JP6612583B2 - 開放・天絡検出回路 - Google Patents

Description

本発明は、スイッチング素子を用いた負荷駆動回路により電源供給が制御される負荷の開放、天絡を検出する開放・天絡検出回路に係り、特に、負荷駆動回路が非動作状態における動作の信頼性、消費電力の低減等を図ったものに関する。

負荷に対する電源電圧の供給を外部から入力される制御信号に応じて制御する負荷駆動回路においては、その回路が組み込まれたシステム等などの動作状態を管理するため、負荷の断線や、負荷が接続された出力端子の天絡などの異常状態の発生を検知する機能を備えている。特に、安全が最優先される自動車用のシステム等においては、必要な時に確実にシステム等が確実に機能するように異常検出を常時実施している。
このため、負荷駆動回路が設けられるシステム等においては、負荷駆動回路が動作していない動作停止状態においても、負荷開放や出力端子の天絡を検出する必要がある。

従来、このような開放検出及び天絡検出には、例えば、図５に示されたような回路構成の開放・天絡検出回路が用いられていた。
すなわち、図５に示された回路において、開放・天絡検出回路は、第１及び第２の比較回路COMP1，COMP2を有し、後述するように出力端子ＯＵＴと接地間に接続された負荷ＲＬが駆動されていない状態における開放検出、天絡検出が可能に構成されたものとなっている。

電源端子ＶＣＣと接地間に第１抵抗器Ｒ１Ａと第２抵抗器Ｒ２Ａが直列接続され、相互の接続点の電圧が分圧電圧として、第１及び第２の比較回路COMP1，COMP2の一方の入力端子に印加されるようになっている。
なお、図５において、第１抵抗器Ｒ１Ａと並列接続された状態に示された抵抗器ＲＳは、出力端子ＯＵＴと電源端子ＶＣＣ間が天絡した場合の実効的な直列抵抗（天絡抵抗）であると仮定する。

したがって、出力端子ＯＵＴには、第１抵抗器Ｒ１Ａと天絡抵抗器ＲＳの並列接続による抵抗と、第２抵抗器Ｒ２Ａと負荷抵抗ＲＬの並列接続による抵抗の直列接続により電源電圧が分圧された分圧電圧が生じ、この電圧が第１及び第２の比較回路COMP1，COMP2により次述するように、開放判定用参照電圧ＶＲ１Ａ、天絡判定用参照電圧ＶＲ２Ａと比較されることで、出力端子ＯＵＴの開放、天絡が検出されるものとなっている。

まず、開放判定用参照電圧ＶＲ１Ａと天絡判定用参照電圧ＶＲ２Ａは、ＶＲ１Ａ＜ＶＲ２Ａとなるように設定されているとの前提の下、出力端子ＯＵＴの電圧ＶOUTが、ＶOUT＜ＶＲ１Ａであれば、第１比較回路COMP1、及び、第２比較回路COMP2共に正常判定、すなわち、開放でも天絡でもない正常な動作状態であるとの判定結果となる。

一方、ＶＲ１Ａ＜ＶOUT＜ＶＲ２Ａとなった場合、第１比較回路COMP1が異常判定、第２比較回路COMP2が正常判定、すなわち、この場合、出力端子ＯＵＴが開放状態であるとの判定がなされたこととなる。
さらに、ＶＲ１Ａ＜ＶＲ２Ａ＜ＶOUTとなった場合、第１比較回路COMP1、及び、第２比較回路COMP2共に異常判定、すなわち、出力端子ＯＵＴが天絡状態であるとの判定がなされたこととなる。

また、電源電圧の分圧に定電流素子を用いた方法等も提案されている（例えば、特許文献１等参照）。
この特許文献１に開示された回路は、一見すると図５に示した従来回路と大きく異なるように見えるが、図５における第１抵抗器Ｒ１Ａを定電流素子に置き換え、図５の回路同様、出力端子の電圧を、開放、天絡の判定のためのそれぞれの参照電圧と比較するものであり、その判定手法は、本質的には、図５に示された回路と同様のものである。

図５に示された従来回路との主要な相違点は、まず、負荷抵抗と出力端子電圧の相関関係、及び、電源電圧と消費電流の相関関係の２点にあると考えられる。
特許文献１に開示された回路は、図５の回路に対して、あくまで相関関係が変わるだけであり、その判定方法の基本原理は同一である。具体的な回路構成上の相違点としては、判定感度の設定を、図５に示された回路においては、第１及び第２抵抗器Ｒ１Ａ，Ｒ２Ａの抵抗比によって調整するのに対して、特許文献１に開示された回路においては、例えば、同文献の図２における定電流素子（２７）の電流値と抵抗器（３３）の抵抗値によって調整するように置き換えているだけである。

再公表特許WO２０１３／０４７００５ 東芝製TPD1055FAデータシート、2013年12月10日

ところで、図５に示された開放・天絡検出回路においては、電源から出力端子を経由して接地側へ流れる電流は、第１及び第２抵抗器Ｒ１Ａ，Ｒ２Ａと負荷ＲＬ、天絡抵抗器ＲＳそれぞれの抵抗値によって定まるが、一般的に、第１及び第２抵抗器Ｒ１Ａ，Ｒ２Ａの抵抗値は、この抵抗器を経由して無駄な消費電流が流れることが無いように負荷ＲＬの抵抗値よりも高く設定する必要があり、Ｒ１Ａ≫ＲＬ、かつ、Ｒ２Ａ≫ＲＬと設定されている。なお、ここで、ＲＬ、Ｒ１Ａ、及び、Ｒ２Ａは、便宜的に、それぞれの抵抗値であるとする。

