(57)【要約】【課題】  耐圧の低いツェナーダイオードを用いても電子回路に過大な電圧がかからないように構成され、発生したサージを吸収して負荷回路を保護するサージ保護回路を提供する。【解決手段】  直流電源１と負荷２との間に接続され、負荷２と並列に接続されたダイアック３と、直流電源１と負荷２との間に接続され、負荷２と並列に接続されたツェナーダイオード４とを具備している。ツェナーダイオード４は、直流電源１に対して逆電圧方向に接続され、ダイアック３とツェナーダイオード４とは直列に接続されている。耐圧の低いツェナーダイオードを用いても電子回路に過大な電圧がかからず、サージ吸収時のサージ吸収エネルギーを低減することが可能になる。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源と電子回路と並列に接続されたダイアックと、
前記電源と前記電子回路との間に接続され、前記ダイアックとは直列に接続され、且つ前記電源に対して逆電圧方向に接続されたツェナーダイオードとを具備し、
前記ダイアックの耐圧は前記電源の出力電圧以上に設定されており、前記ツェナーダイオードの耐圧は前記電源の出力電圧以上に設定され、且つ前記ダイアックの耐圧と等しいかこれより低く設定されていることを特徴とするサージ保護回路。
【請求項２】
前記電子回路は、半導体集積回路装置であることを特徴とする請求項１に記載のサージ保護回路。
【請求項３】
前記半導体集積回路装置は、マイコンであることを特徴とする請求項２に記載のサージ保護回路。
【請求項４】
車載電源と半導体集積回路装置とを具備し、前記半導体集積回路装置は、車載された電子機器を制御するマイコンであり、前記マイコンは、請求項１に記載のサージ保護回路によりサージ保護されることを特徴とするサージ保護回路を搭載した自動車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サージ電圧を吸収することにより負荷に過渡的な過大電圧が印加されるのを防ぐ、例えば、車に搭載される電子機器に用いられるサージ保護回路及びこれを搭載した自動車に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、車に搭載される電子機器のサージ保護回路は、車載電源と負荷との間に接続され、前記負荷と並列に接続されたツェナーダイオードをサージ吸収素子として用いられる。サージ電圧が電子機器内の回路に印加されると、サージ保護回路によりサージ電圧が吸収される。このサージ吸収時のピークエネルギー（ピーク電圧を１００Ｖ、回路内シリーズ抵抗を１Ωとして計算）は、（（１００Ｖ−４０Ｖ）／１Ω）×４０Ｖ（＝２４００Ｗ）となる。このようなサージ電圧は、電子機器に作用することがある。
このサージ電圧が作用すると電子機器内の、とくに、ＩＣやＬＳＩなどの半導体集積回路装置が破壊されるため、上記のように、電子機器の入力部にツェナーダイオードを備えたサージ保護回路を配置して電圧をクランプし、例えば、４０Ｖに電圧を抑制し、回路全体を保護することが一般に行われてきた。このため、この場合次のような問題があった。
【０００３】
本来、ツェナーダイオードの素子電圧が、バッテリー電圧１２Ｖ以上であれば良いが、車の場合寒冷地でバッテリーを２個直列にし使用することがある。そのため、一般的には２４Ｖ以上の耐圧のツェナーダイオードを使用している。
このため、サージ吸収時のクランプ電圧波形は、２４Ｖと４０Ｖ（２４Ｖ＋サージ吸収時の電流値及びその際の素子温度上昇）との間で上昇してしまう。このため、電子機器に使用する半導体集積回路装置の耐圧をこの電圧以下に設計することは出来ない、ＩＣ設計上デメリットとなる、という問題があった。
サージ発生時にサージ吸収素子（サージ保護回路）があることによりサージ電圧をある電圧以下に低減することができるが、この制限できる電圧が高いほど、サージ保護を目的とする半導体集積回路装置の耐圧（素子耐圧）を高く設計しなければならない。素子耐圧を高くすることにより、素子価格がアップし、素子内部の動作抵抗がアップして発熱が大きくなるというデメリットが発生する。このため、抑制電圧（耐圧）は低いほうが好ましい。
【０００４】
