JP2016226246A - 電源保護装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電源電圧の低下から負荷装置を保護する「電源保護装置」を提供する。【解決手段】PチャネルMOSFET１０６は、バッテリ電源Ebatが正負が正しく接続されるとオンし、電解コンデンサ１０８を充電すると共に、バッテリ電源Ebatを負荷装置３に接続し、バッテリ電源Ebatが正負が逆接続されるとオフし、バッテリ電源Ebatを負荷装置３から遮断する。バッテリ電源Ebatの電圧Vbatが低下すると、エミッタが電解コンデンサ１０８の正極にベースが電圧VbatにコレクタがPチャネルMOSFET１０６のゲートに接続されたPNPトランジスタ１１１はオンし、電解コンデンサ１０８の正極をゲートに接続しPチャネルMOSFET１０６をオフする。【選択図】図１

Description

本発明は、電源の正極/負極の逆接続から負荷装置を保護する電源保護装置に関するものである。

電源の正極/負極の逆接続から負荷装置を保護する電源保護装置としては、電源入力の正極/負極が正しく接続されたときにオン状態となって電源と負荷装置とを接続し、電源入力の正極/負極が逆に接続されたときにオフ状態となって負荷装置を電源から切り離すPチャネルMOSFETを備えた電源保護装置が知られている（たとえば、特許文献１）。

特開２００３-３７９３３号公報

さて、電源として自動車のバッテリを用いる場合、自動車の消費電力の変動に起因する電源の瞬間的な電圧降下が発生する。
一方、上述したような電源保護装置において、ノイズ対策のために電源の入力ラインにインダクタを挿入すると、電源の電圧降下が発生した時に、インダクタの逆起電圧により発生したアンダーシュートにより負荷装置に出力される電圧が、電源電圧よりも低い電圧まで降下してしまうことがある。

したがって、自動車のバッテリを電源として、インダクタを備えた電源保護装置を設けると、負荷装置が電子機器である場合における電子機器のリセット動作等の負荷装置における減電圧保護動作が発生し易くなる。

そこで、本発明は、電源の正極/負極の逆接続から負荷装置を保護する電源保護装置において、電源電圧の瞬間的な低下から負荷装置を保護することを課題とする

前記課題達成のために、本発明は、バッテリ電源に接続され、負荷装置に電源を供給する電源保護装置に、前記バッテリ電源の正極出力を接続するための正極入力端子と、前記バッテリ電源の負極出力を接続するための負極入力端子と、前記負荷装置に供給する電源の出力を行う出力部と、コンデンサと、前記正極入力端子に前記バッテリ電源の正極出力が接続され、負極入力端子に前記バッテリ電源の負極出力が接続されたときにオン状態となり、前記バッテリ電源による電力を、前記コンデンサと前記出力部に伝達するPチャネルMOSFETと、前記PチャネルMOSFETによって前記コンデンサと前記出力部に伝達される電力のノイズを低減するインダクタと、スイッチとを備えたものである。ただし、前記コンデンサは、オン状態の前記PチャネルMOSFETによって伝達された電力によって充電されるものであり、前記スイッチは、前記コンデンサの充電電位が前記正極入力端子に印加された電圧よりも、所定のしきい値以上大きいときにオン状態となって、前記コンデンサの充電電位を前記PチャネルMOSFETのゲートに伝達し、前記PチャネルMOSFETをオフ状態に遷移させるものである。

また、前記課題達成のために、本発明は、バッテリ電源に接続され、負荷装置に電源を供給する電源保護装置に、前記バッテリ電源の正極出力を接続するための正極入力端子と、前記バッテリ電源の負極出力を接続するための負極入力端子と、前記負荷装置に供給する電源の正極出力を行う正極出力部と、前記負荷装置に供給する電源の負極出力を行う負極出力部と、第１端が前記正極入力端子に接続されたインダクタと、正極が正極出力部に接続され、負極がグランドに接続されたコンデンサと、ドレインが前記インダクタの第２端に接続され、ソースが前記コンデンサの正極に接続されたPチャネルMOSFETと、第１端がPチャネルMOSFETのゲートに接続され、第２端がグランドに接続されたプルダウン抵抗と、第１端が正極入力端子に接続された抵抗と、ベースが前記抵抗の第２端に接続され、コレクタがPチャネルMOSFETのゲートに接続され、エミッタがPチャネルMOSFETのソースに接続されたPNPトランジスタとを備えたものである。ただし、前記負極入力端子と負極出力部とは、前記グランドに接続している。

