JP2009004979A - インダクタンス負荷駆動装置、及び、フライバック電圧検出回路 - Google Patents

インダクタンス負荷駆動装置、及び、フライバック電圧検出回路 Download PDF

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Abstract

【課題】フライバック電圧検出回路がフライバック電圧VZを検出するときの精度が向上するインダクタンス負荷駆動装置を提供する。
【解決手段】インダクタンス負荷Lは、バッテリー電圧を供給する電源VBATと出力用ノードNoutとの間に接続されている。スイッチMOは、出力用ノードNoutと電源GNDとの間に接続され、制御信号Sc1、Sc2に応じてそれぞれオン、オフする。クランプ回路D1、D2は、スイッチMOがオフしたときに、フライバック電圧VZを発生する。フライバック電圧検出回路20は、電源VBATと検出用ノードNdとの間に接続された負荷抵抗RLと、検出用ノードNdと電源GNDとの間に接続されたトランジスタMSとを具備している。そのトランジスタMSは、出力用ノードNoutに供給される電圧を監視し、フライバック電圧VZの有無を表すフライバック電圧検出信号FBを検出用ノードNdに出力する。
【選択図】図5

Description

本発明は、インダクタンス負荷を駆動するインダクタンス負荷駆動装置に関する。
従来、自動車のエンジンを制御するエンジンコントロールユニットの一つとして、燃料噴射弁(インジェクタ)が用いられている。図1に示されるように、インジェクタ200は、バルブ201と、機械的なバネ(図示しない)と、インダクタンス負荷Lとを具備している。インダクタンス負荷Lは、コイル(電磁石)であり、バッテリー電圧を供給する第1電源(VBAT)と、バッテリー電圧よりも低い電圧として接地電圧を供給する第2電源(GND)との間に接続されている。バルブ201は、バネの機械的な力によって閉じられる。インダクタンス負荷Lに電流が流れることにより、コイルの電磁力によりバネが引っ張られて、バルブ201が開く。そのとき、バルブ201からエンジンにガソリンが噴射される。
また、自動車電装用のコントロールユニットとして、マイクロコンピュータからの指示によりインジェクタ200を駆動する駆動回路110が用いられている。駆動回路110は、インダクタンス負荷Lと第2電源(GND)との間に接続されている。この駆動回路110には、無接点化を目的として、パワーMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)等の半導体デバイスが内蔵されている。
また、自動車電装用のコントロールユニットとして、インジェクタ200を保護するための診断を行い、その診断結果をマイクロコンピュータに通知する保護回路が用いられている。保護回路としては、電流制限回路、過熱検出回路、断線検出回路が挙げられる。以下、断線検出回路について説明する。
例えば、図2に示されるように、断線検出回路は、インダクタンス負荷Lと第2電源(GND)との間に接続されている。この断線検出回路としては、インダクタンス負荷Lに発生するフライバック電圧を検出するフライバック電圧検出回路が挙げられる。フライバック電圧検出回路がフライバック電圧を検出することにより、マイクロコンピュータが、第1電源(VBAT)とインダクタンス負荷Lとの間の配線(ワイヤーハーネス)211や、インダクタンス負荷Lと駆動回路110との間の配線212が断線しているか否かを調べることができる。
図3は、従来のインダクタンス負荷駆動装置の構成を示し、特開2006−220069号公報と特開2006−152987号公報に記載された電磁弁駆動装置を簡略化したものである。従来のインダクタンス負荷駆動装置は、インダクタンス負荷Lと、駆動回路110と、フライバック電圧検出回路120と、マイクロコンピュータ130とを具備している。
インダクタンス負荷Lは、第1電源(VBAT)と出力用ノードNoutとの間に接続されている。
駆動回路110について説明する。この駆動回路110は、トランジスタMOと、抵抗素子RG1、RG2と、フライバック電圧発生回路とを具備している。
トランジスタMOは、Nチャネル型のパワーMOSFETであり、出力用ノードNoutと第2電源(GND)との間に接続されている。トランジスタMOのゲートには、第1又は第2制御信号として制御信号Sc1又はSc2がマイクロコンピュータ130から供給される。制御信号Sc1、制御信号Sc2の信号レベルは、それぞれ、ハイレベル(アクティブ状態)、ロウレベル(インアクティブ状態)を表している。したがって、トランジスタMOは、制御信号Sc1に応じてオンし、制御信号Sc2に応じてオフする。
フライバック電圧発生回路は、出力用ノードNoutとトランジスタMOのゲートとの間に接続され、ダイオードD1、D2を備えたクランプ回路(D1、D2)を具備している。ダイオードD1は、そのカソードが出力用ノードNoutに接続されている。ダイオードD2は、そのアノードがダイオードD1のアノードに接続され、そのカソードがトランジスタMOのゲートに接続されている。クランプ回路(D1、D2)は、トランジスタMOがオフしたときに、インダクタンス負荷Lに蓄えられたエネルギー(電流Iout)を強制的に消費させるフライバック電圧VZを発生する。
抵抗素子RG2は、ダイオードD2のカソードとトランジスタMOのゲートとの間に接続されている。この場合、抵抗素子RG2は、その一端がダイオードD2のカソードに接続され、その他端がトランジスタMOのゲートに接続されている。
抵抗素子RG1は、その一端がマイクロコンピュータ130に接続され、その他端がダイオードD2のカソードと抵抗素子RG2の一端とに接続されている。
フライバック電圧検出回路120について説明する。このフライバック電圧検出回路120は、第1〜第4抵抗素子として抵抗素子R1、R2、R3、R4とコンパレータCOMPとを具備している。
