JP5396825B2

JP5396825B2 - 保護回路

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Publication number: JP5396825B2
Application number: JP2008292226A
Authority: JP
Inventors: 浩平柴田; 順司竹下
Original assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Current assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Priority date: 2008-11-14
Filing date: 2008-11-14
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2028-11-14
Also published as: CN102204060A; WO2010055785A1; US20110215765A1; US8581556B2; JP2010119266A; CN102204060B

Description

本発明は、電池の過充電又は過放電を検出したとき充電又は放電を停止させて電池を保護する保護回路に関する。

近年、二次電池としてリチウムイオン電池がデジタルカメラなど携帯機器に搭載されている。リチウムイオン電池は過充電及び過放電に弱いため、過充電及び過放電の保護回路を備えた電池パックの形態で使用される。

電池パックには保護ＩＣ（集積回路）が設けられている。保護ＩＣは、過充電検出回路、過放電検出回路、過電流検出回路等を内蔵しており、過放電検出回路或いは過電流検出回路で過放電或いは過電流を検出したときＭＯＳトランジスタを遮断してリチウムイオン電池の放電を停止し、また、過充電検出回路で過充電を検出したときＭＯＳトランジスタを遮断してリチウムイオン電池の充電を停止する。

上記の過充電検出回路、過放電検出回路、過電流検出回路においては、それぞれの検出時間を計時し、検出時間が所定時間（遅延時間）を超えた場合に、過充電検出、過放電検出、過電流検出を確定させてＭＯＳトランジスタの遮断を行うことで誤動作を防止している。つまり、過充電検出、過放電検出、過電流検出が確定するまでに所定時間を要する。

しかし、製造時に保護ＩＣの試験を行う場合には、上記過充電検出、過放電検出、過電流検出に所定時間（遅延時間）を要するために、試験時間が長くなるという問題がある。このため、試験時には保護ＩＣに時短モードを設定して上記所定時間（遅延時間）を短縮又はなしとすることが行われている。

例えば、特許文献１には、テスト用端子の入力レベルがハイレベル（ＶＤＤ），ミドルレベル（ＶＤＤ／２），ローレベル（ＶＳＳ）のいずれであるかを判定して、コンパレータ出力の遅延時間を、通常の遅延時間モード，遅延時間短縮モード，遅延時間なしモードのいずれかに切替えることが記載されている。
特開２００２−１８６１７３号公報

従来回路では、テスト用端子の入力レベルをハイレベル（ＶＤＤ），ミドルレベル（ＶＤＤ／２），ローレベル（ＶＳＳ）のいずれかに設定することで、通常の遅延時間モード，遅延時間短縮モード，遅延時間なしモードの３種類の時短モードを設定している。

このため、従来回路はテスト用端子が必要であり、入力レベルがハイレベル（ＶＤＤ），ミドルレベル（ＶＤＤ／２），ローレベル（ＶＳＳ）のいずれであるかを判定するために、２つのインバータと、１つのノア回路と、３つのナンド回路を必要とするために、回路構成が複雑となり、コストが高くなるという問題があった。

本発明は、上記の点に鑑みなされたものであり、テスト用端子が不要となる保護回路を提供することを目的とする。

本発明の一実施態様による保護回路は、電池を電源端子に接続されて前記電源端子の電圧から前記電池の過充電又は過放電を検出したとき前記電池の充電又は放電を停止させ前記電池を保護する保護回路において、
前記電源端子（５５ａ）の電圧から前記電池の過充電又は過放電を検出する検出手段（５６，５７）と、
前記検出手段による前記電池の過充電又は過放電の検出が所定時間持続したとき前記電池の充電又は放電を停止させる制御信号を生成する制御手段（６１，６２，６３〜６５）と、
前記検出手段が前記電池の過充電又は過放電を検出したとき一定時間だけ前記電源端子に流れる電流を変化させる電流変化手段（６１，６２，Ｍ２０，Ｒ１３）とを有する。

好ましくは、前記電流変化手段（６１，６２，Ｍ２０，Ｒ１３）は、前記電源端子に流れる電流を増加させる。

好ましくは、前記電源端子（５５ａ）と前記電流変化手段（Ｍ２０）との間に、ヒューズ（８０）を設けた。

本発明によれば、テスト用端子が不要となる。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態について説明する。

