JP6481411B2

JP6481411B2 - 車両用計器のサージ保護回路

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Publication number: JP6481411B2
Application number: JP2015030931A
Authority: JP
Inventors: 渡辺　慎也; 慎也渡辺
Original assignee: Nippon Seiki Co Ltd
Current assignee: Nippon Seiki Co Ltd
Priority date: 2015-02-19
Filing date: 2015-02-19
Publication date: 2019-03-13
Anticipated expiration: 2035-02-19
Also published as: JP2016152765A

Description

本発明は、車両用計器を構成する負荷回路へ安定した電源を供給するためのサージ保護回路に関する。

従来、車両速度や積算走行距離などの車両情報を表示する車両用計器として、例えば、特許文献１に開示されるものがある。これらの車両用計器は、安定して電源を供給できるバッテリと接続され、この電源を用いて各種車両情報の表示を行っている。また、車両に搭載される各種センサにおいても、このバッテリからの電源供給に基づいて作動する。

しかしながら、車両に搭載されるバッテリが小型で電源容量が少ない車両や、暗電流など電力消費によって電源容量が少ない車両の場合には、車両の発電機から車両用計器へ電源電圧が供給される割合が高くなるため、電源供給が断続したり、且つ電圧変動が激しくなってしまう。このため、例えば、特許文献２に開示されるように、電源回路に、瞬断防止用に設けられる入力電解コンデンサや、トランジスタとツェナダイオードとベース抵抗体から構成されるサージ保護回路を備えるものがある。

特開２００２−１１４０５６号公報特開昭６４−２３７２２号公報

しかしながら、サージ電圧／電源ノイズが印加される場合や、発電機からの電源供給割合が大きな車両にあっては、特にエンジンの始動時に、車両用計器へ大きな電力変動をともなう電源が供給されてしまうため、該電解コンデンサが繰り返し充電され、また、トランジスタに突入電流が頻繁に流れてしまう。その結果、該構成を前記車両の計器に適用した場合、トランジスタや電解コンデンサなどの電子部品が破損してしまう恐れがあり問題であった。

そこで本発明の目的は、上述の課題に着目し、車両用計器へ供給される電源電圧の変動が激しくなる場合であっても、電子部品を保護できる車両用計器のサージ保護回路を提供することにある。

本発明の車両用計器のサージ保護回路は、
発電機を含む電源からの電力供給に基づいて降圧して所定電圧に生成するレギュレータからなる負荷と、
前記電源から前記負荷への電力供給とその停止とを切り換えるＰチャネルＭＯＳＦＥＴからなるスイッチ手段と、
前記電源の過電圧を検出し前記スイッチ手段を駆動するＰＮＰ型トランジスタからなる電圧制限用トランジスタと、
前記電源の過電流を検出し前記スイッチ手段を駆動するＰＮＰ型トランジスタからなる電流制限用トランジスタと、
前記スイッチ手段の出力端に接続され負荷への電力を補うコンデンサと、
前記電圧制限用トランジスタと前記電流制限用トランジスタとの各コレクタエミッタ間電圧を制限するとともに、前記スイッチ手段のゲートソース間の電圧を制限するツェナダイオードと、を備えることを特徴とする。

また、前記電圧制限用トランジスタは、前記電流制限用トランジスタを兼ねて回路構成されることを特徴とする。

本発明は、車両用計器のサージ保護回路に関し、電源電圧の変動が激しくなる場合にあっても、電子部品を保護できる。

本発明の実施の形態における回路構成を示す図。同上実施形態の車両用計器を示す図。同上実施の形態の別例における回路構成を示す図。

以下、本発明が適用された実施の形態について添付図面を用いて説明する。

図１は、車両用計器Ａのサージ保護回路Ａ１の回路構成を示す図であり、車両のバッテリＢ１や発電機Ｂ２からなる電源Ｂからの電力を、車両用計器Ａ内の負荷へ供給するまでの構成について示している。

なお、車両用計器Ａは、図２に示すように、車両情報を示す表示器（表示手段）Ｃを備えるとともに、これらを駆動するための回路基板に、サージ保護回路Ａ１が実装されている。表示器Ｃは、液晶表示素子とバックライトとを用いたデジタル表示部Ｃ１やモータを駆動源として回動する指針によって計測値を示す指針表示部Ｃ２を備え、後述する制御回路によって制御される。また、回路基板は、車両用計器Ａの筐体Ｄ内に設けられる。

また、電源Ｂの発電機Ｂ２は、車両駆動源となるエンジンの回転を利用したオルタネータを適用できる。バッテリＢ１は、発電機Ｂ２からの交流成分を利用して充電するとともに、電源Ｂの出力を安定して供給する役割もある。また、バッテリＢ１によって、発電機Ｂ２（エンジン）が稼働しない状態においても電力を出力できる。

