JP3913321B2

JP3913321B2 - エア・バッグ拡張システム用限流制御装置

Info

Publication number: JP3913321B2
Application number: JP18771797A
Authority: JP
Inventors: ポール・ティー・ベネット; ランダル・シー・グレイ
Original assignee: NXP USA Inc
Current assignee: NXP USA Inc
Priority date: 1996-07-01
Filing date: 1997-06-26
Publication date: 2007-05-09
Anticipated expiration: 2017-06-26
Also published as: US5734317A; DE69716349D1; CN1175522A; EP0816186B1; KR100507516B1; KR980008874A; JPH1067296A; DE69716349T2; EP0816186A1; CN1088015C

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に集積回路素子に関し、更に特定すれば、エア・バッグの拡張(air bag deployment)を起動させる半導体回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車両用エア・バッグ拡張システムは、一般に、自動車の動き、特に減速に対して感応する加速度計を、センサとして用いる。車両のバッテリまたは点火システムの電圧が、拡張回路および点火回路に給電する。拡張回路および点火回路は、加速度計を監視する集積回路チップ上のマイクロプロセッサによってかなり高度に制御されるが、各エア・バッグの場所にある導火線(squib) に導くのは外部ハーネスである。導火線とは加熱され爆発性物質を点火するワイヤであり、これによりエア・バッグの膨張が起こる。
【０００３】
導火線の点火には、典型的に、導火線の各側に１つずつ、電流を導通させる１対の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）が必要である。車両のバッテリが供給する電圧よりも点火回路の電圧を上昇させるにはチャージ・ポンプを用いる。衝突事象の間、車両バッテリが切れるか、または損傷を受けた場合には、充電されたコンデンサを用いて、電子回路に電力を供給することができる。
【０００４】
点火回路への偶発的な電気的接続により、エア・バッグの拡張が起こったり、システムが使用不可能になったりする可能性を未然に防ぐため、システムを監視して、かかる事態を全て回避するのが望ましい。通常の車両運転状態の間、エア・バッグ拡張システムは連続診断検査を行う。かかる診断検査には、導火線の抵抗率パラメータを監視するものや、導火線を点火するエネルギを蓄積する、充電ブースト蓄積コンデンサ(charged boost storage capacitor) に生成された約２４ボルトの電圧を監視するものがある。また、点火回路の点火の準備状態を保証するためには、ＦＥＴ（およびそれらの駆動回路）の動作性について検査することが望ましい。
【０００５】
加速度計が読み取り値を記録し、それをマイクロプロセッサが衝突として解釈すると、マイクロプロセッサは１対のＦＥＴに導火線を点火するための伝導電流を供給する。点火を始動し維持するためのエネルギは、充電ブースト蓄積コンデンサにおいて生成された電圧から得られる。典型的に、規定の点火電流が導火線に与えられると、ブースト蓄積コンデンサは、約１０ボルトまで低下する。チャージ・ポンプは能動的に電圧を上げ、導火線によって消費された電荷を補充しようとする。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
