JP6462473B2 - 負荷駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、ソレノイド、抵抗負荷などの負荷を駆動する負荷駆動装置に係り、特に車両に用いられる負荷を駆動するのに適した負荷駆動装置に関する。

車両には多くの負荷が搭載されており、これらを通電制御するために、半導体によるスイッチが多用されている。半導体スイッチは、価格や重量の低減に寄与するために、一般的なものになっている。また、負荷内部での短絡、負荷と負荷駆動装置を接続するワイヤーハーネス部位のバッテリ等への短絡時に半導体スイッチを過電流破壊から保護する過電流保護機能が負荷駆動装置内に実装されている。例えば、過電流保護手法として特許第５１２９５８２号（特許文献１）に記載されるように、スイッチ素子に流れる電流を検出する電流検出手段による技術が提案されている。

特許第５１２９５８２号公報

負荷駆動装置は、半導体スイッチの過電流保護機能による信頼性向上とともに、車両に搭載されている多くの負荷に適用できるような汎用性/フレキシビリティ、更には、同一の負荷駆動装置を多様な車両に適用できる汎用性/フレキシビリティが求められている。

また、負荷駆動装置自体のコスト低減は継続的な開発要求値である。

更には、近年の機能安全要求により、安全に関わる重要な負荷の過電流保護機能の更なる信頼性向上が求められている。

本発明の目的は、負荷駆動装置の汎用性/フレキシビリティ、低コスト化、信頼性向上を兼ね備えた負荷駆動装置を提供することである。

上記課題を解決するため本発明の負荷駆動装置は、電磁負荷の通電電流を制御するためのスイッチング素子と、前記通電電流を検出するための通電電流検出用素子と、を備えた負荷駆動装置において、前記負荷駆動装置は、前記通電電流を検出または推定するための複数の電流検出回路と、前記複数の電流検出回路の少なくとも一つを設定により切り替えて使用する設定回路と、を備える。

本発明によれば、汎用性/フレキシビリティ、低コスト化、信頼性向上を兼ね備えた負荷駆動装置を提供できる。

ひいては、同一の負荷駆動装置を多様な車両に適用することができ、過去の負荷駆動装置の設計資産を利用することが出来、開発コストの低減、実績ある設計資産利用による信頼性の向上が実現出来る。

負荷駆動装置の第１実施形態。 過電流保護機能構成図。 駆動制御内部構成図 負荷駆動装置の第２実施形態。 過電流保護機能を冗長構成とした負荷駆動装置の第３実施形態。 第３実施形態の過電流保護機能構成図。 第３実施形態の駆動制御内部構成図 負荷駆動装置の第４実施形態。 負荷駆動装置の第５実施形態。 負荷駆動装置の第６実施形態。 負荷駆動装置の第７実施形態。 負荷駆動装置の第８実施形態。 負荷駆動装置の第９実施形態。

以下、添付された図面を参照し、本発明を実施するための実施形態の例について詳述する。

なお、図面は簡略的なものであるから、この図面の記載を根拠として本発明の技術的範囲を狭く解釈してはならない。また、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

［第１実施形態］
図１は、負荷を駆動する負荷駆動装置の一例であり、ローサイドドライバで電流検出素子をスイッチ素子とグランド間に設けたソレノイド負荷を駆動する負荷駆動装置１００として示す。ソレノイド負荷としては、例えば内燃機関に燃料を噴射するための燃料噴射弁、変速機のギアを制御するソレノイド、各種リレー等が挙げられる。なお、駆動する負荷は、ソレノイドに関わらず、抵抗などの負荷を駆動することもできる。

負荷駆動装置１００は、負荷を最適制御するマイコン1、過電流保護主要機能を内蔵したＩＣ（集積回路）２、負荷を駆動するスイッチ素子９、スイッチ素子に流れる電流を検出する電流検出素子１２を主要部品として構成される。

マイコン１は、負荷１０を最適制御するための制御信号１aをＩＣ２に対して出力する。ＩＣ２では、制御信号１aを受信し、バッファ回路３でON/OFF判定閾値を判別することにより、バッファ制御信号3aを駆動制御回路４に出力する。なお、バッファ回路３は、ON/OFF判定値が同一閾値のバッファ構成とON/OFF判定値間にヒステリシス電圧を有するヒステリシス付バッファ構成のどちらでも可能である。

駆動制御回路４は、スイッチ素子９に流れる電流が正常範囲内の場合は、バッファ制御信号３aに従い、駆動制御信号４aをプリドライバ５に出力する。

プリドライバ５では、駆動制御信号４aがON出力指令の場合は、電圧レベル変換をしてスイッチ素子９のON抵抗を最適値になるように、ゲート電圧制御信号５aを制御する。逆に、駆動制御信号４aがOFF出力指令の場合は、電圧レベル変換をして、スイッチ素子9を遮断するようにゲート電圧制御信号５aを制御する。

