JP5203859B2

JP5203859B2 - 電磁負荷回路の故障診断装置

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Publication number: JP5203859B2
Application number: JP2008223930A
Authority: JP
Inventors: 亮一大浦; 光彦渡部; 黛　　拓也
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Description

本発明は、電磁負荷回路の故障診断装置に係り、特に、内燃機関の燃料噴射弁等の電磁負荷（インダクタンス負荷）を含む回路の故障診断装置に関する。

自動車、オートバイ、農耕機、工機、船舶機等に用いられるガソリンや軽油等を燃料とする内燃機関には、燃費や出力向上の目的で、インジェクタ（燃料噴射弁）によって気筒内に燃料を直接噴射するものがある。

このような気筒内直接噴射型内燃機関では、従来の方式と比べ、高圧に加圧した燃料をインジェクタに供給し、高圧燃料をインジェクタより気筒内に噴射するため、インジェクタの開弁動作に、多くのエネルギ（開弁電磁力）を必要とする。このようなことから、近年、気筒内直接噴射型内燃機関に用いられるインジェクタのような電磁負荷に流す電流が増加する傾向にあり、電磁負荷、駆動回路素子を含む電磁負荷回路の故障が生じ易くなっている。このため、電磁負荷回路の故障診断の細分化、高精度化の需要が高くなってきている。

直噴用のインジェクタを含む回路構成例を、図１９を参照して説明する。
電磁負荷であるインジェクタ２０は、プラス端子を、スイッチ素子であるＶＢハイサイドドライバ１６とＶＨハイサイドドライバ１４により、通常電圧（バッテリ電圧ＶＢ）の電源端子１５と、バッテリ電圧ＶＢよりも高い電圧に昇圧した昇圧電圧ＶＨの高圧電源端子１３の何れか一方に接続される。ＶＢハイサイドドライバ１６とＶＨハイサイドドライバ１４との間には逆流防止のためのダイオード１７が接続されている。インジェクタ２０のマイナス端子は、スイッチ素子であるローサイドドライバ１８、シャント抵抗２２を介して接地（ＧＮＤ）接続される。

ここでは、電磁負荷２０から見て電圧端子側をハイサイド（上流）、電源グランド（ＧＮＤ）側をロウサイド（下流）と称する。

ＶＢハイサイドドライバ１６、ＶＨハイサイドドライバ１４、ローサイドドライバ１８は、各々、ＶＢハイサイドドライバ駆動信号生成回路７、ＶＨハイサイドドライバ駆動信号生成回路８、ローサイドドライバ駆動信号生成回路９が出力するドライバ駆動信号（ｃ）、（ｂ）、（ｆ）により駆動制御される。各ドライバ駆動信号生成回路７、８、９は、マイクロプロセッサユニット（ＭＰＵ）１の制御信号（ａ）によってロジック動作するロジック回路３が出力するロジック信号によって互いに関連して制御信号を生成する。

シャント抵抗２２にはインジェクタ２０を流れる電流を検出する電流検出回路２４が接続されている。電流検出回路２４には電圧検出回路２８が接続されている。電圧検出回路２８は、第一基準電圧生成回路２６より第一基準電圧（ｈ）を入力し、第一電圧検出出力信号（ｉ）をロジック回路３に入力する。

代表的な直噴用のインジェクタ２０の電流波形は、図２０にシャント抵抗通電電流（インジェクタ電流）として示されているように、通電初期のピーク電流通電期間に昇圧電圧ＶＨを使ってインジェクタ電流を予め定められたピーク電流停止電流まで短時間に上昇させる。次に、インジェクタ２０の所定時間開弁のために、ＶＢハイサイドドライバ１６のスイッチング動作によってバッテリ電圧によって所定電流値によるインジェクタ電流を保持する。噴射終了時には、インジェクタ２０の閉弁を速やかに行うために、ローサイドド
ライバ１８によってインジェクタ通電電流の通電電流下降を短時間に行い、インジェクタ電流を遮断する（例えば、特許文献１）。

詳細には、ＭＰＵ１から出力された制御信号（ａ）の立ち上がりによりＶＨハイサイドドライバ駆動信号（ｂ）はロウ、ローサイドドライバ駆動信号（ｆ）はハイになり、電磁負荷通電電流と等価のシャント抵抗通電電流（ｇ）はピーク電流閾値Ａｐまで到達する。シャント抵抗通電電流がピーク電流閾値Ａｐに到達した後、保持電流閾値Ａｈ１に到達し、ＶＢハイサイドドライバ駆動信号（ｂ）がチョッピングする。ある一定時間が経過すると、第一基準電圧（ｈ）が切り替わり、保持電流閾値Ａｈ２に遷移する。以上の流れでインジェクタ２０は制御される。

なお、図２０において、（ｄ）は電磁負荷（インジェクタ）上流電圧を、（ｅ）は電磁負荷（インジェクタ）下流電圧を、（ｉ）は第一電圧検出出力信号を示している。

上述の電磁負荷回路では、インジェクタ電流をある所定の電流値に保持するためのスイッチ素子、つまり、ＶＢハイサイドドライバ１６が、ある程度のインピーダンスを持った状態で、スイッチ素子の上流と下流とで短絡した場合の故障、つまり、レアショート故障を診断することができない。

ＶＢハイサイドドライバ１６を構成するＦＥＴのようなスイッチ素子にレアショート故障Ｅが生じた場合、電流保持区間ではフルスイッチングすることができないため、シャント抵抗通電電流は著しく低下することになる。ただし、完全に故障していないため、微弱な電流は流すことができる。レアショート故障は完全な破壊ではないため、例えば、そこに流れる電流は、過大過ぎもせず、少な過ぎもしない場合があり、従来から診断が困難とされている。

電磁負荷のレアショート検出することができる異常検出装置として、レアショートが生じた場合、ピーク電流閾値に到達するまでの時間が短くなることに着目し、ハイサイドドライバスイッチ素子に設置された電流検出回路により過電流検出をすることによってレアショートを検出するものがある（例えば、特許文献２）。

