WO2013047005A1 - 負荷駆動回路 - Google Patents

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西尾 実
崇智 大江
善昭 豊田
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富士電機株式会社
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    • G01R31/40Testing power supplies
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02HEMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H3/00Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
    • H02H3/24Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to undervoltage or no-voltage
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
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    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
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    • H03K2217/0063High side switches, i.e. the higher potential [DC] or life wire [AC] being directly connected to the switch and not via the load

Definitions

  • the present invention relates to a load drive circuit having a configuration in which a switching element is interposed between an anode of a power source and a load, and more particularly to a load drive circuit having a function of detecting a load release and a power fault.
  • Patent Document 1 proposes a high-side load driving circuit having a function of discriminating and detecting the load release and the power supply.
  • the load driving circuit described in Patent Document 1 has a problem in that the configuration is complicated and large because it is necessary to provide a large number of reference power supply circuits in order to determine whether the load is released or the power supply.
  • the circuit shown in FIG. 3 of Patent Document 1 for detecting a power fault determines a power fault based on the potential of the output terminal 3-16. When a power fault is to be determined, the output of the voltage follower (constant voltage) is used. (VOUTOPEN) is connected to the output terminal 3-16, thereby impeding the determination.
  • an object of the present invention is to provide a load driving circuit capable of discriminating and detecting a load release and a power fault with a simple configuration.
  • the present invention relates to a load driving circuit for driving a load connected to the output terminal by switching a switching element connected between an anode and an output terminal of a DC power supply, the constant voltage connected in parallel to the switching element.
  • a load opening detection circuit for detecting the opening of the load when the voltage is less than a value obtained by subtracting a second threshold voltage from the voltage of the power supply; and when the switching element is off, the voltage of the output terminal is the voltage of the DC power supply
  • a power fault detection circuit that detects a power fault of the load to the power source when the value is larger than a value obtained by subtracting the second threshold voltage from the power supply circuit.
  • the power supply detection circuit includes a Pch-MOSFET having the second threshold voltage, and can be configured to detect the power supply based on an ON operation of the Pch-MOSFET.
  • an oscillator may be provided that generates a pulse signal having a predetermined frequency as a signal indicating a power supply state.
  • the voltage of the output terminal accompanying the load power fault is defined by, for example, dividing the voltage value of the power source by the power resistance value of the power fault and the resistance value of the load.
  • the voltage of the output terminal that accompanies the opening of the load is, for example, that the current of the constant current element flows through a parallel resistor including the resistor, a resistor between the output terminal and the load, and a series resistor of the load. It is prescribed.
  • the load release detection circuit includes an Nch-MOSFET having the first threshold voltage, and the voltage of the output terminal is greater than the value of the first threshold voltage based on the ON operation of the Nch-MOSFET. It can be configured to detect.
  • the present invention since it is possible to determine the load release and the power fault with a simple configuration without providing a large number of reference power supply circuits, it is possible to improve the reliability, reduce the cost, and reduce the size. .
  • FIG. 1 is a circuit block diagram showing an embodiment of a load driving circuit according to the present invention. It is a circuit diagram which shows the structural example of a load release detection circuit and a power fault detection circuit. It is operation
  • FIG. 1 shows a load driving circuit 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the anode of a DC power supply 5 is connected to the power supply terminal 3, and one end of a load 7 is connected to the output terminal 9.
  • the cathode of the DC power source 5, the other end of the load 7, and the ground terminal 4 are all grounded.
  • a switching element Q1 made of an Nch-MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) is interposed between the power supply terminal 3 and the output terminal 9, and between the power supply terminal 3 and the ground terminal 4 is an Nch-MOSFET.
  • a switching element Q2 and a constant current element 11 are connected in series.
  • the load drive circuit 1 is a load drive circuit having a so-called high side configuration in which the switching element Q1 is interposed between the anode of the DC power supply 5 and the load 7.
  • the overheat detection circuit 13 detects overheating of the switching element Q ⁇ b> 1 and outputs the detection result to the logic circuit 17.
  • the overheat detection circuit 13 can be configured to detect overheat using, for example, the temperature dependence of the forward voltage of the diode.
  • the overvoltage detection circuit 15 detects that the output voltage Vcc of the DC power supply 5 has become excessive, and outputs the detection result to the logic circuit 17.
  • the level shift driver 19 level-shifts the on / off signal output from the logic circuit 17 and outputs the level shift signal to the gate terminals of the switching elements Q1 and Q2.
  • the load abnormality detection circuit 21 opens the load (the load 7 is electrically disconnected due to disconnection or the like, or the output terminal 9 and the load 7 are in an infinite high resistance state) or a power supply (DC power supply 5
  • Overcurrent detection circuit 23 indicates that an overcurrent has flowed through switching element Q1, and power supply detection circuit 25 generates a power supply fault. Each is detected, and the detection result is output to the logic circuit 17.
