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JP7616399B2 - Load Driver - Google Patents
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Description

関連出願の相互参照CROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS

本出願は、2021年8月25日に出願された特許出願番号2021-137349号に基づくもので、ここにその記載内容を援用する。 This application is based on Patent Application No. 2021-137349, filed on August 25, 2021, the contents of which are incorporated herein by reference.

本開示は、負荷給電に用いられる負荷駆動装置に関する。 The present disclosure relates to a load driving device used to supply power to a load.

車両用の制御システムにおいて、排ガス処理関連のセンサ装置へ電源を供給するための経路の異常診断が義務付けられている。一般に、電源とセンサ装置とは、スイッチング回路を備える負荷駆動装置を介して接続されており、給電経路の短絡や断線等の異常が検出されたときには、負荷駆動装置から外部へ異常検出信号が出力されるようになっている。また、異常発生時に、負荷駆動装置の内部回路を保護する機能を付加することが検討されている。 Vehicle control systems are required to diagnose abnormalities in the path that supplies power to exhaust gas treatment-related sensor devices. In general, the power source and sensor device are connected via a load drive device equipped with a switching circuit, and when an abnormality such as a short circuit or break in the power supply path is detected, an abnormality detection signal is output from the load drive device to the outside. In addition, consideration is being given to adding a function to protect the internal circuitry of the load drive device when an abnormality occurs.

例えば、特許文献1には、車載用装置のスイッチング回路において、トランジスタの出力側に負荷と並列に2つの抵抗からなるマイコン用インタフェース回路を接続し、これにマイコンを接続して、トランジスタの出力電圧をマイコンで判断できるようにした地絡検出のための回路構成が開示されている。この構成において、マイコンは、地絡による出力電圧の降下を検知すると、トランジスタをオフすることで、大電流が流れ続けることを抑制し、トランジスタを保護している。For example, Patent Document 1 discloses a circuit configuration for detecting ground faults in a switching circuit for an in-vehicle device, in which a microcomputer interface circuit consisting of two resistors is connected in parallel with a load to the output side of a transistor, and a microcomputer is connected to this, so that the output voltage of the transistor can be determined by the microcomputer. In this configuration, when the microcomputer detects a drop in output voltage due to a ground fault, it turns off the transistor, thereby preventing a large current from continuing to flow and protecting the transistor.

特開平8-317545号公報Japanese Patent Application Publication No. 8-317545

車載用のセンサ装置は、例えば、負荷となるヒータ部への給電を、負荷駆動装置を用いて制御している。スイッチング回路は、制御部からの駆動指示によりスイッチング素子がオンオフ駆動されて、ヒータ部への給電経路を開閉し、センサ装置を所定温度に保持している。制御部は、例えば、給電経路の電圧又は電流をモニタして、地絡異常等の有無を診断し、異常検出時に給電動作を停止するように構成することができる。 For example, an in-vehicle sensor device uses a load drive device to control the power supply to a heater section, which serves as a load. A switching circuit opens and closes the power supply path to the heater section by driving a switching element on and off in response to a drive command from a control section, thereby maintaining the sensor device at a predetermined temperature. The control section can be configured to monitor, for example, the voltage or current of the power supply path, diagnose the presence or absence of a ground fault or other anomaly, and stop the power supply operation when an anomaly is detected.

ところで、地絡発生時には、過電流による過熱が生じて回路素子の損傷や誤動作といった不具合が生じやすくなり、より速やかに給電を停止することが望ましい。さらに、車載バッテリを電源とする負荷駆動装置では、車両内における配置の制約から車載バッテリとの間の配線が長くなると、地絡時に高周波サージが発生しやすくなり、内部回路の破損につながるおそれがあることが判明した。これは、地絡経路におけるインダクタンス成分やキャパシタンス成分によるもので、接地側から回り込むサージ電流が大きくなると、地絡検出や負荷駆動のための回路の設定耐量を超えるおそれがあるためであると考えられる。When a ground fault occurs, overheating due to an overcurrent can easily occur, damaging circuit elements and causing malfunctions, making it desirable to stop the power supply as quickly as possible. Furthermore, it has been found that in a load drive device that uses an on-board battery as its power source, if the wiring between the on-board battery is long due to restrictions on placement within the vehicle, a high-frequency surge is more likely to occur in the event of a ground fault, which could lead to damage to the internal circuitry. This is due to inductance and capacitance components in the ground fault path, and it is believed that if the surge current flowing around from the ground side becomes large, it could exceed the set tolerance of the circuits used for ground fault detection and load drive.

本開示の目的は、地絡時に速やかに給電動作を停止し、また、地絡時に発生する高周波サージから回路を保護することができる負荷駆動装置を提供しようとするものである。 The objective of this disclosure is to provide a load driving device that can quickly stop power supply operation in the event of a ground fault and protect the circuit from high-frequency surges that occur in the event of a ground fault.

