JP2569180B2

JP2569180B2 - 出力トランジスタ保護回路を備えた車載用制御装置

Info

Publication number: JP2569180B2
Application number: JP1242114A
Authority: JP
Inventors: 正彦射場本; 景一徳山; 光泰増田; 浩幸大岩; 博木村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1989-09-20
Filing date: 1989-09-20
Publication date: 1997-01-08
Anticipated expiration: 2012-01-08
Also published as: JPH03106114A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は比較的大きな電流を流す出力トランジスタ回
路の保護回路に関し、特に、その出力トランジスタの負
荷増大時の過電流に伴う発熱破壊を防止する出力トラン
ジスタ保護回路を利用した車載用制御装置。

〔従来の技術〕

例えば、自動車等に搭載される各種車載用制御装置で
は、その電動アクチュエータを制御するための制御電流
を供給するが、この様な制御装置では、上記制御電流を
形成するために比較的大きな電流を流す出力用パワート
ランジスタが多く使用されている。この出力トランジス
タは、過電流が流れることに伴う熱破壊を防止すべく、
いわゆる保護回路が設けられている。

かかる出力用トランジスタの過電流保護回路として、
例えば特開平1-220915号公報に開示されたものがある。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記の従来技術では、外部からのノイ
ズや電源電圧の変動による誤動作の恐れがあること及び
一度動作すると自己保持が接続し、電源を遮断しなけれ
ばリセットできないという問題点があった。

本発明の目的は、上記従来技術における不具体に鑑み
てなされたものであり、誤動作の恐れのない、入力信号
によってリセット可能な出力トランジスタ保護回路を利
用した安全性の高い車載用制御装置を提供することにあ
る。

〔課題を解決するための手段〕

すなわち、上記本発明の目的は、車載のバッテリと車
載制御装置のアクチュエータとの間に挿入され、前記ア
クチュエータへ供給されるアクチュエータ駆動電流の断
続を行う出力用トランジスタ素子を含む車載用制御装置
において、前記出力用トランジスタ素子の出力電流を検
出するために前記出力用トランジスタ素子に直列に挿入
されたシャント抵抗と、前記出力用トランジスタ素子の
制御端子に並列に接続され、前記出力電流検出用シャン
ト抵抗に表われる電圧信号により制御される電流制限用
トランジスタと、前記電流制限用トランジスタ素子の出
力が所定の電圧を超えた時に作動し、前記電流制限用ト
ランジスタ素子を強制的に導通状態に保持し、前記出力
用トランジスタを遮断状態に保持する自己保持用トラン
ジスタと、前記電流制限用トランジスタ素子の出力が所
定の電圧以下の時に、前記自己保持用トランジスタのベ
ースとエミッタとの間に逆バイアスを掛ける手段とから
なる出力トランジスタ保護回路を備えることによって達
成される。

また、上記本発明の他の目的は、車載のバッテリと車
載制御装置のアクチュエータとの間に挿入され、前記ア
クチュエータへ供給されるアクチュエータ駆動電流の断
続を行う出力用トランジスタ素子を含む車載用制御装置
において、前記出力用トランジスタ素子の出力電流を検
出するために前記出力用トランジスタ素子に直列に挿入
されたシャント抵抗と、前記出力用トランジスタ素子の
制御端子に並列に接続され、前記出力電流検出用シャン
ト抵抗に表われる電圧信号により制御される電流制限用
トランジスタと、前記電流制限用トランジスタ素子の出
力が所定の電圧を超えた時に作動し、前記電流制限用ト
ランジスタ素子を強制的に導通状態に保持し、前記出力
用トランジスタを遮断状態に保持する自己保持用トラン
ジスタと、入力信号により前記自己保持用トランジスタ
をリセットする手段とからなる出力トランジスタ保護回
路を備えることにより達成される。

〔作用〕

以上に述べた本発明になる出力トランジスタ保護回路
を備えた車載用制御装置によれば、出力用トランジスタ
に正帰還をかける方式を工夫し、適正なバイアスを与え
ることにより、上記出力用トランジスタを流れる電流が
制限値に達するまでは上記の正帰還がかかわらず、もっ
て、誤動作を防止して確実な保護特性を得るようにし、
また、リセット可能にしたものである。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について、添付の図面を参照し
ながら詳細に説明する。

