JP2019030163A - 電力供給装置及び半導体チップ - Google Patents

Abstract

【課題】高速なＣＰＵを用いることなく負荷回路を保護できる電力供給装置及び半導体チップを提供する。【解決手段】電源１の電力を負荷回路２１〜２３に供給する電力供給装置１００であって、半導体スイッチ１１а、１２а、１３а及びセンサ１１ｂ、１２ｂ、１３ｂを内蔵する第１チップと、半導体スイッチ１１а、１２а、１３аを制御する第２チップとを備え、半導体スイッチ１１а、１２а、１３аは、電源１からの電力を負荷回路２１〜２３に供給する電力線５に接続され、電力線５に流れる電流のオン及びオフを切り換え、センサ１１ｂ、１２ｂ、１３ｂは半導体スイッチ１１а、１２а、１３аの状態を検出し、第２チップは、半導体スイッチ１１а、１２а、１３аの駆動電圧を出力する駆動部３１と、センサ１１ｂ、１２ｂ、１３ｂの検出値に応じて半導体スイッチ１１а、１２а、１３аの駆動電圧を制御して負荷回路２１〜２３を保護する負荷保護部３３と、を有する。【選択図】 図１

Description

本発明は、電源の電力を負荷に供給する電力供給装置、及び、その電力供給装置用の半導体チップに関するものである。

電源供給装置において、電源から負荷に電力供給をオン／オフするための半導体スイッチと、１以上の半導体スイッチを制御するとともに半導体スイッチとそれぞれが接続されている各電力供給ラインを監視・保護するＣＰＵで構成された制御部の動作を監視する監視部とを備えたものが知られている。

この電源供給装置において、半導体スイッチは、１以上の過電流保護特性に基づいて過電流を監視する自己保護手段を有している。自己保護手段は、監視用設定値として通常は半導体スイッチの過電流保護特性を監視する設定値が設定されているが、制御部の異常が検出されたときには、過電流保護特性と電線発煙特性の両方を監視できるような設定値に変更する（例えば特許文献１参照）。

特開２０１４−１５８３２６号公報

上記の自己保護手段は、半導体スイッチを保護することはできるが、負荷回路を保護するものではない。上記電源供給装置において、過大な負荷から負荷回路を保護するためには、状態変化を検知し制御するためのＣＰＵを、制御部とは別に設けることが考えられる。しかしながら、負荷回路の状態変化を高速かつ高精度で検知するためには高速なＣＰＵが必要となる、という問題があった。

本発明が解決しようとする課題は、高速なＣＰＵを用いることなく負荷回路を保護できる電力供給装置及び半導体チップを提供することである。

［１］本発明に係る電力供給装置は、電源の電力を負荷回路に供給する電力供給装置であって、半導体スイッチ及びセンサを内蔵する第１チップ と、前記半導体スイッチを制御する第２チップとを備え、前記半導体スイッチは、前記電源からの電力を前記負荷回路に供給する電力線に接続され、前記電力線に流れる電流のオン及びオフを切り換え、前記センサは前記半導体スイッチの状態を検出し、前記第２チップは、前記半導体スイッチの駆動電圧を出力する駆動部と、前記センサの検出値に応じて前記駆動電圧を制御して前記負荷回路を保護する負荷保護部と、を有する電力供給装置である。
［２］上記発明において、前記第２チップは、前記負荷回路に応じた所定の閾値を記憶するメモリを有し、前記負荷保護部は、前記所定の閾値と前記センサの検出値とを比較し、その比較結果に応じて前記駆動電圧を制御してもよい。
［３］上記発明において、電力供給装置は、前記第２チップは、前記半導体スイッチの状態を診断する自己診断部を有してもよい。
［４］上記発明において、前記電力供給装置は、前記第２チップを制御する統合コントローラを備えてもよい。
［５］上記発明において、前記センサは前記半導体スイッチのターンオンのときに流れる突入電流を検出し、前記負荷保護部は、前記突入電流の大きさに応じて前記駆動電圧を制御して前記負荷回路を保護してもよい。
［６］本発明に係る半導体チップは、電源と負荷回路との間を電力線で接続し、前記電源からの電力を前記負荷回路に供給する電力供給装置用の半導体チップであって、前記電力線に接続された半導体スイッチの駆動電圧を出力する駆動部と、前記半導体スイッチの状態を検出するセンサの検出値に応じて前記駆動電圧を制御して前記負荷回路を保護する負荷保護部と、を有する半導体チップである。
［７］上記発明において、前記センサは前記半導体スイッチのターンオンのときに流れる突入電流を検出し、前記負荷保護部は、前記突入電流の大きさに応じて前記駆動電圧を制御して前記負荷回路を保護してもよい。

