JP6719346B2 - 車両用電子装置 - Google Patents

Description

本発明は、負荷を駆動する負荷駆動回路を、該負荷駆動回路の出力端に印加される過大な電圧から保護する出力保護回路を備えた車両用電子装置に関する。

近年、自動車には、エンジンやトランスミッション、ブレーキ等の制御用に様々な電子装置が搭載されている。例えば、車両の状態をスピーカから運転者に音声で報知したり、警告音を発したりする電子装置は、音声信号や音響信号を生成する信号生成回路と、生成した信号を増幅してスピーカを駆動する負荷駆動回路を備えている。通常、信号生成回路や負荷駆動回路は集積回路化されており、電源となるバッテリの電圧よりも低い、例えば５Ｖで動作する。
この種の電子装置には、バッテリからハーネスを介して電源が供給され、ハーネスと電子装置はコネクタにより電気的に接続されている。そして、電子装置内では、バッテリの電圧を電源回路で作動電圧まで降下させて装置内の各種回路に供給している。

このような車両用電子装置にあっては、ハーネスやコネクタ部で電源ラインとスピーカへの出力ラインがショートすると、バッテリの高い電圧が負荷駆動回路に印加されて故障する惧れがある。ショートの原因としては、組立て製造中や整備工場での人為的な意図しないショート、ユーザの過った整備による意図しないショート、ハーネスの経年劣化等が想定される。また、ハーネスの不良としては、絶縁皮膜の破断、コネクタ部への導電性の異物の入り込み等が想定される。

そこで、例えば特許文献１では、スピーカを負荷とする出力駆動回路において、出力端子がＶＣＣにショートされる等の異常時に、過電流を検出し、動作電流源を遮断して出力回路への過電流を抑えるようにしている。

特開２００６−１０１０４４号公報

しかしながら、特許文献１は、異常発生時の過電流を検出して内部回路を保護する構成のため、出力端子に絶対最大定格電圧以上の電圧が印加されても大きな電流が流れない場合、すなわち比較的低電流で且つ高電圧が印加された場合には出力駆動回路（負荷駆動回路）を保護できない、という課題がある。

本発明は上記のような事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、大きな電流が流れない場合にも、出力端に印加された過大な電圧から負荷駆動回路を保護できる出力保護回路を備えた車両用電子装置を提供することにある。

本発明の車両用電子装置は、バッテリからハーネスとコネクタを介して電源が供給され、前記バッテリの電圧を電源回路により作動電圧まで降下させて各種回路を動作させる車両用電子装置であって、車両の状態に応じて演算処理部で生成された音声信号または音響信号をスピーカで駆動するための信号に変換する第１信号変換部を有し、前記バッテリの電圧よりも低い電圧で動作する負荷駆動回路と、前記負荷駆動回路におけるスピーカの接続部であるコネクタ部が天絡しているか否かを検出する天絡電圧検出回路と、前記負荷駆動回路の出力端から前記コネクタ部への電流経路に設けられた遮断回路と、前記天絡電圧検出回路で前記第１信号変換部の最大定格電圧以上の電圧を検出した場合に、前記遮断回路を遮断状態に制御する遮断制御回路とを具備し、前記遮断回路が、電流通路が並列接続された第１導電型半導体スイッチ素子と第２導電型半導体スイッチ素子とを備え、前記天絡電圧検出回路によりコネクタ部でハーネスと前記スピーカへの出力ラインがショートしたことを検出した場合に、前記遮断制御回路で両半導体スイッチ素子が共にオフ状態、検出しない場合に両半導体スイッチ素子が共にオン状態に制御される、ことを特徴とする。

本発明の車両用電子装置によれば、スピーカ接続部に所定値以上の高い電圧が印加されたことを検出した場合に、遮断制御回路で遮断回路を制御して負荷駆動回路からスピーカへの電流経路を遮断するので、スピーカ接続部に大きな電流が流れない場合にも負荷駆動回路を保護できる。従って、低電流且つ高電圧でのショート時にも負荷駆動回路を負荷から切り離すことができ、負荷駆動回路の故障を抑制することができる。更に、遮断回路を、第１導電型半導体スイッチ素子と第２導電型半導体スイッチ素子の電流通路を並列接続した構成にすることで、両半導体スイッチ素子が共にオン状態となる通常動作時のオン抵抗を小さくして遮断回路を設けた影響を小さくすることができる。

