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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energieversorgungssteuerung.
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STAND DER TECHNIK
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In herkömmlicher Weise ist eine Energieversorgungssteuerung vorgesehen, bei der ein Hochleistungshalbleiterschaltelement wie z. B. ein Leistungs-MOSFET auf einer Stromversorgungsleitung angeordnet ist, die zwischen einer Energiequelle und einer Last geschaltet ist, und die ausgelegt ist, die Energieversorgung bzw. Energiezufuhr der Last durch Schalten des Halbleiterschaltelements zwischen EIN und AUS zu steuern. Bei einer derartigen Energieversorgungssteuerung ist es bekannt, dass eine Selbstschutzfunktion zum Schützen ihres eigenen Halbleiterschaltelements vorgesehen ist. Die Selbstschutzfunktion schaltet das Halbleiterschaltelement durch Steuern des Potenzials des Steueranschlusses (beispielsweise des Gate in dem Fall eines MOSFET) des Halbleiterschaltelements aus, wenn beispielsweise ein Überstrom (d. h. ein abnormer Strom) aufgrund eines Kurzschlusses in der Last aufgetreten ist. Insbesondere ist beispielsweise, wie es in der
JP-A-2001-217696 gezeigt ist, ein Stromerfassungswiderstand seriell zu dem Lastanschluss (beispielsweise der Source oder dem Drain in dem Fall eines MOSFET) des Halbleiterschaltelements geschaltet. Der Spannungsabfall an dem Widerstand wird erfasst, und es wird eine Überstromanomalie bestimmt, um das Halbleiterschaltelement auszuschalten, wenn der Spannungsabfall größer als ein vorbestimmter Pegel ist.
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Ein Strom, der durch das Halbleiterschaltelement fließt, wird sich entlang einer vorbestimmten Lastlinie ändern, bis der Strom nach dem Starten des Halbleiterschaltelements stabil ist. Daher tritt in dem Fall, in dem eine Überstromanomalie auf der Grundlage eines Vergleichs eines Laststroms, der durch das Halbleiterschaltelement fließt, mit einem Schwellenwert erfasst wird, das Problem auf, dass es vor der Erfassung eine Zeit dauern kann, wenn eine Überstromanomalie aufgetreten ist, wenn der Schwellenwert auf einen festen Pegel eingestellt ist. 5 zeigt beispielsweise die Drain-zu-Source-Spannung Vds eines Leistungs-MOSFET und den Strom Id, der durch diesen fließt. In dem Fall, in dem sich die Last in einem normalen Zustand befindet, werden sich die Werte der Drain-zu-Source-Spannung Vds und des Stroms Id idealerweise entlang der Lastlinie L0 ändern, die von dem Punkt B0 beginnt, was zu einem Abschluss an dem Stabilisierungspunkt A0 führt, während der Leistungs-MOSFET im EIN-Zustand gehalten wird, nachdem der Leistungs-MOSFET eingeschaltet wird.
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In dem Fall jedoch, in dem eine Anomalie wie z. B. ein Kurzschluss in der Last aufgetreten ist, wird sich die Source-Spannung des Leistungs-MOSFET sehr wenig nach dem Starten von dem Punkt B0 beim Starten erhöhen, da der Spannungsabfall in der Last extrem niedrig ist. Das heißt, der Strom Id, der durch den Leistungs-MOSFET fließt, wird sich steil erhöhen, während sich die Drain-zu-Source-Spannung Vds des Leistungs-MOSFET wenig ändert. Wenn der Schwellenwert auf einen festen Pegel (wie es durch die Linie L7 in der Figur gezeigt ist) eingestellt wird, sollte der Pegel derart bestimmt werden, dass er die gesamte Lastlinie abdeckt. Daher benötigt es in einem Fall, in dem ein Kurzschluss unmittelbar nach dem Einschalten des Leistungs-MOSFET auftritt, wie es oben beschrieben wurde, eine beachtliche Zeit, bevor der Schwellenwert erreicht ist, wie es durch die Linie L6 gezeigt ist. Dieses wird zu einem größeren Leistungsverlust in dem Leistungs-MOSFET führen und eine Verzögerung des Schutzes verursachen.
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Das Dokument
JP 2003-87959 A beschreibt eine Schaltvorrichtung, die mit einem Hauptschalter, der zwischen einer DC-Energieversorgung und mehreren Lampen positioniert ist, einer Stromerfassungseinrichtung zum Erhalten eines Spannungssignals mit einer Größe, die proportional zu dem Strom, der durch den Hauptschalter fließt, ist, einer Bezugsspannungserzeugungseinrichtung zum Erzeugen einer Bezugsspannung eines Mittelwertes etwa zwischen einer Lastspannung, wenn sämtliche Lampen eingeschaltet sind, und einer Lastspannung, wenn ein Glühdraht einer Lampe durchgebrannt ist, und einem Komparator, der die Bezugsspannung, die von der Bezugsspannungserzeugungseinrichtung erzeugt wird, mit einem Spannungssignal, das von der Stromerfassungseinrichtung erfasst wird, vergleicht und bestimmt, ob die Lampe im Inneren einen Durchbruch aufweist, ausgerüstet ist.
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Somit besteht ein Bedarf in der Technik, eine Konstruktion zu schaffen, die in der Lage ist, eine Überstromanomalie schnell zu erfassen, um einen geeigneten Schutz in einer Energieversorgungssteuerung zu erzielen, die eine Überstromerfassungsfunktion aufweist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die Erfindung ist im unabhängigen Anspruch 1 definiert. Die abhängigen Ansprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gerichtet.
