JP5229495B2 - スイッチング装置及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、スイッチング装置に関し、特にＵＶＬＯ（低電圧誤動作防止）機能を備えるスイッチング装置及びその制御方法に関する。

特許文献１に開示されるスイッチング装置は、負荷としてのソレノイドに流れる負荷電流を検出し、マイコンから入力する制御目標値と負荷電流との偏差を小さくするようにスイッチング素子をＰＷＭ制御するソレノイド駆動装置である。

また、特許文献２には、制御回路に供給される電源電圧が所定値を下回ると制御回路が動作を停止し、スイッチング装置における制御回路の誤動作を防止することが開示される。このような機能は、ＵＶＬＯ（低電圧誤動作防止）機能と呼ばれ、上記のソレノイド駆動装置に組み合わせることが知られている。

図４、５を用いて、従来のスイッチング装置におけるＵＶＬＯ機能の動作を説明する。

図４及び図５は、従来のスイッチング装置の動作を示すフローチャート及び波形図である。なお、ＶＢ’は制御回路に供給される電源電圧であり、Ｖｔｈ’は制御回路を停止するための所定値であり、Ｖｍｉｎ’は制御回路の最低動作電圧であり、ＩＬ’はソレノイドに流れる負荷電流であり、ＶＧ’はスイッチング素子をオンオフ制御するためのゲート駆動信号である。

まず、ステップＳ１０１では、スイッチング装置は通常動作を行う。即ち、直流電圧ＶＢ’が上昇すると、制御回路は、ソレノイドに電力を供給するためにスイッチング素子のＰＷＭ制御を開始し、Ｈ（高）レベルとＬ（低）レベルとを交互に繰り返すパルス信号であるゲート駆動信号ＶＧ’を出力する。また、スイッチング素子の動作に応じて負荷電流ＩＬ’が増減する。

ステップＳ１０２では、制御回路は、電源電圧ＶＢ’が所定値Ｖｔｈ’を下回っているか否かを調べる。電源電圧ＶＢ’が所定値Ｖｔｈ’以上であれば、ステップＳ１０１において引き続き、スイッチング装置は通常動作を行う。一方、電源電圧ＶＢ’が所定値Ｖｔｈ’を下回る場合は、ステップＳ１０３において制御回路が動作を停止する。

即ち、図５に示す時刻ｔ１’において、図示しない周辺機器の動作状況により直流電圧ＶＢ’が低下し所定値Ｖｔｈ’を下回ると、制御回路の動作が停止し、ゲート駆動信号ＶＧ’がＬレベルとなる。

ステップＳ１０４では、制御回路は、電源電圧ＶＢ’が所定値Ｖｔｈ’以上であるか否かを調べる。電源電圧ＶＢ’が所定値Ｖｔｈ’以上であれば、ステップＳ１０５において制御回路が動作を再開する。一方、電源電圧ＶＢ’が所定値Ｖｔｈ’を下回る場合は、ステップＳ１０３において、継続して制御回路が動作を停止する。

即ち、図５に示す時刻ｔ１’から時刻ｔ２’までの期間、直流電圧ＶＢ’が所定値Ｖｔｈ’を下回っている期間、制御回路が動作停止を維持し、ゲート駆動信号ＶＧ’がＬレベルを維持する。その後、時刻ｔ２’において、直流電圧ＶＢ’が所定値Ｖｔｈ’を上回ると、制御回路は、スイッチング素子のＰＷＭ制御を再開しゲート駆動信号ＶＧ’を出力する。スイッチング素子の動作再開に伴い負荷電流ＩＬ’が増減する。

ステップＳ１０６では、ステップＳ１０１と同様に、スイッチング装置は通常動作を行う。

従来のＵＶＬＯ機能を備えるスイッチング装置は、このような動作を繰り返すことにより、直流電圧ＶＢ’が低下したときに制御回路の誤動作を防止する。

特開第２０００−１１４０３９号公報 特開第２００４−２２９４７号公報

ところで、制御回路を構成する各素子は、それぞれ異なる最低動作電圧（正常動作が可能な電圧の下限値）を有する。制御回路を停止するための所定値Ｖｔｈ’は、各素子の最低動作電圧のうち最も高い値を基準に設定される。例えば、従来のスイッチング装置における所定値Ｖｔｈ’は、負荷電流ＩＬを検出する増幅器（アンプ）の最低動作電圧値を基準とし、それよりも高い値に設定される。

