JPWO2017090352A1 - 波及故障防止回路を備えた電子装置 - Google Patents

Abstract

電源電圧の異なる電子部品の共通のグランド線の断線に起因して他の電源電圧の電子部品において波及的に生ずる破損や故障等を確実に防止する。
第１及び第２のセンサ１，２は、第１及び第２のセンサ１，２のそれぞれのグランド側の電位が所定の基準電圧を下回る場合には、波及故障防止回路１０２を介して５Ｖの電源電圧が供給される一方、共用グランド線３２が断線し、第１及び第２のセンサ１，２のそれぞれのグランド側の電位が所定の基準電圧を上回る場合には、波及故障防止回路１０２により第１及び第２のセンサ１，２へ対する５Ｖの電源電圧の供給が遮断され、第２及び第４のセンサ３，４への車両用バッテリ５１からの逆電流の発生が防止されるようになっている。

Description

本発明は、電子回路において発生する電子部品の故障防止に関し、特に、複数の電子部品に共通のグランド線の断線に起因して他の電子部品において波及的に発生する故障防止に関する。

いわゆるマイクロコンピュータなどを有し、様々なセンサや内部で生成されるデータ等に基づいて所望される制御動作をなす電子装置、電子システム等と称されるものは、必要とされる制御動作等に応じて様々な構成を有するものであることは良く知られている通りである。
このような電子装置等は、装置構成の簡素化や装置の低価格化等の観点からすれば、使用される電子部品は極力少なく、また、回路動作に必要とされる電源は一種類の電源電圧で済むのが望ましいが、所望される制御動作等との関係から、例えば、電源電圧が複数の系統となる場合などがある。

図４及び図５には、そのような従来の電子装置の構成例が示されており、以下、同図を参照しつつ従来装置について説明する。
この従来装置は、自動車両に必要な種々の動作制御を電気的に実現するための電子装置の例である。
この電子装置は、車両用電子制御ユニット（図４においては「ＥＣＵ」と表記）３０１を中心に構成されたもので、車両用電子制御ユニット３０１は、マイクロコンピュータ（図示せず）に代表される演算、制御等の機能を有するＩＣ（図示せず）や、外部回路とのインターフェイス回路（図示せず）等を有し、複数のセンサにより得られた検出信号や図示されない各種のスイッチ等の信号等に基づいて、エンジン等の動作制御を実行可能に構成されたものである。

この車両用電子制御ユニット３０１には、例えば、複数のセンサとして、４つのセンサＡ〜Ｄからの検出信号が入力されるようになっている。
車両用電子制御ユニット３０１は、車両用バッテリ５１Ａから供給されたバッテリ電圧（例えば、１２Ｖ）を、電子回路において必要とされる所要の電圧、例えば、５Ｖに変換、安定化して出力するための電源用ＩＣ（図４及び図５においては「ＰＷ−ＩＣ」と表記）１１Ａが設けられており、生成された５Ｖが図示されない回路やセンサＡ〜Ｄなどへ供給されるようなっている。

通常、センサの電源電圧は、一系統、すなわち、この例であれば、５Ｖのみのものが殆どであるが、その機能等との関係から異なる２つの電源電圧を必要とするものもあり、例えば、センサＡは、車両用バッテリ５１Ａからの電源電圧（例えば、１２Ｖ）と電源用ＩＣ１１Ａからの５Ｖの双方が必要なものとなっている。

これらのセンサＡ〜Ｄのグランドは、車両用電子制御ユニット３０１内に設けられたグランド用板材３５Ａに集約され、このグランド用板材３５Ａを介して車両アースに接続されるようになっている。
このような構成にあって、個々のセンサＡ〜Ｄのグランドは、車両用電子制御ユニット３０１に設けられたグランド接続端子２５Ａ〜２７Ａに接続されるが、車両用電子制御ユニット３０１と他の外部回路（図示せず）や他の電子制御装置（図示せず）とも接続されるため、必ずしも十分な数のグランド端子や５Ｖ電源供給用端子が設けられる訳ではない。

