WO2017126450A1 - 回路基板及び給電制御装置 - Google Patents

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Inventor
佑樹 杉沢
Original Assignee
株式会社オートネットワーク技術研究所
住友電装株式会社
住友電気工業株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H37/00—Thermally-actuated switches
    • H01H37/74—Switches in which only the opening movement or only the closing movement of a contact is effected by heating or cooling
    • H01H37/76—Contact member actuated by melting of fusible material, actuated due to burning of combustible material or due to explosion of explosive material
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/02—Details

Definitions

  • the present invention relates to a circuit board and a power supply control device.
  • This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2016-007357 filed on Jan. 18, 2016, and incorporates all the description items described in the above Japanese application.
  • a wire protection function that protects the wires connected to the electric load from overheating due to overcurrent
  • a power semiconductor switch for supplying power due to overcurrent or abnormal heat generation With self-protection function to protect from damage.
  • a control device for turning off the switch.
  • the control device also estimates the temperature of the electric wire based on the detected energization current, and turns off the power semiconductor switch when it is determined that the electric wire is in an overheated state.
  • Patent Document 1 discloses a printed wiring board provided with a pattern fuse in which at least a part of a wiring pattern of a printed wiring board on one side is a wiring pattern thinner than the other part.
  • a conductive wire is arranged on the back surface through the printed wiring board so as to be parallel to the pattern fuse, and a current in a direction opposite to the current flowing through the pattern fuse is passed through the conductive wire.
  • a circuit board has a circuit pattern provided on the surface of the board for supplying power from an electric power source to an electric load, and a width wider than other portions of the circuit pattern in the middle of the power supply direction of the circuit pattern.
  • the narrow part formed narrowly and the solder part formed in the surface of this narrow part are provided.
  • the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object of the present invention is to provide a circuit board that can prevent further expansion of failure when a connected element or device fails.
  • a circuit board includes a circuit pattern provided on a surface of a board for supplying power from a power source to an electric load, and another part of the circuit pattern in the middle of the power supply direction of the circuit pattern.
  • a narrow portion having a narrower width and a solder portion formed on the surface of the narrow portion are provided.
  • a circuit pattern is provided on the surface of the board in order to supply power from the power source to the electric load, and the narrow part of the circuit pattern is narrower than the other part of the circuit pattern in the middle of the power supply direction of the circuit pattern.
  • the solder part is formed on the surface of the narrow part.
  • the surface of the substrate is configured to be used in a form substantially matching the vertical direction.
  • the flow direction of the current flowing through the narrow portion is configured to substantially coincide with the vertical direction, and the extension portion of the solder is applied to the surface of the circuit pattern below the narrow portion. It is preferable.
  • a power supply control device is connected to the circuit board described above and a circuit pattern provided on the surface of the circuit board, and controls power supply from the power source to the electrical load to be turned on or off.
  • a semiconductor switch, and the semiconductor switch is provided on the power supply side of the narrow portion formed in the middle of the circuit pattern.
  • This power supply control device includes the above-described circuit board, and a semiconductor switch connected to a circuit pattern provided on the surface of the circuit board controls power supply from the power source to the electric load to be turned on or off.
  • the semiconductor switch is provided on the power source side of the narrow portion formed in the middle of the circuit pattern.
  • a voltage detection circuit for detecting a voltage value at both ends of the shunt resistor, and a voltage value at both ends detected by the voltage detection circuit
  • the shunt resistor is connected to the side opposite to the power source of the narrow portion, and the voltage detection circuit detects the voltage value across the shunt resistor.
  • the protection unit turns off the semiconductor switch based on the voltage value at both ends detected by the voltage detection circuit, and protects the semiconductor switch or the power supply line to the electric load.
  • the notification unit notifies the outside that the semiconductor switch has a short circuit failure and the narrow portion has melted.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a schematic configuration of an embodiment of a circuit board and a power supply control device
  • FIG. 2 is a perspective view illustrating a configuration example of a main part of the circuit board.
