(57)【要約】【課題】  降圧回路を２段備える電源装置において、１段目の降圧回路が故障して再起動した際に、２段目の降圧回路へ故障が波及するのを防止できる電源装置。【解決手段】  第１降圧回路１は入力電圧Vinを電圧V1に降圧して出力し、第２降圧回路２は電圧V1を電圧V2に降圧する。電源装置が起動されると、ＣＰＵ３は、スイッチ８をオフして周辺回路７への電力供給を停止するとともに、電圧検出回路４で検出された電圧V1に基づいて、第１降圧回路１が故障しているか否かを診断する。そして、故障していないと判定されると、スイッチ８をオンして周辺回路７への電力供給を行う。診断の際には、ＣＰＵ３は、診断に必要な最低限の周辺モジュールにクロック供給と電力供給を行い、診断最中の第２降圧回路２の損失を抑えて素子温度が許容温度を越えないようにする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力電圧を第１の電圧に降圧して出力する第１降圧回路と、前記第１の電圧を第２の電圧に降圧して出力する第２降圧回路とを備え、前記第２降圧回路からの出力電力を負荷回路に供給する電源装置において、
前記第１降圧回路の出力電圧を検出する検出部と、
前記検出部で検出された前記出力電圧に基づいて前記第１降圧回路が故障しているか否かを判定する判定手段と、
電源装置の起動により、通常起動動作状態よりも低い電流で動作する低消費電流動作状態で前記負荷回路を起動させ、前記判定手段により前記第１降圧回路が故障していないと判定されると、前記低消費電流動作状態から前記通常起動動作状態へと前記負荷回路の状態を切り換える制御手段とを備えたことを特徴とする電源装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電源装置において、
前記入力電圧の前記第１降圧回路への入力を遮断して遮断状態を保持する遮断回路をさらに備え、
前記制御手段は、前記判定手段により前記第１降圧回路の故障が判定されると、前記遮断回路による遮断およびその保持を行わせることを特徴とする電源装置。
【請求項３】
請求項１に記載の電源装置において、
前記負荷回路は、前記制御手段によって前記起動制御および前記切換制御が行われる第１の負荷回路と、前記第２降圧回路の出力電圧が印加されると起動する第２の負荷回路と備え、
前記制御手段は、前記判定手段により前記第１降圧回路の故障が判定されると、前記第２の負荷回路への電力供給を停止することを特徴とする電源装置。
【請求項４】
請求項１に記載の電源装置において、
前記負荷回路は、前記制御手段によって前記起動制御および前記切換制御が行われる第１の負荷回路と、前記第２降圧回路の出力電圧が印加されると起動する第２の負荷回路と備え、
前記制御手段は、電源装置の起動により前記第２降圧回路から前記第２の負荷回路への電力を停止し、電源装置起動後に前記判定手段により前記第１降圧回路が故障していないと判定されると前記第２の負荷回路への電力供給を開始することを特徴とする電源装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の電源装置において、
前記第２降圧回路の熱を伝熱により吸収して、電源装置の起動から前記判定手段による前記第１降圧回路の故障判定に基づく前記制御手段の制御動作が完了するまで、前記第２降圧回路の温度を許容温度以下に保持する熱容量部材を設けたことを特徴とする電源装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の電源装置において、
前記判定手段により前記第１降圧回路の故障が判定された場合の判定情報を報知する報知手段をさらに設けたことを特徴とする電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バッテリ等の電圧を降圧して負荷に電力を供給する電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
入力電圧を降圧して安定化する電源装置においては、入力電力と出力電力の差分と出力側の消費電流を乗じて算出される損失が発生する。そのため、消費電流の多い電源装置では、降圧回路を直列に二段設けて出力電圧を二段階で降圧するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。降圧回路を二段にすることによって損失が分散され、降圧回路の温度上昇が抑えられる。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２４１８４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このように二段階で降圧する構成においては、一段目の降圧回路に異常が発生して降圧動作ができなくなった場合、二段目の降圧回路における入出力電圧差が大きくなる。