しかし、この異常検出装置は、電磁負荷のレアショート検出であり、スイッチ素子のレアショートを検出対象としておらず、スイッチ素子のレアショートを検出することができない。

また、電磁負荷の下流に対するＧＮＤショートもしくはオープンの異常検出を行うものがある（例えば、特許文献３）。

しかし、これも、スイッチ素子にレアショートが生じた場合の検出を対象としておらず、スイッチ素子のレアショートを検出することができない。

スイッチ素子のレアショートが生じた場合、完全な故障でないため、識別することが困難であり、スイッチ素子を含む電磁負荷回路の故障を的確に認識できていないのが現状である。これは、内燃機関のインジェクタ回路だけでなく、一般的な電磁負荷回路に課された問題である。

特開２００４−１２４８９０号公報特開２００２−１７６３４６号公報特開２００４−３４７４２３号公報

本発明は、前記解決しようとする課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、電磁負荷回路が含むＦＥＴのようなスイッチ素子のレアショートを検出し、電磁負荷回路の故障診断を的確に行う故障診断装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明による電磁負荷回路の故障診断装置は、電源電圧端子とグランドとの間に設けられた電磁負荷の前記電源電圧端子の側にハイサイドスイッチ素子が接続され、前記グランドの側にロウサイドスイッチ素子が接続され、前記ハイサイドスイッチ素子と前記ロウサイドスイッチ素子をスイッチ素子駆動信号生成回路の制御信号により開閉する電磁負荷回路の故障診断装置であって、前記ハイサイドスイッチ素子、前記ロウサイドスイッチ素子あるいは前記電磁負荷自身が、ある所定のインピーダンスを持った状態で、前記電源電圧端子もしくはグランドに短絡したレアショートを検出し、故障診断を行う故障診断手段を有する。

本発明による電磁負荷回路の故障診断装置は、好ましくは、前記故障診断手段が、前記スイッチ素子駆動信号生成回路に入力される制御信号の立ち上がりもしくは立ち下がりのタイミングで、レアショート故障診断を行う。

本発明による電磁負荷回路の故障診断装置は、好ましくは、前記故障診断手段が、前記ハイサイドスイッチ素子あるいは前記ロウサイドスイッチ素子のチョッピングのオン・オフ回数と、故障診断閾値である所定回数とを比較することにより、レアショート故障を検出する。

本発明による電磁負荷回路の故障診断装置は、好ましくは、前記故障診断手段が、前記電磁負荷の電流値と相関性を有する電気値が所定の閾値を超えたときの回数をカウントすることにより、レアショート故障診断を行う。

本発明による電磁負荷回路の故障診断装置は、好ましくは、前記故障診断手段が、前記スイッチ素子駆動信号生成回路に入力される制御信号の立ち上がりもしくは立ち下がりのタイミングによって駆動を開始した後、前記電磁負荷の電流値が所定の閾値を超えるまでの時間を測定することによりレアショート故障診断する。

本発明による電磁負荷回路の故障診断装置は、好ましくは、前記故障診断手段が、前記電磁負荷の上流もしくは下流の電圧値が所定の閾値に到達するか否かによってレアショート故障診断する。

本発明による電磁負荷回路の故障診断装置は、好ましくは、前記スイッチ素子駆動信号生成回路が、前記電磁負荷の電流値と相関性を有する電気信号のフィードバック補償のもとにスイッチ素子駆動信号を生成するものであり、前記故障診断手段が、前記スイッチ素子駆動信号のオン・オフ回数をカウントし、カウントされたオン・オフ回数と所定の閾値とを比較することによりレアショート故障診断する。

本発明による電磁負荷回路の故障診断装置は、好ましくは、前記故障診断手段が、前記ハイサイドスイッチ素子の出力信号のレベルが閾値以上であるか否かによってレアショート故障診断する。

本発明による電磁負荷回路の故障診断装置は、好ましくは、前記スイッチ素子駆動信号生成回路は、前記電磁負荷の電流値と相関性を有する電気信号のフィードバック補償のも
とにスイッチ素子駆動信号を生成するものであり、前記故障診断手段は、前記スイッチ素子駆動信号のレベルが閾値以上であるか否かによってレアショート故障診断する。

本発明による電磁負荷回路の故障診断装置は、電磁負荷噴射装置の駆動回路を構成するスイッチ素子に関するスイッチング信号と所定の比較信号とを比較することにより故障診断を行うから、電磁負荷を駆動するＦＥＴのようなスイッチ素子が、ある程度のインピーダンスを持った状態で上流と下流との短絡するレアショート故障を信頼性、精度よく検出することができ、安全性の向上が期待できる。

以下に、本発明の電磁負荷回路の故障診断装置の実施形態を添付の図を参照して説明する。尚、以下の実施形態の説明において、図１９の電磁負荷回路と同一あるいは等価のものは、図１９に付した符号と同一の符号を付けて説明する。

（実施形態１）
本発明による電磁負荷回路の故障診断装置の実施形態１を、図１、図２を参照して説明する。
本実施形態の電磁負荷回路は、バッテリ電圧端子１５と電源グランド（ＧＮＤ）との間に設置された電磁負荷（インジェクタ）２０と、マイクロプロセッサユニット（ＭＰＵ）１と、電磁負荷駆動回路３００と、故障診断回路１０１とを有する。

電磁負荷駆動回路３００には、電磁負荷２０から見てバッテリ電圧端子１５側と電源グランド（ＧＮＤ）側とに、それぞれ電磁負荷用のドライバを構成するスイッチ素子（例えばＦＥＴ）によるＶＢハイサイドドライバ１６とＶＨハイサイドドライバ１４とローサイドドライバ１８が設置されている。

