JP2009106055A - 過電圧保護回路 - Google Patents

Abstract

【課題】回路面積の増大を抑制しつつ、直流電源線間に過電圧が生じた場合にも電源供給を停止することなく、過電圧から負荷を保護することができる過電圧保護回路を提供する。
【解決手段】電圧制御回路２０は、電源線１７およびグランド線１８間の電源電圧ＶＢが目標値を超えて上昇した場合、これに伴い上昇するコンデンサＣ１１の端子電圧ＶＣに応じてトランジスタＭ１１をスイッチング動作させてコンデンサＣ１１の充放電を繰り返し、端子電圧ＶＣの電圧値を保護設定電圧の上限値と下限値との間の電圧値に制限する。
【選択図】図１

Description

本発明は、一対の直流電源線の間に接続される負荷を、これら直流電源線の間に生じる過電圧から保護する過電圧保護回路に関する。

負荷例えばＩＣ化された回路に対して外部電源から一対の直流電源線を介して電圧を供給する場合、上記直流電源線に誘導される過大なサージ電圧から回路を保護するために、過電圧保護回路が設けられることが多い。図４は、従来から採用されている過電圧保護回路の一例を示している。過電圧から保護すべき回路（以下、被保護回路と称す）が含まれるＩＣ１の電源端子には、バッテリなどの直流電源２から一対の直流電源線３、４を介して電源電圧ＶＢが供給されるようになっている。この電源電圧ＶＢの供給経路には逆流防止用のダイオードＤ１と電流制限用の抵抗Ｒ１とが挿入されている。また、ＩＣ１の電源端子間にはツェナーダイオード５およびバイパスコンデンサＣ１が並列に接続されている。

このツェナーダイオード５のツェナー電圧は、被保護回路に対する保護設定電圧値に等しく設定されており、ＩＣ１の電源端子間にこの保護設定電圧値を超える電圧（過電圧）が印加されると、ツェナーダイオード５がＩＣ１の電源端子間を保護設定電圧値に制限する。しかし、このときツェナーダイオード５には、例えば数１００ｍＡ程度の大きな電流が流れるため、ツェナーダイオード５をＩＣ１内に作り込むと素子サイズが大きくなり、ＩＣ１のチップの省面積化を図ることができない。

この対策として、抵抗Ｒ１の抵抗値を大きくして、過電圧印加時にツェナーダイオード５に流れる電流を大幅に低減させることが考えられる。しかし、この場合には抵抗Ｒ１での電圧降下が大きくなり、ＩＣ１の電源端子に印加される電圧が低下してしまう。特に、電源電圧ＶＢの低下時には、電源端子に印加される電圧が、被保護回路が動作可能な電圧値を下回る可能性がある。

また、特許文献１には、直流電源線間に電源電圧の最大値程度のツェナー電圧を有するツェナーダイオードおよび電流制限用抵抗の直列回路を設けるとともに、各直流電源線と被保護回路との間を、それぞれＭＯＳトランジスタを介して接続した構成の過電圧保護回路が開示されている。この過電圧保護回路は、上記ツェナー電圧をしきい値として各ＭＯＳトランジスタのオンオフを制御するようになっている。

このものによれば、直流電源線間の電圧がツェナーダイオードのツェナー電圧を超える過電圧になると、各ＭＯＳトランジスタがオフされる。これにより、被保護回路が各直流電源線から電気的に切り離され、過電圧から保護される。また、この構成では、過電圧状態において、その過電圧エネルギーを消費する回路を有していないので、各素子のサイズを小さくできる。このため、ＩＣ化する場合にチップ面積が増大してしまうことがない。
特開２００１−２５８１４８号公報

しかしながら、特許文献１の構成では、電源端子間に過電圧が印加されると、被保護回路への電源供給が停止されるため、被保護回路の動作は直ちに停止してしまう。従って、被保護回路が例えばマイクロコンピュータを含んでいる場合、データバックアップのためのデータ転送や、異常状態を外部に報知するためのＬＥＤの点灯動作などを実行できないという問題が生じる。

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、回路面積の増大を抑制しつつ、直流電源線間に過電圧が生じた場合にも電源供給を停止することなく、過電圧から負荷を保護することができる過電圧保護回路を提供することにある。

