(57)【要約】【課題】高精度に過電流を遮断する技術を提供する。【解決手段】過電流保護回路が、電源から負荷へ電流を供給する経路に設けられた過電流保護素子と、前記過電流保護素子に流れる電流が所定値に達するとＯＮする第一のスイッチ素子と、前記第一のスイッチ素子がＯＮすることによりＯＮして、前記過電流保護素子に流れる電流をグランドに流す第二のスイッチ素子とを備える。【選択図】図１
2019213405.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源から負荷へ電流を供給する経路に設けられた過電流保護素子と、
前記過電流保護素子に流れる電流が所定値に達するとＯＮする第一のスイッチ素子と、
前記第一のスイッチ素子がＯＮすることによりＯＮして、前記過電流保護素子に流れる電流をグランドに流す第二のスイッチ素子と、
を備える過電流保護回路。
【請求項２】
前記電源から前記負荷へ電流を供給する経路に接続され、前記負荷へ供給される電流が当該負荷の許容電流値に達した時に前記過電流保護素子に流れる電流が前記所定値となるように抵抗値が設定された抵抗器を備える請求項１に記載の過電流保護回路。
【請求項３】
前記第一のスイッチ素子が、前記過電流保護素子の両端にベースとエミッタが接続された第一のトランジスタであり、
前記第二のスイッチ素子が、前記第一のトランジスタのコレクタにベースが接続されると共に、前記電流を供給する経路と前記グランドの間にコレクタとエミッタが接続された第二のトランジスタである
請求項１又は２に記載の過電流保護回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、過電流保護回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電子機器において、地絡等により回路に過電流が流れて損傷することを防止する為、回路に所定以上の電流が流れると当該電流を遮断する過電流保護素子を有する過電流保護回路が備えられている。この場合、過電流保護素子は、許容電流値以上の電流が流れた場合に回路を遮断し、過電流が流れなくなった場合に給電状態に復帰する自己復帰型のものが望ましい。自己復帰型の過電流保護素子としては、例えば、ＰＴＣ(positive temperature coefficient)サーミスタが挙げられる。ＰＴＣサーミスタは、当該ＰＴＣサーミスタに流れる電流値が保持電流値以下の場合には、抵抗値が低く、保持電流値を超えた場合、特にトリップ電流値を超えた場合には自己発熱により急激に抵抗値を増大（トリップ）させて、電流を遮断する。そこで電子機器に必要な電流を確保でき、且つ許容電流を超えた場合に電流を遮断できる保持電流値及びトリップ電流値を有したＰＴＣサーミスタを採用する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２０７２７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＰＴＣサーミスタは、周囲温度によって保持電流値及びトリップ電流値が変化し、共に高温となるほど小さくなる性質を有する。このため、周囲温度が高温（例えば＋６０°）でも電子機器に必要な電流を確保できるように保持電流値の高いＰＴＣサーミスタを採用した場合、周囲温度が低温ときには、保持時電流値及びトリップ電流値が高くなり、電子機器の許容電流を超えた電流（過電流）が流れても遮断できないことがある。この場合でも、例えば、電子機器内で完全な地絡が生じ、トリップ電流値を超える電流が流れると短時間でＰＴＣサーミスタがトリップし、深刻な障害が生じる前に電流を遮断できる。しかしながら、地絡の状況によっては、トリップ電流値を超えない程度の過電流が流れることがあり、この場合、ＰＴＣサーミスタが速やかにトリップしないため、過電流が流れ続け、電子機器に深刻な損傷を生じさせることが考えられる。
