(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力信号に対応する駆動電流を所定の負荷に供給する電流ドライバに用いられる電流ドライバ出力保護回路であって、
電流ドライバ内部のパワー素子に印加される電圧に応じて変化する第１の信号を検出する電圧検出手段と、
電流ドライバから負荷に流れる電流のレベルの逆数に比例する第２の信号を生成する逆数レベル生成手段と、
前記第２の信号のレベルと予め定めた電力損失の閾値との掛け算を行う掛け算手段と、
前記掛け算手段の出力と前記電圧検出手段の出力レベルとを比較する比較手段と、
前記比較手段の出力に基づいて異常の有無を表すアラーム信号を生成するアラーム発生手段とを設けたことを特徴とする電流ドライバ出力保護回路。
【請求項２】
入力信号に対応する駆動電流を所定の負荷に供給する電流ドライバに用いられる電流ドライバ出力保護回路であって、
電流ドライバ内部のパワー素子に印加される電圧に応じて変化する第１の信号を検出する電圧検出手段と、
電流ドライバから負荷に流れる電流のレベルを決定する入力信号レベルの逆数に比例する第２の信号を生成する逆数レベル生成手段と、
前記第２の信号のレベルと予め定めた電力損失の閾値との掛け算を行う掛け算手段と、
前記掛け算手段の出力と前記電圧検出手段の出力レベルとを比較する比較手段と、
前記比較手段の出力に基づいて異常の有無を表すアラーム信号を生成するアラーム発生手段とを設けたことを特徴とする電流ドライバ出力保護回路。  
【請求項３】
請求項１または２の何れかに記載の電流ドライバ出力保護回路において、
前記電圧検出手段に電流ドライバの出力端に現れる第１の電圧を検出する出力電圧検出手段と、
電流ドライバに供給される電源の電圧と前記第１の電圧との差分レベルを検出する差分レベル検出手段とを設けたことを特徴とする電流ドライバ出力保護回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入力信号に対応する駆動電流を所定の負荷に供給する電流ドライバに用いられる電流ドライバ出力保護回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、電気モータ，ソレノイド，バッテリーのような負荷に対して電流を供給する場合には、従来より図７に示すような電流ドライバ１０を用い、電流ドライバ１０が出力する電流Ｉｏを負荷に供給している。
電流ドライバ１０は、リニアアンプであり、制御のために外部から入力される入力電圧Ｖｉｎのレベルに比例した電流Ｉｏを出力する。電流ドライバ１０内部の最終出力には、出力トランジスタ１１が設けられている。
【０００３】
ところで、例えば出力端子１６，１７の短絡のような異常が発生すると出力電流Ｉｏが過大になる。そして、電流ドライバ１０内部の出力トランジスタ１１における電力損失が過大になると電流ドライバ１０が故障する可能性が高い。
そこで、回路を保護するために、従来より図７に示すように電流ドライバ１０の出力にヒューズを接続し、出力電流Ｉｏが過大になるとヒューズが回路を遮断するように構成する。
【０００４】
しかし、ヒューズは繰り返し使用できないので、メンテナンスフリーを必要とする環境ではヒューズは保護回路として不向きである。そこで、ヒューズの代わりにサーキットプロテクタあるいはポジスタが用いられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の電流ドライバ出力保護回路においては、保護回路の動作に時間がかかるので、異常を検出してから短時間で回路を保護する必要のある用途では問題がある。
【０００６】
また、次に説明するように、出力電流Ｉｏが大幅に増大することなく電流ドライバ１０の内部損失が異常に増大する場合には、従来の電流ドライバ出力保護回路では保護することができない。
図７に示すような回路においては、出力電流Ｉｏと出力電圧Ｖｏとの関係は図４のように表される。ここで、電流ドライバ１０内部の出力トランジスタ１１にかかる電圧は（Ｖｃｃ−Ｉｏ・ＲＬ）であり、出力トランジスタ１１の電力損失（内部損失）Ｗは次式で表される。
【０００７】
0003718135.tif 000002
