JP7323778B2 - Overcurrent protection device - Google Patents
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特許法第30条第2項適用 平成31年2月3日オーストラリアにおいて本願の過電流保護装置を搭載する自動車を販売した。Application of Patent Law Section 30,
本発明は、負荷を過電流から保護する車両用の過電流保護装置に関する。 The present invention relates to an overcurrent protection device for vehicles that protects a load from overcurrent.
車両の電子制御ユニット(ECU)等を介して電源に接続できる負荷やワイヤーハーネスを短絡等による過電流から保護するために、過電流が生じたときに負荷と電源との接続を機械的に遮断するヒューズを用いた過電流保護装置が従来から用いられている。 In order to protect the load and wire harness that can be connected to the power supply via the vehicle's electronic control unit (ECU), etc., from overcurrent caused by a short circuit, etc., the connection between the load and the power supply is mechanically cut off when an overcurrent occurs. Conventionally, an overcurrent protection device using a fuse that
特許文献1には、部品を交換することなく過電流を負荷から遮断することができるようにするため、負荷に過電流が流れたか否かをヒューズ特性と同等の過電流遮断特性を基づいて判断する過電流遮断装置が提案されている。
In
ヒューズは電流が大きいと短時間で溶断し、電流が小さいと比較的長時間で溶断する機能を有する。このため、ヒューズを用いた過電流保護装置では、レアショート(部分的短絡)等電流値が小さくヒューズがなかなか切れない場合、ハーネスが発熱し、重大事故に至る懸念があった。 A fuse has a function of melting in a short time when the current is large and melting in a relatively long time when the current is small. Therefore, in an overcurrent protection device using a fuse, if the current value is small and the fuse is not cut easily due to a layer short circuit (partial short circuit), there is a concern that the harness will heat up and lead to a serious accident.
特許文献1では、負荷に過電流が流れたか否かをヒューズ特性と同等の形状の過電流遮断特性を基づいて判断するため、過電流保護装置が複雑になって形状が大型化、高価格化すると考えられる。
In
本発明の目的は、レアショートに対する精度が高く、大型化しない過電流保護装置を提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an overcurrent protection device that has high accuracy against layer shorts and does not increase in size.
本発明は、負荷を過電流から保護する過電流保護装置であって、規定電流以上の負荷電流が規定時間以上流れることを検出したとき、負荷への電流を遮断する過電流保護回路と、
前記過電流保護回路が電流を遮断した場合に、前記過電流保護回路を制御し電流の復帰制御を行う制御素子と、を備え、
前記制御素子による前記復帰制御は、前記過電流保護回路による前記負荷側への電流の遮断、接続を繰り返した後、前記負荷側の電圧値が閾値以上の場合に、電流の供給を復帰し、前記閾値を下回る場合に、電流の遮断を継続し、
前記過電流保護回路は、地絡状態のみならず、電流の突入時における過電流状態においても負荷への電流を遮断し、
前記制御素子による前記復帰制御は、前記過電流保護回路による前記負荷側への電流の遮断、接続を繰り返した後、前記負荷側の電圧値が閾値を超える場合に、電流の突入時における過電流状態と判定し、負荷側のコンデンサ充電のため、電流の遮断、接続を繰り返した後に電流の供給を復帰し、前記閾値を下回る場合に、地絡状態と判定して電流の遮断を継続することを特徴とする。
The present invention is an overcurrent protection device that protects a load from overcurrent, comprising an overcurrent protection circuit that cuts off the current to the load when it detects that a load current greater than or equal to a specified current flows for a specified time or longer;