車両用計器Ａは、電源Ｂと接続され、ダイオード１と、サージ保護回路Ａ１、を介してレギュレータ２１等の負荷２へ電力供給する。サージ保護回路Ａ１は、スイッチ手段３と、コンデンサ４と、過電圧検出回路５と、過電流検出回路６と、ツェナダイオード７と、抵抗素子８と、を備え、この場合、負荷２として、レギュレータ２１や制御回路２２とを前述回路基板に備えている。

ダイオード１は、サージ保護回路Ａ１の入力端において、バッテリＢ１の端子を逆接続するなど、通常に対して反対側に電流が流れないようにするための保護回路であり、バッテリＢなどの電源からの配線とアノードとを接続している。

レギュレータ２１は、電源Ｂからの電力供給に基づいて制御回路２２の駆動電源を所定電圧（例えば、５Ｖ）に降圧して供給する回路である。

スイッチ手段３は、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ（電界効果トランジスタ）を適用でき、電源Ｂから負荷２への電力供給とその停止とを切り換える。スイッチ手段３は、ゲートを抵抗素子３１へ接続し、ソースを過電流検出回路６の電流検出抵抗６１に接続し、ドレインを負荷２に接続する。スイッチ手段３は、ゲートソース間の電位差がしきい値未満の場合はオフ状態（電源Ｂから負荷への電流供給の停止状態）として、また、該ゲートソース間の電位差がしきい値以上の場合にオン状態（電源３から負荷２へ電力供給状態）とする。

抵抗素子３１は、一端をスイッチ手段３のゲートに接続し、他端を接地（ＧＮＤ接続）する。抵抗素子３１は、電圧制限用トランジスタ５２、または電流制限用トランジスタ６２がオンした時に、電源ＢからＧＮＤへ流れる電流を制限するとともに、過電圧印加時や静電気印加時にツェナダイオード７へ流れる電流を制限する。また、電圧制限用トランジスタ５２と電流制限用トランジスタ６２がオフである通常時には、スイッチ手段３をオンさせるためスイッチ手段３のゲート電圧をＧＮＤ電位へ近づけ、スイッチ手段３のゲートソース間の電位差をしきい値以上確保しスイッチ手段３をオン状態に保つ。

コンデンサ４は、サージ保護回路Ａ１の出力端に接続される電解コンデンサを適用できる。コンデンサ４は、一端をスイッチ手段３のドレイン（スイッチ手段３の出力端）と負荷２との配線から分岐して接続され、他端を接地接続する。コンデンサ４は、電源遮断時の電力保持用であるとともに、スイッチ手段３によって、電源Ｂからの電力供給を停止している間に、レギュレータ２１等の負荷２へ電力供給できる。コンデンサ４は、想定される突入電流の大きさと、負荷２への電力供給を充分に行うための保持時間とに基づいて、最適な容量のものを適用できる。

なお、コンデンサ４は、複数の電解コンデンサを並列に接続して設けることもできるし、セラミックコンデンサを適用することもできる。

過電圧検出回路５は、ツェナダイオード５１とトランジスタ（電圧制限用トランジスタ）５２と、抵抗素子５３とを設けて、スイッチ手段３を切り換え駆動できる。

ツェナダイオード５１は、カソードを抵抗素子５３を介してダイオード１のカソード側やトランジスタ５２のベースに接続し、アノードを接地する。ツェナダイオード５１は、スイッチ手段３の電圧特性や負荷２の各電子部品の耐電圧を考慮したツェナ電圧が選定され、ツェナ電圧を超える過電圧が印加される場合に、抵抗素子５３を介してトランジスタ５２へベース電流を流す。

トランジスタ５２は、ＰＮＰ型トランジスタを適用でき、エミッタをダイオード１のカソードへ接続し、コレクタをスイッチ手段３のゲートへ接続する。トランジスタ５２は、過電圧のない通常状態では常にオフ状態（エミッタコレクタ間が断線状態）であるが、ツェナダイオード５１のツェナ電圧を超える過電圧が電源から印加されるときに電源Ｂからツェナダイオード５１と抵抗５３を介しＧＮＤへ流れるベース電流によりオン状態（エミッタコレクタ間が通電状態）となり、スイッチ手段３のゲートソース間の電位差をしきい値未満とすることでスイッチ手段３をオフ状態にする役割を担っている。

