JP2004312996A - 極性反転に対する保護装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 既知の装置の不利点を克服する極性反転に対する保護を提供する。
【解決手段】 直流電力供給装置との接続部の極性反転に対して回路を保護する装置は、直流電力供給装置の第１の電圧の第１の端子と回路の第１の端子間の前記接続部の間に入る制御可能なスイッチ、及び反転極性の存在下で遅れてスイッチをターンオフする第１の手段を含む。
【選択図】 図２

Description

本発明は、一般に直流供給電圧の偶発的な極性反転に対する電子回路の保護に関する。本発明は、さらに詳細には、例えば自動車分野での直流バッテリーにより供給される負荷を制御する回路の保護に適用する。

図１は、バッテリー３により供給される負荷２（Ｑ）を制御する回路１の従来例を概略的に示している。

制御回路１は、直流電圧（Ｖｂａｔ）端子１２及び負荷２と接続する端子１３の間にスイッチ１１（一般にはＭＯＳトランジスタ）を含み、負荷の別の端子は（通常直接）アース接続され、さらに一般的には端子１２が接続される電圧以外の直流電力供給装置の別の電圧（端子３２）と接続する。回路１は一般に、アース接続する端子１４及びマイクロコントローラ４（μＣ）とデータ交換（制御信号、状況など）する入力−出力端子をさらに含む集積回路である。示された例では、回路１の４つの端子１５から１８が提供され、その間にはスイッチ１１の（ロジック）動作開始制御信号の少なくとも１つの入力端子が提供される。

スイッチ５は例えば、自動車のイグニッションキーで駆動する電気回路の一般的なスイッチを表す。スイッチ５は、バッテリー３の正端子３１と端子１２を接続する。

マイクロコントローラ４は一般に、電圧調整器６（ＶＲ）により供給され、電圧調整器６は、スイッチ５及び電源スイッチと接続する陽極を有するダイオード６１を経由してバッテリー電圧を受け取り、調整電圧をマイクロコントローラ４に提供する。

いくつかの電気的保護要素がさらに、回路１及びその接続部に装備される。

第１の保護要素は、回路１内部で、端子１２及び１４と接続するツェナーダイオード１９から成り、ダイオード１９の陽極は端子１４と接続する。ダイオード１９は、スイッチ１１の制御要素を含む回路１の部分を、端子１２の電圧を制限することにより保護することを目的とする。

第２の要素は端子１４と端子３２を接続し、及び従ってアース接続する又はバッテリー３の負端子と接続するダイオード７から成り、ダイオード７の陽極は端子１４と接続する。ダイオード７の機能は、極性反転の場合にバッテリー短絡を防ぐことである。ダイオード７は正常動作ではオンであり、回路１のアース接続を確実にする。ダイオード７はバッテリーの極性反転の場合に遮断され、その後万一端子１４が端子３２と直接接続した場合、（オン状態の）ダイオード１９が端子３２及び３１と接続するのを防ぐ。

ダイオード７は、抵抗と置き換え可能で該抵抗は正常動作での著しい電圧降下を避けるため少ない値でなければならない。しかしこうした少ない値により、バッテリーの極性反転の場合に著しい電力損失が生じる。

ダイオード７は、消費とは無関係にいくつかの回路１に共有され、０．６ボルトの桁でほぼ一定の電圧降下を起こし、従って、従来は好ましい。

マイクロコントローラ４は、一般にダイオード６１により極性反転に対して保護される。

マイクロコントローラのアース端子４１は、通常端子３２と直接接続しなければならない。いかなる電圧オフセットもなくそのデータを読み込むことを可能にするために、センサ（図示せず）からのこのデータは「マイナスの」バッテリー３２と直接接続される。

ダイオード７の不利点は、供給端子１２（又は３１）上の過渡的な負極性パルスの場合に、回路１及びマイクロコントローラ４の保護を提供しないことである。自動車への適用例では、過渡パルスはバッテリー電圧の、可変電力の標準化された過渡障害（ＩＳＯ基準Ｔ／Ｒ７６７３／１）に対応する。さらに一般的には、こうした過渡パルスは、例えば、直流電力供給装置に接続される負荷の切り替えに起因する。