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Eine Energieversorgungssteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung ist zwischen einer Energiequelle und einer Last angeordnet und ausgelegt, die Energieversorgung bzw. -zufuhr von der Energiequelle zu der Last zu steuern. Die Energieversorgungssteuerung enthält ein Halbleiterschaltelement, das auf einer Stromversorgungsleitung von der Energiequelle zur Last angeordnet ist, und eine Stromerfassungsschaltung, die ausgelegt ist, einen Laststrom, der durch das Halbleiterschaltelement fließt, zu erfassen. Die Energieversorgungssteuerung enthält außerdem eine Spannungserzeugungsschaltung, die ausgelegt ist, eine Spannung entsprechend einer ausgangsseitigen Spannung des Halbleiterschaltelements zu erzeugen, und eine Anomalieerfassungsschaltung, die ausgelegt ist, ein Anomaliesignal auf der Grundlage eines Erfassungssignals von der Stromerfassungsschaltung und einer erzeugten Spannung der Spannungserzeugungsschaltung auszugeben, wenn ein Laststrom, der durch das Halbleiterschaltelement fließt, einen Schwellenstrom überschreitet, der der erzeugten Spannung entspricht bzw. mit dieser korrespondiert.
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In der Energieversorgungssteuerung der vorliegenden Erfindung kann der Schwellenstrom derart eingestellt werden, dass er sich mit einer Erhöhung oder Verringerung der ausgangsseitigen Spannung (beispielsweise der Source-Spannung in dem Fall eines N-Kanal-MOSFET oder der Drain-Spannung in dem Fall eines P-Kanal-MOSFET) des Halbleiterschaltelements erhöht oder verringert. Dadurch wird beispielsweise in dem Fall, in dem ein Kurzschluss in der Last auftritt, der Pegel eines Laststroms unmittelbar den Schwellenstrompegel erreichen, so dass ein schneller Schutz im Vergleich zu einer Konstruktion erzielt werden kann, bei der ein Schwellenwert auf einen konstanten Pegel eingestellt wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein Blockdiagramm, das die allgemeine Konstruktion einer Energieversorgungssteuerung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
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2 ist ein Schaltungsdiagramm, das hauptsächlich die Konstruktion einer Überstromerfassungsschaltung (einer Anomalieerfassungsschaltung) der Energieversorgungssteuerung, die in 1 gezeigt ist, darstellt;
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3 ist ein Diagramm, das die Beziehung von Schwellenströmen und einem Laststrom zu der Drain-zu-Source-Spannung eines Leistungs-MOSFET zeigt;
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4 ist ein Schaltungsdiagramm, das hauptsächlich die Konstruktion einer Überstromerfassungsschaltung (einer Anomalieerfassungsschaltung) einer Energieversorgungssteuerung gemäß einer zweiten Ausführungsform darstellt; und
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5 ist ein erläuterndes Diagramm, das das Problem darstellt, das auftritt, wenn ein Schwellenwert auf einen konstanten Wert eingestellt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Energieversorgungssteuerung
- 11
- Halbleitervorrichtung
- 12
- Externer Widerstand (Strom-Spannungs-Wandlerschaltung)
- 15
- Leistungs-MOSFET (Halbleiterschaltelement, Leistungs-FET)
- 16
- Erfassungs-MOSFET (Stromerfassungsschaltung, Erfassungs-FET)
- 50
- Last
- 60
- Spannungsteilerschaltung(Spannungserzeugungsschaltung)
- 61
- Energiequelle
- 62, 64
- Komparator (Anomalieerfassungsschaltung)
- 63
- Stromversorgungsleitung
- 66
- FET (Vorspannungsschaltung)
- 68
- Vorspannungswiderstand (Vorspannungsschaltung)
- 70
- FET (Leckstromblockierungsschaltung)
- Ip
- Laststrom
- Is
- Erfassungsstrom (Erfassungssignal)
- Ith1, Ith2
- Schwellenstrom
- P4
- Externer Anschluss
- S2
- Hochpegeliges Ausgangssignal (Anomaliesignal)
- S4
- Hochpegeliges Ausgangssignal (Anomaliesignal)
- Va, Vb
- Geteilte Spannung (erzeugte Spannung)
- Vo
- Anschlussspannung (Ausgangsspannung der Strom-Spannungs-Wandlerschaltung
- Vs
- Source-Spannung (ausgangsseitige Spannung des Halbleiterschaltelements)
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BESTER MODUS ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
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Erste Ausführungsform
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Eine erste Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf 1 bis 3 und 5 erläutert.
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(1) Allgemeine Konstruktion
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1 ist ein Blockdiagramm, das die allgemeine Konstruktion einer Energieversorgungssteuerung 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt. Wie es in der Figur gezeigt ist, enthält die Energieversorgungssteuerung 10 der vorliegenden Ausführungsform einen Leistungs-MOSFET 15 (d. h. ein Beispiel eines ”Halbleiterschaltelements” und eines ”Leistungs-FET” der vorliegenden Erfindung), der auf einer Stromversorgungsleitung 63 angeordnet ist, die zwischen einer Leistungsquelle 61 (einer Fahrzeugleistungsquelle) und einer Last 50 geschaltet ist, um die Energieversorgung von der Leistungsquelle 61 zu der Last 50 durch Schalten des Leistungs-MOSFET 15 zwischen EIN und AUS zu steuern. In der vorliegenden Ausführungsform kann die Energieversorgungssteuerung 10 an einem nicht gezeigten Fahrzeug installiert sein und für die Ansteuerungssteuerung der Last 50 wie z. B. einer Fahrzeuglampe, eines Kühlungslüftermotors oder einer Entfeuchtungsheizeinrichtung verwendet werden.
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Wie es in 1 gezeigt ist, ist die Energieversorgungssteuerung 10 als eine Einzelchip-Halbleitervorrichtung 11 ausgebildet, auf der ein Eingangsanschluss P1, ein Energieversorgungsanschluss (Vcc) P2, ein Ausgangsanschluss P3, ein externer Anschluss P4 und ein Diagnoseausgangsanschluss P5 vorgesehen sind. Der Eingangsanschluss P1 der Halbleitervorrichtung 11 ist mit einem Betriebsschalter 52 verbunden. Der Energieversorgungsanschluss P2 ist mit der Energiequelle 61 verbunden, während der Ausgangsanschluss P3 mit der Last 50 verbunden ist. Der externe Anschluss P4 ist mit einem externen Widerstand 12 (d. h. einem Beispiel einer ”Strom-Spannungs-Wandlerschaltung” der vorliegenden Erfindung), der unten beschrieben wird, verbunden.
