JP4158754B2 - 過電流検知方法および検知回路 - Google Patents

Description

本発明は、バッテリ電源で負荷を駆動する回路における過電流を検知する過電流検知方法および検知回路に関する。

従来から、たとえば自動車におけるランプ点灯などスイッチによってバッテリから負荷へ電力を供給する負荷駆動装置において、過電流の発生を検知して負荷や電線を保護するようにしたものがある。
この過電流を検知する過電流検知回路として、例えば、特開平１１−５１９８３号公報に開示されたものがある。これは、スイッチング半導体素子としてのＦＥＴと負荷との間に設けたシャント抵抗の両端に接続して、シャント抵抗を流れる電流を電圧に変換し、その電圧を基準電圧と比較して過電流を検知するようにしている。

また他の例として、特開２００２−２９０２２２号公報に開示されたものでは、スイッチング素子のＦＥＴ自体をシャント抵抗の代替として使用し、ＦＥＴの両端の電位差を検出して、これに基いて過電流を検知する。
特開平１１−５１９８３号公報 特開２００２−２９０２２２号公報

しかしながら、特開平１１−５１９８３号公報のものでは、シャント抵抗を用いているので、電流が流れる間の発熱の問題を無視できない。そこでシャント抵抗の発熱を低く抑えるためその抵抗値を小さくすると、電流に対する検出電圧も低くなるので、電波障害などによる外来ノイズが入ると過電流が発生したものと誤検知しやすくなる。
特開２００２−２９０２２２号公報のものでも、ＦＥＴのオン抵抗が小さいと、同様に外来ノイズにより誤検知しやすくなるという問題がある。

したがって本発明は、上記の問題点に鑑み、ノイズの影響を受けず精度良く過電流を検知できる過電流検知方法および検知回路を提供することを目的とする。

本発明は、バッテリ電源と負荷の間にスイッチング半導体素子を設けた負荷駆動装置において、スイッチング半導体素子を流れる電流に対応して当該スイッチング半導体素子のバッテリ電源側に対して変化する負荷側の電圧値と、所定の基準値とを比較して、上記負荷側の電圧値が基準値に達したときを過電流と判断し、基準値はバッテリ電源の電圧を分圧して設定することにより、バッテリ電源の電圧の低下が小さいほど、負荷側の電圧値が基準値に達したときに流れる過電流検出電流が大きくなるようにしたものである。

過電流が流れないときはバッテリ電源の電圧の低下は小さい。スイッチング半導体素子を流れる電流に対応して変化する負荷側の電圧値と比較される基準値は、バッテリ電源の電圧の低下が小さいほど、過電流検出電流が大きくなるように設定してあるから、過電流が流れていないときには過電流と判断するための過電流検出電流が高いため、ノイズの影響を受けにくく、誤って過電流と判断することが防止される。

次に、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、実施の形態にかかる過電流検知回路を備えた負荷駆動装置の構成を示すブロック図である。
バッテリ１と負荷３の間にＦＥＴ２が設けられ、ＦＥＴ２のゲートには制御部４が接続されている。制御部４にはスイッチ回路５が接続され、スイッチ回路５からの指令に基いて、制御部４がＦＥＴ２をオン、オフさせる。ＦＥＴ２は、そのドレーン（Ｄ）がバッテリ１に接続され、ソース（Ｓ）が負荷３に接続されている。

ＦＥＴ２に過電流検知回路１０が付設されている。過電流検知回路１０は関数発生回路部１１とコンパレータ１３からなっている。
関数発生回路部１１は、ＦＥＴ２のドレーンとグラウンドＧＮＤ間に設けられた直列の抵抗Ｒ１、Ｒ２からなる分圧回路１２と、これら抵抗Ｒ１とＲ２の接続点ＰとグラウンドＧＮＤ間に設けられたツエナダイオードＺＤを有する。