また、前記課題達成のために、本発明は、バッテリ電源に接続され、負荷装置に電源を供給する電源保護装置に、前記バッテリ電源の正極出力を接続するための正極入力端子と、前記バッテリ電源の負極出力を接続するための負極入力端子と、前記負荷装置に供給する電源の正極出力を行う正極出力部と、前記負荷装置に供給する電源の負極出力を行う負極出力部と、正極入力端子にドレインが接続されたPチャネルMOSFETと、正極が正極出力部に負極がグランドに接続されたコンデンサと、第１端が前記PチャネルMOSFETのソースに接続され、第２端が前記コンデンサの正極に接続されたインダクタと、第１端がPチャネルMOSFETのゲートに接続され、第２端がグランドに接続されたプルダウン抵抗と、第１端が正極入力端子に接続された抵抗と、ベースが前記抵抗の第２端に接続され、コレクタがPチャネルMOSFETのゲートに接続され、エミッタが前記インダクタの第２端に接続されたPNPトランジスタとを備えたものである。ただし、前記負極入力端子と負極出力部とは、前記グランドに接続している。

なお、以上の電源保護装置において、前記バッテリ電源は、たとえば、自動車に搭載されたカーバッテリである。
以上のような電源保護装置によれば、バッテリ電源の逆接続に対する保護をPチャネルMOSFETを用いて行う電源保護装置において、バッテリ電源の電圧降下が発生したときに、PチャネルMOSFETをオフ状態とし、負荷装置に供給する電源をバッテリ電源から遮断し、コンデンサの充電された電力を用いて負荷装置に電源を供給することにより、負荷装置に供給する電源を電圧が徐々に低下するものとすることができる。よって、本発明によれば、バッテリ電源の電圧降下が発生したときに、負荷装置に供給する電源の急激な低下や、当該急激な低下によるアンダーシュートの発生を抑えることができる。

以上のように、本発明によれば、電源の正極/負極の逆接続から負荷装置を保護する電源保護装置において、電源電圧の瞬間的な低下から負荷装置を保護することができる。

本発明の実施形態に係る電源保護装置の構成を示す回路図である。 本発明の実施形態に係る電源保護装置の動作例を示す図である。 本発明の実施形態に係る電源保護装置の比較例を示す図である。 本発明の実施形態に係る電源保護装置の他の構成例を示す回路図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１に、本実施形態に係る電源保護装置の構成を示す。
図示するように、本実施形態に係る電源保護装置１は、自動車のバッテリであるカーバッテリ２から出力される直流電源であるバッテリ電源Ebatを入力し、直流電源である出力電源Eoutを負荷装置３に出力する装置である。ここで、以下では、バッテリ電源Ebatの電圧をVbatで、直流電源Eoutの電圧をVoutで表すこととする。

なお、負荷装置３は、たとえば、出力電源Eoutを各種電圧の電源に変換して、車載の各種電子機器等に供給するDC/DCコンバータ等である。また、バッテリ電源Ebatの電圧Vbatの標準値は、たとえば、１２Vである。

次に、電源保護装置１は、バッテリ電源Ebatの正極が接続される正極入力端子１０１に、バッテリ電源Ebatの負極が接続される負極入力端子１０２を備えており、負極入力端子１０２は電源保護装置１のグランドに接続されている。

また、電源保護装置１は、出力電源Eoutの正極を負荷装置３に出力する正極出力端子１０３、出力電源Eoutの負極を負荷装置３に出力する負極出力端子１０４を備えており、負極出力端子１０４は、電源保護装置１のグランドに接続されている。

