专利名称：开关装置及其控制方法
技术领域：
本发明涉及开关装置，特别涉及具备UVLO(低电压误动作防止)功能的开关装置及其控制方法。
背景技术：
日本专利公开公报特开2000-114039号中所示的开关装置是检测在作为负载的螺线管中流过的负载电流，为了减小从个人计算机输入的控制目标值与负载电流的偏差， 对开关原件进行PWM控制的螺线管驱动装置。此外，在日本专利公开公报特开2004_2四47号中公开了当向控制电路提供的电源电压低于预定值时，控制电路停止动作，防止开关装置中的控制电路的误动作。这样的功能被称为UVLO(防止低电压误动作)功能，已知组合在上述的螺线管驱动装置中。使用图1、图2说明相关的开关装置中UVLO功能的动作。图1以及图2是表示相关的开关装置的动作的流程图以及波形图。VB’是向控制电路提供的电源电压，Vth'是用于停止控制电路的预定值，Vamin’是控制电路的最低动作电压，IL’是在螺线管中流过的负载电流，VG'是用于对开关元件进行开关控制的栅极驱动信号。首先，在步骤SlOl中，开关装置进行通常动作。即，当直流电压VB’上升时，控制电路为了对螺线管提供电力，开始开关元件的PWM控制，输出交替重复H (高)电平和L (低) 电平的脉冲信号，即栅极驱动信号VG’。此外，当栅极驱动信号VG’是H电平时，开关元件成为接通状态，对应开关元件的动作负载电流IL’发生增减。在步骤S102中，控制电路调查电源电压VB’是否低于预定值Vth’。如果电源电压 VB’在预定值Vth’以上，则在步骤SlOl中开关装置继续进行通常动作。另一方面，在电源电压VB’低于预定值Vth’时，在步骤S103中控制电路停止动作。即，在图2所示的时刻tl’，当由于为图示的周边设备的动作状况，直流电压VB’降低并低于预定值Vth’时，控制电路输出用于停止开关元件的动作的L电平的栅极驱动信号 VG，。在步骤S104中，控制电路调查电源电压VB’是否在预定值Vth’以上。如果电源电压VB’在预定值以上，则在步骤S105中控制电路再次开始开关元件的动作。反之，当电源电压VB’低于预定值Vth’时，在步骤S103中控制电路继续停止开关元件的动作。即，在图2所示的时刻tl’到时刻t2’的期间，即直流电压VB’低于预定值Vth’ 的期间，控制电路为了维持开关元件的动作停止，栅极驱动信号VG’维持L电平。之后，在时刻t2’，当直流电压VB’高于预定值Vth’时，控制电路再次开始开关元件的PWM控制，输出栅极驱动信号VG’。伴随开关元件的动作的再次开始，负载电流IL’发生增减。在步骤S106中，与步骤SlOl相同，开关装置进行通常动作。相关的具备UVLO功能的开关装置通过重复这样的动作，防止在直流电压VB’降低时控制电路的误动作。
发明内容
但是，构成控制电路的各元件分别具有不同的最低动作电压(能够正常动作的电压的下限值)。以各元件的最低动作电压中的最高值为基准设定用于停止控制电路的预定值vth’。例如，相关的开关装置中的预定值Vth’以检测负载电流的放大器的最低工作电压值为基准，设定为比该最低工作电压值高的值。因此，相关的具备UVLO功能的开关装置因为较高地设定预定值Vth’，所以存在能够控制螺线管的电压范围狭窄的问题。本发明是为了解决上述问题而提出的。因此，根据本发明，可以提供具备能够在更宽的电压范围内进行动作的UVLO功能的开关装置。根据本发明的一个实施方式，提供一种开关装置，其具有输出直流电压的直流电压输出单元；用于向负载提供所述直流电压的开关元件；检测从所述开关元件对所述负载提供的电力的电力检测单元；根据所述电力检测单元的输出对所述开关元件进行PWM控制的驱动单元；以及在所述直流电压的值小于第一阈值时停止所述PWM控制的停止单元，所述开关装置的特征在于所述第一阈值小于所述电力检测单元的最低工作电压值。此外，根据本发明的另一实施方式，提供一种开关装置的控制方法，该开关装置为了向负载提供直流电压，对开关元件进行PWM控制，该控制方法的特征为根据检测从所述开关元件向所述负载提供的电力的电力检测单元的输出，对所述开关元件进行PWM控制， 并且，在所述直流电压的值小于比所述电力检测单元的最低工作电压值小的第一阈值时， 停止所述PWM控制。
图1是表示相关的开关装置的动作的流程图。图2是表示相关的开关装置的各部的动作的波形图。图3是表示本发明的实施方式的开关装置的结构的电路结构图。图4是表示本发明的实施方式的开关装置的动作的流程图。图5是表示本发明实施方式的开关装置的各部的动作的波形图。
