JP4779944B2 - 断線検出回路 - Google Patents

Description

本発明は、負荷駆動回路により交流駆動される負荷の断線検出回路に関する。

モータの巻線は等価的にインダクタンスと抵抗とからなるため、直流電圧を印加したときに流れる電流に基づいて断線検出を行うことができる。また、Ｈブリッジ回路に接続されたモータに対し正負の電圧を所定の周期で交互に印加し、モータ電流検出手段により検出された電流信号を微分して得たパルス信号の単位時間あたりのパルス数に基づいて断線検知を行うモータ断線検知システムがある（特許文献１参照）。
特開２００２−２３８２９１号公報

これに対し、アンテナや特定のセンサなどのように端子間に等価的にコンデンサが直列に形成されている負荷がある。こうした負荷に対しては、直流駆動した状態で断線検出をすることはできない。図５は、アンテナの駆動回路に対し設けられた従来の断線検出回路を示している。アンテナ１の駆動回路２は、電源線３、４間に出力端子５を挟んで直列に接続されたＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴ７、８と、出力端子６を挟んで直列に接続されたＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴ９、１０とから構成される所謂Ｈブリッジ回路である。ＭＯＳＦＥＴ７、１０とＭＯＳＦＥＴ８、９とを出力周波数に合わせて交互にオンオフ駆動してアンテナ１に交流電流を流す。

ＭＯＳＦＥＴ１０には、電流センス用のＭＯＳＦＥＴ１１とシャント抵抗１２との直列回路が並列に接続されており、シャント抵抗１２の端子間電圧Ｖｃと基準電圧Ｖrefとをコンパレータ１３により比較して断線検出信号Ｓｂを得ている。図６はアンテナ１が正常に接続されている場合における各部の波形であって、上から順に出力端子５の電圧、アンテナ１に流れる電流、シャント抵抗１２の端子間電圧、断線検出信号Ｓｂを示している。（ａ）は、アンテナ１と駆動回路２とのマッチングがとれた望ましい共振状態を示しており、（ｂ）は、アンテナの種類、定数、定数のばらつきなどに起因して上記望ましい共振状態からずれた状態を示している。

ＭＯＳＦＥＴ７、１０のオン期間の中央位置を所定の検出タイミングＰとすると、（ａ）に示す場合には、アンテナ１の断線時、非断線時にそれぞれ断線検出信号ＳｂがＬレベル、Ｈレベルになるので正常に断線検出を行うことができる。これに対し、（ｂ）に示す場合には電流の位相が遅れているため、アンテナ１の非断線時でも上記検出タイミングＰにおけるシャント抵抗１２の端子間電圧が低下し、断線検出信号ＳｂがＬレベルになって誤検出が生じる。なお、共振のずれ方によっては電流位相が進む場合もある。

この誤検出に対しては、基準電圧Ｖrefを低く設定することが考えられるが、基準電圧Ｖrefを下げるとノイズによる誤検出が生じ易くなる。また、電流センス用のＭＯＳＦＥＴ１１のサイズを大きくしてシャント抵抗１２に流れる電流を増やすことも考えられるが、ＩＣとして構成したときのチップ面積が増大しコスト高を招いてしまう。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、負荷の特性ばらつきやノイズによる負荷断線の誤検出を防止でき、しかも回路構成を極力簡単化できる断線検出回路を提供することにある。

請求項１に記載した手段によれば、断線検出を実行する場合、負荷の一端側が接続される出力端子を負荷駆動回路において電気的にハイインピーダンスとすることにより、当該出力端子と負荷駆動回路とを電気的に切り離す。そして、初期化回路を動作させてコンデンサの電荷を初期化する。その後、負荷駆動回路を動作させて負荷の他端側が接続される出力端子を交流駆動する。

負荷が断線していない場合には、負荷を介してその一端側が接続される出力端子に交流駆動に伴う交流信号が伝達され、その交流信号はダイオードを通してコンデンサに充電される。逆流防止用のダイオードの存在により、コンデンサに蓄積された電荷が出力端子に抜けることはない。その結果、コンデンサの端子間電圧は徐々に上昇し、やがて判定基準電圧以上となるので、判定回路は断線検出信号を出力しない。

