JP6133553B2 - コンプレッサハウジング用プリント回路基板 - Google Patents

Description

本発明は、コンプレッサハウジングに用いられるプリント回路基板に関する。
より具体的には、本発明は、自動車の空気調節装置において用いられる電子制御式コンプレッサの技術分野に属する。

これらのコンプレッサは、コンプレッサのハウジングに配置されているプリント回路基板内に組み込まれたマイクロプロセッサにより制御される。
このプリント回路基板は、通常、次の３つの部分を備えている。
‐接地電極が第１電圧源上に配置された第１電子部品を有する第１部分、
‐接地電極が第２電圧源上に配置された第２電子部品を有する第２部分、及び
−第1及び第２部分の間に挿入され、ポテンシャル障壁を形成する第３部分。

この基板においては、マイクロコントローラが、第２部分に組み込まれ、第１部分及び第２部分を接続するスイッチモード電源回路を介して、第１電圧源により電力供給がなされるようになっている。スイッチモード電源回路を切り換える指令は、マイクロコントローラにより与えられる。

典型的には、このマイクロコントローラは、車両のＣＡＮバスから、電源を停止する指令を含むデータ信号を受け取る。又、マイクロコントローラは、ＡＰＣ又は「ウェイクアップ」信号と称される第２の信号を受け取る。第２の信号は、出力上昇／起動、又は電源の始動の指令を含んでいる。この第２の信号は、第１の信号とは独立して送信される。

信頼性のために、マイクロコントローラは、プリント回路基板に損害を引き起こし得る停止、及び始動信号間の食い違いを防止するように、このＡＰＣ信号を監視しなければならない。

第２の信号は、ポテンシャル障壁上に配置された絶縁部品を通して、第１部分から第２部分に向けて送信される。通常、使用される絶縁部品は、光結合素子である。

しかしながら、光結合素子の使用には、いくつかの欠点がある。
具体的に、自動車への利用における光結合素子の使用は、自動車セクターのために適していないこの部品の信頼性の問題から、容易ではない。更に、部品の追加は、体積及び重量の追加を伴ってしまう。
更に、光結合素子は、高価であり、耐用年数も限られている。

本発明は、このような状況を改善することを目的とする。
したがって、本発明の目的は、絶縁部品の使用を避けることである。

まず、本発明は、
‐接地電極が第１電圧源上に配置された第１電子部品を有する第１部分と、
‐接地電極が第２電圧源上に配置された第２電子部品を有する第２部分と、
‐１つの入力が第１部分に接続され、少なくとも１つの出力が第２部分に接続されたスイッチモード電源回路
とを備えるプリント回路基板において、
第１部分と第２部分の間で送信される、少なくとも２つの異なる値を有し得るデータ値に基づいて、スイッチモード電源回路のスイッチング周波数を変更する変更手段を更に備えていることを特徴としている。

例えば、第１電圧源は、第２電圧源の電圧よりも小さな低電圧を供給する。ある実施例では、第１電圧源は低電圧であり、第２電圧源は高電圧である。本出願においては、低電圧は、６０Ｖより小さな電圧を意味し、高電圧は、６０Ｖより大きな電圧を意味する。

したがって、本発明によれば、電源回路のスイッチング周波数を変更することにより、データ信号を、絶縁部品を通すことなく、送ることができる。

基板は、スイッチモード電源回路の出力に、スイッチング周波数を計測する手段を備えていると有利である。

計測手段は、出力に接続された整合回路を備えていることが望ましい。

基板は、計測されたスイッチング周波数に基づいて、データの値を決定する手段を備えていると有利である。

データの値を決定する手段は、マイクロコントローラを備えていることが望ましい。

スイッチモード電源回路は、１次コイルが入力に接続され且つ２次コイルが出力に接続された変圧器を備えていることが好ましい。

望ましい特徴によれば、変更手段は、第１抵抗とキャパシタを備えている。データの異なる値の各々は、スイッチング周波数の異なる範囲に対応しているのが好ましい。

第１実施形態によれば、データ信号は、論理信号であり、スイッチング周波数の異なる範囲の数は、２に等しい。
一例として、データ信号は、ＡＰＣ（「コンタクト後」）信号である。

