(57)【要約】【課題】ＰＷＭ信号を使用する場合のノイズ対策を、より効果的に行うことができる負荷駆動装置を提供する。【解決手段】ＰＷＭ信号のデューティ比について、ノイズの発生を抑制するために下限値αと上限値βとを設定し、下限値α以下の領域と上限値β以上の領域では、ＰＷＭ信号によるスイッチング駆動を禁止する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷に対してＰＷＭ（Pulse Width Modulation)信号を出力してスイッチング駆動を行う負荷駆動装置において、
前記ＰＷＭ信号のデューティ比について、ノイズの発生を抑制するために下限値と上限値とを設定し、前記下限値以下の領域と前記上限値以上の領域では、ＰＷＭ信号によるスイッチング駆動を禁止することを特徴とする負荷駆動装置。
【請求項２】
前記ＰＷＭ信号の搬送波周期をＴ１，前記ＰＷＭ信号パルスの立上り時間をＴｒ，前記パルスの立下り時間をＴｆとすると、前記下限値を、
（Ｔｒ＋Ｔｆ）／Ｔ１［％］
前記上限値を、
１００−（Ｔｒ＋Ｔｆ）／Ｔ１［％］
に設定することを特徴とする請求項１記載の負荷駆動装置。
【請求項３】
前記上限値以上の領域では、ＰＷＭ信号のデューティ比を１００％に設定することを特徴とする請求項１又は２記載の負荷駆動装置。
【請求項４】
前記負荷は、発熱体であることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の負荷駆動装置。
【請求項５】
負荷に対してＰＷＭ（Pulse Width Modulation)信号を出力してスイッチング駆動を行う方法において、
前記ＰＷＭ信号のデューティ比について、ノイズの発生を抑制するために下限値と上限値とを設定し、前記下限値以下の領域と前記上限値以上の領域では、ＰＷＭ信号によるスイッチング駆動を禁止することを特徴とする負荷駆動方法。
【請求項６】
前記ＰＷＭ信号の搬送波周期をＴ１，前記ＰＷＭ信号パルスの立上り時間をＴｒ，前記パルスの立下り時間をＴｆとすると、前記下限値を、
（Ｔｒ＋Ｔｆ）／Ｔ１［％］
前記上限値を、
１００−（Ｔｒ＋Ｔｆ）／Ｔ１［％］
に設定することを特徴とする請求項５記載の負荷駆動方法。
【請求項７】
前記上限値以上の領域では、ＰＷＭ信号のデューティ比を１００％に設定することを特徴とする請求項５又は６記載の負荷駆動方法。
【請求項８】
前記負荷は、発熱体であることを特徴とする請求項５乃至７の何れかに記載の負荷駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
負荷に対してＰＷＭ（Pulse Width Modulation)信号を出力してスイッチング駆動を行う負荷駆動装置及び負荷駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、モータなどの負荷をＰＷＭ信号によりスイッチング駆動する装置については、そのスイッチングの際に発生する高調波ノイズが他の機器に悪影響を与える場合がある。例えば、車両に搭載されるモータを負荷として駆動すると、カーラジオの音声にノイズが印加されることがある。上記のような問題を解決するため、例えば、特許文献１においては、ＰＷＭ信号を台形波状に出力し、その立上がり，立下りの傾斜時間をデューティ比に応じて変化させる技術が開示されている。また、特許文献２には、ＰＷＭ信号の搬送波周期を所定のパターンで、若しくはランダムに変化させる技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００５−１８５０５３号公報
【特許文献２】特開２００６−１８７１７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
即ち、特許文献１，２に開示されている技術は、ＰＷＭ信号が発生する高調波ノイズの周波数スペクトラムが、同じ周波数に集中することを回避して、ノイズレベルのピークを低下させることを狙ったものである。