スイッチ素子９は、前記ゲート電圧制御信号５aに従いON/OFF動作をして、ワイヤーハーネス９aを介して負荷１０に流れる電流をON/OFF制御する。

なお、スイッチ素子９には、サージ電圧による過電圧からスイッチ素子９を保護する素子２２が設定されている。

電源１１は、負荷１０の電源であり、例えば車載バッテリに接続される。

負荷１０、および、スイッチ素子９に流れる電流は、電流検出素子１２で検出される。検出電流値を高精度で検出する場合は、本電流検出素子が必要である。例えば、電流検出素子１２を精度±１％の抵抗素子、ＩＣ２内部の電流検出に関わる精度を±２％で実現すると、電流検出のトータル精度を±３％で実現できる。

電流検出素子１２で検出された電流値は電圧に変換され、電流検出素子１２の両端の電圧信号１２a、１２bは、差動増幅器１４に入力される。

差動増幅器１４で処理された負荷電流信号１４aは、２つの目的で使用される。

第一の目的は、スイッチ素子9の過電流保護である。また、第二の目的は、負荷１０、および、スイッチ素子９に流れる負荷電流１０aの電流モニタである。

先に第一の目的について記載する。

負荷電流信号１４aは、過電流判定手段（電流）１６に入力され、負荷電流１０aがスイッチ素子９の許容電流値以内か否かを所定電流値と比較する。負荷電流信号１４aのレベルが所定電流値以上である場合は、過電流であると判別され、過電流信号１６aをHigh出力する。逆に、負荷電流信号１４aのレベルが、所定電流値未満である場合は、通常状態であると判別され、過電流信号１６aはLow出力となる。

スイッチ素子９の許容電流値は、使用するスイッチ素子により異なる。よって、過電流判定手段（電流）１６の過電流判定閾値は、使用するスイッチ素子９により可変できる構成とする。過電流判定閾値は、マイコン１からの指示に基づき切り換える。マイコン１とＩＣ２間は、通信線２１aで接続され、マイコン１からの過電流判定閾値は、通信部２１でデコードされ、信号線２１b経由で過電流判定手段（電流）１６内の過電流判定閾値を切換える。

１７は切換え素子であり、過電流検出を電流、電圧のどちらで実施するかを選択する。その切換え選択は、マイコン１からの指示に基づき、ＩＣ２内の通信部２１でデコードされた信号線２１b経由で、切換え素子１７を切換える。

過電流信号１６aを使用する場合は、切換え素子１７により信号線１６a=１７aとなるように切換わる。

フィルタ１８は、過電流信号１６a、１７aが所定時間継続した場合にフィルタリング過電流信号１８aを出力する。なお、フィルタ１８の所定時間は、過電流判定手段により時間を切換える。電流値を検出する場合は、電圧値を検出する場合に比べて耐ノイズ性が優れていることから、過電流判定手段（電流）１６を使用する場合は、過電流判定手段（電圧）１５を使用する場合より、所定時間を短くすることができる。

例えば、過電流判定手段（電流）１６使用する場合の過電流判定時間はtyp. 6us、過電流判定手段（電圧）１５を使用する場合の過電流判定時間は typ. 10usとする。

フィルタリング過電流信号１８aは、駆動制御回路４と診断部１９に出力される。

駆動制御回路４にて、フィルタリング過電流信号１８aのHigh信号、即ち、過電流状態である場合は、スイッチ素子９をOFF制御する。逆にフィルタリング過電流信号１８aのLow信号、即ち、通常状態である場合は、駆動制御回路４に干渉しない。

診断部１９は、フィルタリング過電流信号１８aを元に診断情報１９aを通信部２１を介して、マイコン１に通知する。マイコン１では、本情報を元に過電流/通常状態を判別できる。

次に第二の目的について記載する。

負荷電流信号１４aは、負荷１０の抵抗値をマイコン１で算出するために用いられる。ＩＣ２の内部信号である負荷電流信号１４aをマイコン１に伝達するために、バッファ回路２０を介する。バッファ回路２０によりインピーダンス干渉を回避して、負荷電流信号２０aをマイコン１に伝達する。マイコン１では、得られた負荷電流信号２０aにより、負荷１０の抵抗値算出、負荷１０状態の推定が可能となる。

ＩＣ２内には、電流検出素子１２を用いなくともスイッチ素子９の過電流保護を実現する手段を設定する。

差動増幅器１３は、スイッチ素子９の上流電圧９aと下流電圧１２aの差分を検出する。スイッチ素子９のON時は、上流電圧９aと下流電圧１２a間の電圧は、スイッチ素子９のON抵抗と負荷電流１０aの積により決定される電圧値が生成される。差動増幅器１３で検出された差動検出電圧値１３aは、過電流判定手段（電圧）１５に入力される。過電流判定手段（電圧）１５では、検出電圧値がスイッチ素子９の許容電流値以内か否かを所定電流値と比較する。本実施形態については、第２実施形態で記載する。