本開示の一態様は、
電源から負荷への給電経路を開閉するスイッチング回路と、上記スイッチング回路の駆動を制御する駆動制御部と、給電異常時に上記スイッチング回路を保護する回路保護機構と、を備える負荷駆動装置であって、
上記スイッチング回路は、
電圧駆動型のスイッチング素子と、
上記駆動制御部からの駆動指示信号が入力される入力端子部と、
上記給電経路となる給電線を介して上記負荷が接続される出力端子部と、を有し、
上記回路保護機構は、
上記入力端子部側にアノード端子が接続され、上記出力端子部側にカソード端子が接続される保護ダイオードと、
上記入力端子部と上記保護ダイオードとの間に設けられる検出点の電圧検出信号に基づいて、上記給電経路の地絡異常を検出する給電異常検出部と、
上記入力端子部と上記保護ダイオードとの間に接続され、地絡異常時に、上記スイッチング回路へ入力される上記駆動指示信号の下限レベルを制限する地絡保護素子と、を有している、負荷駆動装置にある。
本開示の他の態様は、
電源から負荷への給電経路を開閉するスイッチング回路と、上記スイッチング回路の駆動を制御する駆動制御部と、給電異常時に上記スイッチング回路を保護する回路保護機構と、を備える負荷駆動装置であって、
上記スイッチング回路は、
電圧駆動型のスイッチング素子と、
上記駆動制御部からの駆動指示信号が入力される入力端子部と、
上記給電経路となる給電線を介して上記負荷が接続される出力端子部と、を有し、
上記回路保護機構は、
上記入力端子部側にアノード端子が接続され、上記出力端子部側にカソード端子が接続される保護ダイオードと、
上記入力端子部と上記保護ダイオードとの間に設けられる検出点の電圧検出信号に基づいて、上記給電経路の地絡異常を検出する給電異常検出部と、
地絡異常時に、上記スイッチング回路へ入力される上記駆動指示信号の下限レベルを制限する地絡保護素子と、を有しており、
上記地絡保護素子は、上記入力端子部と上記保護ダイオードとの間に、両端子の一方が接続され、両端子の他方が接地されるコンデンサ素子である、負荷駆動装置にある。
One aspect of the present disclosure is
A load driving device including a switching circuit that opens and closes a power supply path from a power source to a load, a drive control unit that controls driving of the switching circuit, and a circuit protection mechanism that protects the switching circuit when a power supply abnormality occurs,
The switching circuit is
A voltage-driven switching element;
an input terminal unit to which a drive instruction signal is input from the drive control unit;
an output terminal portion to which the load is connected via a power supply line that serves as the power supply path;
The circuit protection mechanism is as follows:
a protection diode having an anode terminal connected to the input terminal section and a cathode terminal connected to the output terminal section;
a power supply abnormality detection unit that detects a ground fault abnormality in the power supply path based on a voltage detection signal at a detection point provided between the input terminal unit and the protection diode;
The load driving device has a ground fault protection element connected between the input terminal portion and the protection diode, and which limits the lower limit level of the drive instruction signal input to the switching circuit in the event of a ground fault abnormality.
Another aspect of the present disclosure is
A load driving device including a switching circuit that opens and closes a power supply path from a power source to a load, a drive control unit that controls driving of the switching circuit, and a circuit protection mechanism that protects the switching circuit when a power supply abnormality occurs,
The switching circuit is
A voltage-driven switching element;
an input terminal unit to which a drive instruction signal is input from the drive control unit;
an output terminal portion to which the load is connected via a power supply line that serves as the power supply path;
The circuit protection mechanism is as follows:
a protection diode having an anode terminal connected to the input terminal section and a cathode terminal connected to the output terminal section;
a power supply abnormality detection unit that detects a ground fault abnormality in the power supply path based on a voltage detection signal at a detection point provided between the input terminal unit and the protection diode;
a ground fault protection element that limits a lower limit level of the drive instruction signal input to the switching circuit when a ground fault occurs ,
The earth fault protection element in the load driving device is a capacitor element having one terminal connected between the input terminal portion and the protection diode and the other terminal grounded .

上記構成の負荷駆動装置において、スイッチング回路は、入力端子部から入力される駆動指示信号に基づいてスイッチング素子を開閉駆動し、出力端子部に接続される給電線を介して負荷への給電を行う。スイッチング回路の出力側の給電経路に地絡が発生すると、出力端子部側にカソード端子が接続される保護ダイオードを経由して電流が流れ、アソード端子が接続される入力端子部側へ入力する駆動指示信号の電圧レベルが低下する。これにより、スイッチング素子が直ちにオフされるので、過電流による過熱等からスイッチング素子を保護することができる。また、この電圧レベルの低下を給電異常検出部にてモニタすることにより、地絡の発生を検出することができる。保護ダイオードは、正常時には、給電側の電圧が印加されないように入力端子部を保護している。In the load driving device of the above configuration, the switching circuit drives the switching element to open and close based on a drive instruction signal input from the input terminal section, and supplies power to the load via a power supply line connected to the output terminal section. When a ground fault occurs in the power supply path on the output side of the switching circuit, current flows through a protection diode whose cathode terminal is connected to the output terminal section, and the voltage level of the drive instruction signal input to the input terminal section whose anode terminal is connected drops. This immediately turns off the switching element, making it possible to protect the switching element from overheating due to overcurrent. In addition, the occurrence of a ground fault can be detected by monitoring this drop in voltage level with the power supply abnormality detection section. Under normal conditions, the protection diode protects the input terminal section so that the voltage on the power supply side is not applied.

