CN110325731B - 点火控制装置及点火控制装置的基准电压调整方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种新的内燃机的点火控制装置，其不受“元件偏差”影响，并且可以降低MOS栅极电压的匹配等的调整所需的工时。检测电压由检测电压生成部基于流经由金属材料形成的具有“正”的温度依赖特性的电流检测电阻(26)的一次电流而生成，基准电压通过基准电压生成部基于如下电流而生成，该电流根据第1双极型晶体管电路(31)、并联连接多个双极型晶体管的多联型第2双极型晶体管电路(32)的基极‑发射极之间的电位差(与热电压VT成比例)、以及被连接至多个双极型晶体管电路(32)的发射极侧的第1电阻(33)的电阻值生成，具有与电流检测电阻(26)同样的“正”的温度依赖特性。据此，基准电压值由双极型晶体管的相对精度决定，因此能够不受"元件偏差"影响，并且省略MOS栅极电压的匹配等的调整工时，抑制产品单价的增加。

Description

点火控制装置及点火控制装置的基准电压调整方法
技术领域
本发明涉及对设置于内燃机的火花塞施加高电压的内燃机的点火控制装置，特别涉及具备对在点火线圈的一次侧流通的电流进行限制的电流限制电路的点火控制装置及点火控制装置的基准电压调整方法。
背景技术
在对设置于内燃机的火花塞施加高电压的点火控制装置中具备电流限制电路，该电流限制电路将点火线圈的一次侧的电流限制为规定值，并抑制过大的异常电流流通。像这样的电流限制电路例如如日本专利特开2013－242245号公报(专利文献1)中所记载的那样是众所周知的。在专利文献1中，当在对点火线圈的一次电流进行控制的晶体管与检测电阻之间流通的一次电流的电流值超过规定值时，由驱动电路对晶体管的驱动进行控制，以抑制过量的一次电流在点火线圈的一次侧流通。
接着，构成电流限制电路的电流检测电路以如下方式构成；通过对在检测电阻中流通一次电流而产生的电压的电压值与基准电压值进行比较，来检测一次电流的电流值与电流限制电路的阈值电流(基准电流值)的大小关系。此外，基准电压值与基准电流值对应地生成，以进行一次电流的电流值与基准电流值的比较。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2013－242245号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，对一次电流进行检测的检测电阻由金属材料制成的检测电阻(一般由铝制成)构成，但该金属制的检测电阻的电阻值是以毫欧单位表示的较小的值。并且，该金属制的检测电阻一般具有“正”的温度依赖特性，并且电阻值根据温度变化发生变动。并且，即使一次电流的大小由于该“正”的温度依赖特性而相同，在检测电阻中流通一次电流而产生的电压的大小也会根据温度的变化而发生变动。像这样，由于检测电阻具有“正”的温度依赖特性，因此检测出的电压也具有“正”的温度依赖特性。
为了应对该温度依赖特性，通过使进行比较的基准电压也具有温度依赖特性，从而能够抑制一次电流的检测误差。并且，在专利文献1中，为了使基准电压具有温度依赖特性，而利用MOS晶体管的导通电阻的温度依赖特性。
然而，由于MOS晶体管的导通电阻直接受MOS晶体管的“元件偏差”的影响，因此需要通过MOS晶体管的栅极电压的调整(电阻微调)等而进行匹配，会新产生由于多余的调整工时的追加而导致产品单价增加这一问题。
本发明的目的在于提供一种新的点火控制装置及点火控制装置的基准电压调整方法，其不受“元件偏差”影响，并且可以降低MOS栅极电压的匹配等的调整所需的调整工时。
用于解决问题的技术手段
本发明的特征在于，具备对开关元件进行驱动的点火控制单元，所述开关元件控制流经点火线圈的一次侧线圈的电流，点火控制单元具备：检测电压生成部，其生成与在一次侧线圈中流通的一次电流对应的检测电压；基准电压生成部，其生成与基准电流对应的基准电压；以及比较部，其对检测电压与基准电压的大小关系进行比较，并且所述点火控制单元具有电流限制电路，当检测电压超过基准电压时电流限制电路控制开关元件以限制流经一次侧线圈的电流，进一步地，检测电压通过检测电压生成部基于流经由金属材料形成的、具有“正”的温度依赖特性的电流检测电阻的一次电流而生成，基准电压通过基准电压生成部基于如下电流而生成，该电流根据第1双极型晶体管电路、并联连接多个双极型晶体管的多联型第2双极型晶体管电路的基极-发射极之间的电位差(与热电压VT成比例)、以及被连接至第2双极型晶体管电路的发射极侧的第1电阻的电阻值生成，具有与电流检测电阻同样的“正”的温度依赖特性。