本発明によれば、負荷保護部が、半導体スイッチを制御するチップに設けられているので、高速なＣＰＵを別途設けることなく、負荷回路を保護できる。

図１は、本発明の実施形態における電力供給システムを示すブロック図である。 図２は、図１に示す駆動部、自己診断部、負荷保護部、及びスイッチングデバイスのブロック図である。 図３は、本発明の実施形態において、半導体スイッチに流れる電流と、保護電流閾値（Ｉ_ｔｈ１、Ｉ_ｔｈ２）とを説明するためのグラフである。 図４は、本発明の実施形態の変形例における電力供給システムを示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本実施形態における電力供給システムを示すブロック図である。

本実施形態における電力供給システムは、バッテリなどの電源から出力される電力を、複数の負荷回路に供給するシステムである。電力供給システムは、例えば電気自動車等の車両に搭載されており、車両に設けられたバッテリの電力を、ランプ、パワーウィンド、ナビゲーションシステム、又は、エアーコンデョナ等の負荷回路に供給する。この電力供給システムは、図１に示すように、電源１、外部スイッチ３、統合コントローラ４、電力線５、負荷回路２１〜２３、及び電力供給装置１００を備えている。

電源１は、例えば、車両に搭載される直流電源である、このような電源１としては、鉛電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池等の２次電池（バッテリ）や、電気二重層キャパシタ等を用いることができる。

電源１は、電力線５を介して負荷回路２１〜２３に対して電力を供給している。負荷回路２１〜２３は、等価的に電気抵抗成分と電気容量成分とを含んで構成されている。本実施形態の負荷回路２１〜２３は、インダクティブ成分ＬとしてインダクタンスＬを有し、抵抗成分として抵抗Ｒを有し、容量成分としてキャパシタＣを有している。また負荷回路２１〜２３は、電力供給装置１００に含まれるスイッチングデバイス１１〜１３に接続されるハーネス２１а、２２а、２３аを有している。負荷回路２１〜２３は、スイッチングデバイス１１〜１３より下流側に接続された回路である。スイッチング素子１１〜１３よりも上流側には、電源１が接続されている。ハーネス２１аは、負荷回路２１の一部であり、スイッチングデバイス１１に接続されている。ハーネス２２аは、負荷回路２２の一部であり、スイッチングデバイス１２に接続されている。ハーネス２３аは、負荷回路２３の一部であり、スイッチングデバイス１３に接続されている。なお、負荷回路２１〜２３は、インダクタンスＬ，抵抗Ｒ、キャパシタＣ、及びハーネス２１а、２２а、２３аの他に、コネクタ等を含んでもよい。

抵抗Ｒは、ランプ等の灯火系、ワイパ、ウォッシャ、又はその他ＥＣＵ等の車載機器である。この抵抗Ｒは、一端がハーネス２１а、２２а、２３а及びスイッチングデバイス１１〜１３を介して電源１に接続されており、他端が接地されている。キャパシタＣは、たとえば、電源１から供給される直流電流を平滑化する平滑キャパシタ、又は、ノイズ吸収用キャパシタである。このキャパシタＣは、一端がハーネス２１а、２２а、２３а及びスイッチングデバイス１１〜１３を介して電源１に接続されており、他端が接地されている。電源１に対して、抵抗ＲとキャパシタＣは、並列に接続されている。なお、負荷回路２１〜２３と電源１との間には、電力線５やスイッチングデバイス１１〜１３以外の構成要素が介在していてもよい。また、本実施形態では、抵抗ＲやキャパシタＣの他端は、いずれも接地されているが、特に上述に限定されない。等価的に示した回路モデルにおいて、インタラクティブ成分、抵抗成分と容量成分とが存在していれば、各成分の接続先は特に限定されない。

外部スイッチ３は、例えば、ユーザにより操作可能なメインスイッチである。外部スイッチ３がオンになると、外部スイッチ３は駆動要求信号を電力供給装置１００に出力する。駆動要求信号は、電源１と負荷回路２１〜２３との間を電気的に導通するための指令信号である。

統合コントローラ４は、車両全体を制御するコントローラである。統合コントローラ４は、例えば電力供給装置１００に設けられた通信部６０を介して、電力供給装置１００に設けられたコントローラ５０とつながっている。

電力供給装置１００は、電源１と負荷回路２１〜２３との間の電気的な導通と遮断とを切り替えるスイッチング機能（ドライブ機能）と、半導体スイッチの状態を診断する自己診断機能と、負荷回路を保護する負荷保護機能を有している。また、電力供給装置１００は、電源１の出力電流を負荷回路２１〜２３に対して分流する分岐配線を有しており、電源１の電力を複数の負荷回路２１〜２３にそれぞれ供給する。分岐配線は、スイッチングデバイス１１〜１３よりも上流側に接続されており、電力線５の一部に相当する。そして、スイッチングデバイス１１〜１３は分岐配線にそれぞれ接続されており、スイッチングデバイス１１〜１３は各分岐配線に流れる電流のオン及びオフをそれぞれ切り替える。

