JP2016157846A - Controller - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、制御装置に関し、特に、複数の電源回路を備える制御装置に関する。 The present invention relates to a control device, and more particularly to a control device including a plurality of power supply circuits.
センサ等の微弱な電気信号（小信号）に基づいてアクチュエータ等の大電流負荷を駆動するような制御回路、例えば自動車に設けられる電子制御ユニット（ＥＣＵ）では、特に大電流を扱う回路からの電磁輻射ノイズが小信号を扱う回路の動作に影響を与えることで生じ得る制御誤差や誤動作を、効果的に防止する必要がある。 In a control circuit that drives a large current load such as an actuator based on a weak electric signal (small signal) such as a sensor, for example, an electronic control unit (ECU) provided in an automobile, an electromagnetic wave from a circuit that handles a large current in particular. It is necessary to effectively prevent control errors and malfunctions that may occur when radiation noise affects the operation of a circuit that handles small signals.
従来、大電流駆動回路や小信号処理回路等の回路ブロック間でのノイズ干渉を防止する技術として、大電流駆動回路のグランドと、小信号処理回路のグランドとを、回路基板上において個別のグランドパターンに接続することで、大電流駆動回路での動作電流の変動によって生ずるノイズを、小信号処理回路とは分離して、即座にグランド経路へ排除することが知られている（特許文献１参照）。 Conventionally, as a technique for preventing noise interference between circuit blocks such as a large current driving circuit and a small signal processing circuit, the ground of the large current driving circuit and the ground of the small signal processing circuit are separated from each other on the circuit board. It is known that noise caused by fluctuations in operating current in the large current drive circuit is separated from the small signal processing circuit and immediately removed to the ground path by connecting to the pattern (see Patent Document 1). ).
しかしながら、このような動作電流の変動によって生ずるノイズは、グランド経路のみならず、電源供給経路にも発生して、回路基板上に搭載された複数の電源回路間でのノイズ干渉を生じ得る。 However, such noise caused by fluctuations in operating current is generated not only in the ground path but also in the power supply path, and may cause noise interference between a plurality of power supply circuits mounted on the circuit board.
特に、制御装置等の様々な外部装置（デバイス含む）と協働する電子装置においては、通常、協働する外部装置の特性や内部に使用する回路部品、あるいは回路ブロックの設計に依存して、複数の電源電圧を要する場合が多く、外部電源装置から供給される電圧を他の電圧へ変換するための複数の電源回路を、当該電子装置を構成する電子回路の一部として含むことが多い。さらに、各回路ブロックの機能や扱う信号レベルが相違すること等に起因して、各電源電圧に対して許容され得る電圧変動量も異なるものとなることが多い。その結果、当該許容される電圧変動量に応じて、電源回路毎にレベルの異なるノイズ対策を要することとなり、当該ノイズ対策のための回路部品（例えば、ノイズフィルタを構成するコンデンサやコイル）を電源回路毎に設けることとなって、より多くの部品実装面積を確保すべく回路基板が大型化することとなる。 In particular, in an electronic device that cooperates with various external devices (including devices) such as a control device, usually, depending on the characteristics of the external device that cooperates and the design of circuit components or circuit blocks used internally, In many cases, a plurality of power supply voltages are required, and a plurality of power supply circuits for converting a voltage supplied from an external power supply device into another voltage are often included as a part of the electronic circuit constituting the electronic device. Furthermore, the amount of voltage fluctuation that can be allowed for each power supply voltage is often different due to the difference in the function and signal level of each circuit block. As a result, noise countermeasures with different levels are required for each power supply circuit in accordance with the permissible voltage fluctuation amount, and circuit components (for example, capacitors and coils constituting a noise filter) for the noise countermeasures are powered. Since the circuit board is provided for each circuit, the circuit board is enlarged in order to secure a larger component mounting area.
特許第５５０６６４１号公報 Japanese Patent No. 5,506,641
上記背景より、複数の電源回路を内部に備える電子装置において、電源供給経路を介した当該複数の電源回路に対するノイズの影響を、効果的に低減することが望まれている。 From the above background, in an electronic device including a plurality of power supply circuits, it is desired to effectively reduce the influence of noise on the plurality of power supply circuits via a power supply path.