抵抗素子５３は、一端を逆接続保護用のダイオード１のカソードと、ツェナダイオード５１のカソードとの間に接続するものが設けられ、過電圧のない通常状態において、漏れ電流や電気的ノイズ等によってトランジスタ５２が誤ってオンしないよう、誤動作対策に設けられる抵抗である。この他に抵抗素子５３は、ツェナダイオード５１のカソードと、トランジスタ５２のベースとの間にも設けられ、トランジスタ５２へのベース電流を制限する。

過電流検出回路６は、電流検出用抵抗６１と、トランジスタ（電流制限用トランジスタ）６２とを設ける。

電流検出用抵抗６１は、一端をダイオード１のカソードへ接続し、他端をスイッチ手段３にソースに接続する。電流検出用抵抗６１は、スイッチ手段３に流れる電流の増加に基づいて両端の電圧を増加する。

トランジスタ６２は、ＰＮＰ型トランジスタを適用でき、エミッタを逆接保護用のダイオード１のカソードと接続し、コレクタをスイッチ手段３のゲートへ接続し、ベースをスイッチ手段３のソースへ接続する。トランジスタ６２は、過電流により電流検出抵抗６１の両端の電位差がベースエミッタ間オン電圧（約０．４Ｖ）を上回るとオン状態となり、スイッチ手段３のゲートソース間の電位差をしきい値未満とすることでスイッチ手段３をオフ状態にする役割を担っている。例えば、トランジスタのオン電圧が０．４Ｖ、電流検出用抵抗６１が０．２５Ωとした場合、０．４Ｖ／０．２５Ω＝１．６Ａ付近でトランジスタ６２がオンとなりスイッチ手段３をオフ状態にできる。

制御回路２２は、レギュレータ２１からの電力によって駆動するマイクロコンピュータを適用でき、図示しない、ケーブルを介して入力される車両情報に基づいて、車両用計器Ａに搭載する表示器Ｃの液晶表示素子やバックライト、モータ等の電子部品を制御する。

ツェナダイオード７は、アノードをスイッチ手段３のゲートへ接続し、カソードをスイッチ手段３のソースへ接続する。ツェナダイオード７は、過電圧印加時や静電気印加時にＰチャネルＭＯＳＦＥＴであるスイッチ手段３のゲートソース間電圧（Ｖｇｓ）が絶対最大定格を超えない電圧でクランプする役割を担っている。また、ツェナダイオード７は、電圧制限用トランジスタ５２と電流制限用トランジスタ６２との各コレクタエミッタ間電圧を制限するように回路構成されている。

抵抗素子８は、一端をスイッチ手段３のゲートに接続し、他端をスイッチ手段３のソースに接続する。抵抗素子８は、過電圧のない通常時において漏れ電流や電気的ノイズによってスイッチ手段３が誤ってオフしないよう、誤動作対策に設けられる抵抗である。

なお抵抗素子８，３１は、電源電圧低下時であっても負荷２に対してのスイッチ手段３の駆動能力を十分保てるよう、また、車両停車時（稼働していない時）において暗電流が極力小さくなるよう定数設定されている。このため、発電機Ｂ２による発電が無い状態であっても車両用計器Ａを長時間駆動できる。

また、制御回路２２は、イグニションスイッチの状態を検出でき、イグニションスイッチがオンからオフへ移行した場合に、省電力モードにて制御回路２２を作動できる。この際、省電力モードとして、制御回路２２は、表示器Ｃによる表示制御に関する処理を停止し、計時処理など限られた処理を定期的に行い、消費電流の小さな状態に切り換えることができる。特に２輪車においては、降雪時などエンジンをかけないことが多い期間を想定し、バッテリＢ１の電力を浪費しないよう暗電流を極力低く抑える必要があるため、好適である。

以上の構成によって、例えば、発電機Ｂ２から主に発せられる間欠的な過電圧が長時間にわたり印加される場合であっても、過電流に対して保護できるため大きな突入電流がコンデンサ４に次々と印加されることを防止でき、耐電流の小さいＰチャネルＭＯＳＦＥＴをスイッチ手段３に適用できる。

かかる車両用計器Ａのサージ保護回路Ａ１は、電源Ｂから負荷２への電力供給とその停止とを切り換えるＰチャネルＭＯＳＦＥＴからなるスイッチ手段３と、電源Ｂの過電圧を検出しスイッチ手段３を駆動する電圧制限用トランジスタ５２と、電源Ｂの過電流を検出しスイッチ手段３を駆動する電流制限用トランジスタ６２と、スイッチ手段３の出力端に接続され負荷２への電力を補うコンデンサ４と、電圧制限用トランジスタ５２と電流制限用トランジスタ６２との各コレクタエミッタ間の電圧を制限するとともに、スイッチ手段３のゲートソース間電圧を制限するツェナダイオード７と、を備える。

