JP2008522566A - 負荷開放検出機能を有する電力スイッチング装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、電源と負荷との間に直列に接続するための制御端子及び出力端子を有するスイッチ手段を備えた電力スイッチング装置を提供する。スイッチ手段は、出力端子を経由して電源からの電源電流を負荷に供給するオン状態と、出力端子を経由した負荷への電力供給を遮断するオフ状態との間で切換えるための、制御端子に印加される制御信号（コントロールアウト）に応答するようになっている。本装置は、少なくともスイッチ手段のオン状態の期間に負荷の負荷開放状態を検出するための検出手段を含み、スイッチ手段は、該スイッチ手段がオフ状態に達するのに必要な時間よりも実質的に短い時間経過の期間にスイッチ手段がオフ状態ヘの切換えを開始するように制御信号（コントロールアウト）を変更するための、及び時間経過の終点又はその前にオン状態に対応する値に制御信号を戻すための、スイッチ手段のオン状態で動作可能な検出制御手段と、を備える。

Description

本発明は、負荷開放検出機能、詳細には、オン状態における負荷開放状態を検出する機能を有する電力スイッチング装置に関する。

「スマート電力スイッチ」と呼ばれる、負荷開放検出機能を有する電力スイッチング装置は、詳細には、例えば、特に自動車の照明を制御する自動車機器を含む多くの用途で使用される。本発明は、特にこのような用途で利用可能であるが、これに限定されるものではない。

一体型スマート電力スイッチは、出力負荷の断線を検出するために様々な戦略を利用する。

最も簡単な戦略は、オフ状態の間に出力状態を監視することである。この種の公知のシステムでは、微少のテスト電流が出力ラインに供給され、負荷の両端の電圧を電圧比較器で監視する。正常な負荷の場合、負荷の低インピーダンスによって出力電圧がグランドレベル近くに保持され（ハイサイドスイッチの場合において）、負荷の断線又は開放の場合、出力は電流源により高電圧レベルに保持される。

この問題解決手法の短所は、スイッチのオン状態の期間に負荷開放を検出できないことであり、これは白熱電球又は発光ダイオード（ＬＥＤ）等の自動車用照明を切換える多くの用途における特有の短所である。オン状態の期間にこの種の問題解決手法を利用して情報を生成するためには、負荷を一時的にオフに切換える必要があるが、それはランプのちらつきとして目視される。負荷がオフ状態の期間での測定は、出力が少なくとも低電流レベルで印加される場合にのみ行うことができるが、これは特にＬＥＤ光源を使用する場合に許容できない可視光を発生する可能性もある。

負荷の断線又は開放状態を監視する別の方法は、スイッチの負荷電流を測定する方法である。これは専用の電磁結合器又は分流抵抗器をベースにした電流測定回路を用いて行うことができる。しかしながら、このような回路は追加コスト及びスペース要件に加えて余分な電圧降下を招く。

スイッチの負荷電流を測定する別の問題解決手法は、特にスイッチがＭＯＳトランジスタから成る場合、安定化電流源によって、オン状態の期間に出力電流を複製（ｍｉｒｒｏｒ）することである。この一般的で有効な問題解決手法は、主として小出力電流の場合に回路の再現性が不正確になるという問題がある。スイッチ両端の電圧降下が調整用増幅器のオフセットと同じ大きさになると、回路誤差が１００パーセントを超え、それ以上の適切な電流調整ができなくなる可能性がある。

高速負荷開放検出は、車両の電球が切れた場合に迅速な対応を行うために、例えば、最小限の障害で通常照明を非常用照明に置き換えることで対処できるために必要とされる場合が多い。負荷開放電流検出の閾値は、正常負荷の最小許容電流よりも小さくなければならない。広範囲の負荷を駆動するために使用される標準ドライバの場合、この最小電流を測定するのは難しくなる。例えば、２７ワット白熱電球を駆動するために、オン状態におけるドレイン−ソース間抵抗Ｒｄｓｏｎに関して、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物電界効果トランジスタ）スイッチドライバを設計することができる（Ｒｄｓｏｎは、公称１２ボルト電源からの２アンペアの直流電流の場合、代表的には４０ミリオーム、最低２０ミリオーム）。