＜保護ＩＣの実施形態＞
図１は、本発明の保護回路を適用した電池パックの一実施形態のブロック図を示す。リチウムイオン電池５２と並列に抵抗Ｒ１１とコンデンサＣ１１の直列回路が接続されている。リチウムイオン電池５２の正極は配線により電池パック５０の外部端子（Ｐ＋）５３に接続され、負極は配線により電流遮断用のｎチャネルＭＯＳトランジスタＭ１１，Ｍ１２を介して電池パック５０の外部端子（Ｐ−）５４に接続されている。

ＭＯＳトランジスタＭ１１，Ｍ１２はドレインを共通接続され、ＭＯＳトランジスタＭ１１のソースはリチウムイオン電池５２の負極に接続され、ＭＯＳトランジスタＭ１２のソースは外部端子５４に接続されている。

保護ＩＣ５５はリチウムイオン電池５２の正極から抵抗Ｒ１１を通して電源ＶＤＤを端子５５ａに供給されると共に、リチウムイオン電池５２の負極から電源ＶＳＳを端子５５ｃに供給されて動作する。

また、保護ＩＣ５５は端子５５ｆに抵抗Ｒ１２の一端を接続され抵抗Ｒ１２の他端は外部端子５４に接続されている。保護ＩＣ５５はＤＯＵＴ出力の端子５５ｄをＭＯＳトランジスタＭ１１のゲートに接続され、ＣＯＵＴ出力の端子５５ｅをＭＯＳトランジスタＭ１２のゲートに接続されている。

保護ＩＣ５５は、過充電検出回路５６，過放電検出回路５７，充電過電流検出回路５８，放電過電流検出回路５９，短絡検出回路６０を内蔵している。過充電検出回路５６は端子５５ａ，５５ｃの電圧からリチウムイオン電池５２の過充電を検出して検出信号を発振器６１，論理回路６３に供給する。過放電検出回路５７は端子５５ａ，５５ｃの電圧からリチウムイオン電池５２の過放電を検出して検出信号を発振器６１，論理回路６５に供給する。

充電過電流検出回路５８は端子５５ｆの電圧からＭＯＳトランジスタＭ１１、ＭＯＳトランジスタＭ１２に流れる電流が過大となる過電流を検出して検出信号を発振器６１，論理回路６３に供給する。放電過電流検出回路５９は端子５５ｆの電圧からＭＯＳトランジスタＭ１１、ＭＯＳトランジスタＭ１２に流れる電流が過大となる過電流を検出して検出信号を発振器６１，論理回路６５に供給する。短絡検出回路６０は端子５５ｆの電圧から外部端子５３，５４間の短絡を検出して検出信号を遅延回路６６から論理回路６５に供給する。

端子５５ａは過充電検出回路５６，過放電検出回路５７に接続されると共に、ｎチャネルＭＯＳトランジスタＭ２０のドレインに接続されている。ＭＯＳトランジスタＭ２０のソースは抵抗Ｒ１３を介して端子５５ｃに接続されており、ゲートはカウンタ回路６２の制御出力端子に接続されている。

＜カウンタ回路＞
図２は、カウンタ回路６２の一実施形態の回路構成図を示す。同図中、端子７０には発振器の出力するクロック信号が供給される。カウンタ回路は縦続接続されたトリガ型フリップフロップ７１−１〜７１−ｎにて構成されており、端子７０からのクロック信号はトリガ型フリップフロップ７１−１の入力端子に供給され、例えばトリガ型フリップフロップ７１−ｎの出力信号が端子７２から論理回路６３，６５に供給される。また、例えばトリガ型フリップフロップ７１−４の出力信号が端子７３からＭＯＳトランジスタＭ２０のゲートに供給される。なお、フリップフロップ７１−４に限らず、フリップフロップ７１−５又は７１−６等の他のフリップフロップの出力を端子７３から出力しても良い。

カウンタ回路６２は通常時はクリアされて端子７２，７３からローレベルを出力している。また、発振器６１からクロック信号を供給されると、カウンタ回路６２は一定時間（クロック信号の１周期をτとすると２^３×τ＝Ｔ１）ハイレベルとなる信号を端子７３から出力し、また、所定時間（２^ｎ−１×τ＝Ｔ２）ハイレベルとなる信号を端子７２から出力する。

