JP4616023B2

JP4616023B2 - 保護回路付き負荷駆動装置

Info

Publication number: JP4616023B2
Application number: JP2005033083A
Authority: JP
Inventors: 晶久上野
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-02-09
Filing date: 2005-02-09
Publication date: 2011-01-19
Anticipated expiration: 2025-02-09
Also published as: JP2006223039A

Description

本発明は、モータなどのＬ負荷を駆動する負荷駆動回路および駆動装置に関し、詳しくは駆動出力が天絡または地絡または負荷ショートした場合に出力段を構成するトランジスタの破壊を防止する保護回路に関するものである。

以下、従来の保護回路付き負荷駆動回路について説明する。

図５は従来の保護回路付き負荷駆動回路の回路図であり、１０１はマイクロコンピュータ、１０２はマイクロコンピュータ１０１から生成された入力信号に対して遅延させた信号を生成する遅延回路、１０３はインバータ、１０４はＡＮＤ回路、１０５はＮＯＲ回路、１０６はＮＰＮトランジスタ、予め設定された任意の電圧と出力から流出した電流を抵抗に流し発生した電圧と比較することにより出力電流レベル検出信号を生成する出力電流検出回路１０７、１０８は出力トランジスタ、１０９は負荷回路である。

マイクロコンピュータ１０１は負荷回路１０９を駆動させるための入力信号Ａを生成し、遅延回路１０２は信号Ａを遅延させた信号を生成し、インバータ１０３は遅延回路１０２からの信号を反転させて判定タイミング信号Ｂを生成し、ＡＮＤ回路１０４は出力信号Ｃと信号Ｂとの論理積により出力判定信号Ｄを生成し、ＮＯＲ回路１０５は信号Ａと信号Ｄの否定論理和により出力駆動信号Ｅを生成する。図５に示す回路は、出力トランジスタ１０８に過電流が流れないように保護する過電流保護機能と、出力信号Ｃの過電圧を検出すると出力トランジスタ１０８を保護する過電圧保護機能を持っている。

まず、過電流保護機能の動作説明をする。出力電流検出回路１０７は抵抗ＲとＩＯＵＴによって発生した電圧ＶＯＵＴと、制限したい電流値に相当する設定電圧との比較によりＮＰＮトランジスタ１０６を制御し、出力トランジスタ１０８のＯＮ／ＯＦＦを決定する。つまり、出力トランジスタ１０８に過電流が流れた場合にはＮＰＮトランジスタ１０６がＯＮし、出力トランジスタ１０８のベース電流を引くことで出力トランジスタ１０８をオフさせ、出力トランジスタ１０８に流れる電流値を制限し破壊を防止する働きを持つ。

次に、過電圧保護回路機能について図６を用いて説明する。図６において信号Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅは、図５を用いて上述した信号に対応しており、信号Ａは入力信号、信号Ｂは判定タイミング信号、信号Ｃは出力信号、信号Ｄは出力判定信号、信号Ｅは出力駆動信号である。信号Ａは図中のようにスイッチング信号であるとき信号Ｂは信号Ａに対して遅延回路にて信号Ａに対して遅延され、インバータ１０３で反転された信号として表れる。また、信号Ｃは異常が発生しない間は信号Ａに同期したスイッチング駆動をする。

このため信号Ｄは信号Ｂと信号Ｃとの論理積であるので、正常動作中は信号Ｃの立ち上がりエッジ対して遅延回路１０２で遅延された時間分だけＨｉｇｈの信号を出力するが、信号Ａと信号Ｄの否定論理和が信号Ｅであるので出力動作に影響を及ぼさない。しかし、図６中のＸのタイミングで信号Ｃに異常（この場合は天絡）が発生すると、このタイミングでは本来信号ＣはＬｏｗであるにも関わらずＨｉｇｈとなるので出力異常と判定し、信号ＤはＨｉｇｈ、信号ＥはＬｏｗとなり出力トランジスタ１０８をオフさせる。天絡状態が継続すると、図６中のＹのタイミングから遅延回路１０２での遅延時間分（区間Ｚ）だけ出力トランジスタ１０８がオンして電流が流れるが、オン時間が十分短い時間に設定しているために出力トランジスタ１０８は破壊を防止するという特徴を持つ。
特開昭６２−２２５１２９号公報