従って、従来のＵＶＬＯ機能を備えるスイッチング装置は、所定値Ｖｔｈ’が比較的高く設定されるため、ソレノイドを制御できる電圧範囲が狭くなるという問題点があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものである。従って、本発明は、より広い電圧範囲で動作が可能なＵＶＬＯ機能を備えるスイッチング装置を提供することである。

上記のような課題を解決するために、請求項１の発明は、
直流電圧を出力する直流電圧出力手段と、前記直流電圧を負荷に供給するためのスイッチング素子と、前記スイッチング素子から前記負荷に供給される電力を検出する電力検出手段と、前記電力検出手段の出力に応じて前記スイッチング素子をＰＷＭ制御する駆動手段と、前記直流電圧の値が第１の閾値を下回るとき前記ＰＷＭ制御を停止させる停止手段と、前記電力検出手段の最低動作電圧値を上回る第２の閾値と、を有するスイッチング装置であって、前記第１の閾値が前記電力検出手段の最低動作電圧値よりも小さく、前記駆動手段が前記スイッチング素子をＰＷＭ制御するデューティ比の保持とリセットとを周期的に行い、且つ、前記直流電圧の値が前記第２の閾値を下回る場合には、前記駆動手段が保持したデューティ比で前記スイッチング素子を制御し、さらに前記直流電圧の値が第１の閾値を下回り前記停止手段により停止するまで前記スイッチング素子を制御することを特徴とする。 また、請求項５記載の発明は、直流電圧を負荷に供給するためにスイッチング素子をＰＷＭ制御するスイッチング装置の制御方法であって、前記スイッチング素子から前記負荷に供給される電力を検出する電力検出手段の出力に応じて前記スイッチング素子をＰＷＭ制御し、前記スイッチング素子をＰＷＭ制御するデューティ比の保持とリセットとを周期的に行う駆動手段を有し、前記駆動手段は、前記直流電圧の値が前記電力検出手段の最低動作電圧値よりも高い第２の閾値を下回るとき、前記駆動手段が保持した前記デューティ比で前記スイッチング素子をＰＷＭ制御し、
且つ、前記直流電圧の値が前記電力検出手段の最低動作電圧値よりも小さい第１の閾値を下回るとき前記ＰＷＭ制御を停止させることを特徴とする。

本発明の各請求項に係る発明によれば、より広い電圧範囲で動作が可能なＵＶＬＯ機能を備えるスイッチング装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係るスイッチング装置の構成を示す回路構成図である。 本発明の実施形態に係るスイッチング装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係るスイッチング装置の各部の動作を示す波形図である。 従来のスイッチング装置の動作を示すフローチャートである。 従来のスイッチング装置の各部の動作を示す波形図である。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、現実のものとは異なる。

図１を用いて、本発明の実施形態に係るスイッチング装置の構成について説明する。
図１に示す本実施形態に係るスイッチング装置は、直流電圧出力手段としてのバッテリ１と、バッテリ１とソレノイド６との間を開閉するスイッチング素子２と、ソレノイド６に流れる電流を検出する電流検出手段（電力検出手段）３と、電流検出手段３の出力とマイコン７から入力する制御目標値とに応じてスイッチング素子２をＰＷＭ制御する駆動手段４と、駆動手段４のＰＷＭ制御を停止させる停止手段５と、を備える。電流検出手段３と駆動手段４と停止手段５とは、制御回路１００を構成する。

バッテリ１は、充電式電池から成り、直流電圧ＶＢをスイッチング素子２のドレイン端子及び制御回路１００に出力する。なお、バッテリ１に代わり、商用電源を整流して直流電圧を出力するように構成した回路を設けても良い。

