JP5171979B2

JP5171979B2 - 電子制御装置

Info

Publication number: JP5171979B2
Application number: JP2011086254A
Authority: JP
Inventors: 裕水上
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-04-08
Filing date: 2011-04-08
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2031-04-08
Also published as: US8553377B2; US20120257309A1; JP2012222600A

Description

この発明は、例えば、自動車に搭載され車両用機器を制御するための電子制御装置に関するものである。

従来、電流検出用の抵抗と、電流検出用の抵抗に流れる電流から発生する電圧値を元に負荷のショート（短絡）を検出し、過電流から負荷駆動部を保護するためのショート保護回路とを内蔵し、負荷やスイッチング素子等を含む駆動回路に流れる電流が所定の値を越えたことを検出したとき、回路に流れる電流を制限、若しくはシャットオフするようにした電子制御装置が開示されている。（例えば、特許文献１参照。）

特開平３−１０６１１４号公報

特許文献１に開示された従来の装置は、負荷駆動部に流れる電流が所定の値を越えたことを検出したとき、回路に流れる電流を制限、若しくはシャットオフするために、電流検出用の抵抗と、電流検出用の抵抗に流れる電流から発生する電圧値を元に負荷のショートを検出し、過電流から負荷駆動部を保護するためのショート保護回路とを内蔵しているが、負荷駆動部に直列に電流検出用の抵抗を追加する必要があり、電流検出用の抵抗により無駄なエネルギーが消費されるだけでなく、電流検出用の抵抗自体が発熱することで電子制御装置全体の発熱にも繋がる。また、大きな電流を検出するためには相応の定格電力を有する抵抗を選定する必要があるため、素子の大型化に繋がる。更に、ショート検出時は負荷駆動部をシャットオフ状態に保持する必要があり、ラッチ回路を別に設ける等、回路規模の拡大に繋がるという課題があった。

この発明は、前述のような従来の装置の課題を解決するためになされたもので、電流検出用の抵抗を使用せず、簡易回路にて低コストでショート保護を可能とする電子制御装置を提供することを目的とするものである。

この発明に係わる電子制御装置は、負荷と直列に接続され、電源とＧＮＤ間に直列に接続されて負荷を駆動する第１のスイッチング素子、この第１のスイッチング素子の制御端子に接続され、オンオフすることによって前記第１のスイッチング素子のオンオフを制御する第２のスイッチング素子、この第２のスイッチング素子に駆動信号を供給してそのオンオフを制御するパルス発生源を有する電子制御装置であって、抵抗とコンデンサの直列接続体からなり、前記パルス発生源の出力端子間に接続されると共に、抵抗とコンデンサとの接続点が前記第２のスイッチング素子の制御端子に接続されるトリガ回路と、前記負荷と第１のスイッチング素子との接続点である第１交点と、前記コンデンサと前記第２のスイッチング素子の制御端子との接続点との間に接続されるダイオードと抵抗との直列接続体から構成され、且つ、該ダイオードは前記第１のスイッチング素子に対し順方向の向きに接続されるラッチ回路とを具備した制御回路を備え、前記制御回路は、前記パルス発生源が駆動信号を出力した場合は、前記トリガ回路を介して所定時間前記第２のスイッチング素子をオンし、これにより前記第１のスイッチング素子もオンさせて前記負荷を駆動するとともに、該第１のスイッチング素子のオン時に前記第１交点で発生した電圧により、前記ラッチ回路のダイオードを介して前記第２のスイッチング素子の制御端子に動作電流を供給して、前記第２のスイッチング素子のオン状態を継続させ、前記パルス発生源が駆動信号を停止した場合は、前記第１のスイッチング素子、第２のスイッチング素子は共にオフとし、前記パルス発生源の駆動信号が出力されている場合に負荷ショートが発生した場合には、前記第１交点で発生した電圧により、前記ラッチ回路のダイオードを介して前記第２のスイッチング素子の制御端子への動作電流の供給を遮断して第２のスイッチング素子をオフとし、これにより前記第１のスイッチング素子もオフするようにしたものである。

