JP6809489B2 - 昇圧型スイッチング電源回路 - Google Patents

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Description

本発明は、昇圧動作を行う昇圧型スイッチング電源回路に関する。
例えば特許文献1に開示されているように、車両に搭載される電子制御装置には、昇圧型スイッチング電源回路が設けられている。なお、以下、電子制御装置のことをECUとも称するとともに、昇圧型スイッチング電源回路のことを昇圧電源とも称する。近年、電子製品の機能安全への対応として、ECUに実装された昇圧電源を含む各ディスクリート部品を、製品として出荷された後の実動作時に部品外れや故障などが発生していないかどうかをセルフチェックする機能が求められている。
特開2010−229877号公報
昇圧電源が備えるMOSトランジスタなどのスイッチング素子が故障しているか否かを確認する場合、昇圧電源を実際に動作させる必要がある。しかし、ECUに設けられる昇圧電源は、例えばクランキングなどによりバッテリ電圧が一時的に低下したときに補助的に動作するような使用方法が多い。そのため、他の主たる電源回路が動作している場合、昇圧電源が動作しなくなることから、上記故障を確認することが困難であった。
そこで、昇圧電源の出力目標値を意図的に高めることにより、主たる電源回路の動作中においても昇圧電源を強制的に動作させるといった方法が考えられる。しかし、このような方法を採用するためには、フィードバック系の回路に大幅な変更および追加を加える必要があるため、回路規模の大幅な増加を招くという別の問題が生じる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、回路規模の大幅な増加を招くことなく、スイッチング素子の故障を検出することができる昇圧型スイッチング電源回路を提供することにある。
請求項1に記載の昇圧型スイッチング電源回路(8、22、32、42、52、62、72、82)は、インダクタ(L1)と、オンすることによりインダクタに流れる電流を増加させるスイッチング素子(Q4)と、を備え、入力端子(5)を介して供給される入力電圧を昇圧する昇圧動作を行う。このような昇圧型スイッチング電源回路は、昇圧制御回路(12)、故障検出制御回路(15、64、83)、電流検出部(19、33、43、63、73)および切替部(16)を備える。昇圧制御回路は、スイッチング素子の駆動を制御して昇圧動作を実行する。故障検出制御回路は、スイッチング素子の駆動を制御してスイッチング素子の故障を検出する。電流検出部は、スイッチング素子に流れる電流を検出する。切替部は、昇圧制御回路および故障検出制御回路のうちいずれか一方がスイッチング素子の駆動を制御可能となるように切り替えを行う。この場合、昇圧制御回路は、スイッチング素子の駆動を制御するための制御信号を出力する。また、この場合、故障検出制御回路は、スイッチング素子の駆動を制御するための制御信号を出力する。そして、切替部は、昇圧制御回路および故障検出制御回路から出力される各制御信号のうちいずれか一方を出力する切替動作を行うセレクタを備え、セレクタから出力される制御信号に基づいてスイッチング素子が駆動されることにより、昇圧制御回路および故障検出制御回路のうちいずれか一方がスイッチング素子の駆動を制御可能となるように切り替えを行う。
上記構成では、昇圧動作の実行に先立って、切替部は、故障検出制御回路によりスイッチング素子の駆動が制御されるように切り替えを行う。そして、故障検出制御回路は、スイッチング素子をオン駆動し、電流検出部による電流の検出結果に基づいてスイッチング素子のオープン故障を検出する。上記構成において、スイッチング素子がオープン故障している場合、そのスイッチング素子がオン駆動されたとしても、そのスイッチング素子に流れる電流は増加することがない。そのため、上記オープン故障の検出では、例えば電流検出部による電流の検出値が所定の閾値に達しない場合にスイッチング素子がオープン故障していると判断することができる。
このようにすれば、実際の昇圧動作を実行することなく、スイッチング素子のオープン故障を検出することが可能となる。そして、この場合、従来の昇圧型スイッチング電源回路の構成に対し、故障検出制御回路を追加することにより、上記オープン故障の検出が可能となっており、フィードバック系の回路に大幅な変更および追加を加える必要がない。したがって、上記構成によれば、回路規模の大幅な増加を招くことなく、スイッチング素子の故障を検出することができるという優れた効果が得られる。
請求項2に記載の昇圧型スイッチング電源回路は、さらに、入力端子からインダクタへと至る電源供給経路に直列に介在する通断電用スイッチを備える。その通断電用スイッチのオンとオフは、故障検出制御回路により制御される。この場合、昇圧動作の実行に先立って、故障検出制御回路は、通断電用スイッチをオンし、電流検出部による電流の検出結果に基づいてスイッチング素子のショート故障を検出する。
上記構成において、スイッチング素子がショート故障している場合、通断電用スイッチがオンされると、上記スイッチング素子がオン駆動されていないにもかかわらず、そのスイッチング素子に流れる電流が増加する。そのため、上記ショート故障の検出では、例えば電流検出部による電流の検出値が所定の閾値に達した場合にスイッチング素子がショート故障していると判断することができる。このようにすれば、実際の昇圧動作を実行することなく、スイッチング素子のオープン故障に加えてショート故障についても検出することができる。
