專利名稱：負載電路保護裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種負載電路保護裝置，其保護利用設置在直流電源與負載之間的半導體開關來控制負載的驅動和停止的負載電路免受過電流。
背景技術：
例如，通過由諸如MOSFET的半導體開關的導通和關斷操作來調節(jié)來自電池的直流電壓，控制諸如要安裝在車輛上的電動窗驅動電機或燈這樣的負載的驅動和停止。在這種負載電路中，為了在發(fā)生過電流時保護負載電路，提前設定閾值電流并且設置當電流超過該閾值電流時關斷半導體開關的保護裝置。此外，當半導體開關導通之后即刻產生的涌流達到閾值電流時，半導體開關可能會錯誤地關斷。從而，例如像 JP-A-11-51983(專利文獻1)中所描述的，已經提出了通過將閾值電流設定為高的電流值來防止在半導體開關導通之后該半導體開關的錯誤關斷。根據專利文獻1，在負載電路中設置分流電阻器，然后將該分流電阻器處的電壓與提前設定的閾值電壓(與閾值電流對應的電壓)相比較，并且判定當分流電阻器處產生的電壓高于閾值電壓時的電流是過電流，從而關斷半導體開關。此外，專利文獻1公開了在導通半導體開關后即刻，將電容器中積蓄的電荷施加到閾值電壓以將閾值電壓設定為比通常值更高，從而防止半導體開關由于涌流而錯誤關斷。即，即使當產生涌流而使分流電阻器處的電壓升高時，由于將半導體開關導通后即刻的閾值電壓設定為高，所以也能夠防止分流電阻處的電壓超過閾值電壓，從而能夠防止半導體開關的錯誤關斷。根據專利文獻1所描述的技術，盡管能夠防止由于半導體開關導通之后即刻產生的涌流而引起的半導體開關的錯誤關斷，但是，存在當半導體開關導通之后發(fā)生完全短路并且過電流流動時，半導體開關不能立即關斷的問題。即，由于在半導體開關導通后即刻， 閾值電壓(閾值電流)被設定為比通常的閾值高，所以花費長時間判定出過電流。從而，引起了諸如電線和半導體開關的電路元件在直到判斷出過電流為止的期間內過熱的問題。此外，由于存在多個負載設置在半導體開關的下游側，并且為多個負載分別設置獨立的開關的情況。在這種情況下，即使在半導體開關導通并且在一定時間經過之后電流變得穩(wěn)定的情況下，當設置在下游側的開關接通時，涌流也會再次流動。從而，引起了當涌流超過閾值電流時半導體開關錯誤關斷的問題。引用列表專利文獻專利文獻1JP-A-11-5198
發(fā)明內容
技術問題如上所述，專利文獻1中公開的現有技術的實例設置成通過將在半導體開關導通后即刻的閾值電流設定為高的來防止由于涌流而引起的半導體開關的錯誤關斷。從而，存在當半導體開關導通后即刻由于完全短路等而產生過電流的時候花費長時間判定出過電流的問題。此外，當多個負載設置在半導體開關的下游側上并且對多個負載分別設置獨立的開關的時候，在開關接通時涌流流入半導體開關中。從而，引起了半導體開關由于涌流而錯誤關斷的問題。為了解決現有技術的這種問題而進行了本發(fā)明，并且本發(fā)明的目的是提供一種用于負載電路的保護裝置，其能夠區(qū)分負載處產生的過電流以及在半導體開關導通或用于驅動設置在該半導體開關的下游側上的負載的開關接通的時候所產生的涌流，并且能夠在僅僅產生過電流時立即關斷半導體開關以從而保護負載電路。問題的解決方案為了實現上述目的，根據本發(fā)明，提供一種用于保護包含直流電源、半導體開關和負載的負載電路的負載電路保護裝置，該負載電路保護裝置包括電流檢測部，該電流檢測部檢測流經所述半導體開關的電流；電壓檢測部，該電壓檢測部檢測在連接于所述直流電源與所述半導體開關之間的電線處產生的電壓；閾值電流調節(jié)部，該閾值電流調節(jié)部根據由所述電壓檢測部檢測出的電壓來調節(jié)用于判定過電流是否流經所述負載電路的閾值電流；關斷控制部，該關斷控制部判定由所述電流檢測部檢測到的電流是否達到所述閾值電流，并且當判定所述檢測到的電流達到所述閾值電流的時候輸出關斷信號；以及驅動控制部，該驅動控制部基于外部輸入信號來切換所述半導體開關的導通/關斷狀態(tài)，并且當向該驅動控制部提供關斷信號的時候關斷所述半導體開關。