CN202503489U

CN202503489U - 接地保护电路及使用其的开关驱动装置

Info

Publication number: CN202503489U
Application number: CN 201220059818
Authority: CN
Inventors: 安东基浩
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2011-02-22
Filing date: 2012-02-20
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2022-02-20
Also published as: US9013849B2; US20120212863A1; JP2012175804A; JP5719627B2

Abstract

本实用新型所涉及的接地保护电路(36)包括：感应电阻(R3)，其设置在自举电路(D1、C1)的充电电流(IB)所流过的路径上；比较器(361)，其对感应电阻(R3)的两端间电压(ΔV)与特定阈值电压(Vth)进行比较而生成接地保护信号(S1)；以及逻辑栅极(362)，其在所述自举电路的正常充电动作中使接地保护信号(S1)无效。

Description

接地保护电路及使用其的开关驱动装置

技术领域

本新型涉及接地保护电路及使用其的开关驱动装置。

背景技术

图9是表示具有接地保护电路的开关驱动装置的一先前例的图。该先前例的开关驱动装置是通过进行开关SW的导通/断开控制而控制负载的驱动电流I的半导体集成电路装置。在该开关驱动装置中，当在负载的连接端发生接地(接地端或相当于此的低电位端短路)时，驱动电流I成为过电流状态而有可能产生开关SW或负载的损坏。由此，该先前例的开关驱动装置具有接地保护电路，以监视***在驱动电流I的流路径上的感应电阻Rs的两端间电压ΔV，并在该两端间电压ΔV大于特定的阈值电压Vth时强制性地将开关SW断开。

另外，作为与上述关联的先前技术的一例，可列举专利文献1。

[先前技术文献]

[专利文献]

[专利文献1]国际公开2005/091482号说明书

实用新型内容

[新型所欲解决的问题]

然而，上述先前例的开关驱动装置中存在如下问题，即为实现接地保护电路而必须在驱动电流I的流路径上***感应电阻Rs，从而导致零件件数增加或输出效率降低。此外，在施加高电压HV(数百伏特)的开关驱动装置(例如大型家电用电机驱动器)中，必须使用昂贵的高瓦特应对元件作为感应电阻Rs，因此存在导致设备(set)的成本提高的问题。此外，在以单片IC(integrated circuit，集成电路)实现上述先前例的开关驱动装置的情形时，必须以高耐压元件形成监视感应电阻Rs的两端间电压的比较器，从而存在招致芯片面积增大，进而导致设备成本提高的问题。因以上理由而导致实际情况是搭载在使成本或输出效率优先的设备(例如大型家电)上的开关驱动装置在接地保护电路的导入方面止步不前。

本新型的目的在于，鉴于由本案发明者发现的上述问题点而提供一种不导致成本提高或输出效率降低即可进行适当的接地保护的接地保护电路、及使用其的开关驱动装置。

[解决问题的技术手段]

为达成上述目的，本新型所涉及的接地保护电路为如下构成(第1构成)，即包括：感应电阻，其设置在自举电路的充电电流路径上；比较器，其对所述感应电阻的两端间电压与特定阈值电压进行比较而生成接地保护信号；以及逻辑栅极，其在所述自举电路的正常充电动作中使所述接地保护信号无效。

另外，在包含上述构成的接地保护电路中也可为如下构成(第2构成)，即所述感应电阻兼用作所述自举电路的充电电流限制电阻。

此外，在包含上述第1或第2构成的接地保护电路中也可为如下构成(第3构成)，即所述感应电阻是利用晶体管的导通电阻而实现。

此外，本新型所涉及的开关驱动装置为如下构成(第4构成)，即包括：驱动器，其生成与输入信号对应的输出信号并供给至开关；自举电路，其生成所述驱动器的驱动电压；接地保护电路，其包含上述第1～第2构成；以及控制器，其基于所述接地保护信号而控制所述开关的驱动与否。

另外，在包含上述第4构成的开关驱动装置中也可为如下构成(第5构成)，即所述自举电路包括：二极管，其阳极连接于电源电压的施加端；电容器，其连接于所述二极管的阴极与所述开关的一端之间；且从所述二极管与所述电容器的连接节点输出所述驱动器的驱动电压。