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Der Eingangsanschluss P1 wird auf die Seite der Energieversorgungsspannung Vcc gezogen, wenn der Betriebsschalter 52 ausgeschaltet ist. Wenn der Betriebsschalter 52 eingeschaltet ist, wird ein niedrigpegeliges Steuersignal S1 (ein Last-EIN-Signal) in eine Eingangsschnittstelle 45 eingegeben. Wenn das niedrigpegelige Steuersignal S1 somit in die Eingangsschnittstelle 45 eingegeben wird, wird ein FET 47 eingeschaltet, so dass eine logische Schutzschaltung 40 betrieben wird.
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Eine Ladungspumpschaltung 41 und eine Ausschalt-Schaltung 42 sind mit der logischen Schutzschaltung 40 verbunden. Außerdem sind eine Überstromerfassungsschaltung 13 und eine Übertemperaturerfassungsschaltung 48 ebenfalls damit verbunden. Ein dynamischer Begrenzer 44 ist zwischen dem Drain-Anschluss D und dem Gate-Anschluss G des Leistungs-MOSFET 15 geschaltet. Die Übertemperaturerfassungsschaltung 48 erfasst die Temperatur in der Nähe des Leistungs-MOSFET 15 und bestimmt eine Temperaturanomalie, um ein hochpegeliges Ausgangssignal S3 auszugeben, wenn die erfasste Temperatur eine vorbestimmte Schwellentemperatur überschreitet.
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Der Ausgang der Ladungspumpschaltung 41 wird an den Gate-Anschluss G des Leistungs-MOSFET 15 angelegt, und wird ebenfalls an den Gate-Anschluss G eines Erfassungs-MOSFET 16 angelegt, der in der Überstromerfassungsschaltung 13 angeordnet ist (siehe 2). Die Ausschalt-Schaltung 42 ist zwischen dem Drain-Anschluss D und dem Source-Anschluss S des Leistungs-MOSFET 15 angeordnet und mit den Gate-Anschlüssen G des Leistungs-MOSFET 15 und des Erfassungs-MOSFET 16 verbunden. Die Ladungspumpschaltung 41 und die Ausschalt-Schaltung 42 werden auf der Grundlage eines Steuersignals S5 von der logischen Schutzschaltung 40 wie oben beschrieben betrieben, um den Leistungs-MOSFET 15 und den Erfassungs-MOSFET 16 in einen leitenden Zustand oder einen ausgeschalteten Zustand zu schalten.
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(2) Überstromerfassungsschaltung
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Im Folgenden wird die Überstromerfassungsschaltung 13 beschrieben. 2 ist ein Schaltungsdiagramm, das hauptsächlich die Überstromerfassungsschaltung 3 der Energieversorgungssteuerung 10 zeigt. Wie es in der Figur gezeigt ist, enthält die Überstromerfassungsschaltung 13 den Erfassungs-MOSFET 16 (d. h. ein Beispiel einer ”Stromerfassungsschaltung” und eines ”Erfassungs-FET” der vorliegenden Erfindung), durch den ein Erfassungsstrom fließt, der dem Strombetrag des Leistungs-MOSFET 15 entspricht. Zum Ausbilden des Leistungs-MOSFET 15 und des Erfassungs-MOSFET 16 sind mehrere MOSFETs angeordnet. Die Drain-Anschlüsse D der MOSFETs sind gemeinsam miteinander und außerdem mit dem Energieversorgungsanschluss P2 verbunden. Die Source-Anschlüsse S der meisten der MOSFETs sind gemeinsam mit dem Ausgangsanschluss P3 verbunden, so dass die MOSFETs den Leistungs-MOSFET 15 ausbilden. Die Source-Anschlüsse S des Rests der MOSFETs sind gemeinsam miteinander verbunden, so dass die MOSFETs den Erfassungs-MOSFET 16 ausbilden. Das Verhältnis der Anzahl der MOSFETs, die den Erfassungs-MOSFET 16 ausbilden, zu der Anzahl der MOSFETs, die den Leistungs-MOSFET 15 ausbilden, entspricht näherungsweise einem Erfassungsverhältnis k. Der Source-Anschluss S des Leistungs-MOSFET 15 und der Source-Anschluss S des Erfassungs-MOSFET 16 sind mit den jeweiligen Eingangsanschlüssen eines Operationsverstärkers 18 verbunden. Der Gate-Anschluss eines FET 20 ist mit der Ausgangsseite des Operationsverstärkers 18 verbunden.
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Somit werden die Potenziale der Drain-Anschlüsse D des Leistungs-MOSFET 15 und des Erfassungs-MOSFET 16 einander gleich gehalten, und die Potentiale der Source-Anschlüsse S von diesen werden ebenfalls einander gleich gehalten. Dadurch kann ein Erfassungsstrom Is (d. h. ein Beispiel eines ”Erfassungssignals” der vorliegenden Erfindung), der durch den Erfassungs-MOSFET 16 fließt, stabil mit einem konstanten Verhältnis zu einem Laststrom Ip, der durch den Leistungs-MOSFET 15 fließt, gehalten werden. Der Leistungs-MOSFET 15 und der Erfassungs-MOSFET 16 können bedingungsabhängig in Abhängigkeit von einem niedrigpegeligen Steuersignal S1, das in den Eingangsanschluss P1 eingegeben wird, wenn der Betriebsschalter 52 eingeschaltet wird, in einen leitenden Zustand geschaltet werden.