スイッチング素子２は、ＭＯＳＦＥＴから成り、ドレイン端子がバッテリ１に接続され、制御回路１００からゲート端子に入力するパルス信号から成るゲート駆動信号ＶＧに応じて、ソース端子から電流検出手段３及びソレノイド６に断続的に直流電圧ＶＢを出力する。なお、スイッチング素子２として、バイポーラトランジスタやＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）などを用いることができる。

電流検出手段３は、電流検出抵抗３１と、電流検出アンプ３２と、を備える。電流検出抵抗３１の一端はスイッチング素子２のソース端子に接続され、他端はソレノイド６の一端に接続される。電流検出抵抗３１は、ソレノイド６に流れる負荷電流ＩＬを検出し、電圧信号として電流検出アンプ３２に出力する。電流検出アンプ３２は、直流電圧ＶＢで駆動し、反転入力端子と非反転入力端子とに入力する電圧信号を増幅し、検出信号として駆動手段４に出力する。また、電流検出アンプ３２は、最低動作電圧Ｖａｍｉｎを有し、直流電圧ＶＢがＶａｍｉｎを上回るときに負荷電流ＩＬを正常に検出する。

駆動手段４は、演算回路４１と、ＡＮＤ回路４２と、ドライバ回路４３と、を備える。演算回路４１は、マイコン７から入力するクロック信号に同期して、電流検出手段３から入力する検出信号とマイコン７から入力する制御目標値とから、パルス信号から成るゲート駆動信号ＶＧのデューティ比（オン幅）を演算し、演算結果に基づくＰＷＭ信号をＡＮＤ回路４２の一方の入力端子に出力する。ＡＮＤ回路４２の他方の入力端子は停止手段５に接続し、出力端子はドライバ回路４３に接続する。ドライバ回路４３は、図示しないチャージポンプ回路により昇圧された直流電圧ＶＢが印加され、ＡＮＤ回路４２の出力をゲート駆動信号ＶＧとしてスイッチング素子２のゲート端子に出力する。

また、演算回路４１は、電流検出アンプ３２の最低動作電圧Ｖａｍｉｎよりも大きい閾値Ｖｔｈ２（第２の閾値）を有し、直流電圧ＶＢと閾値Ｖｔｈ２との比較結果に応じて動作するサンプルホールド部（図示せず）を有する。直流電圧ＶＢが閾値Ｖｔｈ２を上回るとき、サンプルホールド部は、マイコン７から入力するクロック信号に同期して、デューティ情報（演算結果）のリセットと保持とを周期的に行い、保持したデューティ情報に基づくＰＷＭ信号を出力する。また、直流電圧ＶＢが閾値Ｖｔｈ２を下回るとき、サンプルホールド部は、直流電圧ＶＢが閾値Ｖｔｈ２を下回る直前のデューティ情報を保持し、リセットと保持との繰り返しを休止する。即ち、Ｖｔｈ２＞ＶＢのとき、演算回路４１はデューティ比が一定のＰＷＭ信号を出力する。

停止手段５は、閾値Ｖｔｈ１（第１の閾値）を有し、バッテリ１から入力する直流電圧ＶＢを分圧して閾値Ｖｔｈ１と比較し、比較結果を停止信号としてＡＮＤ回路４２の他方の入力端子に出力する。図１に示す停止手段５は、直流電圧ＶＢが閾値Ｖｔｈ１を上回るときＨ（高）レベル、直流電圧ＶＢが閾値Ｖｔｈ１を下回るときＬ（低）レベルの停止信号を出力する。閾値Ｖｔｈ１は、電流検出アンプ３２の最低動作電圧Ｖａｍｉｎよりも小さく、且つ、制御回路１００を構成する電流検出アンプ３２を除く各素子の最低動作電圧よりも大きい値に設定される。

ソレノイド６は、その一端が電流検出抵抗３１の他端に接続され、他端はグランドに接続される。ソレノイド６は、負荷電流ＩＬの大きさに応じて所定の変位量を得ることができる。また、ソレノイド６と並列に図示しない回生ダイオードが接続される。