  • This power supply control device is used in a vehicle power supply device, and includes an N-channel power MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor) 2, a pattern fuse 3, a shunt resistor 4, a voltage detection circuit 5, a control device 6, and these A circuit board 8 is mounted.
  • N-channel power MOSFET metal oxide semiconductor field effect transistor
  • a power MOSFET (semiconductor switch) 2 has a gate connected to a control device 6, a drain connected to a power source 1, which is a battery, and a source connected to one terminal of a pattern fuse 3.
  • the other terminal of the pattern fuse 3 is connected to a shunt resistor 4 is connected to one terminal.
  • the other terminal of the shunt resistor 4 is connected to the plus terminal of the electric load 7, and the minus terminal of the electric load 7 is grounded.
  • the voltage detection circuit 5 is an operational amplifier.
  • the voltage across the shunt resistor 4 is input, and an output voltage corresponding to the current flowing through the shunt resistor 4 is given to the control device 6.
  • the control device 6 is composed of a microcomputer and controls the power MOSFET 2 to be turned on or off based on a load drive command signal given from the outside. When the voltage value acquired from the voltage detection circuit 5 is higher than the predetermined voltage value, the control device 6 turns off the power MOSFET 2 and outputs a diagnosis signal indicating an overcurrent to the outside (protection unit).
  • the control device 6 Based on the voltage value acquired from the voltage detection circuit 5, the control device 6 estimates the temperature of the electric wires (feeding lines) connecting the power source 1 to the circuit board 8 and the circuit board 8 to the electric load 7, and the estimated temperature is predetermined. When the value is reached, the power MOSFET 2 is turned off, and a diagnosis signal indicating wire heating is output to the outside (protection unit). When the voltage value acquired from the voltage detection circuit 5 is less than or equal to the predetermined voltage value (approximately 0), the control device 6 has a short-circuit failure in the power MOSFET 2, and the pattern fuse 3 has been blown and disconnected due to an overcurrent. A diagnostic signal indicating this is output to the outside (notification unit).
  • the circuit board 8 is used in a form in which the surface of the board substantially coincides with the vertical direction, and each terminal of the power MOSFET 2 is connected to the circuit pattern 9.
  • the circuit pattern 9 to which the source of the power MOSFET 2 is connected is extended downward in the feeding direction, and a narrow portion (pattern fuse 3) 10 having a narrower width than other portions of the circuit pattern 9 is formed in the middle.
  • a solder portion 11 is formed on the surface of the narrow portion 10.
  • the narrow part 10 and the solder part 11 are made so that the pattern fusing current value in the narrow part 10 in which the solder part 11 is formed is more than twice that in the narrow part 10 (after the solder 11 is melted). If it forms, the narrow part 10 can be rapidly cut off.
  • the lower circuit pattern 9 communicated with the narrow portion 10 is formed with an extended portion 12 extending from the solder portion 11, and when the solder portion 11 is melted, the melted solder portion is caused by the surface tension and gravity. 11 hangs down and becomes integral with the extension 12.
  • the narrow portion 10 is formed so as to be close between the power MOSFET 2 and the shunt resistor 4 which are heating elements.
  • the circuit board 8 is naturally maintained in a horizontal state.
  • Control device 6 turns on power MOSFET 2 based on a load drive command signal given from the outside.
  • the control device 6 acquires the voltage value V from the voltage detection circuit 5 (S1), determines whether or not the acquired voltage value V is equal to or higher than the predetermined voltage value V1 (S3), and the voltage value V is the predetermined voltage value. If it is V1 or more, the power MOSFET 2 is turned off (S11). Next, the control device 6 notifies the outside of a diagnostic signal indicating an overcurrent (S13), and then ends.
  • the control device 6 determines whether the voltage value V is equal to or less than the predetermined voltage value V2 (substantially 0) (S5). If the voltage value V is equal to or lower than the predetermined voltage value V2 (S5), the control device 6 notifies the outside of the diagnosis signal indicating that the power MOSFET 2 has a short circuit failure and the pattern fuse 3 has been disconnected (melted) ( After S15), the process ends.