以下、具体的に動作状態による電流の違いについて説明する。
まず、出力端子ＯＵＴが開放状態でもなく、天絡状態でもなく、出力端子ＯＵＴに適正に負荷ＲＬが接続されている状態について考える。
この場合、出力端子ＯＵＴと接地間の抵抗は、第２抵抗器Ｒ２Ａと負荷ＲＬの並列接続であるが、先に述べたようにＲ２Ａ≫ＲＬであるため、並列抵抗値はＲＬと近似できる。

そして、出力端子ＯＵＴを経由した電源と接地間の抵抗値は、Ｒ１Ａ＋ＲＬと近似できるが、さらに、Ｒ１Ａ≫ＲＬであることからＲ１Ａと近似することができる。
したがって、負荷ＲＬが適正に接続され、かつ、負荷駆動回路が動作していない状態において、電源から出力端子ＯＵＴを経由して接地側へ流れる電流は、ＶＣＣ÷Ｒ１Ａで近似することができる。なお、ＶＣＣは、便宜的に、電源電圧とする。

この開放・天絡検出回路は、負荷駆動回路が動作していない、いわば待機状態において使用するものであり、例えば、バッテリー電源を接続する使用状態を考慮すると、バッテリーの消耗を減らすため、正確な開放・天絡検出と共に、低消費電流であることが求められるが、この回路を広い電源電圧範囲で使用する場合、第１抵抗器Ｒ１Ａを経由して流れる電流は、電源電圧に比例するので、低電圧時にも、正常に動作させるためには、出力端子電位が比較回路COMP1，COMP2側の入力インピーダンスの影響を受けない程度に第１抵抗器Ｒ１Ａに電流を流す必要がある。

また、開放検出においては、第１抵抗器Ｒ１Ａと負荷ＲＬの抵抗比が検出感度を決める要因でもあるので、第１抵抗器Ｒ１Ａの抵抗値は、開放状態であると判定される負荷抵抗値の閾値に対する要求に併せて定める必要があり、消費電流を減らす目的で著しく高い値にすることはできない。
このため、電源電圧を高くして使用すると消費電流が増大を招くという問題がある。

さらに、実際の開放検出は、負荷が完全に断線した場合だけでなく、負荷自体の破壊故障や端子との接触不良により負荷側の直列抵抗が著しく高くなった場合にも、負荷開放と判断する必要があるが、従来回路において、出力端子の天絡が生じていない状態において、出力端子電圧ＶOUTは、ＶOUT＝ＶＣＣ×Ｒ２Ａ×ＲＬ／｛Ｒ１Ａ×（Ｒ２Ａ＋ＲＬ）＋Ｒ２Ａ×ＲＬ｝であり、先に述べたようにＶOUT＞ＶＲ１Ａとなることで負荷開放と判定されることから、負荷開放と判定される負荷抵抗値ＲＬの閾値は、ＲＬ＞ＶＲ１Ａ×Ｒ１Ａ×Ｒ２Ａ／｛ＶＣＣ×Ｒ２Ａ−ＶＲ１Ａ×（Ｒ１Ａ＋Ｒ２Ａ）｝と表すことができる。

この負荷抵抗値ＲＬの閾値を表す不等式は、分母に電源電圧ＶＣＣの項を含むことから開放と判定する負荷抵抗値ＲＬの閾値は、電源電圧ＶＣＣに反比例して変化することが理解できる。
つまり、このことは、負荷開放と判定する抵抗値を電源電圧によらず一定の値に設定することができないという問題があることを意味する。

次に、負荷ＲＬが適正に接続された状態で、出力端子ＯＵＴが電源に天絡した場合、天絡した状態でも、実際には抵抗値が０オームになるわけではなく有限の値となるため、それを天絡抵抗値ＲＳとすると、出力端子ＯＵＴの電圧ＶOUTは、ＶOUT＝ＶＣＣ×Ｒ２Ａ×ＲＬ×（Ｒ１Ａ＋ＲＳ）／｛Ｒ１Ａ×ＲＳ×（Ｒ２Ａ＋ＲＬ）＋Ｒ２Ａ×ＲＬ（Ｒ１Ａ＋ＲＳ）｝と表すことができる。
先に述べたように、第１及び第２抵抗器Ｒ１Ａ，Ｒ２Ａは、消費電流を抑制するために高抵抗に設定する必要があり、また、Ｒ１Ａ》ＲＳ、及び、Ｒ２Ａ》ＲＬであることから、上述の電圧ＶOUTを表す式は、ＶOUT＝ＶＣＣ×ＲＬ×（ＲＬ＋ＲＳ）の如くに近似することができる。したがって、電圧ＶOUTは、天絡抵抗器ＲＳの抵抗値と負荷ＲＬの抵抗値の比によって定まることとなり、この電圧が天絡検出用の参照電圧ＶＲ２Ａより高ければ天絡と判定されることとなる。

ところで、天絡用判定参照電圧ＶＲ２Ａと開放検出用参照電圧ＶＲ１Ａには、第１及び第２抵抗器Ｒ１Ａ，Ｒ２Ａの抵抗値と関連した制限がある。すなわち、負荷駆動回路が動作していない状態で負荷ＲＬが接続されておらず、出力端子ＯＵＴが天絡してない状態において、出力端子ＯＵＴの電圧ＶOUTは、ＶOUT＝ＶＣＣ×｛Ｒ２Ａ／（Ｒ１Ａ＋Ｒ２Ａ）｝となるが、この値が負荷開放とされる電圧の最大値である。
したがって、開放検出用参照電圧ＶＲ１Ａを、この値よりも高く設定すると開放検出は機能せず、また、天絡用判定参照電圧ＶＲ２Ａを、この値よりも低く設定すると開放を天絡として誤検出する結果を招くこととなる。

