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Dokumentenidentifikation DE112005002954T5 18.10.2007
Titel Energieversorgungssteuerung
Anmelder AutoNetworks Technologies, Ltd., Nagoya, Aichi, JP;
Sumitomo Wiring Systems, Ltd., Yokkaichi, Mie, JP;
Sumitomo Electric Industries, Ltd., Osaka, JP
Erfinder Kato, Masayuki, Yokkaichi, Mie, JP;
Isshiki, Isao, Yokkaichi, Mie, JP;
Takahashi, Seiji, Yokkaichi, Mie, JP;
Furuichi, Masahiko, Yokkaichi, Mie, JP
Vertreter WINTER, BRANDL, FÜRNISS, HÜBNER, RÖSS, KAISER, POLTE, Partnerschaft, 85354 Freising
DE-Aktenzeichen 112005002954
Vertragsstaaten AE, AG, AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BW, BY, BZ, CA, CH, CN, CO, CR, CU, CZ, DE, DK, DM, DZ, EC, EE, EG, ES, FI, GB, GD, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL, IN, IS, JP, KE, KG, KM, KN, KP, KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV, LY, MA, MD, MG, MK, MN, MW, MX, MZ, NA, NG, NI, NO, NZ, OM, PG, PH, PL, PT, RO, RU, SC, SD, SE, SG, SK, SL, SM, SY, TJ, TM, TN, TR, TT, TZ, UA, UG, US, UZ, VC, VN, YU, ZA, ZM, ZW, EP, AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IS, IT, LT, LU, LV, MC, NL, PL, PT, RO, SE, SI, SK, TR, OA, BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GQ, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG, AP, BW, GH, GM, KE, LS, MW, MZ, NA, SD, SL, SZ, TZ, UG, ZM, ZW, EA, AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM
WO-Anmeldetag 30.11.2005
PCT-Aktenzeichen PCT/JP2005/021996
WO-Veröffentlichungsnummer 2006059646
WO-Veröffentlichungsdatum 08.06.2006
Date of publication of WO application in German translation 18.10.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 18.10.2007
IPC-Hauptklasse H03K 17/08(2006.01)A, F, I, 20051130, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H02H 3/093(2006.01)A, L, I, 20051130, B, H, DE   H02M 1/00(2006.01)A, L, I, 20051130, B, H, DE   H03K 17/687(2006.01)A, L, I, 20051130, B, H, DE   

Beschreibung[de]
TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energieversorgungssteuerung, die in der Lage ist, eine externe Schaltung zu schützen, die mit einem Halbleiterschalter verbunden ist.

STAND DER TECHNIK

In herkömmlicher Weise ist eine Energieversorgungssteuerung, bei der ein Hochleistungshalbleiterschaltelement wie z. B. ein Leistungs-MOSFET an einer Stromversorgungsleitung angeordnet ist, die zwischen eine Energiequelle und eine Last geschaltet ist, vorgesehen. Die Energieversorgung der Last wird durch Schalten des Halbleiterschaltelementes zwischen EIN und AUS gesteuert. Bei einer derartigen Energieversorgungssteuerung ist es bekannt, dass eine Selbstschutzfunktion zum Schützen ihres eigenen Schaltelementes, das oben beschrieben ist, durch Steuern des Potentials des Steueranschlusses des Halbleitschaltelementes derart, dass das Schaltelement als Antwort auf das Auftreten eines Überstromes ausgeschaltet wird, vorgesehen ist. Insbesondere ist, wie es in der JP-A-2001-217696 gezeigt ist, ein Stromschutzwiderstand seriell mit dem Lastanschluss verbunden (beispielsweise der Source oder dem Drain in dem Fall eines MOSFET). Der Spannungsabfall in dem Widerstand wird erfasst, und das Auftreten des Überstromes wird bestimmt, wenn der Spannungsabfall größer als ein vorbestimmter Pegel ist.

Die Stromblockierung aufgrund der oben beschriebenen Selbstschutzfunktion wird automatisch wieder aufgehoben, d.h. das Schaltelement wird erneut eingeschaltet, wenn eine vorbestimmte Zeitdauer nach der Blockierung verstrichen ist. Dieses kommt daher, dass die Funktion vorgesehen ist, um zu verhindern, dass das Halbleiterschaltelement selbst überhitzt, und wenn der abnorme Strom blockiert wird, sollte die Temperatur des Halbleiterschaltelementes unmittelbar durch einen Wärmestrahler, der in herkömmlicher Weise darin vorgesehen ist, herabgesetzt werden.

In einem Fall beispielsweise, in dem ein Kurzschluss in einer externen Schaltung aufgetreten ist, d.h. einer Last der Energieversorgungssteuerung, bedeutet obiges, dass ein EIN-AUS-Betrieb, bei dem das Halbleiterschaltelement unmittelbar als Antwort auf den Kurzschlussstrom ausgeschaltet und danach wieder eingeschaltet wird, wenn die vorbestimmte Zeitdauer verstrichen ist, wiederholt wird. Dementsprechend neigt das Halbleiterschaltelement dazu zu überhitzen, und kann dadurch in Abhängigkeit von den Strahlungscharakteristika beschädigt zu werden, oder ein elektrischer Draht oder Ähnliches in der externen Schaltung, die mit dieser Energieversorgungssteuerung verbunden ist, kann durchbrennen. Daher ist in herkömmlicher Weise ein Sicherungselement in der externen Schaltung unter Berücksichtigung des Widerstands und der thermischen Eigenschaft vorgesehen, und die Schaltung wird allgemein in ihrer Verbindung durch Durchbrennungen des Sicherungselementes zum Zeitpunkt des Auftretens eines Kurzschlussstromes oder Ähnlichem unterbrochen, so dass sie nicht automatisch wieder hergestellt wird.

Das zusätzlich vorgesehene Sicherungselement führt jedoch zu einer insgesamt größeren Vorrichtung. Somit entsteht das Problem, dass die obige Vorrichtung der kürzlich wachsenden Anforderung einer Miniaturisierung der Vorrichtung oder einer Integration in dem Schaltungsaufbau nicht erfüllen kann.

Die vorliegende Erfindung entstand im Hinblick auf die vorhergehenden Umstände, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Energieversorgungssteuerung zu schaffen, die in der Lage ist, eine externe Schaltung, die die Selbstschutzfunktion eines Halbleiterschaltelementes verwendet, zu schützen.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung ist eine Energieversorgungssteuerung, die zwischen einer Energiequelle und einer Last angeordnet ist, um die Energiezufuhr von der Energiequelle zur Last zu steuern, und die enthält: ein Halbleiterschaltelement, das in dem Strompfad von der Energiequelle zur Last angeordnet ist, ein Stromerfassungselement zum Erfassen des Stromes, der das Halbleiterschaltelement durchläuft, und eine Erfassungsschaltung zum Erfassen es abnormen Stromes zum Verarbeiten eines Signals von dem Stromerfassungselement und zum entsprechenden Ausgeben eines Abnorm-Stromsignals, wenn der Strom, der das Halbleiterschaltelement durchläuft, einen vorbestimmten Schwellenstrom überschreitet. Außerdem enthält die Energieversorgungssteuerung eine Überstromschutzschaltung zum Bewirken, dass das Halbleiterschaltelement eine Unterbrechung für eine vorbestimmte Bezugsausschaltzeitdauer durchführt und danach einen Leitungszustand wieder herstellt, und zwar unter der Bedingung, dass eine Zeitdauer, die seit der Ausgabe des Abnorm-Stromsignals verstrichen ist, eine vorbestimmte Bezugseinschaltzeitdauer erreicht hat. Außerdem sind eine Lastschutzschaltung zum Messen einer akkumulierten Zeit einer Summe aus der Bezugseinschaltzeitdauer und der Bezugsausschaltzeitdauer oder der Häufigkeit des Unterbrechungsbetriebes, der der Wiederholung der Unterbrechung und der Wiederherstellung des Halbleiterschaltelementes aufgrund der Überstromschutzschaltung zugeordnet ist, und zum Bewirken, dass das Halbleiterschaltelement einen Unterbrechungsbetrieb unter der Bedingung durchführt, dass die Messung einen vorbestimmten Wert erreicht, und eine Rücksetzschaltung zum Freigegeben eines Unterbrechungszustands des Halbleiterschaltelementes aufgrund der Lastschutzschaltung auf der Grundlage eines externen Signals und zum entsprechenden Wiederherstellen des Leitungszustands enthalten.

