(57)【要約】【課題】通常状態において消費電流を抑え、過電圧保護状態において入力電圧に対する出力電圧の変動が少ない過電圧保護回路を提供する。【解決手段】抵抗を介して接続された入力端子と出力端子と、出力端子の電圧が正極用基準電圧に基づく値以上となったことを検出する正極用過電圧検出素子と、出力端子の電圧が負極用基準電圧に基づく値以下となったことを検出する負極用過電圧検出素子と、出力端子と基準電位端子との間に設けられ、正極用過電圧検出素子の検出結果に基づいてオン状態となる正極用バイパススイッチング素子と、出力端子と基準電位端子との間に設けられ、負極用過電圧検出素子の検出結果に基づいてオン状態となる負極用バイパススイッチング素子と、を備えた過電圧保護回路。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
抵抗を介して接続された入力端子と出力端子と、
前記出力端子の電圧が正極用基準電圧に基づく値以上となったことを検出する正極用過電圧検出素子と、
前記出力端子の電圧が負極用基準電圧に基づく値以下となったことを検出する負極用過電圧検出素子と、
前記出力端子と基準電位端子との間に設けられ、前記正極用過電圧検出素子の検出結果に基づいてオン状態となる正極用バイパススイッチング素子と、
前記出力端子と基準電位端子との間に設けられ、前記負極用過電圧検出素子の検出結果に基づいてオン状態となる負極用バイパススイッチング素子と、
を備えたことを特徴とする過電圧保護回路。
【請求項２】
前記正極用バイパススイッチング素子は、オン状態において、前記出力端子の電圧が正極側に大きいほどオン抵抗が小さくなり、
前記負極用バイパススイッチング素子は、オン状態において、前記出力端子の電圧が負極側に大きいほどオン抵抗が小さくなることを特徴とする請求項１に記載の過電圧保護回路。
【請求項３】
前記正極用過電圧検出素子、前記負極用過電圧検出素子、前記正極用バイパススイッチング素子、前記負極用バイパススイッチング素子は、ＭＯＳトランジスタであることを特徴とする請求項１または２に記載の過電圧保護回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、過電圧が入力された場合に出力電圧を抑制する過電圧保護回路に関し、特に、通常状態において消費電流を抑え、過電圧保護状態において入力電圧に対する出力電圧の変動が少ない過電圧保護回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
過大な入力電圧を制限し、入力側の装置を保護するために過電圧保護回路が用いられている。図５は、特許文献１に開示されている従来の過電圧保護回路の構成を示す図である。本図の例では、電圧ＶＩＮを反転入力端子に入力する比較器３１０を過電圧から保護するために、正極用過電圧保護回路３０１と、負極用過電圧保護回路３０２とが設けられている。
【０００３】
正極用過電圧保護回路３０１は、正極用第１ダイオードＤｐ１と正極用第２ダイオードＤｐ２と電流設定用抵抗器Ｒｐｃとを備えており、負極用過電圧保護回路３０２は、負極用第１ダイオードＤｎ１と負極用第２ダイオードＤｎ２と電流設定用抵抗器Ｒｎｃとを備えている。
【０００４】
特許文献１によれば、入力電圧ＶＩＮが正極性の過電圧となると、正極用第１ダイオードＤｐ１が導通することで、比較器３１０の反転入力端子の電圧Ｖ１は、電源電圧ＶＣＣにクランプされる。また、入力電圧ＶＩＮが負極性の過電圧となると、負極用第１ダイオードＤｎ１が導通することで、比較器３１０の反転入力端子の電圧Ｖ１は、電源電圧−ＶＣＣにクランプされる。これにより、入力電圧ＶＩＮが過電圧となっても、比較器３１０の反転入力端子の電圧Ｖ１は過電圧にならず、比較器３１０が保護されることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２２０３９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