このため、開放検出用参照電圧ＶＲ１Ａと天絡用判定参照電圧ＶＲ２Ａは、ＶＲ１Ａ＜ＶＣＣ×｛Ｒ２Ａ／（Ｒ１Ａ＋Ｒ２Ａ）｝＜ＶＲ２Ａの関係を満足するように設定する必要がある。
天絡用判定参照電圧ＶＲ２Ａは、低く設定したほうがより高い天絡抵抗でも検出が可能となるので、仮に、天絡用判定参照電圧ＶＲ２Ａを限界値のＶＣＣ×｛Ｒ２Ａ／（Ｒ１Ａ＋Ｒ２Ａ）｝に設定したとすると、検出可能な天絡抵抗値ＲＳは、ＲＳ＝Ｒ１Ａ ／Ｒ２Ａ×ＲＬとなる。
ここで、Ｒ１ＡとＲ２Ａの比は、開放検出用参照電圧ＶＲ１Ａと天絡用判定参照電圧ＶＲ２Ａの設定電圧範囲を狭めることがないように電源電圧の中点付近にするのが一般的であることから、仮に、Ｒ１Ａ：Ｒ２Ａ＝１：１とするとＲＳ＝ＲＬ、つまり、出力端子ＯＵＴと電源間が負荷抵抗値ＲＬと同等か、それより小さい抵抗値で天絡しないと、天絡として検出されず、開放、又は、正常な状態と判断されてしまう問題を招く。

本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、開放検出の抵抗値の閾値が電源電圧に依存することなく、かつ、負荷抵抗値よりも高い抵抗値で出力端子の天絡が生じても天絡検出を可能とし、しかも、従来に比して消費電流の低減が可能な開放・天絡検出回路を提供するものである。

上記本発明の目的を達成するため、本発明に係る開放・天絡検出回路は、
負荷駆動回路により電源供給が制御される負荷が接続された出力端子における前記負荷の開放の有無、及び、前記出力端子の天絡の有無を検出可能とする開放・天絡検出回路であって、
前記出力端子における出力状態の変化を検出する検出用抵抗器と、
前記検出用抵抗器により検出された電流変化に基づいて前記出力端子における異常の有無を判定する第１及び第２の比較回路と、
前記第１及び第２の比較回路に、前記検出用抵抗器の電流を所要の電流比で伝達するカレントミラー回路とを具備し、
前記検出用抵抗器は、その一端が前記出力端子に、他端が前記カレントミラー回路の入力段に、それぞれ接続されると共に、前記出力端子に接続された一端には、定電流を出力可能とする第１の定電流素子が接続されて設けられ、
前記カレントミラー回路の第１の出力段は、前記第１の比較回路の一方の入力端子に接続され、前記カレントミラー回路の第２の出力段は、前記第２の比較回路の一方の入力段に接続されると共に、当該第２の比較回路の一方の入力段には、定電流を出力可能とする第２の定電流素子が接続されて設けられ、
前記第２の定電流素子は、前記第１の定電流素子の出力電流に前記カレントミラー回路の電流比を乗じた値に等しい電流を出力可能とし、
前記第１の比較回路の他方の入力端子には、第１の参照電流源が、前記第２の比較回路の他方の入力端子には、第２の参照電流源が、それぞれ接続され、
前記第１の比較回路は、前記カレントミラー回路により得られる前記検出用抵抗器に流れる電流に比例した第１の出力電流と前記第１の参照電流源により出力される第１の参照電流との比較を行う一方、前記第２の比較回路は、前記カレントミラー回路の第２の出力電流と前記第２の定電流素子の出力電流との差分と、前記第２の参照電流源により出力される第２の参照電流との比較を行い、
前記第１の比較回路により、前記出力端子における電圧が正常状態にあることを示す信号が出力された場合に、前記第２の比較回路の出力に関わらず前記出力端子における電圧は正常であることを示す一方、
前記第１の比較回路により、前記出力端子における電圧が異常状態にあることを示す信号が出力され、かつ、前記第２の比較回路により、前記出力端子における電圧が正常状態にあることを示す信号が出力された場合に、前記出力端子が開放状態であることを示し、
さらに、前記第１及び第２の比較回路の双方から、前記出力端子における電圧が異常状態にあることを示す信号が出力された場合に、前記出力端子が天絡状態であることを示すよう構成されてなるものである。
また、上記本発明の目的を達成するため、本発明に係る開放・天絡検出回路は、
負荷駆動回路により電源供給が制御される負荷が接続された出力端子における前記負荷の開放の有無、及び、前記出力端子の天絡の有無を検出可能とする開放・天絡検出回路であって、
前記出力端子における出力状態の変化を検出する検出用抵抗器と、
前記検出用抵抗器に流れる電流を伝達するカレントミラー回路と、
比較動作を行う第１及び第２の比較回路とを具備し、
前記検出用抵抗器は、その一端が前記出力端子に、他端が前記カレントミラー回路の入力段に、それぞれ接続されると共に、前記出力端子に接続された一端には、定電流を出力可能とする第１の定電流素子が接続されて設けられ、
前記カレントミラー回路の第１の出力段は、前記第１の比較回路の一方の入力端子に接続されると共に、前記第１の出力段に流れる電流を電圧に変換する第１の電圧変換用抵抗器に接続され、
前記カレントミラー回路の第２の出力段は、前記第２の比較回路の一方の入力段に接続され、
前記第２の比較回路の一方の入力段には、定電流を出力可能とする第２の定電流素子が接続されて設けられると共に、前記カレントミラー回路の第２の出力段に流れる電流と前記第２の定電流素子が出力する定電流との差分電流を電圧に変換する第２の電圧変換用抵抗器が接続され、
前記第２の定電流素子は、前記第１の定電流素子の出力電流に前記カレントミラー回路の電流比を乗じた値に等しい電流を出力可能とし、
前記第１の比較回路の他方の入力端子には、第１の参照電圧源が、前記第２の比較回路の他方の入力端子には、第２の参照電圧源が、それぞれ接続され、
前記第１の比較回路は、前記第１の電圧変換用抵抗器により得られた電圧と前記第１の参照電圧との比較を行う一方、前記第２の比較回路は、前記第２の電圧変換用抵抗器により得られた電圧と前記第２の参照電圧との比較を行い、
前記第１の比較回路により、前記出力端子における電圧が正常状態にあることを示す信号が出力された場合に、前記第２の比較回路の出力に関わらず前記出力端子における電圧は正常であることを示す一方、
前記第１の比較回路により、前記出力端子における電圧が異常状態にあることを示す信号が出力され、かつ、前記第２の比較回路により、前記出力端子における電圧が正常状態にあることを示す信号が出力された場合に、前記出力端子が開放状態であることを示し、
さらに、前記第１及び第２の比較回路により、前記出力端子における電圧が異常状態にあることを示す信号が出力された場合に、前記出力端子が天絡状態であることを示すよう構成されてなるものも好適である。

