車載用降壓開關(guān)電源、車載用電子控制裝置、以及怠速停止系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明即使在輸入電壓降低時(shí)，也既抑制有害頻帶的噪聲，又得到穩(wěn)定的輸出。本發(fā)明的車載用降壓開關(guān)電源，具備開關(guān)頻率控制單元，所述開關(guān)頻率控制單元具備：開關(guān)頻率范圍設(shè)定部，其使開關(guān)頻率在fa至fb之間進(jìn)行變化；和開關(guān)頻率路徑設(shè)定部，其途經(jīng)所述fa與所述fb的中間的頻率fc，且跳過位于所述fa與所述fb之間的fd至fe的頻帶。
【專利說明】車載用降壓開關(guān)電源、車載用電子控制裝置、以及怠速停止系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種車載用降壓開關(guān)電源、搭載車載用降壓開關(guān)電源的車載用電子控制裝置、以及搭載車載用電子控制裝置的怠速停止系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]在普通的車載用降壓開關(guān)電源中，對向主開關(guān)的柵極輸入的PWM信號(hào)的占空比(D:開關(guān)周期⑴與接通期間CU的比(D = Ton/T))進(jìn)行控制來調(diào)整降壓比。D由輸入電壓(Vin)與輸出電壓(Vwt)的比Vwt/Vin決定，因此若Vin降低并接近于V-，則D接近于100%。然而，由于開關(guān)元件的最小接通/斷開過渡時(shí)間的制約、因自舉電路(bootstrap circuit)而引起的確保主開關(guān)的柵極驅(qū)動(dòng)電壓的制約，因而無法將主開關(guān)元件的接通/斷開期間設(shè)置為零，因此D存在例如5?95%等的占空比容許幅度。若D超過容許幅度，則開關(guān)電源變得無法執(zhí)行正常的動(dòng)作。作為解決該問題的方法提出了例如專利文獻(xiàn)I中記載的方法。專利文獻(xiàn)I所記載的方法，通過根據(jù)在用于生成MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)電壓的自舉電路中產(chǎn)生的電壓而使MOSFET的開關(guān)頻率(F-sw)改變，從而能夠穩(wěn)定地使開關(guān)元件驅(qū)動(dòng)。
[0003]在先技術(shù)文獻(xiàn)
[0004]專利文獻(xiàn)
[0005]專利文獻(xiàn)1:日本特開平10-56776號(hào)公報(bào)


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]發(fā)明要解決的技術(shù)課題
[0007]車載用電子設(shè)備中，為了防止因設(shè)備自身產(chǎn)生的電磁噪聲而引起的其他電子設(shè)備的誤動(dòng)作、或因電磁噪聲入射至無線電接收天線而產(chǎn)生的聽覺雜音，因而設(shè)置電磁噪聲的限制。根據(jù)該限制，在通信或無線電中使用的頻帶(FB-com)中，與其他頻帶(FB-rest)相t匕，設(shè)置了更嚴(yán)格的限制值。
[0008]在如專利文獻(xiàn)I那樣與自舉電壓(bootstrap voltage)成比例地對F_sw進(jìn)行控制的情況下，F(xiàn)-sw能取穩(wěn)態(tài)驅(qū)動(dòng)時(shí)的開關(guān)頻率(F-swl)以下的所有頻率。即，在對存在于比某個(gè)通信頻帶FB-coml高的頻帶的FB-rest設(shè)定了 F_swl的情況下，隨著自舉電壓的降低，F(xiàn)-sw能取FB-coml的頻率。因此，有可能無法實(shí)現(xiàn)電磁噪聲的限制。
[0009]另外，由于在降壓電源的輸出上連接微機(jī)等的由低電壓進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的負(fù)載，因此要求穩(wěn)定的輸出電壓。作為降壓電源的輸出電壓變動(dòng)的主要原因，能列舉主線圈的電流波動(dòng)而引起的電壓波動(dòng)(AVwt)。由于Λ Vtjut是以F-sw以及Vin為變量而決定的值，因此如果不考慮Vin來控制F-sw，則會(huì)成為過大的AVwt，輸出變得不穩(wěn)定。如專利文獻(xiàn)I所示那樣，根據(jù)對自舉電壓進(jìn)行監(jiān)視來控制F-sw的方法，難以始終得到穩(wěn)定的輸出。作為用于降低AVwt來得到穩(wěn)定的輸出的對策，可以考慮增加主線圈的電感的方法、減小輸出電容器的ESR(等效串聯(lián)電阻)的方法等，但任一種方法都會(huì)伴隨安裝面積的增加、成本增加。