端子１２上の正極性過渡パルスの際、ダイオード７はオンのままである。その時ツェナーダイオード１９は電圧制限器として機能し、スイッチ１１の制御要素を保護する。

しかし、端子１２上の負極性の過渡パルスの際、ダイオード７は遮断される。その時回路１の内部アース（端子１４）が、（端子３２の電圧に対して）強く負になる。マイクロコントローラは端子３２と参照されるアースを有する。その結果、入力−出力１５から１８はパルスの負電圧に従い、マイクロコントローラから電流を引き込む。この現象を克服するために、回路１の各入力−出力１５から１８が、保護抵抗４５から４８によりマイクロコントローラと接続する。抵抗はこの保護機能を確実にするために、強い値（少なくとも１ＫΩの桁）を有さねばならない。

不利点は、抵抗４５から４８の存在とその大きさに結びつけられる。特に、小型化の対象物は回路１を含むパッケージの直列インターフェースを集積する結果となり、マイクロコントローラとの接続を制限する。従って接続部は優先的に３つ（クロック接続、マイクロコントローラとの出力接続、及びマイクロコントローラからの入力接続）に限定される。それは直列接続であり、データ解釈はデジタルワードにより行われる。

入力−出力線上の保護抵抗の存在は、別の課題を引き起こす。それは特に抵抗の大きさの課題よりもむしろ、直列通信に対して存在する。実際、抵抗はＲＣセル（それらが浮遊容量であるないにかかわらず、入力又は出力容量を伴う）に加わり、ＲＣセルは、無視できない遅延をマイクロコントローラと負荷制御回路の間のデータ送信に持ち込む。

特に、自動車分野への適用では、所要の応答時間は、少なくとも１マイクロ秒の時間であり、それは１ＫΩ又はそれ以上の桁の直列抵抗の使用とは両立しない。

本発明の実施形態は、既知の装置の不利点を克服する極性反転に対する保護を提供する。特に、本発明の実施形態は、過渡的な反転に対して保護し、一方でマイクロコントローラへアクセスする抵抗値の最小化、又はこれら抵抗の除去さえ行う。

本発明の実施形態はまた、システムの小型化と両立する解決策を提供する。

本発明の実施形態は、集積化可能な解決策を提供する。

本発明の実施形態は、直流電力供給装置の第１の電圧が印加される第１の端子と回路の第１の端子間の接続部の間に入る制御可能なスイッチと、
反転極性の存在下で、遅れて前記スイッチをターンオフする第１の手段を含むことを特徴とする、前記直流電力供給装置との接続部での極性反転に対して保護される前記回路を保護する装置を提供する。

本発明の実施形態によると、前記遅延は過渡的な極性反転の最大予想持続時間よりも大きくなるように選択される。

本発明の実施形態によると、極性が正常のとき、保護装置はスイッチをターンオフする遅さより短い遅れでスイッチをターンオンする第２の手段を含む。

本発明の実施形態によると、前記保護される回路の第１の端子は、アース接続端子である。

本発明の実施形態によると、前記第１の手段は、直接的に又は選択できる遅延要素を介して前記スイッチを制御する出力を有するマイクロコントローラから成る。

本発明の実施形態によると、前記スイッチは、好ましくはＮチャネルによるＭＯＳトランジスタである。

本発明の実施形態によると、前記第１の手段は、トランジスタゲートと前記保護される回路の第１の端子を接続する第１の抵抗から成る。

本発明の実施形態によると、ダイオードと直列の第２の抵抗が、接続される装置の端子と直流電力供給装置の第２の電圧を接続する。

本発明の実施形態によると、ツェナーダイオードが第１の抵抗と並列接続する。

本発明の特徴及び利点は、添付の図面に関連し、以下の具体的な実施形態の非限定的な記述により詳細に論じられる。

同一の要素は、異なる図面でも同一の参照符号で示される。明確にするために、本発明の理解に必要な要素だけが図面に示され、これ以降記述される。特に、制御される負荷及びマイクロコントローラによる制御工程は詳述されない。なぜなら、それらは従来通りだからである。さらに、本発明の実施形態は自動車分野への適用例に関連して特に詳細に記述されるが、ここに記載されるすべては、特別の定めのない限り、過渡的な又は持続的な極性反転を受ける可能性がある及び同様の課題を引き起こす可能性がある直流電圧によるいかなる負荷供給にも適用する。

本発明の実施形態は、負荷制御回路のアース接続（又はさらに一般的には直流供給電圧の１つとの接続）端子とアースの間に、特定の保護要素を提供する。この要素は、正常動作のときにオンであり、持続的な極性反転の場合にはオフであり、及び過渡的な（一時的な）極性反転の間にはオンのままであるという特徴を有する。