本発明によれば、従来と異なり、電源電圧に依存して開放検出における抵抗値の閾値が変化することなく、しかも、出力端子が負荷抵抗より高い抵抗値で天絡された場合にあっても天絡検出が可能となり、さらに、電源電圧が高くなっても消費電流が増加することがないという効果を奏するものである。
また、本発明に係る開放・天絡検出回路においては、開放検出に用いられる電流分を、天絡検出時に差し引くことで、開放検出と天絡検出を明確に判別できるようにしており、従来回路と異なり、使用電源電圧等を考慮して開放検出と天絡検出の閾値設定を行う必要がなく、従来に比して回路使用時における制限や条件が少ないため使用し易い回路を提供することができる。

本発明の実施の形態における開放・天絡検出回路の第１の実施例の回路構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態における開放・天絡検出回路の第２の実施例の回路構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態における開放・天絡検出回路の第３の実施例の回路構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態における開放・天絡検出回路の第４の実施例の回路構成を示す回路図である。 従来の開放・天絡検出回路の一回路構成例を示す回路図である。

以下、本発明の実施の形態について、図１乃至図４を参照しつつ説明する。
なお、以下に説明する部材、配置等は本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。
最初に、本発明の実施の形態における開放・天絡検出回路の第１の実施例について、図１を参照しつつ説明する。
本発明の実施の形態における開放・天絡検出回路は、第１及び第２の比較回路（図１においては、それぞれ「ＣＯＭＰ１」、「ＣＯＭＰ２」と表記）５１，５２と、カレントミラー回路５３と、第１及び第２の定電流素子（図１においては、それぞれ「ＩＣ１」、「ＩＣ２」と表記）８，９を主たる構成要素として構成されたものとなっている。なお、”ＩＣ１”、”ＩＣ２”の表記は、第１及び第２の定電流素子８，９自体を表すと共に、後述する回路動作においては、それぞれの電流値を表すものとしても用いることとする。

この開放・天絡検出回路は、負荷（図１においては「ＲＬ」と表記）１６が接続される負荷駆動回路（図示せず）の出力端子（図１においては「ＯＵＴ」と表記）２１に接続されるものとなっている。
なお、図示されない負荷駆動回路は、いわゆる従来から良く知られている構成を有し、別途入力される制御信号に応じて負荷１６に対する電源供給を制御するようになっているものである。

以下、開放・天絡検出回路の回路構成について具体的に説明すれば、まず、電源端子２２と出力端子２１との間には、第１の定電流素子８が接続される一方、出力端子２１には、検出用抵抗器（図１においては「Ｒ１」と表記）１５の一端が接続され、検出用抵抗器１５の他端と接地側との間にカレントミラー回路５３が設けられている。

カレントミラー回路５３は、第１乃至第３のトランジスタ（図１においては、それぞれ「Ｑ１」、「Ｑ２」、「Ｑ３」と表記）１〜３を有して構成されたものとなっている。なお、本発明の実施の形態においては、第１乃至第３のトランジスタ１〜３として、ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴが用いられている。

第１のトランジスタ１のドレイン（カレントミラー回路の入力段）と第１及び第２のトランジスタ１，２のゲートは、相互に接続されると共に、上述した検出用抵抗器１５の他端、及び、第３のトランジスタ３のゲートに接続される一方、第１及び第２のトランジスタ１，２のソースは、共に接地側に接続されている。
また、第２のトランジスタ２のドレイン（カレントミラー回路の第１の出力段）は、第１の比較回路５１の一方の入力端子に接続されている。なお、本発明の実施の形態においては、第３のトランジスタ３として、ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴが用いられている。

第１の比較回路５１は、他方の入力端子と接地側との間に、参照電流ＩＲ１を出力する第１の参照電流源１０が設けられ、後述するように２つの入力端子における電流比較を行い、その比較結果に応じた比較出力信号ＯＵＴ１（ＣＯＭ）を出力するようになっている。
第３のトランジスタ３のドレイン（カレントミラー回路の第２の出力段）と電源端子２２との間には、第２の定電流素子９が接続されると共に、ドレインは、第２の比較回路５２の一方の入力端子に接続されている。また、第３のトランジスタ３のソースは、接地側に接続されている。