此外，包含上述第4或第5构成的开关驱动装置为驱动所述开关而控制电机电流的构成(第6构成)即可。

此外，包含上述第4或第5构成的开关驱动装置为驱动所述开关而根据输入电压生成所期望的输出电压的构成(第7构成)即可。

[新型的效果]

根据本新型，能够提供一种不导致成本提高或输出效率降低即可进行适当的接地保护的接地保护电路、及使用其的开关驱动装置。

附图说明

图1是表示本新型所涉及的开关驱动装置的第1实施方式的方块图。

图2是用以对上侧开关驱动动作进行说明的时序图。

图3是用以对接地保护动作进行说明的时序图

图4是表示本新型所涉及的开关驱动装置的第2实施方式的方块图。

图5是表示电阻R3的一构成例的电路图。

图6是表示开关驱动装置1的第1应用例的图

图7是表示开关驱动装置1的第2应用例的图。

图8是表示开关驱动装置1的第3应用例的图。

图9是表示具有接地保护电路的开关驱动装置的一先前例的图。

[符号的说明]

1 开关驱动装置

2 电机

10 上侧开关驱动部

11 驱动器

12 RS正反器

13 降压保护电路(VB监视用UVLO)

14 电平转换器

141、142 N通道型DMOS场效应晶体管

143、144 电阻

15 脉冲产生器

16 控制器

17 电平转换器

18 施密特触发器

19 电阻

20 下侧开关驱动部

21 驱动器

22 控制器

23 延迟部

24 电平转换器

25 施密特触发器

26 电阻

30 故障保护部

31 温度保护电路(TSD)

32 降压保护电路(VCC监视用UVLO)

33 电源故障保护电路

34 故障信号生成电路(FAULT)

35 N通道型MOS场效应晶体管

36 接地保护电路

361 比较器

362 AND栅极

N1、N2 N通道型MOS场效应晶体管

R1～R3 电阻

C1、C2 电容器

D1 二极管

T1～T10 外部端子

具体实施方式

<第1实施方式>

图1是表示本新型所涉及的开关驱动装置的第1实施方式的方块图。第1实施方式的开关驱动装置1为包括上侧开关驱动部10、下侧开关驱动部20及故障保护部30的单片半导体集成电路装置。开关驱动装置1通过进行与外部连接的N通道型MOS[MetalOxide Semiconductor，金属氧化物半导体]场效应晶体管N1及N2的导通/断开控制而控制负载(未图示)的驱动电流I。

开关驱动装置1包括外部端子T1～T10以确立与装置外部的电性连接。在开关驱动装置1的外部除连接有作为导通/断开控制对象的晶体管N1及N2之外，还连接有电阻R1～R3、电容器C1及C2、及二极管D1。

在开关驱动装置1的外部，晶体管N1的漏极连接于高电压HV(数百伏特)的施加端。晶体管N1的源极及背栅极连接于外部端子T3(开关端子)。晶体管N1的栅极连接于外部端子T2(上侧栅极端子)。晶体管N2的漏极连接于外部端子T3。晶体管N2的源极及背栅极经由电阻R1而连接于接地端，另一方面也连接于电阻R2的第1端。电阻R2的第2端连接于外部端子T10(电源故障检测端子)，另一方面，也经由电容器C2连接于接地端。晶体管N2的栅极连接于外部端子T4(下侧栅极端子)。电容器C1的第1端连接于外部端子T1(升压端子)。电容器C1的第2端连接于外部端子T3。二极管D1的阳极经由电阻R3而连接于电源电压VCC的施加端。二极管D1的阴极连接于外部端子T1。电阻R3的第1端(高电位端)连接于外部端子T7(电流检测端子(+))。电阻R3的第2端(低电位端)连接于外部端子T6(电流检测端子(-))。

上侧开关驱动部10包括驱动器11、RS正反器12、降压保护电路(VB监视用UVLO[Under Voltage Lock Out，欠压锁定]电路)13、电平转换器14、脉冲产生器15、控制器16、电平转换器17、施密特触发器18及电阻19。

