JP2010200508A - 保護回路 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化を図りつつ、負荷素子の異常を高い精度で検出する保護回路を提供すること。
【解決手段】保護回路１は、負荷電流検出回路１０と、過電流検出回路１１と、スイッチ回路１２と、を備える。スイッチ回路１２は、出力電流Ｉａを電気的に遮断している状態では、負荷電流検出回路１０により検出される負荷電流値が閾値Ｓ１よりも小さい場合、出力電流Ｉａを電気的に導通する。また、スイッチ回路１２は、出力電流Ｉａを電気的に導通している状態では、過電流検出回路１１により検出される電流値が閾値Ｓ１よりも大きい閾値Ｓ２までは出力電流Ｉａを電気的に導通している状態を維持する。また、スイッチ回路１２は、過電流検出回路１１により検出される電流値が閾値Ｓ２より大きい場合、出力電流Ｉａを電気的に遮断する。
【選択図】図１

Description

本発明は、パワーアンプ等の負荷素子を保護する保護回路に関する。

従来より、パワーアンプ等の負荷素子が劣化した場合に、電源から大電流が流れて負荷素子が発熱することを保護する保護回路について様々な技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１には、電源からの電流を検出する電流検出回路と、電流検出回路から負荷素子への電流を制御するスイッチ回路と、電流検出回路により検出された電流検出値に基づいて、スイッチ回路を制御する制御回路を備えた保護回路が開示されている。

また、図４は、従来の保護回路の構成を示す回路図である。図４に示すように、保護回路１００は、電圧レギュレータ１１０と、処理部１２０と、負荷抵抗検出回路１３０と、負荷抵抗検出ポート１４０と、ＯＮ／ＯＦＦポート１５０と、スイッチ回路１６０と、を備える。

保護回路１００は、以下に示すように動作する。処理部１２０は、ソフトウェアを含んで構成される。処理部１２０は、負荷抵抗検出ポート１４０に出力される負荷電流をソフトウェアにより監視する。そして、処理部１２０は、出力される負荷電流が一定値以下である場合、ＯＮ／ＯＦＦポート１５０を制御し、スイッチ回路１６０のＯＦＦ状態を維持させる。これは、出力される負過電流が一定値以下である場合には、負荷が劣化又は破壊され、負荷の抵抗値が低下しているためである。

一方、処理部１２０は、出力される負荷電流が一定値を超える場合、ＯＮ／ＯＦＦポート１５０を制御し、スイッチ回路１６０をＯＮ状態にする。これは、出力される負荷電流が一定値を超える場合には、負荷の抵抗値が正常なためである。

電圧レギュレータ１１０には、過電流を検出するための過電流点が設定されている。電圧レギュレータ１１０に入力される電流が過電流点を超える場合には、電圧レギュレータ１１０は、出力電圧を０［Ｖ］とする。すなわち、電圧レギュレータ１１０からの出力電流は、遮断される。

特開２００８−０６７４８９号公報

しかしながら、上述した保護回路１００は、負荷からの負荷電流を検出するために処理部１２０、負荷抵抗検出ポート１４０及びＯＮ／ＯＦＦポート１５０が必要となり、回路構成が複雑になる。また、電圧レギュレータ１１０の過電流を検出するための閾値は、保障されない場合も多く、電圧レギュレータ１１０の選定が困難であった。また、パワーアンプ等の負荷素子は、比較的大きな電力を消費するため、電流容量の大きい電圧レギュレータ１１０が必要となる。しかし、電流容量の大きい電圧レギュレータ１１０は、大きさが大型化してしまうという問題があった。