Eine Energieversorgungssteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung schützt das Halbleiterschaltelement durch Betreiben des Halbleiterschaltelementes derart, dass es einen Unterbrechungsbetrieb in einem Fall durchführt, in dem ein abnormer Strom während der Anwendung des Stromes auf die Last erfasst wird. Nach dem Unterbrechungsbetrieb wird der Leitungszustand bzw. leitende Zustand wieder hergestellt, aber ein Unterbrechungsbetrieb wird erneut in einem Fall durchgeführt, in dem eine neue Anomalie erfasst wird, und danach wird der Leitungszustand erneut wieder hergestellt. Wenn der abnorme Strom vorübergehend ist, wird die Anwendung des Stromes auf die Last aufrechterhalten, was eine Temperaturerhöhung in dem Halbleiterschaltelement verhindert.

In einem Überstromzustand aufgrund eines Kurzschlusses der Last oder einer Fehlfunktion der Vorrichtung wird der obige EIN-AUS-Betrieb jedoch bis zu einem gewissen Ausmaß fortgesetzt. Der Wärmewert einer externen Schaltung (beispielsweise ein Verdrahtungselement oder die Last), die mit dem Halbleiterschaltelement während des EIN-AUS-Betriebs verbunden ist, hängt von der Zeitdauer des erzwungenen EIN-AUS-Betriebes des Halbleiterschaltelementes ab (d.h. einer Summe der EIN-Zeitdauer bzw. Einschaltzeitdauer und der AUS-Zeitdauer bzw. Ausschaltzeitdauer, die dem erzwungen EIN-AUS-Betrieb zugeordnet sind). Daher wird die Zeitdauer des erzwungenen EIN-AUS-Betriebes akkumuliert, und das Halbleiterschaltelement wird derart betrieben, dass es einen automatischen nicht wiederherstellbaren Unterbrechungsbetrieb unter einer Bedingung durchführt, dass die akkumulierte Zeit eine Akkumulationsschwelle erreicht (beispielsweise eine begrenzte Zeitdauer, die dem akkumulierten Wärmewert in dem Falle eines Durchbrennens der externen Schaltung oder der Furcht davor entspricht). Alternativ kann die Häufigkeit der Unterbrechungsbetriebe anstelle der obigen akkumulierten Zeit gezählt werden.

Kurz gesagt schafft die Energieversorgungssteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung eine Sicherungsfunktion zum Schützen der externen Schaltung, die die inhärente Selbstschutzfunktion verwendet. Außerdem wird gemäß einem derartigen Aufbau ein automatischer nicht wiederherstellbarer Unterbrechungsbetrieb letztendlich durchgeführt, wenn der erzwungene EIN-AUS-Betrieb aufrechterhalten wird, und daher kann ein Kurzschlussfehler oder Ähnliches der Energieversorgungssteuerung selbst aufgrund einer thermischen Spannung verhindert werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Es zeigen:

1 ein Blockdiagramm, das den allgemeinen Aufbau einer Energieversorgungssteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,

2 ein Schaltungsdiagramm, das hauptsächlich den Aufbau einer Überstromerfassungsschaltung (eine Anomalieerfassungsschaltung) der Energieversorgungssteuerung der 1 darstellt.

3 einen Graphen, der die Beziehung zwischen der Drain-zu-Source-Spannung eines Leistungs-MOSFET und einzelnen Strömen zeigt,

4 ein Blockdiagramm, das konzeptionell eine logische Schutzschaltung zeigt,

5 ein Zeitdiagramm, das ein Steuersignal S4 darstellt, und

6 einen Graphen, der Rauchemissionscharakteristika darstellt.

10
Energieversorgungssteuerung
11
Halbleiterschalvorrichtung
13
Abnorm-Stromerfassungsschaltung
12
erster externer Widerstand
14
zweiter externer Widerstand
15
Leistungs-MOSFET (Leistungs-FET-Halbleiterschaltelement)
16
Erfassungs-MOSFET (Erfassungs-FET-Stromerfassungselement)
38
Zener-Diode
40
logische Schutzschaltung (Überstromschutzschaltung, Lastschutzschaltung)
P1
Eingangsanschluss
P2
Leistungs-Source-seitiger Ausgangsanschluss
P3
lastseitiger Ausgangsanschluss
P4
externer Widerstandsanschluss
Ia
erster Schwellenstrom (erster Schwellenstromwert)
Ib
zweiter Schwellenstrom (zweiter Schwellenstromwert)

BESTER MODUS ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG

Ein erfindungsgemäße Ausführungsform wird mit Bezug auf die 1 bis 6 erläutert.

(1) ALLGEMEINER AUFBAU

1 ist ein Blockdiagramm, das den allgemeinen Aufbau einer Energieversorgungssteuerung gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt. Wie es in der Figur gezeigt ist, ist die Energieversorgungssteuerung der vorliegenden Ausführungsform durch Verbinden einer Energiequelle 60, einer Last 50, erste externe Widerstände 12, 14, eines Rücksetzschalters 52 und Ähnlichem auf einer Ein-Chip-Halbleiterschaltvorrichtung 11 aufgebaut, um die Energieversorgung bzw. Energiezufuhr von der Energiequelle 60 zur Last 50 zu steuern. Die Energieversorgungssteuerung 10 der vorliegenden Ausführungsform ist an einem nicht gezeigten Fahrzeug installiert und kann eine Fahrzeuglampe, einen Kühlungslüftermotor, ein Entfeuchtungsheizgerät oder Ähnliches steuern.

Wenn der Rücksetzschalter 52, der mit dem Eingangsanschluss P1 der Halbleiterschaltvorrichtung 11 verbunden ist, geschlossen wird, wird ein FET 47 in den EIN-Zustand über eine Eingangsschnittstelle 45 geschaltet, und dann wird eine logische Schutzschaltung 40 betrieben. Eine Abnorm-Stromerfassungsschaltung 13 und eine Temperaturerfassungsschaltung 48 sind mit der Eingangsleitung der logischen Schutzschaltung 40 verbunden, während das Gate G eines Leistungs-MOSFET 15, der einem Halbleiterschaltelement entspricht, mit der Ausgangsleitung der logischen Schutzschaltung 40 über eine Ladungspumpschaltung 41 und einer Ausschaltschaltung 42 verbunden ist.

2 ist ein Schaltungsdiagramm, das hauptsächlich die Abnorm-Stromerfassungsschaltung 13 der Halbleiterschaltvorrichtung 11 zeigt. In der Halbleiterschaltvorrichtung 11 sind der Leistungs-MOSFET 15, ein Erfassungs-MOSFET 16 (entspricht einem Stromerfassungselement), durch den ein Erfassungsstrom, der eine vorbestimmte Beziehung zu (d.h. mit einem konstanten Verhältnis dazu) einem Strom des Leistungs-MOSFET 15 aufweist, fließt, und die Abnorm-Stromerfassungsschaltung 13 zum Erfassen einer Stromanomalie in dem Leistungs-MOSFET 15 mit einer Überstromschutzschaltung, einer Lastschutzschaltung und einer Rücksetzschaltung, die unten beschrieben werden, in einem einzelnen Chip oder mehreren Chips, die in einem Gehäuse untergebracht sind, aufgebaut.

Der Drainanschluss D des Leistungs-MOSFET 15 ist mit dem Leistungs-Sourceseitigen Anschluss P2 verbunden, während dessen Sourceanschluss S mit dem lastseitigen Anschluss P3 verbunden ist. Der Gateanschluss G und der Drainanschluss D des Erfassungs-MOSFET 16 sind gemeinsam mit dem Gateanschluss G und dem Drainanschluss D des Leistungs-MOSFET 15 verbunden. Außerdem sind der Sourceanschluss S des Leistungs-MOSFET 15 und der Sourceanschluss S des Erfassungs-MOSFET 16 jeweils mit zwei Eingangsanschlüssen eines Operationsverstärkers 18 verbunden und werden dadurch auf demselben Potential gehalten. Dementsprechend ist der Aufbau derart, dass Ströme, von denen einer ein konstantes Stromverhältnis zu dem anderen aufweist, durch den Leistungs-MOSFET 15 und den Erfassungs-MOSFET 16 fließen. Die Ausgangsseite des Operationsverstärkers 18 ist mit dem Gateanschlusses eines FET 20 verbunden.

Der erste externe Widerstand 12 ist zwischen dem lastseitigen Ausgangsanschluss P3 und dem externen Widerstandsanschluss P4 der Halbleiterschaltvorrichtung 11 angeordnet. Der externe Widerstandsanschluss P4 ist mit dem Drainanschluss und dem Gateanschluss eines FET 22 verbunden, und die Source des FET 22 ist mit der Masseleitung verbunden. Daher fließt ein Strom, der einem Spannungspegel Vs an dem Sourceanschluss S des Leistungs-MOSFET entspricht, durch den ersten externen Widerstand 12 in Richtung der Masseleitung.

