JP5014965B2 - ハイサイドスイッチ - Google Patents

Description

本発明は、ハイサイドスイッチに関し、特にその天絡保護に関する。

外部からの電源電圧Ｖｄｄ（たとえば電池電圧）を受け、出力端子を介して外部回路に供給し、あるいは供給を遮断するために、ハイサイドスイッチが利用される（たとえば特許文献１参照）。ハイサイドスイッチはたとえば、一端（ソース）に電源電圧が印加され、他端（ドレイン）が出力端子に接続されたＰチャンネルＭＯＳＦＥＴ(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)を含んで構成される。ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴの制御端子（ゲート）には、オン、オフを制御するための制御信号が与えられる。

外部回路に電圧を供給する場合、制御信号がローレベルとなり、ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴがフルオンし、出力端子を介して外部回路に電源電圧が供給される。

特開２００６−１５５５０１号公報

いま、出力端子がハイサイドスイッチ以外の経路を介して電源電圧に短絡する天絡（単に短絡ともいう）状態について検討する。ハイサイドスイッチがフルオンした状態では、出力端子の電位は、電源電圧と等しくなるため、出力端子の電位を監視しても、天絡の有無を判定することができない。

こうした問題は、ハイサイドスイッチのゲート電圧を調節し、出力電圧を安定化するレギュレータ回路においても発生しうる。

本発明は、係る状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、天絡状態を検出可能なハイサイドスイッチ、レギュレータ回路の提供にある。

本発明のある態様のハイサイドスイッチは、外部電圧が印加される入力端子と、外部電圧を供給すべき外部回路および電圧安定化用の出力キャパシタが接続される出力端子と、入力端子と出力端子の間に設けられた出力トランジスタと、出力トランジスタのオン、オフ状態を制御する制御回路と、出力トランジスタがオフした状態にて出力端子に接続された出力キャパシタを放電する放電回路と、放電回路による放電開始から所定時間経過後のタイミングにて、出力端子の電位を所定の第１しきい値電圧と比較する短絡検出コンパレータと、を備える。

出力端子が天絡していない状態では、放電回路を動作させることにより出力キャパシタの電位は低下するが、天絡した状態では、放電回路を動作させても出力キャパシタの電位は外部電圧付近を維持したままとなる。そこで、ある期間にわたって出力キャパシタを放電した後に、その電位を第１しきい値電圧と比較することにより、天絡の有無を判定することができる。

ある態様のハイサイドスイッチは、時間を計測し、所定時間の経過前に第１レベル、経過後に第２レベルとなるタイミング信号を出力するタイマ回路をさらに備えてもよい。放電回路は、タイミング信号が第１レベルのとき出力キャパシタを放電し、短絡検出コンパレータは、タイミング信号が第２レベルとなると、電圧比較の結果をラッチしてもよい。

タイマ回路は、時定数キャパシタに電流を供給して充電する電流源と、時定数キャパシタの電位を初期化するスイッチと、時定数キャパシタの電位を所定時間に対応した第２しきい値電圧と比較するタイマ用コンパレータと、を含み、出力キャパシタの容量値に応じて、時定数キャパシタの容量値、第２しきい値電圧、電流源により供給される電流値の少なくとも一つが調節可能に構成されてもよい。
出力キャパシタの容量が変化すると、非天絡時に放電によって出力キャパシタの電位が低下するのに要する時間（時定数）が変化する。そこでタイマ回路の時定数を調節可能とすることにより、出力キャパシタの容量の変化に柔軟に対応することができる。

出力トランジスタは、短絡検出コンパレータによる電圧比較の結果、出力端子の電位が第１しきい値電圧より低いとき、オン可能な状態に設定されてもよい。
非天絡状態であることを確認した後に出力トランジスタをオン可能な状態にすることにより、回路を好適に保護できる。

ある態様のハイサイドスイッチは、短絡検出コンパレータによる電圧比較の結果、出力端子の電位が第１しきい値電圧より高いとき、回路の少なくとも一部をシャットダウンしてもよい。

制御回路は、出力トランジスタのオン、オフを切りかえるドライバを含んでもよい。

制御回路は、出力端子の電位が所定の目標値に近づくように、帰還により出力トランジスタの制御端子の電圧を調節する誤差増幅器を含んでもよい。

なお、以上の構成要素の任意の組合せや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明に係るハイサイドスイッチによれば、天絡を好適に検出できる。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

本明細書において、「部材Ａが部材Ｂに接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合や、部材Ａと部材Ｂが、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

図１は、実施の形態に係るハイサイドスイッチ１００の構成を示す回路図である。ハイサイドスイッチ１００は入力端子１０２、出力端子１０４、短絡検出端子１０６を備える。入力端子１０２には、図示しない電池あるいは電源回路から、外部電圧（以下、電源電圧Ｖｄｄという）が入力される。

