專利名稱：半導(dǎo)體開關(guān)控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在DC電源和負載之間提供的半導(dǎo)體開關(guān)的控制電路，用于保護用于接通/斷開負載的半導(dǎo)體開關(guān)，以防止短路電流。更具體地，本發(fā)明涉及一種技術(shù)，在相對于相同的DC電源提供了多個負載和多個半導(dǎo)體開關(guān)的情況中，其能夠指定其中發(fā)生短路/接地事件的電路，并且能夠切斷該指定的電路。
通過將來自用作DC電源的電池的DC電壓施加到固有負載，驅(qū)動負載(用電器具)，諸如例如，安裝在車輛上的用于驅(qū)動電動窗戶的電機或者燈。在該情況中，接通/斷開在負載和電池之間提供的諸如MOSFET等的半導(dǎo)體開關(guān)，由此控制該負載，以便于驅(qū)動/停止該負載。
而且，在車輛上安裝了過流保護裝置的情況中，當(dāng)過電流流過半導(dǎo)體開關(guān)時，過流保護裝置立刻斷開半導(dǎo)體開關(guān)，用于保護電路和負載。該過流保護裝置了解自例如JP-A-2000-253560。
圖6是用于說明JP-A-2000-253560中所述過流保護裝置的配置的電路圖。如圖6所示，該過流保護裝置具有兩組N型MOSFET TA和N型MOSFET TB作為半導(dǎo)體開關(guān)，其構(gòu)成了多源極FET。各自MOSFETTA和TB的漏極連接到DC電源VB的正端子。
而且，MOSFET TA的源極經(jīng)由負載(RL)連接到DC電源VB的負端子(地)。另一方面，MOSFET(TB)的源極經(jīng)由電阻器Rr接地。過渡部件電阻器R10與電阻器Rr并聯(lián)配置，以便于適當(dāng)?shù)亟邮芾擞侩娏?。該浪涌電流是在加載燈時的過渡條件過程中生成的。
而且，該過流保護裝置具有比較器CMP10以及在該比較器CMP10的輸出端側(cè)提供的鎖存器DF100。比較器CMP10比較MOSFET TA的源極電壓VSA和MOSFET TB的源極電壓VSB的電壓電平。鎖存器DF100的輸出端子連接到“與”電路AND100的一個輸入端子。
而且，該過流保護裝置具有開關(guān)SW100和電阻器R102，其被用于以便于使MOSFET TA和TB導(dǎo)通/截止。開關(guān)SW100一側(cè)的端子連接到電源VB，而開關(guān)SW100的另一側(cè)的端子，即開關(guān)SW100的另一端子和電阻器R102之間的連接點，連接到“與”電路AND100的另一輸入端子。
“與”電路AND100的輸出端子連接到驅(qū)動電路100，并且該驅(qū)動電路100的輸出端子經(jīng)由電阻器R100連接到MOSFET TA的柵極和MOSFET TB的柵極。
過渡部件電阻器R10連接到過流保護裝置的電路并維持浪涌電流流過負載RL的時間，即僅維持自開關(guān)SW100接通時刻起的預(yù)定的持續(xù)時間，隨后，其從該電路切斷。當(dāng)開關(guān)SW100斷開時重置鎖存器DF100，并且該鎖存器DF100的輸出信號變?yōu)镠電平。
下面，現(xiàn)將解釋過流保護裝置的操作。由于當(dāng)開關(guān)SW100接通時，“與”電路AND100的兩個輸入信號變?yōu)镠電平，因此“與”電路AND100的輸出信號變?yōu)镠電平，并且驅(qū)動電路100向多源極FET的柵極“G”(即各自MOSFET TA和TB的共用柵極)提供電荷泵電壓。
結(jié)果，各自MOSFET TA和TB被帶入“導(dǎo)通”狀態(tài)，負載電流“ID”流過MOSFET TA，同時基準(zhǔn)電流“Iref”流過MOSFET TB。
在該情況中，MOSFET TB被設(shè)置為具有與MOSFET TA相同的特性，并且，通常地，MOSFET TB的溝道寬度被設(shè)置為MOSFET TA的溝道寬度的1/1000～1/2000。因而，假設(shè)(TA的溝道寬度)/(TB的溝道寬度)＝n，則“n”近似等于1000～2000。然后，假設(shè)MOSFET TA和TB的源極電壓是“VSA”和“VSB”，當(dāng)VSA＝VSB時，負載電流ID被定義為ID＝n*Iref。
電壓VSA的量值取決于負載電阻器RL的電阻，而電壓VSB的量值取決于電阻器Rr，或者取決于由電阻器Rr和過渡部件電阻器R10構(gòu)成的組合并聯(lián)電阻。在配線和負載被設(shè)置為正常條件的條件下，電阻器Rr和過渡部件電阻器R10被設(shè)置為，在計入浪涌電流流過時間周期時VSA＞VSB。結(jié)果，比較器CMP10的輸出信號在正常條件下保持在L電平。
此時，當(dāng)連接在MOSFET TA和負載RL之間的配線由于某些原因短路/接地時，MOSFET TA的漏極電流ID迅速增加，并且因此MOSFET TA的源極電壓VSA變得小于MOSFET TB的源極電壓VSB，由此比較器10的輸出信號(L電平)變化為H電平，而且，鎖存器DF100的輸出信號(H電平)切換到L電平。結(jié)果，“與”電路AND100的輸出信號變?yōu)長電平，驅(qū)動電路100的輸出端子側(cè)接地，而且，多源極FET的柵極G經(jīng)由電阻器R100接地，由此MOSFET TA和TB變?yōu)榻刂?。因而，流過MOSFET TA的短路電流被切斷，由此可以保護配線和MOSFET TA。
圖7是用于表示下述情況中的電流ID變化的特性圖，其中當(dāng)未流過浪涌電流時，即在正常條件下設(shè)置負載RL時，MOSFET TA和負載RL之間的配線被短路接地。