【０００５】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、高精度に過電流を遮断する技術の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明は、以下の手段を採用した。即ち、本発明の過電流保護回路は、
電源から負荷へ電流を供給する経路に設けられた過電流保護素子と、
前記過電流保護素子に流れる電流が所定値に達するとＯＮする第一のスイッチ素子と、
前記第一のスイッチ素子がＯＮすることによりＯＮして、前記過電流保護素子に流れる電流をグランドに流す第二のスイッチ素子と、を備える。
【０００７】
前記過電流保護回路は、前記電源から前記負荷へ電流を供給する経路に接続され、前記負荷へ供給される電流が当該負荷の許容電流値に達した時に前記過電流保護素子に流れる電流が前記所定値となるように抵抗値が設定された抵抗器を備えてもよい。
【０００８】
前記過電流保護回路は、前記第一のスイッチ素子が、前記過電流保護素子の両端にベースとエミッタが接続された第一のトランジスタであり、
前記第二のスイッチ素子が、前記第一のトランジスタのコレクタにベースが接続されると共に、前記電流を供給する経路と前記グランドの間にコレクタとエミッタが接続された第二のトランジスタであってもよい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、高精度に過電流を遮断する技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態に係る過電流保護回路を備えた電子機器を示す図である。
【図２】過電流が生じて、第一のトランジスタがＯＮした状態の説明図である。
【図３】第二のトランジスタがＯＮした状態の説明図である。
【図４】ＰＴＣサーミスタがトリップして過電流の保護を行った状態の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。但し、以下で説明する実施形態は本発明を実施するための例示であり、特に限定的な記載がない限りは、発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【００１２】
[構成説明]
図１は、本実施形態に係る過電流保護回路を備えた電子機器を示す図である。電子機器１０は、例えば、音楽やラジオ放送の音声等を出力するオーディオ装置や、ＤＶＤやテレビ放送による動画像を出力するビジュアル装置、ナビゲーション装置、これらを併合した装置（ＡＶＮ装置とも称す）、ドライブレコーダといった車両に使用される装置（車載装置）である。なお、これは一例であり、本実施形態の電子機器は、車載装置に限定されるものではない。
【００１３】
図１に示すように、電子機器１０は、電源回路１１や、過電流保護回路１２、負荷回路１３を備える。
【００１４】
電源回路１１は、負荷回路１３へ電力を供給する電源であり、例えば、車載装置であれば、バッテリーから供給される電力を負荷回路１３で必要とされる電圧及び電流に変換して供給する変換回路を有する。この他、電源回路１１は、商用電源からの電力を負荷回路１３で必要とされる電圧及び電流に変換するものであってもよい。また、電源回路１１は、負荷回路１３へ電力を供給する電池を備えるものであってもよい。
【００１５】
負荷回路１３は、電源回路１１から供給される電力を消費する負荷であり、当該電力によって電子機器１０の機能を実現する機能部である。図１において、負荷回路１３は、説明の便宜上、単に抵抗器と同様の記号で示している。負荷回路１３は、例えば、ユーザの操作によって操作情報を入力する操作部や車両の情報を検出するセンサ等の入力手段、情報を記憶する記憶装置、情報を処理するＣＰＵ、情報の処理結果等を表示する表示装置が挙げられる。
【００１６】