図２は、過電流保護機能について記載した図である。

図１において、過電流判定手段（電圧）１５、過電流判定手段（電流）１６、切換え素子１７、フィルタ１８の内部回路および相互接続について記載する。

信号線２１bは、マイコン１からの切換え信号である。

過電流判定手段（電流）１６の機能によりスイッチ素子９の過電流保護を実現する場合は、信号線２１bにより以下のように切換える。フィルタ１８は、電流検出用時間３３を使用するようにスイッチ素子３４を切換え、信号３４a=信号３３aとする。切換え素子１７は、フィルタ１８への入力が、過電流判定手段（電流）１６になるように、信号１６a=１７aとなるように切換える。

負荷電流信号１４aは、過電流判定手段（電流）１６に入力され、コンパレータ４０により基準電圧信号３９aと比較される。負荷電流信号１４aが基準電圧信号３９aより小さい、通常状態では、１６aはLOW出力、逆に負荷電流信号１４aが基準電圧信号３９aより大きい、過電流状態では、１６aはHIGHとなる。

ここで、基準電圧信号３９aは、使用するスイッチ素子９により異なる許容電流値に対応できるように、複数の基準値に切換え可能な構成とする。本実施例では、２段階の基準電圧値に切換え可能とする例を示す。基準電圧信号３９aは、BGR(Band Gap Reference)から抵抗分圧で生成する回路３８から出力される。本実施例では、３８aと３８bの異なる基準電圧値が設定可能となっており、スイッチ素子３９で、スイッチ素子９の許容電流値に最適な過電流判定基準値になるように、３８aと３８bの何れか一方を選択する。

過電流信号１６aは、切換え素子１７経由でフィルタ１８へ入力される。フィルタ１８では、過電流信号１７aの継続時間を電流検出用時間３３とフィルタ３１で比較され、過電流信号１６a、１７aのHIGH継続時間が、電流検出用時間３３以上継続した場合にフィルタリング過電流信号１８aをHIGHとする。

過電流判定手段（電圧）１５の機能によりスイッチ素子９の過電流保護を実現する場合は、信号線２１bにより以下のように切換える。フィルタ１８は、電圧検出用時間３２を使用するようにスイッチ素子３４を切換え、信号３４a=信号３２aとする。切換え素子１７は、フィルタ１８への入力が、過電流判定手段（電圧）１５になるように、信号１５a=１７aとなるように切換える。

差動検出信号１３aは、過電流判定手段（電圧）１５に入力され、コンパレータ３７により基準電圧信号３６aと比較される。差動検出信号１３aが基準電圧信号３６aより小さい、通常状態では、１５aはLOW出力、逆に差動検出信号１５aが基準電圧信号３６aより大きい、過電流状態では、１５aはHIGHとなる。

ここで、基準電圧信号３６aは、使用するスイッチ素子９により異なる許容電流値に対応できるように、複数の基準値に切換え可能な構成とする。本実施例では、２段階の基準電圧値に切換え可能とする例を示す。基準電圧信号３６aは、BGR(Band Gap Reference)から抵抗分圧で生成する回路３５から出力される。本実施例では、３５aと３５bの異なる基準電圧値が設定可能となっており、スイッチ素子３６で、スイッチ素子９の許容電流値に最適な過電流判定基準値になるように、３５aと３５bの何れか一方を選択する。

過電流信号１５aは、切換え素子１７経由でフィルタ１８へ入力される。フィルタ１８では、過電流信号１７aの継続時間を電圧検出用時間３２とフィルタ３１で比較され、過電流信号１５a、１７aのHIGH継続時間が、電圧検出用時間３２以上継続した場合にフィルタリング過電流信号１８aをHIGHとする。

図３は、駆動制御回路４の内部回路を示し、過電流保護機能によりスイッチ素子９がOFFとなった場合のリカバリー機能を内蔵している。

通常状態では、バッファ制御信号３aが、駆動制御信号４aと同一になるように遮断素子４５がOFF固定となる。逆に過電流保護状態の時は、遮断素子４５がONとなり、バッファ制御信号３aの信号状態に関わらず、駆動制御信号４aはLOW固定となり、スイッチ素子９はOFFとなる。

まず、通常状態から過電流保護状態に遷移する場合について記載する。

スイッチ素子９がONの時、バッファ制御信号３a、駆動制御信号４aはHIGHとなる。この状態でスイッチ素子９が過電流状態となると、フィルタリング過電流信号１８aが、LOW→HIGHとなる。このフィルタリング過電流信号１８aのLOW→HIGHの立上りエッジで、フリップフロップ４４の出力４４aはLOW→HIGHとなり、遮断素子４５はON固定となる。よって、駆動制御信号４aはLOWに変化し、スイッチ素子９はOFFとなり過電流保護が機能する。

次に過電流保護状態から通常状態にリカバリーする遷移について記載する。

フリップフロップ４４の出力４４aは、過電流保護状態のためHIGH固定である。通常状態へのリカバリーは、バッファ制御信号３aのLOW→HIGHの立上りエッジ、または、バッファ制御信号３aのHIGH継続中に所定時間毎に自動復帰する構成とする。