正極性のクランプ動作時に、ＶＩＮ側から見たインピーダンスは、実質的に抵抗Ｒ１＋抵抗Ｒｐｃになる。正極性のクランプ動作時に、入力電圧ＶＩＮの大きさによらず、比較器３１０の反転入力端子の電圧Ｖ１を電源電圧ＶＣＣに保つためには、正極用第２ダイオードＤｐ２が導通状態でなければならないため、抵抗Ｒｐｃをできるだけ小さな値にする必要がある。
【０００７】
同様に、負極性のクランプ動作時に、入力電圧ＶＩＮの大きさによらず、比較器３１０の反転入力端子の電圧Ｖ１を電源電圧−ＶＣＣに保つためには、負極用第２ダイオードＤｎ２が導通状態でなければならないため、抵抗Ｒｎｃをできるだけ小さな値にする必要がある。
【０００８】
しかしながら、抵抗Ｒｐｃ、抵抗Ｒｎｃを小さな値にすると、入力電圧ＶＩＮが正常でクランプ動作を行なわない通常動作時に、電源電圧ＶＣＣの端子から正極用第２ダイオードＤｐ２を介して抵抗Ｒｐｃに流れる電流と、電源電圧−ＶＣＣの端子から負極用第２ダイオードＤｎ２を介して抵抗Ｒｎｃに流れる電流が大きくなり、消費電流が増大してしまう。
【０００９】
一般に、通常動作時の消費電流を抑制する観点から、抵抗Ｒｐｃ、抵抗Ｒｎｃの値を小さくすることには制約があるため、過電圧保護動作時に出力電圧Ｖ１を一定値に抑えることができず、入力電圧ＶＩＮの大きさに応じて電圧Ｖ１が大きくなってしまう場合がある。電圧Ｖ１が比較器３１０の反転入力端子の耐電圧を超えると、比較器３１０に悪影響を与えるため、入力される過大電圧の値によって過電圧保護動作時の出力電圧は変動しない方がよい。
【００１０】
このため、通常動作時における消費電流の削減と、過電圧保護動作時における出力電圧の変動防止とを両立させることが望まれている。そこで、本発明は、通常状態において消費電流を抑え、過電圧保護状態において入力電圧に対する出力電圧の変動が少ない過電圧保護回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、本発明の過電圧保護回路は、抵抗を介して接続された入力端子と出力端子と、前記出力端子の電圧が正極用基準電圧に基づく値以上となったことを検出する正極用過電圧検出素子と、前記出力端子の電圧が負極用基準電圧に基づく値以下となったことを検出する負極用過電圧検出素子と、前記出力端子と基準電位端子との間に設けられ、前記正極用過電圧検出素子の検出結果に基づいてオン状態となる正極用バイパススイッチング素子と、前記出力端子と基準電位端子との間に設けられ、前記負極用過電圧検出素子の検出結果に基づいてオン状態となる負極用バイパススイッチング素子と、を備えたことを特徴とする。
ここで、前記正極用バイパススイッチング素子は、オン状態において、前記出力端子の電圧が正極側に大きいほどオン抵抗が小さくなり、前記負極用バイパススイッチング素子は、オン状態において、前記出力端子の電圧が負極側に大きいほどオン抵抗が小さくなることが好ましい。
具体的には、前記正極用過電圧検出素子、前記負極用過電圧検出素子、前記正極用バイパススイッチング素子、前記負極用バイパススイッチング素子は、ＭＯＳトランジスタとすることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、通常状態において消費電流を抑え、過電圧保護状態において入力電圧に対する出力電圧の変動が少ない過電圧保護回路が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施形態に係る過電圧保護回路の構成を示す回路図である。
【図２】正極側の過電圧が生じたときの過電圧保護回路の動作について説明する図である。
