JP6317994B2 - Inductive load drive circuit - Google Patents
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Description
本発明は、誘導負荷を通電および非通電状態とするオン・オフ制御を行う駆動回路において、駆動回路が発するエミッションノイズおよび発熱を低減し、誘導負荷による誘導サージの発生を防止する回路に関する。 The present invention relates to a circuit that reduces emission noise and heat generated by a drive circuit and prevents the occurrence of an induced surge due to the inductive load in a drive circuit that performs on / off control for energizing and de-energizing an inductive load.
従来の技術は、ドライバ素子固有のオン抵抗値によって決まるドライバ素子のスルーレートに従い誘導負荷を通電および非通電状態とすることで、誘導負荷のオン・オフ制御を行っていた。
特許文献１は、電気モータをオン・オフ制御にて電流駆動を行う際に、ドライバ素子に接続したコンデンサにより駆動電流の立上りおよび立下り時間をなだらかにし、電気モータ下流に設置したトランジスタにより、誘導サージをインダクタンス成分を有するコイル側へ逃がすことで、誘導サージの発生を抑制する技術を記載している。
しかし、特許文献１の技術では、ドライバ素子固有のオン抵抗値およびドライバ素子に接続されるコンデンサの容量によって決まるスルーレートに従いドライバ素子を駆動するため、スルーレートを変更することができないという課題が残る。
In the prior art, the inductive load is turned on and off by making the inductive load energized and de-energized according to the slew rate of the driver element determined by the on-resistance value specific to the driver element.
In Patent Document 1, when an electric motor is driven by on / off control, the rise and fall times of the drive current are smoothed by a capacitor connected to the driver element, and induction is performed by a transistor installed downstream of the electric motor. A technique is described that suppresses the generation of an induced surge by letting the surge escape to the coil side having the inductance component.
However, in the technique of Patent Document 1, since the driver element is driven according to the slew rate determined by the on-resistance value unique to the driver element and the capacitance of the capacitor connected to the driver element, there remains a problem that the slew rate cannot be changed. .
図４に示すような駆動回路において誘導負荷のオン・オフ制御を行った場合、図６の立上り信号６１もしくは立下り信号６２のオン抵抗固有のスルーレートによるエミッションノイズが発生し、またオフ時には誘導負荷による誘導サージが発生する。エミッションノイズを低減するためには図４のドライバ素子内部のトランジスタ１４aのオン抵抗を最適化する方法が有効であるが、オン抵抗値がドライバ固有であるため、最適化するためにはドライバ内部の半導体チップを変更する必要があった。誘導サージに対しては、サージによる駆動回路の破壊を回避するため、ツェナーダイオード等の素子４１でサージを緩和し、駆動回路の保護を行う必要があった。
これに対して、ドライバ内部の半導体チップを最適化することにより、上記エミッションノイズの低減を行った場合、スルーレートをなだらかになることで、ドライバ内部のトランジスタに通電される時間が長くなり、ドライバ素子の自己発熱が増加するという課題があった。
従来課題を解決する手段として、誘導負荷駆動回路のスルーレートを容易に、かつ適切に可変しうる誘導性負荷駆動回路を提供する。
When on / off control of the inductive load is performed in the drive circuit as shown in FIG. 4, emission noise is generated due to the slew rate specific to the on-resistance of the rising signal 61 or the falling signal 62 in FIG. Inductive surge due to load occurs. In order to reduce the emission noise, the method of optimizing the on-resistance of the transistor 14a in the driver element shown in FIG. 4 is effective. However, since the on-resistance value is specific to the driver, It was necessary to change the semiconductor chip. In order to avoid the destruction of the drive circuit due to the surge, it is necessary to reduce the surge by the element 41 such as a Zener diode and to protect the drive circuit against the induced surge.
On the other hand, when the above-mentioned emission noise is reduced by optimizing the semiconductor chip inside the driver, the slew rate is reduced, so that the time during which the transistor inside the driver is energized becomes longer. There was a problem that self-heating of the element increased.
As means for solving the conventional problems, an inductive load driving circuit capable of easily and appropriately changing the slew rate of the inductive load driving circuit is provided.