a control element that controls the overcurrent protection circuit to restore the current when the overcurrent protection circuit cuts off the current ;
The return control by the control element includes, after repeating interruption and connection of the current to the load side by the overcurrent protection circuit, when the voltage value on the load side is equal to or higher than a threshold, the current supply is restored, continuing to interrupt the current if below said threshold;
The overcurrent protection circuit cuts off the current to the load not only in the ground fault state but also in the overcurrent state at the time of current inrush,
In the return control by the control element, when the voltage value on the load side exceeds a threshold value after the overcurrent protection circuit repeatedly cuts off and connects the current to the load side, the overcurrent at the time of current inrush. state, interrupting and connecting the current are repeated to charge the capacitor on the load side, and then the supply of current is restored, and if the threshold is below the threshold, it is judged to be a ground fault state and the interrupting of the current is continued. characterized by
本発明の過電流保護装置は、過電流を検出する規定電流を、地絡状態のみならず、電流の突入時における過電流状態、部分的短絡(レアショート)が生じたときの電流値以下に設定することができる。このため、部分的短絡が生じたときにも迅速に電流を遮断し、ハーネスが発熱し、重大事故が生じることを防ぐことができる。そして、電流を遮断した場合に、制御素子が遮断回路を制御し電流の復帰制御を行うため、ヒューズの差し込み等で電装品のキャパシタにチャージする際に発生する瞬間的な過電流(電流の突入時における過電流状態)のために電流を遮断した場合、復帰動作を行い電流の復帰を行うことができる。過電流を検出する規定電流を、部分的短絡が生じたときの電流値以下の小電流に設定することができるため、過電流保護装置を小型化し低コストで提供することができる。 The overcurrent protection device of the present invention sets the specified current for detecting overcurrent to not only the ground fault condition, but also the overcurrent condition at the time of current rush, and the current value when partial short circuit (layer short circuit) occurs. can be set. Therefore, even when a partial short circuit occurs, the current can be cut off quickly, and the harness can be heated to prevent a serious accident from occurring. When the current is cut off, the control element controls the cut-off circuit and restores the current. If the current is interrupted due to an overcurrent condition at times, a return operation can be performed to restore the current. Since the specified current for detecting overcurrent can be set to a small current that is equal to or less than the current value when a partial short circuit occurs, the overcurrent protection device can be miniaturized and provided at low cost.
図1は、実施形態に係る過電流保護装置10の構成を示すブロック図である。