发明的效果
根据本发明，基准电压由双极型晶体管的相对精度所确定，因此能够不受“元件偏差”影响，省略MOS栅极电压的匹配等的调整工时，并抑制产品单价的增加。
附图说明
图1是示出成为本发明的第1实施方式的内燃机的点火控制装置的构成的电路图。
图2是示出图1所示的点火控制装置的检测电压与基准电压的温度依赖特性的特性图。
图3是示出成为本发明的第2实施方式的内燃机的点火控制装置的构成的电路图。
图4是示出图3所示的点火控制装置的检测电压与基准电压的温度依赖特性的特性图。
具体实施方式
以下，使用附图对本发明的实施方式详细地进行说明，但本发明不限定于以下的实施方式，在本发明的技术概念中，各种变形例、应用例也包含在其范围内。
实施例1
图1是示出成为本发明的第1实施方式的内燃机的点火控制装置的电路构成的图。
作为对控制流经点火线圈20的一次侧线圈21的电流的开关元件22进行驱动的点火控制单元而起作用的控制装置10被输入来自主控制单元(以下，记为ECU：ElectronicControl Unit，电子控制单元)40的点火控制信号，并且由该点火控制信号控制点火线圈20的一次电流。
控制装置10基本上由输入缓冲电路11、电平减法电路12、输出缓冲电路13、基准电压生成电路14、以及比较电路15等构成。并且，ECU40与输入缓冲电路11由信号线16连接，输入缓冲电路11与电平减法电路12由信号线17连接，电平减法电路12与输出缓冲电路13由信号线18连接。
输出缓冲电路13通过信号线19将点火控制信号输出至对在点火线圈20的一次侧线圈21中流通的一次电流进行控制的晶体管22的栅极G。点火线圈20由一次侧线圈21和二次侧线圈23构成，并且从电池24供给电力。点火线圈20的二次侧线圈23与火花塞25连接，并且将产生于二次侧线圈23的高电压施加于火花塞25，以点燃气缸内的混合气体。
晶体管22的集电极C与一次侧线圈21连接，发射极E经由电流检测电阻26接地。电流检测电阻26的一端26A通过信号线27被连接至比较电路15，电流检测电阻26的另一端26B通过信号线28被连接至基准电压生成电路14。电流检测电阻26使用像铝那样的金属电阻。此外，对于作为本实施方式的特征的基准电压生成电路14的详情将在后面叙述。
在如上那样的构成中，在通常的点火动作中，从ECU40通过信号线16输入至控制装置10的点火控制信号经由输入缓冲电路11和输出缓冲电路13，从信号线19被输出，并对作为开关元件的IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)等功率型的晶体管22进行驱动。当晶体管22导通时，在点火线圈20的一次侧线圈21中流通电流。
接下来，与晶体管22导通同时地，在一次侧线圈21中产生一次电压，通过相感作用在二次侧线圈23中产生与匝数比对应的二次电压，并供给至火花塞25。由此，气缸内的混合气体被点燃，燃烧开始。
接下来，对点火线圈1次侧线圈21的电流限制功能工作的情况进行说明。当晶体管22被导通并且在点火线圈20的一次侧线圈2中流通电流时，该电流被电流检测电阻26转换为电压，并通过信号线27被输入点火控制装置10。在控制装置10中，通过比较电路15对来自该信号线27的检测电压与来自基准电压生成电路14的信号线29的基准电压进行比较。
接着，在检测电压比基准电压高时，比较电路15以将比较结果发送至电平减法电路12来降低晶体管22的控制电压电平，从而降低流经点火线圈20的1次侧线圈21的电流的电流值的方式起作用。具体来说，将来自信号线17的通常的点火控制信号的电压电平设为通过电平减法电路12降低后的电压，并且凭借该降低后的电压电平的点火控制信号，经由输出缓冲电路13对晶体管22进行驱动。
