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技術 過電圧保護回路

出願人 横河電機株式会社
発明者 山田哲久
出願日 2014年2月27日 (4年6ヶ月経過) 出願番号 2014-036331
公開日 2014年10月9日 (3年11ヶ月経過) 公開番号 2014-195398
状態 特許登録済
技術分野 非常保護回路装置(単入力保護リレー)
主要キーワード 電流設定用抵抗 VIN端子 L端子 被測定装置 メカニカルリレー 低電圧誤動作防止回路 電源電圧監視 過電圧保護動作
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2014年10月9日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (10)

課題

入力端子インピーダンスが高いまま過電圧保護動作を行なう過電圧保護回路を提供する。

解決手段

入力端子と出力端子との間に設けられたスイッチ部と、入力端子の電圧が第1基準値以上であることを検出する第1検出部と、入力端子の電圧が第1基準値より低い第2基準値以下であることを検出する第2検出部と、第1検出部および第2検出部のいずれかが検出対象を検出すると、スイッチをオフにする判定部とを備えた過電圧保護回路。

概要

背景

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8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を入力する比較器310の過電圧保護を図るために、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。

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。

入力電圧VINが正極性過電圧となると、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。

概要

入力端子インピーダンスが高いまま過電圧保護動作を行なう過電圧保護回路を提供する。入力端子と出力端子との間に設けられたスイッチ部と、入力端子の電圧が第1基準値以上であることを検出する第1検出部と、入力端子の電圧が第1基準値より低い第2基準値以下であることを検出する第2検出部と、第1検出部および第2検出部のいずれかが検出対象を検出すると、スイッチをオフにする判定部とを備えた過電圧保護回路。

目的

本発明は、入力端子のインピーダンスが高いまま過電圧保護動作を行なう過電圧保護回路を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

入力端子出力端子との間に設けられたスイッチ部と、前記入端子電圧が第1基準値以上であることを検出する第1検出部と、前記入力端子の電圧が第1基準値より低い第2基準値以下であることを検出する第2検出部と、前記第1検出部および前記第2検出部のいずれかが検出対象を検出すると、前記スイッチをオフにする判定部と、を備えたことを特徴とする過電圧保護回路

請求項2

前記第1検出部が検出対象を検出すると、前記第1基準値を入力する端子と、前記出力端子とを接続状態にする正極用スイッチと、前記第2検出部が検出対象を検出すると、前記第2基準値を入力する端子と、前記出力端子とを接続状態にする負極用スイッチと、をさらに備えた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

前記第1検出部および前記第2検出部は比較器で構成されてい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。

請求項4

入力端子と前記スイッチとの間に、前記過電圧保護回路の電源オンオフ連動してオンオフする電源連動スイッチを備えたことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の過電圧保護回路。

請求項5

前記過電圧保護回路の電源電圧が所定の基準値以下となった場合に、前記スイッチをオフにする電源電圧監視部を備えたことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の過電圧保護回路。

技術分野

0001

本発明は、過電圧保護回路に関し、特に、過電圧保護動作中に入力端子高インピーダンス状態に保つ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8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を入力する比較器310の過電圧保護を図るために、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

入力電圧VINが正極性過電圧となると、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

0005

特開2010−220390号公報

発明が解決しようとする課題

0006

入力電圧VINが正常のときは、ダイオードDp1、Dn1とも非導通であるため、比較器310の反転入力端子におけるインピーダンスは高インピーダンス状態であるが、入力電圧VINが過電圧となり、比較器310の反転入力端子の電圧V1が、電源電圧VCCあるいは−VCCにクランプされた状態になると、比較器310の反転入力端子におけるインピーダンスは、ダイオードDp1あるいはDn1の順方向インピーダンスと、電流設定用抵抗器RpcあるいはRncのインピーダンスとの合計値まで下がることになる。

0007

このため、例えば、図9に示すように、電圧測定装置330を用いて被測定装置出力電圧VINを測定する場合に、電圧測定装置330の入力端子を過電圧から保護するために正極用過電圧保護回路301および負極用過電圧保護回路302を設けた回路を構成すると、測定電圧VINが過電圧になったとき、被測定装置320から大きな電流Iinが流れ出し、被測定装置320に悪影響を与えるおそれがある。