さらに、地絡により生じる高周波サージに対して、入力端子部と保護ダイオードとの間に接続される地絡保護素子が、駆動指示信号の下限レベルを制限するように動作し、接地側から回り込むサージ電流からスイッチング回路を保護する。このように、回路保護機構が、保護ダイオードと、保護ダイオードを用いた給電異常検出部と、地絡保護素子とを備えることにより、スイッチング回路の内部回路やスイッチング素子を速やかに保護しつつ、地絡の発生を確実に検出することができる。Furthermore, in the case of a high-frequency surge caused by a ground fault, the ground fault protection element connected between the input terminal and the protection diode operates to limit the lower limit level of the drive instruction signal, protecting the switching circuit from surge currents that sneak in from the ground side. In this way, the circuit protection mechanism includes a protection diode, a power supply anomaly detection unit using the protection diode, and a ground fault protection element, so that the internal circuitry and switching elements of the switching circuit can be quickly protected while the occurrence of a ground fault can be reliably detected.

以上のごとく、上記態様によれば、地絡時に速やかに給電動作を停止し、また、地絡時に発生する高周波サージから回路を保護できる負荷駆動装置を提供することができる。As described above, according to the above aspect, it is possible to provide a load driving device that can quickly stop power supply operation in the event of a ground fault and protect the circuit from high-frequency surges that occur in the event of a ground fault.

本開示についての上記目的及びその他の目的、特徴や利点は、添付の図面を参照しながら下記の詳細な記述により、より明確になる。その図面は、
図1は、実施形態1における、負荷駆動装置の全体構成を示す回路図であり、 図2は、実施形態1における、負荷駆動装置の地絡時電流経路を示す回路図であり、 図3は、実施形態1における、負荷駆動装置の回路保護機構による地絡検出動作を説明するためのタイムチャート図であり、 図4は、実施形態1における、負荷駆動装置の回路保護機構の基本動作を説明するためのタイムチャート図であり、 図5は、実施形態1における、負荷駆動装置の回路保護機構による効果を説明するためのA部電圧波形図であり、 図6は、参考形態1における、負荷駆動装置の全体構成図及び等価回路図であり、 図7は、参考形態1における、負荷駆動装置の地絡時のA部電圧波形図であり、 図8は、参考形態1における、負荷駆動装置の電源ハーネス長とピーク電圧の関係を示す図であり、 図9は、実施形態1における、負荷駆動装置の等価回路図であり、 図10は、実施形態1における、負荷駆動装置の回路保護機構による効果を説明するためのA部電圧波形図であり、 図11は、実施形態1における、負荷駆動装置への抵抗素子の追加有無による電源ハーネス長とピーク電圧の関係を比較して示す図であり、 図12は、実施形態1における、負荷駆動装置への追加抵抗値とA部電圧との関係を示す図であり、 図13は、実施形態2における、負荷駆動装置の全体構成を示す回路図であり、 図14は、実施形態2における、負荷駆動装置の構成を説明するための等価回路図であり、 図15は、実施形態1、2及び参考形態1における、負荷駆動装置の構成と、地絡発生時のA部電圧及びB部電圧の変化を比較して示すタイムチャート図であり、 図16は、実施形態2における、負荷駆動装置へのコンデンサ素子の追加有無による電源ハーネス長とピーク電圧の関係を比較して示す図であり、 図17は、実施形態2における、負荷駆動装置への追加コンデンサ容量値とピーク電圧の関係を示す図である。
The above and other objects, features and advantages of the present disclosure will become more apparent from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings, in which:
FIG. 1 is a circuit diagram showing an overall configuration of a load driving device according to a first embodiment; FIG. 2 is a circuit diagram showing a current path in the load driving device in the event of a ground fault in the first embodiment; FIG. 3 is a time chart for explaining a ground fault detection operation by a circuit protection mechanism of the load driving device in the first embodiment; FIG. 4 is a time chart for explaining a basic operation of a circuit protection mechanism of a load driving device in the first embodiment; FIG. 5 is a voltage waveform diagram at section A for explaining the effect of a circuit protection mechanism of the load driving device according to the first embodiment; FIG. 6 is an overall configuration diagram and an equivalent circuit diagram of a load driving device according to the first embodiment; FIG. 7 is a voltage waveform diagram of part A when a ground fault occurs in the load driving device according to the first embodiment; FIG. 8 is a diagram showing a relationship between a power harness length and a peak voltage of a load driving device according to the first embodiment; FIG. 9 is an equivalent circuit diagram of a load driving device according to the first embodiment; FIG. 10 is a voltage waveform diagram at section A for explaining the effect of a circuit protection mechanism of the load driving device according to the first embodiment; FIG. 11 is a diagram showing a comparison of the relationship between the power harness length and the peak voltage depending on whether or not a resistive element is added to the load driving device in the first embodiment; FIG. 12 is a diagram showing a relationship between an added resistance value to a load driving device and an A section voltage in the first embodiment; FIG. 13 is a circuit diagram showing an overall configuration of a load driving device according to a second embodiment; FIG. 14 is an equivalent circuit diagram for explaining a configuration of a load driving device according to a second embodiment; FIG. 15 is a time chart showing the configuration of the load driving device according to the first and second embodiments and the first embodiment, and comparing the changes in the A section voltage and the B section voltage when a ground fault occurs; FIG. 16 is a diagram showing a comparison of the relationship between the power harness length and the peak voltage depending on whether or not a capacitor element is added to a load driving device in the second embodiment; FIG. 17 is a diagram showing the relationship between the capacitance value of a capacitor added to the load driving device and the peak voltage in the second embodiment.