抵抗素子R1と抵抗素子R2は、出力用ノードNoutと第2電源(GND)との間で直列接続され、出力用ノードNoutに供給される電圧を分圧する。この場合、抵抗素子R1は、出力用ノードNoutと分圧用ノードNp1との間に接続されている。抵抗素子R2は、分圧用ノードNp1と第2電源(GND)との間に接続されている。
抵抗素子R3と抵抗素子R4は、第1電源(VBAT)と第2電源(GND)との間で直列接続され、第1電源(VBAT)から供給されるバッテリー電圧を分圧する。この場合、抵抗素子R3は、第1電源(VBAT)と分圧用ノードNp2との間に接続されている。抵抗素子R4は、分圧用ノードNp2と第2電源(GND)との間に接続され、基準電圧VREFを生成する。
コンパレータCOMPは、その入力が分圧用ノードNp1と分圧用ノードNp2とに接続され、その出力がマイクロコンピュータ130に接続されている。コンパレータCOMPは、分圧用ノードNp1に供給される電圧と、分圧用ノードNp2に供給される基準電圧VREFとを比較する。コンパレータCOMPは、その比較結果に基づいて、フライバック電圧VZが発生しているか否かを表すフライバック電圧検出信号FBをマイクロコンピュータ130に出力する。
図4は、従来のインダクタンス負荷駆動装置の動作を示すタイミングチャートである。
マイクロコンピュータ130は、制御信号Sc1(ハイレベル)と制御信号Sc2(ロウレベル)とを交互に出力する。この場合、トランジスタMOは、上述のように、制御信号Sc1に応じてオンし、制御信号Sc2に応じてオフする。マイクロコンピュータ130が制御信号Sc2を出力したとき、トランジスタMOがオフするため、クランプ回路(D1、D2)は、フライバック電圧VZを発生し、インダクタンス負荷Lに蓄えられた電流Ioutを強制的に消費させる。
エンジンの回転数は毎分8000回転に達するため、制御信号Sc1と制御信号Sc2とが出力される周期は15ms程度となる。また、制御信号Sc1と制御信号Sc2とのデューティーはアクセルの開き具合により、5%から99%まで変化する。このようにインダクタンス負荷Lに蓄える電流Ioutを高速でスイッチングさせる必要がある。
しかし、トランジスタMOがオフすると、インダクタンス負荷Lに流れていた電流Ioutが減少するため、インダクタンス負荷Lにはフライバック電圧VZとしてL×di/dtが発生する。そこで、第1電源(VBAT)が供給するバッテリー電圧を14Vとした場合、ダイオードD1、D2の耐圧を115V程度に設定しておく。これにより、トランジスタMOがオフしたときに、出力用ノードNoutに供給される電圧が約115V程度にクランプされ、電流Ioutが数十μs以内に0Aになるように急激に減少する。
出力用ノードNoutに供給される電圧は、抵抗素子R1、R2により分圧される。その分圧された分圧電圧は、分圧用ノードNp1に供給される。コンパレータCOMPは、分圧用ノードNp1に供給される分圧電圧と、分圧用ノードNp2に供給される基準電圧VREFとを比較する。比較の結果、上記の分圧電圧が基準電圧VREF以上である場合、コンパレータCOMPは、フライバック電圧VZが発生していることを表すフライバック電圧検出信号FBをマイクロコンピュータ130に出力する。一方、比較の結果、上記の分圧電圧が基準電圧VREFより低い場合、コンパレータCOMPは、フライバック電圧VZが発生していないことを表すフライバック電圧検出信号FBをマイクロコンピュータ130に出力する。
マイクロコンピュータ130は、上記の制御信号Sc2を出力したときに、フライバック電圧検出信号FBをコンパレータCOMPから受け取る。このとき、フライバック電圧検出信号FBがフライバック電圧VZの発生を表している場合、マイクロコンピュータ130は、第1電源(VBAT)と出力用ノードNout間が断線していないことを検知する。
このように、従来のインダクタンス負荷駆動装置では、フライバック電圧検出回路120が、インダクタンス負荷Lに発生するフライバック電圧を検出することにより、マイクロコンピュータ130は、第1電源(VBAT)と出力用ノードNout間として、第1電源(VBAT)とインダクタンス負荷Lとの間の配線や、インダクタンス負荷Lと駆動回路110との間の配線が断線しているか否かを調べることができる。
ここで、特開2006−220069号公報と特開2006−152987号公報の他に、フライバック電圧に関連する技術を紹介する。特開2000−184582号公報には、ソレノイド駆動装置が記載されている。このソレノイド駆動装置では、ソレノイドへの通電を遮断したときに、逆起電力に伴う電流を環流回路内に環流させ、フライバック電圧を吸収させる。そこで、ソレノイド駆動装置では、フライバック電圧を監視して、環流回路の断線を検出している。
特開2006−220069号公報 特開2006−152987号公報 特開2000−184582号公報
従来のインダクタンス負荷駆動装置によれば、上述のように、フライバック電圧検出回路120は、抵抗素子R1、R2、R3、R4とコンパレータCOMPとを具備している。コンパレータCOMPは、出力用ノードNoutに供給される電圧を抵抗素子R1、R2で分圧した電圧と、第1電源(VBAT)から供給されるバッテリー電圧を抵抗素子R3、R4で分圧した基準電圧VREFとを比較することにより、フライバック電圧VZが発生しているか否かを表すフライバック電圧検出信号FBをマイクロコンピュータ130に出力している。しかし、基準電圧VREFは、バッテリー電圧を抵抗素子R3、R4で分圧して生成されるため、フライバック電圧検出信号FBはバッテリー電圧(電源電圧)の影響を大きく受けてしまう。即ち、基準電圧VREFは、バッテリー電圧に比例しているため、電源電圧にバラツキが生じている場合、基準電圧VREFにもバラツキが生じてしまう。基準電圧VREFがばらつくことにより、フライバック電圧検出回路120がフライバック電圧VZを検出するときの精度は低下してしまう。
