JP5179885B2 - センスレジスタによって制御される定電流リレードライバ - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

〔関連出願の引用〕
本出願は米国仮出願第６０／８８４,９０４号明細書（２００７年１月１５日出願）に基づいて優先権を主張する。上記仮出願における開示内容は参照として本出願における開示内容に含まれる。

〔技術分野〕
本発明は機械式リレーの電流制御のための方法及びシステムに関する。

〔背景技術〕
機械式リレーにおけるコイルは熱を発する。リレーが稼動している時、リレーは電機子を引っ張るために大きな電流を必要とする。一度電機子が引っ張られると、電機子を適所に保持するために必要な電流は小さくてよい。

リレー製造業者は、種々の動作の想定の下でリレーが動作するようにリレーを設計する。コイルの抵抗は温度と共に増加することが知られている。実際の温度を考慮する代わりに、全ての温度で確実に動作するという通常の要求において、リレーの電機子を動作させるために供給される電流が調節される。いくつかの場合、通常の動作条件においては、電機子を動作させるために供給される電流は２倍以上要求されることもある（すなわち周囲の高い気温に適応させるため）。この過剰のエネルギーはその後熱として浪費される。リレーコイルによるこの過剰な熱の発生が、他の電子機器の熱の問題を引き起こすことがある。例えば、車両の電力分配センタモジュール（ＰＤＣ）は２０以上のリレーを備えることがある。それら２０個のリレーは車両における他の電子機器の動作に影響を及ぼすに十分な熱を提供する。

〔発明の概要〕
本発明は一般的にリレーを制御する方法を含む。その方法は一般的に、入力信号が第１の状態を示す時、直ちにプルインパルス（pull-in pulse）を出し始める工程を有する。センスレジスタコントローラはこのプルインパルスに基づいて動作する。センスレジスタコントローラの動作に基づき、電流はセンスレジスタを迂回し、リレーに流れるように制御される。リレーはこの電流に基づいて制御される。

さらに文中になされた記述により適用範囲が明らかになるだろう。この記述と具体例とは説明することのみを目的としたものであり、本発明の範囲を限定することを意図するものではない。

〔図面の簡単な説明〕
この文中に記述された図面は説明することのみを目的としたものであり、いずれにしても本発明の範囲を限定することを意図するものではない。

図１は本発明の種々の形態に即した電力分配センタを含む車両のブロック図である。

図２は本発明の種々の形態に基づくリレードライバシステムを示すブロック図である。

図３は図２に示す種々の形態のリレードライバシステムの例を示す電気回路図である。

〔発明の詳細な説明〕
以下の記述は単にまったく典型的なものであり、本発明、その用途、もしくは使用を限定することを意図するものではない。図面の至る所にある対応する参照符号は、似ているまたは対応する部品及び特徴を示すものである。この文中で使う場合は、モジュール、コントロールモジュール、コンポーネント、デバイス、あるいはそれらを組み合わせた用語は、以下に記述する一つまたはそれ以上に言及していることがある。それは、一つあるいはそれ以上のソフトウェアまたはファームウェアプログラムを実行するＡＳＩＣ、電気回路、演算装置（共有の、専有の、またはグループの）、およびメモリである。または、記述された機能を提供することができるコンビネーション論理回路、他の適した機械的、電気的、または電気機械的コンポーネント、あるいはそれらを組み合わせたものである。

図１は電力分配モジュール１２を備えた、参照符号１０を付した車両を示す図である。電力分配モジュール１２は車両電源１４から電気エネルギーを車両１０の様々な電気システム１６に提供することができる。電力分配モジュール１２は、本発明の種々の形態に基づいて、リレー２０の電機子を制御できる、一つあるいはそれ以上の種類のリレードライバシステム１８を備えてもよい。

図２を参照すると本発明の様々な形態で、リレードライバシステム１８はリレー２０を操作するための電流を制御することができる。本発明の一つの形態では、最初のプルイン期間（すなわちリレーの電機子が動いている期間）の間は、リレー２０に電源電圧の最大値が提供されるように電流を制御することができる。本発明の他方の形態では、プルイン期間の後（すなわち電機子の位置が保持されている期間）には、過剰な電気エネルギーを使用する、または過剰な熱を生み出す、あるいはその両方ともをすること無しにリレー２０の電機子の位置を保持することができるように、電流の電圧は調整される。

図２の例に示されるリレードライバシステム１８は一般的に、プルインパルス発生器２２、センスレジスタコントローラ２４、コンパレータ２６、高速遮断システム（fast turn off system）２８、論理ゲート３０、センスレジスタ３２、およびリレー２０を備える。リレー２０はリレーコイル３４とメインスイッチ３６とを備えていてもよい。入力信号３８はリレードライバシステム１８に指令を出すことができる。入力信号３８に基づき、リレードライバシステム１８は熱の発散を最小にしつつ、メインスイッチ３６の電機子を制御する。本発明の種々の形態によると、電流は車両電源１４からリレードライバシステム１８の様々な経路を通ってリレー２０まで流れる。