(実施形態1)
負荷駆動装置に係る実施形態1について、図1~図12を参照して説明する。
図1に示すように、本形態の負荷駆動装置1は、電源Bから負荷Lへの給電経路L1を開閉するスイッチング回路2と、スイッチング回路2の駆動を制御する駆動制御部3と、給電異常時にスイッチング回路2を保護する回路保護機構4と、を備える。電源Bは、例えば、車載バッテリであり、負荷駆動装置1は、車両に搭載されるセンサS等の各種電気機器へバッテリ電源を供給するために用いられる。負荷Lは、例えば、センサSに内蔵されるヒータ部である。
(Embodiment 1)
A first embodiment of a load driving device will be described with reference to FIGS. 1 to 12. FIG.
1, the load driving device 1 of this embodiment includes a switching circuit 2 that opens and closes a power supply path L1 from a power source B to a load L, a drive control unit 3 that controls the driving of the switching circuit 2, and a circuit protection mechanism 4 that protects the switching circuit 2 in the event of a power supply abnormality. The power source B is, for example, an on-vehicle battery, and the load driving device 1 is used to supply battery power to various electrical devices such as a sensor S mounted on the vehicle. The load L is, for example, a heater unit built into the sensor S.

スイッチング回路2は、電圧駆動型のスイッチング素子21と、駆動制御部3からの駆動指示信号S1が入力される入力端子部T1と、給電経路L1となる給電線L11を介して負荷Lが接続される出力端子部T2と、を有する。好適には、スイッチング回路2には、電源端子部Tbと、ゲートドライバ部(以下、適宜、ドライバ部と略称する)22とが、さらに設けられる。ここで「接続」とは、電気的な接続を意味し、以降も同様とする。The switching circuit 2 has a voltage-driven switching element 21, an input terminal T1 to which a drive instruction signal S1 is input from the drive control unit 3, and an output terminal T2 to which a load L is connected via a power supply line L11 that serves as a power supply path L1. Preferably, the switching circuit 2 further includes a power supply terminal Tb and a gate driver unit (hereinafter, appropriately abbreviated as the driver unit) 22. Here, "connection" means electrical connection, and the same applies hereinafter.

スイッチング回路2において、電源端子部Tbは、給電経路L1となる電源ハーネスHを介して電源Bに接続される。スイッチング素子21は、電源端子部Tbと出力端子部T2との間に直列に接続されて、給電経路L1を開閉する。ドライバ部22は、入力端子部T1とスイッチング素子21のゲート端子との間に接続されて、駆動指示信号S1に基づいてスイッチング素子21を駆動することができる。In the switching circuit 2, the power supply terminal Tb is connected to the power supply B via a power supply harness H which serves as the power supply path L1. The switching element 21 is connected in series between the power supply terminal Tb and the output terminal T2 to open and close the power supply path L1. The driver unit 22 is connected between the input terminal T1 and the gate terminal of the switching element 21 to drive the switching element 21 based on a drive instruction signal S1.

駆動制御部3は、入力端子部T1と駆動用信号線L2を介して接続され、二値電圧信号である駆動指示信号S1をスイッチング回路2へ出力する構成とすることができる。回路保護機構4は、保護ダイオードD1と、保護ダイオードD1を用いた給電異常検出部41と、地絡保護素子40とを備える。The drive control unit 3 is connected to the input terminal unit T1 via the drive signal line L2, and can be configured to output a drive instruction signal S1, which is a binary voltage signal, to the switching circuit 2. The circuit protection mechanism 4 includes a protection diode D1, a power supply abnormality detection unit 41 using the protection diode D1, and a ground fault protection element 40.