以下に、発明を実施するための最良の形態・実施例で使用される符号を括弧付きで用いて、課題を解決するための手段を記載する。この符号は、特許請求の範囲の記載と発明を実施するための最良の形態・実施例の記載との対応を明らかにするために付加されたものであり、特許請求の範囲に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
本発明のインダクタンス負荷駆動装置は、インダクタンス負荷(L)と、スイッチ(MO)と、フライバック電圧発生回路(D1、D2)と、フライバック電圧検出回路(20)とを具備している。
インダクタンス負荷(L)は、バッテリー電圧を供給する第1電源(VBAT)と出力用ノード(Nout)との間に接続されている。
スイッチ(MO)は、出力用ノード(Nout)とバッテリー電圧よりも低い電圧を供給する第2電源(GND)との間に接続され、第1制御信号(Sc1)に応じてオンし、第2制御信号(Sc2)に応じてオフする。
フライバック電圧発生回路(D1、D2)は、スイッチ(MO)がオフしたときに、インダクタンス負荷(L)に蓄えられたエネルギー(Iout)を瞬時に消費させるフライバック電圧(VZ)を発生する。
フライバック電圧検出回路(20)は、第1電源(VBAT)と出力用ノード(Nout)間の断線を調べるために、フライバック電圧(VZ)を検出する。このフライバック電圧検出回路(20)は、負荷抵抗(RL)と、電圧検出用トランジスタ(MS)とを具備している。
負荷抵抗(RL)は、第1電源(VBAT)と検出用ノード(Nd)との間に接続されている。
電圧検出用トランジスタ(MS)は、検出用ノード(Nd)と第2電源(GND)との間に接続されている。この電圧検出用トランジスタ(MS)は、出力用ノード(Nout)に供給される電圧を監視して、フライバック電圧(VZ)が発生しているか否かを表すフライバック電圧検出信号(FB)を検出用ノード(Nd)に出力する。
[効果]
このように、本発明のインダクタンス負荷駆動装置によれば、第1の効果として、フライバック電圧検出回路(20)が、インダクタンス負荷(L)に発生するフライバック電圧を検出することにより、マイクロコンピュータ(30)は、第1電源(VBAT)と出力用ノード(Nout)間の配線が断線しているか否かを調べることができる。
従来のインダクタンス負荷駆動装置のフライバック電圧検出回路(120)では、第1〜第4抵抗素子(R1、R2、R3、R4)とコンパレータ(COMP)とを具備しているのに対して、フライバック電圧検出回路(20)では、第1、第2抵抗素子(R1、R2)とフライバック電圧検出用インバータ(21){負荷抵抗(RL)と電圧検出用トランジスタ(MS)}とを具備している。このため、本発明のインダクタンス負荷駆動装置によれば、第2の効果として、部品数が従来よりも低減される。
本発明のインダクタンス負荷駆動装置によれば、フライバック電圧検出回路(20)は、上述のように、第1、第2抵抗素子(R1、R2)と、負荷抵抗(RL)と電圧検出用トランジスタ(MS)とで構成されたフライバック電圧検出用インバータ(21)とを具備している。フライバック電圧検出用インバータ(21)は、出力用ノード(Nout)に供給される電圧を第1、第2抵抗素子(R1、R2)で分圧した分圧電圧と、フライバック電圧検出用インバータ(21)の閾値電圧(インバータ閾値電圧)とを比較することにより、フライバック電圧(VZ)が発生しているか否かを表すフライバック電圧検出信号(FB)を、検出用ノード(Nd)を介してマイクロコンピュータ(30)に出力している。従来のインダクタンス負荷駆動装置のフライバック電圧検出回路(120)では、基準電圧(VREF)がバッテリー電圧に比例しているのに対して、フライバック電圧検出回路(20)では、インバータ閾値電圧(基準電圧)は、電圧検出用トランジスタ(MS)と負荷抵抗(RL)とバッテリー電圧とによって決定され、バッテリー電圧のルートに比例している。
ここで、バッテリー電圧をVBATとし、第1抵抗素子(R1)、第2抵抗素子(R2)、負荷抵抗(RL)の抵抗値を、それぞれ、R1、R2、RLとし、電圧検出用トランジスタ(MS)における電子の移動度、酸化膜の単位面積当たりの容量、チャネル幅、チャネル長、閾値電圧を、それぞれ、μ、Cox、W、L、Vtnとし、出力用ノード(Nout)に供給される電圧をVoutとする。この場合、フライバック電圧検出信号(FB)がフライバック電圧(VZ)の発生を表すとき、出力用ノード(Nout)に供給される電圧は、数1により表される。
Figure 2009004979
例えば、フライバック電圧検出回路(20)は、バラツキ防止用トランジスタ(MDG)を更に具備しているものとする。このバラツキ防止用トランジスタ(MDG)は、電圧検出用トランジスタ(MS)の閾値電圧のバラツキを防止するために、第2抵抗素子(R2)と第2電源(GND)との間に接続されている。そこで、バッテリー電圧をVBATとし、第1抵抗素子(R1)、第2抵抗素子(R2)、負荷抵抗(RL)の抵抗値を、それぞれ、R1、R2、RLとし、電圧検出用トランジスタ(MS)における電子の移動度、酸化膜の単位面積当たりの容量、チャネル幅、チャネル長、閾値電圧を、それぞれ、μ、Cox、W、L、Vtnとし、出力用ノード(Nout)に供給される電圧をVoutとする。この場合、フライバック電圧検出信号(FB)がフライバック電圧(VZ)の発生を表すとき、出力用ノード(Nout)に供給される電圧は、数2により表される。
Figure 2009004979
このように、本発明のインダクタンス負荷駆動装置によれば、フライバック電圧検出回路(20)は、負荷抵抗(RL)と電圧検出用トランジスタ(MS)とで構成されたフライバック電圧検出用インバータ(21)を具備することにより、フライバック電圧検出信号(FB)がフライバック電圧(VZ)の発生を表すときの電圧(Vout)は、バッテリー電圧(VBAT)のルートに比例する。このため、本発明のインダクタンス負荷駆動装置によれば、第3の効果として、バッテリー電圧(VBAT)にバラツキが生じても、インバータ閾値電圧(基準電圧)のバラツキは従来よりも低減される。基準電圧のバラツキが低減されることにより、フライバック電圧検出回路(20)がフライバック電圧(VZ)を検出するときの精度は従来よりも向上する。
