JP2008154363A - 過渡サージ電圧保護回路 - Google Patents

Abstract

【課題】ダンプサージにも耐えられ、省エネが図れる、過電圧保護回路を実現する。
【解決手段】半導体スイッチ１６と、半導体スイッチを制御するＳＷコントローラ１８と、半導体スイッチから供給される電圧の変動を平滑化するリップルフィルタ１９と、入力電圧Ｖinの検出手段１７と、を備え、ＳＷコントローラ１８は、一定振幅の三角波電圧Ｖsigを出力する三角波電圧発生器３１と、入力電圧Ｖinと三角波電圧Ｖsigとの比較に基づいて、Ｖin＜Ｖsigの最小値のときはオン信号、Ｖin≧Ｖsigの最大値のときはオフ信号、Ｖsigの最小値≦Ｖin＜Ｖsigの最大値のときは、Ｖin＜Ｖsigであればオン信号、Ｖin≧Ｖsigであればオフ信号、を半導体スイッチ１６へ出力する電圧比較手段３２と、を備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、車両等に搭載される電子装置の過渡サージ電圧保護回路に関する。

この種の過電圧保護回路として、従来から定電圧ダイオード（ツェナーダイオード）がよく用いられる（特許文献１〜特許文献４、参照）。

ツェナーダイオードは、保護対象の耐圧以下のツェナー電圧に設定され、ツエナー電圧以上の過電圧が掛かると、電流を流すようになり、回路上の抵抗に流れる電流が増加する。そのため、抵抗の電圧降下が大きくなり、電圧がツェナー電圧より下がると、ツエナーダイオードに電流が流れなくなる。このようなツェナーダイオードの働きにより、保護対象に耐圧以上の過電圧が掛かるのを防止しえるようになっている。
特開平１０−０３１１２４号 特開平０７−０９９０６４号 特開２００１−２５９１４８号 特開２００６−０６７１８７号

このような従来例においては、ツエナー電圧以上の電圧に対し、回路上の抵抗の電圧降下により、電圧の上昇を抑えることになるため、電力消費が大きく、回路の発熱対策も必要となる。

因みに、「ISO7637-2」、「JASO D007」で規格される24Ｖ仕様のダンプサージ等は、最大値で200Ｖ、350ｍｓと電力的に厳しく、回路上の抵抗が焼き切れてしまいかねないのである。

この発明は、このような課題を踏まえつつ、ダンプサージにも耐えられ、省エネが図れる、過電圧保護回路（過渡サージ電圧保護回路）の提供を目的とする。

第１の発明は、過渡サージ電圧保護回路において、入力端子と出力端子との間に介装される半導体スイッチと、半導体スイッチを制御するＳＷコントローラと、半導体スイッチから供給される電圧の変動を平滑化するリップルフィルタと、入力電圧Ｖinを検出する手段と、を備え、ＳＷコントローラは、一定振幅の三角波電圧Ｖsigを出力する三角波電圧発生器と、入力電圧Ｖinと三角波電圧Ｖsigとの比較に基づいて、Ｖin＜Ｖsigの最小値のときはオン信号、Ｖin≧Ｖsigの最大値のときはオフ信号、を半導体スイッチへ出力する一方、Ｖsigの最小値≦Ｖin＜Ｖsigの最大値のときは、Ｖin＜Ｖsigであればオン信号、Ｖin≧Ｖsigであればオフ信号、を半導体スイッチへ出力する電圧比較手段と、を備えることを特徴とする。

第３の発明は、第２の発明に係る過度サージ電圧保護回路において、線形増幅器は増幅率の調整手段を備えること特徴とする。

第４の発明は、第１の発明〜第３の発明のいずれか１つに係る過度サージ電圧保護回路において、半導体スイッチは、トランジスタおよび電界効果トランジスタであることを特徴とする。

第１の発明〜第５の発明においては、電圧比較手段は、入力電圧Ｖinと三角波電圧Ｖsigとの比較により、オン信号またはオフ信号またはPWM信号を半導体スイッチへ出力する。