すなわち、この例では、センサＣ及びセンサＤは、車両用電子制御ユニット３０１に設けられたそれぞれ別個の５Ｖ電源供給用端子２２Ａ，２３Ａとグランド端子２５Ａ，２６Ａに接続されるのに対して、センサＡとセンサＢは、一つの５Ｖ電源供給用端子２１Ａと共用グランド端子２７Ａを共用すると共に、センサＡは、車両用バッテリ５１Ａからもバッテリ電圧を供給される構成となっている。

かかる構成において、センサＡとセンサＢのグランド側の相互の接続点は、共用グランド線３２Ａにより共用グランド端子２７Ａに接続されており（図４参照）、何らかの原因により共用グランド線３２Ａが断線した場合（図５において×印参照）、バッテリ電圧（１２Ｖ）の方が、電源供給用ＩＣ１１Ａの出力電圧より高いため、図５において二点鎖線で示されたように車両用バッテリ５１ＡからセンサＡ及びセンサＢを介して、これらセンサＡ，Ｂの共用の５Ｖ電源供給用端子２１Ａへ逆電流が流れ込む。

そして、車両用電子制御ユニット３０１内部において、センサＡ，Ｂの共用の５Ｖ電源供給用端子２１Ａと共通に接続されている５Ｖ供給用の配線を介して電源供給用ＩＣ１１Ａへ逆電流が流れ込むと共に、センサＣ，Ｄにも流れ込み、最終的には、これら電源供給用ＩＣ１１ＡやセンサＣ，Ｄのグランド側から共通接続されている車両グランドへ至ることとなる。
その結果、上述のように流れ込んだ逆電流が、それぞれの電子部品に逆電流の制限値を越える場合には、それら電子部品の破損や故障等のいわゆる波及故障を招くことがある。

電子装置等における断線を検出する方策としては、例えば、負荷の断線を検出し負荷の電圧上昇を抑圧可能とした回路等が種々提案、実用化されている（例えば、特許文献１等参照）。

特開２００８−１１３４７号公報（第４−６頁、図１−図８）

しかしながら、例えば、特許文献１に記載されたものは、断線が生じた負荷事態の保護を図ることは可能であるが、断線が生じた部品そのものではなく、その断線に起因して、波及的に破損や故障等が発生する可能性の高い部品、すなわち、先に図４及び図５を参照して説明した構成のような電子装置におけるセンサＣ，Ｄの破損や故障等を未然に防止できるものでは無い。

本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、電源電圧の異なる電子部品の共通のグランド線の断線に起因して他の電源電圧の電子部品において波及的に生ずる破損や故障等を確実に抑圧、防止可能な波及故障防止回路を提供するものである。

上記本発明の目的を達成するため、本発明に係る波及故障防止回路を備えた電子装置は、
第１の電源電圧と前記第１の電源電圧より低圧の第２の電源電圧とを必要とする２電源型電子部品と、前記第２の電源電圧を必要とする第１の１電源型電子部品と、前記第２の電源電圧を必要とする少なくとも１つの配線非共用１電源型電子部品と、前記第１の電源電圧を基に前記第２の電源電圧を生成、出力するユニット電源供給回路と、前記２電源型電子部品と前記第１の１電源型電子部品の共通のグランド線の断線による前記配線非共用１電源型電子部品への逆電流の発生を防止する波及故障防止回路とを備えてなるものである。

本発明によれば、２電源型電子部品と１電源型電子部品の共通のグランド線が断線した際に、波及防止回路によって、その２電源型電子部品及び１電源型電子部品への第２の電源電圧の印加が遮断されるようにしたので、２電源型電子部品側から、この２電源型電子部品と共通のグランド線によってグランド側が接続された１電源型電子部位を経て他の１電源型電子部品へ対する逆電流の発生が防止、回避されることにより、他の１電源型電子部品における波及故障の確実な防止、低減がなされるため、電子装置全体の信頼性、安全性の向上を図ることができるという効果を奏するものである。