以下に添付図面を参照して、本発明のインダクタンス負荷駆動装置について詳細に説明する。
(第1実施例)
[構成]
図5は、本発明の第1実施例によるインダクタンス負荷駆動装置の構成を示している。そのインダクタンス負荷駆動装置は、インダクタンス負荷Lと、駆動回路10と、フライバック電圧検出回路20と、マイクロコンピュータ30とを具備している。
インダクタンス負荷Lは、コイル(電磁石)であり、バッテリー電圧を供給する第1電源(VBAT)と、出力用ノードNoutとの間に接続されている。インダクタンス負荷Lは、インジェクタに設けられ、そのインジェクタは、インダクタンス負荷Lの他に、バルブと、機械的なバネとを具備している。バルブは、バネの機械的な力によって閉じられる。インダクタンス負荷Lに電流が流れることにより、コイルの電磁力によりバネが引っ張られて、バルブが開く。そのとき、バルブからエンジンにガソリンが噴射される。
駆動回路10について説明する。この駆動回路10は、トランジスタMOと、抵抗素子RG1、RG2と、フライバック電圧発生回路とを具備している。
トランジスタMOは、Nチャネル型のパワーMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)であり、出力用ノードNoutと、バッテリー電圧よりも低い電圧として接地電圧を供給する第2電源(GND)との間に接続されている。トランジスタMOのゲートには、第1又は第2制御信号として制御信号Sc1又はSc2がマイクロコンピュータ30から供給される。制御信号Sc1、制御信号Sc2の信号レベルは、それぞれ、ハイレベル(アクティブ状態)、ロウレベル(インアクティブ状態)を表している。したがって、トランジスタMOは、制御信号Sc1に応じてオンし、制御信号Sc2に応じてオフする。
フライバック電圧発生回路は、出力用ノードNoutとトランジスタMOのゲートとの間に接続され、ダイオードD1、D2を備えたクランプ回路(D1、D2)を具備している。ダイオードD1は、そのカソードが出力用ノードNoutに接続されている。ダイオードD2は、そのアノードがダイオードD1のアノードに接続され、そのカソードがトランジスタMOのゲートに接続されている。クランプ回路(D1、D2)は、トランジスタMOがオフしたときに、インダクタンス負荷Lに蓄えられたエネルギー(電流Iout)を強制的に消費させるフライバック電圧VZを発生する。
抵抗素子RG2は、ダイオードD2のカソードとトランジスタMOのゲートとの間に接続されている。この場合、抵抗素子RG2は、その一端がダイオードD2のカソードに接続され、その他端がトランジスタMOのゲートに接続されている。
抵抗素子RG1は、その一端がマイクロコンピュータ130に接続され、その他端がダイオードD2のカソードと抵抗素子RG2の一端とに接続されている。
フライバック電圧検出回路20について説明する。このフライバック電圧検出回路20は、第1、第2抵抗素子として抵抗素子R1、R2とフライバック電圧検出用インバータ21とを具備している。
抵抗素子R1と抵抗素子R2は、出力用ノードNoutと第2電源(GND)との間で直列接続され、出力用ノードNoutに供給される電圧を分圧する。この場合、抵抗素子R1は、出力用ノードNoutと分圧用ノードNpとの間に接続されている。抵抗素子R2は、分圧用ノードNpと第2電源(GND)との間に接続されている。
フライバック電圧検出用インバータ21は、第1電源(VBAT)と出力用ノードNout間の断線を調べる。このフライバック電圧検出用インバータ21は、負荷抵抗RLと電圧検出用トランジスタMSとを具備している。
負荷抵抗RLは、第1電源(VBAT)と検出用ノードNdとの間に接続されている抵抗素子であり、一定の電流を生成する。
電圧検出用トランジスタMSは、Nチャネル型のパワーMOSFETであり、検出用ノードNdと第2電源(GND)との間に接続されている。この電圧検出用トランジスタMSは、出力用ノードNoutに供給される電圧を監視する。そこで、電圧検出用トランジスタMSが、出力用ノードNoutに供給される電圧を監視するために、電圧検出用トランジスタMSのゲートには、分圧用ノードNpが接続されている。電圧検出用トランジスタMSは、分圧用ノードNpに供給される電圧に応じて、フライバック電圧VZが発生しているか否かを表すフライバック電圧検出信号FBを、検出用ノードNdを介してマイクロコンピュータ30に出力する。
[動作]
図6は、本発明のインダクタンス負荷駆動装置の動作を示すタイミングチャートである。
マイクロコンピュータ30は、制御信号Sc1(ハイレベル)と制御信号Sc2(ロウレベル)とを交互に出力する。この場合、トランジスタMOは、上述のように、制御信号Sc1に応じてオンし、制御信号Sc2に応じてオフする。マイクロコンピュータ30が制御信号Sc2を出力したとき、トランジスタMOがオフするため、クランプ回路(D1、D2)は、フライバック電圧VZを発生し、インダクタンス負荷Lに蓄えられた電流Ioutを強制的に消費させる。
エンジンの回転数は毎分8000回転に達するため、制御信号Sc1と制御信号Sc2とが出力される周期は15ms程度となる。また、制御信号Sc1と制御信号Sc2とのデューティーはアクセルの開き具合により、5%から99%まで変化する。このようにインダクタンス負荷Lに蓄える電流Ioutを高速でスイッチングさせる必要がある。
しかし、トランジスタMOがオフすると、インダクタンス負荷Lに流れていた電流Ioutが減少するため、インダクタンス負荷Lにはフライバック電圧VZとしてL×di/dtが発生する。そこで、第1電源(VBAT)が供給するバッテリー電圧を14Vとした場合、ダイオードD1、D2の耐圧を115V程度に設定しておく。これにより、トランジスタMOがオフしたときに、出力用ノードNoutに供給される電圧が115V程度にクランプされ、電流Ioutが数十μs以内に0Aになるように急激に減少する。