本発明の実施形態に係る車両用電子装置の回路図である。 図１に示した遮断回路を構成するＰチャネル型ＭＯＳＦＥＴのオン抵抗、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴのオン抵抗、及びこれらのオン抵抗の合成抵抗を示す特性図である。 図１に示した天絡電圧検出回路と遮断制御回路の構成例を示す回路図である。 図１に示した天絡電圧検出回路と遮断制御回路の他の構成例を示す回路図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る車両用電子装置の要部を抽出して示している。電子装置１は、車両の状態をスピーカ２から運転者に音声で報知したり、警告音を発したりするもので、演算処理部（例えばマイクロコンピュータ）３、負荷駆動回路４、フィルタ回路５及び出力保護回路を備えている。

出力保護回路は、スピーカ２を駆動する負荷駆動回路４を、該負荷駆動回路４の出力端（出力端子Ｖｏ＋，Ｖｏ−側のコネクタやハーネス等）に印加される過大な電圧から保護するもので、天絡電圧検出回路６、遮断制御回路７及び遮断回路８を含んで構成されている。
図示しないが、この電子装置１には、バッテリからハーネスを介して電源が供給されており、ハーネスと電子装置１は、コネクタにより電気的に接続されている。そして、バッテリからの電源電圧を電源回路により作動電圧まで降下させ、電子装置１内の各種回路を動作させている。

演算処理部３は、車両の状態に応じた音声信号（または音響信号）を生成して負荷駆動回路４の入力端子ＩＮ＋，ＩＮ−に入力する。負荷駆動回路４は、本例ではＤ級オーディオアンプであり、入力された音声信号を、スピーカ２を駆動するためのＰＷＭ信号に変換する信号変換部４ａを備える。信号変換部４ａは、第１ＰＷＭ信号を出力する第１出力系統と、該第１ＰＷＭ信号と異なる第２ＰＷＭ信号を出力する第２出力系統とを有している。

負荷駆動回路４は、信号変換部４ａで音声信号を変換して生成した第１、第２ＰＷＭ信号を、出力端子Ｖｏ＋，Ｖｏ−からスピーカ２への出力ライン（電流経路）９−１，９−２上に出力する。負荷駆動回路４の各ＰＷＭ信号のパルス幅は、入力された音声信号の振幅に比例して変化する。出力ライン９−１，９−２上の第１、第２ＰＷＭ信号は、遮断回路８を介してフィルタ回路５に入力される。このフィルタ回路５は、第２信号変換部として機能するもので、受動的な積分器として動作し、方形波の平均値に等しい値が得られる。

すなわち、フィルタ回路５は、出力ライン９−１，９−２上にそれぞれ設けられる第１、第２フィルタ部５−１，５−２を備える。フィルタ部５−１はインダクタＬ１とコンデンサＣ１とで構成されたＬＣフィルタ（ローパスフィルタ）であり、フィルタ部５−２はインダクタＬ２とコンデンサＣ２とで構成されたＬＣフィルタ（ローパスフィルタ）である。これら第１、第２フィルタ部５−１，５−２で第１、第２系統のＰＷＭ信号をアナログ信号（正弦波信号）に変換し、スピーカ２の第１、第２入力端子に供給して駆動する。

天絡電圧検出回路６は、スピーカ接続部であるコネクタ部１０−１，１０−２（負荷接続部）が天絡しているか否かを検出するもので、コネクタ部１０−１，１０−２の電圧を検出する電圧検出手段として働く。この天絡電圧検出回路６は、検出した電圧が過大な電圧、すなわち所定値以上の高い電圧である場合に、遮断制御回路７の制御により遮断回路８をオフさせる。ここで、所定値以上の高い電圧とは、例えば信号変換部４ａの最大定格電圧以上の電圧である。遮断制御回路７は、通常動作時にはハイレベル、過大な電圧を検出した場合にはロウレベルを出力するように構成されている。

遮断回路８における遮断部８−１は、出力ライン９−１を遮断するもので、Ｐチャネル型ＭＯＳＦＥＴ Ｍ１、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴ Ｍ２及び抵抗Ｒ１で構成されている。ＭＯＳＦＥＴ Ｍ１のドレインとＭＯＳＦＥＴ Ｍ２のソースは負荷駆動回路４の出力端子Ｖｏ＋に接続され、ＭＯＳＦＥＴ Ｍ１のソースとＭＯＳＦＥＴ Ｍ２のドレインはインダクタＬ１の一端に接続される。ＭＯＳＦＥＴ Ｍ１のゲートとソース間には、抵抗Ｒ１が接続されている。