望ましくは、変更手段は、第１抵抗に対して並列接続されたＭＯＳトランジスタ及び第２抵抗を備え、ＭＯＳトランジスタのゲートは、データ信号に接続されている。

第２実施形態によれば、データ信号は、Ｎビットでエンコードされたデジタル信号であり、スイッチング周波数の異なる範囲の数は、２^Nに等しい。

第３実施形態によれば、データ信号は、アナログ信号である。

スイッチング周波数を計測する手段は、２次コイル電圧を計測する手段を備えているのが好ましい。

また、本発明は、プリント回路基板のデータを通信する方法において、前記プリント回路基板は、
‐接地電極が第１電圧源（１４）上に配置された第１電子部品を有する第１部分と、
‐接地電極が第２電圧源上に配置された第２電子部品を有する第２部分と、
‐１つの入力が前記第１部分に接続され、少なくとも１つの出力が前記第２部分に接続されたスイッチモード電源回路とを備え、
かつ前記第１の部分と前記第２の部分の間で送信される、少なくとも２つの異なる値を取り得るデータ値に基づいて、前記スイッチモード電源回路のスイッチング周波数を変更するステップを備える方法に関する。

さらに本発明は、本発明によるプリント回路基板を備えるコンプレッサのハウジングにも関する。

本発明の他の特徴、詳細及び利点は、図面を参照して行う以下の詳細な説明を読むことにより、更に明らかになると思う。

自動車用コンプレッサの構造を示す図である。 本発明の一実施形態によるプリント回路基板の一例の詳細な構造を示す図である。 本発明の一実施形態による基板のスイッチモード電源回路の一例の構造を示す図である。 スイッチモード電源回路の作動を示すグラフである。 本発明の一実施形態による基板のスイッチング周波数を決定する手段の一例の構造を示す図である。 本発明の一実施形態による基板のインピーダンス整合回路の一例の構造を示す図である。

図１は、本発明が適用可能な自動車用空気調節装置のコンプレッサ２を示している。
コンプレッサ２は、第１ハウジング４と第２ハウジング６を備えている。

第１ハウジング４は、電気的に駆動される圧縮機構８を備えている。
又、第１ハウジング４は、圧縮機構８を駆動するための電気モータ１０を備えている。

第２ハウジング６は、通常、アルミニウムで形成され、圧縮機構８を制御するためのＰＣＢと称されるプリント回路基板１２を備えている。このＰＣＢは、電気モータ１０に対する電力供給及び制御を行うインバータを構成している。

ＰＣＢ１２は、それぞれ低電圧電源１４及び高電圧電源１６により、低電圧及び高電圧での電力供給がなされ得るものである。

低電圧とは、６０Ｖより低い電圧、典型的には１２Ｖと等しい電圧を意味し、高電圧とは、６０Ｖより高い電圧、典型的には３０５Ｖと等しい電圧を意味する。低電圧は、車両の保護された回路網で利用可能な電圧に相当する一方、高電圧は、車両の動きを駆動する役割を負う電気モータに対しても、電力も供給する電源から得られるものである。

図２は、本発明の望ましい実施形態によるプリント回路基板１２の詳細な構造を示している。
基板１２は、３つの独立の部分を備えている。

基板１２の第１部分２０は、低電圧電源１４により低電圧での電力供給がなされる第１電子部品２２を支持している。

基板１２の第２部分２４は、高電圧電源１６により高電圧での電力供給がなされ得る第２電子部品２６を支持している。

第３部分２８は、第１部分２０と第２部分２４の間に介在されており、２つの部分２０、２４間のポテンシャル障壁を形成している。例えば、この第３部分２８は、電気回路を備えておらず、望ましくは、４．５ｍｍの最小幅を有している。

