WO2009128525A1 - 電力供給制御装置 - Google Patents

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Abstract

バックアップ機能を備えつつ、回路保護機能を有効に働かせることが可能な電力供給制御装置を提供する。電力供給制御装置15は、異常が発生していないと判断された場合に半導体スイッチ45にオン動作を実行させ、異常が発生したと判断された場合に半導体スイッチ45にオフ状態を維持させる制御部25と、制御部25が正常状態か異常状態かを監視する監視部27と、監視部27の監視結果が正常状態である場合には制御部25により半導体スイッチ45をオンオフ動作させ、異常状態である場合には外部からのオンオフ指令信号S1による半導体スイッチ45のオンオフ動作を許容する切替部41,43と、を備える。この装置は、車両用ヘッドランプの点灯制御回路に利用可能である。

Description

電力供給制御装置
 本発明は、電力供給制御装置に関する。
 電力供給制御装置は、電源と負荷との間に接続される半導体スイッチを備え、この半導体スイッチをオンオフすることにより負荷への電力供給を制御するものである。この種の電力供給制御装置には、ヒューズ素子を用いないで負荷回路等を保護する機能が備えられている(特許文献1参照)。具体的には、半導体スイッチに所定値以上の過電流が流れているか否かを判定し、過電流が流れたと判定したときに半導体スイッチにオンオフさせ、このオンオフ状態が所定回数生じたときに短絡状態であるとして、半導体スイッチをオフ状態に維持する。
特開2000-315588公報(発明が解決しようとする課題)
 ところで、上述した半導体スイッチのオンオフ制御はマイコンや制御回路によって実現されるが、このマイコン等が暴走するなどの異常状態に陥るおそれがある。このため、車両のヘッドランプのようにオフ故障になると危険を引き起こす可能性が極めて高い負荷に対しては、マイコン等による制御にかかわらず、例えば人による外部指令によって上記半導体スイッチを強制的にオンオフできるようにバックアップ機能が備えられているのが一般的である。
 ところが、このバックアップ機能を備えた電力供給制御装置において、上記回路保護機能を実現しようとすると、このバックアップ機能によって回路保護機能が有効に働かなくなるという問題が生じる。つまり、一般的なバックアップ機能は、マイコン等が異常状態か正常状態かを問わず、上記外部指令によって半導体スイッチをオンオフするようになっている。従って、マイコン等が正常状態下において上記短絡状態であるとして半導体スイッチをオフ状態に維持しても、バックアップ機能によってそのオフ状態が解除されてしまい、短絡状態にもかかわらず負荷への通電を許容してしまうという問題が生じる。
 本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、その目的は、バックアップ機能を備えつつ、回路保護機能を有効に働かせることが可能な電力供給制御装置を提供するところにある。
(課題を解決するための手段)
 上記の目的を達成するための手段として、請求の範囲第1項の発明に係る電力供給制御装置は、電源から負荷への電力供給を制御するためにオンオフされる半導体スイッチと、前記半導体スイッチまたは当該半導体スイッチが設けられる回路中に異常が発生しているかどうかを判断する判断部と、前記判断部により異常が発生していないと判断された場合に前記半導体スイッチにオン動作を実行させ、前記異常が発生したと判断された場合に前記半導体スイッチにオフ状態を維持させる制御部と、前記制御部が正常状態か異常状態かを監視する監視部と、外部からオンオフ指令信号が入力される入力部と、前記監視部の監視結果が前記正常状態である場合には前記制御部により前記半導体スイッチをオンオフ動作させ、前記監視部の監視結果が前記異常状態である場合には前記入力部に入力された前記オンオフ指令信号による前記半導体スイッチのオンオフ動作をさせる切替部と、を備える。
 本発明の電力供給制御装置は、制御部が正常状態の場合において、半導体スイッチまたは当該半導体スイッチが設けられる回路中に異常が発生すると、半導体スイッチをオフ状態に維持する。このとき、オンオフ指令信号が入力部に入力されても、そのオンオフ指令信号による半導体スイッチのオンオフ動作を禁止するため、上記オフ状態による保護を有効に働かせることができる。一方、制御部が異常状態の場合には、オンオフ指令信号による半導体スイッチのオンオフ動作を許容するから、このオンオフ指令信号によるバックアップ機能をも有効に働かせることができる。
