JP2007306789A - 保護回路、電子回路および制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】保護すべき回路の入力側に過渡的な過電圧が生じた時に、保護すべき電子回路には比較的僅かな電圧ストレスしか生じない保護回路を提供する。
【解決手段】保護すべき電子回路を保護回路に接続するための出力側に少なくとも１つの出力端子が設けられており、出力端子は２つの電圧制限型の回路コンポーネントの間にある回路ノードと接続されている。
【選択図】図１ｃ

Description

本発明は、電子回路を殊に過渡的な過電圧から保護するための保護回路に関する。この保護回路においては、保護回路の入力側の第１の端子と第２の端子との間に少なくとも２つの電圧制限型の回路コンポーネントの直列回路が設けられており、２つの電圧制限型の回路コンポーネントはそれぞれ少なくとも１つの半導体構成素子を有する。さらに本発明は、この種の保護回路を備えた電子回路ならびに、殊に自動車のための制御装置に関する。

冒頭で述べたような保護回路は通常の場合、ツェナーダイオードとして構成されている半導体構成素子を電圧制限型の回路コンポーネント内に有しており、この種の電圧制限型の回路コンポーネントの相応の直列回路は保護すべき電子回路の入力側と並列に接続されている。保護すべき回路の入力側に過渡的な過電圧が生じた場合には、この過電圧がツェナーダイオードの降伏電圧を上回ると直ぐに、過電圧に関して逆方向に極性付けられているツェナーダイオードが導通される。これによって過電圧は、過電圧に関して順方向に極性付けられている別のツェナーダイオードの導通電圧も必要に応じて含めて、該当するツェナーダイオードの降伏電圧にほぼ相当する値に制限される。

本発明の課題は、さらに改良された冒頭で述べたような保護回路、その種の保護回路を備えた電子回路および制御装置を提供することである。

保護回路に関する課題は、保護すべき電子回路を保護回路に接続するための出力側に少なくとも１つの出力端子が設けられており、出力端子は２つの電圧制限型の回路コンポーネントの間にある回路ノードと接続されていることにより解決される。

電子回路に関する課題は、電子回路が請求項１から５までのいずれか１項記載の保護回路を備えており、保護回路の出力端子が電子回路の給電電圧入力側と接続されていることにより解決される。

制御装置に関する課題は、制御装置が請求項１から５までのいずれか１項記載の保護回路または請求項６から８までのいずれか１項記載の電子回路を備えていることにより解決される。

非常に有利には、本発明のように２つの電圧制限型の回路コンポーネント間に出力端子を配置することにより、過電圧の発生時に保護すべき電子回路の比較的僅かな電圧ストレスしか生じない。

本発明においては従来の保護回路とは異なり、過電圧の発生時には、過電圧の極性がツェナーダイオードの逆方向に相当する場合のみ、電圧制限型の回路コンポーネントとして使用されるツェナーダイオードの降伏電圧の範囲にある電圧レベルが生じる。

逆の極性の過電圧では、該当するツェナーダイオードが保護すべき電子回路の入力側において相応に導通されるので、過電圧に基づきツェナーダイオードの順方向に相当する電圧レベルしか生じない。

すなわち有利には本発明による保護回路のトポロジによって、保護すべき電子回路の入力側において、ダイオードの降伏電圧に相当する電圧が保護すべき回路に印加される過電圧状況が発生する回数が低減される。有利には降伏電圧の代わりに、過電圧の相応の極性においては導通電圧に相当する電圧レベルのみが保護すべき回路に印加される。

本発明の別の有利な実施形態は従属請求項の対象である。

本発明のその他の特徴、実施態様および利点は、図面に示された本発明の実施例の以下の説明から明らかになる。ここで説明する全ての特徴は、それらが特許請求の範囲、実施例の説明および図面のいずれに記載されているかに関わらず、単独でもまたは任意に組み合わせても、本発明の対象となりうる。

図１ａは本発明による保護回路１００に接続されている電子回路を保護するための保護回路１００を示し、この電子回路は図１には図示されていないが、本発明による保護回路１００の出力側１３０を介してこの保護回路１００と接続されている。

本発明による保護回路１００は２つの電圧制限型の回路コンポーネント１２１，１２２を有し、これらの電圧制限型の回路コンポーネント１２１，１２２は保護回路１００の入力側１１０に関して相互に直列に接続されている。本発明においては、第１の電圧制限型の回路コンポーネント１２１が入力側１１０の第１の端子１１０ａと接続されており、第２の電圧制限型の回路コンポーネント１２２は入力側１１０の第２の端子１１０ｂと接続されている。

