JP5492849B2 - 車載用制御装置 - Google Patents

Description

本発明は車載用制御装置にかかり、特に車載用制御装置の電源ＩＣへの電源入力部の回路に関する。

車載用制御装置（ＥＣＵ）を動作させる場合、バッテリーのプラス端子とＥＣＵ電源入力端子を接続し、バッテリーのマイナス端子をＧＮＤに接続することで、ＥＣＵに電源を供給して動作させる方法が一般的である。しかし、人為的ミスでバッテリーの端子を逆に接続してしまうことがあり、逆接続の対策を施していないＥＣＵでは、内部回路が破壊されてしまう。そのため、ＥＣＵ電源入力部に逆接保護回路を構成する必要がある。

従来逆接保護回路として電源入力部にダイオードを接続する方法が用いられてきた。バッテリーを逆接続した場合、ダイオードの整流作用で電源ＩＣからバッテリーへ流れる電流の経路を遮断されるため、電源ＩＣに印加される電圧はほぼ０Ｖとなる。

しかし、この方式では正常にバッテリーを接続した場合、ダイオードの順方向電圧分の電圧降下が発生してしまうため、バッテリー電圧が例えばＥＣＵの動作可能電圧程度まで低下した場合、ＥＣＵが動作するための電圧が足りず、ＥＣＵリセットが発生する可能性がある。

また特許文献１では、ダイオードの代わりにＭＯＳＦＥＴを用いて、電圧降下が発生しない逆接防止回路の技術が開示されている。

特開平７−２４４５８４号公報

ダイオードを用いた従来の逆接保護回路では、バッテリー電圧が低下した場合、電源ＩＣの動作に必要な電圧を供給できなくなり、ＥＣＵが動作不良となる可能性がある。また特許文献１の逆接防止回路では、入力端子からサージが発生した場合、ＦＥＴの保護についての着想や開示がないため、サージ発生時にＦＥＴが破壊してしまい、電源から異常電流が流れるなどの問題が発生する。

そこで本発明では、ダイオードの代わりにＭＯＳＦＥＴを用い、サージ発生時にもＭＯＳＦＥＴの保護が可能な電源入力部の回路構成を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明では、車載バッテリーと前記車載バッテリーからの出力電圧を所定値まで降下する電源ＩＣとの間に接続された第１のＦＥＴと、前記第１のＦＥＴのＯＮ／ＯＦＦを制御する第２のＦＥＴと、前記第２のＦＥＴのゲートと前記車載バッテリーの＋端子の間に直列に接続された第１の抵抗と、前記第２のＦＥＴのゲートとグラウンドの間に接続された第１のサージ電圧保護素子と、前記第１のＦＥＴのソースと前記電源ＩＣとの間に直列に接続されたコイルと、前記第１のＦＥＴのソースと前記第２のＦＥＴのドレイン間に接続された第２の抵抗と、前記電源ＩＣの入力側に接続されたコンデンサと、前記第１のＦＥＴのゲートと前記第２のＦＥＴとの間に直列に接続された第３の抵抗と、前記電源ＩＣの入力側に接続された第２のサージ電圧保護素子とを有するよう構成する。

本発明によれば、車両に搭載されたバッテリーの電圧がＥＣＵの動作可能電圧付近まで低下してしまったときでも、ＥＣＵの動作保証が可能となり、また、バッテリー端子を逆接続した場合にも、ＥＣＵ内部回路を保護可能である。さらに、サージ発生時にＥＣＵ内部回路の保護やＥＣＵリセットの防止が可能である。

ダイオードを使用した逆接保護回路。 特開平１−１７７８６５号公報のスイッチング電源回路。 本発明のバッテリー電圧６Ｖ動作保証可能な逆接保護回路。 診断機能付き逆接保護回路。 実施例２におけるｐチャネルＭＯＳＦＥＴのＯＮ抵抗増加故障時の診断マップ。 実施例２におけるｐチャネルＭＯＳＦＥＴのショート故障時の診断マップ。 電源入力部を電源ＩＣと一体化した回路。 ｎチャネルＭＯＳＦＥＴのゲート保護にバリスタを使用した回路。

