JP4089125B2

JP4089125B2 - 電気負荷駆動装置

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Publication number: JP4089125B2
Application number: JP2000110978A
Authority: JP
Inventors: 新見　　幸秀
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-04-12
Filing date: 2000-04-12
Publication date: 2008-05-28
Anticipated expiration: 2020-04-12
Also published as: US20010030557A1; DE10118144A1; DE10118144B4; US6472910B2; JP2001298849A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、出力トランジスタが外部からの駆動信号に応じて電気負荷に駆動電流を流す電気負荷駆動装置に関し、特に、その出力形態をハイサイド出力形態とロウサイド出力形態とに切り替えることが可能な電気負荷駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、例えば自動車に搭載されるエンジン制御装置やトランスミッション制御装置などの車両用電子制御装置は、リレーやソレノイドといった様々な電気負荷を車両の運転状態に応じて駆動することにより制御対象を制御しているが、電気負荷に駆動電流を供給するための駆動形態は、その電気負荷の種類や用途によって異なり、ハイサイド駆動形態とロウサイド駆動形態との何れかが採られている。
【０００３】
即ち、ハイサイド駆動形態の場合には、電気負荷の一端が負荷電源の低電位側（車両では、一般にバッテリのマイナス端子の電位である接地電位）に接続されると共に、電気負荷の他端が電子制御装置に接続され、電子制御装置側から電気負荷へ駆動電流を流し出すこととなる。
【０００４】
また、ロウサイド駆動形態の場合には、電気負荷の一端が負荷電源の高電位側（車両では、一般にバッテリのプラス端子の電位であるバッテリ電圧）に接続されると共に、電気負荷の他端が電子制御装置に接続され、電気負荷側から電子制御装置側へと駆動電流を引き込むこととなる。
【０００５】
そして、従来の車両用電子制御装置では、通電対象の電気負荷の駆動形態のみに対応する駆動手段（ハイサイド駆動手段又はロウサイド駆動手段）を回路基板上に夫々配置するようにしていたため、電気負荷の駆動形態が変わった場合には、大幅なハードウエア変更が必要となっていた。
【０００６】
そこで、例えば米国特許第５８２８２４７号には、出力形態をプログラム的にハイサイド出力形態とロウサイド出力形態とに切り替えることが可能なものが提案されている。
具体的に説明すると、上記米国特許に記載の電気負荷駆動装置は、電気負荷に駆動電流を供給する出力トランジスタとして、１つのＮチャネルＭＯＳＦＥＴを備えており、そのＦＥＴのソースが接地電位に接続され且つ一端がバッテリ電圧に接続された電気負荷の他端にＦＥＴのドレインが接続されて、そのＦＥＴのドレインから電気負荷の駆動電流を引き込む場合、即ちＦＥＴをロウサイド駆動手段として用いる場合には、そのＦＥＴのゲートにバッテリ電圧を供給して該ＦＥＴをオンさせ、バッテリ電圧にＦＥＴのドレインが接続され且つ一端が接地電位に接続された電気負荷の他端にＦＥＴのソースが接続されて、そのＦＥＴのソースから電気負荷へ駆動電流を流し出す場合、即ちＦＥＴをハイサイド駆動手段として用いる場合には、そのＦＥＴのゲートにバッテリ電圧を昇圧した電圧を供給して該ＦＥＴをオンさせるように構成されている。尚、ＦＥＴをハイサイド駆動手段として用いる場合に、そのゲートへバッテリ電圧よりも高い昇圧電圧を供給するようにしているのは、ハイサイド出力形態の場合にＦＥＴを確実にオンさせるためである。
【０００７】
そして、こうした電気負荷駆動装置によれば、その出力形態を、ハイサイド出力形態とロウサイド出力形態との何れかに任意に設定することができ、電気負荷の駆動形態の変更に対して柔軟に対応することができるようになる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、一般に、電子制御装置に設けられて電気負荷に駆動電流を供給する駆動装置では、電気負荷が短絡状態となって出力トランジスタに過電流が流れた場合には、その異常を検出して出力トランジスタを強制的にオフさせる等のフェイルセーフ処置を行う必要がある。
【０００９】
特に、車両においては、負荷への駆動電流の電力源である負荷電源がバッテリであり、そのバッテリの電圧は常に一定ではないため、負荷電源の電圧が変動しても、出力トランジスタに流れる電流が過電流状態になったことを正確に検出することのできる過電流検出機構が必要となる。
【００１０】
そして、このようなことから、出力形態をハイサイド出力形態とロウサイド出力形態とに切替可能な電気負荷駆動装置を実用化する場合には、出力形態をハイサイド出力形態とロウサイド出力形態との何れに設定した場合にでも、且つ、負荷電源の電圧が変動しても、出力トランジスタの過電流状態を正確に検出可能な過電流検出機構が必要となるが、上記米国特許第５８２８２４７号には記載が無く、そのような過電流検出機構が望まれていた。
【００１１】
そこで、本発明は、電気負荷に駆動電流を供給する出力トランジスタの出力形態を、ハイサイド出力形態とロウサイド出力形態との何れに設定した場合にでも、負荷電源の電圧変動に拘わらず、出力トランジスタの過電流状態を正確に検出することができる電気負荷駆動装置を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
