JPH09163590A - 保護機能付スイッチ回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 複数の負荷とその電源との接続制御並びに回
路保護を行うスイッチ回路において、回路全体の小型化
や低廉化、配線の簡素化を図る。 【解決手段】 負荷２６１，…に対応して設けられるス
イッチング部であるＦＥＴ１６１，…と、論理回路２４
等の制御部と、過電圧検出回路１８をはじめとする回路
異常検出部とを一体化し、上記論理回路２４等によっ
て、回路保護を考慮した各ＦＥＴ１６１，…のオンオフ
制御を統括して行うようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数の負荷とその
電源との間に設けられ、両者間の接続を制御するととも
に、各負荷を過電流や過電圧、周囲雰囲気の過昇温から
保護する保護機能を備えたスイッチ回路に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来、負荷とその電源とを接続する回路
を過電流等から保護する手段として、一般にヒューズや
リレーが用いられてきたが、ヒューズは一旦切れるとそ
の交換を行わない限り接続を再開できない不便があり、
またリレーはオンオフの切換が機械的接点によるものな
ので長期信頼性に劣る欠点がある。

【０００３】そこで近年は、上記ヒューズやリレーに代
わる手段として、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）
やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）と
いった半導体素子からなるスイッチング部と、上記過電
流や過昇温等の回路異常の有無を検出する検出部と、外
部から入力される指令信号と上記検出部の検出結果とに
基づいて上記スイッチング部のオンオフを制御する制御
部とを一体化したＩＰＳ（Intelligent Power Switch）
等の保護機能付スイッチ回路の開発が進められている
（例えば特開平６−２８９０８７号公報参照）。

【０００４】図３にその一例を示す。図示の保護機能付
スイッチ回路（以下、単にスイッチ回路と称する）１０
は、内部電源１２と、チャージポンプ１４と、ＦＥＴ１
６と、過電圧検出回路１８と、電流検出回路２０と、感
温素子２２と、論理回路２４とを備え、これらが共通の
基板（例えばプリント回路基板や半導体基板）に実装さ
れている。

【０００５】内部電源１２は、図略のバッテリー電源に
接続されており、負荷２６に加え、スイッチ回路１０内
の他の回路にも適切な電源供給を行う。チャージポンプ
１４は、論理回路２４から出力される信号を昇圧し、Ｆ
ＥＴ１６にゲート信号として入力する。このＦＥＴ１６
には、図例ではエンハンスメント型ｎチャンネルＦＥＴ
が用いられ、そのドレインに上記内部電源１２が接続さ
れ、ソースに負荷２６が接続されている。従って、チャ
ージポンプ１４からゲートに入力される信号がＬ（ロ
ー）の場合には負荷２６は通電されず、上記信号がＨ
（ハイ）の場合にのみ負荷２６の通電が行われる。

【０００６】過電圧検出回路１８は、内部電源１２とＦ
ＥＴ１６との間での過電圧の発生の有無を検出する。電
流検出回路２０は、ＦＥＴ１６のソースから負荷２６に
流れる電流値を検出することにより、過電流検出手段
と、負荷短絡検出手段と、負荷オープン検出手段として
の役割を兼ねる。感温素子２２は、回路雰囲気温度を電
気信号に変換し、これを出力する。

【０００７】これら過電圧検出回路１８、電流検出回路
２０、及び感温素子２２の出力信号は、論理回路２４に
入力される。この論理回路２４は、回路異常が検出され
ない通常時では、外部から入力される駆動指令信号に基
づいてＦＥＴ１６のオンオフ制御を行うのに対し、回路
異常が発生した非常時には回路保護用の特別制御を行
う。

【０００８】上記制御動作の一例を図４のタイムチャー
トに示す。原則的には、同図最上段に示す駆動指令信号
がＬからＨに切換えられると、これに対応して、論理回
路２４からチャージポンプ１４を介してＦＥＴ１６に入
力されるゲート信号もＬからＨに切換えられ、これによ
り内部電源１２と負荷２６とが接続される。しかし、過
電圧、過電流、負荷短絡、負荷オープン、過昇温といっ
た回路異常が検出された場合には、回路保護を図るべ
く、駆動指令信号がＨであるにもかかわらずゲート信号
はＬに切換えられ、回路異常が解消されるまで内部電源
１２と負荷２６との接続が中断されるとともに、異常を
外部回路に伝達するためのステータス信号が出力され
る。