【図３】負極側の過電圧が生じたときの過電圧保護回路の動作について説明する図である。
【図４】過電圧保護回路の入出力特性を示す図である。
【図５】従来の過電圧保護回路を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る過電圧保護回路の構成を示す回路図である。
【００１５】
本図に示すように、過電圧保護回路１００は、入力端子に電圧ＶＩＮを入力し、抵抗ＲＩＮを介して接続されている出力端子から電圧ＶＯＵＴを出力する回路であり、入力電圧ＶＩＮが過電圧となっても、出力電圧ＶＯＵＴが過電圧となるのを防いで、出力端子の後段に接続される装置を保護する回路である。
【００１６】
過電圧保護回路１００は、ｎ型ＭＯＳトランジスタであるＭ１１、Ｍ２２を備えており、Ｍ１１はドレインが出力端子に接続され、Ｍ２２はソースが出力端子に接続されている。また、ｐ型ＭＯＳトランジスタであるＭ１２、Ｍ２１を備えており、Ｍ１２はソースが出力端子に接続され、Ｍ２１はドレインが出力端子に接続されている。
【００１７】
Ｍ１２のゲートには、正極側の過電圧判定用の基準電圧としてＶＴＨを印加し、Ｍ２２のゲートには、負極側の過電圧判定用の基準電圧としてＶＴＬ（＜ＶＴＨ）を印加する。
【００１８】
Ｍ１２のドレインは抵抗Ｒ１１、抵抗Ｒ１２を介して負極の電源電圧ＶＳＳに接続され、Ｍ２２のドレインは抵抗Ｒ２１、抵抗Ｒ２２を介して正極の電源電圧ＶＤＤに接続されている。また、Ｍ１２のバックゲートはノードＶＰに接続し、Ｍ２２のバックゲートはノードＶＮと接続している。
【００１９】
Ｍ１２は、ソースに印加される出力端子の電圧ＶＯＵＴと、ゲートに印加される正極側の過電圧判定用の基準電圧ＶＴＨとを比較し、電圧ＶＯＵＴが基準電圧ＶＴＨよりも高くなり、その差がＭ１２の閾値電圧以上になるとオンする。
【００２０】
また、Ｍ２２は、ソースに印加される出力端子の電圧ＶＯＵＴと、ゲートに印加される負極側の過電圧判定用の基準電圧ＶＴＬとを比較し、電圧ＶＯＵＴが基準電圧ＶＴＬよりも低くなり、その差がＭ２２の閾値電圧以上になるとオンする。
【００２１】
したがって、Ｍ１２は、正極用過電圧検出素子として機能し、Ｍ２２は、負極用過電圧検出素子として機能することになる。
【００２２】
Ｍ１１のゲートはＭ１２のドレインに接続され、ソースはグランド等の基準電位に接続されている。このため、出力端子の電圧ＶＯＵＴが正極側に大きくなり、Ｍ１２がオンすると、Ｍ１１もオンし、ドレイン電流が出力端子から基準電位方向に流れることになる。
【００２３】
また、Ｍ２１のゲートはＭ２２のドレインに接続され、ソースはグランド等の基準電位に接続されている。このため、出力端子の電圧ＶＯＵＴが負極側に大きくなり、Ｍ２２がオンすると、Ｍ２１もオンし、ドレイン電流が基準電位から出力端子方向に流れることになる。
【００２４】
したがって、Ｍ１１は、正極用バイパススイッチング素子として機能し、Ｍ２１は負極用バイパススイッチング素子として機能する。なお、Ｍ１１のバックゲートはノードＶＮに接続し、Ｍ２１のバックゲートはノードＶＰに接続している。
【００２５】
本図の例では、ノードＶＰは抵抗Ｒ２２を介して正極の電源電圧ＶＤＤに接続し、ノードＶＮは抵抗Ｒ１２を介して負極の電源電圧ＶＳＳに接続して、電位を確定しているが、素子の定格を満たす限り、グランドやその他の電位に接続してもよい。
【００２６】
このような構成の過電圧保護回路１００において、入力端子の電圧ＶＩＮが正常で、過電圧保護動作を行なっていない場合、Ｍ１１、Ｍ１２、Ｍ２１、Ｍ２２のいずれともオフとなるため、消費電流はゼロである。
【００２７】
次に、入力端子の電圧ＶＩＮに正極側の過電圧が生じたときの過電圧保護回路１００の動作について図２を参照して説明する。
【００２８】
