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JP2004153906A - Device for preventing reverse connection - Google Patents

Device for preventing reverse connection Download PDF

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JP2004153906A
JP2004153906A JP2002314912A JP2002314912A JP2004153906A JP 2004153906 A JP2004153906 A JP 2004153906A JP 2002314912 A JP2002314912 A JP 2002314912A JP 2002314912 A JP2002314912 A JP 2002314912A JP 2004153906 A JP2004153906 A JP 2004153906A
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JP
Japan
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power supply
pmos transistor
supply terminal
reverse connection
terminal
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JP2002314912A
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Masahiro Nakamura
正広 中村
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Asahi Kasei Microsystems Co Ltd
Asahi Kasei Microdevices Corp
Original Assignee
Asahi Kasei Microsystems Co Ltd
Asahi Kasei Microdevices Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Asahi Kasei Microsystems Co Ltd, Asahi Kasei Microdevices Corp filed Critical Asahi Kasei Microsystems Co Ltd
Priority to JP2002314912A priority Critical patent/JP2004153906A/en
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To assure the prevention of a circuit element from being broken when there is wrong reverse connection by significantly improving the driving performance of a driver, and attain miniaturization and cost reduction. <P>SOLUTION: This preventing device comprises a detection function of reverse connection; a function of disconnecting the state of the reverse connection if the reverse connection is detected; and a function of setting an on-resistance value and a voltage drop below prescribed values at the time of energization so that the driving performance of a driving element is derived to higher than the prescribed value. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、ブラシレス2相ファンモータのモータドライバの電源での逆接続防止回路に適用できるものであり、電子機器のプラス電源とマイナス電源とを誤って逆接続した場合に過電流が流れないようにして素子の破壊を防止することが可能な逆接続防止装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
ファンモータは、電子機器の空冷装置として広く用いられている。その中でもブラシレス2相ファンモータは、年間5億台と非常に大きな市場規模を持っている。基本的には、ブラシレス2相ファンモータは、プラス電源とマイナス電源の2端子だけを持ち、電源を投入すれば、その電源電圧とファンモータのコイルなどによって決まる回転数で容易に回転するように設計されている。
【0003】
図10、図11、図12は、ブラシレス2相ファンモータの駆動制御回路30の構成例を示す。図12は、図10および図11のドライバ回路3をホールIC1と同一チップに集積して構成したものである。
【0004】
これら各駆動制御回路30には、ホールIC1、回転トルクを発生するためのコイル2a,2bを巻いた電磁石2、ドライバ回路3、ダイオードや抵抗等からなる逆接続防止回路4、静電保護回路(ESD保護回路)5等が、必要に応じて備えられている。
【0005】
ホールIC1は、2相ファンモータ40の回転子に取り付けられた永久磁石の磁場の極性を検出することによって回転子の位置を検出し、コイル2a,2bに通電するタイミングを発生する。
【0006】
ドライバ回路3は、ホールIC1の発生するタイミングに同期して2つのコイル2a,2bに交互に大電流を流すドライバ6,7や、抵抗8、コンデンサ9等からなる。
【0007】
図13は、上記2相ファンモータ40に使用される信号処理回路としてのホールIC1の代表的な構成例を示す。
【0008】
ホールIC1は、電圧レギュレータ回路11と、ホールプレート12と、信号処理部13と、出力バッファ回路14と、出力バッファ回路14の極性を反転した出力バッファ回路15とで構成される。
【0009】
そして、ホールIC1やドライバ回路3からなる駆動制御回路は、そのプラス電源端子20が2相ファンモータ40のプラス電源と接続され、そのマイナス電源端子21が2相ファンモータ40のマイナス電源と接続されることにより、通常の正常な回転を行う。
【0010】
図14は、上記2相ファンモータ40の内部構成例を示す。
外側が一対の永久磁石NSからなる回転子41により構成され、内側が90度の位相差をもつ界磁巻線からなる固定子42により構成されている。固定子42の界磁巻線が作る回転磁界により、回転子41が回転する。
【0011】
【特許文献1】
米国特許第 6,300,736号
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
上述した図10〜図12に示したように、2相ファンモータ40は、プラス電源とマイナス電源の線しか無く、ユーザがそれらの線を取り違えてプラス電源端子20とマイナス電源端子21に逆接続してしまう場合がある。
【0013】
駆動制御回路内に逆接保護回路4が無い場合、プラス電源とマイナス電源とを逆接続すると、ホールIC1に過大な貫通電流が流れ、発熱によりホールIC1が焼損し、モータが破壊する。
【0014】
このとき、その貫通電流は、コイル2a,2bおよびドライバ6,7側にも流れるが、貫通電流の大きさは通常駆動時に流す電流値と同じくらいの値であり、焼損には至らない。
【0015】
従って、誤って逆接続した場合のIC保護を考えて、駆動制御回路内には逆接続防止回路4を必ず設けるように規格されており、従来回路のいずれにも何らかの逆接続防止回路を用いている。
【0016】
図10の従来回路で使用されている逆接続防止回路4は、プラス電源端子20と2相ファンモータ40のプラス電源との間にダイオードを接続して構成している。逆接続時には、そのダイオードが逆バイアスになり、貫通電流が発生しないので、モータは破壊しない。
【0017】
図11の従来回路で使用されている逆接続防止回路4は、プラス電源端子20とホールIC1のプラス電源との間にダイオードを接続して構成している。逆接続時には、そのダイオードが逆バイアスになりホールIC1側の貫通電流を阻止し、モータは破壊しない。
【0018】
一方、図12の従来回路で使用されている逆接続防止回路4は、プラス電源端子20とホールIC1のプラス電源との間に抵抗を接続して構成している。逆接続時には、IC側の貫通電流は発生するがその抵抗によってICが破壊しない程度に電流を制限することによってモータの破壊を防ぐことができる。
【0019】
このような各種保護手段を設けることにより、逆接続防止回路4を容易に構成することは可能である。
【0020】
しかしながら、ダイオードを用いる逆接続防止回路4は、通常動作時にダイオードの順方向電圧分の電圧降下として約0.7Vが発生し、モータの低電圧動作化に大きな不利益をもたらす。
【0021】
特に、ノートパソコン、ゲーム機器、携帯端末など動作電圧3V保証を要求される分野では、ダイオード順方向電圧により0.7Vの電圧降下があると、ホールICにかけられる電圧が2.3Vとなり、ホールICを安定して動作させことができない。
【0022】
また、ホールICにつながるドライバのコントロール電圧も2.3Vとなり、コントロール電圧が下がることによってドライバのON抵抗値が大きくなってしまい、モータを駆動する所定の初期電流を満足するために大きなドライバを準備することになる。
【0023】
特に、MOSトランジスタを用いたドライバの場合、ドライバの駆動能力は、(ドライバコントロール電圧−MOSしきい値電圧)の2乗に比例する。仮に、MOSしきい値電圧を1Vとする。ダイオード順方向電圧ドロップが0.7Vあり、コントロール電圧が2.3Vの場合、(ドライバコントロール電圧−MOSしきい値)の2乗は、
(2.3−1)×(2.3−1)=1.69(V) …(1)
となる。
【0024】
一方、ダイオード順方向電圧降下が無く、コントロール電圧が3Vの場合、(ドライバコントロール電圧−MOSしきい値)の2乗は、
(3−1)×(3−1)=4(V) …(2)
となる。
【0025】
ダイオード順方向電圧降下がある場合と無い場合とで、ドライバの駆動能力が2倍以上違い、低電圧動作が求められる用途では、ダイオードを無くすことに大きな意味があることが分かる。
【0026】
また、図10のダイオード接続の場合、通常動作時大電流数アンペアをダイオードに流す必要があり、必然的に大きな電流容量のダイオードが必要であり、モータの小型化の障害となっている。
【0027】