如圖7所示，當(dāng)正常條件下的負載電流ID流過過流保護裝置的電路時，如果短路/接地事件在指定為點A1的時刻發(fā)生，則電流ID開始迅速增加。假設(shè)流過電流ID的配線的電阻等于“Rw”，該配線的電感是“Lw”，則MOSFET TA的漏源電阻是“RonA”，電源電壓是“VB”，并且電源的內(nèi)阻是“Rbatt”，發(fā)生短路時流過的電流ID基于時間常數(shù)“τ1”的指數(shù)函數(shù)曲線增加，該指數(shù)函數(shù)曲線由下文所述式(2)表示，而由下文所述式(1)表示的電流值“ID1”被定義為目標(biāo)值。
ID1＝VB/(RonA+Rw+Rbatt) (1)τ1＝Lw/(RonA+Rw+Rbatt) (2)然后，在當(dāng)前時間越過指定為點A2的時刻時，電流ID變?yōu)镮D≥n*Iref，由此多源極FET截止。在該情況中，多源極FET的柵極G經(jīng)由電阻器R100接地，由此存儲在柵極G上的電荷放電。在該情況中，如果該柵極G的柵電容被設(shè)為“Cg”，則放電時間常數(shù)變?yōu)镃g*R100。
由于MOSFET TA的柵源電壓VGSA在截止前達到約10V，因此在柵極電子放電操作完成之前需要有限的時間。當(dāng)柵源電壓VGSA由于柵極放電操作而下降時，MOSFET TA的漏源電阻RonA增加。
換言之，盡管電阻RonA在點A2的時刻之前是恒定的，但是當(dāng)經(jīng)過時刻A2時該電阻RonA增加，由此在上文所述式(1)中示出的電流ID1變小，并且同時，時間常數(shù)“τ1”也減小。結(jié)果，電流ID以偏離指數(shù)函數(shù)的線性的方式增加，并且然后，在指定為點A3的時刻到達峰值電流。多源極FET的柵極電子放電越快，即，使電阻器100減少得越小，到達點A3的時刻就越快，由此電流ID的峰值電流變低。由于電阻器RonA繼續(xù)增加，當(dāng)經(jīng)過時刻A3時，電流ID減少，并且在指定為A4的時刻變?yōu)榱恪?br> 圖8是用于表示下述情況中的ID變化的特性圖，其中緊隨于開關(guān)SW100接通，即當(dāng)過渡部件電阻器R10并聯(lián)連接到電阻器Rr時，在過渡周期中發(fā)生了短路/接地事件(故障)。在該圖中，由雙點劃線表示的曲線表示在未發(fā)生短路/接地的正常條件下的電流ID的變化。在該圖中，電流ID對應(yīng)于所謂的“浪涌電流”，并且可以使該浪涌電流達到這樣的峰值電流，即其比正常條件下的電流ID大5至10倍。
這樣，為了避免將該浪涌電流識別為短路電流的錯誤判斷，將短路電流判斷值(n*Iref)設(shè)置為大于浪涌電流峰值的值。換言之，在圖8中，用于表示(n*Iref)的虛線被設(shè)置為變得大于由雙點劃線表示的浪涌電流的峰值。在該情況中，為了將基準(zhǔn)電流Iref設(shè)置為大的值，過渡部件電阻器R10另外與電阻器Rr并聯(lián)連接并維持預(yù)定的時間(即，浪涌電流流過時間周期)。
當(dāng)短路/接地事件在圖8的點B1發(fā)生時，電流ID迅速增加，多源極FET在點B2處截止，并且電流ID增加至點B3，并且隨后，電流ID下降。該操作類似于上文描述的圖7情況的操作。圖8的點B1～B4對應(yīng)于圖7的點A1～A4。
圖7和圖8的不同點是電流Iref的量值。在圖8中，由于短路電流判斷值(n*Iref)被設(shè)置為超過浪涌電流的值，因此當(dāng)多源極FET截止時，即點B2處的電流ID增加時，短路電流的峰值(點B3)增加。在MOSFET TA導(dǎo)通的點B2之前，源漏電壓變成小的值，由此即使當(dāng)大電流流過時，該MOSFET TA的功率損耗是小的。
這樣，在當(dāng)前時間經(jīng)過點B2時，MOSFET TA截止，由此其源漏電壓增加。如果在該條件下流過大電流，則MOSFET TA的功率損耗增加。在圖7中，由于點A3處的短路電流的峰值是小的，因此功率損耗是相對小的。在圖8的情況中，由于在當(dāng)前時間經(jīng)過點B2之后，電流ID增加，因此MOSFET TA的功率損耗變?yōu)榇蟮闹?，其可以致使該MOSFET TA的溝道溫度增加。由于從點B1～點B4的時間周期(在此期間流過短路電流)對應(yīng)于短于或等于300[μsec]的短的時間周期，因此MOSFET TA的溝道溫度增加可以通過過渡熱敏電阻進行限制。
由于該時間范圍的過渡熱敏電阻由芯片尺寸決定，因此必須使用具有大的芯片尺寸的部件，以便于抑制由短路電流引起的溝道溫度的增加。換言之，不能使用具有小的芯片尺寸的元件，這會限制設(shè)計自由度，而其可能帶來成本上升的因素。
而且，基準(zhǔn)電流Iref波動中還存在另一個問題。即，為了避免浪涌電流錯誤地使MOSFET TA截止，必須采用下面的措施，即，增加浪涌電流判斷值的精度，或者充分擴展浪涌電流峰值和判斷值之間的間隔的寬度。任何這些解決方法均可能帶來成本上升的因素。作為另一解決方法，提出了一種方法，其中額外提供了一種能夠檢測半導(dǎo)體元件的過熱條件以中斷電流的過熱中斷功能，以便于保護FET。相似地，該解決方法也可能帶來成本上升的因素。
而且，在提供了多組諸如用電器具的負載的情況中，必須使用這樣的電路，其構(gòu)成了同負載總數(shù)相對應(yīng)的總的通路數(shù)目。結(jié)果，存在這樣的問題，即該裝置的構(gòu)造變得笨重。
