JP5757833B2 - スイッチ回路 - Google Patents

Description

本発明は、入力物理量に応じて“Ｈ”／“Ｌ”出力を切り替えるスイッチ回路の出力構成に関し、受信側回路の外付け部品点数の大幅な増加を招くことなく、また、Ａ／Ｄ変換入力端子を不要とした端子外れ・端子ショートの検出診断を容易にした構成に関する。

各種物理量に応じて出力論理の“Ｈ”／“Ｌ”出力を切り替えるスイッチＩＣが広く使われている。物理量は温度、照度、磁界など多岐に渡り、所定の基準値を上回るもしくは下回る物理量が入力されると出力論理電圧レベルを反転させるように回路が構成される。

アナログ信号処理を行うスイッチＩＣには高いダイナミックレンジが要求されるため比較的高い電源電圧が必要なのに対し、スイッチＩＣの出力を読み込むためのマイコンはＣＭＯＳプロセスの微細化に伴う素子耐圧低下のため、許容される電源電圧が比較的低く、出力回路形式としてはレベルシフトの目的でオープンドレイン出力形式が取られる。特にスイッチＩＣが産業・車載用途など過酷な環境で使用される場合、端子外れ検出機能が要求されている（例えば、特許文献１参照）。

図２に、従来のスイッチ回路を備えたホールセンサ装置の回路図を示す。従来のスイッチ回路を備えたホールセンサ装置は、ＥＣＵ（エンジンユニットコントローラ）２０１とアクチュエータ（ＡＣＴＲ）２０２とは、電源ライン２１０とＧＮＤライン２１１とを共通接続されている。電源ライン２１０には電源電圧ＶＢが印加されており、ＧＮＤライン２１１は接地されている。電源電圧ＶＢの電圧値は、たとえば１２Ｖである。またＥＣＵ２０１とアクチュエータ２０２とは、信号ライン２１２により接続されている。

ＥＣＵ２０１は、マイクロコンピュータ（マイコン）などの制御部２３０と、ダイオードＤ１、Ｄ２と、容量Ｃ１と、抵抗Ｒ５、Ｒ６を有している。制御部２３０は、判定部２３１（判定回路）と、マイコンＡ／Ｄポート２３２（測定回路）と、マイコン割込みポート２３３（検出回路）とを有している。アクチュエータ（ＡＣＴＲ）２０２は、ホールＩＣ２２４と、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４と、トランジスタＴＲ１を有している。

従来のスイッチ回路を備えたホールセンサ装置の動作について説明する。
抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４と抵抗Ｒ５とは、ホールＩＣ２２４から出力される信号の電圧を、接地電圧ＧＮＤと基準電圧ＶＣＣとの間の中間電位にする回路（電圧制御回路）として機能する。正常な場合にはトランジスタＴＲ１が導通状態となっているため、ホールＩＣ２２４がＯＦＦ（ＯＰＥＮ）の場合は、上述した中間電位の電圧は、接地電圧ＧＮＤと基準電圧ＶＣＣとを、抵抗Ｒ４と抵抗Ｒ５とで抵抗分圧された第１の電圧Ｖ１となる。またホールＩＣ２２４がＯＮの場合は、上述した中間電位の電圧は、抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４と抵抗Ｒ５とで抵抗分圧された第２の電圧Ｖ２となる。異常な場合にはマイコンＡ／Ｄポート２３２により測定される電圧は、基準電圧ＶＣＣと接地電圧ＧＮＤとの間の中間電位ではなく、中間電位よりも高い電圧または低い電圧となる。

このようにして、従来のスイッチ回路を備えたホールセンサ装置は、ホールＩＣ２２４が正常であるか異常であるかを判定することができる。

特開２０１０−２２６８４４号公報（図１）

従来のスイッチ回路では、多くの個別素子による回路が必要となり容易に検知できないという課題があった。本発明は、このような問題点を解決するために考案されたものであり、多くの個別素子による回路を用いることなく実現するものである。

スイッチ回路の出力ドライバと直列に電圧制限抵抗を挿入し、信号受信側の電源ラインに接続されたプルアップ抵抗との間で形成される抵抗分圧回路によって正常動作時の“Ｌ”レベルの下限・上限を規定することによってスイッチ回路内部で端子外れ状態を検出し、断線診断端子によって接続状態の異常を報知する。