導火線を起動し、エア・バッグを拡張するための適切な電流を生成する、改良された回路があれば望ましいであろう。かかる導火線点火電流を生成する回路は、エア・バッグが拡張する約２ミリ秒の間定電流を提供し、また、点火の準備状態および動作性を確認する診断検査のための監視を行えなければならない。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によるエア・バッグ拡張システムは、導火線を起動し、エア・バッグを拡張するために適切な電流を生成する。別個のコンデンサが駆動制限制御装置の回路に給電し、導火線点火電流を調整するＭＯＳ素子に可変電圧駆動を供給する。スイッチ回路はトランジスタにゲート電圧を供給して電気接続経路を形成し、導火線にエネルギを供給するコンデンサが別個のコンデンサの充電を可能とする。導火線点火およびエア・バッグ拡張の間、スイッチ回路は、導火線電流を給電するコンデンサと、駆動制限制御装置から導火線への電流の調整を行うコンデンサとの間に電気的絶縁を与える。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施例によるエア・バッグ拡張システム１０の一部を示すブロック図である。好適実施例では、バッテリ１２は、端子１４において、約１２ないし１４ボルトの正の電圧を供給する。バッテリ１２の負端子は、接地に接続されている。ブースト・ポンプ回路１６の入力端子１８は約１２ないし１４ボルトの電圧を受け、出力端子２０において約２４ボルトの電圧を供給する。５００ないし１０，０００マイクロファラッド（μｆ）の範囲の値を有するコンデンサ２２は、端子２４と接地との間に接続されている。端子２４は、端子２０において、ブースト・ポンプ回路１６が生成したブ−スト電圧を受け、そのブ−スト電圧をコンデンサ２２に蓄積する（コンデンサ２２の対向側は電気的接地に結合されている）。
【０００９】
機械的アーム２６の端子２８，電圧モニタ３２の端子３４，スイッチ回路３８の端子４０およびＮＰＮトランジスタ４６のコレクタは、ブースト・ポンプ回路１６の端子２０に結合されている。トランジスタ４６は、ベース，導通電極としてのコレクタ，および導通電極としてのエミッタを有する、三端子半導体素子である。電圧モニタ３２の端子３６およびコンデンサ４８の端子５０は、トランジスタ４６のエミッタに接続されている。好適実施例では、約０．１μｆの値を有するコンデンサ４８は、端子５０と接地との間に接続されている。スイッチ回路３８の端子４４は、トランジスタ４６のベースに接続されている。スイッチ回路３８の端子４１は、診断検査信号ＤＩＳＡＢＬＥを受信するように結合されている。スイッチ回路３８の端子４３は、信号ＮＢＩＡＳを受信するように結合されている。
【００１０】
図１のハイ・サイド電流回路(high side current circuit) ５２は、駆動制限コントローラ５４，Ｎ型金属酸化膜半導体（ＭＯＳ）素子６８，および抵抗７０を有する。駆動制限コントローラ５４の端子５６は端子５０に結合されて、この好適実施例では約２０ないし３０ボルトである、充電ゲート駆動（ＣＧＤ:Charged Gate Drive ）電圧を受ける。駆動制限コントローラ５４の端子５８は、エア・バッグが拡張されるとき、ＭＯＳ素子６８のゲートに可変電圧出力を供給する。ＭＯＳ素子６８のドレインは、ハイ・サイド電流回路５２の出力端子６０に接続されている。端子６０は、エア・バッグを拡張すべきことを示す電圧を、機械的アーム６０の端子３０から受ける。抵抗７０は、駆動制限コントローラ５４の端子６４および６６間に結合され、更にＭＯＳ素子６８と直列に接続されている。ＭＯＳ素子６８のソースは、端子６４に接続されている。駆動制限コントローラ５４の端子６６は、ハイ・サイド電流回路５２の端子７２に接続されている。導火線７４は、ハイ・サイド電流回路５２の端子７２に接続された第１端子を有する、低抵抗ワイヤである。導火線７４の第２端子は、ＭＯＳ素子７６のドレインに接続されている。ＭＯＳ素子７６のゲートは端子７８に、またＭＯＳ素子７６のソースは接地に接続されている。導火線７４が点火すると、すなわち導火線に約２．１アンペアの電流が導通されると、ＭＯＳ素子６８がハイ・サイドＦＥＴとして、またＭＯＳ素子７６がロ−・サイドＦＥＴとして、オンに切り替えられ導火線電流を導通させる。今後の業界の傾向としては、導火線への点火電流は２．１アンペア未満に向かっている。
【００１１】
図２は、図１に示した駆動制限コントローラ５４の一実施例の概略図である。電流源８２は、端子５６と、ＮＰＮトランジスタ８４のコレクタとの間に接続されている。電流源８８は、端子５６と、ＮＰＮトランジスタ８６のコレクタとの間に接続されている。トランジスタ８４および８６の共通ベースは、トランジスタ８６のコレクタに接続され、これにより、トランジスタ８４および８６のカレント・ミラーを形成する。トランジスタ８４のエミッタおよびトランジスタ８６のエミッタは、駆動制限コントローラ５４の端子６６，６４にそれぞれ接続されている。別の実施例では、エア・バッグ拡張の間ＭＯＳ素子６８に電流制限が必要でない場合、駆動制限コントローラ５４は、端子５６と端子５８との間に接続された電流源とすることも可能である。