第1実施形態に係る電源システムの構成を模式的に示す図 第1実施形態に係る故障検出処理の内容を模式的に示す図 第1実施形態に係る正常時における電源回路の動作を説明するためのものであり、各部の信号の波形を模式的に示す図 第1実施形態に係る検出閾値の具体的な設定例を説明するためのものであり、発生電流を模式的に示す図 第1実施形態に係るショート故障発生時における電源回路の動作を説明するためのものであり、各部の信号の波形を模式的に示す図 第1実施形態に係るオープン故障発生時における電源回路の動作を説明するためのものであり、各部の信号の波形を模式的に示す図 第2実施形態に係る電源システムの構成を模式的に示す図 第3実施形態に係る電源システムの構成を模式的に示す図 第4実施形態に係る電源システムの構成を模式的に示す図 第5実施形態に係る電源システムの構成を模式的に示す図 第6実施形態に係る電源システムの構成を模式的に示す図 第7実施形態に係る電源システムの構成を模式的に示す図 第8実施形態に係る電源システムの構成を模式的に示す図 第8実施形態に係るオープン故障発生時における電源回路の動作を説明するためのものであり、各部の信号の波形を模式的に示す図
以下、複数の実施形態について図面を参照して説明する。なお、各実施形態において実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
(第1実施形態)
以下、第1実施形態について図1〜図6を参照して説明する。
図1に示す電源システム1は、車両に搭載されるData Communication Module、つまりDCMと称される無線通信ECUに用いられる。
電源システム1には、車両に搭載された車両バッテリ2から入力端子3を介して電圧+Bが供給されるとともに、車両に搭載されたバックアップバッテリ4から入力端子5を介して電圧BUBが供給される。なお、バックアップバッテリ4は、例えばリチウムイオン電池などから構成されている。電源システム1は、電圧+Bまたは電圧BUBから上記無線通信ECUの各構成の電源電圧となる出力電圧Voutを生成し、出力端子6を介して出力する。なお、出力電圧Voutの目標値は、例えば+5Vとなっている。
電源システム1は、2つの電源回路7、8を備えている。電源回路7は、車両バッテリ2から供給される電圧+Bを降圧して出力する降圧型のDC/DCコンバータである。この場合、電源回路7は、電圧+Bが正常と考えられる範囲の電圧値である期間、つまり定常時に動作するものであり、電源システム1における主たる電源回路である。
一方、電源回路8は、バックアップバッテリ4から供給される電圧BUBを昇圧して出力する昇圧型スイッチング電源回路である。なお、詳細な構成は後述するが、本実施形態の電源回路8は、同期整流構成となっている。この場合、電源回路8は、例えばクランキングなどにより電圧+Bの電圧値が出力電圧Voutの目標値未満にまで低下した場合、車両バッテリ2が車両から外された場合などの異常時に動作するものであり、電源システム1における補助的な電源回路である。
電源回路7の入力端子Piは、逆流阻止用のダイオード9を逆方向に介して電源システム1の入力端子3に接続されている。電源回路7の出力端子Poは、電源線10に接続されている。なお、電源線10は、電源システム1の出力端子6に接続されている。電源回路7の出力電圧の目標値は、電源システム1の出力電圧Voutの目標値と同様の値(例えば+5V)となっている。
電源回路8は、入力端子5を介して供給される入力電圧である電圧BUBを昇圧する昇圧動作を行うものであり、トランジスタQ1〜Q4、インダクタL1、コンデンサC1、C2、抵抗R1および制御回路11などを備えている。トランジスタQ1、Q2は、いずれもPチャネル型のMOSトランジスタである。トランジスタQ1、Q2の各ドレイン・ソース間には、ドレイン側をアノードとしたボディダイオードD1、D2が接続されている。
トランジスタQ1、Q2は、互いのソースが共通接続されている。トランジスタQ1のドレインは、入力端子5に接続されている。トランジスタQ2のドレインは、コンデンサC1を介して回路の基準電位となるグランド電位(0V)が与えられるグランド線Lgに接続されている。また、トランジスタQ2のドレインは、インダクタL1を介してノードN1に接続されている。トランジスタQ1、Q2の各ゲートには、制御回路11から出力される駆動信号CUTが与えられている。これにより、トランジスタQ1、Q2の駆動は、制御回路11により制御される。
トランジスタQ3は、Pチャネル型のMOSトランジスタであり、そのドレイン・ソース間には、ドレイン側をアノードとしたボディダイオードD3が接続されている。トランジスタQ3のドレインはノードN1に接続され、そのソースは電源線10に接続されている。トランジスタQ3のゲートには、制御回路11から出力される駆動信号EXPが与えられている。これにより、トランジスタQ3の駆動は、制御回路11により制御される。電源線10およびグランド線Lgの間には、出力電圧Voutを平滑するためのコンデンサC2が接続されている。
トランジスタQ4は、Nチャネル型のMOSトランジスタであり、そのドレインはノードN1に接続されている。トランジスタQ4のソースは、電流検出用の抵抗R1を介してグランド線Lgに接続されている。トランジスタQ4のゲートには、制御回路11から出力される駆動信号EXNが与えられている。これにより、トランジスタQ4の駆動は、制御回路11により制御される。
トランジスタQ4および抵抗R1の相互接続点であるノードN2の電圧は、トランジスタQ4に流れる電流に対応した電圧信号である電流検出信号ISとして、制御回路11に入力されている。また、電源線10の電圧そのもの、または電源線10の電圧を分圧した電圧は、出力電圧Voutに対応した電圧信号である電圧検出信号FBとして、制御回路11に入力されている。制御回路11は、電圧検出信号FBに基づいて、出力電圧Voutを目標値に一致させるようにフィードバック制御を行う。
上記構成において、トランジスタQ1、Q2は、入力端子5からインダクタL1へと至る電源供給経路に直列に介在する通断電用スイッチに相当する。また、上記構成において、トランジスタQ4は、オンされることによりインダクタL1に流れる電流を増加させるスイッチング素子に相当する。さらに、上記構成において、抵抗R1は、スイッチング素子とグランドとの間に直列に介在するように設けられたシャント抵抗に相当する。
なお、この場合、トランジスタQ1、Q2は、入力端子5およびインダクタL1の間に、それぞれのボディダイオードD1、D2が互いに逆向きとなるように直列接続されている。このような構成によれば、トランジスタQ1、Q2がオフされると、ボディダイオードD1、D2を経由して電流が流れることも防止されるため、入力端子5からインダクタL1へと至る電源供給経路を完全に遮断することができる。