Andererseits ist der zweite externe Widerstand 14 zwischen den externen Widerstandsanschluss P4 und den Eingangsanschluss P1 der Halbleiterschaltvorrichtung 11 geschaltet, und der Eingangsanschluss P1 ist dann mit der Energiequelle 60 seriell durch einen Widerstand 54 und dem Rücksetzschalter 52 geschaltet. Außerdem ist der Eingangsanschluss P1 der Halbleiterschaltvorrichtung 11 mit der Masseleitung über eine Zener-Diode 38, die intern in der Halbleiterschaltvorrichtung 11 ausgebildet ist, verbunden. Wenn daher der Rücksetzschalter 52 geschlossen wird, erscheint eine Spannung, die aufgrund der Zener-Diode 38 konstant reguliert wird, an dem Eingangsanschluss P1, und entsprechend dieser Spannung fließt ein konstanter Strom durch den zweiten externen Widerstand 14, den externen Widerstandsanschluss P4 und den FET 22. Daher wird der Gesamtstrom Ir, der durch den FET 22 fließt, durch Addieren eines Stromes Irs (d.h. ein Strom, der sich mit der Sourcespannung Vs des Leistungs-MOSFET 15 ändert), der durch den ersten externen Widerstand 12 fließt, und des Vorspannungsstromes Irb (d.h. ein konstanter Strom), der durch den zweiten externen Widerstand 14 fließt, bestimmt. Im Folgenden kann dieser Strom Ir als Bezugsstrom bezeichnet werden. Man beachte, dass die obige Zener-Diode 38 einen Teil der Eingangsschnittstelle 45, die in 1 gezeigt ist, bildet.

Die Abnorm-Stromerfassungsschaltung 13, die mit dem externen Widerstandsanschluss P4 verbunden ist, baut zwei Arten von Schwellenströmen Ia, Ib (die später beschrieben werden) auf der Grundlage des obigen Bezugsstromes Ir auf und gibt Anomaliesignale OC, SC (die unten beschrieben werden) auf der Grundlage eines Vergleiches zwischen den Schwellenströmen Ia, Ib und einem Erfassungsstrom Is des Erfassungs-MOSFET 16 aus.

In der Abnorm-Stromerfassungsschaltung 13 ist eine Stromspiegelschaltung mit einem FET 24 und einem FET 26 ausgebildet, und daher fließt ein Spiegelstrom Is', der äquivalent zum Erfassungsstrom Is ist, durch den FET 26. Andererseits ist ein FET 28 seriell mit dem obigen FET 26 verbunden und bildet eine Stromspiegelschaltung mit einem FET 30 und einem FET 34, so dass ein Spiegelstrom Is'' der äquivalent zum Spiegelstrom Is' ist, durch den FET 30 und FET 34 fließt. Das heißt, der Spiegelstrom Is'', der äquivalent zum Erfassungsstrom Is ist, fließt durch den FET 30 und den FET 34. Dann wird der Spiegelstrom Is'' mit den Schwellenströmen Ia, Ib, die unten beschrieben werden, zur Erfassung einer Anomalie verglichen.

Andererseits bildet der oben beschriebene FET 22 eine Stromspiegelschaltung mit einem FET 32 und einem FET 36 aus. Sie ist beispielsweise derart ausgelegt, dass die Breiten der Drain-zu-Source-Kanäle des FET 22 und des FET 36 einander gleich sind, während sich die Breiten der Drain-zu-Source-Kanäle des FET 32 und des FET 22 voneinander unterscheiden. Somit fließt in der vorliegenden Ausführungsform ein zweiter Schwellenstrom Ib, der äquivalent zum Bezugsstrom Ir ist, durch den FET 36, während ein erster Schwellenstrom Ia mit einem konstanten Verhältnis (z. B. 5/8 von Ib) zum Bezugsstrom Ir (d.h. folglich zum zweiten Schwellenstrom Ib) durch den FET 32 fließt.

Die Abnorm-Stromerfassungsschaltung 13 beinhaltet einen ersten Anomalieerfassungsabschnitt (d.h. einen Abschnitt, der mit dem FET 30, dem FET 32 und einer Erfassungsleitung 31 ausgebildet ist), zum Erfassen eines ersten Anomaliezustands, und einen zweiten Anomalieerfassungsabschnitt (d.h. einen Abschnitt, der mit dem FET 34, dem FET 36 und einer Erfassungsleitung 35 ausgebildet wird) zum Erfassen eines zweiten Anomaliezustands.

In dem ersten Anomalieerfassungsabschnitt, der den FET 32 enthält, wird der erste Schwellenstrom Ia, der ein konstantes Verhältnis (= 5Ir/8) zum Bezugsstrom Ir aufweist, wie oben beschrieben aufgebaut. Wenn daher der Erfassungsstrom Is (insbesondere der Spiegelstrom Is'' des Erfassungsstroms Is) den ersten Schwellenstrom Ia überschreitet, gelangt die Stromdifferenz auf die Erfassungsleitung 31 und bildet ein Signal (das erste Anomaliesignal OC) aus, das einen Überstromzustand angibt.

Andererseits wird in dem zweiten Anomalieerfassungsabschnitt, der den FET 36 enthält, der zweite Schwellenstrom Ib, der gleich dem Bezugsstrom Ir ist, wie oben beschrieben aufgebaut. Wenn daher der Erfassungsstrom Is (d.h. der Spiegelstrom Is'') den zweiten Schwellenstrom Ib überschreitet, gelangt die Stromdifferenz auf die Erfassungsleitung 35 und bildet ein Signal (das zweite Anomaliesignal SC) aus, das einen Kurzschlusszustand angibt, d.h. das Auftreten eines größeren Stromes als derjenige in dem ersten Anomaliezustand.

Das oben beschriebene erste Anomaliesignal OC und das oben beschriebene zweite Anomaliesignal SC werden in Spannungssignale umgewandelt und dann parallel in die logische Schutzschaltung 40 eingegeben, so dass ein Schutzbetrieb, der unten beschrieben wird, durchgeführt wird. Das erste Anomaliesignal OC und das zweite Anomaliesignal SC werden ebenfalls in eine ODER-Schaltung 49 eingegeben. Wenn das erste Anomaliesignal OC, das zweite Anomaliesignal SC oder das dritte Anomaliesignal OT, das eine Temperaturanomalie von der Übertemperaturerfassungsschaltung angibt, in die ODER-Schaltung 49 eingegeben wird, wird ein FET 46 eingeschaltet, und dadurch ein Signal, das eine Anomalie angibt, von dem Signalausgangsanschluss P5 an eine externe Schaltung ausgegeben, so dass beispielsweise eine Warnlampe aufleuchtet.

(2) SCHWELLENWERTAUFBAU

Im Folgenden wird der Schwellenwertaufbau in der Abnorm-Stromerfassungsschaltung 13 erläutert.

3 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen der Drain-zu-Source-Spannung Vds des Erfassungs-MOSFET 16 und dem Erfassungsstrom Is, der durch den Erfassungs-MOSFET 16 fließt, zeigt. Die horizontale Achse zeigt die Größe der Drain-zu-Source-Spannung Vds des Erfassungs-MOSFET 16, während die vertikale Achse die Größe des Erfassungsstromes Is und des Bezugsstromes Ir darstellt. Eine Linie L1 ist eine Lastlinie, die die Reaktion des Erfassungsstromes Is zeigt, der auf der Grundlage des Lastwiderstandes bestimmt wird, und eine Linie L2 ist eine EIN-Widerstandslinie bzw. Durchlasswiderstandlinie, die die Variation des Erfassungsstromes Is zeigt, der auf der Grundlage des EIN-Widerstands bzw. Durchlasswiderstands des Erfassungs-MOSFET 16 bestimmt wird.

In dem Fall, in dem der Leistungs-MOSFET 15 eingeschaltet ist, wenn sich die Last 50 in einem normalen Zustand befindet, ist der Stabilisierungspunkt der Drain-zu-Source-Spannung Vds und des Stromes Is des Erfassungs-MOSFET 16, der Schnittpunkt A der Lastlinie L1 und der EIN-Widerstandslinie L2. Das heißt, die Drain-zu-Source-Spannung Vds und der Strom Is des Erfassungs-MOSFET 16 ändern sich entlang der Lastlinie L1 von einem Punkt B ausgehend und stabilisieren sich dann bei der Ankunft an dem Stabilisierungspunkt (d.h. dem Schnittpunkt A), während der Leistungs-MOSFET 15 in dem EIN-Zustand bzw. eingeschalteten Zustand gehalten wird.

In einem Fall einer Anomalie wie z. B. einem Kurzschluss in der Last 50 erhöht sich jedoch die Sourcespannung Vs des Leistungs-MOSFET 15 kaum, obwohl sie von dem Punkt B zum Zeitpunkt des Starts beginnt, da der Spannungsabfall in der Last 50 sehr niedrig ist. Das heißt, der Strom Id, der durch den Leistungs-MOSFET 15 fließt, erhöht sich schnell, während die Drain-zu-Source-Spannung des Leistungs-MOSFET 15 eine geringe Änderung aufweist, und entsprechend erhöht sich der Erfassungsstrom Is nach dem Start von Punkt B schnell, wie es durch die Linie L3 gezeigt ist.