  • the load abnormality detection circuit 21 and the power fault detection circuit 25 constitute a load release detection circuit. In the logic circuit 17, the output of the load abnormality detection circuit 21 indicates a load abnormality and the output of the power fault detection circuit 25 is When no fault is indicated, it is determined that the load release detection circuit has detected the load release.
  • the power supply circuit 25 is shown outside the load drive circuit 1, but the power supply circuit 25 may be provided as an internal circuit of the load drive circuit 1 or may be provided as an external circuit. .
  • the load driving circuit 1 is configured on a semiconductor chip, it is better to use an internal circuit.
  • the input terminal 22 is connected to the logic circuit 17.
  • the state output terminal 24 is connected to the drain terminal of the switching element Q3 that is activated by the state determination signal output from the logic circuit 17.
  • a microcomputer (hereinafter abbreviated as a microcomputer) 26 is connected to the input terminal 22 and the status output terminal 24.
  • the load drive circuit 1 includes an internal power supply circuit (not shown).
  • the internal power supply circuit forms a predetermined voltage (for example, 5V, Vcc-5V, etc.) using the output voltage Vcc of the DC power supply 5, and the voltage is supplied to each of the detection circuits 13, 15, 21, 23, 25,
  • the logic circuit 17 and the level shift driver 19 are supplied as the high potential side voltage or the low potential side voltage of the power source. This supply voltage is used to bring the signal output from these circuits to (5V level).
  • Diodes D1 and D8 are parasitic diodes of switching elements Q1 and Q8, respectively.
  • Diodes D2, D3, D4, and D5 are provided for protecting the gates of switching elements Q1 and Q2.
  • the diode D6 is provided for protecting the logic circuit 17, and the diode D7 is provided for protecting the switching element Q3.
  • the load abnormality detection circuit 21 includes a switch element Q4 made of an Nch-MOSFET, a constant current element 27 connected between the power supply terminal 3 and the output terminal 9, and a gate terminal and an output of the switch element Q4.
  • a resistor 29 connected between the terminals 9 and a protective diode D9 connected between the gate terminal and the ground point are provided.
  • the overcurrent detection circuit 23 has a built-in comparator that compares the voltage at the output terminal 9 with the voltage at the series connection point of the switching element Q2 and the constant current element 11 shown in FIG. The source voltages of both are compared when is turned on. That is, as will be described later, since the gate voltages of both are common, the voltages between the gates and the sources of the two are compared, whereby the overcurrent is determined by indirectly comparing the currents flowing through the switching elements Q1 and Q2. It is.
  • the power supply detection circuit 25 includes a switch element Q5 made of Pch-MOSFET, a resistor 31 connected between the output terminal 9 and the ground point, and between the output terminal 9 and the gate terminal of the switch element Q5. And a protective resistor 33 connected to the.
  • the switch element Q5 has a source terminal connected to the power supply terminal 3 and a drain terminal grounded via a resistor 35 and a voltage source 37.
  • the voltage source 37 is supplied from the internal power supply circuit and outputs a voltage (Vcc-5V).
  • the diode D10 is provided to protect the gate of the switch element Q5.
  • the switching element Q3 When the input terminal 22 is at the L level under the normal state, the switching element Q3 is turned on by the logic circuit 17 and the state output terminal 24 becomes the L (Low) level. Further, since the level shift driver 19 outputs a gate signal instructing to turn off, the switching elements Q1 and Q2 are turned off. As a result, the output terminal 9 is set to the L level via the load 7. That is, since the resistance value of the load 7 is usually a low resistance on the order of 10 ⁇ , the potential of the output terminal 9 is pulled down by the load 7. On the other hand, when the input terminal 22 becomes H (High) level under a normal state, the switching element Q3 is turned off by the logic circuit 17 and the state output terminal 24 becomes H level. Further, since the level shift driver 19 outputs a gate signal instructing to turn on, the switching elements Q1 and Q2 are turned on. As a result, the output terminal 9 becomes H level and a current flows through the load 7.
  • the detection of the load release is performed when the input terminal 22 is at the L level, that is, when the switching element Q1 is turned off.
  • the state of open load includes not only a state where the output terminal and the load are completely open, but also a state where the resistance is not infinite.
  • a load opening resistance (a resistance viewed from the output terminal 9 when viewed from the open load 7) and a resistor 31 are connected in parallel between the output terminal 9 and the grounding point.
  • the voltage Id ⁇ Rp satisfies Id ⁇ Rp> Vth (n) with respect to the threshold voltage Vth (n) of the switching element Q1. Since the constant current Id and the value Rr of the resistor 31 are set so that the switch element Q4 is turned on, the switch element Q4 is turned on as the load is released.