この発明の電子制御装置によれば、電流検出用の抵抗を必要とせず、保護回路を簡略化し、低コストでショート保護を可能とする電子制御装置を得ることができる効果がある。

上述した、またその他の、この発明の目的、特徴、効果は、以下の実施の形態における詳細な説明および図面の記載からより明らかとなるであろう。

この発明の実施の形態１による電子制御装置の回路構成図である。この発明の実施の形態１による電子制御装置の動作を説明するタイミングチャートである。この発明の実施の形態２による電子制御装置の回路構成図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による電子制御装置の回路図である。
図１において、電源端子１とＧＮＤ２の間に、直列に負荷４と第１のスイッチング素子である負荷駆動トランジスタ１１が接続されており、負荷駆動トランジスタ１１がＯＮ、ＯＦＦと切り替わることで負荷４が通電、若しくはシャットオフされる。
負荷駆動トランジスタ１１のコレクタ、又はドレイン部は負荷４に接続され、エミッタ、又はソース部はＧＮＤ２に接続されている。

まず、正常時の回路動作において、パルス発生源３の電圧がＬＯＷからＨＩＧＨに変化するとき、トリガ用の抵抗２２とコンデンサ２３により、第２のスイッチング素子であるトランジスタ２１にベース電流を所定の時間だけ供給する。トランジスタ２１はＯＮとなり、負荷駆動トランジスタ１１にベース電流、又はゲート電圧が供給され、負荷駆動トランジスタ１１はＯＮとなる。
負荷駆動トランジスタ１１がＯＮすると負荷４に電流が流れ、負荷４は動作を開始する。このとき、負荷駆動トランジスタ１１のコレクタ、又はドレイン電圧は負荷４の抵抗値による電圧降下により、ほぼＧＮＤ２と同じ電圧となる。トリガ用のコンデンサ２３の電荷が満たされ、トランジスタ２１へのベース電流が遮断される前に、負荷駆動トランジスタ１１のコレクタ、又はドレイン電圧がほぼＧＮＤ２と同じ電圧となることで、ラッチ回路を構成する抵抗２４、ダイオード２５を介してトランジスタ２１のベース電流は流れ続け、トランジスタ２１、負荷駆動トランジスタ１１はそれぞれＯＮを継続し、負荷４への電流の供給は保持される。

次に、パルス発生源３の電圧がＨＩＧＨからＬＯＷに変化するとき、トランジスタ２１はベース電流が遮断されることによりＯＦＦする。従って、負荷駆動トランジスタ１１もＯＦＦし、負荷４に電流が供給されず、負荷４は動作を停止する。
このとき、負荷駆動トランジスタ１１のコレクタ、又はドレイン電圧は電源端子１と同じ電圧となるが、ダイオード２５により電流は流れ込まず、コンデンサ２３はパルス発生源３のＬＯＷ電圧に保持される。ダイオード２５は、トリガ用のコンデンサ２３の充放電動作を外部負荷から影響を受けないようにする働きがある上、電子制御装置が動作していない状態において、回路内に流れ込む暗電流を防止する役割を担う。

次に、負荷４が動作中に、何らかの異常により負荷４の両端がショートしたとき、負荷駆動トランジスタ１１のコレクタ、又はドレイン電圧は電源端子１の電圧と等しくなるの
で、ダイオード２５のカソード側の電圧をアノード側の電圧より高くすることにより、抵抗２４、ダイオード２５のラッチ回路を介して流れていたトランジスタ２１のベース電流は遮断され、トランジスタ２１はＯＦＦ状態を保持する。

次に、以上のように構成されたこの発明の実施の形態１による電子制御装置の動作について更に詳述する。
図２は、この発明の実施の形態１による電子制御装置の動作を説明するタイミングチャートである。図２のＡはパルス発生源電圧の波形、図２のＢはトリガ用コンデンサ２３への入力電流の波形、図２のＣはトランジスタ２１のベース電圧の波形、図２のＤは負荷駆動トランジスタ１１のベース、又はゲート電圧の波形、図２のＥは負荷駆動トランジスタ１１のコレクタ、又はドレイン電圧の波形、を夫々示している。