Unter der Annahme, dass eine Stromanomalie erfasst wird, wenn der Erfassungsstrom Is einen Schwellenstrom überschreitet, der als ein konstanter Wert bestimmt wird, sollte der Schwellenstrom ein größerer Wert als der Stabilisierungspunkt A sein. Daher nimmt es Zeit in Anspruch, die Stromanomalie während der Stufe zu erfassen, bei der die Sourcespannung Vs niedrig ist und die Drain-zu-Source-Spannung Vds hoch ist. Daher ist es zum schnellen Erfassen der Stromanomalie wünschenswert, dass der Schwellenstrom für den Bereich, bei dem die Drain-zu-Source-Spannung Vds hoch ist, niedrig ist, und sich dann der Schwellenstrom für den Bereich vergrößert, in dem Vds niedriger ist.

Dementsprechend wird in der vorliegenden Ausführungsform der Bezugsstrom Ir (außerdem die Schwellenströme Ia, Ib, die in Abhängigkeit davon bestimmt werden) derart bestimmt, dass sie sich entlang einer Neigung, die im Wesentlichen äquivalent zur Neigung der Lastlinie L1 ist, wie es durch eine Linie L4 in 4 gezeigt ist, ändert. Damit die Änderung des Bezugstroms Ir eine derartige Neigung ausbildet, ist der erste externe Widerstand 12 zwischen den lastseitigen Ausgangsanschluss P3, der mit dem Sourceanschluss S des Leistungs-MOSFET 15 verbunden ist, und den externen Widerstandsanschluss P4 geschaltet. Der Strom Irs, der durch den ersten externen Widerstand 12 fließt, aus dem Bezugsstrom Ir (= Irs + Irb) ändert sich linear mit der Drain-zu-Source-Spannung Vds des Leistungs-MOSFET 15, so dass er für den Bereich, in dem die Spannung Vds hoch ist, niedrig ist, und für den Bereich, in dem die Spannung Vds niedrig ist (Bereich C in 3), hoch ist.

Für den Bereich (Bereich D in 3) jedoch, in dem die Drain-zu-Source-Spannung Vds des Leistungs-MOSFET 15 extrem hoch ist, tritt der Strom Irs aufgrund der Spannung Vds, die dem eingeschalteten FET 22 zugeordnet ist, nicht auf, und daher bestehen Bedenken, dass die Erfassung der Stromanomalie nicht stabil ist. Daher wird in der vorliegenden Ausführungsform der Vorspannungsstrom Irb dem Strom Irs hinzugeführt, und das Ergebnis wird als der Bezugsstrom Ir verwendet. Dadurch kann für den Bereich (Bereich D in 3), in dem die Spannung Vds des Leistungs-MOSFET 15 extrem hoch ist, der Schwellenstrom eine geeignete Größe aufweisen. Somit wird der Schwellenstrom noch geeigneter im Vergleich zu dem Fall aufgebaut, bei dem der Schwellenstrom auf einen konstanten Wert eingestellt wird, und dadurch kann der Unterbrechungsbetrieb schnell mit einem geringen Leistungsverlust in dem Leistungs-MOSFET 15 durchgeführt werden.

In der vorliegenden Ausführungsform wird unter der Annahme, dass die Lastlinie L1 als Is = m·Vds + n (wobei m und n konstant sind) auf der Basis der maximalen Last und in dem Fall, in dem der Erfassungsstrom Is normal ist (d.h. es liegt kein Anoma liezustand vor), dargestellt wird, der zweite Schwellenstrom Ib zu Ib = m·Vds + s für den Bereich C eingestellt (wobei s konstant ist). Für den Bereich D wird er als Ib = s eingestellt (wobei s konstant ist). Außerdem wird die Steigung von Ib durch Vs/Rs bestimmt, und daher können die Steigung bzw. Neigung der Lastlinie L1 und die Steigung der Schwellenstromlinie L4 äquivalent für den Bereich C durch Einstellen des Widerstandswertes Rs des ersten externen Widerstands 12 eingestellt werden. Währenddessen kann der Vorspannungsbezugsstrom Irb durch Einstellen des Widerstandswertes Rb des zweiten externen Widerstands 14 aufgebaut werden.

Obwohl das Aufbauprinzip für den zweiten Schwellenstrom Ib mit Bezug auf 3 erläutert wurde, kann der erste Schwellenstrom Ia auf ähnliche Weise aufgebaut werden. Man beachte, dass eine Linie, die den ersten Schwellenstrom Ir darstellt, eine analoge Gestalt zu der Linie aufweist, die den zweiten Schwellenstrom Ib darstellt, da der erste Schwellenwert von Ia ein vorbestimmtes Verhältnis zum zweiten Schwellenstrom Ib aufweist.

Unterdessen wird die Genauigkeit des Aufbaus der Schwellenströme Ia, Ib in Abhängigkeit von der Genauigkeit der Widerstände 12, 14 bestimmt. Wenn daher die Widerstände 12, 13 als in der Halbleiterschaltvorrichtung 11 enthalten angenommen werden, kann die breite Variation des Widerstandswertes aufgrund eines Halbleiterherstellungsprozesses direkt Fehler in den Schwellenströmen Ia, Ib verursachen und schließlich die Genauigkeit der Anomalieerfassung verringern. Im Gegensatz dazu sind die Widerstände 12, 14 für den Schwellenwertaufbau nicht innerhalb, sondern außerhalb der Halbleiterschaltvorrichtung 11 als die externen Widerstände 12, 14 angeordnet. Daher können im Vergleich zu dem Fall der Widerstände, die bei dem Halbleiterherstellungsprozess ausgebildet werden, externe Widerstände einer sehr hohen Genauigkeit verwendet werden, und dementsprechend können die Schwellenströme Ia, Ib mit höherer Genauigkeit aufgebaut werden. Man beachte, dass die Variation der Schwellenströme Ia, Ib bedeutet, dass sich die Linie L4 in 3 beispielsweise zwischen zwei gestrichelten Linien L4' ändert.

Somit können in der vorliegenden Ausführungsform die Schwellenströme Ia, Ib mit hoher Genauigkeit aufgebaut werden, während der Spiegelstrom Is'', der durch die Stromspiegelschaltungen erzeugt wird und mit den Schwellenströmen Ia, Ib verglichen wird, genau den Erfassungsstrom Is mit geringer Variation reflektiert (siehe gestrichelte Linien L1', die die Variation darstellen). Somit können die Ströme, die beide sehr genau sind, miteinander verglichen werden, und daher kann die Genauigkeit der Anomalieerfassung sehr hoch sein. Außerdem können die Schwellenströme Ia, Ib derart eingestellt werden, dass sie sich entsprechend einer Erhöhung oder Verringerung der Spannung Vs an dem Sourceanschluss S des Leistungs-MOSFET 15 erhöhen oder verringern (genauer gesagt werden sie derart aufgebaut, dass die Steigung der Linie L4, die dem Schwellenstrom entspricht, gleich der Steigung der Lastlinie L1 für fast den ganzen Bereich ist, und ebenfalls derart aufgebaut werden, dass sie für den Rest des Bereiches angemessen sind). Wenn daher ein Kurzschluss auftritt, erreicht der Pegel des Erfassungsstromes unmittelbar den Schwellenstrompegel, und daher kann der Schutz, im Vergleich zu der Konfiguration, bei der der Schwellenwert einheitlich auf einen konstanten Pegel für den gesamten Bereich eingestellt ist, schnell erfolgen.

(3) LOGISCHE SCHUTZSCHALTUNG

Der Aufbau der logischen Schutzschaltung 40 ist in 4 gezeigt. Diese logische Schutzschaltung 40 aktiviert normalerweise die Ladungspumpschaltung 41. Die Ladungspumpschaltung 41 wird derart betrieben, dass sie eine erhöhte Spannung zwischen das Gate und die Source des Leistungs-MOSFET 15 und des Erfassungs-MOSFET 16 anlegt und diese dadurch einschaltet, d.h. diese in den leitenden Zustand schaltet. Wenn andererseits eine Anomalie erfasst wird, d.h. wenn das obige erste Anomaliesignal OC oder das zweite Anomaliesignal SC empfangen wird, gibt die logische Schutzschaltung 40 ein Steuersignal S4 zum Ausschalten der Ladungspumpschaltung 41 und Aktiveren der Ausschaltschaltung 42 aus, und dadurch dient sie als eine Überstromschutzschaltung und eine Lastschutzschaltung, die einen Unterbrechungsbetrieb bewirken, und zwar durch Freigeben der Ladung zwischen dem Gate und der Source des Leistungs-MOSFET 15 und des Erfassungs-MOSFET 16.