優(yōu)選，當由所述電壓檢測部檢測到的電壓降低的時候，所述閾值電流調節(jié)部根據由所述電壓檢測部檢測出的電壓的降低來使閾值電流減小。優(yōu)選，所述閾值電流調節(jié)部針對由所述電壓檢測部檢測到的電壓來設定上限電壓和下限電壓，并且在所述上限電壓與所述下限電壓之間的電壓區(qū)域中，所述閾值電流調節(jié)部以線性函數的方式來調節(jié)閾值電流，并且在低于等于所述下限電壓的電壓區(qū)域中以及在高于等于所述上限電壓的區(qū)域中，所述閾值電流調節(jié)部使閾值電流維持在恒定值。發(fā)明的有益效果在根據本發(fā)明的負載電路保護裝置中，電流檢測裝置檢測流經半導體開關的電流，并且在檢測電流達到提前設定的閾值電流的情況下，該半導體開關關斷，從而保護負載電路以免過熱。此外，檢測連接在直流電源與半導體開關之間的電線上的電壓，并且根據該電壓來調節(jié)閾值電流。例如，當檢測電壓降低時，使閾值電流減小。從而，在負載電路中發(fā)生完全短路的情況下，檢測電流突然增大，并且在連接于直流電源與半導體開關之間的電線處產生反電動勢，從而閾值電流減小。因此，檢測電流在較早的時間點處達到閾值電流， 因而能夠使半導體開關關斷。此外，在由于半導體開關導通或者設置在該半導體開關下游側上的開關接通而產生涌流的情況下，盡管閾值電流減小，但是由于電流減小的量小，所以檢測電流不會達到閾值電流。從而，能夠防止因開關偶然的接通/斷開操作引起的涌流而導致的半導體開關的錯誤關斷。


圖1是示出了具有根據本發(fā)明的實施例的負載電路保護裝置的負載電路的構造的框圖。圖2是示出了根據本發(fā)明的實施例的負載電路保護裝置中的閾值電流調節(jié)部的構造的電路圖。圖3是示出了在根據本發(fā)明的實施例的負載電路保護裝置中的閾值電流調節(jié)部中所設定的電壓與閾值電流之間關系的特性圖。圖4是示出了根據本發(fā)明的實施例的負載電路保護裝置中的檢測電流和閾值電流的特性圖。圖5是示出了根據本發(fā)明的實施例的負載電路保護裝置中的檢測電流和閾值電流的特性圖。參考標記列表
1負載電路
11半導體開關
12a至12c負載
13a、13b 開關
14電壓計
15電流計
16驅動電路
17控制電路
21閾值電流調節(jié)部
ANDl邏輯電路
CMPl比較器
具體實施例方式下文中，將基于附圖來詳細說明本發(fā)明的實施例。圖1是示出了具有根據本發(fā)明的實施例的負載電路保護裝置的負載電路的構造的電路圖。如圖1所示，負載電路1例如是用于控制諸如安裝在車輛上的燈、電機這樣的負載1 至12c的驅動的電路。在負載電路1中，諸如MOSFET這樣的半導體開關11設置在安裝于車輛上的電池(直流電源)VB與各負載1 至12c之間，從而通過控制半導體開關11的導通/關斷操作來控制每個負載1 至12c的驅動和停止。此外，由于開關13a、13b分別設置在負載12a、12b的上游側，所以能夠獨立地操作各個負載1 和12b的驅動和停止。用于檢測電線上一點處的電壓的電壓計14(電壓檢測部)設置在該連接于電池 VB與半導體開關11之間的電線上。此外，用于檢測流經半導體開關11的電流的一電流計 15 (電流檢測部)設置在連接于半導體開關11與各個負載1 至12c之間的電線上。由電壓計14檢測出的電壓信號和由電流計15檢測出的電流信號都被輸出到控制電路17?？刂齐娐?7包括決定閾值電流(后文中稱為Iref)的閾值電流調節(jié)部21，該閾值電流用于基于從電壓計14輸出的電壓信號來判定是否產生過電流；比較器CMPl (關斷控制部)，用于將由閾值電流調節(jié)部21決定的閾值電流Iref與由電流計15檢測出的檢測電流(后文中稱為II)相比較；以及邏輯電路AND1，用于切換半導體開關11的導通/關斷狀態(tài)的外部信號輸入到該邏輯電路AND1。電流計15利用電流傳感器或分流電阻器來檢測流經半導體開關11的電流。