JP4708773B2 - 電力供給制御装置 - Google Patents
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Description
(a)半導体スイッチの出力に連なるシャント抵抗を設けて、このシャント抵抗の負荷電圧に基づき半導体スイッチの電流量を検出する構成。
(b)半導体スイッチの出力端子(例えばMOS−FETの場合はソース電極)の電位レベルに基づき半導体スイッチの電流量を検出する構成。
(c)半導体スイッチのオン抵抗(例えばMOS−FETの場合は通電時におけるドレイン−ソース間の抵抗値に基づき半導体スイッチの電流量を検出する構成。
(d)半導体スイッチに流れる電流量に応じたセンス電流を流すセンス回路を設けて、このセンス電流量に基づき半導体スイッチの電流量を検出する構成。
本構成によれば、温度の異常検出し半導体スイッチを1次遮断動作させた後、所定時間待った後に、過熱異常検出回路の判断結果に基づき半導体スイッチを通電状態に復帰させるかどうかの判断を行う構成とした。従って、例えば電力供給制御装置が配された環境下の放熱特定に応じた基準時間を設定することで、上述した高周期のチャタリングを防止できる。なお、基準時間を変更可能な調整手段を設ける構成であってもよい。
本構成は、過熱異常だけでなく過電流異常に対する自己保護機能をも有しており、過熱異常または過電流異常が発生したときに、このときの強制オンオフ動作時における半導体スイッチの強制オンオフ動作時間に基づきヒューズ機能の実行を図ることができる。
本構成によれば、半導体スイッチ、温度検出手段、過熱異常検出回路、自己保護回路、負荷保護回路、電流検出手段及び電流異常検出回路が、ワンチップ又は複数チップでワンパッケージ内に収容されている。なお、閾値温度を定める、例えば抵抗素子をパッケージの外部に設ける構成としてもよい。
(1)全体構成
図1は、本実施形態に係る電力供給制御装置10の全体構成を示すブロック図であり、同図に示すように、本実施形態の電力供給制御装置10は、定電圧信号、或いは、PWM(Pulse Width Modulation。パルス幅変調)制御信号などの制御信号S1を直接又は間接的にパワーMOSFET15の制御入力端子(ゲート端子G)に与えることで、このパワーMOSFET15の出力側に連なる車両用電源60(以下、単に電源60とも称する)から負荷50への電力供給を制御するように構成されている。なお、本実施形態では、電力供給制御装置10は図示しない車両に搭載され、負荷50として例えば車両用のランプ、クーリングファン用モータやデフォッガー用ヒータなどの駆動制御をするために使用される。この電力供給制御装置10は、入力端子P1において、操作スイッチ52及び抵抗(図2:図1では図示略)が接続される構成をなし、操作スイッチ52がONとなることで動作するようになっている。
次に、閾値電流の設定について説明する。
図3は、センスMOSFET16のドレイン−ソース間電圧Vdsと、センスMOSFET16に流れるセンス電流Isとの関係、及び閾値電流Ibを示す図である。横軸は、センスMOSFET16のドレイン−ソース間電圧Vdsを示し、縦軸は、そのドレイン−ソース間電圧Vdsに応じてセンスMOSFET16を流れるセンス電流Isを示している。
図4には、前述の制御信号S1を受けることで起動する保護用論理回路40の構成が示されている。この保護用論理回路40は、正常時には、チャージポンプ回路41を駆動させ、このチャージポンプ回路41は昇圧した電圧をパワーMOSFET15及びセンスMOSFET16の各ゲート−ソース間に与えてオンして通電状態にさせるように動作する。一方、保護用論理回路40は、上記第1異常信号OC、第2異常信号SCまたは第3異常信号OTを受けた異常検出時には、チャージポンプ回路41をオフさせるとともに、ターンオフ回路42を駆動させる制御信号S4を出力し、これにより、パワーMOSFET15及びセンスMOSFET16の各ゲート−ソース間の電荷を放電し、遮断動作させるように動作する。
更に、Nbitカウンタ回路70は、h(k<h<N)bit分カウント(本実施形態では例えば2ms)したときに出力信号S2を出力する。そして、AND回路78は、この出力信号S2と、第1異常信号OCとが与えられるようになっている。要するに、AND回路78は、保護用論理回路40に第1異常信号OCが入力されてNbitカウンタ回路70がカウントを開始したときは、h(k<h<N)bit分カウント後に出力信号S7を出力するのである。