Die logische Schutzschaltung 40 enthält einen Oszillator 72 (OSC), eine N-Bit-Zählerschaltung 70, eine M-Bit-Zählerschaltung 71, ein NICHT-ODER-Schaltung 76 und eine UND-Schaltung 77 und Ähnliches. Das erste Anomaliesignal OC und das zweite Anomaliesignal SC werden in die NICHT-ODER-Schaltung 76 unter anderen eingegeben. Dann werden ein Signal S5 von der NICHT-ODER-Schaltung 76 und ein Signal S6, das von der N-Bit-Zählerschaltung 70 ausgegeben wird, wenn dessen Zählwert gleich dem Anfangswert (N = 0) ist, in die UND-Schaltung 77 eingegeben. Ein Rücksetzsignal RST3 von der UND-Schaltung 77 wird an den Oszillator 72 und die N-Bit-Zählerschaltung 70 zur Initialisierung dieser angelegt.

Entsprechend einem derartigen Aufbau warten der Oszillator 72 und die N-Bit-Zählerschaltung 70 in dem Rücksetzzustand bis die logische Schutzschaltung 40 das erste Anomaliesignal OC oder das zweite Anomaliesignal SC empfängt. Danach werden, wenn das erste Anomaliesignal OC oder das zweite Anomaliesignal SC empfangen wird, der Oszillator 72 und die N-Bit-Zählerschaltung 70 aus dem Rücksetzzustand freigegeben. Das heißt, die N-Bit-Zählerschaltung 70 beginnt mit dem Aufwärtszählen für eine Zeitdauer (beispielsweise 10 Millisekunden in der vorliegenden Ausführungsform), die N Bits gemäß der Oszillationsfrequenz des Oszillators 72 entspricht. Nach dem Zählen von N Bits wird er zurückgesetzt, um das Zählen von N Bits erneut zu starten. Der Oszillator 72 und die N-Bit-Zählerschaltung 70 sind derart ausgelegt, dass sie zurückgesetzt werden, wenn die logische Schutzschaltung 40 weder das erste Anomaliesignal OC noch das zweite Anomaliesignal SC empfangen haben, und der Zählwert der N-Bit-Zählerschaltung 70 ist gleich 0. Wenn daher die logische Schutzschaltung 40 einmal das erste Anomaliesignal OC oder das zweite Anomaliesignal SC empfängt, fährt die N-Bit-Zählerschaltung 70 anschließend fort, aufwärts zu zählen, bis der Zählwert von N-Bits vollständig ist, und zwar unabhängig davon, ob das erste Anomaliesignal OC oder das zweite Anomaliesignal SC erneut empfangen wurden.

Außerdem gibt die N-Bit-Zählerschaltung 70 ein Ausgangssignal S8 an dem Ende des Zählens von k(< N) Bits aus (beispielsweise entsprechend 500 Mikrosekunden in der vorliegenden Ausführungsform). Dann werden dieses Ausgangssignal S8 und das zweite Anomaliesignal SC in eine UND-Schaltung 79 eingegeben. Schließlich gibt, wenn das zweite Anomaliesignal CD in die logische Schutzschaltung 40 eingegeben wird und dadurch die N-Bit-Zählerschaltung 70 mit dem Aufwärtszählen beginnt, die UND-Schaltung 79 ein Ausgangssignal S9 nach dem Zählen von k(< N) Bits aus.

Außerdem gibt die N-Bit-Zählerschaltung 70 ein Ausgangssignal S2 am Ende des Zählens von h (k < h < N) Bits aus (beispielsweise entsprechend 2 Millisekunden in der vorliegenden Ausführungsform). Dann werden dieses Ausgangssignal S2 und das erste Anomaliesignal OC in eine UND-Schaltung 78 eingegeben. Wenn das erste Anomaliesignal OC in die logische Schutzschaltung 40 eingegeben wird und dadurch die N-Bit-Zählerschaltung 70 mit dem Aufwärtszählen beginnt, gibt die UND-Schaltung 78 ein Ausgangssignal S7 aus, nachdem das Zählen von h (k < h < N) Bits beendet ist.

Die M-Bit-Zählerschaltung 71 zählt die Häufigkeit, mit der ein Überfließen (d.h. die Beendigung der N-Bit-Zählung) in der N-Bit-Zählerschaltung 70 auftritt, bis zu M Bits. Die M-Bit-Zählerschaltung 71, deren Zähler durch ein Rücksetzsignal RST2 zurückgesetzt wird, das empfangen wird, wenn das Steuersignal S1 in den Eingangsanschluss eingegeben wird, (z. B. wenn ein Lastaktivierungssignal eingegeben wird), gibt normalerweise ein Ausgangssignal S3 eines niedrigen Pegels aus, aber hier weist sie ein Ausgangssignal S3 eines hohen Pegels oder ein invertiertes Signal zum Zeitpunkt des Überfließens auf (d.h. das Ende der M-Bit-Zählung). In der M-Bit-Zählerschaltung 71 wird der Zähler nur zurückgesetzt, wenn das Rücksetzsignal RST2 aufgrund des Steuersignals S1 empfangen wird (beispielsweise das Lastaktivierungssignal), das in den Eingangsanschluss eingegeben wird.

Die logische Schutzschaltung 40 enthält außerdem ein RS-FF 74 (ein RS-Flip-Flop), das das Steuersignal S4 für die Ladungspumpschaltung 41 bereitstellt, um den EIN-AUS-Betrieb zu bewirken. Bei diesem RS-FF 74 wird ein Setzsignal SET von einer ODER-Schaltung 73 in dessen Setzanschluss S eingegeben, während ein Rücksetzsignal RST1 in dessen Rücksetzanschluss R eingegeben wird, und die jeweiligen Eingangsanschlüsse der Ladungspumpschaltung 41 und der Ausschaltschaltung 42 sind mit dessen Ausgangsanschluss Q verbunden.

In dem Rücksetzzustand gibt das RS-FF 74 das Steuersignal S4 eines niedrigen Pegels von dem Ausgangsanschluss Q aus, so dass die Ladungspumpschaltung 41 eingeschaltet und die Ausschaltschaltung 42 ausgeschaltet wird. Dadurch schalten der Leistungs-MOSFET 15 und der Erfassungs-MOSFET 16 aufgrund eines erhöhten Spannungssignals, das von der Ladungspumpschaltung 41 erhalten wird, in den leitenden Zustand. Wenn das Setzsignal SET in diesem Rücksetzzustand eingegeben wird, wird die Ladungspumpschaltung 41 ausgeschaltet und die Ausschaltschaltung 42 eingeschaltet. Dadurch schalten der Leistungs-MOSFET 15 und der Erfassungs-MOSFET 16 in den Unterbrechungszustand, d.h. sie sind ausgeschaltet, da die Ladung zwischen deren Gate und Source jeweils freigegeben wird.

Das Ausgangssignal S7 von der obigen UND-Schaltung 78 und das Ausgangssignal S9 von der UND-Schaltung 79 werden in die ODER-Schaltung 73 eingegeben. Daher stellt die ODER-Schaltung 73 das Setzsignal SET für das RS-FF 74 bereit, wenn 2 Millisekunden verstrichen sind, nachdem ein Überstromzustand erfasst wurde (d.h. nach der Ausgabe des ersten Anomaliesignals OC) oder nachdem 500 Mikrosekunden verstrichen sind, nachdem ein Kurzschlusszustand erfasst wurde (d.h. nach der Ausgabe des zweiten Anomaliesignals SC).

Das invertierte Signal des Signals S3, das von der M-Bit-Zählerschaltung 71 ausgegeben wird, und das Rücksetzsignal RST1 werden in eine UND-Schaltung 75 eingegeben. Das heißt, die UND-Schaltung 75 dient als eine Aktivierungseinrichtung, die das Rücksetzsignal RST1 aktiviert und dadurch dieses für den Rücksetzanschluss R des RS-FF 74 bereitstellt, wenn sie ein Ausgangssignal eines niedrigen Pegels von der M-Bit-Zählerschaltung 71 empfängt, aber das Rücksetzsignal RST1 deaktiviert und dadurch die Bereitstellung des Rücksetzsignals RST1 für den Rücksetzanschluss R des RS-FF 74 verhindert, wenn sie ein Ausgangssignal eines hohen Pegels von der M-Bit-Zählerschaltung 71 empfängt.

Unterdessen wird das Rücksetzsignal RST1 ausgegeben, wenn das Steuersignal S1 in den Eingangsanschluss eingegeben wird oder der Zählwert der N-Bit-Zählerschaltung 70 gleich dem Anfangswert ist (N = 0).