此外， 在采用具有電流傳感功能的半導體開關的情況下，可以直接從半導體開關提取電流信號。邏輯電路ANDl的輸出信號被輸出到用于控制半導體開關11的導通/關斷操作的驅動電路(驅動控制部)16。比較器CMPl在其正極側輸入端子處被提供有閾值電流Iref，而且在其負極側輸入端子處被提供有檢測電流II。當檢測電流Il超過閾值電流Iref時，比較器CMPl的輸出信號從高電平改變?yōu)榈碗娖健ｉ撝惦娏髡{節(jié)部21基于由電壓計14檢測出的電壓(該電壓稱為Vd)來調節(jié)閾值電流Iref。圖2是示出了閾值電流調節(jié)部21的構造的電路圖。如圖2所示，閾值電流調節(jié)部21包括具有電阻器R1、二極管D2和電阻器R2、R3的串聯(lián)電路，其中電壓Vd被提供到作為電阻器Rl的一端的點pl，并且電阻器R3的一端接地。作為二極管D2與電阻器R2之間的連接點的點P4經由二極管D2而連接于下限電壓Vmin所輸出到的點p2。此外，點p4經由穩(wěn)壓二極管ZDl接地。此外，電阻器R2與R3之間的連接點形成為用于閾值電流信號的輸出點P3。根據上述構造，如圖2所示，當電壓Vd提供到點pl并且用于判定下限電壓的下限電壓Vmin (例如，5 [V])提供到點p2的時候，在點p3處產生電壓作為閾值電流信號。該閾值電流信號如圖1所示輸出到比較器CMP1。將參考圖3所示的特性圖來詳細說明該操作。在電壓Vd小于等于下限電壓Vmin的情況下，由于通過下限電壓Vmin來控制點p4 處的電壓，所以點p4處的電壓成為恒定值Vmin。結果，點p3處的電壓例如成為4[V]的恒定值。由于使得電壓4[V]與閾值電流30[A]對應，所以最小閾值電流成為30[A](圖3中的gl區(qū)域)。當電壓Vd變得高于下限電壓Vmin時，點p3處產生的電壓升高。S卩，點p3處產生的電壓以線性函數的方式隨著電壓Vd的升高而升高(圖3中的g2區(qū)域)。然后，當電壓 Vd達到作為穩(wěn)壓二極管ZDl的設定電壓的上限電壓Vmax(例如，20[V])時，點p4處的電壓變?yōu)樯舷揠妷篤max的恒定值。結果，點p3處的電壓變?yōu)槔?6[V]的恒定值。由于使得電壓16[V]與閾值電流90[A]對應，所以最大閾值電流為90[A](圖3中的g3區(qū)域)。如上所述，閾值電流調節(jié)部21能夠基于由電壓計14檢測出的電壓而在從30至 90[A]的范圍內調節(jié)閾值電流。在電壓Vd為小于等于下限電壓Vmin的情況下，通過將閾值電流Iref設定為恒定值，能夠防止半導體開關11由于通常時候的電壓波動或噪聲引起的錯誤關斷。此外，通過將上限電壓Vmax設定為小于等于半導體開關11的耐電壓的電壓，在發(fā)生完全短路的時候能夠保護半導體開關11。盡管針對閾值電流調節(jié)部21具有如圖2所示的構造的實例進行了說明，但是本發(fā)明不限于此，而是該閾值電流調節(jié)部21可以通過利用微機或IC(集成電路)以軟件構造。接下來，將參考圖4所示的特性圖針對根據本實施例的負載電路保護裝置的操作進行說明。在圖4中，曲線Sl是示出了流經半導體開關11的電流的變化的特性圖，即，由電流計15檢測出的電流的變化的特性圖；曲線S2是示出了由電壓計14檢測出的電壓Vd的變化的特性圖；并且曲線S3是示出了在閾值電流調節(jié)部21處設定的閾值電流的變化的特性圖。此外，曲線S4是示出了采用現有技術時的閾值電流的變化的特性圖。當圖1所示的各個開關13a、13b處于斷開狀態(tài)下ON信號輸入到控制電路17的時候，比較器CMPl的輸出變?yōu)楦唠娖剑赃壿嬰娐稟NDl的輸出變?yōu)楦唠娖?。響應于該高電平信號，驅動電?6導通半導體開關11。然后，當在圖4所示的時間點t0時導通半導體開關11時，電流流入負載12c。此時，由于產生涌流，所以檢測電流Il (曲線Si)如圖4中的符號ql所示突然增大。