CN104641440A - 开关方法及其装置 - Google Patents

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CN104641440A
CN104641440A CN201380043309.2A CN201380043309A CN104641440A CN 104641440 A CN104641440 A CN 104641440A CN 201380043309 A CN201380043309 A CN 201380043309A CN 104641440 A CN104641440 A CN 104641440A
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森本充晃
大石英一郎
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Abstract

断开外部开关(11)时，FET2为断开，驱动电路部(7)的FET1的栅极被偏置而接通，但由于外部开关(11)断开，因此不向负载(3)供给电源(B)的电力。接通外部开关(11)时，控制电路部(9)的控制器(9a)将PMW信号输出至FET2的栅极，在PMW信号的断开期间中FET2接通。由此，FET1与PMW信号的信号电平的变化同步地进行接通断开动作(在PMW信号的接通期间中断开，在PMW信号的断开期间中接通)。另外，在外部开关(11)的接通中控制电路部(9)的FET2成为不能接通的状态时，驱动电路部(7)的FET1的栅极为偏置电位原样不变，FET1仍然为接通。

Description

开关方法及其装置
技术领域
本发明涉及使用控制电路所输出的PWM信号来接通断开驱动开关的开关方法及其装置。
背景技术
在流过大电流的电路中的向负载供电的接通断开中，经常使用利用继电器对开关接通断开驱动的开关装置。该开关装置要求抑制通电中来自继电器的发热。
因此，使用能够改变占空比的PWM信号，使继电器内的设在继电器线圈的通电路径上的开关元件接通断开，在开关的接通断开状态由于继电器线圈的通电而切换时，降低PWM信号的占空比，减小继电器线圈的通电电流。由此，将继电器的通电电流减小至将切换后的开关维持原样的状态所需的最低限度的值，能够减少继电器的发热。
这样，在继电器线圈的通电中利用了PWM信号的开关装置中，从控制电路输出对继电器线圈的通电电流进行控制的PWM信号。该控制电路使用专用的IC、微型计算机(CPU)、或者分立电路来构成(例如专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2006-114446号公报
发明内容
发明欲解决的问题
在上述的开关装置中，在控制电路中产生不理想状况而不能将PWM信号利用于继电器线圈的通电电流控制时，不能切换对负载供电的接通断开状态。例如，在通过继电器线圈的通电而使开关接通的情况下，在继电器线圈的控制电路中产生不理想状况时，不能使开关接通来向负载供电。
上述的负载有的情况下例如与发动机控制、制动控制等车辆的行驶系统相关。因此，希望避免由于继电器线圈的控制电路的不理想状况而不能向负载供电。
另外，这样的要求不仅在利用PMW信号使设在继电器线圈的通电路径上的开关元件接通断开的情况，而且对于利用PWM信号使作为使向负载的供电接通断开的开关的、自身发挥功能的开关元件接通断开的开关装置也是共通的。
本发明是鉴于上述情况而完成的，本发明的目的在于提供一种开关方法及其装置，在使对负载的供电接通断开中所使用的开关装置的接通断开驱动中利用PWM信号时，即使在输出PWM信号的控制电路中产生不理想状况而不输出PWM信号，也能够切换开关元件的接通断开状态。
用于解决问题的方案