図１を用いてダイオードを用いた逆接保護回路について説明する。図１に示すような、ＥＣＵの電源入力部にダイオードを接続する方法によれば、ＥＣＵにバッテリーを逆接続した場合でも、ダイオードの整流作用でＥＣＵ内の電源ＩＣからバッテリーへ流れる電流の経路が遮断されるため、電源ＩＣに印加される電圧はほぼ０Ｖとなる。

上記の通り、逆接保護回路として図１の回路は理想的であるが、正常にバッテリー端子を接続した場合、ダイオードの順方向電圧分の電圧降下が発生してしまう。バッテリー電圧が例えばＥＣＵの動作可能電圧（例えば、６Ｖ）程度まで低下した場合、ＥＣＵが動作するための電圧が足りず、ＥＣＵリセットが発生する可能性がある。

図２を用いて、ダイオードの代わりにＭＯＳＦＥＴを用いた、電圧降下が発生しない逆接防止回路について説明する。

図２の回路は、入力端子と出力端子間に実装した逆接保護用ＦＥＴと、このＦＥＴのスイッチングを行うスイッチング用ＦＥＴと、二つのＦＥＴの間に実装された抵抗およびダイオードと、ゲート電圧を分圧するための抵抗で構成されている。このような構成では、サージ発生時にスイッチング用ＦＥＴが破損し、入力端子から異常電流が流れてしまう。本発明では、スイッチング用ＦＥＴに対して、そのゲートにツェナーダイオードを使用することで、サージ発生時のＦＥＴ破壊防止を実現する。以下図に従い、本発明の実施例について説明を加える。

図３はバッテリー電圧がＥＣＵの動作可能電圧である６Ｖ程度まで低下したときでもＥＣＵ動作保証が可能な逆接保護回路の本発明の一実施例である。

図３の実施例では、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ１、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ２、ツェナーダイオード３、ツェナーダイオード４、電流の逆流を抑制するコイル５、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ１のソースとｎチャネルＭＯＳＦＥＴ２のドレイン間電圧差を保持する抵抗６、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ１のショート破壊時に回路を保護する抵抗７、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ２のショート破壊時に回路を保護する抵抗８、電源ＩＣへの入力電圧の変動を抑制する電解コンデンサ９、ＥＣＵへ電圧を供給するバッテリー１０、ＥＣＵ内部のＩＣを動作させる電圧を生成する電源ＩＣ１１から構成される。

図３において、バッテリー１０の端子を正常接続した場合、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ１の寄生ダイオードを通して、電源ＩＣ１１に電圧が供給される。また、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ２がＯＮとなり、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ１のゲートをＬｏｗとすることで、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ１のゲート−ソース間で電位差が発生する。そして、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ１がＯＮとなるため、バッテリー１０と電源ＩＣ１１の間で図１の回路の様に電圧降下が発生しないことから、バッテリー１０電圧がＥＣＵ動作可能電圧６Ｖ程度まで低下した場合でもＥＣＵの動作保証が可能となる。

一方で、図３において、バッテリー１０の端子を逆接続した場合、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ２がＯＦＦ状態となり、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ１もＯＦＦ状態であるため、電源ＩＣ１１からバッテリー１０へ流れる電流の経路を遮断する。そのため、電源ＩＣ１１の破損を防ぐことが可能となる。

図３において、ＥＣＵの通常動作時に、バッテリー１０端子に接続した負荷からマイナスサージが発生した場合、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ２がＯＦＦ状態となり、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ１のゲート−ソース間の電位差をなくしてＯＦＦ状態となるため、電源ＩＣ１１からバッテリー１０へ流れる電流の経路を遮断する。そのため、電源ＩＣ１１に供給される電圧が保持され、バッテリー電圧低下に起因するＥＣＵリセットを防止する。また、マイナスサージが発生してからｐチャネルＭＯＳＦＥＴ１がＯＦＦになる間に、電源ＩＣ１１からバッテリー１０方向への電流の引き抜きが発生するが、コイル５が引き抜かれる電流の位相を遅れさせ、さらに、電解コンデンサ９が電源ＩＣ１１に供給される電圧を保持する役割を担っている。

