JPH07184318A - 逆接続されたバッテリーに対する保護回路 - Google Patents
逆接続されたバッテリーに対する保護回路Info
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Abstract
自己絶縁または接合絶縁されたIC技術で生じるIC内
の多くの接合部が順方向バイアスされること、及び基層
に少数キャリアが流れ、ラッチアップ現象、過剰な熱の
発生または他の望まれない効果の発生を防止することを
目的とする。 【構成】 バッテリと、負荷と、逆接続された前記バ
ッテリに対して前記負荷を保護するためのデバイスとか
らなる逆接続されたバッテリに対する保護回路であっ
て、前記デバイスが、前記バッテリが、前記バッテリと
前記負荷とに直列に接続されたMOSFETと順接続さ
れたとき、前記MOSFETを導通状態にバイアスする
第1手段と、前記バッテリが逆接続されたときに、前記
MOSFETを非導通状態にバイアスする第2手段とを
有することからなる。
Description
によって電力を供給されるときに、集積回路及び他の半
導体デバイスを損傷から保護するための技術に関する。
特に、本発明は、車両に搭載された回路デバイスが、逆
接続されたバッテリから損傷を受けることを防止する技
術に関する。
イスを用いることによって、設計者が利用することので
きる制御の能力が非常に増加した。しかしながら、同時
に、これらの構成要素を逆接続されたバッテリから保護
する必要性が発生した。コンピュータなどの多くの半導
体デバイスは、例えば電源とグランドとの間に接続され
たダイオードを含む。バッテリが順接続されたとき(即
ちその負の電極がシャーシのグランドに接続されたと
き)、これらのダイオードは逆バイアスされている。一
方、バッテリが逆接続された場合、これらのダイオード
は順方向バイアスされることとなる。その結果、デバイ
スを破壊することになる大電流が流れる。即ち、それら
のデバイスの全ては、逆接続されたバッテリに対して保
護されなければならない。
オードが負荷と直列接続されており、バッテリが順接続
されたとき順方向バイアスされる。バッテリが逆接続さ
れた場合、ダイオードは逆バイアスされ、負荷に逆電流
が流れることまたは負電圧が印加されることが防止され
る。この技術の欠点は、通常の動作の間に、順方向バイ
アスされたダイオードに電圧降下が生じ、熱エネルギが
発生することである。例えば、60Vのショットキーダ
イオードは0.6Vの電圧降下を生じ、かつ20Aの電
流が流れ14Wの熱エネルギが生ずることになる。この
熱エネルギはダイオードから放出されなければならな
い。しかしながら、多くの部品がプラスチックから形成
されているために、自動車車両内にヒートシンクを見い
だすことはより難しくなっている。エンジンの部品の金
属の表面は、ヒートシンクとして働くためには概ね加熱
されすぎている。
向の等価抵抗が50mΩ以下である、理想ダイオードに
できるだけ近いデバイスを用いることである。可能な方
法の1つとして、負荷と直列に接続され、そのソースが
バッテリに接続され、かつそのドレインが負荷に接続さ
れた低いオン抵抗を備えたNチャネル電力用MOSFE
Tを用いることである。通常動作中では、適切に駆動さ
れたとき、電力用MOSFETの低抵抗のチャネルは、
ドレイン−ボディ領域間の真性ダイオードから分流し、
オン状態の低い電圧降下を生み出す。ドレイン−ボディ
接合部によって形成されたダイオードは、MOSFET
内でソース−ボディ領域間がショートされるとき、常に
MOSFETのソース−ドレイン領域の端子と並列な状
態となる。バーチカルDMOSでは、ソース−ボディ領
域の短絡部が共通となっている。バッテリが反転された
場合、MOSFETが遮断され、本来のドレイン−ボデ
ィ領域のダイオードが逆バイアスされた状態で残され
る。しかし、MOSFETを導通させるためには、MO
SFETのゲートが、バッテリに接続されたソースより