本発明の一の態様は、電子回路を構成する電気部品が搭載された回路基板を備えた電子装置であって、前記回路基板上には、外部電源装置の出力が接続される電源供給パターンが形成され、前記回路基板上には、前記電源供給パターンから電圧の供給を受けて、前記電気部品の一部にそれぞれ供給する内部電圧を出力する複数の電源回路が構成されており、前記複数の電源回路は、出力する内部電圧に求められる電圧変動量の許容値が小さい順に、前記電源供給パターンに対し、当該電源供給パターンを流れる電流に沿って上流位置から下流位置に向かって順に接続されている。
本発明の他の態様によると、前記電源供給パターンは、前記複数の電源回路の全部又は一部が含まれる前記回路基板上の領域を囲うように形成されている。
本発明の他の態様によると、前記回路基板には、前記電源供給パターンよりも前記回路基板の縁部に向かって外側に、前記電気部品が搭載されている領域を囲うようにグランドパターンが形成されている。
本発明の他の態様によると、前記複数の電源回路のうち、出力する内部電圧に求められる電圧変動量の許容値が最も大きい電源回路を含む少なくとも一つの電源回路が、前記電源供給パターンと前記グランドパターンにより挟まれた前記回路基板上の領域に構成されている。
本発明の他の態様によると、前記複数の電源回路のうち、前記電源供給パターンから供給される電圧を、当該電圧より高いに内部電圧に変換して出力する昇圧電源回路である。
本発明の他の態様によると、前記電子装置は、車両に搭載されて当該車両の動作を制御する制御装置である。
One aspect of the present invention is an electronic device including a circuit board on which electrical components that constitute an electronic circuit are mounted, and a power supply pattern to which an output of an external power supply device is connected is provided on the circuit board. A plurality of power supply circuits configured to receive an internal voltage supplied to each of a part of the electrical components by receiving a voltage supplied from the power supply pattern and configured on the circuit board; The power supply circuit is connected in order from the upstream position to the downstream position along the current flowing through the power supply pattern with respect to the power supply pattern in ascending order of the allowable voltage fluctuation amount required for the output internal voltage. Yes.
According to another aspect of the present invention, the power supply pattern is formed so as to surround a region on the circuit board including all or part of the plurality of power supply circuits.
According to another aspect of the present invention, a ground pattern is formed on the circuit board outside the power supply pattern toward the edge of the circuit board so as to surround a region where the electrical component is mounted. Has been.
According to another aspect of the present invention, among the plurality of power supply circuits, at least one power supply circuit including a power supply circuit having a maximum allowable value of the amount of voltage fluctuation required for the internal voltage to be output is the power supply pattern and the An area on the circuit board is sandwiched between ground patterns.
According to another aspect of the present invention, there is provided a boost power supply circuit that converts a voltage supplied from the power supply pattern among the plurality of power supply circuits into an internal voltage higher than the voltage and outputs the internal voltage.
According to another aspect of the present invention, the electronic device is a control device that is mounted on a vehicle and controls the operation of the vehicle.
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
本実施形態は、車両に搭載されて当該車両の動作を制御する制御装置である。ただし、本発明は、車両用の制御装置のみならず、その内部に複数の電源回路を備える様々な用途の電子装置に広く適用することができる。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
The present embodiment is a control device that is mounted on a vehicle and controls the operation of the vehicle. However, the present invention can be widely applied not only to a vehicle control device but also to various electronic devices having a plurality of power supply circuits therein.
図１は、本発明の一実施形態に係る制御装置の外観を示す図である。
本制御装置１０は、例えば車両に搭載されて当該車両の動作、例えばエンジンの燃料噴射弁等の動作を制御する電子制御ユニット（ＥＣＵ、Electronic Control Unit）である。
FIG. 1 is a diagram illustrating an appearance of a control device according to an embodiment of the present invention.