電力供給装置１００は、図１に示すように、スイッチングデバイス１１〜１３、制御チップ３０、電源レギュレータ４０、コントローラ５０、及び通信部６０を備えている。制御チップ３０、スイッチングデバイス１１〜１３、及び電源レギュレータ４０は、弱電用の配線により接続されており、電源レギュレータ４０の出力電流が、制御チップ３０を介して、スイッチングデバイス１１〜１３に流れるように、配線網又は配線パターンが形成されている。制御チップ３０は、スイッチングデバイス１１〜１３に含まれる各センサ１１ｂ、１２ｂ、１３ｂと信号線又は配線パターンで接続されており、コントローラ５０とも信号線又は配線パターンで接続されている。

電力線５には、スイッチングデバイス１１〜１３が接続されている。スイッチングデバイス１１は、半導体スイッチ１１аとセンサ１１ｂとを単一のチップでモジュール化したデバイスである。スイッチングデバイス１２及びスイッチングデバイス１３は、スイッチングデバイス１１と同様に、半導体スイッチ１２аとセンサ１２ｂ、及び、半導体スイッチ１３аとセンサ１３ｂをそれぞれ１つのチップに集積化したデバイスである。スイッチングデバイス１１、１２、１３が本発明における「第１チップ」に相当する。

半導体スイッチ１１а、１２а、１３аとしては、たとえば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の半導体素子を用いることができる。本実施形態では、ｎチャネルのＭＯＳＦＥＴを用いているが、ｐチャネルのＭＯＳＦＥＴでもよい。

半導体スイッチ１１а、１２а、１３аは、ドレイン電極と、ソース電極と、ゲート電極と、を有している。半導体スイッチ１１аのドレイン電極は、電力線５を介して電源１と接続されている。半導体スイッチ１１аのソース電極は、センサ１１ｂを介して負荷回路２１に接続されている。半導体スイッチ１１аのゲート電極は、配線を介して制御チップ３０の駆動部３１に接続されている。この半導体スイッチ１１а、１２а、１３аは、駆動部３１からゲート電極に出力される駆動信号（駆動電圧）によりオンとオフの切り替えが可能となっている。

ゲート電極に、ハイレベルの駆動電圧が入力されると、半導体スイッチ１１аは、ドレイン電極とソース電極との間が導通するオン状態となる。これにより、電源１と負荷回路２１との間が導通し、電源１の電力が負荷回路２１に供給される。
一方、ゲート電極に、ローレベルの駆動電圧が入力されると、半導体スイッチ１１аは、ドレイン電極とソース電極との間が遮断するオフ状態となる。これにより、電源１と負荷回路２１との間が遮断し、電源１から負荷回路２１への電力供給が停止する。

半導体スイッチ１２аのドレイン電極及び半導体スイッチ１３аのドレイン電極は、電力線５を介して、電源１にそれぞれ接続されている。半導体スイッチ１２аのソース電力はセンサ１２ｂを介して負荷回路２２に接続されており、半導体スイッチ１３аのソース電力はセンサ１３ｂを介して負荷回路２３に接続されている。半導体スイッチ１２аのゲート電極及び半導体スイッチ１３аのゲート電極は、配線を介して駆動部３１にそれぞれ接続されている。

スイッチングデバイス１１は、電源１と負荷回路２１との間の電気的な導通及び遮断を切り替えるスイッチとして機能する。スイッチングデバイス１２は、電源１と負荷回路２２との間の電気的な導通及び遮断を切り替えるスイッチとして機能し、スイッチングデバイス１３は、電源１と負荷回路２３との間の電気的な導通及び遮断を切り替えるスイッチとして機能する。スイッチングデバイス１１〜１３の接続部分に、スイッチングデバイス１１〜１３の代わりに、機械的に遮断するヒューズを接続することも考えられる。このようなヒューズは、大電流の導通等により溶断すると、復帰することが容易ではない。本実施形態における電力供給装置は、半導体スイッチ１１а〜１３аを用いているため、電源１と負荷回路２１〜２３との間を遮断した後に、電源１と負荷回路２１〜２３を導通させることができる。

半導体スイッチ１１аは負荷回路２１と対応するように接続されており、半導体スイッチ１２аは負荷回路２２と対応するように接続されており、半導体スイッチ１３аは負荷回路２３と対応するように接続されている。スイッチングデバイス１１〜１３の数は、負荷回路２１〜２３の接続数に対応している。図１の例では、３つの負荷回路２１〜２３を電源１に接続するために、３つのスイッチングデバイス１１〜１３が用いられる。ｎ個の負荷回路２１〜２３を電源１に接続する場合には、ｎ個のスイッチングデバイス１１〜１３を用いる。ｎは１以上の自然数である。このとき、電力線５は電力供給装置１００内でｎ個に分岐されており、ｎ個のスイッチングデバイスがｎ個に分岐された電力線５にそれぞれ接続されている。これにより、ｎ個の負荷回路と電源１との間の電気的な導通及び遮断を、それぞれ独立して切り替えることができる。