 第2の発明は、第1の発明の電力供給制御装置であって、前記制御部は、前記判断部により異常が発生していないと判断された場合には、前記オンオフ指令信号に基づき前記半導体スイッチのオンオフ制御の実行と停止とを行い、前記異常が発生したと判断された場合には、前記オンオフ指令信号にかかわらず前記半導体スイッチにオフ状態を維持させる構成である。
 本発明によれば、制御部が正常状態の場合には、オンオフ指令信号に基づき制御部に半導体スイッチのオンオフ制御を実行させたり停止させたりすることができる。
 第3の発明は、第1または第2の発明の電力供給制御装置であって、前記半導体スイッチに流れる電流を検出する検出部を備え、前記判断部は、前記検出部による検出結果に基づき前記半導体スイッチまたは当該半導体スイッチが設けられる回路中に異常が発生しているかどうかを判断する。
 本発明によれば、半導体スイッチに流れる電流に基づき、半導体スイッチまたは当該半導体スイッチが設けられる回路中に発生した異常を検出することができる。
 第4の発明は、第1から第3のいずれか一つの発明の電力供給制御装置であって、前記監視部の監視結果が異常状態であることを外部に報知する報知部を備える。
 本発明によれば、制御部が異常状態であることを、報知部の報知動作によって容易に知ることができる。
(発明の効果)
 本発明によれば、電力供給制御装置において、バックアップ機能を備えつつ、回路保護機能を有効に働かせることができる。
本発明の一実施形態のバックアップシステムの全体構成のブロック図 半導体デバイスの内部構成を示すブロック図 閾値電流ILthの設定レベルと発煙特性曲線との関係を説明するためのグラフ 比較例のバックアップシステムの全体構成のブロック図
 15...電力供給制御装置
 17...電源
 19...負荷19
 25...マイコン(判断部、制御部)
 27...ウオッチドック(監視部)
 31...入力端子(入力部)
 41...AND回路(切替部)
 43...OR回路(切替部)
 45...パワーMOSFET(半導体スイッチ)
 S1...指令信号(オンオフ指令信号)
 本発明の実施形態1を図1~図4を参照しつつ説明する。
 (バックアップシステムの全体構成)
 図1は、本実施形態のバックアップシステム1の全体構成のブロック図である。このバックアップシステム1は、例えば図示しない車両に搭載されており、コンビネーションスイッチ3、室内ECU5(電子制御装置)及びエンジンルーム内ECU7を備える。
 (1)コンビネーションスイッチ及び室内ECU
 コンビネーションスイッチ3は、例えば運転手が把持するハンドル(図示せず)近傍に配置され、運転手によってオンオフ操作されるものである。コンビネーションスイッチ3は、オン操作されると例えばローレベルの指令信号S1(以下、オン指令信号S1ともいう)を室内ECU5に与え、オフ操作されるとハイレベルの指令信号S1(以下、オフ指令信号S1ともいう)を室内ECU5に与える。
 室内ECU5は、マイコン9を有し、上記指令信号S1など、例えば運転席のコンソール部からの各種の指令信号を受けて車両全体の制御を統括する。室内ECU5は、LANケーブル11を介してエンジンルーム内ECU7に接続されており、コンビネーションスイッチ3からの指令信号S1は、この室内ECU5を介してエンジンルーム内ECU7に与えられる。また、コンビネーションスイッチ3の出力端子は、スイッチライン13を介してエンジンルーム内ECU7に直接接続されている。これにより、エンジンルーム内ECU7は、仮に室内ECU5が異常状態になったとしても、運転手の入力操作を直接反映した指令信号S1を受けることができる。
 (2)エンジンルーム内ECU
 エンジンルーム内ECU7内には、電力供給制御装置15が備えられている。この電力供給制御装置15は、車両用電源(以下、「電源17」)から負荷19として例えば車両用のヘッドライトやホーンなどへの電力供給制御を行うために使用される(各図にはヘッドライトが例示されている)。なお、以下では、「負荷」は電力供給制御装置15の制御対象装置であって、電力供給制御装置15とその制御対象装置との間に連なる電線21を含まない意味であるとし、「外部回路」を負荷19と電線21とを含めた意味であるとして説明する。
 電力供給制御装置15は、主として、半導体デバイス23(インテリジェント・パワー・デバイス)、マイコン25、ウオッチドック27、各端子(29,31,33,35,37、38)、及び、各種の論理回路(39,41,43)を有する。
 図2は、半導体デバイス23の内部構成を示すブロック図である。この半導体デバイス23は、パワーMOSFET45(半導体スイッチの一例)、後述する電流検出素子としてのセンスMOSFET47、ゲート駆動部49、及び、カレントミラー部51を有してチップ化されている。