バッファ制御信号３aのLOW→HIGHの立上りエッジは、立上りエッジ検出４１で検出し、出力信号４１aがHIGHとなる。出力信号４１aのHIGH信号は、ORゲート４３経由でリセット信号４３aがフリップフロップ４４のリセット信号に入力され、フリップフロップ４４の出力４４aはLOW、遮断素子４５がOFFとなり、駆動制御信号4aは、バッファ制御信号３aに従いHIGHとなる。もし、過電流状態が継続している場合は、前記通常状態から過電流保護状態に遷移する場合に記載の通り、スイッチ素子９は再度OFFとなる。

また、復帰パルスタイマ４２では、スイッチ素子９が過電流保護により十分に冷えてからリトライするための時間を計測する。例えば、フィルタ１８のフィルタ時間がtyp.10usとするとスイッチ素子９の過電流状態は、typ.10us継続することとなる。スイッチ素子９を十分に冷やすためには、ON DUTY比を1%未満に設定するのが望ましくリトライ時間を1ms以上に設定する必要がある。

フィルタリング過電流信号１８aのLOW→HIGHをタイマ計測のスタートトリガとして、復帰パルスタイマ４２では時間を計測する。1ms経過後にスイッチ素子９のリトライとして復帰パルスタイマ信号４２aをLOW→HIGHとして、ORゲート４３経由でフリップフロップ４４をリセットする。このリセット信号によりフリップフロップ４４の出力はLOW、遮断素子４５がOFFとなり、駆動制御信号４aは、バッファ制御信号３aに従いHIGH、スイッチ素子９がONとなりリトライを実施する。

［第２実施形態］
図４は、ローサイドドライバであり、図１実施形態において電流検出素子１２を使用しない場合のスイッチ素子９の過電流保護を実現する実施形態である負荷駆動装置１０１として示す。

本実施形態においては、電流検出素子１２を不要とする。そのため、過電流判定手段（電流）１６の前段の差動増幅器１４は電流検出素子１２の両端電圧を検出しないので、空き端子処理をする必要がある。信号１２aは、差動増幅器１３によりスイッチ素子９の下流電圧を検出するために、スイッチ素子９の下流に接続され、信号１２bは、本例では信号１２aと同一ノードとなるポイントに接続される。信号１２bの接続先に特に決まりはないが、差動増幅器14の入力電位差を０にするために、１２aと同一ノードに接続することが望ましい。入力電位差＝０の場合は、差動増幅器１４の出力、負荷電流信号１４aは０固定、即ち、常に０Ａ電流検出状態に固定できる。

本実施形態を使用する場合は、マイコン１からの切換え指示値を通信線２１a経由通信部２１で受信デコードされ、フィルタ１８と切換え素子１７を過電流判定手段（電圧）１５を使用するサイドに切換える。即ち、信号線１５a=１７aとする。

負荷電流１０aが、スイッチ素子９の許容電流以内か否かを判別するために、本実施例では、スイッチ素子９の上流電圧９aと下流電圧１２aの差分電圧を使用する。負荷電流１０aが流れるとスイッチ素子９のON抵抗成分と負荷電流１０aの積により、９a-１２a間に電位差が発生する。

ここで、スイッチ素子９のON抵抗成分は、ばらつきが大きい。例えば、スイッチ素子９のチップ温度Tj=２５℃時のON抵抗が１Ωのスイッチ素子９は、Tj=１７５℃時は２．３Ω、Tj=４０℃時は０．３Ω程度となる。即ち、ON抵抗成分は０．３Ω〜２．３Ωの範囲でばらつくため、精度換算すると１．３Ω±77%程度となる。ＩＣ２内部の電圧検出に関わる精度は、図１実施形態と同じ±２%で実現すると、電圧検出のトータル精度は±７９%で実現することとなる。

よって、図１実施形態における電流検出素子１２を使用する場合の精度±３％と比較すると、精度は大きく悪化することとなるが、スイッチ素子９保護の第一目的を達成できる。

９a-１２a間の電位差は、差動増幅器１３で検出される。差動検出信号１３aは、過電流判定手段（電圧）１５に入力され、差動検出信号１３aがスイッチ素子９の許容電流以内か否かを判別する。切換え素子１７は、マイコン１の指示値により１５a=１７aに切換え、フィルタ部１８に過電流信号（電圧）１５a、１７aを入力する。

フィルタ１８では、過電流信号（電圧）１５a、１７aが所定時間継続した場合にフィルタリング過電流信号１８aを出力する。なお、フィルタ１８の所定時間は、過電流判定手段により時間を切換える。電圧値を検出する場合は、電流値を検出する場合に比べて耐ノイズ性を向上させる必要があり、過電流判定手段（電圧）１５を使用する場合は、過電流判定手段（電流）１６を使用する場合より、所定時間を長くする。