寒冷地仕様電源を満足すれば良いだけなら２４Ｖ以上のツェナーダイオードであれば、例えば、耐圧４０Ｖのツェナーダイオードでも良いが、このツェナーダイオードを採用する目的がサージ保護回路につながるマイコンなどの電子回路の半導体集積回路装置（ＬＳＩ、ＩＣ等）に過大な電圧が掛からないようにすることにあり、出来る限り耐圧の低いツェナーダイオードが好まれる。
特許文献１に記載された従来技術では、接地線に漏洩電流が流れ、コンデンサの電圧がトリガ電圧を越えると、ダイアックが導通し、サイリスタがオン動作をし、表示部が劣化表示を行う。雷インパルス通過時は非直線抵抗素子が放電してツェナーダイオードが動作する。開閉サージ電流通過時は非直線抵抗素子は放電しないが、ツェナーダイオードの両端に整定電圧以上の電圧が印加されるためにツェナーダイオードが動作する。ダイアック、ツェナーダイオードは、サイリスタのゲートを駆動するために用いられている。
【特許文献１】特開平６−５３５０号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、耐圧の低いツェナーダイオードを用いても電子回路に過大な電圧がかからないように構成され、発生したサージを吸収し回路を保護するサージ保護回路を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のサージ保護回路の一態様は、電源と電子回路と並列に接続されたダイアックと、前記電源と前記電子回路置との間に接続され、前記ダイアックとは直列に接続され、且つ前記電源に対して逆電圧方向に接続されたツェナーダイオードとを具備し、前記ダイアックの耐圧は、前記電源の出力電圧以上に設定され、前記ツェナーダイオードの耐圧は、前記電源の出力電圧以上に設定され、且つ前記ダイアックの耐圧と等しいかこれより低く設定されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明は、以上の構成により、耐圧の低いツェナーダイオードを用いても電子回路に過大な電圧がかからず、サージ吸収時のサージ吸収エネルギーを低減することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、実施例を参照して発明の実施の形態を説明する。
【実施例１】
【０００９】
まず、図１乃至図６を参照して実施例１を説明する。
図１は、ダイアックとツェナーダイオードの電流−電圧特性を説明する特性図、図２は、ダイアックとツェナーダイオードとを直列に接続した回路の電流−電圧特性を示す特性図、図３は、バッテリー（車載電源）を接続し、この実施例に係るサージ保護回路を接続した車載の電子機器の概略平面図、図４は、図３のサージ保護回路を用いた時のサージ電圧波形及びクランプ時電圧波形を示す特性図、図５は、この実施例のサージ保護回路の接続方法を説明する回路図、図６は、この実施例で用いるダイアックの構造を示す概略断面図及びダイアックの記号を示す図である。
【００１０】
図３は、車載の電子機器にサージ保護回路を取付けた概略図である。電子機器が搭載された配線基板５には、負荷回路２が形成されている。負荷回路２は、電子機器外のバッテリー（車載電源）１に電気的に接続されている。サージ保護回路１０は、配線基板５上に形成され負荷回路２と並列につながれている。サージ保護回路１０を構成するダイアック３は、バッテリー１と負荷回路２との間に接続され、負荷回路２と並列に接続されている。同じくサージ保護回路１０を構成するツェナーダイオード４は、バッテリー１と負荷回路２との間に接続され、負荷回路２と並列に接続されている。前記ツェナーダイオード４は、バッテリー１に対して逆電圧方向に接続されている。ダイアック３とツェナーダイオード４とは直列に接続されている。
ここで、ダイアック（ＤＩＡＣ：Diode AC）３は、サイリスタの１種であり、２端子交流制御素子である。ダイアック３は、１対の電極により挟まれたＮＰＮあるいはＰＮＰの３層の半導体層（この実施例ではＮＰＮ構造）からなり（図６参照）、双方向に対照的に負性抵抗を示す。図６に示す記号で表される。
【００１１】