The
制御装置１０は、制御回路が搭載された回路基板を収納する筺体１００と、当該制御回路を外部装置等と接続するためのコネクタ１０２と、を備える。
The
筺体１００は、導電性の部材（例えば、アルミニウム等の金属や、導電性樹脂）で構成され、車体と電気的に直接接続されることにより、内部に収容した制御回路を環境内に存在する電磁輻射ノイズからシールドして保護すると共に、内部で発生したノイズが環境内へ放射されるのを防止する。
The
図２は、制御装置１０と外部装置との接続を示す図である。
制御装置１０の筺体１００の内部には、制御回路が搭載された回路基板２００が収容されており、回路基板２００上の制御回路には、コネクタ１０２と、ケーブル２０２、２０４、２０６と、を介して、それぞれ外部電源装置２１０、制御対象２１２、センサ２１４が接続されている。
FIG. 2 is a diagram illustrating a connection between the
A
センサ２１４及び制御対象２１２は、例えばエンジンのクランク角センサと、燃料噴射弁を駆動するアクチュエータであり、制御装置１０は、外部電源装置２１０からの電源供給を受けて、クランク角に応じた適切なタイミングで上記アクチュエータを動作させて燃料噴射弁を開閉する。
The
図３は、回路基板２００における電源回路の配置を示す図である。なお、図３においては、電源回路配置の理解を容易にするため、電源回路配置の説明に関連する回路パターンと回路部品又は回路ブロックのみを示している。すなわち、回路基板２００上には、制御装置１０に求められる機能に応じて、図３に示されていない他の回路部品や回路ブロック、他のグランドパターンや電源パターン、これらの回路部品や回路ブロックの間を結ぶ接続パターン、及び又は各回路部品や回路ブロックとグランドパターンや他の電源パターンとを接続する接続パターン等が設けられ得る。
FIG. 3 is a diagram illustrating an arrangement of power supply circuits on the
外部電源装置２１０からの出力は、ケーブル２０２を介して、コネクタ１０２の電源接続端子３００に接続されて、回路基板２００上の電源供給パターン３０２に接続される。回路基板２００上には、例えばセンサ２１４からの信号をデジタル信号に変換する等の処理を行う回路ブロックである処理回路３０４と、例えば処理回路３０４から出力されるデジタル信号を処理して、当該処理の結果であるデジタル信号を出力する回路ブロックであるマイクロコンピュータ３０６と、マイクロコンピュータ３０６から出力されるデジタル信号に基づいて、制御対象２１２を駆動するための駆動信号を出力する回路ブロックである駆動回路３０８と、を有する。
The output from the external
回路基板２００上には、さらに、電源供給パターン３０２から外部電源装置２１０の出力電圧の供給をうけて、マイクロコンピュータ３０６に供給するそれぞれ２つの異なる内部電圧を出力する電源回路３２０、３２２と、駆動回路３０８に供給する内部電圧を出力する電源回路３２４と、が搭載されている。
On the
ここで、電源回路３２０は、例えばマイクロコンピュータ３０６の内部に設けられたクロック回路（不図示）の動作電圧として用いる内部電圧（例えば＋３．３Ｖ）を、接続パターン３３０を介してマイクロコンピュータ３０６に出力し、電源回路３２２は、例えばマイクロコンピュータ３０６内部の上記クロック回路以外の回路の動作電圧として用いる内部電圧（例えば＋５Ｖ）を、接続パターン３３２を介してマイクロコンピュータ３０６に出力する。また、電源回路３２２は、その直近の接続位置３４０で接続パターン３３２に接続された接続パターン３３４を介して、処理回路３０４にも動作電圧を供給している。さらに、電源回路３２４は、例えば昇圧回路であり、例えば制御対象である燃料噴射弁用のアクチュエータを駆動するための高電圧を、内部電圧として接続パターン３３６を介して駆動回路３０８に出力する。
Here, the
電源回路３２０、３２２、３２４は、それぞれ、接続パターン３５０、３５２、３５４を介して電源供給パターン３０２から電圧の供給を受けて、処理回路３０４、マイクロコンピュータ３０６、駆動回路３０８にそれぞれ供給する内部電圧を出力する。
The
ここで、電源回路３２０は、出力する内部電圧が、電圧振幅の小さいクロック信号を発生する上記クロック回路の動作電圧（例えば３．３Ｖ）として用いられるため、当該出力する内部電圧に対して要求される電圧変動量の許容値が、電源回路３２０〜３２４の中で最も小さい。また、電源回路３２４は、出力する内部電圧が、アクチュエータ等の制御対象２１２の駆動電圧として用いられるものであって、当該出力する内部電圧に対して要求される電圧変動量の許容値は、電源回路３２０〜３２４の中で最も大きい。さらに、電源回路３２４は、外部電源装置２１０が供給する電圧よりも高い電圧を出力する昇圧回路であり、且つ制御対象２１２である燃料噴射弁用アクチュエータは間欠的に駆動されることから、電源供給パターン３０２から接続パターン３５４を介して電源回路３２４に流れ込む電流は、数Ａ程度のパルス状電流となっている。