これに対し、負荷が断線している場合には、負荷の一端側が接続される出力端子に交流駆動に伴う交流信号が伝達されず、コンデンサへの充電は行われない。その結果、コンデンサの端子間電圧は上昇せず、判定基準電圧よりも低い状態のままとなるので、判定回路は断線検出信号を出力する。

本手段によれば、両端子間に等価的にコンデンサが直列に形成されている負荷例えばアンテナや特定のセンサなどであっても、交流駆動時に負荷のコンデンサを介して交流結合された出力端子に交流信号が伝達されるので、負荷の断線を検出可能となる。また、伝達された交流信号をコンデンサで積分した電圧と判定基準電圧との比較により断線検出を行うので、負荷の特性や特性のばらつきなどによる電流位相のずれが問題となることはなく、積分することにより判定基準電圧を高く設定できるのでノイズによる誤検出も防止できる。さらに、従来回路のようなセンス用半導体素子を付加する必要もなく、ＩＣとして構成したときのチップ面積も低減できる。

請求項２、３に記載した手段によれば、出力端子に接続されている第１の抵抗により、外部から侵入するサージ電圧等から断線検出回路を保護することができ、第２の抵抗により、コンデンサへの充電時の時定数を所望の値に設定できる。なお、第２の抵抗に保護機能を持たせることもでき、第１の抵抗に時定数の調整機能を持たせることもできる。

請求項４に記載した手段によれば、断線検出時に、負荷の一端側が接続される出力端子からダイオードに至る信号経路と所定の電源線との間に第１のスイッチ回路を介して第３の抵抗が接続されるので、上記信号経路のインピーダンスを下げることができる。これにより、ノイズによる誤検出を一層確実に防止することができる。

請求項５に記載した手段によれば、負荷駆動回路は所謂Ｈブリッジ回路により構成されており、通常の負荷駆動時においては、２組のブリッジ回路により両出力端子を駆動する。これに対し、断線検出時においては、負荷の一端側が接続される出力端子を挟み込む第１および第２のスイッチング素子をオフ駆動してハイインピーダンスとした状態で、負荷の他端側が接続される出力端子を挟み込む第１および第２のスイッチング素子を交互にオンオフ駆動して当該出力端子を交流駆動する。

請求項６に記載した手段によれば、通常の負荷駆動時においては、負荷の一端側が接続される出力端子を第４の抵抗と第２のスイッチ回路を介してグランドに接続し、負荷の他端側が接続される出力端子をリニア増幅器（例えばオペアンプ、プッシュプル出力回路）により駆動する。これに対し、断線検出時においては、負荷の一端側が接続される出力端子を第２のスイッチ回路をオフしてグランドから切り離しハイインピーダンスとした状態で、負荷の他端側が接続される出力端子をリニア増幅器により交流駆動する。

請求項７に記載した手段によれば、負荷駆動回路が複数存在する場合、ダイオードまでの回路部分を個々に設け、１つのコンデンサを各負荷駆動回路で共用化し、断線検出時には上述した方法により各負荷駆動回路を順に駆動して断線を検出する。コンデンサを共用化することにより、回路規模（ＩＣ化したときのチップサイズ）を低減できる。

（第１の実施形態）
以下、本発明をアンテナの駆動回路に適用した第１の実施形態について図１および図２を参照しながら説明する。
図１は、アンテナの駆動回路に対し設けられた断線検出回路を示しており、図５と同一部分には同一符号を付している。アンテナ１（負荷に相当）は、電波キーを携帯して車両に近づくとドアが解錠され、遠ざかれば施錠されるキーレスエントリーシステムの車載器（図示せず）に接続されており、車両の各ドア、車室内、トランク、バンパーなどにそれぞれ設置されている。各アンテナ１は、それぞれ個別の駆動回路２（負荷駆動回路に相当）により駆動され、上記車載器は、定期的に電波を送信し、電波キーはその電波を受信すると応答信号を返すようになっている。