上記目的を達成するためになされた請求項１に記載の電気負荷駆動装置は、電気負荷に電流を流すための電流供給経路に第１出力端子と第２出力端子とが直列に接続され、その両出力端子間が導通するオン状態となることにより、電気負荷に駆動電流を供給する出力トランジスタと、その出力トランジスタを、出力形態設定用信号に応じて、ハイサイド駆動手段とロウサイド駆動手段との何れかとして機能させる出力形態切替手段とを備えている。
【００１３】
そして、出力トランジスタは、出力形態切替手段によりハイサイド駆動手段として機能させられる場合には、負荷電源の高電位側に第１出力端子が接続され且つ一端が負荷電源の低電位側に接続された電気負荷の他端に第２出力端子が接続された状態で、外部からの駆動信号に従いオン状態となり電気負荷へ駆動電流を流し出す。また、出力トランジスタは、出力形態切替手段によりロウサイド駆動手段として機能させられる場合には、一端が負荷電源の高電位側に接続された電気負荷の他端に第１出力端子が接続され且つ負荷電源の低電位側に第２出力端子が接続された状態で、外部からの駆動信号に従いオン状態となり電気負荷側から駆動電流を引き込む。
【００１４】
このため、出力形態切替手段に与える出力形態設定用信号により、当該電気負荷駆動装置の出力形態をハイサイド出力形態とロウサイド出力形態との何れかに任意に設定することができる。
ここで特に、請求項１の電気負荷駆動装置では、第１の電流検出信号発生手段が、出力トランジスタがハイサイド駆動手段として機能する場合に、その出力トランジスタに流れる電流に比例した電圧だけ負荷電源の高電位側から降下した電圧を、第１の電流検出信号として発生し、第１の過電流判定電圧発生手段が、負荷電源の高電位側から予め定められた電圧だけ降下した電圧を、前記第１の電流検出信号と比較される第１の過電流判定電圧として発生する。
【００１５】
また、第２の電流検出信号発生手段が、出力トランジスタがロウサイド駆動手段として機能する場合に、その出力トランジスタに流れる電流に比例した電圧だけ負荷電源の低電位側から上昇した電圧を、第２の電流検出信号として発生し、第２の過電流判定電圧発生手段が、負荷電源の低電位側から予め定められた電圧だけ上昇した電圧を、前記第２の電流検出信号と比較される第２の過電流判定電圧として発生する。
【００１６】
そして、過電流検出信号出力手段が、出力形態切替手段により出力トランジスタがハイサイド駆動手段として機能させられている場合には、前記第１の電流検出信号と第１の過電流判定電圧とを比較して、第１の電流検出信号が第１の過電流判定電圧を下回ると、出力トランジスタに流れている電流が過電流状態であることを示す過電流検出信号を出力し、逆に、出力形態切替手段により出力トランジスタがロウサイド駆動手段として機能させれられている場合には、前記第２の電流検出信号と第２の過電流判定電圧とを比較して、第２の電流検出信号が第２の過電流判定電圧を上回ると、前記過電流検出信号を出力する。
【００１７】
つまり、請求項１の電気負荷駆動装置では、出力形態がハイサイド出力形態である場合（即ち、出力トランジスタがハイサイド駆動手段として機能する場合）には、負荷電源の高電位側を基準にした第１の電流検出信号と第１の過電流判定電圧とを比較して、出力トランジスタの過電流検出を行い、逆に、出力形態がロウサイド出力形態である場合（即ち、出力トランジスタがロウサイド駆動手段として機能する場合）には、負荷電源の低電位側を基準にした第２の電流検出信号と第２の過電流判定電圧とを比較して、出力トランジスタの過電流検出を行うようにしている。
【００１８】
このため、請求項１の電気負荷駆動装置によれば、ハイサイド出力形態の場合とロウサイド出力形態の場合との両方において、負荷電源の電圧が変動しても、出力トランジスタに実際に流れている電流に比例した電流検出信号（第１の電流検出信号又は第２の電流検出信号）に基づき出力トランジスタの過電流状態を正確に検出することができる。
【００１９】
よって、例えば請求項２に記載のように、過電流保護手段を設けて、その過電流保護手段が、前記過電流検出信号出力手段から過電流検出信号が出力された場合に、出力トランジスタを強制的にオフさせるように構成すれば、出力形態がハイサイド出力形態とロウサイド出力形態との何れである場合でも、電気負荷の短絡に伴う出力トランジスタの過電流による故障を、確実に防止することができる。
【００２０】
ところで、請求項１又は請求項２の電気負荷駆動装置において、第１の電流検出信号発生手段と第２の電流検出信号発生手段は、請求項３に記載の如く構成することができる。
即ち、請求項３の電気負荷駆動装置では、第１の電流検出信号発生手段が、一端が出力トランジスタの第１出力端子に接続された第１の電流検出用抵抗と、該第１の電流検出用抵抗の他端に一方の出力端子が接続され、他方の出力端子が出力トランジスタの第２出力端子に接続されて、出力トランジスタに流れる電流に比例したミラー電流を第１の電流検出用抵抗に流す第１の電流検出用トランジスタとからなっており、第１の電流検出用トランジスタの前記一方の出力端子と第１の電流検出用抵抗との接続点の電圧を、第１の電流検出信号として発生する。
【００２１】
また、第２の電流検出信号発生手段は、一端が出力トランジスタの第２出力端子に接続された第２の電流検出用抵抗と、一方の出力端子が出力トランジスタの第１出力端子に接続され、第２の電流検出用抵抗の他端に他方の出力端子が接続されて、出力トランジスタに流れる電流に比例したミラー電流を第２の電流検出用抵抗に流す第２の電流検出用トランジスタとからなっており、第２の電流検出用トランジスタの前記他方の出力端子と第２の電流検出用抵抗との接続点の電圧を、第２の電流検出信号として発生する。