具体实施例方式参照
本发明的实施方式。在以下附图的记载中，对相同或者类似的部分赋予相同或者类似的符号。此外，附图是示意表示的附图。使用图3说明本发明实施方式的开关装置的结构。图3所示的本实施方式的开关装置具备作为对控制电路以及其它负载提供电力的直流电压输出单元的电池1 ；在电池1和螺线管(负载)6之间进行开关的开关元件2 ；检测在螺线管6中流过的电流的电流检测单元(电力检测单元)3 ；根据电流检测单元3的输出和从个人计算机7输入的控制目标值对开关元件2进行PWM控制的驱动单元4 ；以及检测直流电压VB的降低停止驱动单元4的PWM控制的停止单元5。电流检测单元3、驱动单元4以及停止单元5构成控制电路100。电池1是充电电池，向开关元件2的漏极端子以及控制电路100输出直流电压VB。 还可以代替电池1，设置对商用电源进行整流输出直流电压的电路。
开关元件2是M0SFET，漏极端子与电池1连接，根据从控制电路100输入到栅极端子的脉冲信号形成的栅极驱动信号VG，从源极端子断续地对电流检测单元3以及螺线管6 输出直流电压VB。作为开关元件2，还可以使用双极晶体管或IGBT (绝缘栅极双极晶体管)等。电流检测单元3具备电流检测电阻31和电流检测放大器32。电流检测电阻31的一端与开关元件2的源极端子连接，另一端与作为负载的螺线管6的一端连接。电流检测电阻31检测在螺线管6中流过的负载电流IL，作为电压信号输出到电流检测放大器32的输入端子。电流检测放大器32通过直流电压VB驱动，放大输入到反转输入端子和非反转输入端子的电压信号，作为检测信号输出给驱动单元4。此外，电流检测放大器32具有最低动作电压Vamin，在直流电压VB高于Vamin时正常检测负载电流IL。驱动单元4具备运算电路41、与门(AND)电路42、驱动电路43。运算电路41与从个人计算机7输入的时钟信号同步，根据从电流检测单元3输入的检测信号和从个人计算机7输入的控制目标值来计算由脉冲信号形成的栅极驱动信号VG的占空比(接通宽度)， 向与门电路42的一方的输入端子输出基于运算结果的PWM信号。与门电路42的另一输入端子与停止单元5连接，输出端子与驱动电路43连接。驱动电路43被施加通过未图示的电荷泵电路对直流电压VB进行升压后的电压，把与门电路42的输出作为栅极驱动信号VG 输出给开关元件2的栅极端子。运算电路41具有比电流检测放大器32的最低动作电压Vamin大的阈值Vth2(第二阈值)，具有根据直流电压VB与阈值Vth2的比较结果进行动作的采样保持部(未图示)。 在直流电压VB高于阈值Vth2时，采样保持部与从个人计算机7输入的时钟信号同步，周期地进行占空比信息(运算结果)的重置和保持，对与门电路42输出基于保持的占空比信息的PWM信号。此外，在直流电压VB低于阈值Vth2时，采样保持部保持直流电压VB低于阈值Vth2之前的占空比信息，停止重置与保持的重复。S卩，在Vth2>VB时，运算电路41向与门电路42输出占空比恒定的PWM信号。停止单元5具有阈值Vthl (第一阈值)，对从电池输入的直流电压VB进行分压后与阈值Vthl进行比较，将比较结果作为停止信号输出给与门电路42的另一输入端子。图 3所示的停止单元5在直流电压VB高于阈值Vthl时输出H(高)电平的停止信号，在直流电压VB低于阈值Vthl时输出(低)电平的停止信号。把阈值Vthl设定为小于电流检测放大器32的最低动作电压Vamin，并且大于除了构成控制电路100的电流检测放大器32以外的各元件的最低动作电压的值。螺线管6的一端与电流检测电阻31的另一端连接，另一端接地。螺线管6是根据负载电流IL的大小得到预定的位移量的螺线管(actuator)。此外，与螺线管6并联连接未图示的再生二极管。个人计算机7向驱动单元4输出控制目标值以及控制时钟信号。然后，使用图4以及图5，说明本实施方式的开关装置的动作。图4以及图5是表示图3所示的本发明的开关装置的动作的流程图以及波形图。首先，在步骤Sl中，开关装置进行通常动作。即，当直流电压VB上升时，作为通常的动作，驱动单元4为了向螺线管6提供电力，开始开关元件2的PWM控制，输出交替重复 H(高)电平和L(低)电平的脉冲信号，即栅极驱动信号VG。此外，根据开关元件的动作负载电流IL发生增减。在步骤S2中，运算电路41计算占空比(接通宽度)以使电流检测单元3的检测信号接近个人计算机7的控制目标值，通过采样保持功能周期地重复占空比信息的重置和保持，向与门电路42输出基于保持的占空比信息的PWN信号。