ところが、実際に発生するノイズレベルは、ＰＷＭ信号のオンデューティが小さくなる領域と、オフデューティが小さくなる領域とにおいて、電流の変化が急峻となる場合に高くなっている。そして、特許文献１，２のような技術は、そのようなノイズ発生の実態に対応していないため、ノイズ対策が不十分であった。
【０００４】
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、ＰＷＭ信号を使用する場合のノイズ対策を、より効果的に行うことができる負荷駆動装置及び負荷駆動方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１記載の負荷駆動装置によれば、ＰＷＭ信号のデューティ比について、ノイズの発生を抑制するために下限値と上限値とを設定し、下限値以下の領域と上限値以上の領域では、ＰＷＭ信号によるスイッチング駆動を禁止する。即ち、ＰＷＭ信号のデューティ比を変化させた場合、実際に発生するノイズレベルが高くなるのは、上述したように、ＰＷＭ信号のオンデューティが小さくなる領域とオフデューティが小さくなる領域である。従って、実際の装置の動作環境によりノイズが問題となる周波数帯に応じてデューティ比の下限値と上限値とを設定し、下限値以下の領域と上限値以上の領域でＰＷＭ信号によるスイッチング駆動を禁止すれば、ノイズの影響が他の機器等に及ぶことをより確実に防止できる。
【０００６】
請求項２記載の負荷駆動装置によれば、ＰＷＭ信号の搬送波周期をＴ１，ＰＷＭ信号パルスの立上り時間をＴｒ，パルスの立下り時間をＴｆとすると、下限値を（Ｔｒ＋Ｔｆ）／Ｔ１［％］に設定し、上限値を、１００−（Ｔｒ＋Ｔｆ）／Ｔ１［％］に設定する。即ち、ＰＷＭ信号のデューティ比が上記の値となる場合は、スイッチングのオン期間，オフ期間においてレベルがフラットになる期間が存在しなくなり、オン，オフパルスが最もインパルスに近い形状となる。そのため、信号の電流変化が急峻となり、ノイズの発生レベルが大きく上昇する。従って、下限値と上限値とを上記のように設定すれば、信号の電流変化が急峻とる領域を回避しつつ、ＰＷＭ信号による駆動制御を極力広範囲で行うことができる。
【０００７】
請求項３記載の負荷駆動装置によれば、上限値以上の領域ではＰＷＭ信号のデューティ比を１００％に設定するので、オフデューティ比が小さくなる領域をなくすと共に、負荷を最大出力で駆動することができる。
【０００８】
請求項４記載の負荷駆動装置によれば、負荷を発熱体とする。即ち、発熱体にＰＷＭ信号を印加することで断続的に通電し発熱量を制御する場合は、一般に比較的シビアなフィードバック制御などは不要であり、入力設定に応じて定まるデューティ比により固定的な駆動制御を行う場合が多い。従って、本願発明のようにデューティ比の下限値以下の領域と上限値以上の領域とでスイッチング駆動を禁止する方式を、有効に適用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明を、カーエアコンに使用されるＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient，抵抗体，発熱体）ヒータを負荷として駆動する装置に適用した場合の一実施例について図面を参照して説明する。図１は、駆動装置を中心として全体の構成を示すブロック図である。カーエアコンを制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit）１には、車両のバッテリ２の電源が、イグニッションスイッチ５及びヒューズ３を介して供給されている。そして、駆動装置（負荷駆動装置）４に対しても、バッテリ２の電源が上記と同様の経路で供給されている。
また、バッテリ２とグランドとの間には、もう１つのヒューズ６と、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ７及びＰＴＣヒータ８との直列回路とが接続されている。そして、駆動装置４は、ＥＣＵ１より与えられる制御信号に基づいてＰＷＭ信号を生成し、ＦＥＴ７にゲート信号として出力する。
【００１０】