そこで、本発明は、小型化を図りつつ、負荷素子の異常を高い精度で検出する保護回路を提供することを目的とする。

本発明に係る保護回路は、上記課題を解決するために、負荷を流れる電流の負荷電流値を検出する負荷電流検出回路と、前記負荷から出力される出力電流が所定の閾値よりも大きい場合、当該出力電流を過電流として検出する過電流検出回路と、前記負荷電流検出回路により検出された負荷電流値が第１の電流値よりも大きい場合、又は前記過電流検出回路により過電流が検出された場合、前記出力電流を電気的に遮断するスイッチ回路と、を備え、前記スイッチ回路は、前記出力電流を電気的に遮断している状態において、前記負荷電流検出回路により検出される負荷電流値が前記第１の電流値よりも小さい場合、前記出力電流を電気的に導通し、前記出力電流を電気的に導通している状態において、前記過電流検出回路により検出される電流値が前記第１の電流値よりも大きい第２の電流値より大きい場合、前記出力電流を電気的に遮断することを特徴とする。

また、前記スイッチ回路は、前記出力電流を電気的に遮断している状態において、前記負荷電流検出回路により検出される負荷電流値が前記第１の電流値よりも大きい場合、前記出力電流を電気的に遮断し、前記出力電流を電気的に導通している状態において、前記過電流検出回路により検出される電流値が前記第２の電流値までは前記出力電流を電気的に導通している状態を維持することが好ましい。

また、前記スイッチ回路は、前記出力電流を電気的に遮断している状態において、前記第２の電流値よりも小さい第３の電流値に対して前記負荷電流検出回路により検出される負荷電流値が大きい場合、前記出力電流を電気的に遮断している状態を維持することが好ましい。

また、前記過電流検出回路の出力側は、オープンドレイン出力で構成されることが好ましい。

本発明によれば、小型化を図りつつ、負荷素子の異常を高い精度で検出する保護回路を提供することができる。

本発明の一実施形態である保護回路の構成を示す回路図である。 負荷の抵抗値と、ＯＮ／ＯＦＦ端子における電圧との関係を示す図である。 図４に示す保護回路の電圧レギュレータ、及び本実施形態の保護回路の過電流検出回路の出力電流と出力電圧との関係を示す図である。 従来の保護回路の構成を示す回路図である。

以下、本発明の保護回路の一実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態である保護回路１の構成を示す回路図である。図１に示すように、保護回路１は、負荷電流検出回路１０と、過電流検出回路１１と、スイッチ回路１２と、を備える。なお、保護回路１は、例えば、パワーアンプ等の負荷（不図示）に接続される、又は負荷の一部を構成する保護回路である。

負荷電流検出回路１０は、一端が過電流検出回路１１の入力側と接続しており、他端がスイッチ回路１２の出力側と接続している。負荷電流検出回路１０は、負荷に流れる負荷電流値を検出する。すなわち、負荷電流検出回路１０は、負荷の抵抗値を負荷電流値により検出する。

また、負荷電流検出回路１０は、抵抗Ｒ１と、抵抗Ｒ２と、抵抗Ｒ３と、を含んで構成される。抵抗Ｒ１は、一端が過電流検出回路１１の入力側と接続しており、他端がスイッチ回路１２の入力側と接続している。抵抗Ｒ２は、一端が抵抗Ｒ１の出力側と接続しており、他端が抵抗Ｒ３と接続している。抵抗Ｒ３は、一端が抵抗Ｒ２と接続しており、他端がグランドに接続されている。

抵抗Ｒ２及び抵抗Ｒ３は、分圧回路を構成している。また、負荷電流検出回路１０は、出力端子１０ａを有する。そして、分圧回路、すなわち負荷電流検出回路１０の出力端子１０ａは、スイッチ回路１２のＯＮ／ＯＦＦ端子１２ｂと信号線Ｓを介して接続される。信号線Ｓには、ノイズ除去のためのコンデンサＣ１が接続されている。ここで、抵抗Ｒ１、Ｒ２及びＲ３の抵抗値としては、例えば、Ｒ１＝１Ｋ［Ω］、Ｒ２＝１００Ｋ［Ω］、Ｒ３＝１００Ｋ［Ω］の抵抗値をそれぞれ選択することができる。

過電流検出回路１１は、負荷からの出力電流Ｉａを検出する。過電流検出回路１１は、検出された出力電流Ｉａが所定の閾値Ｉｔｈよりも大きい場合（Ｉａ＞Ｉｔｈ）、出力電流Ｉａを過電流として検出する。なお、所定の閾値Ｉｔｈは、負荷において過電流となる電流値に予め設定されている。