しかしながら従来の構成では、遅延回路を半導体上で構成する際、面積の大きい容量素子を使用することでチップコストが高くなることや、出力電圧の異常を検出する際に出力電圧の異常を判定する電圧レベルが任意に設定できないために、特に負荷がＬ負荷であった場合、出力に電源電圧やＧＮＤレベルと等しい付近でリンギングが発生すると誤検出する場合があることや、出力の不具合を判別する手段として出力電流検出回路を設けているが電流検出の為の外付け素子や精度のあるオペアンプを必要とし回路規模が大きくなるという課題を有していた。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、全体の回路規模を小さくかつ安価なシステムで、判定回路にて入出力信号中のノイズ信号を除去する構成と出力電圧レベル検出回路にて出力電圧異常レベルを任意に設定できる構成により出力電圧の判定の誤検出を防ぐことを目的とする。

この目的を達成するために、本発明は、総合判定信号を生成する総合判定回路と、上側出力駆動信号と下側出力駆動信号によりそれぞれ駆動される直列に接続された上側トランジスタと下側トランジスタを備え、前記上側トランジスタと前記下側トランジスタの接続点を出力としてＬ負荷を駆動する出力段と、上側スイッチング信号と下側スイッチング信号と前記総合判定信号により前記上側出力駆動信号と前記下側出力駆動信号を生成する出力駆動回路と、前記上側スイッチング信号および前記下側スイッチング信号と前記総合判定回路の判定タイミングを決定するための判定タイミング信号とを生成するスイッチング信号生成手段と、あらかじめ設定された出力判定基準電圧と前記出力段より発生した電圧との比較により出力電圧レベル検知信号を生成する出力電圧レベル検出回路と、前記上側スイッチング信号および前記下側スイッチング信号と前記出力電圧レベル検知信号とを入力信号とし上側判定信号と下側判定信号とを生成する判定回路とを備え、前記総合判定回路は、前記上側判定信号と前記下側判定信号および前記判定タイミング信号とにより前記総合判定信号を生成することを特徴とする。このように構成したことにより、外付け素子も要らず回路規模も小さく安価でありながら出力電圧判定の誤認識をなくすことができる。

また、前記判定回路は、前記上側スイッチング信号と前記下側スイッチング信号と前記出力電圧レベル判定信号のノイズ成分を除去するノイズフィルタを有することを特徴とする。このように構成したことにより、出力電圧レベル判定信号にノイズ成分があればそのノイズをノイズフィルタによってノイズを除去するため、誤判定のない上側出力判定信号と下側出力判定信号を生成することができる。

また、前記出力電圧レベル検出回路は、前記スイッチング信号生成手段により生成された出力状態信号に応じて前記出力電圧を検知する出力電圧検知レベルを可変できる可変手段を有することを特徴とする。このように構成したことにより、出力段の出力電圧にノイズが乗った場合でも誤検出なく出力判定信号を生成できる。

本発明の保護回路付き負荷駆動装置によれば、モータなどのＬ負荷をスイッチング駆動して入出力信号にノイズが乗ったとしても、出力状態を誤検出せず正確な判定が可能になり、また、規模の小さい回路構成とスイッチング信号生成手段にてスイッチング信号を生成する際に使用する分周前のロジックパルスを利用することにより、遅延回路を使用しない安価なシステムを提供することが可能になる。このため、負荷駆動装置の出力が天絡や、地絡や、負荷ショートといった本来ならデバイスが破壊に至らしめる可能性のある異常な状態でもデバイスを保護し、破壊を起こさせないという効果がある。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は本発明の第１の実施形態の出力保護回路の基本構成を示す回路図であり、１は、出力段３をスイッチング駆動するための上側スイッチング信号（信号ｂ）と下側スイッチング信号（信号ｃ）と、総合判定回路５の判定タイミングを決定するための判定タイミング信号（信号ａ）とを生成するスイッチング信号生成手段、２は、上側スイッチング信号（信号ｂ）と下側スイッチング信号（信号ｃ）および総合判定回路５から生成された総合判定信号（信号ｈ）により上側出力駆動信号（信号ｉ）と下側出力駆動信号（信号ｊ）を生成する出力駆動回路、３は上側出力駆動信号（信号ｉ）と下側出力駆動信号（信号ｊ）によりＬ負荷７を駆動する出力段、４は上側スイッチング信号（信号ｂ）および下側スイッチング信号（信号ｃ）と出力電圧レベル検出回路６から生成された出力電圧レベル検知信号（信号ｅ）とにより上側出力判定信号（信号ｆ）と下側出力判定信号（信号ｇ）とを生成する判定回路、５は、Ｄフリップフロップを有し、上側判定信号（信号ｆ）と下側判定信号（信号ｇ）および判定タイミング信号（信号ａ）とにより総合判定信号（信号ｈ）を生成する総合判定回路、６はあらかじめ設定された出力判定基準電圧（Ｖ１）と出力電圧（信号ｄ）により出力電圧レベル検知信号（信号ｅ）を生成する出力電圧レベル検出回路、７はモータのＬ負荷である。

