半導体スイッチ及び充電回路
【課題】保護回路を内蔵した半導体スイッチ及び充電回路を提供する。
【解決手段】実施形態によれば、スイッチ素子と駆動回路と保護回路と制御回路とを備えた半導体スイッチが提供される。スイッチ素子は、電源線と出力線との間に接続される。駆動回路は、入力信号に応じて前記スイッチ素子をオンまたはオフに駆動する。保護回路は、前記スイッチ素子の過電流を検出したとき前記スイッチ素子の電流を上限値に制限するクランプモードと、前記スイッチ素子を交互にオンとオフとに切り替えるスイッチングモードと、を有する。制御回路は、前記スイッチ素子がオンしたとき前記保護回路を前記クランプモードに制御し、前記スイッチ素子がオンしてから規定時間経過後に前記出力線の短絡を検出したとき、または前記出力線の短絡を検出せずに前記出力線の電圧が規定値に達したとき前記保護回路をスイッチングモードに制御することを特徴とする。
【解決手段】実施形態によれば、スイッチ素子と駆動回路と保護回路と制御回路とを備えた半導体スイッチが提供される。スイッチ素子は、電源線と出力線との間に接続される。駆動回路は、入力信号に応じて前記スイッチ素子をオンまたはオフに駆動する。保護回路は、前記スイッチ素子の過電流を検出したとき前記スイッチ素子の電流を上限値に制限するクランプモードと、前記スイッチ素子を交互にオンとオフとに切り替えるスイッチングモードと、を有する。制御回路は、前記スイッチ素子がオンしたとき前記保護回路を前記クランプモードに制御し、前記スイッチ素子がオンしてから規定時間経過後に前記出力線の短絡を検出したとき、または前記出力線の短絡を検出せずに前記出力線の電圧が規定値に達したとき前記保護回路をスイッチングモードに制御することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体スイッチ及び充電回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
車載機器など、充電可能なバッテリ（二次電池）で動作する電子機器においては、電源電圧の変動やノイズを低減するために、大容量のコンデンサが用いられる。また、コンデンサを充電する際には、充電開始時の突入電流や出力の短絡などによる発熱を抑制するために保護回路が用いられる。例えば、突入電流を制限するため電流を上限値に制限するクランプ動作や、出力の短絡時に充電を交互にオン・オフさせるスイッチング動作をする保護回路が用いられる。
【０００３】
しかし、クランプ動作をオン時の一定時間とした場合、充電するコンデンサの静電容量などにより必要な時間が変化するため、定数の調整が必要になる。一方、コンデンサの端子電圧が規定値に達するまでスイッチング動作に切り替えない場合、出力の短絡に対応できない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０６−３２５７９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の実施形態は、保護回路を内蔵した半導体スイッチ及び充電回路を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態によれば、スイッチ素子と駆動回路と保護回路と制御回路とを備えた半導体スイッチが提供される。スイッチ素子は、電源線と出力線との間に接続される。駆動回路は、入力信号に応じて前記スイッチ素子をオンまたはオフに駆動する。保護回路は、前記スイッチ素子の過電流を検出したとき前記スイッチ素子の電流を上限値に制限するクランプモードと、前記スイッチ素子を交互にオンとオフとに切り替えるスイッチングモードと、を有する。制御回路は、前記スイッチ素子がオンしたとき前記保護回路を前記クランプモードに制御し、前記スイッチ素子がオンしてから規定時間経過後に前記出力線の短絡を検出したとき、または前記出力線の短絡を検出せずに前記出力線の電圧が規定値に達したとき前記保護回路をスイッチングモードに制御することを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施形態に係る半導体スイッチを含む充電回路の構成を例示するブロック図。
【図２】図１に表した半導体スイッチの制御回路の構成を例示する回路図。
【図３】半導体スイッチの主要な信号のタイミングチャートであり、（ａ）は入力信号ＶＩＮ、（ｂ）は出力線の電圧ＶＯＵＴ、（ｃ）は短絡検出回路のクロック信号ＶＣ１、（ｄ）は短絡監視回路の出力電圧ＶＤＩＮ、（ｅ）は短絡検出回路の出力信号ＶＤＯＵＴ、（ｆ）は比較回路の出力信号ＶＯＰＥ、（ｇ）は制御信号ＶＦＦ、（ｈ）はスイッチ素子の電流ＩＯＵＴを示す。
【図４】半導体スイッチの主要な信号の出力線短絡時のタイミングチャートであり、（ａ）は入力信号ＶＩＮ、（ｂ）は出力線の電圧ＶＯＵＴ、（ｃ）は短絡検出回路のクロック信号ＶＣ１、（ｄ）は短絡監視回路の出力電圧ＶＤＩＮ、（ｅ）は短絡検出回路の出力信号ＶＤＯＵＴ、（ｆ）は比較回路の出力信号ＶＯＰＥ、（ｇ）は制御信号ＶＦＦ、（ｈ）はスイッチ素子の電流ＩＯＵＴを示す。
【図５】第２の実施形態に係る半導体スイッチを含む充電回路の構成を例示するブロック図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【０００９】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る半導体スイッチを含む充電回路の構成を例示するブロック図である。
図１に表したように、充電回路１は、半導体スイッチ２を用いた充電回路である。半導体スイッチ２には、電源線３を介して電源電圧ＶＤＤが供給される。半導体スイッチ２の出力線４と接地ＧＮＤとの間には、充電コンデンサ５及び充電抵抗６が並列に接続されている。充電コンデンサ５及び充電抵抗６は、ローパスフィルタを構成している。充電コンデンサ５は、出力線４の電圧ＶＯＵＴで充電される。
【００１０】
電源線３には、例えば、車載機器などの充電可能なバッテリ（二次電池）から電源電圧ＶＤＤが供給される。出力線４には、電源電圧ＶＤＤの変動やノイズが低減された電圧ＶＯＵＴが出力される。出力線４には、例えば、マイクロコンピュータなどの負荷回路７が接続される。負荷回路７には、充電コンデンサ５から電圧ＶＯＵＴが供給される。そのため、充電コンデンサ５としては、大容量のコンデンサが用いられる。また、充電抵抗６の抵抗値は、負荷回路７のインピーダンスに対して十分大きい値に設定される。
【００１１】
半導体スイッチ２には、信号線８を介して入力信号ＶＩＮが入力される。また、半導体スイッチ２においては、電源線３と出力線４との間に接続されたスイッチ素子９が設けられている。スイッチ素子９は、駆動回路１０により駆動され、入力信号ＶＩＮに応じてオンまたはオフする。スイッチ素子９がオンすると、電源線３と出力線４とは電気的に接続される。スイッチ素子９がオフすると電気的な接続が遮断される。