遮断回路８における遮断部８−２は、出力ライン９−２を遮断するもので、Ｐチャネル型ＭＯＳＦＥＴ Ｍ３、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴ Ｍ４，Ｍ５及び抵抗Ｒ２〜Ｒ４で構成されている。ＭＯＳＦＥＴ Ｍ３のドレインとＭＯＳＦＥＴ Ｍ４のソースは負荷駆動回路４の出力端子Ｖｏ−に接続され、ＭＯＳＦＥＴ Ｍ３のソースとＭＯＳＦＥＴ Ｍ４のドレインはインダクタＬ２の一端に接続される。ＭＯＳＦＥＴ Ｍ３のゲートとソース間には、抵抗Ｒ２が接続されている。抵抗Ｒ４の一端は遮断制御回路７の出力端に接続され、他端はＭＯＳＦＥＴ Ｍ２，Ｍ４，Ｍ５のゲートに接続される。この抵抗Ｒ４の他端と接地点間には、抵抗Ｒ３が接続される。更に、ＭＯＳＦＥＴ Ｍ５のソースは接地され、ドレインはＭＯＳＦＥＴ Ｍ１，Ｍ３のゲートに接続される。

次に、上記のような構成において、図１に示した車両用電子装置の動作を説明する。通常動作時には、天絡電圧検出回路６では過大な電圧は検出されないので、遮断制御回路７の出力信号はハイレベルとなる。これによって、ＭＯＳＦＥＴ Ｍ２，Ｍ４，Ｍ５のゲートに、抵抗Ｒ３，Ｒ４の抵抗分割によって決まるハイレベルの電圧が印加され、これらＭＯＳＦＥＴ Ｍ２，Ｍ４，Ｍ５がオン状態となる。ＭＯＳＦＥＴ Ｍ５のオンによって、ＭＯＳＦＥＴ Ｍ１，Ｍ３のゲートがロウレベルとなるので、これらのＭＯＳＦＥＴ Ｍ１，Ｍ３もオンする。
従って、負荷駆動回路４から出力される第１、第２ＰＷＭ信号は、出力ライン９−１，９−２を介してフィルタ回路５に供給され、このフィルタ回路５でアナログ信号に変換されてスピーカ２から出力される音声信号（または音響信号）により、運転者に車両の状態が報知される。

図２の特性図に示すように、Ｐチャネル型ＭＯＳＦＥＴのオン抵抗は、信号電圧レベル（ゲート・ソース間電圧Ｖ_ＧＳ）が小さいときに抵抗値が高く、大きい時に抵抗値が低くなる。これに対し、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴのオン抵抗は、信号電圧レベルが小さいときに抵抗値が低く、大きい時に抵抗値が高くなる。従って、Ｐチャネル型ＭＯＳＦＥＴとＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴの電流通路を並列接続して同時にスイッチング動作させることにより、合成抵抗は信号電圧レベルが小さいときも大きいときも低くなる。ＰＷＭ信号は、「１」（ハイレベル）と「０」（ロウレベル）の組み合わせであるので、両ＭＯＳＦＥＴのオン抵抗が小さい領域を利用することができ、通常動作時の出力信号への影響をより小さくすることができる。

一方、コネクタ部１０−１，１０−２でハーネス（特に電源ライン）とスピーカ２への出力ライン９−１，９−２がショートすると、天絡電圧検出回路６で過大な電圧、例えば１２Ｖが検出され、遮断制御回路７の出力信号はロウレベルとなる。
これによって、ＭＯＳＦＥＴ Ｍ２，Ｍ４，Ｍ５のゲートが抵抗Ｒ３介して接地されるので、これらのＭＯＳＦＥＴ Ｍ２，Ｍ４，Ｍ５がオフ状態となる。ＭＯＳＦＥＴ Ｍ５のオフによって、ＭＯＳＦＥＴ Ｍ１，Ｍ３のゲートとソース間が抵抗Ｒ１，Ｒ２によって接続され、ゲート・ソース間電圧Ｖ_ＧＳが「０」になるので、これらのＭＯＳＦＥＴ Ｍ１，Ｍ３もオフする。この結果、負荷駆動回路４の出力端子Ｖｏ＋，Ｖｏ−とコネクタ部１０−１，１０−２との間の出力ライン９−１，９−２が遮断され、負荷駆動回路４の故障を抑制することができる。しかも、コネクタ部１０−１，１０−２に過大な電圧（所定電圧以上）が印加されたことを検出するので、大きな電流が流れない場合にも負荷駆動回路４を保護できる。