請求項１記載の手段によれば、駆動回路は、一対の直流電源線から電源供給を受けて、負荷への電源供給経路に介在するスイッチ素子をオン動作させる。従って、直流電源線間に生じる電圧が目標値（定常状態における電圧値）の場合、負荷にはスイッチ素子を介して電源電圧が供給される。また、直流電源線間に負荷と並列に接続されたコンデンサは、スイッチ素子がオンすることで充電され、その端子電圧は直流電源線間の電圧（この場合には目標値）とほぼ等しくなる。

これに対し、例えば電源電圧変動やサージ電圧の誘導により、直流電源線間の電圧が上記目標値を超えて上昇した場合、コンデンサの端子電圧も同様に上昇する。そして、コンデンサの端子電圧が第１のしきい値電圧に達すると、制御回路が駆動回路を介してスイッチ素子をオフさせる。これにより、コンデンサは充電から放電に転じ、コンデンサの端子電圧が第１のしきい値電圧より低く設定された第２のしきい値電圧まで低下すると、制御回路が駆動回路を介してスイッチ素子をオンさせる。これにより、コンデンサへの充電が再開される。

上記したスイッチ素子のオンオフ動作によるコンデンサの充放電は、直流電源線間の電圧が目標値を超えている間繰り返される。また、その間、負荷にはコンデンサの端子電圧に等しい電源電圧が印加される。従って、第１のしきい値電圧を負荷に対する保護設定電圧値に等しく設定すれば、直流電源線間にこの保護設定電圧値を超える電圧（過電圧）が生じた場合でも、負荷に印加される電圧が第１のしきい値電圧と第２のしきい値電圧の間に制限される。これにより、直流電源線間に過電圧が生じた場合にも負荷に対する電源供給を停止することなく、その過電圧から負荷を保護することができる。

また、直流電源線間の電圧が目標値を超えている間、スイッチ素子は上記したオンオフ動作を繰り返す。つまり、この間、スイッチ素子はスイッチング動作を行うことになる。このため、過電圧状態において、スイッチ素子が常時通電されることがなくなる。従って、スイッチ素子に小電流容量でサイズが小さいものを使用することが可能となり、回路面積の増大を抑制することができる。

請求項２記載の手段によれば、駆動回路に駆動用トランジスタを備え、制御回路を構成する第１のツェナーダイオードには、第１のしきい値電圧と第２のしきい値電圧との差電圧に等しいツェナー電圧を有するものを採用し、第２のツェナーダイオードには、第２のしきい値電圧に等しいツェナー電圧を有するものを採用する。

このように構成すれば、駆動用トランジスタは、直流電源線から駆動電流の供給を受けてスイッチ素子をオン動作させる。そして、直流電源線間の電圧が目標値を超えて上昇し、コンデンサの端子電圧が第１のしきい値電圧に達すると、第１および第２のツェナーダイオードの直列回路に逆方向電流が流れ、制御用トランジスタがオンして駆動用トランジスタへの駆動電流の供給を停止させる。これにより、スイッチ素子がオフするのでコンデンサへの充電が停止され、コンデンサは放電し、短絡用トランジスタは、第１のツェナーダイオードを短絡する。その後、放電によりコンデンサの端子電圧が第２のしきい値電圧まで低下すると、上記直列回路に逆方向電流が流れなくなり、制御用トランジスタがオフして駆動用トランジスタへの駆動電流の供給が再開される。これにより、スイッチ素子がオンするのでコンデンサへの充電が再開される。

上記構成を用いた場合でも、請求項１記載の手段と同様にコンデンサの充放電が繰り返される。このため、請求項１記載の手段と同様の作用および効果が得られる。また、上記各トランジスタおよびツェナーダイオードにおいて、過電圧によるエネルギーは消費されない。従って、これら各素子に小電流容量でサイズが小さいものを用いることが可能となり、回路面積の増大を一層抑制することができる。