半導体スイッチは、電圧比較手段のオン信号により、主回路を閉成するため、その間、三角波電圧Ｖsigの最小値より低い入力電圧Ｖinと同等の出力電圧Ｖoutがリップルフィルタから得られる。電圧比較手段のオフ信号により、主回路を開成するため、その間、三角波電圧Ｖsigの最大値以上の入力電圧Ｖinがカットされ、出力電圧Ｖoutは０Ｖとなる。電圧比較手段のPWM信号により、主回路を開閉するため、その間、三角波電圧Ｖsig以上の入力電圧Ｖinがカットされ、オン時の入力電圧Ｖinを平滑化した出力電圧Ｖoutがリップルフィルタから得られる。

従って、何らかの原因により、入力電圧Ｖinが過剰に上昇しても、出力電圧Ｖoutは、半導体スイッチのスイッチングおよびリップルフィルタの平滑化により小さく抑えられ、その供給を受ける電子装置（保護対象）を過電圧から保護することができる。

過電圧は、半導体スイッチのオン−オフにより抑えられ、主回路に過電圧のエネルギを消費する素子を含まないため、エネルギ効率の向上が得られ、過電圧の発生に起因する発熱も殆ど生じない。また、三角波電圧Ｖsigの最小値を超える過電圧に対し、一律にカットするのでなく、三角波電圧Ｖsigより低い入力電圧Ｖin（Ｖsigの最小値＜Ｖin＜Ｖsig）については、出力電圧Ｖoutとしてリップルフィルタから取り出せるので、電子装置に高効率の電源を供給できる。

第２の発明においては、三角波電圧Ｖsigに対し、線形増幅器により、入力電圧Ｖinのレベルを容易にマッチングさせることができる。

第３の発明においては、実装上、三角波電圧発生器の出力（三角波電圧Ｖsig）を調整するのは難しいが、線形増幅器の増幅率を調整することにより、三角波電圧Ｖsigのレベルを上げたり、下げたり調整が簡単かつ容易に可能となる。

第４の発明においては、トランジスタおよび電界効果トランジスタは、ツェナーダイオードより、耐圧が高いスイッチング素子のため、回路の信頼性が高められる。

図は、車両に搭載される電子装置の電源回路への適用例を表すものである。

図１において、１０ａ、１０ｂは電源の入力端子であり、これらの間に電源としてバッテリ（例えば、24Ｖ仕様）が接続される。１１は後述の過渡サージ電圧保護回路１５（太破線枠）への電流の変動を平滑化するための回路であり、コイル１２ａ，１２ｂとコンデンサ１３ａ，１３ｂとダイオード１４とから構成される。

２５は過渡サージ電圧保護回路１５からの出力電圧Ｖout１の電源を電子装置（図示せず）へ供給する一方、出力電圧Ｖout１より小さい出力電圧Ｖout２の電源として別の電子装置（図示せず）へ供給する回路であり、コンデンサ２６ａ〜２６ｃと３端子レギュレータ２７とから構成される。

過渡サージ電圧保護回路１５は、電流平滑回路１１から供給される電源を所定の限界電圧以下の電源として電源供給回路２５へ出力するものであり、半導体スイッチ１６、入力電圧検出部１７、ＳＷコントローラ１８、リップルフィルタ１９、とから構成される。

半導体スイッチ１６は、電流平滑回路１１とリップルフィルタ１９との間に介装され、ＳＷコントローラ１８の出力信号に基づいて主回路を開閉する。入力電圧検出部１７は、主回路の＋側と−側（接地側）との間に２つの抵抗２０ａ，２０ｂを直列に配置するものであり、これら抵抗２０ａ，２０ｂ間の電圧を検出信号（入力電圧Ｖin）としてＳＷコントローラ１８に与える。

ＳＷコントローラ１８は、検出信号（入力電圧Ｖin）と後述の三角波電圧Ｖsigとの比較に基づいて半導体スイッチ１６の開閉（オン−オフ）を制御する。リップルフィルタ１９は、半導体スイッチ１６から供給される電源の電圧の変動を平滑化して電源供給回路２５へ出力するものであり、コイル２２とコンデンサ２３ａ，２３ａとから構成される。