本発明による保護回路１１０は殊に、出力側１３０に接続されている回路を過渡的な過電圧、例えば電気的なシステムにおいて突然のデアクティブ化の際に誘導される負荷、または静電放電に起因して生じるような過電圧から保護するために使用される。

図２から分かるように、本発明による保護回路１００は例えば電子回路２００に配属されており、この電子回路２００は動作経過を制御するための制御装置３００内に設けられている。制御装置３００は例えば自動車のトランスミッション制御装置またはエンジン制御装置である。

保護回路１００は入力側の端子１１０ａ，１１０ｂ（図１ａ）を介して、図示されていない給電部、例えば自動車の搭載電源網と接続可能である。出力側においては保護すべき電子回路２００（図２を参照されたい）が前述のように端子１３０ａ，１３０ｂを介して本発明による保護回路１００と接続されており、したがって同時にこの保護回路１００を介して電子回路２００には自動車の搭載電源網から電気的なエネルギが供給される。

図２に示されている本発明による保護回路１００の装置は、制御装置３００の電子回路２００を自動車搭載電源網の過渡的な過電圧から効果的に保護することができる。

図１ｂは、本発明による保護回路１００の殊に有利な実施形態を詳細に示す。図１ｂから分かるように、電圧制限型の回路コンポーネント１２１，１２２はそれぞれ１つのダイオード１２１ａ，１２２ａを有する。端子１１０ａを介して約１３．５Ｖの自動車搭載電源網の給電部と接続されている第１の電圧制限型の回路コンポーネント１２１は殊に従来の半導体ダイオード１２１ａを有し、この半導体ダイオード１２１ａは保護すべき電子回路２００（図２）ないし保護緒回路１００の出力端子１３０ａと接続されている電子回路２００の端子の逆電流保護の機能を担う。

本発明による保護回路１００の第２の端子１１０ｂは、図示されていない自動車搭載電源網のアース端子と接続されている。したがって自動車搭載電源網のアース電位は図１ｂに示されているように、端子１３０ｂを用いて保護すべき電子回路２００に直接的に供給される。

第１の電圧制限型の回路コンポーネント１２１とは異なり、第２の電圧制限型の回路コンポーネント１２２は従来のダイオード１２１ａではなく、ツェナーダイオードとして構成されているダイオード１２２ａを有する。保護回路１００の本発明による回路装置に基づき、第２の回路コンポーネント１２２ないしそのツェナーダイオード１２２ａは保護すべき電子回路２００の入力側に並列に配置されているので、第２の電圧制限型の回路コンポーネント１２２が有利には二重の保護機能を実現することができる。

一方では第２の電圧制限型の回路コンポーネント１２２は従来の逆電流保護の機能を提供する。すなわち、アース端子として設けられている端子１１０ｂに印加される電位が、電圧制限型の回路コンポーネント１２１，１２２間の回路ノード１２０における電位よりも高い場合には、第２の電圧制限型の回路コンポーネント１２２のツェナーダイオード１２２ａが順方向に極性付けられる、つまりアース端子１１０ｂにおける電位を低減させるために導通される。それと同時に他方では第２の電圧制限型の回路コンポーネント１２２は、そのツェナーダイオード１２２ａに基づき殊に正の極性の過渡的な過電圧に対する回路２００の保護装置を表す。

正の極性のその種の過渡的な過電圧は例えば、有利にはミリ秒の範囲の比較的短い期間にわたり、通常の場合約１３．５Ｖの電圧レベルにある電位が端子１１０ａにおいては１００Ｖまたはそれ以上に高まるという特徴を有する。この場合ほぼ全ての電位ないしアース電位との電位差に相当する過電圧が第２の電圧制限型の回路コンポーネント１２２に印加され、この第２の電圧制限型の回路コンポーネント１２２は過電圧が内部に包含されているツェナーダイオード１２２ａの降伏電圧を上回ったことに基づきこの過電圧を低減する。すなわちこの場合には、保護すべき電子回路２００にはツェナーダイオード１２２ａの降伏電圧にほぼ相当する過電圧レベルしか印加されない。

相応の負の過電圧の場合にはダイオード１２１ａが阻止され、またツェナーダイオード１２２ａが導通され、その結果電子回路２００は過電圧にさらされず、前述のように、ツェナーダイオード１２２ａの導通電圧に相当する電圧レベルにしかさらされない。

すなわち第２の電圧制限型の回路コンポーネント１２２による二重の保護機能の他に、有利にはそれと同時に、エラー時の回路２００の電圧負荷が低減される。何故ならば、極性がツェナーダイオード１２２ａの極性に対応する過電圧に関して、少なくともツェナーダイオード１２２ａの降伏電圧は回路２００に印加されずに、通常の場合明らかに低い導通電圧しか回路２００に印加されないからである。