図12のように、抵抗を接続する方法であっても、ホールIC1の消費電流×抵抗値分の電圧降下が発生し、その電圧降下の大きさは、逆接続時の電流制限を考えると、抵抗値は数百オーム程度となり、ホールIC1の消費電流は数mAであるので、おおよそダイオード順方向電圧程度の電圧降下となり、ダイオードの場合と同じ議論となり、結果として、ドライバ駆動能力やモータの小型化の問題がある。
【0028】
さらに、従来の逆接続防止回路は、個別の電子部品を取り付けているため、その電子部品の価格によるコスト上昇、組み立て時のコスト上昇といった不利益を伴う。特に、前述したようなファンモータは、年間5億台と非常に大きな市場規模があり、市場全体で大きな不利益となっている。
【0029】
そこで、本発明の目的は、誤って逆接続した場合の回路素子の破壊を防止すると同時に、ドライバ駆動能力を格段に向上させ、小型化、低コスト化を図ることが可能な、逆接続防止装置を提供することにある。
【0030】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電源と信号処理装置との電気的接続に用いられる、プラス電源端子とマイナス電源端子との接続形態を判別して逆接続を防止する逆接続防止装置であって、前記プラス電源端子に、正常接続であるプラス電圧が印加されているのか、若しくは、逆接続であるマイナス電圧が印加されているのかを検出する接続検出手段と、前記検出結果が正常接続であると判断した場合は、該正常接続の状態をそのまま維持し、前記検出結果が逆接続であると判断した場合は、該逆接続の状態を切り離す接続制御手段とを具えることによって、逆接続防止装置を構成する。
【0031】
ここで、前記信号処理装置は、モータを駆動制御するホールICからなり、前記モータの駆動能力が基準値に対して少なくとも1.5倍以上となり、かつ、前記ホールICを含むドライバ集積化面積が基準値に対して約半分以下になるように、該通電時のオン抵抗および電圧降下を所定値以下に設定してもよい。
【0032】
前記接続制御手段は、1個のスイッチからなり、該スイッチは、前記マイナス電源端子を基準として前記プラス電源端子にプラスの電圧が印加される正常接続の場合には、該正常接続の電位状態であることを検出して、前記信号処理回路のプラス電源端子を前記プラス電源端子に接続し、前記マイナス電源端子を基準として前記プラス電源端子にマイナスの電圧が印加される逆接続の場合には、該逆接続の電位状態であることを検出して、前記プラス電源端子と前記信号処理回路のプラス電源端子との接続を切り離してもよい。
【0033】
前記スイッチは、独立したNウェル内に形成されたPMOSトランジスタからなり、前記正常接続時には、前記PMOSトランジスタのドレインを前記プラス電源端子に接続し、前記PMOSトランジタスのソースを前記信号処理回路のプラス電源端子に接続し、前記PMOSトランジスタのゲートを前記マイナス電源端子に接続することによって、前記信号処理回路のプラス電源端子を前記プラス電源端子に接続し、前記逆接続時には、前記PMOSトランジスタのドレインを前記マイナス電源端子に接続し、前記PMOSトランジスタのゲートを前記プラス電源端子に接続することによって、前記プラス電源端子と前記信号処理回路のプラス電源端子との接続を切り離してもよい。
【0034】
前記接続制御手段は、第1のスイッチおよび第2のスイッチからなり、前記第1のスイッチは、前記マイナス電源端子を基準として前記プラス電源端子にプラスの電圧が印加される正常接続の場合には、該正常接続の電位状態であることを検出して、前記信号処理回路のプラス電源端子を前記プラス電源端子に接続し、前記第2のスイッチは、前記マイナス電源端子を基準として前記プラス電源端子にマイナスの電圧が印加される逆接続の場合には、該逆接続の電位状態であることを検出して、前記信号処理回路のプラス電源端子を前記マイナス電源端子に接続してもよい。
【0035】
前記第1のスイッチは、独立したNウェル内に形成された第1のPMOSトランジスタからなり、前記第2のスイッチは、独立したNウェル内に形成された第2のPMOSトランジスタからなり、前記正常接続時には、前記第1のPMOSトランジスタのドレインを前記プラス電源端子に接続し、前記第1のPMOSトランジスタのソースを前記信号処理回路のプラス電源端子に接続し、前記第1のPMOSトランジスタのゲートを前記マイナス電源端子に接続することによって、前記信号処理回路のプラス電源端子を前記プラス電源端子に接続し、前記逆接続時には、前記第2のPMOSトランジスタのドレインを前記マイナス電源端子に接続し、前記第2のPMOSトランジスタのソースを前記信号処理回路のプラス電源端子に接続し、前記第2のPMOSトランジスタのゲートを前記プラス電源端子に接続することによって、前記信号処理回路のプラス電源端子を前記マイナス電源端子に接続してもよい。
【0036】
前記第1のPMOSトランジスタと前記第2のPMOSトランジスタとを、共通のP基板上にCMOS回路として構成すると共に、該CMOS回路と前記信号処理回路とを一体に集積して構成した場合において、前記信号処理回路のプラス電源端子に接続されている、前記第1のPMOSトランジスタのバルクと前記第2のPMOSトランジスタのバルクとを互いに同電位を保つように接続することによって、前記逆接続時に前記第1のPMOSトランジスタのバルクから前記信号処理回路のプラス電源端子へ貫通電流が流れないようにしてもよい。
【0037】
前記CMOS回路を構成する前記P基板上の一つのNウェル内に、前記第1のPMOSトランジスタと、前記第2のPMOSトランジスタとを同時に形成してもよい。
【0038】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
[第1の例]
本発明の第1の実施の形態を、図1〜図2に基づいて説明する。なお、図10〜図13の従来例と同一部分については、その説明を省略し、同一符号を付す。
【0039】
(概要)
まず、本発明の概要について説明する。
本発明に係る逆接続防止装置は、接続検出機能と、接続制御機能と、通電時駆動条件設定機能とを備えることにより、駆動素子(例えば、ファンモータ)と信号処理装置(例えば、ホールICを含むモータの駆動制御回路)とを電気的に接続するプラス電源端子(例えば、+12V)とマイナス電源端子(例えば、0V)との逆接続を防止するようにしたものである。
【0040】
接続検出機能とは、プラス電源端子に、正常接続であるプラス電圧が印加されているのか、若しくは、逆接続であるマイナス電圧が印加されているのかを検出する機能をいう。
【0041】
接続制御機能は、その検出結果が正常接続であると判断した場合は、該正常接続の状態をそのまま維持し、検出結果が逆接続であると判断した場合は、該逆接続の状態を切り離す機能をいう。
【0042】
通電時駆動条件設定機能は、正常接続時に駆動電流が流れるに際して、駆動素子の駆動能力を一定値以上引き出せるように、該通電時の所定の電気的特性(例えば、オン抵抗および電圧降下)を所定の条件を満たすように設定する機能をいう。
従って、逆接続防止装置は、上記機能を備えたものによって構成されるものであり、以下、その具体例について説明する。
【0043】
<構成>
図1は、本発明に係る逆接続防止装置を、ブラシレス2相ファンモータの駆動制御回路30内に備えた場合の例である。
【0044】
駆動制御回路30には、逆接続防止装置100と、ホールIC1と、回転トルクを発生するためのコイル2a,2bを巻いた電磁石2と、ドライバ回路3と
、静電保護回路(ESD保護回路)5とが備えられている。
【0045】
図1において、逆接続防止装置100は、独立したNウェル内に形成されたPMOSトランジスタ100(ここでは、エンハンスメント型を例に挙げる)によって構成される。
【0046】
このPMOSトランジスタ100において、ドレインDは配線110を介して+12Vのプラス電源端子20に接続され、ソースSは配線(内部プラス電源ノード)120を介してホールIC1のプラス電源端子aに接続され、ゲートGは配線130を介して0Vのマイナス電源端子bに接続されている。また、PMOSトランジスタ100のバルク105は、配線(内部プラス電源ノード)120を介して、信号処理回路としてのホールIC1のプラス電源端子aに接続されている。
【0047】
図2は、図1の基板回路の断面構成を示したものである。PMOSトランジスタ100と、ホールIC1とは、互いに独立した基板上に設けられている。
【0048】
なお、濃度については、Nウェル領域が2.6×1016、Pウェル領域が6.1×1016の低濃度に設定されている。また、N+、P+領域は、共に、1.0×1019〜2.0×1020の高濃度に設定されている。
【0049】
<動作>
逆接続防止装置100の動作を、接続状態に応じて説明する。
(正常接続時)
まず、正常接続時について説明する。
通常、ブラシレス2相ファンモータの動作時、プラス電源端子20に12V、マイナス電源端子21に0Vが印加されるとする。
【0050】
この電圧状態の時、逆接続防止装置として使用しているPMOSトランジスタ100は、ゲート電圧がソース電圧を基準にして低くなるためオン(ON)状態となり、ホールIC1に動作電圧を供給する。PMOSトランジスタ100のオン(ON)抵抗値を10オーム程度にすることは容易であり、そのときのPMOSトランジスタ100での電圧降下を概算すると、ホールIC1の消費電流×PMOSトランジスタ100のON抵抗値分に当たる電圧降下は、
10Ω×2mA=20mV …(3)
となる。
【0051】
この(3)式の電圧降下値は、従来技術で述べた逆接続防止装置で使用されているダイオード順方向電圧0.7Vに比較して非常に小さな電圧降下値とすることができる。
【0052】
(逆接続時)
次に、逆接続時について説明する。
プラス電源端子20に0V、マイナス電源端子21に+12Vを誤って印加した場合、逆接続防止装置として使用しているPMOSトランジスタ100は、ゲート電圧がソース電圧を基準にして高くなるためオフ(OFF)状態となり、ホールIC1に貫通電流が流れないように阻止するため、モータ40を破壊から保護することができる。
【0053】
[第2の例]
次に、本発明の第2の実施の形態を、図3〜図5に基づいて説明する。なお、前述した第1の例と同一部分についてはその説明を省略し、同一符号を付す。
<構成>
図3は、逆接続防止装置を、CMOS回路200によって構成した場合の例である。このCMOS回路200は、第1のPMOSトランジスタ210(PMOS1)と、第2のPMOSトランジスタ220(PMOS2)とによって構成される。
【0054】
図4は、図3の逆接続防止装置200とホールIC1とを、同一P基板上にCMOSプロセスにより集積して一体に構成した集積回路250の例である。
【0055】
図5は、図4のCMOS回路の断面構成を示したものである。基板上に一体に構成されたPMOSトランジスタ210,220とホールIC1の断面構造を示す。
【0056】
図4および図5に示す、独立したNウェル内に形成された第1のPMOSトランジスタ210(PMOS1)において、ドレインDは配線110を介して+12Vのプラス電源端子20に接続され、ソースSは配線(内部プラス電源ノード)120に接続され、ゲートGは配線131を介してマイナス電源端子bに接続され、バルク205は配線(内部プラス電源ノード)120を介してホールIC1のプラス電源端子aに接続されており、第1のスイッチを構成している。
【0057】