0008

このように、正極用過電圧保護回路301および負極用過電圧保護回路302を用いた従来の過電圧保護回路は、過電圧保護の動作中にも入力端子のインピーダンスを高いまま保ちたい回路には不適である。

0009

そこで、本発明は、入力端子のインピーダンスが高いまま過電圧保護動作を行なう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

0010

上記課題を解決するため、本発明の過電圧保護回路は、入力端子と出力端子との間に設けられたスイッチ部と、前記入端子の電圧が第1基準値以上であることを検出する第1検出部と、前記入力端子の電圧が第1基準値より低い第2基準値以下であることを検出する第2検出部と、前記第1検出部および前記第2検出部のいずれかが検出対象を検出すると、前記スイッチをオフにする判定部とを備えたことを特徴とする。
ここで、前記第1検出部が検出対象を検出すると、前記第1基準値を入力する端子と、前記出力端子とを接続状態にする正極用スイッチと、前記第2検出部が検出対象を検出すると、前記第2基準値を入力する端子と、前記出力端子とを接続状態にする負極用スイッチと、をさらに備えるようにしてもよい。
また、前記第1検出部および前記第2検出部は比較器で構成することができる。
また、入力端子と前記スイッチとの間に、前記過電圧保護回路の電源オンオフ連動してオンオフする電源連動スイッチを備えるようにしてもよい。
また、前記過電圧保護回路の電源電圧が所定の基準値以下となった場合に、前記スイッチをオフにする電源電圧監視部を備えるようにしてもよい。

発明の効果

0011

本発明によれば、入力端子のインピーダンスが高いまま過電圧保護動作を行なう過電圧保護回路が提供される。

図面の簡単な説明

0012

本実施形態に係る過電圧保護回路の構成を示すブロック図である。
本実施形態に係る過電圧保護回路の動作特性を示す図である。
過電圧保護回路の適用例を示すブロック図である。
本実施形態に係る過電圧保護回路の別構成を示すブロック図である。
別構成の過電圧保護回路の動作特性を示す図である。
過電圧保護回路の動作電源である電源電圧を監視する構成例を示すブロック図である。
電源電圧の監視に基づく動作を説明するタイミング図である。
従来の過電圧保護回路を示す図である。
従来の過電圧保護回路を電圧測定装置に適用した場合を示すブロック図である。

実施例

0013

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ブロック図である。

0014

本図に示すように、過電圧保護回路100は、入力端子VIN、出力端子VOUT、入力端子VTH、入力端子VTL、出力端子UL、出力端子LL、第1比較器101、第2比較器102、OR回路103、スイッチ(SW)104を備えている。

0015

スイッチ104は、入力端子VINと出力端子VOUTとの間に設けられている。スイッチ104がオン状態の場合、出力端子VOUTは、入力端子VINの電圧をそのまま出力する。スイッチ104がオフ状態の場合、入力端子VINと出力端子VOUTとは切り離され、入力端子VINの電圧は出力端子VOUTに伝わらない。スイッチ104は、トランジスタ等の半導体素子や、リレー等の装置を用いて構成することができる。

0016

入力端子VTHには、第1基準電圧を入力し、入力端子VTLには、第1基準電圧よりも低い第2基準電圧を入力する。第1比較器101は、入力端子VINに入力された入力電圧と、入力端子VTHに入力された第1基準電圧とを比較し、入力端子VINの電圧が、第1基準電圧以上のとき、ハイレベルを出力する。第2比較器102は、入力端子VINに入力された入力電圧と、入力端子VTLに入力された第2基準電圧とを比較し、入力端子VINの電圧が、第2基準電圧以下のとき、ハイレベルを出力する。

0017

第1比較器の出力は、OR回路103に入力するとともに出力端子ULから外部に出力され、第2比較器の出力は、OR回路103に入力するとともに出力端子LLから外部に出力される。

0018

OR回路103は、第1比較器101の出力、第2比較器102の出力のいずれかがハイレベルのとき、すなわち、入力端子VINの電圧が第1基準電圧以上であるか第2基準電圧以下のとき、スイッチ104をオフ状態に切り替える。