次に、図２のタイミングチャートを用いて、第１の実施形態の動作について説明する。

まず、天絡状態になるｔ１までの正常動作について説明する。上側スイッチング信号（信号ｂ）と下側スイッチング信号（信号ｃ）に応じて出力段３はＬ負荷７を駆動することで出力電圧（信号ｄ）を得る。また、出力電圧レベル検知回路６が、出力電圧（信号ｄ）と出力判定基準電圧（Ｖ１）との比較により出力電圧レベル検知信号（信号ｅ）を生成する。この正常動作の区間では出力電圧（信号ｄ）が瞬時に切り替わっているために出力電圧（信号ｄ）と出力電圧レベル検知信号（信号ｅ）は同じ波形となっている。また、判定回路４にて上側スイッチング信号（信号ｂ）と下側スイッチング信号（信号ｃ）それぞれと出力電圧レベル検知信号（信号ｅ）とを比較し、上側出力判定信号（信号ｆ）と下側出力判定信号（信号ｇ）とを生成する。

正常状態では上側スイッチング信号（信号ｂ）と下側スイッチング信号（信号ｃ）それぞれと出力電圧レベル検知信号（信号ｅ）が反転の関係になっているために、上側出力判定信号（信号ｆ）と下側出力判定信号（信号ｇ）はＬｏｗとなっている。また、総合判定回路５では、判定タイミング信号（信号ａ）の立上りエッジのタイミングで出力の正常／異常を判定するが、上側出力判定信号（信号ｆ）と下側出力判定信号（信号ｇ）は正常であることを示しているため総合判定信号（信号ｈ）はＨｉｇｈを出力する。

次に、天絡状態（区間ｔ１からｔ２）と出力ハイインピーダンス状態（区間ｔ２からｔ３）の場合について説明する（ただし、ｔ２のタイミングで出力が異常と検知された直後に天絡状態は解除されるとする）。ｔ１のタイミングで出力が天絡状態となった場合、出力電圧（信号ｄ）はそれまで出力していたＬｏｗからＨｉｇｈとなる。この出力電圧（信号ｄ）がＬｏｗからＨｉｇｈになるときに出力判定基準電圧（Ｖ１）を超えるとその瞬間に出力電圧レベル検知信号（信号ｅ）もＬｏｗからＨｉｇｈとなる。上側出力判定信号（信号ｆ）と下側出力判定信号（信号ｇ）は、判定回路４において上側スイッチング信号（信号ｂ）と下側スイッチング信号（信号ｃ）に対して出力電圧（信号ｄ）が一致していないこと、つまり、出力異常であることを示すＨｉｇｈを出力する。すると、総合判定回路５内のＤフリップフロップのＤはＬｏｗとなり、この状態のまま判定タイミング信号（信号ａ）の立上りエッジのタイミング（ｔ２）が来ると総合判定信号（信号ｈ）はＬｏｗを出力し、出力をハイインピーダンス状態にするために出力駆動回路２では上側出力駆動信号（信号ｉ）をＨｉｇｈに、前記下側出力駆動信号（信号ｊ）をＬｏｗにし、出力はｔ２からｔ３の間ハイインピーダンス状態となる。ハイインピーダンス状態では、出力電圧（信号ｄ）はハイインピーダンス状態のため出力は不定であるが、出力電圧レベル検知信号（信号ｅ）はＬｏｗを出力するように設定している。ｔ４以降の地絡時の動作については天絡時と同様の動作であるために説明を省略する。

以上のような動作により出力が不意に天絡または地絡状態になった場合でも判定タイミング信号（信号ａ）の立上りエッジが来たタイミングで出力を保護（ハイインピーダンス状態に）し、出力段３に大電流が流れて出力段３のトランジスタが破壊されることを防止することが可能になる。

図３は本発明の第２の実施形態の出力保護回路の基本構成を示す回路図であり、８はノイズフィルタ付き判定回路、１０，１１はローパスフィルタなどのノイズフィルタを示す。第２の実施形態は、図１に示した第１の実施形態の判定回路４をノイズフィルタ付き判定回路８としたものであり、ノイズフィルタ付き判定回路８は、第１の実施形態の判定回路４から出力される上側出力判定信号（信号ｆ）と下側出力判定信号（信号ｇ）のラインにノイズフィルタ１０，１１をそれぞれ介装したものである。