過電流保護回路１２は、図１に示すように、ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）サーミスタ２１や、トランジスタＴＲ１，ＴＲ２、抵抗器Ｒ１〜Ｒ４、コンデンサＣ１を備えている。なお、図１の構成は一例であり、過電流保護回路１２は、これに限らず、同等の機能を有するように他の回路構成を採用しても良く、また、一部の素子を省略し
た構成や、他の素子を追加した構成としてもよい。
【００１７】
ＰＴＣサーミスタ２１は、電源回路１１から負荷回路１３へ電流を供給する電流供給経路２２に設けられている。ＰＴＣサーミスタ２１は、過電流保護素子の一形態である。ＰＴＣサーミスタ２１は、正の温度係数を有する。ＰＴＣサーミスタ２１は、具体的には、電流が流れた場合に温度（素子温度）が上昇し、素子温度が所定の温度よりも上昇すると、急激に抵抗値を増大させることによって（トリップとも呼ぶ）電流を遮断する性質を有する。ＰＴＣサーミスタ２１の抵抗変化は可逆的であり、ＰＴＣサーミスタ２１の素子温度が所定の温度以下まで下がると、抵抗値は元の値に戻る。ここで、トリップせずにＰＴＣサーミスタ２１へ流すことができる電流の最大値を保持電流値、ＰＴＣサーミスタ２１がトリップする電流の最小値をトリップ電流値と称する。
【００１８】
ＰＴＣサーミスタ２１としては、例えば、チタン酸バリウムに微量の希土類元素を添加したセラミックに電極を形成した構成や、半結晶性ポリマーと導電性粒子の合成物に電極を形成した構成が挙げられる。過電流保護素子は、ＰＴＣサーミスタに限らず、バイメタル等でもよい。
【００１９】
ＰＴＣサーミスタ２１は、ＰＴＣサーミスタ２１の材料や製法、サイズ等によって保持電流及びトリップ電流が異なるので、当該ＰＴＣサーミスタ２１の保持電流及びトリップ電流が所要の値となるように、材料や製法、サイズが設定されている。
【００２０】
第一のトランジスタＴＲ１は、エミッタが、電源回路１１とＰＴＣサーミスタ２１との間、特に本例では電源回路１１と抵抗器Ｒ１との間の電流供給経路２２に接続されている。また、第一のトランジスタＴＲ１は、ベースが、抵抗器Ｒ２を介して、ＰＴＣサーミスタ２１と負荷回路１３との間の電流供給経路２２に接続されている。即ち、第一のトランジスタＴＲ１は、ＰＴＣサーミスタ２１の両端、特に本例では直列に接続された抵抗器Ｒ１とＰＴＣサーミスタ２１の両端に、ベースとエミッタとが接続されている。
【００２１】
更に、第一のトランジスタＴＲ１は、コレクタが、抵抗器Ｒ３を介して、第二のトランジスタＴＲ２のベースに接続されている。
【００２２】
本実施形態において、第一のトランジスタＴＲ１は、ｐｎｐ型のバイポーラトランジスタである。なお、第一のスイッチ素子は、バイポーラトランジスタに限らず、他のスイッチ素子であってもよい。例えば、Ｎチャネルのユニポーラトランジスタ（ＦＥＴ）であってもよい。
【００２３】
抵抗器Ｒ２は、第一のトランジスタＴＲ１に過剰な電流が流れて第一のトランジスタＴＲ１が損傷することを防止するための保護抵抗である。抵抗器Ｒ３は、第二のトランジスタＴＲ２に過剰な電流が流れて第二のトランジスタＴＲ２が損傷することを防止するための保護抵抗である。
【００２４】
抵抗器Ｒ４は、一端が第一のトランジスタＴＲ１のコレクタと第二のトランジスタＴＲ２のベースとの間の経路に接続され、他端がグランドと接続されている。コンデンサＣ１は、一端が第一のトランジスタＴＲ１のコレクタと第二のトランジスタＴＲ２のベースとの間の経路に接続され、他端がグランドと接続されている。コンデンサＣ１は、第二のトランジスタＴＲ２のベースにかかるノイズを吸収するノイズフィルタとして機能する。なお、図１に示すように、抵抗器Ｒ２〜Ｒ４及びコンデンサＣ１を備えた構成とすることが望ましいが、これに限らず、抵抗器Ｒ２〜Ｒ４及びコンデンサＣ１の少なくとも一部を省略した構成としてもよい。
【００２５】