为达到上述目的，本发明的开关方法为了与从电源对供电对象的供电联动地接通断开，根据控制电路在控制信号的输入中对开关元件的控制端子输出的PWM信号，将与所述电源连接的所述开关元件的控制端子的电位在所述开关元件接通的偏置电位、与所述开关元件断开的非偏置电位间切换，所述开关方法的特征在于，利用开关使对所述控制电路的所述控制信号的输入接通断开，从而使所述控制端子为所述偏置电位，而使接通的状态的所述开关元件对来自所述电源的电力进行通电、通电停止，或者将所述控制端子的电位在所述偏置电位与所述非偏置电位之间切换。
此外，本发明的开关方法能够由如下开关装置执行：该开关装置为了与从电源对供电对象的供电联动地接通断开，根据控制电路在控制信号的输入中对开关元件的控制端子输出的PWM信号，使与所述电源连接的所述开关元件接通断开，所述开关装置的特征在于，包括：控制信号输出电路，所述控制信号输出电路向所述控制电路输出所述控制信号；开关，所述开关使由所述控制信号输出电路进行的对所述控制电路的所述控制信号的输入接通断开；及驱动电路，所述驱动电路在从所述控制电路输入所述PWM信号中，使所述控制端子的电位与所述PWM信号的信号电平的变化同步地，在使所述开关元件接通的偏置电位、与使所述开关元件断开的非偏置电位间交替变化，在所述PWM信号的非输入中使所述控制端子的电位为所述偏置电位，所述开关与所述开关元件串联连接。
本发明的开关方法还能够由如下开关装置执行：该开关装置为了与从电源对供电对象的供电联动地接通断开，根据控制电路在控制信号的输入中对开关元件的控制端子输出的PWM信号，使与所述电源连接的所述开关元件接通断开，所述开关装置的特征在于，包括：控制信号输出电路，所述控制信号输出电路向所述控制电路输出所述控制信号；开关，所述开关使由所述控制信号输出电路进行的对所述控制电路的所述控制信号的输入接通断开；驱动电路，所述驱动电路在从所述控制电路输入所述PWM信号中，使所述控制端子的电位与所述PWM信号的信号电平的变化同步地，在使所述开关元件接通的偏置电位、与使所述开关元件断开的非偏置电位间交替变化，在所述PWM信号的非输入中，在所述开关的接通中使所述控制端子的电位为所述偏置电位，在所述开关的断开中使所述控制端子的电位为所述非偏置电位。
于是，根据本发明的开关方法和开关装置，无论控制电路工作还是不工作，在开关的接通中使开关元件的控制端子为偏置电位，处于向开关元件通电有来自电源的电力的状态。另一方面，在开关的断开中，利用控制端子被设为非偏置电位的开关元件、或者被设为断开的开关，使供电电路开路，成为向开关元件不通电来自电源的电力的状态。
因此，即使控制电路的PWM信号输出功能产生障碍而不向开关元件的控制端子输入PMW信号，也能够通过使开关接通断开来切换开关元件的接通断开状态。
发明的效果
根据本发明的开关装置，即使输出PWM信号的控制电路产生不理想状况而不输出PWM信号，也能够切换开关元件的接通断开状态。
附图说明
图1是示出本发明的第1实施方式所涉及的开关装置的原理的构成的电路图。
图2是示出图1所示的第1实施方式的变形例所涉及的开关装置的原理的构成的电路图。
图3是示出本发明的第2实施方式所涉及的开关装置的原理的构成的电路图。
图4是示出本发明的第3实施方式所涉及的开关装置的原理的构成的电路图。
图5是示出图4所示的第3实施方式的变形例所涉及的开关装置的原理的构成的电路图。
图6是示出本发明的第4实施方式所涉及的开关装置的原理的构成的电路图。
图7是示出图6所示的第4实施方式的变形例所涉及的开关装置的原理的构成的电路图。
附图标记的说明
1、1A、1B、1C、1D、1E、1F 开关装置
3 负载(供电对象)
5 继电器
5a 继电器触点
5b 线圈
7 驱动电路部(驱动电路)
9 控制电路部(控制电路)
11 外部开关(开关)
13 输入电路部(控制信号输出电路)
B 电源
D 反电动势短路用二极管
FET1 第1MOSFET(开关元件)