このようにノイズフィルタ１０，１１を介装したことにより、上側スイッチング信号（信号ｂ）や下側スイッチング信号（信号ｃ）や出力電圧レベル判定信号（信号ｅ）から上側出力判定信号（信号ｆ）と下側出力判定信号（信号ｇ）を生成するにあたって、不要ノイズ成分あればノイズフィルタ１０，１１によってノイズを除去するため、第１の実施形態よりもノイズを低減した上側出力判定信号（信号ｆ）と下側出力判定信号（信号ｇ）が得られ、安定した出力保護動作を期待できる。なお、ノイズフィルタ１０，１１のカットオフ周波数は、固定または運転モードに応じてコントロールすることによって、より一層安定した出力保護動作を期待できる。

図４は本発明の第３の実施形態の出力保護回路の基本構成を示す回路図であり、９は出力レベル可変機能付検出回路を示す。この第３の実施形態は、図３に示した第２の実施形態の出力電圧レベル検出回路６を、出力レベル可変機能付検出回路９としたものであり、出力レベル可変機能付検出回路９には、運転モードに応じてスイッチング信号生成手段１より出力される出力状態信号（信号ｋ）によって、出力判定基準電圧（Ｖ１）を可変する機能が備えられている。

このように出力状態信号（信号ｋ）に応じて出力判定基準電圧（Ｖ１）を可変できることによって、あらかじめ設定された出力判定基準電圧（Ｖ１）を超えるようなノイズが出力電圧（信号ｄ）に乗って誤検出を引き起こす可能性のある第１，２の実施形態よりもノイズを低減した上側出力判定信号（信号ｆ）と下側出力判定信号（信号ｇ）が得られ、安定した出力保護動作を期待できる。

本発明は、電気回路の保護回路に関するものであり、特にモータなどを駆動するためのパワー出力回路を備える半導体集積回路に適用して安全性の面で高い信頼性を実現できる。

本発明の第１の実施形態の出力保護回路の基本構成を示す回路図第１の実施形態の出力保護回路の動作を示すタイミングチャート本発明の第２の実施形態の出力保護回路の基本構成を示す回路図本発明の第３の実施形態の出力保護回路の基本構成を示す回路図従来の保護回路付き負荷駆動回路の回路図図５のＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ点における信号の状態を示すタイミングチャート

符号の説明

１スイッチング信号生成手段
２出力駆動回路
３出力段
４判定回路
５総合判定回路
６出力電圧レベル検出回路
７Ｌ負荷（モータ）
８ノイズフィルタ付き判定回路
９出力電圧レベル可変機能付検出回路
ａ出力判定タイミング信号
ｂ上側スイッチング信号
ｃ下側スイッチング信号
ｄ出力信号
ｅ出力電圧レベル判定信号
ｆ上側出力判定信号
ｇ下側出力判定信号
ｈ出力判定信号
ｉ上側出力駆動信号
ｊ下側出力駆動信号
ｋ出力状態信号
ＤａｔａＤフリップフロップの入力信号
ＣＬＫＤフリップフロップのクロック信号
ＱＤフリップフロップの出力信号
ＮＱ信号Ｑの反転信号

Claims

総合判定信号を生成する総合判定回路と、上側出力駆動信号と下側出力駆動信号によりそれぞれ駆動される直列に接続された上側トランジスタと下側トランジスタを備え、前記上側トランジスタと前記下側トランジスタの接続点を出力としてＬ負荷を駆動する出力段と、上側スイッチング信号と下側スイッチング信号と前記総合判定信号により前記上側出力駆動信号と前記下側出力駆動信号を生成する出力駆動回路と、前記上側スイッチング信号および前記下側スイッチング信号と前記総合判定回路の判定タイミングを決定するための判定タイミング信号とを生成するスイッチング信号生成手段と、あらかじめ設定された出力判定基準電圧と前記出力段より発生した電圧との比較により出力電圧レベル検知信号を生成する出力電圧レベル検出回路と、前記上側スイッチング信号および前記下側スイッチング信号と前記出力電圧レベル検知信号とを入力信号とし上側判定信号と下側判定信号とを生成する判定回路とを備え、前記総合判定回路は、前記上側判定信号と前記下側判定信号および前記判定タイミング信号とにより前記総合判定信号を生成することを特徴とする保護回路付き負荷駆動装置。
前記判定回路は、前記上側スイッチング信号と前記下側スイッチング信号と前記出力電圧レベル判定信号のノイズ成分を除去するノイズフィルタを有することを特徴とする請求項１記載の保護回路付き負荷駆動装置。
前記出力電圧レベル検出回路は、前記スイッチング信号生成手段により生成された出力状態信号に応じて前記出力電圧を検知する出力電圧検知レベルを可変できる可変手段を有することを特徴とする請求項２記載の保護回路付き負荷駆動装置。