制御回路11は、例えばApplication Specific Integrated Circuit、つまりASICにより構成されている。制御回路11は、昇圧制御回路12、検出回路13、フィルタ回路14、故障検出制御回路15、セレクタ16およびプリドライバ17、18を備えている。図示は省略しているが、制御回路11には、電圧BUBまたは電圧BUBに基づいて生成される電圧が電源電圧として供給されている。制御回路11は、このような電源電圧の供給を受けて動作する構成となっている。
昇圧制御回路12は、トランジスタQ3、Q4の駆動を制御して昇圧動作を実行するものであり、例えばロジック回路により構成されている。昇圧制御回路12は、電圧検出信号FBに基づいてトランジスタQ3、Q4の駆動を制御するための制御信号Saを生成して出力する。
この場合、トランジスタQ3、Q4は、一方がオンされるときには他方がオフされる、つまり相補的にオンオフされる。なお、「相補的にオンオフされる」とは、双方のスイッチがオフする期間、いわゆるデッドタイムを設けるケースを除外するものではない。昇圧制御回路12から出力される制御信号Saは、セレクタ16の一方の入力端子に入力される。
検出回路13は、抵抗R1の端子電圧に基づいてトランジスタQ4に流れる電流を検出するもので、ヒステリシス付きのコンパレータCP1を備えている。コンパレータCP1の非反転入力端子には電流検出信号ISが入力され、その反転入力端子には基準電圧Vrefが入力される。基準電圧Vrefは、図示しない基準電圧生成回路により生成されるものであり、トランジスタQ4に流れる電流の検出閾値に対応した電圧である。なお、検出閾値は、後述するトランジスタQ4の故障検出などに用いられる。
上記構成によれば、コンパレータCP1の出力信号IS_Dは、電流検出信号ISが基準電圧Vrefを下回るとロウレベル(例えば0V)になり、電流検出信号ISが基準電圧Vrefを上回るとハイレベル(例えば+5V)になる。以下、ロウレベルをLレベルと称するとともに、ハイレベルをHレベルと称する。この場合、抵抗R1および検出回路13により、トランジスタQ4に流れる電流を検出する電流検出部19が構成される。
フィルタ回路14は、例えばローパスフィルタであり、コンパレータCP1の出力信号IS_Dを入力し、その入力した信号からノイズを除去した信号を出力する。フィルタ回路14の出力信号は、故障検出制御回路15に入力されている。故障検出制御回路15は、トランジスタQ3、Q4の駆動を制御してトランジスタQ4の故障を検出するものであり、例えばロジック回路により構成されている。詳細は後述するが、故障検出制御回路15は、電流検出部19による電流の検出結果を表すフィルタ回路14の出力信号に基づいてトランジスタQ4の故障を検出する。
故障検出制御回路15は、トランジスタQ1、Q2を駆動するための駆動信号CUTを生成し、その駆動信号CUTをトランジスタQ1、Q2のゲートへ出力する。つまり、この場合、トランジスタQ1、Q2のオンとオフは、故障検出制御回路15により制御される。故障検出制御回路15は、トランジスタQ3、Q4の駆動を制御するための制御信号Sbを生成して出力する。故障検出制御回路15から出力される制御信号Sbは、セレクタ16の他方の入力端子に入力される。
また、故障検出制御回路15は、セレクタ16による切替動作を制御するための切替信号Scを生成し、その切替信号Scをセレクタ16へ出力する。この場合、故障検出制御回路15は、外部の制御装置20との間で通信を行うことができる。なお、制御装置20は、Micro Processor Unit、つまりMPUを主体として構成されている。詳細は後述するが、故障検出制御回路15は、トランジスタQ4の故障を検出する際、制御装置20と通信を行うようになっている。
セレクタ16は、切替信号Scに基づいて、入力される制御信号SaおよびSbのうちいずれか一方を出力する切替動作を行う。セレクタ16の出力信号は、プリドライバ17、18に与えられる。この場合、セレクタ16は、昇圧制御回路12および故障検出制御回路15のうちいずれか一方がトランジスタQ3、Q4の駆動を制御可能となるように切り替えを行う切替部に相当する。
プリドライバ17は、セレクタ16の出力信号に基づいてトランジスタQ3を駆動するための駆動信号EXPを生成し、その駆動信号EXPをトランジスタQ3のゲートへ出力する。プリドライバ18は、セレクタ16の出力信号に基づいてトランジスタQ4を駆動するための駆動信号EXNを生成し、その駆動信号EXNをトランジスタQ4のゲートへ出力する。
次に、上記構成の作用について参照して説明する。
[1]故障検出処理について
電源回路8では、昇圧制御回路12による昇圧動作の実行に先立って、トランジスタQ4の故障を検出するための処理である故障検出処理が行われる。具体的には、電源回路8では、例えば起動時に故障検出処理が実行される。なお、起動時とは、電源投入時、つまり電源回路8に対して電圧BUBの供給が開始されたときのことである。
故障検出処理は、故障検出制御回路15を主体として実行されるものであり、その具体的な内容は、例えば図2に示すような内容となっている。なお、この場合、故障検出処理が開始される時点よりも前の任意の時点において、セレクタ16から制御信号Sbが出力されるように、つまり故障検出制御回路15によりトランジスタQ3、Q4の駆動が制御されるように、セレクタ16の動作が制御されるようになっている。
図2に示すように、故障検出処理が開始されると、まずステップS101が実行される。ステップS101では、トランジスタQ1、Q2がオン駆動される。なお、この時点では、トランジスタQ3、Q4は、オフ駆動されている。続くステップS102では、フィルタ回路14の出力信号に基づいて、トランジスタQ4に流れる電流が検出閾値に達したか否かが判断される。