FET2 第2MOSFET
FET3 第3MOSFET
R1、R3 上拉电阻
具体实施方式
下面，参照附图说明本发明的实施方式。图1是示出本发明的第1实施方式所涉及的开关装置的原理的构成的电路图。
本实施方式的开关装置1例如用于从车辆的电池等电源B对行驶系统、灯光系统等负载3(供电对象)供电。
而且，本实施方式的开关装置1具有：使从电源B对负载3的供电接通断开的继电器5的驱动电路部7(驱动电路)；经由驱动电路部7控制继电器5的继电器触点5a的接通断开的控制电路部9(控制电路)；使对控制电路部9的工作用电源的供给接通断开的外部开关11(开关)；及根据外部开关11的开关状态将工作用电源(控制信号)供给至控制电路部9的输入电路部13(控制信号输出电路)。
驱动电路部7具有：相对于电源B与继电器5的线圈5b并联连接的反电动势短路用的二极管D；与该二极管D串联连接的N沟道型的第1MOSFET(场效应晶体管)FET1(开关元件；以下简称为FET1)；及将FET1的栅极电位上拉的上拉电阻R1。
控制电路部9具有与上拉电阻R1串联连接的N沟道型的第2MOSFET(场效应晶体管)FET2(以下简称为FET2)，FET2的源极接地。另外，控制电路部9具有控制FET2的栅极电位的控制器9a，该控制器9a将PWM信号输出至FET2的栅极。
此外，开关装置1的电路中所记载的+B的附图标记示出即使车辆1的点火开关(未图示)断开也被供给来自电源B的电力的点。但是，向+B这一点供给来自电源B的电力的时间不限于未图示的点火开关接通时。
在如上所述构成的本实施方式的开关装置1中，在断开外部开关11时，不会从输入电路部13向控制电路部9供给工作用电源，控制器9a不会将PMW信号输出至FET2的栅极。因此，FET2为断开，驱动电路部7的FET1的栅极(控制端子)的电位为由上拉电阻R1上拉至偏置电位(高电位)的原样不变。所以，虽然FET1会接通，但由于外部开关11断开，因此不会向继电器5的线圈5b通电，不向负载3供给电源B的电力。
另一方面，在接通外部开关11时，被从输入电路部13供给工作用电源的控制电路部9的控制器9a将PMW信号输出至FET2的栅极，在PMW信号的接通期间中，FET2接通。由此，驱动电路部7的FET1的栅极的电位在PMW信号的接通期间中(FET2的接通期间中)，从偏置电位(高电位)下降至非偏置电位(低电位)。
所以，FET1与PMW信号的信号电平的变化同步地进行接通断开动作(在PMW信号的接通期间中断开，在PMW信号的断开期间中接通)。而且，在FET1的接通中向继电器5的线圈5b通电，在线圈5b的通电中，经由继电器触点5a向负载3供给电源B的电力。
另外，在外部开关11的接通中控制电路部9的FET2成为不能接通的状态时，驱动电路部7的FET1的栅极为偏置电位(高电位)原样不变，FET1仍然为接通。所以，在接通外部开关11的期间向继电器5的线圈5b通电，向负载3供给电源B的电力。
因此，根据本实施方式的开关装置1，即使控制电路部9成为不能输出PMW信号的状态，也能利用外部开关11的接通断开，使向负载3的供电接通断开。
此外，在供电中流过负载3的电流小的情况下，也可以不使用继电器5，而如图2的电路图所示的变形例的开关装置1A那样，构成为：在将电源B与负载3连接的供电路径上串联连接FET1，代替继电器5的继电器触点5a，而FET1将对负载3的电源B的供给接通断开。
另外，在上述的第1实施方式及其变形例的开关装置1、1A中，FET1使用N沟道型的MOSFET，但也能够如图3所示的第2实施方式所涉及的开关装置1B那样，设为将P沟道型的MOSFET用于FET1的构成。
在第2实施方式的开关装置1B中，在FET1的漏极串联连接外部开关11，在FET1的源极侧并联连接继电器5的线圈5b和反电动势短路用的二极管D。