また、Nbitカウンタ回路70とMbitカウンタ回路71との間には、AND回路91が設けられている。このAND回路91は、Nbitカウンタ回路70がオーバフロー(Nbit分カウントアップ)したときに出力するカウントアップ信号と、第3異常信号OTを反転した信号とが入力される。つまり、Nbitカウンタ回路70からのカウントアップ信号は、過熱状態の検出(第3異常信号OT出力)でないときは有効化されてMbitカウンタ回路71に与えられるが、過熱状態の検出(第3異常信号OT出力)には無効化される。
AND回路90は、第3異常信号OTを反転した信号と、リセット信号RST1とが入力される。つまり、過熱状態の検出(第3異常信号OT出力)でないときにリセット信号RST1を有効化してAND回路75に与える一方で、過熱状態の検出(第3異常信号OT出力)時はリセット信号RST1を無効化する有効化手段として機能する。
<短絡異常の発生時>
以上の構成により、保護用論理回路40は、制御信号S1が入力端子に入力された時にRS−FF74によってパワーMOSFET15及びセンスMOSFET16をオンして通電状態とし、例えば、第2異常信号SCを受けたときに、Nbitカウンタ回路70がカウントを開始し、そのNbitカウンタ回路70がkカウントし、かつ、短絡状態が継続したとき(500μs後)にRS−FF74がセット状態となりパワーMOSFET15及びセンスMOSFET16をオフして強制的に遮断動作をさせる。
一方、保護用論理回路40は、第1異常信号OCを受けたとき、Nbitカウンタ回路70がカウントを開始し、そのNbitカウンタ回路70がnカウントし、かつ、過電流状態が継続したとき(2ms後)に、上記1次遮断動作を実行する。その後、Nbitカウンタ回路70がオーバフローしてカウントがゼロに初期化されたときにリセット信号RST1が出力され、RS−FF74はリセット状態に変移してパワーMOSFET15及びセンスMOSFET16を通電状態に復帰させる。続いて、この通電状態に復帰したときに、未だ過電流状態となっており、保護用論理回路40が第1異常信号OCを受けたときには、再び上記1次遮断動作を実行する。従って、過電流状態が解消されない限り、RS−FF74は、図5(B)に示すように、2msの時間幅(パルス幅)のハイレベル信号を10ms周期で出力する制御信号S4(デューティ比20%)をチャージポンプ回路41を通してパワーMOSFET15及びセンスMOSFET16のゲートGに与えて強制オンオフ動作を実行する。
<過熱異常の発生時>
保護用論理回路40は、第3異常信号OTを受けたとき、Nbitカウンタ回路70がカウントを開始し、それとほぼ同時に、上記1次遮断動作を実行する。その後、Nbitカウンタ回路70がオーバフローしてカウントがゼロに初期化されたときにリセット信号RST1が出力される。ここで、上記AND回路90によって、過熱状態が解消している(第3異常信号OTを受けていない)ときは、リセット信号RST1が有効化されてRS−FF74はリセット状態に変移してパワーMOSFET15及びセンスMOSFET16を通電状態に復帰させる。これに対して、未だ過熱状態が継続している(第3異常信号OTを受けている)ときには、リセット信号RST1は無効化されRS−FF74はセット状態に維持してパワーMOSFET15及びセンスMOSFET16の1次遮断動作を継続する。この動作は、過熱異常が発生したときは、上記短絡異常、過電流異常の発生による強制オンオフ動作時においても実行される。
また、第3異常信号OTを受けることによって、Nbitカウンタ回路70がオーバフローした回数をカウントしM回になったときに、Mbitカウンタ回路71はハイレベルの出力信号を出力する。これにより、AND回路75は、リセット信号RST1を無効化させ、次にNbitカウンタ回路70がオーバフローしてもRS−FF74はリセット状態に変移しなくなる上記2次遮断動作を実行する。つまり、その後に過熱異常が解消されても、制御信号S1が入力端子に再入力された時(例えば負荷駆動信号が再入力された時)にのみMbitカウンタ回路71がリセットされ復帰可能となるのである。
次に、過電流異常時における第1閾値電流値Ia及び強制オンオフ動作の第1デューティ比D(Da)、短絡異常時における第2閾値電流値Ib及び強制オンオフ動作の第2デューティ比D(Db)の定め方について説明する。
従って、第1閾値電流値Ia及び第2閾値電流値Ibは、この最大許容電流レベルImax以下のレベルに設定する必要がある。また、例えば制御信号S1が入力端子に入力された時には定格電流の約10倍(負荷がランプの場合)の突入電流がパワーMOSFET15等に流れるため、この突入電流値よりも大きい値に設定することが望ましい。少なくとも第2閾値電流値Ibは突入電流値よりも大きい値にすべきである。この点を考慮して、本実施形態では、過電流異常について第1デューティ比Daを20%とし、第1閾値電流値Iaの最大値は上記数式1から導出されるImax以下の値に設定されている。また、短絡異常について第2デューティ比Dbを5%とし、第2閾値電流値Ibの最大値は上記数式1から導出されるImax以下の値に設定されている。