も少なくとも8V高い電圧でバイアスされなければなら
ない。チャージポンプ手段または同様の手段が、MOS
FETが十分に導通することを保証するために十分な振
幅を備えたゲート−ソース間の電圧を形成するために必
要である。従って、このチャージポンプ手段はバッテリ
に直接接続された1個の端子を有する。
圧を提供するために用いられた場合、このデバイスは、
自動車車両の他のデバイスと同様の逆接続されたバッテ
リの問題の影響を受けることになる。即ち、ゲートドラ
イバが、バッテリの+端子と−端子に直接接続されてい
る場合(即ち車両の“ホット”端子とグランド端子との
間に接続されている場合)、バッテリが逆接続されてい
る場合、デバイスには逆方向電圧が印加されることにな
る。多くの自己絶縁または接合絶縁されたIC技術で
は、バッテリを逆接続することによって、IC内の多く
の接合部が、順方向バイアスされ、基層に少数キャリア
が流れ、ラッチアップ現象、過剰な熱の発生または他の
望まれない効果が生ずる。
の自己絶縁または接合絶縁されたIC技術で生じる、バ
ッテリを逆接続することによる、IC内の多くの接合部
が順方向バイアスされること、及び基層に少数キャリア
が流れ、ラッチアップ現象、過剰な熱の発生または他の
望まれない効果が生ずることを防止することである。
テリと、負荷と、逆接続された前記バッテリの効果に対
して前記負荷を保護するためのデバイスとからなる保護
回路であって、前記デバイスが、前記バッテリが、前記
バッテリと前記負荷とに直列に接続されたMOSFET
と順接続されたとき、前記MOSFETを導通状態にバ
イアスする第1手段と、前記バッテリが逆接続されたと
きに、前記MOSFETを非導通状態にバイアスする第
2手段とを有することを特徴とする保護回路を提供する
ことによって達成される。
テリによって電力を供給される負荷と直列に接続され
る。MOSFETのソースはバッテリに接続され、MO
SFETのドレインは負荷に接続される。MOSFET
のゲートは“フローティング”ドライバによって駆動さ
れ、このドライバは、大きい逆方向電流を流すことを防
止する高抵抗信号パスのみを通してバッテリの端子間に
接続されている。その代わりに、フローティングドライ
バは、バッテリの正電極のみに接続され、グランドに接
続された直流導電性パスによって電力を供給された論理
回路または制御回路を含んでいない。ゲートドライバ
は、グランドを基準とした“低電位側”コントローラに
接続されており、この低電位側コントローラはバッテリ
の“ホット”ラインに直接接続されており、電力用MO
SFETの保護されたサイドから電力を供給されてい
る。従って、バッテリが逆に接続された場合、ゲートド
ライバ及び制御回路の何れもが逆バイアスされることが
ない。ゲートドライバは、MOSFETのゲートをソー
スに短絡させる装置を含み、従ってバッテリが逆接続さ
れた場合MOSFETを遮断することができる。好適な
実施例では、この装置はデプリーション型MOSFET
からなる。
が、バッテリの電圧が(適切に接続された)保護用MO
SFETが完全に遮断される点以下になるときを検知す
る。センス装置は、負荷の全体または一部を遮断するた
めに行われる適切な補正動作を起こす信号を発生する。
に接続された電力用MOSFET10を表している。M
OSFET10は、シリコニクス社によって製造された
モデルSMP60N06−18のようなNチャネルの電
力用MOSFETからなる。ダイオード13は、MOS
FET10のボディ領域からドレイン領域へのダイオー
ドを表している。負荷12は、全ての能動デバイス、ス
イッチ及び保護用デバイスを含む例えば自動車用電気シ
ステムの全体の“負荷”を表している。負荷12は、さ
まざまな構成要素を大きい正の電圧または負の電圧への
変化から保護するための、例えばダイオードまたは他の
要素を含む。これらの要素は電力用MOSFET10と
共働し、負荷のさまざまな電気的構成要素を逆に接続さ
れたバッテリから保護する。
0を表しており、このMOSFET10はそのソースが