独立したNウェル内に形成された第2のPMOSトランジスタ220(PMOS2)において、ドレインDは配線130を介してマイナス電源端子210に接続され、ソースSは配線120(内部プラス電源ノード)を介してプラス電源端子aに接続され、ゲートGは配線132を介してプラス電源端子20に接続され、バルク206は配線120(内部プラス電源ノード)を介してプラス電源端子aに接続され、第2のスイッチを構成している。
【0058】
このようにホールIC1のプラス電源端子aを内部プラス電源ノード120に接続し、ホールIC1のマイナス電源端子bをマイナス電源端子21に接続することで、逆接続防止装置200とホールIC1とを同一シリコン基板上に集積した新たなICを構成している。
【0059】
<動作>
次に、本装置の動作について説明する。
(正常接続時)
まず、正常接続時について説明する。
【0060】
通常ブラシレス2相ファンモータ動作時、プラス電源端子20に+12V、マイナス電源端子21に0Vが印加されるとする。
【0061】
その電圧状態の時、逆接続防止装置200に使用している第1のPMOSトランジスタ210は、ゲート電圧がソース電圧を基準にして低くなるためON状態となり、一方、第2のPMOSトランジスタ220は、ゲート電圧がソース電圧を基準にして高くなるためOFF状態となり、ホールIC1の動作電圧は第1のPMOSトランジスタ210を通して供給される。
【0062】
第1のPMOSトランジスタ210のON抵抗値を10オーム程度にすることは容易であり、そのときの第1のPMOSトランジスタ210での降下電圧を概算すると、ホールIC1の消費電流×第1のPMOSトランジスタ210のON抵抗値分の電圧降下は、
10×2mA=20mV …(4)
となる。
【0063】
従来の逆接続防止装置で使用されているダイオード順方向電圧0.7Vに比較して非常に小さな電圧降下とすることができる。
【0064】
(逆接続時)
次に、逆接続時について説明する。
プラス電源端子20に0V、マイナス電源端子21に+12Vを誤って印加した場合、逆接続防止装置200に使用している第1のPMOSトランジスタ210は、ゲート電圧がソース電圧を基準にして高くなるためOFF状態となるが、逆接続防止装置200とホールIC1とをP基板上にCMOS回路として同時に集積化した場合、CMOS回路の構造上、第1のPMOSトランジスタ210だけでは実際には貫通電流が発生してしまう。
【0065】
ここで、図5により逆接続防止装置200の第1のPMOSトランジスタ210の断面を考察すると、第1のPMOSトランジスタ210のバルク205は、P基板上の独立したNウェル上に形成され、そのNウェル内にPMOSトランジスタが形成されている。
【0066】
そのため、回路上に表記されていないが、P基板をコレクタC、NウェルをベースB、第1のPMOSトランジスタ210のドレインDをエミッタEとする縦型PNP寄生バイポーラトランジスタ300が存在している。
【0067】
逆接続時、P基板が+12V、第1のPMOSトランジスタ210のドレインDが0V、Nウェルが不定の電位となり、Nウェルは内部プラス電源ノード120に接続されているので、ホールIC1の色々な回路を通して、Nウェルに電流が流れる。
【0068】
そのNウェルに流れる電流は、前述の縦型PNP寄生バイポーラトランジスタ300のベース電流となり、その縦型PNP寄生バイポーラトランジスタ300を通して貫通電流Iが流れる。
【0069】
従って、縦型PNP寄生バイポーラトランジスタ300の貫通電流Iを無くすために、何らかの手段が必要である。
【0070】
そこで、本発明では、独立したNウェル内に形成された第2のPMOSトランジスタ220において、ドレインDをマイナス電源端子21に接続し、ソースSを信号処理回路としてのホールIC1のプラス電源端子aに接続し、ゲートGをプラス電源端子110に接続し、バルク206をホールIC1のプラス電源端子aに接続した構成、換言すれば、第1のPMOSトランジスタ210のバルク205と第2のPMOSトランジスタ220のバルク206とを互いに接続すると共に、ホールIC1のプラス電源端子aに接続することによって、バルク205とバルク206との電位差を無くして同電位に保つように構成する。
【0071】
これにより、第1のPMOSトランジスタ210のNウェル電位をP基板の電位と同じ電位になるように固定し、縦型PNP寄生バイポーラトランジスタ300がONしないようにすることができる。
【0072】
逆接続時、第2のPMOSトランジスタ220は、ゲート電圧がソース電圧を基準にして低くなるためON状態となり、第1のPMOSトランジスタ210のNウェル、つまり、縦型PNP寄生バイポーラトランジスタ300のベース電位をP基板電位と同じ電位になるように固定し、縦型PNP寄生バイポーラトランジスタがONしないようにすることができる。
【0073】
このように配線することにより、ホールIC1に貫通電流Iが流れないように阻止し、モータを破壊から保護することができる。
【0074】
また、以上述べてきたことは、PMOSトランジスタの代わりにNMOSトランジスタを用いても構成できる。すなわち、プラス電源端子20をマイナス電源端子21に、信号処理回路としてのホールIC1のプラス電源端子20を信号処理回路としてのホールIC1のマイナス電源端子21に、マイナス電源端子21をプラス電源端子20に、P基板上のCMOS回路をN基板上のCMOS回路に入れ替えるだけで、同様な構成とすることができる。
【0075】
[第3の例]
本発明の第3の実施の形態を、図6〜図9に基づいて説明する。なお、前述した各例と同一部分についてはその説明を省略し、同一符号を付す。
【0076】
図6〜図8は、逆接続防止装置400の変形例を示す。図6の例はPNPトランジスタ401、図7の例はPNPトランジスタと抵抗402、図8の例はリレー403とダイオード404により、それぞれ逆接続防止装置400として構成されている。
【0077】
図9は、本発明に係る逆接続防止装置の電気的特性を含む各種特性を、従来回路と比較したものである。
【0078】
ここでは、図1の逆接続防止装置100、図4の逆接続防止装置200、図6および図7の逆接続防止装置400を例に挙げ、ON抵抗500、電圧降下501、ドライバ駆動能力(規格値)502、ドライバ面積503、ホールIC1との集積化の有無504の各特性について比較検討した。
【0079】
図9からわかるように、ON抵抗500、電圧降下501の値は、従来回路に比べて格段に低く設定されている。
【0080】
これにより、ドライバ駆動能力502は、従来回路に比べて、約1.7倍〜2.3倍の範囲に拡大できる。また、ドライバ面積503は、従来回路に比べて、約1/2以下に縮小することができる。
【0081】
以上の比較内容からわかるように、ドライバ駆動能力502を格段に向上させて、ドライバ面積503の縮小化を図り、集積化した構成とすることができ、低電圧化への対応に最適な構成とすることができる。
【0082】
(計算例)
ここで、計算例を挙げて比較する。
モータ電源電圧=3V、ホールICの消費電流=2mAとする。このとき、ドライバ(駆動制御回路)の駆動能力は、
IDS=K*W/L*(VGS−VTH)*( VGS−VTH)…(5)
ただし、IDS:MOSに流れる電流、K:プロセスによって決まる定数、
W:ゲート幅、L:ゲート長、VGS:ゲートソース間電圧、
VTH:閾値
で与えられ、電圧の2乗に比例する。
ここで、計算の簡単化のため、K=1、W=1、L=1、VTH=1とおく。
【0083】
計算例として、ダイオードを用いた場合、0.7Vの電圧降下(ロス)があり、ドライバMOSトランジスタのゲートに印加される最大電圧は、

Figure 2004153906
駆動能力は、(5)式から
1.69=(2.3−1)×(2.3−1) …(6)
なお、図9中のドライバの駆動能力は、従来技術と発明の効果をわかりやすくするためのものであって、実際に流す電流値とは異なる。ただし、従来技術で1.69Aの能力があるのに対して、本発明では3.92Aの能力があると考えるための補助に用いることは可能である。
【0084】
また、ドライバの駆動能力が向上する利点を生かす方策としては、
(a)3Vの仕様であれば、ドライバのサイズを小さくできる(放熱の面でパッケージは変えない)点、
(b)ドライバの大きさを変えないでもっと大きなモータを駆動できる点、
(c)ドライバの大きさを変えないで、かつ、モータの容量変えないで、小さなパッケージに収納可能な点、
などが挙げられる。
【0085】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、逆接続の検出機能と、逆接続であると判断した場合は該逆接続の状態を切り離す機能と、正常接続時には、駆動素子の駆動能力を一定値以上引き出せるように、通電時の所定の電気的特性(オン抵抗および電圧降下)を所定条件に設定する機能とを設けたので、誤って逆接続した場合の回路素子の破壊防止を保証すると同時に、ドライバ駆動能力を格段に向上させ、小型化、低コスト化を図ることが可能な逆接続防止装置を作製することができる。
【0086】
また、本発明によれば、トランジスタ素子のバルク間を補償用配線により接続して同電位にして電位差を無くすようにしたので、縦型寄生トランジスタによる貫通電流を阻止することができ、P基板上にCMOSプロセスにより逆接続防止装置と信号処理回路とを一体にして集積回路を作製することが可能となり、これにより、個別部品による外付け逆接続防止装置を不要とし、一段と小型で低価格な装置を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態である、逆接続防止装置をPMOSトランジスタにより構成し、ブラシレス2相ファンモータの駆動制御回路内に備えた例を示す回路図である。
【図2】図1の基板回路の断面構成を示す断面図である。
【図3】本発明の第2の実施の形態である、逆接続防止装置をCMOS回路により構成した例を示す回路図である。
【図4】図3の逆接続防止装置とホールICとを、同一P基板上にCMOSプロセスにより集化して一体に構成した例を示す回路図である。
【図5】図4のCMOS回路の断面構成を示す断面図である。
【図6】本発明の第3の実施の形態である、逆接続防止装置をPNPトランジスタにより構成した例を示す回路図である。
【図7】本発明の第3の実施の形態である、逆接続防止装置をPNPトランジスタと抵抗により構成した例を示す回路図である。
【図8】本発明の第3の実施の形態である、逆接続防止装置をリレーとダイオードにより構成した例を示す回路図である。
【図9】本発明の電気的特性を従来例と比較して示す説明図である。
【図10】第1の従来例を示す回路図である。
【図11】第2の従来例を示す回路図である。
【図12】第3の従来例を示す回路図である。
【図13】ホールICの内部構成を示す回路図である。
【図14】ブラシレス2相ファンモータの内部構成を示す構成図である。
【符号の説明】
1 ホールIC
2 電磁石
2a,2b コイル
3 ドライバ回路
4 逆接続防止回路
5 静電保護回路
6,7 ドライバ(NPNトランジスタ)
6a,7a ドライバ(NMOSトランジスタ)
8 抵抗
9 コンデンサ
11 電圧レギュレータ回路
12 ホールプレート