本発明のスイッチ回路は、ゲートがセンサ回路に接続され、ドレインが第１の電圧制限抵抗に接続された第１の出力ドライバと、物理量検出信号出力端子と接地端子の間に接続された第２の電圧制限抵抗と、非反転入力端子が第１の基準電圧回路に接続され、反転入力端子が前記物理量検出信号出力端子に接続され、出力が論理回路に接続された第１の比較器と、反転入力端子が第２の基準電圧回路に接続され、非反転入力端子が前記物理量検出信号出力端子に接続され、出力が論理回路に接続された第２の比較器と、ゲートが前記論理回路の出力に接続され、ドレインが断線診断信号出力端子に接続された第２の出力ドライバで構成した。

本発明のスイッチ回路によれば、正常動作時の“Ｌ”レベルと端子外れ状態におけるＧＮＤレベルを容易に区別することが出来、システムの誤動作を未然に防ぐことが出来る。また、外付け部品点数増加によるコストを抑制することが出来る。

本実施形態のスイッチ回路を説明する構成図である。 従来のスイッチ回路を説明する構成図である。

以下、本実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態のスイッチ回路１と受信側のマイコン２０への接続を示す構成図である。スイッチ回路１は、物理量検出信号出力端子６と、断線診断端子４１と、センサ回路２と、第１の出力ドライバ３と、第１の電圧制限抵抗４と、第２の電圧制限抵抗５と、第１の比較器３３と、第１の基準電圧回路３１と、物理量検出信号線１０と、第２の比較器３４と、第２の基準電圧回路３２と、論理回路３７と、第２の出力ドライバ４０と、接地端子１０１で構成される。マイコン２０は、第１の入力端子２３と、第２の入力端子２４で構成される。

第１の出力ドライバ３はセンサ回路２の出力信号がゲート端子に入力され、ソースとバルクは接地端子１０１に接続され、ドレインには第１の電圧制限抵抗４が接続される。第１の電圧制限抵抗４のもう一方は、物理量検出信号線１０を介して物理量検出信号出力端子６に接続される。第２の電圧制限抵抗５は、一方が接地端子１０１に接続され、もう一方が物理量検出信号線１０を介して物理量検出信号出力端子６に接続される。第１の比較器３３は、非反転入力端子は第１の基準電圧回路３１の出力が接続され、反転入力端子は物理量検出信号線１０を介して物理量検出信号出力端子６に接続され、出力は論理回路３７に接続される。第２の比較器３４は、反転入力端子は第２の基準電圧回路３２の出力が接続され、非反転入力端子は物理量検出信号線１０を介して物理量検出信号出力端子６に接続され、出力は論理回路３７に接続される。論理回路３７の出力信号３８は第２の出力ドライバ４０のゲート端子に接続される。第２の出力ドライバは、ドレインは断線診断端子４１に接続され、ソース及びバルクは接地端子１０１に接続される。物理量検出信号線１０に接続される物理量検出信号出力端子６とマイコンの第１の入力端子２３、断線診断端子４１とマイコンの第２の入力端子２４は、物理量検出信号線５２と断線診断信号線５１を束ねたハーネス２１を経由して接続される。第１のプルアップ抵抗２２及び第２のプルアップ抵抗４２はそれぞれ物理量検出信号端子６及び断線診断端子４１と電源端子の間に接続される。