隨著該電流增大，由于在半導體開關11與電池VB之間的電線中存在電感元件，而在半導體開關11與電池VB之間的電線處產生了反電動勢，所以電壓Vd(曲線S2)降低。閾值電流Iref (曲線S3)根據該電壓降低而減小。在該情況下，由于閾值電流Iref的減小量不變大，所以檢測電流Il不會超過閾值電流Iref，從而比較器CMPl的輸出信號維持高電平。即，維持半導體開關的導通狀態(tài)。而后，由曲線Sl所示的檢測電流Il 減小至正常電流。隨著該電流減小，由于電壓Vd也升高至正常電壓，所以閾值電流Iref返回到正常值。而后，當在時間點tl時在負載電路1中發(fā)生完全短路(例如電池VB與地之間的直接短路的故障)的時候，檢測電流11(曲線Si)突然增大，進而隨著該電流增大而產生過大的反電動勢。從而，電壓Vd(曲線S2)突然減小，而且閾值電流Iref (曲線S3)以同樣的方式突然減小。結果，由于檢測電流Il在時間點t3時超過了閾值電流Iref，所以向比較器CMPl的負極側輸入端子提供的信號超過向其正極側輸入端子提供的信號，從而比較器 CMPl的輸出信號改變?yōu)榈碗娖?。結果，由于邏輯電路ANDl的輸出信號改變?yōu)榈碗娖?，所以驅動電?6使半導體開關11關斷。從而，當在負載電路1中發(fā)生完全短路時，由于半導體開關11能夠在時間點t3 時關斷，所以能夠防止構成負載電路1的半導體開關11和諸如電線這樣的各種構成元件過熱。此外，當與由現有技術的實例所示的曲線S4所表示的閾值電流相比的時候，在現有技術實例的情況下，檢測電流Il在時間點t4時超過閾值電流。然而，當采用根據本實施例的負載電路保護裝置的時候，可以理解的是，在發(fā)生完全短路時，半導體開關11能夠在更早的時間點時關斷。接下來，將參考圖5所示的特性圖，對于在半導體開關11導通并且涌流減小而成為正常電流之后使開關13a或1 接通的情況進行說明。在圖5中，曲線Sll是示出了流經半導體開關11的電流的變化的特性圖，即，由電流計15檢測出的電流的變化的特性圖； 曲線S12是示出了由電壓計14檢測出的電壓Vd的變化的特性圖；并且曲線S13是示出了在閾值電流調節(jié)部21處設定的閾值電流Iref的變化的特性圖。此外，曲線S14是示出了采用現有技術時的閾值電流的變化的特性圖。如圖5所示，當半導體開關11在時間點tlO時導通并且電流減小至正常電流之后使開關13a在時間點til時接通的時候，如符號qll所示再次產生涌流，并且檢測電流 Il (曲線Sll)增大。然而，像前述的半導體開關11導通的情況那樣，盡管閾值電流Iref (曲線Si； )減小，但是檢測電流Il不會超過閾值電流Iref，從而能夠維持半導體開關11的導通狀態(tài)。即，當在半導體開關11處于導通狀態(tài)的情況下設置在該半導體開關11的下游側上的開關13a接通的時候，能夠防止半導體開關11的錯誤關斷。
將針對由作為現有技術實例的曲線S14所示的閾值電流進行比較。在現有技術實例的情況下，如曲線S14所示，閾值電流從半導體開關11導通的時間點tlO逐漸減小，并且在由符號qll所示的時間點時變成低于檢測電流II。從而，當設置在半導體開關11的下游側上的開關13a接通時，半導體開關11由于涌流將會錯誤關斷。換言之，通過采用根據本實施例的保護裝置，能夠確定地防止半導體開關11由于設置在該半導體開關11的下游側上的開關的操作而錯誤關斷。以這種方式，在根據本實施例的負載電路保護裝置中，檢測電池VB與半導體開關 11之間的電線上任意點處產生的電壓Vd，然后根據該電壓Vd來調節(jié)閾值電流Iref，并且當檢測電流Il超過閾值電流Iref時半導體開關11關斷。當發(fā)生完全短路時，由于產生了過大的反電動勢，所以電壓Vd很大程度地降低，因而閾值電流Iref也很大程度地減小。從而，半導體開關11能夠在更早的時間點時關斷。此外，盡管在半導體開關11的導通之后即刻由于涌流而產生反電動勢，但是由于閾值電流Iref的減小量不很大，所以檢測電流Il不會超過閾值電流Iref。從而，能夠防止半導體開關11由于涌流而錯誤關斷。