【０００９】なお、負荷オープンの発生は、駆動指令信
号がＨであってゲート信号をＨとしたにもかかわらず負
荷２６が通電されないことにより、確認が可能である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】従来、複数の負荷２６
と電源との間の接続を制御する場合には、前記図３に示
したスイッチ回路１０を各負荷２６ごとに配し、各スイ
ッチ回路１０によって各負荷２６の通電を個別に制御す
るといったことが行われている。従って、この従来シス
テムでは次のような不都合がある。

【００１１】 負荷２６の数と同じ個数だけ、上記各
構成要素を全て具備したスイッチ回路１０を用意しなけ
ればならないので、特に負荷２６の個数が多い場合、コ
ストは著しく高くなる。また、これら多数のスイッチ回
路１０を収納するのに、多大なスペースが必要になる。

【００１２】 各スイッチ回路１０に組み込まれたＦ
ＥＴ１６同士を連携したい場合には、これらＦＥＴ１６
とともに共通のスイッチ回路１０に組み込まれた論理回
路２４同士の間で複雑な交信を行わなければならず、そ
のための配線も複雑となる。また、各論理回路２４から
外部回路へステータス信号を送るための電線も各スイッ
チ回路１０から個別に引き出さなければならず、配線の
簡素化は非常に難しい。

【００１３】本発明は、上記のような不都合を解消でき
る保護機能付スイッチ回路を提供することを目的とす
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の手段として、本発明は、複数の負荷とその電源との間
の接続を制御する保護機能付スイッチ回路であって、各
負荷と電源との間に設けられ、入力される制御信号に応
じて上記負荷と電源との接続をオンオフする複数のスイ
ッチング部と、各スイッチング部についての回路異常の
有無を検出する検出部と、外部から入力される指令信号
と上記検出部により検出される回路異常の有無とに基づ
いて各スイッチング部のオンオフを統括して制御する単
一の制御部とを一体化したものである。なお、ここで
「一体化する」とは、例えば全構成要素を共通の基板
（例えばプリント回路基板や半導体基板）に実装して単
一のユニットとして構成することを意味し、より好まし
くは、それを樹脂で覆って単一モジュール化するのがよ
い。

【００１５】上記構成によれば、全体が一体化された単
一のスイッチ回路によって、複数の負荷とその電源との
接続を同時に制御できる。従って、スイッチ回路を収納
するためのスペースは少なくてすみ、配線も簡素化され
る。また、各スイッチング部のオンオフを共通の制御部
で制御するので、負荷が多数存在しても単一の制御部を
設けるだけで済み、スイッチング部同士の連携も上記単
一の制御部での内部処理によって容易に行うことができ
る。

【００１６】例えば、少なくとも１つのスイッチング部
と直列に予備スイッチング部を配するとともに、通常時
には上記予備スイッチング部をオン状態に維持し、上記
スイッチング部の短絡故障が検出された非常時には上記
予備スイッチング部のオンオフによって負荷の通電制御
を行うように上記制御部を構成すれば、上記スイッチン
グ部が短絡故障してこのスイッチング部による電源と負
荷との接続切換が不能になっても、これに連携して予備
スイッチング部のオンオフを制御することによって、上
記接続切換を不都合なく続行できる。

【００１７】上記負荷の電源として回路内に内部電源を
設ける場合、この内部電源をスイッチ回路に一体に組み
込み、かつ各負荷に各スイッチング部を介して共通接続
することにより、内部電源の個数も減らすことが可能に
なる。

【００１８】また、回路異常を検出するための検出部と
して、各負荷とこれらの負荷に接続される共通電源との
間での過電圧発生の有無を検出する過電圧検出手段や、
回路雰囲気の過昇温の有無を検出する過昇温検出手段を
備える場合、これらの検出手段も各スイッチング部につ
いて共通して使用することにより、必要な回路要素の数
をさらに減らすことができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明の好ましい実施の形態の一
例を図１及び図２に基づいて説明する。なお、本発明の
実施形態は同図に示されるものに束縛されない。