すなわち、電力損失Ｗは出力電流Ｉｏや負荷抵抗ＲＬの大きさに応じて変化する。例えば、図４においてハッチングが施された各矩形の面積が電力損失Ｗに相当する。つまり、出力端子１６，１７が短絡した場合や負荷抵抗ＲＬが小さくなった場合には電力損失Ｗは急激に増大する。
【０００８】
電力損失Ｗの変化、すなわちＷの微分値Ｗ’は次式で表される。
0003718135.tif 000003
従って、（Ｉｏ＝(Ｖｃｃ／２ＲＬ)）の条件では微分値Ｗ’が０になり、電力損失Ｗは極大値となる。また、（Ｉｏ＜(Ｖｃｃ／２ＲＬ)）の条件では微分値Ｗ’が正になり電力損失Ｗは出力電流Ｉｏの増大に伴って上昇する。更に、（Ｉｏ＞(Ｖｃｃ／２ＲＬ)）の条件では、微分値Ｗ’が負になり、電力損失Ｗは出力電流Ｉｏの増大に伴って減少する。
【０００９】
すなわち、出力電流Ｉｏと電力損失（内部損失）Ｗとの関係は図５のように表される。また、出力電流Ｉｏと電力損失Ｗとの関係は負荷抵抗ＲＬの大きさに応じて大幅に変化する。
図５に示すように、負荷抵抗ＲＬが小さくなったり短絡が生じたような場合には、出力電流Ｉｏが保護回路（ヒューズなど）の作動する電流値Ｉｚに到達しなくても電力損失Ｗが非常に大きくなる可能性があり、短絡などの異常に対して回路を保護することができない。
【００１０】
また、トランジスタなどの半導体素子は短い時間であれば比較的大きな電力損失に耐えることができるが、電力損失の大きい状態が長く継続した場合には、素子の温度上昇によって破壊される可能性が高い。
本発明は、電流ドライバ内部の電力損失増大に対して、より確実に電流ドライバを保護することが可能な電流ドライバ出力保護回路を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１の電流ドライバ出力保護回路は、入力信号に対応する駆動電流を所定の負荷に供給する電流ドライバに用いられる電流ドライバ出力保護回路であって、電流ドライバ内部のパワー素子に印加される電圧に応じて変化する第１の信号を検出する電圧検出手段と、電流ドライバから負荷に流れる電流のレベルの逆数に比例する第２の信号、もしくは電流ドライバから負荷に流れる電流のレベルを決定する入力信号レベルの逆数に比例する第２の信号を生成する逆数レベル生成手段と、前記第２の信号のレベルと予め定めた電力損失の閾値との掛け算を行う掛け算手段と、前記掛け算手段の出力と前記電圧検出手段の出力レベルとを比較する比較手段と、前記比較手段の出力に基づいて異常の有無を表すアラーム信号を生成するアラーム発生手段とを設けたことを特徴とする。
【００１４】
電力損失Ｗが予め定めた閾値Ｋを超えたか否かを調べる場合を想定する。前記第(1)式から次の関係式が得られる。
（Ｖｃｃ−Ｉｏ・ＲＬ）Ｉｏ＞Ｋ
（Ｖｃｃ−Ｉｏ・ＲＬ）＞（Ｋ／Ｉｏ）    ・・・（３）
請求項１においては、電流検出手段の検出する第２の信号は電流の逆数（１／Ｉｏ）に比例し、前記第(3)式の右辺の内容に相当する。また、電圧検出手段の検出する第１の信号は前記第(3)式の左辺の内容に相当する。
【００１５】
従って、前記アラーム発生手段に設けた比較手段は、前記第(3)式の左辺と右辺とを比較することになり、電力損失Ｗが予め定めた閾値Ｋを超えたか否かを調べることができる。請求項３は、請求項１の電流ドライバ出力保護回路において、前記電圧検出手段に、電流ドライバの出力端に現れる第１の電圧を検出する出力電圧検出手段と、電流ドライバに供給される電源の電圧と前記第１の電圧との差分レベルを検出する差分レベル検出手段とを設けたことを特徴とする。
【００１６】
請求項３においては、差分レベル検出手段の検出する差分レベルとして、電流ドライバ内部のパワー素子に印加される電圧を検出することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の電流ドライバ出力保護回路の実施の形態について説明する前に、電圧検出手段と電流検出手段を用いた場合の回路について、図１及び図６を参照して説明する。
【００１９】
図１は電流ドライバ出力保護回路を備えた電流ドライバユニットの構成を示す電気回路図である。図６は電流ドライバ出力保護回路の動作を示すタイムチャートである。
【００２０】
図１に示す電流ドライバユニットについて説明する。この例では、負荷２０に対して電流Ｉｏを供給するために電流ドライバ１０を備えている。負荷２０としては、ここでは電気モータ，ソレノイド，バッテリーなどを想定している。