センサ１１ｂは、半導体スイッチ１１аの状態を検出するセンサである。センサ１１ｂには、例えば電流センサが用いられる。センサ１１ｂは、半導体スイッチ１１аのソース電極に接続されており、半導体スイッチ１１аのドレイン−ソース間に流れる電流を検出し、信号線を介して検出値を制御チップ３０に出力する。

センサ１２ｂ、１３ｂは、半導体スイッチ１２а、１３аの状態を検出するセンサである。センサ１２ｂ、１３ｂは、半導体スイッチ１２а、１３аのソース電極にそれぞれ接続されており、半導体スイッチ１２а、１３аのドレイン−ソース間に流れる電流を検出し、信号線を介して検出値を制御チップ３０に出力する。なお、センサ１１ｂ、１２ｂ、１３ｂには、電流センサの代わりに温度センサを用いてもよく、半導体スイッチ１１а、１２а、１３аの各温度を検出することで、半導体スイッチ１１а、１２а、１３аの状態を検出してもよい。

制御チップ３０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器予備入出力インタフェース等を含んで構成されるマイクロコンピュータから構成されている。また制御チップ３０は、マイクロコンピュータを１チップで集積化されている。この制御チップ３０は、外部スイッチ３からの駆動要求信号に応じて、半導体スイッチ１１а、１２а、１３аのオン状態とオフ状態との切り替えを行う。また、制御チップ３０は、センサ１１ｂ、１２ｂ、１３ｂを用いて、半導体スイッチ１１а、１２а、１３аの自己診断制御を実行する。制御チップ３０は、過電流が負荷回路２１〜２３に流れないようにするために、センサ１１ｂ、１２ｂ、１３ｂの検出値に応じて、負荷回路２１〜２３の保護動作を実行する。制御チップ３０が本発明における「第２チップ」に相当する。

制御チップ３０は、駆動部３１、自己診断部３２、負荷保護部３３、出力部３４、及びメモリ３５を有している。駆動部３１は、半導体スイッチ１１а、１２а、１３аの各ゲート端子に対してゲート電圧を印加する駆動回路を有している。駆動部３１は、電源レギュレータ４０から出力される電圧を昇圧する昇圧回路３１４（後述）を有している。駆動部３１は、電源レギュレータ４０の出力電圧を昇圧回路３１４により昇圧し、駆動回路により半導体スイッチ１１а、１２а、１３аのゲート電圧を生成する。

駆動部３１には、コントローラ５０及び信号線を介して外部スイッチ３から駆動要求信号が入力される。駆動要求信号が駆動部３１に入力されると、駆動部３１は、半導体スイッチ１１а、１２а、１３аをオン状態にするための駆動電圧を半導体スイッチ１１а、１２а、１３аのゲート電極に出力する。また、駆動部３１は、自己診断部３２から出力される制御信号により、半導体スイッチ１１а、１２а、１３аをオフ状態にする。さらに、駆動部３１は、負荷保護部３３から出力される制御信号により、半導体スイッチ１１а、１２а、１３аをオフ状態にする。

次に、本実施形態の電力供給装置１００の駆動部３１について、図１及び図２を参照しながら説明する。図２は、駆動部３１のブロック図である。なお、図２では、駆動回路は図示されていないが、昇圧回路３１４の出力側には、ゲート電圧を生成するために、駆動回路が組み込まれている。

駆動部３１は、論理回路３１１〜３１３及び昇圧回路３１４を備えている。論理回路３１１〜３１３には、昇圧回路３１４を介して、駆動要求信号が入力される。論理回路３１１〜３１３は、自己診断部３２及び負荷保護部３３のいずれか一方の制御部から、半導体スイッチ１１а、１２а、１３аをオフにする制御信号（以下、オフ信号とも称す）を受信した場合には、半導体スイッチ１１а、１２а、１３аを強制的にオフにする。一方、論理回路３１１〜３１３は、自己診断部３２及び負荷保護部３３からオフ信号を受信していない場合には、論理回路３１１〜３１３は、駆動要求信号に応じて半導体スイッチ１１а、１２а、１３аをオンにする。

駆動部３１は、スイッチングデバイス１１〜１３と対応するように論理回路３１１〜３１３を設けることで、多チャンネル化されている。自己診断部３２及び負荷保護部３３は、論理回路３１１〜３１３に対してオフ信号を出力することで、スイッチングデバイス１１〜１３を選択してオフ状態にすることができる。

自己診断部３２は、半導体スイッチ１１а、１２а、１３аが異常であるか否かを判定する。具体的には、自己診断部３２は、センサ１１ｂ、１２ｂ、１３ｂから検出電流の検出値を取得し、当該検出電流と、予め設定された電流閾値とを比較する。電流閾値はメモリ３５に予め記憶されている。当該電流閾値は、半導体スイッチ１１а、１２а、１３аの特性に応じて予め設定されており、例えば、半導体スイッチ１１а、１２а、１３аに導通可能な電流の上限値に設定されている。自己診断部３２は、センサ１１ｂ、１２ｂ、１３ｂから検出電流の検出値を取得し、センサ１１ｂ、１２ｂ、１３ｂの検出電流が電流閾値より大きい場合には、半導体スイッチ１１а、１２а、１３аに異常が生じていると判定する。