保護ダイオードD1は、スイッチング回路2の入力端子部T1側にアノード端子が接続され、出力端子部T2側にカソード端子が接続されており、正常時には、給電側の電圧が入力端子部T1に印加されないように保護している、地絡異常時には、保護ダイオードD1を通る地絡電流経路が形成されて、駆動指示信号S1の信号レベルを低下させることにより、スイッチング素子21を直ちにオフすることができる。The protective diode D1 has an anode terminal connected to the input terminal T1 side of the switching circuit 2 and a cathode terminal connected to the output terminal T2 side, and under normal conditions protects the input terminal T1 from being applied with a voltage from the power supply side. In the event of a ground fault, a ground fault current path is formed through the protective diode D1, and the signal level of the drive instruction signal S1 is lowered, thereby immediately turning off the switching element 21.

給電異常検出部41は、入力端子部T1と保護ダイオードD1との間に検出点P1を設け、検出点P1の電圧検出信号S2に基づいて、給電経路L1の地絡異常を検出する。好適には、給電異常検出部41は、検出点P1と検出用信号線L3を介して接続され、電圧検出信号S2として入力される検出点P1の電位を、周期的にモニタすることで、保護ダイオードD1による地絡電流経路の電圧低下を利用して、地絡異常を検出可能となる。The power supply abnormality detection unit 41 provides a detection point P1 between the input terminal unit T1 and the protection diode D1, and detects a ground fault abnormality in the power supply path L1 based on a voltage detection signal S2 at the detection point P1. Preferably, the power supply abnormality detection unit 41 is connected to the detection point P1 via a detection signal line L3, and periodically monitors the potential of the detection point P1, which is input as a voltage detection signal S2, thereby making it possible to detect a ground fault abnormality by utilizing a voltage drop in the ground fault current path caused by the protection diode D1.

回路保護機構4は、さらに、地絡による高周波サージから回路を保護するために、地絡保護素子40を備える。地絡保護素子40は、入力端子部T1と保護ダイオードD1との間に接続されて、地絡異常時に、スイッチング回路2へ入力される駆動指示信号S1の下限レベルを制限する。具体的には、地絡保護素子40は、地絡異常時に入力端子部T1に入力する電圧信号の最小値、すなわち、駆動指示信号S1の下限側の信号レベルが、スイッチング回路2の設定耐圧を下回らないように動作する、The circuit protection mechanism 4 further includes a ground fault protection element 40 to protect the circuit from high-frequency surges due to a ground fault. The ground fault protection element 40 is connected between the input terminal T1 and the protection diode D1, and limits the lower limit level of the drive instruction signal S1 input to the switching circuit 2 in the event of a ground fault. Specifically, the ground fault protection element 40 operates so that the minimum value of the voltage signal input to the input terminal T1 in the event of a ground fault, i.e., the lower limit signal level of the drive instruction signal S1, does not fall below the set withstand voltage of the switching circuit 2.

このような地絡保護素子40として、好適には、入力端子部T1と保護ダイオードD1の間に直列接続される抵抗素子R1を用いることができる。抵抗素子R1は、地絡時電流経路に配置されて、発生する地絡サージ電流を消費することにより、駆動指示信号S1の負側への変動を抑制し、スイッチング回路2を速やかに保護する。A resistor element R1 connected in series between the input terminal T1 and the protection diode D1 can be preferably used as the ground fault protection element 40. The resistor element R1 is disposed in the current path in the event of a ground fault and consumes the ground fault surge current that occurs, thereby suppressing the negative fluctuation of the drive instruction signal S1 and quickly protecting the switching circuit 2.

本形態では、回路保護機構4に地絡保護用の抵抗素子R1を用いた例として、以下説明する。抵抗素子R1は、例えば、チップ抵抗器として構成され、入力端子部T1により近い地絡時電流経路に配置されることが望ましい。好適には、検出点P1よりも入力端子部T1側に配置され、例えば、保護ダイオードD1と駆動用信号線L2との接続点P2と、入力端子部T1との間に、直列に挿入することができる。In this embodiment, the following will be described as an example in which a resistor element R1 for earth fault protection is used in the circuit protection mechanism 4. The resistor element R1 is preferably configured as, for example, a chip resistor, and is arranged in the current path during an earth fault closer to the input terminal portion T1. It is preferably arranged closer to the input terminal portion T1 than the detection point P1, and can be inserted in series, for example, between the connection point P2 between the protection diode D1 and the drive signal line L2 and the input terminal portion T1.

駆動制御部3と給電異常検出部41とは、例えば、負荷駆動装置1によるヒータ部の駆動を含むセンサSの作動全体を制御する制御装置5の一部として構成することができる。制御装置5は、プログラム等を記憶するメモリとCPUを備え、プログラムに基づく演算処理等を実行するマイクロコンピュータ(以下、適宜、マイコンと称する)にて構成される。The drive control unit 3 and the power supply abnormality detection unit 41 can be configured, for example, as part of a control device 5 that controls the overall operation of the sensor S, including the driving of the heater unit by the load drive device 1. The control device 5 is configured with a microcomputer (hereinafter, appropriately referred to as a microcomputer) that has a memory for storing programs and the like and a CPU and executes arithmetic processing based on the programs.