出力端子１０４は、電源電圧Ｖｄｄを供給すべき外部回路（不図示）が接続されるとともに、電圧を安定化するための出力キャパシタＣｏ１が接続される。

図１のハイサイドスイッチ１００は、オン状態において外部からの電源電圧Ｖｄｄを、出力端子１０４を介して外部回路（不図示）へと出力し、オフ状態において電源供給を停止する。ハイサイドスイッチ１００のオン、オフは外部からの制御信号Ｓｃｎｔにもとづいて制御される。さらに、図１のハイサイドスイッチ１００は、出力端子１０４の天絡（電源端子２００への短絡）を検出し、短絡の有無を示す短絡検出信号ＳＨＲＴＤＥＴを出力する。短絡検出信号ＳＨＲＴＤＥＴは、短絡状態において第１レベル（ローレベル）を、非短絡状態において第２レベル（ハイレベル）となる。短絡検出端子１０６は図示しないプルアップ抵抗によりプルアップされている。したがって、短絡検出信号ＳＨＲＴＤＥＴはノーマリハイである。

たとえばハイサイドスイッチ１００は、車載用のオーディオ装置やカーナビゲーションシステムに搭載される。これらの機器は、バッテリからの電源電圧Ｖｄｄを受け、機器から離れた箇所に設置されるアンテナやそのブースタ回路、あるいはスピーカを駆動するパワーアンプに対して電源を供給する機能を有している。ハイサイドスイッチ１００は、離れて設置される回路に電源を供給するか、遮断するかを切りかえるために使用される。ただしハイサイドスイッチ１００の用途はこれらに限定されない。

ハイサイドスイッチ１００は、出力トランジスタ１０、制御回路１２、放電回路２０、短絡検出コンパレータ３０、タイマ回路４０を備える。

出力トランジスタ１０は、入力端子１０２と出力端子１０４の間に設けられる。出力トランジスタ１０はたとえばＰチャンネルＭＯＳＦＥＴであり、ソースが入力端子１０２に、ドレインが出力端子１０４に接続される。

制御回路１２は出力トランジスタ１０のオン、オフ状態を制御する。具体的には、制御回路１２は出力トランジスタ１０のゲート電圧Ｖｇをハイレベル、ローレベルの２値で制御するドライバを含む。制御回路１２は、制御信号Ｓｃｎｔが出力トランジスタ１０のオンを指示するとき、出力トランジスタ１０のゲート電圧Ｖｇを接地電圧とし、オフを指示するとき、ゲート電圧Ｖｇを電源電圧Ｖｄｄとする。

放電回路２０は、出力トランジスタ１０がオフした状態において、出力端子１０４に接続された出力キャパシタＣｏ１を放電する。

短絡検出コンパレータ３０は、放電回路２０による放電開始から所定時間τ経過後のタイミングにて、出力端子１０４の電位Ｖｘを所定の第１しきい値電圧Ｖｔｈ１と比較する。

タイマ回路４０は、時間を計測し、所定時間の経過前に第１レベル（ローレベル）、経過後に第２レベル（ハイレベル）となるタイミング信号ＴＳを出力する。
タイマ回路４０は、タイマ用コンパレータ４２、電流源４４、スイッチ４６を含む。電流源４４はキャパシタ端子１０８に外付けされる時定数キャパシタＣｔに電流Ｉｃ２を供給して充電する。スイッチ４６は、オンのとき時定数キャパシタＣｔの電位Ｖｙを初期化する。タイマ用コンパレータ４２は、時定数キャパシタＣｔの電位Ｖｙを所定時間τに対応した第２しきい値電圧Ｖｔｈ２と比較する。

たとえばスイッチ４６は、スタンバイ信号ＳＴＢによって指示される短絡検出動作の開始タイミングにおいてオフに設定される。開始タイミングはハイサイドスイッチ１００を含む電子機器の電源投入を契機としてもよい。

スイッチ４６がオフすると定電流Ｉｃ２によって時定数キャパシタＣｔの電位Ｖｙが上昇していき、所定時間τ経過後に、第２しきい値電圧Ｖｔｈ２に達する。言い換えれば、第２しきい値電圧Ｖｔｈ２は、
Ｖｔｈ２＝Ｉｃ２×τ／Ｃｔ
を満たすように設定される。

タイマ回路４０は、出力キャパシタＣｏ１の容量値に応じて、時定数キャパシタＣｔの容量値、第２しきい値電圧Ｖｔｈ２、電流源４４により供給される電流値Ｉｃ２の少なくとも一つが調節可能に構成される。この場合、所定時間τを調節できる。

