車載用降壓開關電源、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，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電源，具備開關頻率控制單元，所述開關頻率控制單元具備：開關頻率范圍設定部，其使開關頻率在fa至fb之間進行變化；和開關頻率路徑設定部，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】車載用降壓開關電源、車載用電子控制裝置、以及怠速停止系統(tǒng)

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種車載用降壓開關電源、搭載車載用降壓開關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】
[0002]在普通的車載用降壓開關電源中，對向主開關的柵極輸入的PWM信號的占空比(D:開關周期⑴與接通期間CU的比(D = Ton/T))進行控制來調整降壓比。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，由于開關元件的最小接通/斷開過渡時間的制約、因自舉電路(bootstrap circuit)而引起的確保主開關的柵極驅動電壓的制約，因而無法將主開關元件的接通/斷開期間設置為零，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，則開關電源變得無法執(zhí)行正常的動作。作為解決該問題的方法提出了例如專利文獻I中記載的方法。專利文獻I所記載的方法，通過根據(jù)在用于生成MOSFET的柵極驅動電壓的自舉電路中產(chǎn)生的電壓而使MOSFET的開關頻率(F-sw)改變，從而能夠穩(wěn)定地使開關元件驅動。
[0003]在先技術文獻
[0004]專利文獻
[0005]專利文獻1:日本特開平10-56776號公報


【發(fā)明內容】

[0006]發(fā)明要解決的技術課題
[0007]車載用電子設備中，為了防止因設備自身產(chǎn)生的電磁噪聲而引起的其他電子設備的誤動作、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，設置了更嚴格的限制值。
[0008]在如專利文獻I那樣與自舉電壓(bootstrap voltage)成比例地對F_sw進行控制的情況下，F(xiàn)-sw能取穩(wěn)態(tài)驅動時的開關頻率(F-swl)以下的所有頻率。即，在對存在于比某個通信頻帶FB-coml高的頻帶的FB-rest設定了 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等的由低電壓進行驅動的負載，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的主要原因，能列舉主線圈的電流波動而引起的電壓波動(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，則會成為過大的AVwt，輸出變得不穩(wěn)定。如專利文獻I所示那樣，根據(jù)對自舉電壓進行監(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，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手段
[0012]用于解決上述課題的本發(fā)明的車載用降壓開關電源，具備:第一開關元件，其用于對輸入電壓向輸出側的導通以及不導通進行切換；開關頻率控制電路，其輸出所述第一開關元件進行切換動作的開關頻率；和整流單元，其在所述第一開關元件為不導通時，進行整流動作使得在輸出側的路徑生成循環(huán)電流，所述車載用降壓開關電源的特征在于，所述開關頻率控制電路具備:開關頻率范圍設定部，其使所述開關頻率在fa至fb之間進行變化；和開關頻率路徑設定部，其根據(jù)所述輸入電壓使所述開關頻率進行變化，且將所述開關頻率設定為途經(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，也能實現(xiàn)穩(wěn)定的降壓開關動作，而且能夠對電磁噪聲進行抑制。