次に、本実施形態のスイッチ回路の動作について説明する。
＜通常動作時＞
センサ回路２は、スイッチ回路１に入力された対象物理量が所定の基準値を超えた検出状態において“Ｈ”もしくは“Ｌ”を、所定の基準値を下回った解除状態において“Ｌ”または“Ｈ”を出力する。第１の出力ドライバ３はゲート入力端子に“Ｈ”が入力されるとオン状態、“Ｌ”が入力されるとオフ状態となる。第１の出力ドライバ３がオン状態となったときに、第１の電圧制限抵抗４の抵抗値をＲ１、第２の電圧制限抵抗５の抵抗値をＲ２、第１のプルアップ抵抗２２の抵抗値をＲ３、電源電圧をＶＤＤ、オン状態における第１の出力ドライバ３の等価抵抗値をゼロ、オフ状態における第１の出力ドライバ３の等価抵抗値を無限大とすると、物理量検出信号線１０の電圧ＶＯＬは以下のように与えられる。
ＶＯＬ＝ＶＤＤ・（Ｒ１／／Ｒ２）／｛（Ｒ１／／Ｒ２）＋Ｒ３｝
＝ＶＤＤ・（Ｒ１・Ｒ２）／｛Ｒ１・Ｒ２＋Ｒ３（Ｒ１＋Ｒ２）｝ （１）
ここで、Ｒ１＜＜Ｒ２ならば、
ＶＯＬ＝ＶＤＤ・Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒ３） （２）
同様に、第１の出力ドライバがオフ状態となったときの物理量検出信号線１０の電圧ＶＯＨは以下のように与えられる。
ＶＯＨ＝ＶＤＤ・Ｒ２／（Ｒ２＋Ｒ３） （３）
例えば、９・Ｒ１＝Ｒ３＝Ｒ２／９なる関係を満たしているとき、
ＶＯＬ＝０．１・ＶＤＤ （４）
ＶＯＨ＝０．９・ＶＤＤ （５）
となる。受信側マイコン２０の第１の入力端子２３の論理しきい値は概ね０．２・ＶＤＤ及び０．８・ＶＤＤ程度であるので、式（４）、（５）で与えられる出力レベルは“Ｌ”レベル、“Ｈ”レベルとして判別可能である。

第１の比較器３３及び第２の比較器３４は、物理量検出信号線１０の電位がそれぞれ第１の基準電圧３１より高い側、第２の基準電圧３２よりも低い側となった場合に”Ｌ“を出力するように接続されている。第１の基準電圧をＶＲＥＦ１、第２の基準電圧をＶＲＥＦ２とすると、以下の式（６）、（７）のように設定することによって、通常動作時に第１の比較器３３の出力電圧３５及び第２の比較器３４の出力電圧３６はそれぞれ”Ｈ“を出力する。
ＶＲＥＦ１＝ＶＯＨ＋α （６）
ＶＲＥＦ２＝ＶＯＬ−α （７）

論理回路３７は出力電圧３５及び出力電圧３６の両者が“Ｈ”であるので、論理出力３８を“Ｈ”レベルとして出力する。第２の出力ドライバ４０はオン状態となり、マイコンの第２の入力端子２４には“Ｌ”レベルが入力される。マイコン側は第２の入力端子２４の電位が“Ｌ”レベルのときは、スイッチ回路１とマイコン２の接続状態が正常であると認識し、第１の入力端子２３の電圧を正常な物理量検出信号として処理する。

＜物理量検出信号線断線時＞
次に、ハーネス２１内の物理量検出信号線５２が損傷し、断線した場合の動作を示す。センサ回路２の出力レベルが“Ｈ”であり第１の出力ドライバ３がオン状態であるか、出力レベルが“Ｌ”であり第１の出力ドライバ３がオフ状態であるかに関わらず、第２の電圧制限抵抗５によって、物理量検出信号線１０は接地端子にプルダウンされているため、常に接地レベルとなる。そのとき、第２の比較器３４の出力電圧３６は“Ｌ”となり、論理回路３７は“Ｌ”を出力する。第２の出力ドライバ４０はゲート端子に“Ｌ”が入力され、オフ状態となり、マイコンの第２の入力端子２４には“Ｈ”レベルが入力される。このとき、マイコン２ではスイッチ回路１との接続に異常があると見なし、通常の処理を停止し、断線異常検出を報知する動作モードへと切り替わる。

＜断線診断信号線断線時＞
次に、ハーネス２１内の断線診断信号線５１が損傷し、断線した場合の動作を示す。断線診断信号線５１が断線すると、第２のプルアップ抵抗４２によって断線診断端子は強制的に“Ｈ”レベルとなる。このとき、マイコン２ではスイッチ回路１との接続に異常があると見なし、通常の処理を停止し、断線異常検出を報知する動作モードへと切り替わる。

