JP2015186349A - 過電流検出回路 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体リレーに設けられ、小さい電流値でも精度良く検出でき、尚かつ大きい電流値も検出できる過電流検出回路の提供。
【解決手段】負荷電流を通流／遮断する半導体スイッチ２の通流電流に関連する電流を分岐抵抗Ｒ１に通流させ、分岐抵抗Ｒ１の両端電圧値に基づき、負荷電流の過電流を検出するように構成してある過電流検出回路。分岐抵抗Ｒ１の両端電圧を分圧する分圧回路Ｒ３，Ｒ４及びスイッチ８が直列に接続された分岐回路と、分岐抵抗Ｒ１の両端電圧値が所定電圧値より高いか否かを判定し、高いと判定したときは、スイッチ８をオンにする判定回路４とを備え、判定回路４が高いと判定したときは、分圧回路Ｒ３，Ｒ４の分圧値に基づき、また、判定回路４が高いと判定しなかったときは、分岐抵抗Ｒ１の両端電圧値に基づき、負荷電流の過電流を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、負荷電流を通流／遮断する半導体スイッチの通流電流に関連する電流を分岐抵抗に通流させ、分岐抵抗の両端電圧値に基づき、負荷電流の過電流を検出する過電流検出回路に関するものである。

半導体スイッチを使用して継電器（リレー）と同様の機能を得る半導体リレーには、ショートによる過電流を遮断する為に、電流検出用の分岐回路にセンスＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）を用いた電流検出回路が設けられている。
センスＭＯＳＦＥＴを通流したセンス電流は、センス抵抗（分岐抵抗）により電圧に変換されて、マイクロコンピュータ（マイコン）等の、Ａ／Ｄ（アナログ／ディジタル）コンバータを備えた電圧検出用ポートに入力され、過電流閾値を超えれば、半導体リレーをオフにするのが一般的である。

分岐回路は、センスＭＯＳＦＥＴ、及び半導体リレー本体のＭＯＳＦＥＴのそれぞれのオン抵抗による下降電圧が等しくなるように制御されており、それぞれのオン抵抗の逆数の比である電流センス比（分流比）は、半導体リレー毎に定まっている。小電流を精度良く検出しようとすると、この電流センス比は小さい方が良い。逆に、大電流まで検出する場合は、この電流センス比は大きい方が良い。
マイコンの電圧検出用ポートは、入力電圧５Ｖが上限値である。０〜５Ｖのレンジで検出できる電流値、及びマイコンに入力されるセンス電圧値は、上述した電流センス比とセンス抵抗の値とによりその分解能が定まる。

特許文献１には、上述した半導体リレーと同様の構成で通流電流値を検出する半導体デバイスが開示されている。マイコンは、検出した通流電流値に基づき、異常が発生していると判定したときは、半導体デバイスをオフ状態に維持すると共に、外部へ報知する。

特開２００９−２６１１５３号公報

上述したような従来の半導体リレー及び半導体デバイスでは、電流センス比及びセンス抵抗の値が固定されているので、センス電圧値のレンジも固定されてしまう。その為、特に、小さい電流値でも精度良く検出でき、尚かつ大きい電流値も検出できるように、マイコンに入力可能なセンス電圧のレンジを広げることができないという問題がある。

本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたものであり、半導体リレーに設けられ、小さい電流値でも精度良く検出でき、尚かつ大きい電流値も検出できる過電流検出回路を提供することを目的とする。

第１発明に係る過電流検出回路は、負荷電流を通流／遮断する半導体スイッチの通流電流に関連する電流を分岐抵抗に通流させ、該分岐抵抗の両端電圧値に基づき、前記負荷電流の過電流を検出するように構成してある過電流検出回路において、前記分岐抵抗の両端電圧を分圧する分圧回路及びスイッチが直列に接続された分岐回路と、前記両端電圧値が所定電圧値より高いか否かを判定し、高いと判定したときは、前記スイッチをオンにする判定回路とを備え、該判定回路が高いと判定したときは、前記分圧回路の分圧値に基づき、また、前記判定回路が高いと判定しなかったときは、前記両端電圧値に基づき、前記過電流を検出するように構成してあることを特徴とする。