ここで、トランジスタQ4に流れる電流が検出閾値に達した場合、ステップS102で「YES」となり、ステップS103に進む。この場合、トランジスタQ4がオフ駆動されているにもかかわらず、トランジスタQ4に電流が流れていると考えられる。したがって、ステップS103では、トランジスタQ4にショート故障が生じていることが検出され、今回の故障検出処理による検出結果として「ショート故障」が記憶される。ステップS103の実行後は、故障検出処理が終了となる。
この場合、故障検出処理においてトランジスタQ4がショート故障していることが検出されたため、故障検出処理の終了後、昇圧制御回路12による昇圧動作の実行が禁止されるとともに、故障検出時の処理が実行される。なお、故障検出時の処理としては、例えば制御装置20に対してトランジスタQ4が故障している旨を報知するといった処理などを挙げることができる。
一方、トランジスタQ4に流れる電流が検出閾値に達しない場合、ステップS102で「NO」となり、ステップS104に進む。ステップS104では、トランジスタQ4がオン駆動される。続くステップS105では、フィルタ回路14の出力信号に基づいて、トランジスタQ4に流れる電流が検出閾値に達したか否かが判断される。
ここで、トランジスタQ4に流れる電流が検出閾値に達しない場合、ステップS105で「NO」となり、ステップS106に進む。この場合、トランジスタQ4がオン駆動されているにもかかわらず、トランジスタQ4に電流が流れていないと考えられる。したがって、ステップS106では、トランジスタQ4にオープン故障が生じていることが検出され、今回の故障検出処理による検出結果として「オープン故障」が記憶される。
ステップS106の実行後は、故障検出処理が終了となる。この場合、故障検出処理においてトランジスタQ4がオープン故障していることが検出されたため、故障検出処理の終了後、昇圧制御回路12による昇圧動作の実行が禁止されるとともに、故障検出時の処理が実行される。
一方、トランジスタQ4に流れる電流が検出閾値に達した場合、ステップS105で「YES」となり、ステップS107に進む。この場合、トランジスタQ4には、ショート故障およびオープン故障のいずれも生じていないと考えられる。したがって、ステップS107では、トランジスタQ4が正常であることが検出され、今回の故障検出処理による検出結果として「正常」が記憶される。
また、ステップS107では、トランジスタQ4がオフ駆動される。ステップS107の実行後は、故障検出処理が終了となる。この場合、故障検出処理においてトランジスタQ4が正常であることが検出されたため、故障検出処理の終了後、昇圧制御回路12による昇圧動作の実行が許可される。
このように、上記構成の電源回路8では、昇圧制御回路12による昇圧動作の実行に先立って、故障検出制御回路15は、故障検出制御回路15によりトランジスタQ3、Q4の駆動が制御されるようにセレクタ16の動作を制御する。そして、故障検出制御回路15は、トランジスタQ4をオン駆動し、電流検出部19による電流の検出結果に基づいてトランジスタQ4のオープン故障を検出する。
また、上記構成の電源回路8では、昇圧制御回路12による昇圧動作の実行に先立って、故障検出制御回路15は、トランジスタQ1、Q2をオンし、電流検出部19による電流の検出結果に基づいてトランジスタQ4のショート故障を検出する。ただし、この場合、故障検出制御回路15は、トランジスタQ4のオープン故障の検出に先立って、トランジスタQ4のショート故障の検出を行う。
[2]正常時の動作
トランジスタQ4に故障が生じていない正常時における電源回路8の動作について図3を参照して説明する。なお、図3などにおいて、電流検出信号ISは、紙面の都合上、比較的緩やかに上昇するような波形として示しているが、実際はさらに急峻に上昇するような信号波形となっている。
図3に示すように、電圧BUBが定常値まで上昇すると、制御回路11が正常に動作を開始する。このとき、駆動信号CUTおよびEXPは電圧BUBと同程度の電圧値であるOFFレベルとなっており、これにより、トランジスタQ1〜Q3はオフ駆動されている。また、駆動信号EXNはグランド電位(0V)と同程度の電圧値であるOFFレベルとなっており、これにより、トランジスタQ4はオフ駆動されている。
このような状態となっている期間中の任意の時刻t1において、故障検出制御回路15によりトランジスタQ3、Q4の駆動が制御されるようにセレクタ16の切替動作が行われる。その後、時刻t2において、故障検出制御回路15は、駆動信号CUTをグランド電位(0V)と同程度の電圧値であるONレベルに転じさせることにより、トランジスタQ1、Q2をオン駆動する。
この場合、トランジスタQ4は正常であるとともにオフ駆動されているため、トランジスタQ4に電流は流れない。そのため、電流検出信号ISがグランド電位(0V)から上昇することがなく、これにより出力信号IS_DはLレベルのままとなる。したがって、この場合、トランジスタQ4にショート故障が生じていないと判断することができる。
その後、時刻t3において、故障検出制御回路15は、駆動信号EXNを電源電圧(例えば電圧BUB)と同程度の電圧値であるONレベルに転じさせることにより、トランジスタQ4をオン駆動する。この場合、トランジスタQ4は正常であるとともにオン駆動されているため、トランジスタQ4に電流が流れ、これに伴い、電流検出信号ISが上昇する。
そして、電流検出信号ISが基準電圧Vrefに達した時点、つまりトランジスタQ4に流れる電流が検出閾値に達した時点である時刻t4において、出力信号IS_DがHレベルに転じる。したがって、この場合、トランジスタQ4にオープン故障が生じていないと判断することができる。
故障検出制御回路15は、フィルタ回路14の出力信号に基づいて出力信号IS_DがHレベルに転じたことを検出すると、駆動信号EXNをOFFレベルに転じさせることにより、トランジスタQ4をオフ駆動する。なお、ここで、トランジスタQ4を直ちにオフ駆動しないと、トランジスタQ4に過大な電流が流れるおそれがある。そのため、故障検出制御回路15は、上記検出の後、直ちにトランジスタQ4をオフ駆動するように制御を行うようになっている。