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Ein FET 24 und ein FET 26 bilden eine Stromspiegelschaltung, und dadurch fließt ein Spiegelstrom Is' mit demselben Pegel wie der Erfassungsstrom Is des Erfassungs-MOSFET 16 auf der Verbindungsleitung zwischen dem FET 26 und einem FET 28. Außerdem bilden der FET 28 und ein FET 30 eine Stromspiegelschaltung, und dadurch fließt ein Spiegelstrom Is” mit demselben Pegel wie der Erfassungsstrom Is durch den FET 30 und den externen Anschluss P4. (Im Folgenden können die Spiegelströme Is' und Is'' einfach als ”ein Erfassungsstrom Is” bezeichnet werden.) Eine Spannungsteilerschaltung 60 (d. h. ein Beispiel einer ”Spannungserzeugungsschaltung” der vorliegenden Erfindung), die aus mehreren (beispielsweise drei) seriell geschaiteten Spannungsteilungswiderständen R1, R2, R3 ausgebildet ist, ist zwischen dem Source-Anschluss S des Leistungs-MOSFET 15 und der Masse geschaltet. Die geteilte Spannung Va (d. h. ein Beispiel einer ”erzeugten Spannung” der vorliegenden Erfindung) an dem Verbindungspunkt A zwischen den Spannungsteilungswider ständen R1 und R2 und die geteilte Spannung Vb (d. h. ein Beispiel einer ”erzeugten Spannung” der vorliegenden Erfindung) an dem Verbindungspunkt B zwischen den Spannungsteilungswiderständen R2 und R3 sind durch Teilen der Source-Spannung Vs (d. h. ein Beispiel einer ”ausgangsseitigen Spannung eines Halbleiterschaltelements” der vorliegenden Erfindung) des Leistungs-MOSFET 15 durch die drei Spannungsteilungswiderstände R1–R3 vorgesehen. Daher hängen deren Pegel von dem Widerstandsverhältnis zwischen den Spannungsteilungswiderständen R1–R3 ab, und die Spannungsteilungswiderstände, die ein vorbestimmtes Verhältnis aufweisen (beispielsweise Widerstandswert des Spannungsteilungswiderstands R1:Widerstandswert des Spannungsteilungswiderstands R2:Widerstandswert des Spannungsteilungswiderstands R3 = 1:1:1), werden im Voraus ausgewählt.
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Die geteilte Spannung Va an dem Verbindungspunkt A wird an einen (d. h. den negativen Eingangsanschluss) der Eingangsanschlüsse eines Komparators 62 (d. h. ein Beispiel einer ”Anomalieerfassungsschaltung” der vorliegenden Erfindung) angelegt, während die geteilte Spannung Vb an dem Verbindungspunkt B an einen (d. h. den negativen Eingangsanschluss) der Eingangsanschlüsse eines Komparators 64 (d. h. ein Beispiel einer ”Anomalieerfassungsschaltung” der vorliegenden Erfindung) angelegt wird. Die anderen Eingangsanschlüsse (d. h. die positiven Eingangsanschlüsse) der beiden Komparatoren 62, 64 sind mit der Verbindungsleitung zwischen dem FET 30 und dem externen Anschluss P4 verbunden, d. h. mit dem externen Anschluss P4.
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Ein FET 66, bei dem eine Diodenverbindung (d. h. eine gemeinsame Verbindung zwischen dem Gate-Anschluss G und dem Drain-Anschluss D) ausgebildet ist, ist zwischen der Spannungsteilerschaltung 60 und der Masse (d. h. einem Beispiel einer ”Stromabseite einer Spannungsteilerschaltung” der vorliegenden Erfindung) angeordnet. Der Gate-Anschluss G des FET 66 ist mit dem Energieversorgungsanschluss P2 über einen Vorspannungswiderstand 68 und einen FET 70 verbunden. Wenn ein niedrigpegeliges Steuersignal S1 in den Eingangsanschluss P1 (d. h. ein Beispiel für ”wenn ein Eingangssignal in ein Halbleiterschaltelement aktiv ist” der vorliegenden Erfindung) eingegeben wird, schaltet sich der FET 70 ein, d. h. schaltet sich in einen leitenden Zustand, um die Leitung zwischen dem Energieversorgungsanschluss P2 und dem Vorspannungswiderstand 68 zu erlauben. Dann wird eine konstante Spannung Vt (als eine Vorspannung) zwischen der Spannungsteilerschaltung 60 und der Masse aufgrund des FET 66 angelegt. Somit dienen der FET 66 und der Vorspannungswiderstand 68 als eine ”Vorspannungsschaltung” der vorliegenden Erfindung, und der FET 70 dient als eine ”Leckstromblockierungsschaltung” der vorliegenden Erfindung.
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Gemäß dieser Konstruktion verhindert, wenn ein hochpegeliges Steuersignal S1 in den Eingangsanschluss P1 eingegeben wird, das heißt, wenn ein Last-EIN-Signal nicht eingegeben wird, der FET 70 in dem Ausschaltzustand, dass ein Leckstrom von der Energiequelle 61 in die Last 50 durch den Vorspannungswiderstand 68 und die Spannungsteilerschaltung 60 fließt oder dass ein Leckstrom von der Energiequelle 61 in die Masse durch den Vorspannungswiderstand 68 und zwischen dem Drain und der Source des FET 66 fließt. Dadurch kann eine Verringerung der Ladungsmenge der Energiequelle 61 unterdrückt werden. In der vorliegenden Ausführungsform sind die FETs 66, 70 und der Vorspannungswiderstand 68 in der Halbleitervorrichtung 11 enthalten. Ein Masseverbindungsanschluss, der nicht gezeigt ist, mit dem die stromabseitigen Enden der FETs 24, 26, 47, 66 gemeinsam verbunden sind, ist auf der Halbleitervorrichtung 11 vorgesehen.