0019

この構成により、第1基準電圧に正側の過電圧となる閾値を設定し、第2基準電圧に負側の過電圧となる閾値を設定することで、入力端子VINが過電圧となっても、出力端子VOUTに過電圧が伝わらなくなる。このため、出力端子VOUTに接続された後段の装置を過電圧から保護することができる。このとき、スイッチ104はオフ状態であるため、過電圧保護の動作中に、入力端子VINは高インピーダンス状態を保つことになる。したがって、前段の装置から過大電流が流れ出すことはなく前段の装置に悪影響を与えない。

0020

また、入力端子VINに正側の過電圧となる電圧が入力された場合、出力端子ULがハイレベルとなり、入力端子VINに負側の過電圧となる電圧が入力された場合、出力端子LLがハイレベルとなる。このため、出力端子ULおよび出力端子LLと接続した後段の装置は、過電圧保護回路100に正側あるいは負側の過電圧が入力されたことを検知することができる。

0021

図2は、本実施形態の過電圧保護回路100の動作特性を示す図である。本図に示すように、入力端子VINの電圧(横軸方向)が、入力端子VTLの第2基準電圧より大きく、入力端子VTHの第1基準電圧より小さい場合は、スイッチ104がオンとなるため、過電圧保護回路100は、入力端子VINの電圧をそのまま出力端子VOUT(縦軸方向)から出力する。

0022

また、入力端子VINの電圧が、入力端子VTLの第2基準電圧以下の場合は、スイッチ104がオフとなり、出力端子VOUTの電圧は不定となる。このとき、出力端子LLはハイレベルを出力する。

0023

入力端子VINの電圧が、入力端子VTHの第1基準電圧以上の場合は、スイッチ104がオフとなり、出力端子VOUTの電圧は不定となる。このとき、出力端子ULはハイレベルを出力する。

0024

図3は、本実施形態の過電圧保護回路100の適用例を示す図である。本図は、被測定装置110の電圧を電圧測定装置120で測定する回路において、電圧測定装置120を過電圧から保護するために過電圧保護回路100を用いた例を示している。このとき、過電圧保護回路100を電圧測定装置120内に組み込むようにしてもよい。

0025

この場合、過電圧保護回路100の入力端子VINに被測定装置110を接続し、出力端子VOUTに電圧測定装置120を接続する。また、UL端子、LL端子を電圧測定装置120に接続することで、入力端子VINに過電圧が入力され、測定が無効であることを電圧測定装置120に通知するようにしている。

0026

過電圧保護回路100は、被測定装置110から入力端子VINに過電圧が入力され、過電圧保護が動作しても、入力端子VINが高インピーダンス状態を保つため、被測定装置110から電流Iinが流れ込まず、被測定装置110に悪影響を与えることを防いでいる。

0027

なお、入力端子VINの電圧が第1基準電圧以上あるいは第2基準電圧以下のとき、スイッチ104をオフ状態に切り替える回路は、図1に示した構成に限られない。例えば、第1比較器101、第2比較器102の極性を逆にするとともに、OR回路103をAND回路に変え、AND回路の出力がハイレベルのときに、スイッチ104を導通状態とするようにしてもよい。

0028

また、図1に示した構成は、過電圧保護の動作中、出力端子VOUTの電圧が不定となるが、出力端子VOUTの電圧が不定となることを避けるために、図4に示すような構成としてもよい。

0029

図4に示した別構成例では、図1に示した構成に加え、第1比較器101の出力がハイレベルのときに、入力端子VTHと出力端子VOUTとを導通状態にする正極用スイッチ(SW_H)105と、第2比較器102の出力がハイレベルのときに、入力端子VTLと出力端子VOUTとを導通状態にする負極用スイッチ(SW_L)106とを備えている。

0030

このため、図5の動作特性図に示すように、入力端子VINの電圧が、入力端子VTLの第2基準電圧以下の場合は、スイッチ104と正極用スイッチ105とがオフとなり、負極用スイッチ106がオンとなるため、出力端子VOUTの電圧は入力端子VTLの第2基準電圧となる。このとき、出力端子LLはハイレベルを出力する。

0031

また、入力端子VINの電圧が、入力端子VTHの第1基準電圧以上の場合は、スイッチ104と負極用スイッチ106とがオフとなり、正極用スイッチ105がオンとなるため、出力端子VOUTの電圧は入力端子VTHの第1基準電圧となる。このとき、出力端子ULはハイレベルを出力する。