図３は、図１に示した天絡電圧検出回路６と遮断制御回路７の構成例を示している。図３では、遮断制御回路７にマイクロコンピュータ１１を用いる例を示しており、マイクロコンピュータ１１の出力によって遮断回路８を制御している。すなわち、出力ライン９−１，９−２の電圧を、直列接続された抵抗Ｒ５，Ｒ６の接続点Ｎ１、及び抵抗Ｒ７，Ｒ８の接続点Ｎ２からマイクロコンピュータ１１内のＡ／Ｄコンバータ（ＡＤＣ）１１−１，１１−２にそれぞれ取り込んでデジタルデータに変換する。そして、このデジタルデータに基づいて、コネクタ部１０−１，１０−２に過大な電圧が印加されたか否かをマイクロコンピュータ１１で判定する。そして、遮断回路８に通常動作時にはハイレベル、過大な電圧が検出されたときにはロウレベルとなる信号を供給して制御する。
このような構成によれば、図１に示した回路の動作をソフトウェアによって実現することができる。なお、マイクロコンピュータ１１は、遮断回路８の制御のために専用に設けても良いが、図１における演算処理部３を利用することもできる。

図４は、図１に示した天絡電圧検出回路６と遮断制御回路７の他の構成例を示している。ここでは、ツェナーダイオードを用いて過大な電圧を検出し、遮断回路８を制御している。すなわち、出力ライン９−１，９−２と接地点間にそれぞれ、ツェナーダイオードＺＤ１と抵抗Ｒ９の直列回路、及びツェナーダイオードＺＤ２と抵抗Ｒ１０の直列回路を設ける。ツェナーダイオードＺＤ１，ＺＤ２のツェナー電圧は、集積回路用の電源Ｖ_ＤＤの電圧である５Ｖ以上で、且つ信号変換部４ａの最大定格電圧より低い、例えば８Ｖでブレークダウンするようになっている。また、電源Ｖ_ＤＤ（５Ｖ）と接地点間に、抵抗Ｒ１１とＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴ Ｍ６の電流通路を直列接続するとともに、抵抗Ｒ１２とＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴ Ｍ７の電流通路を直列接続する。

そして、ツェナーダイオードＺＤ１と抵抗Ｒ９の接続点Ｎ３をＭＯＳＦＥＴ Ｍ６のゲートに、ツェナーダイオードＺＤ２と抵抗Ｒ１０の接続点Ｎ４をＭＯＳＦＥＴ Ｍ７のゲートにそれぞれ接続する。更に、抵抗Ｒ１１とＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴ Ｍ６の電流通路との接続点Ｎ５と、抵抗Ｒ１２とＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴ Ｍ７の電流通路との接続点Ｎ６から得られる信号をオアゲート１２に入力し、このオアゲート１２の出力で遮断回路８を制御する。

通常動作時には、ツェナーダイオードＺＤ１，ＺＤ２は共にブレークダウンしないので、ＭＯＳＦＥＴ Ｍ６，Ｍ７がオフし、オアゲート１２にはハイレベルの信号が入力されるので、このオアゲート１２から遮断回路８にハイレベルの信号が供給され、遮断回路８はオン状態となる。これに対し、コネクタ部１０−１，１０−２の少なくとも一方に過大な電圧が印加され、ツェナーダイオードＺＤ１またはＺＤ２がブレークダウンすると、ＭＯＳＦＥＴ Ｍ６またはＭ７がオンし、オアゲート１２から遮断回路８にロウレベルの信号が供給されてオフ状態となって出力ライン９−１，９−２を遮断する。
このようにハードウェアで構成しても、図３に示した回路と同様な動作を実現することができ、実質的に同じ作用効果が得られる。

上記のような構成によれば、低電流且つ高電圧でのショート時にも電流経路を遮断でき、負荷駆動回路の故障を抑制することができる。また、遮断回路をＰチャネル型ＭＯＳＦＥＴとＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴの電流通路を並列接続した構成にすることで、正常動作時のオン抵抗を小さくして出力ラインに遮断回路を介在させることによる影響を小さくすることができる。特に、スピーカを駆動するＤ級オーディオアンプ等は、ＰＷＭ出力後にＬＣフィルタを通して信号成分を取り出すが、ＬＣフィルタ前に遮断回路を挿入することで、通常時にＦＥＴのオン抵抗が十分に低い領域を使用することができるため、通常動作時への影響を更に小さくすることができる。よって、消費電力を抑制することができる。