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Der Komparator 62 vergleicht die Anschlussspannung Vo (d. h. das Potenzial an dem externen Anschluss P4 und ein Beispiel einer ”Ausgangsspannung einer Strom-Spannungs-Wandlerschaltung” der vorliegenden Erfindung) des externen Widerstands 12, die sich in Abhängigkeit von dem Pegel des Erfassungsstroms Is ändert, mit der geteilten Spannung Va an dem Verbindungspunkt A. Der Komparator 62 gibt ein hochpegeliges Ausgangssignal S2 (d. h. ein Beispiel eines ”Anomaliesignals” der vorliegenden Erfindung) aus, wenn die Anschlussspannung Vo die geteilte Spannung Va aufgrund eines Erfassungsstroms Is eines hohen Pegels, der durch den externen Widerstand 12 fließt, überschreitet. Die geteilte Spannung Va wird als (2/3)·(Vs–Vt) + Vt ausgedrückt (wobei Vs die Source-Spannung des Leistungs-MOSFET 15 ist). Daher kann der Schwellenstromwert beliebig durch Einstellen des Widerstandswerts des externen Widerstands 12 entsprechend dem Lastwiderstand einer externen Schaltung (beispielsweise der Last 50), die mit der Energieversorgungssteuerung 10 verbunden ist, eingestellt werden. In der vorliegenden Ausführungsform überschreitet während einer Kurzschlussanomalie (Kurzschlussstrom), das heißt, wenn beispielsweise ein hoher Strom durch den Leistungs-MOSFET 15 aufgrund eines Kurzschlusses in der Last 50 fließt, der Pegel der Anschlussspannung Vo die geteilte Spannung Va, so dass der Komparator 62 ein hochpegeliges Ausgangssignal S2 ausgibt. Das heißt, der Pegel eines Laststroms Ip, der durch den Leistungs-MOSFET 15 fließt, wenn die Anschlussspannung Vo die geteilte Spannung Va erreicht, entspricht einem Schwellenstrom Ith1 (= k·(Va/r)), wobei k das Erfassungsverhältnis und r der Widerstandswert des externen Widerstands 12 ist) für eine Kurzschlussanomalieerfassung.
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Andererseits vergleicht der Komparator 64 die Anschlussspannung Vo des externen Widerstands 12 mit der geteilten Spannung Vb an dem Verbindungspunkt B. Der Komparator 64 gibt ein hochpegeliges Ausgangssignal S4 (d. h. ein Beispiel eines ”Anomaliesignals” der vorliegenden Erfindung) aus, wenn die Anschlussspannung Vo die geteilte Spannung Vb überschreitet, da der Erfassungsstrom Is eines höheren Pegels als der Nennstrom (d. h. eine Grenze für die Verwendung, gegenüber der der Entwurf der Last (Vorrichtung) garantiert ist) der Last 50 zu dem externen Widerstand 12 fließt. Die geteilte Spannung Vb wird als (1(3)·(Vs – Vt) + Vt ausgedrückt. Der Schwellenstromwert kann ebenfalls beliebig durch Einstellen des Widerstandswerts des externen Widerstands 12 entsprechend dem Lastwiderstand der Last 50 eingestellt werden. Der Widerstandswert des externen Widerstands 12 sollte derart eingestellt werden, dass der Pegel der Anschlussspannung Vo die geteilte Spannung Vb während einer Überstromanomalie überschreitet und dadurch der Komparator 64 ein hochpegeliges Ausgangssignal S4 ausgibt, das heißt, wenn ein Strom, der kleiner als ein Kurzschlussstrom ist, aber größer als der Nennstrom ist, durch den Leistungs-MOSFET 15 aus anderen Gründen als beispielsweise die obige Kurzschlussanomalie fließt. Das heißt, der Pegel eines Laststroms Ip, der durch den Leistungs-MOSFET 15 fließt, wenn die Anschlussspannung Vo die geteilte Spannung Vb erreicht, entspricht einem Schwellenstrom Ith2 (= k·(Vb/r)) für eine Überstromanomalieerfassung.
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(3) Logische Schutzschaltung
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Die logische Schutzschaltung 40 wird betrieben, wenn ein niedrigpegeliges Steuersignal S1 empfangen wird, und gibt ein niedrigpegeliges Steuersignal S5 während eines normalen Zustands aus, um die Ladungspumpschaltung 41 anzusteuern. Die Ladungspumpschaltung 41 erzeugt eine höhere Spannung, die zwischen den Gates und Sources des Leistungs-MOSFET 15 und des Erfassungs-MOSFET 16 angelegt wird, so dass die MOSFETs eingeschaltet werden, d. h. in den leitenden Zustand geschaltet werden. Wenn andererseits ein niedrigpegeliges Ausgangssignal S2 oder ein niedrigpegeliges Ausgangssignal S4 empfangen wird, das heißt, wenn eine Stromanomalie erfasst wird, gibt die logische Schutzschaltung 40 ein hochpegeliges Steuersignal S5 aus, um die Ladungspumpschaltung 41 auszuschalten und die Ausschalt-Schaltung 42 anzusteuern. Dadurch wird die Ladung zwischen dem Gate und der Source des Leistungs-MOSFET 15 und des Erfassungs-MOSFET 16 jeweils freigegeben, das heißt, die MOSFETs werden ausgeschaltet.
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Dieser Ausschaltbetrieb kann ein selbst nicht wiederherstellbarer Ausschaltbetrieb sein, bei dem der leitende Zustand nicht wiederhergestellt wird, bis ein Steuersignal S1 (beispielsweise ein Last-EIN-Signal) erneut eingegeben wird, oder alternativ kann er ein selbst wiederherstellbarer Ausschaltbetrieb sein, bei dem der Leistungs-MOSFET 15 und Ähnliches wieder in den leitenden Zustand versetzt werden, wenn ein niedrigpegeliges Ausgangssignal S2 oder S4 empfangen wird.
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Die Ausgangssignale S2 und S4 werden ebenfalls in eine ODER-Schaltung 49 eingegeben, die einen FET 46 einschaltet, wenn irgendeines der hochpegeligen Ausgangssignale S2, S4 oder ein hochpegeliges Ausgangssignal S3, das von der Übertemperaturerfassungsschaltung 48 zum Anzeigen einer Temperaturanomalie ausgegeben wird, eingegeben wird, so dass ein Signal zum Angeben einer Anomalie an eine externe Schaltung (beispielsweise eine Warnlampe) unter Verwendung eines Pull-up-Widerstands (Heraufziehwiderstands) 54, der mit dem Diagnoseausgangsanschluss P5 verbunden ist, ausgegeben wird. Das Ausgangssignal S3 wird ebenfalls in die Logische Schutzschaltung 40 eingegeben. Wenn das Ausgangssignal S3 einen hohen Pegel aufweist, gibt die logische Schutzschaltung 40 ein hochpegeliges Steuersignal S5 aus, so dass der oben beschriebene selbst wiederherstellbare Ausschaltbetrieb für den Leistungs-MOSFET 15 und Ähnliches durchgeführt wird.