  • the logic circuit 17 turns off the switching element Q3 based on the ON operation of the switching element Q4, and as a result, the state output terminal 24 becomes H level. Therefore, the microcomputer 26 determines a load abnormality based on an abnormality that the state output terminal 24 becomes H level when the input terminal 22 is L level.
  • the relationship of Vcc ⁇ Id ⁇ Rp> Vth (p) (or, by shifting, Vcc ⁇ Vth (p)> Id ⁇ Rp) is set so as to satisfy the switching element Q5 when the load is released. Is turned on. Note that it is not possible to distinguish whether the load is released or a power fault only when the switch element Q4 is turned on (both switch elements Q4 are turned on). Therefore, the judgment of the load release is made together with the output of the power fault detection circuit 25.
  • the detection of the power fault is also performed when the input terminal 22 is at the L level, that is, when the switching element Q1 is turned off.
  • the state called a power supply includes not only a state in which the output terminal 9 and the load 7 are short-circuited with a resistance of zero, but also a state of short-circuiting with a low resistance that is not zero.
  • a voltage Vcc ⁇ Rs / (Rs + Rq) obtained by dividing the power supply voltage Vcc by the value Rq of the power supply resistance 39 indicated by a dotted line and the resistance value Rs of the load 7 is generated as the voltage Vout of the output terminal 9 (Rr>Since> Rs, the resistance value of the parallel resistance of Rr and Rs is almost Rs, and Rr can be ignored.
  • the voltage Vcc ⁇ (Vcc ⁇ Rs / (Rs + Rq)) of the switch element Q5 is set in consideration of the maximum value Rq of the power supply resistor 39 assumed and the minimum value of the resistance value Rs of the load 7.
  • the range of the power supply voltage Vcc is set so that Vcc ⁇ Rq / (Rs + Rq) ⁇ Vth (p) with respect to the threshold voltage Vth (p). Therefore, at the time of a power fault, the switch element Q5 is turned on, An H level power detection signal is output from the drain terminal of the switch element Q5.
  • the logic circuit 17 to which the power supply detection signal is input activates the built-in oscillator and turns on / off the switching element Q3 by a clock pulse with a predetermined frequency output from the oscillator. As a result, the state output terminal 24 outputs a pulse signal having the predetermined frequency. Therefore, the microcomputer 26 determines a power fault based on this pulse signal.
  • the logic circuit 17 determines that the load release detection circuit has detected the load release if no power supply detection signal is output from the power supply detection circuit 25. .
  • the current flowing through the load 7 is the same as the current flowing through the switching element Q1 shown in FIG.
  • the current in the saturation region of the Nch-MOSFET that constitutes the switching element Q1 (the load driving circuit 1 is normally designed so that the Nch-MOSFET operates in the saturation region) is almost specified by the gate-source voltage. (The current value is a monotonically increasing function with respect to the gate-source voltage).
  • the gate-source voltage of the MOSFET constituting the switching element Q1 becomes large.
  • the gate-source voltage of the Nch-MOSFET constituting the switching element Q2 becomes a constant voltage value determined by the current value of the constant current element 11.
  • the overcurrent detection circuit 23 includes an operational amplifier that amplifies the difference between the source voltages of the switching elements Q1 and Q2, and outputs a logical level overcurrent detection signal from the operational amplifier. That is, when the source voltage of the switching element Q1 is lower, the gate-source voltage of the switching element Q1 is larger than that of the switching element Q2, and the size represents (size of the switching element Q1 / size of the switching element Q2).
  • the logic circuit 17 When the ratio is n and the constant current value flowing through the constant current element 11 is Io, it can be determined that the current flowing through the switching element Q1 is larger than nIo, that is, an overcurrent state, and an overcurrent detection signal is output. Therefore, the logic circuit 17 turns on the switching element Q3 based on the overcurrent detection signal, and as a result, the state output terminal 24 becomes L level. Further, the logic circuit 17 turns off the switching elements Q1 and Q2 based on the overcurrent detection signal, and as a result, the output terminal 9 becomes L level.
  • the microcomputer 26 determines overcurrent or overheating based on the abnormality that the state output terminal 24 becomes L level when the input terminal 22 is H level.
  • the state output terminal 24 can be set to the L level.
  • the switching element Q3 is turned off and the state output terminal 24 is set to the H level.
  • the switching elements Q1 and Q2 are turned off and the output terminal 9 is set to the L level as described above.
  • the microcomputer 26 determines an overvoltage based on the H level of the state output terminal 24 and the L level of the output terminal 9. Therefore, the overvoltage is determined independently.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating the above-described determination operation.
  • the voltage Vout at the output terminal 9 is equal to or lower than the threshold voltage Vth (n) of the switch element Q4 in a state where the switching element Q1 is turned off, it is determined that it is in a normal state. Is done. Since the voltage Vout becomes larger than the threshold voltage Vth (n) of the switch element Q4, a load abnormality such as an open load or a power fault is detected. Further, the voltage Vout is changed from the power supply voltage Vcc to the threshold voltage Vth ( A power fault is detected when it becomes larger than the value obtained by subtracting p), and a load release is detected when it does not become larger.
