JP4725492B2 - 負荷制御装置及び負荷制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、負荷の駆動を制御する制御回路に供給される電源電圧を監視し、当該電圧がしきい値を下回ると負荷の駆動制御を停止させる保護機能を備える負荷制御装置及び負荷制御方法に関する。
大電流が通電されて駆動される負荷を制御ICにより駆動制御する装置においては、誤動作を防止したり制御の安定性を確保する目的で、電源電圧がある程度低下したことを検出すると、制御ICによる駆動制御を停止させる低電圧保護機能を備えるものがある。図10は、上記のような保護機能を備える制御装置の一例として、例えば車両に搭載される負荷の駆動を制御する装置の構成を示す。
制御ユニット1の電源端子(+B),グランド端子(GND)には、車両のバッテリ2が接続されて電源供給を受けるようになっている。尚、電源電圧は、例えば12V程度である。制御ユニット1内部では、電源線3(+),3(−)の間に制御IC4が接続されていると共にPチャネルMOSFET5及び負荷6の直列回路が接続されており、負荷6にはフライホイールダイオード7が並列に接続されている。また、電源線3(+)には、平滑用のインダクタ8が挿入されている。
制御IC4は、外部のECU(Electronic Control Unit)9より与えられる制御信号を受けてFET5にゲート信号を出力し、負荷6の駆動を制御する(但し、ECU9は制御ユニット1の外部に存在する)。そして、制御IC4は、内部で自身に供給されている電源の電圧レベルを監視しており、その電圧が例えば6V程度まで低下した場合には、負荷6の駆動を停止するようになっている。
尚、特許文献1には、低電圧保護機能を備える構成の一例が開示されている。
特開2003−79146号公報
ところが、低電圧保護機能を備える装置では、負荷電流が増加した状態が継続した場合に以下のような問題が発生することがある。即ち、負荷電流が流れる経路には、例えばバスバーなどで構成される電源線3(+)やプリント基板上の配線パターン,厚膜導体配線やインダクタ8などに抵抗分(R)が含まれているため、流れる電流に応じて電圧降下(ドロップ)が発生する。そして、負荷電流の増加に伴い電源電圧が低下して低電圧保護が作動すると、負荷の駆動が停止され負荷電流が流れなくなる。
すると、電源供給経路が有している抵抗分(R)による電圧降下が消滅して電源電圧が上昇するので、制御ICにより駆動制御が再開される。制御が再開されると、また電圧降下により低電圧保護が作動する。従って、制御の停止,再開が短時間毎に交互に繰り返される、所謂ハンチングが発生することになる(図11参照)。尚、低電圧保護を行う場合は誤検出を防止するため、図11に示すように電圧検出に当たってはヒステリシス特性を持たせるのが一般的である。しかし、そのヒステリシス幅は、製品の仕様電圧範囲以下に設定されており、配線抵抗によって発生する電圧降下分を考慮していない。
上記のようなハンチングが発生すると、駆動対象である負荷の種類によっては異音が発生することもあり、ユーザに違和感を与えてしまうという問題があった。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、負荷電流が増加した状態が継続した場合に、ハンチング現象が発生することを回避できる負荷制御装置及び負荷制御方法を提供することにある。
請求項1記載の負荷制御装置によれば、保護機能部において、制御回路に供給される電源電圧を監視して保護動作を行なうためのしきい値に、負荷に対しトランジスタを介して駆動電流を供給する経路の配線抵抗と駆動電流の最大値とに基づく電圧降下レベル以上の幅を有するヒステリシス特性を持たせる。即ち、負荷電流の増加に伴い電源電圧が低下して低電圧保護が作動した場合に、負荷の駆動が停止されることで電源電圧が上昇しても、その上昇幅は上記ヒステリシスの範囲内となる。従って、電源電圧が本来的に正常なレベルまで復帰しない状態のまま制御回路による駆動制御が再開されることはなく、ハンチングの発生を防止することができ、異音の発生などによりユーザに違和感を与えてしまうことを回避できる。
この場合、制御回路に対する電源供給を、電源が供給される端子の近傍より、負荷に対する電流供給経路とは別系統の配線で行う。従って、当該配線の抵抗値を、前記電流供給経路の配線抵抗値よりも低くすれば、制御回路に対して電圧降下の影響を与え難くすることができる。