ここで、充電時（ＭＯＳトランジスタＭ１１，Ｍ１２がオン）に、過充電検出回路５６又は充電過電流検出回路５８が検出信号を出力すると、発振器６１が発振してクロック信号を出力し、カウンタ回路６２は所定時間（Ｔ２）だけクロック信号をカウントしたのち論理回路６３にローレベル出力を供給する。論理回路６３は、上記検出信号を供給された後、カウンタ回路６２のローレベル出力を供給されると、充電停止するためにＭＯＳトランジスタＭ１２のゲートに供給する制御信号をローレベルとし、この制御信号をレベルシフト回路６４で所定値だけ低下させるレベルシフトを行って端子５５ｅからＭＯＳトランジスタＭ１２のゲートに供給する。これにより、リチウムイオン電池５２の充電が停止する。なお、このレベルシフトは、端子５５ｃに対して外部端子５４が、電位が低いために行っている。

また、放電時（ＭＯＳトランジスタＭ１１，Ｍ１２がオン）に、過放電検出回路５７又は放電過電流検出回路５９が検出信号を出力すると、発振器６１が発振してクロック信号を出力し、カウンタ回路６２は所定時間（Ｔ２）クロック信号をカウントしたのち論理回路６５にローレベル出力を供給する。論理回路６５は、上記検出信号を供給された後、カウンタ回路６２のローレベル出力を供給されると、放電停止するためにＭＯＳトランジスタＭ１１のゲートに供給する制御信号をローレベルとし、この制御信号を端子５５ｄからＭＯＳトランジスタＭ１１のゲートに供給する。

なお、短絡検出回路６０の検出信号は遅延回路６６でカウンタ回路６２による遅延と同様に遅延されされて論理回路６５に供給され、論理回路６５は放電停止するためにＭＯＳトランジスタＭ１１のゲートに供給する制御信号をローレベルとし、この制御信号を端子５５ｄからＭＯＳトランジスタＭ１１のゲートに供給する。これにより、リチウムイオン電池５２の放電が停止する。

＜過充電検出回路の試験＞
保護ＩＣ５５の製造時には、端子５５ａに試験装置を接続し、端子５５ａに印加する電圧を図３（Ａ）に示すように徐々に上昇させつつ、端子５５ａに流れる電流を測定する。過充電検出回路５６が過充電を検出すると、この検出から一定時間（Ｔ１）はＭＯＳトランジスタＭ２０のゲートにハイレベルの信号が供給されて、ＭＯＳトランジスタＭ２０がオンする。このため、端子５５ａを流れる電流ＩＤＤは図３（Ｂ）に示すように一定時間（Ｔ１）だけ増加し、その後、ＭＯＳトランジスタＭ２０がオフするために、端子５５ａの印加電圧に応じた値となる。また、過充電を検出から所定時間（Ｔ２）が経過すると、端子５５ｅからＭＯＳトランジスタＭ１２のゲートに供給される制御信号が図３（Ｃ）に示すようにローレベルとなる。

従来は、端子５５ａ，５５ｅに試験装置を接続し、端子５５ａに印加する電圧を図３（Ａ）に示すように徐々に上昇させ、端子５５ｅのレベルを試験装置で測定して過充電検出回路５６の検出電圧を測定していたために時間Ｔ２の遅延時間があり、これを短縮するためにテスト用端子を設けて遅延時間なしモードを設定していたが、上記実施形態ではテスト用端子を設ける必要がなく、ＭＯＳトランジスタＭ２０を追加するだけの簡単な構成で、過充電検出回路５６の検出電圧を測定することができる。つまり、電流ＩＤＤが急激に増加した時点の端子５５ａの印加電圧が過充電検出回路５６の検出電圧である。