第１のプルアップ抵抗２２は信号線５２の対接地間寄生容量との間に充放電時定数を持つため、アプリケーションによって要求される応答時間に応じてその抵抗値が選択される。電圧制限抵抗４、５の抵抗値は第１のプルアップ抵抗２２に合わせて式（４）（５）のような適切な比率を持つように設定される。前述の要求に合わせて選択されたプルアップ抵抗値に応じて、同一マスクセット上で電圧制限抵抗値を適切に設定するためには、予めパターン上に用意した冗長抵抗の電圧制限抵抗に対する接続本数を金属配線マスク変更によって変更してもよいし、レーザートリミングやヒューズカット、ツェナーザッピング等のトリミング工程で抵抗値を変更してもよい。

また、ＭＯＳトランジスタによるスイッチを用いて、冗長抵抗の両端を短絡する、短絡しないという２つの状態をスイッチ用ＭＯＳトランジスタのゲート電圧を制御することによって電圧制限抵抗値を離散的に調整してもよい。このようにすることによって同一のマスクセットで途中の工程まで製造された製品を、最終工程に近い金属配線層蒸着工程にて異なるプルアップ抵抗に対応した品種の製品に振り分けることができ、多品種少量の顧客要求に対応出来るという在庫管理上のメリットがある。

また、所望の分解能に応じたビット数を持ち、同一半導体基板上に搭載された記憶回路によって、製品の製造工程だけでなく、製品出荷後にユーザーが使用するプルアップ抵抗値に合わせて電圧制限抵抗値を調整するためのビットを外部から書き換えられるようにしてもよい。このようにすることによって、ユーザーにとって同一品種の製品で異なる電圧制限抵抗を用いることができ、すなわち、用途に応じて異なるプルアップ抵抗を用いることが出来るというメリットがある。

以上により、本発明のスイッチ回路は物理量検出信号線の断線や断線診断信号の断線を検知することができる。スイッチ回路は“Ｌ”／“Ｈ”論理出力端子を少なくとも１つ備えていればよく、検知対象となる物理量は一切限定されない。例えば、検知対象の物理量が、温度であるものには温度スイッチ、磁束密度であるものには磁気スイッチ、赤外線であるものには焦電スイッチ、可視光線であるものには照度スイッチが挙げられる。

１ スイッチ回路
２ センサ回路
３ 第１の出力ドライバ
６ 物理量検出信号出力端子
１０ 物理量検出信号線
２０ マイコン
２１ ハーネス
３３ 第１の比較器
３４ 第２の比較器
３７ 論理回路
４０ 第２の出力ドライバ

Claims (4)

1. 検知対象物理量の入力量に応じて出力論理電圧を切り替えるスイッチ回路において、
   ゲートがセンサ回路に接続され、ドレインが第１の電圧制限抵抗に接続された第１の出力ドライバと、
   物理量検出信号出力端子と接地端子の間に接続された第２の電圧制限抵抗と、
   非反転入力端子が第１の基準電圧回路に接続され、反転入力端子が前記物理量検出信号出力端子に接続され、出力が論理回路に接続された第１の比較器と、
   反転入力端子が第２の基準電圧回路に接続され、非反転入力端子が前記物理量検出信号出力端子に接続され、出力が前記論理回路に接続された第２の比較器と、
   ゲートが前記論理回路の出力に接続され、ドレインが断線診断信号出力端子に接続された第２の出力ドライバと、を備え、
   前記論理回路は、前記第１の比較器と前記第２の比較器がともに前記物理量検出信号出力端子の電圧が正常であること示す信号を出力しているとき、前記第２の出力ドライバをオンする
   ことを特徴とするスイッチ回路。
2. 前記物理量検出信号出力端子は、
   プルアップ抵抗が接続され、前記第１及び第２の電圧制限抵抗との間で分圧回路が形成される、
   ことを特徴とする請求項１に記載のスイッチ回路。
3. 前記第１及び第２の電圧制限抵抗は、
   抵抗値をウェハ製造工程におけるトリミングで調整される、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のスイッチ回路。
4. 前記スイッチ回路は、外部からデータを書込み可能な記憶回路を備え、
   前記第１及び第２の電圧制限抵抗は、前記記憶回路のデータに応じて抵抗値が調整される、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のスイッチ回路。

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