図２は、本発明によるアース接続保護装置の第１の実施形態を示している。図２は、図１で示される従来アセンブリの型の要素を含む。簡潔にするために、図２の表示は、本発明の実施形態による保護装置８、マイクロコントローラ４、及び制御回路１の一部分が示されるだけの部分的なものである。

本実施形態によると、装置８は機能上、回路１の端子１４とアース端子３２を接続する通常はオンであるスイッチ８１、及び直流供給電圧の極性反転の検出後にスイッチ８１をターンオフすることを遅らせる遅延要素８２（τ）で形成される。マイクロコントローラ４が極性反転に対して鈍感である電力供給装置を有する場合、極性反転の検出はマイクロコントローラ４により行われる。その後極性の状態（又は方向）を提供するマイクロコントローラの出力４９が、少なくともスイッチ８１をターンオフするためにスイッチ８１を制御する出力を有する遅延要素８２の入力と接続する。

要素８２により導入された遅延は、過渡的な障害に対して予想される最大持続時間の関数であり、従って特定のアプリケーションにふさわしい所定の値に調節できる。遅延要素８２により設定された遅延の終了前に極性が再び正常になる場合、遅延は一時的な反転を考慮しないことを可能にするようにターンオフ時に発生する。好ましくは、遅延はスイッチ８１をターンオフする時にのみ発生する。例えば、遅延要素８２は、正常極性を示す低い状態（０）を遅滞なく通して、直ちにスイッチ８１をターンオンし、極性反転を示す高い状態（１）の伝播を遅らせる。代替案の実施によると、要素８２の遅延は、マイクロコントローラにより計算され、その後直接スイッチ８１を制御する。

図３は本発明の実施形態によるアース接続保護装置８（ＧＰ）の第２の実施形態を示している。本装置は、本装置自体が極性反転を検出する及びこの目的のために好ましくは回路１の正の供給端子１２と同一の個所と接続するバッテリー電圧Ｖｂａｔを受け取る、端子８３を含むことを除いては、図２の装置のように接続する。代替案（点線で示される）として、供給電圧を受け取る端子８３が一般的なスイッチ５の上流の、正極性の供給端子に直接接続される。従って図３は、ダイオード７及び抵抗４５から４８を除いて図１の要素を含む。装置８はスイッチ８１（図３には示さず）及び遅延要素８２と同等の手段を含む。

次に図２及び図３の装置８の動作を説明する。

本発明の実施形態によると、保護装置８と従来のダイオード７の間の主な差異は、要素８が極性反転の際に遅れて遮断することである。従ってアセンブリは以下のように動作する。

正常な供給電圧Ｖｂａｔ（端子１２及び３２の間で正）の存在下で、スイッチ８１はちょうどダイオード７があらかじめ順方向にバイアスがかかったようにオンである。回路１内部のダイオード１９は、過渡パルスに対する制御回路保護の正常機能を行う。

この構成では、導電性要素８を横切る電圧降下はスイッチ８１の電圧降下である。最も頻出する場合では、スイッチ８１はＭＯＳトランジスタである。その利点は、スイッチ８１が端子１４及び３２間の電圧降下を最小限にすることである。図３に示されるように、これにより装置８の上流（及び従って端子１４上）のマイクロコントローラ４のアース接続が可能となり、及び従って同時にマイクロコントローラ４を保護することが可能である。もちろん、代替案として、図３の点線で示されるような従来のマイクロコントローラのアース接続を維持することを排除してはいない。

過渡的な負電圧の存在下では、（従来アセンブリのダイオード７とは反対に）スイッチ８１はターンオフしない。というのは、遅延要素８２（又は図３の装置８の同等要素）が、システムに無視される過渡状態の予想最大遅延より大きい遅延を導入するように作られるからである。

実際、（最大過渡電圧に基づいて定義され、一般に標準化されている）電流Ｉは、ダイオード１９及びスイッチ８１を通って流れる。スイッチ８１のオン状態のインピーダンスＺを仮定すると、要素８の電圧降下はＺ．Ｉ．である。従ってアセンブリを横切る電圧はＺ．Ｉ．＋Ｖｆに限定される。ここでＶｆは、ダイオード１９を横切る電圧（実施面では、１ボルトに満たない）を表す。

その結果、こうした負の過渡状態の間に、回路１の入力−出力端子１５から１８と接続するマイクロコントローラ４の端子に印加される電圧は、Ｚ．Ｉ．＋Ｖｆの大きさを超えることができない。