この過電流検出回路では、負荷電流を通流／遮断する半導体スイッチの通流電流に関連する電流を分岐抵抗に通流させ、分岐抵抗の両端電圧値に基づき、負荷電流の過電流を検出する。分岐回路は、分岐抵抗の両端電圧を分圧する分圧回路及びスイッチが直列に接続されている。判定回路が、分岐抵抗の両端電圧値が所定電圧値より高いか否かを判定し、高いと判定したときは、スイッチをオンにする。これにより、判定回路が高いと判定したときは、分圧回路の分圧値に基づき、また、判定回路が高いと判定しなかったときは、分岐抵抗の両端電圧値に基づき、負荷電流の過電流を検出する。

第２発明に係る過電流検出回路は、電圧検出用ポート及び割込み端子を有するマイクロコンピュータを備え、前記分圧回路の出力端子が前記電圧検出用ポートに接続され、前記判定回路の判定結果が前記割込み端子に与えられており、前記判定結果が高いときは、前記分圧回路の分圧値に基づき、また、前記判定結果が高くないときは、前記両端電圧値に基づき、前記過電流を検出するように構成してあることを特徴とする。

この過電流検出回路では、電圧検出用ポート及び割込み端子を有するマイクロコンピュータを備えている。マイクロコンピュータは、分圧回路の出力端子が電圧検出用ポートに接続され、判定回路の判定結果が割込み端子に与えられる。これにより、マイクロコンピュータは、判定回路の判定結果に基づき、検出レンジを切替えることができ、判定回路の判定結果が高いときは、分圧回路の分圧値に基づき、また、判定回路の判定結果が高くないときは、分岐抵抗の両端電圧値に基づき、負荷電流の過電流を検出する。

本発明に係る過電流検出回路によれば、半導体リレーに設けられ、小さい電流値でも精度良く検出でき、尚かつ大きい電流値も検出できる過電流検出回路を実現することができる。

本発明に係る過電流検出回路の実施の形態の要部構成を示すブロック図である。 半導体リレーの内部構成例を示す回路図である。 本発明に係る過電流検出回路の実施の形態の動作を示すフローチャートである。

以下に、本発明をその実施の形態を示す図面に基づき説明する。
図１は、本発明に係る過電流検出回路の実施の形態の要部構成を示すブロック図である。
この過電流検出回路は、車両に搭載された負荷へ、図示しないバッテリからの電力を供給／遮断する半導体リレー２に設けられている。マイクロコンピュータ（以下、マイコンと記載）１は、外部から与えられる操作信号に基づき、半導体リレー２の制御入力端子２ａにオン信号又はオフ信号を与える。これにより、半導体リレー２は、バッテリから負荷（ランプ）３への電力を供給又は遮断する。

半導体リレー２は、負荷３へ通流する電流値を検出する為の分岐回路（後述）を内蔵しており、分岐回路に通流する電流は、センス出力端子２ｂから流出する。
センス出力端子２ｂには、センス抵抗（分岐抵抗）Ｒ１、抵抗Ｒ２及び抵抗Ｒ３の各一方の端子が接続され、センス抵抗Ｒ１の他方の端子は接地されている。抵抗Ｒ２の他方の端子は、コンパレータ（判定回路）４の非反転入力端子に接続され、コンパレータ４の反転入力端子は、所定電圧値Ｖｒｅｆを出力する定電圧源１４に接続されている。

コンパレータ４は、制御電源Ｖｃｃ及び接地端子間で電源電圧を与えられており、抵抗Ｒ５により正帰還がかけられ、出力端子は、抵抗Ｒ６を通じて制御電源Ｖｃｃによりプルアップされている。
コンパレータ４、定電圧源１４、抵抗Ｒ２、抵抗Ｒ５及び抵抗Ｒ６は、制御部５を構成している。

抵抗Ｒ３の他方の端子は、抵抗Ｒ４の一方の端子、平滑コンデンサＣのプラス極、及びマイコン１の、Ａ／Ｄコンバータを備えた電圧検出用ポート６に接続されている。
抵抗Ｒ４の他方の端子は、ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ（スイッチ）８のドレインに接続され、ＦＥＴ８のソースは接地され、ＦＥＴ８のゲートは、コンパレータ４の出力端子、及びマイコン１の割込み端子７に接続されている。抵抗Ｒ３，Ｒ４は分圧回路を構成している。

図２は、半導体リレー２の内部構成例を示す回路図である。
この半導体リレー２は、制御入力端子２ａを有するゲート駆動部９が、バッテリ電圧Ｖｂを電源として与えられ、センスＭＯＳＦＥＴ１１、及び半導体リレー２本体のパワーＭＯＳＦＥＴ１０の各ゲートをオン又はオフにする。ＦＥＴ１１及びＦＥＴ１０は、Ｎチャンネル型であり、各ドレインにはバッテリ電圧Ｖｂが与えられている。