【００２０】ここに示す保護機能付スイッチ回路（以
下、単にスイッチ回路と称する。）１０は、Ｎ個の負荷
２６１，２６２，…，２６Ｎと電源との接続を制御する
ためのものであり、単一の内部電源１２と、Ｎ個のチャ
ージポンプ１４１，１４２，…，１４Ｎと、Ｎ個のＦＥ
Ｔ（図例ではｎチャンネルＦＥＴ）１６１，１６２，
…，１６Ｎと、単一の過電圧検出回路１８と、Ｎ個の電
流検出回路２０１，２０２，…，２０Ｎと、単一の感温
素子２２と、単一の論理回路２４とを備え、これらが共
通の基板（プリント回路基板や半導体基板）に実装され
ている。

【００２１】なお、ＦＥＴ１６１，１６２，…，１６Ｎ
にｐチャンネルＦＥＴを用いれば、チャージポンプ１４
１，１４２，…，１４Ｎは不要になる。この場合、各Ｆ
ＥＴのゲート電圧は内部電源の電位を基準として制御す
ればよい。

【００２２】内部電源１２は、図略のバッテリー電源に
接続されており、各負荷２６１，２６２，…２６Ｎと、
スイッチ回路１０内の他の回路とに適切な電源供給を行
う。各チャージポンプ１４１，１４２，…，１４Ｎは、
論理回路２４から出力される信号を昇圧し、それぞれＦ
ＥＴ１６１，１６２，…１６Ｎにゲート信号として入力
する。各ＦＥＴ１６１，１６２，…１６Ｎには、前述の
図３に示したものと同様、エンハンスメント型ｎチャン
ネルＦＥＴが用いられ、各ドレインに共通の上記内部電
源１２が接続され、各ソースにそれぞれ負荷２６１，２
６２，…２６Ｎが接続されている。従って、チャージポ
ンプ１４１，１４２，…，１４Ｎからゲートに入力され
る信号がＬ（ロー）の場合には負荷２６１，２６２，…
２６Ｎは通電されず、上記信号がＨ（ハイ）の場合にの
み負荷２６１，２６２，…２６Ｎの通電が行われる。

【００２３】さらに、このスイッチ回路１０では、重要
度の高い負荷としてＮ番目の負荷２６Ｎが選定され、こ
の負荷２６Ｎに対応するＦＥＴ１６Ｎのドレインと上記
内部電源１２との間に、上記ＦＥＴ１６Ｎと直列に予備
ＦＥＴ１６ｎが配されている。詳しくは、予備ＦＥＴ１
６ｎのドレインが上記内部電源１２に接続され、ソース
が上記ＦＥＴ１６Ｎのドレインに接続されており、予備
ＦＥＴ１６ｎのゲートは前記チャージポンプ１４１，１
４２，…，１４Ｎと同様のチャージポンプ１４ｎを介し
て共通の論理回路２４に接続されている。

【００２４】なお、本発明におけるスイッチング部は上
記ＦＥＴに限らず、その他の半導体素子、例えばＩＧＢ
Ｔを用いることも可能である。

【００２５】過電圧検出回路１８は、内部電源１２と各
ＦＥＴ１６１，１６２，…１６Ｎとを結ぶ回路において
その分岐点よりも前の位置に接続され、この位置での過
電圧の発生の有無を検出する。電流検出回路２０１，２
０２，…，２０Ｎは、各ＦＥＴ１６１，１６２，…１６
Ｎのソースから各負荷２６１，２６２，…２６Ｎに流れ
る電流値を検出することにより、過電流検出手段と負荷
短絡検出手段と負荷オープン検出手段としての役割を兼
ねる。感温素子２２は、回路全体の雰囲気温度を電気信
号に変換し、これを出力する。