しかしながら、白熱電球は、約１００ミリアンペアの最小電流を持つＬＥＤのアレイにますます置き換えられている。同じスイッチ及びドライバを白熱電球とＬＥＤの両方に使用することが望ましいので、負荷開放の閾値電流は、この１００ミリアンペア以下に調整する必要がある。２０ミリオームの最小Ｒｄｓｏｎ（オン状態の期間）において１００ミリアンペアを測定することは、過酷な環境（高速の過渡供給電流）で測定されることになる２ミリボルトの絶対信号を意味し、この種の大多数の用途における現実的な問題解決手法では絶対にない。

本発明は、請求項に記載する電力スイッチング装置を提供する。

図１に示す電力スイッチング装置は、ゲートに印加される制御電圧ＶＧによって制御され、ドレイン及びソースが出力端子２及び３にそれぞれ接続されるＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物電界効果トランジスタ）型スイッチ１を備える。使用時、出力端子２及び３は、端子２に電圧Ｖｂａｔを印加する電源（図示せず）と、出力端子３とグランド５の間に接続される負荷４との間に直列に接続される。本発明のこの実施形態は、特に自動車用機器に適用可能であり、特に、負荷が白熱電球又はＬＥＤ（発光ダイオード）等の１つ又はそれ以上のランプで構成され、電源が蓄電池及びオルタネータから供給される直流電圧である用途を参照して説明されることになる。しかしながら、本発明は他の用途にも使用できることを理解されたい。

この装置は、入力７でコントロールイン信号、入力８でイネーブル検出信号、入力９で検出準備信号を受信すると共に、出力１０でドライバ１１にコントロールアウト信号を印加するコントロールロジックユニット６を備え、ドライバ１１は、チャージポンプ、増幅器、及びＭＯＳＦＥＴスイッチ１のゲートに信号ＶＧを印加するインバータを備える。

動作時、入力７のコントロールイン信号は、スイッチ１のオン及びオフ状態を命令する。入力７のコントロールイン信号のオン値へのアサートによって、ドライバ１１は、電源が端子２に常に印加する電圧Ｖｂａｔよりも十分に高い電圧をスイッチ１のゲートに印加するので、ＭＯＳＦＥＴ１は、低ドレイン−ソース間抵抗Ｒｄｓｏｎでもってオン状態の飽和状態にされる。オン状態において、スイッチ１は、電源からの電源電流を出力端子２及び３を経由して負荷４に供給する。入力７のコントロールイン信号のアサート停止によって、ドライバ１１はスイッチ１のゲートの電圧をグランドに引き込むので、オフ状態において、ＭＯＳＦＥＴ１は、出力端子を経由した負荷への電力供給を遮断する。

また、スマート電力スイッチは、例えば、端子３と負荷４との間の接続不良、又は負荷故障に起因する負荷４の負荷開放状態を検出するための検出器を含む。検出器は、スイッチ１のオン状態の期間及びオフ状態の期間にも作動可能である。図１に示す本発明の実施形態において、検出器は、出力端子３からの出力電圧Ｖｏｕｔを受信するように接続される一方側の差動入力と、電圧Ｖｔｈを印加する電圧源１３を経由して端子２に接続される他方側の差動入力とを有する比較器１２を備え、比較器は、出力信号ＶｏｕｔがＶｂａｔ−Ｖｔｈよりも高い期間にアサートされるＶｏｕｔ＿ｈｉｇｈを生成する。従って、Ｖｂａｔ−Ｖｔｈは、検出器のための検出閾値を表す。自動車機器の用途において、本発明のこの実施形態では、公称バッテリー電圧Ｖｂａｔが１２ボルトの場合、閾値電圧は例えば０．５ボルトに等しいＶｔｈに設定することができる。また、検出器は、端子２と３との間の検出電流源１７に対して直列に接続される検出電流スイッチ１６を閉じる、コントロールユニット６からの検出電流制御信号１５を含む。本発明の別の実施形態において、電流源１７は抵抗器に置き換えられる。