電流ドライバ１０は、リニアアンプであり、制御のために外部から入力される入力電圧Ｖｉｎのレベルに比例した電流Ｉｏを出力端子１４から出力する。電流ドライバ１０内部の最終出力には、出力トランジスタ１１が設けられている。
【００２１】
この例では、出力トランジスタ１１の電力損失Ｗが過大であることを表すアラーム信号ＡＬＭを生成するために、電流検出抵抗器１５，電圧検出器１８，電流検出器１９，掛け算回路２１，コンパレータ２２，時定数回路２３及びコンパレータ２４を設けてある。なお、電流検出抵抗器１５の抵抗値は負荷２０の抵抗値ＲＬと比べて無視できる程度に小さい。
【００２２】
電圧検出器１８は、演算増幅器を用いて構成してあり、電源端子１２の電圧（Ｖｃｃ）と電流ドライバ１０の出力端子１４の電圧（Ｖｏ：Ｉｏ・ＲＬとほぼ等しい）との電位差、すなわち出力トランジスタ１１のコレクタ−エミッタ間に印加される電圧（Ｖｃｃ−Ｉｏ・ＲＬ）を検出する。
電流検出器１９は、演算増幅器を用いて構成してあり、電流検出抵抗器１５に生じる電位差を出力電流Ｉｏのレベルとして検出する。
【００２３】
掛け算回路２１は、演算増幅器を用いて構成したアナログ掛け算器であり、信号ＳＧ１のレベルと信号ＳＧ２のレベルとの乗算値を信号ＳＧ３のレベルとして出力する。すなわち、信号ＳＧ３のレベルは（（Ｖｃｃ−Ｉｏ・ＲＬ）Ｉｏ）に相当し、前記第(1)式から求められる電力損失Ｗと等しくなる。
コンパレータ２２は、信号ＳＧ３の電圧を閾値である基準電圧Ｖｒ１と比較する。コンパレータ２２が出力する二値信号ＳＧｘは、信号ＳＧ３の電圧と基準電圧Ｖｒ１との大小関係を表す。
【００２４】
図６に示すように、二値信号ＳＧｘは通常は低レベルＬであり、信号ＳＧ３の電圧が基準電圧Ｖｒ１を超えると二値信号ＳＧｘは高レベルＨになる。また、時定数回路２３が出力する信号ＳＧ４の電圧は、図６に示すように二値信号ＳＧｘが高レベルＨになってから時間の経過に伴って徐々に上昇する。
コンパレータ２４は、信号ＳＧ４の電圧を閾値である基準電圧Ｖｒ２と比較する。コンパレータ２４が出力するアラーム信号ＡＬＭは、通常は低レベルＬであり、信号ＳＧ４の電圧が基準電圧Ｖｒ２を超えると高レベルＨ（アクティブ）になる。
【００２５】
つまり、この電流ドライバ出力保護回路においては、出力トランジスタ１１における電力損失Ｗが基準電圧Ｖｒ１に対応する閾値を超えた状態が所定時間以上継続した場合に、アラーム信号ＡＬＭがアクティブになる。
従って、アラーム信号ＡＬＭを利用することにより出力トランジスタ１１を保護することが可能である。例えば、アラーム信号ＡＬＭがアクティブになった場合に入力電圧Ｖｉｎを低減して電力損失Ｗを抑制してもよいし、電源端子１２，１３に供給する電力を遮断してもよい。
【００２６】
なお、図１に示す回路においては、電力損失Ｗが閾値を超えた状態が所定時間以上継続した場合にアラーム信号ＡＬＭを出力するように構成してあるが、信号ＳＧｘをアラーム信号として出力すれば、電力損失Ｗが閾値を超えた場合に直ちに保護機能を働かせることができる。その場合には、時定数回路２３及びコンパレータ２４は不要になる。
【００２７】
また、図１に示す回路においては、アナログ回路を用いて電流ドライバ出力保護回路を構成してあるが、各機能要素をディジタル回路やコンピュータの処理で置き換えることもできる。
（第１の実施の形態）本発明の電流ドライバ出力保護回路の実施の形態について、図２を参照して説明する。この形態は、請求項１に対応する。
【００２８】
図２はこの形態の電流ドライバ出力保護回路を備えた電流ドライバユニットの構成を示す電気回路図である。この形態は、第１の実施の形態の変形例である。図２において、図１と対応する要素は同一の符号を付けて示してある。第１の実施の形態と同一の部分については、以下の説明を省略する。
【００２９】
この形態では、請求項１の逆数レベル生成手段及び比較手段は、それぞれ逆数演算回路３１及びコンパレータ２２に対応する。
電流ドライバ１０はリニアアンプであるので、電流ドライバ１０の出力する電流Ｉｏは入力電圧Ｖｉｎに比例する。つまり、電流Ｉｏに比例する信号レベルを入力電圧Ｖｉｎから得ることができる。
【００３０】