又、第２部分２４は、スイッチモード電源回路３４を介して、第１部分２０からデータ信号３２を受け取り得るマイクロコントローラ３０を備えている。スイッチモード電源回路３４は、１つの入力が第１部分２０に接続されており、１つの出力が第２部分２４に接続されている。

又、第１部分は、データ信号３２に基づいて、電源回路３４のスイッチング周波数を変える変更手段３６を備えている。

更に、第２部分は、スイッチモード電源回路３４の出力をマイクロコントローラ３０の入力に整合させるように設計されたインピーダンス整合回路３８を備えている。

図３は、本発明の望ましい実施形態によるスイッチモード電源回路３４の構造を示している。

この望ましい実施形態において、スイッチモード電源回路３４は、互いに接続された第１のインダクタ４２と第２のインダクタ４４を有する変圧器４０を備えているフライバック・コンバータである。

値Ｌ１を有し、Ｎ１に等しい巻き数を有する第１のインダクタ４２は、変圧器４０の１次コイルを構成し、プリント回路基板１２の第１部分２０に接続されている。

値Ｌ２を有し、Ｎ２に等しい巻き数を有する第２のインダクタ４４は、変圧器４０の２次コイルを構成し、プリント回路基板１２の第２部分２４に接続されている。

ガルバニック絶縁要素４６が、１次コイル４２と２次コイル４４を分離している。

１次コイル４２は、例えばＭＯＳＦＥＴトランジスタを備えるスイッチ４８を介して、低電圧電源１４により電力供給がなされる。

２次コイル４４は、ダイオード５０に接続されており、ダイオード５０は、キャパシタ５２に接続されている。キャパシタ５２は、インピーダンス整合回路３８及びマイクロコントローラ３０を含む負荷５４と並列に接続されている。

スイッチモード電源回路３４の作動を、図４の曲線６０、６２、６４、６６を参照して詳細に説明する。図４の曲線６０、６２、６４、６６は、それぞれ、時間の関数としての、１次電流Ｉ₄₂、２次電流Ｉ₄₄、１次電圧Ｖ₄₂、及び負荷電圧Ｖ₅₄の変化を示している。

スイッチモード電源回路３４は、スイッチング期間Ｔにわたり、α＝ｔ_ON／Ｔに等しい負荷サイクルにしたがって作動する。ここで、ｔ_ONは、スイッチ４８が作動する期間を表している。

負荷電圧Ｖ₅₄は、一定であり、Ｖ₀＝（Ｎ２／Ｎ１）（α／（１−α））Ｅ_DCに等しい。ここで、Ｅ_DCは、低電圧電源１４により供給される電圧、αは、電源回路の負荷サイクル、Ｎ１は、１次コイル４２の巻き数、Ｎ２は、２次コイル４４の巻き数である。

オン状態において、０からｔ_ONに至る時間ｔの間、スイッチ４８は閉じている。変圧器４０の１次コイル４２は、電源１４に直接接続されており、１次コイルの電圧Ｖ₄₂は、電源１４により生成された電圧Ｅ_DCと等しくなっている。その結果、変圧器４０内の磁束が増大する。よって、１次コイル４２の電流Ｉ₄₂は、関係Ｉ₄₂=（Ｅ_DC／Ｌ１）ｔにしたがって増大する。ここで、ｔは時間、Ｅ_DCは、低電圧電源１５により供給される電圧、Ｌ１は、１次コイル４２のインダクタンス値である。

オン状態の最後に、Ｉ₄₂は、その最大値Ｉ_P＝（Ｅ_DC／Ｌ１）ｔ_ONに達する。ここで、ｔ_ONは、スイッチ４８が作動している時間、Ｅ_DCは、低電圧電源により供給される電圧、Ｌ１は、１次コイル４２のインダクタンス値である。