請求項記載の負荷制御装置によれば、保護機能部は、電源電圧を積分回路を介して監視するので、電圧の検出に遅延が生じてノイズ成分が除去される。従って、例えば電源の瞬停が発生することで電圧が短時間内でノイズ的に変化したような場合に、電圧低下を検出して保護機能を実行してしまうことを回避できる。
請求項記載の負荷制御装置によれば、保護機能部は、制御回路による制御を一旦停止させると、電源電圧が復帰してから所定時間が経過した後に制御を再開させる。即ち、電圧低下の検出から制御を再開するまでの時間を長くすることで、例えばヒステリシス幅以上の電圧変化が発生して上記のシーケンスが周期的に繰り返されてしまった場合でも、その周期を可聴周波数域未満とすることで異音の発生を防止することができる。
請求項記載の負荷制御装置によれば、制御回路は、制御を再開させる場合は負荷の駆動を最低レベルから開始し、その時点で与えられている指令値に応じたレベルまで次第に上昇させる。即ち、所謂「スロースタート」制御を行うことになるため、制御の再開時に負荷に突入電流が流れて電源電圧が降下することを回避できる。
請求項乃至記載の負荷制御装置によれば、負荷を夫々モータ(請求項),音波信号を出力するもの(請求項),光信号を出力するもの(請求項)とする。即ち、これらのものが負荷である場合にハンチングが発生すると、駆動音等が断続的に発生したり、光が点滅するといった出力形態となるため、ユーザがその発生を認識し易くなる。従って、これらを負荷とする制御装置に適用すればハンチングの抑制効果が極めて有効となる。
請求項記載の負荷制御装置によれば、リードフレーム上に、少なくとも制御回路と保護機能部とが形成されているICチップと、制御回路によって駆動されるトランジスタとを搭載してモールドパッケージされるハイブリッドICに本発明を適用する。即ち、このようなハイブリッドICについては、汎用性を持たせるために必要最低限の端子数で小型に構成することが要求されている。そのため、モールドサイズや端子数、内部の配線引き回し等に制約が加えられ、比較的大きな電流を扱うものでは、電源端子から内部の制御回路に電源が供給されるまでに発生する電圧降下がより大きくなる傾向にある。そこで、本発明を適用すれば、ハンチングの発生防止効果が有効となる。
そして、負荷に対して駆動電流を供給するためのトランジスタも内蔵することで、ハイブリッドICに負荷を直接接続して駆動することができ、全体をより小型に構成することができる。
請求項記載の負荷制御装置によれば、誘導性の負荷を駆動する場合、ハイブリッドICに、負荷に対して並列に接続されるフライホイールダイオードも内蔵するので、トランジスタがOFFした場合に流れようとする遅れ電流を、上記ダイオードを介して還流させることができる。
(第1実施例)
以下、本発明を車両に搭載され、例えば空調装置に使用されるブロアモータに適用した場合の第1実施例について図1及び図2を参照して説明する。尚、図10と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分についてのみ説明する。図1は、負荷制御ユニット11の構成を示すものである。負荷制御ユニット11は、従来の制御ユニット1における制御IC4を制御IC12(負荷制御装置)に置き換えたもので、図1には、制御IC12の内部構成を中心に示している。
制御IC12は、電源電圧監視用のコンパレータ13,ヒステリシス設定部14,制御ロジック部(制御回路)15,ゲートドライバ16などで構成されている。コンパレータ13は、電源電圧を分圧抵抗17及び18により分圧し(例えば分圧比1/8程度)、ヒステリシス設定部14において設定される基準電圧と比較することで電圧低下を検出する。ヒステリシス設定部14は、例えば抵抗及びトランジスタを組み合わせることで、或いはロジック回路などで構成されており、5V電源に基づいて基準電圧を設定する。そして、本実施例の場合、電圧低下の基準は6Vに設定し、コンパレータ13の出力レベルを参照することで一旦6V未満に低下した電圧が再び上昇して復帰する場合の基準は、+2Vの8Vとなるようにヒステリシス特性を与えている。尚、コンパレータ13,ヒステリシス設定部14,分圧抵抗17及び18は、保護機能部19を構成している。