如前文所解釋的，在相關(guān)的過流保護裝置中，正常條件下的短路電流同異常條件下的短路電流的區(qū)分是通過檢測流過MOSFET的電流電平中的差來執(zhí)行的。結(jié)果，當(dāng)浪涌電流的峰值增加時，所需用于達到判斷值的時間被延長，由此有關(guān)短路發(fā)生的判斷延遲，并且因此，短路電流截止的時刻延遲。因而，半導(dǎo)體元件的功率損耗增加，由此可能出現(xiàn)這樣的問題，即，擴大了半導(dǎo)體元件的溫度增加。
而且，在JP-A-2000-253560中公開的技術(shù)沒有描述在存在多個連接到DC電源的FET通路的情況中執(zhí)行的操作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明用于解決上文所述的相關(guān)技術(shù)的問題，并且因此，目的在于提供一種半導(dǎo)體開關(guān)的控制裝置，其能夠增加短路電流和浪涌電流之間的區(qū)分精度，并且同時，能夠盡可能地縮短用于檢測短路電流出現(xiàn)的判斷時間。因此，該控制裝置可以在生成短路電流時快速地切斷電路，并且因此，其可以使半導(dǎo)體部件的功率損耗和溫度增加最小。
而且，本發(fā)明的另一目的在于提供一種半導(dǎo)體開關(guān)的控制裝置，通過該裝置，在配備有半導(dǎo)體開關(guān)和負載的多組負載電路相對于相同DC電源連接的情況中，當(dāng)在這些負載電路中的任何負載電路發(fā)生短路/接地事件時，可以指定短路的負載電路，并且可以僅切斷此其中發(fā)生短路/接地事件的負載電路。
為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明，提供了一種半導(dǎo)體開關(guān)的控制裝置，包括多個負載電路；電源配線，其將負載電路連接到共用的DC電源；和反電動勢檢測單元，其檢測在電源配線上生成的反電動勢，其中每個負載電路包括負載；半導(dǎo)體開關(guān)，其被配置用于接通/斷開負載，用于保護相應(yīng)的負載電路；和電流檢測單元，其檢測流過相應(yīng)負載電路的負載電流的異常增加；并且其中當(dāng)電流檢測單元檢測到負載電流的迅速增加，并且反電動勢檢測單元檢測到出現(xiàn)超過預(yù)定閾值的反電動勢時，對應(yīng)于該負載電路的半導(dǎo)體開關(guān)被斷開。
根據(jù)本發(fā)明，還提供了一種控制裝置，包括多個負載電路；電源配線，其將負載電路連接到共用的DC電源；和反電動勢檢測單元，其檢測在電源配線上生成的反電動勢，其中每個負載電路包括負載；半導(dǎo)體開關(guān)，其被配置用于接通/斷開負載，用于保護相應(yīng)的負載電路；電壓檢測單元，其檢測跨越半導(dǎo)體開關(guān)兩個端子的電壓；和控制器，其控制斷開半導(dǎo)體開關(guān)；并且其中，當(dāng)電壓檢測單元檢測到跨越半導(dǎo)體開關(guān)兩個端子的電壓變得大于或者等于預(yù)定的電平，并且反電動勢檢測單元檢測到在電源配線上生成了大于或者等于預(yù)定閾值的反電動勢時，控制器斷開半導(dǎo)體開關(guān)。
優(yōu)選地，電壓檢測單元包括由相互串聯(lián)接連的第一電阻器和第二電阻器構(gòu)成的串聯(lián)電路和用于調(diào)節(jié)流過該串聯(lián)電路的電流的放大器，由此跨越半導(dǎo)體開關(guān)兩個端子的電壓變?yōu)榈扔谠诘谝浑娮杵髦猩傻碾妷?。該電壓檢測單元生成跨越第二電阻器的電壓，該電壓是通過基于第一電阻器的電阻值同第二電阻器的電阻值的比、放大跨越半導(dǎo)體開關(guān)兩個端子的電壓而獲得的，并且該電壓檢測單元通過將所放大電壓同具有預(yù)定電平的預(yù)定電壓進行比較，確定跨越半導(dǎo)體開關(guān)兩個端子的電壓是否變得大于或者等于預(yù)定電平。
優(yōu)選地，反電動勢檢測單元包括由相互串聯(lián)連接的電容器和基準(zhǔn)電壓生成電阻器構(gòu)成的串聯(lián)電路，該串聯(lián)電路提供在地和半導(dǎo)體開關(guān)側(cè)的電源配線的一個端子之間。在電容器和基準(zhǔn)電壓生成電阻器之間的連接點處生成的電壓被定義為基準(zhǔn)電壓。當(dāng)跨越電源配線一個端子生成的電壓同基準(zhǔn)電壓之間的差值電壓超過預(yù)定的閾值電壓時，反電動勢檢測單元確定在至少一個負載電路中發(fā)生了短路/接地事件。
優(yōu)選地，反電動勢檢測單元包括定時器，用于在差值電壓超過預(yù)定的閾值電壓時，輸出反電動勢生成信號。該定時器連續(xù)輸出該反電動勢生成信號持續(xù)預(yù)定的時間，該反電動勢生成信號指出差值電壓超過了預(yù)定的閾值電壓。
優(yōu)選地，控制器包括開關(guān)，其在電壓檢測單元檢測到跨越半導(dǎo)體開關(guān)兩個端子的電壓變得大于或者等于預(yù)定的電平、并且反電動勢檢測單元確定大于或者等于預(yù)定閾值的反電動勢發(fā)生時，將半導(dǎo)體開關(guān)的柵極連接到地。
優(yōu)選地，半導(dǎo)體開關(guān)是MOSFET(金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)；并且其中跨越半導(dǎo)體開關(guān)兩個端子的電壓是MOSFET的源漏電壓。
優(yōu)選地，DC電源是安裝在車輛上的電池。負載是安裝在車輛上的用電器具。
優(yōu)選地，在根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體開關(guān)的控制裝置中，在自單一的電源配線分支出來并且連接到該電源配線的多個負載電路之間，當(dāng)在這些多個負載電路中的任何負載電路發(fā)生短路/接地事件時，可以穩(wěn)定地檢測到該短路/接地事件的發(fā)生，由此可以僅切斷其中發(fā)生短路/接地事件的負載電路。