  • the power MOSFET 2 has a short circuit failure or the control device 6 has failed, if a short circuit or the like further occurs between the circuit board 8 and the electric load 7 and an overcurrent starts to flow, the current flow resistance of the circuit pattern 9
  • the narrow part 10 and the solder part 11 which are larger than the other parts are overheated, and first, the solder part 11 is melted.
  • the solder part 11 is melted, the melted solder part 11 hangs down due to the surface tension and gravity, and the melted solder part 11 and the extension part 12 are integrated as shown in FIG. In this case, by forming the extension portion 12, the molten solder portion 11 can be quickly integrated with the extension portion 12 at a predetermined position.
  • the control device 6 detects that the voltage value V acquired from the voltage detection circuit 5 is equal to or lower than the predetermined voltage value V2 (substantially 0), and the power MOSFET 2 is short-circuited. In addition, a diagnosis signal indicating that the pattern fuse 3 is disconnected is output to the outside.
  • the control device 6 calculates the temperature T of the electric wire connecting the power source 1 to the circuit board 8 and the circuit board 8 to the electric load 7 based on the voltage value V. (S7). Next, the control device 6 determines whether or not the estimated temperature T is equal to or higher than the predetermined temperature T1 (S9). If the temperature T is equal to or higher than the predetermined temperature T1, the control device 6 turns off the power MOSFET 2 (S17). .
  • control device 6 notifies the outside of the diagnostic signal indicating the wire heating (S19), and then ends. If the estimated temperature T does not reach the predetermined temperature T1 (S9), the control device 6 acquires the next voltage value V from the voltage detection circuit 5 (S1).

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Abstract