マイコン７は、駆動手段４に制御目標値及び制御クロック信号を出力する。

次に、図２及び図３を用いて、本実施形態に係るスイッチング装置の動作について説明する。
図２及び図３は、図１に示す本発明に係るスイッチング装置の動作を示すフローチャート及び波形図である。

まず、ステップＳ１では、スイッチング装置は通常動作を行う。即ち、直流電圧ＶＢが上昇すると、駆動手段４は、通常動作として、ソレノイド６に電力を供給するためにスイッチング素子２のＰＷＭ制御を開始し、Ｈ（高）レベルとＬ（低）レベルとを交互に繰り返すパルス信号であるゲート駆動信号ＶＧを出力する。また、スイッチング素子の動作に応じて負荷電流ＩＬが増減する。

ステップＳ２では、演算回路４１が、電流検出手段３の検出信号をマイコン７の制御目標値に近づけるようにデューティ比（オン幅）を演算し、デューティ情報のリセットと保持とを周期的に繰り返し、保持したデューティ情報に基づくＰＷＭ信号を出力する。

ステップＳ３では、制御回路１００は、電源電圧ＶＢが閾値Ｖｔｈ２を下回っているか否かを調べる。電源電圧ＶＢが閾値Ｖｔｈ２以上であれば、ステップＳ２においてスイッチング装置は通常動作を行い、演算回路４１はデューティ情報のリセットと保持とを周期的に繰り返す。一方、電源電圧ＶＢが閾値Ｖｔｈ２を下回る場合は、ステップＳ４において、演算回路４１はデューティ情報のリセットと保持とを休止する。さらにステップＳ５において、制御回路１００は直流電圧ＶＢが閾値Ｖｔｈ２を下回る直前のデューティ比でスイッチング素子２をＰＷＭ制御する。

即ち、図３に示す時刻ｔ１において、図示しない周辺機器の動作状況により直流電圧ＶＢが低下し閾値Ｖｔｈ２を下回ると、演算回路４１は、デューティ情報のリセットと保持との繰り返しを休止する。従って、ゲート駆動信号ＶＧのデューティ比は、直流電圧ＶＢが閾値Ｖｔｈ２を下回る直前のデューティ比と等しくなる。

ステップＳ６では、制御回路１００は、電源電圧ＶＢが閾値Ｖｔｈ２を下回っているか否かを調べる。電源電圧ＶＢが閾値Ｖｔｈ２以上であれば、ステップＳ１２において演算回路４１はデューティ情報のリセットと保持とを再開し、さらにステップＳ１３においてスイッチング装置は通常動作を行う。一方、電源電圧ＶＢが閾値Ｖｔｈ２を下回る場合は、制御回路１００は、引き続き直流電圧ＶＢが閾値Ｖｔｈ２を下回る直前のデューティ比でスイッチング素子２をＰＷＭ制御すると共に、ステップＳ７において、電源電圧ＶＢが閾値Ｖｔｈ１を下回っているか否かを調べる。

ステップＳ７において、電源電圧ＶＢが閾値Ｖｔｈ１以上であれば、ステップＳ５において制御回路１００は、引き続き直流電圧ＶＢが閾値Ｖｔｈ２を下回る直前のデューティ比でスイッチング素子２をＰＷＭ制御する。一方、電源電圧ＶＢが閾値Ｖｔｈ１を下回る場合は、ステップＳ８において制御回路１００は、スイッチング素子２のＰＷＭ制御を停止する。

即ち、図３に示す時刻ｔ２において、直流電圧ＶＢが徐々に低下し、電流検出アンプ３２の最低動作電圧Ｖａｍｉｎを下回ると、電流検出アンプ３２は負荷電流ＩＬを正常に検出できなくなる。このとき、直流電圧ＶＢは閾値Ｖｔｈ１よりも大きいため、制御回路１００は、引き続き一定のデューティ比でスイッチング素子２をＰＷＭ制御する。

即ち、図３に示す時刻ｔ１から時刻ｔ３までの期間、制御回路１００は、時刻ｔ１の直前に保持したデューティ情報に基づくゲート駆動信号ＶＧでスイッチング素子２をＰＷＭ制御する。