過電流保護装置10は、過電流保護回路12と制御素子を構成するマイコン18とを有する。過電流保護装置10はECU20内に配置されている。ECU20は、入力端子20iに加えられた24V電圧を、降圧回路22で12Vに降圧し、出力端子20oから出力する。ECU20の端子20bは12VのBatteryに接続されている。過電流保護装置10は、ECU20の入力端子20iと出力端子20oとの間に設けられている。過電流保護装置10は、出力端子20o側の地絡時に、過電流を検出し、出力端子20o側を遮断することで負荷を保護する。ただし、地絡のみならず、バッテリの端子が接続された時、ヒューズ挿入時等の突入電流が流れた際にも、一端遮断した後、マイコン18からの制御により復帰動作を行い、再度復帰する。実施形態の過電流保護回路12では、負荷電流の遮断素子としてFETが用いられている。
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of an
The
過電流保護回路12とマイコン18との間には、オン-オフ要求ポート(Enable)14と、状態報告ポート(ステータス)16とが設けられている。オン-オフ要求ポート14は、マイコン18の出力ポートで、過電流保護回路12へ接続されている。過電流保護回路12へのオン-オフ動作の要求を意味する。オン-オフ要求ポート14がハイの時は、過電流保護回路12へのオン(接続)動作の要求である。オン-オフ要求ポート14がローの時は、過電流保護回路12へのオフ(遮断)動作の要求である。
An on-off request port (Enable) 14 and a status report port (Status) 16 are provided between the
状態報告ポート(Status)16は、マイコン18の入力ポートで、過電流保護回路12から接続されている。過電流保護回路12からの接続状態、遮断状態の報告を意味する。状態報告ポート16がハイの時は、過電流保護回路12からの接続状態の報告である。状態報告ポート18がローの時は、過電流保護回路12からの遮断状態の報告である。
A status report port (Status) 16 is an input port of the
ECU20の出力端子20o側に接続された負荷にはECUの瞬間的な電源喪失対応用のコンデンサ等の容量性負荷が含まれる。バッテリの端子が接続された時、ヒューズ挿入時等に突入電流が流れる。この突入電流は、地絡時に流れる電流と瞬時的には大きく変わらない。一方、部分的短絡(レアショート)が生じたときの電流は、地絡時に流れる電流よりも小さい。実施形態の過電流保護回路12は、地絡のみならず、バッテリの端子が接続された時、ヒューズ挿入時等の突入電流が流れた際、部分的短絡(レアショート)が生じたときの電流で供給電流の遮断を行う。そして、マイコンの復帰制御により、バッテリの端子が接続された時、ヒューズ挿入時等の突入電流が流れた際には、過電流保護回路12は接続状態に戻される。
The load connected to the output terminal 20o of the
マイコン18の復帰動作は、オン-オフ要求ポート(Enable)14を1msローに、69msハイにするDuty制御にて、過電流保護装置10をオン/オフさせ、出力端子20o側に接続された負荷側のコンデンサを充電する。7周期後(490ms)後に、出力端子20o側の電圧が5V以上かを判断し、5V以上なら突入電流による遮断と判断し、追加で2周期Duty制御して、出力端子20o側の電圧を更に高めた後、オン-オフ要求ポート14をハイに固定し、過電流保護回路12を再接続させる。5Vの電圧は、「閾値値」の一例に相当する。
The return operation of the
一方、7周期後(490ms)後に、出力端子20o側の電圧が5V未満であれば、地絡と判断し、オン-オフ要求ポート14をローに固定し、過電流保護回路12を遮断させる。
On the other hand, after 7 cycles (490ms), if the voltage at the output terminal 20o side is less than 5V, it is determined that there is a ground fault, the on-off
マイコン18は、省電力の非動作状態(スリープモード)と、動作状態とが切り換えされるように構成されている。マイコン18はイグニッションオフ中は、通常、非動作状態に維持され、イグニッションオン中は動作状態に維持される。そして、マイコン18は、動作状態中に過電流保護回路12が電流を遮断した場合に、直ちに電流の復帰制御を行う。マイコン18は、非動作状態中に過電流保護回路12が電流を遮断した場合に、過電流保護回路12による電流の遮断が継続され、動作状態に切り替わった後、電流の復帰制御を行う。このため、イグニッションオフ中等のマイコン18の非動作状態中においても、過電流保護回路12が単独で電流を遮断できる。そして、イグニッションオン等のマイコン18が動作状態に切り替わってから、過電流保護回路12を適切に制御することができる。
The
実施形態の過電流保護装置10では、遮断素子が故障しないように設定された時間、電流での動作を繰り返すことで、遮断素子(FET)の発熱を抑制し、故障を防ぐことができる。それにより、追加の保護回路の設定が不要になり、通常使用時に近い電流容量の遮断素子を用いることが可能となり、レイアウトをコンパクトに収めることができる。
In the
図2は、マイコンの制御フローである。
バッテリが接続された場合(S11)、マイコン18は無条件で上述した過電流保護回路復帰制御を実行する(S12)。即ち、マイコン18の復帰動作は、オン-オフ要求ポート(Enable)14を1msローに、69msハイにするDuty制御にて、過電流保護回路12をオン/オフさせる。7周期後(490ms)後に、出力端の電圧に基づき、過電流保護回路12の遮断、接続を継続させる。
FIG. 2 is a control flow of the microcomputer.