請求項１、２記載の手段によれば、直流電源線間に過電圧が生じた場合、スイッチ素子の動作により第１のしきい値電圧と第２のしきい値電圧との間で変動する電圧が負荷に印加されることになる。この場合、請求項３記載の手段を採用すれば、電源電圧が変動しても、定電圧回路により一定化されて負荷回路に供給されるので、上記電圧の変動が負荷回路の動作に及ぼす影響を低減することができる。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について図１および図２を参照しながら説明する。
図１は、車載電子機器の制御用ＩＣに内蔵された過電圧保護回路の構成を示している。図１に示すＩＣ１１には、例えばＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板上に過電圧保護回路１２と車載電子機器の制御回路である機器制御回路１３（負荷に相当）とが作り込まれている。ただし、過電圧保護回路１２を構成する素子の一部は、後述するようにＩＣ１１の外部に設けられている。ＩＣ１１の電源端子１４およびグランド端子１５間には、例えば車載バッテリである直流電源１６から電源電圧ＶＢ（例えば約１２Ｖ）が供給されるようになっている。

過電圧保護回路１２には、電源線１７およびグランド線１８（一対の直流電源線に相当）を介して電源電圧ＶＢが与えられる。これら電源線１７とグランド線１８との間には、電流制限用の抵抗Ｒ１１、逆流防止用のダイオードＤ１１のアノード・カソード間、Ｐチャネル型のＭＯＳトランジスタＭ１１（スイッチ素子に相当）のソース・ドレイン間および機器制御回路１３が直列に接続されている。

機器制御回路１３の電源端子間には、ＩＣ１１のコンデンサ接続端子１９およびグランド端子１５を介してバイパスコンデンサＣ１１（以下、コンデンサＣ１１と称す）が接続されている。コンデンサＣ１１は、通常時における電圧変動を抑制するものであるが、過電圧印加時には後述するような充放電動作が行われるようになっている。その充放電時の時定数は、抵抗Ｒ１１の抵抗値、コンデンサＣ１１の静電容量および機器制御回路１３の負荷インピーダンスにより決定される。本実施形態では、充放電の繰り返し周期が数ｍｓ〜１００μｓ程度になるように上記各値が設定されている。なお、抵抗Ｒ１１およびコンデンサＣ１１は、ＩＣ１１の外部に設けられている。

トランジスタＭ１１のソース・ゲート間には抵抗Ｒ１２が接続されている。また、トランジスタＭ１１のゲート、ソースおよびドレインは、電圧制御回路２０（駆動回路および制御回路に相当）のノードＮ１１、Ｎ１２およびＮ１３に接続されている。電圧制御回路２０は、ＮＰＮ形のバイポーラトランジスタＴ１１、Ｔ１２、ツェナーダイオード２１、２２、Ｐチャネル型のＭＯＳトランジスタＭ１２および抵抗Ｒ１３〜Ｒ１５から構成されている。電圧制御回路２０のノードＮ１４は、ＩＣ１１のグランド端子１５を介してグランド線１８に接続されている。

ノードＮ１１とＮ１４との間にはトランジスタＴ１１のコレクタ・エミッタ間が接続されている。ノードＮ１２とＮ１４との間には、抵抗Ｒ３およびトランジスタＴ１２のコレクタ・エミッタ間が直列に接続されている。トランジスタＴ１１のベースは、トランジスタＴ１２のコレクタに接続されている。

ツェナーダイオード２１および２２は、ノードＮ１３とＮ１４との間の電圧（コンデンサＣ１１の端子電圧ＶＣ）が、これらのツェナー電圧Ｖz1およびＶz2にトランジスタＴ１２のベース・エミッタ間電圧ＶBE（約０．７Ｖ）を加えた電圧値を超えると逆バイアスされるように設けられている。すなわち、ノードＮ１３とトランジスタＴ１２のベースとの間には、ツェナーダイオード２１、２２および抵抗Ｒ１４が直列に接続されている。また、ツェナーダイオード２１の両端子には、トランジスタＭ１２のソースおよびドレインが接続されている。トランジスタＭ１２のソース・ゲート間には抵抗Ｒ１５が接続されている。トランジスタＭ１２のゲートは、トランジスタＴ１２のコレクタに接続されている。