在步骤S3中，控制电路100调查电源电压VB是否低于阈值Vth2。如果电源电压 VB在阈值Vth2以上，则在步骤S2中开关装置进行通常动作，运算电路41周期地重复采样保持部的占空比信息的重置和保持。另一方面，在电源电压VB低于阈值Vth2时，在步骤S4 中，运算电路41停止采样保持部的占空比信息的重置和保持。并且，在步骤S5中，控制电路100通过在直流电压VB低于阈值Vth2之前保持的占空比，对开关元件2进行PWM控制。S卩，当在图5所示的时刻tl，由于未图示的周边设备的动作状况导致直流电压VB 降低并低于阈值Vth2时，运算电路41停止占空比信息的重置和保持的重复。因此，栅极驱动信号VG的占空比等于直流电压VB低于阈值Vth2的时刻tl之前保持的占空比。在步骤S6，控制电路100调查电源VB是否低于阈值Vth2。如果电源电压VB在阈值Vth2以上，则在步骤S12中运算电路41通过采样保持功能再次开始占空比信息的重置和保持，并且，在步骤S13中开关装置进行通常动作。另一方面，在电源电压VB低于阈值 Vth2时，控制电路100继续通过直流电压VB低于阈值Vth2之前的占空比对开关元件2进行PWM控制，并且，在步骤S7中，停止单元5调查电源电压VB是否低于阈值Vthl。在步骤S7中，如果电源电压VB为阈值Vthl以上，则在步骤S5中控制电路100继续通过直流电压VB低于阈值Vth2之前的占空比对开关元件2进行PWM控制。另一方面， 在电源电压VB低于阈值Vthl时，在步骤S8中控制电路100通过停止单元5停止开关元件 2的PWM控制。从时刻tl开始直流电压VB进一步降低，当在图5所示的时刻t2，低于电流检测放大器32的最低动作电压Vamin时，电流检测放大器32无法正常地检测负载电流IL。此时，直流电压VB大于阈值Vthl，所以控制电路100继续通过恒定的占空比对开关元件2进行PWM控制。S卩，在图5所示的从时刻tl至时刻t3的期间，与电流检测放大器32的输出无关， 控制电路100通过基于在时刻tl之前通过采样保持功能保持的占空比信息的栅极驱动信号VG，对开关元件2进行PWM控制。然后，从时刻t2开始直流电压VB进一步降低，当在图5所示的时刻t3低于阈值 Vthl时，停止单元5输出L(低)电平的停止信号。因此，在从时刻t3到时刻t4的期间，与运算电路41的输出无关，与门电路42的输出成为L电平，驱动电路43输出的栅极驱动信号VG成为L电平。S卩，控制电路100停止开关元件2的PWM控制。在步骤S9中，控制电路100调查电源电压VB是否在阈值Vthl以上。如果电源电压VB在阈值Vthl以上，则停止单元5的输出成为H(高)电平，所以在步骤SlO中与步骤 S5相同，控制电路100通过直流电压VB低于阈值Vth2之前的占空比对开关元件2进行PWM 控制。另一方面，在电源电压VB低于阈值Vthl时，在步骤S8中控制电路1继续停止开关元件2的动作。S卩，在图5所示的从时刻t3到时刻t4的期间，即在直流电压VB低于阈值Vthl的期间，控制电路100通过停止单元5维持开关元件2的动作停止，所以将栅极驱动信号维持
6VG为L电平。然后，在图5所示的时刻t4，直流电压VB上升，当超过阈值Vthl时，停止单元5输出H(高)电平的停止信号。因此，驱动单元4输出基于运算电路41输出的PWM信号的栅极驱动信号VG，再次开始开关元件2的PWM控制。此时，运算电路41停止了占空比信息的重置和保持的重复，所以根据通过采样保持功能保持的占空比信息，输出与时刻tl之前相等的占空比的PWM信号。在步骤Sll中，控制电路100调查电源电压VB是否为阈值Vth2以上。如果电源电压VB在阈值Vth2以上，则在步骤S12中运算电路41通过采样保持功能再次开始占空比信息的重置和保持的重复。另一方面，在电源电压VB低于阈值Vth2时，在步骤SlO中控制电路100继续通过直流电压VB低于阈值Vth2之前的占空比对开关元件2进行PWM控制。S卩，在图5所示的时刻t5，直流电压VB比时刻t4进一步上升，当超过阈值Vth2 时，作为通常动作，运算电路41通过采样保持功能再次开始占空比信息的重置和保持的重复。因此，驱动单元4与时刻tl以前相同，根据电流检测单元3的检测信号和个人计算机 7的控制目标值，对开关元件2进行PWM控制。在步骤S13中，与步骤Sl相同，开关装置进行通常动作。