図２に於いて、時点ｔ１では、パルス発生源３から出力されるＨＩＧＨの電圧に基づいて、トリガ用コンデンサ２３へ電荷を蓄えるために、トランジスタ２１のエミッタ−ベース間を介して所定の時間、電流が流れる。トランジスタ２１は、エミッタ−ベース間に電流が流れることでＯＮし、負荷駆動トランジスタ１１へベース電流、又はゲート電圧が供給され、負荷駆動トランジスタ１１はＯＮし、負荷４の電流が流れ始める。

時点ｔ１〜ｔ２の間である期間（１）では、時点ｔ１の後に、トリガ用コンデンサ２３の電荷が満たされ電流が流れなくなる前に負荷駆動トランジスタ１１がＯＮすることで、トランジスタ２１のベース電流は、抵抗２４、ダイオード２５、負荷駆動トランジスタ１１のコレクタ−エミッタ間を介して、ＧＮＤ２に流れ、トランジスタ２１はＯＮ状態を保持する。負荷駆動トランジスタ１１もＯＮ状態を保持され、負荷４への電流の供給は保持される。このとき、トランジスタ２１のベース電圧は、パルス発生源３のＨＩＧＨの電圧から、トランジスタ２１のベース−エミッタ間電圧：ＶＢＥだけ低下した電圧値となる。

期間（１）が終了する時点ｔ２では、パルス発生源３から出力される電圧がＨＩＧＨからＬＯＷに変化し、トランジスタ２１のベース電圧もＨＩＧＨからＬＯＷに変化しＯＦＦとなる。このとき、トリガ用コンデンサ２３に蓄えられていた電荷は、抵抗２２を介してパルス発生源３へ放出されるため、所定の時間、負の入力電流が流れる。
又、トランジスタ２１はＯＦＦになると、負荷駆動トランジスタ１１のベース電流、又はゲート電圧が遮断され、負荷駆動トランジスタ１１はＯＦＦし、負荷４の電流が遮断される。

次に、時点ｔ３に於いて、再びパルス発生源３から出力されるＨＩＧＨの電圧に基づいて、トリガ用コンデンサ２３へ電荷を蓄えるために、トランジスタ２１のエミッタ−ベース間を介して所定の時間、電流が流れる。トランジスタ２１は、エミッタ−ベース間に電流が流れることでＯＮし、負荷駆動トランジスタ１１へベース電流、又はゲート電圧が供給され、負荷駆動トランジスタ１１はＯＮし、負荷４の電流が流れ始める。
時点ｔ３の後に、トリガ用コンデンサ２３の電荷が満たされ電流が流れなくなる前に、負荷駆動トランジスタ１１がＯＮすることで、トランジスタ２１のベース電流は抵抗２４、ダイオード２５、負荷駆動トランジスタ１１のコレクタ−エミッタ間を介して、ＧＮＤ２に流れ、トランジスタ２１はＯＮ状態を保持する。負荷駆動トランジスタ１１もＯＮ状態を保持され、負荷４への電流の供給は保持される。このとき、トランジスタ２１のベース電圧は、パルス発生源３のＨＩＧＨの電圧から、トランジスタ２１のベース−エミッタ間電圧：ＶＢＥだけ低下した電圧値となる。

ここで、例えば、時点ｔ４に於いて、何らかの異常により負荷４の両端がショートしたとき、負荷駆動トランジスタ１１のコレクタ、又はドレイン電圧は電源端子１の電圧と等
しくなるので、ダイオード２５のカソード側の電圧は、アノード側の電圧より高くなる。このとき、トランジスタ２１のベース電圧は、パルス発生源３のＨＩＧＨの電圧から、トランジスタ２１のベース−エミッタ間電圧：ＶＢＥだけ低下した電圧値から、パルス発生源３のＨＩＧＨの電圧値まで上昇し、トランジスタ２１はＯＦＦとなる。
又、その間、トリガ用コンデンサ２３は電荷を蓄えるため、トランジスタ２１のエミッタ−ベース間を介して所定の時間、電流が流れる。
トランジスタ２１がＯＦＦすると、負荷駆動トランジスタ１１のベース、又はゲート電圧はＨＩＧＨからＬＯＷへと切り替わる。負荷駆動トランジスタ１１はＯＦＦとなり、負荷４のショート電流は遮断される。