図２は、ＳＷコントローラ１８の構成を説明するものであり、ＳＷコントローラ１８は、線形増幅器３０、三角波電圧発生器３１、コンパレータ３２（電圧比較手段）、とから構成される。

線形増幅器３０は、入力電圧Ｖin（検出信号）を増幅してコンパレータ３２の（＋）入力端子へ出力する。三角波電圧発生器３１は、一定振幅で発振する三角波信号を限界電圧Ｖlimitに上乗せする形の三角波電圧Ｖsigをコンパレータ３２の（−）入力端子へ出力する。３１ａは発振器、３１ｂは限界電圧Ｖlimitを設定するための電源である。

コンパレータ３２は、線形増幅器３０の出力（入力電圧Ｖinの増幅信号Ｖin’）と、三角波電圧発生器３１の出力（三角波電圧Ｖsig）との比較に基づいて、Ｖin’＜Ｖsigの最小値のときはオン信号、Ｖin’≧Ｖsigの最大値のときはオフ信号、を半導体スイッチ１６へ出力する一方、Ｖsigの最小値≦Ｖin’＜Ｖsigの最大値のときは、Ｖin’＜Ｖsigであればオン信号、Ｖin’≧Ｖsigであればオフ信号、を半導体スイッチ１６へ出力する。

図３は、過渡サージ電圧保護回路１５の動作を説明するものであり、三角波電圧Ｖsigは、最小値と最大値との間（一定振幅）を所定の周波数で変化（発振）する。実線（Ｖin）は、線形増幅器３０の出力特性を示すものであり、横軸を入力電圧Ｖin、縦軸を出力電圧Ｖin’とすると、Ｋはゲイン（増幅率）であり、この例においては、Ｋ＝１であり、Ｖin＝Ｖin’に設定される。図３において、ｔは時間である。

コンパレータ３２においては、入力電圧Ｖin（Ｖin’）が三角波電圧Ｖsigと比較され、Ｖin＜Ｖsigの最小値のときは、オン信号を出力する。Ｖsigの最小値≦Ｖin＜Ｖsigの最大値のときは、Ｖin＜Ｖsigであればオン信号、Ｖin≧Ｖsigであればオフ信号、を出力する。Ｖin≧Ｖsigのときは、オフ信号を出力する。Ｖswは、点線（Ｖin）に対応するコンパレータ３２の出力である。

半導体スイッチ１６は、コンパレータ３２のオン信号により、主回路を閉成するため、その間、三角波電圧Ｖsigの最小値より低い入力電圧Ｖinと同等の出力電圧Ｖoutがリップルフィルタ１９から得られる。コンパレータ３２のオフ信号により、主回路を開成するため、その間、三角波電圧Ｖsigの最大値以上の入力電圧Ｖinがカットされ、出力電圧Ｖoutは０Ｖとなる。コンパレータ３２のPWM信号により、半導体スイッチ１６は、主回路を開閉するため、その間、三角波電圧Ｖsig以上の入力電圧Ｖinがカットされ、オン時の入力電圧Ｖinを平滑化した出力電圧Ｖoutがリップルフィルタ１９から得られるのである。

何らかの原因により、入力電圧Ｖinが図３の実線のように上昇しても、過渡サージ電圧保護回路１５において、出力電圧Ｖoutは、半導体スイッチ１６のスイッチングおよびリップルフィルタ１９の平滑化により電子装置（保護対象）の耐圧よりも低く抑えられ、電子装置を過電圧の発生に原因する破壊から保護することができる。

過電圧は、半導体スイッチ１６により抑えられるのであり、主回路にエネルギを消費する素子を含まないため、エネルギ効率の向上が得られ、過電圧の発生に起因する発熱も殆ど生じない。また、三角波電圧Ｖsigの最小値（限界電圧Ｖlimit）を超える過電圧に対し、一律にカットするのでなく、三角波電圧Ｖsigより低い入力電圧Ｖinについては、半導体スイッチ１６のスイッチングおよびリップルフィルタの平滑化により、出力電圧Ｖoutとして取り出せるので、電子装置へ高効率の電源を供給できる。