しかし、上記検出から実際にトランジスタQ4がオフされるまでには、回路動作などに起因する遅延時間が存在する。この場合、故障検出制御回路15は、ロジック回路として構成されており、クロック信号に同期した動作となる。したがって、上記遅延時間には、故障検出制御回路15におけるクロック同期に伴う遅延も含まれることになる。このような遅延時間を無視して検出閾値を設定すると、上記検出から実際にトランジスタQ4がオフされるまでの間に過大な電流が流れてしまい、トランジスタQ4が故障するおそれがある。
そこで、本実施形態では、このような遅延時間を考慮し、トランジスタQ4に流れる電流がトランジスタQ4の定格電流未満に抑えられるように、検出閾値を設定している。以下、検出閾値の具体的な設定例に関して図4を参照して説明する。この場合、上記遅延時間は、1.5μsとなっており、トランジスタQ4の定格電流は、6Aとなっている。
また、この場合、バックアップバッテリ4がリチウムイオン電池などの二次電池であり、電圧BUBの定常値は、+3.6Vとなっている。また、インダクタL1のインダクタンス値は、2.2μHとなっている。さらに、電源回路8を構成する各素子の抵抗に関する仕様は、次のようになっている。
トランジスタQ1のオン抵抗:25mΩ
トランジスタQ2のオン抵抗:25mΩ
インダクタL1の等価直列抵抗:34mΩ
トランジスタQ4のオン抵抗:19mΩ
抵抗R1の抵抗値:33mΩ
回路基板などの寄生抵抗:50mΩ
したがって、入力端子5からグランド線Lgへと至る経路の抵抗値は、186mΩとなっている。
上記構成の電源回路8では、トランジスタQ4がオンされた直後、電圧BUBの電圧値、入力端子5からグランド線Lgへと至る経路の抵抗値、インダクタL1のインダクタンス値などにより定まる電流がトランジスタQ4に流れる。なお、以下、トランジスタQ4に流れる電流のことを発生電流とも呼ぶ。図4に示すように、トランジスタQ4がオンされた時点からの経過時間に比例して発生電流は増加するようになっている。
本実施形態では、検出閾値は1.26Aに設定されている。なお、検出閾値を1.26Aに設定するためには、基準電圧Vrefを42mVとすればよい。この場合、図4に示すように、トランジスタQ4がオンされた時点から約0.8μs後に発生電流が1.26Aに達する。これにより、電流検出信号ISが基準電圧Vrefに達してコンパレータCP1の出力信号IS_Dが反転する。
その後、遅延時間(1.5μs)が経過した後、つまりトランジスタQ4がオンされた時点から約2.3μs後、トランジスタQ4がオフされる。このとき、発生電流は3.49Aとなっており、トランジスタQ4の定格電流である6Aより十分低い電流に抑えられている。したがって、上記構成によれば、故障検出処理において、トランジスタQ4に、その定格電流を超える電流が流れることがない。
[3]ショート故障発生時の動作
トランジスタQ4にショート故障が生じているショート故障発生時における電源回路8の動作について図5を参照して説明する。なお、この場合、トランジスタQ1、Q2がオン駆動される時点、つまり時刻t2までの動作は、正常時の動作と同様である。ただし、この場合、トランジスタQ4はショート故障している。そのため、トランジスタQ1、Q2がオン駆動されると、直ちにトランジスタQ4に電流が流れ、これに伴い、電流検出信号ISが上昇する。
そして、電流検出信号ISが基準電圧Vrefに達した時点、つまりトランジスタQ4に流れる電流が検出閾値に達した時点である時刻t3において、出力信号IS_DがHレベルに転じる。したがって、この場合、トランジスタQ4にショート故障が生じていると判断することができる。
故障検出制御回路15は、フィルタ回路14の出力信号に基づいて出力信号IS_DがHレベルに転じたことを検出すると、駆動信号CUTをOFFレベルに転じさせることにより、トランジスタQ1、Q2をオフ駆動する。このようにすることで、ショート故障したトランジスタQ4に過大な電流が流れることが防止される。
[4]オープン故障発生時の動作
トランジスタQ4にオープン故障が生じているオープン故障発生時における電源回路8の動作について図6を参照して説明する。なお、この場合、トランジスタQ4がオン駆動される時点、つまり時刻t3までの動作は、正常時の動作と同様である。ただし、この場合、トランジスタQ4はオープン故障しているため、トランジスタQ4がオン駆動されても、トランジスタQ4に電流は流れない。
そのため、電流検出信号ISがグランド電位(0V)から上昇することがなく、これにより出力信号IS_DはLレベルのままとなる。したがって、この場合、トランジスタQ4にオープン故障が生じていると判断することができる。このようにしてオープン故障の検出が終わった後は、トランジスタQ4をオフ駆動する必要がある。なぜなら、トランジスタQ4をオン駆動し続けていると、トランジスタQ4が急に正常に復帰した場合などに、過大な電流が流れるおそれがあるからである。
本実施形態では、故障検出制御回路15は、外部の制御装置20からトランジスタQ4をオフ駆動する旨の指示が与えられるまでトランジスタQ4のオン駆動を継続し、上記指示が与えられるとトランジスタQ4をオフ駆動するようになっている。これにより、オープン故障の検出が終了してから一定時間が経過した後、トランジスタQ4がオフ駆動される。
以上説明した本実施形態によれば、次のような効果が得られる。
電源回路8では、昇圧制御回路12による昇圧動作の実行に先立って、故障検出制御回路15によりトランジスタQ3、Q4の駆動が制御されるようにセレクタ16の切替動作が行われる。そして、故障検出制御回路15は、トランジスタQ4をオン駆動し、電流検出部19による電流の検出結果に基づいてトランジスタQ4のオープン故障を検出する。電源回路8において、トランジスタQ4がオープン故障している場合、トランジスタQ4がオン駆動されたとしても、トランジスタQ4に流れる電流は増加することがない。そのため、上記オープン故障の検出では、トランジスタQ4に流れる電流が所定の検出閾値に達しない場合にトランジスタQ4がオープン故障していると判断することができる。
