JP6424712B2 - 誘導性負荷駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、ハイサイド及びローサイド通電素子を駆動制御して誘導性負荷に通電を行う誘導性負荷駆動装置に関する。

例えば車両用エンジンのシリンダ内に燃料を噴射するインジェクタを構成するコイルを駆動する装置では、電源側に配置されるハイサイド通電素子（例えばＭＯＳＦＥＴ）とグランド側に配置されるローサイド通電素子との双方を駆動制御してコイルに通電を行う。そして、例えばローサイド通電素子がショート状態となるような異常を検出すると、コイルへの通電を停止する保護動作が一般に行われている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−３４５９０２号公報

しかしながら、異常を検出した際に、特許文献１のようにコイルへの通電を停止すると、それ以降はエンジンのシリンダ内に燃料を噴射できなくなり、車両の走行が不能になる問題がある。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、異常を検出した場合でも、誘導性負荷への通電を継続できる誘導性負荷駆動装置を提供することにある。

請求項１記載の誘導性負荷駆動装置によれば、通電制御手段は、ハイサイド通電素子にハイサイド駆動信号を出力し、ローサイド通電素子にローサイド駆動信号を出力することで、ハイサイド通電素子をオンしている期間中にローサイド通電素子をオンオフ制御して誘導性負荷に通電を行う。電位固定状態検出手段は、誘導性負荷とローサイド通電素子との共通接続点であるローサイド端子の電位がローレベルに固定されたことを検出する。そして、通電制御手段は、ローサイド端子の電位が前記ローレベル固定になると、前記ハイサイド通電素子をオンオフ制御して前記誘導性負荷に通電を行う。

ローサイド端子の電位がローレベル固定になった場合は、ローサイド通電素子側に短絡故障や地絡故障が発生しており、ローサイド通電素子を制御して誘導性負荷に通電することは不能になる。これに対して請求項１のように構成すれば、ローサイド通電素子を用いた誘導性負荷への通電制御が不能になった場合でも、代替的にハイサイド通電素子をオンオフ制御して誘導性負荷への通電を継続することができる。
そして、電位固定状態検出手段は、ローサイド通電素子を介してグランド側に流れる電流が所定値を超えたか否かを検出するローサイド電流検出手段と、ローサイド端子及びハイサイド通電素子と誘導性負荷との共通接続点であるハイサイド端子の電位を検出する端子電位検出手段とを備え、通電制御手段が前記ローサイド通電素子をオンしている期間において、ハイサイド端子の電位が駆動用電源電圧に等しく、且つローサイド端子の電位がグランド電位に等しく、且つローサイド電流検出手段が所定値を超える電流を検出すると、ローレベル固定を検出する。

第１実施形態であり、誘導性負荷駆動装置の構成を示す機能ブロック図 正常時におけるコイルへの通電制御状態を示すタイミングチャート ローサイドのＦＥＴがショート故障した場合を示すタイミングチャート 図３のショート故障を判定する条件を示す図 ＬＯ端子がＧＮＤショート故障した場合を示すタイミングチャート 図５のＧＮＤショート故障を判定する条件を示す図 マイコンの制御内容を中心に示すフローチャート 第２実施形態であり、誘導性負荷駆動装置の構成を示す機能ブロック図 ローサイドのＦＥＴがショート故障した場合を示すタイミングチャート ＬＯ端子がＧＮＤショート故障した場合を示すタイミングチャート マイコンの制御内容を中心に示すフローチャート

（第１実施形態）
以下、第１実施形態について説明する。図１に示すように、本実施形態の（誘導性）負荷駆動装置１は、マイクロコンピュータ（マイコン）２，ハイサイド回路３及びローサイド回路４を備えている。ハイサイド回路３の出力端子であるＨＩ端子５（ハイサイド端子）と、ローサイド回路４の出力端子であるＬＯ端子６（ローサイド端子）との間には、負荷駆動装置１の外部でコイル７（誘導性負荷）が接続されている。マイコン２（通電制御手段，電位固定状態判定手段）は、ハイサイド回路３に対してハイサイドスイッチ駆動信号を出力し、ローサイド回路４に対してローサイドスイッチ駆動信号を出力する。コイル７は、例えば車両のエンジンを構成するシリンダ内に燃料を噴射するインジェクタを構成するものである。