その結果、二段目の損失が大きくなって素子温度が上昇し、一段目の降圧回路の故障が二段目の降圧回路に連鎖的に波及してしまうという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、入力電圧を第１の電圧に降圧して出力する第１降圧回路と、第１の電圧を第２の電圧に降圧して出力する第２降圧回路とを備え、第２降圧回路からの出力電力を負荷回路に供給する電源装置に適用される。そして、第１降圧回路の出力電圧を検出部で検出し、検出された出力電圧に基づいて第１降圧回路が故障しているか否かを判定手段で判定する。制御手段は、電源装置の起動により、通常起動動作状態よりも低い電流で動作する低消費電流動作状態で負荷回路を起動させ、判定手段により第１降圧回路が故障していないと判定されると低消費電流動作状態から通常起動動作状態へと負荷回路の状態を切り換える。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、電源装置起動により、通常起動動作状態よりも低い電流で動作する低消費電流動作状態で負荷回路を起動させ、判定手段により故障でないと判定されると低消費電流動作状態から通常起動動作状態へと負荷回路の状態を切り換えるようにしたので、第１降圧回路の故障が第２降圧回路に波及するのを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は本発明による電源装置の一実施の形態を示すブロック図である。この電源装置は車両に搭載され、バッテリ（不図示）の電圧Vinを直列接続された第１降圧回路１および第２降圧回路２で所定の電圧V2まで降圧し、その降圧された電圧V2を負荷であるＥＣＵ（Electronic Control Unite）５に入力する。第１降圧回路１から出力される電圧V1は、電圧検出回路４によって検出される。降圧回路１，２にはパワートランジスタ等が用いられる。
【０００８】
安定化されていない入力電圧Vinは第１降圧回路１で電圧V1（＜Vin）まで降圧され、その出力電圧V1はさらに第２降圧回路２により電圧V2（＜V1）まで降圧される。このように、２段の降圧回路１，２を設けて入力電圧Vinを２段階に分けて電圧V2まで降圧することにより、降圧に伴う損失が２つの降圧回路１，２に分散され、降圧回路１，２の過度な温度上昇を防止できるとともに、放熱機構が簡素化されて装置全体が小型化するという長所を有している。
【０００９】
入力電圧Vinの入力端と第１降圧回路１との間には、遮断回路６が設けられている。遮断回路６は、第１降圧回路１の入力電圧のオンオフするスイッチ６１と、スイッチ６１のオンオフ制御およびオンオフ状態の保持動作を行う保持回路６２とを有している。この保持回路６２の制御はＥＣＵ５に設けられたＣＰＵ３の指示により行われる。また、保持回路６２はバッテリから直接入力される入力電圧Vinを電源としており、スイッチ６１がオフ状態であっても電力が供給されている。
【００１０】
電源装置の負荷であるＥＣＵ５には、ＥＣＵ５の持つ個別機能を制御するために設けられたＣＰＵ３と周辺回路７とを含んでいる。周辺回路７は、例えばセンサの入出カ回路や昇圧回路等のハ−ド構成から成る。周辺回路７の入力電圧V2は、スイッチ８によりオンオフされる。上述した保持回路６２の制御およびスイッチ８のオンオフ制御は、ＣＰＵ３によって行われる。なお、電源装置の起動時には周辺回路７のスイッチ８はオフ状態とされ、周辺回路７の電源を遮断した状態で起動する。
【００１１】
ＣＰＵ３内部には、コア３１とその他の周辺モジュールとが設けられている。周辺モジュールとしては、ＲＡＭ／ＲＯＭ３２、Ａ／Ｄ変換部３３、汎用ポート３４，３５、ＦＲＣ（FreeRunCounter）３６、タイマ３７、発振回路３８等がある。ＲＡＭ／ＲＯＭ３２には、各種データおよびコア作動用のプログラムが記億される。Ａ／Ｄ変換部３３は、電圧検出回路４から入力される電圧値（アナログ値）をデジタル値に変換するとともに、デジタル変換された電圧値を内部に格納する。
【００１２】
汎用ポ−ト３４，３５は、コア３１から送られる指令に基づいてＣＰＵ３の外部へ信号を出力する。コア３１は、発振回路３８にて出カされたクロックとＲＡＭ／ＲＯＭ３２に記億されたプログラムとに基づいて、Ａ／Ｄ変換部３３やタイマ３７等の情報の取得および判断を行ない、汎用ポート３４，３５を操作する。
【００１３】