このようにすれば、実際の昇圧動作を実行することなく、トランジスタQ4のオープン故障を検出することが可能となる。そして、この場合、従来の昇圧型スイッチング電源回路の構成に対し、ロジック回路として構成される故障検出制御回路15などを追加することにより、上記オープン故障の検出が可能となっており、フィードバック系の回路に大幅な変更および追加を加える必要がない。したがって、本実施形態によれば、回路規模の大幅な増加を招くことなく、トランジスタQ4の故障を検出することができるという優れた効果が得られる。
電源回路8は、入力端子5からインダクタL1へと至る電源供給経路に直列に介在するトランジスタQ1、Q2を備え、それらトランジスタQ1、Q2のオンとオフは、故障検出制御回路15により制御される。この場合、昇圧動作の実行に先立って、故障検出制御回路15は、トランジスタQ1、Q2をオン駆動し、電流検出部19による電流の検出結果に基づいてトランジスタQ4のショート故障を検出する。
電源回路8において、トランジスタQ4がショート故障している場合、トランジスタQ1、Q2がオン駆動されると、トランジスタQ4がオン駆動されていないにもかかわらず、トランジスタQ4に流れる電流が増加する。そのため、上記ショート故障の検出では、トランジスタQ4に流れる電流が所定の検出閾値に達した場合にトランジスタQ4がショート故障していると判断することができる。このようにすれば、実際の昇圧動作を実行することなく、トランジスタQ4のオープン故障に加えてショート故障についても検出することができる。
トランジスタQ4は、電圧BUBが与えられる入力端子5とグランド線Lgとの間に直列に介在している。そのため、トランジスタQ4がショート故障した場合、過大な短絡電流が流れるおそれがある。一方、トランジスタQ4がオープン故障した場合、昇圧動作を実行することができなくなるものの、過大な短絡電流が流れるおそれはない。そこで、本実施形態では、故障検出制御回路15は、トランジスタQ4のオープン故障の検出に先立って、トランジスタQ4のショート故障の検出を行うようになっている。このようにすれば、故障が生じた場合において一層問題となる可能性があるショート故障の検出を優先的に実行することが可能となり、安全性を向上させることができる。
なお、本実施形態の構成によれば、次のように、トランジスタQ3のショート故障を検出することも可能である。すなわち、故障検出制御回路15は、昇圧制御回路12による昇圧動作の実行に先立って、トランジスタQ1、Q2をオン駆動するとともに、トランジスタQ3、Q4をオフ駆動する。このような状態において、制御装置20は、通信を介して電流検出信号FBをモニタする。
この場合、トランジスタQ3が正常であれば、電流検出信号FBはロウレベル(0V)に固定されている。しかし、トランジスタQ3がショート故障している場合、電流検出信号FBは電圧BUBの電圧値に近いレベルとなる。制御装置20は、このような点を考慮し、上述したようにモニタした電流検出信号FBのレベルに基づいてトランジスタQ3のショート故障を検出することができる。なお、トランジスタQ3のショート故障の検出は、必ずしも制御装置20側で行わなくともよく、制御回路11側で行ってもよい。
(第2実施形態)
以下、第2実施形態について図7を参照して説明する。
図7に示すように、本実施形態の電源システム21が備える電源回路22は、第1実施形態の電源回路8と同様の昇圧型スイッチング電源回路である。ただし、電源回路22は、電源回路8に対し、トランジスタQ3に代えてダイオードD21を備えたダイオード整流の構成となっている点が異なる。
この場合、ダイオードD21のアノードはノードN1に接続され、そのカソードは電源線10に接続されている。このようなダイオード整流の構成である電源回路22であっても、第1実施形態と同様の故障検出を行うことが可能である。したがって、本実施形態によっても、第1実施形態と同様の効果が得られる。
(第3実施形態)
以下、第3実施形態について図8を参照して説明する。
図8に示すように、本実施形態の電源システム31が備える電源回路32は、第1実施形態の電源回路8と同様の昇圧型スイッチング電源回路である。ただし、電源回路32は、電源回路8に対し、電流検出部19に代えて電流検出部33を備えている点が異なる。電流検出部33は、電流検出部19と同様の構成、つまり抵抗R1および検出回路13を備えている。ただし、この場合、検出回路13のコンパレータCP1は、抵抗R1の低電位側の電位であるグランドを基準電位として動作するようになっている。
以上説明した本実施形態によっても、第1実施形態と同様の故障検出を行うことが可能であるため、第1実施形態と同様の効果が得られる。さらに、本実施形態では、電流検出部33におけるグランドが共通化されている。つまり、抵抗R1側のグランドと検出回路13側のグランドとが共通化されているため、グランドの電位差による電流検出の誤差が生じることがない。したがって、本実施形態によれば、電流検出の精度を向上させることが可能となり、その結果、故障検出の精度を高めることができる。
(第4実施形態)
以下、第4実施形態について図9を参照して説明する。
図9に示すように、本実施形態の電源システム41が備える電源回路42は、第3実施形態の電源回路32と同様の昇圧型スイッチング電源回路である。ただし、電源回路42は、電源回路32に対し、電流検出部33に代えて電流検出部43を備えている点が異なる。
電流検出部43は、電流検出部33と同様の構成に加え、増幅回路44を備えている。増幅回路44は、差動増幅器であり、その非反転入力端子には、電流検出信号ISが入力されている。増幅回路44の反転入力端子には、グランド線Lgの電位に対応した信号が入力されている。このような構成により、増幅回路44は、抵抗R1の端子電圧を増幅して出力する。この場合、コンパレータCP1の非反転入力端子には、増幅回路44の出力信号が入力されている。
以上説明した本実施形態によっても、第1実施形態と同様の故障検出を行うことが可能であるため、第1実施形態と同様の効果が得られる。さらに、本実施形態では、抵抗R1の端子電圧を増幅する増幅回路44を設け、その増幅回路44の出力信号を用いてトランジスタQ4に流れる電流が検出閾値に達したか否かを判断する構成となっている。このようにすれば、抵抗R1の抵抗値を一層小さくすることが可能となり、電源回路42における損失低減、効率向上などの効果が得られる。