更に、Ｉ_Pは、２次コイルに接続された部品の電力Ｐの関数であり、関係

に従うものである。ここで、Ｆ_dは、コンバータのスイッチング周波数である。したがって、電力Ｐから時間ｔ_ONを決定することも可能である。

図示しない一実施形態によれば、変圧器は、２つの２次コイルを備えている。電力Ｐは、本実施形態では、第２部分のアースに接続された２次コイルと結合された第１部分のアースに接続された２次コイルにより得られ、マイクロプロセッサに電力を供給する。

スイッチング周波数Ｆ_dが変更されたとき、スイッチモード電源回路は、その切り替え機能の実行を継続することに注目すべきである。具体的には、周波数Ｆ_dが増大すると、電流Ｉ_Pは減少し、周波数Ｆ_dが減少すると、電流Ｉ_Pは増大する。よって、２次コイル４４に送られるエネルギーは、一定に保たれる。

図３に戻ると、オン状態において、２次コイル４４の端子電圧は低であり、よって、２次コイル４４の電流Ｉ₄₄が零となるようにダイオード５０がブロックされる。負荷５４により要求されるエネルギーを供給するのは、キャパシタ５２である。

オン状態の最後、時間ｔ_ONにおいて、スイッチ４８が開き、１次コイル電流Ｉ₄₂が、流れ続けることが妨げられる。変圧器４０に蓄積されたエネルギーの保存は、変圧器４０の２次コイル電流Ｉ₄₄の発生を引き起こし、その初期値は、Ｉ_P×Ｎ１／Ｎ２と等しい。電流Ｉ₄₄は、関係Ｉ₄₄＝Ｉ_P×Ｎ１／Ｎ２−（Ｖ₀／Ｌ２）（ｔ−ｔ_ON）と等しい。Ｉ₄₄は、ｔ＝ｔ₂において零になる。

ｔ_ONとｔ₂の間、１次コイルの電圧Ｖ₄₂は、関係Ｖ₄₂＝−（Ｎ１／Ｎ２）Ｖ₀により与えられ、ｔ₂とＴの間では零となる。

したがって、期間中、スイッチモード電源回路は、次の３つの異なるモードで作動する。０からｔ_ONに至る時間の間の第１モードＭ１、ｔ_ONからｔ₂に至る時間の間の第２モードＭ２、及びｔ₂からＴに至る時間の間の第３モードＭ３。

図５は、データ信号が値０及び１のみを取り得る論理信号、例えばＡＰＣ信号であるとき、スイッチング周波数の変更手段３６を詳細に示す。変更手段３６は、スイッチモード電源回路３４の発振器のスイッチング周波数を変更する。この発振器は、図示していないが、図５の点Ａ、Ｂ及びＯに接続される。

変更手段３６は、キャパシタＣ ７２に直列に接続された第１抵抗Ｒ１ ７０を備えている。

ＭＯＳトランジスタ７４と、トランジスタ７４と直列な第２抵抗Ｒ２ ７６は、抵抗７０に並列に接続されている。

データ信号３２の入力は、発振器の時定数を変更する効果を有するトランジスタ７４の切り換えのために、ＭＯＳトランジスタ７４のゲート７７に接続されている。電源回路３４のスイッチング周波数も変更される。

トランジスタ７４のドレイン７８は、例えば５Ｖに等しい電圧Ｖ_refに接続されている。

２つの時定数は、２つの異なるスイッチング周波数に帰結するＲ１＊Ｃと（Ｒ１＊Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２））＊Ｃである。

一例として、Ｃ＝１ｎＦ、Ｒ１＝１５．４ｋΩ、及びＲ２＝５９ｋΩとすれば、結果として得られる２つの周波数は、Ｆ１＝５３ｋＨｚ及びＦ２＝６６ｋＨｚである。例えば、周波数Ｆ１は、１に等しいＡＰＣ信号の値に対応し、周波数Ｆ２は、０に等しいＡＰＣ信号の値に対応する。

部品及び温度の誤差に依存して、スイッチング周波数Ｆ１及びＦ２は、わずかに変化する。
再び上述の例によれば、Ｆ１は、４８ｋＨｚ〜６０ｋＨｚであり、Ｆ２は、６０ｋＨｚ〜７５ｋＨｚである。

