制限は受ける。

一方、出力電圧Ｖｏｕｔの低下が続き、差動アンプＡＭＰの出力が制御範囲外検出電圧Ｖｄｅｔを下回ると（時刻ｔ１１）、範囲外検出用比較器ＣＭＰ３の出力がHighレベルとなる。これにより、遅延回路を構成するコンデンサＣ２が充電されて徐々にその充電電圧（つまりＲＳ−ＦＦ１６のリセット入力端子に印加される電圧）が上昇し、リセットしきい電圧を越えると、ＲＳ−ＦＦ１６はリセットされ、ゲート出力パルスＰｇがオフ（Low レベル）になってスイッチング電源回路１３からの電源出力が停止する（時刻ｔ１２）。範囲外検出用比較器ＣＭＰ３がHighレベルになってからＲＳ−ＦＦ１６がリセットされるまでのｔ１１〜ｔ１２間が、上記遅延回路による遅延時間である。

このように、オン時間制限機能によってゲート出力パルスＰｇのパルス幅を制限、延いてはスイッチングパルスＰｓのパルス幅を制限することにより、過負荷等によって出力電圧Ｖｏｕｔが低下しても負荷側に過大な電流が流れないようにしている。また、出力遮断機能によって、出力電圧Ｖｏｕｔが保護実行出力しきい電圧を下回ったときはＳＷトランジスタＴ１を強制的にオフするようにしている。

しかし、出力電圧Ｖｏｕｔが低下する要因は、必ずしも過負荷などの出力側異常とは限らず、スタータモータ１５の駆動時における車載バッテリ１１の一時的な電圧低下によっても出力電圧Ｖｏｕｔが低下する。そこで本実施形態では、入力電圧Ｖｉｎが低下したとき、オン時間制限機能を緩和し、更に出力遮断機能を停止させることにより、スイッチングパルスＰｓのデューティ比を高めて入力電圧Ｖｉｎの低下を補うようにしている。以下、このことについて図４〜図８に基づいて説明する。

まず、スイッチング電源回路１３における入力電圧Ｖｉｎと出力電圧Ｖｏｕｔとの関係を図４に示す。図示の如く、入力電圧ＶｉｎがＳＷトランジスタＴ１でスイッチングされることにより、ＳＷトランジスタＴ１からの出力（出力平滑回路への入力）はパルス状の電圧波形となる。そしてこのパルス状の電圧が出力平滑回路にて平滑化され、ほぼ一定値の出力電圧Ｖｏｕｔとして出力される。この出力電圧Ｖｏｕｔは、一般に次式で表される。

Ｖｏｕｔ ＝ Ｖｉｎ ＊ （Ｔｏｎ−α）／ Ｔｓｗ
ここで、ＴｏｎはスイッチングパルスＰｓのパルス幅であり、αはスイッチング損失分に相当するパルス幅であり、Ｔｓｗはスイッチング周期である。即ち、変換効率が１００％の理想的なスイッチング電源の場合はαが０となり、出力電圧と入力電圧の比Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎがそのままスイッチングデューティ比Ｔｏｎ／Ｔｓｗとなる。しかし実際には損失分があり、同じ出力電圧Ｖｏｕｔを得るために、この損失分に相当するパルス幅αの分だけ、等価的にスイッチングパルス幅Ｔｏｎが長くなる。

そして、オン時間制限パルスＰ２ののパルス幅Ｔｌｏｎは、上記損失分に相当するパルス幅αを見込んだスイッチングパルス幅Ｔｏｎよりさらに長い時間に設定する。換言すれば、オン時間制限パルスＰ２のデューティ比（デューティ上限値）をスイッチングパルスＰｓのデューティ比（以下「スイッチングデューティ比」ともいう）より大きく設定する。

このデューティ上限値は、従来は一定値（例えば８０％）であって、これにより、出力電圧Ｖｏｕｔが低下して制御パルスＰ１のデューティ比が大きくなっていってもスイッチングデューティ比は８０％を越えないよう制限されていた。しかし本実施形態では、入力電圧Ｖｉｎに応じてデューティ上限値を変化させることで、入力電圧Ｖｉｎ低下時のオン時間制限機能の緩和を実現している。

具体的には、図５に一点鎖線で示すように、入力電圧Ｖｉｎが低下するのに伴ってデューティ上限値を上げていく。図５は、変換効率が９０％であって８Ｖの出力電圧Ｖｏｕｔを生成する場合における、入力電圧Ｖｉｎに対するデューティ上限値及び理論的なスイッチングデューティ比の変化を示す説明図である。