(第5実施形態)
以下、第5実施形態について図10を参照して説明する。
図8に示すように、本実施形態の電源システム51が備える電源回路52は、第1実施形態の電源回路8に対し、制御回路11に代えて制御回路53を備えている点が異なる。制御回路53は、制御回路11と同様の構成に加え、トランジスタQ3、Q4および抵抗R1を備えている。
すなわち、電源回路52では、トランジスタQ3、Q4および抵抗R1は、ASICとして構成された制御回路53に内蔵されている。このようにトランジスタQ3、Q4などが制御回路53に内蔵された構成の電源回路52であっても、第1実施形態と同様の故障検出を行うことが可能である。したがって、本実施形態によっても、第1実施形態と同様の効果が得られる。
(第6実施形態)
以下、第6実施形態について図11を参照して説明する。
一般に、昇圧型スイッチング電源回路は、オンすることによりインダクタに流れる電流を増加させるスイッチング素子に過電流判定閾値を超える過大な電流が流れたことを検出するための過電流検出回路を備えている。このような過電流検出回路の構成の少なくとも一部を共用化することにより、トランジスタQ4に流れる電流を検出する電流検出部を構成することが可能である。
本実施形態では、上述した過電流検出回路が備えるコンパレータを共用化することにより、トランジスタQ4に流れる電流を検出する電流検出部を構成するようになっている。具体的には、図11に示すように、本実施形態の電源システム61が備える電源回路62は、第1実施形態の電源回路8に対し、電流検出部19に代えて電流検出部63を備えている点、故障検出制御回路15に代えて故障検出制御回路64を備えている点などが異なる。
電流検出部63の検出回路65は、検出回路13が備えるコンパレータCP1と同様のヒステリシス付きのコンパレータCP61、スイッチSW61、SW62などを備えている。コンパレータCP61の非反転入力端子には、電流検出信号ISが入力される。コンパレータCP61の反転入力端子には、スイッチSW61を介して基準電圧Vref1が入力されるとともに、スイッチSW62を介して基準電圧Vref2が入力される。
基準電圧Vref1は、第1実施形態などにおける基準電圧Vrefと同様の検出閾値に対応した電圧である。一方、基準電圧Vref2は、過電流判定閾値に対応した電圧であり、基準電圧Vref1よりも高い電圧となっている。過電流判定閾値は、トランジスタQ4に過大な電流が流れたことを検出する際、つまり過電流検出の際に用いられる。
スイッチSW61、SW62のオンとオフは、故障検出制御回路64により制御される。故障検出制御回路64は、故障検出制御回路15と同様、トランジスタQ4の故障を検出する機能を有するとともに、トランジスタQ4に過電流判定閾値を超える過大な電流が流れたことを検出する過電流検出回路としての機能も有する。なお、故障検出制御回路64は、単独で過電流検出回路としての機能を実現する構成および外部の制御装置20と協働して過電流検出回路としての機能を実現する構成のいずれでもよい。
故障検出制御回路64は、電源回路62の起動時などにはスイッチSW61をオンするとともにスイッチSW62をオフする。これにより、起動時などにおいて、第1実施形態などと同様の故障検出処理を実行することが可能となる。また、故障検出制御回路64は、通常時にはスイッチSW61をオフするとともにスイッチSW62をオンする。これにより、通常時において、上述した過電流検出を実現することが可能となる。
以上説明した本実施形態によっても、第1実施形態と同様の故障検出を行うことが可能であるため、第1実施形態と同様の効果が得られる。さらに、本実施形態では、トランジスタQ4に過電流が流れたことを検出するための過電流検出回路の構成の一部、具体的にはコンパレータCP61を共用化することにより、故障検出に用いるための電流検出部63を構成するようになっている。このようにすれば、共用化された構成の分だけ回路素子を削減することが可能となり、その結果、電源回路62の回路規模を小さく抑えることができるという効果が得られる。
(第7実施形態)
以下、第7実施形態について図12を参照して説明する。
図12に示すように、本実施形態の電源システム71が備える電源回路72は、第1実施形態の電源回路8に対し、電流検出部19に代えて電流検出部73を備えている点などが異なる。電流検出部73は、電流検出部19と同様、トランジスタQ4に流れる電流を検出するものであるが、次の点において電流検出部19とは異なる。
すなわち、電流検出部19は、トランジスタQ4のロウサイド側にシャント抵抗である抵抗R1が設けられたロウサイド電流検出の構成であった。これに対し、電流検出部73は、トランジスタQ4のハイサイド側にシャント抵抗である抵抗R71が設けられたハイサイド電流検出の構成となっている。
具体的には、抵抗R71の一方の端子はトランジスタQ2のドレインに接続され、その他方の端子はインダクタL1を介してノードN1に接続されている。抵抗R71の各端子電圧は、それぞれトランジスタQ4に流れる電流に対応した電圧信号である電流検出信号ISP、ISNとして、検出回路74に入力されている。
検出回路74は、抵抗R71の端子電圧に基づいてトランジスタQ4に流れる電流を検出するもので、ヒステリシス付きのコンパレータCP71を備えている。コンパレータCP71の非反転入力端子には電流検出信号ISPが入力され、その反転入力端子には電流検出信号ISNが入力されている。
上記したようなハイサイド電流検出の構成である電流検出部73を備えた電源回路72であっても、ロウサイド電流検出の構成である電流検出部19を備えた第1実施形態の電源回路8と同様の故障検出を行うことが可能である。したがって、本実施形態によっても、第1実施形態と同様の効果が得られる。
(第8実施形態)
以下、第8実施形態について図13および図14を参照して説明する。