上記の課題を解決するために本発明では、誘導負荷駆動回路において、ＣＰＵからのドライバ素子に対する制御信号をデジタル−アナログ変換しうる変換回路を介すことによって、アナログ信号へ変換し、アナログ信号の立上り信号と立下り信号のスルーレートを個々且つ自由に変更し、ドライバ素子に入力することを特徴とする。
In order to solve the above-described problems, in the present invention, in the inductive load driving circuit, the control signal for the driver element from the CPU is converted into an analog signal through a conversion circuit capable of digital-analog conversion, and the analog signal is converted. The slew rate of the rising signal and the falling signal is individually and freely changed and input to the driver element.
本発明は、上記の構成により、ドライバ素子固有のオン抵抗値を変更することなく、誘導負荷のオン・オフ制御を行う際に、駆動回路が発するエミッションノイズを低減してすることができ、且つ誘導負荷が発生させる誘導サージの発生を抑制することができるので、ツェナーダイオード等での駆動回路の保護を必要としない駆動回路とすることが可能である。
また、本発明はドライバ素子に入力するアナログ信号のスルーレートを個々且つ自由に変更することができるので、ドライバ素子内部の半導体に通電する時間を自由に制御することによりドライバ素子の自己発熱を低減することが可能である。それにより異常発熱によるドライバ素子の予期せぬ動作の停止を防ぐことが可能であり、ドライバ素子からのもらい熱により、ドライバ素子周辺回路の誤動作および破壊を防止することが可能である。
The present invention can reduce the emission noise generated by the drive circuit when performing the on / off control of the inductive load without changing the on-resistance value unique to the driver element by the above configuration, and Since the generation of the inductive surge generated by the inductive load can be suppressed, a driving circuit that does not require protection of the driving circuit with a Zener diode or the like can be obtained.
In addition, since the slew rate of the analog signal input to the driver element can be changed individually and freely according to the present invention, self-heating of the driver element is reduced by freely controlling the time for energizing the semiconductor inside the driver element. Is possible. Accordingly, it is possible to prevent unexpected stop of the operation of the driver element due to abnormal heat generation, and it is possible to prevent malfunction and destruction of the peripheral circuit of the driver element due to heat received from the driver element.
図４は、本発明に関わる誘導負荷駆動回路の一例を示す。
この誘導負荷駆動回路は電源電圧を供給するバッテリ１１と、所定の条件により最適な結果を演算処理するＣＰＵ１３と、該ＣＰＵの演算結果に基づき誘導負荷の通電および非通電状態を制御しうるドライバ素子１４と、該ドライバ素子の故障状態を診断しうる診断回路１４bと、バッテリ電圧を制御電圧に変換しＣＰＵ等へ制御電圧を供給するレギュレータ１２と、誘導負荷が発する誘導サージを緩和するための素子４１から構成される。
図５は図４に示された誘導負荷駆動回路の従来の回路動作のフローを示す。
前記ＣＰＵでの演算結果に基づき、該ＣＰＵはドライバ素子に対して、誘導負荷の通電および非通電状態の制御を行うため、オン・オフ信号を出力する。ブロック５１でオン信号を出力した場合、該ドライバ素子は入力されたオン信号に基づき、ブロック５２で内部のトランジスタをオンさせ、ブロック５３で該トランジスタが自身のスルーレートに従い誘導負荷を通電させる。
ブロック５４でオフ信号を出力した場合、該ドライバ素子は入力されたオフ信号に基づき、ブロック５５で内部のトランジスタをオフさせ、ブロック５６で該トランジスタが自身のスルーレートに従い誘導負荷を非通電させる。
誘導負荷を非通電とした場合には、誘導負荷のインダクタンス成分によって誘導負荷に溜まった誘導エネルギーがブロック５７で誘導サージ（図６の６３）として発生するため、ブロック５８でツェナーダイオード等の保護素子が動作し、誘導サージを緩和することで、駆動回路が誘導サージにより破壊されることを防止する。
図６は図４に示された従来の回路動作による誘導負荷へのオン・オフ制御信号を示す。
前記オン・オフ時の動作を繰り返すことによって、該駆動回路からエミッションノイズが発生し、ドライバ素子内部のトランジスタ固有のスルーレートに従い、誘導負荷に対してオン・オフ制御を行うため、立上り信号６１および立下り信号６２のスルーレートを変更してエミッションノイズを低減させることができない。
FIG. 4 shows an example of an inductive load driving circuit according to the present invention.