また、過電流検出回路１１は、出力端子１１ａと、出力端子１１ｂと、を有する。出力端子１１ａは、スイッチ回路１２の入力端子１２ａと接続している。出力端子１１ｂは、スイッチ回路１２のＯＮ／ＯＦＦ端子１２ｂと接続している。

スイッチ回路１２は、例えば、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の半導体スイッチにより構成される。スイッチ回路１２は、入力端子１２ａと、ＯＮ／ＯＦＦ端子１２ｂと、を有する。入力端子１２ａは、過電流検出回路１１の出力端子１１ａと接続している。ＯＮ／ＯＦＦ端子１２ｂは、負荷電流検出回路１０の出力端子１０ａと接続していると共に、過電流検出回路１１の出力端子１１ａと接続している。

次に、本実施形態の保護回路１の動作について図２を参照しながら説明する。図２は、負荷の抵抗値と、ＯＮ／ＯＦＦ端子１２ｂにおける電圧との関係を示すグラフである。なお、図２に示すグラフの実線部分を特性Ａといい、破線部分を特性Ｂという。

スイッチ回路１２は、負荷電流検出回路１０により検出された負荷電流値が閾値Ｓ１（第１の電流値）よりも大きい場合、すなわち負荷の抵抗値が閾値Ｓ１に対応する抵抗値Ｒ１１（図２のＸ点）よりも小さい場合、又は過電流検出回路１１により過電流が検出された場合のいずれか一方の場合に出力電流Ｉａを電気的に遮断する。

また、スイッチ回路１２は、出力電流Ｉａを電気的に遮断している状態において、負荷電流検出回路１０により検出される負荷電流値が閾値Ｓ１よりも小さい場合、出力電流Ｉａを電気的に導通する。すなわち、図２の特性Ａに示すように、スイッチ回路１２は、負荷の抵抗値が閾値Ｓ１に対応する抵抗値Ｒ１１（図２のＸ点）よりも大きい場合、出力電流Ｉａを電気的に導通する。

また、スイッチ回路１２は、出力電流Ｉａを電気的に導通している状態において、過電流検出回路１１により検出される電流値（過電流値）が閾値Ｓ１よりも大きい閾値Ｓ２（第２の電流値）までは、出力電流Ｉａを電気的に導通している状態を維持する。すなわち、図２の特性Ｂに示すように、スイッチ回路１２は、負荷の抵抗値が閾値Ｓ１に対応する抵抗値Ｒ１１（図２のＸ点）よりも小さく、且つ閾値Ｓ２に対応する抵抗値Ｒ１２（図２のＹ点）までは、出力電流Ｉａを電気的に導通している状態を維持する。

また、スイッチ回路１２は、過電流検出回路１１により検出される電流値（過電流値）が閾値Ｓ２より大きい場合、出力電流Ｉａを電気的に遮断する。すなわち、図２に示すように、スイッチ回路１２は、抵抗値Ｒ１２（図２のＹ点）よりも小さい場合、出力電流Ｉａを電気的に遮断する。

また、スイッチ回路１２は、出力電流Ｉａを電気的に遮断している状態において、閾値Ｓ２よりも小さい閾値Ｓ３（第３の電流値）に対して、負荷電流検出回路１０により検出される負荷電流値が十分大きい場合、出力電流Ｉａを電気的に遮断している状態を維持する。すなわち、スイッチ回路１２は、閾値Ｓ３に対応する抵抗値Ｒ１３よりも負荷の抵抗値が十分小さい場合には、出力電流Ｉａを電気的に遮断している状態を維持する。なお、上述したように抵抗Ｒ１、Ｒ２及びＲ３の抵抗値として、Ｒ１＝１Ｋ［Ω］、Ｒ２＝１００Ｋ［Ω］、Ｒ３＝１００Ｋ［Ω］の抵抗値をそれぞれ選択した場合、抵抗値Ｒ１３は、抵抗Ｒ１と同一の値である１Ｋ［Ω］とすることが好ましい。