スイッチング周波数Ｆ１及びＦ２は、変圧器４０の２次コイル４４の電圧の計測により、電源回路３４の出力において計測される。

その後、マイクロコントローラ３０は、スイッチング周波数から、ＡＰＣ信号の値を決定する。

インピーダンス整合回路３８は、電源回路のスイッチング周波数を計測するために、フィルターをかけ、電源回路３４の出力をマイクロコントローラ３０の入力に整合させることができる。

インピーダンス整合回路３８の構造は、図６に詳細に示されている。
インピーダンス整合回路３８は、
‐キャパシタ８２に対して直列に接続された抵抗８０と、
‐抵抗８０とキャパシタ８２の組み合わせ回路に対して直列に接続された抵抗８６と
を備えている。

抵抗８６の端子において計測される出力電圧Ｖ_Sに基づいて、マイクロコントローラ３０は、データ信号の値を決定する。

望ましくは、整合回路３８は、出力電圧Ｖ_Sをマイクロコントローラ３０の入力として受け入れられ得る値に制限するために、抵抗８９及びキャパシタ８２の組み合わせ回路に対して並列に接続されたダイオード８８を更に備えている。

他の実施形態も考えられ得ることができる。
データ信号がＮビットのデータ信号である場合には、変更手段は、図５の点Ａ及びＢの間に並列接続された幾つかの回路を備えている。各回路は、直列接続されたトランジスタ７４と抵抗７６から形成されている。並列接続された回路の数は、送信されるべきデータ信号のビット数の関数となる。例えば、Ｎ個の並列な回路を用いることにより、２^Nビットのデータ信号を送信可能である。

データ信号がアナログである場合には、発振器は、可変抵抗を形成する回路、例えばカレントミラー回路を備える。アナログ信号は、例えば、第１部分側で計測され、処理のために、第２部分内のマイクロコントローラ３０に送られる温度情報のデータ項目に相当する。１つの特定の実施例において、アナログ信号は、スイッチング周波数に対して、非常にゆっくりと変化し得る。これは、データ信号３２の値が、それぞれの異なる周波数に対応することを保証する。

当然、他の実施形態も考えられ得る。
したがって、スイッチング周波数を変更することにより、データ信号を、絶縁部品を通過することなく送信するという本発明の原理は、２つの電源に接続されていないアースに対して、及び／又は、１つの部分が主アースに接続され、かつ他の部分が２次アースに接続された、互いに接続されていない幾つかの回路部分の間に接続された２つの回路部分の間でデータを転送する必要がある全ての場合において適用しうるものである。

本発明による基板を、スイッチモード電源がフライバックコンバータである例において説明してきた。しかしながら、本発明による基板は、他の種類のスイッチモード電源を含み得るものである。

２ コンプレッサ
４ 第１ハウジング
６ 第２ハウジング
８ 圧縮機構
１０ 電気モータ
１２ プリント回路基板
１４ 低電圧電源（第１電圧源）
１５ 低電圧電源
１６ 高電圧電源（第２電圧源）
２０ 第１部分
２２ 第１電子部品
２４ 第２部分
２６ 第２電子部品
２８ 第３部分
３０ マイクコントローラ
３２ データ信号
３４ スイッチモード電源回路
３６ 変更手段
３８ インピーダンス整合回路
４０ 変圧器
４２ 第１のインダクタ（１次コイル）
４４ 第２のインダクタ（２次コイル）
４８ スイッチ
５０ ダイオード
５２ キャパシタ
５４ ロード
６０ 曲線
６２ 曲線
６４ 曲線
６６ 曲線
７４ トランジスタ
７６ 抵抗
７７ ゲート
７８ ドレイン
８０ 抵抗
８２ キャパシタ
８６ 抵抗
８８ ダイオード
８９ 抵抗

Claims (10)