The inductive load driving circuit includes a battery 11 for supplying a power supply voltage, a CPU 13 for calculating an optimum result under a predetermined condition, and a driver element capable of controlling energization and non-energization states of the inductive load based on the calculation result of the CPU. 14, a diagnostic circuit 14b capable of diagnosing the failure state of the driver element, a regulator 12 for converting the battery voltage into a control voltage and supplying the control voltage to the CPU, etc., and an element for alleviating the inductive surge generated by the inductive load 41.
FIG. 5 shows a flow of the conventional circuit operation of the inductive load driving circuit shown in FIG.
Based on the calculation result in the CPU, the CPU outputs an on / off signal to the driver element in order to control energization and non-energization of the inductive load. When an ON signal is output in block 51, the driver element turns on an internal transistor in block 52 based on the input ON signal, and in block 53, the transistor energizes an inductive load according to its slew rate.
When an off signal is output in block 54, the driver element turns off the internal transistor in block 55 based on the input off signal, and in block 56 the transistor deenergizes the inductive load according to its slew rate.
When the inductive load is de-energized, the inductive energy accumulated in the inductive load due to the inductance component of the inductive load is generated as an inductive surge (63 in FIG. 6) in the block 57. Therefore, a protective element such as a Zener diode in the block 58 Operates to reduce the induced surge, thereby preventing the drive circuit from being destroyed by the induced surge.
FIG. 6 shows an on / off control signal to the inductive load according to the conventional circuit operation shown in FIG.
By repeating the on / off operation, emission noise is generated from the drive circuit, and on-off control is performed on the inductive load according to the slew rate specific to the transistor inside the driver element. The emission noise cannot be reduced by changing the slew rate of the falling signal 62.
次に、本発明に関わる誘導負荷駆動回路の実施例について、以下、説明する。
［実施例１］
図１は、本発明に係る実施例１が適用される誘導負荷駆動回路の一例を示す。
この誘導負荷駆動回路は電源電圧を供給するバッテリ１１と、所定の条件により最適な結果を演算処理するＣＰＵ１３と、該ＣＰＵの演算結果に基づき誘導負荷の通電および非通電状態を制御しうるドライバ素子１４と、該ドライバ素子の故障状態を診断しうる診断回路１４bと、バッテリ電圧を制御電圧に変換しＣＰＵ等へ制御電圧を供給するレギュレータ１２と、該ＣＰＵからのドライバ素子に対する制御信号(例えばＰＷＭ信号等)をデジタル-アナログ変換しうる変換回路１６とから構成される。