【００１２】
図３は、図１に示したエア・バッグ拡張システムのスイッチ回路３８の概略図である。ＮチャネルＭＯＳ素子９２のゲートは、端子４１に接続されている。端子４１は、診断のためのＤＩＳＡＢＬＥ信号を受信する。ＭＯＳ素子９２は、接地に接続されたソース、およびＭＯＳ素子９４のソースに接続されたドレインを有し、端子４４のノードを形成する。端子４４は、トランジスタ４６（図１を参照）のベースに信号を供給するように結合されている。ＰチャネルＭＯＳ素子９４，９６の共通ゲートは、ＭＯＳ素子９６のドレインに接続されている。ＭＯＳ素子９４，９６双方のソースは、端子４０に接続されている。Ｎ型ＭＯＳ素子９８のドレインは、ＭＯＳ素子９６のドレインに接続されている。ＭＯＳ素子９８のソースは、Ｎ型ＭＯＳ素子１００のドレインに結合されている。ＭＯＳ素子１００のソースは接地に、また、ゲートは端子４３に接続されている。反転器１０２は、入力および出力を有し、入力は端子４１に、また出力はＭＯＳ素子９８のゲートに接続されている。
【００１３】
動作の間、図１に示すエア・バッグ拡張システム１０の実施例は、拡張が開始されると、電流制限を設定し、導火線７４に供給する電流を調整する。車両バッテリ１２は、約１２ないし１４ボルトの電圧を供給し、これは、ブースト・ポンプ１６により約２０ないし３０ボルトに高められる。コンデンサ２２はブーストされた電荷を蓄積し、エア・バッグ（図示せず）を拡張する場合に、約２．１アンペアの電流を供給して導火線を点火する。エア・バッグの拡張は、典型的に、加速度計の出力に応答して行われる。この出力はマイクロプロセッサ（図示せず）によって監視され、減速を評価し衝突が起こったか否かを判定する。機械的アーム２６は、偶発的な電気的接続によって点火が起こりエア・バッグの拡張に至る可能性を防ぐ。
【００１４】
エア・バッグの拡張を開始するため、機械的アーム２６の閉成によって活性化される導電路を通じて、ハイ・サイドＭＯＳ素子６８およびロ−・サイドＭＯＳ素子７６の双方が電流を導通させる。具体的には、コンデンサ２２からの電流が、機械的アーム２６，ハイ・サイドＭＯＳ素子６８，抵抗７０，導火線７４，ロ−・サイドＭＯＳ素子７６を通じて接地へと流れる。
【００１５】
図１に示すハイ・サイド電流回路５２は、コンデンサ４８に電気的に蓄積された電荷による給電を受ける。抵抗７０は、導火線７４を導通する約２．１アンペアの電流を監視し、ＭＯＳ素子６８のゲート電圧を変調する。好適実施例では、ＭＯＳ素子６８が導火線７４に対し約２．１アンペアの比較的一定な電流を維持する電流源として機能するように、駆動制限コントローラ５４はハイ・サイドＭＯＳ素子６８に約１８ボルトの可変ゲート電圧を供給する。図２に示す駆動制限コントローラ５４の実施例では、電流源８２は、約８マイクロアンペアの電流を、トランジスタ８４のコレクタに供給する。電流源８８は、約１マイクロアンペアの電流を、トランジスタ８６のコレクタに供給する。抵抗７０（図１）を通過する約２．１アンペアの導火線点火電流によって、約５６ミリボルトの電圧が端子６４，６６間に発生する。好適実施例では、導火線７４に対する電流制限は、以下の式によって求められる。
【００１６】
Ｉ (lim)＝２６ミリボルト＊ln (I82/I88)／Ｖ (R70)
ここで、I82 は電流源８２によって供給される電流、I88 は電流源８８によって供給される電流、Ｖ(R70) は、抵抗７０両端の端子６４，６６間の電圧である。
このため、電流源８２，８８により供給される電流および抵抗７０を通る電圧の比に応じて、トランジスタ８４のドレインからＭＯＳ素子６８のゲートに電圧が供給され、この好適実施例においては、パワーＦＥＴＭＯＳ素子６８のドレイン−ソース間導通電流が約２．１アンペアに調整される。抵抗７０を通る電圧に、トランジスタ８６のベース−エミッタ間電圧（Ｖbe）を加えると、電流を調整したときのカレント・ミラーにおけるトランジスタ８４のＶbeと一致する。
例えば、ＭＯＳ素子６８の導通電流が、２．０アンペアのようなある値のあたりで変化すると、直列に接続された抵抗７０の電流の変化により、抵抗７０を通る電圧に変化が生じる。電流が増大すると、端子６４の電圧が上昇し、これとトランジスタ８６のＶbeとの結合により、トランジスタ８４のＶbeが上昇する。トランジスタ８４のＶbeの上昇にしたがって、トランジスタ８４のコレクタにおける電圧は低下する。トランジスタ８４のコレクタには、ＭＯＳ素子６８のゲートが接続されているので、ＭＯＳ素子６８のゲート−ソース間電圧が低下する。このため、ＭＯＳ素子６８内で２．０アンペアを超えて増大した伝導電流が抵抗７０において検出されると、駆動制限コントローラ５４におけるカレント・ミラー・トランジスタ８４が、ＭＯＳ素子６８に、低下したゲート電圧を供給し、これにより、導火線電流を約２．０アンペアの値に調整する。