図５に示す如く、出力電圧Ｖｏｕｔを８Ｖ一定に保持するためには、入力電圧Ｖｉｎが例えば１５Ｖの場合はスイッチングデューティ比を約６０％、入力電圧Ｖｉｎが例えば１３Ｖの場合はスイッチングデューティ比を約７０％、入力電圧Ｖｉｎが例えば１０Ｖの場合はスイッチングデューティ比を約９０％とする必要がある。この場合に、デューティ上限値を例えば８０％に固定しておくと、入力電圧Ｖｉｎが約１１Ｖ以下では、上限の８０％のデューティ比にてＳＷトランジスタＴ１をスイッチングしても、所望の定電圧８Ｖを得ることができなくなる。

このため、デューティ上限値を、入力電圧Ｖｉｎの変化に応じて変化させるようにしている。具体的には、例えば入力電圧Ｖｉｎが１５Ｖの場合は約７０％、１３Ｖの場合は約８０％、１１Ｖ以下のときは約１００％となるように可変設定するのである。このようにすることで、入力電圧Ｖｉｎが例えば１０Ｖ程度に低下しても、８Ｖの安定した出力電圧Ｖｏｕｔを得ることができるようになる。

なお、デューティ上限値の変化は、実際には、オン時間制限電圧回路ＣＵＲ２からのオン時間制限電圧Ｖｌｏｎを変化させることにより実現される。即ち、図１に示したようにオン時間制限電圧回路ＣＵＲ２には入力電圧Ｖｉｎが入力されており、この入力電圧Ｖｉｎの変化に従って、結果的にデューティ上限値（つまりオン制限用比較器ＣＭＰ２からのオン時間制限パルスＰ２のデューティ比）が図５のように変化するよう、オン時間制限電圧Ｖｌｏｎを変化させるのである。

入力電圧Ｖｉｎの低下によりデューティ上限値が１００％となって実質的にデューティ制限がなくなった後、更に低下が続いて、出力電圧Ｖｏｕｔが保護実行出力しきい電圧を下回ると、差動アンプＡＭＰの出力が制御範囲外検出電圧Ｖｄｅｔを下回る。このとき、仮に出力遮断機能の動作を停止する機能を備えていない場合、出力遮断機能が動作することになる。即ち、範囲外検出用比較器ＣＭＰ３の出力がHighレベルとなり、ＲＳ−ＦＦ１６がリセットされてスイッチングパルスＰｓの出力が停止する。その後、入力電圧Ｖｉｎが通常値（１２Ｖ）に復帰したとしても、ＲＳ−ＦＦ１６のリセット状態は継続するため、再び定電圧Ｖｏｕｔを出力するためには、スイッチング電源回路１３を再起動する必要がある。

しかし本実施形態では、入力電圧Ｖｉｎの低下時に出力遮断機能の動作を停止する機能を備えている。具体的には、入力電圧Ｖｉｎが、スイッチングデューティ比を１００％にしても所望の出力電圧Ｖｏｕｔが得られなくなる直前の電圧を下回ったときに、保護禁止用比較器ＣＭＰ４の出力がHighレベルとなる。これによりトランジスタＴ２がオンし、ＲＳ−ＦＦ１６のリセット入力端子がLow レベルに保持されて出力遮断機能の動作が停止されるのである。

本実施形態では、図６に示すように、入力電圧Ｖｉｎが保護禁止入力しきい電圧（１０Ｖ）以上の場合に出力電圧Ｖｏｕｔが保護実行出力しきい電圧を下回ったら、出力遮断機能を動作させてスイッチングパルスＰｓの出力を停止する。つまり、範囲外検出用比較器ＣＭＰ３からの出力を無効としてＲＳ−ＦＦ１６のリセット端子に反映されないようにする。

一方、入力電圧Ｖｉｎが１０Ｖを下回ったら出力遮断機能の動作を停止させるため、このとき仮に出力電圧Ｖｏｕｔが保護実行出力しきい電圧を下回ったとしても、出力遮断機能は動作しない。そのため、入力電圧Ｖｉｎの低下によって、スイッチングデューティ比を１００％にしても所望の定電圧８Ｖが得られなくなると、出力電圧Ｖｏｕｔは図示のように入力電圧Ｖｉｎとともに垂下し、再び入力電圧Ｖｉｎが正常値に戻った時には出力電圧Ｖｏｕｔも正常に８Ｖ一定となる。このため、スイッチング電源回路１３の再起動処置をする必要がなくなる。

そして、本実施形態の駆動回路１２は、定格では８Ｖ電源で動作することになっているものの、８Ｖより低くてもある程度までなら（例えば５〜６Ｖ程度までなら）動作するよう構成されている。そのため駆動回路１２は、入力電圧Ｖｉｎが低下して定電圧８Ｖが得られなくなっても、出力遮断機能が動作することなく、そのときの入力電圧Ｖｉｎによって生成し得る最大限の出力電圧Ｖｏｕｔによって動作を継続することができる。