放電回路２０は、タイミング信号ＴＳが第１レベル（ローレベル）のとき出力キャパシタＣｏ１を放電する。短絡検出コンパレータ３０は、タイミング信号ＴＳが第２レベル（ハイレベル）となると、上述の電圧比較を行い、比較結果をラッチする。

放電回路２０は、インバータ２２、スイッチ２４、電流源２６を含む。インバータ２２は、タイミング信号ＴＳを反転する。スイッチ２４は、インバータ２２により反転されたタイミング信号＊ＴＳがハイレベルのとき、つまり所定時間τの経過前にオンとなる。スイッチ２４がオンすると、出力キャパシタＣｏ１が電流源２６により生成される定電流Ｉｃ１によって放電される。所定時間τが経過すると、スイッチ２４がオフして放電が停止する。

出力トランジスタ１０は、短絡検出コンパレータ３０による電圧比較の結果、出力端子１０４の電位Ｖｘが第１しきい値電圧Ｖｔｈ１より低いとき、オン可能な状態に設定される。このために、短絡検出コンパレータ３０から出力される短絡検出信号ＳＨＲＴＤＥＴが制御回路１２へと供給される。制御回路１２は、短絡検出信号ＳＨＲＴＤＥＴが短絡状態を示すローレベルのとき非アクティブとなり、非短絡状態を示すハイレベルのときアクティブに設定される。

ハイサイドスイッチ１００は、短絡検出コンパレータ３０による電圧比較の結果、出力端子１０４の電位Ｖｘが第１しきい値電圧Ｖｔｈ１より高いとき、回路の少なくとも一部をシャットダウンする。これにより消費電力を低減できる。

以上がハイサイドスイッチ１００の構成である。次に、ハイサイドスイッチ１００の動作を説明する。図２（ａ）、（ｂ）は、図１のハイサイドスイッチ１００の動作を示すタイムチャートである。

図２（ａ）は通常時（非短絡時）の、図２（ｂ）は短絡時の動作を示す。
はじめに通常時の動作を説明する。時刻ｔ０にスタンバイ信号ＳＴＢがハイレベルとなると、タイマ回路４０が始動し、所定時間τ経過後の時刻ｔ１にタイミング信号ＴＳがハイレベルとなる。時刻ｔ０〜ｔ１の間、放電回路２０が出力キャパシタＣｏ１を放電し、電圧Ｖｘが低下する。時刻ｔ１において、Ｖｘ＜Ｖｔｈ１であるため、短絡検出コンパレータ３０による比較結果を示す短絡検出信号ＳＨＲＴＤＥＴはハイレベルとなり、その値がラッチされる。そしてハイサイドスイッチ１００の外部に対して、短絡が生じていないことを示すハイレベルの短絡検出信号ＳＨＲＴＤＥＴが出力される。

また、ハイレベルの短絡検出信号ＳＨＲＴＤＥＴを受けて、制御回路１２は出力トランジスタ１０をオンする。その結果、出力キャパシタＣｏ１の電位Ｖｘが電源電圧Ｖｄｄとなり、外部回路に供給される。

次に短絡時の動作を説明する。時刻ｔ０にスタンバイ信号ＳＴＢがハイレベルとなり、所定時間τ経過後の時刻ｔ１にタイミング信号ＴＳがハイレベルとなる。時刻ｔ０〜ｔ１の間、放電回路２０が出力キャパシタＣｏ１を放電するが、出力キャパシタＣｏ１は電源端子２００と接続されているため、電圧Ｖｘは電源電圧Ｖｄｄ付近に固定される。時刻ｔ１において、Ｖｘ＞Ｖｔｈ１であるため、短絡検出コンパレータ３０による比較結果を示す短絡検出信号ＳＨＲＴＤＥＴはローレベルとなり、その値がラッチされる。そしてハイサイドスイッチ１００の外部に対して、短絡状態を示すローレベルの短絡検出信号ＳＨＲＴＤＥＴが出力される。

また、ローレベルの短絡検出信号ＳＨＲＴＤＥＴを受けて、制御回路１２は出力トランジスタ１０をオフし続ける。ただし、出力トランジスタ１０をオフしても、出力端子１０４が天絡しているため、電圧Ｖｘは電源電圧Ｖｄｄに固定され続ける。その後、時刻ｔ２にスタンバイ信号ＳＴＢがローレベルに設定され、回路がリセットされる。

以上がハイサイドスイッチ１００の動作である。
本実施の形態に係るハイサイドスイッチ１００によれば、電源端子に対する短絡（天絡）を好適に検出することができる。

たとえば、ハイサイドスイッチ１００を車載用の機器に使用すれば、天絡が発生していることをユーザに知らせることができる。複数の経路に電源電圧Ｖｄｄが分配される場合に、経路ごとに図１のハイサイドスイッチ１００を設ければ、いずれの経路に天絡が発生しているかを特定することが容易となり、車両の整備が容易となる。バッテリの消耗を防止することができる。