次に、図１、図２、図４及び図５を参照してサージ保護回路の動作を説明する。ダイアック３及びツェナーダイオード４の耐圧は、各バッテリー１の出力電圧以上に設定されている。また、ツェナーダイオード４の耐圧は、ダイアック３の耐圧と等しいかこれより低く設定する。この実施例では、ツェナーダイオード４の耐圧は、バッテリー１の１個分の出力電圧（１２Ｖ〜１５Ｖ）と等しくして１２Ｖとする。この実施例では１２Ｖをバッテリー１個の出力電圧とする。ダイアック３の耐圧も１２Ｖとする。そして、このサージ保護回路１０を装着した電子機器の負荷回路２には、例えば、耐圧が４０Ｖのマイコンが組み込まれているとする。サージ保護回路１０は、負荷回路２に組み込まれているマイコンを保護するものである。また、図５に示すように、「バッテリー１の正端子−ダイアック３−ツェナーダイオード４−」（図５（ａ））の順序で回路構成が成されていても良いし、「バッテリー１の正端子−ツェナーダイオード４−ダイアック３−」（図５（ｂ））の順序で回路構成が成されていても良く、サージ保護回路１０の作用効果に相違はない。
【００１２】
通常は、バッテリー（車載電源）１に接続された負荷回路２は、例えば、図５（ａ）に示されるサージ保護回路１０に影響されずに機能している。この負荷回路２に、例えば、図４（ａ）に示す波形のピーク電圧１００Ｖのサージ電圧が印加される。サージ電圧が印加される前は、サージ保護回路１０のダイアック３及びツェナーダイオード４ともに動作しない。電源電圧が上昇すると、まずダイアック３がブレークダウンする。しかし、その下段のツェナーダイオード４がブロックしているために、電流は流れない。つまり、サージ保護回路１０は、動作していない。さらに電源電圧がツェナーダイオード４もブレークダウンしてサージ保護回路１０に初めて電流が流れる。
【００１３】
図２に示すように、サージ保護回路にダイアック（１２Ｖ以上の耐圧）と１２Ｖのツェナーダイオードを直列に配置することにより、サージ保護回路は、２４Ｖの耐圧を得ることができ、その結果、図４（ｂ）に示すようなクランプ時電圧の波形が得られる。クランプ時電圧は、２４Ｖである。この時のサージ吸収時のピークエネルギーは、（（１００Ｖ−２４Ｖ）／１Ω）×２４Ｖ＝１８２４Ｗとなり、前述した従来のツェナーダイオードのみを用いたサージ保護回路では２４００Ｗのエネルギーを消費するものであるから、この実施例における吸収エネルギーは、約２４％低減される。クランプ電圧は、従来は耐圧２４Ｖのツェナーダイオードを用いても４０Ｖに上昇したものが、この実施例ではほぼ２４Ｖのままであり、４０％低減される。
【００１４】
前述のように、従来、寒冷地における車載バッテリーは、２個直列にして使用することがある。そのため、一般的には２４Ｖ以上の耐圧のツェナーダイオードを使用している。このため、サージ吸収時のクランプ電圧波形は、２４Ｖと４０Ｖ（２４Ｖ＋サージ吸収時の電流値及びその際の素子温度上昇）との間で上昇してしまう。しかし、電子機器に使用する半導体集積回路装置の耐圧をこの電圧以下に設計することは出来ない（ＩＣ設計上デメリットとなる）という問題があったが、この実施例で示すように、耐圧１２Ｖのツェナーダイオードと耐圧１２Ｖのダイアックとを直列に繋いだものをサージ保護回路としたことにより、クランプ電圧を２４Ｖに抑制することができる。
従来の耐圧２４Ｖツェナーダイオードのみの場合と同様にこの実施例の耐圧１２Ｖツェナーダイオードの耐圧は上昇するが、ダイアックの耐圧が下がっているので２４Ｖのポイントより上昇する可能性は小さい。このポイントを通過するのは瞬時であり耐圧の上昇は小さい。
以上のように、この実施例では、耐圧の低いツェナーダイオードを用いても負荷を構成する電子回路に過大な電圧がかからず、サージ吸収時のサージ吸収エネルギーを低減することが可能になる。
【実施例２】
【００１５】
次に、図７及び図８を参照して実施例２を説明する。
図７は、ダイアックの電流−電圧特性を示す特性図及びツェナーダイオードの電流−電圧特性を示す特性図、図８は、ダイアックとツェナーダイオードとを直列に接続した回路の電流−電圧特性を示す特性図である。実施例１ではダイアック及びツェナーダイオードは、ともに耐圧を１２Ｖとしてバッテリー１個分（１２〜１５Ｖ）に等しくしているが、この実施例では、ともにバッテリー１個分以上の耐圧にするが、ダイアックの耐圧をツェナーダイオードより高くすることに特徴がある。
本発明においては、ダイアックとツェナーダイオードの耐圧は、それぞれ車載電源であるバッテリー１個分以上の耐圧が必要である。そして、ダイアックとツェナーダイオードとを直列に接続したサージ保護回路のサージ吸収時のピーク耐圧は、負荷回路に組み込まれる半導体集積回路装置の耐圧以下にする必要がある。例えば、この実施例では半導体集積回路装置としてマイコンを説明するが、マイコンの耐圧は、現状では、４０Ｖであるので、サージ保護回路の耐圧を４０Ｖ以下にする。
