JP2008148380A - 過電圧保護回路 - Google Patents

Abstract

【課題】電流制限抵抗を用いて過電圧保護を行う場合に、電圧降下と保護時に流れる電流の増加とを抑制できる過電圧保護回路を提供する。
【解決手段】過電圧保護回路２６の過電圧検出回路１７は、電源電圧が所定範囲である場合はＦＥＴ１６を導通状態にして電流制限抵抗１３を短絡しておき、電源電圧が２７Ｖを超えて上昇すると、その過電圧をクランプすると共にＦＥＴ１６を遮断して電流制限抵抗１３に電流を流す。
【選択図】図１

Description

本発明は、保護対象となる回路の電源端子に過電圧が印加されると保護動作を行う過電圧保護回路に関する。

従来の過電圧保護回路としては、例えば図２に示すように、ツェナーダイオード１のようなクランプ素子を用いて保護対象の回路２に印加される過電圧をクランプさせるものがあるが、斯様な構成では、クランプ動作時にツェナーダイオード１を介して流れる電流を制限するための抵抗３が、電源４とツェナーダイオード１との間に挿入されることが多い（例えば、特許文献１参照）。また、ツェナーダイオード１に並列に接続されているコンデンサ５は、バイパスコンデンサである。
特開２００１−２５８１４８号公報

図２のような構成では、電流制限抵抗３の抵抗値を高く設定すればクランプ動作時に流れる電流が小さくなるので、ツェナーダイオード１のワッテージを低く設定することが可能となる。従って、保護回路を含む全体を半導体集積回路として構成する場合の素子面積を小さくすることができる。しかし、その一方で電流制限抵抗２で発生する電圧降下が大きくなるため、消費電流が増加すると電源電圧が大きく低下して回路が誤動作するおそれがある。
逆に、電流制限抵抗３の抵抗値を低く設定すればクランプ動作時に流れる電流が大きくなるので、ツェナーダイオード１のワッテージを上げる必要があり、素子面積が大きくなってしまうという問題がある。

また、上記の構成とは別に、電源線に過電圧が印加された場合に、電源と回路とを切り離すことで保護するものもあるが、回路動作を停止させることができないシステムには適用することができない。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、電流制限抵抗を用いて過電圧保護を行う場合に、電圧降下と保護時に流れる電流の増加とを抑制できる過電圧保護回路を提供することにある。

請求項１記載の過電圧保護回路によれば、導通制御手段は、電源電圧が所定範囲である場合はスイッチ手段を導通状態にするので、電流制限抵抗はスイッチ手段により短絡され、保護対象回路に対する電源供給はスイッチ手段を介して行なわれる。従って、電流制限抵抗の抵抗値を比較的高い値に設定したとしても、電源電圧が正常な範囲である場合に、保護対象回路に供給される電圧が電流制限抵抗による電圧降下の影響を受けることは回避される。
一方、電源電圧が所定範囲の上限を超えて上昇すると、導通制御手段はスイッチ手段を遮断するので、保護対象回路に対する電源供給は電流制限抵抗を介して行われる。従って、過電圧が印加された場合に流れる電流を、電流制限抵抗によって制限することができる。またこの場合、保護対象回路には、電流制限抵抗において生じる電圧降下分を減じた電圧が印加されるので、過電圧に対する保護動作も適切に行なわれる。

請求項２記載の過電圧保護回路によれば、保護対象回路の電源端子とグランドとの間にクランプ素子を接続するので、導通制御手段について設定されている上限電圧よりも所定レベル以上高い過電圧が発生した場合でも、クランプ素子による電圧クランプ動作によって保護対象回路を保護することが可能となる。

以下、本発明を車両に搭載される半導体集積回路（ＩＣ）に適用した場合の一実施例について図１を参照して説明する。過電圧の保護対象となる回路（被保護回路，例えば、マイクロコンピュータなど）１１は、車両のバッテリ（電源）１２より電流制限抵抗１３を介して動作用電源の供給を受けるようになっており、被保護回路１１の電源端子とグランドとの間には、バイパスコンデンサ１４，電圧クランプ用のツェナーダイオード（クランプ素子）１５の並列回路が接続されている。