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(4) Wirkung der vorliegenden Ausführungsform
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3 ist ein Diagramm, das die Beziehung der Schwellenströme Ith1, Ith2 und des Laststroms Ip (= k·Is), der durch den Leistungs-MOSFET 15 fließt, zu der Drain-zu-Source-Spannung Vds des Leistungs-MOSFET 15 zeigt. Die horizontale Achse ist eine Skala der Drain-zu-Source-Spannung Vds des Leistungs-MOSFET 15, während die vertikale Achse eine Skala der Schwellenströme Ith1, Ith2 und des Laststroms Ip entsprechend der Drain-zu-Source-Spannung Vds ist. In der Figur stellen die Linien L1 Lastlinien dar, die die Änderung des Laststroms Ip zeigen, der von dem Lastwiderstand der Last 50 abhängt. Die Linien L2 stellen Ein-Widerstandslinien dar und zeigen die Änderung des Laststroms Ip, der von dem Ein-Widerstand bzw. Durchlasswiderstand des Leistungs-MOSFET 15 abhängt. Der Erfassungsstrom Is ändert sich proportional zu dem Laststrom Ip, und daher nimmt die folgende Erläuterung den Laststrom Ip als Beispiel.
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In dem Fall, in dem sich die Last 50 in einem normalen Zustand befindet, werden sich die Drain-zu-Source-Spannung Vds des Leistungs-MOSFET 15 und der Laststrom Ip an dem Schnittpunkt A der Lastlinie L1 mit der Ein-Widerstandslinie L2 setzen, wenn der Leistungs-MOSFET 15 eingeschaltet ist. Das heißt, die Werte der Drain-zu-Source-Spannung Vds des Leistungs-MOSFET 15 und des Laststroms Ip werden sich idealerweise entlang der Lastlinie L1 beginnend von dem Punkt B (d. h. beginnend von einem Zustand, bei dem Vs (die Source-Spannung des Leistungs-MOSFET 15) = 0 und Id (der Drain-Strom des Leistungs-MOSFET 15) = 0 gilt) ändern, während der Leistungs-MOSFET 15 eingeschaltet gehalten wird, und stabilisieren, wenn der Stabilisierungspunkt (der Schnittpunkt A) erreicht ist. In 3 sind drei Lastlinien L1 gezeigt, und der Bereich, der durch die Linien begrenzt wird, entspricht der Herstellungsvariation der Halbleitervorrichtung 11.
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In einem Fall jedoch, in dem eine Anomalie wie z. B. ein Kurzschluss in der Last 50 aufgetreten ist, wird sich die Source-Spannung Vs des Leistungs-MOSFET 15 sehr wenig nach dem Start von dem Punkt B beim Start erhöhen, da der Spannungsabfall in der Last 50 extrem niedrig ist. Das heißt, der Laststrom Ip wird nach dem Start von dem Punkt B steil ansteigen (siehe Linie L5 in 3), während sich die Drain-zu-Source-Spannung des Leistungs-MOSFET 15 wenig ändert.
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Wenn jeder der Schwellenströme als auf einem festen Pegel angenommen bestimmt wird, sollte der Schwellenstrom auf einen höheren Wert als der Stabilisierungspunkt A eingestellt werden, wie es in 5 gezeigt ist. Daher benötigt es in der Anfangsphase eines Einschaltbetriebs des Leistungs-MOSFET 15, bei dem die Source-Spannung Vs niedrig ist und die Drain-zu-Source-Spannung Vds hoch ist, Zeit, bevor die Stromanomalien erfasst werden. Um Stromanomalien schnell zu erfassen, ist es vorteilhaft, wenn der Schwellenstrom für den Bereich niedriger ist, in dem die Drain-zu-Source-Spannung Vds höher ist, während der Schwellenstrom für den Bereich höher ist, in dem die Spannung Vds niedriger ist.
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Aus diesem Grund werden in der vorliegenden Ausführungsform die Schwellenströme Ith1, Ith2 derart eingestellt, dass sie sich entsprechend der Drain-zu-Source-Spannung Vds und im Wesentlichen mit denselben Steigungen wie diejenigen der Lastlinien L1 ändern, wie es durch die Linien L3 und L4 in 3 gezeigt ist. Insbesondere werden, um die Schwellenströme Ith1, Ith2, die sich auf eine derartige Weise ändern, zu erzielen, die geteilten Spannungen Va, Vb, die mit der Anschlussspannung Vo des externen Widerstands 12 zu vergleichen sind, in der vorliegenden Ausführungsform durch Teilen der Source-Spannung Vs des Leistungs-MOSFET 15 erzeugt, wie es oben beschrieben ist. Dadurch können sich die Schwellenströme Ith1, Ith2 mit den geteilten Spannungen Va, Vb ändern, das heißt, sie können sich linear entsprechend der Drain-zu-Source-Spannung Vds des Leistungs-MOSFET 15 ändern, so dass sie für den Bereich, in dem die Spannung Vds größer ist, niedriger sind, und für den Bereich, in dem die Spannung Vds niedriger ist, größer sind.