保護すべき回路２００の入力側に例えば逆並列に配置されているツェナーダイオードの直列回路が並列に設けられている従来の保護回路においては、あらゆるエラー時において不利なことに、ツェナーダイオードの内の１つの降伏電圧が少なくとも印加されるが、ツェナーダイオードの遥かに低い導通電圧のみが印加されることは決してない。

本発明による保護回路１００の非常に有利な別の実施形態においては、図１ｃに詳細に示されているように、２つの電圧制限型の回路コンポーネント１２１，１２２はそれぞれ１つのツェナーダイオード１２１ａ’，１２２ａを有する。これによって電子回路２００を両方の極性の過渡的な過電圧から効率的に保護することができる。

本発明による保護回路１００の別の非常に有利な実施形態においては、有利には第１の電圧制限型の回路コンポーネント１２１内に制御可能な抵抗も設けられており、この抵抗は電界効果トランジスタ１２１ｂとして構成されている。電界効果トランジスタ１２１ｂはツェナーダイオード１２１ａ’に並列に接続されており、したがってそのゲート電極Ｇを相応に制御することによって例えば端子１１０ａと端子１３０ａとの非常に低抵抗の接続が実現される。すなわち、ツェナーダイオード１２１ａ’におけるこのツェナーダイオード１２１ａ’の導通電圧に相当する電圧降下を電界効果トランジスタ１２１ｂの使用により回避することができる。電界効果トランジスタ１２１ｂは有利には、電界効果トランジスタ１２１ｂのドレイン・ソース抵抗がオン状態において、順方向におけるツェナーダイオード１２１ａ’の微分抵抗よりも十分に低いように選定されている。

殊に有利には、ツェナーダイオード１２１ａ’を電界効果トランジスタ１２１ｂに集積することもできる。この場合には、第１の電圧制限型の回路コンポーネント１２１が完全に、集積されたツェナーダイオード１２１ａ’を備えた電界効果トランジスタ１２１ｂによって実現される。

第１の電圧制限型の回路コンポーネント１２１を、フライホイールダイオードとして使用される従来の集積されたダイオードを備えた電界効果トランジスタによって実現することも考えられる。

電界効果トランジスタ１２１ｂのような半導体スイッチを使用する他に、第１の電圧制限型の回路コンポーネント１２１のダイオード区間１２１ａ，１２１ａ’を迂回するための別の制御可能な抵抗を設けることも可能である。

通常の場合、電圧制限型の回路コンポーネント１２１，１２２からなる直列回路全体が端子１３０ａ，１３０ｂに並列に、すなわち保護すべき回路２００の入力側に接続されている従来の保護回路とは異なり、有利には本発明による保護回路１００においては、２つの電圧制限型の回路コンポーネントの内の一方のみが電子回路２００との並列回路内に設けられている。これによって図１ｃによる本発明の場合においては、負の極性の過渡的な過電圧が生じた際に、ツェナーダイオード１２２ａの導通電圧に相当する電圧レベルしか保護すべき電子回路２００の入力側に印加されず、従来の保護回路の場合とは異なりいかなる場合においても、直列に接続されているツェナーダイオードの内の１つの降伏電圧に相当する電圧レベルしか印加されない。

前述のツェナーダイオード１２１ａ’，１２２ａの代わりに、同等の電流・電圧特性曲線を示す他の適切な全ての電子的な構成素子ないし半導体構成素子も電圧を制限するために使用することができる。電圧制限型の回路コンポーネント１２１，１２２を実現するためのより複雑な能動的な回路を使用することも考えられる。

本発明の非常に有利な別の実施形態においては、給電電圧入力側１１０ａ（図１ａ）ないし１３０ａと接続されている電子回路２００の少なくとも１つの回路コンポーネント２１０（図２）が過渡的な過電圧から保護されるように構成されている。これによって、保護回路１００の故障時にも電子回路２００のより高い動作の安全性が得られる。

殊にこれによって、本発明による保護回路１００において使用されるツェナーダイオード１２１ａ’，１２２ａの降伏電圧に関して、最大許容過電圧に可能な限り近い電圧値を選択することもできる。

従来では、公知の保護回路において使用されるツェナーダイオードは、このツェナーダイオードが４０Ｖの最大許容過電圧においては例えば約２７Ｖの降伏電圧を有し、過電圧が４０Ｖの限界値に達する前に、実際の降伏電圧が製造ないし温度に起因して変動する場合にも導通するよう設計される。これによって、降伏領域におけるツェナーダイオードの微分抵抗が小さいために著しい電流が流れる可能性があり、この場合には関連するツェナーダイオードにおいて著しい損失電力が生じることになる。