スイッチ１のオン状態の動作時に、入力８のイネーブル検出信号は、各々の検出サイクルを開始させるために、例えば１００ミリ秒程度の間隔で繰り返しアサートされる。コントロールロジックユニット６はイネーブル検出信号のアサートに応答し、出力１０のコントロールアウト信号をアサート停止することによって、ドライバ１１はＭＯＳＦＥＴ１のゲートに電流を供給してゲート電圧Ｖｇａｔｅを一時的にグランドに引き込む。このときに供給される電流は、スイッチの通常のオフ状態の期間にドライバ１１によって供給される電流に等しいか、又は小さい電流とすることができる。すなわち、本発明のこの実施形態において、ゲートに供給される電流は１００マイクロアンペア程度である。図２及び３に示すように、ゲート電圧Ｖｇａｔｅは、ゲート容量に起因して、例えば、０．３ボルト／マイクロ秒程度のスルーレートで漸減する。最初、オン状態では、スイッチ１の抵抗Ｒｄｓｏｎ（例えば、２０ミリオーム程度）は、負荷４の抵抗（例えば、白熱電球では１０オーム程度、ＬＥＤでは１オーム程度）よりも非常に低い。ゲート電圧が電源電圧又はそれ以下まで低減すると、ＭＯＳＦＥＴ１は非飽和状態になっていき、その抵抗は大きくなる。

同時に、図２及び３に示すように、コントロールロジックユニット６は、検出電流制御信号１５をアサートして検出電流スイッチ１６を閉じるので、電流源１７は端子２と３との間に検出電流を供給し、検出電流は、負荷４の正常なオン状態電流よりも非常に小さくなる。すなわち、例えば、本発明の１つの実施形態においては、検出電流は１０ミリアンペア程度とすることができるのに対して、負荷４の正常なオン状態電流は、白熱電球の場合に１アンペア程度、ＬＥＤの場合に１００ミリアンペア程度である。

ゲート電圧Ｖｇａｔｅがゲート−ソース間閾値電圧に達すると、端子３で負荷に印加される出力電圧Ｖｏｕｔも同様に減少し始め、その減少率は、電流源（又は抵抗）１７のインピーダンスに対する負荷４のインピーダンスに依存する。特に、負荷４が正常な抵抗値を示す場合、Ｖｏｕｔの降下速度は、負荷４が高い抵抗値を示す場合よりも、特に負荷４が開放の場合よりも非常に速い。

本発明のこの実施形態の検出器は、光度変動が人間の目に知覚可能である最短時間（約４０ミリ秒）よりも非常に短い、本実施形態では１００マイクロ秒よりも短い時間経過の期間に、出力端子３での電圧変動を検知することを可能にする。

さらに、検出に必要な時間は、スイッチ１がオフ状態に達するのに必要な時間よりも実質的に短いので、負荷開放検出機能に起因する出力電圧Ｖｏｕｔの変動は、その正常値わずかな比率のみである。本実施形態において、負荷開放検出に起因する最大変動は公称動作電力供給電圧の１０％未満に制限される。実際には、スイッチ１がオフ状態に達する（検出サイクルを容認できないほど長くする可能性がある）のを待つことなく、負荷開放検出を十分に行い得ることが分かっている。

検出が完了すると、スイッチ１は、出力１０のコントロールアウト信号を検出経過時間の終了時又はその前のオン状態に対応する値に戻すことによって、直ちにＯＮ状態に戻される。