図２はＣＰＵ３の制御動作を示すフローチャートであり、電源装置を起動した際に行われる第１降圧回路１の診断処理に関する一連の処理手順を示したものである。ハードウェアによるＣＰＵ３のリセット解除が行われると図２のステップＳ１が実行される。なお、ＣＰＵ３は、ハードリセット解除直後においては、ＣＰＵ内部の周辺モジュール３２〜３８への電源およびクロック供給を最低限の範囲に止めるように設定されている。ここでは、発振回路３８の逓倍率を低くしてクロック周波数を最低に設定し、コア３１および発振回路３８を除く周辺モジュールへの電源供給およびクロック供給を停止した状態にする。
【００１４】
ステップＳ１では、電圧検出回路４から入力される電圧V1の診断に必要なＡ／Ｄ変換部３３への電源供給とクロック供給とを開始する。ステップＳ２では、Ａ／Ｄ変換部３３の初期設定を行う。ステップＳ３では、Ａ／Ｄ変換部３３と同様に電圧V1の診断に必要なタイマ３７への電源供給とクロック供給とを開始する。このように、本実施の形態では、ＣＰＵ起動時は低消費電流状態とされる。そして、ステップＳ４においてタイマ３７の初期設定を行った後に、ステップＳ５においてタイマ３７をスタートする。
【００１５】
ステップＳ６では、電圧検出回路４から読み込まれた電圧V1、すなわち第１降圧回路１の出力電圧V1が予め設定された閾値Vth以下か否かを判定する。この閾値Vthは第１降圧回路１が正常に動作しているか否かを判定する電圧値であり、第１降圧回路１が正常動作しているときの出力電圧V1よりもやや高めに設定される。ステップＳ６で出力電圧V1が閾値Vth以下と判定されるとステップＳ７へ進み、出力電圧V1が閾値Vthを越えていると判定されるとステップＳ１０へ進む。
【００１６】
ステップＳ７では、V1≦Vthの状態が所定時間Tthだけ継続したか否かを判定する。ここで、状態継続時間の判定を行う理由は、電圧検出回路４からＡ／Ｄ変換部３３へ入力する信号にノイズが混入して、一時的にＶ１が変動する事による誤判定を防止するためである。この場合、正常・異常を判定する際の所定時間Tthは、数msec〜数十msec程度に設定される。
【００１７】
ステップＳ７でV1≦Vthの状態が所定時間Tth継続したと判定されると、ステップＳ８へ進み、継続しなかったと判定されるとステップＳ６へ戻る。ステップＳ７からステップＳ８へ進んだ場合には、ＣＰＵ３の他の周辺モジュールに対する電源供給およびクロック供給を開始し、上述した低消費電流状態から通常の起動動作状態とする。そして、ステップＳ９では、スイッチ８をオンして周辺回路７に電源を供給し、以降は通常の起動ルーチンを実行する。
【００１８】
一方、ステップＳ６でV1＞Vthと判定されてステップＳ１０へ進んだ場合には、ステップＳ１０においてV1＞Vthの状態が時間Tthだけ継続したか否かを判定する。V1≦Vthの状態の継続時間がTthとなるまでは、ステップＳ１０でＮＯと判定されてステップＳ６へ戻る。そして、V1＞Vthの状態の継続時間がTthとなるとステップＳ１０でＹＥＳと判定され、すなわち、第１降圧回路１は正常に動作していないと判定され、ステップＳ１１へと進む。ステップＳ１１では、電源の遮断を指示する信号を保持回路６２へと送信し、一連の起動・診断動作を終了する。ＣＰＵ３から保持回路６２へと遮断信号が入力されると、保持回路６２はスイッチ６１をオフし、そのオフ状態を保持する。
【００１９】
図３および図４は、電源再投入後の電圧Vin，V1，V2、ＥＣＵ５の消費電流および第２降圧回路２の損失の変化を示す図である。図３は第１降圧回路１が正常な場合を示したものであり、図４は第１降圧回路１が正常に動作していない場合を示す。バッテリの端子電圧は１４Vであり、電源再投入により入力電圧Vinは０Vから１４Vへと変化する。ここでは、第１降圧回路１は入力電圧を６Vまで降圧して出力し、第２降圧回路２は入力された電圧を５Vまで降圧して出力するように構成されている。そのため、電源再投入により電圧V1は０Vから６Vへと上昇し、電圧V2は０Vから５Vへと上昇する。
【００２０】
起動時におけるＥＣＵ５の消費電流はほとんどＣＰＵ３の消費電流であって、通常の起動ルーチンにおける消費電流は１Aとなるように設定されている。本実施の形態では、上述したように電圧診断時にはＣＰＵ３は低消費電流状態で動作し、電圧診断の結果、第１降圧回路１が正常と判定されると、通常の起動ルーチンで動作するように設定されている。
【００２１】
なお、本実施の形態では、通常の起動ルーチンによる消費電流が１Aであるのに対して、起動時には、ＣＰＵ３を低消費電力状態とするとともに周辺回路７も電源遮断状態とすることにより、ＥＣＵ５の消費電流が０．１Aとなるように制御される。このとき、電圧診断時における第２降圧回路２の損失は、（６V−５V）×０．１A＝０．１Wと低く抑えられる。電圧診断の結果、正常と判定されて通常の起動ルーチンへ切り替わると消費電流は１Aへと上昇し、第２降圧回路２の損失も（６V−５V）×１A＝１Wへと上昇する。