以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

実施の形態では、出力トランジスタ１０をオン、オフの２段階でスイッチとして利用する場合を説明したが、本発明はこれに限定されない。ハイサイドスイッチ１００はレギュレータ回路を構成してもよい。この場合、制御回路１２は、出力端子１０４の電位Ｖｘが所定の目標値に近づくように、帰還により出力トランジスタ１０の制御端子の電圧（ゲート電圧Ｖｇ）を調節する誤差増幅器を含んでもよい。ハイサイドスイッチ１００がレギュレータである場合にも、天絡を好適に検出できる。

実施の形態で説明した回路の、論理信号のハイレベル、ローレベルの設定は一例であり、適宜反転してもよい。また、ＭＯＳＦＥＴとバイポーラトランジスタの置換、ＮチャンネルとＰチャンネルの置換も、本発明の範囲に含まれる。

実施の形態にもとづき、特定の語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を離脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が可能である。

実施の形態に係るハイサイドスイッチの構成を示す回路図である。 図２（ａ）、（ｂ）は、図１のハイサイドスイッチの動作を示すタイムチャートである。

符号の説明

１００…ハイサイドスイッチ、１０２…入力端子、１０４…出力端子、１０６…短絡検出端子、１０８…キャパシタ端子、１０…出力トランジスタ、１２…制御回路、２０…放電回路、２２…インバータ、２４…スイッチ、２６…電流源、３０…短絡検出コンパレータ、４０…タイマ回路、４２…タイマ用コンパレータ、４４…電流源、４６…スイッチ、Ｃｏ１…出力キャパシタ、Ｓｃｎｔ…制御信号、ＴＳ…タイミング信号、ＳＨＲＴＤＥＴ…短絡検出信号、Ｖｔｈ１…第１しきい値電圧、Ｖｔｈ２…第２しきい値電圧。

Claims (7)

1. 外部電圧が印加される入力端子と、
   前記外部電圧を供給すべき外部回路および電圧安定化用の出力キャパシタが接続される出力端子と、
   前記入力端子と前記出力端子の間に設けられた出力トランジスタと、
   前記出力トランジスタのオン、オフ状態を制御する制御回路と、
   前記出力トランジスタがオフした状態にて前記出力端子に接続された前記出力キャパシタを放電する放電回路と、
   前記放電回路による放電開始から所定時間経過後のタイミングにて、前記出力端子の電位を所定の第１しきい値電圧と比較する短絡検出コンパレータと、
   を備えることを特徴とするハイサイドスイッチ。
2. 時間を計測し、前記所定時間の経過前に第１レベル、経過後に第２レベルとなるタイミング信号を出力するタイマ回路をさらに備え、
   前記放電回路は、前記タイミング信号が前記第１レベルのとき前記出力キャパシタを放電し、
   前記短絡検出コンパレータは、前記タイミング信号が前記第２レベルとなると、電圧比較の結果をラッチすることを特徴とする請求項１に記載のハイサイドスイッチ。
3. 前記タイマ回路は、
   時定数キャパシタに電流を供給して充電する電流源と、
   前記時定数キャパシタの電位を初期化するスイッチと、
   前記時定数キャパシタの電位を前記所定時間に対応した第２しきい値電圧と比較するタイマ用コンパレータと、
   を含み、前記出力キャパシタの容量値に応じて、前記時定数キャパシタの容量値、前記第２しきい値電圧、前記電流源により供給される電流値の少なくとも一つが調節可能に構成されることを特徴とする請求項２に記載のハイサイドスイッチ。
4. 前記出力トランジスタは、前記短絡検出コンパレータによる電圧比較の結果、前記出力端子の電位が前記第１しきい値電圧より低いとき、オン可能な状態に設定されることを特徴とする請求項１に記載のハイサイドスイッチ。
5. 前記短絡検出コンパレータによる電圧比較の結果、前記出力端子の電位が前記第１しきい値電圧より高いとき、回路の少なくとも一部をシャットダウンすることを特徴とする請求項１に記載のハイサイドスイッチ。
6. 前記制御回路は、前記出力トランジスタのオン、オフを切りかえるドライバを含むことを特徴とする請求項１に記載のハイサイドスイッチ。
7. 前記制御回路は、前記出力端子の電位が所定の目標値に近づくように、帰還により前記出力トランジスタの制御端子の電圧を調節する誤差増幅器を含むことを特徴とする請求項１に記載のハイサイドスイッチ。

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