＜過放電検出回路の試験＞
保護ＩＣ５５の製造時には、端子５５ａに試験装置を接続し、端子５５ａに印加する電圧を図４（Ａ）に示すように徐々に低下させつつ、端子５５ａに流れる電流を測定する。過放電検出回路５７が過充電を検出すると、この検出から一定時間（Ｔ１）はＭＯＳトランジスタＭ２０のゲートにハイレベルの信号が供給されて、ＭＯＳトランジスタＭ２０がオンする。このため、端子５５ａを流れる電流ＩＤＤは図Ｂ（Ａ）に示すように一定時間（Ｔ１）だけ増加し、その後、ＭＯＳトランジスタＭ２０がオフするために、端子５５ａの印加電圧に応じた値となる。また、過充電を検出から所定時間（Ｔ２）が経過すると、端子５５ｄからＭＯＳトランジスタＭ１１のゲートに供給される制御信号が図４（Ｃ）に示すようにローレベルとなる。

従来は、端子５５ａ，５５ｅに試験装置を接続し、端子５５ａに印加する電圧を図４（Ａ）に示すように徐々に上昇させ、端子５５ｅのレベルを測定して過放電検出回路５７の検出電圧を測定していたために時間Ｔ２の遅延時間があり、これを短縮するためにテスト用端子を設けて遅延時間なしモードを設定していたが、上記実施形態ではテスト用端子を設ける必要がなく、ＭＯＳトランジスタＭ２０を追加するだけの簡単な構成で、過放電検出回路５７の検出電圧を測定することができる。つまり、電流ＩＤＤが急激に増加した時点の端子５５ａの印加電圧が過放電検出回路５７の検出電圧である。

ところで、端子５５ｆと充電過電流検出回路５８及び放電過電流検出回路５９の間にソースとドレインを接続され、カウンタ回路６２の端子７３出力をゲートに供給されるＭＯＳトランジスタを設けておき、端子５５ｆに試験装置を接続し、端子５５ｆに印加する電圧を徐々に上昇又は低下させつつ、端子５５ｆに流れる電流を測定することで、上記実施形態と同様に、充電過電流検出回路５８又は放電過電流検出回路５９の検出電流を遅延なく測定することが可能となる。

なお、過充電検出回路５６，過放電検出回路５７，充電過電流検出回路５８，放電過電流検出回路５９それぞれの検出電圧を測定したのちに、測定結果に基づいて、過充電検出回路５６，過放電検出回路５７，充電過電流検出回路５８，放電過電流検出回路５９それぞれに設けられているトリミング抵抗をレーザトリミングすることで、過充電検出回路５６，過放電検出回路５７，充電過電流検出回路５８，放電過電流検出回路５９それぞれの閾値が目標値となるように設定する。

＜保護ＩＣの変形例＞
図５は、本発明の保護回路の変形例を適用した電池パックの一実施形態のブロック図を示す。この変形例では、端子５５ａとＭＯＳトランジスタＭ２０のドレインとの間にヒューズ８０が設けられている。

図５において、リチウムイオン電池５２と並列に抵抗Ｒ１１とコンデンサＣ１１の直列回路が接続されている。リチウムイオン電池５２の正極は配線により電池パック５０の外部端子（Ｐ＋）５３に接続され、負極は配線により電流遮断用のｎチャネルＭＯＳトランジスタＭ１１，Ｍ１２を介して電池パック５０の外部端子（Ｐ−）５４に接続されている。

端子５５ａは過充電検出回路５６，過放電検出回路５７に接続されると共に、ヒューズ８０を介してｎチャネルＭＯＳトランジスタＭ２０のドレインに接続されている。ＭＯＳトランジスタＭ２０のソースは抵抗Ｒ１３を介して端子５５ｃに接続されており、ドレインはカウンタ回路６２の制御出力端子に接続されている。

カウンタ回路６２は図２に示す構成であり、カウンタ回路６２は通常時はクリアされて端子７２，７３からローレベルを出力している。また、発振器６１からクロック信号を供給されると、カウンタ回路６２は一定時間（クロック信号の１周期をτとすると２^３×τ＝Ｔ１）ハイレベルとなる信号を端子７３から出力し、また、所定時間（２^ｎ−１×τ＝Ｔ２）ハイレベルとなる信号を端子７２から出力する。