出力用ノードNoutに供給される電圧は、抵抗素子R1、R2により分圧される。その分圧された分圧電圧は、分圧用ノードNpを介して、負荷抵抗RLと電圧検出用トランジスタMSとにより構成されたフライバック電圧検出用インバータ21に供給される。
フライバック電圧検出用インバータ21の閾値電圧(インバータ閾値電圧)は、電圧検出用トランジスタMSにおける電子の移動度、酸化膜の単位面積当たりの容量、チャネル幅、チャネル長、閾値電圧と、負荷抵抗RLの抵抗値と、バッテリー電圧とによって決定される。インバータ閾値電圧は、バッテリー電圧のルートに比例している。これについては後述する。
出力用ノードNoutに供給される電圧は、抵抗素子R1と抵抗素子R2とにより分圧され、その分圧された分圧電圧が分圧用ノードNpに供給される。電圧検出用トランジスタMSは、分圧用ノードNpに供給される分圧電圧が、フライバック電圧検出用インバータ21の閾値電圧以上である場合、電圧検出用トランジスタMSは、フライバック電圧VZが発生していることを表すフライバック電圧検出信号FBを、検出用ノードNdを介してマイクロコンピュータ30に出力する。一方、電圧検出用トランジスタMSは、上記の分圧電圧が上記のインバータ閾値電圧より低い場合、フライバック電圧VZが発生していないことを表すフライバック電圧検出信号FBを、検出用ノードNdを介してマイクロコンピュータ30に出力する。
マイクロコンピュータ30は、上記の制御信号Sc2を出力したときに、フライバック電圧検出信号FBをコンパレータCOMPから受け取る。このとき、フライバック電圧検出信号FBがフライバック電圧VZの発生を表している場合、マイクロコンピュータ130は、第1電源(VBAT)と出力用ノードNout間が断線していないことを検知する。
[効果]
このように、本発明の第1実施例によるインダクタンス負荷駆動装置によれば、第1の効果として、フライバック電圧検出回路20が、インダクタンス負荷Lに発生するフライバック電圧を検出することにより、マイクロコンピュータ30は、第1電源(VBAT)と出力用ノードNout間の配線が断線しているか否かを調べることができる。
従来のインダクタンス負荷駆動装置のフライバック電圧検出回路120では、抵抗素子R1、R2、R3、R4とコンパレータCOMPとを具備しているのに対して、フライバック電圧検出回路20では、抵抗素子R1、R2とフライバック電圧検出用インバータ21{負荷抵抗RLと電圧検出用トランジスタMS}とを具備している。このため、本発明の第1実施例によるインダクタンス負荷駆動装置によれば、第2の効果として、部品数が従来よりも低減される。
本発明の第1実施例によるインダクタンス負荷駆動装置によれば、上述のように、フライバック電圧検出回路20は、抵抗素子R1、R2と、負荷抵抗RLと電圧検出用トランジスタMSとで構成されたフライバック電圧検出用インバータ21とを具備している。フライバック電圧検出用インバータ21は、出力用ノードNoutに供給される電圧を抵抗素子R1、R2で分圧した分圧電圧と、フライバック電圧検出用インバータ21の閾値電圧(インバータ閾値電圧)とを比較することにより、フライバック電圧VZが発生しているか否かを表すフライバック電圧検出信号FBを、検出用ノードNdを介してマイクロコンピュータ30に出力している。従来のインダクタンス負荷駆動装置のフライバック電圧検出回路120では、基準電圧VREFがバッテリー電圧に比例しているのに対して、フライバック電圧検出回路20では、インバータ閾値電圧(基準電圧)は、電圧検出用トランジスタMSと負荷抵抗RLとバッテリー電圧とによって決定され、バッテリー電圧のルートに比例している。このため、本発明の第1実施例によるインダクタンス負荷駆動装置によれば、第3の効果として、バッテリー電圧(電源電圧)にバラツキが生じても、基準電圧のバラツキは従来よりも低減される。基準電圧のバラツキが低減されることにより、フライバック電圧検出回路20がフライバック電圧VZを検出するときの精度は従来よりも向上する。
[実証]
第3の効果について、数式を用いて、詳細に説明する。
上記のインバータ閾値電圧を求める。
まず、電圧検出用トランジスタMSのドレイン電流を求める。バッテリー電圧をVBATとし、電圧検出用トランジスタMSにおける電子の移動度、酸化膜の単位面積当たりの容量、チャネル幅、チャネル長、閾値電圧を、それぞれ、μ、Cox、W、L、Vtnとし、電圧検出用トランジスタMSのゲート・ソース間電圧をVgsとし、電圧検出用トランジスタMSのドレイン電流をIdとする。この場合、ドレイン電流Idは、数3により表される。
Figure 2009004979
次に、負荷抵抗RLが生成する電流を求める。負荷抵抗RLの抵抗値をRLとし、負荷抵抗RLが生成する電流をIRLとする。図7は、フライバック電圧検出用インバータ21における電流Iと電圧Vとの関係を示している。この場合、図7に示されるように、フライバック電圧検出用インバータ21の出力電圧(インバータ出力電圧)が電源電圧(バッテリー電圧VBAT)の2分の1、すなわちVBAT/2であるとき、電流IRLは、数4により表される。
Figure 2009004979
インバータ閾値電圧をVTHとする。この場合、インバータ閾値電圧VTHは、インバータ出力電圧が電源電圧の2分の1になるときと定義すると、数5に示されるように、数3と数4が等しいものとすることができる。この数5は数6に展開されることにより、インバータ閾値電圧VTHは、数7により表される。
Figure 2009004979
Figure 2009004979
Figure 2009004979
このように、フライバック電圧検出回路20では、インバータ閾値電圧VTH(基準電圧)は、電圧検出用トランジスタMSと負荷抵抗RLとバッテリー電圧VBATとによって決定され、バッテリー電圧VBATのルートに比例している。
次に、出力用ノードNoutに供給される電圧を求める。