【００２２】
そして、このような請求項３の電気負荷駆動装置によれば、電気負荷に電流を流すための電流供給経路中に、シャント抵抗などの電流検出用素子を設けることなく、第１の電流検出信号と第２の電流検出信号との各々を発生させることができるため、電気負荷への印加電圧の低下を招くことがない。このため、電気負荷の駆動が不能となる負荷電源の最低電圧（以下、最低動作電圧という）を、より低くすることができ非常に有利である。
【００２３】
つまり、例えば電気負荷への電流供給経路中にシャント抵抗を設けるようにすると、そのシャント抵抗で生じる電圧降下の分だけ、電気負荷への印加電圧が小さくなるため、最低動作電圧が高くなってしまう。これに対して、請求項３の電気負荷駆動装置によれば、電気負荷の両端に、負荷電源の電圧に限りなく近い電圧を印加することができ、最低動作電圧が高くなってしまうことを防止できる。
【００２４】
また更に、請求項３の電気負荷駆動装置において、第１の電流検出用抵抗と第２の電流検出用抵抗との各々には、出力トランジスタに流れる電気負荷への駆動電流よりも非常に小さいミラー電流を流すようにすれば良いため、その各電流検出用抵抗での消費電力及び該各電流検出用抵抗の許容電力を小さく抑えることができる。
【００２５】
次に、請求項４に記載の電気負荷駆動装置では、請求項１〜３の何れかの電気負荷駆動装置において、少なくとも出力トランジスタと、第１の電流検出信号発生手段と、第２の電流検出信号発生手段と、過電流検出信号出力手段とを含む出力回路を、１個の半導体集積回路内に形成するようにしている。
【００２６】
そして、この請求項４の電気負荷駆動装置によれば、小型化されるため、自動車用の電子制御装置など、搭載スペースに大きな制約がある装置に対して利用可能となり、実用上極めて有用である。そして更に、請求項５に記載の如く、前記出力回路を半導体集積回路内に複数形成するようにすれば、より効果的である。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明が適用された実施形態の電気負荷駆動装置について、図面を用いて説明する。
まず図１は、本実施形態の電気負荷駆動装置１の全体構成を表す構成図である。
【００２８】
本実施形態の電気負荷駆動装置１は、例えば自動車のエンジンやトランスミッションなどを制御する車両用電子制御装置にマイコン３と共に搭載され、マイコン３から出力される複数系統の各駆動信号Ａａ〜Ａｅに従って、その駆動信号Ａａ〜Ａｅに対応するリレーやソレノイドといった各電気負荷（以下単に、負荷という）５ａ〜５ｅに駆動電流を流すものであり、１つのＩＣ（半導体集積回路）として形成されている。
【００２９】
尚、ここでは、本電気負荷駆動装置１で駆動可能な負荷が５個であるものとしている。また、以下の説明において、各負荷５ａ〜５ｅを区別しない場合には、その負荷の符号として単に「５」を用いる。一方、本実施形態において、マイコン３から出力される各駆動信号Ａａ〜Ａｅは、ハイアクティブであり、それがハイレベルの時に負荷５への通電が行われる。
【００３０】
図１に示すように、本実施形態の電気負荷駆動装置１は、各負荷５に対してハイサイド出力形態とロウサイド出力形態との両方の出力形態で電流を流すことが可能な全く同じ構成の５つの出力回路７ａ〜７ｅと、バッテリ電圧（負荷電源の高電位側に相当し、具体的にはバッテリのプラス端子の電圧）ＶＢを約２倍の電圧に昇圧して、その昇圧した電圧（以下、昇圧電圧という）ＶＣＰを出力するチャージポンプ回路９と、マイコン３が動作を開始した時に出力する指示信号Ｂに従って、各出力回路７ａ〜７ｅが採るべき出力形態を記憶する出力形態記憶部１１と、各出力回路７ａ〜７ｅを、マイコン３からの駆動信号Ａａ〜Ａｅに従って、出力形態記憶部１１に記憶された出力形態で動作させるセレクタ１３とを備えている。
【００３１】
ここで、マイコン３から出力形態記憶部１１へ出力される指示信号Ｂは、出力回路７ａ〜７ｅの各々に対応した各ビットからなると共に、そのビットの“１”がハイサイド出力形態を示し、“０”がロウサイド出力形態を示す５ビットのデータである。
【００３２】
そして、出力形態記憶部１１は、例えば揮発性のレジスタといった半導体メモリからなり、マイコン３からの指示信号Ｂの各ビットを、各出力回路７ａ〜７ｅが採るべき出力形態として記憶すると共に、その記憶した各ビットの信号を、セレクタ１３へ、各出力回路７ａ〜７ｅに夫々対応する出力形態設定用信号Ｃａ〜Ｃｅとして出力する。
【００３３】
また、セレクタ１３は、マイコン３からの各駆動信号Ａａ〜Ａｅと、出力形態記憶部１１からの各出力形態設定用信号Ｃａ〜Ｃｅとに基づいて、各出力回路７ａ〜７ｅへ、ハイサイド出力形態用の第１駆動指令信号Ｄａ〜Ｄｅと、ロウサイド出力形態用の第２駆動指令信号Ｅａ〜Ｅｅとを出力すると共に、出力形態記憶部１１からの各出力形態設定用信号Ｃａ〜Ｃｅを、それに対応する出力回路７ａ〜７ｅへ、過電流検出機構を切り替えるための切替信号として出力する。
【００３４】
尚、図１において、各種信号の符号に添付した「ａ」〜「ｅ」は、それが出力回路７ａ〜７ｅの何れに対応するものかを指している。
セレクタ１３の構成及び作用について、出力回路７ａへ第１駆動指令信号Ｄａと第２駆動指令信号Ｅａと出力形態設定用信号Ｃａとを出力する部分を挙げて具体的に説明すると、セレクタ１３は、図２に示すように、マイコン３からの駆動信号Ａａと出力形態記憶部１１からの出力形態設定用信号Ｃａとの論理積信号を、出力回路７ａへの第１駆動指令信号Ｄａとして出力するアンドゲート１５と、上記駆動信号Ａａと上記出力形態設定用信号Ｃａを論理反転させた信号との論理積信号を、出力回路７ａへの第２駆動指令信号Ｅａとして出力するアンドゲート１７と、出力形態記憶部１１からの出力形態設定用信号Ｃａを、そのまま出力回路７ａへ出力するバッファ１９とを備えている。
