JP4129644B2 - 車両用電子制御装置の過電圧保護回路 - Google Patents

Description

本発明は、車両に搭載された電子制御装置の電源回路に関するものである。

自動車に対する情報化、安全性向上などの社会的ニーズに対応するため、CPUやセンサを使用した電子制御装置が多数車両に搭載されるようになってきた。これらの電子制御装置に電源を供給するバッテリの電源ラインには点火装置、あるいは電子制御装置で制御されるアクチュエータ、リレー、ソレノイドから発生する電磁誘導のノイズやサージが重畳することが多く、バッテリの電源ラインに発生したこれらのノイズ、サージを除去・低減して電子制御装置の誤動作や破損を防ぎ、その信頼性を向上することが重要である。その対策の１つとして、バッテリの端子が外れたときに発電機の電磁誘導作用でロードダンプ・サージが発生する恐れがあるため、電子制御装置の電源回路にそれを吸収するクランプ回路が設けられている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−３７９３０号公報

しかしながら、最近になってロードダンプ・サージを吸収するクランプ回路は個々の電子制御装置に設ける替わりに、発電機に内蔵されるようになってきた。発電機に接続されるバッテリの電源ラインは、ワイヤ・ハーネスによって個々の電子制御装置（以後、「ECU」ともいう）に供給される。このときワイヤ・ハーネスは車内の各部に設置されるため、その配置および構成は大変に複雑なものとなり、その配線長が長くなる場合が多い。そのため発電機にクランプ回路が内蔵されていても、これらのワイヤ・ハーネスを介して各ECUに接続されるバッテリの電源ラインには、前述の点火装置が発生する点火ノイズや各種電磁誘導ノイズによって高電圧ノイズ（高速パルス状あるいは高周波状のノイズ）が重畳することが多く、高電圧ノイズ等によってECUが誤動作したり破損する恐れがある。

本発明の課題は、このような高電圧ノイズによってECUが誤動作や破損することを抑制できる小型な車両用電子制御装置の過電圧保護回路を提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

本発明の車両用電子制御装置の過電圧保護回路は、サージおよび／又はノイズをクランプする第1クランプ電圧の電気特性と、サージおよび／又はノイズが第1クランプ電圧を越えたときに発生する吸収電流を許容する第1最大定格サージ電流の電気特性とを、有する第1クランプ回路を内蔵した発電機から電源を供給される、バッテリの電源ラインに接続された車両用電子制御装置の過電圧保護回路において、
第1クランプ電圧よりも高い第2クランプ電圧の電気特性および、第1最大定格サージ電流よりも小さい第2最大定格サージ電流の電気特性を有し、
第2最大定格サージ電流はサージおよび／又はノイズが第2クランプ電圧を越えたときに発生する吸収電流を許容する第2クランプ回路を備え、
バッテリの電源ラインに第2クランプ回路を接続してバッテリの電源ラインに重畳したサージおよび／又はノイズを除去することを特徴とする。

このようにすると、電子制御装置の第2クランプ回路は従来のような大電力の半導体素子の代わりに小電力の半導体素子を使用して、ワイヤ・ハーネスを通したバッテリの電源ラインに重畳した高電圧ノイズを確実に除去することができる。このため第2クランプ回路を小形に安価に実現できる。

また本発明の車両用電子制御装置の過電圧保護回路は、第2クランプ電圧が車両用電子制御装置のサージ定格電圧よりも低くなるように構成することが必要である。

このようにすると、電子制御装置のバッテリの電源ラインに発生するノイズを、電子制御装置のサージ定格電圧よりも低くすることができ、電子制御装置をサージから保護することができる。

また本発明の車両用電子制御装置の過電圧保護回路は、第2クランプ回路がノイズを吸収する定電圧ダイオードを有するように構成することができる。

このようにすると、小形で安価な定電圧ダイオードを第2クランプ回路に使用して高電圧ノイズを除去することができる。

また本発明の車両用電子制御装置の過電圧保護回路は、第2クランプ回路は、バッテリの電源ラインとグランド間とに直列に接続された２つの定電圧ダイオードと、２つの定電圧ダイオードの中間の接続線にそのゲートが接続され、そのドレイン、ソースがバッテリの電源ライン、前記グランドのいずれかに接続されノイズを吸収するFETとを有するように構成することが好ましい。

このようにすると、小信号用の定電圧ダイオードで高電圧ノイズを検知し、その検知出力に基づいて小電力のFETで高電圧ノイズを吸収する。FETは本質的に高速動作するので、波形の急峻な高速のあるいは高周波信号成分をもった高電圧ノイズも除去することができ第2クランプ回路はあらゆる高電圧ノイズを除去することが可能である。