アンテナ１の駆動回路２と断線検出回路２１は、半導体集積回路装置（ＩＣ）として構成されている。駆動回路２は、既述したように電源線３、４間に出力端子５を挟んで直列に接続されたＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴ７、８（第１、第２のスイッチング素子）からなるブリッジ回路２ａと、出力端子６を挟んで直列に接続されたＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴ９、１０（第１、第２のスイッチング素子）からなるブリッジ回路２ｂとから構成される所謂Ｈブリッジ回路である。

ＩＣの出力端子５と６の間には、抵抗２２、アンテナ１および抵抗２３が直列に接続されている。アンテナ１は、等価的にコンデンサ１ａとコイル１ｂとの直列回路として表すことができる。抵抗２２、２３は、それぞれＩＣの出力端子５、６と当該ＩＣを収容した車載器の外部端子２４、２５との間に接続されており、車載器の外部においてアンテナ１または配線ケーブルが短絡した時に電流を制限する保護機能、サージ電圧に対する保護機能、アンテナ１に流れる電流の調整機能を果たしている。

断線検出回路２１は、一端がグランドに接続されたコンデンサ２６、アンテナ１の一端側が接続される出力端子６とコンデンサ２６の他端との間に直列に接続された抵抗２７（第１の抵抗に相当）、ダイオード２８、抵抗２９（第２の抵抗に相当）、コンデンサ２６の両端子間にコレクタ・エミッタ間が接続されたトランジスタ３０（初期化回路に相当）、およびシュミット入力タイプのバッファ回路３１（判定回路に相当）から構成されている。

ここで、ダイオード２８は、出力端子６からコンデンサ２６に充電電流が流れる向きに接続されており、コンデンサ２６から出力端子６への逆流を防止する機能を有している。また、バッファ回路３１のＬレベルからＨレベルへのしきい値電圧が判定基準電圧Ｖthとなる。抵抗２７、２９（特には抵抗２７）は、ＩＣの外部から侵入するサージ電圧から断線検出回路２１を保護するために設けられており、抵抗２７、２９（特には抵抗２９）は、コンデンサ２６の静電容量とともに適切な時定数を設定するために設けられている。抵抗２７、２９の一方を省略することもできる。

制御回路３２は、駆動回路２および断線検出回路２１を制御するもので、ＭＯＳＦＥＴ７、８、９、１０の各ゲートに駆動信号Ｓ1H、Ｓ1L、Ｓ2H、Ｓ2Lを出力するとともに、トランジスタ３０のベースに駆動信号Ｓｒを出力するようになっている。また、断線検出モードにおいては、バッファ回路３１から出力される断線検出信号Ｓｃに付随して、断線検出信号Ｓｃの取り込みタイミングを指示するタイミング信号Ｓｔを出力するようになっている。

次に、図２を参照しながら断線検出回路２１の動作を説明する。
電波を送出する通常モードにおいてアンテナ１を駆動する場合、制御回路３２は、ＭＯＳＦＥＴ７、１０とＭＯＳＦＥＴ８、９とを出力周波数（例えば１００ｋＨｚ〜２００ｋＨｚ程度）に合わせて交互にオンオフ駆動してアンテナ１に交流電流を流す。

これに対し、外されていたバッテリが車載機器に接続された時などに、制御回路３２は一時的に断線検出モードに移行し、以下に述べる方法によりアンテナ１の断線検出を実行する。図２は、アンテナ１が正常に接続されている場合における断線検出モードでの各部の波形であって、上から順に駆動信号Ｓ1H、Ｓ1L、Ｓ2H、Ｓ2L、出力端子５の電圧、出力端子６の電圧、駆動信号Ｓｒ、コンデンサ２６の端子間電圧Ｖｃ、断線検出信号Ｓｃを示している。

制御回路３２は、まず駆動信号Ｓ2H、Ｓ2LをＬレベルに固定してＭＯＳＦＥＴ９、１０をオフ駆動し、駆動回路２において出力端子６をハイインピーダンスの状態とする。コンデンサ２６には、通常モードでアンテナ１を駆動した場合或いはノイズが侵入した場合に電荷が蓄積されるので、駆動信号ＳｒをＨレベルにしてトランジスタ３０をオン駆動し、コンデンサ２６の電荷を放電（初期化）する（時刻ｔ１）。その後、駆動信号ＳｒをＬレベルに戻し（時刻ｔ２）、相補的な関係を持つ駆動信号Ｓ1H、Ｓ1LによりＭＯＳＦＥＴ７、８を交互にオンオフ駆動する（時刻ｔ３）。このときの駆動周波数は、通常モードにおける駆動周波数と異なっていてもよい。