抵抗素子R1、抵抗素子R2の抵抗値をそれぞれR1、R2とし、出力用ノードNoutに供給される電圧をVoutとする。この場合、数8に示されるように、抵抗素子R1と抵抗素子R2で分圧された分圧電圧が、上記のインバータ閾値電圧VTHと等しいものとする。この数8に数7が代入され、数8は数9に展開される。
Figure 2009004979
Figure 2009004979
したがって、フライバック電圧検出信号FBがフライバック電圧VZの発生を表すとき、出力用ノードNoutに供給される電圧Voutは、数10により表される。
Figure 2009004979
従来のインダクタンス負荷駆動装置では、基準電圧VREFがバッテリー電圧VBATに比例しているため、フライバック電圧検出信号FBがフライバック電圧VZの発生を表すときの電圧Voutもバッテリー電圧VBATに比例している。これに対して、本発明の第1実施例によるインダクタンス負荷駆動装置によれば、インバータ閾値電圧VTH(基準電圧)は、バッテリー電圧VBATのルートに比例しているため、フライバック電圧検出信号FBがフライバック電圧VZの発生を表すときの電圧Voutもバッテリー電圧VBATのルートに比例している。このように、本発明の第1実施例によるインダクタンス負荷駆動装置によれば、第3の効果として、バッテリー電圧VBATにバラツキが生じても、基準電圧のバラツキは従来よりも低減される。基準電圧のバラツキが低減されることにより、フライバック電圧検出回路20がフライバック電圧VZを検出するときの精度は従来よりも向上する。
(第2実施例)
第2実施例では、前述の第1実施例と重複する説明を省略する。
[構成]
図8は、本発明の第2実施例によるインダクタンス負荷駆動装置の構成を示している。フライバック電圧検出回路20は、更に、バラツキ防止用トランジスタMDGを具備している。
バラツキ防止用トランジスタMDGは、Nチャネル型のパワーMOSFETであり、抵抗素子R2と第2電源(GND)との間に接続されている。この場合、バラツキ防止用トランジスタMDGは、そのドレインが抵抗素子R2に接続され、そのソースが第2電源(GND)に接続され、そのゲートがドレインに接続されている。このバラツキ防止用トランジスタMDGは、抵抗素子R2と第2電源(GND)との間に接続されることにより、電圧検出用トランジスタMSの閾値電圧Vtnのバラツキを防止する。この閾値電圧のバラツキは、温度によるバラツキも含んでいる。
[動作]
本発明の第2実施例によるインダクタンス負荷駆動装置の動作は、前述と同じである。
[効果]
本発明の第2実施例によるインダクタンス負荷駆動装置によれば、前述の第1〜第3の効果を実現する。
[実証]
第3の効果について、数式を用いて、詳細に説明する。
まず、インバータ閾値電圧VTHの求め方は、前述の数3〜数7と同じである。
次に、出力用ノードNoutに供給される電圧Voutを求める。
バラツキ防止用トランジスタMDGの両端にかかる電圧を閾値電圧Vtnとする。この場合、数11に示されるように、バラツキ防止用トランジスタMDGの両端にかかる電圧Vtnと、抵抗素子R2の両端にかかる電圧の和が、インバータ閾値電圧VTHと等しいものとする。数11は数12に展開される。
Figure 2009004979
Figure 2009004979
したがって、フライバック電圧検出信号FBがフライバック電圧VZの発生を表すとき、出力用ノードNoutに供給される電圧Voutは、数13により表される。この場合、数12に数7が代入されることにより、数12は数13に展開される。
Figure 2009004979
この場合でも、本発明の第2実施例によるインダクタンス負荷駆動装置によれば、インバータ閾値電圧VTH(基準電圧)は、バッテリー電圧VBATのルートに比例しているため、フライバック電圧検出信号FBがフライバック電圧VZの発生を表すときの電圧Voutもバッテリー電圧VBATのルートに比例している。このように、本発明の第2実施例によるインダクタンス負荷駆動装置によれば、第3の効果として、バッテリー電圧VBATにばらつきが生じても、基準電圧のばらつきは従来よりも低減される。基準電圧のばらつきが低減されることにより、フライバック電圧検出回路20がフライバック電圧VZを検出するときの精度は従来よりも向上する。
なお、本発明では、駆動回路10のトランジスタMO(スイッチ)、及び、フライバック電圧検出回路20のフライバック電圧検出用インバータ21の電圧検出用トランジスタMSは、電界効果型トランジスタ(MOSFET)に限定されず、バイポーラトランジスタであってもよいし、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタなどでもよい。
また、本発明では、フライバック電圧検出用インバータ21の負荷抵抗RLは、抵抗素子に限定されず、定電流源であってもよい。この場合、定電流源としては、デプレッションMOSFETとエンハンスメントMOSFETとの2つのタイプがある。
図9Aは、負荷抵抗RLが定電流源(デプレッションMOSFET)であるときのフライバック電圧検出用インバータ21を示している。この場合、デプレッションMOSFETは、Nチャネル型のパワーMOSFETであり、第1電源(VBAT)と検出用ノードNdとの間に接続されている。このデプレッションMOSFETは、そのゲートとソースとが接続され、一定の電流を生成する。図9Bは、上記のフライバック電圧検出用インバータ21における電流Iと電圧Vとの関係を示している。本発明では、図9Aに示されるように、定電流源(デプレッションMOSFET)を使用しているため、図9Bに示されるように、インバータ閾値電圧VTH(基準電圧)は、バッテリー電圧VBATの影響を受けない。