[0010]本發(fā)明的目的在于，為了解決這樣的課題，而提供一種車載用降壓電源，即使在從電池等車載電源供給的輸入電壓Vin降低了的情況下，即，即使在高占空比時(shí)，也能夠既抑制線圈、電容器的電容，又抑制對通信等有害的頻率的噪聲，且得到穩(wěn)定的輸出。
[0011 ] 用于解決課題的技術(shù)手段
[0012]用于解決上述課題的本發(fā)明的車載用降壓開關(guān)電源，具備:第一開關(guān)元件，其用于對輸入電壓向輸出側(cè)的導(dǎo)通以及不導(dǎo)通進(jìn)行切換；開關(guān)頻率控制電路，其輸出所述第一開關(guān)元件進(jìn)行切換動(dòng)作的開關(guān)頻率；和整流單元，其在所述第一開關(guān)元件為不導(dǎo)通時(shí)，進(jìn)行整流動(dòng)作使得在輸出側(cè)的路徑生成循環(huán)電流，所述車載用降壓開關(guān)電源的特征在于，所述開關(guān)頻率控制電路具備:開關(guān)頻率范圍設(shè)定部，其使所述開關(guān)頻率在fa至fb之間進(jìn)行變化；和開關(guān)頻率路徑設(shè)定部，其根據(jù)所述輸入電壓使所述開關(guān)頻率進(jìn)行變化，且將所述開關(guān)頻率設(shè)定為途經(jīng)位于fa與fb之間的頻率fc、并跳過位于fa與fb之間的fd至fe為止的頻帶。
[0013]發(fā)明效果
[0014]根據(jù)本發(fā)明，即使在輸入電壓降低時(shí)，也能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的降壓開關(guān)動(dòng)作，而且能夠?qū)﹄姶旁肼曔M(jìn)行抑制。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是表示第一實(shí)施方式的車載用降壓開關(guān)裝置的圖。
[0016]圖2是表不第一實(shí)施方式的開關(guān)頻率以及輸出電壓波動(dòng)的輸入電壓依賴性的圖。
[0017]圖3是表示第二實(shí)施方式的開關(guān)頻率以及輸出電壓波動(dòng)的輸入電壓依賴性的圖。
[0018]圖4是表示第三實(shí)施方式的安裝結(jié)構(gòu)的圖。

【具體實(shí)施方式】
[0019]在車載用降壓開關(guān)電源中，根據(jù)其動(dòng)作會(huì)產(chǎn)生因在輸入側(cè)的正極與負(fù)極之間產(chǎn)生的電壓波動(dòng)以及布線的電流波動(dòng)而引起的電磁噪聲。由頻譜分析儀等的測量設(shè)備觀測的噪聲譜在開關(guān)頻率(F-sw)具有最大的噪聲強(qiáng)度。
[0020]在車載用電子設(shè)備中，為了防止因設(shè)備自身產(chǎn)生的電磁噪聲而引起的其他電子設(shè)備的誤動(dòng)作或因電磁噪聲入射至無線電接收天線而產(chǎn)生的聽覺雜音，因而設(shè)置電磁噪聲的限制。根據(jù)該限制，在通信或無線電所使用的頻帶(FB-com)中，與其他頻帶(FB-rest)相t匕，設(shè)置了更嚴(yán)格的限制值。
[0021]在如現(xiàn)有技術(shù)那樣與自舉電壓成比例地對F-sw進(jìn)行控制的情況下，F(xiàn)-sw能取穩(wěn)態(tài)驅(qū)動(dòng)時(shí)的開關(guān)頻率(F-swl)以下的所有頻率。即，在對存在于比某個(gè)通信頻帶FB-coml高的頻帶的FB-rest設(shè)定了 F_swl的情況下，隨著自舉電壓的降低，F(xiàn)-sw能取FB-coml的頻率。因此，存在有可能無法實(shí)現(xiàn)電磁噪聲的限制的課題。作為簡單的對策，能采取增加輸入側(cè)電容器的電容等的方法，但會(huì)伴隨安裝面積的增加、成本增加。