ＥＣＵ１は、ユーザによるエアコンの温度設定操作に応じて、駆動装置４に対し、ＰＴＣヒータ８の駆動指令が例えばＰＷＭ信号として出力される。前記信号は、駆動装置４内部の入力信号処理部９に与えられ、ＰＷＭデューティに応じた電圧レベルに変換される（Ｄ／Ｖ変換）。そして、入力信号処理部９によって変換された信号は駆動制御回路１０に出力され、駆動制御回路１０は、入力された信号に応じてＰＷＭ信号を生成し、ＦＥＴ７に出力する。
【００１１】
図２は、駆動制御回路１０の内部構成を示すものである。入力端子ＩＮは、バッファ１１の入力端子に接続されていると共に、電源側コンパレータ１２の（＋）端子，グランド側コンパレータ１３の（−）端子に夫々抵抗素子１４，１５を介して接続されている。制御電源ＶＣとグランドとの間には、２つのＮＰＮトランジスタ１６，１７がトーテムポール接続されており、両者の共通接続点はバッファ１１の出力端子に接続されている。また、トランジスタ１６，１７のベースは、コンパレータ１２，１３の出力端子に接続されている。
【００１２】
バッファ１１の出力端子は、コンパレータ１８の（−）端子に接続されており、コンパレータ１８の（＋）端子には、ＰＷＭ信号生成用の基準三角波（搬送波，例えば、周波数１００Ｈｚ）が与えられている。そして、コンパレータ１８は、バッファ１１より出力される信号レベルと基準三角波のレベルとを比較して後者のレベルが高くなる期間にハイレベルを示すＰＷＭ信号を出力する。この場合、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ７を駆動するので、ＰＷＭ信号がロウレベルとなる期間にＦＥＴ７がＯＮする。
【００１３】
また、グランド側コンパレータ１３の(＋)端子，電源側コンパレータ１２の(−)端子には、比較レベルα，β（即ち、ＰＷＭ信号のデューティ比指令がα％，β％に相当する電圧）が与えられている。従って、バッファ１１の入力信号ＩＮのレベルが（ＩＮ≦α）であれば、コンパレータ１３側の出力信号がハイレベルとなりトランジスタ１７がＯＮするので、コンパレータ１８の(−)端子はグランドレベルとなる。一方、入力信号ＩＮのレベルが（ＩＮ≧β）であれば、コンパレータ１２側の出力信号がハイレベルとなりトランジスタ１６がＯＮするので、コンパレータ１８の(−)端子は電源ＶＣレベルとなる。そして、α＜ＩＮ＜βの場合は、コンパレータ１２，１３の出力信号は何れもロウレベル，トランジスタ１６，１７は何れもＯＦＦとなるので、コンパレータ１８の(−)端子はバッファ１１の出力信号レベルとなる。
【００１４】
次に、本実施例の作用について図３乃至図５も参照して説明する。図５は、ＰＷＭ信号のキャリア周波数が１００Ｈｚ，ＦＥＴ７のスイッチング速度１００μｓでデューティ比を０％から１００％まで変化させた場合に、ＬＷ帯（１５０ｋＨｚ〜２８０ｋＨｚ）とＡＭ帯（５１０ｋＨｚ〜１７１０ｋＨｚ）とにおいて観測されるノイズレベル［ｄＢｍ］を測定したものである。何れの周波数帯についても、デューティ比が０％の付近と１００％の付近とにおいて、ノイズレベルが高くなっていることが判る。
【００１５】
そこで、本実施例では、図３（ａ）に示すように、デューティ比が０％の付近のα％と、１００％の付近のβ％を閾値（下限値，上限値）として設定し、上述のように、入力信号ＩＮのレベルが示すデューティ比指令がα％以下であれば、ＦＥＴ７を完全にＯＦＦしてＰＣＴヒータ８への通電を停止し、デューティ比指令がβ％以上であれば、ＦＥＴ７を完全にＯＮして（デューティ１００％）ＰＣＴヒータ８を連続通電するように、駆動制御回路１０を構成する（図３（ｂ）参照）。
即ち、実質的なＰＷＭ制御範囲をα％＜ＩＮ＜β％とすることで、ノイズレベルが高くなる領域でのＦＥＴ７によるスイッチング駆動を回避し、ノイズの発生を抑止することが可能となる。
【００１６】
ここで、閾値α，βの決定について、図４を参照して説明する。図４（ａ）は、ＰＷＭ信号による負荷の駆動波形であり、搬送波周期をＴ１とする。実際の駆動波形には、非通電状態から通電状態に移行する場合の立上り時間Ｔｒと、通電状態から非通電状態に移行する場合の立下がり時間Ｔｆとが存在し、通電状態にある時間をＴ２とする。この場合、ＯＮデューティ比はＴ２／Ｔ１［％］となる。
【００１７】