驱动器11基于RS正反器12的输出信号而对外部端子T2输出上侧输出信号HO。另外，上侧输出信号HO的高电平成为升压电压VB，低电平成为开关电压VS。

RS正反器12以从电平转换器14输入至设置端(S)的设置信号V1的下降边缘作为触发器而将输出信号设置为高电平，且以从电平转换器14输入至第1重置端(R)的重置信号V2的下降边缘(或者从降压保护电路13输入至第2重置端(R)的降压保护信号的下降边缘)作为触发器而将输出信号重置为低电平。

降压保护电路13在升压电压VB低于特定阈值电压时，将降压保护信号从正常时的逻辑电平(例如高电平)切换为故障时的逻辑电平(例如低电平)。

另外，驱动器11、RS正反器12、及降压保护电路13属于在施加至外部端子T1的升压电压VB与施加至外部端子T3的开关电压VS之间动作的高电位区块(参照图1中的圆角方形框)，其他电路区块均属于低电位区块。

电平转换器14为使信号进行电平转换并从上述低电位区块传送至高电位区块的电路区块，且包括N通道型DMOS[Double-Diffused(双扩散)MOS]场效应晶体管141及142、与电阻143及144。晶体管141及142的源极及背栅极均连接于接地端。晶体管141的漏极连接于RS正反器12的设置端(S)，另一方面也经由电阻143连接于外部端子T1。晶体管142的漏极连接于RS正反器12的重置端(R)，另一方面也经由电阻144连接于外部端子T1。晶体管141及142的栅极分别连接于脉冲产生器15。另外，形成电平转换器14的晶体管141及142与形成低电位区块的晶体管相比均设计为高耐压(例如600V耐压)。

脉冲产生器15基于控制器16的输出信号而生成晶体管141及142的栅极信号。具体而言，脉冲产生器15以控制器16的输出信号的上升边缘为触发器而使晶体管141的栅极信号仅在特定的导通期间为高电平，且以控制器16的输出信号的下降边缘为触发器而使晶体管142的栅极信号仅在特定的导通期间为高电平。

控制器16基于从接地保护电路36输入的已屏蔽的接地保护信号S2、或从故障信号生成电路34输入的故障信号S3，而控制是否将电平转换器17的输出信号传送至脉冲产生器15(进而是否驱动晶体管N1)。

电平转换器17将施密特触发器18的输出信号进行电平转换为适于输入至控制器16的电压电平(VCC-GND)并输出。

施密特触发器18将输入至外部端子T8的上侧输入信号HIN传送至电平转换器17。另外，对施密特触发器18的阈值电压赋予特定的迟滞。通过该构成而可提高对噪声的耐受性。

电阻19将外部端子T8下拉至接地端。因此，在外部端子T8为开路(open)状态的情形时，上侧输入信号HIN成为低电平(用以使晶体管N1断开的逻辑电平)，因此晶体管N1不会意外导通。

下侧开关驱动部20包括驱动器21、控制器22、延迟部23、电平转换器24、施密特触发器25及电阻26。

驱动器21基于控制器22的输出信号而对外部端子T4输出下侧输出信号LO。另外，下侧输出信号LO的高电平成为电源电压VCC，且低电平成为接地电压GND。

控制器22基于从故障信号生成电路34输入的故障信号S3而控制是否将延迟部23的输出信号传送至驱动器21(进而是否驱动晶体管N2)。

延迟部23对电平转换器24的输出信号赋予特定延迟(相当于由上侧开关驱动部10的脉冲产生器15、电平转换器14、及RS正反器12产生的电路延迟)并传送至控制器22。

电平转换器24将施密特触发器25的输出信号进行电平转换为适于输入至控制器22的电压电平(VCC-GND)并输出。

施密特触发器25将输入至外部端子T9的下侧输入信号LIN传送至电平转换器24。另外，对施密特触发器25的阈值电压赋予特定迟滞。通过该构成而可提高对噪声的耐受性。

电阻26将外部端子T9下拉至接地端。因此，在外部端子T9为开路状态的情形时，下侧输入信号LIN成为低电平(用以使晶体管N2断开的逻辑电平)，因此晶体管N2不会意外导通。