この交流駆動により、出力端子５の電圧は電源線３の電圧と電源線４の電圧（０Ｖ）との間で変化し、このパルス状の交流信号がアンテナ１を介して出力端子６に伝達される。ＭＯＳＦＥＴ７がオンの時には、出力端子６の電圧が上昇し、出力端子６から抵抗２７、ダイオード２８、抵抗２９を介してコンデンサ２６に電流が流れ込む。一方、ＭＯＳＦＥＴ８がオンの時には、出力端子６の電圧が下降するが、ダイオード２８が存在するためにコンデンサ２６から出力端子６に電流が流れることはない。

その結果、時間の経過とともにコンデンサ２６に電荷が蓄積されて端子間電圧Ｖｃが徐々に上昇し、やがて端子間電圧Ｖｃが判定基準電圧Ｖth以上となる時刻ｔ４において、断線検出信号ＳｃがＬレベルからＨレベルに変化する。断線検出信号Ｓｃが与えられるロジック判定回路（図示せず）は、制御回路３２から出力されるタイミング信号Ｓｔで指示された時刻ｔ５において断線検出信号Ｓｃを取り込む。取り込んだ断線検出信号ＳｃがＨレベルの場合にはアンテナ１が正常に接続された状態であり、取り込んだ断線検出信号ＳｃがＬレベルの場合にはアンテナ１が断線した状態であると判定できる。

なお、アンテナ１の定数のばらつきやノイズによる誤検出を確実に防止するには、断線検出信号Ｓｃを取り込むためのタイミング信号Ｓｔを適切に出力する必要がある。具体的には、コンデンサ２６の電荷を初期化して駆動信号Ｓ1H、Ｓ1Lの出力を開始した時点から、端子間電圧Ｖｃが十分に安定する時間が経過した後であって、且つ、ノイズの侵入により端子間電圧Ｖｃが判定基準電圧Ｖthに接近する前の時点でタイミング信号Ｓｔを出力することが好ましい。

以上説明した本実施形態によれば、Ｈブリッジ回路として構成された駆動回路２の一方の出力端子６に、抵抗２７、２９、ダイオード２８、コンデンサ２６、トランジスタ３０およびバッファ回路３１からなる断線検出回路２１を接続し、断線検出モードで出力端子６を駆動回路２内においてハイインピーダンスの状態に保持し、他方の出力端子５を交流駆動するように構成した。これにより、端子間に等価的にコンデンサ１ａが直列に形成されたアンテナ１の断線を検出可能となる。

断線検出回路２１は、交流駆動により出力端子６に伝達された交流信号をコンデンサ２６で積分し、そのコンデンサ２６の端子間電圧Ｖｃと判定基準電圧Ｖthとの比較により断線検出信号Ｓｃを生成するので、アンテナ１の種類、定数（特性）、定数のばらつきなどに対する依存性が低く、確実に断線を検出することができる。また、アンテナ１が正常に接続されている場合、端子間電圧Ｖｃは比較的高くなるので、判定基準電圧Ｖthを高く設定でき、ノイズによる誤検出も防止できる。

断線検出回路２１は、従来回路のようなセンス用半導体素子を付加する必要もなく、従来回路に比べ構成も簡単化しているので、ＩＣとして構成したときのチップ面積を低減でき、製造コストを下げることができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について図３を参照しながら説明する。
図３は、アンテナの断線検出回路を示しており、図１と同一部分には同一符号を付している。この断線検出回路３３は、出力端子６からダイオード２８に至る信号経路のうちダイオード２８のアノードと電源線４（グランド）との間に抵抗３４（第３の抵抗に相当）とＭＯＳＦＥＴ３５（第１のスイッチ回路に相当）とを直列に接続した構成を備えている。制御回路３６は、このＭＯＳＦＥＴ３５に対し駆動信号Ｓａを出力するようになっている。その他の部分は、図１に示す断線検出回路２１と同じ構成である。