(Betrieb) <In dem Fall einer Kurzschlussanomalie>

Gemäß dem obigen Aufbau schaltet die logische Schutzschaltung 40 den Leistungs-MOSFET 15 und den Erfassungs-MOSFET 16 durch das RS-FF 74 in den leitenden Zustand, wenn das Steuersignal S1 in den Eingangsanschluss eingegeben wird. Die N-Bit-Zählerschaltung 70 beginnt mit dem Aufwärtszählen, wenn beispielsweise das zweite Anomaliesignal SC empfangen wird. Wenn danach die N-Bit-Zählerschaltung 70 das Zählen von k Bit beendet hat und dann der Kurzschlusszustand weiterhin andauert, geht das RS-FF 74 in einen Setzzustand über und schaltet dadurch den Leistungs-MOSFET 15 und den Erfassungs-MOSFET 16 aus, so dass ein Unterbrechungsbetrieb erzwungenermaßen durchgeführt wird. Die Zeit von dem Empfang des zweiten Anomaliesignals SC bis zur Durchführung des obigen Unterbrechungsbetriebes entspricht der Bezugs-EIN-Zeitdauer der vorliegenden Erfindung, die in dieser Ausführungsform 500 Mikrosekunden beträgt.

Dieser Unterbrechungsbetrieb ist in diesem Fall ein automatischer wiederherstellbarer Unterbrechungsbetrieb (im Folgenden manchmal als primärer Unterbrechungsbetrieb bezeichnet). Das heißt, das Rücksetzsignal RST1 wird ausgegeben, wenn der Zählwert der N-Bit-Zählerschaltung 70 aufgrund eines Überfließens auf Null initialisiert wird, und dann wird das Rücksetzsignal RST1 in der UND-Schaltung 75 aktiviert. Dadurch geht das RS-FF 74 in den Rücksetzzustand über, und stellt den leitenden Zustand des Leistungs-MOSFET 15 und des Erfassungs-MOSFET 16 wieder her.

Wenn die Last 50 in dem Kurzschlusszustand zu dem Zeitpunkt der Wiederherstellung des leitenden Zustands verbleibt, wird der oben beschriebene primäre Unterbrechungsbetrieb erneut durchgeführt, wenn die logische Schutzschaltung 40 das zweite Anomaliesignal SC empfängt. Daher gibt, wenn der Kurzschlusszustand nicht aufgelöst wird, das RS-FF 74 als ein Steuersignal S4 (mit einem Tastverhältnis von 5%) ein Signal eines hohen Pegels (d.h. ein Signal zum Einschalten des Leistungs-MOSFET 15 oder Ähnlichem in den leitenden Zustand) einer Zeitdauer (d.h. einer Pulsbreite) von 500 Mikrosekunden in einem 10-Millisekunden-Zyklus an das Gate G des Leistungs-MOSFET 15 und des Erfassungs-MOSFET 16 über die Ladungspumpschaltung 41 aus, wie es in 5(A) gezeigt ist, so dass der EIN-AUS-Betrieb erzwungenermaßen durchgeführt wird. Man beachte, dass die Zeitdauer, während der der obige primäre Unterbrechungsbetrieb durchgeführt wird, der Bezugs-AUS-Zeitdauer der vorliegenden Erfindung entspricht, was in der vorliegenden Ausführungsform 9,5 Millisekunden entspricht. Die Summe der obigen Bezugs-EIN-Zeitdauer und der Bezugs-AUS-Zeitdauer entspricht der oben beschriebenen Zykluszeit (d.h. 10 Millisekunden).

Die M-Bit-Zählerschaltung 71 zählt die Häufigkeit der erzwungenen EIN-AUS-Betriebe, d.h. die Häufigkeit des Überfließens in der N-Bit-Zählerschaltung 70, und gibt ein Signal eines hohen Pegels aus, wenn der Zählwert M erreicht. Dementsprechend deaktiviert die UND-Schaltung 75 das Rücksetzsignal RST1, so dass das RS-FF 74 nicht in den Rücksetzzustand übergeht, und zwar sogar dann, wenn die N-Bit-Zählerschaltung 70 danach überfließt. Der Unterbrechungsbetrieb ist in diesem Falle ein automatischer nicht wiederherstellbarer Unterbrechungsbetrieb (im Folgenden manchmal als ein sekundärer Unterbrechungsbetrieb bezeichnet).

<In dem Fall einer Überstromanomalie>

Wenn andererseits die logische Schutzschaltung 40 das erste Anomaliesignal OC empfängt, beginnt die N-Bit-Zählerschaltung 70 mit dem Aufwärtszählen, und wenn danach die N-Bit-Zählerschaltung 70 das Zählen von h Bit (d.h. 2 Millisekunden später) beendet und dann der Überstromzustand weiterhin fortbesteht, wird der obige primäre Unterbrechungsbetrieb durchgeführt. Danach wird das Rücksetzsignal RST1 ausgegeben, wenn die N-Bit-Zählerschaltung 70 überfließt und zu Null initialisiert wird. Danach geht das RS-FF 74 in den Rücksetzzustand über und stellt dadurch den leitenden Zustand des Leistungs-MOSFET 15 und des Erfassungs-MOSFET 16 wieder her. Wenn der Überstromzustand zum Zeitpunkt der Wiederherstellung des leitenden Zustands weiterhin andauert, wird der obige primäre Unterbrechungsbetrieb erneut durchgeführt, wenn die logische Schutzschaltung 40 das erste Anomaliesignal OC empfängt. Daher gibt, wenn der Überstromzustand nicht aufgelöst wird, das RS-FF 74 als ein Steuersignal S4 (mit einem Tastverhältnis von 20%) ein Signal eines hohen Pegels einer Zeitdauer (d.h. einer Pulsbreite) von 2 Millisekunden in einem 10-Millisekunden-Zyklus an das Gate G des Leistungs-MOSFET 15 und des Erfassungs-MOSFET 16 über die Ladungspumpschaltung 41 aus, wie es in 5(B) gezeigt ist, so dass der erzwungene EIN-AUS-Betrieb durchgeführt wird.

Außerdem zählt die M-Bit-Zählerschaltung 71 die Häufigkeit der erzwungenen EIN-AUS-Betriebe, d.h. die Häufigkeit des Überfließens in der N-Bit-Zählerschaltung 70auf ähnliche Weise und gibt ein Signal eines hohen Pegels aus, wenn der Zählwert M erreicht. Dementsprechend deaktiviert die UND-Schaltung 75 das Rücksetzsignal RST1, und dadurch wird der obige sekundäre Unterberechungsbetrieb durchgeführt, so dass das RS-FF 74 nicht in den Rücksetzzustand übergeht, und zwar sogar dann, wenn die N-Bit-Zählerschaltung 70 danach überfließt.

<Verfahren zum Bestimmen von Schwellenstromwerten und Tastverhältnissen>

Im Folgenden werden ein Verfahren zum Bestimmen eines ersten Schwellenstromwertes Ia und eines ersten Tastverhältnisses D (Da), die dem erzwungenen EIN-AUS-Betrieb für den Fall einer Überstromanomalie zugeordnet sind, und zum Bestimmen eines zweiten Schwellenstromwertes Ib und eines zweiten Tastverhältnisses D (Db), die dem erzwungenen EIN-AUS-Betrieb für den Fall einer Kurzschlussanomalie zugeordnet sind, erläutert.

6 ist ein Graph, der die Rauchemissionscharakteristika eines elektrischen Drahtes, der in einer externen Schaltung enthalten ist, die mit der Energieversorgungssteuerung 10 der vorliegenden Ausführungsform verbunden werden kann, darstellt. Dieser zeigt die Beziehung zwischen einer Zeit, die für das Beschichtungsmaterial des obigen elektrischen Drahtes zum Initiieren von Rauch benötigt wird, und einem Stromwert in dem Fall, in dem zeitweilig ein beliebiger konstanter Strom an den elektrischen Draht angelegt wird.

In dem Graphen stellt Istd den Nennstrom dar, und Io stellt den kritischen Gleichgewichtsstrom dar, der angelegt werden kann, während ein thermischer Gleichgewichtszustand aufrechterhalten wird, bei dem eine Wärmeerzeugung und eine Strahlung in dem elektrischen Draht ausgeglichen sind. Wenn ein Strom eines höheren Pegels als der kritische Gleichgewichtsstrom Io angelegt wird, betrifft dieses den überthermischen Widerstandsbereich, in dem der Strompegel und die Zeit bis zur Rauchemission im Wesentlichen eine umgekehrte Beziehung zueinander aufweisen. In dem Fall der vorliegenden Ausführungsform, bei der die Tastverhältnissteuerung, d.h. die erzwungene EIN-AUS-Steuerung des Leistungs-MOSFET 15 und Ähnlichem durchgeführt wird, wenn eine Stromanomalie erfasst wird, sollten die einzelnen Schwellenströme und Tastverhältnisse auf der Grundlage des obigen kritischen Gleichgewichtsstromes Io bestimmt werden, der dem thermischen Gleichgewichtszustand zugeordnet ist.