また、電流制限抵抗１３の両端には、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ（スイッチ手段）１６のソース，ドレインが接続されており、ＦＥＴ１６は、過電圧検出回路（導通制御手段）１７によって駆動されるようになっている。また、ＦＥＴ１６のソース，ゲート間には、ＦＥＴ１６のゲート電圧をクランプしてオン状態を制御するためのツェナーダイオード１８と、抵抗１９とが並列に接続されている。

ＦＥＴ１６のゲートは、過電圧検出回路１７を構成するＮＰＮトランジスタ２０のコレクタに接続されており、トランジスタ２０のエミッタはグランドに接続されている。また、トランジスタ２０のベースは、抵抗２１を介して電源線（バッテリ１２の正側端子）に接続されている。トランジスタ２０のベースとグランドとの間には、ＮＰＮトランジスタ２２のコレクタ，エミッタが接続されており、電源線とトランジスタ２２のベースとの間には、ツェナーダイオード２３及び抵抗２４の直列回路が接続されている。また、トランジスタ２０のコレクタは、被保護回路１１の入力端子に接続されており、被保護回路１１は、上記入力信号のレベル変化によってトランジスタ２０のオン，オフ、即ち、過電圧検出回路１７の動作状態を認識できるようになっている。

ここで、具体数値例を挙げると、バッテリ１２の電圧は１４Ｖ，電流制限抵抗１３の抵抗値は１５０Ω、抵抗１９，２１，２４の抵抗値は夫々１０ｋΩ，１００ｋΩ，１０ｋΩ、ツェナーダイオード１５，１８，２３のツェナー電圧は、夫々３５Ｖ，８Ｖ，２７Ｖに設定される。尚、以上の構成において、バッテリ１２以外の回路は、ＩＣ２５として一体に構成されている。また、ＩＣ２５より被保護回路１１を除いたものが、過電圧保護回路２６を構成している。

次に、本実施例の作用について説明する。バッテリ１２の電圧ＶＢが正常の範囲であれば、過電圧検出回路１７において、トランジスタ２２はオフ，トランジスタ２０はオンとなっている。従って、ＦＥＴ１６のゲートはロウレベルとなってＦＥＴ１６はオンしており、電流制限抵抗１３は短絡され、被保護回路１１に対する電源電流はＦＥＴ１６を介して供給される。また、ＦＥＴ１６のゲート電圧はツェナーダイオード１８によってクランプされているので、ドレイン電流が過剰に流れないように抑制されている。この時、被保護回路１１の電源電圧は、バッテリ１２の電圧ＶＢより、ＦＥＴ１６のオン抵抗と回路１１の消費電流との積で生じる電圧降下分だけ低下したものとなる。

一方、電源線にサージが印加されて、電源電圧が２７Ｖを超えて上昇すると、過電圧検出回路１７のツェナーダイオード２３がブレイク（導通）する。すると、トランジスタ２２はオンし、トランジスタ２０はオフとなるので、ＦＥＴ１６はオフになる。この時、電源電流は電流制限抵抗１３を介して被保護回路１１に流れ、当該回路１１には、電流制限抵抗１３における電圧降下分だけ低下した電圧が印加される。例えば、回路１１による消費電流が１００ｍＡであれば、
２７Ｖ−１５０Ω×１００ｍＡ＋α＝１２Ｖ＋α
となる。尚、「＋α」は抵抗２４による電圧降下分と、トランジスタ２２のエミッタ−ベース間電圧ＶBEとの和である。

そして、被保護回路１１は、電流制限抵抗１３を介して電源供給を受けられるので、その回路動作を継続させることが可能となっている。また、被保護回路１１は、トランジスタ２０がオンからオフに変化したことをコレクタ電位の変化によって認識することができる。それに基づき、内部的に何らかの対応（保護動作など）を行う必要がある場合には、その必要な処理を実行する。

電源電流が電流制限抵抗１３を介して流れている状態で、電源線に印加された過電圧が３５Ｖを超えた場合は、更にツェナーダイオード１５がブレイクする。従って、被保護回路１１に印加される電圧は、ツェナー電圧の３５Ｖにクランプされる。その後、サージが消滅して電圧ＶＢが正常なレベルに戻れば、ＦＥＴ１６が再びオンする。