【００１７】
好適実施例では、電流源８２，８８は、端子５６においてコンデンサ４８（図１を参照）に蓄積された電流を供給され、また、導火線７４には、コンデンサ２２に蓄積された電流を供給される。導火線によってエア・バッグを展開する間、コンデンサ４８は、電流源８８に約１マイクロアンペアの電流を供給し、電流源８２に約８マイクロアンペアの電流を供給し、一方コンデンサ２２は、約２．１アンペアの電流を導火線７４に供給する。例えば、コンデンサ２２の電圧が約２４ボルトから開始して約１０ボルトに低下するのに比較して、別個の蓄積コンデンサ４８は、エア・バッグ拡張の間、１８ないし２４ボルトの範囲に電圧を維持する。従って、駆動制限コントローラ５４にエネルギを供給する別個のコンデンサ４８を設けることにより、エア・バッグ拡張の間、導火線７４に約２．１アンペアの比較的一定の電流が維持されるように、ＭＯＳ素子６８のゲートを駆動する電圧の生成が可能となる。
【００１８】
図１に示す実施例の一部として、端子２４に接続されたコンデンサ２２は、ＮＰＮトランジスタ４６を介して、端子５０に接続されたコンデンサ４８に結合されている。このため、通常の動作または待機状態の間、ゲート駆動コンデンサ４８がコンデンサ２２とほぼ同じ電圧、すなわち２４ボルトに充電されるよう、スイッチ回路３８は、トランジスタ４６に電流を導通させ続ける。診断検査により、コンデンサ２２からトランジスタ４６を介してコンデンサ４８を充電することは不可能になる。即ち、コンデンサ２２からコンデンサ４８に絶縁経路(isolation path)が生成される。絶縁されている場合も、コンデンサ４８を通る電圧を、約１８ボルトの最小値を超えるように監視することができる。コンデンサ４８を通る電圧は、エア・バッグ拡張の２ミリ秒の間、コンデンサ４８から駆動制限コントローラ５４に供給される小さな電流にしたがって、比較的一定に維持される。エア・バッグ拡張の間、トランジスタ４６は逆バイアスされるので、コンデンサ２２，４８間の導電路が遮断される。
【００１９】
図１に示したように、エア・バッグ拡張システム１０の別の実施例では、トランジスタ４６をＰＮダイオード（図示せず）と交換し、また、スイッチ回路３８を機能的に除去する。具体的には、ＰＮダイオードの接続は、ダイオードのＰ側が端子２４に、ダイオードのＮ側が端子５０に接続するように行う。この実施例では、通常の動作時にダイオードは順バイアスされ、コンデンサ４８はコンデンサ２２により充電される。導火線７４の点火の間は、ダイオードが逆バイアスされるように、コンデンサ２２を放電させる。
【００２０】
図３のスイッチ回路３８は、以下のように機能する。端子４１における入力信号ＤＩＳＡＢＬＥがハイ(high)のとき、ＭＯＳ素子９２が導通し、端子４４における電圧が約０ボルトになる。０ボルトの電圧のゲート電圧により、トランジスタ４６（図１を参照）がオフとなり、このため、コンデンサ２２とコンデンサ４８との間の導電路が妨げられる。コンデンサ２２，４８の電圧を判定する診断検査の間、入力信号ＤＩＳＡＢＬＥはハイとなっている。
入力信号ＤＩＳＡＢＬＥがロー(low) のとき、直列に接続されたＭＯＳ素子９６，９８，１００は、約２５マイクロアンペアの電流を導通させる。好適実施例では、ＭＯＳ素子９４は、ＭＯＳ素子９６のチャネル幅よりも約２０倍大きいチャネル幅を有する大きさであり、約４００マイクロアンペアの電流を導通する。ＭＯＳ素子９４によって供給される約４００マイクロアンペアの電流は端子４４へのベース電流となるので、トランジスタ４６（図１を参照）は、コンデンサ２２からコンデンサ４８への充電が可能となる導電路を与える。待機状態または通常動作時において、コンデンサ４８は、エア・バッグの放出(discharge) に備えて、約２０ないし３０ボルトの電圧に充電される。
【００２１】