此外，在半導體開關11導通之后立即發(fā)生完全短路的情況下，半導體開關11能夠立即關斷。此外，即使在半導體開關11導通之后設置在下游側的上的各個開關13a、i;3b接通并且電流變得穩(wěn)定的情況下，由于此時產生的涌流不超過閾值電流Iref，所以能夠避免半導體開關11的錯誤關斷。盡管基于附圖所示的實施例說明了根據本發(fā)明的負載電路保護裝置，但是本發(fā)明不限于此，并且各個部分的構造可以分別由具有同樣功能的任意構造來代替。例如，盡管針對用于保護安裝在車輛上的負載電路的保護裝置說明了實施例，但是本發(fā)明不限于此。此外，盡管針對在半導體開關11的下游側上設置三個負載1 至12C 的情況說明了實施例，但是本發(fā)明不限于此，并且負載的數量可以是1、2或4個以上。盡管參考特定實施例詳細說明了本發(fā)明，但是對于本領域技術人員來說顯而易見的是，在不脫離本發(fā)明的精神、范圍和意圖的情況下，可以進行各種改變和修改。本發(fā)明基于2008年12月沈日提交的日本專利申請(日本專利申請 No. 2008-334807)，其內容通過引用結合于此。工業(yè)實用性為了在負載電路中發(fā)生完全短路時立即關斷半導體開關從而保護電路以免過熱， 本發(fā)明是相當有用的。
權利要求
1.一種用于保護包含直流電源、半導體開關和負載的負載電路的負載電路保護裝置， 該負載電路保護裝置包括電流檢測部，該電流檢測部檢測流入所述半導體開關的電流；電壓檢測部，該電壓檢測部檢測在連接于所述直流電源與所述半導體開關之間的電線處產生的電壓；閾值電流調節(jié)部，該閾值電流調節(jié)部根據由所述電壓檢測部檢測到的電壓來調節(jié)用于判定過電流是否流入所述負載電路的閾值電流；關斷控制部，該關斷控制部判定由所述電流檢測部檢測到的電流是否達到所述閾值電流，并且當判定所述檢測到的電流達到所述閾值電流的時候輸出關斷信號；以及驅動控制部，該驅動控制部基于外部輸入信號來切換所述半導體開關的導通/關斷狀態(tài)，并且當關斷信號被提供到該驅動控制部的時候關斷所述半導體開關。
2.根據權利要求1所述的負載電路保護裝置，其中，當由所述電壓檢測部檢測到的電壓降低的時候，所述閾值電流調節(jié)部根據由所述電壓檢測部檢測出的該電壓的降低來使閾值電流減小。
3.根據權利要求2所述的負載電路保護裝置，其中，所述閾值電流調節(jié)部針對由所述電壓檢測部檢測到的電壓來設定上限電壓和下限電壓，并且在所述上限電壓與所述下限電壓之間的電壓區(qū)域中，所述閾值電流調節(jié)部以線性函數的方式來調節(jié)閾值電流，并且在低于等于所述下限電壓的電壓區(qū)域中以及在高于等于所述上限電壓的區(qū)域中，所述閾值電流調節(jié)部使閾值電流維持在恒定值。
全文摘要
提供一種用于負載電路的保護裝置，該負載電路保護裝置能夠將負載處產生的過電流以及在半導體開關或設置在該半導體開關的下游側上的開關接通的時候所產生的涌流相互區(qū)分開，并且能夠僅當產生過電流時關斷半導體開關以從而保護負載電路。利用比較器(CMP1)相互比較由電流計(15)檢測到的檢測電流(I1)與提前設定的閾值電流，并且在檢測電流(I1)達到閾值電流(Iref)時，半導體開關(11)關斷從而保護電路。此外，測量連接在電池(VB)與半導體開關(11)之間的電線上的電壓(Vd)，并且在產生反電動勢并且電壓(Vd)降低的情況下，閾值電流(Iref)減小。從而，在發(fā)生完全短路時，檢測電流(I1)立即達到閾值電流(Iref)從而關斷半導體開關(11)，并且在產生涌流時，由于檢測電流(I1)沒有達到閾值電流(Iref)，所以能夠防止產生錯誤的關斷。
文檔編號H02H3/087GK102265475SQ20098015217
公開日2011年11月30日 申請日期2009年12月24日 優(yōu)先權日2008年12月26日
發(fā)明者上田圭祐, 中村吉秀, 丸山晃則 申請人:矢崎總業(yè)株式會社