ハイサイド回路３は、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ８（ハイサイドスイッチ，ハイサイド通電素子）を備え、そのソースは抵抗素子９（ハイサイド電流検出手段）を介して電源ＶＢに接続され、ドレインはＨＩ端子５に接続されている。また、ＦＥＴ８のゲートは、抵抗素子１０を介してグランドに接続されていると共に、抵抗素子１１を介して自身のソースに接続されている。また、前記ドレインとグランド（ＧＮＤ）との間には、フリーホイールダイオード１２が接続されている。

抵抗素子１１には、ＰＮＰトランジスタ１３（オフ制御手段）が並列に接続されており、トランジスタ１３のベースはＮＰＮトランジスタ１４（オフ制御手段）及び１５のコレクタに接続されている。抵抗素子９の両端は、負荷ショート検出回路１６（ハイサイド電流検出手段）の入力端子に接続されており、負荷ショート検出回路１６の出力端子は、トランジスタ１４のベースに接続されている。トランジスタ１４及び１５のエミッタは、何れもグランドに接続されており、トランジスタ１５のベースは、ＮＯＴゲート１７を介してＯＲゲート１８の出力端子に接続されている。

ＯＲゲート１８の２つの入力端子には、それぞれマイコン２からのハイサイドスイッチ駆動信号と、ローサイドスイッチ駆動信号とが入力されている。これらの駆動信号が何れもローレベルであれば、トランジスタ１５及び１３がオンするのでＦＥＴ８のゲートがハイレベルとなり、ＦＥＴ８はオフ状態を維持する。そして、ハイサイドスイッチ駆動信号がハイレベルを示すとトランジスタ１５及び１３がオフする。この時、ＦＥＴ８のゲートは上記ハイレベルの電圧を抵抗素子１１及び１０により分圧した電位，すなわちローレベルとなるので、ＦＥＴ８はターンオンする。

負荷ショート検出回路１６は、抵抗素子９の端子電圧が閾値を超えるとトランジスタ１４をオンさせる。これにより、たとえトランジスタ１５がオフ状態であってもＦＥＴ８を強制的にオフさせて、コイル７への通電を停止させる。

ＬＯ端子６とグランドとの間には、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１９（ローサイドスイッチ，ローサイド通電素子）及び電流検出抵抗２０（ローサイド電流検出手段，電位固定状態判定手段）の直列回路が接続されている。ＦＥＴ１９のドレインとＦＥＴ８のドレインとの間には、フリーホイールダイオード２１が接続されている。ＦＥＴ１９のゲートには、マイコン２が出力するローサイドスイッチ駆動信号がゲート駆動回路２２を介して与えられる。

電流検出抵抗２０の両端は、電流検出回路２３（ローサイド電流検出手段，電位固定状態判定手段）の入力端子に接続されており、電流検出回路２３の出力端子は過電流検出回路２４（ローサイド電流検出手段，電位固定状態判定手段）を介してマイコン２の入力ポートに接続されている。電流検出回路２３は、電流検出抵抗２０の端子電圧を検出して過電流検出回路２４に入力する。過電流検出回路２４は、その端子電圧を閾値電圧と比較してローサイドにおける過電流を検出すると、過電流検出信号をマイコン２に入力する。尚、上述した負荷ショート検出回路１６が負荷ショート判定を行う閾値は、過電流検出回路２４が過電流判定を行う閾値よりも検出電流レベルがより高く設定されている。

ＨＩ端子５及びＬＯ端子６は、電圧変換回路２５（端子電位検出手段，電位固定状態判定手段）の各入力端子にそれぞれ接続されており、電圧変換回路２５の２つの出力端子は、それぞれマイコン２の２つの入力ポートに接続されている。マイコン２は電圧レベルをシフトする電圧変換回路２５を介して、グランドを基準とするＨＩ端子５，ＬＯ端子６の電位をそれぞれ検出可能となっている。