  • “Self-recovery” described in the above table means that when the cause of the detected abnormality is removed and normalized, it automatically returns to normal operation without performing an electrical reset operation. ing.
  • the “current oscillation mode” described in the above table is turned off when the switching element Q1 is turned on and the current reaches a predetermined value in order to suppress the loss until the normal operation is restored after the overcurrent is detected. By repeating this, it means that the current flowing in the negative excess 7 is made into an oscillation waveform and is made to stand by.
  • the state of open load includes not only a state where the output terminal and the load are completely opened, but also a state where the resistance is not infinite.
  • the non-infinite high resistance is, for example, several k ⁇ or more
  • the load driving circuit according to the present embodiment can determine the load release and the power supply with high reliability using a simple configuration, the reliability can be improved, the cost can be reduced, and the size can be reduced. Can be planned.

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Abstract

簡易な構成で負荷開放と天絡を判別検出する。直流電源の陽極と出力端子(9)間に接続したスイッチング素子(Q1)をスイッチング動作させて出力端子(9)に接続された負荷(7)を駆動する。スイッチング素子(Q1)のオフ時において、出力端子(9)の電圧が第1の閾値電圧の値よりも大きい場合に負荷(7)の開放または天絡を検出する負荷異常検出回路(21)と、スイッチング素子(Q1)のオフ時において、出力端子(9)の電圧が電源電圧から第2の閾値電圧を減じた値よりも大きい場合に、負荷(7)の電源への天絡を検出する天絡検出回路(25)と、を備える。

Description

負荷駆動回路
 本発明は、電源の陽極と負荷との間にスイッチング素子を介在させた構成を有する負荷駆動回路に関し、特に、負荷開放及び天絡を検出する機能を有した負荷駆動回路に関する。
 電源の陽極と負荷との間にスイッチング素子を介在させたいわゆるハイサイド構成の負荷駆動回路においては、負荷開放(断線等により負荷が電気的に切り離された状態、あるいは、出力端子と負荷間が無限ではない高抵抗状態になった状態)や、天絡(電源の陽極と負荷間が短絡された、もしくは非常に低い抵抗値となった状態になること)を発生するおそれがある。そこで、特許文献1は、この負荷開放と天絡を判別検出する機能を有したハイサイド構成の負荷駆動回路を提案している。
特開2008-92277号公報
 特許文献1に記載の負荷駆動回路は、負荷開放と天絡を判別するために多数の基準電源回路を設ける必要があるため、構成が複雑かつ大型化するという問題点を有する。また、天絡を検出する特許文献1の図3の回路は、出力端子3-16の電位により天絡を判断するのであるが、天絡を判定しようとする場合にボルテージフォロワの出力(定電圧VOUTOPEN)が出力端子3-16に接続されてしまい、これにより判定を阻害してしまうという問題もある。
 本発明は、このような状況に鑑み、簡易な構成で負荷開放と天絡を判別検出することができる負荷駆動回路を提供することを目的としている。
