CN102195624A - 传感器用输出ic以及传感器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的传感器用输出IC以及传感器装置比以往更加抑制传感器装置的电路规模以及制造成本，并且实现负载短路保护功能。传感器用输出IC(10)包括用于基于来自传感器的检测信号，使输出端子之间导通/截止的输出用晶体管(11)。传感器用输出IC(10)包括：温度限制电路(13)，若传感器用输出IC(10)内的温度成为规定值以上，则将输出用晶体管(11)维持为截止状态；以及电压限制电路(15)，将输出用晶体管(11)的基极电位(VB)限制为规定值以下。

Description

传感器用输出IC以及传感器装置
技术领域
本发明涉及包括用于基于来自传感器的检测信号，使输出端子之间导通/截止的开关元件的传感器用输出IC以及传感器装置。
背景技术
图6表示基于来自传感器的检测信号而进行各种动作的一般的传感器系统的概略结构。如图所示，传感器系统100是在传感器装置110上连接了电源111以及负载112的结构。电源111与传感器装置110的电力供应端子113、113连接，对传感器装置110提供电力。此外，负载112通过电力的供应，进行基于传感器120(后述)的检测信号的各种动作，串联连接的电源111和负载112与输出端子114、114连接。
另外，在图示的例子中，电力供应端子113和输出端子114的-侧成为公共的接地端子GND。以下，将电力供应端子113和输出端子114的+侧分别记述为电力供应端子Vcc以及输出端子OUT。
传感器装置110是包括传感器120以及传感器用输出IC(IntegratedCircuit；集成电路)121的结构。传感器120用于检测物理的或者化学的信息，例如可举出非接触式传感器、光电传感器等。传感器120检测出的检测信号被输入到传感器用输出IC121。
传感器用输出IC121的输出端子122、122分别与传感器装置110的输出端子OUT、GND连接。传感器用输出IC121包括基于来自传感器120的检测信号，使输出端子122、122之间导通/截止(on/off)的开关元件123。由此，从电源111对负载112的电力供应被开通/断开。从而，能够基于传感器120的检测而控制负载112的动作。
在图6所示的传感器系统100中，在将负载112短路的情况下，担心开关元件123若成为导通状态则流过过大的电流，从而发生故障。因此，以往开始，在传感器装置110中设置负载短路保护功能，即使将负载112短路，也会保护开关元件123免于故障。
例如，在专利文献1中公开了如下的短路保护电路，其若检测出开关元件123中在第1规定期间内连续流过规定值以上的过电流的情况，则在第2规定期间内强制使开关元件123截止。已知为了判断是否经过了第1以及第2规定时间，在该专利文献中利用定时器电路，此外，利用对逻辑电路的时钟频率进行分频的技术。
[专利文献1]特开平2-156721号公报(1990年6月15日公开)
但是，在利用上述定时器电路的情况下，由于需要将具有电容、电阻等的电路元件设置到传感器用输出IC121的外部，因此传感器装置110的电路规模以及制造成本将增大。此外，在利用上述逻辑电路的情况下，需要将上述逻辑电路设置到传感器用输出IC121的内部，因此传感器用输出IC121的制造工艺被限定为价格昂贵，制造成本增大。如此，以往的短路保护电路在实现传感器装置110的进一步小型化以及低价格化上存在问题。
发明内容
本发明鉴于上述问题而完成，其目的在于提供一种与以往相比抑制传感器装置的电路规模以及制造成本，并且实现负载短路保护功能的传感器用输出IC等。
本发明的传感器用输出IC，在包括用于基于来自传感器的检测信号，使输出端子之间导通/截止的开关元件的传感器用输出IC中，其特征在于，为了解决上述课题，包括：温度限制电路，若该传感器用输出IC内的温度成为规定值以上，则将上述开关元件维持为截止状态。