[0022]另外，由于降壓電源的輸出連接了微機(jī)等的由低電壓進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的負(fù)載，因此要求穩(wěn)定的輸出電壓。作為降壓電源的輸出電壓變動(dòng)的主要原因，能列舉因主線圈的電流波動(dòng)而引起的電壓波動(dòng)(AVwt)。AVwt是以F-sw以及Vin為變量而決定的值，因此如果不考慮Vin來控制F-sw，則會(huì)成為過大的Λ Vrat，輸出變得不穩(wěn)定。如專利文獻(xiàn)I那樣，根據(jù)對自舉電壓進(jìn)行監(jiān)視來控制F-sw的方法，難以始終得到穩(wěn)定的輸出。作為降低AVtjut來得到穩(wěn)定的輸出的對策，可以考慮增加主線圈的電感的方法、減小輸出電容器的ESR(等效串聯(lián)電阻)的方法等，但任一種方法都會(huì)伴隨安裝面積的增加、成本增加。
[0023]以下，針對解決這樣的問題的本發(fā)明的實(shí)施方式，采用附圖進(jìn)行說明。
[0024]【實(shí)施例1】
[0025]以下，根據(jù)附圖針對本發(fā)明的車載用降壓開關(guān)電源的第I實(shí)施方式采用圖1、圖2進(jìn)行詳細(xì)說明。圖1表示第一實(shí)施方式的具備車載用降壓開關(guān)電源的車載用控制裝置的電源電路的結(jié)構(gòu)圖。
[0026]車載用控制裝置，與作為車載電源的電池500連接，具備:輸入側(cè)電容器600、降壓開關(guān)電源電路1、輸出側(cè)電容器700、和負(fù)載800。降壓開關(guān)電源電路I具備:主電路部10、控制電路部20、和自舉電路部30。
[0027]主電路部10具備:作為主開關(guān)的N溝道型的M0SFET111、同步整流用的N溝道型的M0SFET112、和輸出電壓平滑用的主線圈113。M0SFET111和M0SFET112根據(jù)控制電路部20的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行開關(guān)從而進(jìn)行降壓動(dòng)作，從輸入側(cè)電容器600的電壓600B降壓為輸出側(cè)電容器700的電壓700B。在M0SFET111為導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，輸入側(cè)和輸出側(cè)導(dǎo)通。在截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，輸入側(cè)和輸出側(cè)不導(dǎo)通，在含有主線圈113、輸出側(cè)電容器700、和M0SFET112的閉路生成循環(huán)電流。通過對M0SFET111的導(dǎo)通期間和截止期間進(jìn)行控制，從而控制輸出電壓。
[0028]M0SFET112與M0SFET111同步地進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作，在M0SFET111為導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，M0SFET112被控制成為截止?fàn)顟B(tài)，在M0SFET111為截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，M0SFET112被控制成為導(dǎo)通狀態(tài)。也可以代替M0SFET112而設(shè)置二極管元件作為整流單元，該二極管元件將作為相對于MOSFET111被動(dòng)地同步的開關(guān)而工作的陽極端子與輸入側(cè)電容器600的負(fù)極連接。其中，進(jìn)行同步整流的M0SFET112與二極管元件相比接通電阻更小，效率更好。
[0029]控制電路部20具備:柵極驅(qū)動(dòng)器121、PWM控制電路122、和開關(guān)頻率控制電路123，PWM控制電路122根據(jù)降壓比(700B/600B)將被輸入至M0SFET111的柵極的PWM信號(hào)的占空比D輸出給柵極驅(qū)動(dòng)器121，開關(guān)頻率控制電路123具備:頻率范圍設(shè)定部125和頻率路徑設(shè)定部124，將與輸入電壓600B相應(yīng)的開關(guān)頻率F-sw輸出給柵極驅(qū)動(dòng)器121，柵極驅(qū)動(dòng)器121基于被輸入的占空比D和開關(guān)頻率F-sw，輸出M0SFET111和M0SFET112的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在將M0SFET111導(dǎo)通時(shí)，相對于源極電壓需要輸入比M0SFET111的柵極電壓閾值VTh高的柵極電壓，因此從自舉電路部30供給電壓。在此，頻率范圍設(shè)定部125和頻率路徑設(shè)定部124，作為由微機(jī)、邏輯電路或者模擬電路構(gòu)成的設(shè)定單元。