自己診断部３２による自己診断方法は、上記の診断方法に限らず他の診断方法でもよい。自己診断部３２は、半導体スイッチ１１а、１２а、１３аの短絡等の異常を診断してもよい。具体的な一例として、自己診断部３２は、センサ１１ｂ、１２ｂ、１３ｂの検出電流から、半導体スイッチ１１а、１２а、１３аがターンオンしてからの電流特性を測定する。ターンオンさせるための駆動電圧が半導体スイッチ１１аのゲート電極に印加されたにもかかわらず、半導体スイッチ１１аのドレインソース間の電圧が上昇しない場合には、半導体スイッチ１１аの内部で短絡が発生している可能性がある。自己診断部３２は、半導体スイッチ１１аのターンオン動作後に、電圧が上昇しない場合には、半導体スイッチ１１аの内部短絡等により、半導体スイッチ１１аに異常が生じていると判定する。

また自己診断部３２は、半導体スイッチ１１а、１２а、１３аの過熱による異常を診断してもよい。温度センサがセンサ１１ｂ、１２ｂ、１３ｂに使用される場合には、自己診断部３２はセンサ１１ｂ、１２ｂ、１３ｂの検出温度に基づき、半導体スイッチ１１а、１２а、１３аが過熱された状態であるか否かを診断する。特に、スイッチングデバイス１１、１２、１３が隣接してレイアウトされている場合に、半導体スイッチ１１аが過熱された状態となると、半導体スイッチ１１аの熱が、隣の半導体スイッチ１２аに伝わり、半導体スイッチ１２аの温度が高くなる可能性がある。自己診断部３２が、半導体スイッチ１１а、１２а、１３аの温度を管理し、過熱による半導体スイッチ１１а、１２а、１３аの異常を診断することで、半導体スイッチ１１а、１２а、１３аを保護することができる。

自己診断部３２は、半導体スイッチ１１а、１２а、１３аに異常が生じていると判定した場合には、駆動部３１に対して、半導体スイッチ１１аをオフにするための制御信号（オフ信号）を出力する。自己診断部３２は、半導体スイッチ１１а、１２а、１３аのうち、異常ありと判定した半導体スイッチをオフにするように、オフ信号を出力する。駆動部３１は、当該オフ信号を受信し、半導体スイッチ１１аのゲート電圧を低くして、半導体スイッチ１１а、１２а、１３аをオンからオフに切り換える。自己診断部３２は、自己診断の結果をコントローラ５０に出力する。

負荷保護部３３は、センサ１１ｂ、１２ｂ、１３ｂの検出値に応じて、半導体スイッチ１１а、１２а、１３аをオフ状態に切り替えることで、負荷回路２１〜２３に対して過大な負荷が加わることを防止する。メモリ３５には、負荷回路２１〜２３を保護するために、保護電流閾値（Ｉ_ｔｈ１、Ｉ_ｔｈ２）が予め記憶されている。

保護電流閾値（Ｉ_ｔｈ１、Ｉ_ｔｈ２）について、図３を参照しながら説明する。図３は、半導体スイッチ１１аに流れる電流と、保護電流閾値（Ｉ_ｔｈ１、Ｉ_ｔｈ２）とを説明するためのグラフである。図３のグラフは、半導体スイッチ１１аがオフ状態からオン状態に切り換わる（以下、ターンオンとも称す）時点からの、電流の推移を示している。

半導体スイッチ１１аがターンオンになり、電源１の出力電流が半導体スイッチ１１аに流れ始めると、半導体スイッチ１１には突入電流が流れる。突入電流は、半導体スイッチ１１аがターンオンする時点から一定の期間（ターンオン期間）に、瞬間的に大きくなる。突入電流のピーク値は、負荷回路に含まれる容量成分の大きさ等により変わる。半導体スイッチ１１аの電流は、過渡的な状態となった後に一定値となり、定常状態における半導体スイッチ１１аの電流の大きさは、突入電流のピーク値よりも小さくなる。

半導体スイッチ１１аがターンオンになり、電源１の電力が負荷回路２１〜２３に供給されると、突入電流が発生し、当該突入電流は負荷回路２１〜２３に流れる。負荷回路２１〜２３には、回路素子又はハーネス２１а、２２а、２３а等に応じて、瞬間的に流れる電流の上限値が決まっている。突入電流のピーク値が当該上限値より大きくなった状態で、突入電流が負荷回路２１〜２３に流れた場合には、過大な負荷が負荷回路２１〜２３に加わる。

保護電流閾値（Ｉ_ｔｈ１）は、負荷回路２１〜２３に許容される突入電流の上限値に応じて設定されている。例えば、保護電流閾値（Ｉ_ｔｈ１）は、負荷回路２１〜２３に許容される突入電流の上限値以下に設定されている。負荷回路２１〜２３に許容される突入電流の範囲は、負荷回路２１〜２３に使用される素子特性、又は、ハーネス特性に応じて決まる。そのため、保護電流閾値（Ｉ_ｔｈ１）は負荷回路２１〜２３に応じて適宜設定されている。