バッテリ11の正電極に接続され、そのドレインが負荷
12に接続されている。バッテリ11の負電極はグラン
ドに接続されており、バッテリの正電極は電圧VBAT
(通常は12V)を提供している。MOSFET10が
導通することを確実にするためにそのゲート端子は、V
BATよりも少なくとも8V高い電圧VGに保持されなけれ
ばならない。この状況では、低抵抗パスであるMOSF
ET10のNチャネルとダイオード13を流れる電流は
効果的に分流される。
れた場合のMOSFET10を表している。MOSFE
T10のゲートとソースは短絡されており(VGS=
0)、従ってMOSFET10はターンオフしている。
ダイオード13は逆バイアスされており、事実上MOS
FET10には電流が流れない。バッテリ10の全体の
電圧降下はMOSFET10によって維持され、負荷1
2のさまざまなデバイスは、逆電位から保護される。
ト電圧VGSを制御するために用いられる回路のブロック
図を表している。“フローティング”ゲートドライバ2
0は、バッテリ11の正電極とMOSFET10のゲー
トとの間に接続されている。低側コントローラ21はグ
ランドとMOSFET10のドレインとの間に接続され
ている。この実施例では、ゲートドライバ20及びコン
トローラ21は互いにピン1、2、3及びSUBによっ
て接続された別個のICからなる。SUBピンは、フロ
ーティングゲートドライバ20の基板と、コントローラ
21の基板を接続している。
ラ21のいくつかの回路を表している。電圧レギュレー
タ30は、MOSFET10の“保護された”側に接続
されている。通常の環境では、順方向バイアスされたダ
イオード13によって負荷が始めから提供されている。
回路が動作した後に、チャージポンプ回路がMOSFE
T10の駆動を増加し、MOSFETのチャネルを通し
てダイオード13から電流を分流させる。電圧レギュレ
ータ30は例えば5Vの電圧を発振器31に供給する。
発振器31の2個の出力は、静電容量C1〜C3と、ダイ
オードD3〜D6を含むチャージポンプ回路を駆動する。
発振器31の一方の出力は静電容量C1とC3に接続さ
れ、発振器31のもう一方の出力は静電容量C2に接続
されている。発振器31の出力が、互いに180°位相
の異なる信号を出力する場合、当業者にはよく知られて
いるように、電荷が静電容量C1、静電容量C2、静電容
量C3から、MOSFET10のゲートへ伝達される。
VBAT=12Vと仮定すれば、チャージポンプ回路は、
約34VのVGまたは約22VのVGSを提供する。しか
し、22VのVGSが、MOSFET10のゲート絶縁層
をブレークダウンさせるので、ツェナーダイオードG2
がVGSを最大値16Vにクランプする。
OSFET10のゲート及びソースはデプリーション型
MOSFETM1によって短絡させられる。デプリーシ
ョン型MOSFETM1のソースは、MOSFET10
のソースに接続されており、デプリーション型MOSF
ETM1のドレインは、MOSFET10のゲートに接
続されている。MOSFETM1のゲート及びボディ領
域は、互いに短絡され、かつダイオードG1を通してバ
ッテリ11に接続され、高抵抗R1を通してグランドに
接続されている。典型的なデプリーション型MOSFE
Tと同様に、MOSFETM1は、VGSが0のときター
ンオンし、そのソースが、デバイスのピンチオフ電圧V
T以上の値だけ、ゲートよりも低くバイアスされたとき
にターンオフする(即ちVGS≦VT)。グランドに接続
する目的は、入力信号(図示されていない)を高電位側
に提供することである。このグランドへの接続は信号パ
スのみであり、電流は高い値の抵抗R1によって制限さ
れる。
態に関して説明される。第1の状態では、バッテリが接
続され、かつ適切に、即ちVBAT=12Vで動作してい
る。MOSFETM1のソースが、バッテリ11の正電
極に接続され、MOSFETM1のゲートがグランドに
接続されているので、MOSFETM1の電圧VGSはお