【００１６】
ツェナーダイオードは、バッテリー１個分の出力電圧（この実施例では、１５Ｖとする）以上で限りなく１５Ｖに近い方が良い。したがって、この実施例では、ツェナーダイオードの耐圧を１５Ｖとする。ダイアックの耐圧は、２個のバッテリー（１５Ｖ×２＝３０Ｖ）からツェナーダイオードの耐圧１５Ｖを差し引いた１５Ｖ以上が必要である。そして、さらにダイアックの耐圧は、保護すべき負荷回路に組み込まれているＩＣなどの半導体集積回路装置の耐圧以下に抑える必要がある。このような半導体集積回路装置は、この実施例では、耐圧が４０Ｖのマイコンであるから、ダイアックの耐圧は、４０Ｖ−１５Ｖ＝２５Ｖ以下が適当である。したがって、この実施例では、ダイアックの耐圧を２５Ｖとする。
このようなダイアック及びツェナーダイオードを直列に接続してサージ保護回路を構成し、例えば、図３に示すようなバッテリー（車載電源）に接続された負荷回路に並列に接続する。
【００１７】
通常は、バッテリーに接続された負荷回路は、サージ保護回路に影響されずに機能している。この負荷回路に、例えば、図４（ａ）に示す波形のピーク電圧１００Ｖのサージ電圧が印加される。サージ電圧が印加される前は、サージ保護回路のダイアック及びツェナーダイオードともに動作しない。電源電圧が上昇すると、まずダイアックがブレークダウンする。しかし、その下段のツェナーダイオードがブロックしているために、電流は流れない。つまり、サージ保護回路は、動作していない。さらに電源電圧が上昇してツェナーダイオードもブレークダウンしサージ保護回路に初めて電流が流れる。
図８に示すように、サージ保護回路にダイアック（耐圧２５）と１５Ｖのツェナーダイオードを直列に配置することにより、サージ保護回路は、４０Ｖの耐圧を得ることができる。
従来のツェナーダイオードのみのサージ保護回路と同様にこの実施例の耐圧１５Ｖツェナーダイオードの耐圧も上昇するが、ダイアックの耐圧が下がっているので４０Ｖのポイントより上昇する可能性は小さい。このポイントを通過するのは瞬時であり耐圧の上昇は小さい。
【００１８】
以上のように、この実施例では、耐圧の低いツェナーダイオードを用いても負荷を構成する電子回路に過大な電圧がかからず、負荷回路を構成する保護すべき半導体集積回路装置の耐圧に対応できるサージ保護回路を得ることが可能になる。
この車載電源と半導体集積回路装置とは自動車もしくは二輪車等に搭載され、前記半導体集積回路装置は、例えば、車載された電子機器を制御するマイコンであり、このマイコンは、実施例で説明したサージ保護回路によりサージ保護される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施例である実施例１のダイアックとツェナーダイオードの電流−電圧特性を説明する特性図。
【図２】本発明の一実施例である実施例１に係るダイアックとツェナーダイオードとを直列に接続した回路の電流−電圧特性を示す特性図。
【図３】本発明の一実施例である実施例１に係るサージ保護回路を接続し車載電源を接続した車載の電子機器の概略平面図。
【図４】図３のサージ保護回路を用いた時のサージ電圧波形及びクランプ時電圧波形を示す特性図。
【図５】本発明の一実施例である実施例１に係るサージ保護回路の接続方法を説明する回路図。
【図６】本発明の一実施例である実施例１で用いるダイアックの構造を示す概略断面図及びダイアックの記号を示す図。
【図７】本発明の一実施例である実施例２で説明するダイアックの電流−電圧特性を示す特性図及びツェナーダイオードの電流−電圧特性を示す特性図。
【図８】ダイアックとツェナーダイオードとを直列に接続した回路の電流−電圧特性を示す特性図。
【符号の説明】
【００２０】
１・・・車載電源（バッテリー）
２・・・負荷回路
３・・・ダイアック
４・・・ツェナーダイオード
５・・・配線基板
１０・・・サージ保護回路
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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