フィルタリング過電流信号（電圧）１８aは、駆動制御回路４と診断部１９に出力される。

駆動制御回路４にて、フィルタリング過電流信号（電圧）１８aのHigh信号、即ち、過電流状態である場合は、スイッチ素子９をOFF制御する。逆にフィルタリング過電流信号（電圧）１８aのLow信号、即ち、通常状態である場合は、駆動制御回路４に干渉しない。

診断部１９は、フィルタリング過電流信号（電圧）１８aを元に診断情報１９aを通信部２１を介して、マイコン１に通知する。マイコン１では、本情報を元に過電流/通常状態を判別できる。

また、本実施形態では負荷電流１０aをマイコン１で検出しないため、負荷電流信号２０aはマイコン1と接続しないことが可能である。

［第３実施形態］
図１の第１実施形態のスイッチ素子９の過電流保護は、過電流判定手段（電圧）１５と過電流判定手段（電流）１６の二者択一方式に対して、過電流保護機能を冗長で実現する実施形態である負荷駆動装置１０２として図５に示す。ＩＣを２‘で示す。

冗長系とする回路は、過電流検出部から駆動制御遮断部までであり、本方式は、特に過電流保護機能に対して信頼性を向上させることができ、過電流判定手段（電圧）回路系、または、過電流判定手段（電流）回路系のどちらか一方に故障が発生した場合でも、正常な回路系で確実にスイッチ素子９の過電流保護が可能である。

スイッチ素子９の過電流検出を電圧で検出する回路系は、回路ブロック４３で示される差動増幅器１３、過電流判定手段（電圧）１５、電圧検出専用フィルタ４１、過電流検出を電流で検出する回路系は、回路ブロック４４で示される差動増幅器１４、過電流判定手段（電流）１６、電流検出専用フィルタ４２で構成される。また、過電流遮断機能を独立系とするために、駆動制御回路４３内部回路を独立回路とする。駆動制御回路４３の内部回路構成は、図７で記載する。

各々で検出されたフィルタリング過電流信号（電圧）４１aとフィルタリング過電流信号（電流）４２aは、独立して診断部１９と駆動制御回路４３に入力される。

図６は、過電流判定手段（電圧）１５と過電流判定手段（電流）１６の内部構成を示す図である。

過電流判定手段（電圧）１５と過電流判定手段（電流）１６の回路を独立とするために、図２では共通であった基準電源BGRを別系統とするため、過電流判定手段（電圧）１５の基準電源ＢＧＲ１ ５１、過電流判定手段（電流）１６の基準電源ＢＧＲ２ ５２として、基準電源を独立にする。本方式により、一方の内部電源に異常が発生した場合も、正常な内部電源を使用した回路系で確実にスイッチ素子９の過電流保護が可能である。

図７は、駆動制御回路４３の内部回路を示した図である。

過電流保護機能を独立とするために、過電流判定手段（電圧）による遮断素子６５と過電流判定手段（電流）による遮断素子７５が独立回路で構成され、駆動制御信号４aを並列にLOW遮断する構成をとる。

通常状態では、バッファ制御信号３aが、駆動制御信号４aと同一になるように遮断素子６５、７５がOFF固定となる。逆に過電流保護状態の時は、遮断素子６５、または、７５がONとなり、バッファ制御信号３aの信号状態に関わらず、駆動制御信号４aはLOW固定となり、スイッチ素子９はOFFとなる。

まず、通常状態から過電流保護状態に遷移する場合について、過電流判定手段（電圧）の場合について記載する。（ブロック６６）
スイッチ素子９がONの時、バッファ制御信号３a、駆動制御信号４aはHIGHとなる。この状態でスイッチ素子９の過電流状態を過電流判定手段（電圧）１５で検出すると、フィルタリング過電流信号４１aが、LOW→HIGHとなる。このフィルタリング過電流信号４１aのLOW→HIGHの立上りエッジで、フリップフロップ６４の出力６４aはLOW→HIGHとなり、遮断素子６５はON固定となる。よって、駆動制御信号４aはLOWに変化し、スイッチ素子９はOFFとなり過電流保護が機能する。

次に過電流保護状態から通常状態にリカバリーする遷移について記載する。

フリップフロップ６４の出力６４aは、過電流保護状態のためHIGH固定である。通常状態へのリカバリーは、バッファ制御信号３aのLOW→HIGHの立上りエッジ、または、バッファ制御信号３aのHIGH継続中に所定時間毎に自動復帰する構成とする。

バッファ制御信号３aのLOW→HIGHの立上りエッジは、立上りエッジ検出６１で検出し、出力信号６１aがHIGHとなる。出力信号６１aのHIGH信号は、ORゲート６３経由でフリップフロップ６４のリセット信号に入力され、フリップフロップ６４の出力６４aはLOW、遮断素子６５がOFFとなり、駆動制御信号4aは、バッファ制御信号３aに従いHIGHとなる。もし、過電流状態が継続している場合は、前記通常状態から過電流保護状態に遷移する場合に記載の通り、スイッチ素子９は再度OFFとなる。