ツエナダイオードＺＤのブレークダウン電圧は、バッテリ１の定格電圧がＦＥＴ２のドレーンに印加されたときの、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の接続点Ｐにおける電圧よりも低く設定されている。
すなわち、ここではバッテリ１の定格電圧を１２Ｖとし、抵抗Ｒ１の抵抗値を３ｋΩ、抵抗Ｒ２の抵抗値を２７ｋΩ、そしてツエナダイオードＺＤのブレークダウン電圧を６．８Ｖとする。
抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の接続点Ｐはコンパレータ１３の非反転入力端子に接続され、接続点Ｐの電圧が、関数発生回路部１１の出力として、コンパレータ１３に入力される。
コンパレータ１３の反転入力端子はＦＥＴ２のソースに接続されている。コンパレータ１３の出力端子は制御部４に接続されている。

図２は、ＦＥＴ２に過電流が流れていないときのコンパレータ１３の入力状態を示す。
過電流が流れていないときバッテリ１の電圧低下は小さいので、ＦＥＴ２への入力電圧はバッテリ電圧に対して直線Ａのようになる。このときＦＥＴ２のソース電位も入力電圧と同じで、ソースに接続されたコンパレータ１３の反転入力端子にはこの直線Ａの電圧が変数値として印加される。
一方、コンパレータ１３の非反転入力端子に入力される関数発生回路部１１の出力は、直線Ａに対して抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の分圧比による電圧で推移するが、ツエナダイオードＺＤのブレークダウン電圧である６．８Ｖに達した後は、６．８Ｖにクランプされる。
この一定電圧６．８Ｖとなるときのバッテリ電圧の転換点は、下式により７．６Ｖである。
６．８×（３＋２７）／２７＝７．６（Ｖ）

この折れ線Ｂで示される関数発生回路部１１の出力が過電流検知の基準電圧（基準値）となる。過電流が流れていないとき、直線Ａは基準電圧（Ｂ）より高く、コンパレータ１３の出力はＬ（ロウ）である。
過電流が流れると、バッテリ１の電圧が低下する一方、ＦＥＴ２においてもそのオン抵抗によってドレイン−ソース間に電圧降下が生じる。コンパレータ１３は、反転入力端子に入力されるソース電圧が非反転入力端子に入力される基準電圧より低くなった場合に、過電流検知信号としてＨ（ハイ）を出力する。
制御部４はコンパレータ１３からの過電流検知信号を受けたとき、ＦＥＴ２をオフさせて、負荷３への過電流が流れるのを阻止する。

上述のとおり、抵抗Ｒ１の抵抗値を３ｋΩ、抵抗Ｒ２の抵抗値を２７ｋΩ、ツエナダイオードＺＤのブレークダウン電圧を６．８Ｖとし、またＦＥＴ２のオン抵抗３．３ｍΩとすると、バッテリ電圧に対する過電流検出電流（コンパレー１３出力がＨになるときの電流値）は、図３に示すようになる。
すなわち、過電流が流れてバッテリ電圧が５Ｖに低下した状態では、過電流検出電流は１５２Ａである。換言すればＦＥＴ２や負荷３に１５２Ａの電流が流れれば、これを過電流として判断して過電流検知信号が出力されることになる。

一方、実際上過電流が流れていないためバッテリ１の電圧低下がなく、バッテリ電圧が１２Ｖである状態では、下記の計算のとおり、過電流検出電流は１５７６Ａである。
（１２−６．８）Ｖ／３．３ｍΩ＝１５７６Ａ
すなわち、過電流が流れていない場合には、極めて大きな電流が流れなければコンパレータ１３からは過電流検知信号が出力されることはない。

実施の形態は以上のように構成され、バッテリ１と負荷３の間にＦＥＴ２を設けた負荷駆動装置において、ＦＥＴ２のバッテリ側に接続され、バッテリ電圧に対する関数として所定の基準電圧を出力する関数発生回路１１と、基準電圧を非反転入力端子に入力し、ＦＥＴ２のソース電圧を反転入力端子に入力して、ＦＥＴ２のソース電圧が基準電圧まで低下したときに過電流信号を出力するコンパレータ１３とを有するものとし、基準電圧は、バッテリ電圧の低下が小さいほど、ＦＥＴ２のソース電圧が基準電圧まで低下したときに流れる過電流検出電流が大きくなるように設定したので、バッテリ電圧が過電流が流れない高い電圧になるほど、基準電圧とＦＥＴ２のソース電圧との差が大きくなる結果、ノイズが入り込んでも上記の差を埋めるのは困難で、コンパレータ１３が誤って過電流検知信号を出力するのが防止される。