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In der Phase, während der die Drain-zu-Source-Spannung Vds hoch ist, während die Source-Spannung Vs niedrig ist, wird sich der Laststrom Ip steil erhöhen, wenn eine Anomalie aufgetreten ist, wie es oben beschrieben ist. Die Schwellenströme werden sich jedoch in dieser Phase aufgrund der konstanten Spannung Vt, die aufgrund des FET 66 und des Vorspannungswiderstands 68 angelegt wird, stabil erhöhen, so dass sie geeignete Werte für den Bereich, in dem die Drain-zu-Source-Spannung Vds des Leistungs-MOSFET 15 sehr hoch ist, annehmen. Somit werden die Schwellenströme im Vergleich zu einer Konstruktion geeignet eingestellt, bei der die Schwellenströme auf konstante Werte eingestellt werden, und dadurch kann ein Ausschalten in dem Leistungs-MOSFET 15 mit geringerem Energieverlust schnell durchgeführt werden. ”It” in 3 stellt den Strom, der der konstanten Spannung Vt entspricht, dar, der durch den FET 66 fließt, wenn der Leistungs-MOSFET 15 ausgeschaltet ist und der FET 66 eingeschaltet ist.
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In 3 zeigen die Linien L3 die Änderung des Schwellenstroms Ith1 für eine Kurzschlussanomalieerfassung, während die Linien L4 die Änderung des Schwellenstroms Ith2 für eine Überstromanomalieerfassung zeigen. Die Herstellungsvariation der Halbleitervorrichtung 11 ist ebenfalls gezeigt. Somit kann die Halbleitervorrichtung 11 eine Variation der Widerstandswerte der Spannungsteilungswiderstände R1–R3 aufgrund der Herstellung aufweisen. Die Spannungsteilungswiderstände R1–R3 werden jedoch als Elemente auf einem einzelnen Chip oder in einem Gehäuse hergestellt, und daher ändern sich sämtliche Widerstandswerte in derselben Richtung (d. h. in der Richtung der Verringerung oder der Erhöhung der Widerstandswerte), so dass das Spannungsteilungsverhältnis keine Änderung erfährt. Demzufolge können Anomalien unabhängig von einer Änderung der Widerstandswerte der Spannungsteilungswiderstände R1–R3 genau erfasst werden, wenn der externe Widerstand 12, der einen geeigneten Widerstandswert aufweist, entsprechend den abnormen Strompegeln (d. h. dem Strompegel während einer Kurzschlussanomalie und dem Strompegel während einer Überstromanomalie), die zu erfassen sind, ausgewählt wird.
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Zweite Ausführungsform>
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4 zeigt eine zweite Ausführungsform. Der Unterschied zu der ersten Ausführungsform besteht in der Konstruktion einer Vorspannungsschaltung. Die anderen Konstruktionen ähneln der ersten Ausführungsform und werden daher mit denselben Bezugszeichen wie in der ersten Ausführungsform bezeichnet. Redundante Erläuterungen sind weggelassen, und die folgende Erläuterung konzentriert sich auf den Unterschied.
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Wie es in 4 gezeigt ist, ist gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Vorspannungsschaltung auf der Stromaufseite der Spannungsteilerschaltung 60 angeordnet, d. h. zwischen dem Energieversorgungsanschluss P2 und der Spannungsteilerschaltung 60. Insbesondere ist das stromabseitige Ende des oben beschriebenen Vorspannungswiderstands 68 mit dem Verbindungspunkt zwischen der Source S des Leistungs-MOSFET 15 und dem Spannungsteilungswiderstand R1 geschaltet.
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Gemäß dieser Konstruktion schaltet sich, wenn ein niedrigpegeliges Steuersignal S1 in den Eingangsanschluss P1 eingegeben wird, der FET 70 ein, das heißt, er schaltet sich in einen leitenden Zustand, um eine Leitung zwischen dem Energieversorgungsanschfuss P2 und dem Vorspannungswiderstand 68 zu erlauben. Dadurch wird eine Spannung, die einem Spannungsabfall an dem Vorspannungswiderstand 68 entspricht, zwischen dem Energieversorgungsanschluss P2 und dem Spannungsteilungswiderstand R1 angelegt, so dass die geteilten Spannungen Va, Vb auf die Seite der Energieversorgungsspannung Vcc vorgespannt werden. Somit dient der Vorspannungswiderstand 68 als eine ”Vorspannungsschaltung” der vorliegenden Erfindung, und der FET 70 dient als eine ”Leckstromblockierungsschaltung” der vorliegenden Erfindung. Diese Konstruktion weist den Vorteil auf, dass die Konstruktion der Vorspannungsschaltung im Vergleich zu der ersten Ausführungsform aufgrund dessen, dass kein FET 66 benötigt wird, vereinfacht ist.
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<Weitere Ausführungsformen>
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Ausführungsformen, die in der obigen Beschreibung mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert wurden, beschränkt. Die folgenden Ausführungsformen können beispielsweise innerhalb des technischen Bereiches der vorliegenden Erfindung enthalten sein, und außerdem kann die vorliegende Erfindung in verschiedenen Formen ausgeführt werden, ohne von dem Bereich der Erfindung abzuweichen.
- (1) In den obigen Ausführungsformen wird die Spannungsteilerschaltung 60 aus drei Spannungsteilungswiderständen R1–R3 ausgebildet, so dass zwei Stromanomaliepegel, d. h. eine Kurzschlussanomalie und eine Überstromanomalie, erfasst werden können. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Konstruktion beschränkt. Es kann beispielsweise ein Stromanomaliepegel unter Verwendung von zwei Spannungsteilungswiderständen erfasst werden. Alternativ können drei oder mehr Stromanomaliepegel unter Verwendung von vier oder mehr Spannungsteilungswiderständen erfasst werden.
- (2) In den obigen Ausführungsformen weisen die Spannungsteilungswiderstände (d. h. die Spannungsteilungswiderstände R1–R3) denselben Widerstandswert auf. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Konstruktion beschränkt. Die Widerstandswerte können sich voneinander unterscheiden.
- (3) In den obigen Ausführungsformen gibt jeder der Komparatoren 62, 64 als eine positive Logikschaltung ein hochpegeliges Ausgangssignal S2 oder S4 aus, wenn die Anschlussspannung Vo die geteilte Spannung Va oder Vb überschreitet. Selbstverständlich kann stattdessen eine negative Logikschaltung, die ein niedrigpegeliges Ausgangssignal S2 oder S4 ausgibt, verwendet werden.