図２は図１に示された、本発明に係る誘導負荷駆動回路の回路動作のフローを示す。
前記ＣＰＵでの演算結果に基づき、該ＣＰＵはドライバ素子に対して、誘導負荷の通電および非通電状態の制御を行うため、オン・オフ信号を出力する。ブロック２１で誘導負荷が通電状態となるよう前記変換回路に対して制御信号を出力した場合、ブロック２２で該変換回路は入力された制御信号に基づき、制御信号のデジタル−アナログ変換を行う。ブロック２２bでドライバ素子は変換回路からのアナログ信号を元に、内部のトランジスタをオンさせ、ブロック２３で該トランジスタが調整可能なスルーレートに従い誘導負荷を通電させる。
ブロック２４で誘導負荷が非通電状態となるよう変換回路に対して制御信号を出力した場合、該ドライバ素子は入力されたオフ信号に基づき、ブロック２５aで内部のトランジスタをオフさせ、ブロック２５bで該トランジスタが調整可能なスルーレートに従い誘導負荷を非通電させる。
上記通電および非通電状態とする制御により、エミッションノイズの低減が必要ない場合は、ブロック２６の定常制御へ移行する。またエミッションノイズの低減が必要な場合はブロック２１へ戻り、再度スルーレートの調整を行うフローへ移行する。
図３は図１に示された、本発明に係る誘導負荷駆動回路による誘導負荷へのオン・オフ制御信号を示す。
誘導負荷を非通電とする場合には、誘導エネルギーが溜まらないようスルーレートの調整が可能であるため、なだらかなスルーレートで誘導負荷を非通電とすることで誘導サージの発生を抑制することができる。
前記変換回路を介したオン・オフ時の動作を繰り返すことによって、トランジスタ固有のスルーレートに依存することなく、調整可能なスルーレートに従い、誘導負荷を立上り信号３１および立下り信号期間３２のようにオン・オフすることでエミッションノイズの低減が可能となる。
［実施例２］
図７は、本発明に係る実施例２が適用される誘導負荷駆動回路の一例を示す。
この誘導負荷駆動回路は実施例１の回路構成に対して、変換回路１６にＣＰＵ１３が出力するスルーレート可変信号７１を追加した回路構成となっており、前記回路に対してＰＷＭ等の制御信号１７を出力するだけでなく、該変換回路１６がデジタル−アナログ変換を行う際のデジタル−アナログ変換レベルを調整するためのスルーレート可変信号７１を出力することで、スルーレートの変更を行うことに特徴がある。
前記変換回路１６は前記ＣＰＵ１３からの制御信号１７を自身のデジタル−アナログ変換レベルに従いスルーレートを決定する。そのため、エミッションノイズを低減したい場合は、該ＣＰＵからの制御信号を可変させることでエミッションノイズの低減を行うことが可能である。すなはち、ＣＰＵからの制御信号が変化すればスルーレートが変化することになる。
そこで、該変換回路外部（該ＣＰＵ等）からスルーレート可変信号７１を変換回路に入力し、該変換回路のデジタル−アナログ変換レベルの調整を行う。そのため、調整可能なデジタル−アナログ変換レベルに従いＣＰＵから入力された制御信号のスルーレートを可変することになり、エミッションノイズを低減することが可能となる。なお、外部からのスルーレート可変信号は、駆動回路に含まれる素子だけではなく、駆動回路外部の端子（コネクタ等）から入力するようにしてもよい。
［実施例３］
図８は、本発明に係る実施例３が適用される誘導負荷駆動回路の一例を示す。
この誘導負荷駆動回路は実施例１の回路構成に対して、該ＣＰＵがバッテリ１１の電源電圧を監視するバッテリ電圧監視信号８１と、ドライバ素子の温度を監視するサーミスタ等の温度センサ８２を追加した回路構成となっており、変換回路に対してＰＷＭ等の制御信号を出力するだけでなく、バッテリ電圧およびドライバ素子の温度を該ＣＰＵで監視を行うことに特徴がある。
ドライバ素子１４は自身内部のトランジスタ１４aをオン・オフすることで、誘導負荷１５の駆動を行うが、該トランジスタは発熱素子であるため、誘導負荷駆動時にドライバ素子の発熱を伴う。過度な発熱によりドライバ素子が異常発熱状態となった場合には、加熱保護機能等により、予期せぬドライバ素子の動作停止を招いたり、ドライバ素子周辺に設置された周辺回路が、ドライバ素子からのもらい熱により誤動作したり、最悪の場合、破壊に至る。
そこで、図８ではドライバ素子周辺にサーミスタ等の温度センサ８２を設置し、ドライバ素子の温度を前記ＣＰＵで監視を行い、ドライバ素子の素子温度が該ＣＰＵの持つ、ある閾値を超えた場合、前記トランジスタの通電時間を短くなるように、ＣＰＵが変換回路１６に出力する制御信号１７を調整し、スルーレートの調整を行うことで、ドライバ素子が異常発熱状態となることを未然に防止することが可能とする。
また、スルーレートは電圧と時間の傾きであるため、傾きを決定する際に、電圧に依存するところが大きい。例えば電圧が低い状態にある場合、エミッションノイズを低減するために、単位時間当たりの電圧変化量を小さくしスルーレートをよりなだらかにするような制御信号を前記ＣＰＵが出力する必要がある。
そこで、図８では誘導負荷を通電および非通電とする際の電圧（バッテリ電圧等）を該ＣＰＵが監視を行い、誘導負荷に印加される電圧に応じて、適切なスルーレートで誘導負荷を駆動することができるように、ＣＰＵが変換回路１６に出力する制御信号１７を調整し、スルーレートの調整を行うことで、エミッションノイズの低減を可能とする。
Next, embodiments of the inductive load driving circuit according to the present invention will be described below.