図３に示すように、半導体スイッチ１１аに流れる突入電流のピーク値が保護電流閾値（Ｉ_ｔｈ１）以下である場合には、突入電流が負荷回路２１〜２３に流れても、負荷回路２１〜２３に加わる負荷は許容値以下となる。

一方、半導体スイッチ１１аに流れる突入電流が保護電流閾値（Ｉ_ｔｈ１）より高くなった場合には、突入電流が負荷回路２１〜２３に流れると、過大な負荷が負荷回路２１〜２３に加わる可能性がある。そのため、負荷保護部３３は、半導体スイッチ１１аに流れる突入電流が保護電流閾値（Ｉ_ｔｈ１）より高くなった時点で、半導体スイッチ１１а、１２а、１３を強制的にオフ状態にして、許容値を超えるような突入電流が負荷回路２１〜２３に流れないようにする。

突入電流の導通後、定常状態になり、負荷回路２１〜２３に流れる電流も一定値になる。負荷回路２１〜２３は、回路素子又はハーネス等に応じて、定常的に流れる電流の上限値が予め決まっている。定常状態の電流（以下、定常電流とも称す）の大きさが当該上限値より大きくなった状態で、定常電流が負荷回路２１〜２３に継続して流れた場合には、過大な負荷が、負荷回路２１〜２３に加わる。

保護電流閾値（Ｉ_ｔｈ２）は、負荷回路２１〜２３に許容される定常電流の上限値に応じて設定されている。例えば、保護電流閾値（Ｉ_ｔｈ２）は、負荷回路２０に許容される定常電流の上限値以下に設定されている。負荷回路２１〜２３に許容される定常電流の範囲は、負荷回路２１〜２３に使用される素子特性、又は、ハーネス特性に応じて決まる。そのため、保護電流閾値（Ｉ_ｔｈ２）は負荷回路２１〜２３に応じて適宜設定されている。

図３に示すように、定常状態において、半導体スイッチ１１аに流れる定常電流が保護電流閾値（Ｉ_ｔｈ２）以下である場合には、定常電流が負荷回路２１〜２３に流れても、負荷回路２１〜２３に加わる負荷は許容値以下となる。

一方、半導体スイッチ１１а、１２а、１３аに流れる定常電流が、定常状態で保護電流閾値（Ｉ_ｔｈ２）より高くなった場合には、過電流が負荷回路２１〜２３に継続して流れると、過大な負荷が負荷回路２１〜２３に加わる可能性がある。そのため、負荷保護部３３は、定常状態で半導体スイッチ１１аに流れる電流が保護電流閾値（Ｉ_ｔｈ２）より高くなった場合には、半導体スイッチ１１а、１２а、１３を強制的にオフ状態にして、許容値を超えるような定常電流が負荷回路２１〜２３に流れないようにする。

駆動要求信号がコントローラ５０から制御チップ３０に入力されると、負荷保護部３３は、半導体スイッチ１１а、１２а、１３аをオフからオンに切り換える時点からの経過時間を計測する。メモリ３５には、過渡状態の時間（ターンオン期間）を示す時間閾値が予め設定されている。突入電流が流れる時間は負荷回路２１〜２３に含まれる容量成分等により決まるため、時間閾値は負荷回路２１〜２３に含まれる容量成分等に応じて予め設定されている。時間閾値は、図３に示すように、時間０から時間ｔ_ｐまでの期間に相当する。

負荷保護部３３は、センサ１１ｂ、１２ｂ、１３ｂから検出電流の検出値を取得する。経過時間が時間閾値以下である場合には、負荷保護部３３は、取得した検出電流と保護電流閾値（Ｉ_ｔｈ１）とを比較する。検出電流が保護電流閾値（Ｉ_ｔｈ１）より大きい場合には、負荷保護部３３は半導体スイッチ１１а、１２а、１３аをオフにする。一方、検出電流が保護電流閾値（Ｉ_ｔｈ１）以下である場合には、負荷保護部３３は、オフ信号を駆動部３１に出力せず、半導体スイッチ１１а、１２а、１３аのオン状態が継続する。

経過時間が時間閾値より長くなった場合には、負荷保護部３３は、保護電流閾値を、Ｉ_ｔｈ１からＩ_ｔｈ２に切り換えて、取得した検出電流と保護電流閾値（Ｉ_ｔｈ２）とを比較する。検出電流が保護電流閾値（Ｉ_ｔｈ２）より大きい場合には、負荷保護部３３は半導体スイッチ１１а、１２а、１３аをオフにする。一方、検出電流が保護電流閾値（Ｉ_ｔｈ２）以下である場合には、負荷保護部３３は、オフ信号を駆動部３１に出力せず、半導体スイッチ１１а、１２а、１３аのオン状態が継続する。