検出準備信号は最大検出時間を制御する。本発明のこの実施形態では、開放負荷状態である場合、図３に示すように、検出サイクルは入力８のイネーブル検出信号がトリガーされる時間ｔ１で開始し、検出準備信号は、約５０マイクロ秒の所定間隔の後、時間ｔ２でアサートされ、比較器１２の出力Ｖｏｕｔ＿ｈｉｇｈのアサートに対する前記コントロールユニット６の応答を可能にすることによって、短時間の検出ウィンドウを形成するようになっている。図３に示すように、検出ウィンドウ期間の端子３での出力電圧Ｖｏｕｔが、Ｖｂａｔ−Ｖｔｈよりも高く負荷開放状態に対応する場合、比較器１２の出力Ｖｏｕｔ＿ｈｉｇｈは依然としてアサートされたままであり、コントロールロジックユニット６は、出力１８の負荷開放故障信号をアサート値にラッチする。同時に、コントロールユニットは、出力１０のコントロールアウト信号をオン状態に対応する値に戻し、スイッチ１を完全にオンにし検出電流スイッチ１６を開いて、検出時間の範囲外で正常動作状態にリセットする。

負荷４が正常な場合、検出動作を同じにすることができ、コントロールユニットは、検出ウィンドウの期間にのみ比較器１２の出力Ｖｏｕｔ＿ｈｉｇｈに応答する。しかしながら、本発明のこの実施形態において、正常負荷状態を検出すると直ちに検出サイクルの終了をトリガーしてその時間を最小にするようになっている。図２に示すように、正常な負荷状態の場合、正常負荷は開放負荷よりも電圧降下が急速なので、ＶｏｕｔがＶｂａｔ−Ｖｔｈに達すると、時間ｔ２の前に比較器１２の出力Ｖｏｕｔ＿ｈｉｇｈがアサート停止される。比較器１２の出力Ｖｏｕｔ＿ｈｉｇｈがアサートされる場合、入力９の検出準備信号は、検出ウィンドウを形成するためだけに生成される。特に、ＶｏｕｔがＶｂａｔ−Ｖｔｈに達した場合の時間ｔ２の前の比較器１２の出力Ｖｏｕｔ＿ｈｉｇｈのアサート停止によって、コントロールユニット６は、出力１０のコントロールアウト信号をオン状態に対応する値に戻すことにより、直ちにスイッチ１をオン状態に戻す。

特定の電力供給システムでは、電源電流は、制御可能なパルス幅でパルス化して送られる。この特徴は種々の機能を得るために使用され、例えば、電源電圧の変動を補償する（自動車用電源は±２５％以上変動する場合がある）、又は非常用機能を提供するためである。パルスの繰り返し率は、本発明の検出サイクルよりも十分に遅い（それでも人間の目で知覚可能な最高繰り返し率よりも速い）。従って、本発明の負荷開放検出は、通常、単純パワーパルスのオン状態の期間に数回機能させることができる。しかしながら、特定の環境において、パルス幅は、非常に短くなる場合があり、例えばわずかに２％の場合もあり、負荷開放検出の動作は、パルスと同期しない場合にはこの環境において妨害される可能性がある。本発明のこの実施形態の負荷開放検出は、図４及び５に示すように、パルス幅変調のターンオフフェーズ期間に機能するように設定されている。

ターンオフフェーズ期間の負荷開放検出は、入力７のコントロールイン信号がアサート停止されると共に検出サイクルを開始するために入力８のイネーブル検出信号がアサートされることによって検出サイクルが開始される点で、前述のオン状態の期間での検出とは異なる。オン状態の場合のように、コントロールロジックユニット６は、出力１０のコントロールアウト信号を変更することによってイネーブル検出信号のアサートに応答するので、ドライバ１１はＭＯＳＦＥＴ１のゲートに電流を供給してゲート電圧Ｖｇａｔｅをグランドに引き込む。図４及び５に示すように、ゲート電圧Ｖｇａｔｅは漸減し、ＭＯＳＦＥＴ１は非飽和状態になり始め、その抵抗は大きくなる。コントロールロジックユニット６は、検出電流制御信号１５をアサートして検出電流スイッチ１６を閉じるので、電流源１７は端子２と３との間に検出電流を供給する。