そして、第２の比較回路５２の他方の入力端子と接地側との間には、参照電流ＩＲ２を出力する第２の参照電流源１１が設けられており、第２の比較回路５２は後述するように２つの入力端子における電流比較を行い、その比較結果に応じた比較出力信号ＯＵＴ２（ＣＯＭ）を出力するようになっている。

次に、上記構成における動作について説明する。
まず、前提として、カレントミラー回路５３を構成する第１乃至第３のトランジスタ１〜３の電流比（カレントミラー比）は、開放・天絡の検出感度を特別に設定したいとの必要がなければ、通常は、１：１：１とするのが好適である。
また、参照電流ＩＲ１と参照電流ＩＲ２の電流値は、同一の設定で良く、以下、これらの事を前提として動作を説明する。
まず、負荷駆動回路（図示せず）が動作状態にある場合に、開放・天絡検出回路において、電源（図示せず）から負荷駆動回路（図示せず）を経由して出力端子２１に流れ込んだ電流は、負荷１６と検出用抵抗器１５に分流して流れることになるが、この状態において、開放・天絡検出回路は非動作状態であるため、検出用抵抗器１５に流れる電流は無駄な電流であり、負荷駆動の効率を低下させてしまう。

そのような負荷駆動の効率低下を極力抑圧するためには、検出用抵抗器１５の抵抗値を負荷１６に比して十分大きな値に設定する必要があり、より具体的には、実用的上、負荷１６の１００倍以上に設定するのが好適である。
検出用抵抗器１５の抵抗値が上述のように設定され、開放・天絡検出回路が動作状態（負荷駆動回路が非動作状態）にある場合において、出力端子２１には、第１の定電流素子８からの定電流ＩＣ１が流れ込み、負荷１６と検出用抵抗器１５に分流して流れることとなる。

負荷１６に流れる負荷電流をＩＬ、検出用抵抗器１５に流れる電流をＩ１、第１のトランジスタ１のドレイン・ソース間電圧をＶ１とすると、負荷電流ＩＬは、ＩＬ＝（Ｒ１×ＩＣ１＋Ｖ１）／（ＲＬ＋Ｒ１）と表される。
また、電流Ｉ１は、Ｉ１＝（ＲＬ×ＩＣ１−Ｖ１）／（ＲＬ＋Ｒ１）と表される。

負荷１６が適正に接続された状態においては、上述したようにＲ１≫１００ＲＬであることから、第１の定電流素子８から出力された電流ＩＣ１の殆どは負荷１６に流れ、検出用抵抗器１５に流れる電流Ｉ１は定電流ＩＣ１の１００分の１以下である。
第１乃至第３のトランジスタ１〜３によるカレントミラー比が１：１：１の場合、第２のトランジスタ２のドレイン電流ＩＳ１はＩ１に等しく、このドレイン電流ＩＳ１は第１の比較回路５１において参照電流ＩＲ１と比較され、第１の比較回路５１においては、ＩＳ１＜ＩＲ１であれば正常状態、ＩＳ１＞ＩＲ１であれば異常状態との判定結果となる。

この第１の比較回路５１は、検出用抵抗器１５の抵抗値を負荷抵抗値ＲＬに対する最低の比率１００倍に設定した場合にあっても、負荷１６が適正に接続された状態であれば、ＩＳ１＜ＩＲ１となり適正な状態であると判定される必要がある。
また、負荷側が断線状態で出力端子２１に流れ込む全ての電流が検出用抵抗器１５に流れた場合には、必ずＩＳ１＞ＩＲ１となり異常状態と判定されなければならない。

したがって、第１の参照電流ＩＲ１の値は、（ＩＣ１／１００）＜ＩＲ１＜ＩＣ１の範囲に設定する必要がある。
負荷１６が接触不良等で出力端子２１から負荷１６を経由した接地間との抵抗が高くなった場合、カレントミラー回路５３により第１の比較回路５１に流れる比較電流ＩＳ１は、Ｉ１＝（ＲＬ×ＩＣ１−Ｖ１／（ＲＬ＋Ｒ１）で表されるＩ１に等しい。

上述のＩ１に関する式を負荷１６の抵抗値ＲＬについて書き直すと、ＲＬ＝（Ｒ１×Ｉ１＋Ｖ１）／（ＩＣ１−Ｉ１）となる。ここで、第１の比較回路５１において異常状態と判定されるのは、Ｉ１が第１の参照電流ＩＲ１を上回った時であるから、異常状態と判定される負荷抵抗値の閾値は、上述のＲＬに関する式のＩ１を、ＩＲ１に置き換えることで、ＲＬ＝（Ｒ１×ＩＲ１＋Ｖ１）／（ＩＣ１−ＩＲ１）のように表すことができる。その結果、この式の右辺には電源電圧ＶＣＣに係る項を含まないことから、異常状態と判定される負荷抵抗値の閾値は電源電圧によらず一定の値となる。

一方、第２比較回路５２では、第３のトランジスタ３のドレイン電流ＩＳ２と第２の定電流素子９による定電流ＩＣ２の差分と第２の参照電流ＩＲ２との比較が行われるが、第３のトランジスタ３のドレイン電流ＩＳ２も、先の第１の比較回路５１の議論同様にＩＳ１と等しく、また、カレントミラー比も同様に１：１を仮定すると、第２の定電流素子９の定電流ＩＣ２は、第１の定電流素子８の定電流ＩＣ１と等しく設定することになる。したがって、第２の比較回路５２から流出する方向を正とすると、差分の電流は、ＩＳ２−ＩＣ２＝I１−ＩＣ１と表すことができる。