故障保护部30包括温度保护电路(TSD[Thermal Shut Down，热关断]电路)31、降压保护电路(VCC监视用UVLO电路)32、电源故障保护电路33、故障信号生成电路34、N通道型MOS场效应晶体管35、及接地保护电路36。

温度保护电路31在开关驱动装置1的接合温度高于特定阈值温度时，将温度保护信号从正常时的逻辑电平(例如低电平)切换为故障时的逻辑电平(例如高电平)。

降压保护电路32在电源电压VCC低于特定阈值电压时，将降压保护信号从正常时的逻辑电平(例如低电平)切换为故障时的逻辑电平(例如高电平)。

电源故障保护电路33在输入至外部端子T10的电源故障检测电压CIN(相当于通过电阻R2与电容器C2平滑化的开关电压VS)高于特定阈值电压时，将电源故障保护信号从正常时的逻辑电平(例如低电平)切换为故障时的逻辑电平(例如高电平)。另外，“电源故障”是指外部端子T3在高电压HV的施加端(或相当于此的高电位端)短路的状态。

故障信号生成电路34分别监视从温度保护电路31输入的温度保护信号、从降压保护电路32输入的降压保护信号、及从电源故障保护电路33输入的电源故障保护信号，在任一个信号产生故障的情形时，均将故障信号S3从正常时的逻辑电平(例如低电平)切换为故障时的逻辑电平(例如高电平)。

晶体管35形成用以从外部端子T5输出外部故障信号的开漏输出段。在开关驱动装置1未产生故障的情形时，晶体管35通过故障信号生成电路34而断开，使外部故障信号为高电平。另一方面，在开关驱动装置1产生某些故障的情形时，晶体管35通过故障信号生成电路34而导通，使外部故障信号为低电平。

接地保护电路36包括比较器361及AND栅极362，在电阻R3的两端间电压ΔV大于特定阈值电压Vth时，将接地保护信号S1从正常时的逻辑电平(例如低电平)切换为故障时的逻辑电平(例如高电平)。另外，“接地”是指外部端子T3在接地端(或相当于此的低电位端)短路的状态。比较器361的非反转输入端(+)经由直流电压源而连接于外部端子T7。比较器361的反转输入端(-)连接于外部端子T6。AND栅极362的第1输入端连接于比较器361的输出端。AND栅极362的第2输入端连接于施密特触发器18的输出端。AND栅极362的输出端连接于控制器16。

<自举电路>

包含上述构成的开关驱动装置1具有自举电路作为生成升压电压VB(包含驱动器11等的高电位区块的驱动电压)的机构。该自举电路包括与阳极电源电压VCC的施加端连接的二极管D1、及连接于二极管D1的阴极与晶体管N1的源极之间的电容器C1，从二极管D1与电容器C1的连接节点(外部端子T1)输出升压电压VB。

在通过使晶体管N1断开且使晶体管N2导通而使呈现在外部端子T3的开关电压VS为低电平(GND)时，在从电源电压VCC的施加端经由二极管D1、电容器C1、及晶体管N2的路径上流过电流IB，从而对连接于外部端子T1与外部端子T2之间的电容器C1充电。此时，呈现在外部端子T1的升压电压VB(即电容器C1的充电电压)成为从电源电压VCC减去二极管D1的正向压降Vf而得的电压值(＝VCC-Vf)。

另一方面，在对电容器C1充电的状态下，通过使晶体管N1导通且使晶体管N2断开，当开关电压VS从低电平(GND)上升至高电平(HV)时，升压电压VB升高至与开关电压VS的高电平(HV)相比还高出电容器C1的充电电压量(VCC-Vf)的电压值(＝HV+(VCC-Vf))。因此，通过将该升压电压VB作为高电位区块(驱动器11、RS正反器12、及降压保护电路13)或电平转换器14的驱动电压加以供给，从而可进行N通道型MOS场效应晶体管N1的导通/断开控制(特别是导通控制)。

<上侧开关驱动动作>

图2是用以对上侧开关驱动动作进行说明的时序图，从上侧起依序描述有上侧输入信号HIN、设置信号V1(S)、重置信号V2(R)、及上侧输出信号HO。另外，图2中为简化说明，省略设置信号V1(S)或重置信号V2(R)的高电平电位随着自举动作而发生变动的情况的描述。