オン状態の場合のように、ゲート電圧Ｖｇａｔｅがゲート−ソース間閾値電圧を下回ると、端子３で負荷に印加される出力電圧Ｖｏｕｔも減少し始め、その減少率は、負荷４が高抵抗を示す場合よりも、特に開放である場合よりも非常に速い。しかしながら、ターンオフ期間の検出では、検出が実行されるとコントロールユニット６はスイッチ１をオンに戻さず、出力１０のコントロールアウト信号は検出時間の終了後でさえもオフ状態に対応する値のままである。従って、ゲート電圧Ｖｇａｔｅは直ちにグランドに引き込まれ、スイッチ１はオフになり、出力電圧Ｖｏｕｔは同様にグランドまで漸減する。

正常負荷状態の場合、コントロールユニットが検出ウィンドウ期間でのみ比較器１２の出力Ｖｏｕｔ＿ｈｉｇｈに応答するか、又は正常負荷状態を検出すると直ちに、出力電圧ＶｏｕｔがＶｂａｔ−Ｖｔｈに達すると出力電圧Ｖｏｕｔ＿ｈｉｇｈはアサート停止のままになる。入力９の検出準備信号のアサートは、検出サイクルの終点で検出電流スイッチ１６を開くために使用される。

負荷開放状態の場合、検出ウィンドウの期間に出力電圧ＶｏｕｔはＶｂａｔ−Ｖｔｈには達しないであろう。比較器１２の出力Ｖｏｕｔ＿ｈｉｇｈは依然としてアサートされ、アサート状態のままである。すなわち、コントロールロジックユニット６は、オン状態の検出と同様に、出力１８での負荷開放故障信号をアサート値にラッチする。

図６は、本発明の別の実施形態を示し、図６において、図１と同じ部品には、同じ番号に１００を加えた参照番号を用いている。本発明のこの実施形態においては、検出サイクルを形成するための８及び９のイネーブル検出及び検出準備信号の代わりに、入力１１９のコントロールロジックユニット１０６に対するモード信号によって検出サイクルを形成する。追加の比較器１２０は、ゲート電圧Ｖｇａｔｅを受信するように接続される一方側の差動入力と、電圧Ｖｂａｔ−Ｖｔｇを受信するための他方側の差動入力とを有しているので、比較器出力はＶｇａｔｅがＶｂａｔ−Ｖｔｇよりも高い期間にアサートする。Ｖｔｇは、ゲート−ソース間閾値電圧に対応して選択され、その出力１２１における比較器信号のアサートは、検出器の検出ウィンドウの開始を決定するために使用され、そこでは端子１０３の出力電圧Ｖｏｕｔが減少し始める。

オン状態検出の期間、コントロールユニット１０６は、スイッチ１０１を完全なオン状態に戻すために１１０でコントロールアウト信号を再アサートすることによって、及び検出電流を遮断するために１１５で電流源制御信号をアサート停止することによって、１１９のモード信号のアサート停止に応答する。

本発明の１つの実施形態による例示的なスマート電力スイッチのブロック図である。 本装置のオン状態の期間の正常負荷状態の検出の場合に図１の装置の動作中に現れる信号の時間変化を示す。 本装置のオン状態の期間の開放負荷状態の検出の場合に図１の装置の動作中に現れる信号の時間変化を示す。 電力パルスの立下がり区間の正常負荷状態の検出の場合に、図１の装置の動作中に現れる信号の時間変化を示す。 電力パルスの立下がり区間の開放負荷状態の検出の場合に、図１の装置の動作中に現れる信号の時間変化を示す。 本発明の別の実施形態による例示的なスマート電力スイッチのブロック図である。 本装置のオン状態の期間の図６の装置の動作中に現れる信号の時間変化を示す。 本発明の別の実施形態による例示的なスマート電力スイッチのブロック図である。

Claims (15)