另外，在本实施方式的开关装置1B中，在FET1的漏极连接使用P沟道型的MOSFET的控制电路部9的FET2的漏极，在FET1的栅极连接FET2的源极。
在如上所述构成的本实施方式的开关装置1B中，在断开外部开关11时，不会从输入电路部13向控制电路部9供给工作用电源，控制器9a不会将PMW信号输出至FET2的栅极。因此，FET2为断开，驱动电路部7的FET1的栅极(控制端子)的电位为偏置电位(低电位)原样不变。所以，虽然FET1会接通，但由于外部开关11断开，因此不会向继电器5的线圈5b通电，不向负载3供给电源B的电力。
另一方面，在接通外部开关11时，被从输入电路部13供给工作用电源的控制电路部9的控制器9a将PMW信号输出至FET2的栅极，在PMW信号的断开期间中，FET2接通。由此，驱动电路部7的FET1的栅极的电位在PMW信号的断开期间中(FET2的接通期间中)，从偏置电位(低电位)上升至非偏置电位(高电位)。
所以，FET1与PMW信号的信号电平的变化同步地进行接通断开动作(在PMW信号的接通期间中接通，在PMW信号的断开期间中断开)。而且，在FET1的接通中向继电器5的线圈5b通电，在线圈5b的通电中，经由继电器触点5a向负载3供给电源B的电力。
另外，在外部开关11的接通中控制电路部9的FET2成为不能接通的状态时，驱动电路部7的FET1的栅极为偏置电位原样不变，FET1仍然为接通。所以，在接通外部开关11的期间向继电器5的线圈5b通电，向负载3供给电源B的电力。
因此，根据本实施方式的开关装置1B，即使控制电路部9成为不能输出PMW信号的状态，也能利用外部开关11的接通断开，使向负载3的供电接通断开。
此外，在上述的第1、第2实施方式及其变形例的开关装置1、1A、1B中，在控制电路部9的FET1上串联连接有外部开关11。但是，也能够使得来自继电器5的线圈5b的反电动势短路时的大电流、经由继电器5的继电器触点5a流动至负载3的大电流不流过外部开关11。
例如，在图1所示的第1实施方式的开关装置1中，将外部开关11与驱动电路部7的FET1的源极连接，但在图4所示的第3实施方式所涉及的开关装置1C中，代替第1实施方式的上拉电阻R1，而与设在驱动电路部7中的P沟道型MOSFET的第3MOSFET(场效应晶体管)FET3(以下简称为FET3)的栅极连接。在外部开关11断开时，FET3由于栅极电位被电源B拉升至非偏置电位(高电位)，因此成为断开。
外部开关11接通时，FET3的栅极电位下降至偏置电位(低电位)，FET3接通。另外，外部开关11接通时，被从输入电路部13供给工作用电源的控制电路部9的控制器9a将PMW信号输出至FET2的栅极。因此，在PMW信号的接通期间中(FET2的断开期间中)，FET1的栅极电位为非偏置电位(低电位)；在PWM信号的断开期间中(FET2的接通期间中)，FET1的栅极电位为偏置电位(高电位)。
所以，FET1与PMW信号的信号电平的变化同步地进行接通断开动作(在PMW信号的接通期间中断开，在PMW信号的断开期间中接通)。而且，在FET1的接通中向继电器5的线圈5b通电，在线圈5b的通电中，经由继电器触点5a向负载3供给电源B的电力。
另外，在外部开关11的接通中控制电路部9的FET2成为不能接通的状态时，在接通外部开关11的期间，驱动电路部7的FET1的栅极为偏置电位(高电位)原样不变，FET1仍然为接通。所以，在接通外部开关11的期间向继电器5的线圈5b通电，向负载3供给电源B的电力。
并且，在图5所示的变形例的开关装置1D中，将驱动电路部7的FET1的栅极经由外部开关11与点+B(电源B)连接。在该开关装置1D中，断开外部开关11时，由于FET1的栅极电位为非偏置电位(低电位)，因此FET1为断开。另外，不会从输入电路部13向控制电路部9供给工作用电源，控制器9a不将PMW信号输出至FET2的栅极。因此，FET2也断开。