また、復帰パルスタイマ６２では、スイッチ素子９が過電流保護により十分に冷えてからリトライするための時間を計測する。例えば、フィルタ４１のフィルタ時間がtyp.10usとするとスイッチ素子９の過電流状態は、typ.10us継続することとなる。スイッチ素子９を十分に冷やすためには、ON DUTY比を1%未満に設定するのが望ましくリトライ時間を1ms以上に設定する必要がある。

フィルタリング過電流信号４１aのLOW→HIGHをタイマ計測のスタートトリガとして、復帰パルスタイマ６２では時間を計測する。1ms経過後にスイッチ素子９のリトライとして復帰パルスタイマ信号６２aをLOW→HIGHとして、ORゲート６３経由でリセット信号６３aがフリップフロップ６４をリセットする。このリセット信号によりフリップフロップ６４の出力はLOW、遮断素子６５がOFFとなり、駆動制御信号４aは、バッファ制御信号３aに従いHIGH、スイッチ素子９がONとなりリトライを実施する。

ブロック７６は、過電流判定手段（電流）による過電流保護、および、リトライ機能の回路ブロックである。

スイッチ素子９がONの時、バッファ制御信号３a、駆動制御信号４aはHIGHとなる。この状態でスイッチ素子９が過電流状態を過電流判定手段（電流）１６で検出すると、フィルタリング過電流信号４２aが、LOW→HIGHとなる。このフィルタリング過電流信号４２aのLOW→HIGHの立上りエッジで、フリップフロップ７４の出力６４aはLOW→HIGHとなり、遮断素子７５はON固定となる。よって、駆動制御信号４aはLOWに変化し、スイッチ素子９はOFFとなり過電流保護が機能する。

次に過電流保護状態から通常状態にリカバリーする遷移について記載する。

フリップフロップ７４の出力７４aは、過電流保護状態のためHIGH固定である。通常状態へのリカバリーは、バッファ制御信号３aのLOW→HIGHの立上りエッジ、または、バッファ制御信号３aのHIGH継続中に所定時間毎に自動復帰する構成とする。

バッファ制御信号３aのLOW→HIGHの立上りエッジは、立上りエッジ検出７１で検出し、出力信号７１aがHIGHとなる。出力信号７１aのHIGH信号は、ORゲート７３経由でリセット信号７３aがフリップフロップ７４のリセット信号に入力され、フリップフロップ７４の出力７４aはLOW、遮断素子７５がOFFとなり、駆動制御信号4aは、バッファ制御信号３aに従いHIGHとなる。もし、過電流状態が継続している場合は、前記通常状態から過電流保護状態に遷移する場合に記載の通り、スイッチ素子９は再度OFFとなる。

また、復帰パルスタイマ７２では、スイッチ素子９が過電流保護により十分に冷えてからリトライするための時間を計測する。例えば、フィルタ４２のフィルタ時間がtyp.6usとするとスイッチ素子９の過電流状態は、typ.6us継続することとなる。スイッチ素子９を十分に冷やすためには、ON DUTY比を1%未満に設定するのが望ましくリトライ時間を600us以上に設定する必要がある。

フィルタリング過電流信号４２aのLOW→HIGHをタイマ計測のスタートトリガとして、復帰パルスタイマ７２では時間を計測する。600us経過後にスイッチ素子９のリトライとして復帰パルスタイマ信号７２aをLOW→HIGHとして、ORゲート７３経由でフリップフロップ７４をリセットする。このリセット信号によりフリップフロップ７４の出力はLOW、遮断素子７５がOFFとなり、駆動制御信号４aは、バッファ制御信号３aに従いHIGH、スイッチ素子９がONとなりリトライを実施する。

独立回路構成として半導体上で実現するためには、レイアウト的なアイソレーションを考慮する必要がある。１つの手法としてＤＴＩ（Deep trench isolation）による分離手法があり、ブロック６６とブロック７６を独立ＤＴＩで分離する構成が有効である。

［第４実施形態］
図８は、ローサイドドライバで電流検出素子を負荷とスイッチ素子間に設定したソレノイド負荷を駆動する負荷駆動装置１０３として示す。なお、駆動する負荷は、ソレノイドに関わらず、抵抗などの負荷を駆動することもできる。ＩＣを２''で示す。

負荷電流１０aは、負荷１０とスイッチ素子９の間に設定された電流検出素子８１で検出する。電流検出素子８１で検出された負荷電流値は、差動増幅器１４に信号線３１aおよび９a経由で入力される。電流検出素子８１の負荷電流値を使用する場合は、切換え素子１７を過電流判定手段（電流）１６側、即ち信号線１６a=１７aに切換える。

なお、過電流判定手段（電圧）１５前段の差動増幅器１３の入力は、スイッチ素子９の上下間電圧をモニタするために上流電圧信号９aと下流電圧信号３２aとする。

［第５実施形態］
図９は、ローサイドドライバであり、図８実施形態において電流検出素子８１を使用しない場合のスイッチ素子９の過電流保護を実現する実施形態である負荷駆動装置１０４として示す。