即，在這些多個負載電路中的任何一個負載電路中發(fā)生短路/接地事件的情況中，由于在電源配線上生成的反電動勢由反電動勢檢測單元檢測到，因此短路/接地事件的發(fā)生被首先檢測到。此外，由于檢測到流過各自負載電路的負載電流的迅速增加，因此可以指定發(fā)生短路/接地事件的該負載電路。然后，可以僅切斷該被指定的負載電路，由此半導(dǎo)體開關(guān)和電路可以穩(wěn)定地得到保護避免短路電流，而且，可以以連續(xù)的方式驅(qū)動其中未發(fā)生短路/接地事件的其他負載電路。
而且，由于短路/接地事件是在電源配線上生成的反電動勢量值超過預(yù)定閾值的條件下被檢測到的，因此可以避免這樣的問題，即由于在電源開啟時生成的浪涌電流而引起電路被錯誤地切斷。
因此，在執(zhí)行高速切斷操作的同時，可以實現(xiàn)能夠以較高的可靠性保護半導(dǎo)體開關(guān)的保護裝置。


通過參考附圖，詳細描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例，本發(fā)明的上文的目的和優(yōu)點將變得更加顯而易見，在附圖中圖1是用于說明根據(jù)本發(fā)明實施例的半導(dǎo)體開關(guān)的控制裝置配置的電路圖；圖2是用于示出關(guān)于在圖1所示的半導(dǎo)體開關(guān)的控制裝置中提供的VDS檢測電路和反電動勢檢測電路的詳細配置的電路圖；圖3是用于說明當(dāng)短路/接地事件發(fā)生時，關(guān)于電流ID+IDa、電壓V4、CMP1的輸出電壓和電壓V5的變化的特性圖；圖4是用于說明當(dāng)短路/接地事件發(fā)生時，關(guān)于電流ID+IDa、電壓V5、V5a和V6的變化的特性圖；圖5是用于說明當(dāng)短路/接地事件發(fā)生時，關(guān)于電流ID+IDa、電壓V5、V5a和V6a的變化的特性圖；圖6是用于示出用于半導(dǎo)體開關(guān)的傳統(tǒng)控制裝置的配置的電路圖；圖7是用于表示短路電流流過圖6所示電路時負載電流ID的變化的特性圖；并且圖8是用于表示短路電流在過渡時間周期內(nèi)流過圖6所示電路時負載電流ID的變化的特性圖。
具體實施例方式
參考附圖，現(xiàn)將描述本發(fā)明的多種實施例。圖1是用于說明根據(jù)本發(fā)明的實施例的半導(dǎo)體開關(guān)的控制裝置的配置的電路圖。如圖1所示，該控制裝置包括DC電源VB以及多個負載電路，即第一負載電路10和第二負載電路10a。DC電源VB對應(yīng)于，例如，安裝在車輛上的電池。驅(qū)動電力自DC電源VB提供給第一負載電路10和第二負載電路10a，以便于驅(qū)動第一和第二負載電路10和10a。還應(yīng)當(dāng)注意到，盡管該實施例代表了包含兩組負載電路10和10a的情況作為一個示例，但是可替換地，還可以提供三組或更多組負載電路。
第一負載電路10包括負載11和MOSFET T1。負載11對應(yīng)于電機或燈等等，其安裝在車輛上。MOSFET T1對應(yīng)于半導(dǎo)體開關(guān)，其置于負載11和DC電源VB之間，并且操作用于驅(qū)動/停止負載11。而且，如圖2所說明的(后面將解釋)，連接在MOSFET T1和負載11之間的配線具有電阻Rw2和電感L2。
這樣，圖1所示的MOSFET T1的漏極連接到點P1，而且，該點P1經(jīng)由具有電阻Rw1和電感L1的電源線21連接到DC電源VB的正側(cè)的端子。相似地，包括在第二負載電路10a中的MOSFET T1a的漏極連接到點P1。換言之，點P1和DC電源VB之間的配線(即，電源線21)相對于各自負載電路10和10a而言，是共同提供的。
反電動勢檢測電路12連接到點P1，以檢測在電源配線21上生成的反電動勢“E1”。
用于切換負載11的驅(qū)動操作和停止操作的MOSFET T1的源極和漏極連接到VDS檢測電路13，即點P1和點P2分別連接到VDS檢測電路13。因此，該VDS檢測電路13的輸出信號和反電動勢檢測電路12的輸出信號分別提供給控制單元17的“與”電路AND2的兩個輸入端子。
當(dāng)在電源配線21上生成的反電動勢E1的量值超過預(yù)定的閾值電壓時，反電動勢檢測電路12輸出具有H電平的信號，而當(dāng)MOSFET T1的漏源電壓VDS超過預(yù)定電壓時，VDS檢測電路13輸出具有H電平的信號。結(jié)果，在可以滿足這些條件的情況中，來自“與”電路AND2的輸出信號的信號電平變?yōu)镠電平。
“與”電路AND2的輸出端子連接到鎖存器DF1，該鎖存器DF1的輸出端“+Q”連接到MOSFET T3的柵極(即，接地目的開關(guān)裝置)，并且該鎖存器DF1的另一輸出端“-Q”連接到“與”電路AND1的一個輸入端子。而且，“與”電路AND1的另一輸入端子連接到開關(guān)SW1和電阻器R6之間的連接點，并且開關(guān)SW1的另一端子連接到點P1，且電阻器R6的另一端子接地。
而且，“與”電路AND1的輸出端子連接到驅(qū)動電路14，并且輸出電路14的輸出端子連接到MOSFET T1的柵極和MOSFET T3的漏極。而且，MOSFET T3的源極接地。
當(dāng)開關(guān)SW1被設(shè)置在“斷開”狀態(tài)下時鎖存器DF1被重置，并且因此，自該鎖存器DF1輸出兩種信號“-Q”和“+Q”?！?Q”輸出對應(yīng)于鎖存器DF1重置時具有H電平的信號，并且輸入到“與”電路AND1的一個輸入端子。而且，“+Q”輸出對應(yīng)于鎖存器DF1重置時具有L電平的信號，并且輸入到MOSFET T3的柵極。