第１図には、例えば車載の自動変速機（AT）の油圧バ
ルブの開閉を制御する電磁コイル４の励磁電流Ｉの断続
を制御する自動変速機制御装置の回路図が示されてお
り、本発明になる出力トランジスタ保護回路を含んでい
る。すなわち、この制御回路では、車載のバツテリ１の
電源電圧V_Bは、シヤント抵抗器２及び出力トランジスタ
３を介して、負荷である電磁コイル４に接続されてい
る。一方、この出力トランジスタ３のベース駆動電流
は、トランジスタ５により制御される。また、このトラ
ンジスタ５のベース端子は、直並列に接続された抵抗R,
Rを介して、例えば図には示されないマイクロコンピユ
ータ等によつつて構成される中央制御部からの制御出力
信号が印加される。

トランジスタ６は、上記シヤント抵抗器２と上記出力
トランジスタ３のベースとの間に挿入されており、シヤ
ント抵抗器２の両端に発生する電圧がそのエミツタ・ベ
ース間のえん層電圧を超えると導通し始め、出力トラン
ジスタ３のベース電位を上昇させて限流制御を行うため
の電流制限用トランジスタを構成している。

そして、本発明によれば、上記電流制限用トランジス
タ６に加え、自己保持用としてのトランジスタ７を設
け、もつて、上記のトランジスタ６に正帰還をかけてい
る。すなわち、出力トランジスタ３を流れる電流Ｉが増
加して限流値に達すると、前述した様に、シヤント抵抗
器２の両端に発生する電圧V_Sによりトランジスタ６が導
通し始める。従つて、トランジスタ６のコレクタ電位が
上昇して上記自己保持用のトランジスタ７を導通させ
る。この自己保持用トランジスタ７のコレクタは、図示
の様に、抵抗Ｒを介して電流制限用トランジスタ６のベ
ースに接続されているので、このトランジスタ６のベー
ス電流は充分な大きさに確保され、もつて完全なスイツ
チング動作（導通）を行つて出力トランジスタ３のベー
ス電位を完全に持ち上げる。そのため、出力トランジス
タ３は完全に遮断状態に移行する。従つて、シヤント抵
抗器２の両端には電圧が発生しなくなるが、この時には
既に電流制限用トランジスタ６のベース電流は保持用ト
ランジスタ７を介して流れ続けているので自己保持状態
が持続されることとなる。

また、電流制限用トランジスタ６のベース端子に接続
されたダイオード８は、シヤント抵抗器２から保持用ト
ランジスタ７に電流が流れ込むのを防止するためのもの
であり、他方、ダイオード９は、出力トランジスタ３の
ベースにダイオードＤと共に接続された抵抗10の両端の
電圧により上記保持用トランジスタ７が誤動作すること
を防止しようとするものである。

一方、出力トランジスタ３の導通時には、トランジス
タ５のコレクタ電位は、出力トランジスタ３のベース電
流が流れているためアース電位よりほぼ1V程度上昇して
いる。そして、出力電流Ｉが限流値I_maxに達しない領域
では、電流制限用トランジスタ６のコレクタ電圧は抵抗
11によりアース電位に保たれているので、保持用トラン
ジスタ７のベース・エミツタ間にはIV程度の逆バイアス
が掛つている。このため、保持用トランジスタ７は完全
な遮断状態になり、外部からのノイズや電源電圧V_Bの変
動による誤動作を確実に避けることが可能となる。

そして、出力電流Ｉが限流値I_maxに達すると、電流制
限用トランジスタ６のコレクタ電圧が上昇し始めるが、
保持用トランジスタ７の前記逆バイアスが打ち消される
まではその自己保持作用は起こらない。しかしながら、
上記保持用トランジスタ７は、抵抗11の電圧が1Vを超え
ると導通し始め、電流制限用トランジスタ６に正帰還を
かけるので、抵抗11の電圧は一気にバツテリ電圧V_Bまで
上昇する。そのため、出力トランジスタ３は遮断状態と
なると共に自己保持されることとなる。

以上の説明から分る通り、本発明になる出力トランジ
スタ保護回路では、出力トランジスタ３は完全にスイツ
チングモードでオン状態になるか、あるいは、遮断状態
になるかのいずれかであり、電流制限用トランジスタ６
を設けたにもかかわらず、限流値に定電流制御されて流
れ続けることはない。従つて本方式に於いては、出力ト
ランジスタ３の発熱は極めて少なくなるという利点を有
する。