さらには、論理ゲート３０はメインスイッチ３６のＯＮ／ＯＦＦ状態を制御する。メインスイッチ３６がＯＮである時、電流はプルインパルス発生器２２、センスレジスタ３２、コンパレータ２６、高速遮断システム２８またはそれらを任意に組み合わせたものによって調節される。リレー操作の初期に、プルインパルス発生器２２はリレー電機子を引き込むために必要な時間の間、プルインパルスを発生させることができる。プルインパルスに基づき、センスレジスタコントローラ２４は、プルイン期間の間は、リレーコイル３４に電源電圧の最大値が印加されるように、少しの間センスレジスタ３２を通る電流を妨げることができる。電機子が引き込まれた後、動作の第１のモードに基づいて、センスレジスタコントローラ２４はセンスレジスタ３２に電流が流れるようにすることができる。動作の第１のモードの間、コンパレータ２６はセンスレジスタ３２での電圧降下と、参照電圧、ヒステリシス、あるいはその両方とを比較することができる。この電圧降下に基づき、以下で詳述するフリーホイール法によって、高速遮断システム２８はリレーコイル３４を通る電流を調節する。

図３を参照して、電気回路図は図２に示されるリレードライバシステムの種々の形態の例を説明する。リレードライバシステム１８はリレーコイル３４（Ｌ１）を備えていてもよい。センスレジスタ３２（Ｒ３）はコイルの電流を感知することができる。メインスイッチ３６はスイッチＱ５を備えていてもよい。スイッチＱ５はコイルの電流を制御する。

コンパレータ２６はプルアップ抵抗Ｒ１、ツェナーダイオードＺ１、第２の抵抗Ｒ２、コンパレータＵ１Ｂ、第３の抵抗Ｒ４、第４の抵抗Ｒ５、及びコンデンサＣ１を備えていてもよい。さらに、プルアップ抵抗Ｒ１はコンパレータＵ１Ｂを動作させるのに必要とされることがある。ツェナーダイオードＺ１と第２の抵抗Ｒ２とはコンパレータＵ１Ｂに参照電圧を提供することができる。第３の抵抗Ｒ４、第４の抵抗Ｒ５及びコンデンサＣ１はコンパレータＵ１Ｂに比較のためのヒステリシスを提供することができる。センスレジスタコントローラ２４は第１のコントロールトランジスタＱ１と第２のコントロールトランジスタＱ２を備えていてもよい。コントロールトランジスタＱ１，Ｑ２はセンスレジスタＲ３を流れる電流を調節するために使用することができる。

プルインパルス発生器２２はコンパレータＵ３Ａ、抵抗Ｒ８、コンデンサＣ２、及び論理ゲートＵ２Ａを備えていてもよい。上述したように、プルインパルス発生器はリレー操作の開始時にプルインパルスを発生させることができる。論理ゲート３０はＡＮＤゲートＵ２Ｂ、ツェナーダイオードＺ３、及び抵抗Ｒ７を備えていてもよい。ＡＮＤゲートＵ２Ｂは、入力信号３８とコンパレータＵ１Ｂの出力とが共同でメインスイッチＱ５を制御できるようにする。ツェナーダイオードＺ３はコンパレータＵ１Ｂの出力電圧に論理的な範囲の制限を与える。高速遮断システム２８はフリーホイールダイオードＤ１、高速遮断トランジスタＱ４、抵抗Ｒ６、スイッチＱ３、及びツェナーダイオードＺ２を備えていてもよい。フリーホイールダイオードＤ１は、コイルＬ１を通る電流を調節するために、高速遮断トランジスタＱ４、抵抗Ｒ６、及びスイッチＱ３によって制御されてもよい。ツェナーダイオードＺ２は逆起電力保護（reverse battery protection）と同じように高速遮断のために使用されることができる。

本発明によれば、リレードライバシステム１８は以下の方法によって動作することができる。入力信号３８がＬ（Ｌｏｗ，ロウ）レベルの時、論理ゲートＵ２ＢはメインスイッチＱ５をオフにすることができる。それによって、センスレジスタＲ３、コイルＬ１、あるいはその両方に電流が流れるのを妨げている。リレー２０（図２）は不活性状態にあるとみなされ、センスレジスタＲ３での電圧降下は０になる。コンパレータＵ１Ｂの出力がＨ（Ｈｉｇｈ，ハイ）レベルとなり、その結果論理ゲートＵ２Ｂが入力信号３８によって制御される準備が整う。