圖1所示的第二負載電路10a擁有與第一負載電路10相同的結(jié)構(gòu)，并且除了反電動勢檢測電路12是共用的以外，該第二負載電路10a的電路與第一負載電路10的電路相同。因此，使各自結(jié)構(gòu)元件具有下標(biāo)“a”，并且將省略這些結(jié)構(gòu)部件的解釋。
圖2是用于說明關(guān)于在第一負載電路10中提供的VDS檢測電路13和反電動勢檢測電路12的詳細電路配置的解釋性示圖。如該圖中所說明的，VDS檢測電路13具有由相互串聯(lián)連接的電阻器R12和R7構(gòu)成的串聯(lián)電路，以及由相互串聯(lián)連接的電阻器R8(第一電阻器)和電阻器R9(第二電阻器)構(gòu)成的另一串聯(lián)電路。
而且，VDS檢測電路13具有比較器CMP1。比較器CMP1的負側(cè)輸入端子連接到電阻器R12和電阻器R7之間的連接點，而比較器CMP1的正側(cè)輸入端子連接到R9和MOSFET T4之間的另一連接點。然后，比較器CMP1的輸出端子經(jīng)由電阻器R13連接到電源+5V，而且，連接到“與”電路AND2的另一輸入端子。
而且，在電阻器R8和電阻器R9之間提供了MOSFET T4，并且該MOSFET T4的柵極連接到放大器AMP1的輸出端子。放大器AMP1的正側(cè)輸入端子經(jīng)由電阻器R10連接到MOSFET T4的漏極，并且放大器AMP1的負側(cè)輸入端子經(jīng)由電阻器R11連接到MOSFET T1的源極(P2)。應(yīng)當(dāng)注意，使電阻器R11的電阻值等于電阻器R10的電阻值。
反電動勢檢測電路12包含由相互串聯(lián)連接的電阻器R2、電阻器R1(基準(zhǔn)電壓生成電阻器)和電容器C1構(gòu)成的串聯(lián)電路。電阻器R2的一個端子連接到點P1，而電容器C1的一個端子接地。
而且，反電動勢檢測電路12具有MOSFET T2，其源極連接到電阻器R1和電容器C1之間的連接點，并且其柵極連接到電阻器R1和電阻器R2之間的連接點。MOSFET T2的漏極經(jīng)由相互串聯(lián)連接的電阻器R3和R4構(gòu)成的串聯(lián)電路接地，并且電阻器R3和R4之間的連接點連接到定時器15。然后，定時器15的輸出端子連接到“與”電路AND2的輸入端子。而且，齊納二極管ZD1相對于電阻器R4以并聯(lián)的方式進行配置。
此外，盡管在圖1中沒有示出，電阻器R5配置在驅(qū)動電路14和MOSFET T1的柵極之間，并且用于向驅(qū)動電路14提供電力的電荷泵16附裝于該驅(qū)動電路14。
下面，根據(jù)該實施例，對關(guān)于半導(dǎo)體開關(guān)的控制裝置的操作進行描述，其以上文所述的方式進行配置。當(dāng)操作員接通開關(guān)SW1時，由于具有H電平的信號提供給“與”電路AND1的一個輸入端子，并且具有H電平的信號從鎖存器DF1施加到其另一輸入端子，因此“與”電路AND1的輸出信號變?yōu)镠電平。結(jié)果，驅(qū)動電路14啟動，并且因此，驅(qū)動信號從驅(qū)動電路14輸出到MOSFET T1的柵極。
因此，MOSFET T1導(dǎo)通，由此由DC電源VB提供的電源電壓經(jīng)由被構(gòu)建為具有電阻Rw2和電感L2的配線施加到負載11，以便于驅(qū)動負載11。此時，MOSFET T1的漏極電壓，即點P1處的電壓“V1”變?yōu)榈扔陔娫碫B的電壓，而且，反電動勢檢測電路12的電容器C1和電阻器R1之間的連接點處的電壓“V3”(下文中還將被稱為“基準(zhǔn)電壓”)變得基本上等于上文解釋的電壓“V1”。
而且，VDS檢測電路13控制流過電阻器R8和R9的電流“I1”，使得MOSFET T1的源漏電壓VDS可以變?yōu)榈扔诳缭诫娮杵鱎8兩個端子的電壓。換言之，VDS檢測電路13執(zhí)行下述控制操作，以滿足VDS＝I1*R8。即，在跨越電阻器R8兩個端子的電壓低于源漏電壓VDS的情況中，由于放大器AMP1的輸出信號增加，因此電流I1增加，以便于增加上文所述的跨越電阻器R8兩個端子的電壓。相反地，在跨越電阻器R8兩個端子的電壓高于源漏電壓VDS的情況中，由于放大器AMP1的輸出信號減小，因此電流I1減少，以便于降低上文所述的跨越電阻器R8兩個端子的電壓。
因此，在MOSFET T4的源極和電阻器R9之間的連接點處的電壓V5可以由下式(3)表示，假設(shè)MOSFET T1的導(dǎo)通電阻被定義為“Ron”。
R5＝R9*I1＝R9*VDS/R8＝R9*Ron*ID/R8＝R9*(Ron/R8)*ID (3)即，在可以認為電壓V5與電壓VDS成正比且“導(dǎo)通”電阻Ron是恒定時，負載電流ID也與該電壓V5成正比。結(jié)果，負載電流ID的增加可以呈現(xiàn)為電壓VDS增加和電壓V5增加的形式。R12和R7之間的連接點處的電壓指定為V6，并且導(dǎo)通電阻Ron、電阻器R8和R9的電阻值選擇為使得在正常電路狀態(tài)下V5接近等于V6的一半。在這種情況中，如果漏極電流ID增加到比正常電路條件下電流值大兩倍，則電壓V5變成大于V6，從而輸入了電壓V5和電壓V6的比較器CMP1的輸出信號電平從L電平翻轉(zhuǎn)到H電平。
還應(yīng)當(dāng)理解，作為檢測負載電流ID增加的一個示例，當(dāng)負載電流ID變得比正常條件下的電流值大兩倍時，比較器CMP1的輸出信號的信號電平翻轉(zhuǎn)。然而，本發(fā)明不僅限于上文解釋的兩倍。