[0030]自舉電路部30具備:一端與M0SFET111的源極端子連接的電容器131 ;輸入端與輸入側(cè)電容器600的正極連接的電壓調(diào)整電路133 ;陽極與電壓調(diào)整電路的輸出端連接，陰極與電容器131的另一端連接的二極管132，將二極管132的陰極側(cè)的端與柵極驅(qū)動(dòng)器連接。利用通過M0SFET111的開關(guān)而產(chǎn)生變動(dòng)的源極-GND間電壓，將電容器131的電荷提供給柵極驅(qū)動(dòng)器121。
[0031]以下，米用圖2所不的輸入電壓600B(輸入電壓)對應(yīng)的開關(guān)頻率F-sw、以及Δ Vout (700B的電壓波動(dòng))，對第一實(shí)施方式中的動(dòng)作進(jìn)行說明。事先通過頻率范圍設(shè)定部，將F-sw的范圍設(shè)定為從fa到fb。另外，通過頻率路徑設(shè)定部，在輸入電壓600B為Vl以上的范圍內(nèi)固定在fa，在從Vl至V2的范圍內(nèi)，設(shè)定fc使得輸出電壓700B的電壓波動(dòng)AVwt保持電壓波動(dòng)Λ Vl，在從V2至V3的范圍內(nèi)設(shè)定為fe，在從V3至V4的范圍內(nèi)設(shè)定為fb。另外，fd至fe的頻帶，考慮從輸入側(cè)向外部發(fā)生的噪聲的影響、尤其是無線電或通信等中使用的頻帶中的噪聲的影響，設(shè)定為跳過(skip)。
[0032]在圖2的輸入電壓600B為輸入電壓的上限Vmax至Vl的范圍內(nèi)，F(xiàn)_sw被固定在fa。在此，在F-sw = fa時(shí)，即使輸入電壓600B為輸入電壓的上限值Vmax，也調(diào)整電路常數(shù)，使得AVrat比根據(jù)負(fù)載側(cè)的要求而決定的輸出波動(dòng)的容許上限值低。隨著輸入電壓600B的變低，主線圈113的電流波動(dòng)降低，輸出電壓700B的電壓波動(dòng)AVwt降低。在輸入電壓600B為Vl以下的區(qū)域，將F-sw調(diào)整成為fa和fb的中間的頻率fc，使得輸出電壓波動(dòng)成為Λ VI，在Vl以下的區(qū)域，隨著輸入電壓600Β的降低，fc降低。在輸入電壓600B為V2時(shí)，F(xiàn)-sw為fc，若輸入電壓600B小于V2，則F-sw —下變成fe。此時(shí)，AVtjutWAVl增加(fd/fe)倍，成為AV2，但被調(diào)整為不超過在V2至V3的范圍內(nèi)，設(shè)為fc=fe，若輸入電壓600B小于V3，則F-sw變成fb。在此，fb設(shè)置為比自舉電路的電容器131的放電時(shí)間常數(shù)充分短的周期。這樣，能夠不必在意自舉電壓的降低地設(shè)定頻率。以上，針對電壓降低時(shí)的頻率控制方法進(jìn)行了說明，但在輸入電壓600B上升的情況下，也同樣地根據(jù)輸入電壓600B來設(shè)定開關(guān)頻率。
[0033]以下，示出將無線電或通信等中使用的頻帶假設(shè)為10k~300kHz、假設(shè)輸出電壓容許波動(dòng)AV_limit = 20[mV]、假設(shè)自舉電路的電容器131的放電時(shí)間常數(shù)為0.l[s]、假設(shè)輸入側(cè)電壓為600B = 6~18 [V]、假設(shè)輸出電壓700B = 6 [V]、假設(shè)fa = 460kHz、假設(shè)主M0SFET111的最小截止時(shí)間Toffjnin = 250 [ns]、假設(shè)主線圈電感L113 = 20 [μ H]、假設(shè)輸出側(cè)電容器700的等效串聯(lián)電阻ESR700 = 40[πιΩ]的情況下的設(shè)定例。
[0034]fb被設(shè)定為能夠確保穩(wěn)定的開關(guān)動(dòng)作所需的截止時(shí)間Irff的值。fb越低，越能夠擴(kuò)大占空比容許幅度，但需要設(shè)置為比電容器131的放電時(shí)間常數(shù)充分短的周期，因此在本實(shí)施例中，設(shè)置為例如40[us]即25[kHz]。fd、fe，為了避開無線電、通信等中使用的頻帶，而設(shè)置為例如fd = 300 [kHz] > fe = 100 [kHz]。fd、fe的值,可以根據(jù)噪聲限制的頻帶而適當(dāng)變更。