 具体的には、半導体デバイス23には、ドレインが共通接続されて電源接続端子33に接続される複数のMOSFETが配列され、ほとんどのMOSFET群が、ソースを後述するカレントミラー部51のパワーFET用入力51A及び負荷接続端子35に接続することでパワーMOSFET45を構成し、残りのMOSFET群が、ソースをカレントミラー部51のセンスFET用入力51Bに接続することでセンスMOSFET47を構成している。なお、パワーMOSFET45を構成するMOSFETの数と、センスMOSFET47を構成するMOSFETの数との比が概ねセンス比である。
 カレントミラー部51は、パワーMOSFET45とセンスMOSFET47との出力側電位(ソース電位)を同電位に保持するための電位制御回路53と、1対のカレントミラー回路55,55とを備えている。
 電位制御回路53は、オペアンプ57と、スイッチ素子としてのFET59とを備える。オペアンプ57は、その逆相入力がパワーFET用入力51Aに接続され、その正相入力がセンスFET用入力51Bに接続されている。FET59は、センスFET用入力51Bと外部端子38との間に接続され、制御端子にオペアンプ57の出力が与えられる。そして、オペアンプ57の差動出力が、FET59のゲート-ドレイン間を介して正相入力にフィードバックされている。
 このようにオペアンプ57の差動出力をフィードバックすることによって、オペアンプ57の正相入力の電位と逆相入力の電位とをほとんど同じにするイマジナリーショート状態となる。このため、パワーMOSFET45及びセンスMOSFET47のドレイン同士、ソース同士が互いに同電位となり、パワーMOSFET45に流れる負荷電流ILに対して安定した一定比率(上記センス比)のセンス電流ISをセンスMOSFET47に流すことができる。
 電位制御回路53からのセンス電流ISは上記1対のカレントミラー回路55,55及び外部端子38を介して外付け抵抗61に流れ、このセンス電流ISに応じて外部端子38の端子電圧V0が変化する。そして、この端子電圧V0がA/D変換されてマイコン25に取り込まれる(図1参照)。これにより、マイコン25は、端子電圧V0の値に基づきパワーMOSFET45に流れる負荷電流ILを検出することができる。従って、センスMOSFET47及びマイコン25が検出部として機能する。
 ゲート駆動部49は、OR回路43から出力信号S2を受けてパワーMOSFET45及びセンスMOSFET47をオンオフ制御する。具体的には、ゲート駆動部49は、OR回路43からオン指令を意味するハイレベルの出力信号S2を受けると、パワーMOSFET45及びセンスMOSFET47をターンオンさせてオン(通電)状態にする一方で、オフ指令を意味するローレベルの出力信号S2を受けると、パワーMOSFET45及びセンスMOSFET47をターンオフさせてオフ(遮断)状態にする。
 OR回路43とAND回路41は、本発明の「切替部」として機能する。OR回路43は、マイコン25からの指令信号S3を入力すると共に、AND回路41の出力信号S4を入力する。マイコン25は、予め定められたプログラムに従って上記指令信号S3を出力することによりパワーMOSFET45のオンオフを制御する。この制御内容については後述する。
 マイコン25の入力は、OR回路39及び接続端子29を介して上記LANケーブル11に接続されると共に、OR回路39及び入力端子31(入力部の一例)を介して上記スイッチライン13にも接続されている。つまり、マイコン25は、コンビネーションスイッチ3からの指令信号S1を、マイコン9を介して受けると共に、スイッチライン13を介して直接受けるようになっている。従って、仮にマイコン9が異常状態になった場合であっても、マイコン25は運転手の入力操作を直接反映した指令信号S1を受けることができる。
 ウオッチドック27(ウオッチドックタイマ 監視部の一例)は、システムが正常に動作しているかどうかを監視するためのデバイスである。具体的には、ウオッチドック27は、マイコン25から出力信号S5を定期的に受けるようになっている。そして、ウオッチドック27は、上記出力信号S5を定期的に受けているときはマイコン25が正常状態であると判断する一方で、一定周期経過しても上記出力信号S5を受けないときにマイコン25が異常状態になったと判断し、ハイレベルの出力信号S6(異常信号)を出力する。このハイレベルの出力信号S6はAND回路41に与えられる。また、このAND回路41は、スイッチライン13からの上記指令信号S1をレベル反転して受ける。
 (エンジンルーム内ECU7内のマイコンが判断する異常について)
 マイコン25は、外部回路に異常が発生しているかどうかを判断する判断部と、この判断部により異常が発生していないと判断された場合にパワーMOSFET45にオン動作を実行させ、異常が発生したと判断された場合にパワーMOSFET45にオフ状態を維持させる制御部として機能する。