第二のトランジスタＴＲ２は、ベースが、抵抗器Ｒ３を介して、第一のトランジスタＴＲ１のコレクタに接続されている。また、第二のトランジスタＴＲ２は、コレクタが、ＰＴＣサーミスタ２１と負荷回路１３との間の電流供給経路２２に接続されている。更に、第二のトランジスタＴＲ２は、エミッタが、グランドに接続されている。即ち、第二のトランジスタＴＲ２は、電流供給経路２２とグランドとの間に、コレクタとエミッタが接続されている。
【００２６】
本実施形態において、第二のトランジスタＴＲ２は、ｎｐｎ型のバイポーラトランジスタである。なお、第二のスイッチ素子は、バイポーラトランジスタに限らず、他のスイッチ素子であってもよい。例えば、Ｐチャネルのユニポーラトランジスタ（ＦＥＴ）であってもよい。
【００２７】
[動作説明]
上記構成の電子機器１０において過電流が生じた場合の過電流保護回路１２による保護動作を図１〜図４を用いて以下に説明する。図２は、過電流が生じて、第一のトランジスタＴＲ１がＯＮした状態の説明図、図３は、第二のトランジスタＴＲ２がＯＮした状態の説明図、図４は、ＰＴＣサーミスタ２１がトリップして過電流の保護を行った状態の説明図である。なお、図１〜図４において、矢印の向きは、電子機器１０内を流れる電流の方向を示し、矢印の太さが当該電流の大きさを示している。
【００２８】
電子機器１０の電源がＯＮされ、電源回路１１から電流の供給が開始されると、図１に示すように電源回路１１からの電流が、電流供給経路２２を介して負荷回路１３へ供給される。このとき、電流供給経路２２に流れる電流量は、負荷回路（機能部）１３が、その機能を実現するために消費する電流量、換言すると負荷回路１３が必要とする電流量となる。以下、この電流の上限値を要求電流値と称する。
【００２９】
このように、電流供給経路２２を流れる電流、即ちＰＴＣサーミスタ２１を流れる電流が要求電流値以下の場合には、ＰＴＣサーミスタ２１の抵抗値が低い状態、即ちトリップしない状態となるように、ＰＴＣサーミスタ２１の保持電流値及びトリップ電流値が要求電流値よりも高く設定される。
【００３０】
そして、負荷回路１３に地絡等の故障が生じて、負荷回路１３が許容する電流の上限値（以下、許容電流値）を超えた過電流が流れた場合、第一のトランジスタＴＲ１のベース・エミッタ間の電圧が高まり、第一のトランジスタＴＲ１がＯＮ状態となる。本実施形態では、このように負荷回路１３に許容電流値を超える電流が流れ、ＰＴＣサーミスタ２１に流れる電流が、所定の値（以下、保護電流値）に達すると、第一のトランジスタがＯＮするように、抵抗器Ｒ１の抵抗値及び第一のトランジスタＴＲ１の動作特性が設定されている。例えば、保護電流値の電流が抵抗器Ｒ１及びＰＴＣサーミスタ２１を流れ、この直列に接続された抵抗器Ｒ１及びＰＴＣサーミスタ２１の両端に生じる電位差により、第一のトランジスタＴＲ１のベース・エミッタ間に電圧が印加されてＯＮ状態となるように、抵抗器Ｒ１の抵抗値が設定される。具体的には、第一のトランジスタＴＲ１がＯＮとなるベース・エミッタ間の電圧が０．６Ｖ、保護電流値が５Ａの場合に、ＰＴＣサーミスタ２１と抵抗器Ｒ１との合成抵抗が０．１２Ωとなるように抵抗器Ｒ１の抵抗値を設定する。この例では、簡単のため、抵抗器Ｒ２等の抵抗成分は無視しているが、実際の回路では、抵抗器Ｒ２やその他の抵抗成分を考慮して、抵抗器Ｒ１の抵抗値を設定してもよい。なお、保護電流値は、例えば、許容電流値と同じであってもよい。また、保護電流値は、要求電流値より大きければ、許容電流値より小さくてもよい。ＰＴＣサーミスタ２１は、保持電流値及びトリップ電流値が保護電流値よりも大きいものが採用されている。
【００３１】
図２に示すように、第一のトランジスタＴＲ１がＯＮ状態となり、第一のトランジスタ
ＴＲ１のベース・コレクタ間に電流が流れ、第一のトランジスタＴＲ１のコレクタから、抵抗器Ｒ３を介して第二のトランジスタＴＲ２のベースに電流が流れる。これにより、第二のトランジスタＴＲ２のベース・エミッタ間に電流が流れ、動作点を超えて第二のトランジスタＴＲ２がＯＮ状態となる。
【００３２】