入力信号３８がＬレベルからＨレベルに変化する時、論理ゲートＵ２ＢはメインスイッチＱ５をオンにすることができる。それと同時に、コンパレータＵ３Ａと論理ゲートＵ２Ａとを備えるプルインパルス発生器２２が、点ＢにてＨレベルのプルインパルスを発生することができる。プルインパルスは第２コントロールトランジスタＱ２と第１コントロールトランジスタＱ１とを備えるセンスレジスタコントローラ２４をオンにする。以上のような動作では、電流経路はＶｂａｔｔで始まり、コントロールトランジスタＱ１、コイルＬ１、スイッチＱ５へと流れ、接地ＧＮＤに至る。電源電圧の最大値がコイルＬ１に加わることになる。コイルＬ１の電流は上がり始める。

入力信号３８がＨレベルの時、高速遮断トランジスタＱ４とスイッチＱ３とがオンになる。ダイオードＤ１はスイッチＱ３とセンスレジスタＲ３とを介してコイルＬ１に接続されている。ダイオードＤ１はコイルＬ１に対するフリーホイール機能の役割を果たす準備が整う。さらにプルインパルスが終わった後に、第２コントロールトランジスタＱ２と第１コントロールトランジスタＱ１とがオフになる。コイルＬ１を通る電流は第１コントロールトランジスタＱ１からの電流から、センスレジスタＲ３からの電流へと直ちに移る。センスレジスタＲ３を通る電流はセンスレジスタＲ３にて電圧降下を引き起こす。点Ａでの電圧（Ｖａ）はコンパレータＵ１Ｂの低い閾値以下である。Ｕ１Ｂの出力がＬレベルとなる。このコンパレータの出力は論理ゲートＵ２Ｂを介してメインスイッチＱ５をオフにし、それによってメインスイッチＱ５を通って流れるコイルの電流を妨げる。その代わり、コイル電流は、コイルＬ１の下側から始まりダイオードＤ１、スイッチＱ３、センスレジスタＲ３を流れコイルＬ１の上側に戻ってくる新しい経路を通って、減少する。この経路はまたフリーホイール経路とも言われることがある。センスレジスタＲ３での電圧降下はコイル電流と共に小さくなり、点Ａでの電圧（Ｖａ）は大きくなっていく（すなわちＶｂａｔｔにだんだん近づく）。

点Ａでの電圧（Ｖａ）がコンパレータＵ１Ｂの高い閾値より高くなった時、コンパレータＵ１Ｂの出力がＨレベルとなる。このコンパレータＵ１Ｂの出力は論理ゲートＵ２Ｂを介してメインスイッチＱ５をオンにする。そうするとコイルの電流は増加し始める。例えば、コイルの電流の経路はＶｂａｔｔで始まり、センスレジスタＲ３、コイルＬ１、メインスイッチＱ５を通って流れ接地ＧＮＤに至る。

コイルの電流が増加している間、点Ａの電圧（Ｖａ）はだんだん低くなる。点Ａの電圧（Ｖａ）がコンパレータＵ１Ｂの低い閾値より低くなると、コンパレータＵ１Ｂの出力はＬレベルとなる。このコンパレータの出力は論理ゲートＵ２Ｂを介してメインスイッチＱ５をオフにする。点Ａでの電圧（Ｖａ）を調節するこの方法は繰り返されることができる。この方法では、コイルの電流をプルイン電流よりもかなり低い一定のレベルに調整することができる。電源電圧が変化した時、またはコイルの温度が変化した時、あるいはその両方が変化した時でも、コイルの電流レベルは変わらない。

入力信号がＨレベルからＬレベルに変化する時、高速遮断トランジスタＱ４とスイッチＱ３とはオフになる。フリーホイール経路は除かれる。それと同時に、メインスイッチＱ５は論理ゲートＵ２Ｂによってオフにされる。コイルの電流はコイルＬ１の下側から始まり、ダイオードＺ２を流れて接地ＧＮＤ（すなわち車両電源の負極）に至り、電源１４、電源１４の正極、センスレジスタＲ３を通りコイルＬ１の上側に至る高速遮断経路を通って０まで低下する。コイルＬ１に蓄えられた磁気エネルギーは高い速度で放出される。ツェナー降伏電圧が高ければ高いほど、放出の速度は速く、遮断の過程も速くなる。