【００３５】
このため、セレクタ１３から出力回路７ａに出力される第１駆動指令信号Ｄａ，第２駆動指令信号Ｅａ，及び出力形態設定用信号Ｃａは、下記の▲１▼〜▲３▼のようになる。
▲１▼：まず、出力形態記憶部１１からの出力形態設定用信号Ｃａが、ハイサイド出力形態を示すハイレベル（“１”）である場合、セレクタ１３から出力回路７ａに出力される第１駆動指令信号Ｄａは、マイコン３からの駆動信号Ａａと同じ論理レベルとなり、セレクタ１３から出力回路７ａに出力される第２駆動指令信号Ｅａは、ロウレベルに固定される。
【００３６】
▲２▼：逆に、出力形態記憶部１１からの出力形態設定用信号Ｃａが、ロウサイド出力形態を示すロウレベル（“０”）である場合、セレクタ１３から出力回路７ａに出力される第１駆動指令信号Ｄａは、ロウレベルに固定され、セレクタ１３から出力回路７ａに出力される第２駆動指令信号Ｅａは、マイコン３からの駆動信号Ａａと同じ論理レベルとなる。
【００３７】
▲３▼：そして、上記▲１▼，▲２▼の何れの場合においても、セレクタ１３から出力回路７ａへは、出力形態記憶部１１からの出力形態設定用信号Ｃａが、そのままの論理レベルで出力されることとなる。
尚、図示は省略しているが、セレクタ１３には、他の出力回路７ｂ〜７ｅの各々に対しても、上記アンドゲート１５，１７及びバッファ１９からなる回路と全く同じ回路が備えられている。そして、セレクタ１３は、出力回路７ａ以外の各出力回路７ｂ〜７ｅに対しても、上記▲１▼〜▲３▼と全く同じ要領で、第１駆動指令信号Ｄｂ〜Ｄｅと第２駆動指令信号Ｅｂ〜Ｅｅと出力形態設定用信号Ｃｂ〜Ｃｅとを出力する。
【００３８】
一方更に、図１に示す如く、本実施形態の電気負荷駆動装置１には、各出力回路７ａ〜７ｅに対応させて、高電位側端子２０と低電位側端子２２とからなる２個１組の出力端子２０，２２が夫々設けられている。
そして例えば、出力回路７ａによって負荷５ａをハイサイド駆動する場合には、図１に例示するように、負荷５ａの−（マイナス）側端子を、接地電位（負荷電源の低電位側に相当し、具体的にはバッテリのマイナス端子の電位）に接続すると共に、その負荷５ａの＋（プラス）側端子を、出力回路７ａに対応した低電位側端子２２に接続し、更に、出力回路７ａに対応した高電位側端子２０をバッテリ電圧ＶＢに接続する。そして、この場合には、出力回路７ａに対応した低電位側端子２２から負荷５ａへと、駆動電流が流し出されることとなる。
【００３９】
また例えば、出力回路７ｅによって負荷５ｅをロウサイド駆動する場合には、図１に例示するように、負荷５ｅの＋側端子をバッテリ電圧ＶＢに接続すると共に、その負荷５ｅの−側端子を、出力回路７ｅに対応した高電位側端子２０に接続し、更に、出力回路７ｅに対応した低電位側端子２２を接地電位に接続する。そして、この場合には、負荷５ｅ側から出力回路７ｅに対応した高電位側端子２０へと、駆動電流が引き込まれることとなる。
【００４０】
尚、図１における本電気負荷駆動装置１の外部接続状態は、３つの各負荷５ａ〜５ｃを、出力回路７ａ〜７ｃの各々によってハイサイド駆動し、他の２つの各負荷５ｄ，５ｅを、出力回路７ｄ，ｅの各々によってロウサイド駆動する場合を表している。
【００４１】
次に、各出力回路７ａ〜７ｅの構成及び作用について、図２及び図３を用いて説明する。
尚、前述したように、各出力回路７ａ〜７ｅの構成は全く同じであるため、ここでは、出力回路７ａを代表に挙げて説明する。また、図２は、出力回路７ａの構成、及び、その出力回路７ａをハイサイド出力形態で動作させる場合の負荷５との接続状態を表しており、図３は、出力回路７ａの構成、及び、その出力回路７ａをロウサイド出力形態で動作させる場合の負荷５との接続状態を表している。
【００４２】
図２及び図３に示すように、出力回路７ａは、エミッタにチャージポンプ回路９から出力される昇圧電圧ＶＣＰが印加されると共に、ベースとコレクタが共通接続されたＰＮＰトランジスタ２１と、エミッタとベースとの各々が上記ＰＮＰトランジスタ２１のエミッタとベースに夫々接続されて、そのＰＮＰトランジスタ２１と共にカレントミラー回路を成すＰＮＰトランジスタ２３と、ＰＮＰトランジスタ２１のコレクタに一端が接続された抵抗２５と、その抵抗２５の他端にドレインが接続されると共に、ソースが接地電位に接続され、更にセレクタ１３からの第１駆動指令信号Ｄａがゲートに供給されたＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２７と、ＰＮＰトランジスタ２３のコレクタにアノードが接続されたダイオード２９とを備えている。
【００４３】
また、出力回路７ａは、エミッタにバッテリ電圧ＶＢが印加されると共に、ベースとコレクタが共通接続されたＰＮＰトランジスタ３１と、エミッタとベースとの各々が上記ＰＮＰトランジスタ３１のエミッタとベースに夫々接続されて、そのＰＮＰトランジスタ３１と共にカレントミラー回路を成すＰＮＰトランジスタ３３と、ＰＮＰトランジスタ３１のコレクタに一端が接続された抵抗３５と、その抵抗３５の他端にドレインが接続されると共に、ソースが接地電位に接続され、更にセレクタ１３からの第２駆動指令信号Ｅａがゲートに供給されたＮチャネルＭＯＳＦＥＴ３７と、ＰＮＰトランジスタ３３のコレクタにアノードが接続され、カソードが上記ダイオードＤ２９のカソードに共通接続されたダイオード３９とを備えている。
【００４４】