本発明の実施の形態における波及故障防止回路を備えた電子装置の基本的構成示す構成図である。 本発明の実施の形態における波及故障防止回路の具体的な回路構成例を示す回路図である。 本発明の実施の形態における波及故障防止回路を備えた電子装置に設けられたユニット電源供給回路からの第２の電源電圧の供給経路の他の実施例を示す回路図である。 従来の電子装置における電源電圧とグランドの接続例を示す回路図である。 図４に示された従来の電子装置において共通のグランド線が断線した場合に生ずる逆電流の経路を示す回路図である。

以下、本発明の実施の形態について、図１乃至図３を参照しつつ説明する。
なお、以下に説明する部材、配置等は本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。
最初に、本発明の実施の形態における波及故障防止回路を備えた電子装置の基本構成について図１を参照しつつ説明する。
図１には、自動車両の動作制御を行ういわゆる車両用電子制御ユニット１０１を主たる構成要素として構成された車両動作制御用の電子装置の構成例が示されており、以下、その構成について説明する。

車両用電子制御ユニット１０１は、例えば、マイクロコンピュータ（図示せず）を中心に、記憶装置（図示せず）やインターフェイス回路（図示せず）を有すると共に、マイクロコンピュータ等の動作に必要とされる電源電圧（第２の電源電圧）、例えば、５Ｖを、外部に設けられた車両用バッテリ５１から供給される第１の電源電圧としてのバッテリ電圧（例えば１２Ｖ）を基に生成し、安定化等の処理を施して出力するユニット電源供給回路としての電源供給用ＩＣ（図１においては「ＰＷ−ＩＣ」と表記）１１が設けられている。

また、車両用電子制御ユニット１０１には、後述するように、外部との電気的接続のため、バッテリ接続端子（図１においては「ＢＡＴ」と表記）２０、第１乃至第３のユニット電圧供給端子２１〜２３、第１乃至第３のグランド接続端子（図１においては「ＧＮＤ」と表記）２５〜２７、及び、モニタ端子（図１においては「ＭＯＮ」と表記）２８が設けられている。

この車両用電子制御ユニット１０１の外部には、第１乃至第４のセンサ（図１においては、それぞれ「Sensor Ａ」、「Sensor Ｂ」、「Sensor Ｃ」、「Sensor Ｄ」と表記）１〜４が設けられており、その検出信号は、車両用電子制御ユニット１０１に入力されて、エンジン制御等の処理に供されるようになっている。
なお、上述のセンサ１〜４は、後述するように動作に必要な電源電圧を除けば、如何なる種類のセンサであるか、すなわち、如何なる物理量を検出するセンサであるかは、本発明の実施の形態における波及故障防止回路（図１においては「ＳＷＣ」と表記）１０２の動作には、特段関係しないため、特定のセンサに限定される必要はないものである。

この構成例においては、第２乃至第４のセンサ（１電源型電子部品）２〜４は、５Ｖの電源電圧により動作するものであるのに対して、第１のセンサ（２電源型電子部品）１は、２系統の電源電圧を必要とするものとなっている。すなわち、具体的には、第１のセンサ１は、１２Ｖと５Ｖの２つの電源電圧を必要とするものとなっている。なお、このように２系統の電源電圧を必要とするセンサとしては、例えば、自動車両においては、酸素センサなどがあるが、勿論、これに限定される必要は無いものである。
なお、本発明の実施の形態において、配線非共用１電源型電子部品としての第３及び第４のセンサ３，４は、後述するように、上述の第１及び第２のセンサ１，２と異なり、電源電圧の印加、グランドとの接続に共通の配線を介することなく電源電圧の印加、グランドへの接続が行われるよう設けられたものとなっている。