本発明の他の実施例を、添付の第２図及び第３図を参
照しながら以下に説明する。この実施例も、上記第１図
に示した実施例と同様、自動車の自動変速機の油圧系バ
ルブの制御回路であり、図からも明らかな様に、上記第
１図に示す回路を二回路設け、図中上側の回路は直接ソ
レノイドバルブの電磁コイル12を駆動すると共に、下側
の回路は抵抗13を介して上記電磁コイル12を含むソレノ
イドバルブを駆動するものである。この回路の入力
の電圧及び出力電流の関係を示したのが第３図であ
る。第３図（イ）は正常時の波形、同図（ロ）は端子T₃
の配線が地絡した場合の各波形、同図（ハ）は端子T₅の
配線が地絡した場合の各部の波形を示す。

通常は、第３図（イ）に示す様に、端子T₃の電流は
一定幅の細いパルス状に流れ、そのピーク値は設定され
た限流値i_1maxより低い。また端子T₅の電流は最大100
％までのデユーテイ（通流率比）をもつパルス波形であ
り、波高値はやはり設定値i_2maxより低い。

今、端子T₃及びそこから外へ配線されているワイヤー
ハーネスのどこかが、鉄板の端などでこすれて地絡した
とする。この時には、第３図（ロ）の波形で示す様
に、端子T₃の電流は限流値i_1maxに達したあと０にな
り、従つて、極めて細いパルス電流が流れるのみであ
る。尚、端子T₅の電流は、抵抗13に直接バツテリ電圧が
印加されるので第３図（イ）の場合より増大するが、限
流値i_2maxには達しない。

次に端子T₅及びそのワイヤーハーネスのいずれかの個
所が接地した場合を考える。第３図（ハ）の波形で示
す様に、端子T₅の電流は限流値i_2maxに達したあと０に
なり、極めて細いパルス電流が流れるのみである。端子
T₃の電流は、通常時のソレノイドの電磁コイル12の他に
抵抗13が並列に接続されて負荷となるため、第３図
（イ）の場合よりも増大するが、しかし、限流値i_1max
には達しない。

いずれにせよ、負荷が地絡して大電流が流れようとし
ても、直ちに出力トランジスタが遮断され、トランジス
タ３及び103とも破壊されることはない。また地絡状態
が復旧すれば、再び正常に動作することになる。

ところで、自動車の自動変速機は、その油圧バルブ制
御の失敗・故障によつては、ドライバーの人命にも係わ
ることから、いわゆるフエールセイフ性については特に
充分な留意が払われねばならない。このことは、例え
ば、電気系が故障してソレノイドバルブが付勢されなく
なつた場合、急激なシフトダウンは行われずに、シフト
アツプ又はせいぜい一段シフトダウンに止め、また、マ
イコンによる故障検出保護により最終的には第３速に固
定して安全かつ走行可能に状態に持込むように設計され
ている。

このような機械システムに対応した電気回路として
は、地絡等の異常負荷に対しては電流制限値を維持しよ
うとして出力トランジスタ３又は103を発熱により破壊
するよりは、むしろ、直ちに電流を遮断してその回路が
破壊されないようにする方が安全上からも優つている。
何故ならば、出力トランジスタが熱破壊する時は、必ず
しもそのコレクタ・エミツタ間が開放状態になるとは限
らず、永久導通となつて壊れることも有るので、その場
合マイコンの保護動作によつても第３速固定にならず、
却つてフエールセイフ性を損なうことになるからであ
る。

従つて本発明の方式では、自動変速機の制御回路に適
用した場合、安全性の面からも極めて適した保護方式と
なることが明らかであろう。

第４図には、本発明の更に他の実施例が示されてお
り、この回路は第１図に示した回路とコンプリメンタル
な回路である。この回路では、出力トランジスタ３にNP
Nトランジスタを用いているため負荷４は端子T₃とバツ
テリ１のプラス（＋）極との間に挿入されている。また
シヤント抵抗器２は出力トランジスタ３のエミツタとア
ースの間に挿入されている。

電流制限用トランジスタ６はNPN型を用い、自己保持
用トランジスタ７はPNP型となる。図面のその他の抵抗
やダイオード等には、第１図と同じ機能をもつものには
同一符号を記してある。