従って、発電機Ｂ２による電力供給の割合が大きくなるなどして、電源Ｂから車両用計器Ａへ供給される電源電圧の変動が激しくなる場合であっても、トランジスタ５２，６２，３やスイッチ手段３，コンデンサ４，負荷２に搭載される電子部品を保護できる車両用計器Ａのサージ保護回路Ａ１となる。

また、電圧制限用トランジスタ５２と電流制限用トランジスタ６２をＰＮＰ型トランジスタとすることで、ツェナダイオード７は電圧制限用トランジスタ５２と電流制限用トランジスタ６２との各コレクタエミッタ間の電圧（Ｖｃｅ）を電圧上昇による破損から保護する構成となっている。

ここで、ツェナダイオード７のカソード側が電流検出用抵抗６１を介して保護する構成となっているが、電流検出用抵抗６１の両端電位差は電流制限用トランジスタ６２のベースエミッタ間電圧（最大でも約１．０Ｖ）であり、ツェナダイオード７によるＰＮＰトランジスタのコレクタエミッタ間電圧（Ｖｃｅ）の保護には影響がない。よって、スイッチ手段３を保護することを当初の目的としていたツェナダイオード７は電圧制限用トランジスタ５２と電流制限用トランジスタ６２の電圧保護も兼用でき、電圧制限用トランジスタ５２および電流制限用トランジスタ６２は耐電圧の小さい安価なトランジスタを用いることができる。

なお、本発明を上述した実施の形態の構成にて例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の構成においても、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の改良、並びに設計の変更が可能なことは勿論である。例えば、サージ保護回路Ａ１の電力供給対象となる負荷２として電源回路２１を介して駆動する制御回路２２を例にあげて説明したが、上述した液晶表示素子やバックライト用光源、指針駆動用のモータなどの電子部品を負荷として接続することもできる。

また、図３に示すサージ保護回路Ａ１０は、電圧制限用トランジスタと電流制限用トランジスタとを兼ねて設けられる電圧電流検出回路５６０によって、構成することもできる。上述実施形態と同様の構成については、同符号を付して詳細な説明を省くが、このサージ保護回路Ａ１０の電圧電流検出回路５６０は、ツェナダイオード５６１と、電圧電流制限用トランジスタ５６２と、電流検出用抵抗５６３と、抵抗素子５６４と、を用いる。図３に示す回路構成のように、電圧検出と電流検出とを単一のＰＮＰトランジスタで駆動させた場合であっても、スイッチ手段３を保護するとともに、ツェナダイオード７が電圧電流制限用トランジスタ５６２の保護も兼用でき、電圧電流制限用トランジスタ５６２は耐電圧の小さい安価なトランジスタを用いることができる。また、図１に示す実施形態よりも簡素な回路構成となる。

本発明は、例えば、自動車やオートバイ、あるいは農業機械や建設機械を備えた移動体に搭載される車両用計器のサージ保護回路として適用できる。

１ダイオード
２負荷
２１レギュレータ
２２制御回路
３スイッチ手段
３１抵抗素子
４コンデンサ
５過電圧検出回路
５１ツェナダイオード
５２トランジスタ（電圧制限用トランジスタ）
５３抵抗素子
６過電流検出回路
６１電流検出用抵抗
６２トランジスタ（電流制限用トランジスタ）
Ａ車両用計器
Ａ１サージ保護回路
Ｂ電源
Ｂ１バッテリ
Ｂ２発電機
Ｃ表示器（表示手段）

Claims

発電機を含む電源からの電力供給に基づいて降圧して所定電圧に生成するレギュレータからなる負荷と、
前記電源から前記負荷への電力供給とその停止とを切り換えるＰチャネルＭＯＳＦＥＴからなるスイッチ手段と、
前記電源の過電圧を検出し前記スイッチ手段を駆動するＰＮＰ型トランジスタからなる電圧制限用トランジスタと、
前記電源の過電流を検出し前記スイッチ手段を駆動するＰＮＰ型トランジスタからなる電流制限用トランジスタと、
前記スイッチ手段の出力端に接続され負荷への電力を補うコンデンサと、
前記電圧制限用トランジスタと前記電流制限用トランジスタとの各コレクタエミッタ間電圧を制限するとともに、前記スイッチ手段のゲートソース間の電圧を制限するツェナダイオードと、を備えることを特徴とする車両用計器のサージ保護回路。
前記電圧制限用トランジスタは、前記電流制限用トランジスタを兼ねて回路構成されることを特徴とする請求項１に記載の車両用計器のサージ保護回路。