そして、出力回路７ａは、第１出力端子としてのドレインが当該出力回路７ａに対応した高電位側端子２０に接続され、第２出力端子としてのソースが当該出力回路７ａに対応した低電位側端子２２に接続された、出力トランジスタとしてのＮチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ４１と、一端がＦＥＴ４１のドレインに接続された第１の電流検出用抵抗４３と、その第１の電流検出用抵抗４３の他端に一方の出力端子であるドレインが接続されると共に、他方の出力端子であるソースがＦＥＴ４１のソースに接続され、更にゲートがＦＥＴ４１のゲートに共通接続されて、ＦＥＴ４１に流れる電流の１／ｎ（但しｎは１よりも大きい数）のミラー電流を第１の電流検出用抵抗４３に流す第１の電流検出用ＭＯＳＦＥＴ４５（第１の電流検出用トランジスタに相当）と、一端がＦＥＴ４１のソースに接続された第２の電流検出用抵抗４７と、一方の出力端子であるドレインがＦＥＴ４１のドレインに接続されると共に、第２の電流検出用抵抗４７の他端に他方の出力端子であるソースが接続され、更にゲートがＦＥＴ４１のゲートに共通接続されて、ＦＥＴ４１に流れる電流の１／Ｎ（但しＮは１よりも大きい数）のミラー電流を第２の電流検出用抵抗４７に流す第２の電流検出用ＭＯＳＦＥＴ４９（第２の電流検出用トランジスタに相当）とを備えている。
【００４５】
そして更に、出力回路７ａは、上記両ダイオードＤ２９，３９のカソードと上記ＦＥＴ４１のゲートとの間に接続されたゲート保護用の抵抗５１と、カソードがＦＥＴ４１のゲートに接続されたツェナーダイオード５３と、アノードがツェナーダイオード５３のアノードに接続され、カソードがＦＥＴ４１のソースに接続されたダイオード５５とを備えている。尚、ツェナーダイオード５３は、ＦＥＴ４１のゲートに過電圧が印加されるのを防止するために設けられており、ダイオード５５は、ＦＥＴ４１のゲート−ソース間が逆バイアスされるのを防止するために設けられている。
【００４６】
また、出力回路７ａは、バッテリ電圧ＶＢに一端が接続された抵抗５７と、その抵抗５７の他端と接地電位との間に接続されて、抵抗５７に予め定められた一定電流を流す定電流回路５９と、図示しない電源部で生成される一定電圧ＶＤ（本実施形態では５Ｖ）に一端が接続された抵抗６１と、その抵抗６１の他端と接地電位との間に接続されて、抵抗６１と共に上記一定電圧ＶＤを分圧する抵抗６３と、２つのコンパレータ６５，６７と、ラッチ回路６９とを備えている。
【００４７】
そして、コンパレータ６５は、第１の電流検出用ＭＯＳＦＥＴ４５のドレインと第１の電流検出用抵抗４３との接続点の電圧（第１の電流検出信号に相当）Ｖ１と、抵抗５７と定電流回路５９との接続点の電圧（第１の過電流判定電圧に相当）Ｖｒｅｆ１とを比較して、電圧Ｖ１が電圧Ｖｒｅｆ１を下回ると、ハイレベルの信号を出力する。
【００４８】
また、コンパレータ６７は、第２の電流検出用ＭＯＳＦＥＴ４９のソースと第２の電流検出用抵抗４７との接続点の電圧（第２の電流検出信号に相当）Ｖ２と、抵抗６１と抵抗６３との接続点の電圧（第２の過電流判定電圧に相当）Ｖｒｅｆ２とを比較して、電圧Ｖ２が電圧Ｖｒｅｆ２を上回ると、ハイレベルの信号を出力する。
【００４９】
そして、ラッチ回路６９は、セレクタ１３からの出力形態設定用信号Ｃａが、ハイサイド出力形態を示すハイレベルである場合には、コンパレータ６５からのハイレベル信号をラッチして出力し、また、上記出力形態設定用信号Ｃａが、ロウサイド出力形態を示すロウレベルである場合には、コンパレータ６７からのハイレベル信号をラッチして出力する。
【００５０】
また更に、出力回路７ａは、ＦＥＴ４１のゲートに一端が接続された抵抗７１と、その抵抗７１の他端にドレインが接続されると共に、ソースが接地電位に接続され、更にゲートがラッチ回路６９の出力端子に接続された過電流保護用のＮチャネルＭＯＳＦＥＴ７３とを備えている。
【００５１】
このように構成された出力回路７ａにおいて、負荷５をハイサイド駆動する場合（つまり、ハイサイド出力形態で用いられる場合）には、図２に示すように、ＦＥＴ４１のドレインが、高電位側端子２０を介してバッテリ電圧ＶＢに接続されると共に、ＦＥＴ４１のソースが、接地電位に−側端子が接続された負荷５の＋側端子に低電位側端子２２を介して接続される。そして、ＦＥＴ４１は、その接続状態でハイサイド駆動手段として機能することとなる。
【００５２】
即ち、まず、この場合、マイコン３から出力形態記憶部１１へ事前に出力される指示信号Ｂの各ビットのうち、出力回路７ａに対応するビットは、ハイサイド出力形態を示す“１”に設定される。そして、これに伴い、出力形態記憶部１１からセレクタ１３へ出力される当該出力回路７ａの出力形態設定用信号Ｃａはハイレベルとなる。
【００５３】
すると、前述したように、セレクタ１３から出力回路７ａに出力される第２駆動指令信号Ｅａがロウレベルに固定されるのに対して、セレクタ１３から出力回路７ａに出力される第１駆動指令信号Ｄａは、マイコン３からの駆動信号Ａａと同じ論理レベルになる。
【００５４】
このため、出力回路７ａにおいては、ＦＥＴ３７がオフしたままとなるのに対して、ＦＥＴ２７は、マイコン３からの駆動信号Ａａに応じて、その駆動信号Ａａがハイレベルの時にオンすることとなる。
そして、ＦＥＴ２７がオンすると、カレントミラー回路を成す２つのトランジスタ２１，２３がオンし、トランジスタ２３のコレクタからＦＥＴ４１のゲートへ、ダイオード２９及び抵抗５１を介してチャージポンプ回路９からの昇圧電圧ＶＣＰが供給されて、ＦＥＴ４１がオンすることとなる。つまり、マイコン３からの駆動信号Ａａがハイレベルになると、負荷５に対してハイサイド接続された（負荷５よりも高電位側に接続された）ＦＥＴ４１のゲートに、バッテリ電圧ＶＢの約２倍の昇圧電圧ＶＣＰが供給されて、該ＦＥＴ４１がオンする。そして、ＦＥＴ４１がオンすると、そのＦＥＴ４１のソースから、低電位側端子２２を介して負荷５へと駆動電流が流し出されることとなる。