以上、本発明のエア・バッグ拡張システム１０は、導火線７４を活性化し、エア・バッグを拡張するために適切な電流を生成することが認められよう。導火線に点火するエネルギを供給するコンデンサ２２とは別個のコンデンサ４８が、駆動制限コントローラ５４内の回路に給電する。駆動制限コントローラ５４はＭＯＳ素子６８に、可変駆動電圧を供給し、導火線に点火するための電流を約２．１アンペアに調整する。スイッチ回路３８は、電気接続経路によりコンデンサ２２がコンデンサ４８を充電することができるように、トランジスタ４６にゲート電流を供給する。コンデンサ４８に蓄積された電荷は、点火の準備完了および動作性を確認するため、診断検査により監視される。また、スイッチ回路３８は、エア・バッグ拡張の間、駆動制限コントローラ５４への電圧が１８ボルトを超えて維持されるように、コンデンサ２２，４８間に電気的絶縁を与える。製造に適した集積回路により、ブースト・ポンプ回路１６，電圧モニタ３２，スイッチ回路３８，トランジスタ４６，および駆動制限コントローラ５４を含むように構築することができる。
【００２２】
本発明の具体的な実施例を図示し説明してきたが、当業者には更に別の変更および改良も想起されよう。例えば、一実施例では、２ループのハイ・サイド電流回路５２に電力を供給するコンデンサ２２，４８を有し、潜在的に2 本の導火線７４を点火し、２個のエア・バッグを拡張することができる。しかしながら、エア・バッグ拡張システム１０は、単一ループ・システムのハイ・サイド電流回路５２に給電し、単一の導火線７４に点火し、単一のエア・バッグを拡張するものであってもよい。また、２．１アンペア未満の電流で点火する導火線も予測される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例によるエア・バッグ拡張システムの一部を示す部分構成ブロック図。
【図２】図１に示した駆動制限制御装置の簡略化した実施例の構成図。
【図３】図１に示したエア・バッグ拡張システムのスイッチ回路の構成図。
【符号の説明】
１０エア・バッグ拡張システム
１２バッテリ
１６ブースト・ポンプ回路
２２コンデンサ
２６機械的アーム
３２電圧モニタ回路
３８スイッチ回路
４６トランジスタ
４８コンデンサ
５２ハイ・サイド電流回路
５４駆動制限コントローラ
６８，７６ＭＯＳ素子
７０抵抗
７４導火線
８２，８８電流源
８４，８６ＮＰＮトランジスタ
９４，９６，９８，１００ＭＯＳ素子
１０２インバータ

Claims

エア・バッグ拡張システム（１０）であって、
第１のコンデンサ（２２）と、
前記第１のコンデンサに接続された第１の導通電極、第２の導通電極、及び制御電極を有するトランジスタ（４６）と、
前記トランジスタの前記制御電極に接続され、前記トランジスタを制御するスイッチ回路（３８）と、
前記トランジスタの前記第２の導通電極に接続された第２のコンデンサ（４８）と、
前記第２のコンデンサ及び導火線に接続され、前記第２のコンデンサに蓄積された電圧を受け取り、導火線に流れる電流を調整するための駆動制限制御装置（５４）とを備え、
前記スイッチ回路（３８）は、エア・バッグが拡張される際に前記トランジスタ（４６）をオフして前記第１及び第２のコンデンサ（２２，４８）間の電気導通経路を遮断することを特徴とするエア・バッグ拡張システム。
エア・バッグ拡張システムのための電気導通経路であって、
第１のコンデンサ（２２）と、
スイッチ回路（３８）と、
前記スイッチ回路（３８）に接続された制御端子、前記第１のコンデンサに接続された第１の導通電極、及び第２の導通電極を有するトランジスタ（４６）であって、前記スイッチ回路（３８）によって制御される電気導通経路を提供する前記トランジスタ（４６）と、
前記トランジスタの前記第２の導通電極に接続された第２のコンデンサ（４８）とを備え、
スイッチ回路（３８）は、エア・バッグが拡張される際に前記トランジスタ（４６）をオフして前記第１及び第２のコンデンサ（２２，４８）間の電気導通経路を遮断することを特徴とする電気導通経路。
エア・バッグ拡張用集積回路であって、
第１のコンデンサ（２２）と、
前記第１のコンデンサに接続された第１の導通電極、第２の導通電極、及び制御電極を有するトランジスタ（４６）と、
前記トランジスタ（４６）の前記制御端子に接続され、前記トランジスタ（４６）を制御するスイッチ回路（３８）と、
前記トランジスタの第２の導通電極に接続された第２のコンデンサ（４８）と、
前記第２のコンデンサに接続され、前記第２のコンデンサに蓄積された電圧を受け取り、エア・バック拡張用の電流を生成するハイ・サイド電流回路（５２）とを備え、
前記スイッチ回路（３８）は、エア・バッグが拡張される際に前記トランジスタ（４６）をオフして前記第１及び第２のコンデンサ（２２，４８）間の電気導通経路を遮断することを特徴とするエア・バッグ拡張用集積回路。