また、負荷駆動回路を効果的に保護できるので、半導体素子の選択自由度が広がり、耐圧が低くサイズが小さい素子を選択できることにより、設計の自由度が広がり、出力保護回路の小スペース化が図れ、車両用電子装置の小型化、基板サイズ縮小等によるコスト低減が図れる。
更に、第１、第２出力系統の出力ラインの両方を遮断するので、ショートが発生した系統からスピーカを介して他の出力系統に高電圧が侵入しても遮断することができる。

以上実施形態を用いて本発明の説明を行ったが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。例えば、コネクタ部の過大な電圧を検出する手段として、マイクロコンピュータを用いる例と、ツェナーダイオードのツェナー電圧を利用する例について説明したが、過大な電圧を検出できれば他の様々な構成を適用できる。
また、遮断回路も一例を示したに過ぎず、同様な機能を実現できれば他の構成であっても構わない。

更に、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件の適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題の少なくとも１つが解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果の少なくとも１つが得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

１…電子装置、２…スピーカ（負荷）、３…演算処理部（マイクロコンピュータ）、４…負荷駆動回路、４ａ…信号変換部（第１信号変換部）、５…フィルタ回路（第２信号変換部）、６…天絡電圧検出回路（電圧検出手段）、７…遮断制御回路、８…遮断回路、９−１，９−２…出力ライン（電流経路）、１０−１，１０−２…コネクタ部（負荷接続部）、１１…マイクロコンピュータ、１１−１，１１−２…Ａ／Ｄコンバータ、Ｍ１〜Ｍ７…ＭＯＳＦＥＴ、Ｒ１〜Ｒ１２…抵抗、ＺＤ１，ＺＤ２…ツェナーダイオード、ＩＮ＋，ＩＮ−…入力端子、Ｖｏ＋，Ｖｏ−…出力端子

Claims (3)

1. バッテリからハーネスとコネクタを介して電源が供給され、前記バッテリの電圧を電源回路により作動電圧まで降下させて各種回路を動作させる車両用電子装置であって、
   車両の状態に応じて演算処理部で生成された音声信号または音響信号をスピーカで駆動するための信号に変換する第１信号変換部を有し、前記バッテリの電圧よりも低い電圧で動作する負荷駆動回路と、
   前記負荷駆動回路におけるスピーカの接続部であるコネクタ部が天絡しているか否かを検出する天絡電圧検出回路と、
   前記負荷駆動回路の出力端から前記コネクタ部への電流経路に設けられた遮断回路と、
   前記天絡電圧検出回路で前記第１信号変換部の最大定格電圧以上の電圧を検出した場合に、前記遮断回路を遮断状態に制御する遮断制御回路とを具備し、
   前記遮断回路が、電流通路が並列接続された第１導電型半導体スイッチ素子と第２導電型半導体スイッチ素子とを備え、前記天絡電圧検出回路によりコネクタ部でハーネスと前記スピーカへの出力ラインがショートしたことを検出した場合に、前記遮断制御回路で両半導体スイッチ素子が共にオフ状態、検出しない場合に両半導体スイッチ素子が共にオン状態に制御される、ことを特徴とする車両用電子装置。
2. 負荷駆動回路はＤ級オーディオアンプであり、前記第１信号変換部は音声信号または音響信号をＰＷＭ信号に変換して出力し、
   前記第１信号変換部と前記スピーカ接続部との間に第２信号変換部を更に備え、前記第２信号変換部は前記ＰＷＭ信号をアナログ信号に変換して前記スピーカに出力するフィルタ回路である、ことを特徴とする請求項１に記載の車両用電子装置。
3. 前記第１信号変換部は、第１ＰＷＭ信号を出力する第１出力系統と、該第１ＰＷＭ信号と異なる第２ＰＷＭ信号を出力する第２出力系統とを有し、
   前記第２信号変換部は、前記第１ＰＷＭ信号をアナログ信号に変換して前記スピーカの第１入力端子に供給する第１フィルタ部と、前記第２ＰＷＭ信号を変換して前記アナログ信号と逆位相のアナログ信号を前記スピーカの第２入力端子に供給する第２フィルタ部とを備え、
   前記天絡電圧検出回路は、前記第１出力系統と前記第２出力系統の出力端の電圧を検出し、
   前記遮断回路は、負荷駆動回路の前記第１出力系統と前記第２出力系統の出力端子から前記スピーカへの電流経路に設けられ、
   前記遮断制御回路は、前記第１出力系統と前記第２出力系統の出力端子の少なくとも一方で前記第１信号変換部の最大定格電圧以上の電圧を検出したときに、前記遮断回路を制御して前記スピーカへの電流経路を遮断する、ことを特徴とする請求項２に記載の車両用電子装置。