- (4) In den obigen Ausführungsformen wird der externe Widerstand 12 als eine Strom-Spannungs-Wandlerschaltung verwendet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Konstruktion beschränkt, sondern es kann stattdessen eine RC-Parallelschaltung verwendet werden. Beispielsweise kann die RC-Parallelschaltung ein erstes Widerstandselement und einen Kondensator enthalten, die seriell geschaltet sind, und sie kann außerdem ein zweites Widerstandselement enthalten, das parallel zu dem ersten Widerstandselement und dem Kondensator geschaltet ist. Die RC-Parallelschaltung weist die Eigenschaft auf, dass ihr Umwandlungsfaktor zum Umwandeln des Laststroms in eine Spannung mit der Zeit, mit der der Laststrom ausgeübt wird, erhöht wird. Das heißt, in dem Fall, in dem beispielsweise eine Kurzschlussanomalie in der externen Schaltung (beispielsweise der Last der gesteuerten Vorrichtung oder Ähnlichem, oder einem Verdrahtungselement) aufgetreten ist, oder in einem Fall, in dem eine geringere Anomalie als diese, d. h. eine Überstromanomalie, bei der ein größerer Strom als der Nennstrom der Last durch das Halbleiterschaltelement fließt, aufgetreten ist, wird sich die Ausgangsspannung der RC-Parallelschaltung aufgrund dessen, dass ihr Umwandlungsfaktor erhöht wird, wenn die Stromanwendungszeit andauert, erhöhen, und es wird ein Anomaliesignal ausgegeben, wenn die Ausgangsspannung den Schwellenstrom überschreitet. Die Stromanwendungszeit, bis das Anomaliesignal nach dem Auftreten der Stromanomalie ausgegeben wird, ist kürzer, wenn der Pegel des abnormen Stroms höher ist, und die Zeit ist länger, wenn der Pegel niedriger ist.
Das heißt, die Energieversorgungssteuerung wird derart betrieben, dass ein Anomaliesignal unmittelbar ausgegeben wird, wenn ein hochpegeliger abnormer Strom in der externen Schaltung (beispielsweise einem Verdrahtungselement (oder einem elektrischen Draht)), die mit dem Halbleiterschaltelement verbunden ist, aufgetreten ist. Wenn ein abnormer Strom eines relativ niedrigen Pegels aufgetreten ist, wird ein Anomaliesignal ausgegeben, nachdem eine beachtliche Zeit während der Anwendung des Stroms verstrichen ist. Dadurch kann ein Durchbrennen der externen Schaltung aufgrund eines hohen Stroms, der durch diese fließt, verhindert werden. Außerdem kann die Krümmung der Beziehung zwischen einem Strom, der zu erfassen ist, und einer Stromanwendungszeit, d. h. einer Zeit, bis die Ausgangsspannung der RC-Parallelschaltung die Schwellenspannung überschreitet, geeignet durch Ändern ihrer Schaltungskonstante (d. h. des Widerstandswerts jedes Widerstands und der Kapazität des Kondensators) eingestellt werden. Außerdem ist der maximale Betrag des zu erfassenden Stroms begrenzt, da der Strom in die RC-Parallelschaltung fließt. Der maximale Strombetrag kann durch Einstellen des Widerstandswerts mindestens des ersten Widerstandselements oder des zweiten Widerstandselements auf einen Wert eingestellt werden, der dem maximal erlaubten Strom des Halbleiterschaltelements entspricht. Außerdem kann die Konvergenz des zu erfassenden Stroms in dem Fall, in dem ein Überstromzustand eine lange Zeit andauert, durch Ändern des Widerstandswerts des zweiten Widerstandselements eingestellt werden. Die Zeitkonvergenz der Krümmung der Beziehung zwischen dem zu erfassenden Strom und der Stromanwendungszeit kann durch Ändern der Werte der ersten und zweiten Widerstandselemente und des Kondensators eingestellt werden.
- (5) In dem obigen Ausführungsformen ist der Leistungs-MOSFET 15 als ein Halbleiterschaltelement enthalten. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Konstruktion beschränkt. Es kann ein anderer unipolarer Transistor als der Obige oder alternativ ein Bipolartransistor enthalten sein.
- (6) In den obigen Ausführungsformen wird der Erfassungs-MOSFET 16 als eine Stromerfassungsschaltung verwendet. Das heißt, die Stromerfassung wird durch ein Erfassungsverfahren erzielt. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Konstruktion beschränkt, sondern die Stromerfassung kann durch ein Shunt-Verfahren erzielt werden. Das heißt, es kann beispielsweise ein Shunt-Widerstand an der Stromversorgungsleitung vorgesehen sein, und der Laststrom kann auf der Grundlage des Spannungsabfalls darüber erfasst werden.
- (7) In den obigen Ausführungsformen wird die Spannungsteilerschaltung 60 als eine Spannungserzeugungsschaltung verwendet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Konstruktion beschränkt. Was notwendig ist, ist, dass Spannungen entsprechend der ausgangsseitigen Spannung des Halbleiterschaltelements ausgegeben werden können. Beispielsweise können Schaltelemente, durch die Ströme entsprechend der ausgangsseitigen Spannung des Halbleiterschaltelements durch Anlegen der ausgangsseitigen Spannung des Halbleiterschaltelements an dessen Steueranschluss fließen können, und Widerstände, durch die die Ströme von den Schaltelementen fließen, enthalten sein. Die Anschlussspannungen der Widerstände können als erzeugte Spannungen vorgesehen werden.
- (8) In der obigen Ausführungsform werden der FET und der Widerstand als eine Vorspannungsschaltung verwendet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Konstruktion beschränkt. Beispielsweise kann ein Konstantspannungselement wie z. B. eine Zener-Diode oder eine Konstantspannungsdiode an dem Strompfad für die Spannungsteilerschaltung 60 vorgesehen sein. Die Anschlussspannung des Konstantspannungselements kann als eine Vorspannungsspannung angelegt werden.