尚、マイコン２における各ポートの設定は、以下のようになっている。
・ＨＩ端子５，ＬＯ端子６の電圧検出 Ａ／Ｄ入力ポート
・過電流検出信号 汎用入力ポート
・ハイサイドスイッチ駆動信号 汎用出力ポート
・ローサイドスイッチ駆動信号 タイマ（ＰＷＭ）出力ポート

次に、本実施形態の作用について説明する。図２及び図７に示すように、負荷駆動装置１に電源が投入（ＯＮ）され（Ｓ１）、正常な状態でマイコン２がコイル７に通電を行う際には、（v）ハイサイドスイッチ駆動信号をハイレベルにしてＦＥＴ８をオン状態に維持する（Ｓ２）。そして、ＦＥＴ８をオンしている期間内に（ｉ）ローサイドスイッチ駆動信号をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御（オンオフ制御）により間欠的にハイレベルにすることで（Ｓ３）、ＦＥＴ１９が間欠的にオンして（ii）コイル７に駆動電流が流れる。この時、（iii）電流検出回路２３が出力する信号レベルは過電流検出回路２４における閾値未満であり、（vii）ＬＯ端子６の電圧は、ＦＥＴ１９のオン，オフに応じてロー，ハイレベルに交互に変化する。

尚、ＦＥＴ８のゲートを駆動するトランジスタ１５のベースには、ハイサイドスイッチ駆動信号とローサイドスイッチ駆動信号とのＮＯＲ信号が与えられるが（Ｓ４）、ハイサイドスイッチ駆動信号は一定のハイレベルを示すので（デューティ１００％）、ローサイドスイッチ駆動信号の変化による影響はない（図２（viii）参照）。そして、マイコン２は、図３及び図５に示すように、入力される各信号に基づいてＦＥＴ１９のショート故障検出と、ＬＯ端子６のＧＮＤショート（地絡）故障検出とを行う。先ず、ＦＥＴ１９のショート故障検出について説明する。

（Ｉ）＜ＦＥＴ１９のショート故障検出＞
図３に示すように、ＦＥＴ１９のショート故障が発生すると、（ii）コイル７に駆動電流が連続的に流れるため、（iii）電流検出回路２３が出力する信号レベルは連続的に上昇する。前記信号レベルが過電流検出回路２４における閾値を超えて、マイコン２に（iv）過電流検出信号が入力されると（Ｓ５→Ｓ６；ＹＥＳ，過電流検出信号＝ＯＮ）、マイコン２は、図４に示す条件が成立するか否かを判定する。すなわち、（i）ローサイドスイッチ駆動信号がハイレベル（ＯＮ）の期間に（Ｓ８；ＹＥＳ）（vi）ＨＩ端子５の電圧を読み込んで（Ｓ９）、前記電圧が第１の所定電圧（≒ＶＢ）以上か否かを判定する（Ｓ１０）。ここで、ＨＩ端子５の電圧が第１の所定電圧以上であれば（ＹＥＳ）、続いて（vii）ＬＯ端子６の電圧を読み込んで（Ｓ１２）、前記電圧が第２の所定電圧（≒ＧＮＤレベル）以下か（ローレベル固定）否かを判断する（Ｓ１３）。

尚、図７に示すステップＳ１０又はＳ１３で「ＮＯ」と判断すると（条件不成立）、後述するようにステップＳ７でセットされるＧＮＤショートフラグをクリアしてから（Ｓ１１）ステップＳ２に戻る。

上記の条件が成立すると（Ｓ１３；ＹＥＳ）、この段階では上記ＧＮＤショートフラグがセットされていないので（Ｓ１４；ＮＯ）、マイコン２はＦＥＴ１９のショート故障発生を判定する（Ｓ１５）。すると、（v）ハイサイドスイッチ駆動信号をローレベル（ＯＦＦ）にするが（Ｓ２０）、（i）ローサイドスイッチ駆動信号は正常時（Ｓ３）と同様に出力を継続する（Ｓ２１）。そのローサイドスイッチ駆動信号は、（viii）ＯＲゲート１８を介してＦＥＴ８のゲートに与えられる（Ｓ２２）。