这里，为了通过比较电路15高精度地比较基准电压与检测电压，将电流检测电阻26的接地端统一为基准电位，基准电压生成电路14的接地端通过信号线28与该基准电位连接。
另外，由于在点火线圈20的一次侧线圈21中流通大电流，因此电流检测电阻26的电阻值小，以毫欧为单位，并且通过由接合线等金属材料构成的金属电阻来实现。因此，金属电阻的温度依赖特性变大。金属电阻的温度系数的符号为“正”，在高温侧电阻值上升，在低温侧电阻值下降，检测电压值也随之具有同样的温度依赖特性。因此，需要也赋予基准电压与电流检测电阻26的温度系数对应的温度依赖特性。
因此，在本实施方式中提出了图1所示的基准电压生成电路14。在图1中示出了具有与由金属电阻构成的电流检测电阻26相同趋势的"正"的温度依赖特性的基准电压生成电路14。
本实施方式的基准电压生成电路14具备：与电流源30连接的NPN型双极型晶体管(单个双极型晶体管)31、以规定数量(多个)的个数并联连接NPN型双极型晶体管而得到的多联型双极型晶体管电路32、由与该多联型双极型晶体管电路32的发射极E连接的电阻(第1电阻)33构成的Widlar恒流电路34、以及在由Widlar恒流电路34生成的电流通过电流镜电路35镜像后，在电阻(第2电阻)36中生成基准电压的电路。
在电流镜电路35与电阻36之间会生成基准电压，经由信号线29将基准电压供给至比较电路15。因此，比较器15能够对基准电压与检测电压进行比较。
接着，在构成Widlar恒流电路34的双极型晶体管31与多联型双极型晶体管电路32中，基极B与发射极E之间的电压(VBE)会产生电压差(ΔVBE)。该电压差(ΔVBE)具有温度依赖特性，并且与热电压(VT)对应。因此，根据相当于该电压差(ΔVBE)的多联型双极型晶体管电路32的发射极E侧的电压和被连接至该发射极E侧与接地间的电阻33来生成电流。
该电流具有“正”的温度依赖特性，并且与热电压(VT)成比例，通过流入电阻33而得到的基准电压也成为与热电压(VT)、即绝对温度(T)成比例的值。若用式子表示以上的关系，则如下所示。
首先，由具有“正”的温度依赖特性的电流检测电阻26检测出的任意温度下的检测电压能够用接下来的(1)式来表示。这里，当将基准温度(T0)下的检测电压设为(VD0)、将任意温度(Ta)下的检测电压设为(VDa)、将电流检测电阻26的温度系数设为(α)时，根据在电流检测电阻26中流通的电流得到的检测电压为VDa＝VD0×{1+α(Ta－T0)}……(1)。此外，电流检测电阻26例如是由铝、铜制成的金属电阻，为α≒4×10－3[/℃]左右的值。
接下来，在基准电压生成电路14中生成的具有“正”的温度依赖特性的基准电压(VSL)能够用接下来的(2)式来表示。这里，当将电阻33的电阻值设为(R33)、将电阻36的电阻值设为(R36)、将电流镜电路35的镜像比设为(M)倍、将双极型晶体管31与多联型双极型晶体管电路32的个数比设为(N)倍、将热电压设为(VT＝k×T/q)时，基准电压为VSL＝M×(R36/R33)×ln(N)×k×T/q……(2)。这里，k为玻尔兹曼常数、q为电子电荷、T为绝对温度。
接着，通过上述(2)式求得的在基准电压生成电路14中生成的任意温度下的基准电压能够用接下来的(3)式来表示。这里，当将基准温度(T0)下的基准电压设为(VSL0)、将任意温度(Ta)下的基准电压设为(VSLa)时，则与上述(1)式同样地，基准电压为VSLa＝VSL0×{1+(1/(T0+273)×(Ta－T0)}……(3)。
接着，例如在将温度27℃设为基准的情况下，相当于(1)式的温度系数α的值(1/(T0+273))为1/300＝3.3×10－3[/℃]。这里，绝对温度(T)与热电压(VT)具有相互成比例的关系。接着，基准电压(VSL)如(2)式所示，反映了电阻33与电阻36的电阻比、电流镜电路35的镜像比、双极型晶体管31、32的个数比。
因此，本实施方式的基准电压生成电路14能够对构成多联型双极型晶体管电路的双极型晶体管的个数、电流镜电路的镜像比、第1电阻与第2电阻的电阻比中的至少1个进行调整，从而输出相对于电流检测电阻的温度依赖特性具备落在规定的误差范围内的温度依赖特性的基准电压。