ここでは、電磁負荷２０から見てバッテリ電圧端子１５側をハイサイド（上流）、電源グランド（ＧＮＤ）側をロウサイド（下流）と称する。

電磁負荷駆動回路３００は、スイッチ素子駆動信号生成回路３０１と、電流検出回路２４とを有する。電流検出回路２４は電磁負荷２０の通電電流を検出する。電流検出回路２４の電流検出信号はスイッチ素子駆動信号生成回路３０１にフィードバック入力される。

マイクロプロセッサ１から出力された制御信号（ａ）は、電磁負荷駆動回路３００に入力される。電磁負荷駆動回路３００は、制御信号（ａ）に基づいてスイッチ素子駆動信号生成回路３０１によってスイッチ素子駆動信号を生成し、スイッチ素子駆動信号を、ＶＢハイサイドドライバ１６、ＶＨハイサイドドライバ１４、ローサイドドライバ１８に入力する。

図２に示されているように、ＭＰＵ１が出力する制御信号（ａ）がＬＯＷからＨＩＧＨに切り替わると、スイッチ素子駆動信号生成回路３０１で生成された駆動信号により、スイッチ素子（ＶＢハイサイドドライバ１６、ＶＨハイサイドドライバ１４、ローサイドドライバ１８）が駆動され、まずＶＨハイサイドドライバ１４によって電磁負荷２０に電流が通電される。この時の電磁負荷通電電流（ｇ）は、例えば、インジェクタのような電磁負荷２０の弁体を応答よく駆動（例えば開弁）するのに必要な程度の比較的大きな電流（Ａｐ）である。ＶＨハイサイドドライバ１４による電磁負荷２０の駆動後は、引き続き駆動後の弁体の状態を維持する程度の電流が、次のようにして所定時間、電磁負荷２０に供給される。この電流保持期間では、ＶＢハイサイドドライバ駆動信号がオン状態を維持し（すなわち、ＶＢハイサイドドライバ１６がオン状態）、ハイサイドドライバ駆動信号が
オフ（ＶＨハイサイドドライバ１４がオフ状態）し、更に、スイッチ素子駆動信号生成回路３０１によりチョッピング駆動信号が生成され、電磁負荷２０がチョッピングされる。

電磁負荷２０の駆動後の電流保持期間の電磁負荷通電電流（ｇ）は、電流検出回路２４の出力信号をスイッチ素子駆動信号生成回路３０１にフィードバックすることにより、所定の電流値（Ａｈ１、Ａｈ２）に維持することができる。このときの電磁負荷２０の上流と下流の電圧波形は、（ｄ）、（ｅ）のようになる。

ＶＢハイサイドドライバ１６のスイッチ素子にレアショート故障Ｅｂが生じた場合、図２に示されているように、電磁負荷通電電流（ｇ）は、保持電流閾値Ａｈ２よりも低く、かつ、０でない値に保持される。このとき、ある特定のスイッチ素子から出力されるスイッチング出力信号（ｊ）と、ある所定の比較信号（ｋ）とを故障診断回路１０１によって比較し、差異がある場合には、マイクロプロセッサ１の制御信号（ａ）の立下り（もしくは立ち上がり）のタイミングで、診断フラグＦを出力（ＨＩＧＨになる）する。レアショート故障Ｅｂが生じている間に再度マイクロプロセッサ制御信号（ａ）がＨＩＧＨになった時、電磁負荷誘電電流（ｇ）は、ＶＨハイサイドドライバ１４が駆動により電流値（Ａｐ）まで通電するが、ＶＢハイサイドドライバ１６が駆動する区間では、Ａｈ２よりも低く、かつ、０でない値まで低下してスイッチングすることなく保持される。

通常、スイッチ素子の故障は２種類考えられる。その一つは開放（オープン）、もう一つは短絡（ショート）である。スイッチ素子が開放（オープン）した場合には、スイッチングすることができないため、全く通電できなくなる。この故障は、従来から、通電電流をモニタすることで開放故障診断されている。スイッチ素子が短絡（ショート）した場合には、オン抵抗が限りなく小さくなり、スイッチングしたときに過電流が流れる。過電流が流れると、スイッチ素子は配線の溶断等で完全に破壊され、開放状態となるため通電できなくなり、最終的には開放故障診断されることになる。

ここで、スイッチ素子の出力レアショート故障は、三つ目の故障であり、ＦＥＴのようなスイッチ素子では、ある程度のインピーダンスを持った状態でスイッチ素子の上流と下流の短絡故障することがある。この故障では、入力信号によってスイッチングすることが可能であるが、通常のオン抵抗まで下がりきらない場合には、通電電流は０（ゼロ）ではなく、中途半端に流れることとなる。

本実施形態では、このような中途半端に電流が流れる状態を検出する事が可能となるので、信頼性の高い故障診断を実現することができる。

（実施形態２）
本発明による電磁負荷回路の故障診断装置の実施形態（具体例）２を、図３、図４を参照して説明する。
電磁負荷２０は、プラス端子を、スイッチ素子であるＶＢハイサイドドライバ１６とＶＨハイサイドドライバ１４により、通常電圧（バッテリ電圧ＶＢ）の電源端子１５と、バッテリ電圧ＶＢよりも高い電圧に昇圧した昇圧電圧ＶＨの高圧電源端子１３の何れか一方に接続される。ＶＢハイサイドドライバ１６とＶＨハイサイドドライバ１４との間には逆流防止のためのダイオード１７が接続されている。インジェクタ２０のマイナス端子は、スイッチ素子であるローサイドドライバ１８を介して接地（ＧＮＤ）接続される。

ここでも、電磁負荷２０から見て電圧端子側をハイサイド（上流）、電源グランド（ＧＮＤ）側をロウサイド（下流）と称する。

ＶＢハイサイドドライバ１６、ＶＨハイサイドドライバ１４、ローサイドドライバ１８
は、各々、ＶＢハイサイドドライバ駆動信号生成回路７、ＶＨハイサイドドライバ駆動信号生成回路８、ローサイドドライバ駆動信号生成回路９が出力するドライバ駆動信号（制御信号）により駆動制御される。各ドライバ駆動信号生成回路７、８、９は、マイクロプロセッサユニット（ＭＰＵ）１の出力信号と電磁負荷の電流値と相関性を有する電気信号によるフィードバック補償のもとにロジック動作するロジック回路３が出力するロジック信号によって互いに関連して制御信号を生成する。