次に、図３に示す時刻ｔ３において、直流電圧ＶＢがさらに低下し、閾値Ｖｔｈ１を下回ると、停止手段５がＬ（低）レベルの停止信号を出力する。このため、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの期間、ＡＮＤ回路４２の出力がＬレベルになり、ドライバ回路４３が出力するゲート駆動信号ＶＧはＬレベルとなる。即ち、制御回路１００は、スイッチング素子２のＰＷＭ制御を停止する。

ステップＳ９では、制御回路１００は、電源電圧ＶＢが閾値Ｖｔｈ１以上であるか否かを調べる。電源電圧ＶＢが閾値Ｖｔｈ１以上であれば、ステップＳ１０においてステップＳ５と同様に、制御回路１００は直流電圧ＶＢが閾値Ｖｔｈ２を下回る直前のデューティ比でスイッチング素子２をＰＷＭ制御する。一方、電源電圧ＶＢが閾値Ｖｔｈ１を下回る場合、ステップＳ８において継続して制御回路１００が動作を停止する。

即ち、図３に示す時刻ｔ３から時刻ｔ４までの期間、即ち直流電圧ＶＢが閾値Ｖｔｈ１を下回っている期間、制御回路１００が動作停止を維持し、ゲート駆動信号ＶＧがＬレベルを維持する。

次に、図３に示す時刻ｔ４において、直流電圧ＶＢが上昇し、閾値Ｖｔｈ１を上回ると、停止手段５がＨ（高）レベルの停止信号を出力する。このため、駆動手段４は、演算回路４１が出力するＰＷＭ信号に基づくゲート駆動信号ＶＧを出力し、スイッチング素子２のＰＷＭ制御を再開する。このとき、演算回路４１はデューティ情報のリセットと保持との繰り返しを休止しているため、時刻ｔ１の直前と等しいデューティ比のＰＷＭ信号を出力する。

ステップＳ１１では、制御回路１００は、電源電圧ＶＢが閾値Ｖｔｈ２以上であるか否かを調べる。電源電圧ＶＢが閾値Ｖｔｈ２以上であれば、ステップＳ１２において演算回路４１は、デューティ情報のリセットと保持との繰り返しを再開する。一方、電源電圧ＶＢが閾値Ｖｔｈ２を下回る場合、ステップＳ１０において引き続き、制御回路１００は直流電圧ＶＢが閾値Ｖｔｈ２を下回る直前のデューティ比でスイッチング素子２をＰＷＭ制御する。

即ち、図３に示す時刻ｔ５において、直流電圧ＶＢが時刻ｔ４よりもさらに上昇し、閾値Ｖｔｈ２を上回ると、演算回路４１は、通常動作として、デューティ情報のリセットと保持との繰り返しを再開する。従って、駆動手段４は、時刻ｔ１以前と同様に、電流検出手段３の検出信号とマイコン７の制御目標値とに応じてスイッチング素子２をＰＷＭ制御する。

ステップＳ１３では、ステップＳ１と同様に、スイッチング装置は通常動作を行う。

本発明の実施形態に係るスイッチング装置は、このような動作を繰り返すことにより、直流電圧ＶＢが電流検出アンプ３２の最低動作電圧Ｖａｍｉｎを下回り、電流検出手段３が不安定動作になりやすい期間においてもスイッチング素子２をＰＷＭ制御し、ソレノイド６を駆動し続けることができる。