1. 接地電極が第１電圧源（１４）上に配置された第１電子部品（２２）を有する第１部分（２０）と、
   接地電極が第２電圧源（１６）上に配置された第２電子部品（２６）を有する第２部分（２４）と、
   １つの入力が前記第１部分（２０）に接続され、少なくとも１つの出力が前記第２部分（２４）に接続されたスイッチモード電源回路（３４）と
   を備えたプリント回路基板（１２）において、
   前記第１の部分（２０）と前記第２の部分（２４）の間で送信される、少なくとも２つの異なる値を取り得るデータ値（３２）に基づいて、前記スイッチモード電源回路（３４）内部の発振器のスイッチング周波数を変更する変更手段（３６）と、
   前記スイッチモード電源回路（３４）の出力の前記スイッチング周波数を計測する計測手段と、
   計測された前記スイッチング周波数に基づいて、前記データ値（３２）を決定する手段とを備え、
   前記変更手段（３６）は、第１抵抗（７０）とキャパシタ（７２）を備え、
   前記変更手段（３６）は、前記第１抵抗（７０）に対して並列接続されたＭＯＳトランジスタ（７４）及び第２抵抗（７６）を備え、前記ＭＯＳトランジスタ（７４）のゲートは、前記データ値に対応するデータ信号（３２）に接続されることを特徴とするプリント回路基板。
2. 前記計測手段は、前記出力に接続された整合回路（３８）を備える請求項１に記載のプリント回路基板。
3. 前記データ値を決定する手段は、マイクロコントローラ（３０）を備える請求項１又は２に記載のプリント回路基板。
4. 前記スイッチモード電源回路（３４）は、１次コイル（４２）が入力に接続され、かつ２次コイルが出力に接続された変圧器（４０）を備えている請求項１〜３のいずれか１項に記載のプリント回路基板。
5. 前記データ値の異なる値の各々は、前記スイッチング周波数の異なる範囲に対応している請求項１〜４のいずれか１項に記載のプリント回路基板。
6. 前記データ値に対応するデータ信号（３２）は、論理信号であり、前記スイッチング周波数の異なる範囲の数は、２に等しい請求項５に記載のプリント回路基板。
7. 前記データ値に対応するデータ信号（３２）は、Ｎビットでエンコードされたデジタル信号であり、前記スイッチング周波数の異なる範囲の数は、２Ｎに等しい請求項５に記載のプリント回路基板。
8. 前記データ値に対応するデータ信号（３２）は、アナログ信号である請求項５に記載のプリント回路基板。
9. プリント回路基板（１２）のデータを通信する方法において、
   前記プリント回路基板（１２）は、
   接地電極が第１電圧源（１４）上に配置された第１電子部品（２２）を有する第１部分（２０）と、
   接地電極が第２電圧源（１６）上に配置された第２電子部品（２６）を有する第２部分（２４）と、
   １つの入力が前記第１部分（２０）に接続され、少なくとも１つの出力が前記第２部分（２４）に接続されたスイッチモード電源回路（３４）とを備え、
   前記変更手段（３６）は、第１抵抗（７０）とキャパシタ（７２）を備え、
   前記変更手段（３６）は、前記第１抵抗（７０）に対して並列接続されたＭＯＳトランジスタ（７４）及び第２抵抗（７６）を備え、前記ＭＯＳトランジスタ（７４）のゲートは、データ信号（３２）に接続され、
   前記スイッチモード電源回路（３４）の出力のスイッチング周波数を計測するステップと、
   計測された前記スイッチング周波数に基づいて、少なくとも２つの異なる値を取り得るデータ値（３２）を決定するステップと、
   前記第１の部分（２０）と前記第２の部分（２４）の間で送信される、前記データ値に対応するデータ信号（３２）に基づいて、前記スイッチモード電源回路（３４）内部の発振器のスイッチング周波数を変更するステップを備えることを特徴とする方法。
10. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の前記プリント回路基板（１２）を備えるコンプレッサハウジング（６）。

Images