センスＭＯＳＦＥＴ１１のソースには、ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ１３のドレイン、及びオペアンプ１２の非反転入力端子が接続され、オペアンプ１２の反転入力端子には、パワーＭＯＳＦＥＴ１０のソースが接続されている。
ＦＥＴ１３のゲートには、オペアンプ１２の出力端子が接続され、ＦＥＴ１３のソースには、１対のＮチャンネルＭＯＳＦＥＴで構成されたカレントミラー回路１６の入力端子が接続されている。
カレントミラー回路１６の出力端子には、１対のＰチャンネルＭＯＳＦＥＴで構成されたカレントミラー回路１５の入力端子が接続され、カレントミラー回路１５の出力端子は、半導体リレー２のセンス出力端子２ｂを通じて、センス抵抗Ｒ１の一方の端子に接続されている。

このような構成の半導体リレー２では、ゲート駆動部９がパワーＭＯＳＦＥＴ１０をオンにしているときは、センスＭＯＳＦＥＴ１１もオンになっている。パワーＭＯＳＦＥＴ１０及びセンスＭＯＳＦＥＴ１１の各ソース電圧は、オペアンプ１２がＦＥＴ１３の通流電流を制御することにより、略同一電圧値に保持される。
従って、センスＭＯＳＦＥＴ１１の電流センス比（分流比）は、ＦＥＴ１１，１０のそれぞれのオン抵抗の逆数の比であり、センスＭＯＳＦＥＴ１１を通流したセンス電流値Ｉｓを検出することにより、パワーＭＯＳＦＥＴ１０に通流する負荷電流を検出することができる。

センスＭＯＳＦＥＴ１１を通流したセンス電流値Ｉｓは、カレントミラー回路１６によりコピーされて出力され、出力されたセンス電流値Ｉｓは、カレントミラー回路１５により更にコピーされて出力される。カレントミラー回路１５により出力されたセンス電流値Ｉｓは、半導体リレー２のセンス出力端子２ｂから出力される。

以下に、このような構成の過電流検出回路の動作を、それを示す図３のフローチャートを参照しながら説明する。
半導体リレー２のセンス出力端子２ｂから出力されたセンス電流が小さく、センス電流によるセンス抵抗Ｒ１の両端電圧値が、分圧回路切替電圧値（＝所定電圧値Ｖｒｅｆ）より低い場合、コンパレータ４はＦＥＴ８をオフにしており、マイコン１は、割込み端子７により、分圧回路Ｒ３，Ｒ４がオフであることを認識している。尚、マイコン１が過電流を検出する過電流電圧閾値Ｖ２は、所定電圧値Ｖｒｅｆより高く設定されていることとする。

この場合、マイコン１は、読込んだセンス抵抗Ｒ１の両端電圧値、センス抵抗Ｒ１の値、及びセンスＭＯＳＦＥＴ１１の電流センス比に基づき、負荷電流を検出（算出）することができる。
センス出力端子２ｂから出力されたセンス電流が大きく、センス抵抗Ｒ１の両端電圧値が、分圧回路切替電圧値（＝所定電圧値Ｖｒｅｆ）より高い場合、コンパレータ４はＦＥＴ８をオンにしており、マイコン１は、割込み端子７により、分圧回路Ｒ３，Ｒ４がオンであることを認識している（図３Ｓ１）。

この場合、マイコン１は、分圧回路Ｒ３，Ｒ４が分圧した入力電圧値Ｖｉｎを読込む（Ｓ３）。次いで、マイコン１は、読込んだ入力電圧値Ｖｉｎ、及び分圧回路Ｒ３，Ｒ４の分圧比Ｎ＝Ｒ４／（Ｒ３＋Ｒ４）に基づき、そのときのセンス抵抗Ｒ１の両端電圧値＝Ｖｉｎ／Ｎを算出し、算出した両端電圧値Ｖｉｎ／Ｎが過電流電圧閾値Ｖ２より高いか否かを判定する（Ｓ５）。
尚、例えば、センス抵抗Ｒ１＝１ｋΩ、抵抗Ｒ３＝Ｒ４＝１００ｋΩのように設定しておけば、マイコン１は、センス抵抗Ｒ１の両端電圧値又はその分圧を略変動なく安定的に読取ることができる。また、コンパレータ４は、正帰還によりシュミットトリガに構成してあるので、安定的に作動する。