また本発明の車両用電子制御装置の過電圧保護回路は、FETが内部抵抗が少なく、かつ高速のスイッチング特性が良好なＮチャンネルまたはＰチャンネルのMOS FETであるように構成することもできる。

このようにすると、内部抵抗が小さくかつ信頼性の高いMOS FET[Metal-Oxide-Semiconductor]を使用して高電圧ノイズを吸収するため、FETの発熱量が小さくなり、一層定格電力の小さいFETを第2クランプ回路に適用できる。この結果、第2クランプ回路はより小形かつ安価になる。

以下、添付の図面を参照しつつ本発明の車両用電子制御装置の過電圧保護回路の最良形態について説明する。図１のブロック図と図２の波形図を使用して車両用電子制御装置の過電圧保護回路21（以後、単に「過電圧保護回路」という）の機能と動作を説明する。バッテリ１には発電機10が接続されて車両のエンジン回転にともなって発生した電力がバッテリ１に供給される。その発電機10には、発電機10が動作中にバッテリ１の端子が外れた時に発電機10の電磁誘導作用によって生じるロードダンプ・サージBLDSを吸収・除去する第1クランプ回路11が内蔵されている。ロードダンプ・サージBLDSが発生したときには、この第1クランプ回路の働きで、［２Ａ］に示されたように第1クランプ電圧V_cAでそのサージが切り取られる。ここで［２Ａ］は第2クランプ回路が無い場合の波形図であり、［２Ｂ］は第2クランプ回路を備えた本発明の過電圧保護回路の波形図である。

次に、バッテリ１に充電された直流電力は、ワイヤ・ハーネスであるバッテリの電源ラインW_Hを介してECU[Electronic Control Unit]20に供給されるが、このとき前述のように、ワイヤ・ハーネスは車内の各部に設置されるため、その配置および配線構成は相当に複雑なものとなり、その配線長が数ｍを越えることも多い。そのため、これらのワイヤ・ハーネスを介して各ECUに接続されるバッテリの電源ラインにはノイズ発生源100から、詳細にいえば、前述の点火装置が発生するインパルス状ノイズや高周波の点火ノイズや各種アクチュエータやリレー、ソレノイドから発生する電磁誘導ノイズによって高電圧ノイズが重畳する。この高電圧ノイズは［２Ａ］に示すように、急峻なパルス波形あるいは高周波信号波形が混在した高電圧ノイズN_originalで表され、その波高値（ピーク電圧）は数十Ｖから百Ｖ以上におよぶ。

この高電圧ノイズN_originalはECU20の過電圧保護回路、すなわち第2クランプ回路21によって除去される。具体的には、バッテリの電源ラインW_Hに接続された制御回路22（マイコン等を備え、バッテリの電源ラインW_Hに繋がる入力部分にはローパスフィルタや定電圧回路等で構成された電源回路が用意されている）のサージ定格電圧V_E-Bと前述の第1クランプ電圧V_cAとの間に位置する第2クランプ電圧V_cRでもって、高電圧ノイズN_originalはその波高がカットされて［２Ｂ］に示すような低電圧ノイズN_clampedに変化する。この低電圧ノイズN_clampedは制御回路22の電源回路で除去されるため、ECUは高電圧ノイズに伴う誤動作あるいは破損を確実に防止することができる。

次に過電圧保護回路、すなわち第2クランプ回路21の回路構成を図３に示す。［３Ａ］は本発明の車両用電子制御装置の過電圧保護回路21の第1実施形態である。第2クランプ電圧V_cRに等しいツェナー電圧V_zを有する小電力（最大定格電力数百mW）の定電圧ダイオードD31が第2クランプ回路21に使用され、その定電圧作用で高電圧ノイズN_originalを第2クランプ電圧V_cRでカットして低電圧ノイズN_clampedに変換する。

［３Ｂ］は本発明の車両用電子制御装置の過電圧保護回路21の第2実施形態である。第2クランプ電圧V_cRに略等しいツェナー電圧V_zを有する小信号（最大定格電力100mW以下）の定電圧ダイオードD42とそれに直列に接続されたバイアス抵抗R1によって高電圧ノイズN_originalを検出する。高電圧ノイズN_originalが第2クランプ電圧V_cRを越えると、抵抗R1に電流が流れて小電力（最大定格電力数百mW）のPチャンネルMOS FET Q1のソースとゲート間に電圧を生じて、PチャンネルMOS FET Q1をONにする。このPチャンネルMOS FET Q1の働きで、高電圧ノイズN_originalを第2クランプ電圧V_cRでカットして低電圧ノイズN_clampedに変換する。定電圧ダイオードD41には、PチャンネルMOS FET Q1のソースとゲート間に過電圧が生じて、PチャンネルMOS FET Q1のゲートが破壊しないように保護する働きがある。MOS FETはON時の内部抵抗が小さくかつ高速でON/OFF動作するので、その発熱に伴う信頼性の影響が殆ど無く、また急峻なパルス波形あるいは高周波信号波形が混在した高電圧ノイズN_originalに対して適確にクランプすることが可能である。