像这样，本实施方式的基准电压生成电路输出相对于由金属材料构成的电流检测电阻的温度依赖特性具备落在规定的误差范围内的温度依赖特性的基准电压。因此，通过赋予基准电压与检测电压相同程度的温度依赖特性，从而能够抑制电流检测的误差。
如上所述，由于基准电压由双极型晶体管的个数、电流镜电路的镜像比、第1电阻与第2电阻的电阻比而决定，因此仅依赖于元件的相对精度偏差，无需微调等的调整工时，从而能够得到安定的基准电压。在本实施方式中，为了提高相对精度，最好并联地排列并使用同一形状的多个双极型晶体管，在本实施方式中，使用多联型双极型晶体管32的个数比来调整基准电压的温度依赖特性。
图2示出了图1所示的点火控制装置的检测电压与基准电压的温度依赖特性，以横轴为温度、纵轴为电压来表示检测电压与基准电压。电流检测电阻26的检测电压的“正”(+)温度系数为4×10－3[/℃]左右，另外，基准电压生成电路14的基准电压的“正”(+)温度系数为3.3×10－3[/℃]左右。像这样，只要能够按照电流检测电阻26的温度依赖特性，赋予基准电压生成电路14的基准电压温度依赖特性，就能抑制电流检测的误差。
实施例2
接下来，对本发明的第2实施方式进行说明。在第2实施方式中，将电平移位电路追加至基准电压生成电路14。通过追加该电平移位电路，能够进一步缩小电流检测的误差从而提高检测精度。此外，与图1相同的参照符号表示相同的构成要素，由于重复因此省略其说明。
在图3中，在连接电流镜电路35与电阻36之间和比较电路15的信号线29的中途安装有电平移位电路37。该电平移位电路37具备在不改变其斜率的情况下将与温度对应的基准电压向增大方向、或减小方向调整的功能。
在第1实施方式中，由于电流检测电阻16的检测电压与基准电压生成电路14的基准电压的温度系数不一致，因此其斜率不同。因此，当在成为基准的温度下使双方的电压值一致时，相对于温度的斜率特性就变得不一致。另外，当使相对于温度的斜率特性一致时，在成为基准的温度下电压值就变得不一致。
因此，在本实施方式中，在以使基准电压的相对于温度的斜率特性与检测电压一致的方式进行调整后，进一步通过电平移位电路37使基准电压移位，从而温度依赖特性的匹配变得可能。
图4示出了图3所示的点火控制装置的检测电压与基准电压的温度依赖特性，以横轴为温度、纵轴为电压来表示检测电压与基准电压。如图2所示，在检测电压与基准电压之间温度依赖特性不同的话，则会变成与作为基准的温度的差越大、检测精度变得越差的倾向。
另一方面，如图4，在通过电路常数等的变更来对基准电压的温度依赖特性的斜率进行调整后，通过电平移位电路37使基准电压值一律移位，从而能够匹配检测电压的温度依赖特性。通过追加该电平移位电路，能够进一步缩小电流检测的误差并提高检测精度。
另外，在本实施例中，说明了基准电压由于单个双极型晶体管与多个双极型晶体管间的电位差而生成，但只要相对于记为单个的双极型晶体管而言，记为多个的双极型晶体管的个数多，则能够得到本发明所需的电压差(ΔVBE)。
如以上所述，根据本发明，设为如下的构成：检测电压通过检测电压生成部基于流经由金属材料形成的、具有“正”的温度依赖特性的电流检测电阻的一次电流而生成，基准电压通过基准电压生成部基于如下电流而生成，该电流根据第1双极型晶体管电路、并联连接多个双极型晶体管的多联型第2双极型晶体管电路的基极-发射极之间的电位差(与热电压VT成比例)、以及被连接至第2双极型晶体管电路的发射极侧的第1电阻的电阻值生成，具有与电流检测电阻同样的“正”的温度依赖特性。
据此，基准电压值由双极型晶体管的相对精度所决定，因此能够不受“元件偏差”影响，并省略MOS栅极电压的匹配等的调整工时，抑制产品单价的增加。
此外，本发明不限定于上述实施方式，还包含各种变形例。例如，上述实施方式是为了易于理解地说明本发明而进行的详细说明，未必限定于具备所说明的所有构成。另外，能够将某实施方式的构成的一部分替换为其他实施方式的构成，另外，也能在某实施方式的构成上加上其他实施方式的构成。另外，能够对各实施方式的构成的一部分进行其他构成的追加、删除、替换。
符号说明