ここで、充電時（ＭＯＳトランジスタＭ１１，Ｍ１２がオン）に、過充電検出回路５６又は充電過電流検出回路５８が検出信号を出力すると、発振器６１が発振してクロック信号を出力し、カウンタ回路６２は所定時間（Ｔ２）クロック信号をカウントしたのち論理回路６３にローレベル出力を供給する。論理回路６３は、上記検出信号を供給された後、カウンタ回路６２のローレベル出力を供給されると、充電停止するためにＭＯＳトランジスタＭ１２のゲートに供給する制御信号をローレベルとし、この制御信号をレベルシフト回路６４で所定値だけ低下させるレベルシフトを行って端子５５ｅからＭＯＳトランジスタＭ１２のゲートに供給する。これにより、リチウムイオン電池５２の充電が停止する。なお、このレベルシフトは、端子５５ｃに対して外部端子５４が、電位が低いために行っている。

なお、短絡検出回路６０の検出信号は遅延回路６６でカウンタ回路６２による遅延と同様に遅延されされて論理回路６５に供給され、論理回路６５は充電停止するためにＭＯＳトランジスタＭ１１のゲートに供給する制御信号をローレベルとし、この制御信号を端子５５ｄからＭＯＳトランジスタＭ１１のゲートに供給する。これにより、リチウムイオン電池５２の充電が停止する。

なお、過充電検出回路５６の検出電圧を測定したのちに、測定結果に基づいて、過充電検出回路５６に設けられているトリミング抵抗をレーザトリミングすることで、過充電検出回路５６の閾値が目標値となるように設定する。こののち、ヒューズ８０をレーザで切断する。

これにより、ヒューズ８０を切断した製品では、端子５５ａを流れる電流ＩＤＤが図３（Ｂ）に示すように一定時間（Ｔ１）だけ増加することはなく、端子５５ａの印加電圧に応じた値となる。

＜充電保護回路＞
図６は、複数電池を直列接続して充電する充電装置の保護回路の一実施形態のブロック図を示す。この保護回路は、直列接続された２次電池ＢＴＡ，ＢＴＢ，ＢＴＣ，ＢＴＤの充電を制御するための回路であり、保護ＩＣ９０内に構成されている。充電時には、２次電池ＢＴＡは外部端子９１Ａ，９１Ｂ間に接続され、２次電池ＢＴＢは外部端子９１Ｂ，９１Ｃ間に接続され、２次電池ＢＴＣは外部端子９１Ｃ，９１Ｄ間に接続され、２次電池ＢＴＤは外部端子９１Ｄ，９１Ｅ間に接続される。

外部端子９１Ｅは接地され、外部端子９１ＡはｎチャネルＭＯＳトランジスタＭ３０のドレインに接続されている。ＭＯＳトランジスタＭ３０のソースは直流電源２２を介して接地されており、ＭＯＳトランジスタＭ３０のゲートは保護ＩＣ９０の外部端子９１Ｆに接続されている。

保護ＩＣ９０内で、過充電検出回路９２Ａは外部端子９１Ａ，９１Ｂ間の差電圧が検出電圧を超えたときハイレベルの検出信号を出力する。また、過充電検出回路９２Ｂは外部端子９１Ｂ，９１Ｃ間の差電圧が検出電圧を超えたときハイレベルの検出信号を出力する。同様に、過充電検出回路９２Ｃは外部端子９１Ｃ，９１Ｄ間の差電圧が検出電圧を超えたときハイレベルの検出信号を出力し、過充電検出回路９２Ｄは外部端子９１Ｄ，９１Ｅ間の差電圧が検出電圧を超えたときハイレベルの検出信号を出力する。

過充電検出回路９２Ａ〜９２Ｄそれぞれの出力する検出信号はオア回路９３に供給され、オア回路９３は、過充電検出回路９２Ａ〜９２Ｄのいずれかが出力する検出信号を発振器９４及びカウンタ９５に供給する。

外部端子９１Ａは過充電検出回路９２Ａに接続されると共に、ｎチャネルＭＯＳトランジスタＭ３１のドレインに接続されている。ＭＯＳトランジスタＭ３１のソースは抵抗Ｒ２０を介して外部端子９１Ｅに接続されており、ＭＯＳトランジスタＭ３１のゲートにはカウンタ回路９５から制御信号が供給される。

カウンタ回路９５は図２と同様の構成であり、カウンタ回路９５は通常時はクリアされて端子７２，７３からローレベルを出力している。また、発振器９４からクロック信号を供給されると、カウンタ回路９５は一定時間（Ｔ３）ハイレベルとなる信号をＭＯＳトランジスタＭ３１のゲートに供給し、また、所定時間（Ｔ４＞Ｔ３）ハイレベルとなる信号を論理回路９６に供給する。