【００２６】論理回路２４は、各チャージポンプ１４
１，１４２，…，１４ｎ，１４Ｎを通じて、各ＦＥＴ１
６１，１６２，…１６ｎ，１６Ｎのオンオフ制御を統括
して行うものである。具体的には、上記過電圧検出回路
１８、電流検出回路２０１，２０２，…，２０Ｎ、及び
感温素子２２の出力信号に基づいて回路異常発生の有無
を判断し、回路異常のない通常時では、外部から入力さ
れる各ＦＥＴについての駆動指令信号に即してＦＥＴ１
６１，１６２，…１６Ｎのオンオフ制御を行うのに対
し、回路異常が発生したと認められる非常時には回路保
護用の特別制御を行うように構成されている。

【００２７】この制御動作の一例を図２のタイムチャー
トを参照しながら説明する。なお、以下の説明ではＮ番
目のＦＥＴ１６Ｎに焦点を当てているが、他のＦＥＴに
ついても同様である。

【００２８】原則的に、同図最上段に示す負荷２６Ｎに
ついての駆動指令信号がＬからＨに切換えられると、こ
れに対応して、論理回路２４からチャージポンプ１４Ｎ
を介してＦＥＴ１６Ｎに入力されるゲート信号がＬから
Ｈに切換えられる一方、チャージポンプ１４ｎから予備
ＦＥＴ１６ｎに入力されるゲート信号は常にＨに保たれ
る。従って、上記ＦＥＴ１６Ｎへのゲート信号がＨに切
換えられた時点で内部電源１２と負荷２６Ｎとが接続さ
れる。

【００２９】これに対し、過電圧、過電流、負荷短絡、
負荷オープン、過昇温といった回路異常が検出された場
合には、その回路異常の内容に応じて、回路保護を図る
ための次のような特別制御が行われる。

【００３０】Ａ）負荷２６Ｎにのみ関連する回路異常
（すなわち、負荷２６Ｎへの過電流、負荷２６Ｎの短絡
やオープン）が発生した場合（ただし、ＦＥＴ１６Ｎの
短絡故障を除く。）：ＦＥＴ１６Ｎに対するゲート信号
のみが強制的にＬに切換えられ、回路異常が解消される
まで内部電源１２と負荷２６Ｎとの接続が中断されると
ともに、負荷２６Ｎについての異常を外部回路に伝達す
るためのステータス信号が出力される。他のＦＥＴ２６
１，２６２，…については、通常のオンオフ制御が続行
される。

【００３１】なお、負荷オープンの発生は、駆動指令信
号がＨであってゲート信号をＨとしたにもかかわらず負
荷２６Ｎが通電されないことにより把握可能であり、通
電の有無は、例えばシャント抵抗による電圧降下をモニ
タリングすることにより検知できる。

【００３２】Ｂ）全ての負荷２６１，２６２，…，２６
Ｎに共通して関連する回路異常（すなわち過電圧や過昇
温）が発生した場合：全てのＦＥＴ１６１，１６２，
…，１６Ｎに対するゲート信号が一括してＬに切換えら
れ、回路異常が解消されるまで内部電源１２と全ての負
荷２６１，２６２，…２６Ｎとの接続が中断されるとと
もに、全ての負荷２６１，２６２，…２６Ｎについての
異常を外部回路に伝達するためのステータス信号が出力
される。

【００３３】なお、上記スイッチ回路１０において各負
荷に過電圧がかかるのは、図略のバッテリー電源から回
路内の内部電源１２に規格の範囲を超える電圧が加えら
れる場合のみであり、具体的には、バッテリー抜き差し
時等に発生するリップル成分（急峻な電圧パルス）が発
生した場合や、バッテリーのプラス端子とマイナス端子
とを逆に接続した場合、エンストが起こった場合に何ら
かの電源装置を用いてエンジンを起動させようとした場
合等が挙げられる。