電源（図示せず）から電気負荷（図示せず）へ給電する為に基板（８）の表面に設けられた回路パターン（９）と、回路パターン（９）の給電方向の中途に回路パターン（９）の他の部分より幅が狭く形成された狭隘部（１０）と、狭隘部（１０）の表面に形成された半田部（１１）とを備えている。

Description

回路基板及び給電制御装置
　本発明は、回路基板及び給電制御装置に関するものである。
　本出願は、２０１６年１月１８日出願の日本出願第２０１６－００７３５７号に基づく優先権を主張し、前記日本出願に記載された全ての記載事項を援用するものである。
　車両に搭載された電気負荷へ給電する給電制御装置では、電気負荷迄接続された電線を、過電流による過熱から保護する電線保護機能と、給電する為のパワー半導体スイッチを過電流又は異常発熱による損傷から保護する自己保護機能とを備えている。給電制御装置は、これらの機能を実現する為、前述のパワー半導体スイッチと、通電電流を検出する為のシャント抵抗及び電流検出器と、検出した通電電流を過電流と判定した場合は、パワー半導体スイッチをオフにする制御装置とを備えている。制御装置は、また、検出した通電電流に基づき電線の温度を推定し、電線が過熱状態であると判定したときは、パワー半導体スイッチをオフにする。
　特許文献１には、片面のプリント配線板の配線パターンの少なくとも一部を他部よりも細い配線パターンとしたパターンヒューズを備えたプリント配線板が開示されている。パターンヒューズに対して、プリント配線板を介した裏面に、パターンヒューズと平行になるように導線を配置し、パターンヒューズを流れる電流と反対方向の電流を導線に流す構造としてある。
特開２０１３－１２０６８２号公報
　本発明の一態様に係る回路基板は、電源から電気負荷へ給電する為に基板の表面に設けられた回路パターンと、該回路パターンの給電方向の中途に前記回路パターンの他の部分より幅が狭く形成された狭隘部と、該狭隘部の表面に形成された半田部とを備える。
回路基板及び給電制御装置の実施の形態の概略構成を示すブロック図である。 回路基板の要部構成例を示す斜視図である。 給電制御装置及び回路基板の動作の例を示すフローチャートである。 回路基板の動作の例を示す説明図である。 回路基板の動作の例を示す説明図である。
［本発明が開示しようとする課題］
　上述したような従来の給電制御装置では、パワー半導体スイッチが短絡故障した場合、又は制御装置の故障により過電流が判定できない場合に、電気負荷の短絡等が発生すると、電線を保護することができないという問題がある。また、その場合、パワー半導体スイッチも定格以上の電流が通流し続けるので、異常に発熱し、最終的には給電制御装置全体が修理不能となるという問題がある。
　本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたものであり、接続された素子又は装置が故障した場合に、故障のそれ以上の拡大を防止できる回路基板を提供することを目的とする。
［本発明の効果］
　本発明の開示によれば、接続された素子又は装置が故障した場合に、故障のそれ以上の拡大を防止できる回路基板を実現することができる。
［本発明の実施形態の説明］
　最初に本発明の実施態様を列記して説明する。また、以下に記載する実施形態の少なくとも一部を任意に組み合わせてもよい。
（１）本発明の一態様に係る回路基板は、電源から電気負荷へ給電する為に基板の表面に設けられた回路パターンと、該回路パターンの給電方向の中途に前記回路パターンの他の部分より幅が狭く形成された狭隘部と、該狭隘部の表面に形成された半田部とを備える。
　この回路基板では、電源から電気負荷へ給電する為に、回路パターンが基板の表面に設けられ、回路パターンの狭隘部が、回路パターンの給電方向の中途に回路パターンの他の部分より幅が狭く形成され、半田部が、狭隘部の表面に形成されている。
（２）前記基板の表面が鉛直方向に略一致する形態で供用されるように構成されていることが好ましい。
（３）前記狭隘部を流れる電流の通流方向は、鉛直方向に略一致するように構成されており、前記狭隘部の下方の回路パターンの表面に、前記半田の延長部分が塗布されていることが好ましい。
（４）本発明の一態様に係る給電制御装置は、上述の回路基板と、該回路基板の表面に設けられた回路パターンに接続され、電源から電気負荷への給電をオン又はオフに制御する半導体スイッチとを備え、該半導体スイッチは、前記回路パターンの中途に形成された狭隘部の前記電源側に設けられている。
　この給電制御装置では、上述の回路基板を備えており、回路基板の表面に設けられた回路パターンに接続された半導体スイッチが、電源から電気負荷への給電をオン又はオフに制御する。半導体スイッチは、回路パターンの中途に形成された狭隘部の電源側に設けられている。