1. 電源（Ｖｂａｔ）と負荷（４）との間に直列に接続するための制御端子及び出力端子（２、３）を有するスイッチ手段（１）と、少なくとも前記スイッチ手段（１）のオン状態の期間に前記負荷の負荷開放状態を検出する検出手段とを備え、前記スイッチ手段が、前記出力端子（２，３）を経由して前記電源（Ｖｂａｔ）からの電源電流を前記負荷（４）に供給するオン状態と、前記出力端子を経由した前記負荷への前記電力の供給を遮断するオフ状態との間で切換えるための前記制御端子に印加される制御信号（コントロールアウト）に応答するようになっている電力スイッチング装置であって、
   前記スイッチ手段（１）が、該スイッチ手段（１）が前記オフ状態に達するのに必要な時間よりも実質的に短い時間経過の期間に該スイッチ手段が前記オフ状態ヘの切換えを開始するように前記制御信号（コントロールアウト）を変更すると共に、前記時間経過の終点又はその前に前記オン状態に対応する値に前記制御信号を戻すための、前記スイッチ手段（１）の前記オン状態で動作可能な検出制御手段（６）と、前記時間経過の期間に前記出力端子（２，３）での電圧変動に応答する比較器手段（１２）とを備えることを特徴とする電力スイッチング装置。
2. 前記検出手段が、前記出力端子（２、３）に並列に接続される電流源（１７）を含む検出電流供給手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の電力スイッチング装置。
3. 前記検出手段が、前記出力端子（２、３）に並列に接続される抵抗器を含む検出電流供給手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の電力スイッチング装置。
4. 前記検出電流供給手段が、前記時間経過の範囲外では無効であることを特徴とする請求項２又は３に記載の電力スイッチング装置。
5. 前記スイッチ手段（１）が、電界効果トランジスタを含むことを特徴とする前記請求項のいずれ１項に記載の電力スイッチング装置。
6. 前記検出制御手段（６）が、前記比較器手段（１２）に応答して前記時間経過の範囲内で正常負荷状態を検出し、前記制御信号（コントロールアウト）を前記オン状態に対応する値に戻すことを特徴とする前記請求項のいずれか１項に記載の電力スイッチング装置。
7. 前記比較器手段（１２）が、前記時間経過の範囲内で検出閾値値（Ｖｔｈ）に達する前記出力端子（２、３）の両端の電圧に応答して、正常負荷状態を示す信号（Ｖｏｕｔ＿ｈｉｇｈ）を生成することを特徴とする請求項６に記載の電力スイッチング装置。
8. 前記比較器手段（１２）が、前記時間経過の終点で故障負荷状態を示す前記電圧変動の大きさに応答し、故障信号（Ｖｏｕｔ＿ｈｉｇｈ）を生成することを特徴とする請求項６又は７のいずれか１項に記載の電力スイッチング装置。
9. 前記検出制御手段（６）が、前記比較器手段（１２）に応答して、前記時間経過の終点での故障負荷状態を検出し、前記制御信号（コントロールアウト）を前記オン状態に対応する値に戻すことを特徴とする請求項８に記載の電力スイッチング装置。
10. 前記負荷（４）が照明を含み、前記時間経過が４０ミリ秒よりも短く設定されていることを特徴とする前記請求項のいずれか１項に記載の電力スイッチング装置。
11. 前記時間経過が、１００マイクロ秒よりも短く設定されていることを特徴とする請求項１０に記載の電力スイッチング装置。
12. 前記検出手段が、さらに前記スイッチ手段（１）が前記オフ状態に切換えられた場合に前記負荷（４）の負荷開放状態を検出するように設定され、前記比較器手段（１２）が、前記スイッチ手段（１）の前記オフ状態への切換え開始後の期間に、前記出力端子（２，３）の電圧変動に応答することを特徴とする前記請求項のいずれか１項に記載の電力スイッチング装置。
13. 前記制御信号（コントロールアウト）が、制御可能なパルス幅でもって前記電源電流をパルス化して送るように設定されていることを特徴とする前記請求項のいずれか１項に記載の電力スイッチング装置。
14. 前記検出手段が、電源電流の各々のパルス内で複数回動作可能であることを特徴とする請求項１３に記載の電力スイッチング装置。
15. 前記検出手段が、電源電流の前記パルスの立ち下がり区間において動作可能であることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の電力スイッチング装置。

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