 本発明は、直流電源の陽極と出力端子間に接続したスイッチング素子をスイッチング動作させて前記出力端子に接続された負荷を駆動する負荷駆動回路であって、前記スイッチング素子に並列に接続された定電流素子と、前記定電流素子と前記直流電源の陰極の間に接続された抵抗と、前記スイッチング素子のオフ時において、前記出力端子の電圧が第1の閾値電圧の値よりも大きく、前記直流電源の電圧から第2の閾値電圧を減じた値よりも小さい場合に前記負荷の開放を検出する負荷開放検出回路と、前記スイッチング素子のオフ時において、前記出力端子の電圧が前記直流電源の電圧から前記第2の閾値電圧を減じた値よりも大きい場合に、前記負荷の前記電源への天絡を検出する天絡検出回路と、を備える負荷駆動回路を提供する。
 前記天絡検出回路は、前記第2の閾値電圧を有するPch-MOSFETを備え、このPch-MOSFETのオン動作に基づいて前記天絡を検出するように構成することができる。
 前記天絡検出回路が天絡を検出したときに、所定周波数のパルス信号を天絡状態を示す信号として発生する発振器を備えるようにしても良い。
 前記負荷の天絡に伴う前記出力端子の電圧は、例えば、天絡の抵抗値と前記負荷の抵抗値とで前記電源の電圧値を分圧することによって規定される。
 前記負荷の開放に伴う前記出力端子の電圧は、例えば、前記抵抗と、前記出力端子と前記負荷間の抵抗および前記負荷の直列抵抗とからなる並列抵抗に前記定電流素子の電流が流れることによって規定される。
 前記負荷開放検出回路は、前記第1の閾値電圧を有するNch-MOSFETを備え、該Nch-MOSFETのオン動作に基づいて前記出力端子の電圧が前記第1の閾値電圧の値よりも大きいことを検出するように構成することができる。
 本発明によれば、多数の基準電源回路を設けることなく簡易な構成で負荷開放と天絡を判別することができるので、信頼性の向上、コストの低減および小型化を図ることが可能である。
本発明に係る負荷駆動回路の実施の形態を示す回路ブロック図である。 負荷開放検出回路と天絡検出回路の構成例を示す回路図である。 図1の負荷駆動回路の動作説明図である。 天絡の検出が可能な負荷抵抗と短絡抵抗の関係を示すグラフである。
 図1に本発明の実施形態に係る負荷駆動回路1を示す。この負荷駆動回路1において、電源端子3には直流電源5の陽極が接続され、出力端子9には負荷7の一端が接続されている。直流電源5の陰極、負荷7の他端及び接地端子4はいずれも接地されている。
 電源端子3と出力端子9間には、Nch-MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)からなるスイッチング素子Q1が介在され、また、電源端子3と接地端子4間には、Nch-MOSFETからなるスイッチング素子Q2と定電流素子11が直列接続されている。
 上記のように、本実施形態に係る負荷駆動回路1は、スイッチング素子Q1が直流電源5の陽極と負荷7間に介在されている、いわゆるハイサイド構成の負荷駆動回路である。
 過熱検出回路13は、スイッチング素子Q1の過熱を検出し、その検出結果をロジック回路17に出力する。この過熱検出回路13は、例えばダイオードの順方向電圧の温度依存性を利用して過熱を検出するように構成することができる。
 過電圧検出回路15は、直流電源5の出力電圧Vccが過大になったことを検出し、その検出結果をロジック回路17に出力する。レベルシフトドライバー19は、ロジック回路17から出力されるオンオフ信号をレベルシフトし、そのレベルシフト信号をスイッチング素子Q1、Q2のゲート端子に出力する。
 負荷異常検出回路21は負荷開放(断線等により負荷7が電気的に切り離された、あるいは、出力端子9と負荷7間が無限ではない高抵抗状態になった状態)もしくは天絡(直流電源5の陽極と負荷間が短絡、もしくは非常に低い抵抗値となった状態)を、過電流検出回路23はスイッチング素子Q1に過電流が流れたことを、また、天絡検出回路25は天絡をそれぞれ検出し、その検出結果をロジック回路17に出力する。負荷異常検出回路21と天絡検出回路25が負荷開放検出回路を構成していて、ロジック回路17は、負荷異常検出回路21の出力が負荷の異常を示すとともに天絡検出回路25の出力が天絡を示していないときに、負荷開放検出回路が負荷開放を検出したと判断する。この負荷異常検出回路21、過電流検出回路23及び天絡検出回路25の構成及び作用については後述する。なお、図1では、天絡回路25は負荷駆動回路1の外部に示されているが、天絡回路25は負荷駆動回路1の内部回路として設けてもよいし、外部回路として設けてもよい。負荷駆動回路1を半導体チップ上に構成する場合は、内部回路とした方がよい。 入力端子22はロジック回路17に接続されている。状態出力端子24は、ロジック回路17から出力される状態判定信号によって作動されるスイッチング素子Q3のドレイン端子に接続されている。そして、入力端子22及び状態出力端子24には、マイクロコンピュータ(以下、マイコンと略称する)26が接続されている。