次に、出力部３４及びメモリ３５について、図１を参照しながら説明する。出力部３４は、コントローラ５０に対して、センサ１１ｂ、１２ｂ、１３ｂの検出値、自己診断部３２の診断結果、及び負荷保護部３３の判定結果を出力する。負荷保護部３３は、センサ１１ｂ、１２ｂ、１３ｂの検出値が保護電流閾値（Ｉ_ｔｈ１、Ｉ_ｔｈ２）より大きい場合には、負荷回路２１〜２３に過大な負荷が加わると判定し、その判定結果を出力部３４に出力し、出力部３４は当該判定結果をコントローラ５０に出力する。自己診断部３２による自己診断機能又は負荷保護部３３による負荷保護機能により、半導体スイッチ１１а、１２а、１３аがオフ状態に切り替わった場合には、出力部３４は、半導体スイッチ１１а、１２а、１３аのうち、オフ状態になった半導体スイッチ１１а、１２а、１３аの接続位置を特定した上で、当該接続位置の情報をコントローラ５０に出力する。

メモリ３５には、自己診断部３２で用いられる電流閾値、負荷保護部３３で用いられる保護電流閾値（Ｉ_ｔｈ１、Ｉ_ｔｈ２）、及び、負荷保護部３３で用いられる時間閾値がそれぞれ記憶されている。メモリ３５は、負荷回路２１〜２３に応じて異なる閾値を記憶している。

電源レギュレータ４０は、電力供給装置１００の外部から入力される電圧を、コントローラ５０及び制御チップ３０の動作電圧に変換し、コントローラ５０及び制御チップ３０に出力する。当該動作電圧は、半導体スイッチ１１а、１２а、１３аの駆動電圧としても用いられる。

コントローラ５０は、ＣＰＵ等のマイクロコンピュータから構成されている。駆動要求信号が外部スイッチ３から入力されると、コントローラ５０は、半導体スイッチ１１а、１２а、１３аをオンにするための信号を制御チップ３０に出力する。コントローラ５０は、出力部３４を介して、自己診断部３２の診断結果及び負荷保護部３３の判定結果を取得し、半導体スイッチ１１а、１２а、１３аのうち、オフ状態に切り換わった半導体スイッチ１１а、１２а、１３аを特定する。コントローラ５０は、特定された半導体スイッチ１１а、１２а、１３аの制御信号を、通信部６０を介して統合コントローラ４に出力する。統合コントローラ４は、通信部６０から当該制御信号を受信したときには、半導体スイッチ１１а、１２а、１３аがオフ状態に切り換わり、オフ状態の半導体スイッチ１１а、１２а、１３аに接続されている負荷回路２１、２２、２３が使用できなくなった旨を、車室内のランプ等を点灯することでユーザに通知する。

コントローラ５０は、負荷保護部３３とは異なる保護機能を有してもよい。例えば、コントローラ５０は、出力部３４から、センサ１１ｂ、１２ｂ、１３ｂの検出値を取得し、半導体スイッチ１１а、１２а、１３аの電流特性が通常とは異なる特性になったか否かを判定する。例えば、半導体スイッチ１１а、１２а、１３аの電流が負荷回路２１〜２３の動作とは関係なく、不自然な変化をした場合には、半導体スイッチ１１а、１２а、１３аの電流が特異な特性となる。このように、電流特性が特異であると判定した場合には、コントローラ５０は、半導体スイッチ１１а、１２а、１３аをオフにする制御信号を制御チップ３０に出力する。

ここで、例えば、負荷保護部３３による負荷回路２１〜２３の保護機能が、制御チップ３０に設けられておらず、コントローラ５０に設けた構成を採用した場合には、コントローラ５０に含まれるＣＰＵを高速化する必要がある。特に、負荷保護部３３の保護機能をコントローラ５０に設ける場合には、コントローラ５０が、センサ１１ｂ、１２ｂ、１３ｂを用いて、半導体スイッチ１１а、１２а、１３аの電流変化を検出した上で、半導体スイッチ１１а、１２а、１３аをオフに切り換えなればならない。また、突入電流の瞬時的な電流変化から負荷回路２１〜２３を保護するためには、コントローラ５０は、半導体スイッチ１１а、１２а、１３аの瞬時的な電流変化を検出しなければならない。そのため、コントローラ５０に含まれるＣＰＵを高速化する必要がある。さらに、コントローラ５０は既存の様々な制御機能を有しており、当該既存の制御機能に負荷保護機能を加えようとするためには、コントローラ５０のＣＰＵを高速化する必要がある。

これに対して、本実施形態では、１チップ化された制御チップ３０に、負荷保護部３３を内蔵している。すなわち、本実施形態では、半導体スイッチ１１а、１２а、１３аのオン、オフを切り換えるためのドライブ機能に、負荷回路２１〜２３の保護機能を組み込んだ上で、１チップ化されている。