また、電源保護装置１は、第１端が正極入力端子１０１に接続されたインダクタ１０５、インダクタ１０５の第２端にドレインが接続され、正極出力端子１０３にソースが接続されたPチャネルMOSFET１０６、第１端がPチャネルMOSFET１０６のゲートに第２端がグランドに接続されたプルダウン抵抗１０７、正極が正極出力端子１０３に負極がグランドに接続された平滑用の電解コンデンサ１０８、アノードがPチャネルMOSFET１０６のゲートにカソードがPチャネルMOSFET１０６のソースに接続された、PチャネルMOSFET保護用のツェナーダイオード１０９を備えている。

また、電源保護装置１は、第１端が正極入力端子１０１に接続された、比較的抵抗値の大きな（たとえば、10ｋΩ）の抵抗１１０、ベースが抵抗１１０の第２端に接続され、コレクタがPチャネルMOSFET１０６のゲートに接続され、エミッタがPチャネルMOSFET１０６のソースに接続されたPNPトランジスタ１１１、アノードがPNPトランジスタ１１１のベースにカソードがPNPトランジスタ１１１のエミッタに接続された、PNPトランジスタ保護用のダイオード１１２を備えている。

さて、このような構成において、電源保護装置１の正極入力端子１０１にバッテリ電源Ebatの正極が、電源保護装置１の負極入力端子１０２にバッテリ電源Ebatの負極が正しく接続された場合には、バッテリ電源Ebatの正極からのPチャネルMOSFET１０６の寄生ダイオードを通る電流によって、PチャネルMOSFET１０６のゲートソース間電圧VGSがスレッシュホールド電圧（たとえば、1Vから2V）を超えると（ソース電位がゲート電位よりもスレッシュホールド電圧以上大きくなると）、PチャネルMOSFET１０６がオンとなり、バッテリ電源Ebatがインダクタ１０５、PチャネルMOSFET１０６を介して負荷装置３に接続され、負荷装置３に出力電源Eoutによる電力が供給される。なお、PチャネルMOSFET１０６がオンとなったとき、負荷装置３に供給される出力電源Eoutの電圧Voutは、バッテリ電源Ebatの電圧Vbatとほぼ同じとなる。また、以上の動作中において、PチャネルMOSFET１０６の寄生ダイオードを通る電流や、オン状態となったPチャネルMOSFET１０６のドレインからソースへの流れる電流によって電解コンデンサ１０８の充電が行われる。

一方、電源保護装置１の正極入力端子１０１にバッテリ電源Ebatの負極が、電源保護装置１の負極入力端子１０２にバッテリ電源Ebatの正極が誤接続された場合には、PチャネルMOSFET１０６のゲートソース間電圧VGSがスレッシュホールド電圧を超えなくなるため、PチャネルMOSFET１０６はオフとなり、PチャネルMOSFET１０６のソースからドレインに向かう電流は遮断される。よって、バッテリ電源Ebatを逆接続した場合には負荷装置３に電流は流れず、負荷装置３はバッテリ電源Ebatの逆接続から保護される。なお、抵抗１１０の抵抗値は大きいので、逆接続時に、正極出力端子１０３から、PNPトランジスタ１１１、抵抗１１０を通って、正極入力端子１０１方向に流れる電流は無視できる程度に小さい。

次に、PチャネルMOSFET１０６がオンの状態で、バッテリ電源Ebatの電圧Vbatが低下すると、充電済の電解コンデンサ１０８の正極の電位が、インダクタ１０５の作用により、バッテリ電源Ebatの電圧Vbatよりも遅れて低下する。

また、この結果、抵抗１１０を介してバッテリ電源Ebatの電圧Vbatがベースに印加され、充電済の電解コンデンサ１０８の正極にエミッタが接続されているPNPトランジスタ１１１のベースエミッタ間電圧VBEがオン電圧（たとえば、0.6V）を超え（エミッタ電位がベース電位よりもオン電圧以上大きくなり）、PNPトランジスタ１１１がオン状態となる。そして、PNPトランジスタ１１１がオン状態となると、エミッタとコレクタ間が導通し、電解コンデンサ１０８の正極とPチャネルMOSFET１０６のゲートがPNPトランジスタ１１１を介して接続され、PチャネルMOSFET１０６のゲートソース間電圧VGSが、スレッシュホールド電圧より低くなり、PチャネルMOSFET１０６はオフとなる。そして、以降は、電解コンデンサ１０８の充電電力を電源とする電力が出力電源Eoutとして負荷装置３に供給される。