在负载被短路的情况下，开关元件若成为导通状态则会流过过大的电流从而发热，传感器用输出IC的温度上升。因此，在本发明中，若上述温度成为规定值以上，则温度限制电路将上述开关元件维持为截止状态。由此，由于开关元件的发热停止，因此能够保护开关元件免于故障。
另外，组装到IC中的晶体管等的半导体元件大多具有温度特性。从而，温度限制电路通过利用具有温度特性的半导体元件，能够检测出上述温度是否为规定值以上，能够进行上述的动作。由此，传感器用输出IC不需要为了实现负载短路保护功能而将零件连接到外部，或者将逻辑电路设置到内部，因此能够比以往更加抑制电路规模以及制造成本。
另外，传感器可以被设置在传感器用输出IC的外部，也可以组装到传感器用输出IC中。
在本发明的传感器用输出IC中，可以是上述开关元件在被提供驱动用电流时成为导通状态，另一方面，在被停止提供上述驱动用电流时成为截止状态，上述传感器用输出IC还包括：驱动电路，其基于上述检测信号，对上述开关元件提供上述驱动用电流，或者停止提供上述驱动用电流，上述温度限制电路控制为，在上述温度成为规定值以上时，停止上述驱动电路的动作。
这时，温度限制电路在上述温度成为规定值以上时，停止驱动电路的动作。由此，与检测信号无关地，不从驱动电路对开关元件提供驱动用电流，因此上述开关元件维持为截止状态，能够起到与上述同样的效果。
另外，作为通过将负载短路而导致上述开关元件发生故障的原因，可举出上述那样的发热和电流集中。上述发热导致的故障是通过上述开关元件的温度随时间的经过而上升而发生。另一方面，上述电流集中导致的故障是由于流过上述开关元件的电流超过最大值而瞬间发生。
因此，期望设置用于限制上述开关元件中导通状态的情况下流过的电流的电路，从而保护上述开关元件免于上述电流集中导致的故障。具体地说，在本发明的传感器用输出IC中，上述开关元件在导通状态时流过的电流，根据被施加到上述开关元件上的驱动用电压而决定，上述传感器用输出IC还包括：电压限制电路，其将上述驱动用电压限制为规定值以下。
这时，通过电压限制电路限制驱动用电压，从而能够限制导通状态的情况下流过开关元件的电流。因此，能够可靠地保护上述开关元件免于故障。
在本发明的传感器用输出IC中，期望上述温度限制电路进行控制，以便在检测出的温度成为比上述规定值低的另一规定值时，重新开始上述驱动电路的动作。这时，上述温度成为上述规定值以下，进而在成为上述另一规定值以下之前，上述驱动电路的动作一直停止，上述开关元件的截止状态被维持，因此能够充分冷却上述开关元件。因此，能够可靠地保护上述开关元件免于故障。
在本发明的传感器用输出IC中，期望上述温度限制电路邻接上述开关元件而配置。这时，由于温度限制电路检测的温度接近开关元件的温度，因此能够缩短从开关元件中流过过大的电流的发热开始，直到检测出上述温度成为规定值以上的情况为止的期间。因此，能够可靠地保护上述开关元件免于故障。
另外，作为上述开关元件的例子，可举出晶体管。
此外，若是包括传感器和上述结构的传感器用输出IC的传感器装置，则能够起到与上述同样的效果。
如山所述，本发明的传感器用输出IC利用具有温度特性的半导体元件，在传感器用输出IC内的温度成为规定值以上时，将开关元件维持为截止状态，从而保护开关元件免于故障，因此不需要在外部连接零件，或者在内部设置逻辑电路，起到能够比以往更加抑制电路规模以及制造成本的效果。
附图说明
图1是表示本发明一实施方式的传感器用输出IC的概略结构的方框图。
图2是表示在上述传感器用输出IC中，负载被被短路时流过输出用晶体管的电流和上述传感器用输出IC的温度的时间变化的图形。
图3是表示上述传感器用输出IC中的输出用晶体管以及温度限制电路的位置关系的平面图。
图4是表示上述传感器用输出IC的一实施例的电路图。
图5是表示上述传感器用输出IC的其他实施例的电路图。