よそ−12Vに等しい。MOSFETM1は約−5Vの
ピンチオフ電圧を備えているので、VGS=−12Vのと
き、MOSFETM1はターンオフする。従って、上述
されたように、チャージポンプ回路は、MOSFET1
0のVGSが約16VとなるまでMOSFET10のゲー
トを駆動する。従って、電流がMOSFET10のNチ
ャネルを流れ、MOSFET10の抵抗は約18〜50
mΩとなる。
されている。この状況では、MOSFETM1のVGSは
約+12Vであり、従ってMOSFETM1がターンオ
フする。MOSFETM1がターンオンすることによっ
て、MOSFET10のゲートとソースが短絡させら
れ、MOSFET10がターンオフし、負荷12の半導
体要素に逆方向電圧が加えられることが防止される。動
的に表現すれば、MOSFETM1がMOSFET10
のゲートとソースとを短絡し、逆電圧がMOSFET1
0に現れる前に、MOSFET10のゲート静電容量か
ら全てのエネルギを取り除く。従って、MOSFET1
0に逆電圧が現れたとき、MOSFET10は既にター
ンオフしている。
間のダイオードが比較的高い値の抵抗R1に直列に接続
されているために、MOSFETM1は逆方向電圧に対
して保護されている。抵抗R1の値は、例えば10kΩ
である。上述されたように、ゲートドライバ20とコン
トローラ21は異なるチップ上に形成されている。発振
器31と、コントローラ21の他の構成要素は、MOS
FETM1のソース−ボディダイオードの順方向バイア
スに影響されない。更に、MOSFETM1がスナップ
バック(snaps back)またはラッチアップし
た場合でも、MOSFETM1は、より速くMOSFE
T10のゲートとソースを短絡する。たとえ、ゲートド
ライバ20が一時的に適切に動作しなくなった場合で
も、MOSFETM1は、MOSFET10を迅速にタ
ーンオフさせる。電流制限抵抗R1及び静電容量C1〜
C3は、コントローラ21の回路が不利な結果となるこ
とを防止する。高電位側の回路は、その基板とグランド
との間に低抵抗が接続されていない回路と考えることが
できる。従って、基板間の接続部を強く順方向バイアス
することはできない。MOSFET10のゲートを駆動
するために必要な低抵抗パスは、静電容量C1、C2及び
C3を交流カップリングすることによって提供される。
これらの静電容量は、直流電流を遮断する直流的に“オ
ープンな”接続部である。
続されているが、バッテリ11の出力は例えば4Vまた
は5Vに降下している。バッテリ11の出力がMOSF
ETM1のピンチオフ電圧に近いために、MOSFET
M1は僅かに導通しており、MOSFET10のゲート
から洩れ電流が流れる。しかし、MOSFETM1は十
分に導通していない。更に、MOSFET10のVGSは
この状況では8〜10Vに近い値であり、従ってMOS
FET10はターンオフ状態に近付き、ターンオフする
可能性がある。この状況では、大きい電圧降下がMOS
FET10の両端間に発生する可能性がある。大電流が
流れるとき、多くの電力が消費され、MOSFET10
が加熱されかつMOSFET10を損傷させる。MOS
FET10のVGSがグランドからおよそ8V高い値以下
のとき、またはVBATより4V高い値以下のとき、MO
SFET10はターンオフし、全ての電流がダイオード
13を通って流れる。このとき大量の電力が消費され
る。
ウト(UVL)回路32を提供することによって解決さ
れる。UVL回路32は、負荷12の両端間の電圧VDD
を監視する。VDDが例えば6V以下の場合、UVL32
は負荷12の負荷要素のうちのある負荷要素を、システ
ムが遮断するような信号を送る。UVL32は、負荷電
流がMOSFET10のゲートの利用可能な駆動電圧V
GSによって保持される点までに低下するまでこの動作を
続ける。さもなければ、ダイオード13を流れる電流の
大部分によって、MOSFET10が再び加熱され、か
つ熱を放散させる問題が生じる。従って、UVL32