ローサイドドライバ１８と電源グランド（ＧＮＤ）との間には、電磁負荷通電電流を検出するために、シャント抵抗２２が接続されている。シャント抵抗２２には電流検出回路２４が接続されている。電流検出回路２４には第一電圧検出回路２８が接続されている。第一電圧検出回路２８は、第一基準電圧生成回路２６より第一基準電圧（ｈ）を入力し、第一電圧検出出力信号（ｉ）をロジック回路３に入力する。

ロジック回路３は、電磁負荷の電流値と相関性を有する電気信号として第一電圧検出出力信号（ｉ）を入力し、第一電圧検出出力信号（ｉ）とマイクロプロセッサ１から出力される制御信号（ａ）によりロジック演算を行い、各ドライバの駆動信号をそれぞれのドライバのアナログ駆動信号生成回路７、８、９に出力する。このようにして、アナログ駆動信号生成回路７、８は、電磁負荷２０の電流値と相関性を有する電気信号のフィードバック補償のもとにスイッチ素子駆動信号を生成することになる。

故障診断回路１０１は、診断ウィンドウ信号生成回路３０と、ＡＮＤ回路３２と、カウンタ回路３４と、診断部（診断回路）４３とを含み、ＡＮＤ回路３２に第一電圧検出出力信号（ｉ）を入力し、診断部４３より診断フラグＦを出力する。

高圧電源端子１３の昇圧電圧ＶＨは、バッテリ電圧ＶＢを昇圧したものであり、ＶＨハイサイドドライバ１４によって電磁負荷２０に印加される。これにより、電磁負荷２０に流れる電流を短時間で急速上昇させる。その後、電源端子１５のバッテリ電圧ＶＢが、ＶＢハイサイドドライバ１６によって電磁負荷２０に印加され、電磁負荷通電電流が所定値に保持される。

この過程を、図４を含めて以下に説明する。マイクロプロセッサ１から出力された制御信号（ａ）は、ロジック回路３に入力される。この制御信号（ａ）に基づいて、ロジック回路３は、制御信号（ａ）と第一電圧検出出力信号（ｉ）に基づいてロジック信号による各ドライバの駆動信号をそれぞれのアナログ駆動信号生成回路７、８、９に出力する。

アナログ駆動信号生成回路７、８、９は、入力したロジック信号に基づきアナログ信号によるＶＢハイサイドドライバ駆動信号（ｃ）とＶＨハイサイドドライバ駆動信号（ｂ）とローサイドドライバ駆動信号（ｆ）を生成する。このアナログ駆動信号によって、ＶＢハイサイドドライバ１６とＶＨハイサイドドライバ１４とローサイドドライバ１８が通電（オン）して、電磁負荷２０に電流（電磁負荷電流）が流れ、電磁負荷２０が駆動する。

通電開始時のシャント抵抗通電電流（ｇ）は、例えば、内燃機関において燃料噴射を行うインジェクタのような電磁負荷２０の弁体を応答よく駆動（例えば開弁）するのに必要な程度の比較的大きな電流である。

電磁負荷２０の駆動後は、引き続き駆動後の弁体の状態を維持する程度の電流が、次のようにして、所定時間、電磁負荷２０に供給される。この場合には、ローサイドドライバ駆動信号１２がオン状態を維持し（これによりローサイドドライバ１０がオン状態維持）、ＶＨハイサイドドライバ駆動信号１１がオフし（これによりＶＨハイサイドドライバ１４がオフ状態）、ＶＢハイサイドドライバ駆動信号生成回路７の動作によって電磁負荷２
０がチョッピングされ、電磁負荷２０の駆動後の状態が保持される。チョッピング駆動信号は、マイクロプロセッサ１からの制御信号（ａ）に基づき、ロジック回路３から出力される。

ＶＢハイサイドドライバ１６のスイッチ素子にレアショート故障Ｅｂが生じた場合、シャント抵抗通電電流（ｇ）は、保持電流閾値Ａｈ２よりも低く、かつ、０でない値に保持される。ここで、故障診断回路１０１によりＶＢハイサイドドライバ１６のスイッチ素子のレアショート故障診断をする。

以下に、故障診断回路の動作を図４を用いて説明をする。シャント抵抗２２に流れる電流（ｇ）を電流検出回路２４によって検出し、それと等価の電圧値（電磁負荷の電流値と相関性を有する電気値）と第一基準電圧生成回路２６によって生成された第一基準電圧（ｈ）とを比較する。等価電圧値が第一基準電圧（ｈ）に達した場合、第一電圧検出出力信号（ｉ）は反転する。

この第一電圧検出出力信号（ｉ）を故障診断回路１０１のＡＮＤ回路３２の第一の入力信号とし、マイクロプロセッサ１の制御信号（ａ）に基づいて診断ウィンドウ生成回路３０によって生成された診断ウィンドウ信号（ｎ）をＡＮＤ回路３２の第二の入力信号とし、これら２入力信号の論理積をとって診断する。これは、診断ウィンドウ信号（ｎ）がオンしている間だけ、診断することを意味する。

ＡＮＤ回路３２が出力する信号（これをチョッピング信号と云う）をカウント回路３４によってカウントする。正常に電流制御され、チョッピングされている状態では、カウント回路３４のカウンタ出力信号（ｍ）は、カウント初期値Ａから開始し、カウントアップＣａされ、カウント最終値Ｃとなる。このカウント最終値Ｃが診断部４３に入力され、ある所定のカウント値と比較される。

レアショート故障の場合には、上述したようにシャント抵抗通電電流（ｇ)は保持電流
閾値Ａｈ２よりも低く、かつ０でない値に保持されるので、チョッピング制御が行われず、チョッピング信号は出力されない。よって、カウント回路３４でのカウントアップも行われず、カウント値が所定のしきい値に達しない。このことが、診断部４３において診断ウィンドウ信号(ｎ）の立下りで判定され、診断フラグＦがＨＩＧＨ出力されることにな
る。