在该状态下，由于FET1的栅极电位为非偏置电位(低电位)原样不变，FET1为断开，因此，不向继电器5的线圈5b通电，不向负载3供给电源B的电力。
另一方面，在接通外部开关11时，驱动电路部7的FET1的栅极电位被电源B拉升至偏置电位(高电位)。另外，在接通外部开关11时，被从输入电路部13供给工作用电源的控制电路部9的控制器9a将PMW信号输出至FET2的栅极，在PMW信号的接通期间中，FET2接通。
由此，驱动电路部7的FET1的栅极的电位在PMW信号的接通期间中(FET2的接通期间中)，从偏置电位(高电位)下降至非偏置电位(低电位)。
所以，FET1与PMW信号的信号电平的变化同步地进行接通断开动作(在PMW信号的接通期间中断开，在PMW信号的断开期间中接通)。而且，在FET1的接通中向继电器5的线圈5b通电，在线圈5b的通电中，经由继电器触点5a向负载3供给电源B的电力。
另外，在外部开关11的接通中控制电路部9的FET2成为不能接通的状态时，驱动电路部7的FET1的栅极为偏置电位(高电位)原样不变，FET1仍然为接通。所以，在接通外部开关11的期间向继电器5的线圈5b通电，向负载3供给电源B的电力。
此外，也能够设为对FET1、FET2使用P沟道型的MOSFET的构成。即，在图6所示的第4实施方式所涉及的开关装置1E中，与图3所示的第2实施方式的开关装置1B同样，在使用P沟道型的MOSFET的驱动电路部7的FET1的栅极连接外部开关11。
另外，在开关装置1E中，在FET1的漏极连接使用P沟道型的MOSFET的控制电路部9的FET2的漏极，在FET1的栅极连接FET2的源极。而且，利用输入电路部13的上拉电阻R3，将FET1的栅极电位上拉至电源B的电位、即非偏置电位(高电位)。
在如上所述构成的本实施方式的开关装置1E中，在断开外部开关11时，不会从输入电路部13向控制电路部9供给工作用电源，控制器9a不会将PMW信号输出至FET2的栅极。因此，FET2为断开，驱动电路部7的FET1的栅极的电位为非偏置电位(高电位)原样不变。所以，FET1为断开，不向继电器5的线圈5b通电，不向负载3供给电源B的电力。
另一方面，在接通外部开关11时，经由外部开关11接地的驱动电路部7的FET1的栅极电位被拉下至偏置电位(低电位)。另外，在接通外部开关11时，被从输入电路部13供给工作用电源的控制电路部9的控制器9a将PMW信号输出至FET2的栅极，在PMW信号的断开期间中，FET2接通。
由此，驱动电路部7的FET1的栅极的电位在PMW信号的断开期间中(FET2的接通期间中)，从偏置电位(低电位)上升至非偏置电位(高电位)。
所以，FET1与PMW信号的信号电平的变化同步地进行接通断开动作(在PMW信号的接通期间中接通，在PMW信号的断开期间中断开)。而且，在FET1的接通中向继电器5的线圈5b通电，在线圈5b的通电中，经由继电器触点5a向负载3供给电源B的电力。
另外，在外部开关11的接通中控制电路部9的FET2成为不能接通的状态时，驱动电路部7的FET1的栅极为偏置电位(低电位)原样不变，FET1仍然为接通。所以，在接通外部开关11的期间向继电器5的线圈5b通电，向负载3供给电源B的电力。
并且，在图7所示的变形例的开关装置1F中，将驱动电路部7的FET1的栅极经由设在驱动电路部7中的N沟道型MOSFET的FET3的源极-漏极接地。另外，在该开关装置1F中，将FET3的栅极经由外部开关11与点+B(电源B)连接。
在该开关装置1F中，断开外部开关11时，FET1的栅极电位下降至非偏置电位(低电位)而FET3断开。另外，断开外部开关11时，不会从输入电路部13向控制电路部9供给工作用电源，控制器9a不将PMW信号输出至FET2的栅极。因此，FET2为断开，驱动电路部7的FET1的栅极的电位为非偏置电位(低电位)原样不变。所以，FET1为断开，不向继电器5的线圈5b通电，不向负载3供给电源B的电力。