時点ｔ４以降は、何らかの異常により負荷４の両端がショートしている状態が継続されているものとする。

次に、期間（２）が終了する時点ｔ５では、パルス発生源３から出力される電圧がＨＩＧＨからＬＯＷに変化し、トランジスタ２１のベース電圧もＨＩＧＨからＬＯＷに変化するが、負荷４のショート検出後に於いてトランジスタ２１はＯＦＦであり、トランジスタ２１はＯＦＦの状態を保持する。
このとき、トリガ用コンデンサ２３に蓄えられていた電荷は抵抗２２を介してパルス発生源３へ放出されるため、所定の時間、負の入力電流が流れる。又、トランジスタ２１はＯＦＦの状態を保持しているので、負荷駆動トランジスタ１１のベース電流、又はゲート電圧の遮断は保持され、負荷駆動トランジスタ１１はＯＦＦの状態を保持し、負荷４への電流の遮断は保持される。

次に、時点ｔ６〜ｔ７の間である期間（３）では、時点ｔ６に於いて、パルス発生源３から出力されるＨＩＧＨの電圧に基づいて、トリガ用コンデンサ２３へ電荷を蓄えるために、トランジスタ２１のエミッタ−ベース間を介して所定の時間、電流が流れる。
この間、トランジスタ２１はＯＮとなり、負荷駆動トランジスタ１１をＯＮするが、それ以外の期間は負荷駆動トランジスタ１１をＯＦＦする。所定の時間、負荷駆動トランジスタをＯＮする期間を十分短く設定することにより、負荷駆動トランジスタ１１を負荷４の両端のショートより保護する。

以上のように、この発明の実施の形態１の電子制御装置は、電流検出用の抵抗に発生する電圧でショート状態を検出することをせず、負荷を駆動するための第１のスイッチング素子である負荷駆動トランジスタのコレクタ−エミッタ間、又はドレイン−ソース間の電圧値により、負荷駆動トランジスタのベース、又はゲート部の通電を許可、又は禁止することで、ショート保護を可能とすることを特徴とするものである。

又、第１のスイッチング素子への通電を許可、又は禁止するための第２のスイッチング素子であるトランジスタを、パルス発生源に同期して所定の時間電流を供給するトリガ回路の一部とし、負荷駆動のトリガ出力と、負荷のショートを検出した際に第１のスイッチング素子への通電を禁止するための機能を１つの回路に備えたことを特徴とするものである。

従ってこの発明の実施の形態１の電子制御装置によれば、電流検出用の抵抗を必要とせず、保護回路を簡略化し、低コストでショート保護を可能とする電子制御装置を得ることができるものである。

実施の形態２．
図３は、この発明の実施の形態２による電子制御装置の回路図である。
この実施の形態２においては、負荷駆動トランジスタ１１１が第１のスイッチング素子に
相当し、トランジスタ１２１が第２のスイッチング素子に相当するものである。即ち、図３において、電源端子１とＧＮＤ２の間に、直列に負荷４と第１のスイッチング素子である負荷駆動トランジスタ１１１が接続されており、負荷駆動トランジスタ１１１がＯＮ、ＯＦＦと切り替わることで、負荷４が通電、若しくはシャットオフされる。負荷駆動トランジスタ１１１のコレクタ、又はドレイン部は負荷４に接続され、エミッタ、又はソース部は電源端子１に接続されている。

まず、正常時の回路動作において、パルス発生源３の電圧がＬＯＷからＨＩＧＨに変化するとき、抵抗１３２を介してトランジスタ１３１のベース電流が供給され、トランジスタ１３１はＯＮする。トランジスタ１３１がＯＮすると、コンデンサ１２３と抵抗１２２、１１２、トランジスタ１３１のコレクタ−エミッタ間を介して、トランジスタ１２１にベース電流が所定の時間だけ供給される。従って、トランジスタ１２１はＯＮとなり、負荷駆動トランジスタ１１１にベース電流、又はゲート電圧が供給され、負荷駆動トランジスタ１１１はＯＮとなる。負荷駆動トランジスタ１１１がＯＮすると負荷４に電流が流れ、負荷４は動作を開始する。このとき、負荷駆動トランジスタ１１１のコレクタ、又はドレイン電圧は負荷４の抵抗値による電圧降下により、ほぼ電源端子１と同じ電圧となる。