これにより、ＦＥＴ１９に替わってＦＥＴ８がＰＷＭ制御されるので、結果としてコイル７には、正常時と同様に駆動電流が通電されるようになる。したがって、ＦＥＴ１９のショート故障が発生した場合でも、インジェクタはエンジンのシリンダ内への燃料噴射を継続できる。したがって、車両は故障が発生した時点で走行不能状態に陥ることなく、退避走行を行うことが可能になる。

（II）＜ＬＯ端子６のＧＮＤショート故障検出＞
また、図５に示すように、ＬＯ端子６のＧＮＤショート故障が発生すると、（ii）駆動電流は直接グランドに流入するので、（iii）電流検出回路２３が出力する信号レベルはローのままとなり（iv）過電流検出回路２４による過電流検出は行われない（Ｓ６；ＮＯ）。この時マイコン２は、ＧＮＤショート故障が発生した可能性が有ることから、ＧＮＤショートフラグをセットする（Ｓ７）。

ＧＮＤショート故障が発生していれば、ＦＥＴ１９のショート故障の場合と同様に、マイコン２は、図７に示すステップＳ１３において「ＹＥＳ」と判断する。この場合、ＧＮＤショートフラグがセットされているので（Ｓ１４；ＹＥＳ，第１条件成立）、引き続き図６に示す条件が成立しているか否かを判断する。すなわち、（ｉ）ローサイドスイッチ駆動信号がローレベルとなるＦＥＴ１９がオフする期間において（Ｓ１６；ＹＥＳ）、（vii）ＬＯ端子６の電圧を読み込んで（Ｓ１７）、前記電圧が第２の所定電圧以下か否かを判断する（Ｓ１８）。

尚、図７に示すステップＳ１６又はＳ１８で「ＮＯ」と判断すると（条件不成立）ステップＳ１１に移行して、ＧＮＤショートフラグをクリアしてからステップＳ２に戻る。ステップＳ１８において、（vii）ＬＯ端子６の電圧が第２の所定電圧以下であれば（ＹＥＳ）上記の条件が成立し（第２条件成立）、マイコン２はＬＯ端子６のＧＮＤショート故障発生を判定する（Ｓ１９）。するとステップＳ２０に移行して、以降はＦＥＴ１９のショート故障の場合と同様の処理となる。

以上のように本実施形態によれば、マイコン２は、ＦＥＴ８のゲートにハイサイド駆動信号を出力し、ＦＥＴ１９のゲートにローサイド駆動信号を出力することで、ＦＥＴ８をオンしている期間中にＦＥＴ１９をＰＷＭ制御してコイル７に通電を行う。また、マイコン２は、コイル７とＦＥＴ１９との共通接続点であるＬＯ端子６の電位がローレベルに固定されたことを検出すると、ＦＥＴ８をＰＷＭ制御してコイル７に通電を行う。このように構成すれば、ＦＥＴ１９を用いたコイル７への通電制御が不能になった場合でも、代替的にＦＥＴ８をＰＷＭ制御してコイル７への通電を継続することができる。

具体的には、ＦＥＴ１９を介してグランド側に流れる電流が所定値を超えたか否かを検出する電流検出回路２３及び過電流検出回路２４と、ＨＩ端子５の電位を検出するための電圧変換回路２５とを備え、マイコン２がＦＥＴ１９をオンしている期間において、ＨＩ端子５の電位が駆動用の電源電圧ＶＢに等しく、且つＬＯ端子６の電位がグランド電位に等しくローレベル固定であり、且つ過電流検出回路２４が過電流を検出することで、ＦＥＴ１９のショート故障を判定する。

また、マイコン２がＦＥＴ１９をオンしている期間において、ＨＩ端子５の電位が電源電圧ＶＢに等しく、且つＬＯ端子６の電位がグランド電位に等しく、且つ過電流検出回路２４が過電流を検出していない第１条件成立の確認に続いて、ＦＥＴ１９をオフしている期間において、ＬＯ端子６の電位がグランド電位に等しい（ローレベル固定）という第２条件成立を確認すると、ＬＯ端子６のＧＮＤショート故障を判定する。したがって、ＦＥＴ１９のショート故障，及びＬＯ端子６のＧＮＤショート故障の何れについても検出できる。