ここで、図2中に破線矢印で示すように、負荷Lへの給電線L11において地絡が発生すると、高周波サージによる電流が負荷Lを介さずに接地側へ流れ、接地端子Tgからスイッチング回路2の入力側に回り込むおそれがある。このとき、図2中に実線矢印で示すように、保護ダイオードD1を介して、スイッチング回路2の入力側と出力側とを接続する電流経路が形成されることで、入力端子部T1へ入力される電圧信号レベルが低下する。2, if a ground fault occurs in the power supply line L11 to the load L, the current due to the high frequency surge may flow to the ground side without passing through the load L and may sneak into the input side of the switching circuit 2 from the ground terminal Tg. In this case, as shown by the solid arrow in Fig. 2, a current path is formed connecting the input side and output side of the switching circuit 2 via the protective diode D1, causing a drop in the voltage signal level input to the input terminal T1.

すなわち、図3に示すように、駆動指示信号S1に対して、地絡時には、検出点P1の電圧検出信号S2が、保護ダイオードD1の順方向電圧Vf1と同等レベルに低下する。したがって、この電圧Vf1が、駆動指示信号S1のローレベル信号に対応し、ドライバ部22において、スイッチング素子21をオフする信号レベルとして認識されるように設定すれば、電圧信号レベルの低下により、直ちにスイッチング素子21をオフすることができる。 3, when a ground fault occurs in response to the drive instruction signal S1, the voltage detection signal S2 at the detection point P1 drops to a level equivalent to the forward voltage Vf1 of the protection diode D1. Therefore, if this voltage Vf1 corresponds to a low-level signal of the drive instruction signal S1 and is set so as to be recognized in the driver section 22 as a signal level for turning off the switching element 21, the switching element 21 can be immediately turned off due to the drop in the voltage signal level.

また、この電圧信号レベルの低下を、給電異常検出部41でモニタすることにより、地絡の検出が可能になる。具体的には、検出点P1の電位を周期的に取り込み、予め設定した地絡検出閾値THと比較することで、地絡の発生を検出することができる。Moreover, by monitoring this drop in the voltage signal level with the power supply abnormality detection unit 41, it becomes possible to detect a ground fault. Specifically, the occurrence of a ground fault can be detected by periodically capturing the potential of the detection point P1 and comparing it with a preset ground fault detection threshold TH.

図4に、スイッチング回路2の入力端子部T1における電圧を、A部電圧とし、出力端子部T2における電圧を、B部電圧として、給電異常検出部41における地絡検出動作及び各部動作との関係を示す。負荷駆動装置1が正常動作している状態から、地絡が発生すると、B部電圧の低下に伴ってA部電圧(すなわち駆動指示信号S1の信号レベル)がハイレベルから低下し、地絡検出閾値THを下回った時点以降において、地絡検出がなされる。すなわち、給電異常検出部41に電圧検出信号S2が取り込まれるタイミングで、制御装置5における認識電圧(すなわち、図4中のマイコン認識電圧)が、ハイレベルからローレベルに切り替わる。 Figure 4 shows the relationship between the ground fault detection operation in the power supply abnormality detection unit 41 and the operation of each unit, with the voltage at the input terminal T1 of the switching circuit 2 being the A voltage and the voltage at the output terminal T2 being the B voltage. When a ground fault occurs while the load drive device 1 is operating normally, the A voltage (i.e., the signal level of the drive instruction signal S1) drops from high level as the B voltage drops, and when it falls below the ground fault detection threshold TH, a ground fault is detected. That is, when the voltage detection signal S2 is received by the power supply abnormality detection unit 41, the recognized voltage in the control device 5 (i.e., the microcomputer recognized voltage in Figure 4) switches from high level to low level.

これにより、駆動制御部3が、駆動指示信号S1を出力する動作を停止すると、スイッチング回路2のドライバ部22への駆動指示信号S1の入力が停止される。ただし、地絡検出のタイミングや制御装置5における演算処理等によって、駆動制御部3による駆動指示動作の停止までに遅延が生じることがある。そのような場合でも、駆動指示動作によらず、A部電圧がローレベルに低下した時点で、スイッチング素子21をオフとすることができるので、より速やかに、スイッチング動作を停止することができる。As a result, when the drive control unit 3 stops the operation of outputting the drive instruction signal S1, the input of the drive instruction signal S1 to the driver unit 22 of the switching circuit 2 is stopped. However, depending on the timing of the ground fault detection and the calculation processing in the control device 5, a delay may occur before the drive instruction operation by the drive control unit 3 is stopped. Even in such a case, since the switching element 21 can be turned off when the voltage of section A drops to a low level regardless of the drive instruction operation, the switching operation can be stopped more quickly.