【００１２】
なお、図１においては、スイッチ素子９は、Ｎチャンネル形ＭＯＳＦＥＴ（以下、ＮＭＯＳ）で構成されているが、Ｐチャンネル形ＭＯＳＦＥＴ（以下、ＰＭＯＳ）でもよい。
入力信号ＶＩＮは、例えばハイレベルが５Ｖの信号である。入力信号ＶＩＮのレベルは、電源電圧ＶＤＤと異なっていてもよい。駆動回路１０は、入力信号ＶＩＮをレベルシフトしてスイッチ素子９を駆動する。
【００１３】
また、半導体スイッチ２には、保護回路１１と、保護回路１１を制御する制御回路１２と、が設けられている。保護回路１１は、スイッチ素子９を過電流による焼損から保護する。例えば、充電コンデンサ５を充電する際の、突入電流や出力線４と接地との短絡などによる発熱を抑制し、スイッチ素子９を焼損から保護する。
【００１４】
保護回路１１は、スイッチ素子９の電流ＩＯＵＴを上限値に制限してクランプ動作するクランプモードと、出力線４の短絡時にスイッチ素子を交互にオン・オフさせてスイッチング動作をさせるスイッチングモードと、の２つの動作モードを有する。
ここで、上限値は、連続してスイッチ素子９に流すことのできる電流値以下、例えばスイッチ素子９の最大定格値以下に設定される。
【００１５】
保護回路１１は、駆動回路１０を介してスイッチ素子９のゲートに供給する電圧を制御してスイッチ素子９を保護する。保護回路１１のクランプモードにおいては、例えば、スイッチ素子９は上限値で定電流駆動される。保護回路１１のスイッチングモードにおいては、例えば、スイッチ素子９は一定周期で間欠的に上限値の電流値で駆動される。
【００１６】
保護回路１１が２つの動作モードを有するのは、以下の理由による。
例えば、クランプモードのみの場合に保護動作が開始されると、上限値の電流が充電コンデンサ５に流れ続けるため消費電力が大きくなる。
【００１７】
また、例えば、スイッチングモードのみの場合に大容量のコンデンサを充電すると、スイッチ素子９がオンしたときの突入電流により保護動作が開始され、スイッチングモードに入ってしまう。スイッチングモードでは、充電コンデンサ５は間欠的に充電されるため、オフ期間に充電した電荷が放電され、充電できないことが考えられる。
【００１８】
そこで、半導体スイッチ２においては、保護回路１１の動作モードを充電コンデンサ５の充電を開始してから第１の時間Ｔ１はクランプモードとして、第１の時間Ｔ１の経過後は、スイッチングモードに設定している。ここで、第１の時間Ｔ１とは、スイッチ素子９がオンしてから出力線４の電圧ＶＯＵＴが規定値まで上昇するのに要する時間である。この第１の時間Ｔ１は、充電コンデンサ５の静電容量、電源電圧ＶＤＤなどにより変化する。
【００１９】
保護回路１１の動作モードは、制御回路１２により制御される。
制御回路１２は、入力信号ＶＩＮ及び出力線４の電圧ＶＯＵＴを入力して、制御信号ＶＦＦを出力する。保護回路１１は、制御信号ＶＦＦがローレベルのときクランプモードに制御され、ハイレベルのときスイッチングモードに制御される。
【００２０】
制御回路１２には、出力線４の短絡を監視する短絡監視回路１３が設けられている。短絡監視回路１３には、入力信号ＶＩＮが入力される。図２において説明するように、短絡監視回路１３の出力信号ＶＤＩＮは、出力線４が短絡状態のときローレベルになる。また、出力線４が短絡状態でないときはハイレベルになる。
【００２１】
上記のとおり、保護回路１１は、スイッチ素子９を過電流による焼損から保護する。図１においては、出力線４の短絡を監視して、短絡を検出したとき、クランプモードまたはスイッチングモードの保護動作をする構成を例示している。そのため、短絡監視回路１３の出力信号ＶＤＩＮは、保護回路１１にも入力されている。しかし、スイッチ素子９の電流ＩＯＵＴを検出して保護回路を動作させてもよい。
【００２２】
短絡監視回路１３の出力信号ＶＤＩＮは、短絡検出回路１４に入力される。短絡検出回路１４は、スイッチ素子９がオンしたときに、初期状態としてハイレベルにセットされる。この初期状態は、出力線４の短絡が検出されない状態を表している。
【００２３】
そして、規定時間Ｔｄの経過後に短絡監視回路１３の出力信号ＶＤＩＮの値に更新され、以後その値を保持する。ここで、規定時間Ｔｄとは、出力線４の電圧ＶＯＵＴを安定に検出できる程度に長い時間であり、また出力線４の電圧ＶＯＵＴが所望の値として、電源電圧ＶＤＤの定常値に達する時間Ｔｓよりも短い時間である。
【００２４】
短絡検出回路１４は、保持した値を出力信号ＶＤＯＵＴとして、保持回路１６に出力する。従って、短絡検出回路１４は、出力線４の短絡が検出されなかった場合は初期状態にセットされたままであり、ハイレベルを出力する。また、短絡検出回路１４は、出力線４の短絡を検出した場合はリセットされ、ローレベルを出力する。
【００２５】
また、制御回路１２には、出力線４の電圧ＶＯＵＴを規定値と比較する比較回路１５が設けられている。比較回路１５は、出力線４の電圧ＶＯＵＴが、規定値よりも低いときローレベルを出力し、電圧ＶＯＵＴが規定値よりも高いときハイレベルを出力する。
【００２６】
ここで、規定値とは、出力線４の電圧ＶＯＵＴの所望の値に近い電圧値であり、０Ｖから十分に上昇して、保護回路１１のクランプモードを解除する電圧である。例えば、規定値は、電圧ＶＯＵＴの所望の値の９０％に設定される。
【００２７】
比較回路１５の出力信号ＶＯＰＥと、短絡検出回路１４の出力信号ＶＤＯＵＴとは、保持回路１６に入力される。保持回路１６は、保護回路１１の動作モードを制御する制御信号ＶＦＦを出力する。
【００２８】
図２において説明するように、保持回路１６は、スイッチ素子９がオンしたとき、ローレベルにリセットされる。また、出力線４の短絡が検出されて短絡検出回路１４がリセットされたとき、保持回路１６はハイレベルにセットされる。また、出力線４の短絡が検出されずに出力線４の電圧ＶＯＵＴが上昇して規定値に達したとき、保持回路１６はハイレベルにセットされる。
【００２９】
このように、制御回路１２は、スイッチ素子９がオンしたとき、制御信号ＶＦＦとしてローレベルを出力する。保護回路１１は、クランプモードに制御される。また、スイッチ素子９がオンしてから規定時間Ｔｄの経過後に出力線４の短絡を検出したとき、制御信号ＶＦＦとしてハイレベルを出力する。また、出力線４の短絡を検出しなかったときは、出力線４の電圧ＶＯＵＴが規定値に達したとき、制御信号ＶＦＦとしてハイレベルを出力する。保護回路１１は、制御信号ＶＦＦがハイレベルになるため、スイッチングモードに制御される。
【００３０】
また、スイッチ素子９がオンしてから出力線４の電圧ＶＯＵＴが規定値まで上昇するのに要する時間は、第１の時間Ｔ１に対応する。従って、第１の時間Ｔ１は、充電コンデンサ５の静電容量や電源電圧ＶＤＤなどにより変化する。一方、規定値は、電源電圧ＶＤＤに対する相対値として、例えば電源電圧ＶＤＤの９０％に設定することができる。