 本実施形態に係る負荷駆動回路1は、図示していない内部電源回路を備えている。この内部電源回路は、直流電源5の出力電圧Vccを用いて所定の電圧(例えば、5V,Vcc-5Vなど)を形成し、その電圧を上記各検出回路13,15,21,23,25、ロジック回路17及びレベルシフトドライバー19の電源の高電位側電圧もしくは低電位側電圧として供給する。この供給電圧は、これらの回路から出力される信号(の振幅)を5Vレベルにするために使用される。
 なお、ダイオードD1,D8はそれぞれスイッチング素子Q1、Q8の寄生ダイオードである。ダイオードD2,D3,D4,D5はスイッチング素子Q1,Q2のゲート保護のために設けられている。また、ダイオードD6はロジック回路17の保護のため、ダイオードD7はスイッチチング素子Q3の保護のためのために設けられている。
 次に、負荷異常検出回路21、過電流検出回路23及び天絡検出回路25について説明する。
 負荷異常検出回路21は、図2に示すように、Nch-MOSFETからなるスイッチ素子Q4と、電源端子3と出力端子9間に接続された定電流素子27と、スイッチ素子Q4のゲート端子と出力端子9間に接続した抵抗29と、該ゲート端子と接地点間に接続された保護用ダイオードD9とを備えている。また、過電流検出回路23は、出力端子9の電圧と、図1に示すスイッチング素子Q2と定電流素子11の直列接続点の電圧とを比較する比較器を内蔵して、スイッチング素子Q1,Q2がオンしているときの両者のソース電圧を比較している。すなわち、後述のように、両者のゲート電圧が共通なので両者のゲート・ソース間電圧を比較することになり、これによりスイッチング素子Q1,Q2に流れる電流を間接的に比較して過電流を判断するのである。
 天絡検出回路25は、図2に示すように、Pch-MOSFETからなるスイッチ素子Q5と、出力端子9と接地点間に接続された抵抗31と、出力端子9とスイッチ素子Q5のゲート端子間に接続された保護抵抗33とを備えている。スイッチ素子Q5は、ソース端子が電源端子3に接続され、ドレイン端子が抵抗35および電圧源37を介して接地されている。なお、電圧源37は、上記した内部電源回路によって与えられ、電圧(Vcc-5V)を出力する。また、ダイオードD10は、スイッチ素子Q5のゲートを保護するために設けられている。
 以下、下記表の内容を参照しながら本実施形態に係る負荷駆動回路1の動作について説明する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 正常状態下で入力端子22がLレベルである場合、ロジック回路17によってスイッチング素子Q3がオンされて状態出力端子24がL(Low)レベルになる。また、レベルシフトドライバー19がオフを指示するゲート信号を出力するので、スイッチング素子Q1,Q2がオフされ、その結果、出力端子9は負荷7を介してLレベルにおかれる。すなわち負荷7の抵抗値は通常10Ωオーダの低抵抗なので、出力端子9の電位は負荷7によりプルダウンされる。
 一方、正常状態下で入力端子22がH(High)レベルになると、ロジック回路17によってスイッチング素子Q3がオフされて状態出力端子24がHレベルになる。また、レベルシフトドライバー19がオンを指示するゲート信号を出力するので、スイッチング素子Q1、Q2がオンされ、その結果、出力端子9がHレベルになって負荷7に電流が流れる。
 負荷開放の検出は、入力端子22がLレベルである状態、つまり、スイッチング素子Q1がオフされているときになされる。なお、負荷開放という状態は、出力端子と負荷間が完全にオープンになった状態だけでなく、無限ではない高抵抗になった状態をも含むものである。
 図2において、負荷開放時には、負荷開放抵抗(出力端子9から開放負荷7側を見た抵抗)と抵抗31とが出力端子9と接地点間に並列接続され、この並列合成抵抗に定電流素子27による定電流が流れることになる。従って、上記定電流の値をId、上記並列合成抵抗の値をRpとすると、出力端子9にはVout=Id・Rpという電圧が発生する。
 本実施形態では、負荷開放時における想定される負荷開放抵抗の最小値を考慮して、電圧Id×Rpがスイッチング素子Q1の閾値電圧Vth(n)に対してId×Rp>Vth(n)となるように定電流Id及び抵抗31の値Rrを設定してあるので、負荷開放に伴ってスイッチ素子Q4がオンされる。ロジック回路17は、スイッチ素子Q4のオン動作に基づいてスイッチング素子Q3をオフさせ、その結果、状態出力端子24がHレベルとなる。
 そこで、マイコン26は、入力端子22がLレベルであるときに状態出力端子24がHレベルになるという異常に基づいて、負荷異常を判定する。
 ここで、上記電圧Vout=Id・Rpは、電源電圧Vccとの差Vcc-Id×Rpが天絡検出回路25のPch-MOSFETからなるスイッチ素子Q5の閾値電圧Vth(p)以下にならないように、つまり、Vcc-Id×Rp>Vth(p)(もしくは、移項して、Vcc-Vth(p)>Id×Rp)という関係が満たされるように設定され、これにより、負荷開放時にスイッチ素子Q5がオンすることが回避される。
 なお、スイッチ素子Q4がオンしただけでは負荷開放か天絡かの区別はできないので(いずれもスイッチ素子Q4がオンする)、負荷開放の判断は天絡検出回路25の出力と合わせて行われる。