【００５５】
ここで、このようにＦＥＴ４１がハイサイド駆動手段として機能する場合、第１の電流検出用ＭＯＳＦＥＴ４５のドレインと第１の電流検出用抵抗４３との接続点の電圧Ｖ１（以下、第１の検出電圧Ｖ１という）は、ＦＥＴ４１に流れる電流ＩOUT に比例した電圧だけバッテリ電圧ＶＢから降下した電圧となる。
【００５６】
具体的に説明すると、第１の検出電圧Ｖ１は、下記の式１のようになる。尚、「Ｒ４３」は第１の電流検出用抵抗４３の抵抗値であり、「ｎ」は、ＦＥＴ４１に流れる電流ＩOUT と第１の電流検出用ＭＯＳＦＥＴ４５に流れる電流との比（即ち、ＦＥＴ４１とＦＥＴ４５とのミラー比）である。
【００５７】
Ｖ１＝ＶＢ−ＩOUT ×Ｒ４３／ｎ …式１
また、出力回路７ａにおいて、抵抗５７と定電流回路５９との接続点の電圧Ｖｒｅｆ１（以下、第１の判定電圧Ｖｒｅｆ１という）は、抵抗５７の抵抗値を「Ｒ５７」とし、定電流回路５９が抵抗５７に流す一定電流を「ＩCNST」とすると、バッテリ電圧ＶＢから「ＩCNST×Ｒ５７」という一定電圧だけ降下した電圧（＝ＶＢ−ＩCNST×Ｒ５７）となるが、本実施形態において、抵抗５７の抵抗値Ｒ５７と上記一定電流ＩCNSTは、ＦＥＴ４１に流れる電流ＩOUT の過電流判定値をＩthとすると、第１の判定電圧Ｖｒｅｆ１が下記の式２を満たすように設定されている。
【００５８】
Ｖｒｅｆ１＝ＶＢ−Ｉth×Ｒ４３／ｎ …式２
そして、ＦＥＴ４１がハイサイド駆動手段として機能する場合には、セレクタ１３から当該出力回路７ａへの出力形態設定用信号Ｃａがハイレベルとなり、前述したように、ラッチ回路６９が、コンパレータ６５からのハイレベル信号をラッチして出力する。
【００５９】
このため、負荷５の短絡故障等（例えば低電位側端子２２の接地電位への短絡）により、ＦＥＴ４１に流れる電流ＩOUT が過電流判定値Ｉthを越えて、第１の検出電圧Ｖ１が第１の判定電圧Ｖｒｅｆ１を下回り、コンパレータ６５からハイレベル信号が出力されると、ラッチ回路６９の出力がハイレベルとなって過電流保護用のＦＥＴ７３がオンし、ＦＥＴ４１のゲートが強制的にロウレベルとなって、該ＦＥＴ４１がオフされることとなる。
【００６０】
そして、このような機構により、ＦＥＴ４１がハイサイド駆動手段として機能する場合の、該ＦＥＴ４１の過電流による故障が防止される。
一方、出力回路７ａにおいて、負荷５をロウサイド駆動する場合（つまり、ロウサイド出力形態で用いられる場合）には、図３に示すように、ＦＥＴ４１のドレインが、バッテリ電圧ＶＢに＋側端子が接続された負荷５の−側端子に高電位側端子２０を介して接続されると共に、ＦＥＴ４１のソースが、低電位側端子２２を介して接地電位に接続される。そして、ＦＥＴ４１は、その接続状態でロウサイド駆動手段として機能することとなる。
【００６１】
即ち、まず、この場合、マイコン３から出力形態記憶部１１へ事前に出力される指示信号Ｂの各ビットのうち、出力回路７ａに対応するビットは、ロウサイド出力形態を示す“０”に設定される。そして、これに伴い、出力形態記憶部１１からセレクタ１３へ出力される当該出力回路７ａの出力形態設定用信号Ｃａはロウレベルとなる。
【００６２】
すると、前述したように、セレクタ１３から出力回路７ａに出力される第１駆動指令信号Ｄａがロウレベルに固定されるのに対して、セレクタ１３から出力回路７ａに出力される第２駆動指令信号Ｅａは、マイコン３からの駆動信号Ａａと同じ論理レベルになる。
【００６３】
このため、出力回路７ａにおいては、ＦＥＴ２７がオフしたままとなるのに対して、ＦＥＴ３７は、マイコン３からの駆動信号Ａａに応じて、その駆動信号Ａａがハイレベルの時にオンすることとなる。
そして、ＦＥＴ３７がオンすると、カレントミラー回路を成す２つのトランジスタ３１，３３がオンし、トランジスタ３３のコレクタからＦＥＴ４１のゲートへ、ダイオード３９及び抵抗５１を介してバッテリ電圧ＶＢが供給されて、ＦＥＴ４１がオンすることとなる。つまり、マイコン３からの駆動信号Ａａがハイレベルになると、負荷５に対してロウサイド接続された（負荷５よりも低電位側に接続された）ＦＥＴ４１のゲートに、バッテリ電圧ＶＢが供給されて、該ＦＥＴ４１がオンする。そして、ＦＥＴ４１がオンすると、負荷５側から高電位側端子２０を介して、ＦＥＴ４１のドレインへ負荷５の駆動電流が引き込まれることとなる。
【００６４】
ここで、このようにＦＥＴ４１がロウサイド駆動手段として機能する場合、第２の電流検出用ＭＯＳＦＥＴ４９のソースと第２の電流検出用抵抗４７との接続点の電圧Ｖ２（以下、第２の検出電圧Ｖ２という）は、ＦＥＴ４１に流れる電流ＩOUT に比例した電圧だけ接地電位（＝０Ｖ）から上昇した電圧となる。
【００６５】
具体的に説明すると、第２の検出電圧Ｖ２は、下記の式３のようになる。尚、「Ｒ４７」は第２の電流検出用抵抗４７の抵抗値であり、「Ｎ」は、ＦＥＴ４１に流れる電流ＩOUT と第２の電流検出用ＭＯＳＦＥＴ４９に流れる電流との比（即ち、ＦＥＴ４１とＦＥＴ４９とのミラー比）である。
【００６６】
Ｖ２＝ＩOUT ×Ｒ４７／Ｎ …式３
また、出力回路７ａにおいて、抵抗６１と抵抗６３との接続点の電圧Ｖｒｅｆ２（以下、第２の判定電圧Ｖｒｅｆ２という）は、５Ｖの一定電圧ＶＤを両抵抗６１，６３で分圧したものであるため、抵抗６１の抵抗値を「Ｒ６１」とし、抵抗６３の抵抗値を「Ｒ６３」とすると、接地電位から「ＶＤ×Ｒ６３／（Ｒ６１＋Ｒ６３）」という一定電圧だけ上昇した電圧（＝ＶＤ×Ｒ６３／（Ｒ６１＋Ｒ６３））となるが、本実施形態において、両抵抗６１，６３の抵抗値Ｒ６１，Ｒ６３は、ＦＥＴ４１に流れる電流ＩOUT の過電流判定値をＩthとすると、第２の判定電圧Ｖｒｅｆ２が下記の式４を満たすように設定されている。