【００３１】
そこで、半導体スイッチ２においては、出力線４の電圧ＶＯＵＴが規定値に上昇するまで保護回路１１をクランプモードで動作させている。そのため、この第１の時間Ｔ１をコンデンサと抵抗との時定数により設定する構成とした場合のように、充電する充電コンデンサ５の静電容量に応じて、外付け部品により時定数を調整する必要がない。
【００３２】
また、半導体スイッチ２においては、短絡検出回路１４により出力線４の短絡を検出したときは、保護回路１１をスイッチングモードで動作させる。そのため、出力線４の短絡などによりスイッチ素子９がオンしてから出力線４の電圧ＶＯＵＴが規定値まで達しない場合にも、クランプモードのままで動作する場合と比較して消費電力を低減することができる。
【００３３】
図２は、図１に表した半導体スイッチの制御回路の構成を例示する回路図である。
図２に表したように、制御回路１２の短絡監視回路１３は、ＮＭＯＳ Ｎ１、ＰＭＯＳ Ｐ１〜Ｐ３、抵抗Ｒ１〜Ｒ３、コンデンサＣ１を有する。
【００３４】
ＮＭＯＳ Ｎ１のゲートには、入力信号ＶＩＮが入力される。ＮＭＯＳ Ｎ１のソースは接地ＧＮＤに接続され、ドレインは抵抗Ｒ１を介してＰＭＯＳ Ｐ１のドレインに接続される。ＰＭＯＳ Ｐ１のソースには、内部レギュレータ１７を介して電圧ＶＤＤ１が供給される。内部レギュレータ１７は、電源線３から供給される電源電圧ＶＤＤを降圧した安定化した電圧ＶＤＤ１を半導体スイッチ２の内部回路に供給する。
【００３５】
ＰＭＯＳ Ｐ２は、ＰＭＯＳ Ｐ１とカレントミラーを構成する。ＰＭＯＳ Ｐ２と接地ＧＮＤとの間に直列に抵抗Ｒ２、Ｒ３が接続される。また、ＰＭＯＳ Ｐ３は、ＰＭＯＳ Ｐ１とカレントミラーを構成する。ＰＭＯＳ Ｐ３と接地ＧＮＤとの間に、コンデンサＣ１が接続される。
【００３６】
抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３との接続点に整流素子Ｄ１のアノードが接続される。整流素子Ｄ１のカソードは、出力線４に接続される。
抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３との接続点の電圧は、短絡監視回路１３の出力信号ＶＤＩＮとして出力される。また、コンデンサＣ１の電圧は、短絡検出回路１４のクロック信号ＶＣ１として出力される。
【００３７】
制御回路１２の短絡検出回路１４は、Ｄ形フリップフロップ（Ｄ−ＦＦ）で構成されている。短絡検出回路１４の入力端子Ｄには、短絡監視回路１３の出力信号ＶＤＩＮが入力される。短絡検出回路１４のクロック端子ＣＬＫには、クロック信号ＶＣ１が入力される。短絡検出回路１４の出力端子Ｑからは、出力信号ＶＤＯＵＴが出力される。
【００３８】
制御回路１２の比較回路１５の非反転入力端子は、出力線４に接続される。比較回路１５の反転入力端子には、規定値として、電源電圧ＶＤＤを抵抗Ｒ４、Ｒ５で分圧した電圧が入力される。抵抗Ｒ４、Ｒ５のそれぞれの抵抗値は、例えば１：９の比に設定される。この場合、規定値は電源電圧ＶＤＤの９０％の値になる。
【００３９】
比較回路１５の出力信号ＶＯＰＥ及び短絡検出回路１４の出力信号ＶＤＯＵＴは、論理回路１８を介して保持回路１６のセット端子に入力される。論理回路１８は、出力信号ＶＤＯＵＴがローレベルのときローレベルを出力する。また、出力信号ＶＤＯＵＴがハイレベルで、かつ出力信号ＶＯＰＥがハイレベルのときローレベルを出力する。なお、論理回路１８としては、上記の論理信号を出力できればよく、図２に表した構成でなくてもよい。
【００４０】
保持回路１６は、２つの論理積の否定回路（ＮＡＮＤ）で構成される。保持回路１６のリセット端子には、否定回路（ＩＮＶ）２０を介してリセット回路１９の出力信号が入力される。ここで、リセット回路１９は、入力信号ＶＩＮが、ローレベルからハイレベルに変化したときに、正のリセットパルスを出力する回路である。なお、リセット回路１９を用いずに、クロック信号ＶＣ１を保持回路１６のリセット端子に入力してもよい。
保持回路１６から制御信号ＶＦＦが出力される。
【００４１】
次に、半導体スイッチ２、制御回路１２の動作について、タイミングチャートを参照して説明する。
図３は、半導体スイッチの主要な信号のタイミングチャートであり、（ａ）は入力信号ＶＩＮ、（ｂ）は出力線の電圧ＶＯＵＴ、（ｃ）は短絡検出回路のクロック信号ＶＣ１、（ｄ）は短絡監視回路の出力信号ＶＤＩＮ、（ｅ）は短絡検出回路の出力信号ＶＤＯＵＴ、（ｆ）は比較回路の出力信号ＶＯＰＥ、（ｇ）は制御信号ＶＦＦ、（ｈ）はスイッチ素子の電流ＩＯＵＴを示す。
【００４２】
図３においては、第１の時間Ｔ１において、出力線４の短絡が検出されない場合を表している。
入力信号ＶＩＮがローレベルからハイレベルに変化すると（図３（ａ））、スイッチ素子９はオンして、出力線４の電圧ＶＯＵＴは上昇する（図３（ｂ））。また、短絡監視回路１３のＮＭＯＳ Ｎ１はオンして、カレントミラーＰ１〜Ｐ３に電流が流れる。カレントミラーＰ１〜Ｐ３の電流は、抵抗Ｒ１により規定される。
【００４３】
カレントミラーＰ１〜Ｐ３に電流が流れると、コンデンサＣ１は充電され、クロック信号ＶＣ１の電圧は上昇する（図３（ｃ））。また、抵抗Ｒ２、Ｒ３に電流が流れ、短絡監視回路１３の出力信号ＶＤＩＮの電圧は上昇する（図３（ｄ））。
【００４４】
短絡検出回路１４は、スイッチ素子９がオンしたとき、ハイレベルにセットされるため、出力信号ＶＤＯＵＴは、ハイレベルである（図３（ｅ））。出力線４の電圧ＶＯＵＴは、規定値（図３（ｂ）の破線０．９×ＶＤＤ）に比較して低く、比較回路１５の出力信号ＶＯＰＥは、ローレベルである（図３（ｆ））。また、保持回路１６はスイッチ素子９がオンしたとき、ローレベルにリセットされるため、制御信号ＶＦＦはローレベルである（図３（ｇ））。従って、保護回路１１は、クランプモードに制御され、スイッチ素子９の電流ＩＯＵＴは上限値に制限される（図３（ｈ））。
【００４５】
短絡監視回路１３のコンデンサＣ１はカレントミラーＰ１〜Ｐ３の電流により充電されて、クロック信号ＶＣ１の電圧は上昇する（図３（ｃ））。そして、規定時間Ｔｄの経過時に、短絡検出回路１４のクロック端子の論理閾値電圧（図３（ｃ）の破線ＤＦＦ閾値）を超えると、短絡検出回路１４は、短絡監視回路１３の出力電圧ＶＤＩＮの値に更新され、その値を保持する。
【００４６】
出力線４が短絡状態でない場合、出力電圧ＶＤＩＮはハイレベルのままで、短絡検出回路１４は、ハイレベルを保持する（図３（ｄ）、（ｅ））。保持回路１６はローレベルを保持し（図３（ｇ））、保護回路１１は、クランプモードを維持する（図３（ｈ））。
【００４７】