車両用電子制御ユニット１０１において、上述の４つのセンサ１〜４の電源供給とグランド接続に使用できる端子の数は、センサ数に対して１つ少ない、３つのユニット電圧供給端子２１〜２３と、３つの第１乃至第３のグランド接続端子２５〜２７であるため、その配線は、次述するようなものとなっている。

まず、第１のセンサ１の１２Ｖ電圧印加側は、車両用バッテリ５１の正極端子と共に車両用電子制御ユニット１０１のバッテリ接続端子２０に接続されている。
また、第１のセンサ１の５Ｖ電圧印加側と第２のセンサ（第１の１電源型電子部品）２の５Ｖ電圧印加側は、共に車両用電子制御ユニット１０１の第１のユニット電圧供給端子２１に接続されている。
そして、第３のセンサ３の５Ｖ電圧印加側は、車両用電子制御ユニット１０１の第２のユニット電圧供給端子２２に、第４のセンサ４の５Ｖ電圧印加側は、第３のユニット電圧供給端子２３に、それぞれ接続されている。

一方、第１のセンサ１のグランド側と第２のセンサ２のグランド側は、共に車両用電子制御ユニット１０１の第３のグランド接続端子２７に接続されている。この接続においては、第１のセンサ１のグランド側と第２のセンサ２のグランド側が相互に接続され（以下、説明の便宜上「共用グランド接続点」と称する）、その共用グランド接続点３１と第３のグランド接続端子２７とが共用グランド線３２によって接続されたものとなっている。

また、第３のセンサ３のグランド側は、車両用電子制御ユニット１０１の第２のグランド接続端子２５に、第４のセンサ４のグランド側は、第１のグランド接続端子２６に、それぞれ接続されている。

一方、車両用電子制御ユニット１０１の内部においては、まず、第１のユニット電圧供給端子２１が波及故障防止回路１０２の第１の接続端子１０２ａに接続されている。
また、第２及び第３のユニット電圧供給端子２２，２３と、波及故障防止回路１０２の第２の接続端子１０２ｂは相互に接続され、その接続点（以下、説明の便宜上「ユニット電圧接続点」と称する）３３が電源供給用ＩＣ１１の電圧出力端子１１ａに接続されている。
すなわち、波及故障防止回路１０２は、第１及び第２のセンサ１，２へ対する５Ｖ電圧（第２の電源電圧）の供給路に直列接続されて設けられたものとなっている。

一方、第１乃至第３のグランド接続端子２５〜２７は、車両用電子制御ユニット１０１内に設けられたグランド接続用板材３５に、それぞれ接続されている。なお、グランド接続用板材３５は、所定の車両アース接続部に接続されたものとなっている。

波及故障防止回路１０２は、いわゆるスイッチ機能を有する回路で、通常、すなわち、共用グランド線３２が断線しておらず正常に接続された状態にある場合には、一方の接続端子１０２ａと他方の接続端子１０２ｂ間を導通状態とする一方、共用グランド線３２が断線したと判定された場合には、一方の接続端子１０２ａと他方の接続端子１０２ｂ間を非導通状態とするよう構成されたものとなっている。

かかる波及故障防止回路１０２は、共用グランド線３２の断線の有無を判定するために第１及び第２のセンサ２のグランド側の電位をモニタし、その電位が所定の閾値（基準電圧）を超えた場合に上述のように一方の接続端子１０２ａと他方の接続端子１０２ｂ間を非導通状態とするよう構成されている。このため、波及故障防止回路１０２は、モニタ端子２８を介して第１及び第２のセンサ１，２のグランド側の電位が入力可能に構成されている。

次に、波及故障防止回路１０２の具体的な回路構成について、図２を参照しつつ説明する。
なお、図１に示された回路構成と同一の構成要素については、その詳細な説明を省略し、以下、異なる点を中心に説明する。
この回路構成例における波及故障防止回路１０２は、比較器４１と、トランジスタ４２と、リレー４３とを主たる構成要素として構成されたものとなっている。
以下、具体的に説明すれば、まず、比較器４１は、その反転入力端子がモニタ端子２８に接続されており、第１及び第２のセンサ１，２のグランド側の電位が入力されるようになっている。