しかしながら、上記第４図の回路においては、第１図
とは異なり、出力トランジスタ３のベース駆動用トラン
ジスタ５が存在しない。これは出力トランジスタ３がNP
N型であるので、端子T₂に与えられるTTLレベルの入力信
号で直接駆動可能であり、特にベース駆動用のトランジ
スタ５を必要としないからである。このためトランジス
タ７のベース・エミツタ間に逆バイアス電圧を与える方
法が、第１図に示すものとは異なるが、抵抗11をTTLレ
ベルよりはるかに電圧の高いバツテリに接続しツエナー
ダイオード14で適当な電圧を作ることにより、第１図の
場合よりも自由にバイアス電圧を設計することが出来、
よりノイズに対して誤動作し難い回路にすることが出来
るという特長がある。尚、ツエナーダイオード14の代り
にダイオードを用いて5V電源にクランプするならば、第
１図の場合と同様、トランジスタ７のベース・エミツタ
間に1V程度の逆バイアスを与えることになる。

尚、以上述べて来た第１図〜第４図の回路では、バイ
ポーラトランジスタを用いて説明したが、PNPトランジ
スタの代りにＰ型MOSFETを、NPNトランジスタの代りに
Ｎ型MOSFETを用いて、同様の回路を構成してもよいこと
は言うまでもない。

本発明の更に他の実施例を第５図，第６図により説明
する。これらの実施例では、いずれもＮ型シリコン基板
上に作られたパワーICを想定しているが、出力トランジ
スタ３はオン時の抵抗を低くする目的でNMOS FETとし、
これを駆動するために必要なチヤージポンプ回路CPを設
けている。第５図に示す実施例の場合、主電流の流れる
ソース電極の他に電流検出用の第２のソース電極15を設
けてあるので、電流検出用抵抗器16には出力電流に比例
した極めて小さな電流（例えば1/1000程度の）が流れ
る。従つて、この電流検出用抵抗器16に生じた電圧降下
により電流制限用トランジスタ６が導通し始めると、自
己保持用トランジスタ７が導通し、上記電流制限用トラ
ンジスタ６を完全に導通させて出力トランジスタ３のゲ
ート電位を引下げて出力電流を遮断する。この過程にお
いて、自己保持用トランジスタ７のソース・ゲート間の
逆バイアスを得るために、ツエナーダイオード17が挿入
されている。尚、入力部のトランジスタ５をオフすれば
チヤージポンプ回路CPの出力はなくなり、自己保持用ト
ランジスタ７の自己保持動作はリセツトされる。

また、第６図に示す実施例の場合には、第１図の実施
例の動作とよく似ているが、出力トランジスタ３として
NMOS FETを用いているので、チヤージポンプ回路CPによ
りバツテリ１の電圧V_Bより高い電圧をトランジスタ３の
ゲートに与えている。この場合、出力電流の検出は、第
１図の場合と同じく、シヤント抵抗器２を用い、その電
圧降下で電流制限用トランジスタ６を動作させる。一
方、自己保持用トランジスタ７のソースは、入力部のト
ランジスタ５のドレイン電位になつているので、トラン
ジスタ７のソース・ゲート間にはその分だけ逆バイアス
が掛つている。従つて、電流制限用トランジスタ６の出
力がその逆バイアス電位を超えると、自己保持作用が生
じることとなる。出力トランジスタ３のゲート電位はダ
イオード18を通して自己保持用トランジスタ７のドレイ
ン電位に引降されて出力電流が遮断される。尚、自己保
持動作はトランジスタ５をオフすることによりリセツト
される。

そして、上記実施例の方法によれば、パワーICの出力
トランジスタ３が、常にスイツチングモードでのみ使用
され、限流制御による発熱がなくなるので、出力トラン
ジスタ部の放熱対策、すなわちサーマルシヤツトダウン
等の保護回路を簡略化することが出来るという特長を有
する。