第１の時間Ｔ１で、出力線４の電圧ＶＯＵＴが規定値に達すると（図３（ｂ）の破線０．９×ＶＤＤ）、比較回路１５の出力信号ＶＯＰＥはハイレベルに変化する（図３（ｆ））。保持回路１６はハイレベルにセットされ、制御信号ＶＦＦは、ハイレベルになる（図３（ｇ））。保護回路１１は、スイッチングモードに制御される（図３（ｈ））。従って、短絡監視回路１３が出力線４の短絡を出力すると（図３（ｄ）の破線ＶＤＩＮ閾値以下）、スイッチ素子９の電流ＩＯＵＴは間欠的に上限値になる（図３（ｈ））。
その後、時間Ｔｓで、出力線４の電圧ＶＯＵＴは、所望の値に達する（図３（ｂ））。
【００４８】
図４は、半導体スイッチの主要な信号の出力線短絡時のタイミングチャートであり、（ａ）は入力信号ＶＩＮ、（ｂ）は出力線の電圧ＶＯＵＴ、（ｃ）は短絡検出回路のクロック信号ＶＣ１、（ｄ）は短絡監視回路の出力信号ＶＤＩＮ、（ｅ）は短絡検出回路の出力信号ＶＤＯＵＴ、（ｆ）は比較回路の出力信号ＶＯＰＥ、（ｇ）は制御信号ＶＦＦ、（ｈ）はスイッチ素子の電流ＩＯＵＴを示す。
【００４９】
出力線４が短絡状態の場合、出力線４の電圧ＶＯＵＴは規定値まで上昇しない（図４（ｂ））。短絡監視回路１３の出力信号ＶＤＩＮはローレベルである（図４（ｄ）の破線ＶＤＩＮ閾値以下）。短絡監視回路１３のコンデンサＣ１が充電され、規定時間Ｔｄの経過後に、クロック信号ＶＣ１の電圧が論理閾値電圧（図４（ｃ）の破線ＤＦＦ閾値）を超えたとき、短絡検出回路１４はローレベルの出力信号ＶＤＩＮに更新される。短絡検出回路１４は、出力信号ＶＤＯＵＴとしてローレベルを出力する（図４（ｅ））。
【００５０】
保持回路１６は、ハイレベルにセットされ、制御信号ＶＦＦは、ハイレベルになる（図４（ｇ））。保護回路１１は、スイッチングモードに制御される。短絡監視回路１３は、出力線４の短絡を出力するため（図４（ｄ））、スイッチ素子９の電流ＩＯＵＴは間欠的に上限値になる（図４（ｈ））。
【００５１】
このように、半導体スイッチ２においては、出力線４の電圧ＶＯＵＴが規定値に上昇するまで保護回路１１をクランプモードで動作させる。そのため、充電する充電コンデンサ５の静電容量や電源電圧ＶＤＤなどに応じて、外付け部品により時定数を調整する必要はない。
【００５２】
また、半導体スイッチ２においては、短絡検出回路１４により出力線４の短絡を検出したときは、保護回路１１をスイッチングモードで動作させる。そのため、出力線４の短絡などによりスイッチ素子９がオンしても出力線４の電圧ＶＯＵＴが規定値まで達しない場合にも、クランプモードで動作する場合と比較して消費電力を低減することができる。
【００５３】
ところで、半導体スイッチ２を用いるシステムによって、保護回路１１が動作したときのスイッチ素子９の上限値を外部から設定したい場合もある。システムの構成により、電源線３に供給される電源電圧ＶＤＤの値、出力線４に接続された充電コンデンサ５の静電容量などが異なり、それに応じて、上限値の許容値も異なるためである。
【００５４】
（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態に係る半導体スイッチを含む充電回路の構成を例示するブロック図である。
図５に表したように、充電回路１ａは、半導体スイッチ２ａを用いた充電回路である。なお、図１に表した各要素と同一の要素には、同一の符号を付している。
【００５５】
半導体スイッチ２ａは、図１に表した半導体スイッチ２の保護回路１１を保護回路１１ａに置き換えた構成である。保護回路１１ａは、半導体スイッチ２ａの外部から抵抗２１により、スイッチ素子９の電流ＩＯＵＴの上限値を設定できる構成としている。それ以外の点については、保護回路１１と同様であり、半導体スイッチ２ａは、上記の半導体スイッチ２と同様の効果を有する。
【００５６】
なお、図５においては、保護回路１１ａにより制限されるスイッチ素子９の電流ＩＯＵＴの上限値を、外部から抵抗２１で設定する構成を例示している。しかし、外部から上限値を設定できればよく、例えば抵抗２１の代わりに、外部から電圧を入力してもよい。
【００５７】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５８】
１、１ａ…充電回路、 ２、２ａ…半導体スイッチ、 ３…電源線、 ４…出力線、 ５…充電コンデンサ、 ６…充電抵抗、 ７…負荷回路、 ８…信号線、 ９…スイッチ素子、 １０…駆動回路、 １１、１１ａ…保護回路、 １２…制御回路、 １３…短絡監視回路、 １４…短絡検出回路、 １５…比較回路、 １６…保持回路、 １７…内部レギュレータ、 １８…論理回路、 １９…リセット回路、 ２０…否定回路（ＩＮＶ）、 ２１、Ｒ１〜Ｒ５…抵抗、 Ｃ１…コンデンサ、 Ｄ１…整流素子、 Ｎ１…Ｎチャンネル形ＭＯＳＦＥＴ（ＮＭＯＳ）、 Ｐ１〜Ｐ３…Ｐチャンネル形ＭＯＳＦＥＴ（ＰＭＯＳ）
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体スイッチ及び充電回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
車載機器など、充電可能なバッテリ（二次電池）で動作する電子機器においては、電源電圧の変動やノイズを低減するために、大容量のコンデンサが用いられる。また、コンデンサを充電する際には、充電開始時の突入電流や出力の短絡などによる発熱を抑制するために保護回路が用いられる。例えば、突入電流を制限するため電流を上限値に制限するクランプ動作や、出力の短絡時に充電を交互にオン・オフさせるスイッチング動作をする保護回路が用いられる。
【０００３】
しかし、クランプ動作をオン時の一定時間とした場合、充電するコンデンサの静電容量などにより必要な時間が変化するため、定数の調整が必要になる。一方、コンデンサの端子電圧が規定値に達するまでスイッチング動作に切り替えない場合、出力の短絡に対応できない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０６−３２５７９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の実施形態は、保護回路を内蔵した半導体スイッチ及び充電回路を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態によれば、スイッチ素子と駆動回路と保護回路と制御回路とを備えた半導体スイッチが提供される。スイッチ素子は、電源線と出力線との間に接続される。駆動回路は、入力信号に応じて前記スイッチ素子をオンまたはオフに駆動する。保護回路は、前記スイッチ素子の過電流を検出したとき前記スイッチ素子の電流を上限値に制限するクランプモードと、前記スイッチ素子を交互にオンとオフとに切り替えるスイッチングモードと、を有する。制御回路は、前記スイッチ素子がオンしたとき前記保護回路を前記クランプモードに制御し、前記スイッチ素子がオンしてから規定時間経過後に前記出力線の短絡を検出したとき、または前記出力線の短絡を検出せずに前記出力線の電圧が規定値に達したとき前記保護回路をスイッチングモードに制御することを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施形態に係る半導体スイッチを含む充電回路の構成を例示するブロック図。