 具体的には、マイコン25は、上記センス電流ISに基づきヒューズ異常になっているかどうかを判断する。このヒューズ異常とは、外部回路中にヒューズ素子を設けていれば溶断すべき異常状態をいう。次に、ヒューズ異常を検出するための構成の一例を説明する。本実施形態の電力供給制御装置15は、外部回路中にヒューズ素子を設けずに、マイコン25による制御によってヒューズ素子と同機能(ヒューズ機能)を実現するものである。マイコン25は、パワーMOSFET45に流れる負荷電流ILが閾値電流ILth以上かどうかを判断し、負荷電流ILが閾値電流ILth以上になっている時間(継続的でも断続的であってもよい)が、規定時間に達したときにヒューズ異常が発生したと判断する。
 ここで、図3は、閾値電流ILthの設定レベルと発煙特性曲線L1との関係を説明するためのグラフである。このグラフには、電力供給制御装置15に接続され得る電線21(例えば電線被覆材)の発煙特性について、定常電流レベルと通電時間(溶断時間)との関係を示した発煙特性曲線L1が示されている。つまり、任意の一定電流(ワンショット電流)と、それを電線21に流したときに当該電線21の被覆材の焼損が発生するまでの時間との関係を示す発煙特性曲線が図示されている。
 同グラフ中、ILmaxは負荷19の定格電流(設計時に保証される機器の使用限度)であり、Ioは電線21における発熱と放熱とのバランスがとれた熱平衡状態で流すことが可能な平衡時限界電流である。この平衡時限界電流Ioよりも高いレベルの電流を流す場合には、過度熱抵抗領域となり、電流レベルと焼損までの時間とが略反比例関係となる。そして、上記閾値電流ILthは、図3に示すように、負荷19の定格電流ILmaxよりもやや高いレベルに設定されている。
 例えば電線被覆材の一部が破損して素線が車両のボディに間欠的に接触する、いわゆるチャタリングショートが発生すると、大電流が流れないとしても、ある一定以上の電流が流れ続けて電線21が発煙するおそれがある。このような場合に上記ヒューズ機能が有効である。
 (バックアップシステムの動作)
 (1)エンジンルーム内ECU7内のマイコンが正常状態の場合
 エンジンルーム内ECU7内のマイコン25が正常状態の場合には、マイコン25は予め定めた制御を実行する。具体的には、コンビネーションスイッチ3がオン操作されることにより、マイコン25はオン指令信号S1を受けてパワーMOSFET45及びセンスMOSFET47のオンオフ制御を開始する。例えば負荷19としてのヘッドライドを夜間点灯する場合にはパワーMOSFET45をオン状態に維持する。
 また、マイコン25は上記端子電圧V0の値を適宜読み込んで上記ヒューズ異常が発生しているかどうかを判断している。ここで、ヒューズ異常が発生していないと判断している間は、マイコン25は、コンビネーションスイッチ33からオフ指令信号S1を受けることでパワーMOSFET45をオフし、その後、コンビネーションスイッチ3からオン指令信号S1を受けることでパワーMOSFET45をオンする。
 これに対して、マイコン25は、ヒューズ異常が発生したと判断すると、パワーMOSFET45をオフ状態に維持する。このとき、マイコン25は正常状態であるから、ウオッチドック27はローレベルの出力信号S6(正常信号)をAND回路41に与える。このため、コンビネーションスイッチ3からの指令信号S1は、このAND回路41によって無効化され、半導体デバイス23に与えられない。即ち、コンビネーションスイッチ3の入力操作によってパワーMOSFET45を直接オンオフすることはできず、マイコン25が支配的にパワーMOSFET45をオンオフ制御できるようになっている。
 従って、ヒューズ異常の発生後に、運転手がコンビネーションスイッチ3のオンオフ操作を行っても、これによってパワーMOSFET45のオフ状態が解除されることはなく、ヒューズ機能が有効に働く。
 (2)エンジンルーム内ECU7内のマイコンが異常状態の場合
 エンジンルーム内ECU7内のマイコンが、例えば暴走などして異常状態になると、ウオッチドック27はハイレベルの出力信号S6(異常信号)をAND回路41に与える。そうすると、コンビネーションスイッチ3からの指令信号S1はAND回路41にて有効化され、半導体デバイス23に与えられる。即ち、コンビネーションスイッチ3の入力操作によってパワーMOSFET45を直接オンオフすることはできるようになり、バックアップ機能が有効に働く。また、ウオッチドック27からの出力信号S6は出力端子37(報知部の一例)を介して外部に出力される。これにより、例えば運転席のコンソール部のランプを点灯させたり、スピーカで発音させたりして、マイコン25の異常状態を報知することができる。なお、図1中の符号16のラインが本実施形態のバックアップラインであるのに対し、図4中の符号18のラインが従来構成におけるバックアップラインである。