Here, since the output internal voltage is used as the operating voltage (for example, 3.3 V) of the clock circuit that generates a clock signal having a small voltage amplitude, the
本実施形態に係る回路基板２００では、電源回路３２０〜３２４は、出力する内部電圧に求められる電圧変動量の許容値が小さい順に、電源供給パターン３０２に対し、当該電源供給パターン３０２を流れる電流に沿って上流位置から下流位置に向かって順に、それぞれ接続位置３４２〜３４６において接続パターン３５０〜３５４を介して接続されている。すなわち、内部電圧に求められる電圧変動量の許容値が最も小さい電源回路３２０は、電源供給パターン３０２を流れる電源電流に沿って最も上流の接続位置３４２において当該電源供給パターン３０２と接続されており、内部電圧に求められる電圧変動量の許容値が最も大きい電源回路３２４は、電源供給パターン３０２を流れる電源電流に沿って最も下流の接続位置３４６において当該電源供給パターン３０２と接続されている。
In the
このため、本実施形態に係る回路基板２００（したがって、当該回路基板２００を備える制御装置１０）では、例えば昇圧回路である電源回路３２４に外部電源から供給される電源電流がパルス状に大きく変動し、接続位置３４２と接続位置３４６との間の電源供給パターン３０２において電圧降下が発生しても、接続位置３４６から電源回路３２０に向かって供給される電圧は、当該電圧降下によっては変動しない。このため、内部電圧の電圧変動量許容値が最も厳しい電源回路３２０が出力する内部電圧は、電源回路３２４への上記パルス状電流変化によるノイズの影響を受けることなく、安定に保たれる。
For this reason, in the
また、電源回路３２０の次に電圧変動量許容値の小さい電源回路３２２に向かって接続位置３４４から供給される電圧は、電源回路３２４への上記パルス状電流変動により接続位置３４２と接続位置３４４との間の電源供給パターン３０２において発生する電圧降下の影響は受けるものの、接続位置３４４と接続位置３４６との間で発生する電圧降下によっては変動しない。このため、電源回路３２２が出力する内部電圧は、電源回路３２４への上記パルス状電流変化によるノイズの影響を受けることなく、電源回路３２０の次に安定に保たれる。
Further, the voltage supplied from the
さらに、電源供給パターン３０２と外部電源装置２１０との間のインピーダンスは、電源供給パターン３０２を流れる電流に沿って上流部分ほど小さい。このため、制御装置１０の外部又は内部から電源供給パターン３０２に電磁輻射ノイズが到来した場合、当該到来した電源供給パターン３０２上の部分に誘導されるノイズ電流又はノイズ電荷による電圧変動は、当該部分が上記上流部分であるほど速やかに解消される。
Furthermore, the impedance between the
本実施形態の回路基板２００では、電源回路３２０〜３２４が、出力する内部電圧に求められる電圧変動量の許容値が小さい順に、電源供給パターン３０２に対し、当該電源供給パターン３０２を流れる電流に沿って上流位置から下流位置に向かって順に接続されているため、電源供給パターン３０２から供給される電圧が上記電磁輻射ノイズに起因して変動する量も、内部電圧に求められる電圧変動量の許容値が小さい電源回路ほど、大きく軽減される（すなわち、当該変動する量が小さくなる）こととなる。このため、電源供給パターン３０２から供給される電圧の変動を除去するためのノイズフィルタ（コンデンサ等）を、必ずしも電源回路３２０〜３２４のそれぞれに対して設ける必要はなくなり、回路基板２００及び制御装置１０の小型化に有利となる。
In the
また、回路基板２００では、処理回路３０４への接続パターン３３４と、マイクロコンピュータ３０６への接続パターン３３２とが、電源回路３２２の電圧出力側の直近の接続位置３４０で接続されている。このため、接続パターン３３４を介して処理回路３０４へ流れ込む電流により当該接続パターン３３４に電圧降下が発生しても、接続パターン３３２を介してマイクロコンピュータ３０６へ供給される電圧は、当該電圧降下の影響を受けることなく維持される。また、逆に、接続パターン３３２における電圧降下は、接続パターン３３４を介して処理回路３０４に供給される電圧には影響しない。