本実施例に係るスイッチング装置は、以下の効果を有する。
（１）スイッチング素子２の制御を停止させるための閾値Ｖｔｈ１が、電流検出アンプ３２の最低動作電圧Ｖａｍｉｎよりも低く設定される。そのため、ＵＶＬＯ（低電圧誤動作防止）機能を有するスイッチング装置の動作可能な電圧範囲を低電圧側に広げることができる。
（２）直流電圧ＶＢが閾値Ｖｔｈ２以下のとき、駆動手段４が、直流電圧ＶＢが閾値Ｖｔｈ２を下回る直前と等しいデューティ比（オン幅）でスイッチング素子２をＰＷＭ制御するため、負荷電流ＩＬの急増や急減が起こりにくく、ソレノイド６を良好に駆動することができる。
（３）制御回路１００が動作を再開するときに、保持したデューティ比でスイッチング素子２をＰＷＭ制御するため、最小デューティ比でＰＷＭ制御を再開する場合に比べ、負荷電流ＩＬの立ち上がりを早くすることができる。
（４）制御回路１００が動作を再開するときに、保持したデューティ比でスイッチング素子２をＰＷＭ制御するため、最大デューティ比でＰＷＭ制御を再開する場合に比べ、過電流によりソレノイド６が破壊することを防止することができる。

以上、本発明の実施形態の一例について説明したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。例えば、本発明は、ソレノイド以外の例えばモータ、ＬＥＤ又はランプなどを負荷とするスイッチング装置、或いは負荷電圧を検出して制御するスイッチング装置に適用することができる。また、一定のデューティ比（オン幅）でスイッチング素子２をＰＷＭ制御する手段として、デューティ情報のリセットと保持との繰り返しを継続し、電流検出手段３の検出信号を保持するようにしても良い。また、制御回路１００のＰＷＭ制御を停止させる手段として、ドライバ回路４３を停止手段５の停止信号によって停止させても良く、スイッチング素子２とドライバ回路４３との間を停止信号によって開放するように構成しても良い。

１ バッテリ
２ スイッチング素子
３ 電流検出手段
４ 駆動手段
５ 停止手段
６ ソレノイド
７ マイコン
３１ 電流検出抵抗
３２ 電流検出アンプ
４１ 演算回路
４２ ＡＮＤ回路
４３ ドライバ回路

Claims (5)

1. 直流電圧を出力する直流電圧出力手段と、前記直流電圧を負荷に供給するためのスイッチング素子と、前記スイッチング素子から前記負荷に供給される電力を検出する電力検出手段と、前記電力検出手段の出力に応じて前記スイッチング素子をＰＷＭ制御する駆動手段と、前記直流電圧の値が第１の閾値を下回るとき前記ＰＷＭ制御を停止させる停止手段と、前記第１の閾値が前記電力検出手段の最低動作電圧値よりも小さく、前記電力検出手段の最低動作電圧値を上回る第２の閾値と、を有するスイッチング装置であって、前記駆動手段が前記スイッチング素子をＰＷＭ制御するデューティ比の保持とリセットとを周期的に行い、且つ、前記直流電圧の値が前記第２の閾値を下回る場合には、前記駆動手段が保持したデューティ比で前記スイッチング素子を制御し、さらに前記直流電圧の値が第１の閾値を下回り前記停止手段により停止するまで前記スイッチング素子を制御することを特徴とするスイッチング装置。
   
2. 前記負荷が、供給される電流に応じて所定の変位量を得るソレノイドであることを特徴とする請求項１記載のスイッチング装置。
   
3. 前記電力検出手段が、前記負荷に供給される電流を検出することを特徴とする請求項２記載のスイッチング装置。
   
4. 前記直流電圧出力手段が、バッテリであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のスイッチング装置。
   
5. 直流電圧を負荷に供給するためにスイッチング素子をＰＷＭ制御するスイッチング装置の制御方法であって、前記スイッチング素子から前記負荷に供給される電力を検出する電力検出手段の出力に応じて前記スイッチング素子をＰＷＭ制御し、前記スイッチング素子をＰＷＭ制御するデューティ比の保持とリセットとを周期的に行う駆動手段を有し、前記駆動手段は、前記直流電圧の値が前記電力検出手段の最低動作電圧値よりも高い第２の閾値を下回るとき、前記駆動手段が保持した前記デューティ比で前記スイッチング素子をＰＷＭ制御し、且つ、前記直流電圧の値が前記電力検出手段の最低動作電圧値よりも小さい第１の閾値を下回るとき前記ＰＷＭ制御を停止させることを特徴とするスイッチング装置の制御方法。
   

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