13 信号処理部
14,15 出力バッファ回路
20 プラス電源端子(+12V)
21 マイナス電源端子(0V)
30 駆動制御回路
40 ブラシレス2相ファンモータ
41 回転子
42 固定子
50 電源
100 逆接続防止装置(PMOSトランジスタ)
105 バルク
110 配線
120 配線(内部プラス電源ノード)
130〜132 配線
200 逆接続防止装置(CMOS回路)
205,206 バルク
210 第1のPMOSトランジスタ(PMOS1)
220 第2のPMOSトランジスタ(PMOS2)
250 集積回路
300 縦型PNP寄生バイポーラトランジスタ
400 逆接続防止装置
401 PNPトランジスタ
402 抵抗
403 リレー
404 ダイオード
500 ON抵抗
501 電圧降下
502 ドライバ駆動能力(規格値)
503 ドライバ面積
504 集積化の有無
a ホールICのプラス電源端子
b ホールICのマイナス電源端子
c ホールICの出力端子
d ホールICの出力端子[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention can be applied, for example, to a reverse connection prevention circuit using a power supply of a motor driver of a brushless two-phase fan motor, and an overcurrent flows when a positive power supply and a negative power supply of an electronic device are erroneously reversely connected. The present invention relates to a reverse connection prevention device capable of preventing the destruction of elements by preventing the device from being broken.
[0002]
[Prior art]
Fan motors are widely used as air cooling devices for electronic devices. Among them, the brushless two-phase fan motor has a very large market size of 500 million units per year. Basically, a brushless two-phase fan motor has only two terminals, a positive power supply and a negative power supply. When the power is turned on, the brushless two-phase fan motor rotates easily at the rotation speed determined by the power supply voltage and the fan motor coil. Designed.
[0003]
10, 11, and 12 show examples of the configuration of the drive control circuit 30 for the brushless two-phase fan motor. FIG. 12 shows a configuration in which the driver circuit 3 of FIGS. 10 and 11 is integrated with the Hall IC 1 on the same chip.
[0004]
Each of the drive control circuits 30 includes a Hall IC 1, an electromagnet 2 wound with coils 2a and 2b for generating rotational torque, a driver circuit 3, a reverse connection prevention circuit 4 including diodes and resistors, an electrostatic protection circuit ( An ESD protection circuit 5 and the like are provided as necessary.
[0005]
The Hall IC 1 detects the position of the rotor by detecting the polarity of the magnetic field of the permanent magnet attached to the rotor of the two-phase fan motor 40, and generates a timing for energizing the coils 2a and 2b.
[0006]
The driver circuit 3 includes drivers 6 and 7 that alternately supply a large current to the two coils 2a and 2b in synchronization with the timing of the generation of the Hall IC 1, a resistor 8, a capacitor 9, and the like.
[0007]
FIG. 13 shows a typical configuration example of the Hall IC 1 as a signal processing circuit used in the two-phase fan motor 40.
[0008]
The Hall IC 1 includes a voltage regulator circuit 11, a Hall plate 12, a signal processing unit 13, an output buffer circuit 14, and an output buffer circuit 15 with the polarity of the output buffer circuit 14 inverted.
[0009]
The drive control circuit including the Hall IC 1 and the driver circuit 3 has its plus power supply terminal 20 connected to the plus power supply of the two-phase fan motor 40 and its minus power supply terminal 21 connected to the minus power supply of the two-phase fan motor 40. By doing so, normal normal rotation is performed.
[0010]
FIG. 14 shows an example of the internal configuration of the two-phase fan motor 40.
The outside is constituted by a rotor 41 composed of a pair of permanent magnets NS, and the inside is constituted by a stator 42 composed of a field winding having a phase difference of 90 degrees. The rotor 41 is rotated by the rotating magnetic field generated by the field winding of the stator 42.
[0011]
[Patent Document 1]
US Patent No. 6,300,736
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
As shown in FIGS. 10 to 12 described above, the two-phase fan motor 40 has only the positive power supply line and the negative power supply line, and the user reverses the wires and connects the positive power supply terminal 20 and the negative power supply terminal 21 in reverse. In some cases.
[0013]
In the case where the reverse connection protection circuit 4 is not provided in the drive control circuit, when the plus power supply and the minus power supply are reversely connected, an excessive through current flows through the Hall IC 1, and the Hall IC 1 is burned out due to heat generation and the motor is destroyed.
[0014]
At this time, the penetrating current also flows through the coils 2a and 2b and the drivers 6 and 7, but the magnitude of the penetrating current is approximately the same as the value of the current flowing during normal driving, and does not lead to burning.
[0015]
Therefore, in consideration of IC protection in the event of reverse connection by mistake, it is standardized that a reverse connection prevention circuit 4 is always provided in the drive control circuit, and any reverse connection prevention circuit is used for any of the conventional circuits. I have.