制御ロジック部15は、ECU9(図1では図示せず)より与えられる制御指令を内部でロジック的に処理し、FET5に対するゲート信号をゲートドライバ16を介して出力するようになっている。そして、制御ロジック部15は、コンパレータ13の出力がハイレベルであれば上記の動作を行ない、前記出力がロウレベルになるとリセットされる。即ち、電源電圧が大きく低下すると、制御ロジック部15による正常な動作が保証されなくなるからである。また、本実施例では負荷6はブロアモータであり(以下、モータ6と称す)、図示しないファンを回転させて車両用空調装置において送風を行う。
ここで、ヒステリシス設定部14におけるヒステリシス特性の設定について図2を参照して説明する。上記特性は、以下のようにして設定されている。駆動システムの仕様において、FET(半導体素子)5及びモータ6を介して流れる負荷電流の最大値(制限値)が80Aであり、例えばバスバーなどで構成される電源線3及びインダクタ8を含む配線抵抗が10mΩであるとする。従って、最大電流80Aが流れた場合に、電源線3に生じる電圧降下は0.8Vとなる。そこで、その値に余裕を持たせて、ヒステリシス幅を2Vに設定している。これに対して、図8に示す従来構成の場合、ヒステリシス幅は0.4V程度である。
以上のようにヒステリシス幅を設定すると、図2に示すように、保護機能部19による低電圧保護が作動してモータ6の駆動が停止され、負荷電流が流れなくなることで電源電圧が上昇しても、配線抵抗分による電圧降下を考慮して十分なヒステリシス幅を設定しているので、ハンチングの発生は回避される。
以上のように本実施例によれば、制御IC12は、保護機能部19を構成するヒステリシス設定部14において、制御IC12−ロジック制御部15に供給される電源電圧を監視して保護動作を行なうためのしきい値に、モータ6に対して負荷電流を供給する経路の配線抵抗と負荷電流の最大値とに基づく電圧降下レベル以上の幅を有するヒステリシス特性を持たせるようにした。従って、電源電圧が本来的に正常なレベルまで復帰しない状態のまま制御IC12による駆動制御が再開されることなく、ハンチングの発生を防止することができ、モータ6の断続的な駆動音が異音となりユーザに違和感を与えてしまうことを回避できる。
(第2実施例)
図3は本発明の第2実施例を示すものであり、第1実施例と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分についてのみ説明する。第2実施例の負荷制御ユニット21は、制御IC12に対する電源供給を、電源端子(+B),(GND)の近傍から、専用の電源線22(+),22(−)を用いて行うようにする。この場合、電源線22(+),22(−)には、電源線3(+),3(−)よりも抵抗値が低くなるものを使用する。
以上のように構成される第2実施例によれば、制御IC12に対する電源供給を、電源供給端子(+B),(GND)の近傍より、モータ6に対する電流供給経路とは別系統の専用電源線22(+),22(−)を用いて行うので、制御IC12に対して電圧降下の影響を与え難くすることができる。
(第3実施例)
図4は本発明の第3実施例を示すものであり、第1実施例と異なる部分のみ説明する。第3実施例の負荷制御ユニット23は、制御IC24(負荷制御装置)において、分圧抵抗18に対して並列にコンデンサ25を接続しており、分圧抵抗17とコンデンサ25とで積分回路26を構成している。斯様に構成すれば、コンパレータ13は電源電圧の積分値を監視することになり(即ち、電圧を検出するのに若干の遅延がもたらされる)、例えば電源の瞬停が発生することで電圧が短時間内でノイズ的に変化したような場合に、電圧低下を直ちに検出して保護機能を実行してしまうことを回避できる。
(第4実施例)
図5は本発明の第4実施例を示すものであり、第1実施例と異なる部分のみ説明する。第4実施例の負荷制御ユニット27は、制御IC28(負荷制御装置)において、コンパレータ13の出力端子と制御ロジック部15との間にタイマ29を挿入して構成されている。このタイマ29は、コンパレータ13の出力信号の立上りエッジをトリガとして計時を開始し(リセットスタート)、例えば50ms(所定時間)が経過すると出力レベルがロウからハイに変化して、制御ロジック部15のリセットを解除するようになっている。