そして、バッテリ電源Ebatの電圧Vbatが正常範囲に復帰したならば、PチャネルMOSFET１０６の寄生ダイオードを通る電流によって電解コンデンサ１０８の充電が行われ、PチャネルMOSFET１０６がオンとなり、バッテリ電源Ebatのインダクタ１０５、PチャネルMOSFET１０６を介した電解コンデンサ１０８と負荷装置３への接続が復帰する。なお、バッテリ電源Ebatの電圧Vbatが正常範囲に復帰したときに、電解コンデンサ１０８の残充電量が充分にあれば、電解コンデンサ１０８の正極の電圧によって、ただちに、PチャネルMOSFET１０６がオンとなり、バッテリ電源Ebatのインダクタ１０５、PチャネルMOSFET１０６を介した電解コンデンサ１０８と負荷装置３への接続が復帰する。

以上のような電源保護装置１によれば、図２ａに示すように、PチャネルMOSFET１０６がオンの状態で、時刻t0でバッテリ電源Ebatの電圧Vbatがv1からv2に低下した場合には、即座にPチャネルMOSFET１０６がオフ状態に遷移するので、図２ｂに示すように、時刻t0におけるバッテリ電源Ebatの電圧Vbatの低下後、負荷装置３に供給される出力電源Eoutの電圧Voutは、負荷装置３の電解コンデンサ１０８の充電電力の負荷装置３の消費に伴いv1からv2へ徐々に降下していく。

ここで、図３に比較例として、図３ａに示すように、図１に示した本実施形態の電源保護装置１から抵抗１１０、PNPトランジスタ１１１、ダイオード１１２を除外した場合のバッテリ電源Ebatの電圧Vbatの降下時の、出力電源Eoutの電圧Voutの変化を示す。

図示するように、この比較例においては、図３ｂに示すように、PチャネルMOSFET１０６がオンの状態で、時刻t0でバッテリ電源Ebatの電圧Vbatがv1からv2に低下すると、図３ｃに示すように、オン状態にあるPチャネルMOSFET１０６を介して、時刻t0から、カーバッテリ２に比べ容量が格段に小さい電解コンデンサ１０８の充電電力から電流がカーバッテリ２側に引き抜かれ、出力電源Eoutの電圧Voutは、バッテリ電源Ebatの電圧Vbatの降下にほぼ追従してv1からv2まで降下する。また、出力電源Eoutの電圧Voutがv2まで降下するのみならず、インダクタ１０５の逆起電圧によるアンダーシュートが発生し、バッテリ電源Ebatの電圧Vbatの最小値のv2より低い電圧まで出力電源Eoutの電圧Voutは一時的に降下する。

さて、このように、本実施形態に係る電源保護装置１によれば、図２ｂ、図３ｃの比較により示されるように、バッテリ電源Ebatの電圧Vbatが比較的大きく低下した場合でも、負荷装置３に供給する出力電源Eoutの電圧Voutを徐々に低下するものとすることができるので、バッテリ電源Ebatの電圧Vbatの比較的大きい瞬間的な低下から、負荷装置３を保護することができる。

以上、本発明の実施形態について説明した。
ところで、図１に示した本実施形態の電源保護装置１は、図４に示すように、インダクタ１０５をPチャネルMOSFET１０６の後段に配置する構成としてもよい。すなわち、PチャネルMOSFET１０６のドレインを正極入力端子１０１に接続し、インダクタ１０５の第１端をPチャネルMOSFET１０６のソースに接続し、インダクタ１０５の第２端を正極出力端子１０３に接続し、PNPトランジスタ１１１のエミッタをインダクタ１０５の第２端に接続するようにして、PチャネルMOSFET１０６の後段にインダクタ１０５を設けてもよい。