図13に示すように、本実施形態の電源システム81が備える電源回路82は、第1実施形態の電源回路8に対し、故障検出制御回路15に代えて故障検出制御回路83を備えている点などが異なる。故障検出制御回路83は、故障検出制御回路15と同様、トランジスタQ4の故障を検出する機能を有する。ただし、故障検出制御回路83は、タイムアウト機能を有しており、外部の制御装置20との間で通信を行うことなく、トランジスタQ4の故障検出を行う。本実施形態の構成では、オープン故障発生時の動作は、図14に示すようなものとなる。
なお、この場合、トランジスタQ4がオン駆動される時点、つまり時刻t3までの動作は、図6に示した第1実施形態の構成による動作と同様である。ただし、この場合、故障検出制御回路83は、トランジスタQ4にオープン故障が生じていると判断した後、出力信号IS_Dが反転することなく一定時間Taが経過した時刻t4にてトランジスタQ4をオフ駆動するようになっている。
以上説明したように、外部の制御装置20との間で通信を行うことなくトランジスタQ4の故障検出を行う構成の電源回路82であっても、第1実施形態と同様のショート故障の検出およびオープン故障の検出を行うことが可能である。したがって、本実施形態によっても、第1実施形態と同様の効果が得られる。
(その他の実施形態)
なお、本発明は上記し且つ図面に記載した各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で任意に変形、組み合わせ、あるいは拡張することができる。
上記各実施形態で示した数値などは例示であり、それに限定されるものではない。
本発明は、車両に搭載される無線通信ECUに適用される電源回路8、22、32、42、52、62、72、82に限らず、昇圧型スイッチング電源回路全般に適用することができる。
本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。
5…入力端子、8、22、32、42、52、62、72、82…電源回路、12…昇圧制御回路、13、65、74…検出回路、15、64、83…故障検出制御回路、16…セレクタ、19、33、43、63、73…電流検出部、44…増幅回路、L1…インダクタ、R1、R71…抵抗、Q1、Q2、Q4…トランジスタ。

Claims (6)

  1. インダクタ(L1)と、オンすることにより前記インダクタに流れる電流を増加させるスイッチング素子(Q4)と、を備え、入力端子(5)を介して供給される入力電圧を昇圧する昇圧動作を行う昇圧型スイッチング電源回路(8、22、32、42、52、62、72、82)であって、
    前記スイッチング素子の駆動を制御して前記昇圧動作を実行する昇圧制御回路(12)と、
    前記スイッチング素子の駆動を制御して前記スイッチング素子の故障を検出する故障検出制御回路(15、64、83)と、
    前記スイッチング素子に流れる電流を検出する電流検出部(19、33、43、63、73)と、
    前記昇圧制御回路および前記故障検出制御回路のうちいずれか一方が前記スイッチング素子の駆動を制御可能となるように切り替えを行う切替部(16)と、
    を備え、
    前記昇圧動作の実行に先立って、
    前記切替部は、前記故障検出制御回路により前記スイッチング素子の駆動が制御されるように切り替えを行い、
    前記故障検出制御回路は、前記スイッチング素子をオン駆動し、前記電流検出部による電流の検出結果に基づいて前記スイッチング素子のオープン故障を検出し、
    前記昇圧制御回路は、前記スイッチング素子の駆動を制御するための制御信号を出力し、
    前記故障検出制御回路は、前記スイッチング素子の駆動を制御するための制御信号を出力し、
    前記切替部は、前記昇圧制御回路および前記故障検出制御回路から出力される各制御信号のうちいずれか一方を出力する切替動作を行うセレクタを備え、前記セレクタから出力される制御信号に基づいて前記スイッチング素子が駆動されることにより、前記昇圧制御回路および前記故障検出制御回路のうちいずれか一方が前記スイッチング素子の駆動を制御可能となるように切り替えを行う昇圧型スイッチング電源回路。
  2. さらに、前記入力端子から前記インダクタへと至る電源供給経路に直列に介在する通断電用スイッチを備え、
    前記通断電用スイッチ(Q1、Q2)のオンとオフは、前記故障検出制御回路により制御され、
    前記昇圧動作の実行に先立って、
    前記故障検出制御回路は、前記通断電用スイッチをオンし、前記電流検出部による電流の検出結果に基づいて前記スイッチング素子のショート故障を検出する請求項1に記載の昇圧型スイッチング電源回路。
  3. 前記故障検出制御回路は、前記スイッチング素子のオープン故障の検出に先立って、前記スイッチング素子のショート故障の検出を行う請求項2に記載の昇圧型スイッチング電源回路。
  4. 前記電流検出部(33、43、63)は、前記スイッチング素子とグランドとの間に直列に介在するように設けられたシャント抵抗(R1)と、前記シャント抵抗の端子電圧に基づいて前記スイッチング素子に流れる電流を検出する検出回路(13、65)と、を備え、
    前記検出回路は、前記グランドを基準電位として動作するようになっている請求項1から3のいずれか一項に記載の昇圧型スイッチング電源回路。
  5. 前記電流検出部(43、63、73)は、
    前記スイッチング素子に流れる電流が流れる経路に直列に介在するように設けられたシャント抵抗(R1、R71)と、
    前記シャント抵抗の端子電圧を増幅する増幅回路(44)と、
    前記増幅回路の出力電圧に基づいて前記スイッチング素子に流れる電流を検出する検出回路(13、65、74)と、
    を備える請求項1から3のいずれか一項に記載の昇圧型スイッチング電源回路。
  6. さらに、前記スイッチング素子に過電流判定閾値を超える過大な電流が流れたことを検出する過電流検出回路(64)を備え、
    前記電流検出部(63)は、前記過電流検出回路の構成の少なくとも一部を共用化することにより構成されている請求項1から5のいずれか一項に記載の昇圧型スイッチング電源回路。
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