When the battery is connected (S11), the
そして、マイコン18はイグニッションがオンされたかを判断する(S14)。イグニッションがオンされているときは(S14:Yes)、状態報告ポート(Status)16がロー、即ち、過電流保護回路12が遮断状態かが判断される(S16)。状態報告ポート(Status)16がハイ、即ち、過電流保護回路12が接続状態の間は(S16:No)、“1”に移行し、S14での判断に戻る。
Then, the
他方、状態報告ポート(Status)16がロー、即ち、過電流保護回路12が遮断状態の場合(S16:Yes)、上述した過電流保護回路復帰制御が実行される(S18)。即ち、マイコン18の復帰動作は、オン-オフ要求ポート(Enable)14を1msローに、69msハイにするDuty制御にて、過電流保護回路12をオン/オフさせる。復帰制御が完了する7周期(490ms)前は(S20:No)、S18に戻り復帰制御を継続する。そして、復帰制御が完了する7周期後(490ms)後に(S20:Yes)、出力端子20o側の電圧が5V以上かを判断し(S22)、5V以上なら突入電流による遮断と判断し(S22:Yes)、オン-オフ要求ポート(Enable)14をハイにし(S24)、過電流保護回路12を接続状態にして、“1”に移行し、S14での判断に戻る。
On the other hand, if the status report port (Status) 16 is low, that is, if the
一方、出力端子20o側の電圧が5V以未満の場合(S22:No)、地絡判断し、オン-オフ要求ポート(Enable)14をローにし(S26)、過電流保護回路12を遮断状態にして、地絡故障を記録し(S28)、処理を終了する。これは、リセットが成されるまで継続する。
On the other hand, if the voltage on the output terminal 20o side is less than 5 V (S22: No), a ground fault is determined, the ON-OFF request port (Enable) 14 is set to low (S26), and the
上述されたイグニッションがオンされたかの判断で(S14)、バッテリが接続された状態から5s経過してイグニッションがオフにされているときは(S14:No)、“2”に移行し、スリープ処理が実行される(S30)。ECU20がスリープモードにされる(S32)。これに伴い、マイコン18が省電力の非動作状態(スリープモード)に切り換えられる。そして、バスに繋がっているユニットからCAN(ECU(Electronic Control Unit)間での通信に用いられる通信プロトコル)が受信されたかが判断される(S34)。CANが受信されない限り(S34:No)、“2”に移行し、S30でのスリープ処理が継続される。
When it is determined whether the ignition is turned on (S14) and the ignition is turned off 5 seconds after the battery is connected (S14: No), the process proceeds to "2" and the sleep process is executed. is executed (S30). The
一方、CANが受信されると(S34:Yes)、ECU20が起動し(S36)、PCMから特定信号が受信されたか判断される(S38)。PCMから特定信号が受信されたときには(S38:Yes)、“1”に移行し、S14での判断に戻る。PCMから特定信号が受信されなかったときには(S38:No)、状態報告ポート(Status)16が立ち下がり、即ち、過電流保護回路12が遮断状態に移行したか判断される(S40)。状態報告ポート16が立ち下がらない間は(S40:No)、S30でのスリープ処理に戻る。
On the other hand, when CAN is received (S34: Yes), the
他方、状態報告ポート(Status)16が立ち下がり、即ち、過電流保護回路12が遮断状態に移行した場合(S40:Yes)、上述した過電流保護回路復帰制御が実行される(S42)。即ち、マイコン18の復帰動作は、オン-オフ要求ポート(Enable)14を1msローに、69msハイにするDuty制御にて、過電流保護回路12をオン/オフさせる。復帰制御が完了する7周期後(490ms)までは(S44:No)、イグニッションがオンされたかを判断し(S46)、イグニッションがオンされた場合には、“1”に移行し、S14での判断に戻る。復帰制御が完了する7周期後(490ms)後に(S44:Yes)、マイコン18は、出力端子20o側の電圧が5V以上かを判断し(S48)、5V以上なら突入電流による遮断と判断し(S22:Yes)、オン-オフ要求ポート(Enable)14をハイにし(S50)、過電流保護回路12を接続状態にして、“2”に移行し、S30でのスリープ処理に戻る。
On the other hand, when the state report port (Status) 16 falls, that is, when the
一方、出力端子20o側の電圧が5V以未満の場合(S48:No)、マイコン18は、オン-オフ要求ポート(Enable)14をローにし(S60)、過電流保護回路12を遮断状態にして、“2”に移行し、S30でのスリープ処理に戻る。ただし、イグニッションのオフ中は復帰処理は再実施されない。
On the other hand, if the voltage on the output terminal 20o side is less than 5 V (S48: No), the
図3は、実施形態の過電流保護装置のタイミングチャートである。
図中(A)はバッテリのオン/オフを示している。(B)はイグニッションのオン/オフを示している。(C)はECU(Electronic Control Unit)間での通信に用いられるCANの受信/未受信を示している。(D)はECUのWakeUP(起動)/Sleep(休眠)/ShutDown(停止)を示している。(E)は過電流保護回路の地絡/突入/正常を示している。(F)は復帰制御の動作/未動作を示している。(G)は状態報告ポート(Status)のハイ/ローを示している。(H)はマイコン内で使用する地絡/正常フラグを示している。
FIG. 3 is a timing chart of the overcurrent protection device of the embodiment.