出力端子２１が電源端子２２に天絡していない状態では、出力端子２１に流れ込む電流は、ＩＣ１のみなので、負荷１６の抵抗値に関わらず、Ｉ１≦ＩＣ１であることから、第２の比較回路５２の比較電流は、ＩＳ２−ＩＣ２＝Ｉ１−ＩＣ１≦０＜ＩＲ２であり、出力端子２１が正常状態にあるとする第２の比較回路５２の比較結果となる。
すなわち、第２の比較回路５２は、出力端子２１と電源端子２２とが天絡していない状態では、負荷１６の値によらず常に適正な状態と判定し、負荷１６の開放状態の判定には何ら無関係となる。

次に、出力端子２１が天絡した場合について説明する。
この場合、実際には、抵抗値０で天絡状態となるわけではなく、天絡した出力端子２１と電源間の経路は、有限の値を持った抵抗により接続された状態となる。
このときの抵抗値をＲＳ（なお、必要に応じてこのときの天絡抵抗器を「ＲＳ」と表記する）とすると（図１参照）、出力端子２１に流れ込む電流は、第１の定電流素子５１による定電流ＩＣ１と、電源と出力端子２１の電位差によって天絡抵抗器ＲＳに流れ込む電流（ＶＣＣ−ＶＯＵＴ）／ＲＳの和であり、この電流が負荷１６と検出用抵抗器１５に分流して流れる。なお、ここで、”ＶＯＵＴ”は、出力端子２１における電圧であるとする。

負荷１６に流れる電流ＩＬは、ＩＬ＝{Ｒ１×ＩＣ１＋Ｒ１／ＲＳ×（ＶＣＣ−ＶＯＵＴ）＋Ｖ１}／（ＲＬ＋Ｒ１）となり、検出用抵抗器１５に流れる電流Ｉ１は、Ｉ１＝{ＲＬ×ＩＣ１＋ＲＬ／ＲＳ×（ＶＣＣ−ＶＯＵＴ）−Ｖ１}／（ＲＬ＋Ｒ１）となる。
ところで、ＶＯＵＴは、ＲＳ、ＲＬ、Ｒ１、Ｖ１の関係によって定まるものであるが、先に述べたようにＲ１≧１００ＲＬであることから、出力端子２１と接地間に流れる電流の殆どは、負荷１６を経由して流れるので、ＶＯＵＴは、直列接続されたＲＳとＲＬの比によって分圧された電圧とみなすことができ、その値は、ＶＯＵＴ＝ＶＣＣ×ＲＳ／（ＲＳ＋ＲＬ）となる。

このＶＯＵＴを、先のＩ１＝{Ｒ１×ＩＣ１＋Ｒ１／ＲＳ×（ＶＣＣ−ＶＯＵＴ）−Ｖ１}／（ＲＬ＋Ｒ１）に代入することで、Ｉ１＝{ＲＬ×ＩＣ１＋ＲＬ／（ＲＳ＋ＲＬ）×ＶＣＣ−Ｖ１}／（ＲＬ＋Ｒ１）が得られる。
カレントミラー比は、１：１を仮定しているので、第１の比較回路５１の比較電流ＩＳ１はＩ１に等しく、異常と判定されるのは、ＩＳ１が第１の参照電流ＩＲ１を上回った時であるから、その条件は、ＩＳ１＝Ｉ１＞ＩＲ１である。

ここで、この不等式に、先のＩ１に関する式、Ｉ１＝{ＲＬ×ＩＣ１＋ＲＬ／（ＲＳ＋ＲＬ）×ＶＣＣ−Ｖ１}／（ＲＬ＋Ｒ１）を代入してＲＳとＲＬに関する不等式を求めると、ＲＳ／ＲＬ＜ＶＣＣ／ {ＲＬ×（ＩＲ１−ＩＣ１）＋Ｒ１×ＩＲ１＋Ｖ１}−１が得られる。
この不等式は、左辺ＲＳ／ＲＬが右辺の値より小さいと、第１の比較回路５１が異常状態と判定することを意味する。

一方、第２の比較回路５２の比較電流であるＩＳ２−ＩＣ２は、ＩＳ２−ＩＣ２＝Ｉ１−ＩＣ１＝{ＲＬ／ＲＳ×（ＶＣＣ−ＶＯＵＴ）−Ｒ１×ＩＣ１−Ｖ１}／（ＲＬ＋Ｒ１）となり、この式も第１の比較回路５１同様に、ＶＯＵＴ＝ＶＣＣ×ＲＳ／（ＲＳ＋ＲＬ）を代入して近似すると、ＩＳ２−ＩＣ２＝Ｉ１−ＩＣ１＝{−Ｒ３×ＩＣ１＋ＲＬ／（ＲＳ＋ＲＬ）×ＶＣＣ−Ｖ１}／（ＲＬ＋Ｒ１）を得る。

第２の比較回路５２においては、第２の参照電流ＩＲ２を比較電流が上回ることで異常判定となるので、ＩＳ２−ＩＣ２＞ＩＲ２が異常判定の条件である。
そこで、この不等式に比較電流に関する先の式、ＩＳ２−ＩＣ２＝Ｉ１−ＩＣ１＝{−Ｒ３×ＩＣ１＋ＲＬ／（ＲＳ＋ＲＬ）×ＶＣＣ−Ｖ１}／（ＲＬ＋Ｒ１）を代入して整理すると、ＲＳとＲＬの比に関して、ＲＳ／ＲＬ＜ＶＣＣ／ {ＲＬ×ＩＲ２＋Ｒ１×（ＩＣ１＋ＩＲ２）＋Ｖ１}−１が得られる。
結局、この不等式の左辺ＲＳ／ＲＬが右辺の値より小さいと、第２の比較回路５２が異常状態と判定することを意味する。