入力端子の電圧ＶＩＮが上昇し、出力端子の電圧ＶＯＵＴが、正極側の過電圧判定用基準電圧ＶＴＨ＋Ｍ１２の閾値電圧ＶＴ以上になると、Ｍ１２がオンし、Ｍ１１のゲート電圧を出力端子の電圧ＶＯＵＴまで上昇させ、Ｍ１１がオンする。Ｍ１１がオンすると、ドレイン電流Ｉ１１が出力端子から基準電位に流れ、出力端子の電圧ＶＯＵＴがクランプされる。クランプされる電圧は、Ｍ１１のオン抵抗と基準電位に基づくことになる。
【００２９】
入力端子の電圧ＶＩＮがさらに上昇し、出力端子の電圧ＶＯＵＴが上昇しようとしても、Ｍ１２を介してＭ１１のゲート電圧が上昇することによりＭ１１のソース−ゲート間電圧が大きくなるため、Ｍ１１のオン抵抗が下がり、出力端子の電圧ＶＯＵＴの上昇が抑えられる。
【００３０】
次に、入力端子の電圧ＶＩＮに負極側の過電圧が生じたときの過電圧保護回路１００の動作について図３を参照して説明する。
【００３１】
入力端子の電圧ＶＩＮが下降し、出力端子の電圧ＶＯＵＴが、負極側の過電圧判定用基準電圧ＶＴＬ−Ｍ２２の閾値電圧ＶＴ以下になると、Ｍ２２がオンし、Ｍ２１のゲート電圧を出力端子の電圧ＶＯＵＴまで下降させ、Ｍ２１がオンする。Ｍ２１がオンすると、ドレイン電流Ｉ２１が基準電位から出力端子に流れ、出力端子の電圧ＶＯＵＴがクランプされる。クランプされる電圧は、Ｍ２１のオン抵抗と基準電位に基づくことになる。
【００３２】
入力端子の電圧ＶＩＮがさらに下降し、出力端子の電圧ＶＯＵＴが下降しようとしても、Ｍ２２を介してＭ２１のゲート電圧が下降することによりＭ２１のソース−ゲート間電圧が大きくなるため、Ｍ２１のオン抵抗が下がり、出力端子の電圧ＶＯＵＴの下降が抑えられる。
【００３３】
図４は、過電圧保護回路１００の入出力特性を示す図である。本図に示すように、入力電圧ＶＩＮがＶＴＬ−ＶＴ以下となって負極側の過電圧保護動作を行なっているとき、出力電圧ＶＯＵＴは入力電圧ＶＩＮによらずほぼ一定のＶＴＬを保っている。また、入力電圧ＶＩＮがＶＴＨ＋ＶＴ以上となって正極側の過電圧状保護動作を行なっているとき、出力電圧ＶＯＵＴは入力電圧ＶＩＮによらずほぼ一定のＶＴＨを保っている。また、上述のように、通常動作時には、各ＭＯＳトランジスタはオフ状態となるため、消費電流はゼロである。
【００３４】
このように、本実施形態の過電圧保護回路１００は、通常状態において消費電流を抑えることができ、過電圧保護状態において入力電圧に対する出力電圧の変動を少なくすることができる。
【００３５】
なお、本実施形態の過電圧保護回路１００は、電源が投入されていない状態、すなわち、ＶＤＤ＝ＶＳＳ＝ＶＴＨ＝ＶＴＬ＝０Ｖの状態であっても、正極側の過電圧入力が生じると、Ｍ１２、Ｍ１１がオンすることにより、出力電圧ＶＯＵＴが過電圧となることを防ぎ、負極側の過電圧入力が生じると、Ｍ２２、Ｍ２１がオンすることにより、出力電圧ＶＯＵＴが過電圧となることを防ぐことができる。このため、電源負投入の状態であっても、通常動作の入力電圧範囲は狭くなるが、後段の装置を過電圧から保護することが可能である。
【００３６】
なお、本発明の過電圧保護回路は、上記の構成に限られない。例えば、ＭＯＳトランジスタの組合わせを換えたり、バイポーラトランジスタ等を用いるようにしてもよい。また、ＭＯＳトランジスタＭ１２で構成した正極用過電圧検出素子、ＭＯＳトランジスタＭ２２で構成した負極用過電圧検出素子は、比較器を用いて構成してもよい。
【符号の説明】
【００３７】
１００…過電圧保護回路、Ｍ１１…ｎ型ＭＯＳトランジスタ、Ｍ１２…ｐ型ＭＯＳトランジスタ、Ｍ２１…ｐ型ＭＯＳトランジスタ、Ｍ２２…ｎ型ＭＯＳトランジスタ、３０１…正極用過電圧保護回路、３０２…負極用過電圧保護回路、３１０…比較器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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