一方、比較器４１の非反転入力端子には、波及回路用電源電圧Ｖsの供給ラインとグランドとの間に直列接続された第１及び第２の抵抗器（図２においては、それぞれ「Ｒ１」、「Ｒ２」と表記）４４，４５の相互の接続点における分圧電圧が、比較動作の際の基準電圧として入力されるようになっている。
比較器４１の出力端子は、第３の抵抗器（図１においては「Ｒ３」と表記）４６を介してトランジスタ４２のベースに接続されており、さらに、トランジスタ４２のベースは、第４の抵抗器（図２においては「Ｒ４」と表記）４７を介してグランドに接続されている。ここで、本発明の実施の形態において、トランジスタ４２には、ＮＰＮ型バイポーラトランジスタが用いられている。
なお、波及回路用電源電圧Ｖsは、特定の電圧値に限定される必要は無く、任意に選定され得るものである。例えば、バッテリ電圧としても、また、電源供給用ＩＣ１１が出力する５Ｖであっても良いものである。

また、トランジスタ４２のコレクタは、スイッチ素子としてのリレー４３の電磁コイル４３ａの一端に接続され、この電磁コイル４３ａの他端には、波及回路用電源電圧Ｖsが印加されるようになっている一方、エミッタはグランドに接続されている。
リレー４３は、電磁コイル４３ａが励磁されていない非励磁状態において、閉成状態となる常閉接点４３ｂを有してなるもので、常閉接点４３ｂの一方の端部は、第１の接続端子１０２ａに、常閉接点４３ｂの他方の端部は、第２の接続端子１０２ｂに、それぞれ接続されている。

次に、上記回路構成における動作について説明する。
まず、電源電圧、及び、グランドが正常な状態、すなわち、換言すれば、共用グランド線３２が共用グランド接続点３１と第３のグランド接続端子２７との間に正常に接続されている状態にあっては、モニタ端子２８を介して非反転入力端子に印加される電圧は、ほぼグランド電位に近い。

一方、比較器４１の反転入力端子に設定された基準電圧は、グランド電位よりも高く設定されているため、比較器４１の出力は、論理値Ｌｏｗに相当する低い電圧となる。そのため、トランジスタ４２は非導通状態となり、リレー４３の電磁コイル４３ａは非励磁状態となるため、常閉接点４３ｂは閉成された状態に維持される。その結果、第１のユニット電圧供給端子２１と、第２及び第３のユニット電圧供給端子２２，２３、及び、電源供給用ＩＣ１１の電圧出力端子１１ａは、常閉接点４３ｂを介して導通状態となり、電源供給Ｉ用Ｃ１１により電圧供給が正常に行われることとなる。

次に、共用グランド線３２が、何らかの原因により、その何れかの箇所で断線した場合、第１及び第２のセンサ１，２のグランド側がグランドとの接続が断たれ、第１及び第２のセンサ１，２を介して第１のユニット電圧供給端子２１へバッテリ電圧が印加される状態となるため、第１及び第２のセンサ１，２のグランド側の電位はほぼバッテリ電圧近くに上昇する。

したがって、比較器４１の非反転入力端子の電圧、すなわち、モニタ端子２８を介して印加された第１及び第２のセンサ１，２のグランド側の電位は、反転入力端子の基準電圧を大きく上回ることとなり、比較器４１からは論理値Ｈｉｇｈに相当する電圧が出力され、トランジスタ４２が導通状態とされる。