图6是表示一般的传感器系统的概略结构的方框图。
标号说明
10传感器用输出IC
11输出用晶体管(开关元件)
12电阻
13温度限制电路
14驱动电路
15电压限制电路
具体实施方式
以下，参照图1～图3说明本发明的一实施方式。另外，传感器系统的概略结构与图6所示的以往的传感器系统100的概略结构相同，因此省略其说明。
图1表示本实施方式的传感器用输出IC10的概略结构。如图所示，传感器用输出IC10是包括输出用晶体管(Q1)11、电阻(R1)12、温度限制电路13、驱动电路14、以及电压限制电路15的结构。
输出用晶体管11是作为图6所示的开关元件123发挥作用的元件。在图示的例子中，输出用晶体管11是NPN型，集电极端子与输出端子OUT连接，基极端子与驱动电路14以及电压限制电路15连接，并且，发射极端子经由电阻12与接地端子GND连接。输出用晶体管11根据来自驱动电路14的电信号而进行导通/截止动作。
温度限制电路13指示为，在输出用晶体管11附近的温度成为第1规定值以上时，停止驱动电路14的动作。进而，温度限制电路13具有用于指示在上述温度成为比第1规定值低的第2规定值以下时，重新开始驱动电路14的动作的磁滞(hysteresis)功能。
驱动电路14根据来自传感器120的检测信号，控制用于将输出晶体管11从截止状态驱动为导通状态的驱动用电流的供应。具体地说，在通过上述检测信号将输出用晶体管11设为导通状态时，驱动电路14对输出用晶体管11的基极端子提供规定的驱动用电流。另一方面，在通过上述检测信号将输出用晶体管11设为截止状态时，驱动电路14停止提供上述驱动用电流。
进而，驱动电路14根据来自上述温度限制电路13的指示，停止动作或者重新开始动作。若驱动电路14停止动作，则与上述检测信号无关地，上述驱动用电流对输出用晶体管11的供应被停止，因此输出用晶体管11成为截止状态。
电压限制电路15将输出用晶体管11的基极端子的电位(基极电位)VB限制为规定值以下。输出用晶体管11在基极-发射极间电压VBE(Q1)为低于阈值时成为截止状态，在基极-发射极间电压VBE(Q1)为阈值以上时成为导通状态。在导通状态时，输出用晶体管11的基极电位VB以及电流Iout满足下式。
VB＝VBE(Q1)+Iout×R1      ...(式1)。
输出用晶体管11中，即使流过的电流Iout变化，基极-发射极间电压VBE(Q1)也不怎么变化。由此，流过输出用晶体管11的电流Iout根据基极电位VB、即接地端子GND与输出用晶体管11的基极端子之间的电压(驱动用电压)VB而决定。
因此，在负载被短路的情况等，输出用晶体管11中流过过剩的电流那样的状况下，通过用电压限制电路15将基极电位VB限制为规定值以下，能够限制流过输出用晶体管11的电流Iout。由此，能够保护输出用晶体管11免于电流集中导致的故障。
在上述结构的传感器用输出IC10中，在负载被短路的情况下，输出用晶体管11若成为导通状态则因流过过大的电流而发热，传感器用输出IC10内的温度上升。这时，温度限制电路13在上述温度成为规定值以上时停止驱动电路14的动作。由此，与检测信号无关地，不会从驱动电路14对输出用晶体管11提供驱动用电流，因此输出用晶体管11被维持为截止状态。由此，由于输出用晶体管11的发热停止，因此能够保护输出用晶体管11免于故障。
此外，温度限制电路13使用具有温度特性的半导体元件，能够检测上述温度是否为规定值以上，能够进行上述的动作。由此，传感器用输出IC10不需要为了实现负载短路保护功能而将零件连接到外部，或在内部设置逻辑电路，因此能够比以往更加抑制电路规模以及制造成本。
此外，温度限制电路13由于具有上述的磁滞功能，因此能够充分地冷却输出用晶体管11。因此，能够可靠地保护输出用晶体管11免于故障。