(A) in the figure indicates ON/OFF of the battery. (B) shows ignition ON/OFF. (C) indicates reception/non-reception of CAN used for communication between ECUs (Electronic Control Units). (D) indicates WakeUP (activation)/Sleep (sleep)/ShutDown (stop) of the ECU. (E) indicates ground fault/rush/normality of the overcurrent protection circuit. (F) indicates operation/non-operation of return control. (G) indicates high/low of the status report port (Status). (H) indicates a ground fault/normal flag used in the microcomputer.
タイミングチャート中で、[1]~[8]は以下の状態を示している。
[1]では、イグニッションがオンの間(S14:Yes)、過電流保護回路12の状態報告ポート(Status)16がタイミングt1で立ち下がった場合(S16:Yes)、復帰制御が実行される(S18)。
[2]では、バッテリがタイミングt2でリセットされた場合(S11)、地絡している、地絡していないに関わらず、復帰制御が実行される(S12)。
[3]では、イグニッションのオフ中に、過電流保護回路12の状態報告ポート(Status)16がタイミングt3で立ち下がった場合(S40:Yes)、復帰制御が実行される(S42)。
[4]では、スリープ中に、過電流保護回路12の状態報告ポート(Status)16がタイミングt4で立ち下がった場合(S40:Yes)、次回の起動時(タイミングt4B)に復帰制御が実行される(S42)。また、復帰処理が完了するまではスリープしない(S46:No)。
In the timing chart, [1] to [8] indicate the following states.
In [1], while the ignition is on (S14: Yes), when the state reporting port (Status) 16 of the
In [2], when the battery is reset at timing t2 (S11), recovery control is executed regardless of whether or not there is a ground fault (S12).
In [3], when the state reporting port (Status) 16 of the
In [4], when the state reporting port (Status) 16 of the
[5]では、CANでのWakeUP(起動)のとき、過電流保護回路12の状態報告ポート(Status)16がタイミングt5で立ち下がった場合(S40:Yes)、即時復帰制御が実行される(S42)。復帰処理が完了するまではスリープしない(S46:No)。
[6]では、スリープ中の地絡にて、復帰制御が実行されたとき、再度、イグニッションがオンされるまでは復帰制御が行われない(S48-S30)。
[7]では、タイミングt7のイグニッションオン時に過電流保護装置10の状態報告ポート(Status)16がロー場合(S16:Yes)、復帰制御が実行される(S18)。
[8]では、復帰動作中にタイミングt8でイグニッションがオンされた場合、再度復帰制御が実行される(S44、S46)
In [5], when WakeUP (activation) in CAN, if the status report port (Status) 16 of the
In [6], when the return control is executed due to the ground fault during sleep, the return control is not performed until the ignition is turned on again (S48-S30).
At [7], if the state report port (Status) 16 of the
In [8], when the ignition is turned on at timing t8 during the return operation, the return control is executed again (S44, S46).
ヒューズの代わりに、電子回路で過電流保護装置を形成する場合、電装品の容量にチャージするための突入電流が流れると、短時間に大電流を流す必要があり、FETのような遮断素子を使用すると、大きな容量を確保する必要があるため、素子数を増やし、レイアウトを確保する必要がある。これに対して、実施形態の過電流保護装置10では、電装品の容量性負荷へのチャージをマイコン18が過電流保護回路12を遮断-接続-遮断を繰り返すことで、発熱を抑制しつつ分割的に行う。また、電流がハーネスを加熱させない値に設定できる。実施形態の過電流保護装置10は、電流を適切に設定できるため、ハーネスの発熱を抑制でき、ハーネスを保護することが可能である。
When forming an overcurrent protection device with an electronic circuit instead of a fuse, it is necessary to allow a large current to flow in a short period of time when a rush current flows to charge the capacity of an electrical component. When used, it is necessary to secure a large capacity, so it is necessary to increase the number of elements and secure the layout. On the other hand, in the
実施形態の過電流保護装置10は、過電流を検出する規定電流を、地絡状態のみならず、電流の突入時における過電流状態、部分的短絡(レアショート)が生じたときの電流値以下に設定することができる。このため、部分的短絡が生じたときにも迅速に電流を遮断し、ハーネスを保護することができ、ハーネスが発熱し、重大事故が生じることを防ぐことができる。そして、電流を遮断した場合に、制御素子が遮断回路を制御し電流の復帰制御を行うため、ヒューズの差し込み等で電装品のキャパシタにチャージする際に発生する瞬間的な過電流のため(電流の突入時における過電流状態)に電流を遮断した場合、復帰動作を行い電流の復帰を行うことができる。過電流を検出する規定電流を、部分的短絡が生じたときの電流値以下の小電流に設定することができるため、過電流保護装置を小型化し低コストで提供することができる。また、修理や故障調査のためにヒューズを抜き差ししても、過電流保護装置10が誤判断せず、ノイズに強い特性を実現できる。例えば、ヒューズ特性と同等の形状の過電流遮断特性を過電流保護装置が備えるためには、大電流を流し得るように、大容量のFET等のスイッチング素子が必要になるが、本実施形態の過電流保護装置では小容量のFETで電流を遮断できる。