このため、コントローラ５０のマイコンに高速な制御を要する制御部を組み込む必要がなくなる。また、制御チップ３０に含まれるドライブ機能及び自己診断機能は低速なＣＰＵで実現できるため、制御チップ３０に、負荷保護部３３の保護機能を追加したとしても、制御チップ３０の処理速度を大きく高速化しなくてもよい。従って、高速なＣＰＵを用いることなく負荷回路２１〜２３を保護できる。

また、本実施形態では、負荷保護部３３は、定常状態な過電流から負荷回路２１〜２３を保護する機能も有している。このため、定常的な過電流から負荷回路２１〜２３を保護するための制御部を、コントローラ５０のマイコンに組み込む必要がなくなり、高速なＣＰＵを用いることなく負荷回路２１〜２３を保護できる。

また、本実施形態では、負荷回路２１〜２３に応じた所定の閾値がメモリ３５に記憶され、所定の閾値とセンサ１１ｂ、１２ｂ、１３ｂの検出値が比較され、その比較結果に応じて半導体スイッチ１１а、１２а、１３аの駆動電圧が制御される。このため、様々な負荷回路２１〜２３に対応した保護閾値を設定でき、電力供給装置に接続可能な負荷回路２１〜２３のバリエーションを増やすことができる。

なお、本実施形態では、時間閾値を１つ設け、保護電流閾値（Ｉ_ｔｈ１、Ｉ_ｔｈ２）を２つ設けているが、時間閾値をＮ個設けつつ、保護電流閾値をＮ+１個設けてもよい。ただし、Ｎは自然数である。

なお、本実施形態に係る電力供給装置の変形例として、図４に示すように、コントローラ５０を省略してもよい。図１に示すコントローラ５０は、半導体スイッチ１１а、１２а、１３аの電流が特異な特性を検出した上で、定常的な過電流から負荷回路２１〜２３を保護する機能を有している。変形例に係る電力供給装置１００´では、このような機能を省きつつ、コントローラ５０が制御チップ３０を制御するための基本制御機能を、制御チップ３０に組み込んでいる。このため、コントローラ５０が不要になるため、電力供給装置１００´のコストを抑制できる。

なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

１…電源
３…外部スイッチ
４…統合コントローラ
５…電力線
１１、１２、１３…スイッチングデバイス
１１а、１２а、１３а…半導体スイッチ
１１ｂ、１２ｂ、１３ｂ…センサ
２１、２２、２３…負荷回路
３０…制御チップ
３１…駆動部
３２…自己診断部
３３…負荷保護部
３４…出力部
３５…メモリ
４０…電源レギュレータ
５０…コントローラ
６０…通信部
１００、１００´…電力供給装置
３１１、３１２、３１３…論理回路
３１４…昇圧回路
Ｃ…キャパシタ
Ｒ…抵抗

Claims (7)

1. 電源の電力を負荷回路に供給する電力供給装置であって、
   半導体スイッチ及びセンサを内蔵する第１チップと、
   前記半導体スイッチを制御する第２チップとを備え、
   前記半導体スイッチは、前記電源からの電力を前記負荷回路に供給する電力線に接続され、前記電力線に流れる電流のオン及びオフを切り換え、
   前記センサは前記半導体スイッチの状態を検出し、
   前記第２チップは、
   前記半導体スイッチの駆動電圧を出力する駆動部と、
   前記センサの検出値に応じて前記駆動電圧を制御して前記負荷回路を保護する負荷保護部と、を有する電力供給装置。
2. 請求項１に記載の電力供給装置であって、
   前記第２チップは、前記負荷回路に応じた所定の閾値を記憶するメモリを有し、
   前記負荷保護部は、前記所定の閾値と前記センサの検出値とを比較し、その比較結果に応じて前記駆動電圧を制御する電力供給装置。
3. 請求項１又は２に記載の電力供給装置であって、
   前記第２チップは、前記半導体スイッチの状態を診断する自己診断部を有する電力供給装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の電力供給装置であって、
   前記第２チップを制御する統合コントローラを備える電力供給装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の電力供給装置であって、
   前記センサは前記半導体スイッチのターンオンのときに流れる突入電流を検出し、
   前記負荷保護部は、前記突入電流の大きさに応じて前記駆動電圧を制御して前記負荷回路を保護する電力供給装置。
6. 電源と負荷回路との間を電力線で接続し、前記電源からの電力を前記負荷回路に供給する電力供給装置用の半導体チップであって、
   前記電力線に接続された半導体スイッチの駆動電圧を出力する駆動部と、
   前記半導体スイッチの状態を検出するセンサの検出値に応じて前記駆動電圧を制御して前記負荷回路を保護する負荷保護部と、を有する半導体チップ。
7. 請求項６に記載の半導体チップであって、
   前記センサは前記半導体スイッチのターンオンのときに流れる突入電流を検出し、
   前記負荷保護部は、前記突入電流の大きさに応じて前記駆動電圧を制御して前記負荷回路を保護する半導体チップ。

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