图2是表示在上述结构的传感器用输出IC10中，负载被短路的情况下流过输出用晶体管11的电流Iout和传感器用输出IC10的温度的时间变化的图形。另外，在图示的例子中，假设输出用晶体管11成为导通状态这样的检测信号从传感器120输入。
如图2所示，输出用晶体管11成为导通状态，输出用晶体管11中流过电流Iout，从而传感器用输出IC10的芯片温度上升。这时，电流Iout通过电压限制电路15而被限制为限制值。
然后，若上述芯片温度达到第1规定值，则输出用晶体管11成为截止状态。由此，上述芯片温度逐渐下降。然后，若上述芯片温度达到第2规定值，则驱动电路14的动作重新开始，从而输出用晶体管11成为导通状态，并且反复上述的动作。
图3表示传感器用输出IC10中的输出用晶体管11以及温度限制电路13的配置例。如图所示，期望温度限制电路13邻接输出用晶体管11而配置。这时，由于温度限制电路13检测的温度接近输出用晶体管11的温度，因此能够缩短在输出用晶体管11中流过过大的电流而发热开始，直到检测出上述温度成为规定值以上的情况为止的期间。因此，能够可靠地保护输出用晶体管11免于故障。另外，还期望在温度限制电路13中，将用于上述温度的检测的元件(后述的晶体管Q21以及电阻R21)设置到靠近输出用晶体管11的一侧。
[实施例1]
图4表示图1所示的传感器用输出IC10的电路的一例。首先，说明传感器用输出IC10中的驱动电路14的电路例。如图所示，驱动电路14是包括恒流源CC11、NPN型的晶体管Q11、Q12、以及电阻R11的结构。
晶体管Q11的集电极端子与电力供应线Vcc连接，其基极端子上输入来自传感器120的检测信号，其发射极端子经由电阻R11与输出用晶体管11的基极端子连接。此外，晶体管Q12的集电极端子与恒流源CC11以及晶体管Q11的基极端子连接，其基极端子与晶体管Q11的发射极端子连接，其发射极端子与输出用晶体管11的基极端子连接。
从而，若来自恒流源CC11的电流通过上述检测信号被提供给晶体管Q11、Q12，则晶体管Q11成为导通状态，从而输出用晶体管11的基极端子上被提供驱动用电流I11。这时，I11＝VBE(Q12)/R11。这里，VBE(Q12)表示晶体管Q12的基极-发射极间电压。另一方面，若来自恒流源CC11的电流没有通过上述检测信号提供给晶体管Q11、Q12，则晶体管Q11成为截止状态，从而驱动用电流I11的供应停止。
下面，说明传感器用输出IC10中的温度限制电路13的电路例。如图4所示，温度限制电路13是包括恒流源CC21、CC22、CC23、CC24、NPN型的晶体管Q21、Q22、Q23、Q24、电阻R21、以及二极管D21的结构。
在图4所示的电路例中，晶体管Q21以及电阻R21用于检测传感器用输出IC10内的温度成为规定值以上的情况。在本实施例中，假设晶体管Q21的基极-发射极间电压VBE具有负的温度特性，电阻R21具有正的温度特性。
恒流源CC21与晶体管Q21的基极端子连接，恒流源CC22与晶体管Q21的集电极端子和晶体管Q22、Q23的基极端子连接。此外，恒流源CC23与晶体管Q22的集电极端子连接，并经由二极管D21与晶体管Q21的基极端子连接。此外，恒流源CC24与晶体管Q23的集电极端子和晶体管Q24的基极端子连接。
晶体管Q21的基极端子经由电阻R21与接地线GND连接。此外，晶体管Q24的集电极端子与驱动电路14的晶体管Q11的基极端子连接。另外，所有的晶体管Q21～Q24的发射极端子与接地线GND连接。
从而，输出端子OUT与电力供应端子Vcc短路，输出用晶体管11中流过大电流时，输出用晶体管11发热，传感器用输出IC10内的温度上升。这时，VBE(Q21)减小，R21增大。另外，假设从恒流源CC21～CC24的电流几乎不依赖温度。