以上詳述した本実施形態のスイッチング電源回路１３によれば、車両のエンジン始動時に車載バッテリ１１の電圧が低下して入力電圧Ｖｉｎが低下すると、デューティ上限値も高くなる（つまりオン時間制限パルスＰ２のパルス幅が長くなる）ため、スイッチングデューティ比を高くして入力電圧Ｖｉｎの低下分を補い、所定の定電圧８Ｖを保持することが可能となる。

また、入力電圧Ｖｉｎが更に低下して定電圧制御できなくなっても、出力遮断機能の動作を停止させることにより、そのときの入力電圧Ｖｉｎによって生成し得る最大限の出力電圧Ｖｏｕｔによって負荷の動作を継続させることができる。

これにより、負荷に対してより低い電源電圧まで供給できるスイッチング電源回路１３の提供が可能となり、入力電圧Ｖｉｎの低下に起因して出力電圧Ｖｏｕｔが低下しても、負荷を動作させることができる。

ここで、本実施形態の構成要素と本発明の構成要素の対応関係を明らかにする。本実施形態において、出力平滑回路は本発明の出力平滑化手段に相当し、二つの分圧抵抗Ｒ２，Ｒ３と、差動アンプＡＭＰと、基準電圧回路ＣＵＲ１と、三角波発振器ＯＳＣと、出力制御用比較器ＣＭＰ１と、により本発明の制御手段が構成され、制御範囲外検出電圧回路ＣＵＲ３と、範囲外検出用比較器ＣＭＰ３と、により本発明の出力遮断手段が構成され、分圧抵抗Ｒ６，Ｒ７と、保護動作禁止電圧回路ＣＵＲ４と、保護禁止用比較器ＣＭＰ４と、ベース抵抗Ｒ５と、トランジスタＴ２と、により本発明の遮断停止手段が構成され、三角波発振器ＯＳＣと、オン時間制限電圧回路ＣＵＲ２と、オン制限用比較器ＣＭＰ２と、により本発明の制限用パルス出力手段が構成される。また、ゲート回路Ｇ１は本発明の制御信号出力許可手段に相当する。

尚、本発明の実施の形態は、上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採り得ることはいうまでもない。
例えば、上記実施形態では、出力遮断機能による電力供給の遮断を、ＳＷトランジスタＴ１を強制的にオフさせることにより行うようにしたが、これに限らず、例えば駆動回路１２への電力供給経路上にスイッチを設け、これをオフすることにより遮断するようにしてもよい。

また、スイッチング電源回路１３からの電源供給対象として、上記実施形態では車載電子制御装置１における駆動回路１２を例に挙げたが、これはあくまでも一例であって、所定の定電圧電源を受けて動作するあらゆる車載電子機器を電源供給対象とすることができる。

実施形態の車載電子制御装置の概略構成を示す構成図である。 入力電圧Ｖｉｎが一定であって且つＲＳ−ＦＦがセット状態を保持している場合の、スイッチング電源回路の定電圧制御を表すタイムチャートである。 入力電圧Ｖｉｎが一定であって且つ出力電圧低下によりＲＳ−ＦＦがリセットされる場合の、スイッチング電源回路の定電圧制御を表すタイムチャートである。 スイッチング電源回路における入力電圧Ｖｉｎと出力電圧Ｖｏｕｔとの関係を示す説明図である。 入力電圧Ｖｉｎに対するデューティ上限値及び理論的なスイッチングデューティ比の変化を示す説明図である。 入力電圧Ｖｉｎ及び出力電圧Ｖｏｕｔに対する出力遮断機能の有無を表す説明図である。

符号の説明

１…車載電子制御装置、１１…車載バッテリ、１２…駆動回路、１３…スイッチング電源回路、１４…イグニションスイッチ、１５…スタータモータ、１６…ＲＳ−ＦＦ、１７…コンピュータ回路、ＡＭＰ…差動アンプ、Ｃ１…平滑コンデンサ、Ｃ２…コンデンサ、ＣＭＰ１…出力制御用比較器、ＣＭＰ２…オン制限用比較器、ＣＭＰ３…範囲外検出用比較器、ＣＭＰ４…保護禁止用比較器、ＣＵＲ１…基準電圧回路、ＣＵＲ２…オン時間制限電圧回路、ＣＵＲ３…制御範囲外検出電圧回路、ＣＵＲ４…保護動作禁止電圧回路、Ｄ１…ダイオード、Ｇ１…ゲート回路、Ｇ２…ドライバ回路、Ｌ１…インダクタ、ＯＳＣ…三角波発振器、Ｒ１，Ｒ５…ベース抵抗、Ｒ２，Ｒ３，Ｒ６，Ｒ７…分圧抵抗、Ｔ１…ＳＷトランジスタ、Ｔ２…トランジスタ