このように、スイッチ回路１２は、電源投入時には、図２に示す特性Ａを示し、比較的高い抵抗値Ｒ１１（図２のＸ点）で出力電流Ｉａを電気的に導通する。そして、一旦、出力電流Ｉａを電気的に導通すると、スイッチ回路１２は、図２に示す特性Ｂに遷移する。特性Ｂに遷移すると、スイッチ回路１２は、負荷が過電流検出点（図２のＹ点）より低い抵抗値Ｒ１２になるまで出力電流Ｉａを電気的に導通しない。このように、スイッチ回路１２は、特性Ａ及びＢのようなヒステリシス特性を示す。

また、過電流検出回路１１の出力端子１１ｂは、オープンドレイン出力で構成されている。具体的には、出力端子１１ｂは、例えば、信号線Ｓを介して出力端子１０ａとプルアップ抵抗（不図示）で接続されている。これにより、出力端子１１ｂ及び出力端子１０ａは、論理回路のＯＲ演算回路に相当するため、負荷電流検出回路１０により検出される負荷電流値が閾値Ｓ１よりも大きい場合、又は過電流検出回路１１が過電流を検出した場合のいずれかの場合に、スイッチ回路１２を電気的に遮断することができる。

図３は、図４に示す保護回路１００の電圧レギュレータ１１０、及び本実施形態の保護回路１の過電流検出回路１１における出力電流と出力電圧との関係を示すグラフである。図３（ａ）は、図４に示す保護回路１００の電圧レギュレータ１１０における出力電流と出力電圧との関係を示すグラフであり、図３（ｂ）は、過電流検出回路１１における出力電流と出力電圧との関係を示すグラフである。

図３（ａ）に示すように、電圧レギュレータ１１０は、電圧レギュレータ１１０の定格電流Ｉ１を超えてから、この定格電流Ｉ１よりも大きな電流値である過電流点Ｉ２まで、出力電圧Ｖ１を出力する。また、電圧レギュレータ１１０は、過電流点Ｉ２を超えると、スイッチ回路１６０により出力電流を電気的に遮断する。

一方、図３（ｂ）に示すように、過電流検出回路１１は、図３（ａ）に示す過電流点Ｉ２よりも小さい電流値である過電流点Ｉ３において過電流を検出して、スイッチ回路１２により出力電流Ｉａを電気的に遮断する。したがって、保護回路１は、保護回路１００に比して、定格電流を超えてから過電流点に達するまでに過電流検出回路から出力される出力電流を小さくすることができる。よって、保護回路１は、過電流を高い精度で検出できる。

本実施形態の保護回路１によれば、スイッチ回路１２は、出力電流Ｉａを電気的に遮断している状態では、負荷電流検出回路１０により検出される負荷電流値が閾値Ｓ１よりも小さい場合、出力電流Ｉａを電気的に導通する。また、スイッチ回路１２は、出力電流Ｉａを電気的に導通している状態では、過電流検出回路１１により検出される電流値が閾値Ｓ１よりも大きい閾値Ｓ２までは出力電流Ｉａを電気的に導通している状態を維持する。また、スイッチ回路１２は、過電流検出回路１１により検出される電流値が閾値Ｓ２より大きい場合、出力電流Ｉａを電気的に遮断する。

すなわち、スイッチ回路１２は、負荷の抵抗値が閾値Ｓ１に対応する抵抗値Ｒ１１よりも大きい場合、出力電流Ｉａを電気的に導通する。また、スイッチ回路１２は、負荷の抵抗値が抵抗値Ｒ１１よりも小さい抵抗値Ｒ１２までは、出力電流Ｉａを電気的に導通している状態を維持する。また、スイッチ回路１２は、抵抗値Ｒ１２（Ｘ点）よりも小さい場合、出力電流Ｉａを電気的に遮断する。