制御回路３６は、通常モードにおいては駆動信号ＳａをＬレベルとし、ＭＯＳＦＥＴ３５をオフ駆動する。これに対し、断線検出モードにおいては駆動信号ＳａをＨレベルとし、ＭＯＳＦＥＴ３５をオン駆動する。ＭＯＳＦＥＴ３５がオンすると、抵抗３４を介してプルダウンされるので上記信号経路のインピーダンスを下げることができる。これにより、ノイズによる誤検出を一層確実に防止することができる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について図４を参照しながら説明する。
図４は、アンテナの駆動回路に対し設けられた断線検出回路を示しており、図１と同一部分には同一符号を付している。アンテナ１の駆動回路３７は、発振回路３８、オペアンプ３９（リニア増幅器に相当）、抵抗４２（第４の抵抗に相当）およびＭＯＳＦＥＴ４０（第２のスイッチ回路に相当）から構成されており、断線検出回路２１については第１の実施形態と同じ構成である。発振回路３８は、制御回路４１からの発振指令信号Ｓｅに従って所定の周波数を持つ交流信号を生成するようになっている。

制御回路４１は、通常モードにおいて駆動信号ＳｄをＨレベルとし、ＭＯＳＦＥＴ４０をオン駆動してアンテナ１の一端側を抵抗４２を介して電源線４に接続する。オペアンプ３９は、発振回路３８から出力された交流信号により、出力端子５に接続されたアンテナ１の他端側を交流駆動する。

これに対し、制御回路４１は、断線検出モードにおいて駆動信号ＳｄをＬレベルとし、ＭＯＳＦＥＴ４０をオフ駆動してアンテナ１の一端側を電源線４（グランド）から切り離す。この状態で、駆動信号Ｓｒを一時的にＨレベルにしてコンデンサ２６の電荷を初期化し、その後、オペアンプ３９は発振回路３８から出力された交流信号によりアンテナ１の他端側を交流駆動する。

本実施形態によっても第１の実施形態と同様の作用により、アンテナ１の断線検出を行うことができる。また、第２の実施形態と同様に、ダイオード２８のアノードと電源線４との間に抵抗３４とＭＯＳＦＥＴ３５とを直列に設け、断線検出モードにおいてＭＯＳＦＥＴ３５をオン駆動してもよい。

（その他の実施形態）
なお、本発明は上記し且つ図面に示す各実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のように変形または拡張が可能である。
複数設置された各アンテナ１に対し個別に設けられた駆動回路２、３７に対する断線検出回路２１、３３において、ダイオード２８のカソード同士を共通に接続し、その後段の回路（抵抗２９、コンデンサ２６、トランジスタ３０、バッファ回路３１）を共通化してもよい。この場合には、複数の各アンテナ１について順に断線検出を実行する。この構成によれば断線検出に要する時間は長くなるが、コンデンサ２６等のレイアウト面積を縮小できる。

負荷は、アンテナに限らずセンサ（特に端子間に等価的にコンデンサが形成されているもの）、モータ巻線、その他の負荷（特に交流駆動されるもの）であってもよい。
負荷駆動回路の構成は、駆動回路２、３７に限られず、負荷に対し交流信号を与える機能を備えたものであればよい。また、ハイサイドの第１のスイッチング素子とローサイドの第２のスイッチング素子は、Ｐチャネル型ＭＯＳＦＥＴとＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴとの組み合わせ、ＮＰＮ形トランジスタとＮＰＮ形トランジスタとの組み合わせ、ＰＮＰ形トランジスタとＮＰＮ形トランジスタとの組み合わせで構成してもよい。
トランジスタ３０に替えてＭＯＳＦＥＴを採用してもよい。バッファ回路３１に替えてシュミット入力タイプのインバータ回路、コンパレータ等を採用してもよい。

本発明の第１の実施形態を示すアンテナの駆動回路と断線検出回路の構成図 アンテナが正常に接続されている場合における断線検出モードでの各部の波形を示す図 本発明の第２の実施形態を示す図１相当図 本発明の第３の実施形態を示す図１相当図 従来技術を示す図１相当図 アンテナの非断線時における各部の波形図で、（ａ）はマッチングのとれた共振状態、（ｂ）は電流が遅れた共振状態を示す図