Der Gesamtwärmewert während der Zeit t1, die in dem Fall, in dem der kritische Gleichgewichtsstrom Io als ein konstanter Strom angelegt wird, benötigt wird, damit der elektrische Draht schmilzt, ist proportional zum Quadrat des kritischen Gleichgewichtsstromes Io. Der maximal erlaubte Strompegel Imax in dem Fall, in dem ein Strom mit einem Tastverhältnis D angelegt wird, kann entsprechend der folgenden Formel 1 bestimmt werden. Imax = Io/√D

Dann sollten der erste Schwellenstromwert Ia und der zweite Schwellenstromwert Ib für die Abnorm-Stromerfassungsschaltung 13 derart eingestellt werden, dass der Strom, der durch den Leistungs-MOSFET 15 fließt, gleich oder kleiner als der maximal erlaubte Strompegel Imax ist. Außerdem ist es in dem Fall, in dem ein Einschaltstromstoß durch die Last fließt, wünschenswert, die einzelnen Schwellenströme Ia, Ib auf einen größeren Wert als den Erfassungsstrom Is zum Zeitpunkt des Einschaltstromstoßes einzustellen. Zumindest der zweite Schwellenstromwert Ib sollte auf einen größeren Wert als ein Wert eingestellt werden, der dem Einschaltstromstoß entspricht. Im Hinblick dessen wird in der vorliegenden Ausführungsform das erste Tastverhältnis Da für die Überstromanomalie auf 20% eingestellt, und das Maximum des ersten Schwellenstromwertes Ia wird auf einen Wert eingestellt, der gleich oder kleiner als Imax ist, der gemäß der obigen Formel 1 hergeleitet wird. Außerdem wird das zweite Tastverhältnis Db für die Kurzschlussanomalie auf 5% eingestellt, und das Maximum des zweiten Schwellenstromwertes Ib wird auf einen Wert eingestellt, der gleich oder kleiner als Imax ist, der gemäß der obigen Formel 1 hergeleitet wird.

Außerdem wird sowohl für die Überstromanomalie als auch die Kurzschlussanomalie der Zyklus des erzwungenen EIN-AUS-Betriebes auf den selben Wert eingestellt, d.h. 10 Millisekunden, und dadurch kann der Aufbau der Zähler sehr einfach gestaltet werden. Außerdem werden der erste Schwellenstromwert Ia und der zweite Schwellenstromwert Ib derart eingestellt, dass der erste Schwellenstromwert Ia multipliziert mit dem ersten Tastverhältnis Da gleich dem zweiten Schwellenstromwert Ib multipliziert mit dem zweiten Tastverhältnis Db ist. Die Einstellung der einzelnen Tastverhältnisse wird durch Ändern der oben beschriebenen Bitzahlen k, h durchgeführt, die dem Ausgeben der Ausgangssignale S2, S8 der N-Bit-Zählerschaltung 70 zugeordnet sind.

Die Rauchemissionscharakteristika unterscheiden sich in Abhängigkeit von der externen Schaltung (einem Verdrahtungselement wie z. B. einem elektrischen Draht oder einer Last), die mit der Energieversorgungssteuerung 10 verbunden ist, so dass dementsprechend ein gewünschter Schwellenstrom unterschiedlich ist. Die Einstellung der Schwellenströme wird jedoch auf einfache Weise durch Ändern des Widerstandswertes der oben beschriebenen ersten externen Widerstände 12, 14 durchgeführt.

Der Zählwert M (Schwellenhäufigkeit) der M-Bit-Zählerschaltung 71 kann als die Schmelzzeit t1, die dem kritischen Gleichgewichtsstrom Io (konstanter Strom) zugeordnet ist, geteilt durch die Zykluszeit (d.h. die Summe der EIN-Zeitdauer und der AUS-Zeitdauer) des obigen erzwungenen EIN-AUS-Betriebes bestimmt werden. Somit sollte der Zählwert M derart bestimmt werden, dass die akkumulierte EIN-Zeitdauer des wiederholten erzwungenen EIN-AUS-Betriebes die obige Schmelzzeit t1 nicht überschreitet, die dem kritischen Gleichgewichtsstrom Io (konstanter Strom) zugeordnet ist.

Der erzwungene EIN-AUS-Betrieb wird somit in demselben Zyklus für die Überstromanomalie und die Kurzschlussanomalie mit den Tastverhältnissen (Da, Db) durchgeführt, die den Schwellenstromwert (Ia, Ib) der jeweiligen Stromanomalien entsprechen. Dadurch kann der sekundäre Unterbrechungsbetrieb auf der Grundlage des Zählwertes der gemeinsamen M-Bit-Zählerschaltung 71 bei jeder Stromanomalie durchgeführt werden. Somit beinhaltet die Energieversorgungssteuerung 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Selbstschutzfunktion zum Durchführen eines automatischen wiederherstellbaren primären Unterbrechungsbetriebes, wenn eine Stromanomalie erfasst wird, und außerdem eine Sicherungsfunktion (d.h. eine Schutzfunktion einer externen Schaltung) zum Durchführen eines automatischen nicht wiederherstellbaren sekundären Unterbrechungsbetriebes, bevor ein elektrischer Draht oder Ähnliches bei der Ansammlung von Wärme aufgrund der Stromanomalie durchbrennt.

Nachdem der automatische nicht wiederherstellbare sekundäre Unterbrechungsbetrieb durchgeführt ist, wird, wenn der Rücksetzschalter 52 einmal geöffnet und wieder geschlossen wird, das Rücksetzsignal RST2 in die M-Bit-Zählerschaltung 71 von einer Rücksetzsignalerzeugungsschaltung (nicht gezeigt), die in der Eingangs-I/F-Schaltung 45 angeordnet ist, eingegeben, und dadurch wird der Anfangszustand wieder hergestellt, so dass der Leistungs-MOSFET 15 in den leitenden Zustand zurückkehrt. Das heißt, die Eingangs-I/F-Schaltung 45 dient als eine Rücksetzschaltung zum Freigeben des Unterbrechungszustandes in der Lastschutzschaltung, der für das Halbleiterschaltelement relevant ist, so dass der leitende Zustand wieder hergestellt wird.

<Weitere Ausführungsformen>

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die in der obigen Beschreibung mit Bezug auf die Zeichnungen erläuterte Ausführungsform beschränkt, sondern es können beispielsweise die folgenden Ausführungsformen innerhalb des technischen Bereiches der vorliegenden Erfindung enthalten sein. Außerdem kann die vorliegende Erfindung in anderen verschiedenen modifizierten Formen als in den folgenden Formen ausgeführt sein, ohne von dem Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