[Example 1]
FIG. 1 shows an example of an inductive load driving circuit to which Example 1 according to the present invention is applied.
The inductive load driving circuit includes a battery 11 for supplying a power supply voltage, a CPU 13 for calculating an optimum result under a predetermined condition, and a driver element capable of controlling energization and non-energization states of the inductive load based on the calculation result of the CPU. 14, a diagnostic circuit 14b that can diagnose a failure state of the driver element, a regulator 12 that converts a battery voltage into a control voltage and supplies the control voltage to a CPU, etc., and a control signal (for example, PWM) from the CPU to the driver element A conversion circuit 16 capable of digital-analog conversion of signals and the like.
FIG. 2 shows a flow of the circuit operation of the inductive load driving circuit according to the present invention shown in FIG.
Based on the calculation result in the CPU, the CPU outputs an on / off signal to the driver element in order to control energization and non-energization of the inductive load. When a control signal is output to the conversion circuit so that the inductive load is energized in block 21, the conversion circuit performs digital-analog conversion of the control signal based on the input control signal in block 22. In block 22b, the driver element turns on the internal transistor based on the analog signal from the conversion circuit, and in block 23, the inductive load is energized according to the adjustable slew rate.
When a control signal is output to the conversion circuit so that the inductive load is de-energized in block 24, the driver element turns off the internal transistor in block 25a based on the input off signal, and the driver element in block 25b. The transistor de-energizes the inductive load according to an adjustable slew rate.
If it is not necessary to reduce the emission noise by the energization and deenergization control, the routine proceeds to the steady control of the block 26. If it is necessary to reduce the emission noise, the process returns to block 21 and the flow shifts again to the flow for adjusting the slew rate.
FIG. 3 shows an on / off control signal to the inductive load by the inductive load driving circuit according to the present invention shown in FIG.
When the inductive load is de-energized, the slew rate can be adjusted so that inductive energy does not accumulate. Therefore, the inductive load can be de-energized with a gentle slew rate to suppress the occurrence of inductive surges. it can.
By repeating the on / off operation through the conversion circuit, the inductive load is changed into the rising signal 31 and the falling signal period 32 according to the adjustable slew rate without depending on the slew rate specific to the transistor. Emission noise can be reduced by turning it on and off.
[Example 2]
FIG. 7 shows an example of an inductive load driving circuit to which the second embodiment according to the present invention is applied.
The inductive load driving circuit has a circuit configuration in which a slew rate variable signal 71 output from the CPU 13 is added to the conversion circuit 16 with respect to the circuit configuration of the first embodiment. The slew rate is changed by outputting a slew rate variable signal 71 for adjusting a digital-analog conversion level when the conversion circuit 16 performs digital-analog conversion. There is.
The conversion circuit 16 determines the slew rate of the control signal 17 from the CPU 13 according to its own digital-analog conversion level. Therefore, when it is desired to reduce the emission noise, it is possible to reduce the emission noise by varying the control signal from the CPU. In other words, if the control signal from the CPU changes, the slew rate changes.
Therefore, the slew rate variable signal 71 is input to the conversion circuit from outside the conversion circuit (the CPU or the like), and the digital-analog conversion level of the conversion circuit is adjusted. Therefore, the slew rate of the control signal input from the CPU is varied according to the adjustable digital-analog conversion level, and emission noise can be reduced. Note that the variable slew rate signal from the outside may be input not only from an element included in the drive circuit but also from a terminal (connector or the like) outside the drive circuit.
[Example 3]
FIG. 8 shows an example of an inductive load driving circuit to which the third embodiment according to the present invention is applied.
This inductive load drive circuit is added to the circuit configuration of the first embodiment by adding a battery voltage monitoring signal 81 for monitoring the power supply voltage of the battery 11 by the CPU and a temperature sensor 82 such as a thermistor for monitoring the temperature of the driver element. The circuit configuration is characterized by not only outputting a control signal such as PWM to the conversion circuit, but also monitoring the battery voltage and the temperature of the driver element by the CPU.
The driver element 14 drives the inductive load 15 by turning on and off the transistor 14a therein. However, since the transistor is a heating element, the driver element generates heat when driving the inductive load. If the driver element becomes abnormally heated due to excessive heat generation, it may cause an unexpected stop of the driver element operation due to a heating protection function, etc., or a peripheral circuit installed around the driver element may Malfunctioning due to the heat received, or in the worst case, destruction.