従って、一旦電源電圧が6V未満に低下した時点から、制御IC28による制御が再開されるまでには、少なくとも50ms以上の時間を要することになる。そして、第1実施例の保護機能部19にタイマ29を加えたものが、保護機能部30を構成している。
以上のように構成された第4実施例によれば、保護機能部30は、制御ロジック部15による制御を一旦停止させると、電源電圧が復帰してから50msが経過した後に制御を再開させるので、例えばヒステリシス幅以上の電圧変化が発生して上記のシーケンスが周期的に繰り返されてしまった場合でも、その周期を可聴周波数域未満とすることで異音の発生を防止することができる。
(第5実施例)
図6は本発明の第5実施例を示すものであり、第1実施例と異なる部分のみ説明する。第5実施例の負荷制御ユニット31は、制御IC32(負荷制御装置)における制御ロジック部33(制御回路)の構成が異なっている。制御ロジック部33は、スロースタート制御部34及びマルチプレクサ(MPX)35を内蔵しており、マルチプレクサ35には、ECU9より与えられる制御指令と、その制御指令がスロースタート制御部34を経由したものとが入力されている。
マルチプレクサ35は、通常動作時には制御指令が直接入力されるA側を選択しているが、コンパレータ13の立上りエッジを検出すると、スロースタート制御部34の入力B側を選択するようになっている。スロースタート制御部34は、所謂「スロースタート」動作を行なうものであり(例えば特開2001−45790号公報などを参照)、出力を0レベルから開始し、所定時間の経過後にその時点で与えられている制御指令に達するように次第に(例えばリニアに)出力レベルを増加させるように処理する。そして、出力レベルが上記制御指令に到達するとマルチプレクサ35に対してリセット信号を出力する。すると、マルチプレクサ35は再び入力A側を選択するようになる。
以上のように構成される第5実施例によれば、制御IC32は、制御ロジック部33にスロースタート制御部34を内蔵することで、制御を再開させる場合は負荷の駆動を最低レベルから開始するスロースタート処理を行うようにした。従って、制御の再開時にモータ6に突入電流が流れて電源電圧が降下することを回避できる。
(第6実施例)
図7は本発明の第6実施例を示すものであり、第4,第5実施例と異なる部分のみ説明する。第6実施例の負荷制御ユニット36は、第4,第5実施例の構成を組み合わせたものであり、制御IC37(負荷制御装置)の内部において、第4実施例のタイマ29と第5実施例の制御ロジック部33とが直列に接続されている。以上のように構成された第6実施例によれば、第4,第5実施例の効果を共に奏することができる。
(第7実施例)
図8は本発明の第7実施例を示すものであり、例えば、第1実施例における制御IC12の半導体チップと、FET(トランジスタ)5,(フライホイール)ダイオード7夫々の半導体チップとを1つのリードフレーム38上に搭載してモールドパッケージされるハイブリッドICに適用した場合である。
即ち、リードフレーム38のアイランド39部分には、FET(回路素子)5,ダイオード(回路素子)7のチップがマウントされており、上記アイランド39の図8(a)中左下側に位置するアイランド40には、制御IC12のチップがマウントされている。また、チップコンデンサ(回路素子)41〜43は、図1では示していないがノイズ除去用として、例えば、制御ロジック部15に入力される制御指令の信号線と電源線3(−)との間やFET5のゲートと電源線3(−)との間,ダイオード7に対して並列に接続されるものである。また、図8(a)に示す+Bは電源線3(+)に接続される電源供給端子,GNDは電源線3(−)に接続されるグランド端子,SIは制御指令の入力端子,M(+),M(−)は、モータ6の電源側,グランド側に夫々接続される端子(リード)である。
図8(b)は、図8(a)をA方向から観た図であり、全体が樹脂モールド44により覆われることでパッケージ化されており、以上がハイブリッドIC45を構成している。尚、上記の構成は、基本的に特開2004−140305号公報に開示されているものと同様である。
斯様に構成されるハイブリッドIC45については、汎用性を持たせるために必要最低限の端子数で小型に構成することが要求されるため、モールドサイズや端子数、内部の配線引き回し等に制約が加えられる。従って、比較的大きな電流を扱う場合は、電源端子3(+)から制御IC12に電源が供給されるまでに発生する電圧降下がより大きくなる。そこで本発明を適用すれば、ハンチングの発生防止効果が有効となる。