は、MOSFET10がオフしているかまたは部分的に
オンしている、0V及び+6Vの間の“危険領域”内に
VDDが入るときを決定するセンスデバイスとして働く。
するために、比較器41を用いた他の実施例を表してい
る。MOSFET10と、バッテリ11と、負荷12
は、図3に示されているように直列に接続されている。
発振器40は、インバータ42、静電容量C10及びC1
1、及びダイオードD10、D11及びD12を含むチャージ
ポンプ回路を駆動する。この実施例のチャージポンプ回
路は、4個のダイオードを備えた図3の実施例とは異な
り、3個のダイオードを備えているが、さまざまな個数
のダイオードまたは他の要素を用いた種々のチャージポ
ンプ回路を特定の要求を満たすべく用いることができる
ことは明らかである。チャージポンプ回路によって生み
出された電荷は、静電容量C12に蓄えられ、この静電容
量C12の低圧側の端子は、バッテリ11の正電極に接続
されている。ツェナーダイオードG14は、静電容量C12
の電圧を約15Vに制限する。この電荷は、比較器41
の電力入力41Aに供給され、比較器41のもう一方の
電力入力41Bは、バッテリ11の正電極に接続されて
いる。導電性パスは、ダイオードD13と抵抗R10及びR
11とによって、バッテリ11の正電極とグランドとの間
に形成されている。ダイオードD13と抵抗器R10の間の
共通点は、比較器41の負の入力に接続されている。従
って、バッテリ11が順接続された場合、比較器41の
正の入力の電圧は、比較器41の負の入力の電圧より
も、順方向バイアスされたダイオードD13の両端間の電
圧降下分(0.7V)だけ高くなっている。その結果、
ツェナーダイオードD14によって約15Vに制限され
た、静電容量C12の電圧は、比較器41の出力からMO
SFET10のゲート端子に供給される。この電圧VGS
が約8Vよりも大きい場合、MOSFET10はターン
オフし、かつバッテリ11と負荷12との間の低いオン
抵抗の導電性パスを形成する。バッテリ11が逆接続さ
れた場合、比較器41の入力に加えられた電圧の極性が
反転する(即ちバッテリ11の負電極が比較器41の正
の入力に直接接続され、かつバッテリ11の正電極がダ
イオードD16と抵抗R10を通して比較器41の負の入力
に接続される)。比較器41はMOSFET10のゲー
トにVGS=0Vを印加する。従って、MOSFET10
はターンオフし、固有のダイオード13が負荷12を逆
に流れる電流を遮断する。バッテリが逆接続された状況
では、直流電流がVBATからグランドへ流れるが、この
電流は高抵抗R10及びR11を通して流れるので、実際に
はごくわずかな電流しか流れない。
他の導電性パスは、ダイオードD15、抵抗R12及び静電
容量C13によって形成される。通常の動作では、ダイオ
ードD15は抵抗R12を通して静電容量C13を充電し、こ
の抵抗R12は電流制限抵抗として働く。静電容量C13は
基準電圧を提供する。バッテリの電圧が急速に低下する
とき、ダイオードD15の電圧の極性が反転し、これによ
ってバッテリを静電容量C13から遮断する。抵抗R11
は、バッテリが遮断されている場合か、またはバッテリ
が逆接続されている場合、静電容量C13を充電するため
のかなり長い時定数を提供する。抵抗R10はバッテリが
逆接続されているとき、ダイオードD17とツェナーダイ
オードD14を流れる電流を制限する。静電容量C13と並
列に接続されたダイオードD16は、静電容量に対して有
害な逆接続されたバッテリによって、静電容量C13が充
電されることを防止する。
するものであって限定を意図するものではない。本発明
に基づく多くの変形実施例が当業者には明らかである。
そのような全ての変形実施例は、添付の請求項によって
定義される本発明の広範囲に亘る技術的視点を逸脱する
ものではない。
接合絶縁されたIC技術で生じる、バッテリを逆接続す
ることによる、IC内の多くの接合部が順方向バイアス
されること、及び基層に少数キャリアが流れ、ラッチア