0032

なお、入力端子VINの電圧が、入力端子VTLの第2基準電圧より大きく、入力端子VTHの第1基準電圧より小さい場合は、図1に示した構成と同様に、入力端子VINの電圧をそのまま出力端子VOUTから出力する。いずれの場合においても、VIN端子は高インピーダンス状態を保っている。

0033

図4に示した別構成例では、正極用スイッチ105は、正側の過電圧状態のときに出力端子VOUTを入力端子VTHに接続し、負極用スイッチ106は、負側の過電圧状態のときに出力端子VOUTを入力端子VTLに接続するようにしていたが、それぞれ別の電圧源に接続したり、接地端子に接続するようにしてもよい。このため、過電圧状態のときは、任意の電圧を出力端子VOUTから出力させることができる。

0034

図6は、さらに別例として、電源電圧監視部107を設け、過電圧保護回路100bの動作電源である電源電圧VDDを監視する構成例を示している。本例では、過電圧保護回路100bの電源がオフの場合にも入力端子VINが確実に高インピーダンス状態を保つようにするとともに、電源電圧VDDが低下して過電圧保護回路100bの動作が不安定になった場合でも後段の装置を過電圧から確実に保護するようにしている。電源電圧VDDは、後段の装置と共通であってもよいし、独立した電源であってもよい。

0035

具体的には、入力端子VINとスイッチ104との間に電源連動スイッチ108を設けることにより、過電圧保護回路100bの電源がオフの場合に入力端子VINが確実に高インピーダンス状態を保つようにしている。

0036

電源連動スイッチ108は、例えば、メカニカルリレーや抗耐圧DMOSで構成され、電源電圧監視部107が出力する制御信号SCによりオンオフが切り替えられる。

0037

すなわち、電源電圧監視部107は、電源電圧VDDのオンに連動して電源連動スイッチ108をオンにし、電源電圧VDDがオフになると電源連動スイッチ108をオフにする。

0038

また、電源電圧監視部107は、低電圧誤動作防止回路(UVLO:Under Voltage Lock Out)としても機能し、電源電圧VDDが正常電圧のときにロウレベルのUVL信号を出力し、所定の基準値以下の低電圧時にハイレベルのUVL信号を出力する。ULL信号は、第1比較器101および第2比較器102の出力とともにOR回路103aに入力される。所定の基準値は、過電圧保護回路100bの動作が不安定になる程度の値とすることができる。

0039

このため、電源電圧VDDが低電圧になると、VINの過電圧状態に関わらずスイッチ104が強制的に遮断されることになる。したがって、電源電圧VDDが低下して、過電圧保護回路100bの動作が不安定になった場合でも、出力端子VOUTに接続された後段の装置を過電圧から保護することができる。

0040

なお、電源電圧VDDが正常電圧のときにハイレベルのUVL信号を出力し、インバータを介してOR回路103aに入力するようにしてもよい。また、OR回路103aを介さずに、UVL信号でスイッチ104を直接制御するようにしてもよい。この場合、電源電圧監視部107は、電源電圧VDDが低電圧になったことを検出すると、スイッチ104を強制的に遮断すればよい。さらには、ハイレベルのUVL信号で電源連動スイッチ108をオフに切り替えてもよい。

0041

電源電圧監視部107を設けて電源電圧VDDを監視することにより、例えば、図7に示すように、電源電圧VDDがオフの状態では、電源連動スイッチ108はオフとなっており、入力端子VINは高インピーダンス状態を保っている。

0042

時刻t0で電源電圧VDDがオンになると、電源連動スイッチ108もオンとなり、過電圧保護回路100bの通常動作が行なわれる。時刻t1で電源電圧VDDが低下し、所定の基準値以下になると、UVL信号がハイレベルとなり、スイッチ104が強制的に遮断される。このため、過電圧保護回路100bの動作が不安定になっても出力端子VOUTに接続された後段の装置を過電圧から保護することができる。

0043

時刻t2で電源電圧VDDが正常な状態に復帰すると、UVL信号がロウレベルとなり、過電圧保護回路100bの通常動作が再開することになる。

0044

100…過電圧保護回路、101…第1比較器、102…第2比較器、103…OR回路、104…スイッチ、105…正極用スイッチ、106…負極用スイッチ、107…電源電圧監視部、108…電源連動スイッチ、110…被測定装置、120…電圧測定装置

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