ＶＨハイサイドドライバ１４のスイッチ素子のレアショート故障が生じた場合も同様で、電流値が所定のしきい値に達しないため、チョッピングが行われず、チョッピングのオン・オフ制御の回数のカウントアップが実行されないため、診断フラグＦがＨＩＧＨ出力されることになる。

このように、本実施形態では、ＶＢハイサイドドライバ１６のスイッチ素子のチョッピングのオン・オフ回数をカウントすることにより、レアショート故障を検出しており、レアショート故障が検出されることにより、信頼性の高い電磁負荷駆動回路を実現することができる。

（実施形態３）
本発明による電磁負荷回路の故障診断装置の実施形態（具体例）３を、図５、図６を参照して説明する。
本実施形態では、実施形態２の故障診断回路１０１中のカウンタ回路３４に代えてチョッピング時間処理回路４２を設け、クロック信号生成回路３６を追加しており、スイッチ素子駆動信号生成回路に入力される制御信号の立ち上がりもしくは立ち下がりのタイミン
グによって駆動を開始した後、電磁負荷２０の電流値が所定の閾値を超えるまでの時間を測定することによりレアショート故障診断を行う。

実施形態３の詳細を以下に説明をする。ＶＢハイサイドドライバ１６のスイッチ素子にレアショート故障Ｅｂが生じた場合、実施形態２と同様に、シャント抵抗通電電流（ｇ）は保持電流閾値Ａｈ２に到達することなく下降する。故障診断をする際、本実施形態では、シャント抵抗２２に流れる電流を電流検出回路２４によって検出し、それと等価の電圧値が第一基準電圧生成回路２６によって生成された第一基準電圧に達した場合には、第一電圧検出出力信号（ｉ）は反転する。この第一電圧検出出力信号（ｉ）が反転するまでの時間を検出し、診断する。

つまり、第一電圧検出出力信号（ｉ）と診断ウィンドウ信号（ｎ）を入力とし、ＡＮＤ回路３２により論理積演算されたチョッピング信号は、チョッピング時間処理回路４２に入力され、クロック信号生成回路３６で生成されたクロック信号により、反転するまでの時間（電磁負荷２０の電流値が所定値になるまでの時間）Ｔａを計算される。このチョッピング時間Ｔａが、所定の比較値と一致していなければ、診断部４３で故障と診断され、診断ウィンドウ信号（ｎ）の立下りで診断フラグＦがＨＩＧＨ出力される。

これにより、レアショート故障を検出可能となり、信頼性の高い電磁負荷駆動回路を実現することができる。また、本実施形態の場合には、クロック信号で生成される所定の閾値を最適な数値とすることにより、所定時間を超えた時点で故障の判断ができ、診断ウィンドウ信号（ｎ）の立下り（制御信号の立下り）を待つことなく、診断フラグＦをＨＩＧＨにすることができるというメリットもある。

（実施形態４）
本発明による電磁負荷回路の故障診断装置の実施形態（具体例）４を、図７、図８を参照して説明する。
本実施形態は、故障診断の入力信号として電磁負荷２０の上流もしくは下流の電圧値（ｅ）を用いている。故障診断回路１０１の内部構成として、第二電圧検出回路４０と、第二基準電圧生成回路３８とを有し、第二電圧検出回路４０の出力信号（ｐ）と診断ウィンドウ信号（ｎ）とを診断部４３に入力し、電磁負荷２０の上流もしくは下流の電圧値が所定の閾値に到達するか否かによってレアショート故障診断を行う。

実施形態４の詳細を以下に説明をする。通常、マイクロプロセッサ１が出力する制御信号（ａ）がオンになり、シャント抵抗２２に電流が流れると、ローサイドドライバ１８のオン抵抗とシャント抵抗２２により、電磁負荷２０と電源グランド２３との間に電位差が生じる。よって、電磁負荷下流電圧（ｅ）は、シャント抵抗通電電流（ｇ）に相関した電圧値を示すことになる。

ＶＢハイサイドドライバ１６のスイッチ素子にレアショート故障Ｅｂが生じると、シャント抵抗通電電流（ｇ）は保持電流閾値Ａｈ２に到達することなく下降する。これに伴い電磁負荷下流電圧（ｅ）の電圧値も小さくなる。この電磁負荷下流電圧（ｅ）と第二基準電圧生成回路３８が生成する第二基準電圧値Ｖ２とを第二電圧検出回路４０で比較し、電磁負荷下流電圧（ｅ）が第二基準電圧値Ｖ２よりも下回った場合には、第二電圧検出出力信号（ｐ）がＨＩＧＨになり、診断部４３が診断ウィンドウ信号（ｎ）の立下りで診断フラグＦをＨＩＧＨ出力する。

上述の処理により、チョッピングが停止して中途半端な電流が流れ続けていることを検出することができるので、レアショート故障を検出することが可能となり、これに伴い信頼性の高い電磁負荷駆動回路を実現することができる。

（実施形態５）
本発明による電磁負荷回路の故障診断装置の実施形態５を、図９、図１０を参照して説明する。
本実施形態では、故障診断の入力信号として、ＶＢハイサイドドライバ駆動信号生成回路７が出力するＶＢハイサイドドライバ駆動信号（ｃ）を用いている。ＶＢハイサイドドライバ駆動信号生成回路７は、スイッチング信号生成回路５５と、スイッチング信号生成回路５５のスイッチング信号（ｒ）の反転信号とロジック回路３の出力信号を入力するＡＮＤ回路５７と、ＡＮＤ回路５７の出力信号を入力するアナログ信号生成回路５９とを含む。