In the
さらに、回路基板２００では、図３に示すように、電源供給パターン３０２が、電源回路３２０、３２２が実装された回路基板２００の領域を囲むように形成され、且つ、当該電源供給パターン３０２よりも回路基板２００の縁部に向かって外側に、電気部品（回路部品）が搭載されている回路基板２００上の領域を囲うようにグランドパターン３６０が形成されている。これにより、電源供給パターン３０２で囲まれた領域に搭載された回路部品に対しては、外部から到来する電磁輻射ノイズが、グランドパターン３６０と電源供給パターン３０２により２重にシールドされることとなり、当該ノイズの影響を効果的に低減することができる。
Further, in the
また、グランドパターン３６０により、入出力電流の変動が大きい昇圧電源である電源回路３２４から生じ得る輻射ノイズの、外部への放射量が低減されると共に、外部から電源回路３２４に到来する電磁輻射ノイズの量も低減される。さらに、当該電源供給パターン３０２により、電源供給パターン３０２で囲まれた領域に搭載された回路部品は、例えば昇圧電源である電源回路３２４から生じる輻射ノイズに対してシールドされる。
Further, the
なお、本実施形態では、図３に示すように、回路基板２００上の電源回路３２０、３２２を含む領域を、回路基板２００の４つの辺に沿って囲むように電源供給パターンが形成されているが、これに限らず、回路基板２００の一の辺（例えば、図３に示す回路基板２００の図示下側の辺）には電源供給パターンを形成せず、他の辺に沿って当該領域を囲むように電源供給パターンを形成するものとしても良い。
In this embodiment, as shown in FIG. 3, the power supply pattern is formed so as to surround the region including the
また、本実施形態では、回路基板２００上の、電源回路３２０、３２２を含む領域が、電源供給パターン３０２により囲まれる構成としたが、これに限らず、回路基板上に搭載される複数の電源回路のそれぞれから生ずる輻射ノイズの量に応じて、当該複数の電源回路の全部又は一部を含む領域を、電源供給パターンにより囲むものとしてもよい。
In the present embodiment, the region including the
また、本実施形態では、電源回路３０４が、電源供給パターン３０２により囲まれる領域の外側であってグランドパターン３６０により囲まれる領域（すなわち、電源供給パターン３０２とグランドパターン３６０とにより挟まれた領域）に搭載されるものとしたが、これに限らず、回路基板上に搭載される複数の電源回路のそれぞれから生ずる輻射ノイズの量に応じて、当該複数の電源回路のうち、出力する内部電圧に求められる電圧変動量の許容値が最も大きい電源回路を含む少なくとも一つの電源回路を、電源供給パターンにより囲まれる領域の外側であってグランドパターンにより囲まれる領域に搭載するものとしてもよい。
In the present embodiment, the
以上説明したように、本実施形態の制御装置１０は、制御回路を構成する回路基板２００上に、外部電源装置２１０の出力が接続される電源供給パターン３０２が形成され、且つ、当該電源供給パターン３０２に接続された複数の電源回路３２０〜３２４が搭載されており、当該複数の電源回路３２０〜３２４は、それらが出力する内部電圧に対して求められる電圧変動量の許容値が小さい順に、電源供給パターン３０２に対し、電源供給パターン３０２を流れる電流に沿って上流位置から下流位置に向かって順に接続されている。
As described above, in the
このため、下流に接続された電源回路３２４への電流が大きく変動して電源供給パターン３０２に電圧降下が生じても、上流に接続された、上記許容値の小さい電源回路３２０、３２４へ供給される電圧の変動は小さく保たれる。また、同時に、上記上流ほど、外部電源装置２１０に対するインピーダンスが小さいので、上記上流に接続された上記許容値が小さい電源回路ほど、電源供給パターン３０２から供給される電圧に対する外来電磁輻射ノイズの影響が軽減される。その結果、必ずしも電源回路毎にノイズフィルタを設ける必要はなくなり、制御装置１０の小型化が容易となる。
Therefore, even if the current to the
なお本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。 The embodiments of the present invention are not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present technology.