【００３４】Ｃ）ＦＥＴ１６Ｎに短絡故障が発生した場
合：この場合、ＦＥＴ１６Ｎを用いたオンオフ制御は不
可能であるので、このＦＥＴ１６Ｎに対するゲート信号
はＨに維持する一方、負荷２６Ｎについての駆動指令信
号に応じて予備ＦＥＴ１６ｎに対するゲート信号をＬと
のＨとの間で切換える。すなわち、ＦＥＴ１６Ｎのオン
オフ制御に代えて予備ＦＥＴ１６ｎのオンオフ制御を実
行する。これにより、負荷２６Ｎの通電制御を不都合な
く続行することができる。

【００３５】この実施形態によれば、全体が一体化され
た単一のスイッチ回路１０を用いるだけで、複数の負荷
とその電源との接続を同時に制御できる。従って、負荷
の数と同数のスイッチ回路を用いる従来技術に比べ、ス
イッチ回路全体を収納するためのスペースは少なくてす
み、配線も簡素化できる。例えば、各負荷回路の異常時
にステータス信号を伝送するための電線は全て単一のス
イッチ回路１０から引き出されることになり、これらの
電線をテープ等で束ねることにより、配線構造はきわめ
て簡素化される。

【００３６】また、各ＦＥＴ１６１，１６２，…，１６
Ｎのオンオフを共通の論理回路２４で制御するようにし
ているので、従来のように負荷と同数の制御部を用いる
場合に比べ、コストを大幅に削減できる。さらに、ＦＥ
Ｔ同士の連携（例えばＦＥＴ１６Ｎの短絡故障時に予備
ＦＥＴ１６ｎを作動させるといった連携）をする場合に
も、従来のように制御部同士の間で交信させる必要がな
く、単一の制御部である論理回路２４での内部処理によ
って上記連携を簡単に行うことができる。

【００３７】さらに、このスイッチ回路１０では、過電
圧検出回路１８や感温素子２２も各負荷について共通化
しているので、これらを各負荷ごとに設ける場合に比
べ、スイッチ回路１０全体の小型化及び低廉化をさらに
進めることができる。

【００３８】なお、本発明は、上記の他、例として次の
ような形態をとることも可能である。

【００３９】(1) 本発明では具体的な負荷の数を問わ
ず、少なくとも２個の負荷と電源との接続制御を行う場
合に広く適用できる。また、予備スイッチング部を用い
る場合、この予備スイッチング部の個数も特に問わず、
全てのスイッチング部について予備スイッチング部を付
加するようにしてもよいし、上記のように重要度の高い
負荷に接続されたスイッチング部（図１ではＦＥＴ１６
Ｎ）にのみ予備スイッチング部を付加してもよい。

【００４０】(2) 本発明では、図１に示した検出部（す
なわち過電圧検出回路１８、電流検出回路２０１，…、
及び感温素子２２）を全て具備しなくてもよく、目的に
応じて一部の回路を省略したり、逆に別の検出部を加え
たりするようにしてもよい。

【００４１】(3) 上記実施形態では、スイッチ回路１０
内に内部電源１２を組込み、この内部電源１２から各負
荷２６１，２６２，…２６Ｎ等に電源供給を行うように
しているが、この内部電源１２を省略し、外部電源を図
１に示した回路中の適所（例えば同図点Ａ）に接続する
ようにしても、電源供給が可能である。

【００４２】

【発明の効果】以上のように本発明は、複数の負荷にそ
れぞれ対応して設けられるスイッチング部と、各スイッ
チング部についての回路異常の有無を検出する検出部
と、外部から入力される指令信号と上記検出部により検
出される回路異常の有無とに基づいて各スイッチング部
のオンオフを統括して制御する単一の制御部とを一体化
したものであるので、このように全体が一体化された単
一のスイッチ回路によって、複数の負荷とその電源との
接続を同時に制御でき、これにより、スイッチ回路全体
を収納するためのスペースを削減し、配線も簡素化でき
る効果が得られる。また、各スイッチング部のオンオフ
を共通の制御部で制御するので、負荷が多数存在しても
単一の制御部を設けるだけで済み、負荷と同数の制御部
を用いる従来構造に比べて、コストを大幅に削減できる
とともに、スイッチング部同士の連携も、上記単一の制
御部での内部処理によって配線なしに容易に行うことが
できる。