【図２】図１に表した半導体スイッチの制御回路の構成を例示する回路図。
【図３】半導体スイッチの主要な信号のタイミングチャートであり、（ａ）は入力信号ＶＩＮ、（ｂ）は出力線の電圧ＶＯＵＴ、（ｃ）は短絡検出回路のクロック信号ＶＣ１、（ｄ）は短絡監視回路の出力電圧ＶＤＩＮ、（ｅ）は短絡検出回路の出力信号ＶＤＯＵＴ、（ｆ）は比較回路の出力信号ＶＯＰＥ、（ｇ）は制御信号ＶＦＦ、（ｈ）はスイッチ素子の電流ＩＯＵＴを示す。
【図４】半導体スイッチの主要な信号の出力線短絡時のタイミングチャートであり、（ａ）は入力信号ＶＩＮ、（ｂ）は出力線の電圧ＶＯＵＴ、（ｃ）は短絡検出回路のクロック信号ＶＣ１、（ｄ）は短絡監視回路の出力電圧ＶＤＩＮ、（ｅ）は短絡検出回路の出力信号ＶＤＯＵＴ、（ｆ）は比較回路の出力信号ＶＯＰＥ、（ｇ）は制御信号ＶＦＦ、（ｈ）はスイッチ素子の電流ＩＯＵＴを示す。
【図５】第２の実施形態に係る半導体スイッチを含む充電回路の構成を例示するブロック図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【０００９】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る半導体スイッチを含む充電回路の構成を例示するブロック図である。
図１に表したように、充電回路１は、半導体スイッチ２を用いた充電回路である。半導体スイッチ２には、電源線３を介して電源電圧ＶＤＤが供給される。半導体スイッチ２の出力線４と接地ＧＮＤとの間には、充電コンデンサ５及び充電抵抗６が並列に接続されている。充電コンデンサ５及び充電抵抗６は、ローパスフィルタを構成している。充電コンデンサ５は、出力線４の電圧ＶＯＵＴで充電される。
【００１０】
電源線３には、例えば、車載機器などの充電可能なバッテリ（二次電池）から電源電圧ＶＤＤが供給される。出力線４には、電源電圧ＶＤＤの変動やノイズが低減された電圧ＶＯＵＴが出力される。出力線４には、例えば、マイクロコンピュータなどの負荷回路７が接続される。負荷回路７には、充電コンデンサ５から電圧ＶＯＵＴが供給される。そのため、充電コンデンサ５としては、大容量のコンデンサが用いられる。また、充電抵抗６の抵抗値は、負荷回路７のインピーダンスに対して十分大きい値に設定される。
【００１１】
半導体スイッチ２には、信号線８を介して入力信号ＶＩＮが入力される。また、半導体スイッチ２においては、電源線３と出力線４との間に接続されたスイッチ素子９が設けられている。スイッチ素子９は、駆動回路１０により駆動され、入力信号ＶＩＮに応じてオンまたはオフする。スイッチ素子９がオンすると、電源線３と出力線４とは電気的に接続される。スイッチ素子９がオフすると電気的な接続が遮断される。
【００１２】
なお、図１においては、スイッチ素子９は、Ｎチャンネル形ＭＯＳＦＥＴ（以下、ＮＭＯＳ）で構成されているが、Ｐチャンネル形ＭＯＳＦＥＴ（以下、ＰＭＯＳ）でもよい。
入力信号ＶＩＮは、例えばハイレベルが５Ｖの信号である。入力信号ＶＩＮのレベルは、電源電圧ＶＤＤと異なっていてもよい。駆動回路１０は、入力信号ＶＩＮをレベルシフトしてスイッチ素子９を駆動する。
【００１３】
また、半導体スイッチ２には、保護回路１１と、保護回路１１を制御する制御回路１２と、が設けられている。保護回路１１は、スイッチ素子９を過電流による焼損から保護する。例えば、充電コンデンサ５を充電する際の、突入電流や出力線４と接地との短絡などによる発熱を抑制し、スイッチ素子９を焼損から保護する。
【００１４】
保護回路１１は、スイッチ素子９の電流ＩＯＵＴを上限値に制限してクランプ動作するクランプモードと、出力線４の短絡時にスイッチ素子を交互にオン・オフさせてスイッチング動作をさせるスイッチングモードと、の２つの動作モードを有する。
ここで、上限値は、連続してスイッチ素子９に流すことのできる電流値以下、例えばスイッチ素子９の最大定格値以下に設定される。
【００１５】
保護回路１１は、駆動回路１０を介してスイッチ素子９のゲートに供給する電圧を制御してスイッチ素子９を保護する。保護回路１１のクランプモードにおいては、例えば、スイッチ素子９は上限値で定電流駆動される。保護回路１１のスイッチングモードにおいては、例えば、スイッチ素子９は一定周期で間欠的に上限値の電流値で駆動される。
【００１６】
保護回路１１が２つの動作モードを有するのは、以下の理由による。
例えば、クランプモードのみの場合に保護動作が開始されると、上限値の電流が充電コンデンサ５に流れ続けるため消費電力が大きくなる。
【００１７】
また、例えば、スイッチングモードのみの場合に大容量のコンデンサを充電すると、スイッチ素子９がオンしたときの突入電流により保護動作が開始され、スイッチングモードに入ってしまう。スイッチングモードでは、充電コンデンサ５は間欠的に充電されるため、オフ期間に充電した電荷が放電され、充電できないことが考えられる。
【００１８】
そこで、半導体スイッチ２においては、保護回路１１の動作モードを充電コンデンサ５の充電を開始してから第１の時間Ｔ１はクランプモードとして、第１の時間Ｔ１の経過後は、スイッチングモードに設定している。ここで、第１の時間Ｔ１とは、スイッチ素子９がオンしてから出力線４の電圧ＶＯＵＴが規定値まで上昇するのに要する時間である。この第１の時間Ｔ１は、充電コンデンサ５の静電容量、電源電圧ＶＤＤなどにより変化する。
【００１９】
保護回路１１の動作モードは、制御回路１２により制御される。
制御回路１２は、入力信号ＶＩＮ及び出力線４の電圧ＶＯＵＴを入力して、制御信号ＶＦＦを出力する。保護回路１１は、制御信号ＶＦＦがローレベルのときクランプモードに制御され、ハイレベルのときスイッチングモードに制御される。
【００２０】
制御回路１２には、出力線４の短絡を監視する短絡監視回路１３が設けられている。短絡監視回路１３には、入力信号ＶＩＮが入力される。図２において説明するように、短絡監視回路１３の出力信号ＶＤＩＮは、出力線４が短絡状態のときローレベルになる。また、出力線４が短絡状態でないときはハイレベルになる。
【００２１】
上記のとおり、保護回路１１は、スイッチ素子９を過電流による焼損から保護する。図１においては、出力線４の短絡を監視して、短絡を検出したとき、クランプモードまたはスイッチングモードの保護動作をする構成を例示している。そのため、短絡監視回路１３の出力信号ＶＤＩＮは、保護回路１１にも入力されている。しかし、スイッチ素子９の電流ＩＯＵＴを検出して保護回路を動作させてもよい。
【００２２】
短絡監視回路１３の出力信号ＶＤＩＮは、短絡検出回路１４に入力される。短絡検出回路１４は、スイッチ素子９がオンしたときに、初期状態としてハイレベルにセットされる。この初期状態は、出力線４の短絡が検出されない状態を表している。