【００２２】
一方、第１降圧回路１が故障して降圧動作ができなくなった場合、図４に示すように第１降圧回路１の出力電圧V1は入力電圧Vinと同じ１４Vとなってしまう。このとき、第２降圧回路２の入力電圧は１４Vとなるが出力電圧V2は５Vに維持され、入出力の電圧差は９Vと増加する。しかし、電圧診断時の消費電流が０．１Aに低減されているため、第２降圧回路２の損失は（１４V−５V）×０．１A＝０．９Wと低く抑えられている。
【００２３】
ところで、従来の電源装置の場合、ＣＰＵ３は通常の起動ルーチンで動作し、周辺回路７も電源遮断状態とされないので、ＥＣＵ５の消費電流は起動時から１Aとなる。そのため、第１降圧回路１が故障したときの第２降圧回路２の損失は（１４V−５V）×１A＝９Wと通常（１W）よりも大きくなり、第２降圧回路２の温度が急増して故障する場合があった。しかし、本実施の形態の場合には、図４に示すように０．９Wと通常と同程度の損失に抑えられ、第１降圧回路１の故障が第２降圧回路２へと波及するのを防止することができる。
【００２４】
［変形例１］
上述した実施の形態では、起動から電圧診断により正常と判定されるまでは、スイッチ８をオフ状態にして周辺回路７を電源遮断状態とし、ＥＣＵ５の消費電力を低減するようにしている。しかし、起動からＣＰＵ３の初期設定が終わるまでは、ＥＣＵ５の消費電流のほとんどをＣＰＵ３の消費電流が占めており、そのＣＰＵ３は低消費電流状態で動作しているので、起動時にスイッチ８をオン状態としてもＥＣＵ５の消費電流はそれほど増加しない。
【００２５】
そこで、起動時にはスイッチ８をオン状態としておき、異常と判定されたときにスイッチ８をオフして周辺回路７への電力供給を遮断するようにしても良い。たとえば、ＣＰＵ３の起動とは無関係に起動する周辺回路がある場含には、ＣＰＵが異常を検出した場合にその周辺回路ヘの電力供給を遮断するのが好ましい。
【００２６】
［変形例２］
上述した実施の形態では、図２に示したように第１降圧回路１が異常と判断された場合には、ＥＣＵ５自体の電源を遮断するように制御したが、遮断を行わずに低消費電流状態を維持するようにしても良い。この場合、図４に示したように第２降圧回路２の損失（０．９W）は通常起動ルーチンにおける１Wよりも低いので、第２降圧回路２への故障の波及を防止できる。そして、その間に通信回路等により上位のＥＣＵへ異常発生を報知するようにしても良い。もちろん、そのような報知動作が終了したならば、電源遮断を行ってもかまわない。
【００２７】
［変形例３］
図５，６は第３の変形例を説明する図である。図５は、第２降圧回路２に用いられる降圧素子９の回路基板１１への組み付け状態を示したものである。降圧素子９は、回路基板１１上に設けられた熱容量部材１０に固定されている。一般的に、降圧素子９はそれ自体に放熱構造を備えているが、変形例３では、熱対策としてさらに金属ブロック等で構成される熱容量部材１０を設けた。それにより、発熱により温度上昇される部材の熱容量が増加し、降圧素子９の温度上昇の度合いを小さくすることができる。熱容量部材１０に与えられた熱は破線で示すような放熱パスを経由して、回路基板１１が固定された筐体１２へと放熱される。
【００２８】
図６は、熱容量部材１０を設けた場合の電圧Vin，V1，V2、ＥＣＵ５の消費電流、第２降圧回路２の損失および降圧素子９の温度のそれぞれの変化を示す図である。図６は、第１降圧回路１が故障して降圧動作ができなくなった場合を示している。ところで、ＣＰＵ３を低消費電流で動作させる場合に、ＣＰＵ内部の周辺モジュールのどれが停止でき、そのときの消費電流がどの程度になるかはＣＰＵによってそれぞれ異なる。また、起動開始時から周辺回路７に電源を供給するような構成とした場合に、消費電流は図３，４に示した場合に比べて大きくなる。図６では、ＣＰＵ３を低消費電流で動作させ、かつ、起動開始時から周辺回路７に電源を供給した場合を想定し、そのときの消費電流が０．５Aであるとして示した。
【００２９】
電源を再投入すると、第１降圧回路１が故障しているため、第２降圧回路２の入力電圧V1は１４Vとなる。その結果、第２降圧回路２の損失は（１４V−５V）×０．５A＝４．５Wとなり、通常損失（１W）の４．５倍にも増加する。このように損失が増大すると降圧素子９の温度上昇はより激しくなり、電圧診断を行っている最中に降圧素子９の許容温度を越えて素子故障を招いてしまう。
【００３０】