これにより、本実施形態の保護回路１は、負荷の抵抗値が正常な場合には、スイッチ回路１２により出力電流Ｉａを電気的に導通し、負荷の抵抗値が小さい場合（例えば、負荷の劣化や破壊等）には、スイッチ回路１２により出力電流Ｉａを電気的に遮断することができる。更に、保護回路１は、過電流を検出した場合にもスイッチ回路１２により出力電流Ｉａを電気的に遮断することができる。

したがって、本実施形態の保護回路１によれば、電圧レギュレータを必要とせず、スイッチ回路１２のみで出力電流Ｉａの電気的な導通及び遮断を行うため、小型で簡易な回路により保護回路を構成することができる。また、過電流検出回路１１を設けたため、電圧レギュレータの過電流点を使用せず、過電流の検出を高い精度で行うことができる。また、スイッチ回路１２の導通及び遮断をソフトウェアの介さずに行うため、スイッチ回路１２の導通及び遮断を行うためのソフトウェアを開発する必要がない。

また、本実施形態の保護回路１によれば、スイッチ回路１２は、出力電流Ｉａを電気的に遮断している状態では、閾値Ｓ２よりも小さい閾値Ｓ３に対して負荷電流検出回路１０により検出される負荷電流値が大きい場合、出力電流Ｉａを電気的に遮断している状態を維持する。

すなわち、スイッチ回路１２は、閾値Ｓ３に対応する抵抗値Ｒ１３よりも負荷の抵抗値が十分小さい場合には、出力電流Ｉａを電気的に遮断している状態を維持する。これにより、例えば、電源投入時に負荷の抵抗値が小さい場合には、スイッチ回路１２が出力電流Ｉａを電気的に導通しないため、出力電流Ｉａを好適に遮断することができる。

また、本実施形態の保護回路１によれば、過電流検出回路１１の出力端子１１ｂは、オープンドレイン出力で構成される。このため、負荷電流検出回路１０により検出される出負荷電流値が閾値Ｓ１よりも大きい場合、又は過電流検出回路１１により過電流が検出された場合のいずれかの場合に、スイッチ回路１２を好適に遮断することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。また、本実施形態の保護回路１は、例えば、パワーアンプ、バッテリ、電源ＩＣ等の負荷素子に適用することができる。

１ 保護回路
１０ 負荷電流検出回路
１１ 過電流検出回路
１２ スイッチ回路

Claims (4)

1. 負荷を流れる電流の負荷電流値を検出する負荷電流検出回路と、
   前記負荷から出力される出力電流が所定の閾値よりも大きい場合、当該出力電流を過電流として検出する過電流検出回路と、
   前記負荷電流検出回路により検出された負荷電流値が第１の電流値よりも大きい場合、又は前記過電流検出回路により過電流が検出された場合、前記出力電流を電気的に遮断するスイッチ回路と、を備え、
   前記スイッチ回路は、
   前記出力電流を電気的に遮断している状態において、前記負荷電流検出回路により検出される負荷電流値が前記第１の電流値よりも小さい場合、前記出力電流を電気的に導通し、
   前記出力電流を電気的に導通している状態において、前記過電流検出回路により検出される電流値が前記第１の電流値よりも大きい第２の電流値より大きい場合、前記出力電流を電気的に遮断することを特徴とする保護回路。
2. 前記スイッチ回路は、
   前記出力電流を電気的に遮断している状態において、前記負荷電流検出回路により検出される負荷電流値が前記第１の電流値よりも大きい場合、前記出力電流を電気的に遮断し、
   前記出力電流を電気的に導通している状態において、前記過電流検出回路により検出される電流値が前記第２の電流値までは前記出力電流を電気的に導通している状態を維持することを特徴とする請求項１に記載の保護回路。
3. 前記スイッチ回路は、
   前記出力電流を電気的に遮断している状態において、前記第２の電流値よりも小さい第３の電流値に対して前記負荷電流検出回路により検出される負荷電流値が大きい場合、前記出力電流を電気的に遮断している状態を維持することを特徴とする請求項１又は２に記載の保護回路。
4. 前記過電流検出回路の出力側は、オープンドレイン出力で構成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の保護回路。

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