ここで、バッテリ１２側から見たＩＣ２５の最低動作電圧が７Ｖ，被保護回路１１の最低動作電圧が６Ｖであるとする。この場合、本実施例とは異なりＦＥＴ１６が存在しないとすると、電流制限抵抗１３について許容される電圧降下は１Ｖとなり、その抵抗値は１０Ωに設定する必要がある。この時、８０Ｖの過電圧が印加されたことを想定すると、ツェナーダイオード１５によって消費される電力は
（８０Ｖ−３５Ｖ）²／１０Ω＝２０２．５Ｗ …（１）
となる。

これに対して、本実施例では、同様に８０Ｖの過電圧が印加された場合にツェナーダイオード１５によって消費される電力は、
（８０Ｖ−３５Ｖ）²／１５０Ω＝１３．５Ｗ …（２）
となる。即ち、ＩＣ２５を構成する場合、ツェナーダイオード１５の素子形成面積を（１）の１／１０未満にすることができる。従って、ＦＥＴ１６のオン抵抗が例えば１Ωであるとしても、２００Ｗを超える発熱に耐え得るツェナーダイオードを使用することに比較すれば、コストの低減降下は極めて大きい。

以上のように本実施例によれば、過電圧保護回路２６の過電圧検出回路１７は、電源電圧が所定範囲である場合はＦＥＴ１６を導通状態にして電流制限抵抗１３を短絡しておき、電源電圧が２７Ｖを超えて上昇するとＦＥＴ１６を遮断して、電流制限抵抗１３に電流を流すようにした。従って、電流制限抵抗１３の抵抗値を比較的高い値に設定したとしても、電源電圧が正常範囲である場合に、被保護回路１１に供給される電圧が電流制限抵抗１３による電圧降下の影響を受けることは回避される。また、過電圧が発生した場合に流れる電流を、電流制限抵抗１３の高い抵抗値によって十分に制限することができる。
加えて、被保護回路１１の電源端子とグランドとの間にツェナーダイオード１５を接続したので、過電圧検出回路１７がクランプする電圧よりも所定レベル以上高い、３５Ｖを超える過電圧が発生しても、ツェナーダイオード１５の電圧クランプ動作によって被保護回路１１を保護することができる。

本発明は上記し又は図面に記載した実施例にのみ限定されるものではなく、以下のような変形が可能である。
被保護回路１１が、過電圧検出回路１７の動作状態を認識する必要がない場合は、トランジスタ２０のコレクタを被保護回路１１に接続する必要はない。
各電圧値や抵抗値等は、個別の設計に応じて適宜変更すれば良い。
想定される過電圧のレベルが３５Ｖ未満である場合や、バイパスコンデンサ１３の充電電荷により被保護回路１１の動作が保証できるような場合には、ツェナーダイオード１５を接続する必要は無い。
スイッチ手段は、バイポーラトランジスタで構成しても良い。
導通制御手段の構成も、過電圧検出回路１７に限ることなく適宜変更して良い。
車両に搭載される回路に限ることなく、過電圧が印加される可能性がある環境で動作する回路であれば広く適用することができる。

本発明の一実施例であり、過電圧保護回路の構成を示す図 従来技術を示す図１相当図

符号の説明

図面中、１１は被保護回路（保護対象回路）、１２はバッテリ（電源）、１３は電流制限抵抗、１５はツェナーダイオード（クランプ素子）、１６はＰチャネルＭＯＳＦＥＴ（スイッチ手段）、１７は過電圧検出回路（導通制御手段）、２６は過電圧保護回路を示す。

Claims (2)

1. 電源と、保護対象となる回路の電源端子との間に挿入される電流制限抵抗と、
   この電流制限抵抗に並列に接続されるスイッチ手段と、
   前記電源電圧が所定範囲である場合は前記スイッチ手段を導通状態にして、前記電源電圧が前記所定範囲の上限を超えて上昇すると、前記スイッチ手段を遮断状態とするように制御する導通制御手段とを備えることを特徴とする過電圧保護回路。
2. 前記保護対象回路の電源端子とグランドとの間に、前記導通制御手段について設定されている上限電圧よりも、所定レベル以上高い過電圧が発生した場合に電圧クランプ動作を行なうクランプ素子を接続したことを特徴とする請求項１記載の過電圧保護回路。

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