本実施形態においては、電流検出素子８１を不要とする。そのため、過電流判定手段（電流）１６の前段の差動増幅器１４は電流検出素子８１の両端電圧を検出しないので、空き端子処理をする必要がある。信号９aは差動増幅器１３によりスイッチ素子９の上流電圧を検出するために、スイッチ素子９の上流に接続され、信号３１aは、本例では信号３１aと同一ノードとなるポイントに接続される。信号３１aの接続先に特に決まりはないが、差動増幅器１４の入力電位差を０にするために、９aと同一ノードに接続することが望ましい。入力電位差＝０の場合は、差動増幅器１４の出力、負荷電流信号１４aは０固定、即ち、常に０Ａ電流検出状態に固定できる。

［第６実施形態］
図１０は、ハイドライバであり、電流検出素子９１をバッテリ電源１１とスイッチ素子９２間に設定したソレノイド負荷を駆動する負荷駆動装置１０５として示す。なお、駆動する負荷は、ソレノイドに関わらず、抵抗などの負荷を駆動することもできる。ＩＣを２'''で示す。

負荷電流９５aは、電流検出素子９１で検出する。電流検出素子９１で検出された負荷電流値は、差動増幅器１４に信号線９１aおよび９１b経由で入力される。電流検出素子９１の負荷電流値を使用する場合は、切換え素子１７を過電流判定手段（電流）１６側、即ち１７a=１６aに切換える。

なお、過電流判定手段（電圧）１５前段の差動増幅器１３の入力はスイッチ素子４２の上下間電圧をモニタするために、上流電圧信号９１bと下流電圧信号９２aとする。

９３は、クランプ素子であり、スイッチ素子９２のONからOFF時に負荷９５で発生するサージエネルギーをクランプする。

［第７実施形態］
図１１は、ハイサイドドライバであり、図１０実施形態において電流検出素子９１を使用しない場合のスイッチ素子９２の過電流保護を実現する実施形態である負荷駆動装置１０６として示す。

本実施形態においては、電流検出素子９１を不要とする。そのため、過電流判定手段（電流）１６前段差動増幅器１４は、電流検出素子９１の両端電圧を検出しないので、空き端子処理をする必要がある。

信号９１bは差動増幅器１３によりスイッチ素子９２の上流電圧を検出するために、スイッチ素子９２の上流に接続され、信号９１aは、本例では信号９１bと同一ノードとなるポイントに接続される。信号９１bの接続先に特に決まりはないが、差動増幅器14の入力電位差を０にするために、９１aと同一ノードに接続することが望ましい。入力電位差＝０の場合は、差動増幅器１４の出力、負荷電流信号１４aは０固定、即ち、常に０Ａ電流検出状態に固定できる。

［第８実施形態］
図１２は、ハイドライバであり、電流検出素子１０１をスイッチ素子１０２と負荷９５間に設定したソレノイド負荷を駆動する負荷駆動装置１０７として示す。なお、駆動する負荷は、ソレノイドに関わらず、抵抗などの負荷を駆動することもできる。ＩＣを２''''で示す。

負荷電流９５aは、電流検出素子１０１で検出する。電流検出素子１０１で検出された負荷電流値は、差動増幅器１４に信号線１０２bおよび１０１b経由で入力される。電流検出素子１０１の負荷電流値を使用する場合は、切換え素子１７を過電流判定手段（電流）１６側、即ち１７a=１６aに切換える。

なお、過電流判定手段（電圧）１５前段の差動増幅器１３の入力はスイッチ素子１０２の上下間電圧をモニタするために、上流電圧信号１０２aと下流電圧信号１０２bとする。
［第９実施形態］
図１３は、ハイサイドドライバであり、図１２実施形態において電流検出素子１０１を使用しない場合のスイッチ素子１０２の過電流保護を実現する実施形態である負荷駆動装置１０８として示す。

本実施形態においては、電流検出素子１０１を不要とする。そのため、過電流判定手段（電流）１６前段差動増幅器１４は、電流検出素子４１の両端電圧を検出しないので、空き端子処理をする必要がある。

信号１０２bは差動増幅器１３によりスイッチ素子１０２の下流電圧を検出するために、スイッチ素子１０２の下流に接続され、信号１０１bは、本例では信号１０２bと同一ノードとなるポイントに接続される。信号１０１bの接続先に特に決まりはないが、差動増幅器１４の入力電位差を０にするために、１０２bと同一ノードに接続することが望ましい。入力電位差＝０の場合は、差動増幅器１４の出力、負荷電流信号１４aは０固定、即ち、常に０Ａ電流検出状態に固定できる。

これまで述べたように、本発明の負荷駆動装置は、車輛に搭載された負荷を駆動するスイッチング素子と、前記スイッチング素子を制御する信号を出力する回路と、前記回路から出力された前記信号の前記スイッチング素子への導通または遮断を制御する遮断回路と、前記スイッチング素子に流れる電流を電圧値に変換する電流電圧変換素子と、前記スイッチング素子の両端の差動電圧を検出する差動電圧検出回路と、前記スイッチング素子に異常電流が流れている過電流状態であることを検出する過電流判定回路と、前記電流電圧変換素子による過電流判定回路と、前記差動電圧検出回路による過電流判定回路と、前記電流電圧変換素子により検出されたスイッチング素子に流れる電流値をマイコンに通知する回路により実現できる。