故障診断回路１０１の内部構成は、ＡＮＤ回路３２とカウンタ回路３４との間に設置されたチョッピング信号合成回路６０を有する。チョッピング信号合成回路６０は、スイッチング信号生成回路５５のスイッチング信号とＡＮＤ回路３２の出力信号であるチョッピング信号とを入力とし、チョッピング信号合成信号（ｓ）を出力する。

本実施形態のレアショート故障診断のアルゴリズムは、スイッチ素子駆動信号生成回路が電磁負荷２０の電流値と相関性を有する電気信号のフィードバック補償のもとにスイッチ素子駆動信号を生成するものである場合に、そのスイッチ素子駆動信号のオン・オフ回数をカウントし、カウントされたオン・オフ回数と所定の閾値とを比較することによりレアショートの故障診断を行うものである。
その他の基本的な動作については、実施形態２と変わらない。

実施形態５の詳細を以下に説明をする。ＶＢハイサイドドライバ１６のスイッチ素子のように、バッテリ電圧端子１５と電磁負荷２０との間に設置されたスイッチ素子を駆動させるには、通常、ゲート・ソース間の電位差を確保するために、アナログ信号生成回路５９によって、ＶＢハイサイドドライバ１６のゲート電圧をバッテリ電圧ＶＢよりも高く昇圧させている。このため、ＶＢハイサイドドライバ１６のスイッチングを利用して、ＶＢハイサイドドライバ１６のソース側とバッテリ電圧端子１５との間に接続した容量にレギュレートし昇圧させるのが一般的である。

しかし、バッテリ電圧ＶＢが低い時にはＶＢハイサイドドライバ１６がスイッチングできないために昇圧できない場合には、スイッチング信号生成回路５５で生成されたスイッチング信号（ｒ）により、ＶＢハイサイドドライバ１６を強制的にスイッチングし、昇圧させる。

ＶＢハイサイドドライバ１６のスイッチ素子にレアショート故障Ｅｂが生じた場合、シャント抵抗通電電流（ｇ）は保持電流閾値Ａｈ２に到達することなく下降する。同時に、ロジック回路３から出力されるＶＢハイサイドドライバのロジック駆動信号とスイッチング信号（ｒ）を入力するＡＮＤ回路５７の出力信号であるロジック合成信号（ｑ）を、故障診断回路１０１のＡＮＤ回路３２の入力信号とする。

診断ウィンドウ信号（ｎ）とロジック合成信号（ｑ）とを入力信号とするＡＮＤ回路３２が出力するチョッピング信号は、スイッチング信号（ｒ）の影響により、誤診断する可能性がある。そこで、スイッチング信号（ｒ）とＡＮＤ回路３２が出力するチョッピング信号とを入力信号としてチョッピング信号合成回路６０で同期をとることで、スイッチング信号（ｒ）の影響をマスクする。

チョッピング信号合成回路６０が出力するチョッピング信号合成信号（ｓ）をカウンタ回路３４の入力信号とする。チョッピング信号合成信号（ｓ）のチョッピング回数をカウンタ回路３４でカウントし、診断部４３が診断ウィンドウ信号（ｎ）の立下りで診断フラ
グＦをＨＩＧＨ出力する。

このように、本実施形態でも、チョッピングのオン・オフ制御の回数をカウントすることにより、レアショート故障を検出しており、レアショート故障が検出されることにより、信頼性の高い電磁負荷駆動回路を実現することができる。

（実施形態６）
本発明による電磁負荷回路の故障診断装置の実施形態６を、図１１、図１２を参照して説明する。
本実施形態では、故障診断の入力信号として、ロジック回路３がＶＢハイサイドドライバ駆動信号生成回路７へ出力するロジック信号を用いている。故障診断回路１０１の内部構成は、実施形態２のものと実質的に同一であり、スイッチ素子駆動信号生成回路と云えるロジック回路３が電磁負荷２０の電流値と相関性を有する電気信号のフィードバック補償のもとにスイッチ素子駆動信号を生成するものである場合に、そのスイッチ素子駆動信号のオン・オフ回数をカウントし、カウントされたオン・オフ回数と所定の閾値とを比較することによりレアショートの故障診断を行うものである。

実施形態６の詳細を以下に説明をする。ＶＢハイサイドドライバ１６のスイッチ素子にレアショート故障Ｅｂが生じた場合、実施形態５と同様に、シャント抵抗通電電流（ｇ）は保持電流閾値Ａｈ２に到達することなく下降する。同時に、ロジック回路３から出力されるＶＢハイサイドドライバ１６のためのロジック駆動信号と診断ウィンドウ信号（ｎ）を故障診断回路１０１のＡＮＤ回路３２入力信号とする。ＡＮＤ回路３２が出力するチョッピング信号をカウンタ回路３４に入力し、カウンタ回路３４でチョッピング回数をカウントする。そして、診断部４３が診断ウィンドウ信号（ｎ）の立下りで診断フラグＦをＨＩＧＨ出力する。

この処理でも、チョッピングが停止して、ＶＢハイサイドドライバ１６に中途半端な電流が流れ続けていることを検出することができるので、ＶＢハイサイドドライバ１６のレアショート故障を検出可能となり、信頼性の高い電磁負荷駆動回路を実現することができる。

（実施形態７）
本発明による電磁負荷回路の故障診断装置の実施形態７を、図１３、図１４を参照して説明する。
本実施形態では、故障診断回路１０１の入力信号として、ＶＢハイサイドドライバ１６のソース電圧、つまりＶＢハイサイドドライバ出力信号（ｓ）を用いている。故障診断回路１０１の内部構成は、実施形態４のものと実質的に同一であり、ハイサイドスイッチ素子の出力信号のレベルが閾値以上であるか否かによってレアショート故障診断を行う。

実施形態７の詳細を以下に説明をする。通常、マイクロプロセッサ１が出力する制御信号（ａ）がオンし、ＶＢハイサイドドライバ１６がチョッピングした場合、ＶＢハイサイドドライバ１６のソース電圧はバッテリ電圧と０（ゼロ）Ｖの間でチョッピングする。