下面，對發(fā)生短路接地事件的情況中反電動勢檢測電路12的操作進行描述。在負載11和MOSFET T1之間的配線由于某種原因短路/接地的情況中，由于MOSFET T1經(jīng)由具有電阻Rw3和電感L3的短路路徑接地，因此可能瞬時流過過大的短路電流ID。
由于生成了該短路電流ID，因此電源配線21上(即，在電源VB側(cè))生成了從點P1朝向點P0的反電動勢E1。結(jié)果，點P1的電壓V1迅速下降。與該電壓減小相反，由于基準(zhǔn)電壓V3是根據(jù)由電容器C1以及電阻器R1和R2設(shè)置的時間常數(shù)而下降的，因此該基準(zhǔn)電壓V3不能跟隨電壓V1的迅速下降。結(jié)果，生成了電壓V1和基準(zhǔn)電壓V3之間的電位差。
這樣，如果該電位差變大并且跨越電阻器R1兩個端子的電壓超過預(yù)定電平，則MOSFET T2導(dǎo)通，并且電阻器R3和R4之間的連接點處的電壓V4增加，由此定時器15開啟。結(jié)果，定時器15連續(xù)地輸出H電平信號并持續(xù)預(yù)定的時間(例如，0.1[msec])。該H電平信號被提供給“與”電路AND2的一個輸入端子。應(yīng)當(dāng)注意，由于下列原因而使用了定時器15。即，即使在電壓V4僅在非常短的時間內(nèi)增加，但是該定時器15捕獲了該增加，向鎖存器DF1輸出H電平信號并持續(xù)預(yù)定的時間周期。
在該情況中，電阻器R1和R2的電阻值設(shè)置為使得由在短路/接地事件發(fā)生時生成的反電動勢使MOSFET T2導(dǎo)通，而由正常瞬時電流(浪涌電流)生成的反電動勢不使該MOSFET T2導(dǎo)通，且該浪涌電流是在MOSFET T1導(dǎo)通時生成的。
而且，如前文所解釋的，如果發(fā)生短路/接地事件使得負載電流ID增加，則在VDS檢測電路13中，來自比較器CMP1的輸出信號的信號電平從H電平翻轉(zhuǎn)為L電平。結(jié)果，具有H電平的兩個信號被提供給“與”電路AND2的兩個輸入端子，由此來自該“與”電路AND2的輸出信號的信號電平變?yōu)镠電平。
結(jié)果，由于鎖存器DF1的-Q輸出變?yōu)長電平，因此驅(qū)動電路14被停止。而且，由于鎖存器DF1的+Q輸出變?yōu)镠電平，因此MOSFETT3導(dǎo)通，由此MOSFET T1的柵極接地。因此，MOSFET T1截止，由此可以保護負載電路10避免短路電流。
而且，在負載電路10a中，盡管自反電動勢檢測電路12輸出了反電動勢的檢測信號(參考圖1)，但是由于自VDS檢測電路13a的比較器CMP1未輸出H電平信號，因此“與”電路AND2的輸出信號未變?yōu)镠電平，并且因此，MOSFET T1a未截止。換言之，在多個負載電路10和10a之間，僅有其中發(fā)生了短路/接地事件的負載電路被斷開，并且其他負載電路可在正常條件下操作。
下面，通過參考圖3～圖5，現(xiàn)將解釋關(guān)于實際電流值和實際電壓值的變化。圖3～圖5表示半導(dǎo)體開關(guān)的控制裝置在下文所述的條件以及圖2中示出的各自電路常數(shù)下操作時獲得的波形。
即，對于電源配線21(即，從點P0到點P1的配線)，其截面積是3sq(符號“sq”表示mm2)，并且其長度是1米。對于短路線(即從點P2到地的線)，其截面積是3sq，并且其長度是1米。MOSFET T1對應(yīng)于N型MOSFET，且其“導(dǎo)通”電阻是7.3[mΩ]。MOSFET T2的閾值電壓是1.9[V]。負載11和11a分別通常對應(yīng)于3組具有21[W]額定功率的燈。
而且，對于圖2中示出的電路常數(shù)，電阻器R12具有10[KΩ]；電阻器R7具有10[KΩ]；電阻器R8具有82[Ω]；電阻器R9具有8.2[KΩ]；電阻器R1具有10[KΩ]；電阻器R2具有2.4[KΩ]；電阻器R5具有1[KΩ]；并且電容器C1的電容是0.01[μF]。
在MOSFET T1和MOSFET T1a分別驅(qū)動負載11和11a(由具有21W的3個燈構(gòu)建)的條件下，由ID+IDa＝9.5A定義的電流流過電源配線21。
圖3表示發(fā)生短路/接地事件之后的電流“ID+IDa”(縱坐標(biāo)的1格對應(yīng)于10A，且沿縱坐標(biāo)方向的中心水平線表示30A)；反電動勢功率檢測電路12的輸出電壓“V4”(縱坐標(biāo)的1格對應(yīng)于2V，且沿縱坐標(biāo)方向的中心水平線表示6V)；比較器CMP1的輸出電壓(縱坐標(biāo)的1格對應(yīng)于2V，且沿縱坐標(biāo)方向的中心水平線表示6V)；和跨越電阻器R9生成的電壓“V5”(縱坐標(biāo)的1格對應(yīng)于2V，且沿縱坐標(biāo)方向的中心水平線表示6V)之間的關(guān)系。還應(yīng)當(dāng)注意，橫坐標(biāo)的1格對應(yīng)于5μsec。
如圖3所示，當(dāng)在時刻t1發(fā)生短路/接地事件時，電壓V4在經(jīng)過2μsec的時間周期后上升，而比較器CMP1的輸出在自時刻t1起經(jīng)過6μsec的時間周期后上升。結(jié)果，由于“與”電路AND2的輸出的信號電平變?yōu)镠電平，因此MOSFET T1截止，并且電流“ID+IDa”在自時刻t1起經(jīng)過7μsec的時間周期后的時刻變?yōu)榉逯惦娏鳌ｋS后，該電流“ID+IDa”減小，然后，電流“ID”在經(jīng)過15μsec的時間周期后的時刻變?yōu)榱恪Ａ硪环矫?，由于在負載電路10a側(cè)提供的的MOSFET T1a的導(dǎo)通操作繼續(xù)，因此即使在經(jīng)過15μsec的時間周期之后，電流IDa＝4.8A繼續(xù)流過。