１００、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８ 負荷駆動装置
１ マイコン
２、２'、２''、２'''、２'''' ＩＣ
３ バッファ回路
４ 駆動制御回路
５ プリドライバ
９ スイッチ素子
１０ 負荷
１１ 電源
１２ 電流検出素子
１３ 電圧検出差動増幅器
１４ 電流検出差動増幅器
１５ 過電流判定手段（電圧）
１６ 過電流判定手段（電流）
１７ 切換え素子
１８ フィルタ
１９ 診断部
２０ バッファ回路
２１ 通信部

Claims (10)

1. 電磁負荷の通電電流を制御するためのスイッチング素子と、
   前記通電電流を検出するための通電電流検出用素子と、
   を備えた負荷駆動装置において、
   前記負荷駆動装置は、前記通電電流を検出または推定するための複数の電流検出回路と、前記複数の電流検出回路の少なくとも一つを設定により切り替えて使用する設定回路と、前記スイッチング素子または前記電磁負荷に異常電流が流れている過電流状態であることを判定する過電流判定回路と、を備え、
   前記複数の電流検出回路は、前記通電電流検出用素子両端の電位差を検出する電流電圧変換回路と、前記スイッチング素子の両端の差動電圧を検出する差動電圧検出回路と、を備え、
   前記過電流判定回路は、前記電流電圧変換回路による過電流判定、または前記差動電圧検出回路による過電流判定、の少なくとも一方を実施し、
   前記電流電圧変換回路による過電流判定のフィルタ時間１よりも、
   前記差動電圧検出回路による過電流判定のフィルタ時間２の値を大きく設定したことを特徴とする負荷駆動装置。
2. 電磁負荷の通電電流を制御するためのスイッチング素子と、
   前記通電電流を検出するための通電電流検出用素子と、
   を備えた負荷駆動装置において、
   前記負荷駆動装置は、前記通電電流を検出または推定するための複数の電流検出回路と、前記複数の電流検出回路の少なくとも一つを設定により切り替えて使用する設定回路と、前記スイッチング素子または前記電磁負荷に異常電流が流れている過電流状態であることを判定する過電流判定回路と、を備え、
   前記複数の電流検出回路は、前記通電電流検出用素子両端の電位差を検出する電流電圧変換回路と、前記スイッチング素子の両端の差動電圧を検出する差動電圧検出回路と、を備え、
   前記過電流判定回路は、前記電流電圧変換回路による過電流判定、または前記差動電圧検出回路による過電流判定、の少なくとも一方を実施し、
   前記電流電圧変換回路による過電流判定と、
   前記差動電圧検出回路による過電流判定の２つの過電流判定回路双方の機能により前記スイッチング素子を遮断する回路を有することを特徴とする負荷駆動装置。
3. 請求項１または２記載の負荷駆動装置において、
   前記スイッチング素子を駆動する駆動回路と、
   前記駆動回路から出力された前記スイッチング素子への駆動信号の導通または遮断を制御する遮断回路と、
   前記通電電流検出用素子により検出された電流値をマイコンに通知する通信回路と、を有することを特徴とした負荷駆動装置。
4. 請求項１から３いずれか一項記載の負荷駆動装置において、
   前記電流電圧変換回路による前記過電流判定の過電流検出閾値を可変とする回路を有することを特徴とする負荷駆動装置。
5. 請求項１から４いずれか一項記載の負荷駆動装置において、
   前記差動電圧検出回路による前記過電流判定の過電流検出閾値を可変とする回路を有することを特徴とする負荷駆動装置。
6. 請求項１から５いずれか一項記載の負荷駆動装置において、
   前記電流電圧変換回路による過電流判定と、
   前記差動電圧検出回路による過電流判定と、の２つの過電流判定回路の一方の機能により前記スイッチング素子を遮断することを特徴とする負荷駆動装置。
7. 請求項６の負荷駆動装置において、
   前記設定回路は、前記差動電圧検出回路の過電流判定により、スイッチング素子を保護する機能を選択した場合は、前記電流電圧変換回路を設定しないことを特徴とする負荷駆動装置。
8. 請求項３記載の負荷駆動装置において、
   前記遮断回路を初期状態に復帰するための復帰パルスを生成する復帰パルス生成回路を有することを特徴とする負荷駆動装置。
9. 請求項１から８いずれか一項記載の負荷駆動装置において、
   前記スイッチング素子と前記通電電流検出用素子以外の回路を同一半導体集積回路上で実現することを特徴とする負荷駆動装置。
10. 請求項１から９いずれか一項記載の負荷駆動装置において、
    前記設定回路により設定されていない電流検出回路の端子について、空き端子処理を行うことを特徴とする負荷駆動装置。

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