ＶＢハイサイドドライバ１６のスイッチ素子にレアショート故障Ｅｂが生じた場合、シャント抵抗通電電流（ｇ）は保持電流閾値Ａｈ２に到達することなく下降する。同時に、ＶＢハイサイドドライバ１６はチョッピングできなくなるため、ＶＢハイサイドドライバ出力信号（ｓ）はバッテリ電圧ＶＢのレベルまでオンすることができず、中途半端なオン状態になる。

ＶＢハイサイドドライバ出力信号（ｓ）のレベルを第二電圧検出回路４０で監視し、Ｖ
Ｂハイサイドドライバ出力信号（ｓ）が第二基準電圧Ｖ２よりも下回った場合には、診断部４３が診断ウィンドウ信号（ｎ）の立下りで診断フラグＦをＨＩＧＨ出力する。

このような処理によっても、チョッピングが停止して、ＶＢハイサイドドライバ１６に中途半端な電流が流れ続けていることを検出することができるので、ＶＢハイサイドドライバ１６のレアショート故障を検出することが可能となり、信頼性の高い電磁負荷駆動回路を実現することができる。

（実施形態８）
本発明による電磁負荷回路の故障診断装置の実施形態８を、図１５、図１６を参照して説明する。
本実施形態では、故障診断の入力信号として、ＶＨハイサイドドライバ１４の出力信号（ｔ）を用いている。故障診断回路１０１の内部構成は、実施形態７のものと実質的に同一であり、ハイサイドドライバの出力信号のレベルが閾値以上であるか否かによってレアショート故障診断する。

なお、診断ウィンドウ信号生成回路３０は、ロジック回路３がＶＨハイサイドドライバ駆動信号生成回路８へ出力するロジック信号を用いて診断ウィンドウ信号（ｎ）を生成する。

実施形態８の詳細を以下に説明をする。通常、マイクロプロセッサ１の制御信号（ａ）がオンし、ＶＨハイサイドドライバ１４がチョッピングした場合、ＶＨハイサイドドライバ１４のソース電圧は昇圧電圧ＶＨと０（ゼロ）Ｖの間でチョッピングする。

ＶＨハイサイドドライバ１４のスイッチ素子にレアショート故障Ｅｈが生じた場合、ＶＨハイサイドドライバ１４はオンすることができず、かつ、チョッピングできなくなるため、ＶＨハイサイドドライバ出力信号（ｔ）は昇圧電圧ＶＨのレベルまでオンすることができず、中途半端なオン状態になる。

ＶＨハイサイドドライバ出力信号（ｔ）のレベル（電圧）を第二電圧検出回路４０で監視し、ＶＨハイサイドドライバ出力信号（ｔ）が所定の第二基準電圧Ｖ２よりも下回った場合には、診断部４３が診断ウィンドウ信号（ｎ）の立下りで診断フラグＦをＨＩＧＨ出力する。
このような処理により、ＶＨハイサイドドライバ１４のチョッピングが停止して、ＶＨハイサイドドライバ１４に中途半端な電流が流れ続けていることを検出することができるので、ＶＨハイサイドドライバ１４のレアショート故障を検出することが可能となり、信頼性の高い電磁負荷駆動回路を実現することができる。

（実施形態９）
本発明による電磁負荷回路の故障診断装置の実施形態９を、図１７、図１８を参照して説明する。
本実施形態では、故障診断の入力信号として、ロジック回路３がＶＨハイサイドドライバ駆動信号生成回路８へ出力するロジック信号を用いている。故障診断回路１０１の内部構成は、実施形態２のものと実質的に同一であり、スイッチ素子駆動信号生成回路と云えるロジック回路３が電磁負荷２０の電流値と相関性を有する電気信号のフィードバック補償のもとにスイッチ素子駆動信号を生成するものである場合に、そのスイッチ素子駆動信号のオン・オフ回数をカウントし、カウントされたオン・オフ回数と所定の閾値とを比較することによりレアショートの故障診断を行うものである。

実施形態９の詳細を以下に説明をする。通常、マイクロプロセッサ１が出力する制御信
号（ａ）がオンし、ＶＨハイサイドドライバ１４がチョッピングした場合、ＶＨハイサイドドライバ１４のソース電圧は昇圧電圧ＶＨと０（ゼロ）Ｖの間でチョッピングする。

ＶＨハイサイドドライバ１４のスイッチ素子にレアショート故障Ｅｈが生じると、シャント抵抗通電電流（ｇ）はピーク電流閾値Ａｐに到達することなく下降する。同時に、ロジック回路３から出力されるＶＨハイサイドドライバ１４のロジック駆動信号を故障診断回路１０１に入力し、カウンタ回路３４でチョッピング回数をカウントする。そして、診断部４３が診断ウィンドウ信号（ｎ）の立下りで診断フラグＦをＨＩＧＨ出力する。

このような処理により、ＶＨハイサイドドライバ１４のチョッピングが停止して、ＶＨハイサイドドライバ１４に中途半端な電流が流れ続けていることを検出することができるので、ＶＨハイサイドドライバ１４のレアショート故障を検出することが可能となり、信頼性の高い電磁負荷駆動回路を実現することができる。

上述のいずれの実施形態においても、電磁負荷回路ならびに故障診断装置は、集積化回路、外部回路等によるハードウェアにより構成することも、マイクロコンピュータが実行するコンピュータプログラムによるソフトウェアにより構成することもできる。