［３Ｃ］は本発明の車両用電子制御装置の過電圧保護回路21の第３実施形態である。第2クランプ電圧V_cRに略等しいツェナー電圧V_zを有する小信号（最大定格電力100mW以下）の定電圧ダイオードD51とそれに直列に接続されたバイアス抵抗R2によって高電圧ノイズN_originalを検出する。高電圧ノイズN_originalが第2クランプ電圧V_cRを越えると、抵抗R2に電流が流れて小電力（最大定格電力数百mW）のNチャンネルMOS FET Q2のソースとゲート間に電圧を生じて、NチャンネルMOS FET Q2をONにする。このNチャンネルMOS FET Q2の働きで、高電圧ノイズN_originalを第2クランプ電圧V_cRでカットして低電圧ノイズN_clampedに変換する。定電圧ダイオードD52にはNチャンネルMOS FET Q2のソースとゲート間に過電圧が生じて、NチャンネルMOS FET Q2のゲートが破損しないように保護する働きがある。MOS FETはON時の内部抵抗が小さくかつ高速でON/OFF動作するので、その発熱に伴う信頼性の影響が殆ど無く、また急峻なパルス波形あるいは高周波信号波形が混在した高電圧ノイズN_originalに対して適確にクランプすることが可能である。

本発明の車両用電子制御装置の過電圧保護回路に関連する回路ブロックの構成図。 本発明の車両用電子制御装置の過電圧保護回路の機能を説明する波形図。 本発明の車両用電子制御装置の過電圧保護回路の各実施形態を説明する回路図。

符号の説明

１ バッテリ
10 発電機
11 第1クランプ電圧
20 ECU（電子制御装置）
21 過電圧保護回路（第2クランプ回路）
22 制御回路（マイコン／電源回路）
W_H バッテリの電源ライン（ワイヤ・ハーネス）
BLDS ロードダンプ・サージ
N_original 高電圧ノイズ
N_clamped 低電圧ノイズ
V_cA 第1クランプ電圧
V_cR 第2クランプ電圧
V_E-B ECUのサージ定格電圧
D31、D41、D42、D51、D52 定電圧ダイオード
Q1 PチャンネルMOS FET
Q2 NチャンネルMOS FET

Claims (5)

1. サージおよび／又はノイズをクランプする第１クランプ電圧の電気特性と、該サージおよび／又はノイズが該第１クランプ電圧を越えたときに発生する吸収電流を許容する第１最大定格サージ電流の電気特性とを、有する第１クランプ回路を内蔵した発電機から電源を供給される、バッテリの電源ラインに接続された車両用電子制御装置の過電圧保護回路において、
   前記第１クランプ電圧よりも高い第２クランプ電圧の電気特性および、前記第１最大定格サージ電流よりも小さい第２最大定格サージ電流の電気特性を有し、
   第２最大定格サージ電流は前記サージおよび／又はノイズが前記第２クランプ電圧を越えたときに発生する吸収電流を許容する第２クランプ回路を備え、
   前記バッテリの電源ラインに前記第２クランプ回路を接続して該バッテリの電源ラインに重畳した前記サージおよび／又はノイズを除去することを特徴とする車両用電子制御装置の過電圧保護回路。
2. 前記第２クランプ電圧は前記車両用電子制御装置のサージ定格電圧よりも低い請求項１に記載の車両用電子制御装置の過電圧保護回路。
3. 前記第２クランプ回路は前記ノイズを吸収する定電圧ダイオードを有する請求項１または２に記載の車両用電子制御装置の過電圧保護回路。
4. 前記第２クランプ回路は、前記バッテリの電源ラインとグランド間とに直列に接続された２つの定電圧ダイオードと、前記２つの定電圧ダイオードの中間の接続線にそのゲートが接続され、そのドレイン、ソースが前記バッテリの電源ライン、前記グランドのいずれかに接続され前記ノイズを吸収するFETとを有する請求項１または２に記載の車両用電子制御装置の過電圧保護回路。
5. 前記FETは内部抵抗が少なく、かつ高速のスイッチング特性が良好なＮチャンネルまたはＰチャンネルのMOS FETである請求項４に記載の車両用電子制御装置の過電圧保護回路。
   

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