ここで、上述した天絡時の第１の比較回路５１におけるＲＳ／ＲＬに関する不等式、ＲＳ／ＲＬ＜ＶＣＣ／ {ＲＬ×（ＩＲ１−ＩＣ１）＋Ｒ１×ＩＲ１＋Ｖ１}−１と、第２の比較回路５２におけるＲＳ／ＲＬに関する不等式、ＲＳ／ＲＬ＜ＶＣＣ／ {ＲＬ×ＩＲ２＋Ｒ１×（ＩＣ１＋ＩＲ２）＋Ｖ１}−１におけるそれぞれの右辺第１項の分母を比較すると、Ｒ１≧１００ＲＬ、かつ、ＩＲ１＝ＩＲ２であるから第２の比較回路５２における不等式の右辺第１項の分母の方が大きい。

つまり、天絡時に第１の比較回路５１の方が少し高い天絡抵抗であっても異常検出と判定するようになっているため、第１の比較回路１が異常判定、かつ、第２の比較回路５２が異常判定となった場合に真に天絡状態と判定するのが好適である。

これらを総括すれば、第１の比較回路５１が正常判定の場合は、第２の比較回路５２の判定結果にかかわらず出力端子２１は、負荷が適正に接続され、かつ、天絡もしていない正常な状態であると判断される一方、第１の比較回路５１が異常判定、かつ、第２の比較回路５２が正常判定の場合は、負荷開放状態にあると判断され、さらに、第１の比較回路５１が異常判定、かつ、第２の比較回路５２も異常判定の場合は、天絡状態と判断され、これによって本発明の開放・天絡検出回路は開放、天絡の検出に利用することができるものとなっている。

また、天絡判定の閾値は、上述した第２の比較回路５２における関係式、ＲＳ／ＲＬ＜ＶＣＣ／ {ＲＬ×ＩＲ２＋Ｒ１×（ＩＣ１＋ＩＲ２）＋Ｖ１}−１のＲＳとＲＬの比から定まるが、この式に、例えば、自動車用バッテリーの電源１２Ｖと負荷抵抗値１０Ωを想定し、開放・天絡検出用回路も実用的な値として、Ｒ１＝１００ｋΩ、ＩＣ１＝１０μＡ、ＩＲ１＝ＩＲ２＝５μＡとし、上述の関係式に代入すると、ＲＳ／ＲＬ＞３．８となり、負荷１６よりも３．８倍以下の抵抗で天絡した状態から天絡検出が可能となるということが判る。

次に、第２の実施例について、図２を参照しつつ説明する。
なお、図１に示された構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略し、以下、異なる点を中心に説明することとする。
この第２の実施例における開放・天絡検出回路は、図１に示された第１の実施例におけるカレントミラー回路５３において用いられたＮチャンネルＭＯＳＦＥＴを、バイポーラトランジスタに代えて構成した点が異なるもので、他の回路部分は、第１の実施例と基本的に同一である。

すなわち、第２の実施例において、カレントミラー回路５３は、ＮＰＮ型バイポーラトランジスタである第４乃至第６のトランジスタ（図２においては、それぞれ「Ｑ４」、「Ｑ５」、「Ｑ６」と表記）４〜６を用いて構成されたものとなっている。
第４及び第６のトランジスタ４〜６は、相互にベースが接続されると共に、第４のトランジスタ４のコレクタと接続されており、第４のトランジスタ４のコレクタは、検出用抵抗器１５を介して第１の定電流素子８に接続されている。

そして、第５のトランジスタ５のコレクタは、第１の比較回路５１の一方の入力端子に接続されている。
また、第６のトランジスタ６のコレクタは、第２の比較回路５２の一方の入力端子に接続されると共に、このコレクタと電源端子２２との間に、第２の定電流素子９が接続されたものとなっている。
そして、第４乃至第６のトランジスタ４〜６のエミッタは、いずれも接地されたものとなっている。
かかる構成における回路動作は、基本的に図１に示された第１の実施例と同様であるので、ここでの再度の詳細な説明は省略する。

次に、第３の実施例について、図３を参照しつつ説明する。
なお、図１に示された構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略し、以下、異なる点を中心に説明することとする。
この第３の実施例は、図１に示された第１及び第２の比較回路５１，５２の比較動作における基準である参照電流を電圧に変えたものである。
以下、具体的に説明すれば、まず、第１の比較回路５１の一方の入力端子と接地間には、第１の定電圧素子１２が接続されて、第１の参照電圧ＶＲ１が印加されるようになっている。
また、第２の比較回路５２の一方の入力端子と接地間には、第２の定電圧素子１３が接続されて、第２の参照電圧ＶＲ２が印加されるようになっている。

一方、第１の比較回路５１の他方の入力端子には、第１の電圧変換用抵抗器（図３においては「Ｒ２」と表記）１７の一端が接続され、この第１の電圧変換用抵抗器１７の他端には、所定の電源電圧ＶＣＣ２が印加されるようになっている。
また、第２の比較回路５２の他方の入力端子には、第２の電圧変換用抵抗器（図３においては「Ｒ３」と表記）１８の一端が接続され、この第２の電圧変換用抵抗器１８の他端には、所定の電源電圧ＶＣＣ２が印加されるようになっている。

かかる構成における回路動作は、第１及び第２の比較回路５１，５２における比較動作の基準を電圧としたことを除けば、図１に示された第１の実施例の回路動作と基本的に同一であるので、ここでの再度の詳細な説明は省略する。

次に、第４の実施例について、図４を参照しつつ説明する。
なお、図１乃至図３に示された構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略し、以下、異なる点を中心に説明することとする。
この第４の実施例は、図２に示された第２の実施例における回路構成を基本として、第１及び第２の比較回路５１，５２の比較動作の基準を、図３に示された第３の実施例同様、電流から電圧に変えたものである。
かかる構成における回路動作は、図１に示された第１の実施例と基本的に同一であるので、ここでの再度の詳細な説明は省略する。