【００２３】
そして、規定時間Ｔｄの経過後に短絡監視回路１３の出力信号ＶＤＩＮの値に更新され、以後その値を保持する。ここで、規定時間Ｔｄとは、出力線４の電圧ＶＯＵＴを安定に検出できる程度に長い時間であり、また出力線４の電圧ＶＯＵＴが所望の値として、電源電圧ＶＤＤの定常値に達する時間Ｔｓよりも短い時間である。
【００２４】
短絡検出回路１４は、保持した値を出力信号ＶＤＯＵＴとして、保持回路１６に出力する。従って、短絡検出回路１４は、出力線４の短絡が検出されなかった場合は初期状態にセットされたままであり、ハイレベルを出力する。また、短絡検出回路１４は、出力線４の短絡を検出した場合はリセットされ、ローレベルを出力する。
【００２５】
また、制御回路１２には、出力線４の電圧ＶＯＵＴを規定値と比較する比較回路１５が設けられている。比較回路１５は、出力線４の電圧ＶＯＵＴが、規定値よりも低いときローレベルを出力し、電圧ＶＯＵＴが規定値よりも高いときハイレベルを出力する。
【００２６】
ここで、規定値とは、出力線４の電圧ＶＯＵＴの所望の値に近い電圧値であり、０Ｖから十分に上昇して、保護回路１１のクランプモードを解除する電圧である。例えば、規定値は、電圧ＶＯＵＴの所望の値の９０％に設定される。
【００２７】
比較回路１５の出力信号ＶＯＰＥと、短絡検出回路１４の出力信号ＶＤＯＵＴとは、保持回路１６に入力される。保持回路１６は、保護回路１１の動作モードを制御する制御信号ＶＦＦを出力する。
【００２８】
図２において説明するように、保持回路１６は、スイッチ素子９がオンしたとき、ローレベルにリセットされる。また、出力線４の短絡が検出されて短絡検出回路１４がリセットされたとき、保持回路１６はハイレベルにセットされる。また、出力線４の短絡が検出されずに出力線４の電圧ＶＯＵＴが上昇して規定値に達したとき、保持回路１６はハイレベルにセットされる。
【００２９】
このように、制御回路１２は、スイッチ素子９がオンしたとき、制御信号ＶＦＦとしてローレベルを出力する。保護回路１１は、クランプモードに制御される。また、スイッチ素子９がオンしてから規定時間Ｔｄの経過後に出力線４の短絡を検出したとき、制御信号ＶＦＦとしてハイレベルを出力する。また、出力線４の短絡を検出しなかったときは、出力線４の電圧ＶＯＵＴが規定値に達したとき、制御信号ＶＦＦとしてハイレベルを出力する。保護回路１１は、制御信号ＶＦＦがハイレベルになるため、スイッチングモードに制御される。
【００３０】
また、スイッチ素子９がオンしてから出力線４の電圧ＶＯＵＴが規定値まで上昇するのに要する時間は、第１の時間Ｔ１に対応する。従って、第１の時間Ｔ１は、充電コンデンサ５の静電容量や電源電圧ＶＤＤなどにより変化する。一方、規定値は、電源電圧ＶＤＤに対する相対値として、例えば電源電圧ＶＤＤの９０％に設定することができる。
【００３１】
そこで、半導体スイッチ２においては、出力線４の電圧ＶＯＵＴが規定値に上昇するまで保護回路１１をクランプモードで動作させている。そのため、この第１の時間Ｔ１をコンデンサと抵抗との時定数により設定する構成とした場合のように、充電する充電コンデンサ５の静電容量に応じて、外付け部品により時定数を調整する必要がない。
【００３２】
また、半導体スイッチ２においては、短絡検出回路１４により出力線４の短絡を検出したときは、保護回路１１をスイッチングモードで動作させる。そのため、出力線４の短絡などによりスイッチ素子９がオンしてから出力線４の電圧ＶＯＵＴが規定値まで達しない場合にも、クランプモードのままで動作する場合と比較して消費電力を低減することができる。
【００３３】
図２は、図１に表した半導体スイッチの制御回路の構成を例示する回路図である。
図２に表したように、制御回路１２の短絡監視回路１３は、ＮＭＯＳ Ｎ１、ＰＭＯＳ Ｐ１〜Ｐ３、抵抗Ｒ１〜Ｒ３、コンデンサＣ１を有する。
【００３４】
ＮＭＯＳ Ｎ１のゲートには、入力信号ＶＩＮが入力される。ＮＭＯＳ Ｎ１のソースは接地ＧＮＤに接続され、ドレインは抵抗Ｒ１を介してＰＭＯＳ Ｐ１のドレインに接続される。ＰＭＯＳ Ｐ１のソースには、内部レギュレータ１７を介して電圧ＶＤＤ１が供給される。内部レギュレータ１７は、電源線３から供給される電源電圧ＶＤＤを降圧した安定化した電圧ＶＤＤ１を半導体スイッチ２の内部回路に供給する。
【００３５】
ＰＭＯＳ Ｐ２は、ＰＭＯＳ Ｐ１とカレントミラーを構成する。ＰＭＯＳ Ｐ２と接地ＧＮＤとの間に直列に抵抗Ｒ２、Ｒ３が接続される。また、ＰＭＯＳ Ｐ３は、ＰＭＯＳ Ｐ１とカレントミラーを構成する。ＰＭＯＳ Ｐ３と接地ＧＮＤとの間に、コンデンサＣ１が接続される。
【００３６】
抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３との接続点に整流素子Ｄ１のアノードが接続される。整流素子Ｄ１のカソードは、出力線４に接続される。
抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３との接続点の電圧は、短絡監視回路１３の出力信号ＶＤＩＮとして出力される。また、コンデンサＣ１の電圧は、短絡検出回路１４のクロック信号ＶＣ１として出力される。
【００３７】
制御回路１２の短絡検出回路１４は、Ｄ形フリップフロップ（Ｄ−ＦＦ）で構成されている。短絡検出回路１４の入力端子Ｄには、短絡監視回路１３の出力信号ＶＤＩＮが入力される。短絡検出回路１４のクロック端子ＣＬＫには、クロック信号ＶＣ１が入力される。短絡検出回路１４の出力端子Ｑからは、出力信号ＶＤＯＵＴが出力される。
【００３８】
制御回路１２の比較回路１５の非反転入力端子は、出力線４に接続される。比較回路１５の反転入力端子には、規定値として、電源電圧ＶＤＤを抵抗Ｒ４、Ｒ５で分圧した電圧が入力される。抵抗Ｒ４、Ｒ５のそれぞれの抵抗値は、例えば１：９の比に設定される。この場合、規定値は電源電圧ＶＤＤの９０％の値になる。
【００３９】
比較回路１５の出力信号ＶＯＰＥ及び短絡検出回路１４の出力信号ＶＤＯＵＴは、論理回路１８を介して保持回路１６のセット端子に入力される。論理回路１８は、出力信号ＶＤＯＵＴがローレベルのときローレベルを出力する。また、出力信号ＶＤＯＵＴがハイレベルで、かつ出力信号ＶＯＰＥがハイレベルのときローレベルを出力する。なお、論理回路１８としては、上記の論理信号を出力できればよく、図２に表した構成でなくてもよい。
【００４０】
保持回路１６は、２つの論理積の否定回路（ＮＡＮＤ）で構成される。保持回路１６のリセット端子には、否定回路（ＩＮＶ）２０を介してリセット回路１９の出力信号が入力される。ここで、リセット回路１９は、入力信号ＶＩＮが、ローレベルからハイレベルに変化したときに、正のリセットパルスを出力する回路である。なお、リセット回路１９を用いずに、クロック信号ＶＣ１を保持回路１６のリセット端子に入力してもよい。