然后，若上述温度成为第1规定值以上，则晶体管Q21成为导通状态。那么，来自恒流源CC22的电流将流向晶体管Q21，因此晶体管Q22、Q23成为截止状态。由此，来自恒流源CC24的电流将流向晶体管Q24，因此晶体管Q24成为导通状态。由此，驱动电路14的来自恒流源CC11的电流将流向晶体管Q24，因此晶体管Q11成为截止状态。结果，输出用晶体管11在基极端子上不被提供驱动用电流I11，因此成为截止状态。
此外，通过晶体管Q22成为截止状态，来自恒流源CC23的电流将经由二极管D21提供给晶体管Q21的基极端子以及电阻R21。即，提供给晶体管Q21的基极端子以及电阻R21的电流会增加。由此，输出用晶体管11成为截止状态，即使传感器用输出IC10内的温度降低而成为第1规定值以下，晶体管Q21也会因上述电流的增加而维持导通状态。
然后，若传感器用输出IC10内的温度进一步降低而成为第2规定值以下，则晶体管Q21成为截止状态。那么，来自恒流源CC22的电流将流向晶体管Q22、Q23，因此晶体管Q22、Q23成为导通状态，由此，来自恒流源CC24的电流将流向晶体管Q23，因此晶体管Q24成为截止状态。由此，驱动电路14中来自恒流源CC11的电流不会流向晶体管Q24，因此重新开始基于上述检测信号的动作。
此外，通过晶体管Q22成为导通状态，来自恒流源CC23的电流会流向晶体管Q22，因此，提供给晶体管Q21的基极端子以及电阻R21的电流返回到原来。
上述结构的温度限制电路13中使用通过I21＝ΔVBE/R21来决定的电流源。这里，ΔVBE表示由晶体管的面积决定的VBE的差电压。该电流源的特征在于，温度特性相对平坦(flat)，以及由于晶体管的VBE是负的温度特性因此容易检测出温度上升，因此作为本申请发明的温度限制电路较为理想。
下面，说明传感器用输出IC10中的电压限制电路15的电路例。如图4所示，电压限制电路15是包括恒流源CC31、NPN型的晶体管Q31、Q32、Q34、PNP型的晶体管Q33、以及电阻R31、R32的结构。
晶体管Q31、Q32以及电阻R31构成在输出用晶体管11的基极端子和接地线GND之间设置的电流镜电路。此外，晶体管Q32的集电极端子与恒流源CC31以及晶体管Q33的基极端子连接。
此外，晶体管Q33，其发射极端子与输出用晶体管11的基极端子连接，其集电极端子与晶体管Q34的基极端子连接，并且经由电阻R32与接地线GND连接。此外，晶体管Q34，其发射极端子与输出用晶体管11的基极端子连接，其发射极端子与接地线GND连接。
从而，输出用晶体管11成为导通状态，输出用晶体管11以及电阻12中流过的电流增大时，输出用晶体管11的基极电位VB增大，晶体管Q31、Q32中流过的电流增大。然后，在输出用晶体管11的基极电位VB成为规定值以上时，来自恒流源CC31的电流I31以上的电流将流过晶体管Q32，从而晶体管Q33成为导通状态，晶体管Q34成为导通状态。由此，流过驱动电路14的晶体管Q11以及电阻R11的电流I11将流向晶体管Q34的方向。从而，由于基极电位VB被限制为规定值为止，因此能够将输出用晶体管11的集电极电流Iout限制为由该规定值决定的电流值。
此外，在晶体管Q34为导通状态的情况下，满足下式。
VBE(Q34)＝{(VB-VBE(Q31))/R31-I31}×hFE(Q33)×R32 ...(式2)。
这里，hFE表示电流放大率。若设
Figure BDA0000041006180000091
则输出用晶体管11的基极电位VB，满足VB＝I31×R31+VBE(Q31)，保持平衡。从而，输出用晶体管11的基极电位VB维持一定，因此能够将集电极电流Iout维持为一定。
图5表示图1所示的传感器用输出IC10的电路的其他例子。另外，图5所示的电路例与图4所示的电路例相比，只有电压限制电路15的结构不同，其他结构相同。