ここで、充電時（ＭＯＳトランジスタＭ３０がオン）に、過充電検出回路９２Ａ〜９２Ｄのいずれかが過充電の検出信号を出力すると、発振器９４が発振してクロック信号を出力し、カウンタ回路９５は所定時間（Ｔ４）クロック信号をカウントしたのち論理回路９６にローレベル出力を供給する。論理回路９６は、上記検出信号を供給された後、カウンタ回路９５のローレベル出力を供給されると、充電停止するためにＭＯＳトランジスタＭ３０のゲートに供給する制御信号をローレベルとする。

保護ＩＣ９０の製造時には、外部端子９１Ａ，９１Ｂ間（又は９１Ｂ，９１Ｃ間又は９１Ｃ，９１Ｄ間又は９１Ｄ，９１Ｅ間）に試験装置を接続し、外部端子９１Ａ，９１Ｂ間（又は９１Ｂ，９１Ｃ間又は９１Ｃ，９１Ｄ間又は９１Ｄ，９１Ｅ間）に印加する電圧を図３（Ａ）と同様に徐々に上昇させつつ、外部端子９１Ａ（又は９１Ｂ又は９１Ｃ又は９１Ｄ）に流れる電流を測定する。過充電検出回路９２Ａ（又は９２Ｂ又は９２Ｃ又は９２Ｄ）が過充電を検出すると、この検出から一定時間（Ｔ３）はＭＯＳトランジスタＭ３１のゲートにハイレベルの信号が供給されて、ＭＯＳトランジスタＭ３１がオンする。このため、外部端子９１Ａ（又は９１Ｂ又は９１Ｃ又は９１Ｄ）を流れる電流ＩＤＤは一定時間（Ｔ３）だけ増加し、その後、ＭＯＳトランジスタＭ３１がオフするために、外部端子９１Ａ，９１Ｂ間（又は９１Ｂ，９１Ｃ間又は９１Ｃ，９１Ｄ間又は９１Ｄ，９１Ｅ間）の印加電圧に応じた値となる。また、過充電を検出から所定時間（Ｔ４）が経過すると、端子９１ＦからＭＯＳトランジスタＭ３０のゲートに供給される制御信号がローレベルとなる。

なお、上記実施形態では、過充電検出回路５６又は過放電検出回路５７の検出時に、端子５５ａの電流を増加させる構成としているが、検出時に端子５５ａの電流を低下させる構成としても良く、上記実施形態に限定されるものではない。

本発明の保護回路を適用した電池パックの一実施形態のブロック図である。カウンタ回路の一実施形態の回路構成図である。図１各部の信号波形図である。図１各部の信号波形図である。本発明の保護回路の変形例を適用した電池パックの一実施形態のブロック図である。充電装置の保護回路の一実施形態のブロック図である。

符号の説明

５０電池パック
５２リチウムイオン電池
５５保護ＩＣ
５６過充電検出回路
５７過放電検出回路
５８充電過電流検出回路
５９放電過電流検出回路
６０短絡検出回路
６１発振器
６２カウンタ回路
６３，６５論理回路
６６遅延回路
１７１−１〜７１−ｎトリガ型フリップフロップ
８０ヒューズ
Ｍ１１，Ｍ１２，Ｍ２０ＭＯＳトランジスタ

Claims

電池を電源端子に接続されて前記電源端子の電圧から前記電池の過充電又は過放電を検出したとき前記電池の充電又は放電を停止させ前記電池を保護する保護回路において、
前記電源端子の電圧から前記電池の過充電又は過放電を検出する検出手段と、
前記検出手段による前記電池の過充電又は過放電の検出が所定時間持続したとき前記電池の充電又は放電を停止させる制御信号を生成する制御手段と、
前記検出手段が前記電池の過充電又は過放電を検出したとき一定時間だけ前記電源端子に流れる電流を変化させる電流変化手段と、
を有することを特徴とする保護回路。
請求項１記載の保護回路において、
前記電流変化手段は、前記電源端子に流れる電流を増加させることを特徴とする保護回路。
請求項１記載の保護回路において、
前記電源端子と前記電流変化手段との間に、ヒューズを設けたことを特徴とする保護回路。