本実施形態において、トランジスタＴ１１は、抵抗Ｒ１３、ノードＮ１２等を介して電源線１７からベース電流が供給されるとトランジスタＭ１１をオン動作させるものであり、駆動用トランジスタとして機能する。トランジスタＴ１２は、ツェナーダイオード２１、２２および抵抗Ｒ４の直列回路２３に逆方向電流が流れるとオンしてトランジスタＴ１１へのベース電流の供給を停止させるものであり、制御用トランジスタとして機能する。トランジスタＭ１２は、トランジスタＴ１２がオンするとオンしてツェナーダイオード２１の両端子を短絡させるものであり、短絡用トランジスタとして機能する。

ツェナーダイオード２１および２２のツェナー電圧Ｖz1およびＶz2は、以下のように設定されている。すなわち、ツェナー電圧Ｖz1およびＶz2にトランジスタＴ１２の電圧ＶBEを加えた電圧が、機器制御回路１３に対する保護設定電圧の上限値ＶTH（第１のしきい値電圧に相当）に等しくなるように設定されるとともに、ツェナー電圧Ｖz2に電圧ＶBEを加えた電圧が、保護設定電圧の下限値ＶTL（第２のしきい値電圧に相当）に等しくなるように設定されている。本実施形態では、保護設定電圧の上限値ＶTHが約２４Ｖとなり、下限値ＶTLが約１８Ｖとなるようなツェナー電圧Ｖz1、Ｖz2を有するツェナーダイオード２１、２２を使用する。

機器制御回路１３は、定電圧回路２４と機能回路２５とを備えている。定電圧回路２４は、機器制御回路１３の電源端子間に印加される電圧を所定の電圧（例えば５Ｖ）に降圧するとともに一定化して出力する。機能回路２５（負荷回路に相当）は、定電圧回路２４から出力される定電圧の供給を受けて制御動作を行うように構成されている。

次に、本実施形態の作用について図２も参照して説明する。
図２は、電源線１７およびグランド線１８の間に印加される電源電圧ＶＢとコンデンサＣ１１の端子電圧ＶＣの電圧波形を示している。まず、電源電圧ＶＢが目標値である１２Ｖの場合（図２の時刻ｔ０以前）、トランジスタＴ１１は、電源線１７からノードＮ１２等を介してベース電流が供給されてオンする。このため、トランジスタＭ１１がオン動作される。これにより、機器制御回路１３には、電源線１７およびグランド線１８から抵抗Ｒ１１、ダイオードＤ１１およびトランジスタＭ１１を介してほぼ電源電圧ＶＢに等しい電圧が印加される。この状態においては、コンデンサＣ１１は、電源線１７およびグランド線１８からトランジスタＭ１１等を介して充電され、その端子電圧ＶＣは電源電圧ＶＢとほぼ等しくなる。

これに対し、直流電源１６の電圧変動やサージ電圧の誘導などにより、電源線１７とグランド線１８との間の電源電圧ＶＢが目標値を超えて上昇すると、コンデンサＣ１１の端子電圧ＶＣも目標値を超えて電源電圧ＶＢに比べて緩やかに上昇する。そして、端子電圧ＶＣが第１の上限値ＶTHに達すると、ツェナーダイオード２１および２２が逆バイアスされ、直列回路２３に逆方向電流が流れる（時刻ｔ１）。すると、トランジスタＴ１２がオンするので、トランジスタＴ１１にはベース電流が供給されなくなる。これにより、トランジスタＭ１１がオフするのでコンデンサＣ１１への充電が停止され、コンデンサＣ１１は放電を開始する。また、このとき、トランジスタＴ１２がオンしたことにより、トランジスタＭ１２がオンされてツェナーダイオード２１の両端子が短絡される。

その後、コンデンサＣ１１の放電により端子電圧ＶＣが下限値ＶTLまで低下すると、直列回路２３に逆方向電流が流れなくなる（時刻ｔ２）。すると、トランジスタＴ１２がオフするので、トランジスタＴ１１へのベース電流の供給が再開される。これにより、トランジスタＭ１１がオンするのでコンデンサＣ１１への充電が再開される。

このようなコンデンサＣ１１の充放電は、時刻ｔ２以降においても電源電圧ＶＢが目標値を超えている間繰り返される。また、その間、機器制御回路１３の電源端子間にはコンデンサＣ１１の端子電圧ＶＣに等しい電圧が印加される。従って、電源線１７およびグランド線１８間の電圧が保護設定電圧値を超えるレベルとなっても、機器制御回路１３の電源端子間に印加される電圧は、下限値ＶTL〜上限値ＶTHの電圧値（約１８Ｖ〜約２４Ｖ）に制限される。