当上侧输入信号HIN从低电平上升至高电平时，以其上升边缘为触发器而使晶体管141的栅极信号仅在特定的导通期间成为高电平。当使晶体管141导通而使设置信号V1从高电平下降至低电平时，以其下降边缘为触发器而将上侧输出信号HO设置为高电平。

另一方面，当上侧输入信号HIN从高电平下降至低电平时，以其下降边缘为触发器而使晶体管142的栅极信号仅在特定的导通期间成为高电平。当使晶体管142导通而使重置信号V2从高电平下降至低电平时，以其下降边缘为触发器而将上侧输出信号HO设置为低电平。

通过上述动作，在上侧开关驱动部10中生成与上侧输入信号HIN为同一逻辑电平的上侧输出信号HO而进行晶体管N1的导通/断开控制。另外，通过缩短晶体管141及142的导通期间而可抑制电平转换器14的消耗电力。

<接地保护动作>

图3是用以对接地保护动作进行说明的时序图，从上侧起依序描述有上侧输入信号HIN、电源电压VCC、电流检测电压VCCB、接地保护信号S1、及已屏蔽的接地保护信号S2。

在外部端子T3发生接地而流过大电流是在晶体管N1导通时，即在上侧输入信号HIN成为高电平(用以使晶体管N1导通的逻辑电平)时。

在外部端子T3未发生接地的情形时，在上侧晶体管N1导通的状态下，开关电压VS成为高电平(HV)，因此不对形成自举电路的电容器C1进行充电，而仅进行通过向包含驱动器11等的高电位区块的电流供给而使电容器C1放电。即，在外部端子T3未发生接地的情形时，在上侧晶体管N1导通的状态下，不会在设置在自举电路的充电电流路径上的电阻R3流过电流IB，从而不会在电阻R3的两端间产生电压降。

另一方面，在外部端子T3产生接地的情形时，即便在上侧晶体管N1导通的状态下，开关电压VS也会下降至低电平(GND)，因此在从电源电压VCC的施加端经由电阻R3、二极管D1、及电容器C1的路径中流过电流IB，从而在电阻R3的两端间产生电压降。

由此，接地保护电路36成为如下构成，即通过使用比较器361与AND栅极362而在上侧输入信号HIN的高电平期间(电容器C1的正常充电期间以外)监视是否在电阻R3的两端间产生电压降，由此检测是否在外部端子T3发生接地。

比较器361对电阻R3的两端间电压ΔV(＝VCC-VCCB)与特定阈值电压Vth进行比较而生成接地保护信号S1。另外，接地保护信号S1在较特定值大的电流IB流过电阻R3而使电阻R3的两端间电压ΔV大于特定阈值电压Vth时，从低电平(正常时的逻辑电平)切换为高电平(故障时的逻辑电平)。

AND栅极362生成接地保护信号S1与上侧输入信号HIN的逻辑积信号，并将此信号作为已屏蔽的接地保护信号S2输出至控制器16。因此，在上侧输入信号HIN的低电平期间(电容器C1的正常充电期间)，可不依赖于接地保护信号S1的逻辑电平而使已屏蔽的接地保护信号S2维持在低电平(正常时的逻辑电平)。另一方面，在上侧输入信号HIN的高电平期间(电容器C1的正常充电期间以外)，将接地保护信号S1作为已屏蔽的接地保护信号S2而直接输出。通过使用该AND栅极362，在上侧输入信号HIN的低电平期间(电容器C1的正常充电期间)可使接地保护信号S1无效，因此可仅将上侧输入信号IN的高电平期间(电容器C1的正常充电期间以外)设定为电流IB的监视期间。

根据上述接地保护电路36，作为电阻R3，不使用昂贵的高瓦特应对元件即可实现适当的接地保护。此外，如果为上述接地保护电路36，则无须在负载的驱动电流I流过的路径上***感应电阻，因此不会导致输出效率降低。此外，如果为上述接地保护电路36，则无须以高耐压元件形成比较器361或AND栅极362，因此不会导致芯片面积不必要地增大。如此，如果为上述接地保护电路36，则也可较佳地导入至搭载在使成本或输出效率优先的设备(例如大型家电)上的开关驱动装置1，因此可大幅提高设备的可靠性。