さらに、図5に示すように、地絡時に発生する高周波サージに対しては、抵抗素子R1を地絡時電流経路に挿入することで、電圧信号レベルの変動を抑制することができる(例えば、図5中に実線で示す)。これにより、抵抗素子R1が配置されない場合(例えば、図5中に点線で示す)に対して、負側のサージ(以下、適宜、負サージと称する)が大きく低減し、スイッチング回路2の入力側へ回り込む負サージによる不具合を防止できる。また、スイッチング回路2へ入力する信号レベルが安定するので、速やかな地絡検出が可能になる。 Furthermore, as shown in Figure 5, by inserting resistive element R1 into the current path during a ground fault, fluctuations in the voltage signal level can be suppressed for high-frequency surges that occur during a ground fault (e.g., as shown by the solid line in Figure 5). This significantly reduces the negative surge (hereinafter, appropriately referred to as a negative surge) compared to when resistive element R1 is not provided (e.g., as shown by the dotted line in Figure 5), and prevents problems caused by the negative surge leaking into the input side of the switching circuit 2. In addition, the signal level input to the switching circuit 2 is stabilized, enabling rapid ground fault detection.

このように、本形態の負荷駆動装置1は、回路保護機構4を備えることにより、負荷Lが接続される給電経路L1の地絡異常を検出すると共に、速やかにスイッチング回路2の駆動を停止して、地絡による過電流や高周波サージから回路を保護することができる。In this way, the load driving device 1 of this embodiment is equipped with a circuit protection mechanism 4, and is able to detect a ground fault anomaly in the power supply path L1 to which the load L is connected, and quickly stop driving the switching circuit 2, thereby protecting the circuit from overcurrents and high-frequency surges caused by ground faults.

以下、本形態の負荷駆動装置1について、詳細に説明する。図1において、負荷駆動装置1が適用される車載用のセンサSは、例えば、排ガス処理装置を構成するNOxセンサ等のガスセンサであり、負荷Lとなるヒータ部(例えば、抵抗R)を内蔵するセンサ素子が、車両の排ガス通路に設置される。負荷駆動装置1は、給電経路L1を介して給電することにより、ヒータ部を発熱させて、センサ素子をNOx検出に適した温度に加熱する。 The load driving device 1 of this embodiment will be described in detail below. In Fig. 1, an on-vehicle sensor S to which the load driving device 1 is applied is, for example, a gas sensor such as a NOx sensor constituting an exhaust gas treatment device, and a sensor element having a built-in heater section (for example, resistor R H ) serving as a load L is installed in an exhaust gas passage of the vehicle. The load driving device 1 supplies power via a power supply path L1 to cause the heater section to generate heat, thereby heating the sensor element to a temperature suitable for detecting NOx.

給電経路L1は、電源Bから負荷Lへ直流の電源電圧VDを供給するための経路であり、負荷駆動装置1は、給電経路L1を開閉するためのスイッチング回路2と、スイッチング回路2を制御するための駆動制御部3を有する制御装置5を備えている。制御装置5は、駆動制御部3を用いて負荷Lへの給電を制御すると共に、ヒータ部と共にセンサ素子に内蔵される、図示しないNOx検出部を含むセンサSの作動全体を制御する。The power supply path L1 is a path for supplying a DC power supply voltage VD from a power source B to a load L, and the load drive device 1 is equipped with a control device 5 having a switching circuit 2 for opening and closing the power supply path L1 and a drive control unit 3 for controlling the switching circuit 2. The control device 5 uses the drive control unit 3 to control the power supply to the load L, and also controls the overall operation of the sensor S, including a NOx detection unit (not shown) that is built into the sensor element together with a heater unit.

スイッチング回路2は、ハイサイドスイッチICとして構成されており、スイッチング素子21及びドライバ部22と、各種端子部を備えている。スイッチング回路2の電源端子部Tbには、電源ハーネスH(例えば、インダクタンスLv、抵抗Rv)を介して電源Bが接続されており、スイッチング回路2の出力端子部T2には、給電線L11を介して負荷Lが接続される。このとき、電源Bに続く電源ハーネスHからスイッチング回路2の内部及び給電線L11を経由して負荷Lに至る経路が、給電経路L1となる。The switching circuit 2 is configured as a high-side switch IC and includes a switching element 21, a driver unit 22, and various terminal units. A power source B is connected to the power source terminal unit Tb of the switching circuit 2 via a power source harness H (e.g., inductance Lv, resistance Rv), and a load L is connected to the output terminal unit T2 of the switching circuit 2 via a power supply line L11. At this time, the path from the power source harness H following the power source B to the load L via the inside of the switching circuit 2 and the power supply line L11 becomes the power supply path L1.

スイッチング素子21は、電源端子部Tbと出力端子部T2との間の給電経路L1に直列に接続され、入力端子部T1に接続されるドライバ部22によってオンオフ駆動されることにより、給電経路L1を導通又は遮断する。スイッチング素子21としては、例えば、ゲート電圧駆動型のMOSFET(すなわち、電界効果トランジスタ)が用いられ、MOSFETのドレイン端子が電源端子部Tbに接続されると共に、MOSFETのソース端子が出力端子部T2に接続される。MOSFETのゲート端子には、ドライバ部22が接続される。The switching element 21 is connected in series to the power supply path L1 between the power supply terminal Tb and the output terminal T2, and is turned on and off by a driver 22 connected to the input terminal T1 to make the power supply path L1 conductive or cut off. For example, a gate voltage-driven MOSFET (i.e., a field effect transistor) is used as the switching element 21, and the drain terminal of the MOSFET is connected to the power supply terminal Tb, and the source terminal of the MOSFET is connected to the output terminal T2. The driver 22 is connected to the gate terminal of the MOSFET.