第二のトランジスタＴＲ２がＯＮ状態となると、第二のトランジスタＴＲ２のコレクタ・エミッタ間は、負荷回路１３と比べて抵抗成分が少ないため、電流供給経路２２を流れる電流の大部分が第二のトランジスタＴＲ２を介してグランドに流れる。この場合、第二のトランジスタＴＲ２におけるコレクタ・エミッタ間の抵抗成分が少ないため、電流供給経路２２からグランドへ流れる電流が大きく、ＰＴＣサーミスタ２１に流れる電流も保持電流値及びトリップ電流値を大きく超える値となる。これによりＰＴＣサーミスタ２１が発熱し、図４に示すようにトリップして高抵抗の状態となり、負荷回路１３への電流の供給を遮断する。この場合、ＰＴＣサーミスタ２１に流れる電流は、地絡の状況によって変わる不確定なものでなく、第二のトランジスタＴＲ２を介してグランドに流れる経路の抵抗成分によって決まるため、確実にＰＴＣサーミスタ２１がトリップするように設定できる。
【００３３】
ＰＴＣサーミスタ２１は、電源回路１１から電流の供給が続いている間、この電流による発熱により、トリップ状態が維持される。そして、電子機器１０の電源がＯＦＦされ、電源回路１１から電流の供給が止まり、ＰＴＣサーミスタ２１の温度が所定の値より低くなると、ＰＴＣサーミスタ２１は抵抗値が低い元の状態に戻る。このため、負荷回路１３の故障が解消され、電子機器１０の電源が再度ＯＮされた場合には、図１に示すように通常の状態に復帰する。
【００３４】
このように本実施形態によれば、負荷回路１３に地絡等の故障が発生し、過電流が流れると、第一のトランジスタＴＲ１がＯＮし、これに伴って第二のトランジスタＴＲ２がＯＮし、電流供給経路２２の電流が第二のトランジスタＴＲ２を介してグランドに流れることでＰＴＣサーミスタ２１に所定値以上の電流が流れ、ＰＴＣサーミスタ２１がトリップして負荷回路１３への電流の供給が遮断される。これにより、周囲温度が低く、ＰＴＣサーミスタ２１の保持電流値及びトリップ電流値が高くなった状態で、保持電流値やトリップ電流値より低い値の過電流が生じた場合でも、ＰＴＣサーミスタ２１に流れる電流が保護電流値に達していれば、ＰＴＣサーミスタ２１がトリップして電流の供給を停止し、過電流による損傷から電子機器を保護できる。即ち、周囲温度によらず、ＰＴＣサーミスタに流れる電流が所定値（保護電流値）に達した場合には電流の供給を遮断でき、高精度に過電流を遮断することができる。このため、本実施形態の過電流保護回路１２は、寒冷地を走行する車内や直射日光のあたる車内など、極低温（例えば−２０℃）や高温（例えば６０℃）の環境で使用される車載装置に好適に用いられる。
【００３５】
また、本実施形態の過電流保護回路１２は、電流供給経路２２に接続される抵抗器Ｒ１の抵抗値を適切に設定することにより、ＰＴＣサーミスタ２１がトリップする保護電流値を任意に設定できる。これにより、遮断する電流の値を容易に設定することができる。例えば、保護電流値をＰＴＣサーミスタ２１の保持電流値やトリップ電流値より小さくすることもでき、保護電流値を負荷回路１３の許容電流値よりも十分に小さく設定し、過電流が生じた場合の安全性のマージンを大きく確保することができる。
【００３６】
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。上記実施の形態は、矛盾のない限り組み合わせることができる。
【符号の説明】
【００３７】
１０    ：電子機器
１１    ：電源回路
１２    ：過電流保護回路
１３    ：負荷回路
２１    ：ＰＴＣサーミスタ（過電流保護素子）
２２    ：電流供給経路
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４：抵抗器
ＴＲ１  ：第一のトランジスタ（第一のスイッチ素子）
ＴＲ２  ：第二のトランジスタ（第二のスイッチ素子）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2019213405.tif 000006