トリガ用のコンデンサ１２３の電荷が満たされ、トランジスタ１２１へのベース電流が遮断される前に、負荷駆動トランジスタ１１１のコレクタ、又はドレイン電圧がほぼ電源端子１と同じ電圧となることで、ダイオード１２５、抵抗１２４を介してトランジスタ１２１のベース電流は流れ続け、トランジスタ１２１、負荷駆動トランジスタ１１１はそれぞれＯＮを継続し、負荷４への電流の供給は保持される。

次に、パルス発生源３の電圧がＨＩＧＨからＬＯＷに変化するとき、トランジスタ１３１のベース電流が遮断されＯＦＦすることで、トランジスタ１２１もベース電流が遮断されＯＦＦする。従って、負荷駆動トランジスタ１１１もＯＦＦし、負荷４に電流が供給されず、負荷４は動作を停止する。このとき負荷駆動トランジスタ１１１のコレクタ、又はドレイン電圧はＧＮＤ２と同じ電圧となるが、ダイオード１２５により電流は流れ出ず、コンデンサ１２３はパルス発信源３のＬＯＷ電圧に保持される。
ダイオード１２５は、トリガ用のコンデンサ１２３の充放電動作を外部負荷から影響を受けないようにする働きがある。

次に、負荷４が動作中に、何らかの異常により負荷４の両端がショートしたとき、負荷駆動トランジスタ１１１のコレクタ、又はドレイン電圧はＧＮＤ２の電圧と等しくなるので、ダイオード１２５のアノード側の電圧はカソード側の電圧より低くなり、ダイオード１２５、抵抗１２４を介して流れていたトランジスタ１２１のベース電流は遮断され、トランジスタ１２１はＯＦＦ状態を保持する。

以上にように、この発明の実施の形態２の電子制御装置によれば、実施の形態１と同様の、以下に述べる特徴を備えるものである。
（１）負荷と電源端子の間に接続される第１のスイッチング素子である負荷駆動トランジスタを導通させ若しくはシャットオフさせる制御回路は、負荷ショート（短絡）を検出したときに負荷駆動トランジスタのコレクタ、又はドレイン部の論理（電位）が反転することを利用することにより、負荷駆動トランジスタのベース側に設けた、負荷駆動トランジスタへの通電の許可、又は禁止をするための第２のスイッチング素子であるトランジスタをＯＦＦに継続させることで、負荷駆動トランジスタのＯＦＦを継続し、ショート保護を行うことができる。

（２）また、負荷を駆動するための第１のスイッチング素子である負荷駆動トランジスタを導通、若しくはシャットオフさせる制御回路は、負荷駆動トランジスタを導通させると
きに、パルス発生源に同期して所定の時間電流を供給するトリガ回路により、一時的に負荷駆動トランジスタをＯＮし、負荷駆動トランジスタが一旦ＯＮとなると負荷駆動トランジスタのコレクタ、又はドレイン部の論理（電位）が反転することを利用することで、負荷駆動トランジスタのＯＮ状態の保持を行うことができる。

（３）また、前記制御回路は、負荷駆動トランジスタへの通電の許可、又は禁止をするための第２のスイッチング素子であるトランジスタを、負荷駆動トランジスタを導通させるときに、パルス発生源に同期して所定の時間電流を供給するトリガ回路の一部とすることで、保護回路の簡略化を行うことができる。

尚、上述の実施の形態１、実施の形態２では、負荷の両端がショートした場合について説明したが、この発明はこれに限らず、所定の電圧が負荷駆動トランジスタのコレクタ部に発生した場合にも適用可能である、負荷駆動トランジスタを保護するために同様の効果が得られるものである。