１０・・・制御装置、１００・・・筺体、１０２・・・コネクタ、２００・・・基板、２０２、２０４、２０６・・・ケーブル、２１０・・・外部電源装置、２１２・・・制御対象、２１４・・・センサ、３００・・・電源接続端子、３０２・・・電源供給パターン、３０４・・・処理回路、３０６・・・マイクロコンピュータ、３０８・・・駆動回路、３２０、３２２、３２４・・・電源回路、３３０、３３２、３３４、３３６、３５０、３５２、３５４、・・・接続パターン、３４０、３４２、３４４、３４６・・・接続位置、３６０・・・グランドパターン。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記回路基板上には、外部電源装置の出力が接続される電源供給パターンが形成され、
前記回路基板上には、前記電源供給パターンから電圧の供給を受けて、前記電気部品の一部にそれぞれ供給する内部電圧を出力する複数の電源回路が構成されており、
前記複数の電源回路は、出力する内部電圧に求められる電圧変動量の許容値が小さい順に、前記電源供給パターンに対し、当該電源供給パターンを流れる電流に沿って上流位置から下流位置に向かって順に接続されている、
電子装置。 An electronic device including a circuit board on which electrical components constituting an electronic circuit are mounted,
On the circuit board, a power supply pattern to which the output of the external power supply device is connected is formed,
On the circuit board, there are configured a plurality of power supply circuits that receive voltage supply from the power supply pattern and output internal voltages supplied to some of the electrical components,
The plurality of power supply circuits are arranged in order from the upstream position toward the downstream position along the current flowing through the power supply pattern with respect to the power supply pattern in ascending order of the allowable voltage fluctuation amount required for the internal voltage to be output. It is connected,
Electronic equipment.
請求項１に記載の電子装置。 The power supply pattern is formed so as to surround a region on the circuit board including all or part of the plurality of power supply circuits.
The electronic device according to claim 1.
請求項２に記載の電子装置。 On the circuit board, a ground pattern is formed outside the power supply pattern toward the edge of the circuit board so as to surround a region where the electrical component is mounted.
The electronic device according to claim 2.
請求項３に記載の電子装置。 The circuit in which at least one power supply circuit including the power supply circuit having the largest allowable voltage fluctuation amount required for the output internal voltage among the plurality of power supply circuits is sandwiched between the power supply pattern and the ground pattern. Configured in the area on the substrate,
The electronic device according to claim 3.
請求項１ないし４のいずれか一項に記載の電子装置。 Among the plurality of power supply circuits, a voltage supplied from the power supply pattern is a boost power supply circuit that outputs an internal voltage that is higher than the voltage and outputs the internal voltage.
The electronic device according to claim 1.
請求項１ないし５のいずれか一項に記載の電子装置。 The electronic device is a control device that is mounted on a vehicle and controls the operation of the vehicle.
The electronic device according to claim 1.
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