【００４３】具体的には、少なくとも１つのスイッチン
グ部と直列に予備スイッチング部を配するとともに、通
常時には上記予備スイッチング部をオン状態に維持し、
上記スイッチング部の短絡故障が検出された非常時には
上記予備スイッチング部のオンオフによって負荷の通電
制御を行うように上記制御部を構成するといったことが
可能であり、この構成によれば、上記スイッチング部が
短絡故障してこのスイッチング部による電源と負荷との
接続切換が不能になっても、これに連携して予備スイッ
チング部のオンオフを制御することによって、上記接続
切換を不都合なく続行できる効果が得られる。

【００４４】また、上記負荷の電源として回路内に内部
電源を設ける場合、この内部電源をスイッチ回路に一体
に組み込み、かつ各負荷に各スイッチング部を介して共
通接続することにより、従来のように各スイッチ回路に
内部電源を設ける場合に比べ、内部電源の総数も減らす
ことができ、コストをさらに削減できる。

【００４５】さらに、回路異常を検出するための検出部
として、各負荷とこれらの負荷に接続される共通電源と
の間での過電圧発生の有無を検出する過電圧検出手段
や、回路雰囲気の過昇温の有無を検出する過昇温検出手
段を備える場合、これらの検出手段も各スイッチング部
について共通化することにより、必要な回路要素の数を
さらに減らすことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる保護機能付スイッチ回路の構成
図である。

【図２】上記スイッチ回路において行われる制御動作を
示すタイムチャートである。

【図３】従来のスイッチ回路の一例を示す構成図であ
る。

【図４】上記スイッチ回路において行われる制御動作を
示すタイムチャートである。

【符号の説明】

１０ 保護機能付スイッチ回路 １２ 内部電源 １６１，１６２，…，１６Ｎ ＦＥＴ（スイッチング
部） １６ｎ 予備ＦＥＴ（予備スイッチング部） １８ 過電圧検出回路（過電圧検出手段） ２０１，２０２，…２０Ｎ 電流検出回路（検出部） ２２ 感温素子（過昇温検出手段） ２４ 論理回路（制御部） ２６１，２６２，…，２６Ｎ 負荷

フロントページの続き (72)発明者 星野 孝志 愛知県名古屋市南区菊住１丁目７番10号 株式会社ハーネス総合技術研究所内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の負荷とその電源との間の接続を制
   御する保護機能付スイッチ回路であって、各負荷と電源
   との間に設けられ、入力される制御信号に応じて上記負
   荷と電源との接続をオンオフする複数のスイッチング部
   と、各スイッチング部についての回路異常の有無を検出
   する検出部と、外部から入力される指令信号と上記検出
   部により検出される回路異常の有無とに基づいて各スイ
   ッチング部のオンオフを統括して制御する単一の制御部
   とを一体化したことを特徴とする保護機能付スイッチ回
   路。
2. 【請求項２】 請求項１記載の保護機能付スイッチ回路
   において、上記負荷の電源として、各負荷に各スイッチ
   ング部を介して共通接続される単一の内部電源を一体に
   組み込んだことを特徴とする保護機能付スイッチ回路。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載の保護機能付スイ
   ッチ回路において、上記検出部として、各負荷とこれら
   の負荷に接続される共通電源との間での過電圧発生の有
   無を検出する単一の過電圧検出手段を備えたことを特徴
   とする保護機能付スイッチ回路。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれかに記載の保護機
   能付スイッチ回路において、上記検出部として、回路雰
   囲気の過昇温の有無を検出する単一の過昇温検出手段を
   備えたことを特徴とする保護機能付スイッチ回路。
5. 【請求項５】 請求項１〜４のいずれかに記載の保護機
   能付スイッチ回路において、少なくとも１つのスイッチ
   ング部と直列に予備スイッチング部を配するとともに、
   通常時には上記予備スイッチング部をオン状態に維持
   し、上記スイッチング部の短絡故障が検出された非常時
   には上記予備スイッチング部のオンオフによって負荷の
   通電制御を行うように上記制御部を構成したことを特徴
   とする保護機能付スイッチ回路。