このとき、機器制御回路１３に印加される電圧は、図２に示すように上限値ＶTHと下限値ＶTLとの間で変動を繰り返すが、機器制御回路１３においては、変動する電圧を定電圧回路２４が降圧するとともに一定化して出力する。そして、機能回路２５は、定電圧回路２４から出力される定電圧（５Ｖ）の供給を受けて動作する。

時刻ｔ２以降において、過電圧発生の原因が除去されたことなどにより、電源電圧ＶＢが目標値まで低下した状態で、コンデンサＣ１１の端子電圧ＶＣが下限値ＶTLまで低下すると、トランジスタＴ１１へのベース電流の供給が再開される（時刻ｔ３）。これにより、トランジスタＭ１１はオンするが、電源電圧ＶＢが既に目標値の１２Ｖまで低下しているので、コンデンサＣ１１の端子電圧ＶＣは上昇することなく約１２Ｖまで低下し続け、過電圧が発生する以前の状態に戻る。

以上説明したように、本実施形態によれば次のような効果を奏する。
過電圧保護回路１２は、電源線１７およびグランド線１８間の電源電圧ＶＢが目標値を超えて上昇した場合、これに伴い上昇するコンデンサＣ１１の端子電圧ＶＣに応じてトランジスタＭ１１をスイッチング動作させてコンデンサＣ１１の充放電を繰り返し、端子電圧ＶＣの電圧値を下限値ＶTL〜上限値ＶTHに制限する。これにより、電源線１７およびグランド線１８間に機器制御回路１３の保護設定電圧を超える過電圧が生じたとしても、機器制御回路１３の電源端子間には上記スイッチング動作により制限された端子電圧ＶＣに等しい電圧が印加される。従って、機器制御回路１３に対する電源供給が停止されることなく、過電圧から機器制御回路１３を保護することができる。

電源線１７およびグランド線１８間の電源電圧ＶＢが目標値を超えている間、トランジスタＭ１１は上記スイッチング動作を行う。このため、過電圧状態においてトランジスタＭ１１が常時通電されることがなくなる。従って、トランジスタＭ１１に小電流容量でサイズが小さいものを使用することが可能となり、回路面積の増大を抑制することができる。また、過電圧保護回路１２の回路面積の増大が抑制されることで、ＩＣ１１のチップの省面積化を図ることができ、ひいてはその製造コストの低減に寄与することができる。

トランジスタＭ１１のスイッチング動作により充放電を行うコンデンサとして、通常、ＩＣの電源端子間に接続されるバイパスコンデンサＣ１１を利用したので、過電圧保護回路１２の回路面積が増大することをさらに抑制できる。
電圧制御回路２０を構成する半導体素子であるトランジスタＴ１１、Ｔ１２、Ｍ１２およびツェナーダイオード２１、２２において、過電圧によるエネルギーはほとんど消費されない。従って、これら各素子にも小電流容量でサイズが小さいものを用いることが可能となり、ＩＣ１１のチップ面積の増大を一層抑制することができる。

電源線１７およびグランド線１８間に過電圧が生じた場合、上記スイッチング動作により、機器制御回路１３の電源端子間に印加される電圧は、上限値ＶTHと下限値ＶTLとの間で変動を繰り返すものとなる。しかし、機器制御回路１３は、定電圧回路２４によりこの変動する電圧を降圧するとともに一定化して機能回路２５に出力する構成となっているので、上記電圧の変動が機能回路２５の動作に及ぼす影響を低減することができる。

（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態を示す図１相当図であり、図１と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分について説明する。
図３に示す過電圧保護回路３１は、図１に示す過電圧保護回路１２に対し、トランジスタＭ１１およびトランジスタＭ１２に替えてトランジスタＴ３１（スイッチ素子に相当））およびトランジスタＴ３２（短絡用トランジスタに相当）を備えている点が異なっている。このように、スイッチ素子および短絡用トランジスタとして、第１の実施形態におけるＰチャネル型のＭＯＳトランジスタに替えてＰＮＰ形のバイポーラトランジスタを用いた構成であっても、第１の実施形態と同様の作用および効果が得られる。