さて、本実施形態の半導体スイッチ素子11には、図7に示す過熱異常検出のための回路(温度センサ80及び過温度検出回路48)も収容されている。同図に示すように、電源ライン+Bと接地ラインとの間には、温度センサ(温度検出素子)80と、定電流源81とが直列接続されている。温度センサ80は、例えばパワーMOSFET15のチャネル温度に応じた端子間電圧となる。また、電源ライン+Bと接地ラインとの間には例えば1対の抵抗82,83を直列接続してなる分圧回路が接続されている。更に、互いに直列接続されたスイッチ素子としてのFET84(バイポーラトランジスタであってもよい)及び抵抗85が、抵抗83に対して並列接続されている。
このように過熱状態が断続的に検出されてMbitカウンタ回路71がオーバフローしたときにもパワーMOSFET15等に2次遮断動作をさせる構成であり、過熱状態に基づく外部回路の焼損も防止できる。即ち、本実施形態に係る電力供給制御装置10は、電流異常だけでなく過熱異常によっても電線等に熱量が蓄積されて焼損する前に自己復帰不能な2次遮断動作を行うヒューズ機能(外部回路保護機能)を有するである。なお、他の方法として、過熱状態が断続的に検出されたときにおけるパワーMOSFET15の強制オンオフ動作時における強制オンオフ時間を積算し、その積算時間が積算閾値に達したときに2次遮断動作を行う構成であってもよい。
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
11…半導体チップ
13…過電流検知回路(電流異常検出回路)
12…外付け抵抗
14…第2外付け抵抗
15…パワーMOSFET(パワーFET、半導体スイッチ)
16…センスMOSFET(センスFET、電流検出手段)
38…ツェナーダイオード
40…保護用論理回路(自己保護回路、負荷保護回路)
48…過温度検出回路(過熱異常検出回路)
80…温度センサ(温度検出手段)
P1…入力端子
P3…出力端子
P4…外部端子
Ia…第1閾値電流(第1閾値電流値)
Ib…第2閾値電流(第2閾値電流値)
Claims (3)
- 負荷への通電を行う半導体スイッチと、
前記半導体スイッチの温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段での検出温度と閾値温度との比較に基づき温度の異常検出の判断を行う過熱異常検出回路と、
前記過熱異常検出回路が前記温度異常検出したことを条件に、前記半導体スイッチに強制的に自己復帰可能な1次遮断動作をさせ、基準時間待った後に、前記過熱異常検出回路の判断結果に基づき前記半導体スイッチに通電状態への復帰または前記1次遮断動作を維持させる自己保護回路と、
前記過熱異常検出回路が前記異常検出したときに、前記一次遮断動作と前記通電状態への復帰とが間欠的に繰り返される強制オンオフ動作時における前記半導体スイッチのオン時間及びオフ時間である強制オンオフ動作時間を積算し、その積算時間が積算閾値に達したことを条件に前記半導体スイッチに自己復帰不能な2次遮断動作を実行させる負荷保護回路と、を備える電力供給制御装置。 - 前記半導体スイッチに流れる電流量を検出する電流検出手段と、
前記半導体スイッチの通電時において前記電流検出手段での検出値と閾値電流値との比較に基づき前記半導体スイッチに流れる電流の異常検出を行う電流異常検出回路と、を備え、
前記自己保護回路は、前記半導体スイッチに対し、更に、前記電流異常検出回路又は前記過熱異常検出回路が異常検出したことを条件に前記1次遮断動作をさせ、その後に通電状態に復帰させてこのときに前記電流異常検出回路又は前記過熱異常検出回路が異常検出したことを条件に再度前記1次遮断動作をさせる、強制オンオフ動作を間欠的に実行する構成とされ、
前記負荷保護回路は、前記強制オンオフ動作の実行時における前記半導体スイッチの強制オンオフ動作時間を積算し、その積算時間が積算閾値に達したことを条件に前記2次遮断動作をさせることを特徴とする請求項1に記載の電力供給制御装置。 - 前記半導体スイッチと、前記温度検出手段と、前記過熱異常検出回路と、前記自己保護回路と、前記負荷保護回路と、前記電流検出手段と、前記電流異常検出回路とは、ワンチップ又は複数チップでワンパッケージ内に収容されていることを特徴とする請求項2に記載の電力供給制御装置。
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