另一方面，接通外部开关11时，由于经由外部开关11将接地的驱动电路部7的FET3的栅极电位拉升至偏置电位(高电位)，因此FET3接通。由此，FET1的栅极电位被拉下至偏置电位(低电位)。另外，在接通外部开关11时，被从输入电路部13供给工作用电源的控制电路部9的控制器9a将PMW信号输出至FET2的栅极，在PMW信号的断开期间中，FET2接通。
由此，驱动电路部7的FET1的栅极的电位在PMW信号的断开期间中(FET2的接通期间中)，从偏置电位(低电位)上升至非偏置电位(高电位)。
所以，FET1与PMW信号的信号电平的变化同步地进行接通断开动作(在PMW信号的接通期间中接通，在PMW信号的断开期间中断开)。而且，在FET1的接通中向继电器5的线圈5b通电，在线圈5b的通电中，经由继电器触点5a向负载3供给电源B的电力。
另外，在外部开关11的接通中控制电路部9的FET2成为不能接通的状态时，驱动电路部7的FET1的栅极为偏置电位(低电位)原样不变，FET1仍然为接通。所以，在接通外部开关11的期间向继电器5的线圈5b通电，向负载3供给电源B的电力。
根据以上说明的第3、第4实施方式及其变形例的开关装置1C、1D、1E、1F，即使控制电路部9成为不能输出PMW信号的状态，也能利用外部开关11的接通断开，使向负载3的供电接通断开。
工业上的实用性
本发明对于在使用控制电路所输出的PWM信号来接通断开驱动开关时使用是极其有用的。

Claims (3)

1.一种开关方法，为了与从电源对供电对象的供电联动地接通断开，根据控制电路在控制信号的输入中对开关元件的控制端子输出的PWM信号，将与所述电源连接的所述开关元件的控制端子的电位在所述开关元件接通的偏置电位、与所述开关元件断开的非偏置电位间切换，所述开关方法的特征在于，
通过利用开关使对所述控制电路的所述控制信号的输入接通断开，从而将来自所述电源的电力向所述控制端子为所述偏置电位而为接通的状态的所述开关元件进行通电、通电停止，或者将所述控制端子的电位在所述偏置电位与所述非偏置电位之间切换。
2.一种开关装置，为了与从电源对供电对象的供电联动地接通断开，根据控制电路在控制信号的输入中对开关元件的控制端子输出的PWM信号，使与所述电源连接的所述开关元件接通断开，所述开关装置的特征在于，包括：
控制信号输出电路，所述控制信号输出电路向所述控制电路输出所述控制信号；
开关，所述开关使由所述控制信号输出电路进行的对所述控制电路的所述控制信号的输入接通断开；及
驱动电路，所述驱动电路在从所述控制电路输入所述PWM信号中，使所述控制端子的电位与所述PWM信号的信号电平的变化同步地，在使所述开关元件接通的偏置电位、与使所述开关元件断开的非偏置电位间交替变化，在所述PWM信号的非输入中使所述控制端子的电位为所述偏置电位，
所述开关与所述开关元件串联连接。
3.一种开关装置，为了与从电源对供电对象的供电联动地接通断开，根据控制电路在控制信号的输入中对开关元件的控制端子输出的PWM信号，使与所述电源连接的所述开关元件接通断开，所述开关装置的特征在于，包括：
控制信号输出电路，所述控制信号输出电路向所述控制电路输出所述控制信号；
开关，所述开关使由所述控制信号输出电路进行的对所述控制电路的所述控制信号的输入接通断开；
驱动电路，所述驱动电路在从所述控制电路输入所述PWM信号中，使所述控制端子的电位与所述PWM信号的信号电平的变化同步地，在使所述开关元件接通的偏置电位、与使所述开关元件断开的非偏置电位间交替变化，在所述PWM信号的非输入中，在所述开关的接通中使所述控制端子的电位为所述偏置电位，在所述开关的断开中使所述控制端子的电位为所述非偏置电位。
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