半導体スイッチ１６としては、FET（電界効果トラジスタ）またはトランジスタが採用される。いずれの場合においても、小さい入力電圧または入力電流により、大きな出力電流が得られるのである。FETは、保護抵抗が不要のため、電力消費の低減を促進することができる。また、トランジスタやFET（電界効果トラジスタ）は、耐圧が高いスイッチング素子のため、ツェナーダイオードを利用する場合に較べると、回路の信頼性も大幅に向上する。また、半導体スイッチ１６のスイッチング周波数を上げることにより、リップルフィルタ１９の小型化も可能となる。

三角波電圧Ｖsigに対し、線形増幅器３０により、入力電圧Ｖinのレベルを容易にマッチングさせることができる。実装上、三角波電圧発生器３１の出力レベル（三角波信号に加える限界電圧Ｖlimit）を調整するのは難しいが、線形増幅器３０のゲインＫを変えることにより、三角波電圧Ｖsigの見掛け上の出力レベルを上げたり、下げたり調整することが簡単かつ容易に可能となるのである。線形増幅器３０については、ゲインＫの調整手段を設けることが考えられる。

図４は、線形増幅器３０のゲインＫと三角波電圧Ｖsigの限界電圧Ｖlimit（OFFSET）との関係を例示するものであり、線形増幅器３０において、Ｋ＝１からＫ＞１に変えると、出力特性（傾き）が点線（Ｖin）から実線（Ｋ＊Ｖin）に変わり、同一の入力（Ｖin）に対して出力（Ｖin’）が大きくなり、見掛け上、ＶlimitをＶlimit’へ下げるのと等価になるのである。コンパレータ３２の出力（Ｖsw）も図示のように特性が変化する。このため、限界電圧Ｖlimitは、実装上、厳密に設定するのでなく、大雑把に設定しておき、これを線形増幅器３０のゲインＫで微調整することも可能となる。図４において、ｔは時間である。

過渡サージ電圧保護回路１５においては、「ISO7637-2」、「JASO D007」で規格される24Ｖ仕様のダンプサージにも耐えられるよう、例えば、限界電圧Ｖlimitは30Ｖ、三角波電圧Ｖsigの最大値は270Ｖ、のノミナル値に設定される。

この発明の実施形態を表す回路構成図である。 同じく過渡サージ電圧保護回路の概要構成図である。 同じく過渡サージ電圧保護回路の動作を説明する特性図である。 同じくゲインＫと限界電圧Ｖlimitとの関係を説明する特性図である。

符号の説明

１５ 過渡サージ電圧保護回路
１６ 半導体スイッチ
１７ 入力電圧検出部
１８ ＳＷコントローラ
１９ リップルフィルタ
３０ 線形増幅器
３１ 三角波電圧発生器
３１ コンパレータ（電圧比較手段）

Claims (4)

1. 過渡サージ電圧保護回路において、過渡サージ電圧保護回路において、入力端子と出力端子との間に介装される半導体スイッチと、半導体スイッチを制御するＳＷコントローラと、半導体スイッチから供給される電圧の変動を平滑化するリップルフィルタと、入力電圧Ｖinを検出する手段と、を備え、ＳＷコントローラは、一定振幅の三角波電圧Ｖsigを出力する三角波電圧発生器と、入力電圧Ｖinと三角波電圧Ｖsigとの比較に基づいて、Ｖin＜Ｖsigの最小値のときはオン信号、Ｖin≧Ｖsigの最大値のときはオフ信号、を半導体スイッチへ出力する一方、Ｖsigの最小値≦Ｖin＜Ｖsigの最大値のときは、Ｖin＜Ｖsigであればオン信号、Ｖin≧Ｖsigであればオフ信号、を半導体スイッチへ出力する電圧比較手段と、を備えることを特徴とする過渡サージ電圧保護回路。
2. 入力電圧Ｖinを増幅する線形増幅器と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の過度サージ電圧保護回路。
3. 線形増幅器は増幅率の調整手段を備えること特徴とする請求項２に記載の過度サージ電圧保護回路。
4. 半導体スイッチは、トランジスタおよび電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の過渡サージ電圧保護回路。