【專利附圖】

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

【具體實施方式】
[0019]在車載用降壓開關電源中，根據(jù)其動作會產(chǎn)生因在輸入側的正極與負極之間產(chǎn)生的電壓波動以及布線的電流波動而引起的電磁噪聲。由頻譜分析儀等的測量設備觀測的噪聲譜在開關頻率(F-sw)具有最大的噪聲強度。
[0020]在車載用電子設備中，為了防止因設備自身產(chǎn)生的電磁噪聲而引起的其他電子設備的誤動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，設置了更嚴格的限制值。
[0021]在如現(xiàn)有技術那樣與自舉電壓成比例地對F-sw進行控制的情況下，F(xiàn)-sw能取穩(wěn)態(tài)驅動時的開關頻率(F-swl)以下的所有頻率。即，在對存在于比某個通信頻帶FB-coml高的頻帶的FB-rest設定了 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，能采取增加輸入側電容器的電容等的方法，但會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等的由低電壓進行驅動的負載，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的主要原因，能列舉因主線圈的電流波動而引起的電壓波動(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，則會成為過大的Λ Vrat，輸出變得不穩(wěn)定。如專利文獻I那樣，根據(jù)對自舉電壓進行監(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)明的實施方式，采用附圖進行說明。
[0024]【實施例1】
[0025]以下，根據(jù)附圖針對本發(fā)明的車載用降壓開關電源的第I實施方式采用圖1、圖2進行詳細說明。圖1表示第一實施方式的具備車載用降壓開關電源的車載用控制裝置的電源電路的結構圖。
[0026]車載用控制裝置，與作為車載電源的電池500連接，具備:輸入側電容器600、降壓開關電源電路1、輸出側電容器700、和負載800。降壓開關電源電路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的柵極驅動信號進行開關從而進行降壓動作，從輸入側電容器600的電壓600B降壓為輸出側電容器700的電壓700B。在M0SFET111為導通狀態(tài)時，輸入側和輸出側導通。在截止狀態(tài)時，輸入側和輸出側不導通，在含有主線圈113、輸出側電容器700、和M0SFET112的閉路生成循環(huán)電流。通過對M0SFET111的導通期間和截止期間進行控制，從而控制輸出電壓。
[0028]M0SFET112與M0SFET111同步地進行開關動作，在M0SFET111為導通狀態(tài)時，M0SFET112被控制成為截止狀態(tài)，在M0SFET111為截止狀態(tài)時，M0SFET112被控制成為導通狀態(tài)。也可以代替M0SFET112而設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被動地同步的開關而工作的陽極端子與輸入側電容器600的負極連接。其中，進行同步整流的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:柵極驅動器121、PWM控制電路122、和開關頻率控制電路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信號的占空比D輸出給柵極驅動器121，開關頻率控制電路123具備:頻率范圍設定部125和頻率路徑設定部124，將與輸入電壓600B相應的開關頻率F-sw輸出給柵極驅動器121，柵極驅動器121基于被輸入的占空比D和開關頻率F-sw，輸出M0SFET111和M0SFET112的柵極驅動信號。在將M0SFET111導通時，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，頻率范圍設定部125和頻率路徑設定部124，作為由微機、邏輯電路或者模擬電路構成的設定單元。
[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 ;輸入端與輸入側電容器600的正極連接的電壓調整電路133 ;陽極與電壓調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的陰極側的端與柵極驅動器連接。利用通過M0SFET111的開關而產(chǎn)生變動的源極-GND間電壓，將電容器131的電荷提供給柵極驅動器121。
[0031]以下，米用圖2所不的輸入電壓600B(輸入電壓)對應的開關頻率F-sw、以及Δ Vout (700B的電壓波動)，對第一實施方式中的動作進行說明。事先通過頻率范圍設定部，將F-sw的范圍設定為從fa到fb。另外，通過頻率路徑設定部，在輸入電壓600B為Vl以上的范圍內固定在fa，在從Vl至V2的范圍內，設定fc使得輸出電壓700B的電壓波動AVwt保持電壓波動Λ Vl，在從V2至V3的范圍內設定為fe，在從V3至V4的范圍內設定為fb。另外，fd至fe的頻帶，考慮從輸入側向外部發(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，F(xiàn)_sw被固定在fa。在此，在F-sw = fa時，即使輸入電壓600B為輸入電壓的上限值Vmax，也調整電路常數(shù)，使得AVrat比根據(jù)負載側的要求而決定的輸出波動的容許上限值低。隨著輸入電壓600B的變低，主線圈113的電流波動降低，輸出電壓700B的電壓波動AVwt降低。在輸入電壓600B為Vl以下的區(qū)域，將F-sw調整成為fa和fb的中間的頻率fc，使得輸出電壓波動成為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，F(xiàn)-sw為fc，若輸入電壓600B小于V2，則F-sw —下變成fe。此時，AVtjutWAVl增加(fd/fe)倍，成為AV2，但被調整為不超過在V2至V3的范圍內，設為fc=fe，若輸入電壓600B小于V3，則F-sw變成fb。在此，fb設置為比自舉電路的電容器131的放電時間常數(shù)充分短的周期。這樣，能夠不必在意自舉電壓的降低地設定頻率。以上，針對電壓降低時的頻率控制方法進行了說明，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來設定開關頻率。
[0033]以下，示出將無線電或通信等中使用的頻帶假設為10k~300kHz、假設輸出電壓容許波動AV_limit = 20[mV]、假設自舉電路的電容器131的放電時間常數(shù)為0.l[s]、假設輸入側電壓為600B = 6~18 [V]、假設輸出電壓700B = 6 [V]、假設fa = 460kHz、假設主M0SFET111的最小截止時間Toffjnin = 250 [ns]、假設主線圈電感L113 = 20 [μ H]、假設輸出側電容器700的等效串聯(lián)電阻ESR700 = 40[πιΩ]的情況下的設定例。
[0034]fb被設定為能夠確保穩(wěn)定的開關動作所需的截止時間Irff的值。fb越低，越能夠擴大占空比容許幅度，但需要設置為比電容器131的放電時間常數(shù)充分短的周期，因此在本實施例中，設置為例如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變更。
[0035]在此，輸出電壓波動AVtjut的計算式(式I)、主FET截止期間Irff的計算式(式2)，能夠表示為如下。另外，(式I)中，假設對輸出側電容器700的電容的充放電電荷所引起的電壓變動分量(AV= AQ/C)較小而忽略，但根據(jù)需要也可以考慮。
[0036]【式1】