[0016]
The reverse connection prevention circuit 4 used in the conventional circuit of FIG. 10 is configured by connecting a diode between the positive power supply terminal 20 and the positive power supply of the two-phase fan motor 40. At the time of reverse connection, the diode is reverse-biased and no through current is generated, so that the motor is not destroyed.
[0017]
The reverse connection prevention circuit 4 used in the conventional circuit of FIG. 11 is configured by connecting a diode between the positive power supply terminal 20 and the positive power supply of the Hall IC 1. At the time of reverse connection, the diode becomes reverse-biased and blocks a through current on the side of the Hall IC 1, so that the motor is not destroyed.
[0018]
On the other hand, the reverse connection prevention circuit 4 used in the conventional circuit of FIG. 12 is configured by connecting a resistor between the positive power supply terminal 20 and the positive power supply of the Hall IC 1. At the time of reverse connection, a through current on the IC side is generated, but by limiting the current to such an extent that the IC does not break down due to its resistance, the breakage of the motor can be prevented.
[0019]
By providing such various protection means, the reverse connection prevention circuit 4 can be easily configured.
[0020]
However, the reverse connection prevention circuit 4 using a diode generates a voltage drop of about 0.7 V as a forward voltage of the diode during a normal operation, which brings a great disadvantage to a low-voltage operation of the motor.
[0021]
In particular, in a field such as a notebook computer, a game machine, and a portable terminal, which requires an operation voltage of 3 V, if a voltage drop of 0.7 V occurs due to a diode forward voltage, the voltage applied to the Hall IC becomes 2.3 V, and the Hall IC becomes 2.3 V. Cannot operate stably.
[0022]
Also, the control voltage of the driver connected to the Hall IC becomes 2.3 V, and the ON voltage of the driver increases due to the decrease of the control voltage. A large driver is prepared to satisfy a predetermined initial current for driving the motor. Will do.
[0023]
In particular, in the case of a driver using MOS transistors, the driving capability of the driver is proportional to the square of (driver control voltage-MOS threshold voltage). Assume that the MOS threshold voltage is 1 V. If the diode forward voltage drop is 0.7 V and the control voltage is 2.3 V, the square of (driver control voltage-MOS threshold) is
(2.3-1) × (2.3-1) = 1.69 (V) (1)
It becomes.
[0024]
On the other hand, when there is no diode forward voltage drop and the control voltage is 3 V, the square of (driver control voltage-MOS threshold) is
(3-1) × (3-1) = 4 (V) (2)
It becomes.
[0025]
The driving capability of the driver is more than doubled between when there is a diode forward voltage drop and when there is no diode forward voltage drop, and it can be seen that there is great significance in eliminating the diode in applications requiring low voltage operation.
[0026]
In the case of the diode connection shown in FIG. 10, a large current of several amperes must be supplied to the diode during normal operation, which necessitates a diode having a large current capacity, which is an obstacle to downsizing the motor.
[0027]
As shown in FIG. 12, even in the method of connecting the resistors, a voltage drop corresponding to the current consumption of the Hall IC 1 × the resistance value occurs, and the magnitude of the voltage drop depends on the current limitation at the time of reverse connection. Since the resistance value is about several hundred ohms and the current consumption of the Hall IC 1 is several mA, the voltage drop is about the same as the diode forward voltage, and the same discussion as in the case of the diode results. There is a problem of conversion.
[0028]
Further, the conventional reverse connection prevention circuit has disadvantages such as an increase in cost due to the price of the electronic component and an increase in the cost at the time of assembly because the individual electronic component is attached. In particular, the fan motor as described above has a very large market size of 500 million units per year, which is a great disadvantage in the entire market.
[0029]
Therefore, an object of the present invention is to provide a reverse connection prevention device capable of preventing the destruction of circuit elements in the case of erroneous reverse connection, and at the same time, capable of significantly improving driver driving capability and achieving downsizing and cost reduction. Is to provide.
[0030]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is a reverse connection prevention device used for electrical connection between a power supply and a signal processing device, which determines a connection mode between a positive power supply terminal and a negative power supply terminal to prevent reverse connection, wherein the positive power supply terminal The connection detection means for detecting whether a positive voltage that is a normal connection is applied, or a negative voltage that is a reverse connection is applied, and when it is determined that the detection result is a normal connection When the normal connection state is maintained as it is, and the detection result is determined to be a reverse connection, a reverse connection preventing device is configured by including connection control means for disconnecting the reverse connection state.
[0031]
Here, the signal processing device includes a Hall IC for driving and controlling a motor, the driving capability of the motor is at least 1.5 times or more a reference value, and a driver integrated area including the Hall IC has an integrated area. The on-resistance and the voltage drop during energization may be set to a predetermined value or less so as to be about half or less of the reference value.
[0032]
The connection control means includes a single switch. In a normal connection in which a positive voltage is applied to the plus power terminal with respect to the minus power terminal, the switch is in a state of the potential of the normal connection. In the case of reverse connection where a positive power terminal of the signal processing circuit is connected to the positive power terminal and a negative voltage is applied to the positive power terminal with respect to the negative power terminal, The connection between the positive power supply terminal and the positive power supply terminal of the signal processing circuit may be cut off by detecting the reverse connection potential state.
[0033]
The switch includes a PMOS transistor formed in an independent N-well. When the switch is normally connected, a drain of the PMOS transistor is connected to the positive power supply terminal, and a source of the PMOS transistor is connected to a positive power supply of the signal processing circuit. Terminal, and the gate of the PMOS transistor is connected to the minus power supply terminal, so that the plus power supply terminal of the signal processing circuit is connected to the plus power supply terminal. The connection between the positive power supply terminal and the positive power supply terminal of the signal processing circuit may be cut off by connecting to a negative power supply terminal and connecting a gate of the PMOS transistor to the positive power supply terminal.
[0034]
The connection control means includes a first switch and a second switch, and the first switch is provided in a case where a normal connection is performed in which a positive voltage is applied to the plus power terminal with respect to the minus power terminal. Detecting the potential state of the normal connection, connecting a positive power supply terminal of the signal processing circuit to the positive power supply terminal, and setting the second switch based on the negative power supply terminal to the positive power supply terminal. In the case of a reverse connection in which a negative voltage is applied to the signal processing circuit, a positive power supply terminal of the signal processing circuit may be connected to the negative power supply terminal by detecting the potential state of the reverse connection.
[0035]
The first switch includes a first PMOS transistor formed in an independent N-well, and the second switch includes a second PMOS transistor formed in an independent N-well. At the time of connection, the drain of the first PMOS transistor is connected to the positive power supply terminal, the source of the first PMOS transistor is connected to the positive power supply terminal of the signal processing circuit, and the gate of the first PMOS transistor is connected. By connecting to the minus power supply terminal, the plus power supply terminal of the signal processing circuit is connected to the plus power supply terminal, and at the time of the reverse connection, the drain of the second PMOS transistor is connected to the minus power supply terminal, Connecting the source of the second PMOS transistor to the positive power supply terminal of the signal processing circuit; By connecting the gates of the serial second PMOS transistor to said positive power supply terminal, a positive power supply terminal of the signal processing circuit may be connected to the negative power supply terminal.
[0036]
In a case where the first PMOS transistor and the second PMOS transistor are configured as a CMOS circuit on a common P substrate, and the CMOS circuit and the signal processing circuit are integrally integrated, The bulk of the first PMOS transistor and the bulk of the second PMOS transistor, which are connected to the positive power supply terminal of the signal processing circuit, are connected to maintain the same potential as each other, so that the second PMOS transistor and the second PMOS transistor are connected at the same time. A through current may not flow from the bulk of one PMOS transistor to the plus power supply terminal of the signal processing circuit.
[0037]
The first PMOS transistor and the second PMOS transistor may be simultaneously formed in one N-well on the P-substrate constituting the CMOS circuit.
[0038]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[First example]
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In addition, about the same part as the conventional example of FIGS. 10-13, the description is abbreviate | omitted and the same code | symbol is attached.
[0039]
(Overview)
First, an outline of the present invention will be described.
The reverse connection prevention device according to the present invention includes a connection detection function, a connection control function, and a drive condition setting function during energization, so that a drive element (for example, a fan motor) and a signal processing device (for example, a Hall IC are connected). And a reverse power supply terminal (for example, +12 V) for electrically connecting the power supply terminal to a negative power supply terminal (for example, 0 V).
[0040]
The connection detection function refers to a function of detecting whether a positive voltage, which is a normal connection, or a negative voltage, which is a reverse connection, is applied to a positive power supply terminal.