 天絡の検出も、入力端子22がLレベルである状態、つまり、スイッチング素子Q1がオフされているときになされる。なお、天絡という状態は、出力端子9と負荷7間が抵抗ゼロで短絡された状態だけでなく、ゼロではない低抵抗で短絡された状態をも含むものである。
 天絡時には、電源電圧Vccを点線で示す天絡抵抗39の値Rqと負荷7の抵抗値Rsで分圧した電圧Vcc×Rs/(Rs+Rq)が出力端子9の電圧Voutとして発生する(Rr>>Rsなので、RrとRsの並列抵抗の抵抗値はほとんどRsとなり、Rrは無視できる。)。
 本実施形態では、想定される天絡抵抗39の値Rqの最大値および負荷7の抵抗値Rsの最小値を考慮して、電圧Vcc-(Vcc×Rs/(Rs+Rq))がスイッチ素子Q5の閾値電圧Vth(p)に対してVcc×Rq/(Rs+Rq)<Vth(p)となるように電源電圧Vccの範囲を設定してある、従って、天絡時には、スイッチ素子Q5がオンされて、該スイッチ素子Q5のドレイン端子からHレベルの天絡検出信号が出力される。
 上記天絡検出信号が入力されたロジック回路17は、内蔵するオシレータを起動して,該オシレータから出力される所定周波数のクロックパルスによってスイッチング素子Q3をオンオフ動作させる。この結果、状態出力端子24からは上記所定周波数のパルス信号が出力される。そこで、マイコン26は、このパルス信号に基づいて天絡を判定する。
 また、ロジック回路17は、スイッチ素子Q4がオンして負荷異常を検出したときに、天絡検出回路25から天絡検出信号が出力されないと、負荷開放検出回路が負荷開放を検出したと判断する。
 次に、過電流検出について説明する。負荷7に流れる電流は、図1に示すスイッチング素子Q1に流れる電流と同じである。スイッチング素子Q1を構成するNch-MOSFETの飽和領域における電流は(負荷駆動回路1は、通常、Nch-MOSFETが飽和領域で動作するよう設計されている。)、そのゲート・ソース間電圧によってほぼ規定される(電流値はゲート・ソース間電圧に対する単調増加関数となる。)。負荷7およびスイッチング素子Q1に過電流が流れる状態になると、スイッチング素子Q1を構成するMOSFETのゲート・ソース間電圧が大きいものになる。
 一方、スイッチチング素子Q2を構成するNch-MOSFETのゲート・ソース間電圧は定電流素子11の電流値によって定まる定電圧値となる。スイッチチング素子Q1,Q2のゲート電圧が等しいので、両者のゲート・ソース間電圧は両者のソース電圧により比較することができる。
 過電流検出回路23は、スイッチチング素子Q1,Q2のソース電圧の差分を増幅する演算増幅器を備え、この演算増幅器から論理レベルの過電流検出信号を出力させる。すなわち、スイッチチング素子Q1のソース電圧の方が低いと、スイッチングチング素子Q1のゲート・ソース電圧がスイッチチング素子Q2のそれより大きく、(スイッチング素子Q1のサイズ/スイッチング素子Q2のサイズ)を表すサイズ比をn、定電流素子11に流れる定電流値をIoとすると、スイッチチング素子Q1に流れる電流がnIoより大きい、すなわち過電流状態と判断することができ、過電流検出信号を出力する。そこで、ロジック回路17は、この過電流検出信号に基づいてスイッチング素子Q3をオンさせ、その結果、状態出力端子24がLレベルとなる。また、ロジック回路17は、過電流検出信号に基づいてスイッチング素子Q1、Q2をオフさせ、その結果、出力端子9がLレベルとなる。
 一方、過熱検出回路13がスイッチング素子Q1の過熱を検出した場合においても、スイッチング素子Q3がオンされて状態出力端子24がLレベルとなり、また、スイッチング素子Q1、Q2がオフされて出力端子9がLレベルとなる。
 そこで、マイコン26は、入力端子22がHレベルであるときに状態出力端子24がLレベルになるという異常に基づいて、過電流もしくは過熱を判定する。
 過電圧検出回路15が過電圧を検出した場合においても、状態出力端子24をLレベルにすることができる。しかし、本実施形態では、過電圧を検出した場合に、スイッチング素子Q3をオフして状態出力端子24をHレベルにしている。なお、過電圧検出時にも、上記と同様に、スイッチング素子Q1、Q2をオフして出力端子9をLレベルにさせる。
 この場合、マイコン26は、状態出力端子24のHレベルと出力端子9のLレベルに基づいて過電圧を判定する。したがって、過電圧に関しては独立に判定されることになる。
 図3は、以上の判定動作を図式化したものである。この図3に示すように、スイッチング素子Q1がオフしている状態下で、出力端子9の電圧Voutがスイッチ素子Q4の閾値電圧Vth(n)以下である場合には、正常状態であると判定される。そして、電圧Voutがスイッチ素子Q4の閾値電圧Vth(n)よりも大きくなることから負荷開放もしくは天絡という負荷異常が検出され、さらに、電圧Voutが電源電圧Vccからスイッチ素子Q5の閾値電圧Vth(p)を減じた値よりも大きくなるときに天絡が検出され、大きくならないときに負荷開放が検出される。