（その他の実施形態）
なお、本発明は上記し且つ図面に記載した各実施形態に限定されるものではなく、次のような変形または拡張が可能である。
抵抗Ｒ１１は、トランジスタＭ１１がオン動作する際に流れる電流を制限する必要がない場合には設けなくてもよい。ダイオードＤ１１は、電源線１７が低電位となり、グランド線１８が高電位となる可能性がない場合には設けなくてもよい。
機器制御回路１３の電源端子間に印加される電圧を機能回路２５に直接供給することにより、機能回路２５が動作可能であれば、定電圧回路２４は設けなくてもよい。

駆動回路および制御回路は、電圧制御回路２０に限らず、ヒステリシス特性を有するコンパレータを用いて構成してもよい。すなわち、コンパレータの一方の入力端子にはコンデンサＣ１１の端子電圧ＶＣを与え、他方の入力端子にはコンパレータの出力に応じて、第１のしきい値電圧および第２のしきい値電圧に相当する２種類の基準電圧のうち、一方が与えられるように構成し、コンパレータの出力によりトランジスタＭ１１を駆動するように構成してもよい。

本発明の第１の実施形態を示す過電圧保護回路の構成図 電源電圧およびコンデンサの端子電圧の波形図 本発明の第２の実施形態を示す図１相当図 従来技術を示す図１相当図

符号の説明

図面中、１２、３１は過電圧保護回路、１３は機器制御回路（負荷）、１７は電源線（直流電源線）、１８はグランド線（直流電源線）、２０は電圧制御回路（駆動回路、制御回路）、２１はツェナーダイオード（第１のツェナーダイオード）、２２はツェナーダイオード（第２のツェナーダイオード）、２３は直列回路、２４は定電圧回路、２５は機能回路（負荷回路）、Ｃ１１はバイパスコンデンサ（コンデンサ）、Ｍ１１、Ｔ３１はトランジスタ（スイッチ素子）、Ｍ１２、Ｔ３２はトランジスタ（短絡用トランジスタ）、Ｔ１１はトランジスタ（駆動用トランジスタ）、Ｔ１２はトランジスタ（制御用トランジスタ）を示す。

Claims (3)

1. 一対の直流電源線の間に接続される負荷を、これら直流電源線間に生じる過電圧から保護する過電圧保護回路において、
   前記負荷への電源供給経路に介在するスイッチ素子と、
   前記負荷と並列に接続されるコンデンサと、
   前記直流電源線から電源供給を受けて前記スイッチ素子をオン動作させる駆動回路と、
   前記コンデンサの端子電圧が第１のしきい値電圧に達すると前記駆動回路を介して前記スイッチ素子をオフさせ、前記スイッチ素子がオフしている状態で前記コンデンサの端子電圧が前記第１のしきい値電圧より低く設定された第２のしきい値電圧まで低下すると前記駆動回路を介して前記スイッチ素子をオンさせる制御回路とを備えていることを特徴とする過電圧保護回路。
2. 前記駆動回路は、
   前記直流電源線から駆動電流の供給を受けて前記スイッチ素子をオン動作させる駆動用トランジスタを備え、
   前記制御回路は、
   前記コンデンサの端子電圧により逆バイアスされるように設けられた、前記第１のしきい値電圧と前記第２のしきい値電圧との差電圧に等しいツェナー電圧を有する第１のツェナーダイオードおよび前記第２のしきい値電圧に等しいツェナー電圧を有する第２のツェナーダイオードの直列回路と、
   前記直列回路に逆方向電流が流れるとオンして前記駆動用トランジスタへの駆動電流の供給を停止させる制御用トランジスタと、
   前記制御用トランジスタがオンしている期間に前記第１のツェナーダイオードを短絡する短絡用トランジスタとを備えていることを特徴とする請求項１記載の過電圧保護回路。
3. 前記負荷は、
   前記直流電源線から供給される直流電圧を一定化する定電圧回路と、
   前記定電圧回路から出力される定電圧の供給を受けて動作する負荷回路とを備えていることを特徴とする請求項１または２記載の過電圧保護回路。

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