【００６７】
Ｖｒｅｆ１＝Ｉth×Ｒ４７／Ｎ …式４
そして、ＦＥＴ４１がロウサイド駆動手段として機能する場合には、セレクタ１３から当該出力回路７ａへの出力形態設定用信号Ｃａがロウレベルとなり、前述したように、ラッチ回路６９が、コンパレータ６７からのハイレベル信号をラッチして出力する。
【００６８】
このため、負荷５の短絡故障等（例えば高電位側端子２０のバッテリ電圧ＶＢへの短絡）により、ＦＥＴ４１に流れる電流ＩOUT が過電流判定値Ｉthを越えて、第２の検出電圧Ｖ２が第２の判定電圧Ｖｒｅｆ２を上回り、コンパレータ６７からハイレベル信号が出力されると、ラッチ回路６９の出力がハイレベルとなって過電流保護用のＦＥＴ７３がオンし、ＦＥＴ４１のゲートが強制的にロウレベルとなって、該ＦＥＴ４１がオフされることとなる。
【００６９】
そして、このような機構により、ＦＥＴ４１がロウサイド駆動手段として機能する場合の、該ＦＥＴ４１の過電流による故障が防止される。
尚、本実施形態の電気負荷駆動装置１においては、セレクタ１３と、ＦＥＴ２７，３７と、抵抗２５，３５，５１と、トランジスタ２１，２３，３１，３３と、ダイオード２９，３９とからなる部分が、出力形態切替手段に相当している。
【００７０】
また、第１の電流検出用抵抗４３と第１の電流検出用ＭＯＳＦＥＴ４５とが、第１の電流検出信号発生手段に相当し、抵抗５７と定電流回路５９とが、第１の過電流判定電圧発生手段に相当し、第２の電流検出用抵抗４７と第２の電流検出用ＭＯＳＦＥＴ４９とが、第２の電流検出信号発生手段に相当し、抵抗６１と抵抗６３とが、第２の過電流判定電圧発生手段に相当している。
【００７１】
そして、２つのコンパレータ６５，６７とラッチ回路６９とが、過電流検出信号出力手段に相当し、ラッチ回路６９から出力されるハイレベルの信号が、過電流検出信号に相当し、抵抗７１及びＦＥＴ７３が過電流保護手段に相当している。
【００７２】
以上のように、本実施形態の電気負荷駆動装置１では、出力トランジスタとしてのＦＥＴ４１がハイサイド駆動手段として機能する場合には、バッテリ電圧ＶＢを基準にし且つＦＥＴ４１に流れる電流ＩOUT に比例して低くなる第１の検出電圧Ｖ１と、バッテリ電圧ＶＢよりも一定電圧（＝Ｉth×Ｒ４３／ｎ）だけ低い第１の判定電圧Ｖｒｅｆ１とを比較して、ＦＥＴ４１の過電流検出を行い、逆に、ＦＥＴ４１がロウサイド駆動手段として機能する場合には、接地電位を基準にし且つＦＥＴ４１に流れる電流ＩOUT に比例して高くなる第２の検出電圧Ｖ２と、接地電位よりも一定電圧（＝Ｉth×Ｒ４７／Ｎ）だけ高い第２の判定電圧Ｖｒｅｆ２とを比較して、ＦＥＴ４１の過電流検出を行うようにしている。
【００７３】
このため、ハイサイド出力形態の場合とロウサイド出力形態の場合との両方において、バッテリ電圧ＶＢが変動しても、ＦＥＴ４１に実際に流れている電流ＩOUT に比例した第１の検出電圧Ｖ１又は第２の検出電圧Ｖ２に基づいて、ＦＥＴ４１の過電流状態を正確に検出することができる。特に、ハイサイド出力形態の場合にバッテリ電圧ＶＢが変動したり、ロウサイド出力形態の場合に接地電位がノイズ等で変動しても、正確な過電流検出が可能となる。
【００７４】
そして、本実施形態の電気負荷駆動装置１では、過電流検出時にＦＥＴ４１を強制的にオフさせるようにしているため、負荷５の短絡に伴うＦＥＴ４１の過電流による故障を確実に防止することができる。
また、本実施形態の電気負荷駆動装置１によれば、負荷５に対する電流供給経路中に、シャント抵抗などの電流検出用素子を直列に設けることなく、第１の検出電圧Ｖ１と第２の検出電圧Ｖ２との各々を発生させることができるため、負荷５への印加電圧の低下を招くことがなく、負荷５の駆動が不能となるバッテリの最低電圧を高くしてしまうことがない。
【００７５】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。
例えば、上記実施形態の電気負荷駆動装置１では、５個の出力回路７ａ〜７ｅを備えていたが、その数は５個に限るものではなく、例えば１個や２個でも良い。
【００７６】
また、上記実施形態の電気負荷駆動装置１において、出力回路７ａ〜７ｅの全てが同時にハイサイド出力形態で用いられることは無いと想定されるのであれば、チャージポンプ回路９の昇圧電圧ＶＣＰの出力能力は、ハイサイド出力形態で同時に用いられると想定される最大数の出力回路のＦＥＴ４１へ駆動電圧（即ち、ＦＥＴ４１をオンさせるためのゲート電圧）を供給可能な最低限の値に設定しておけば良い。そして、このようにすれば、チャージポンプ回路９の構成を必要最小限のものにすることができる。
【００７７】
一方、上記実施形態の電気負荷駆動装置１において、過電流判定用のコンパレータ６５，６７は、１個で共用するようにしても良い。この場合は、コンパレータの入力を、出力形態設定用信号Ｃａに応じて、第１の検出電圧Ｖ１にするか第２の検出電圧Ｖ２にするか、並びに第１の判定電圧Ｖｒｅｆ１にするか第２の判定電圧Ｖｒｅｆ２にするかの切替スイッチを設ければ良い。
【００７８】
また、各検出電圧Ｖ１，Ｖ２並びにラッチ回路６９の出力を、出力回路７ａ〜７ｅよりマイコン３へモニタ信号として出力するようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の電気負荷駆動装置の全体構成を表す構成図である。
【図２】実施形態の電気負荷駆動装置に備えられた出力回路の構成、及び、その出力回路をハイサイド出力形態で動作させる場合の負荷との接続状態を表す回路図である。