図３において、ＥＣＵが通常動作時にバッテリー１０電圧入力部でプラスサージが発生した場合、ツェナーダイオード３によりｎチャネルＭＯＳＦＥＴ２のゲート電圧がツェナー電圧に固定されるため、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ２が保護される。また、抵抗８により、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ２がショート故障となった場合、バッテリー１０とグラウンドの短絡の防止が実現できる。また、ツェナーダイオード４が電源ＩＣ１１を保護することで、ＥＣＵの通常動作の継続が可能となる。

本実施例によれば、サージが発生した場合にもｎチャネルＭＯＳＦＥＴ２が保護されるため、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ１のゲートをスイッチングする機能が保証される。これにより、電源ＩＣへ異常電流が流れないようにできるので、サージ発生時にもＥＣＵの動作保証が可能となる。

図４は、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ１の故障診断を設けた実施例である。

図４の実施例では、図３の回路に加えて、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ１のソース−ドレイン間の電圧差を検出する差動増幅回路１２、抵抗７の電圧差を検出する差動増幅回路１３、差動増幅回路１２の基準電圧１４、ＭＰＵ１５、から構成される。ＭＰＵ１５へは、電源ＩＣ１１から電圧が供給されてよく、ＥＣＵが制御対象機器を制御するための演算を行うＭＰＵとＭＰＵ１５とを兼ねてよい。

ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ１が正常な場合、差動増幅回路１２の差動増幅率α、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ１のＯＮ抵抗をＲｏｎ、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴのドレイン−ソース間電流をＩｄｓ、基準電圧をＸとすると、差動増幅回路１２の出力Ａは式（１）
Ａ＝α・Ｒｏｎ・Ｉｄｓ＋Ｘ ・・・・（１）
の通りに演算できる。

ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ１がＯＮ抵抗増加故障となった場合、ドレイン−ソース間電圧が上昇し、差動増幅回路１２の出力Ａが一定値を超えると、ＭＰＵ１５がｐチャネルＭＯＳＦＥＴ１が故障であると判定する。

ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ１がショート故障した場合、ドレイン−ソース間で電圧差が生じないため、差動増幅回路１２の出力Ａは、基準電圧Ｘとなる。

バッテリー１０電圧入力部で瞬断、またはマイナスサージが発生した場合、ＥＣＵが正常動作に復帰するまで、瞬間的に差動増幅回路１２の出力が基準電圧以下となる。

よって、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ１の状態変化に伴い、差動増幅回路１２の出力Ａは、図５のような診断マップを作成できる。図５の縦軸は差動増幅回路１２の出力Ａを表し、横軸はｐチャネルＭＯＳＦＥＴ１の状態変化を表す。

また、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ１が正常な場合、抵抗７に電流は流れないため、差動増幅回路１３の出力Ｂは、オペアンプのオフセット電圧となる。

ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ１がショート故障の場合、抵抗７の抵抗値Ｒ７、抵抗７に流れる電流値をＩ７、差動増幅回路１３の差動増幅率をβとすると、差動増幅回路１３の出力Ｂは、式（２）
Ｂ＝β・Ｒ７・Ｉ７ ・・・・（２）
の通りに演算できる。

よって、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ１の状態変化に伴い、差動増幅回路１３の出力Ｂは、図６のような診断マップを作成できる。図６の縦軸は差動増幅回路１２の出力Ｂを表し、横軸はｐチャネルＭＯＳＦＥＴ１の状態変化を表す。

このように、ＭＰＵ１５は差動増幅回路１２，１３からの出力Ａ，Ｂと、基準電圧１４や予めＥＣＵ内のＲＯＭに格納された判定値などと比較することによってｐチャネルＭＯＳＦＥＴ１の故障を判定できる。