  • (1) In der obigen Ausführungsform werden zwei Schwellenstromwerte Ia, Ib entsprechend zwei Arten von Stromanomalien (d.h. eine Kurzschlussanomalie und eine Überstromanomalie) bereitgestellt, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese Konstruktion beschränkt. Es können mehrere Schwellenstromwertpegel entsprechend einem oder mehr als zwei Typen von Stromanomalien bereitgestellt werden, so dass die einzelne Stromanomalie erfasst werden kann.
  • (2) In der obigen Ausführungsform werden die Werte des obigen Schwellenstromwertes multipliziert mit dem Tastverhältnis für die jeweiligen erzwungenen EIN-AUS-Betriebe zum Zeitpunkt der Kurzschlussanomalie und der Überstromanomalie als einander gleich eingestellt, und dadurch kann die Akkumulation zum Implementieren der Schutzfunktion einer externen Schaltung, (d.h. die Sicherungsfunktion) unter Verwendung einer einzigen M-Bit-Zählerschaltung 71 durchgeführt werden. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diesen Aufbau beschränkt. Die Dauer des erzwungenen EIN-AUS-Betriebes kann unabhängig auf der Grundlage des Schwellenstromwertes und des Tastverhältnisses für die jeweiligen Stromanomalien akkumuliert werden. In diesem Fall sollten mehrere Zähleinrichtungen, die als die M-Bit-Zählerschaltung 71 dienen, verwendet werden. Außerdem kann eine Akkumulation der Zeitdauer des erzwungenen EIN-AUS-Betriebes unter Verwendung einer Integrationsschaltung oder Ähnlichem implementiert werden.
  • (3) Es kann eine Ankündigungseinrichtung zum externen Angeben, dass der primäre Unterbrechungsbetrieb oder der sekundäre Unterbrechungsbetrieb durchgeführt wird, enthalten sein. Eine derartige Konstruktion kann beispielsweise durch Ausgeben eines Signals auf der Grundlage der Sourcespannung des Leistungs-MOSFET 15 oder des Erfassungs-MOSFET 16 implementiert werden. In diesem Fall sollte zusätzlich eine Signalleitung zum Ausgeben des Signals vorgesehen werden.
  • (4) In der obigen Ausführungsform wird unabhängig davon, ob der erzwungene EIN-AUS-Betrieb aufeinanderfolgend oder mit Unterbrechungen durchgeführt wird, die Zeitdauer (d.h. die Häufigkeit des Überfließens (Beendigung der N-Bit-Zählung) in der N-Bit-Zählerschaltung 70) für sämtliche erzwungenen EIN-AUS-Betriebe akkumuliert, und der sekundäre Unterbrechungsbetrieb wird durchgeführt, wenn die Summe die vorbestimmte Anhäufungs- bzw. Summenschwelle erreicht. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Konstruktion beschränkt. Der sekundäre Unterbrechungsbetrieb kann durchgeführt werden, wenn die aufeinanderfolgende Akkumulationszeitdauer (d.h. die Häufigkeit der aufeinanderfolgenden Beendigung der Zählung) der erzwungenen EIN-AUS-Betriebe, die ohne Unterbrechung durchgeführt werden, eine vorbestimmte Akkumulationsschwelle erreicht.
  • (5) Außerdem kann in einem Überstromzustand oder einem Kurzschlusszustand die Zeit zum Wiederherstellen des leitenden Zustands nach einem primären Unterbrechungsbetrieb konstant sein, ist aber nicht notwendigerweise konstant.
  • (6) In der obigen Ausführungsform wird die Konstantspannungsschaltung zum Erzeugen des Vorspannungsstromes Irb unter Verwendung der Zener-Diode implementiert, ist aber nicht auf diesen Aufbau beschränkt. Die konstante Spannung kann unter Verwendung einer als die Diode geschalteten FET erzeugt werden, d.h. eines FET, der eine gemeinsame Verbindung zwischen seinem Gate und Drain aufweist. In diesem Fall kann eine niedrigere Spannung (d.h. ein kleinerer Vorspannungsstrom Irb) erhalten werden.
  • (7) In der obigen Ausführungsform wird der Erfassungs-MOSFET 16 als die Stromerfassungseinrichtung verwendet. Es ist jedoch nicht notwendig, den Betrag des Stromes, der durch den Halbleiterschalter fließt, direkt zu erfassen, sondern er kann stattdessen indirekt erfasst werden. Beispielsweise können die folgenden Konstruktionen (a)-(c) enthalten sein:

    (a) eine Konstruktion, bei der ein Shunt-Widerstand, der mit dem Ausgang des Halbleierschalters verbunden ist, vorgesehen ist und der Strombetrag des Halbleiterschalters auf der Grundlage der Lastspannung über dem Shunt-Widerstand erfasst wird;

    (b) eine Konstruktion, bei der der Strombetrag des Halbleiterschalters auf der Grundlage des Spannungspegels an dem Ausgangsanschluss (beispielsweise der Sourceelektrode in dem Fall des MOSFET) des Halbleiterschalters erfasst wird; und

    (c) eine Konstruktion, bei der der Strombetrag des Halbleiterschalters auf der Grundlage des EIN-Widerstands bzw. Durchlasswiderstands (beispielsweise dem Drain-zu-Source-Widerstandswert in dem EIN-Zustand in dem Fall des MOSFET) des Halbleiterschalters erfasst wird.

Zusammenfassung ENERGIEVERSORGUNGSSTEUERUNG

In einer Energieversorgungssteuerung 10, die einen Selbstschutzmechanismus zum intermittierenden oder periodischen Durchführen eines erzwungenen EIN-AUS-Betriebes aufweist, der bewirkt, dass ein Leistungs-MOSFET 15 einen automatischen wiederherstellbaren primären Unterbrechungsbetrieb und einen Wiederherstellungsbetrieb durchführt, wenn eine Überstromanomalie oder eine Kurzschlussanomalie erfasst wird, wird ein automatischer nicht wiederherstellbarer sekundärer Unterbrechungsbetrieb durchgeführt, wenn die akkumulierte Zeitdauer des erzwungenen EIN-AUS-Betriebes eine Akkumulationsschwelle erreicht.


Anspruch[de]
Energieversorgungssteuerung, die zwischen einer Energiequelle und einer Last zum Steuern einer Energieversorgung von der Energiequelle zur Last angeordnet ist, und die aufweist:

ein Halbleiterschaltelement, das in einem Strompfad von der Energiequelle zur Last angeordnet ist,

ein Stromerfassungselement zum Erfassen eines Stromes, der durch das Halbleiterschaltelement fließt,

eine Abnorm-Stromerfassungsschaltung zum Verarbeiten eines Signals von dem Stromerfassungselement und zum entsprechenden Ausgeben eines Abnorm-Stromsignals, wenn der Strom, der durch das Halbleiterschaltelement läuft, einen vorbestimmten Schwellenstrom überschreitet,

eine Überstromschutzschaltung zum Bewirken unter einer Bedingung, dass eine Zeit, die seit der Ausgabe des Abnorm-Stromsignals verstrichen ist, eine vorbestimmte Bezugs-EIN-Zeitdauer erreicht, dass das Halbleiterschaltelement einen Unterbrechungsbetrieb mit einer vorbestimmten Bezugs-AUS-Zeitdauer durchführt und danach einen leitenden Zustand wieder herstellt,

eine Lastschutzschaltung zum Messen einer akkumulierten Zeit einer Summe der Bezugs-EIN-Zeitdauer und der Bezugs-AUS-Zeitdauer oder einer Häufigkeit der Unterbrechungsbetriebe, die der Wiederholung der Unterbrechung und Wiederherstellung des Halbleiterschaltelementes aufgrund der Überstromschutzschaltung zugeordnet ist, und zum Bewirken, dass das Halbleiterschaltelement einen Unterbrechungsbetrieb unter der Bedingung durchführt, dass die Messung einen vorbestimmten Wert erreicht, und

eine Rücksetzschaltung zum Freigeben eines Unterbrechungszustandes des Halbleiterschaltelementes aufgrund der Lastschutzschaltung auf der Grundlage eines externen Signals und dadurch zum Wiederherstellen eines leitenden Zustands.
Energieversorgungssteuerung nach Anspruch 1, wobei

das Halbleiterschaltelement ein Leistungs-FET ist,

das Stromerfassungselement ein Erfassungs-FET ist, durch den ein Erfassungsstrom, der eine vorbestimmte Beziehung zu einem Laststrom aufweist, der durch den Leistungs-FET fließt, fließt, und

die Abnorm-Erfassungsschaltung ausgelegt ist, eine Anomalie eines Stromes, der den Leistungs-FET durchläuft auf der Grundlage des Erfassungsstromes und des vorbestimmten Schwellenstromes zu erfassen.
Energieversorgungssteuerung nach Anspruch 2, wobei zwei externe Anschlüsse zum Verbinden eines externen Widerstandes vorgesehen sind, wobei der Schwellenstrom in der Abnorm-Stromerfassungsschaltung in Abhängigkeit von dem externen Widerstand bestimmt wird. Energieversorgungssteuerung nach Anspruch 3, wobei einer der externen Anschlüsse zum Verbinden des externen Widerstandes mit einem lastseitigen Ausgangsanschluss zum Verbinden des Leistungs-FET mit einer Last gemeinsam ist, und ein Strom entsprechend einem Potential an dem lastseitigen Ausgangsanschluss an den anderen der externen Anschlüsse angelegt wird, so dass sich der Schwellenstrom in Abhängigkeit von einem Potential an dem lastseitigen Ausgangsanschluss ändert. Energieversorgungssteuerung nach Anspruch 4, wobei mehrere Schwellenströme unterschiedlicher Werte in der Abnorm-Stromerfassungsschaltung eingestellt werden, und die Bezugs-EIN-Zeitdauer in der Überstromschutzschaltung entsprechend einem größeren Schwellenstrom als kleiner eingestellt wird. Energieversorgungssteuerung nach Anspruch 5, wobei eine Zykluszeit, die benötigt wird, um das Halbleiterschaltelement als Antwort auf die Ausgabe des Abnorm-Stromsignals zu unterbrechen und diese anschließend wieder in den leitenden Zustand zu bringen, unabhängig von einem Wert des Schwellenstromes gleich eingestellt wird. Energieversorgungssteuerung nach Anspruch 6, wobei der Leistungs-FET, der Erfassungs-FET und die Abnorm-Stromerfassungsschaltung in einem einzelnen Chip oder in mehreren Chips, die in einem Gehäuse untergebracht sind, aufgebaut sind. Energieversorgungssteuerung nach Anspruch 7, wobei die Überstromschutzschaltung, die Lastschutzschaltung und die Rücksetzschaltung auf dem einzelnen Chip oder mehreren Chips, die in einem Gehäuse untergebracht sind, aufgebaut sind.






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