The
10 過電流保護装置
12 過電流保護回路
14 オン-オフ要求ポート
16 状態報告ポート
18 マイコン
10
Claims (3)
規定電流以上の負荷電流が規定時間以上流れることを検出したとき、負荷への電流を遮断する過電流保護回路と、
前記過電流保護回路が電流を遮断した場合に、前記過電流保護回路を制御し電流の復帰制御を行う制御素子と、を備え、
前記制御素子による前記復帰制御は、前記過電流保護回路による前記負荷側への電流の遮断、接続を繰り返した後、前記負荷側の電圧値が閾値以上の場合に、電流の供給を復帰し、前記閾値を下回る場合に、電流の遮断を継続し、
前記過電流保護回路は、地絡状態のみならず、電流の突入時における過電流状態においても負荷への電流を遮断し、
前記制御素子による前記復帰制御は、前記過電流保護回路による前記負荷側への電流の遮断、接続を繰り返した後、前記負荷側の電圧値が閾値を超える場合に、電流の突入時における過電流状態と判定し、負荷側のコンデンサ充電のため、電流の遮断、接続を繰り返した後に電流の供給を復帰し、前記閾値を下回る場合に、地絡状態と判定して電流の遮断を継続することを特徴とする。 An overcurrent protection device that protects a load from overcurrent,
an overcurrent protection circuit that cuts off the current to the load when it detects that a load current greater than or equal to a specified current flows for a specified time or longer;
a control element that controls the overcurrent protection circuit to restore the current when the overcurrent protection circuit cuts off the current ;
The return control by the control element includes, after repeating interruption and connection of the current to the load side by the overcurrent protection circuit, when the voltage value on the load side is equal to or higher than a threshold, the current supply is restored, continuing to interrupt the current if below said threshold;
The overcurrent protection circuit cuts off the current to the load not only in the ground fault state but also in the overcurrent state at the time of current inrush,
In the return control by the control element, when the voltage value on the load side exceeds a threshold value after the overcurrent protection circuit repeatedly cuts off and connects the current to the load side, the overcurrent at the time of current inrush. state, interrupting and connecting the current are repeated to charge the capacitor on the load side, and then the supply of current is restored, and if the threshold is below the threshold, it is judged to be a ground fault state and the interrupting of the current is continued. characterized by
前記過電流の検出する規定電流を、部分的短絡が生じたときの電流値以下に設定したことを特徴とする。 The overcurrent protection device of claim 1 ,
It is characterized in that the specified current for detecting the overcurrent is set below the current value when the partial short circuit occurs.
前記制御素子は、動作状態と非動作状態とが切り換えられ、
前記制御素子は、動作状態中に前記過電流保護回路が電流を遮断した場合に、直ちに電流の復帰制御を行い、
前記制御素子は、非動作状態中に前記過電流保護回路が電流を遮断した場合に、前記過電流保護回路による電流の遮断が継続され、動作状態に切り替わった後、電流の復帰制御を行う。 The overcurrent protection device according to claim 1 or claim 2 ,
the control element is switched between an operative state and a non-operative state;
When the overcurrent protection circuit cuts off the current during an operating state, the control element immediately performs current restoration control,
When the overcurrent protection circuit cuts off the current in the non-operating state, the control element continues to cut off the current by the overcurrent protection circuit, and after switching to the operating state, performs current recovery control.
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