保持回路１６から制御信号ＶＦＦが出力される。
【００４１】
次に、半導体スイッチ２、制御回路１２の動作について、タイミングチャートを参照して説明する。
図３は、半導体スイッチの主要な信号のタイミングチャートであり、（ａ）は入力信号ＶＩＮ、（ｂ）は出力線の電圧ＶＯＵＴ、（ｃ）は短絡検出回路のクロック信号ＶＣ１、（ｄ）は短絡監視回路の出力信号ＶＤＩＮ、（ｅ）は短絡検出回路の出力信号ＶＤＯＵＴ、（ｆ）は比較回路の出力信号ＶＯＰＥ、（ｇ）は制御信号ＶＦＦ、（ｈ）はスイッチ素子の電流ＩＯＵＴを示す。
【００４２】
図３においては、第１の時間Ｔ１において、出力線４の短絡が検出されない場合を表している。
入力信号ＶＩＮがローレベルからハイレベルに変化すると（図３（ａ））、スイッチ素子９はオンして、出力線４の電圧ＶＯＵＴは上昇する（図３（ｂ））。また、短絡監視回路１３のＮＭＯＳ Ｎ１はオンして、カレントミラーＰ１〜Ｐ３に電流が流れる。カレントミラーＰ１〜Ｐ３の電流は、抵抗Ｒ１により規定される。
【００４３】
カレントミラーＰ１〜Ｐ３に電流が流れると、コンデンサＣ１は充電され、クロック信号ＶＣ１の電圧は上昇する（図３（ｃ））。また、抵抗Ｒ２、Ｒ３に電流が流れ、短絡監視回路１３の出力信号ＶＤＩＮの電圧は上昇する（図３（ｄ））。
【００４４】
短絡検出回路１４は、スイッチ素子９がオンしたとき、ハイレベルにセットされるため、出力信号ＶＤＯＵＴは、ハイレベルである（図３（ｅ））。出力線４の電圧ＶＯＵＴは、規定値（図３（ｂ）の破線０．９×ＶＤＤ）に比較して低く、比較回路１５の出力信号ＶＯＰＥは、ローレベルである（図３（ｆ））。また、保持回路１６はスイッチ素子９がオンしたとき、ローレベルにリセットされるため、制御信号ＶＦＦはローレベルである（図３（ｇ））。従って、保護回路１１は、クランプモードに制御され、スイッチ素子９の電流ＩＯＵＴは上限値に制限される（図３（ｈ））。
【００４５】
短絡監視回路１３のコンデンサＣ１はカレントミラーＰ１〜Ｐ３の電流により充電されて、クロック信号ＶＣ１の電圧は上昇する（図３（ｃ））。そして、規定時間Ｔｄの経過時に、短絡検出回路１４のクロック端子の論理閾値電圧（図３（ｃ）の破線ＤＦＦ閾値）を超えると、短絡検出回路１４は、短絡監視回路１３の出力電圧ＶＤＩＮの値に更新され、その値を保持する。
【００４６】
出力線４が短絡状態でない場合、出力電圧ＶＤＩＮはハイレベルのままで、短絡検出回路１４は、ハイレベルを保持する（図３（ｄ）、（ｅ））。保持回路１６はローレベルを保持し（図３（ｇ））、保護回路１１は、クランプモードを維持する（図３（ｈ））。
【００４７】
第１の時間Ｔ１で、出力線４の電圧ＶＯＵＴが規定値に達すると（図３（ｂ）の破線０．９×ＶＤＤ）、比較回路１５の出力信号ＶＯＰＥはハイレベルに変化する（図３（ｆ））。保持回路１６はハイレベルにセットされ、制御信号ＶＦＦは、ハイレベルになる（図３（ｇ））。保護回路１１は、スイッチングモードに制御される（図３（ｈ））。従って、短絡監視回路１３が出力線４の短絡を出力すると（図３（ｄ）の破線ＶＤＩＮ閾値以下）、スイッチ素子９の電流ＩＯＵＴは間欠的に上限値になる（図３（ｈ））。
その後、時間Ｔｓで、出力線４の電圧ＶＯＵＴは、所望の値に達する（図３（ｂ））。
【００４８】
図４は、半導体スイッチの主要な信号の出力線短絡時のタイミングチャートであり、（ａ）は入力信号ＶＩＮ、（ｂ）は出力線の電圧ＶＯＵＴ、（ｃ）は短絡検出回路のクロック信号ＶＣ１、（ｄ）は短絡監視回路の出力信号ＶＤＩＮ、（ｅ）は短絡検出回路の出力信号ＶＤＯＵＴ、（ｆ）は比較回路の出力信号ＶＯＰＥ、（ｇ）は制御信号ＶＦＦ、（ｈ）はスイッチ素子の電流ＩＯＵＴを示す。
【００４９】
出力線４が短絡状態の場合、出力線４の電圧ＶＯＵＴは規定値まで上昇しない（図４（ｂ））。短絡監視回路１３の出力信号ＶＤＩＮはローレベルである（図４（ｄ）の破線ＶＤＩＮ閾値以下）。短絡監視回路１３のコンデンサＣ１が充電され、規定時間Ｔｄの経過後に、クロック信号ＶＣ１の電圧が論理閾値電圧（図４（ｃ）の破線ＤＦＦ閾値）を超えたとき、短絡検出回路１４はローレベルの出力信号ＶＤＩＮに更新される。短絡検出回路１４は、出力信号ＶＤＯＵＴとしてローレベルを出力する（図４（ｅ））。
【００５０】
保持回路１６は、ハイレベルにセットされ、制御信号ＶＦＦは、ハイレベルになる（図４（ｇ））。保護回路１１は、スイッチングモードに制御される。短絡監視回路１３は、出力線４の短絡を出力するため（図４（ｄ））、スイッチ素子９の電流ＩＯＵＴは間欠的に上限値になる（図４（ｈ））。
【００５１】
このように、半導体スイッチ２においては、出力線４の電圧ＶＯＵＴが規定値に上昇するまで保護回路１１をクランプモードで動作させる。そのため、充電する充電コンデンサ５の静電容量や電源電圧ＶＤＤなどに応じて、外付け部品により時定数を調整する必要はない。
【００５２】
また、半導体スイッチ２においては、短絡検出回路１４により出力線４の短絡を検出したときは、保護回路１１をスイッチングモードで動作させる。そのため、出力線４の短絡などによりスイッチ素子９がオンしても出力線４の電圧ＶＯＵＴが規定値まで達しない場合にも、クランプモードで動作する場合と比較して消費電力を低減することができる。
【００５３】
ところで、半導体スイッチ２を用いるシステムによって、保護回路１１が動作したときのスイッチ素子９の上限値を外部から設定したい場合もある。システムの構成により、電源線３に供給される電源電圧ＶＤＤの値、出力線４に接続された充電コンデンサ５の静電容量などが異なり、それに応じて、上限値の許容値も異なるためである。
【００５４】
（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態に係る半導体スイッチを含む充電回路の構成を例示するブロック図である。
図５に表したように、充電回路１ａは、半導体スイッチ２ａを用いた充電回路である。なお、図１に表した各要素と同一の要素には、同一の符号を付している。
【００５５】
半導体スイッチ２ａは、図１に表した半導体スイッチ２の保護回路１１を保護回路１１ａに置き換えた構成である。保護回路１１ａは、半導体スイッチ２ａの外部から抵抗２１により、スイッチ素子９の電流ＩＯＵＴの上限値を設定できる構成としている。それ以外の点については、保護回路１１と同様であり、半導体スイッチ２ａは、上記の半導体スイッチ２と同様の効果を有する。
【００５６】
なお、図５においては、保護回路１１ａにより制限されるスイッチ素子９の電流ＩＯＵＴの上限値を、外部から抵抗２１で設定する構成を例示している。しかし、外部から上限値を設定できればよく、例えば抵抗２１の代わりに、外部から電圧を入力してもよい。
【００５７】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５８】