そのため、電磁コイル４３ａが励磁され、常閉接点４３ｂが開成状態となり、第１のユニット電圧供給端子２１と、第２及び第３のユニット電圧供給端子２２，２３、及び、電源供給用ＩＣ１１の電圧出力端子１１ａとの導通状態は断たれ、従来と異なり、車両用バッテリ５１から電源供給用ＩＣ１１や、第３及び第４のセンサ３，４を介して逆流電流（図４参照）が流れることが確実に回避され、共用グランド線３２の断線により電源供給用ＩＣ１１や第３及び第４のセンサ３，４に波及的に生ずる破損や故障、すなわち、いわゆる波及故障が確実に防止されることとなる。

上述の実施例においては、波及故障防止回路１０２の具体回路例において、トランジスタ４２にＮＰＮ型バイポーラトランジスタを用いたが、これに限定される必要はなく、ＭＯＳＦＥＴ等の他の構造のトランジスタであっても勿論良いものである。
また、第１及び第２の接続端子１０２ａ，１０２ｂ間の開閉成にリレー４３を用いる構成としたが、ＭＯＳＦＥＴ等の、いわゆる半導体スイッチを用いる構成としても勿論良いものである。

さらに、上述の実施例においては、波及故障防止回路１０２の第２の接続端子１０２ｂと第２及び第３のユニット電圧供給端子２２，２３とを相互に接続し、その接続点３３を電圧供給用ＩＣ１１の電圧出力端子１１ａに接続する構成としたが（図１及び図２参照）、このような構成に限定される必要はなく、例えば、図３に示されたように、第２の接続端子１０２ｂと、第２及び第３のユニット電圧供給端子２２，２３を、それぞれ個々に電圧出力端子１１ａに接続する構成としても良い。

電源電圧の異なる電子部品の共通のグランド線の断線に起因して他の電源電圧の電子部品に波及的に生ずる破損や故障等の確実な防止、抑圧が所望される電子装置に適用できる。

Claims (5)

1. 第１の電源電圧と前記第１の電源電圧より低圧の第２の電源電圧とを必要とする２電源型電子部品（１）と、前記第２の電源電圧を必要とする第１の１電源型電子部品（２）と、前記第２の電源電圧を必要とする少なくとも１つの配線非共用１電源型電子部品（３）と、前記第１の電源電圧を基に前記第２の電源電圧を生成、出力するユニット電源供給回路（１１）と、前記２電源型電子部品（１）と前記第１の１電源型電子部品（２）の共通のグランド線（３２）の断線による前記配線非共用１電源型電子部品（３）への逆電流の発生を防止する波及故障防止回路（１０２）とを備えることを特徴とする電子装置。
2. 前記波及故障防止回路（１０２）は、前記２電源型電子部品（１）と前記第１の１電源型電子部品（２）のグランド側の電圧が所定の基準電圧を越えた場合に、前記２電源型電子部品（１）及び前記第１の１電源型電子部品（２）への前記第２の電源電圧の印加を遮断可能に構成されてなることを特徴とする請求項１記載の電子装置。
3. 前記波及故障防止回路（１０２）は、前記２電源型電子部品（１）と前記第１の１電源型電子部品（２）への前記第２の電源電圧の供給路に直列接続されて設けられ、前記２電源型電子部品（１）と前記第１の１電源型電子部品（２）のグランド側の電圧が所定の基準電圧を越えた場合にのみ開成状態となるスイッチ素子（４３）を用いてなることを特徴とする請求項１記載の電子装置。
4. 前記２電源型電子部品（１）と前記第１の１電源型電子部品（２）は、それぞれのグランド側が相互に接続されて前記共通のグランド線（３２）を介してグランドに接続される一方、それぞれの前記第２の電源電圧の印加側が相互に接続されて前記第２の電源電圧が印加されるよう設けられたことを特徴とする請求項１、又は、請求項２記載の電子装置。
5. 前記配線非共用１電源型電子部品（３）は、グランド側が前記２電源型電子部品（１）及び前記第１の１電源型電子部品（２）とは別個にグランドに接続される一方、前記第２の電源電圧の印加側に前記第２の電源電圧が印加されるよう設けられたことを特徴とする請求項１、又は、請求項２記載の電子装置。

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