[0041]
The connection control function maintains the normal connection state when the detection result is determined to be a normal connection, and disconnects the reverse connection state when determined that the detection result is a reverse connection. Say.
[0042]
The energizing drive condition setting function sets a predetermined electrical characteristic (for example, an on-resistance and a voltage drop) during energization so that the drive capability of the drive element can be extracted to a certain value or more when a drive current flows during normal connection. Function to satisfy the above condition.
Therefore, the reverse connection prevention device is configured by one having the above function, and a specific example thereof will be described below.
[0043]
<Structure>
FIG. 1 shows an example in which a reverse connection prevention device according to the present invention is provided in a drive control circuit 30 of a brushless two-phase fan motor.
[0044]
The drive control circuit 30 includes a reverse connection prevention device 100, a Hall IC 1, an electromagnet 2 wound with coils 2a and 2b for generating rotational torque, a driver circuit 3,
, An electrostatic protection circuit (ESD protection circuit) 5.
[0045]
In FIG. 1, the reverse connection prevention device 100 is configured by a PMOS transistor 100 (here, an enhancement type is taken as an example) formed in an independent N well.
[0046]
In the PMOS transistor 100, the drain D is connected to a positive power supply terminal 20 of +12 V via a wiring 110, the source S is connected to the positive power supply terminal a of the Hall IC 1 through a wiring (internal positive power supply node) 120, G is connected to a negative power terminal b of 0 V via a wiring 130. The bulk 105 of the PMOS transistor 100 is connected via a wiring (internal plus power supply node) 120 to the plus power supply terminal a of the Hall IC 1 as a signal processing circuit.
[0047]
FIG. 2 shows a cross-sectional configuration of the substrate circuit of FIG. The PMOS transistor 100 and the Hall IC 1 are provided on independent substrates.
[0048]
Note that the concentration was 2.6 × 10 16 , P well region is 6.1 × 10 16 Is set to a low concentration. The N + and P + regions are both 1.0 × 10 19 ~ 2.0 × 10 20 Is set to a high concentration.
[0049]
<Operation>
The operation of the reverse connection prevention device 100 will be described according to the connection state.
(When connected normally)
First, the normal connection will be described.
Normally, it is assumed that 12 V is applied to the positive power supply terminal 20 and 0 V is applied to the negative power supply terminal 21 during operation of the brushless two-phase fan motor.
[0050]
In this voltage state, the PMOS transistor 100 used as the reverse connection prevention device is turned on (ON) because the gate voltage is reduced with respect to the source voltage, and supplies the operating voltage to the Hall IC 1. It is easy to make the ON (ON) resistance value of the PMOS transistor 100 about 10 ohms. At that time, the voltage drop in the PMOS transistor 100 is roughly calculated by calculating the current consumption of the Hall IC 1 × the ON resistance value of the PMOS transistor 100. Is the voltage drop
10Ω × 2mA = 20mV (3)
It becomes.
[0051]
The voltage drop value of the equation (3) can be a very small voltage drop value as compared with the diode forward voltage 0.7 V used in the reverse connection prevention device described in the related art.
[0052]
(At reverse connection)
Next, the case of reverse connection will be described.
When 0 V is applied to the positive power supply terminal 20 and +12 V is applied to the negative power supply terminal 21 by mistake, the PMOS transistor 100 used as the reverse connection prevention device is turned off (OFF) because the gate voltage becomes higher with respect to the source voltage. In this state, the through current is prevented from flowing through the Hall IC 1, so that the motor 40 can be protected from destruction.
[0053]
[Second example]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The description of the same parts as those in the first example is omitted, and the same reference numerals are given.
<Structure>
FIG. 3 shows an example in which the reverse connection prevention device is configured by the CMOS circuit 200. The CMOS circuit 200 includes a first PMOS transistor 210 (PMOS1) and a second PMOS transistor 220 (PMOS2).
[0054]
FIG. 4 is an example of an integrated circuit 250 in which the reverse connection prevention device 200 and the Hall IC 1 of FIG. 3 are integrated on the same P substrate by a CMOS process to be integrated.
[0055]
FIG. 5 shows a cross-sectional configuration of the CMOS circuit of FIG. 1 shows a cross-sectional structure of PMOS transistors 210 and 220 and a Hall IC 1 integrally formed on a substrate.
[0056]
In the first PMOS transistor 210 (PMOS1) formed in the independent N well shown in FIGS. 4 and 5, the drain D is connected to the + 12V positive power supply terminal 20 via the wiring 110, and the source S is connected to the wiring (Internal plus power supply node) 120, gate G is connected to minus power supply terminal b via wiring 131, and bulk 205 is connected to plus power supply terminal a of Hall IC 1 via wiring (internal plus power supply node) 120. And constitutes a first switch.
[0057]
In the second PMOS transistor 220 (PMOS2) formed in the independent N well, the drain D is connected to the minus power supply terminal 210 via the wiring 130, and the source S is provided via the wiring 120 (internal plus power supply node). The gate G is connected to the positive power supply terminal 20 via a wiring 132, the bulk 206 is connected to the positive power supply terminal a via a wiring 120 (internal positive power supply node), and the second switch Is composed.
[0058]
By connecting the positive power supply terminal a of the Hall IC 1 to the internal positive power supply node 120 and connecting the negative power supply terminal b of the Hall IC 1 to the negative power supply terminal 21 in this way, the reverse connection prevention device 200 and the Hall IC 1 are made of the same silicon. This constitutes a new IC integrated on the substrate.
[0059]
<Operation>
Next, the operation of the present apparatus will be described.
(When connected normally)
First, the normal connection will be described.
[0060]
It is assumed that +12 V is applied to the plus power supply terminal 20 and 0 V is applied to the minus power supply terminal 21 when the brushless two-phase fan motor operates.
[0061]
In this voltage state, the first PMOS transistor 210 used in the reverse connection prevention device 200 is turned on because the gate voltage is low with respect to the source voltage, while the second PMOS transistor 220 is Since the gate voltage increases with reference to the source voltage, the transistor is turned off, and the operating voltage of the Hall IC 1 is supplied through the first PMOS transistor 210.
[0062]
It is easy to set the ON resistance value of the first PMOS transistor 210 to about 10 ohms, and when the voltage drop at the first PMOS transistor 210 at that time is roughly estimated, the current consumption of the Hall IC 1 × the first PMOS transistor The voltage drop for the ON resistance value of 210 is
10 × 2 mA = 20 mV (4)
It becomes.
[0063]
A very small voltage drop can be achieved as compared with the diode forward voltage of 0.7 V used in the conventional reverse connection prevention device.
[0064]
(At reverse connection)
Next, the case of reverse connection will be described.
When 0 V is applied to the positive power supply terminal 20 and +12 V is applied to the negative power supply terminal 21 by mistake, the gate voltage of the first PMOS transistor 210 used in the reverse connection prevention device 200 becomes higher based on the source voltage. Although it is in the OFF state, when the reverse connection prevention device 200 and the Hall IC 1 are simultaneously integrated as a CMOS circuit on the P substrate, a through current actually occurs only with the first PMOS transistor 210 due to the structure of the CMOS circuit. Resulting in.
[0065]
Here, considering the cross section of the first PMOS transistor 210 of the reverse connection prevention device 200 with reference to FIG. 5, the bulk 205 of the first PMOS transistor 210 is formed on an independent N well on the P substrate, and the N A PMOS transistor is formed in the well.
[0066]
Therefore, although not shown on the circuit, there is a vertical PNP parasitic bipolar transistor 300 having a P substrate as a collector C, an N well as a base B, and a drain D of the first PMOS transistor 210 as an emitter E.
[0067]
At the time of reverse connection, the P substrate has +12 V, the drain D of the first PMOS transistor 210 has 0 V, the N well has an undefined potential, and the N well is connected to the internal plus power supply node 120. , A current flows to the N well.
[0068]
The current flowing through the N well becomes the base current of the above-described vertical PNP parasitic bipolar transistor 300, and the through current I flows through the vertical PNP parasitic bipolar transistor 300.
[0069]
Therefore, some means is required to eliminate the through current I of the vertical PNP parasitic bipolar transistor 300.
[0070]
Therefore, in the present invention, in the second PMOS transistor 220 formed in the independent N well, the drain D is connected to the minus power supply terminal 21 and the source S is connected to the plus power supply terminal a of the Hall IC 1 as a signal processing circuit. Connection, the gate G is connected to the positive power supply terminal 110, and the bulk 206 is connected to the positive power supply terminal a of the Hall IC 1; in other words, the bulk 205 of the first PMOS transistor 210 and the bulk 205 of the second PMOS transistor 220 are connected. By connecting the bulk 206 to each other and to the positive power supply terminal a of the Hall IC 1, the potential difference between the bulk 205 and the bulk 206 is eliminated so as to maintain the same potential.