（５）前記狭隘部の前記電源とは反対側に接続されたシャント抵抗と、該シャント抵抗の両端電圧値を検出する電圧検出回路と、該電圧検出回路が検出した両端電圧値に基づき、前記半導体スイッチをオフにして、該半導体スイッチ、又は前記電気負荷迄の給電線を保護する保護部と、前記両端電圧値が所定電圧値以下のときに、前記半導体スイッチが短絡故障し、また、前記狭隘部が溶断したことを外部へ通知する通知部とを更に備えることが好ましい。
　この給電制御装置では、シャント抵抗が、狭隘部の電源とは反対側に接続され、電圧検出回路が、シャント抵抗の両端電圧値を検出する。保護部が、電圧検出回路が検出した両端電圧値に基づき、半導体スイッチをオフにして、半導体スイッチ、又は電気負荷迄の給電線を保護する。通知部が、両端電圧値が所定電圧値以下のときに、半導体スイッチが短絡故障し、また、狭隘部が溶断したことを外部へ通知する。
［本発明の実施形態の詳細］
　以下に、本発明の実施の形態に係る回路基板及び給電制御装置の具体例を、図面に基づいて説明する。
（実施の形態）
　図１は、回路基板及び給電制御装置の実施の形態の概略構成を示すブロック図であり、図２は、回路基板の要部構成例を示す斜視図である。
　この給電制御装置は、車両の電源装置に使用されており、ＮチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）２、パターンヒューズ３、シャント抵抗４、電圧検出回路５、制御装置６、及びこれらを実装する回路基板８を備えている。
　パワーＭＯＳＦＥＴ（半導体スイッチ）２は、ゲートに制御装置６が、ドレインにバッテリである電源１が、ソースにパターンヒューズ３の一方の端子がそれぞれ接続され、パターンヒューズ３の他方の端子は、シャント抵抗４の一方の端子に接続されている。
　シャント抵抗４の他方の端子は、電気負荷７のプラス端子に接続され、電気負荷７のマイナス端子は接地されている。
　電圧検出回路５は、オペアンプであり、シャント抵抗４の両端電圧が入力され、シャント抵抗４の通流電流に応じた出力電圧を制御装置６に与える。
　制御装置６は、マイクロコンピュータで構成され、外部から与えられた負荷駆動指令信号に基づき、パワーＭＯＳＦＥＴ２をオン又はオフに制御する。
　制御装置６は、電圧検出回路５から取得した電圧値が所定電圧値より高いときは、パワーＭＯＳＦＥＴ２をオフにし、過電流を示すダイアグ信号を外部へ出力する（保護部）。
　制御装置６は、電圧検出回路５から取得した電圧値に基づき、電源１～回路基板８及び回路基板８～電気負荷７を接続する電線（給電線）の温度を推定し、推定した温度が所定値に達すると、パワーＭＯＳＦＥＴ２をオフにし、電線加熱を示すダイアグ信号を外部へ出力する（保護部）。
　制御装置６は、電圧検出回路５から取得した電圧値が所定電圧値以下（略０）であるときは、パワーＭＯＳＦＥＴ２が短絡故障しており、また、パターンヒューズ３が過電流により溶断し断線したことを示すダイアグ信号を外部へ出力する（通知部）。
　回路基板８は、図２に示すように、基板の表面が鉛直方向に略一致する形態で供用され、パワーＭＯＳＦＥＴ２は、各端子がそれぞれの回路パターン９に接続されている。パワーＭＯＳＦＥＴ２のソースが接続された回路パターン９は、給電方向である下方に延設されており、その中途に回路パターン９の他の部分より幅が狭い狭隘部（パターンヒューズ３）１０が形成され、狭隘部１０の表面には半田部１１が形成されている。
　尚、半田部１１が形成された狭隘部１０の場合のパターン溶断電流値が、狭隘部１０のみ（半田１１溶融後）の場合の２倍以上になるように、狭隘部１０及び半田部１１を形成しておくと、狭隘部１０を速やかに溶断することができる。
　狭隘部１０で連絡する下方の回路パターン９には、半田部１１の延長した延長部分１２が形成されており、半田部１１が溶融した場合には、その表面張力及び重力により、溶融した半田部１１が下垂して来て、延長部分１２と一体になる。
　狭隘部１０は、発熱体であるパワーＭＯＳＦＥＴ２及びシャント抵抗４の間に近接するように形成されている。尚、製造時に半田部１１及び延長部分１２が形成される際は、回路基板８は、当然、水平状態に維持される。
　以下に、このような構成の給電制御装置及び回路基板の動作の例を、それを示す図３のフローチャートを参照しながら説明する。
　制御装置６は、外部から与えられた負荷駆動指令信号に基づき、パワーＭＯＳＦＥＴ２をオンにする。
　制御装置６は、電圧検出回路５から電圧値Ｖを取得し（Ｓ１）、取得した電圧値Ｖが所定電圧値Ｖ１以上であるか否かを判定し（Ｓ３）、電圧値Ｖが所定電圧値Ｖ１以上であれば、パワーＭＯＳＦＥＴ２をオフにする（Ｓ１１）。次いで、制御装置６は、過電流を示すダイアグ信号を外部へ通知した（Ｓ１３）後、終了する。