１…電源保護装置、２…カーバッテリ、３…負荷装置、１０１…正極入力端子、１０２…負極入力端子、１０３…正極出力端子、１０４…負極出力端子、１０５…インダクタ、１０６…PチャネルMOSFET、１０７…プルダウン抵抗、１０８…電解コンデンサ、１０９…ツェナーダイオード、１１０…抵抗、１１１…PNPトランジスタ、１１２…ダイオード。

Claims (4)

1. バッテリ電源に接続され、負荷装置に電源を供給する電源保護装置であって、
   前記バッテリ電源の正極出力を接続するための正極入力端子と、
   前記バッテリ電源の負極出力を接続するための負極入力端子と、
   前記負荷装置に供給する電源の出力を行う出力部と、
   コンデンサと、
   前記正極入力端子に前記バッテリ電源の正極出力が接続され、負極入力端子に前記バッテリ電源の負極出力が接続されたときにオン状態となり、前記バッテリ電源による電力を、前記コンデンサと前記出力部に伝達するPチャネルMOSFETと、
   前記PチャネルMOSFETによって前記コンデンサと前記出力部に伝達される電力のノイズを低減するインダクタと、
   スイッチとを有し、
   前記コンデンサは、オン状態の前記PチャネルMOSFETによって伝達された電力によって充電され、
   前記スイッチは、前記コンデンサの充電電位が前記正極入力端子に印加された電圧よりも、所定のしきい値以上大きいときにオン状態となって、前記コンデンサの充電電位を前記PチャネルMOSFETのゲートに伝達し、前記PチャネルMOSFETをオフ状態に遷移させることを特徴とする電源保護装置。
2. バッテリ電源に接続され、負荷装置に電源を供給する電源保護装置であって、
   前記バッテリ電源の正極出力を接続するための正極入力端子と、
   前記バッテリ電源の負極出力を接続するための負極入力端子と、
   前記負荷装置に供給する電源の正極出力を行う正極出力部と、
   前記負荷装置に供給する電源の負極出力を行う負極出力部と、
   第１端が前記正極入力端子に接続されたインダクタと、
   正極が正極出力部に接続され、負極がグランドに接続されたコンデンサと、
   ドレインが前記インダクタの第２端に接続され、ソースが前記コンデンサの正極に接続されたPチャネルMOSFETと、
   第１端がPチャネルMOSFETのゲートに接続され、第２端がグランドに接続されたプルダウン抵抗と、
   第１端が正極入力端子に接続された抵抗と、
   ベースが前記抵抗の第２端に接続され、コレクタがPチャネルMOSFETのゲートに接続され、エミッタがPチャネルMOSFETのソースに接続されたPNPトランジスタとを有し、
   前記負極入力端子と負極出力部とは、前記グランドに接続していることを特徴とする電源保護装置。
3. バッテリ電源に接続され、負荷装置に電源を供給する電源保護装置であって、
   前記バッテリ電源の正極出力を接続するための正極入力端子と、
   前記バッテリ電源の負極出力を接続するための負極入力端子と、
   前記負荷装置に供給する電源の正極出力を行う正極出力部と、
   前記負荷装置に供給する電源の負極出力を行う負極出力部と、
   正極入力端子にドレインが接続されたPチャネルMOSFETと、
   正極が正極出力部に負極がグランドに接続されたコンデンサと、
   第１端が前記PチャネルMOSFETのソースに接続され、第２端が前記コンデンサの正極に接続されたインダクタと、
   第１端がPチャネルMOSFETのゲートに接続され、第２端がグランドに接続されたプルダウン抵抗と、
   第１端が正極入力端子に接続された抵抗と、
   ベースが前記抵抗の第２端に接続され、コレクタがPチャネルMOSFETのゲートに接続され、エミッタが前記インダクタの第２端に接続されたPNPトランジスタとを有し、
   前記負極入力端子と負極出力部とは、前記グランドに接続していることを特徴とする電源保護装置。
4. 請求項１、２または３記載の電源保護装置であって、
   前記バッテリ電源は、自動車に搭載されたカーバッテリであることを特徴とする電源保護装置。