本发明的实施方式的开关装置通过重复这样的动作，即使在直流电压VB低于直流检测放大器32的最低动作电压Vamin、电流检测单元3容易变成不稳定动作的期间，也可以对开关元件2进行PWM控制，继续驱动螺线管6。 本发明的开关装置具有以下的效果。(i)把用于停止开关元件2的阈值Vthl设定为低于电流检测放大器32的最低动作电压Vamin。因此，能够把具有UVLO (低电压误动作防止)功能的开关装置的动作电压范围扩展到低电压侧。(ii)在直流电压VB为阈值Vth2以下时，驱动单元4通过与直流电压VB低于阈值Vth2之前相等的占空比(接通宽度)对开关元件2进行PWM控制。因为将阈值Vth2设定为高于电流检测放大器32的最低动作电压Vamin，所以难以产生由于电流检测放大器32 的误动作等引起的负载电流IL的激增或骤减，可以良好地驱动螺线管6。(iii)在控制电路100再次开始动作时，按照保持的占空比对开关元件2进行PWM 控制，所以与通过最小占空比再次开始PWM控制的情况相比，可以使负载电流IL的上升提前。(iv)在控制电路100再次开始动作时，按照保持的占空比对开关元件2进行PWM 控制，所以与通过最大占空比再次开始PWM时相比，可以防止由于过电流使螺线管6损坏。以上说明了本发明实施方式的一例，但是本发明并不限于该特定的实施方式，在权利要求记载的本发明的范围内，可以进行各种变形和变更。例如，本发明可以用于例如把螺线管以外的电动机、LED或电灯等作为负载的开关装置或检测负载电压进行控制的开关装置。此外，作为通过一定的占空比(接通宽度)对开关元件2进行PWM控制的单元，可以继续占空比信号的重置和保持的重复，保持个人计算机7的控制目标值和电流检测单元3 的检测信号。此外，作为使控制电路100的PWM控制停止的单元，可以根据停止单元5的停止信号使驱动电路43停止，还可以根据停止信号使开关元件2与驱动电路43之间开路。如上所述，根据本发明，可以提供具备能够在更宽的电压范围内动作的UVLO功能的开关装置。(美国指定)本国际专利申请涉及美国指定，根据2009年4月M日申请的日本专利申请第 2009-106464号(2009年4月M日申请)，享有基于美国专利法第119条(a)的优先权的好处，引用其公开的内容。
权利要求
1.一种开关装置，其具有 输出直流电压的直流电压输出单元； 用于向负载提供所述直流电压的开关元件；检测从所述开关元件对所述负载提供的电力的电力检测单元； 根据所述电力检测单元的输出对所述开关元件进行PWM控制的驱动单元；以及在所述直流电压的值小于第一阈值时停止所述PWM控制的停止单元， 所述开关装置的特征在于，所述第一阈值小于所述电力检测单元的最低工作电压值。
2.根据权利要求1所述的开关装置，其特征在于，所述开关装置具有高于所述电力检测单元的最低工作电压值的第二阈值， 在所述直流电压的值小于所述第二阈值时，所述驱动单元按照一定的占空比对所述开关元件进行控制。
3.根据权利要求2所述的开关装置，其特征在于，所述驱动单元周期地进行对所述开关元件进行PWM控制的占空比的保持和重置，并且在所述直流电压的值小于所述第二阈值时，所述驱动单元按照保持的占空比对所述开关元件进行控制。
4.根据权利要求1或2所述的开关装置，其特征在于， 所述负载是根据提供的电流得到预定的位移量的螺线管。
5.根据权利要求4所述的开关装置，其特征在于， 所述电力检测单元检测提供给所述负载的电流。
6.根据权利要求1或2所述的开关装置，其特征在于， 所述直流电压输出单元是电池。
7.一种开关装置的控制方法，该开关装置为了向负载提供直流电压而对开关元件进行 PWM控制，该控制方法的特征在于，根据用于检测从所述开关元件向所述负载提供的电力的电力检测单元的输出，对所述开关元件进行PWM控制，并且，在所述直流电压的值小于比所述电力检测单元的最低工作电压值小的第一阈值时，停止所述PWM控制。
全文摘要
开关装置，其具有输出直流电压的直流电压输出单元；用于向负载提供所述直流电压的开关元件；检测从所述开关元件对所述负载提供的电力的电力检测单元；根据所述电力检测单元的输出对所述开关元件进行PWM控制的驱动单元；以及在所述直流电压的值小于第一阈值时停止所述PWM控制的停止单元，该开关装置的特征在于所述第一阈值小于所述电力检测单元的最低工作电压值。
文档编号H02M3/00GK102171916SQ20108000278
公开日2011年8月31日 申请日期2010年3月24日 优先权日2009年4月24日
发明者佐藤清胜, 川口广明, 筱田祥宏 申请人:三垦电气株式会社