そして、ハイブリッドIC45は、制御IC12に加えてモータ(誘導性負荷)6を駆動するFET5や、フライホイールダイオード7も内蔵することで、所謂スマートアクチュエータとして構成されているので、ハイブリッドIC45にモータ6を直接接続して駆動することができ、駆動素子も含んだ全体をより小型にすることができる。
(第8実施例)
図9は本発明の第8実施例を示すものであり、第7実施例のハイブリッドIC45とは、外部端子の配置が異なるように構成されたハイブリッドIC46の外形を示すものである。ハイブリッドIC46は、モールド樹脂47内部のリードフレームに接続されているヒートシンク48を備えている。そして、図9(a)中におけるモールド樹脂47の下辺に並ぶように5本の外部端子が配列されており、これらの端子は、図9(b),(d)に示すように本体の前方側に向けてL字状に折り曲げられた状態で延びている。
また、これら5本の端子は、B+,M(+),GND,SI,TESTである。但し、端子TESTについては、第7実施例の図8には図示されていないが、内部の制御IC12の機能についてテストを行う場合に、端子をハイレベルにすることでテストモードに切換えるための端子である。そして、通常の動作モードで使用する場合には、端子TESTはグランドに接続される。
以上のように構成される第8実施例によれば、ハイブリッドIC46の外部端子を、パッケージの一辺側に並べて配置したので、ハイブリッドIC46を基板上に搭載する場合に、省スペース化を図ることができる。
本発明は上記し又は図面に記載した実施例にのみ限定されるものではなく、以下のような変形が可能である。
ヒステリシス幅については、個別の設計に応じて駆動電流の最大値と電流経路の配線抵抗とに基づいて適宜設定すれば良い。また、ヒステリシス幅に余裕をどの程度含ませるかについても適宜設定すれば良く、更に必ずしも余裕を持たせずとも良い。
負荷としては、その他、スピーカ,ブザーやホーンなど音波信号を出力するもの、ランプのように光信号を出力するものでも良い。即ち、これらのものが負荷である場合にハンチングが発生すると、音が断続的に発生したり、光が点滅するといった出力形態となるため、これらを負荷とする制御装置に適用すればハンチングの抑制効果が極めて有効となる。また、その他ソレノイドなどであっても良い。
負荷をロウサイド駆動するものに適用しても良い。
半導体素子は、NチャネルMOSFET,パワートランジスタやIGBTなどであっても良い。
第4実施例における所定時間の設定についても、適宜変更して実施すれば良い。
ハイブリッドICの構成は、第7,第8実施例を示すものに限らず、その他の回路素子については、個別の設計に応じて適宜選択すれば良い。
また、リードフレーム上に複数のICチップを搭載してなるマルチチップパッケージについても、本発明を第7,第8実施例と同様に適用しても良い。
ブロアモータ用制御装置に限ることなく、ラジエータファンや燃料ポンプ用のモータ制御装置に適用しても良い。
車両に搭載される負荷を駆動するものに限らず、広く適用することができる。
本発明を車両に搭載されるブロアモータ用制御装置に適用した場合の第1実施例であり、負荷制御装置の構成を示す図 ヒステリシス特性の設定を説明する図 本発明の第2実施例を示す図1相当図 本発明の第3実施例を示す図1相当図 本発明の第4実施例を示す図1相当図 本発明の第5実施例を示す図1相当図 本発明の第6実施例を示す図1相当図 本発明をハイブリッドICに適用した場合の第7実施例であり、(a)は半導体チップのレイアウトを示す平面図、(b)は(a)をA方向から見た図 本発明の第8実施例であり、ハイブリッドICの外形を示す(a)は正面図,(b)は側面図,(c)は背面図,(d)はリード側から見た図 従来技術を示す図1相当図 図2相当図
符号の説明
図面中、5はPチャネルMOSFET(トランジスタ,回路素子)、6はモータ(誘導性負荷)、7はフライホイールダイオード(回路素子)、12は制御IC(負荷制御装置)、14はヒステリシス設定部、15は制御ロジック部(制御回路)、19は保護機能部、22は電源線(配線)、24は制御IC(負荷制御装置)、26は積分回路、28は制御IC(負荷制御装置)、29はタイマ、30は保護機能部、32は制御IC(負荷制御装置)、33は制御ロジック部(制御回路)、34はスロースタート制御部、37は制御IC(負荷制御装置)、38はリードフレーム、41〜43はチップコンデンサ(回路素子)、45,46はハイブリッドICを示す。