[0071]
Thereby, the N-well potential of the first PMOS transistor 210 can be fixed to be the same as the potential of the P substrate, and the vertical PNP parasitic bipolar transistor 300 can be prevented from being turned on.
[0072]
At the time of reverse connection, the second PMOS transistor 220 is turned ON because the gate voltage is lowered with reference to the source voltage, and the N-well of the first PMOS transistor 210, that is, the base potential of the vertical PNP parasitic bipolar transistor 300 Is fixed to be the same potential as the P substrate potential, so that the vertical PNP parasitic bipolar transistor is not turned on.
[0073]
With such wiring, the through current I is prevented from flowing through the Hall IC 1 and the motor can be protected from destruction.
[0074]
Further, what has been described above can also be configured by using NMOS transistors instead of PMOS transistors. That is, the positive power terminal 20 is connected to the negative power terminal 21, the positive power terminal 20 of the Hall IC 1 as a signal processing circuit is connected to the negative power terminal 21 of the Hall IC 1 as a signal processing circuit, and the negative power terminal 21 is connected to the positive power terminal 20. A similar configuration can be obtained simply by replacing the CMOS circuit on the P substrate with the CMOS circuit on the N substrate.
[0075]
[Third example]
A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The description of the same parts as those in the above-described examples is omitted, and the same reference numerals are given.
[0076]
6 to 8 show modified examples of the reverse connection prevention device 400. 6 is configured as a reverse connection prevention device 400 by a PNP transistor 401, in the example of FIG. 7, by a PNP transistor and a resistor 402, and in the example of FIG. 8 by a relay 403 and a diode 404.
[0077]
FIG. 9 compares various characteristics including the electrical characteristics of the reverse connection prevention device according to the present invention with those of the conventional circuit.
[0078]
Here, the reverse connection prevention device 100 of FIG. 1, the reverse connection prevention device 200 of FIG. 4, and the reverse connection prevention device 400 of FIGS. 6 and 7 are taken as an example, and the ON resistance 500, the voltage drop 501, and the driver driving capability (standard) Values) 502, a driver area 503, and the presence or absence of integration 504 with the Hall IC 1 were compared and examined.
[0079]
As can be seen from FIG. 9, the values of the ON resistance 500 and the voltage drop 501 are set much lower than those of the conventional circuit.
[0080]
As a result, the driver driving capability 502 can be expanded to a range of about 1.7 to 2.3 times the conventional circuit. Further, the driver area 503 can be reduced to about 1/2 or less as compared with the conventional circuit.
[0081]
As can be seen from the above comparison, the driver driving capability 502 can be significantly improved, the driver area 503 can be reduced, and an integrated configuration can be obtained. can do.
[0082]
(Example of calculation)
Here, comparison will be made with reference to calculation examples.
It is assumed that the motor power supply voltage = 3 V and the current consumption of the Hall IC = 2 mA. At this time, the driving capability of the driver (drive control circuit)
IDS = K * W / L * (VGS-VTH) * (VGS-VTH) (5)
Where IDS: current flowing through MOS, K: constant determined by process,
W: gate width, L: gate length, VGS: gate-source voltage,
VTH: threshold
And is proportional to the square of the voltage.
Here, for simplicity of calculation, K = 1, W = 1, L = 1, and VTH = 1.
[0083]
As a calculation example, when a diode is used, there is a voltage drop (loss) of 0.7 V, and the maximum voltage applied to the gate of the driver MOS transistor is:
Figure 2004153906
The driving capacity is calculated from the equation (5).
1.69 = (2.3-1) × (2.3-1) (6)
Note that the driving capability of the driver in FIG. 9 is for the purpose of making the effects of the prior art and the invention easy to understand, and is different from the current value that is actually passed. However, while the conventional technology has a capability of 1.69 A, the present invention can be used to assist in considering that it has a capability of 3.92 A.
[0084]
Also, as a measure to take advantage of the improvement of the driving capability of the driver,
(A) If the specification is 3V, the size of the driver can be reduced (the package is not changed in terms of heat radiation).
(B) a larger motor can be driven without changing the size of the driver;
(C) a small package without changing the size of the driver and the capacity of the motor;
And the like.
[0085]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the function of detecting reverse connection, the function of disconnecting the state of reverse connection when it is determined that the connection is reverse, and the function of driving the drive element at a constant value during normal connection. A function for setting predetermined electrical characteristics (on resistance and voltage drop) at the time of energization to predetermined conditions is provided so that the circuit element can be prevented from being broken in case of reverse connection by mistake, It is possible to manufacture a reverse connection prevention device capable of remarkably improving the driver driving capability and reducing the size and cost.
[0086]
Further, according to the present invention, since the bulks of the transistor elements are connected to each other by the compensating wiring so as to have the same potential and eliminate the potential difference, it is possible to prevent a through current caused by the vertical parasitic transistor and to reduce In addition, a reverse connection prevention device and a signal processing circuit can be integrated with each other by a CMOS process to produce an integrated circuit, thereby eliminating the need for an external reverse connection prevention device using individual components, and making the device more compact and inexpensive. Can be produced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing an example in which a reverse connection prevention device according to a first embodiment of the present invention is configured by a PMOS transistor and provided in a drive control circuit of a brushless two-phase fan motor.
FIG. 2 is a sectional view showing a sectional configuration of the substrate circuit of FIG. 1;
FIG. 3 is a circuit diagram showing an example in which a reverse connection prevention device according to a second embodiment of the present invention is configured by a CMOS circuit.
4 is a circuit diagram showing an example in which the reverse connection prevention device and the Hall IC of FIG. 3 are integrated on the same P substrate by a CMOS process.
FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a cross-sectional configuration of the CMOS circuit of FIG. 4;
FIG. 6 is a circuit diagram showing an example in which a reverse connection preventing device according to a third embodiment of the present invention is configured by a PNP transistor.
FIG. 7 is a circuit diagram showing an example in which a reverse connection prevention device according to a third embodiment of the present invention is configured by a PNP transistor and a resistor.
FIG. 8 is a circuit diagram showing an example in which a reverse connection prevention device according to a third embodiment of the present invention is configured by a relay and a diode.
FIG. 9 is an explanatory diagram showing electrical characteristics of the present invention in comparison with a conventional example.
FIG. 10 is a circuit diagram showing a first conventional example.
FIG. 11 is a circuit diagram showing a second conventional example.
FIG. 12 is a circuit diagram showing a third conventional example.
FIG. 13 is a circuit diagram showing an internal configuration of a Hall IC.
FIG. 14 is a configuration diagram showing an internal configuration of a brushless two-phase fan motor.
[Explanation of symbols]
1 Hall IC
2 electromagnet
2a, 2b coil
3 Driver circuit
4 Reverse connection prevention circuit
5 Electrostatic protection circuit
6,7 Driver (NPN transistor)
6a, 7a Driver (NMOS transistor)
8 Resistance
9 Capacitor
11 Voltage regulator circuit
12 hole plate
13 signal processing unit
14, 15 output buffer circuit
20 Positive power supply terminal (+ 12V)
21 Negative power supply terminal (0V)
30 Drive control circuit
40 brushless two-phase fan motor
41 Rotor
42 Stator
50 power supply
100 Reverse connection prevention device (PMOS transistor)
105 Bulk
110 Wiring
120 Wiring (internal plus power supply node)
130-132 wiring
200 Reverse connection prevention device (CMOS circuit)
205, 206 Bulk
210 First PMOS transistor (PMOS1)
220 Second PMOS transistor (PMOS2)
250 integrated circuit
300 Vertical PNP parasitic bipolar transistor
400 Reverse connection prevention device
401 PNP transistor
402 resistance
403 relay
404 diode
500 ON resistance
501 Voltage drop
502 Driver driving capability (standard value)
503 Driver area
504 Integration status
a Positive power supply terminal of Hall IC
b Hall IC negative power terminal
c Hall IC output terminal
d Hall IC output terminal

Claims (8)

電源と信号処理装置との電気的接続に用いられる、プラス電源端子とマイナス電源端子との接続形態を判別して逆接続を防止する逆接続防止装置であって、
前記プラス電源端子に、正常接続であるプラス電圧が印加されているのか、若しくは、逆接続であるマイナス電圧が印加されているのかを検出する接続検出手段と、
前記検出結果が正常接続であると判断した場合は、該正常接続の状態をそのまま維持し、前記検出結果が逆接続であると判断した場合は、該逆接続の状態を切り離す接続制御手段と
を具えたことを特徴とする逆接続防止装置。
A reverse connection prevention device that is used for electrical connection between a power supply and a signal processing device and that determines a connection mode between a positive power supply terminal and a negative power supply terminal to prevent reverse connection,
Connection detection means for detecting whether a positive voltage that is a normal connection is applied to the positive power supply terminal, or a negative voltage that is a reverse connection is applied,
When it is determined that the detection result is a normal connection, the state of the normal connection is maintained as it is, and when it is determined that the detection result is a reverse connection, connection control means for disconnecting the state of the reverse connection is provided. A reverse connection prevention device, comprising:
前記信号処理装置は、モータを駆動制御するホールICからなり、
前記モータの駆動能力が基準値に対して少なくとも1.5倍以上となり、かつ、前記ホールICを含むドライバ集積化面積が基準値に対して約半分以下になるように、該通電時のオン抵抗および電圧降下を所定値以下に設定したことを特徴とする請求項1記載の逆接続防止装置。
The signal processing device includes a Hall IC that drives and controls a motor,
The on-resistance during energization is set such that the driving capability of the motor is at least 1.5 times the reference value and the driver integration area including the Hall IC is about half or less of the reference value. 2. The reverse connection prevention device according to claim 1, wherein the voltage drop is set to a predetermined value or less.