 (本実施形態の効果)
 図4は比較例としてのバックアップシステム1'の全体構成を示すブロック図である。なお、図1のバックアップシステム1と同一構成については同じ符号を付してある。このバックアップシステム1'のように、コンビネーションスイッチ3からの指令信号S1を半導体デバイス23に直接与える構成とすると、マイコン25が異常状態のときに、バックアップ機能を有効に働かすことはできる。しかし、この構成ではマイコン25が正常状態のときにもコンビネーションスイッチ3における運転手のオンオフ操作によってパワーMOSFET45を直接オンオフできてしまう。従って、ヒューズ異常の発生によりマイコン25がパワーMOSFET45をオフ状態に維持しようとしても、運転手がコンビネーションスイッチ3をオンオフ操作することで、上記オフ状態が解除されてしまう。
 これに対して、本実施形態のバックアップシステム1は、マイコン25が正常状態の場合において、ヒューズ異常が発生すると、パワーMOSFET45をオフ状態に維持する。このとき、オンオフ指令信号S1が入力端子31に入力されても、そのオンオフ指令信号S1によるパワーMOSFET45のオンオフ動作を禁止するため、上記オフ状態によるヒューズ機能を有効に働かせることができる。一方、マイコン25が異常状態の場合には、オンオフ指令信号S1によるパワーMOSFET45のオンオフ動作を許容するから、このオンオフ指令信号S1によるバックアップ機能をも有効に働かせることができる。
 <他の実施形態>
 本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
 (1)上記実施形態では、センス電流ISに基づく検出電流(負荷電流IL)が閾値電流ILthを超えたかどうかの判定を、マイコン25が行う構成であったが、これに限らず、例えば半導体デバイス23内に比較回路を設けて、この比較回路にて上記判定を行い、その判定結果をマイコン25に与える構成であってもよい。更に、ヒューズ異常になっているかどうかを判断するロジック回路を設けて、そのヒューズ異常の有無の判断結果をマイコン25に与える構成であってもよい。
 (2)上記実施形態では、マイコン25が制御部として機能する構成であったが、これに限らず、ASIC等の制御回路であってもよい。
 (3)上記実施形態では、センスFETを利用したセンス方式によって半導体スイッチに流れる電流を検出する構成であったが、これに限らず、例えば電線21中にシャント抵抗を設ける、シャント方式によって電流を検出する構成であってもよい。
 (4)上記実施形態では、「ヒューズ異常」であったが、これに限らず、半導体スイッチをオフ状態にすべき異常であれば、例えば負荷19の短絡異常や一時的な大電流異常、発熱異常(温度検出素子を利用して検出温度が所定温度に達したことを条件に異常とする)などであってもよい。

Claims (4)

  1.  電源から負荷への電力供給を制御するためにオンオフされる半導体スイッチと、
     前記半導体スイッチまたは当該半導体スイッチが設けられる回路中に異常が発生しているかどうかを判断する判断部と、
     前記判断部により異常が発生していないと判断された場合に前記半導体スイッチにオン動作を実行させ、前記異常が発生したと判断された場合に前記半導体スイッチにオフ状態を維持させる制御部と、
     前記制御部が正常状態か異常状態かを監視する監視部と、
     外部からオンオフ指令信号が入力される入力部と、
     前記監視部の監視結果が前記正常状態である場合には前記制御部により前記半導体スイッチをオンオフ動作させ、前記監視部の監視結果が前記異常状態である場合には前記入力部に入力された前記オンオフ指令信号による前記半導体スイッチのオンオフ動作をさせる切替部と、を備える電力供給制御装置。
  2.  前記制御部は、前記判断部により異常が発生していないと判断された場合には、前記オンオフ指令信号に基づき前記半導体スイッチのオンオフ制御の実行と停止とを行い、前記異常が発生したと判断された場合には、前記オンオフ指令信号にかかわらず前記半導体スイッチにオフ状態を維持させる構成である、請求の範囲第1項に記載の電力供給制御装置。
  3.  前記半導体スイッチに流れる電流を検出する検出部を備え、
     前記判断部は、前記検出部による検出結果に基づき前記半導体スイッチまたは当該半導体スイッチが設けられる回路中に異常が発生しているかどうかを判断する、請求の範囲第1項または請求の範囲第2項に記載の電力供給制御装置。
  4.  前記監視部の監視結果が異常状態であることを外部に報知する報知部を備える、請求の範囲第1項から請求の範囲第3項のいずれか一項に記載の電力供給制御装置。
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