圖4示出了放大電壓V5、判斷電壓V6和另一放大電壓V5a之間的關(guān)系。電壓V5是通過放大MOSFET T1的源漏電壓VDS獲得的。電壓V5a是通過放大MOSFET T1a的源漏電壓VDSa獲得的。還應(yīng)當(dāng)注意，每個電壓的縱坐標(biāo)的1格對應(yīng)于2V，且橫坐標(biāo)的1格對應(yīng)于5μsec。
如果在時刻“t1”發(fā)生短路/接地事件，則在電源配線21上瞬時生成了反電動勢E1，由此電壓V1和V2迅速降低，并且判斷電壓V6迅速降低。另一方面，盡管電流ID開始以急劇的梯度上升，但是由于流過電阻器R9的電流I1未瞬時增加，因此緊隨短路/接地事件發(fā)生之后，電壓VDS基本上未增加。結(jié)果，電壓V5未降低。電壓V5a的表現(xiàn)相似。通過減少MOSFET T4的源漏電壓，消減了電壓V1的降低。
隨后，由于結(jié)合電流ID的增加，電壓V1降低，因此電壓V6稍有下降。另一方面，電壓V5響應(yīng)于電壓VDS的增加而增加，并且然后，該電壓V5在自時刻t1起經(jīng)過6μsec的時間周期后的時刻變?yōu)榇笥陔妷篤6(即，V5＞V6)。在該時刻，比較器CMP1的輸出信號的信號電平翻轉(zhuǎn)為H電平，由此MOSFET T1截止。
圖5是用于說明負載電路10a的MOSFET T1a的電壓V6a和V5a之間的關(guān)系的特性圖。應(yīng)當(dāng)理解，在該圖中，括號中左邊的值指出了縱坐標(biāo)的1個刻度，而括號中右邊的值示出了縱坐標(biāo)的中心水平線的值，其與圖3和圖4相似。
如圖5中所說明的，在MOSFET T1截止之前，電壓V6a的表現(xiàn)具有同電壓V6相似的趨勢。在MOSFET T1截至之后，由于電壓V1增加，電壓V2a上升，由此電壓V6增加，以便于將該電壓V6a維持在約12V。
另一方面，當(dāng)電流ID增加時電壓V5a減小，而當(dāng)電流ID減小時電壓V5a增加。結(jié)果，盡管在負載電路10側(cè)發(fā)生了短路/接地事件，但是在其中MOSFET T1a和負載11a之間的配線處于正常條件下的負載電路10a中，維持了電壓關(guān)系V6a＞V5a，且“導(dǎo)通”狀態(tài)繼續(xù)。
如前面描述的，在根據(jù)此實施例的半導(dǎo)體開關(guān)的控制裝置中，多組負載電路10和10a相對于相同DC電源VB進行連接。在這些多個負載電路10和10a的任何一個中發(fā)生短路/接地事件的情況中，檢測反電動勢的量值，其是在各自負載電路10和10a共用的電源配線21上生成的。而且，檢測流過各自負載電路10和10a的電流的量值，因此，僅使上文所述的其中發(fā)生了短路/接地事件的負載電路所擁有的MOSFET截止。
因此，當(dāng)短路/接地事件發(fā)生時，在相關(guān)的MOSFET的溫度變得異常之前的階段，可以使該MOSFET截止。結(jié)果，可以穩(wěn)定地保護MOSFET、負載和配線避免過流。
而且，對于其中未發(fā)生短路/接地事件的負載電路，由于未使相關(guān)的MOSFET截止，因此該負載電路在正常模式下操作。結(jié)果，可以避免這樣的問題，即由于在單一的負載電路中發(fā)生了短路/接地事件而導(dǎo)致整個電流被切斷。
而且，在反電動勢檢測電路12中，盡管在電源配線21上生成的反電動勢E1的量值超過了預(yù)定電平時，檢測到短路/接地事件的發(fā)生，但是由于預(yù)定電平被設(shè)置為大于由于浪涌電流而生成的反電動勢量值的值，因此在開關(guān)SW1接通時在過渡時間周期中由于浪涌電流生成的反電動勢E1不會超過該預(yù)定電平，由此MOSFET T2未導(dǎo)通。
而且，在檢測到發(fā)生短路/接地事件的情況中，MOSFET T1的柵極通過這樣的方法被強行接地，即停止驅(qū)動電路14的操作，而且，使MOSFET T1的柵極和地之間提供的MOSFET M3導(dǎo)通。結(jié)果，可以使MOSFET T1瞬時截止，并且可以盡可能地減小對電路造成的損害。
而且，盡管在每個負載電路中未提供電流傳感器，但是仍可以檢測短路/接地事件的發(fā)生，由此可以減少結(jié)構(gòu)部件的總數(shù)，并且可以實現(xiàn)成本降低。
盡管通過參考附圖中所示的實施例描述了本發(fā)明的半導(dǎo)體開關(guān)的控制裝置，但是本發(fā)明不限于此。即，可替換地，該控制裝置的各自單元的配置可以由具有相似功能的任意選擇的配置替換。
例如，在上文所述的實施例中，例示了下面的示例。即，MOSFET被解釋為半導(dǎo)體開關(guān)，但是本發(fā)明不限于此?？商鎿Q地，可以使用其他的半導(dǎo)體開關(guān)，諸如結(jié)型晶體管和IGBT(絕緣柵型雙極晶體管)。
而且，在上文所述的實施例中，例示了下面的示例。即，盡管DC電源是通過安裝在車輛上的電池實現(xiàn)的，負載是由安裝在車輛上的燈、電機等實現(xiàn)的。但是，本發(fā)明不僅限于此例示的示例，而是可以應(yīng)用于其他的電源和其他的負載。
而且，可替換地，可以使用另一實施例，其中負載電流的增加是由電流傳感器檢測的，其在本技術(shù)領(lǐng)域中是公知的，并且裝配到MOSFET T1。
對于具有其中多個負載電路連接到各自單一DC電源的配置的電路，用于保護電路防止短路/接地事件的半導(dǎo)體開關(guān)的控制裝置是相當(dāng)有用的。