本発明による電磁負荷回路の故障診断装置の実施形態１を示すブロック図。実施形態１の故障診断装置の動作波形を示すタイムチャート。本発明による電磁負荷回路の故障診断装置の実施形態２を示すブロック図。実施形態２の故障診断装置の動作波形を示すタイムチャート。本発明による電磁負荷回路の故障診断装置の実施形態３を示すブロック図。実施形態３の故障診断装置の動作波形を示すタイムチャート。本発明による電磁負荷回路の故障診断装置の実施形態４を示すブロック図。実施形態４の故障診断装置の動作波形を示すタイムチャート。本発明による電磁負荷回路の故障診断装置の実施形態５を示すブロック図。実施形態５の故障診断装置の動作波形を示すタイムチャート。本発明による電磁負荷回路の故障診断装置の実施形態６を示すブロック図。実施形態６の故障診断装置の動作波形を示すタイムチャート。本発明による電磁負荷回路の故障診断装置の実施形態７を示すブロック図。実施形態７の故障診断装置の動作波形を示すタイムチャート。本発明による電磁負荷回路の故障診断装置の実施形態８を示すブロック図。実施形態８の故障診断装置の動作波形を示すタイムチャート。本発明による電磁負荷回路の故障診断装置の実施形態９を示すブロック図。実施形態９の故障診断装置の動作波形を示すタイムチャート。電磁負荷回路の故障診断装置の従来例を示すブロック図。従来例の故障診断装置の動作波形を示すタイムチャート。

符号の説明

１マイクロプロセッサ
３ロジック回路
７ＶＢハイサイドドライバ駆動アナログ信号生成回路
８ＶＨハイサイドドライバ駆動アナログ信号生成回路
９ローサイドドライバ駆動アナログ信号生成回路
１３ＶＨ電源電圧端子
１４ＶＨハイサイドドライバ
１５ＶＢ電源電圧端子
１６ＶＢハイサイドドライバ
１７逆流防止素子
１８ローサイドドライバ
２０電磁負荷
２２シャント抵抗
２４電流検出回路
２６第一基準電圧生成回路
２８第一電圧検出回路
３０診断ウィンドウ信号生成回路
３２ＡＮＤ回路
３４カウンタ回路
３６クロック信号生成回路
３８第二基準電圧生成回路
４０第二電圧検出回路
４２チョッピング時間処理回路
４３診断部
５５スイッチング信号生成回路
５７ロジック信号合成回路
５９アナログ信号生成回路
６０チョッピング信号合成回路
１０１故障診断回路
３００電磁負荷駆動回路
３０１スイッチ素子駆動信号生成回路

Claims

電源電圧端子とグランドとの間に設けられた電磁負荷の前記電源電圧端子の側にハイサイドスイッチ素子が接続され、前記グランドの側にロウサイドスイッチ素子が接続され、前記ハイサイドスイッチ素子と前記ロウサイドスイッチ素子をスイッチ素子駆動信号生成回路の制御信号により開閉する電磁負荷回路の故障診断装置であって、
前記ハイサイドスイッチ素子、前記ロウサイドスイッチ素子あるいは前記電磁負荷自身が、ある所定のインピーダンスを持った状態で、前記電源電圧端子もしくはグランドに短絡したレアショートを検出し、故障診断を行う故障診断手段を有し、
該故障診断手段は、前記スイッチ素子駆動信号生成回路の制御信号による前記電磁負荷への通電期間中にレアショート故障診断を行い、前記ハイサイドスイッチ素子あるいは前記ロウサイドスイッチ素子のチョッピングのオン・オフ回数と、故障診断閾値である所定回数とを比較することにより、レアショート故障を検出するものであることを特徴とする電磁負荷回路の故障診断装置。
前記故障診断手段は、前記スイッチ素子駆動信号生成回路に入力される制御信号の立ち上がりもしくは立ち下がりのタイミングで、レアショート故障診断を行うことを特徴とする請求項１に記載の電磁負荷回路の故障診断装置。
前記チョッピングのオン・オフ回数は、前記電磁負荷の電流値と相関性を有する電気値が所定の閾値を超えたときの回数であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電磁負荷回路の故障診断装置。
電源電圧端子とグランドとの間に設けられた電磁負荷の前記電源電圧端子の側にハイサイドスイッチ素子が接続され、前記グランドの側にロウサイドスイッチ素子が接続され、前記ハイサイドスイッチ素子と前記ロウサイドスイッチ素子をスイッチ素子駆動信号生成回路の制御信号により開閉する電磁負荷回路の故障診断装置であって、
前記ハイサイドスイッチ素子、前記ロウサイドスイッチ素子あるいは前記電磁負荷自身が、ある所定のインピーダンスを持った状態で、前記電源電圧端子もしくはグランドに短絡したレアショートを検出し、故障診断を行う故障診断手段を有し、
該故障診断手段は、前記スイッチ素子駆動信号生成回路の制御信号による前記電磁負荷への通電期間中にレアショート故障診断を行い、前記スイッチ素子駆動信号生成回路に入力される制御信号の立ち上がりもしくは立ち下がりのタイミングによって駆動を開始した後、前記電磁負荷の電流値が所定の閾値を超えるまでの時間を測定することによりレアショート故障診断を行うことを特徴とする電磁負荷回路の故障診断装置。
電源電圧端子とグランドとの間に設けられた電磁負荷の前記電源電圧端子の側にハイサイドスイッチ素子が接続され、前記グランドの側にロウサイドスイッチ素子が接続され、前記ハイサイドスイッチ素子と前記ロウサイドスイッチ素子をスイッチ素子駆動信号生成回路の制御信号により開閉する電磁負荷回路の故障診断装置であって、
前記ハイサイドスイッチ素子、前記ロウサイドスイッチ素子あるいは前記電磁負荷自身が、ある所定のインピーダンスを持った状態で、前記電源電圧端子もしくはグランドに短絡したレアショートを検出し、故障診断を行う故障診断手段を有し、
該故障診断手段は、前記スイッチ素子駆動信号生成回路の制御信号による前記電磁負荷への通電期間中にレアショート故障診断を行い、
前記スイッチ素子駆動信号生成回路は、前記電磁負荷の電流値と相関性を有する電気信号のフィードバック補償のもとにスイッチ素子駆動信号を生成するものであり、
前記故障診断手段は、前記スイッチ素子駆動信号のオン・オフ回数をカウントし、カウントされたオン・オフ回数と所定の閾値とを比較することによりレアショート故障診断を行うことを特徴とする電磁負荷回路の故障診断装置。