マイコン１は、両端電圧値Ｖｉｎ／Ｎが過電流電圧閾値Ｖ２より高くなければ（Ｓ５）、分圧回路Ｒ３，Ｒ４がオンであるか否かを判定する（Ｓ１）。尚、過電流電圧閾値Ｖ２が、所定電圧値Ｖｒｅｆより高く設定されている場合、マイコン１は、分圧回路Ｒ３，Ｒ４がオンでなければ（Ｓ１）、過電流を検出する為に、センス抵抗Ｒ１の両端電圧値を読込む必要はない。
マイコン１は、両端電圧値Ｖｉｎ／Ｎが過電流電圧閾値Ｖ２より高ければ（Ｓ５）、負荷電流の過電流を検出し（Ｓ７）、半導体リレー２の制御入力端子２ａへ半導体リレー２をオフにする為の信号を出力して（Ｓ９）終了する。

ＬＥＤ（発光ダイオード）ランプ等、通流電流が小さい（数百ｍＡ）負荷は、センス電流値も小さい為、精度良く電流を検出する為に、センス抵抗Ｒ１の抵抗値を大きくして、検出できる負荷電流値のレンジを狭くする。この状態では、少し大きな電流が流れた場合でも、短時間にマイコン１の電圧検出用ポート６に入力可能な上限値５Ｖに到達してしまい、大きい電流値を検出することはできない。

そこで、センス抵抗Ｒ１の両端電圧値（センス電圧値）をコンパレータ４で比較しておき、センス電圧値が所定電圧値Ｖｒｅｆより高くなれば、ＦＥＴ（スイッチ）８をオンにして、センス電圧値を分圧する。
これにより、マイコン１の電圧検出用ポート６に入力されるセンス電圧値を下げることができ、検出可能な負荷電流値のレンジを広げることができる。つまり、比較的大きい電流が流れた場合でも、センス電圧値が、電圧検出用ポート６の入力可能な上限値５Ｖに到達することを防ぐことができる。

このような過電流検出回路の構成により、検出できる電流値のレンジを大幅に広げることができ、尚且つ、低電流時にでも精度を保ったまま、電流値を検出することができる。
このような効果により、ＬＥＤランプ等通流電流が小さい負荷に対しても、精度良く通流電流値を検出することができ、また、過電流を遮断する閾値を、電線が発煙する電流値直前まで上げることができるので、誤遮断を防止することに繋がる。

１ マイクロコンピュータ
２ 半導体リレー（半導体スイッチ）
２ｂ センス出力端子
３ 負荷（ランプ）
４ コンパレータ（判定回路）
５ 制御部
６ 電圧検出用ポート
７ 割込み端子
８ ＦＥＴ（スイッチ）
９ ゲート駆動部
１０ パワーＭＯＳＦＥＴ
１１ センスＭＯＳＦＥＴ
１２ オペアンプ
１３ ＦＥＴ
１５，１６ カレントミラー回路
Ｃ 平滑コンデンサ
Ｒ１ センス抵抗（分岐抵抗）
Ｒ２ 抵抗
Ｒ３，Ｒ４ 抵抗（分圧回路）

Claims (2)

1. 負荷電流を通流／遮断する半導体スイッチの通流電流に関連する電流を分岐抵抗に通流させ、該分岐抵抗の両端電圧値に基づき、前記負荷電流の過電流を検出するように構成してある過電流検出回路において、
   前記分岐抵抗の両端電圧を分圧する分圧回路及びスイッチが直列に接続された分岐回路と、前記両端電圧値が所定電圧値より高いか否かを判定し、高いと判定したときは、前記スイッチをオンにする判定回路とを備え、該判定回路が高いと判定したときは、前記分圧回路の分圧値に基づき、また、前記判定回路が高いと判定しなかったときは、前記両端電圧値に基づき、前記過電流を検出するように構成してあることを特徴とする過電流検出回路。
2. 電圧検出用ポート及び割込み端子を有するマイクロコンピュータを備え、前記分圧回路の出力端子が前記電圧検出用ポートに接続され、前記判定回路の判定結果が前記割込み端子に与えられており、前記判定結果が高いときは、前記分圧回路の分圧値に基づき、また、前記判定結果が高くないときは、前記両端電圧値に基づき、前記過電流を検出するように構成してある請求項１に記載の過電流検出回路。

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