そして、デューティ比が小さくなり、通電時間Ｔ２が短くなると、ＰＷＭ信号のＯＮパルス幅は狭くなり、究極的に信号波形は立上り時間Ｔｒと立下り時間Ｔｆのみで示されるものとなり、インパルス状に近くなる。この場合、通電電流の変化は激しくなり、発生するノイズのレベルは大きくなる。そこで、閾値デューティ比αを（１）式によって定める。
α＝（Ｔｒ＋Ｔｆ）／Ｔ１［％］  …（１）
【００１８】
一方、デューティ比が大きくなり、通電時間Ｔ２が長くなると、ＰＷＭ信号のＯＮパルス幅が広くなるのに応じて、ＯＦＦパルス幅が狭くなって行く。そして、究極的に、ＯＦＦパルス波形は立下り時間Ｔｆと立上り時間Ｔｒのみで示されるものとなり、インパルス状に近くなる。この場合も、通電電流の変化は激しくなり、発生するノイズのレベルは大きくなる。そこで、閾値デューティ比βを（２）式によって定める。
β＝１００−（Ｔｒ＋Ｔｆ）／Ｔ１［％］  …（２）
【００１９】
以上のように本実施例によれば、ＰＷＭ信号のデューティ比について、ノイズの発生を抑制するために下限値αと上限値βとを設定し、下限値α以下の領域と上限値β以上の領域では、ＰＷＭ信号によるスイッチング駆動を禁止するようにした。従って、実際の駆動装置４の動作環境によりノイズが問題となる周波数帯に応じてデューティ比の下限値αと上限値βとを設定することで、ノイズの影響を確実に抑制することができる。
そして、ＰＷＭ信号の搬送波周期をＴ１，ＰＷＭ信号パルスの立上り時間をＴｒ，パルスの立上り時間をＴｆとすると、下限値αを（Ｔｒ＋Ｔｆ）／Ｔ１［％］に設定し、上限値βを、１００−（Ｔｒ＋Ｔｆ）／Ｔ１［％］に設定するので、ノイズの発生レベルを抑制しつつ、ＰＷＭ信号による駆動制御を極力広範囲で行うことができる。
【００２０】
また、上限値β以上の領域ではＰＷＭ信号のデューティ比を１００％に設定するので、オフデューティが小さくなる領域をなくすと共に、ＰＣＴヒータ８を最大出力で駆動することができる。そして、入力設定に応じて定まるデューティ比により固定的な駆動制御を行う場合が多いＰＣＴヒータ８を負荷としたので、本願発明のようにデューティ比の下限値以下の領域と上限値以上の領域とでスイッチング駆動を禁止する方式を有効に適用することができる。
【００２１】
本発明は上記し且つ図面に記載した実施例にのみ限定されるものではなく、以下のような変形又は拡張が可能である。
上限値β以上の領域で負荷を連続通電する場合は、ＦＥＴ７に並列に接続したリレーを閉じるようにしても良い。
また、上限値β以上の領域では、下限値α以下の場合と同様に負荷に対する通電を停止しても良い。
ハイサイド駆動に限ることなく、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴによりロウサイド駆動を行っても良い。
【００２２】
負荷は、ＰＣＴヒータ８のような発熱体に限ることなく、モータやソレノイドであっても良い。
スイッチング素子はＦＥＴに限らず、バイポーラトランジスタやＩＧＢＴなどでも良い。
α＜ＩＮ＜βの領域のデューティ比は、リニアに変化させる必要は無い。
ＰＷＭ信号のキャリア周波数は、個別の設計に応じて適宜変更して実施例すれば良い。
下限値α，上限値βは、必ずしも（１）式，（２）式に基づいて決定する必要は無く、実際のアプリケーションに応じて、例えば、デューティ比１０％，９０％などのように適当な数値を設定しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施例であり、駆動装置を中心として全体の構成を示すブロック図
【図２】駆動制御回路の内部構成を示す図
【図３】デューティ比について下限値，上限値を決定した状態を説明する図
【図４】駆動波形の変化を示す図
【図５】ＰＷＭ信号のデューティ比を変化させた場合に、ＬＷ帯とＡＭ帯とにおいて観測されるノイズレベルを測定した結果を示す図
【符号の説明】
【００２４】
図面中、４は駆動装置（負荷駆動装置）、８はＰＣＴヒータ（負荷，発熱体）、１０は駆動制御回路を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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