前記接続制御手段は、1個のスイッチからなり、
該スイッチは、
前記マイナス電源端子を基準として前記プラス電源端子にプラスの電圧が印加される正常接続の場合には、該正常接続の電位状態であることを検出して、前記信号処理回路のプラス電源端子を前記プラス電源端子に接続し、
前記マイナス電源端子を基準として前記プラス電源端子にマイナスの電圧が印加される逆接続の場合には、該逆接続の電位状態であることを検出して、前記プラス電源端子と前記信号処理回路のプラス電源端子との接続を切り離すことを特徴とする請求項1又は2記載の逆接続防止装置。
The connection control means includes one switch;
The switch is
In the case of a normal connection in which a positive voltage is applied to the plus power terminal with reference to the minus power terminal, the normal connection potential state is detected, and the plus power terminal of the signal processing circuit is connected. Connect to the plus power terminal,
In the case of a reverse connection in which a negative voltage is applied to the plus power terminal with respect to the minus power terminal, the potential of the reverse connection is detected, and the positive power terminal and the signal processing circuit are connected. The reverse connection prevention device according to claim 1 or 2, wherein the connection to the positive power supply terminal is disconnected.
前記スイッチは、独立したNウェル内に形成されたPMOSトランジスタからなり、
前記正常接続時には、
前記PMOSトランジスタのドレインを前記プラス電源端子に接続し、前記PMOSトランジタスのソースを前記信号処理回路のプラス電源端子に接続し、前記PMOSトランジスタのゲートを前記マイナス電源端子に接続することによって、前記信号処理回路のプラス電源端子を前記プラス電源端子に接続し、
前記逆接続時には、
前記PMOSトランジスタのドレインを前記マイナス電源端子に接続し、前記PMOSトランジスタのゲートを前記プラス電源端子に接続することによって、前記プラス電源端子と前記信号処理回路のプラス電源端子との接続を切り離すことを特徴とする請求項3記載の逆接続防止装置。
The switch comprises a PMOS transistor formed in an independent N-well,
At the time of the normal connection,
The drain of the PMOS transistor is connected to the positive power supply terminal, the source of the PMOS transistor is connected to the positive power supply terminal of the signal processing circuit, and the gate of the PMOS transistor is connected to the negative power supply terminal. Connect the positive power terminal of the processing circuit to the positive power terminal,
At the time of the reverse connection,
By connecting the drain of the PMOS transistor to the minus power supply terminal and connecting the gate of the PMOS transistor to the plus power supply terminal, it is possible to disconnect the connection between the plus power supply terminal and the plus power supply terminal of the signal processing circuit. 4. The reverse connection prevention device according to claim 3, wherein:
前記接続制御手段は、第1のスイッチおよび第2のスイッチからなり、
前記第1のスイッチは、
前記マイナス電源端子を基準として前記プラス電源端子にプラスの電圧が印加される正常接続の場合には、該正常接続の電位状態であることを検出して、前記信号処理回路のプラス電源端子を前記プラス電源端子に接続し、
前記第2のスイッチは、
前記マイナス電源端子を基準として前記プラス電源端子にマイナスの電圧が印加される逆接続の場合には、該逆接続の電位状態であることを検出して、前記信号処理回路のプラス電源端子を前記マイナス電源端子に接続したことを特徴とする請求項1又は2記載の逆接続防止装置。
The connection control means includes a first switch and a second switch,
The first switch includes:
In the case of a normal connection in which a positive voltage is applied to the plus power terminal with reference to the minus power terminal, the normal connection potential state is detected, and the plus power terminal of the signal processing circuit is connected. Connect to the plus power terminal,
The second switch includes:
In the case of a reverse connection in which a negative voltage is applied to the plus power terminal with respect to the minus power terminal, it is detected that the potential is in the reverse connection, and the plus power terminal of the signal processing circuit is connected to the minus power terminal. 3. The reverse connection prevention device according to claim 1, wherein the reverse connection prevention device is connected to a negative power supply terminal.
前記第1のスイッチは、独立したNウェル内に形成された第1のPMOSトランジスタからなり、
前記第2のスイッチは、独立したNウェル内に形成された第2のPMOSトランジスタからなり、
前記正常接続時には、
前記第1のPMOSトランジスタのドレインを前記プラス電源端子に接続し、前記第1のPMOSトランジスタのソースを前記信号処理回路のプラス電源端子に接続し、前記第1のPMOSトランジスタのゲートを前記マイナス電源端子に接続することによって、前記信号処理回路のプラス電源端子を前記プラス電源端子に接続し、
前記逆接続時には、
前記第2のPMOSトランジスタのドレインを前記マイナス電源端子に接続し、前記第2のPMOSトランジスタのソースを前記信号処理回路のプラス電源端子に接続し、前記第2のPMOSトランジスタのゲートを前記プラス電源端子に接続することによって、前記信号処理回路のプラス電源端子を前記マイナス電源端子に接続したことを特徴とする請求項5記載の逆接続防止装置。
The first switch comprises a first PMOS transistor formed in an independent N-well,
The second switch comprises a second PMOS transistor formed in an independent N-well,
At the time of the normal connection,
The drain of the first PMOS transistor is connected to the positive power supply terminal, the source of the first PMOS transistor is connected to the positive power supply terminal of the signal processing circuit, and the gate of the first PMOS transistor is connected to the negative power supply. Connecting the positive power supply terminal of the signal processing circuit to the positive power supply terminal,
At the time of the reverse connection,
The drain of the second PMOS transistor is connected to the minus power supply terminal, the source of the second PMOS transistor is connected to the plus power supply terminal of the signal processing circuit, and the gate of the second PMOS transistor is connected to the plus power supply. The reverse connection prevention device according to claim 5, wherein a positive power supply terminal of the signal processing circuit is connected to the negative power supply terminal by connecting to the terminal.
前記第1のPMOSトランジスタと前記第2のPMOSトランジスタとを、共通のP基板上にCMOS回路として構成すると共に、該CMOS回路と前記信号処理回路とを一体に集積して構成した場合において、
前記信号処理回路のプラス電源端子に接続されている、前記第1のPMOSトランジスタのバルクと前記第2のPMOSトランジスタのバルクとを互いに同電位を保つように接続することによって、前記逆接続時に前記第1のPMOSトランジスタのバルクから前記信号処理回路のプラス電源端子へ貫通電流が流れないようにしたことを特徴とする請求項6記載の逆接続防止装置。
In the case where the first PMOS transistor and the second PMOS transistor are configured as a CMOS circuit on a common P substrate and the CMOS circuit and the signal processing circuit are integrally integrated,
The bulk of the first PMOS transistor and the bulk of the second PMOS transistor, which are connected to a positive power supply terminal of the signal processing circuit, are connected to maintain the same potential with each other. 7. The reverse connection prevention device according to claim 6, wherein a through current does not flow from a bulk of the first PMOS transistor to a positive power supply terminal of the signal processing circuit.
前記CMOS回路を構成する前記P基板上の一つのNウェル内に、前記第1のPMOSトランジスタと、前記第2のPMOSトランジスタとを同時に形成したことを特徴とする請求項7記載の逆接続防止装置。8. The reverse connection prevention according to claim 7, wherein the first PMOS transistor and the second PMOS transistor are simultaneously formed in one N-well on the P substrate constituting the CMOS circuit. apparatus.
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