スイッチ８１は、最も活発な予想過渡パルスの最大電流を保持するような寸法で作られる。

利点は、マイクロコントローラの入力−出力を保護する抵抗４５から４８が少なくとも１００（実際は、１オームの桁又は数１０オームの桁の値で十分である）の比率に従って削減される又は取り除かれることである。特に、マイクロコントローラのアース接続が回路の端子１４と接続する場合、マイクロコントローラの入力−出力に印加される電圧がＶｆ（１ボルトに満たない）に制限される。図３の例では、抵抗４１から４４が抵抗４５から４８の代わりに点線で示されている。

別の利点は、従って、マイクロコントローラからの命令に対するシステムの素早い応答を可能にする一方で、マイクロコントローラ及び装置８により保護される回路１の間に直列接続を提供することが可能なことである。

供給電圧極性の偶発的な（持続的な）反転の存在下で、スイッチ８１は時間（τ）後にターンオフし、従って、回路１内部のダイオード１９による電力供給装置の短絡が避けられる。

回路が予見できる最大逆電圧（通常、自動車バッテリーの場合１６ボルト）より大きい、装置８（及びスイッチ８１）の破壊電圧が確実となる。

装置８の単純な実施形態は、すべての検出を受け入れるマイクロコントローラ４により有か無か（例えば０ボルト又は５ボルト）で制御されるＭＯＳトランジスタである。別の単純な制御は、ＭＯＳトランジスタのゲートと調整器６の出力（例えば５ボルト）を直接接続することから成る。従ってオフにするタイミングは、調整器の入力電圧がなくなる場合に、その出力電圧を維持する調整器の容量に由来する。この実施形態は、例えば、ターンオフ遅延を精密に制御することが必須ではないアプリケーションに使用される。

図４は、本発明の実施形態による図３の装置８の好ましい実施形態（ターンオフ時定数を積分する自立型装置）を示している。

本実施形態によると、好ましくは集積回路として実行され、スイッチ８１はＮチャネルＭＯＳトランジスタである。トランジスタ８１のドレインは、保護される回路１のアース接続端子１４と接続することが意図される装置８の端子８４と直接接続する。そのソースは、アース端子３２（又は電力供給装置の最大の負端子）と直接接続することが意図される装置８の端子８５と直接接続する。トランジスタ８１のゲートは、ダイオード８７と直列の第１の抵抗８６を経由して、検出入力端子８３と接続する。ダイオード８７のカソードはトランジスタ８１のゲートと直接接続し、一方でそのアノードは抵抗８６により端子８３と接続する。トランジスタ８１のゲートはさらに、好ましくは抵抗８６の値より大きい第２の抵抗８８により端子８４と接続する。

正電圧が端子８３上に存在するとき（正の供給電圧）、ダイオード８７が導通し、トランジスタ８１はオンになる。

電圧Ｖｂａｔの極性反転の場合、ダイオード８７が即座に遮断する。しかしトランジスタ８１は、抵抗８８がそのゲートの静電容量を放電しない限りオンのままである。極性反転が過渡的である場合、トランジスタゲートは放電する時間がない。過渡障害がなくなったとき、ダイオード８７は再び導電し、及びトランジスタ８１はオンに戻る。トランジスタ８１の動作開始は、そのゲートの静電容量の電荷により、抵抗８６を通じて調整される。

極性反転が発生した場合、トランジスタ８１はオフになり、それにより電力供給装置の短絡を防ぐ。

抵抗８８の値は、トランジスタ８１のゲートの静電容量及び過渡の極性反転の最大持続時間に従って設定され、その間（例えば、１ミリ秒の桁の時定数を有するように）回路がオフにされることは望ましくない。

好ましくは、ツェナーダイオード８９がトランジスタ８１のゲートと端子８４を接続し、そのアノードが端子８４と接続する。このダイオードの機能は、トランジスタ８１がオンであるとき、トランジスタ８１のゲート−ソース電圧をダイオード８９の閾値電圧とトランジスタ８１のゲート−ソース電圧を加えたものに制限することである。また、ダイオード８９は過渡の極性反転の間、トランジスタ８１のゲート−ドレイン電圧をダイオードのツェナー電圧に制限する。

ＮチャネルＭＯＳトランジスタをスイッチ８１として使用する場合、バルクをドレインに接続して、バルクとソースの接続により極性反転の間に順方向にバイアスがかかった寄生ダイオードの存在を避けることを確実にする。

抵抗８６の値は、好ましくはできるだけ小さくなるように選択される（例えば、抵抗８８の値より少なくとも１０倍小さい）。端子８３上の電圧がダイオード８９のアバランシェ電圧を超えるという危険を冒さない場合、抵抗８６は省略すらされ、抵抗８６はその電流を制限する。というのは、抵抗８６は抵抗８８の値より小さい値を有し、オンになるのはオフになるよりも早いからである。これにより、特に回路１の始まり（又は過渡障害後の再スタート）に必要なスピードを考慮することが可能となる。