図10Aは、負荷抵抗RLが定電流源(エンハンスメントMOSFET)であるときのフライバック電圧検出用インバータ21を示している。この場合、エンハンスメントMOSFETは、Pチャネル型のパワーMOSFETであり、第1電源(VBAT)と検出用ノードNdとの間に接続されている。このエンハンスメントMOSFETは、そのゲートに一定の電圧Vbiasが供給され、一定の電流を生成する。図10Bは、上記のフライバック電圧検出用インバータ21における電流Iと電圧Vとの関係を示している。本発明では、図10Aに示されるように、定電流源(エンハンスメントMOSFET)を使用しているため、図10Bに示されるように、インバータ閾値電圧VTH(基準電圧)は、バッテリー電圧VBATの影響を受けない。
図1は、一般的な燃料噴射弁(インジェクタ)200と、それを駆動する駆動回路110とを示している。 図2は、インジェクタ200を保護する保護回路の一例として、断線検出回路を示している。 図3は、従来のインダクタンス負荷駆動装置の構成を示し、特開2006−220069号公報と特開2006−152987号公報に記載された電磁弁駆動装置を簡略化したものである。 図4は、従来のインダクタンス負荷駆動装置の動作を示すタイミングチャートである。 図5は、本発明の第1実施例によるインダクタンス負荷駆動装置の構成を示している。 図6は、本発明のインダクタンス負荷駆動装置の動作を示すタイミングチャートである。 図7は、本発明のインダクタンス負荷駆動装置のフライバック電圧検出回路20において、負荷抵抗RLが抵抗素子であるときのフライバック電圧検出用インバータ21における電流Iと電圧Vとの関係を示している。 図8は、本発明の第2実施例によるインダクタンス負荷駆動装置の構成を示している。 図9Aは、本発明のインダクタンス負荷駆動装置のフライバック電圧検出回路20において、負荷抵抗RLが定電流源(デプレッションMOSFET)であるときのフライバック電圧検出用インバータ21を示している。 図9Bは、図9Aのフライバック電圧検出用インバータ21における電流Iと電圧Vとの関係を示している。 図10Aは、本発明のインダクタンス負荷駆動装置のフライバック電圧検出回路20において、負荷抵抗RLが定電流源(エンハンスメントMOSFET)であるときのフライバック電圧検出用インバータ21を示している。 図10Bは、図10Aのフライバック電圧検出用インバータ21における電流Iと電圧Vとの関係を示している。
符号の説明
10 駆動回路、
20 フライバック電圧検出回路、
21 フライバック電圧検出用インバータ、
30 マイクロコンピュータ、
110 駆動回路、
120 フライバック電圧検出回路、
130 マイクロコンピュータ、
200 燃料噴射弁(インジェクタ)、
201 バルブ、
211、212 配線(ワイヤーハーネス)、
COMP コンパレータ、
D1、D2 ダイオード(クランプ回路)、
GND 第2電源、
Iout 電流、
L インダクタンス負荷、
MDG バラツキ防止用トランジスタ、
MO トランジスタ、
MS 電圧検出用トランジスタ、
Nd 検出用ノード、
Nout 出力用ノード、
Np、Np1、Np2 分圧用ノード、
R1、R2、R3、R4、RG1、RG2 抵抗素子、
RL 抵抗素子、
Sc1、Sc2 制御信号、
VBAT 第1電源(バッテリー電圧)、
VREF 基準電圧、
VZ フライバック電圧、

Claims (19)

  1. バッテリー電圧を供給する第1電源と出力用ノードとの間に接続されたインダクタンス負荷と、
    前記出力用ノードと前記バッテリー電圧よりも低い電圧を供給する第2電源との間に接続され、第1制御信号に応じてオンし、第2制御信号に応じてオフするスイッチと、
    前記スイッチがオフしたときに、前記インダクタンス負荷に蓄えられたエネルギーを瞬時に消費させるフライバック電圧を発生するフライバック電圧発生回路と、
    前記第1電源と前記出力用ノード間の断線を調べるために、前記フライバック電圧を検出するフライバック電圧検出回路と
    を具備し、
    前記フライバック電圧検出回路は、
    前記第1電源と検出用ノードとの間に接続された負荷抵抗と、
    前記検出用ノードと前記第2電源との間に接続され、前記出力用ノードに供給される電圧を監視して、前記フライバック電圧が発生しているか否かを表すフライバック電圧検出信号を前記検出用ノードに出力する電圧検出用トランジスタと
    を具備するインダクタンス負荷駆動装置。
  2. 前記フライバック電圧検出回路は、
    前記出力用ノードと分圧用ノードとの間に接続された第1抵抗素子と、
    前記分圧用ノードと前記第2電源との間に接続された第2抵抗素子と
    を更に具備し、
    前記電圧検出用トランジスタは、
    前記出力用ノードに供給される電圧を監視するために、そのゲートが前記分圧用ノードに接続され、
    前記分圧用ノードに供給される電圧に応じて、前記フライバック電圧検出信号を前記検出用ノードに出力する
    請求項1に記載のインダクタンス負荷駆動装置。
  3. 前記フライバック電圧検出信号が前記フライバック電圧の発生を表すとき、前記出力用ノードに供給される電圧は、
    前記バッテリー電圧をVBATとし、前記第1抵抗素子、前記第2抵抗素子、前記負荷抵抗の抵抗値を、それぞれ、R1、R2、RLとし、前記電圧検出用トランジスタにおける電子の移動度、酸化膜の単位面積当たりの容量、チャネル幅、チャネル長、閾値電圧を、それぞれ、μ、Cox、W、L、Vtnとし、前記出力用ノードに供給される電圧をVoutとした場合、
    Figure 2009004979
    により表される
    請求項2に記載のインダクタンス負荷駆動装置。
  4. 前記電圧検出用トランジスタは、Nチャネル型のMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)である
    請求項1〜3のいずれかに記載のインダクタンス負荷駆動装置。
  5. 前記フライバック電圧検出回路は、
    前記第2抵抗素子と前記第2電源との間に接続され、前記電圧検出用トランジスタの閾値電圧のバラツキを防止するためのバラツキ防止用トランジスタ
    を更に具備する請求項2に記載のインダクタンス負荷駆動装置。