Claims (16)

  1. 負荷の駆動を制御する制御回路と、
    前記負荷に対して駆動電流を供給する経路に配置され、前記制御回路によって駆動されるトランジスタと、
    この制御回路に供給される電源電圧を監視して当該電圧がしきい値を下回ると、前記制御回路による制御を停止させる保護機能部とを備え、
    前記保護機能部は、前記しきい値に、前記負荷に対して駆動電流を供給する経路の配線抵抗と前記駆動電流の最大値とに基づく電圧降下レベル以上の幅を有するヒステリシス特性を持たせるように構成され
    前記制御回路に対する電源供給を、前記電源が供給される端子の近傍より、前記負荷に対する電流供給経路とは別系統の配線で行うことを特徴とする負荷制御装置。
  2. 前記保護機能部は、前記電源電圧を積分回路を介して監視することを特徴とする請求項1記載の負荷制御装置。
  3. 前記保護機能部は、前記制御回路による制御を一旦停止させると、電源電圧が復帰してから所定時間が経過した後に制御を再開させることを特徴とする請求項1または2記載の負荷制御装置。
  4. 前記制御回路は、制御を再開させる場合は、前記負荷の駆動を最低レベルから開始し、その時点で外部より与えられている指令値に応じたレベルまで次第に上昇させることを特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載の負荷制御装置。
  5. 前記負荷は、モータであることを特徴とする請求項1乃至4の何れかに記載の負荷制御装置。
  6. 前記負荷は、音波信号を出力するものであることを特徴とする請求項1乃至の何れかに記載の負荷制御装置。
  7. 前記負荷は、信号を出力するものであることを特徴とする請求項1乃至の何れかに記載の負荷制御装置。
  8. リードフレーム上に、少なくとも、前記制御回路と前記保護機能部とが形成されているICチップと、前記トランジスタとを搭載してモールドパッケージされるハイブリッドICにより構成したことを特徴とする請求項1乃至の何れかに記載の負荷制御装置。
  9. 前記負荷が誘導性の負荷である場合に、
    前記ハイブリッドICは、前記負荷に対して並列に接続されるフライホイールダイオードをさらに搭載してモールドパッケージされたものであることを特徴とする請求項8記載の負荷制御装置。
  10. 負荷に対して駆動電流を供給する経路に配置されるトランジスタを制御回路によって駆動する場合、前記制御回路に供給される電源電圧を監視し、当該電圧がしきい値を下回ると前記制御回路による制御を停止させる負荷制御方法において、
    前記制御回路に対する電源供給を、前記電源が供給される端子の近傍より、前記負荷に対する電流供給経路とは別系統の配線で行い、
    前記しきい値に、前記負荷に対して駆動電流を供給する経路の配線抵抗と前記駆動電流の最大値とに基づく電圧降下レベル以上の幅を有するヒステリシス特性を持たせることを特徴とする負荷制御方法
  11. 前記電源電圧を、積分回路を介して監視することを特徴とする請求項10記載の負荷制御方法
  12. 前記制御回路による制御を一旦停止させると、電源電圧が復帰してから所定時間が経過した後に制御を再開させることを特徴とする請求項10又は11記載の負荷制御方法。
  13. 制御を再開させる場合は、前記負荷の駆動を最低レベルから開始し、その時点で外部より与えられている指令値に応じたレベルまで次第に上昇させることを特徴とする請求項10乃至12の何れかに記載の負荷制御方法。
  14. 前記負荷は、モータであることを特徴とする請求10乃至13の何れかに記載の負荷制御方法。
  15. 前記負荷は、音波信号を出力するものであることを特徴とする請求項1乃至1の何れかに記載の負荷制御方法。
  16. 前記負荷は、光信号を出力するものであることを特徴とする請求項1乃至1の何れかに記載の負荷制御方法。
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