在上述的实施例中，基于上述的式(1)，根据输出用晶体管11的基极电位VB来检测流过输出用晶体管11的电流Iout，但在本实施例中，根据输出用晶体管11的发射极端子中的电位(发射极电位)VE来检测。换言之，在本实施例中，根据电阻12中的电压VE，检测从输出用晶体管11流向电阻12的电流Iout。另外，对于具有与在上述实施方式以及实施例中说明的结构相同的功能的结构赋予同一标号，并省略其说明。
图5所示的电压限制电路15与图4所示的电压限制电路15相比，区别在于电阻R31的连接处变更，并且追加了恒流源CC41以及二极管D41、D42，其他结构相同。恒流源CC41经由二极管D41、D42与输出用晶体管11的发射极端子连接。并且，在二极管D41、D42之间的连接点连接了电阻R31。
从而，若输出用晶体管11以及电阻12中流过的电流增大，则输出用晶体管11的发射极电位VE将增大。由此，二极管D41、D42之间的连接点中的电位V41也将增大，流过晶体管Q31、Q32的电流增大。然后，在输出用晶体管11的发射极电位VE成为规定值以上的情况下，来自恒流源CC31的电流I31以上的电流流过晶体管Q32，从而晶体管Q33成为导通状态，晶体管Q34成为导通状态。从而，与上述的实施例同样地，基极电位VB被限制。
如上所述，电压限制电路15的电路结构考虑各种结构。同样地，温度限制电路13以及驱动电路14的电路结构也考虑各种结构。
本发明不限于上述的实施方式，在权利要求所示的范围内能够进行各种变更。即，在权利要求所示的范围内将适当变更的技术手段组合所得的实施方式也包含在本发明的技术范围内。
例如，在上述实施方式以及上述实施例中，传感器120设置在传感器用输出IC10的外部，但也可以一体地设置。
如上所述，本发明的传感器用输出IC利用具有温度特性的半导体元件，在传感器用输出IC内的温度成为规定值以上时，将开关元件维持为截止状态，从而从故障中保护开关元件，因此能够应用于非接触式传感器、光电传感器等的任意传感器。

Claims (11)

1.一种传感器用输出IC，包括用于基于来自传感器的检测信号，使输出端子之间导通/截止的开关元件，其特征在于，该传感器用输出IC包括：
温度限制电路，若该传感器用输出IC内的温度成为规定值以上，则将上述开关元件维持为截止状态。
2.如权利要求1所述的传感器用输出IC，其特征在于，
上述开关元件在被提供驱动用电流时成为导通状态，另一方面，在被停止提供上述驱动用电流时成为截止状态，
上述传感器用输出IC还包括：驱动电路，其基于上述检测信号，对上述开关元件提供上述驱动用电流，或者停止提供上述驱动用电流，
上述温度限制电路进行控制，以便在上述温度成为规定值以上时，停止上述驱动电路的动作。
3.如权利要求2所述的传感器用输出IC，其特征在于，
上述开关元件在导通状态时流过的电流，根据被施加到上述开关元件上的驱动用电压而决定，
上述传感器用输出IC还包括：电压限制电路，其将上述驱动用电压限制为规定值以下。
4.如权利要求2或3所述的传感器用输出IC，其特征在于，
上述温度限制电路进行控制，以便在检测出的温度成为比上述规定值低的另一规定值时，重新开始上述驱动电路的动作。
5.如权利要求1至3的任一项所述的传感器用输出IC，其特征在于，
上述温度限制电路邻接上述开关元件而配置。
6.如权利要求4所述的传感器用输出IC，其特征在于，
上述温度限制电路邻接上述开关元件而配置。
7.如权利要求1至3的任一项所述的传感器用输出IC，其特征在于，
上述开关元件是晶体管。
8.如权利要求4所述的传感器用输出IC，其特征在于，
上述开关元件是晶体管。
9.如权利要求5所述的传感器用输出IC，其特征在于，
上述开关元件是晶体管。
10.如权利要求6所述的传感器用输出IC，其特征在于，
上述开关元件是晶体管。
11.一种传感器装置，包括传感器和权利要求1至3的任一项所述的传感器用输出IC。
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