  6. 前記フライバック電圧検出信号が前記フライバック電圧の発生を表すとき、前記出力用ノードに供給される電圧は、
    前記バッテリー電圧をVBATとし、前記第1抵抗素子、前記第2抵抗素子、前記負荷抵抗の抵抗値を、それぞれ、R1、R2、RLとし、前記電圧検出用トランジスタにおける電子の移動度、酸化膜の単位面積当たりの容量、チャネル幅、チャネル長、閾値電圧を、それぞれ、μ、Cox、W、L、Vtnとし、前記出力用ノードに供給される電圧をVoutとした場合、
    Figure 2009004979
    により表される
    請求項5に記載のインダクタンス負荷駆動装置。
  7. 前記電圧検出用トランジスタと前記バラツキ防止用トランジスタは、Nチャネル型のMOSFETである
    請求項5又は6に記載のインダクタンス負荷駆動装置。
  8. 前記負荷抵抗は、抵抗素子又は定電流源である
    請求項1〜7のいずれかに記載のインダクタンス負荷駆動装置。
  9. 前記スイッチは、トランジスタであり、前記トランジスタのゲートには前記第1制御信号又は前記第2制御信号が供給され、
    前記フライバック電圧発生回路は、前記出力用ノードと前記トランジスタのゲートとの間に接続されたクランプ回路であり、前記クランプ回路は、前記トランジスタがオフしたときに、前記フライバック電圧を発生する
    請求項1〜8のいずれかに記載のインダクタンス負荷駆動装置。
  10. 前記第1制御信号と前記第2制御信号とを交互に前記スイッチに出力するマイクロコンピュータ
    を更に具備する請求項1〜9のいずれかに記載のインダクタンス負荷駆動装置。
  11. 前記マイクロコンピュータは、
    前記第2制御信号を出力したときに、前記フライバック電圧検出信号が前記フライバック電圧の発生を表している場合、前記第1電源と前記出力用ノード間が断線していないことを検知する
    請求項10に記載のインダクタンス負荷駆動装置。
  12. バッテリー電圧を供給する第1電源と出力用ノードとの間に接続されたインダクタンス負荷と、
    前記出力用ノードと前記バッテリー電圧よりも低い電圧を供給する第2電源との間に接続され、第1制御信号に応じてオンし、第2制御信号に応じてオフするスイッチと、
    前記スイッチがオフしたときに、前記インダクタンス負荷に蓄えられたエネルギーを瞬時に消費させるフライバック電圧を発生するフライバック電圧発生回路と
    を具備するインダクタンス負荷駆動装置に適用されたフライバック電圧検出回路であって、
    前記第1電源と前記出力用ノード間の断線を調べるために、前記フライバック電圧を検出するフライバック電圧検出用インバータを具備し、
    前記フライバック電圧検出用インバータは、
    前記第1電源と検出用ノードとの間に接続された負荷抵抗と、
    前記検出用ノードと前記第2電源との間に接続され、前記出力用ノードに供給される電圧を監視して、前記フライバック電圧が発生しているか否かを表すフライバック電圧検出信号を前記検出用ノードに出力する電圧検出用トランジスタと
    を具備するフライバック電圧検出回路。
  13. 前記出力用ノードと分圧用ノードとの間に接続された第1抵抗素子と、
    前記分圧用ノードと前記第2電源との間に接続された第2抵抗素子と
    を更に具備し、
    前記電圧検出用トランジスタは、
    前記出力用ノードに供給される電圧を監視するために、そのゲートが前記分圧用ノードに接続され、
    前記分圧用ノードに供給される電圧に応じて、前記フライバック電圧検出信号を前記検出用ノードに出力する
    請求項12に記載のフライバック電圧検出回路。
  14. 前記フライバック電圧検出信号が前記フライバック電圧の発生を表すとき、前記出力用ノードに供給される電圧は、
    前記バッテリー電圧をVBATとし、前記第1抵抗素子、前記第2抵抗素子、前記負荷抵抗の抵抗値を、それぞれ、R1、R2、RLとし、前記電圧検出用トランジスタにおける電子の移動度、酸化膜の単位面積当たりの容量、チャネル幅、チャネル長、閾値電圧を、それぞれ、μ、Cox、W、L、Vtnとし、前記出力用ノードに供給される電圧をVoutとした場合、
    Figure 2009004979
    により表される
    請求項13に記載のフライバック電圧検出回路。
  15. 前記電圧検出用トランジスタは、Nチャネル型のMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)である
    請求項12〜14のいずれかに記載のフライバック電圧検出回路。
  16. 前記第2抵抗素子と前記第2電源との間に接続され、前記電圧検出用トランジスタの閾値電圧のバラツキを防止するためのバラツキ防止用トランジスタ
    を更に具備する請求項13に記載のフライバック電圧検出回路。
  17. 前記フライバック電圧検出信号が前記フライバック電圧の発生を表すとき、前記出力用ノードに供給される電圧は、
    前記バッテリー電圧をVBATとし、前記第1抵抗素子、前記第2抵抗素子、前記負荷抵抗の抵抗値を、それぞれ、R1、R2、RLとし、前記電圧検出用トランジスタにおける電子の移動度、酸化膜の単位面積当たりの容量、チャネル幅、チャネル長、閾値電圧を、それぞれ、μ、Cox、W、L、Vtnとし、前記出力用ノードに供給される電圧をVoutとした場合、
    Figure 2009004979
    により表される
    請求項16に記載のフライバック電圧検出回路。
  18. 前記電圧検出用トランジスタと前記バラツキ防止用トランジスタは、Nチャネル型のMOSFETである
    請求項16又は17に記載のフライバック電圧検出回路。
  19. 前記負荷抵抗は、抵抗素子又は定電流源である
    請求項12〜18のいずれかに記載のフライバック電圧検出回路。
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