Therefore, in FIG. 8, a temperature sensor 82 such as a thermistor is installed around the driver element, the temperature of the driver element is monitored by the CPU, and when the element temperature of the driver element exceeds a certain threshold value of the CPU, By adjusting the control signal 17 output from the CPU to the conversion circuit 16 and adjusting the slew rate so as to shorten the energization time of the transistor, it is possible to prevent the driver element from being in an abnormal heat generation state. Make it possible.
In addition, since the slew rate is the slope of voltage and time, the slope is largely dependent on the voltage when determining the slope. For example, when the voltage is low, in order to reduce emission noise, the CPU needs to output a control signal that reduces the amount of voltage change per unit time and makes the slew rate more gentle.
Therefore, in FIG. 8, the CPU monitors the voltage (battery voltage, etc.) when the inductive load is energized and de-energized, and drives the inductive load at an appropriate slew rate according to the voltage applied to the inductive load. In order to reduce the emission noise, the CPU adjusts the control signal 17 output to the conversion circuit 16 and adjusts the slew rate.
１１：バッテリ
１２：レギュレータ
１３：ＣＰＵ
１４：ドライバ素子
１４a：ドライバ素子内部のトランジスタ
１４b：診断回路
１５：誘導負荷
１６：デジタル−アナログ変換回路
１７：ＣＰＵからドライバ素子に対する制御信号
１８：診断情報
２１−２６：発明に係る誘導負荷駆動回路動作のフロー
３１：スルーレートの調整が可能な立上り信号
３２：スルーレートの調整が可能な立下り信号
４１：ツェナーダイオード等の保護素子
５１−５８：従来の誘導負荷駆動回路動作のフロー
６１：立上り信号
６２：立下り信号
６３：誘導サージ
７１：スルーレート可変信号
８１：バッテリ電圧の監視信号
８２：サーミスタ等の温度センサ
11: Battery 12: Regulator 13: CPU
14: Driver element 14a: Transistor 14b in the driver element: Diagnostic circuit 15: Inductive load 16: Digital-analog conversion circuit 17: Control signal from the CPU to the driver element 18: Diagnostic information 21-26: Inductive load drive circuit according to the invention Flow 31 of operation: Rising signal 32 with adjustable slew rate 32: Falling signal 41 with adjustable slew rate 41: Protection element such as a Zener diode
51-58: Flow of operation of conventional inductive load driving circuit 61: Rising signal 62: Falling signal 63: Inductive surge 71: Slew rate variable signal 81: Battery voltage monitoring signal 82: Temperature sensor such as thermistor
Claims (4)
前記駆動回路は、当該駆動回路に電源電圧を供給するバッテリと、
所定の条件により最適な結果を演算処理するＣＰＵと、
前記ＣＰＵの演算結果に基づき前記誘導負荷の通電および非通電状態を制御しうるドライバ素子と、
前記ドライバ素子の故障状態を診断しうる診断回路と、
前記バッテリ電圧を制御電圧に変換し前記ＣＰＵへ制御電圧を供給するレギュレータと、
前記ＣＰＵからの前記ドライバ素子に対する制御信号をデジタル−アナログ変換しうる変換回路とから成り、
前記変換回路で生成されるアナログ信号の立ち上り信号と立下り信号のスルーレートを個々にかつ任意に変更し、前記スルーレートを前記ドライバ素子に入力することを特徴とする誘導負荷駆動回路。 In the drive circuit that energizes and de-energizes the inductive load,
The driving circuit includes a battery for supplying a power supply voltage to the drive circuit,
A CPU for calculating an optimum result under a predetermined condition;
A driver device capable of controlling the energization and de-energized state of the inductive load based on a calculation result of the CPU,
A diagnostic circuit capable of diagnosing a failure state of the driver element;
A regulator that supplies the converted battery voltage to the control voltage control voltage to the CPU,
It consists of a conversion circuit capable of analog conversion, - a control signal for the driver element from the CPU digital
An inductive load drive circuit , wherein the slew rate of the rising signal and the falling signal of the analog signal generated by the conversion circuit is individually and arbitrarily changed, and the slew rate is input to the driver element .
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