開放検出の抵抗閾値が電源電圧に依存することなく、かつ、負荷抵抗値よりも高い抵抗値で出力端子の天絡が生じた場合にも天絡検出が所望される開放・天絡検出回路に適用できる。

５１…第１の比較回路
５２…第２の比較回路
５３…カレントミラー回路

Claims (2)

1. 負荷駆動回路により電源供給が制御される負荷が接続された出力端子における前記負荷の開放の有無、及び、前記出力端子の天絡の有無を検出可能とする開放・天絡検出回路であって、
   前記出力端子における出力状態の変化を検出する検出用抵抗器と、
   前記検出用抵抗器により検出された電流変化に基づいて前記出力端子における異常の有無を判定する第１及び第２の比較回路と、
   前記第１及び第２の比較回路に、前記検出用抵抗器の電流を所要の電流比で伝達するカレントミラー回路とを具備し、
   前記検出用抵抗器は、その一端が前記出力端子に、他端が前記カレントミラー回路の入力段に、それぞれ接続されると共に、前記出力端子に接続された一端には、定電流を出力可能とする第１の定電流素子が接続されて設けられ、
   前記カレントミラー回路の第１の出力段は、前記第１の比較回路の一方の入力端子に接続され、前記カレントミラー回路の第２の出力段は、前記第２の比較回路の一方の入力段に接続されると共に、当該第２の比較回路の一方の入力段には、定電流を出力可能とする第２の定電流素子が接続されて設けられ、
   前記第２の定電流素子は、前記第１の定電流素子の出力電流に前記カレントミラー回路の電流比を乗じた値に等しい電流を出力可能とし、
   前記第１の比較回路の他方の入力端子には、第１の参照電流源が、前記第２の比較回路の他方の入力端子には、第２の参照電流源が、それぞれ接続され、
   前記第１の比較回路は、前記カレントミラー回路により得られる前記検出用抵抗器に流れる電流に比例した第１の出力電流と前記第１の参照電流源により出力される第１の参照電流との比較を行う一方、前記第２の比較回路は、前記カレントミラー回路の第２の出力電流と前記第２の定電流素子の出力電流との差分と、前記第２の参照電流源により出力される第２の参照電流との比較を行い、
   前記第１の比較回路により、前記出力端子における電圧が正常状態にあることを示す信号が出力された場合に、前記第２の比較回路の出力に関わらず前記出力端子における電圧は正常であることを示す一方、
   前記第１の比較回路により、前記出力端子における電圧が異常状態にあることを示す信号が出力され、かつ、前記第２の比較回路により、前記出力端子における電圧が正常状態にあることを示す信号が出力された場合に、前記出力端子が開放状態であることを示し、
   さらに、前記第１及び第２の比較回路の双方から、前記出力端子における電圧が異常状態にあることを示す信号が出力された場合に、前記出力端子が天絡状態であることを示すことを特徴とする開放・天絡検出回路。
2. 負荷駆動回路により電源供給が制御される負荷が接続された出力端子における前記負荷の開放の有無、及び、前記出力端子の天絡の有無を検出可能とする開放・天絡検出回路であって、
   前記出力端子における出力状態の変化を検出する検出用抵抗器と、
   前記検出用抵抗器に流れる電流を伝達するカレントミラー回路と、
   比較動作を行う第１及び第２の比較回路とを具備し、
   前記検出用抵抗器は、その一端が前記出力端子に、他端が前記カレントミラー回路の入力段に、それぞれ接続されると共に、前記出力端子に接続された一端には、定電流を出力可能とする第１の定電流素子が接続されて設けられ、
   前記カレントミラー回路の第１の出力段は、前記第１の比較回路の一方の入力端子に接続されると共に、前記第１の出力段に流れる電流を電圧に変換する第１の電圧変換用抵抗器に接続され、
   前記カレントミラー回路の第２の出力段は、前記第２の比較回路の一方の入力段に接続され、
   前記第２の比較回路の一方の入力段には、定電流を出力可能とする第２の定電流素子が接続されて設けられると共に、前記カレントミラー回路の第２の出力段に流れる電流と前記第２の定電流素子が出力する定電流との差分電流を電圧に変換する第２の電圧変換用抵抗器が接続され、
   前記第２の定電流素子は、前記第１の定電流素子の出力電流に前記カレントミラー回路の電流比を乗じた値に等しい電流を出力可能とし、
   前記第１の比較回路の他方の入力端子には、第１の参照電圧源が、前記第２の比較回路の他方の入力端子には、第２の参照電圧源が、それぞれ接続され、
   前記第１の比較回路は、前記第１の電圧変換用抵抗器により得られた電圧と前記第１の参照電圧との比較を行う一方、前記第２の比較回路は、前記第２の電圧変換用抵抗器により得られた電圧と前記第２の参照電圧との比較を行い、
   前記第１の比較回路により、前記出力端子における電圧が正常状態にあることを示す信号が出力された場合に、前記第２の比較回路の出力に関わらず前記出力端子における電圧は正常であることを示す一方、
   前記第１の比較回路により、前記出力端子における電圧が異常状態にあることを示す信号が出力され、かつ、前記第２の比較回路により、前記出力端子における電圧が正常状態にあることを示す信号が出力された場合に、前記出力端子が開放状態であることを示し、
   さらに、前記第１及び第２の比較回路により、前記出力端子における電圧が異常状態にあることを示す信号が出力された場合に、前記出力端子が天絡状態であることを示すことを特徴とする開放・天絡検出回路。

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