また、関数発生回路１１は、ＦＥＴ２のバッテリ１側に接続された抵抗Ｒ１と、これと直列に接続された抵抗Ｒ２とからなる分圧回路１２を有し、抵抗Ｒ１とＲ２の接続点Ｐをコンパレータ１３の非反転入力端子に接続してあるので、基準電圧はバッテリ電圧に対する抵抗Ｒ１とＲ２の分圧比による電圧で推移し、簡単な構成で、バッテリ電圧が高いほどソース電圧と基準電圧との差を広げ、過電流検出電流を大きくすることができる。

さらに、関数発生回路１１には、抵抗Ｒ１とＲ２の接続点Ｐにカソードを接続して抵抗Ｒ２と並列に設けられたツエナダイオードＺＤを設けて、バッテリ電圧が所定値以上のとき、ツエナダイオードＺＤがブレークダウンすることによって、接続点ＰはツエナダイオードＺＤのブレークダウン電圧に保持されるものとしているから、ＦＥＴ２のソース電圧との差がとくに大きくなる。したがって、過電流が流れていない状態で誤って過電流検知信号を出力するのが一層確実に防止される。

なお、上記実施の形態における各抵抗の抵抗値、ツエナダイオードのブレークダウン電圧、ＦＥＴのオン抵抗、バッテリの定格電圧等の数値はいずれも例示であって、本発明を限定するものではなく、必要に応じて任意に設定できるものである。

本発明の実施の形態の構成を示すブロック図である。 過電流が流れていないときのコンパレータの入力状態を示す図である。 バッテリ電圧に対する過電流検出電流を示す図である。

符号の説明

１ バッテリ（バッテリ電源）
２ ＦＥＴ（スイッチング半導体素子）
３ 負荷
４ 制御部
５ スイッチ回路
１０ 過電流検知回路
１１ 関数発生回路部（関数発生手段）
１２ 分圧回路
１３ コンパレータ
Ｒ１ 抵抗（第１抵抗）
Ｒ２ 抵抗（第２抵抗）
ＺＤ ツエナダイオード

Claims (3)

1. バッテリ電源と負荷の間にスイッチング半導体素子を設けた負荷駆動装置における過電流検知方法であって、
   前記スイッチング半導体素子を流れる電流に対応して当該スイッチング半導体素子のバッテリ電源側に対して変化する負荷側の電圧値と、所定の基準値とを比較して、前記負荷側の電圧値が基準値に達したときを過電流と判断し、
   前記基準値は前記バッテリ電源の電圧を分圧して設定することにより、バッテリ電源の電圧の低下が小さいほど、前記負荷側の電圧値が基準値に達したときに流れる過電流検出電流が大きくなるようにしたことを特徴とする過電流検知方法。
2. バッテリ電源と負荷の間にスイッチング半導体素子を設けた負荷駆動装置における過電流検知回路であって、
   前記スイッチング半導体素子のバッテリ電源側に接続され、該バッテリ電源の電圧に対する関数として所定の基準電圧を出力する関数発生手段と、
   前記基準電圧を非反転入力端子に入力し、前記スイッチング半導体素子の負荷側の電圧を反転入力端子に入力して、前記スイッチング半導体素子の負荷側の電圧が前記基準電圧まで低下したときに過電流信号を出力するコンパレータとを有し、
   前記関数発生手段が、前記スイッチング半導体素子のバッテリ電源側に接続された第１抵抗と、該第１抵抗と直列に接続された第２抵抗とからなる分圧回路であり、前記第１抵抗と第２抵抗の接続点が前記コンパレータの非反転入力端子に接続されて、
   前記バッテリ電源の電圧の低下が小さいほど、前記スイッチング半導体素子の負荷側の電圧が前記基準電圧まで低下したときに流れる過電流検出電流が大きくなることを特徴とする過電流検知回路。
3. 前記関数発生手段が、さらに前記第１抵抗と第２抵抗の接続点にカソードを接続して、第２抵抗と並列に設けられたツエナダイオードを有し、
   バッテリ電源の電圧が所定値以上のとき、前記第１抵抗と第２抵抗の接続点の電圧が一定に保持されることを特徴とする請求項２記載の過電流検知回路。

Images