逆数演算回路３１は、演算増幅器を用いて構成してあり、入力電圧の逆数のレベルを信号ＳＧ６として出力する。すなわち、信号ＳＧ６のレベルは電流Ｉｏの逆数になる。実際には、電流ドライバ１０のゲインに応じて信号ＳＧ６のレベルが変化するが、この例ではゲインを１とみなしている。
掛け算回路３２は、演算増幅器を用いて構成したアナログ掛け算器であり、信号ＳＧ６のレベルと定数Ｋのレベルとの乗算値を信号ＳＧ５のレベルとして出力する。すなわち、信号ＳＧ５のレベルは（Ｋ／Ｉｏ）になる。
【００３１】
コンパレータ２２は、電圧検出器１８から出力される信号ＳＧ１のレベル（Ｖｃｃ−Ｉｏ・ＲＬ）と信号ＳＧ５のレベル（Ｋ／Ｉｏ）とを比較する。すなわち、コンパレータ２２は前記第(3)式の左辺と右辺との比較を行い、出力トランジスタ１１の電力損失Ｗが予め定めた閾値Ｋを超えたか否かを識別する。
上記以外の構成及び動作については、図１の場合と同様である。
【００３２】
なお、図２の例では電流ドライバ１０の入力電圧Ｖｉｎから電流Ｉｏに比例する信号レベルを検出しているが、図１と同様に電流検出抵抗器１５の検出電圧を利用して電流Ｉｏを検出することもできる。
（第２の実施の形態）本発明の電流ドライバ出力保護回路のもう１つの実施の形態について、図３を参照して説明する。この形態は、請求項３に対応する。
【００３３】
図３はこの形態の電流ドライバ出力保護回路を備えた電流ドライバユニットの構成を示す電気回路図である。この形態は、第１の実施の形態の変形例である。図３において、図２と対応する要素は同一の符号を付けて示してある。第１の実施の形態と同一の部分については、以下の説明を省略する。この形態では、請求項３の出力電圧検出手段及び差分レベル検出手段は、それぞれ電圧検出器４１及び電圧検出器４２に対応する。
【００３４】
図３の回路においては、図２の電圧検出器１８の代わりに電圧検出器４１及び４２が設けてある。電圧検出器４１は、電流ドライバ１０の出力端子１４と共通端子ＣＯＭ（通常はアースに接続される）との電位差、すなわち負荷２０に印加される電圧Ｖｏ（＝Ｉｏ・ＲＬ）を検出する。
電圧検出器４２は、電圧検出器４１から出力される電圧Ｖｏと電源端子１２の電圧（Ｖｃｃ）との電位差を検出する。従って、電圧検出器４２が出力する信号ＳＧ１の電圧は（Ｖｃｃ−Ｉｏ・ＲＬ）になる。
【００３５】
上記以外の構成及び動作については、図２の場合と同様である。
【００３６】
【発明の効果】
以上の通り、本発明の電流ドライバ出力保護回路によれば電流ドライバ内部の電力損失を検出して異常の有無を調べることができるので、出力の短絡などによる電力損失の増大に対して、故障が発生する前に確実に素子や回路を保護することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  電圧検出手段と電流検出手段を用いた場合の電流ドライバ出力保護回路を備えた電流ドライバユニットの構成を示す電気回路図である。
【図２】  第１の実施の形態の電流ドライバ出力保護回路を備えた電流ドライバユニットの構成を示す電気回路図である。
【図３】  第２の実施の形態の電流ドライバ出力保護回路を備えた電流ドライバユニットの構成を示す電気回路図である。
【図４】出力電圧と出力電流との関係を示すグラフである。
【図５】出力電流と内部損失との関係を示すグラフである。
【図６】電流ドライバ出力保護回路の動作を示すタイムチャートである。
【図７】従来例の電流ドライバ出力保護回路を備えた電流ドライバユニット示す電気回路図である。
【符号の説明】
１０  電流ドライバ
１１  出力トランジスタ
１２，１３  電源端子
１４  出力端子
１５  電流検出抵抗器
１６，１７  出力端子
１８  電圧検出器
１９  電流検出器
２０  負荷
２１  掛け算回路
２２  コンパレータ
２３  時定数回路
２４  コンパレータ
３１  逆数演算回路
３２  掛け算回路
４１，４２  電圧検出器
【図１】
0003718135.tif 000004
【図２】
0003718135.tif 000005
【図３】
0003718135.tif 000006
【図４】
0003718135.tif 000007
【図５】
0003718135.tif 000008
【図６】
0003718135.tif 000009
【図７】
0003718135.tif 000010