Claims (4)

1. 車載電源から電力供給対象へ至る電力供給経路に直列に設けられ、制御信号に従ってオン・オフされるスイッチング素子と、
   前記電力供給経路における前記スイッチング素子と前記電力供給対象との間に設けられ、前記スイッチング素子の出力電圧を平滑化して前記電力供給対象へ供給する出力平滑化手段と、
   該出力平滑化手段により平滑化された電圧が予め定められた設定電圧となるように前記スイッチング素子のオン・オフをデューティ制御するための、前記制御信号を出力する制御手段と、
   該制御手段による前記デューティ制御の際のデューティ比が所定の上限値を超えないように制限するデューティ制限手段と、
   前記出力平滑化手段からの出力電圧が前記設定電圧より低い所定の制御下限電圧より小さくなったときに当該車両用スイッチング電源装置から前記電力供給対象への電力供給を遮断する出力遮断手段と、
   を備えた車両用スイッチング電源装置であって、
   前記デューティ制限手段は、当該車両用スイッチング電源装置へ入力される前記車載電源からの電源電圧の低下に伴って、前記上限値を高くし、前記電源電圧が所定の電圧値以下となった場合には該上限値を１００％とするよう構成されており、
   更に、
   前記電源電圧の低下により該電源電圧が前記所定の電圧値まで低下して前記上限値が１００％となった後、更に該電源電圧が低下して、該電源電圧が、前記出力平滑化手段から少なくとも前記制御下限電圧以上の出力電圧を供給可能な所定の入力下限電圧より小さくなったときに、前記出力遮断手段による前記遮断動作を停止させる、遮断停止手段を備えている
   ことを特徴とする車両用スイッチング電源装置。
2. 車載電源から電力供給対象へ至る電力供給経路に直列に設けられ、制御信号に従ってオン・オフされるスイッチング素子と、
   前記電力供給経路における前記スイッチング素子と前記電力供給対象との間に設けられ、前記スイッチング素子の出力電圧を平滑化して前記電力供給対象へ供給する出力平滑化手段と、
   該出力平滑化手段により平滑化された電圧が予め定められた設定電圧となるように前記スイッチング素子のオン・オフをデューティ制御するための、前記制御信号を出力する制御手段と、
   該制御手段による前記デューティ制御の際のデューティ比が所定の上限値を超えないように制限するデューティ制限手段と、
   前記出力平滑化手段からの出力電圧が前記設定電圧より低い所定の制御下限電圧より小さくなったときに当該車両用スイッチング電源装置から前記電力供給対象への電力供給を遮断する出力遮断手段と、
   を備えた車両用スイッチング電源装置であって、
   前記デューティ制限手段は、デューティ比が前記上限値であるパルス信号を出力する制限用パルス出力手段と、該制限用パルス出力手段からのパルス信号がオンの期間にのみ前記制御手段から前記スイッチング素子への前記制御信号の出力を許可する制御信号出力許可手段とからなるものであって、当該車両用スイッチング電源装置へ入力される前記車載電源からの電源電圧の低下に伴って、前記上限値を高くするよう構成され、
   前記出力遮断手段は、前記出力平滑化手段からの出力電圧が前記制御下限電圧より小さくなったときに、その旨を示す出力低下信号を前記制御信号出力許可手段へ出力し、
   前記制御信号出力許可手段は、前記出力低下信号が入力されたとき、前記制御手段から前記スイッチング素子へ前記制御信号を出力させないようにすることにより前記スイッチング素子を強制的にオフにするよう構成されており、
   更に、
   当該車両用スイッチング電源装置へ入力される前記車載電源からの電源電圧が、前記出力平滑化手段から少なくとも前記制御下限電圧以上の出力電圧を供給可能な所定の入力下限電圧より小さくなったときに、前記出力遮断手段から前記制御信号出力許可手段への前記出力低下信号を無効とすることにより該出力遮断手段による前記遮断動作を停止させる遮断停止手段を備えている
   ことを特徴とする車両用スイッチング電源装置。
3. 前記デューティ制限手段は、前記上限値を、前記電源電圧の低下に伴って線形状に高くしていくことを特徴とする請求項１又は２に記載の車両用スイッチング電源装置。
4. 前記車載電源は、エンジンを始動するエンジン始動装置への電源供給を行う車載バッテリであることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の車両用スイッチング電源装置。

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