符号の説明

図面中、１はアンテナ（負荷）、２、３７は駆動回路（負荷駆動回路）、２ａ、２ｂはブリッジ回路、４は電源線、５、６は出力端子、７、９はＭＯＳＦＥＴ（第１のスイッチング素子）、８、１０はＭＯＳＦＥＴ（第２のスイッチング素子）、２１、３３は断線検出回路、２６はコンデンサ、２７は抵抗（第１の抵抗）、２８はダイオード、２９は抵抗（第２の抵抗）、３０はトランジスタ（初期化回路）、３１はバッファ回路（判定回路）、３２、３６、４１は制御回路、３４は抵抗（第３の抵抗）、３５はＭＯＳＦＥＴ（第１のスイッチ回路）、３９はオペアンプ（リニア増幅器）、４０はＭＯＳＦＥＴ（第２のスイッチ回路）、４２は抵抗（第４の抵抗）である。

Claims (7)

1. 一対の出力端子を介して負荷に対し交流信号を与える負荷駆動回路の前記出力端子に接続された負荷の断線を検出する断線検出回路において、
   コンデンサと、
   前記負荷の一端側が接続される前記出力端子と前記コンデンサとの間に充電可能な向きに接続されたダイオードと、
   前記コンデンサの電荷を初期化する初期化回路と、
   前記コンデンサの端子間電圧が所定の判定基準電圧に対し不足する場合に断線検出信号を出力する判定回路と、
   断線検出を実行する場合、前記負荷の一端側が接続される前記出力端子を前記負荷駆動回路において電気的にハイインピーダンスとした状態で、前記初期化回路を動作させて前記コンデンサの電荷を初期化し、前記負荷駆動回路を動作させて前記負荷の他端側が接続される前記出力端子を交流駆動する制御回路とを備えて構成されていることを特徴とする断線検出回路。
2. 前記ダイオードと直列に抵抗が接続されていることを特徴とする請求項１記載の断線検出回路。
3. 前記抵抗は、前記負荷の一端側が接続される出力端子と前記ダイオードとの間に接続された第１の抵抗と、前記ダイオードと前記コンデンサとの間に接続された第２の抵抗とから構成されていることを特徴とする請求項２記載の断線検出回路。
4. 前記負荷の一端側が接続される出力端子から前記ダイオードに至る信号経路と所定の電源線との間に直列に接続された第３の抵抗と第１のスイッチ回路を備え、
   前記制御回路は、前記第１のスイッチ回路を閉じた状態で前記断線検出を実行することを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の断線検出回路。
5. 前記負荷駆動回路は、前記出力端子を挟んで直列に接続された第１および第２のスイッチング素子からなるブリッジ回路を２組備えたＨブリッジ回路の構成を備えており、
   前記制御回路は、前記断線検出を実行する場合、前記負荷の一端側が接続される前記出力端子を挟み込む前記第１および第２のスイッチング素子をオフ駆動した状態で、前記コンデンサの電荷を初期化し、前記負荷の他端側が接続される前記出力端子を挟み込む前記第１および第２のスイッチング素子を交互にオンオフ駆動することを特徴とする請求項１ないし４の何れかに記載の断線検出回路。
6. 前記負荷駆動回路は、前記負荷の一端側が接続される前記出力端子とグランドとの間に第４の抵抗と第２のスイッチ回路を備え、前記負荷の他端側が接続される前記出力端子をリニア増幅器により駆動するように構成されており、
   前記制御回路は、前記断線検出を実行する場合、前記第２のスイッチ回路をオフ駆動した状態で、前記コンデンサの電荷を初期化し、前記負荷の他端側が接続される前記出力端子を前記リニア増幅器により交流駆動することを特徴とする請求項１ないし４の何れかに記載の断線検出回路。
7. 前記負荷駆動回路が複数存在する場合、前記コンデンサを前記各負荷駆動回路で共用化したことを特徴とする請求項１ないし６の何れかに記載の断線検出回路。

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