１電源端子、２ＧＮＤ、３パルス発生源、４負荷、
１１負荷駆動トランジスタ（第１のスイッチング素子）、
１２、１３抵抗、２１トランジスタ（第２のスイッチング素子）、
２２抵抗、２３トリガ用コンデンサ、２４抵抗、２５ダイオード、
１１１負荷駆動トランジスタ（第１のスイッチング素子）、
１１２、１１３抵抗、１２１トランジスタ（第２のスイッチング素子）、
１２２抵抗、１２３トリガ用コンデンサ、１２４抵抗、
１２５ダイオード、１３１トランジスタ、１３２、１３３抵抗。

Claims

負荷と直列に接続され、電源とＧＮＤ間に直列に接続されて負荷を駆動する第１のスイッチング素子、この第１のスイッチング素子の制御端子に接続され、オンオフすることによって前記第１のスイッチング素子のオンオフを制御する第２のスイッチング素子、この第２のスイッチング素子に駆動信号を供給してそのオンオフを制御するパルス発生源、を有する電子制御装置であって、
抵抗とコンデンサの直列接続体からなり、前記パルス発生源の出力端子間に接続されると共に、抵抗とコンデンサとの接続点が前記第２のスイッチング素子の制御端子に接続されるトリガ回路と、前記負荷と第１のスイッチング素子との接続点である第１交点と、前記コンデンサと前記第２のスイッチング素子の制御端子との接続点との間に接続されるダイオードと抵抗との直列接続体から構成され、且つ、該ダイオードは前記第１のスイッチング素子に対し順方向の向きに接続されるラッチ回路とを具備した制御回路を備え、
前記制御回路は、前記パルス発生源が駆動信号を出力した場合は、前記トリガ回路を介して所定時間前記第２のスイッチング素子をオンし、これにより前記第１のスイッチング素子もオンさせて前記負荷を駆動するとともに、該第１のスイッチング素子のオン時に前記第１交点で発生した電圧により、前記ラッチ回路のダイオードを介して前記第２のスイッチング素子の制御端子に動作電流を供給して、前記第２のスイッチング素子のオン状態を継続させ、前記パルス発生源が駆動信号を停止した場合は、前記第１のスイッチング素子、第２のスイッチング素子は共にオフとし、
前記パルス発生源の駆動信号が出力されている場合に負荷ショートが発生した場合には、前記第１交点で発生した電圧により、前記ラッチ回路のダイオードを介して前記第２のスイッチング素子の制御端子への動作電流の供給を遮断して第２のスイッチング素子をオフとし、これにより前記第１のスイッチング素子もオフするようにしたことを特徴とする電子制御装置。
前記負荷を電源側に接続し、負荷の下流に前記第１のスイッチング素子を接続したことを特徴とする請求項１に記載の電子制御装置。
前記負荷をＧＮＤ側に接続し、負荷の上流に前記第１のスイッチング素子を接続したことを特徴とする請求項１に記載の電子制御装置。
前記トリガ回路に使用されているコンデンサの積分機能を利用し、所定時間第２のスイッチング素子をオンし、これにより第１のスイッチング素子もオンし負荷を駆動することを特徴とする請求項２に記載の電子制御装置。
前記トリガ回路に使用されているコンデンサの微分機能を利用し、所定時間第２のスイッチング素子をオンし、これにより第１のスイッチング素子もオンし負荷を駆動することを特徴とする請求項３に記載の電子制御装置。
前記負荷と前記第１のスイッチング素子間の前記第１交点に対し、前記ラッチ回路に含まれるダイオードのカソード側を接続することで、前記負荷に接続されている電源からの影響を受けずに、前記トリガ回路に含まれるコンデンサの充電動作を行うとともに、電子制御装置が動作していない状態において、制御回路内に流れ込む暗電流を防止することを特徴とする請求項２に記載の電子制御装置。
前記負荷と前記第１のスイッチング素子間の前記第１交点に対し、前記ラッチ回路に含まれるダイオードのアノード側を接続することで、前記負荷に接続されているＧＮＤからの影響を受けずに、前記トリガ回路に含まれるコンデンサの充電動作を行うことを特徴とする請求項３に記載の電子制御装置。