殊に過渡的な過電圧に対して固有の抵抗特性を有する、給電電圧入力側１１０ａないし１３０ａと接続されている回路コンポーネント２１０の本発明による設計によって、本発明による保護回路１００において使用されるツェナーダイオード１２１ａ’，１２２ａをもはやそのように過剰に大きく設計する必要はなく、したがって保護回路１００のコストは低減される。

同時に、回路コンポーネント２１０の本発明による構成によって、過渡的な過電圧に対して高められた動作の安全性が得られる。

本発明の非常に有利な別の実施形態においては、電圧制限型の回路コンポーネント１２１、１２２における過電圧を、例えば電界効果トランジスタ１２１ｂのような制御可能な抵抗を使用することによっても導出することができ、この電界効果トランジスタ１２１ｂは過渡的な過電圧が生じた場合に、このトランジスタにおいて降下する過電圧を低減するために制御ロジックによって相応に制御されなければならない。

総じて、本発明による保護回路１００によってあらゆる構造様式の電子回路２００ならびに制御装置３００は、電子的な構成素子に関して過度に高い費用が生じることなく、過渡的な過電圧から効果的に保護される。

本発明による保護回路の第１の実施形態の概略図。 本発明による保護回路の別の実施形態の概略図。 本発明による保護回路の別の実施形態の概略図。 本発明による制御装置の概略図。

Claims (9)

1. 過渡的な過電圧から電子回路（２００）を保護するための保護回路（１００）であって、
   前記保護回路（１００）の入力側（１１０）の第１の端子（１１０ａ）と第２の端子（１１０ｂ）との間に、少なくとも２つの電圧制限型の回路コンポーネント（１２１，１２２）の直列回路が設けられており、前記２つの電圧制限型の回路コンポーネント（１２１，１２２）はそれぞれ少なくとも１つの半導体構成素子を有する、保護回路（１００）において、
   保護すべき前記電子回路（２００）を前記保護回路（１００）に接続するための出力側（１３０）に少なくとも１つの出力端子（１３０ａ）が設けられており、該出力端子（１３０ａ）は前記２つの電圧制限型の回路コンポーネント（１２１，１２２）の間にある回路ノード（１２０）と接続されていることを特徴とする、保護回路（１００）。
2. 第１の電圧制限型の回路コンポーネント（１２１）および第２の電圧制限型の回路コンポーネント（１２２）はそれぞれ１つのダイオード（１２１ａ，１２１ａ’，１２２ａ）を有し、該ダイオード（１２１ａ，１２１ａ’，１２２ａ）はカソードが相互に接続されており、且つ前記回路ノード（１２０）を形成し、前記ダイオード（１２１ａ，１２１ａ’，１２２ａ）の内の少なくとも１つはツェナーダイオード（１２１ａ’，１２２ａ）として構成されている、請求項１記載の保護回路（１００）。
3. 前記電圧制限型の回路コンポーネント（１２１，１２２）の内の１つは制御可能な抵抗（１２１ｂ）を有する、請求項１または２記載の保護回路（１００）。
4. 前記制御可能な抵抗（１２１ｂ）は少なくとも１つの半導体構成素子ないし前記ツェナーダイオード（１２１ａ’，１２２ａ）と並列に接続されている、請求項３記載の保護回路（１００）。
5. 前記半導体構成素子ないし前記ツェナーダイオード（１２１ａ’，１２２ａ）は前記制御可能な抵抗（１２１ｂ）に集積されている、請求項３または４記載の保護回路（１００）。
6. 請求項１から５までのいずれか１項記載の保護回路（１００）を備えた電子回路（２００）において、
   前記保護回路（１００）の出力端子（１３０ａ）が前記電子回路（２００）の給電電圧入力側と接続されていることを特徴とする、電子回路（２００）。
7. 前記電子回路（２００）のアース端子が前記保護回路（１００）の入力側（１１０）における２つの端子の内の一方の端子（１１０ｂ）と接続されている、請求項６記載の電子回路（２００）。
8. 前記給電電圧入力側と接続されている、前記電子回路（２００）の少なくとも１つの回路コンポーネント（２１０）が過渡的な過電圧から保護されているように構成されている、請求項６または７記載の電子回路（２００）。
9. 請求項１から５までのいずれか１項記載の保護回路（１００）または請求項６から８までのいずれか１項記載の電子回路（２００）を備えていることを特徴とする、制御装置（３００）。

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