そして、ＦＥＴ８のゲートに、ハイサイド駆動信号と、ローサイド駆動信号との論理和信号を出力するＯＲゲート１８を備え、マイコン２は、ＬＯ端子６の電位がローレベル固定になると、ハイサイド駆動信号の出力を停止し、ローサイド駆動信号を通常通りに出力することでコイル７に通電を行う。したがって、簡単なハードウェアの変更により、故障発生時にＦＥＴ８をＰＷＭ制御することができる。

加えて、駆動用電源ＶＢよりＦＥＴ８に流れる電流が所定値を超えたか否かを検出するための抵抗素子９及び負荷ショート検出回路１６を備え、負荷ショート検出回路１６が所定値を超える電流を検出すると、トランジスタ１４及び１３を介してＦＥＴ８を強制的に
オフ制御するので、故障の発生に伴い過大な電流が流れた場合に、ＦＥＴ８を迅速にオフさせて回路素子の破壊等を防止できる。

（第２実施形態）
以下、第１実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。図８に示すように、第２実施形態の負荷駆動装置３１は、ＯＲゲート１８が削除されており、マイコン２に替わるマイコン３２を備えている。そして、故障発生時におけるマイコン３２の内部処理が、第１実施形態とは相違している。具体的には、マイコン３２のハイサイドスイッチ駆動信号がタイマ出力となる。

次に、第２実施形態の作用について説明する。図９から図１１に示すように、ＦＥＴ１９のショート故障，及びＬＯ端子６のＧＮＤショート故障の検出については、第１実施形態と同様である。そして、図１１に示すフローチャートではステップＳ４が削除されており、ステップＳ１９の実行後は、ステップＳ２０〜Ｓ２２に替わってステップＳ２３が実行される。すなわち、故障発生時にＦＥＴ８をＰＷＭ制御する際には、マイコン３２は、ハイサイドスイッチ駆動信号の出力ポートより、ローサイドスイッチ駆動信号を出力するように内部設定を切替える（図９及び図１０（v）参照）。

以上のように第２実施形態によれば、マイコン３２は、ＬＯ端子６の電位がＦＥＴ１９のショート故障又はＬＯ端子６のＧＮＤショート故障によりローレベル固定になると、ハイサイドスイッチ駆動信号を、通常のローサイドスイッチ駆動信号と同じパターンにして出力することでコイル７に通電を行う。したがって、マイコン３２のソフトウェアを変更することにより、故障発生時にＦＥＴ８をＰＷＭ制御することができる。

本発明は上記した、又は図面に記載した実施形態にのみ限定されるものではなく、以下のような変形又は拡張が可能である。
抵抗素子９，トランジスタ１４及び負荷ショート検出回路１６は、必要に応じて設ければ良い。
ＦＥＴ１９のショート故障と、ＬＯ端子６のＧＮＤショート故障との何れか一方のみを検出しても良い。
第１の所定電位は、電源電圧ＶＢの近傍に設定すれば良く、第２の所定電位は、グランド電位の近傍に設定すれば良い。
ハイサイド通電素子にＮチャネルＭＯＳＦＥＴを用いても良い。また通電素子には、ＩＧＢＴやバイポーラトランジスタを用いても良い。
誘導性負荷は、燃料噴射用のインジェクタを構成するコイル７に限らない。

図面中、１は負荷駆動装置、２はマイクロコンピュータ（通電制御手段，電位固定状態判定手段）、５はＨＩ端子（ハイサイド端子）、６はＬＯ端子（ローサイド端子）、７はコイル（誘導性負荷）、８はＰチャネルＭＯＳＦＥＴ（ハイサイド通電素子）９は抵抗素子（ハイサイド電流検出手段）、１３はＰＮＰトランジスタ（オフ制御手段）、１４はＮＰＮトランジスタ（オフ制御手段）、１９はＮチャネルＭＯＳＦＥＴ（ローサイド通電素子）、２０は電流検出抵抗（ローサイド電流検出手段，電位固定状態判定手段）、２３は電流検出回路（ローサイド電流検出手段，電位固定状態判定手段）、２４は過電流検出回路（ローサイド電流検出手段，電位固定状態判定手段）、２５は電圧変換回路（端子電位検出手段，電位固定状態判定手段）を示す。