【図３】実施形態の電気負荷駆動装置に備えられた出力回路の構成、及び、その出力回路をロウサイド出力形態で動作させる場合の負荷との接続状態を表す回路図である。
【符号の説明】
１…電気負荷駆動装置、３…マイコン、５ａ〜５ｅ…電気負荷、７ａ〜７ｅ…出力回路、９…チャージポンプ回路、１１…出力形態記憶部、１３…セレクタ、１５，１７…アンドゲート、１９…バッファ、２０…高電位側端子、２２…低電位側端子、２１，２３，３１，３３…ＰＮＰトランジスタ、４１…ＮチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ、４５…第１の電流検出用ＭＯＳＦＥＴ、４９…第２の電流検出用ＭＯＳＦＥＴ、２７，３７，７３…ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ、２５，３５，５１，５７，６１，６３，７１…抵抗、４３…第１の電流検出用抵抗、４７…第２の電流検出用抵抗、２９，３９，５５…ダイオード、５３…ツェナーダイオード、５９…定電流回路、６５，６７…コンパレータ、６９…ラッチ回路

Claims

電気負荷に電流を流すための電流供給経路に第１出力端子と第２出力端子とが直列に接続され、その両出力端子間が導通するオン状態となることにより、前記電気負荷に駆動電流を供給する出力トランジスタと、
出力形態設定用信号に応じて、前記出力トランジスタを、負荷電源の高電位側に前記第１出力端子が接続され且つ一端が前記負荷電源の低電位側に接続された前記電気負荷の他端に前記第２出力端子が接続された状態で、外部からの駆動信号に従いオン状態となることにより前記電気負荷へ前記駆動電流を流し出すハイサイド駆動手段と、一端が前記負荷電源の高電位側に接続された前記電気負荷の他端に前記第１出力端子が接続され且つ前記負荷電源の低電位側に前記第２出力端子が接続された状態で、外部からの駆動信号に従いオン状態となることにより前記電気負荷側から前記駆動電流を引き込むロウサイド駆動手段との、何れかとして機能させる出力形態切替手段と、
を備えた電気負荷駆動装置において、
前記出力トランジスタが前記ハイサイド駆動手段として機能する場合に、前記出力トランジスタに流れる電流に比例した電圧だけ前記負荷電源の高電位側から降下した電圧を、第１の電流検出信号として発生する第１の電流検出信号発生手段と、
前記負荷電源の高電位側から予め定められた電圧だけ降下した電圧を、前記第１の電流検出信号と比較される第１の過電流判定電圧として発生する第１の過電流判定電圧発生手段と、
前記出力トランジスタが前記ロウサイド駆動手段として機能する場合に、前記出力トランジスタに流れる電流に比例した電圧だけ前記負荷電源の低電位側から上昇した電圧を、第２の電流検出信号として発生する第２の電流検出信号発生手段と、
前記負荷電源の低電位側から予め定められた電圧だけ上昇した電圧を、前記第２の電流検出信号と比較される第２の過電流判定電圧として発生する第２の過電流判定電圧発生手段と、
前記出力形態切替手段により前記出力トランジスタが前記ハイサイド駆動手段として機能させられている場合に、前記第１の電流検出信号と前記第１の過電流判定電圧とを比較して、前記第１の電流検出信号が前記第１の過電流判定電圧を下回ると、前記出力トランジスタに流れている電流が過電流状態であることを示す過電流検出信号を出力し、前記出力形態切替手段により前記出力トランジスタが前記ロウサイド駆動手段として機能させれられている場合に、前記第２の電流検出信号と前記第２の過電流判定電圧とを比較して、前記第２の電流検出信号が前記第２の過電流判定電圧を上回ると、前記過電流検出信号を出力する過電流検出信号出力手段と、
を備えていることを特徴とする電気負荷駆動装置。
請求項１に記載の電気負荷駆動装置において、
前記過電流検出信号出力手段から前記過電流検出信号が出力された場合に、前記出力トランジスタを強制的にオフさせる過電流保護手段を備えていること、
を特徴とする電気負荷駆動装置。
請求項１又は請求項２に記載の電気負荷駆動装置において、
前記第１の電流検出信号発生手段は、
一端が前記出力トランジスタの第１出力端子に接続された第１の電流検出用抵抗と、該第１の電流検出用抵抗の他端に一方の出力端子が接続され、他方の出力端子が前記出力トランジスタの第２出力端子に接続されて、前記出力トランジスタに流れる電流に比例したミラー電流を前記第１の電流検出用抵抗に流す第１の電流検出用トランジスタとからなり、前記第１の電流検出用トランジスタの前記一方の出力端子と前記第１の電流検出用抵抗との接続点の電圧を、前記第１の電流検出信号として発生し、
前記第２の電流検出信号発生手段は、
一端が前記出力トランジスタの第２出力端子に接続された第２の電流検出用抵抗と、一方の出力端子が前記出力トランジスタの第１出力端子に接続され、前記第２の電流検出用抵抗の他端に他方の出力端子が接続されて、前記出力トランジスタに流れる電流に比例したミラー電流を前記第２の電流検出用抵抗に流す第２の電流検出用トランジスタとからなり、前記第２の電流検出用トランジスタの前記他方の出力端子と前記第２の電流検出用抵抗との接続点の電圧を、前記第２の電流検出信号として発生すること、
を特徴とする電気負荷駆動装置。
請求項１ないし請求項３の何れかに記載の電気負荷駆動装置において、
少なくとも前記出力トランジスタと、前記第１の電流検出信号発生手段と、前記第２の電流検出信号発生手段と、前記過電流検出信号出力手段とを含む出力回路が、１個の半導体集積回路内に形成されていること、
を特徴とする電気負荷駆動装置。
請求項４に記載の電気負荷駆動装置において、
前記半導体集積回路内には複数の前記出力回路が形成されていること、
を特徴とする電気負荷駆動装置。