[0035]在此，輸出電壓波動(dòng)AVtjut的計(jì)算式(式I)、主FET截止期間Irff的計(jì)算式(式2)，能夠表示為如下。另外，(式I)中，假設(shè)對輸出側(cè)電容器700的電容的充放電電荷所引起的電壓變動(dòng)分量(AV= AQ/C)較小而忽略，但根據(jù)需要也可以考慮。
[0036]【式1】

【權(quán)利要求】
1.一種車載用降壓開關(guān)電源，具備:第一開關(guān)元件，其用于對輸入電壓向輸出側(cè)的導(dǎo)通以及不導(dǎo)通進(jìn)行切換；開關(guān)頻率控制電路，其輸出所述第一開關(guān)元件進(jìn)行切換動(dòng)作的開關(guān)頻率；和整流單元，其在所述第一開關(guān)元件為不導(dǎo)通時(shí)，進(jìn)行整流動(dòng)作使得在輸出側(cè)的路徑生成循環(huán)電流，所述車載用降壓開關(guān)電源的特征在于， 所述開關(guān)頻率控制電路具備: 開關(guān)頻率范圍設(shè)定部，其使所述開關(guān)頻率在fa至低于fa的fb之間進(jìn)行變化；和 開關(guān)頻率路徑設(shè)定部，其根據(jù)所述輸入電壓使所述開關(guān)頻率進(jìn)行變化，且將所述開關(guān)頻率設(shè)定為途經(jīng)位于fa與fb之間的頻率fc、并跳過位于fa與fb之間的fd至fe為止的頻帶。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車載用降壓開關(guān)電源，其特征在于， 在所述輸入電壓為預(yù)先設(shè)定的閾值以上時(shí)，所述開關(guān)頻率設(shè)定為fa，在所述輸入電壓為所述閾值以下時(shí)，所述開關(guān)頻率設(shè)定為fc，fc是位于fa與fb之間且隨著所述輸入電壓的降低而降低的頻率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車載用降壓開關(guān)電源，其特征在于， 在所述輸入電壓為預(yù)先設(shè)定的閾值以上時(shí)，所述開關(guān)頻率設(shè)定為fa，在所述輸入電壓為所述閾值以下時(shí)，所述開關(guān)頻率設(shè)定為fc，fc是位于fa與fb之間的固定值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的車載用降壓開關(guān)電源，其特征在于， 所述開關(guān)頻率控制部根據(jù)所述輸入電壓使開關(guān)頻率的變化開始或者結(jié)束。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的車載用降壓開關(guān)電源，其特征在于， 具備:主線圈；和在接通期間Tm將勵(lì)磁電流通電至所述主線圈的所述第一開關(guān)元件， 所述開關(guān)頻率控制單元根據(jù)所述第一開關(guān)元件斷開的期間Irff,使開關(guān)頻率的變化開始或者結(jié)束。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的車載用降壓開關(guān)電源，其特征在于， 將至少一部分電路內(nèi)置于半導(dǎo)體集成電路中。
7.一種車載用電子控制裝置，其特征在于，具備權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的車載用降壓開關(guān)電源。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的車載用電子控制裝置，其特征在于， 在所述車載用降壓開關(guān)電源的輸入側(cè)和輸出側(cè)分別具備陶瓷電容器，且通過樹脂對至少一部分部件進(jìn)行密封。
9.一種怠速停止系統(tǒng)，其特征在于， 具備權(quán)利要求7或8所述的車載用電子控制裝置。
【文檔編號(hào)】H02M3/155GK104081641SQ201380007529
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2013年1月21日 優(yōu)先權(quán)日:2012年2月15日
【發(fā)明者】畑中步, 黛拓也, 佐藤千尋 申請人:日立汽車系統(tǒng)株式會(huì)社