Claims (5)

1. 駆動用電源（ＶＢ）と誘導性負荷（７）との間に接続されるハイサイド通電素子（８）と、
   前記誘導性負荷とのグランドとの間に接続されるローサイド通電素子（１９）と、
   前記ハイサイド通電素子にハイサイド駆動信号を出力し、前記ローサイド通電素子にローサイド駆動信号を出力することで、前記ハイサイド通電素子をオンしている期間中に前記ローサイド通電素子をオンオフ制御して前記誘導性負荷に通電を行う通電制御手段（２，３２）と、
   前記誘導性負荷と前記ローサイド通電素子との共通接続点であるローサイド端子（６）の電位が、ローレベルに固定されたこと（以下、ローレベル固定と称す）を検出する電位固定状態検出手段（２，２０，２３〜２５）とを備え、
   前記通電制御手段は、前記ローサイド端子の電位が前記ローレベル固定になると、前記ハイサイド通電素子をオンオフ制御して前記誘導性負荷に通電を行い、
   前記電位固定状態検出手段は、前記ローサイド通電素子を介してグランド側に流れる電流が所定値を超えたか否かを検出するローサイド電流検出手段（２３，２４）と、
   前記ローサイド端子及び前記ハイサイド通電素子と前記誘導性負荷との共通接続点であるハイサイド端子（５）の電位を検出する端子電位検出手段（２，２５，３２）とを備え、
   前記通電制御手段が前記ローサイド通電素子をオンしている期間において、前記ハイサイド端子の電位が前記駆動用電源電圧に等しく、且つ前記ローサイド端子の電位がグランド電位に等しく、且つ前記ローサイド電流検出手段が前記所定値を超える電流を検出すると、前記ローレベル固定を検出することを特徴とする誘導性負荷駆動装置。
2. 前記電位固定状態検出手段は、前記ローサイド通電素子を介してグランド側に流れる電流が所定値を超えたか否かを検出するローサイド電流検出手段（２３，２４）と、
   前記ローサイド端子及び前記ハイサイド通電素子と前記誘導性負荷との共通接続点であるハイサイド端子の電位を検出する端子電位検出手段（２，２５，３２）とを備え、
   前記通電制御手段が前記ローサイド通電素子をオンしている期間において、前記ハイサイド端子の電位が前記駆動用電源電圧に等しく、且つ前記ローサイド端子の電位がグランド電位に等しく、且つ前記ローサイド電流検出手段が前記所定値以下の電流を検出した第１条件の確認に続いて、
   前記通電制御手段が前記ローサイド通電素子をオフしている期間において、前記ローサイド端子の電位がグランド電位に等しいという第２条件を確認すると、前記ローレベル固定を検出することを特徴とする請求項１記載の誘導性負荷駆動装置。
3. 前記ハイサイド通電素子に、前記ハイサイド駆動信号と、前記ローサイド駆動信号との論理和信号を出力する論理和ゲート（１８）を備え、
   前記通電制御手段（２）は、前記ローサイド端子の電位が前記ローレベル固定になると、前記ハイサイド駆動信号の出力を停止し、前記ローサイド駆動信号を通常通りに出力することで前記誘導性負荷に通電を行うことを特徴とする請求項１又は２記載の誘導性負荷駆動装置。
4. 前記通電制御手段（３２）は、前記ローサイド端子の電位が前記ローレベル固定になると、前記ハイサイド駆動信号を、通常のローサイド駆動信号と同じパターンにすることで前記誘導性負荷に通電を行うことを特徴とする請求項１又は２記載の誘導性負荷駆動装置。
5. 前記駆動用電源より前記ハイサイド通電素子に流れる電流が所定値を超えたか否かを検出するハイサイド電流検出手段（９，１６）と、
   このハイサイド電流検出手段が前記所定値を超える電流を検出すると、前記ハイサイド通電素子をオフ制御するオフ制御手段（１３，１４）とを備えることを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の誘導性負荷駆動装置。

Images