以上説明した本発明の方法に共通して言いえること
は、出力端子に接続された配線にいかなる地絡が生じた
としても、完全に出力トランジスタを保護することが出
来ると言うことである。すなわち、本発明になる出力ト
ランジスタ保護回路を含む装置が自動車に搭載された装
置の場合、車内に配線されるワイヤーハーネスは車体の
振動等でその電線の被覆が破れることが考えられ、被覆
内部の芯線が車体の鉄板と接触する恐れが多分にあるも
のであり、地絡あるいは接触抵抗を有するレアシヨート
が発生することは十分に発生し得る事故として考えなけ
ればならない。従来の電流制限方式では、この様なレア
シヨートが生じた場合、過電流検出保護に至らない程度
に出力電流が増加し、その時わずかにでも電流制限領域
に入つていれば出力トランジスタが発熱した。しかしな
がら、本発明の方式によれば、レアシヨートの場合で
も、電流がわずかでも電流制限領域に入れば、自己保持
トランジスタの働きで出力トランジスタを完全遮断する
こととなるので、出力トランジスタを完全に保護するこ
とが、車載用装置の保護に極めて適していると言える。

〔発明の効果〕

以上の詳細な説明からも明らかな様に、本発明によれ
ば、出力電流が限流設定値に達すれば直ちに出力トラン
ジスタは遮断されるので、上記スイツチングトランジス
タはスイツチング領域でのみ動作することになり、過電
流による発熱を避けて完全な出力トランジスタの保護が
可能な出力トランジスタ保護回路を提供することが出来
る。また、本出力トランジスタ保護回路を自動車に搭載
する制御装置に採用することにより、出力トランジスタ
の発熱を抑制することから放熱フイン等を廃止すること
が可能となり、もつて、小型軽量の制御装置とすること
が可能となるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例である出力トランジスタ保護回
路を採用した自動車用自動変速機の油圧制御弁駆動用ソ
レノイドバルブ駆動回路を示す回路図、第２図及び第３
図は上記第１図の回路を利用した他の実施例の回路構成
を示す回路図及びその動作を示す動作波形図、第４図乃
至第６図は本発明の更に他の実施例を示す回路図であ
る。１……出力トランジスタ、２……シヤント抵抗器、３…
…出力トランジスタ、５……入力部トランジスタ、６…
…電流制限用トランジスタ、７……自己保持用トランジ
スタ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大岩浩幸茨城県勝田市大字高場2520番地株式会社日立製作所佐和工場内 (72)発明者木村博茨城県勝田市大字高場2520番地株式会社日立製作所佐和工場内

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】車載のバッテリと車載制御装置のアクチュ
エータとの間に挿入され、前記アクチュエータへ供給さ
れるアクチュエータ駆動電流の断続を行う出力用トラン
ジスタ素子を含む車載用制御装置において、前記出力用トランジスタ素子の出力電流を検出するため
に前記出力用トランジスタ素子に直列に挿入されたシャ
ント抵抗と、前記出力用トランジスタ素子の制御端子に
並列に接続され、前記出力電流検出用シャント抵抗に表
われる電圧信号により制御される電流制限用トランジス
タと、前記電流制限用トランジスタ素子の出力が所定の電圧を
超えた時に作動し、前記電流制限用トランジスタ素子を
強制的に導通状態に保持し、前記出力用トランジスタを遮断状態に保持する自己保持
用トランジスタと、前記電流制限用トランジスタ素子の出力が所定の電圧以
下の時に、前記自己保持用トランジスタのベースとエミ
ッタとの間に逆バイアスを掛ける手段とからなる出力トランジスタ保護回路を備えた車載用制御
装置。
【請求項２】車載のバッテリと車載制御装置のアクチュ
エータとの間に挿入され、前記アクチュエータへ供給さ
れるアクチュエータ駆動電流の断続を行う出力用トラン
ジスタ素子を含む車載用制御装置において、前記出力用
トランジスタ素子の出力電流を検出するために前記出力
用トランジスタ素子に直列に挿入されたシャント抵抗
と、前記出力用トランジスタ素子の制御端子に並列に接
続され、前記出力電流検出用シャント抵抗に表われる電
圧信号により制御される電流制限用トランジスタと、前記電流制限用トランジスタ素子の出力が所定の電圧を
超えた時に作動し、前記電流制限用トランジスタ素子を
強制的に導通状態に保持し、前記出力用トランジスタを遮断状態に保持する自己保持
用トランジスタと、入力信号により前記自己保持用トラ
ンジスタをリセットする手段とからなる出力トランジス
タ保護回路を備えた車載用制御装置。