１、１ａ…充電回路、 ２、２ａ…半導体スイッチ、 ３…電源線、 ４…出力線、 ５…充電コンデンサ、 ６…充電抵抗、 ７…負荷回路、 ８…信号線、 ９…スイッチ素子、 １０…駆動回路、 １１、１１ａ…保護回路、 １２…制御回路、 １３…短絡監視回路、 １４…短絡検出回路、 １５…比較回路、 １６…保持回路、 １７…内部レギュレータ、 １８…論理回路、 １９…リセット回路、 ２０…否定回路（ＩＮＶ）、 ２１、Ｒ１〜Ｒ５…抵抗、 Ｃ１…コンデンサ、 Ｄ１…整流素子、 Ｎ１…Ｎチャンネル形ＭＯＳＦＥＴ（ＮＭＯＳ）、 Ｐ１〜Ｐ３…Ｐチャンネル形ＭＯＳＦＥＴ（ＰＭＯＳ）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源線と出力線との間に接続されたスイッチ素子と、
入力信号に応じて前記スイッチ素子をオンまたはオフに駆動する駆動回路と、
前記スイッチ素子の過電流を検出したとき前記スイッチ素子の電流を上限値に制限するクランプモードと、前記スイッチ素子を交互にオンとオフとに切り替えるスイッチングモードと、を有する保護回路と、
前記スイッチ素子がオンしたとき前記保護回路を前記クランプモードに制御し、前記スイッチ素子がオンしてから規定時間経過後に前記出力線の短絡を検出したとき、または前記出力線の短絡を検出せずに前記出力線の電圧が規定値に達したとき前記保護回路をスイッチングモードに制御する制御回路と、
を備えたことを特徴とする半導体スイッチ。
【請求項２】
前記保護回路は、前記出力線の短絡を監視して、前記スイッチ素子の過電流を検出することを特徴とする請求項１記載の半導体スイッチ。
【請求項３】
前記制御回路は、
前記出力線の短絡を監視する短絡監視回路と、
前記短絡監視回路の出力に接続され、前記スイッチ素子がオンしたとき前記出力線の短絡を検出しない初期状態にセットされ、前記規定時間経過後に前記出力線の短絡を検出したときリセットされる短絡検出回路と、
前記出力線の電圧が前記規定値よりも低いときローレベルを出力し、前記出力線の電圧が前記規定値よりも高いときハイレベルを出力する比較回路と、
前記保護回路を制御する制御信号を保持し、前記スイッチ素子がオンしたときリセットされて前記保護回路を前記クランプモードに制御する制御信号を出力し、前記短絡検出回路がリセットされているときまたは前記比較回路の出力がハイレベルのときセットされて前記保護回路を前記スイッチングモードに制御する制御信号を出力する保持回路と、
を有することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体スイッチ。
【請求項４】
前記短絡検出回路は、前記短絡監視回路の出力信号が論理閾値電圧よりも低いときリセットされることを特徴とする請求項３記載の半導体スイッチ。
【請求項５】
前記保護回路は、前記上限値を調整するインピーダンス素子が接続可能に構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体スイッチ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体スイッチと、
前記出力線と接地との間に接続された充電コンデンサと、
前記出力線と前記接地との間に接続された充電抵抗と、
を備えたことを特徴とする充電回路。
【請求項１】
電源線と出力線との間に接続されたスイッチ素子と、
入力信号に応じて前記スイッチ素子をオンまたはオフに駆動する駆動回路と、
前記スイッチ素子の過電流を検出したとき前記スイッチ素子の電流を上限値に制限するクランプモードと、前記スイッチ素子を交互にオンとオフとに切り替えるスイッチングモードと、を有する保護回路と、
前記スイッチ素子がオンしたとき前記保護回路を前記クランプモードに制御し、前記スイッチ素子がオンしてから規定時間経過後に前記出力線の短絡を検出したとき、または前記出力線の短絡を検出せずに前記出力線の電圧が規定値に達したとき前記保護回路をスイッチングモードに制御する制御回路と、
を備えたことを特徴とする半導体スイッチ。
【請求項２】
前記保護回路は、前記出力線の短絡を監視して、前記スイッチ素子の過電流を検出することを特徴とする請求項１記載の半導体スイッチ。
【請求項３】
前記制御回路は、
前記出力線の短絡を監視する短絡監視回路と、
前記短絡監視回路の出力に接続され、前記スイッチ素子がオンしたとき前記出力線の短絡を検出しない初期状態にセットされ、前記規定時間経過後に前記出力線の短絡を検出したときリセットされる短絡検出回路と、
前記出力線の電圧が前記規定値よりも低いときローレベルを出力し、前記出力線の電圧が前記規定値よりも高いときハイレベルを出力する比較回路と、
前記保護回路を制御する制御信号を保持し、前記スイッチ素子がオンしたときリセットされて前記保護回路を前記クランプモードに制御する制御信号を出力し、前記短絡検出回路がリセットされているときまたは前記比較回路の出力がハイレベルのときセットされて前記保護回路を前記スイッチングモードに制御する制御信号を出力する保持回路と、
を有することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体スイッチ。
【請求項４】
前記短絡検出回路は、前記短絡監視回路の出力信号が論理閾値電圧よりも低いときリセットされることを特徴とする請求項３記載の半導体スイッチ。
【請求項５】
前記保護回路は、前記上限値を調整するインピーダンス素子が接続可能に構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体スイッチ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体スイッチと、
前記出力線と接地との間に接続された充電コンデンサと、
前記出力線と前記接地との間に接続された充電抵抗と、
を備えたことを特徴とする充電回路。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−９０４２０（Ｐ２０１２−９０４２０Ａ）
【公開日】平成２４年５月１０日（２０１２．５．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２３４５９６（Ｐ２０１０−２３４５９６）
【出願日】平成２２年１０月１９日（２０１０．１０．１９）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月１０日（２０１２．５．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月１９日（２０１０．１０．１９）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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