　制御装置６は、電圧値Ｖが所定電圧値Ｖ１以上でなければ（Ｓ３）、電圧値Ｖが所定電圧値Ｖ２以下（略０）であるか否かを判定する（Ｓ５）。制御装置６は、電圧値Ｖが所定電圧値Ｖ２以下であれば（Ｓ５）、パワーＭＯＳＦＥＴ２が短絡故障し、また、パターンヒューズ３が断線（溶断）したことを示すダイアグ信号を外部へ通知した（Ｓ１５）後、終了する。
　パワーＭＯＳＦＥＴ２が短絡故障した場合、又は制御装置６が故障した場合に、更に回路基板８及び電気負荷７間で短絡等が発生し、過電流が通流し始めると、通流抵抗が回路パターン９の他の部分より大きい狭隘部１０及び半田部１１が過熱され、先ず、半田部１１が溶融する。
　半田部１１が溶融すると、その表面張力及び重力により、溶融した半田部１１が垂れ下がって来て、図４に示すように、溶融した半田部１１と延長部分１２とが一体になる。この場合、延長部分１２を形成しておくことにより、溶融した半田部１１を速やかに所定位置にある延長部分１２と一体にすることができる。
　溶融した半田部１１と延長部分１２とが一体になると、狭隘部１０の通流抵抗は更に大きくなり、狭隘部１０は、図５に示すように、自身の発熱により溶断する。
　狭隘部１０が溶断すると、制御装置６は、電圧検出回路５から取得した電圧値Ｖが所定電圧値Ｖ２以下（略０）となったことを検知して、パワーＭＯＳＦＥＴ２が短絡故障しており、また、パターンヒューズ３が断線したことを示すダイアグ信号を外部へ出力する。
　制御装置６は、電圧値Ｖが所定電圧値Ｖ２以下でなければ（Ｓ５）、電圧値Ｖに基づき、電源１～回路基板８及び回路基板８～電気負荷７を接続する電線の温度Ｔを演算により推定する（Ｓ７）。次いで、制御装置６は、推定した温度Ｔが所定温度Ｔ１以上になったか否かを判定し（Ｓ９）、温度Ｔが所定温度Ｔ１以上になった場合は、パワーＭＯＳＦＥＴ２をオフにする（Ｓ１７）。
　制御装置６は、次に、電線加熱を示すダイアグ信号を外部へ通知した（Ｓ１９）後、終了する。
　制御装置６は、推定した温度Ｔが所定温度Ｔ１に達していなければ（Ｓ９）、電圧検出回路５から次の電圧値Ｖを取得する（Ｓ１）。
　本実施の形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えるべきである。本発明の範囲は上述の説明ではなく請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
　１　電源
　２　ＮチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ
　３　パターンヒューズ
　４　シャント抵抗
　５　電圧検出回路
　６　制御装置（保護部、通知部）
　７　電気負荷
　８　回路基板
　９　回路パターン
　１０　狭隘部
　１１　半田部
　１２　延長部分（半田部）

Claims (5)

  1. 　電源から電気負荷へ給電する為に基板の表面に設けられた回路パターンと、
    　該回路パターンの給電方向の中途に前記回路パターンの他の部分より幅が狭く形成された狭隘部と、
    　該狭隘部の表面に形成された半田部と
    　を備える回路基板。
  2. 　前記基板の表面が鉛直方向に略一致する形態で供用されるように構成されている請求項１に記載の回路基板。
  3. 　前記狭隘部を流れる電流の通流方向は、鉛直方向に略一致するように構成されており、前記狭隘部の下方の回路パターンの表面に、前記半田部の延長部分が形成されている請求項２に記載の回路基板。
  4. 　請求項１から３の何れか１つに記載された回路基板と、
    　該回路基板の表面に設けられた回路パターンに接続され、電源から電気負荷への給電をオン又はオフに制御する半導体スイッチと
    を備え、
    　該半導体スイッチは、前記回路パターンの中途に形成された狭隘部の前記電源側に設けられている給電制御装置。
  5. 　前記狭隘部の前記電源とは反対側に接続されたシャント抵抗と、
    　該シャント抵抗の両端電圧値を検出する電圧検出回路と、
    　該電圧検出回路が検出した両端電圧値に基づき、前記半導体スイッチをオフにして、該半導体スイッチ、又は前記電気負荷迄の給電線を保護する保護部と、
    　前記両端電圧値が所定電圧値以下のときに、前記半導体スイッチが短絡故障し、また、前記狭隘部が溶断したことを外部へ通知する通知部と
    を更に備える請求項４に記載の給電制御装置。
     
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