本申請基于在2004年7月6日提交的日本專利申請No.2004-199202，其內(nèi)容在此處并入列為參考。
權(quán)利要求
1.一種控制裝置，包括多個負載電路；電源配線，其將負載電路連接到共用的DC電源；和反電動勢檢測單元，其檢測在電源配線上生成的反電動勢，其中每個負載電路包括負載；半導(dǎo)體開關(guān)，其被配置用于接通/斷開負載，用于保護相應(yīng)的負載電路；和電流檢測單元，其檢測流過相應(yīng)負載電路的負載電流的異常增加；并且其中當(dāng)電流檢測單元檢測到負載電流的迅速增加，并且反電動勢檢測單元檢測到出現(xiàn)超過預(yù)定閾值的反電動勢時，對應(yīng)于該負載電路的半導(dǎo)體開關(guān)被斷開。
2.一種控制裝置，包括多個負載電路；電源配線，其將負載電路連接到共用的DC電源；和反電動勢檢測單元，其檢測在電源配線上生成的反電動勢，其中每個負載電路包括負載；半導(dǎo)體開關(guān)，其被配置用于接通/斷開負載，用于保護相應(yīng)的負載電路；電壓檢測單元，其檢測跨越半導(dǎo)體開關(guān)兩個端子的電壓；和控制器，其控制斷開半導(dǎo)體開關(guān)；并且其中，當(dāng)電壓檢測單元檢測到跨越半導(dǎo)體開關(guān)兩個端子的電壓變得大于或者等于預(yù)定的電平、并且反電動勢檢測單元檢測到在電源配線上生成了大于或者等于預(yù)定閾值的反電動勢時，控制器斷開半導(dǎo)體開關(guān)。
3.權(quán)利要求2的控制裝置，其中電壓檢測單元包括由相互串聯(lián)接連的第一電阻器和第二電阻器構(gòu)成的串聯(lián)電路和用于調(diào)節(jié)流過該串聯(lián)電路的電流的放大器，由此跨越半導(dǎo)體開關(guān)兩個端子的電壓變?yōu)榈扔谠诘谝浑娮杵髦猩傻碾妷海徊⑶移渲性撾妷簷z測單元生成跨越第二電阻器的電壓，該電壓是通過基于第一電阻器的電阻值同第二電阻器的電阻值的比、放大跨越半導(dǎo)體開關(guān)兩個端子的電壓而獲得的，并且該電壓檢測單元通過將所放大電壓同具有預(yù)定電平的預(yù)定電壓進行比較，確定跨越半導(dǎo)體開關(guān)兩個端子的電壓是否變得大于或者等于預(yù)定電平。
4.權(quán)利要求1的控制裝置，其中反電動勢檢測單元包括由相互串聯(lián)連接的電容器和基準(zhǔn)電壓生成電阻器構(gòu)成的串聯(lián)電路，該串聯(lián)電路提供在地和半導(dǎo)體開關(guān)側(cè)的電源配線的一個端子之間；其中在電容器和基準(zhǔn)電壓生成電阻器之間的連接點處生成的電壓被定義為基準(zhǔn)電壓；并且其中當(dāng)跨越電源配線的一個端子生成的電壓同基準(zhǔn)電壓之間的差值電壓超過預(yù)定的閾值電壓時，反電動勢檢測單元確定在至少一個負載電路中發(fā)生了短路/接地事件。
5.權(quán)利要求2的控制裝置，其中反電動勢檢測單元包括由相互串聯(lián)連接的電容器和基準(zhǔn)電壓生成電阻器構(gòu)成的串聯(lián)電路，該串聯(lián)電路提供在地和半導(dǎo)體開關(guān)側(cè)的電源配線的一個端子之間；其中在電容器和基準(zhǔn)電壓生成電阻器之間的連接點處生成的電壓被定義為基準(zhǔn)電壓；并且其中當(dāng)跨越電源配線一個端子生成的電壓同基準(zhǔn)電壓之間的差值電壓超過預(yù)定的閾值電壓時，反電動勢檢測單元確定在至少一個負載電路中發(fā)生了短路/接地事件。
6.權(quán)利要求5的控制裝置，其中反電動勢檢測單元包括定時器，用于在差值電壓超過預(yù)定的閾值電壓時，輸出反電動勢生成信號；并且其中該定時器輸出該反電動勢生成信號并持續(xù)預(yù)定的時間，該反電動勢生成信號指出差值電壓超過了預(yù)定的閾值電壓。
7.權(quán)利要求2的控制裝置，其中控制器包括開關(guān)，其在電壓檢測單元檢測到跨越半導(dǎo)體開關(guān)兩個端子的電壓變得大于或者等于預(yù)定的電平、并且反電動勢檢測單元確定大于或者等于預(yù)定閾值的反電動勢發(fā)生時，將半導(dǎo)體開關(guān)的柵極連接到地。
8.權(quán)利要求2的控制裝置，其中半導(dǎo)體開關(guān)是MOSFET(金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)；并且其中跨越半導(dǎo)體開關(guān)兩個端子的電壓是該MOSFET的源漏電壓。
9.權(quán)利要求2的控制裝置，其中DC電源是安裝在車輛上的電池；并且其中負載是安裝在車輛上的用電器具。
全文摘要
一種控制裝置，包括多個負載電路；電源配線，其將負載電路連接到共用的DC電源；和反電動勢檢測單元，其檢測在電源配線上生成的反電動勢。每個負載電路包括負載；半導(dǎo)體開關(guān)，其被配置用于接通/斷開負載，用于保護相應(yīng)的負載電路；和電流檢測單元，其檢測流過相應(yīng)的負載電路的負載電流的異常增加。當(dāng)電流檢測單元檢測到負載電流的迅速增加，并且反電動勢檢測單元檢測到出現(xiàn)超過預(yù)定閾值的反電動勢時，對應(yīng)于該負載電路的半導(dǎo)體開關(guān)被斷開。
文檔編號H03K17/687GK1719730SQ200510081898
公開日2006年1月11日 申請日期2005年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月6日
發(fā)明者大島俊藏 申請人:矢崎總業(yè)株式會社