具体的な実施形態がこの明細書中に記述され、図面に描かれたが、請求項に定義されたように、本発明の範囲から外れること無しに様々な変更を加えることができるということ、同等の物をこれらの要素の代わりにすることができるということを、当業者は了解するだろう。さらに、特別上に記述していない限り、本発明の一形態の特徴、要素、機能、あるいはそれらの組み合わせは、適した物として別の形態に含まれるであろうことを、当業者は本発明から認識するだろう。また同様に本発明の種々の形態の中の特徴、要素、機能あるいはそれらの組み合わせを混ぜること及び組み合わせることは、これに鑑みて明白に予想することができる。なおまた、本発明の本質的な範囲から外れずることなしに、特定の状況、構成、または物質を本発明に適応させる多くの変更が可能である。それゆえ、上の記述及び添付の請求項の範囲内の多くの形態及びそれに続く例が本発明の範囲に含まれるであろうけれども、本発明は、目下本発明を実行するための最良の形態として図面で描かれた、及び明細書中に記述された特定の形態に限定されるということを意図しない。

本発明の種々の形態に即した電力分配センタを含む車両のブロック図である。 本発明の種々の形態に基づくリレードライバシステムを示すブロック図である。 図２に示す種々の形態のリレードライバシステムの例を示す電気回路図である。

Claims (12)

1. リレーを制御するリレー制御方法であって、
   入力信号が第１の状態を示す時、直ちにプルインパルスを発生させ始める工程と、
   上記プルインパルスに基づきセンスレジスタコントローラを動作させる工程と、
   上記センスレジスタコントローラの動作に基づき、センスレジスタを迂回して上記リレーに流れるように電流を制御する工程と、
   上記電流に基づき上記リレーを制御する工程と、
   さらに、上記プルインパルスが完了した後に、
   上記センスレジスタコントローラを不活性化する工程と、
   上記センスレジスタを通って流れる電流を制御する工程と、
   上記センスレジスタに基づきリレー電流を感知する工程と、
   上記感知したリレー電流に基づき電流を調節する工程とを有するリレー制御方法。
2. さらに、上記入力信号が第２の状態に変化する時、高速遮断経路を介して電流を制御する工程を有する請求項１に記載のリレー制御方法。
3. 上記電流を調節する工程において、上記感知したリレー電流に基づきフリーホイール経路を介して上記電流を制御する工程を有する請求項１に記載のリレー制御方法。
4. 上記フリーホイール経路を介して電流を制御する工程において、上記感知したリレー電流を低下させるため、上記リレーに代えて上記フリーホイール経路を介して電流を制御する工程を有する請求項３に記載のリレー制御方法。
5. リレーを制御する制御システムであって、
   上記リレーと選択的に通じるセンスレジスタと、
   入力信号が第１の状態を示す時、直ちにプルインパルスを発生させ始めるプルインパルス発生器と、
   上記プルインパルスに基づき、上記センスレジスタを迂回して上記リレーに流れるように電流を制御するセンスレジスタコントローラとを備え、
   プルインパルスが完了した後に、
   上記センスレジスタコントローラが、上記センスレジスタを通って流れる電流を制御し、
   上記センスレジスタが、リレー電流を感知して、
   上記感知したリレー電流に基づき電流を調節する制御システム。
6. さらに、上記センスレジスタでの電圧降下と参照電圧とを比較するコンパレータと、
   上記比較に基づき上記リレーに流れる電流を調節する高速遮断システムとを備える請求項５に記載の制御システム。
7. 上記高速遮断システムは、上記電圧降下が上記参照電圧よりも大きい時に、フリーホイール経路を介して電流を通過させることによって電流を調節する請求項６に記載の制御システム。
8. 上記高速遮断システムは、上記入力信号が第２の状態を示す時に、高速遮断経路を介して電流を通過させることによって電流を調節する請求項６に記載の制御システム。
9. リレーを制御する制御システムであって、
   上記リレーと選択的に通じるセンスレジスタと、
   入力信号が第１の状態を示す時、直ちにプルインパルスを発生させ始めるプルインパルス発生器と、
   上記プルインパルスに基づき、上記センスレジスタを通る流れ、及び迂回する流れのうち一つに電流を流すように選択的に制御するセンスレジスタコントローラと、
   上記センスレジスタでの電圧降下と参照電圧とを比較するコンパレータと、
   上記比較に基づき、上記リレーに流れる電流を調節する高速遮断システムとを備える制御システム。
10. 上記センスレジスタコントローラは、上記プルインパルスが完了した後に、上記センスレジスタを通って流れるように電流を制御する請求項９に記載の制御システム。
11. 上記高速遮断システムは、上記電圧降下が上記参照電圧よりも大きい時に、フリーホイール経路を介して電流を通過させることによって電流を調節する請求項９に記載の制御システム。
12. 上記高速遮断システムは、上記入力信号が第２の状態を示す時に、高速遮断経路を介して電流を通過させることによって電流を調節する請求項９に記載の制御システム。

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