另外，电阻R3不仅作为接地保护电路36的感应电阻，也兼用作自举电路的充电电流限制电阻。通过该构成，不导致零件件数多余增加即可将接地保护电路36导入至开关驱动装置1。

<第2实施方式>

图4是表示本新型所涉及的开关驱动装置的第2实施方式的方块图。第2实施方式的开关驱动装置1为与上述第1实施方式大体相同的构成，其特征在于内置有电阻R3的方面。通过该构成，可削减外置分立零件，从而有助于设备的成本降低或小型化。

图5是表示电阻R3的一构成例的电路图。如该构成例所示，电阻R3利用P通道型MOS场效应晶体管的导通电阻加以实现即可。通过该构成，可使内置在开关驱动装置1中的电阻R3的电阻值充分高，因此可与电阻R3外置的情形相同地，不仅可使电阻R3作为感应电阻，也可兼用作充电电流IB的限制电阻。

<开关驱动装置的应用例>

图6是表示开关驱动装置1的第1应用例的图。如图6所示，开关驱动装置1可作为驱动晶体管N1及N2而控制电机2(例如大型家电用的压缩机电机或风扇电机)的驱动电流Im的电机驱动装置而加以应用。另外，图6中作为电机2而例示有三相交流电机，但开关驱动装置1的驱动对象并不限定于此，也可将二相交流电机或直流电机等作为驱动对象。

图7是表示开关驱动装置1的第2应用例的图。如图7所示，开关驱动装置1也可作为相辅性地(排他性地)驱动晶体管N1及N2而根据输入电压Vin生成所期望的输出电压Vout的同步整流型的开关电源装置加以应用。另外，上述的“相辅性(排他性)”的语言，除包含晶体管N1及N2的导通/断开完全相反的情形以外，还包含从防止贯通电流的观点考虑设置晶体管N1及N2的同时断开期间的情形。

图8是表示开关驱动装置1的第3应用例的图。如图8所示，开关驱动装置1也可作为驱动晶体管N1而根据输入电压Vin生成所期望的输出电压Vout的非同步整流型的开关电源装置加以应用。

<其他变形例>

另外，本新型的构成除上述实施方式以外，可在不脱离新型主旨的范围内进行各种变更。即，当认为上述实施方式在所有方面均为例示而非限制性者，且当理解为本新型的技术性范围不是由上述实施方式的说明而是由技术方案的范围表示，且包含属于与技术方案的范围均等的意思及范围内的所有变更。

[产生上的可利用性]

本新型所涉及的接地保护电路可较佳地作为例如大型家电用电机驱动器的接地保护机构加以利用。

Claims

1.一种接地保护电路，其特征在于包括：

感应电阻，其设置在自举电路的充电电流路径上；

比较器，其对所述感应电阻的两端间电压与特定阈值电压进行比较而生成接地保护信号；以及

逻辑栅极，其在所述自举电路的正常充电动作中使所述接地保护信号无效。

2.根据权利要求1所述的接地保护电路，其特征在于：所述感应电阻兼用作所述自举电路的充电电流限制电阻。

3.根据权利要求1或2所述的接地保护电路，其特征在于：所述感应电阻是利用晶体管的导通电阻而实现。

4.一种开关驱动装置，其特征在于包括：

驱动器，其生成与输入信号对应的输出信号并供给至开关；

自举电路，其生成所述驱动器的驱动电压；

权利要求1至3中任一项所述的接地保护电路；以及

控制器，其基于所述接地保护信号而控制所述开关的驱动与否。

5.根据权利要求4所述的开关驱动装置，其特征在于，所述自举电路包括：

二极管，其阳极连接于电源电压的施加端；以及

电容器，其连接于所述二极管的阴极与所述开关的一端之间；且

从所述二极管与所述电容器的连接节点输出所述驱动器的驱动电压。

6.根据权利要求4或5所述的开关驱动装置，其特征在于：

该开关驱动装置驱动所述开关而控制电机电流。

7.根据权利要求4或5所述的开关驱动装置，其特征在于：

该开关驱动装置驱动所述开关而根据输入电压生成所期望的输出电压。