10…点火控制装置，11…输入缓冲电路，12…电平减法电路，13…输出缓冲电路、14…基准电压生成电路，15…比较电路，16、17、18、19…信号线，20…点火线圈，21…一次侧线圈，22…晶体管，23…二次侧线圈，25…火花塞，26…电流检测电阻，27、28、29…信号线，30…电流源，31、32…双极型晶体管，33、36…抵抗，35…电流镜电路，37…电平移位电路，40…控制单元(ECU)。

Claims (4)

1.一种点火控制装置，其具备对开关元件进行驱动的点火控制单元，所述开关元件控制流经点火线圈的一次侧线圈的电流，所述点火控制单元进一步具备：检测电压生成部，其生成与在所述一次侧线圈中流通的一次电流对应的检测电压；基准电压生成部，其生成与基准电流对应的基准电压；以及比较部，其对所述检测电压与所述基准电压的大小关系进行比较，并且所述点火控制单元具有电流限制电路，当所述检测电压超过所述基准电压时电流限制电路控制所述开关元件以限制流经所述一次侧线圈的电流，
所述点火控制装置的特征在于，
所述检测电压通过所述检测电压生成部基于流经由金属材料形成的、具有“正”的温度依赖特性的电流检测电阻的所述一次电流而生成，
所述基准电压通过所述基准电压生成部基于如下电流而生成，该电流根据第1双极型晶体管电路、并联连接多个双极型晶体管的多联型第2双极型晶体管电路的基极-发射极之间的电位差、以及被连接至所述多联型第2双极型晶体管电路的发射极侧的第1电阻的电阻值生成，具有与所述电流检测电阻同样的“正”的温度依赖特性，
所述基准电压生成部具有：电流镜电路；所述第1双极型晶体管电路，其集电极侧被连接至电流源；所述多联型第2双极型晶体管电路，其所述双极型晶体管的个数比所述第1双极型晶体管电路多，并且其集电极侧被连接至所述电流镜电路的一侧，基极侧被连接至所述第1双极型晶体管电路的基极侧；所述第1电阻，其被连接至所述多联型第2双极型晶体管电路的所述发射极侧；以及第2电阻，其被连接至所述电流镜电路的另一侧，
对构成所述第1双极型晶体管电路及所述多联型第2双极型晶体管电路的所述双极型晶体管的个数、所述电流镜电路的镜像比、以及所述第1电阻与所述第2电阻的电阻比进行设定，以输出相对于所述电流检测电阻的温度依赖特性而言具备落在规定的误差范围内的温度依赖特性的所述基准电压。
2.根据权利要求1所述的点火控制装置，其特征在于，
所述第1双极型晶体管电路及所述多联型第2双极型晶体管电路由同一形状的所述双极型晶体管构成。
3.根据权利要求1所述的点火控制装置，其特征在于，
对来自所述基准电压生成部的所述基准电压的电平进行调整的电平移位部被设置在所述基准电压生成部与所述比较部之间。
4.一种点火控制装置的基准电压调整方法，所述点火控制装置具备对开关元件进行驱动的点火控制单元，所述开关元件控制流经点火线圈的一次侧线圈的电流，所述点火控制单元进一步具备：检测电压生成部，其生成与由金属制的电流检测电阻检测出的在所述一次侧线圈中流通的一次电流对应的检测电压；基准电压生成部，其生成与基准电流对应的基准电压；以及比较部，其对所述检测电压与所述基准电压的大小关系进行比较，并且所述点火控制单元具有电流限制电路，当所述检测电压超过所述基准电压时电流限制电路控制所述开关元件以限制流经所述一次侧线圈的电流，
所述点火控制装置的基准电压调整方法的特征在于，
所述基准电压生成部具有：电流镜电路；第1双极型晶体管电路，其集电极侧被连接至电流源；多联型第2双极型晶体管电路，其双极型晶体管的个数比所述第1双极型晶体管电路多，并且其集电极侧被连接至所述电流镜电路的一侧，基极侧被连接至所述第1双极型晶体管电路的基极侧；第1电阻，其被连接至所述多联型第2双极型晶体管电路的发射极侧；以及第2电阻，其被连接至所述电流镜电路的另一侧，
对构成所述第1双极型晶体管电路及所述多联型第2双极型晶体管电路的所述双极型晶体管的个数、所述电流镜电路的镜像比、以及所述第1电阻与所述第2电阻的电阻比中的至少1个进行调整，以输出相对于金属制的所述电流检测电阻的“正”的温度依赖特性而言具备落在规定的误差范围内的温度依赖特性的所述基准电压。
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