【權利要求】
1.一種車載用降壓開關電源，具備:第一開關元件，其用于對輸入電壓向輸出側的導通以及不導通進行切換；開關頻率控制電路，其輸出所述第一開關元件進行切換動作的開關頻率；和整流單元，其在所述第一開關元件為不導通時，進行整流動作使得在輸出側的路徑生成循環(huán)電流，所述車載用降壓開關電源的特征在于， 所述開關頻率控制電路具備: 開關頻率范圍設定部，其使所述開關頻率在fa至低于fa的fb之間進行變化；和 開關頻率路徑設定部，其根據(jù)所述輸入電壓使所述開關頻率進行變化，且將所述開關頻率設定為途經(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)權利要求1所述的車載用降壓開關電源，其特征在于， 在所述輸入電壓為預先設定的閾值以上時，所述開關頻率設定為fa，在所述輸入電壓為所述閾值以下時，所述開關頻率設定為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)權利要求1所述的車載用降壓開關電源，其特征在于， 在所述輸入電壓為預先設定的閾值以上時，所述開關頻率設定為fa，在所述輸入電壓為所述閾值以下時，所述開關頻率設定為fc，fc是位于fa與fb之間的固定值。
4.根據(jù)權利要求1至3中任一項所述的車載用降壓開關電源，其特征在于， 所述開關頻率控制部根據(jù)所述輸入電壓使開關頻率的變化開始或者結束。
5.根據(jù)權利要求1至3中任一項所述的車載用降壓開關電源，其特征在于， 具備:主線圈；和在接通期間Tm將勵磁電流通電至所述主線圈的所述第一開關元件， 所述開關頻率控制單元根據(jù)所述第一開關元件斷開的期間Irff,使開關頻率的變化開始或者結束。
6.根據(jù)權利要求1至5中任一項所述的車載用降壓開關電源，其特征在于， 將至少一部分電路內置于半導體集成電路中。
7.一種車載用電子控制裝置，其特征在于，具備權利要求1至6中任一項所述的車載用降壓開關電源。
8.根據(jù)權利要求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電源的輸入側和輸出側分別具備陶瓷電容器，且通過樹脂對至少一部分部件進行密封。
9.一種怠速停止系統(tǒng)，其特征在于， 具備權利要求7或8所述的車載用電子控制裝置。
【文檔編號】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)株式會社