図４の装置８の別の利点は、供給電圧の消失（例えば、通常スイッチ５がオフになるとき）に現れる。実際、この供給の消失に関するスイッチ８１のターンオン遅延により、残留電流を負荷２に運び去ることが可能となる。特に、負荷２が少なくとも部分的に誘導性である場合、こうしたことが起る。導電スイッチ８１は、即座に遮断する従来のダイオード７とは反対に、通常スイッチ５がオフになるときに（回路１のスイッチ１１がオンのままであるという条件で）フリーホイール要素として使用される。従ってアークを生じさせる可能性があるスイッチ５（例えば自動車のイグニッションキー）のレベルで過電圧の発生が避けられる。

保護装置８は、自動車の電気システムといったシステムに配置されるディスクリート回路又は集積回路の一部である。

もちろん、本発明は様々な代替案、変更及び改良を有する。特に、保護装置は正の最大電圧との接続部に提供されてもよい。この場合、ＰチャネルＭＯＳトランジスタが正の供給側上に提供される。

さらに、装置８の異なる構成部品の寸法決めは、上記で与えられた機能的な表示に基づき、当業者の能力の範囲内である。

最後に、本発明の上記実施形態は単一の制御回路及び単一の保護装置に関して記述されているが、同一の保護装置がいくつかの異なる電荷制御回路に共有されてもよい。

こうした代替案、変更、及び改良は本開示の一部であること、及び本発明の精神及び範囲内にあることを意図している。従って、以上の記述は例示のみであり、限定的であることを意図していない。

バッテリーにより供給される負荷を制御する従来技術の回路を示している。 機能ブロックの形式で、本発明による保護装置の実施形態を示している。 図１の適用例で使用される本発明の実施形態を示している。 本発明の保護要素の実施形態を示している。

符号の説明

１ 制御回路
２ 負荷
３ バッテリー
４ マイクロコントローラ
５ スイッチ
６ 調整器
７ ダイオード
８ 保護装置
１１ スイッチ
１２ 直流電圧端子
１３ 負荷の接続端子
１４ アース端子
１５ 入力−出力端子
１６ 入力−出力端子
１７ 入力−出力端子
１８ 入力−出力端子
１９ ダイオード
３１ 正端子
３２ アース端子
４１ アース端子
４５ 保護抵抗
４６ 保護抵抗
４７ 保護抵抗
４８ 保護抵抗
６１ ダイオード
８１ スイッチ
８２ 遅延要素
８３ 検出入力端子
８４ 端子
８５ 端子
８６ 抵抗
８７ ダイオード
８８ 抵抗
８９ ツェナーダイオード

Claims (8)

1. 直流電力供給装置の第１の電圧の第１の端子（３２）と回路（１）の第１の端子（１４）の間の接続部の間に入る制御可能なスイッチ（８１）と、
   反転極性の存在下で、遅れて（τ）前記スイッチをターンオフする第１の手段（４、８２、８８）と、
   極性が正常のときに、前記ターンオフ遅延より短い遅れで前記スイッチ（８１）をターンオンする第２の手段（４、８６）を含むことを特徴とする、直流電力供給装置との接続部の極性反転に対して前記回路（１）を保護する装置（８）。
2. 前記遅延（τ）が、過渡的な極性反転の最大予想持続時間よりも大きくなるように選択されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記保護される回路（１）の前記第１の端子（１４）が、アース接続端子（３２）であることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
4. 前記第１の手段が、直接又は選択できる遅延要素（８２）を介して、前記スイッチ（８１）を制御する出力を有するマイクロコントローラ（４）を含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
5. 前記スイッチ（８１）が、好ましくはＮチャネルによるＭＯＳトランジスタであることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
6. 前記第１の手段が、前記トランジスタ（８１）のゲートと前記保護される回路の前記第１の端子（１４）を接続する第１の抵抗（８８）を含むことを特徴とする、請求項５に記載の装置。
7. ダイオード（８７）と直列の第２の抵抗（８６）が、前記接続される装置の端子（８３）と前記直流電力供給装置の第２の電圧を接続することを特徴とする、請求項６に記載の装置。
8. ツェナーダイオード（８９）が、前記第１の抵抗（８８）と並列接続することを特徴とする、請求項７に記載の装置。
   

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