 なお、上記表に記載の「自己復帰」は、検出された異常の発生原因が取り除かれて正常化された場合に、特に電気的リセット操作を行うことなく通常動作に自動復帰することを意味している。また、上記表に記載の「電流発振モード」は、過電流検出後から通常動作に復帰するまでの間、損失を抑えるために、スイッチング素子Q1をオンにしてその電流が所定値に達したらオフするということを繰り返すことにより、負過7に流れる電流を発振波形にして待機させることを意味している。
 ところで、前述したように、負荷開放という状態は、出力端子と負荷間が完全にオープンになった状態だけでなく、無限ではない高抵抗になった状態をも含むものである。上記無限ではない高抵抗が例えば数kΩ以上であるとすると、開放状態を適正に検出するには図2に抵抗31の抵抗値Rrを10kΩ以上に設定することが望ましく、100kΩ以上に設定することがさらに望ましい。
 以下に具体的な実施例について説明する。
  Vcc=13V
  Id=100μA
  Rr=100kΩ、
  Vth(p)=2V
  Vth(n)=2V
  Rs=10Ω
[出力端子と負荷間が完全オープン時]
 Vout=Id×R1
     =100μA×100kΩ=10V 10V>Vth(n) で負荷異常検出
 13V-10V>Vth(p) で天絡未検出、負荷開放検出
[天絡時(天絡抵抗値Rq=1Ω]
 Vout≒Vcc×Rs/(Rs+Rq)
     =13V×10Ω/(10Ω+1Ω))
     =11.82V
 Vcc-Vout=13V-11.82V
         =1.18V<Vth(p) で天絡検出
 図4は、天絡の検出が可能な負荷抵抗と天絡抵抗の関係を、電源電圧Vccをパラメータとして例示したものであり、負荷抵抗と天絡抵抗が各特性線の下方域の値を持つ場合に天絡の検出が可能である。図中の丸印は、上記した実施例における天絡抵抗値(Rq=1Ω)と負荷抵抗値(Rs=10Ω)を示している。
 上記のように本実施形態に係る負荷駆動回路は、負荷開放と天絡を簡易な構成を用いて信頼性良く判別することが可能であるので、信頼性の向上、コストの低減及び小型化を図ることができる。
 1 負荷駆動回路
 3 電源端子
 5 直流電源
 7 負荷
 9 出力端子
 11 定電流素子
 13 過熱検出回路
 15 過電圧検出回路
 17 ロジック回路
 19 レベルシフトドライバー
 21 負荷異常検出回路
 22 入力端子
 23 過電流検出回路
 24 状態出力端子
 25 天絡検出回路
 26 マイクロコンピュータ
 27 定電流素子
 29、31、33,35 抵抗
 37 電圧源
 Q1、Q2、Q3、Q4 Nch-MOSFET
 Q5 Pch-MOSFET

Claims (6)

  1.  直流電源の陽極と出力端子間に接続したスイッチング素子をスイッチング動作させて前記出力端子に接続された負荷を駆動する負荷駆動回路であって、
     前記スイッチング素子に並列に接続された定電流素子と、
     前記定電流素子と前記直流電源の陰極の間に接続された抵抗と、
     前記スイッチング素子のオフ時において、前記出力端子の電圧が第1の閾値電圧の値よりも大きく、前記直流電源の電圧から第2の閾値電圧を減じた値よりも小さい場合に前記負荷の開放を検出する負荷開放検出回路と、
     前記スイッチング素子のオフ時において、前記出力端子の電圧が前記直流電源の電圧から前記第2の閾値電圧を減じた値よりも大きい場合に、前記負荷の前記電源への天絡を検出する天絡検出回路と、
    を備えることを特徴とする負荷駆動回路。
  2.  前記天絡検出回路は、前記第2の閾値電圧を有するPch-MOSFETを備え、このPch-MOSFETのオン動作に基づいて前記天絡を検出するように構成されていることを特徴とする請求項1に記載の負荷駆動回路。
  3.  前記天絡検出回路が天絡を検出したときに、所定周波数のパルス信号を天絡状態を示す信号として発生する発振器を備えることを特徴とする請求項1に記載の負荷駆動回路。
  4.  前記負荷の天絡に伴う前記出力端子の電圧は、天絡の抵抗値と前記負荷の抵抗値とで前記電源の電圧値を分圧することによって規定されることを特徴とする請求項1に記載の負荷駆動回路。
  5.  前記負荷の開放に伴う前記出力端子の電圧は、前記抵抗と、前記出力端子と前記負荷間の抵抗および前記負荷の直列抵抗とからなる並列抵抗に前記定電流素子の電流が流れることによって規定されることを特徴とする請求項1に記載の負荷駆動回路。
  6.  前記負荷開放検出回路は、前記第1の閾値電圧を有するNch-MOSFETを備え、該Nch-MOSFETのオン動作に基づいて前記出力端子の電圧が前記第1の閾値電圧の値よりも大きいことを検出するように構成されていることを特徴とする請求項1または5に記載の負荷駆動回路。
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