以上の方法によって、ＭＰＵ１５がｐチャネルＦＥＴ１の故障を判定した場合、ＥＣＵから信号を出力し、警告灯を点灯させることで、ドライバーに異常を知らせる、また所定のフェールセーフ制御を行うことが可能となる。

図７は、図３のｐチャネルＭＯＳＦＥＴ１とｎチャネルＭＯＳＦＥＴ２を電源ＩＣ１１内に一つのパッケージとして集約した場合の実施例である。電源ＩＣ１１の内部にｐチャネルＭＯＳＥＦＴ１とｎチャネルＭＯＳＦＥＴ２を集約化することで、実装面積を低減可能である。また、ｐチャネルＭＯＳＥＦＴ１とｎチャネルＭＯＳＦＥＴ２とをＡＳＩＣとして実装することもできる。

図８は、図３のツェナーダイオード３の代わりに、バリスタ１６を使用した場合の実施例である。バリスタ１６は、両端子間の電圧が低い場合は電気抵抗が高く、所定以上に端子間の電圧が高い場合には電気抵抗が低くなる。したがって、ツェナーダイオード３の代わりにバリスタ１６を用いても、バッテリー１電源入力部からサージが発生した場合、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ２のゲート保護が可能となる。

同様に、ツェナーダイオード４の代わりにバリスタを用いてもよい。

１ ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ
２ ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ
３，４ ツェナーダイオード
５ コイル
６，７，８ 抵抗
９ 電解コンデンサ
１０ バッテリー
１１ 電源ＩＣ
１２，１３ 差動増幅回路
１４ 基準電圧
１５ ＭＰＵ
１６ バリスタ

Claims (6)

1. 車載バッテリーと前記車載バッテリーからの出力電圧を所定値まで降下する電源ＩＣとの間に接続された第１のＦＥＴと、前記第１のＦＥＴのＯＮ／ＯＦＦを制御する第２のＦＥＴと、前記第２のＦＥＴのゲートと前記車載バッテリーの＋端子の間に直列に接続された第１の抵抗と、前記第２のＦＥＴのゲートとグラウンドの間に接続された第１のサージ電圧保護素子と、前記第１のＦＥＴのソースと前記電源ＩＣとの間に直列に接続されたコイルと、前記第１のＦＥＴのソースと前記第２のＦＥＴのドレイン間に接続された第２の抵抗と、前記電源ＩＣの入力側に接続されたコンデンサと、前記第１のＦＥＴのゲートと前記第２のＦＥＴとの間に直列に接続された第３の抵抗と、前記電源ＩＣの入力側に接続された第２のサージ電圧保護素子とを有し、前記第１のＦＥＴのソースとドレインの間の電圧差を検出する第１の差動増幅回路と、前記第３の抵抗両端の電圧差を検出する第２の差動増幅回路と、を備え、前記第１の差動増幅回路の出力と前記第２の差動増幅回路の出力とに基づき前記第１のＦＥＴの故障を診断することを特徴とする車載用制御装置。
2. 前記第１のＦＥＴと前記第２のＦＥＴは、それぞれに並列に寄生ダイオードが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の車載用制御装置。
3. 前記バッテリーの端子が逆接続されたときに、前記第２のＦＥＴがＯＦＦとなることで、前記第１のＦＥＴがＯＦＦ状態となることを特徴とする請求項１に記載の車載用制御装置。
4. 前記車載バッテリー端子に接続した負荷からマイナスサージが発生したときに、前記電源ＩＣから前記車載バッテリーへ流れる電流の経路を遮断することを特徴とする請求項３記載の車載用制御装置。
5. 前記バッテリー端子からプラスサージが発生した場合、前記第２のサージ電圧保護素子が前記第２のＦＥＴを保護することを特徴とする請求項１に記載の車載用制御装置。
6. 前記バッテリー端子から適正な電圧が印加された場合、前記第１のＦＥＴと前記第２のＦＥＴがＯＮ状態となり、前記電源ＩＣに電圧が入力されることを特徴とする請求項１に記載の車載用制御装置。