ップ現象、過剰な熱の発生または他の望まれない効果が
生ずることが防止される。
テリが順接続された通常の動作での電力用MOSFET
の回路図を表し、Bは、バッテリが逆接続された動作で
の本発明に基づく電力用MOSFETの回路図を表して
いる。
と低電位側コントローラを表すブロック図。
トローラの回路図。
比較器を用いた本発明の他の実施例を表す図。
Claims (13)
- 【請求項1】 バッテリと、負荷と、逆接続されたバッ
テリーから負荷を保護するためのデバイスとからなる逆
接続されたバッテリーに対する保護回路であって、 前記デバイスが、 前記バッテリが、前記バッテリと前記負荷とに直列に接
続されたMOSFETと順接続されたとき、前記MOS
FETを導通状態にバイアスする第1手段と、 前記バッテリが逆接続されたときに、前記MOSFET
を非導通状態にバイアスする第2手段とを有することを
特徴とする逆接続されたバッテリーに対する保護回路。 - 【請求項2】 前記第1手段が、前記MOSFETのゲ
ートに接続されたチャージポンプ回路を有することを特
徴とする請求項1に記載の保護回路。 - 【請求項3】 前記第2手段が、前記バッテリが逆接続
されたときに、前記MOSFETの前記ゲートを前記M
OSFETのソースと短絡する手段を有することを特徴
とする請求項1に記載の保護回路。 - 【請求項4】 前記短絡する手段がデプリーション型デ
バイスからなることを特徴とする請求項3に記載の保護
回路。 - 【請求項5】 前記デプリーション型デバイスのソース
が、前記バッテリの第1端子に接続され、前記デプリー
ション型デバイスのゲートが、電流制限抵抗を通して前
記バッテリの第2端子に接続されていることを特徴とす
る請求項4に記載の保護回路。 - 【請求項6】 前記バッテリが順接続されているとき、
前記第1端子が正であり、前記第2端子が負であること
を特徴とする請求項5に記載の保護回路。 - 【請求項7】 前記MOSFETがNチャネルMOSF
ETからなり、前記MOSFETの前記ソースが前記バ
ッテリに接続され、前記MOSFETの前記ドレインが
前記負荷に接続されていることを特徴とする請求項1に
記載の保護回路。 - 【請求項8】 前記第2手段が、前記バッテリが逆接続
されているとき、前記MOSFETの前記ゲートと前記
ソースを短絡する手段を有し、 前記チャージポンプ回路が発振器からなり、 前記短絡する手段が第1のICチップ上に配置され、 前記発振器が第2のICチップ上に配置されていること
を特徴とする請求項2に記載の保護回路。 - 【請求項9】 前記短絡する手段が、デプリーション型
デバイスからなり、前記デプリーション型デバイスが、
前記第1のICチップの基板の一部を形成するボディ領
域を有することを特徴とする請求項8に記載の保護回
路。 - 【請求項10】 前記ボディ領域が前記デプリーション
型デバイスのゲートに接続され、前記ゲートがダイオー
ドのアノードに接続され、前記デプリーション型デバイ
スのソースが前記ダイオードのカソードに接続されてい
ることを特徴とする請求項8に記載の保護回路。 - 【請求項11】 前記MOSFETの前記ソースが前記
バッテリの端子に接続され、前記バッテリが順接続され
ているときに、前記チャージポンプ回路が、前記端子の
電位よりも高い電位を有する出力を提供するべく設計さ
れていることを特徴とする請求項2に記載の保護回路。 - 【請求項12】 前記MOSFETの前記ソースと前記
ゲートとの間に接続されたツェナーダイオードを有する
ことを特徴とする請求項11に記載の保護回路。 - 【請求項13】 前記第1手段及び前記第2手段が、チ
ャージポンプ回路及び比較器を有し、 前記比較器の電力入力が、前記チャージポンプ回路に接
続され、前記チャージポンプ回路の出力がMOSFET
のゲートに接続されていることを特徴とする請求項1に
記載の保護回路。
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