しかしながら、上述したように、熱容量部材１０を設けたことによって降圧素子９に発生した熱を熱容量部材１０に逃がすことができ、降圧素子９の時間当たりの温度上昇をより小さくすることができる。その結果、電圧診断に要する時間Ｔdegが経過した後の降圧素子９の温度を、素子許容温度Taよりも低く抑えることができる。このように、熱容量部材１０を設けたことで、起動時におけるＣＰＵ３の消費電力低減が不十分であっても、電圧診断中に降圧素子９の温度が許容温度Taを越えるのを防止することができる。
【００３１】
なお、変形例３では起動時に周辺回路７への電源供給を行うような構成としているので、熱容量部材１０を付加してもなお電圧診断中に素子温度が許容温度Taを越えてしまうような場合もある。その場合には、前述したように周辺回路７への電源供給を遮断して消費電流を０．５Aよりも小さくすることにより、素子温度の上昇を抑えることができる。
【００３２】
《故障報知について》
上述したように、電圧診断により第１降圧回路１が故障と判定された場合には、遮断回路６のスイッチ６１をオフして電源供給をストップするだけでなく、低消費電流状態を保持して上位のＥＣＵへ異常発生情報を送信し、異常が発生したことをユーザに報知するのが好ましい。また、異常発生時の保守性を考慮すると、異常状態の報知内容は極力詳細であることが望ましい。そうすることにより、故障箇所を正しく把握でき、必要最低限の部品を交換するだけで済む。
【００３３】
ところで、故障と判定されたときにスイッチ６１をオフしてＥＣＵ５の電源を遮断した場合、上位ＥＣＵに詳細情報を送信することは難しい。そこで、図７に示すような報知装置２０を設けることにより、車両のメータパネル等に警告灯を点灯させることが可能となる。図７において、Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３はスイッチング素子として機能するトランジスタであり、２１は警告灯である。
【００３４】
トランジスタＱ１は、ＥＣＵ５に設けられた第１降圧回路１が正常な場合にオンするように設定されている。そのため、トランジスタＱ２もオンとなり、トランジスタＱ３はベース−エミッタ間がショートされてオフ状態となって警告灯２１は消灯する。一方、第１降圧回路１が故障と診断されて図１のスイッチ６１がオフされると、ＣＰＵ３の電源がオフされてベース電流が供給されなくなりトランジスタＱ１はオフ状態となる。その結果、トランジスタＱ２もオフ状態となってトランジスタＱ３のベースが地絡され、トランジスタＱ３がオン状態となって警告灯２１が点灯する。
【００３５】
以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、電圧検出回路４は検出部を、ＣＰＵ３は判定手段および制御手段を、ＥＣＵ５は負荷回路を、ＣＰＵ３の周辺モジュールは第１の負荷回路を、周辺回路７は第２の負荷回路をそれぞれ構成する。なお、以上の説明はあくまでも一例であり、発明を解釈する際、上記実施の形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係に何ら限定も拘束もされない。例えば、上述した実施の形態では車両に搭載される電源装置を例に説明したが、本発明は車両用に限らず適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明による電源装置の一実施の形態を示すブロック図である。
【図２】ＣＰＵ３の制御動作を示すフローチャートである。
【図３】第１降圧回路１が正常な場合の、電源再投入後の電圧Vin，V1，V2、負荷５の消費電流および第２降圧回路２の損失の変化を示す図である。
【図４】第１降圧回路１が故障している場合の、電源再投入後の電圧Vin，V1，V2、ＥＣＵ５の消費電流および第２降圧回路２の損失の変化を示す図である。
【図５】変形例３を説明する図であり、第２降圧回路２に用いられる降圧素子９の回路基板１１への組み付け状態を示したものである。
【図６】熱容量部材１０を設けた場合の電圧Vin，V1，V2、ＥＣＵ５の消費電流、第２降圧回路２の損失および降圧素子９の温度のそれぞれの変化を示す図である。
【図７】報知装置２０を説明する図である。
【符号の説明】
【００３７】
１：第１降圧回路
２：第２降圧回路
４：電圧検出回路
５：ＥＣＵ
６：遮断回路
７：周辺回路
９：降圧素子
２０：報知装置
６２：保持回路
【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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【図６】
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【図７】
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