ドライバ部22には、スイッチング回路2の入力端子部T1に接続される駆動用信号線L2を介して、駆動指示信号S1が入力される。駆動指示信号S1は、制御装置5の駆動制御部3において生成される、ハイレベル(H)又はローレベル(L)の二値電圧信号であり(例えば、図3参照)、ドライバ部22は、入力される駆動指示信号S1の信号レベルに基づいて、スイッチング素子21をオンオフするためのゲート信号を出力する。駆動制御部3は、例えば、負荷Lの温度検出結果に基づいて、駆動指示信号S1を生成し、センサSが所定の温度に保持されるように、スイッチング素子21のオンオフ動作を制御する。A drive instruction signal S1 is input to the driver unit 22 via a drive signal line L2 connected to the input terminal T1 of the switching circuit 2. The drive instruction signal S1 is a binary voltage signal of high level (H) or low level (L) generated in the drive control unit 3 of the control device 5 (see, for example, FIG. 3), and the driver unit 22 outputs a gate signal for turning the switching element 21 on and off based on the signal level of the input drive instruction signal S1. The drive control unit 3 generates the drive instruction signal S1 based on, for example, the temperature detection result of the load L, and controls the on/off operation of the switching element 21 so that the sensor S is maintained at a predetermined temperature.

スイッチング回路2には、入力端子部T1と接地端子Tgとの間に、ドライバ部22と保護用ダイオードD2とが並列に接続されており、ドライバ部22と接地端子Tgとの間に、逆接保護用抵抗R2が直列に接続されている。保護用ダイオードD2は、カソード端子が、入力端子部T1とドライバ部22とを接続する信号線L21に接続され、アノード端子が、ドライバ部22と逆接保護用抵抗R2との間の接地線L4に接続されている。保護用ダイオードD2は、例えば、入力端子部T1から入力する静電気サージ等に対して、所定のサージ耐量を確保するように設定される。逆接保護用抵抗R2は、例えば、電源Bの逆方向接続が発生した場合に電圧を低下させて回路を保護するように設定される。In the switching circuit 2, the driver section 22 and the protective diode D2 are connected in parallel between the input terminal section T1 and the ground terminal Tg, and the reverse connection protection resistor R2 is connected in series between the driver section 22 and the ground terminal Tg. The protective diode D2 has a cathode terminal connected to the signal line L21 connecting the input terminal section T1 and the driver section 22, and an anode terminal connected to the ground line L4 between the driver section 22 and the reverse connection protection resistor R2. The protective diode D2 is set to ensure a predetermined surge tolerance against, for example, electrostatic surges input from the input terminal section T1. The reverse connection protection resistor R2 is set to protect the circuit by reducing the voltage when, for example, a reverse connection of the power supply B occurs.

このように、スイッチング回路2となるハイサイドスイッチICは、通常、保護用ダイオードD2及び逆接保護用抵抗R2が内蔵される構成として、内部回路を保護している。ただし、一般的なハイサイドスイッチICの設定では、センサSのヒータ部を負荷Lとする給電経路L1に地絡異常が発生したときに、スイッチング回路2を保護するためには、必ずしも十分ではない。In this way, the high-side switch IC that constitutes the switching circuit 2 is usually configured to have a built-in protective diode D2 and reverse connection protection resistor R2 to protect the internal circuit. However, the settings of a typical high-side switch IC are not necessarily sufficient to protect the switching circuit 2 when a ground fault occurs in the power supply path L1 that connects the heater part of the sensor S to the load L.

そこで、本形態では、スイッチング回路2の外部に、回路保護機構4を設けて、地絡異常からスイッチング回路2を確実に保護する。回路保護機構4は、保護ダイオードD1と、保護ダイオードD1を用いた給電異常検出部41を備えて、給電経路L1の地絡異常を検出すると共に、スイッチング素子21を速やかに停止する。回路保護機構4は、さらに、地絡保護素子40として、抵抗素子R1を備え、地絡時に発生するサージ電流からスイッチング回路2を確実に保護する。Therefore, in this embodiment, a circuit protection mechanism 4 is provided outside the switching circuit 2 to reliably protect the switching circuit 2 from ground faults. The circuit protection mechanism 4 includes a protection diode D1 and a power supply abnormality detection unit 41 using the protection diode D1, and detects a ground fault in the power supply path L1 and quickly stops the switching element 21. The circuit protection mechanism 4 further includes a resistive element R1 as a ground fault protection element 40, and reliably protects the switching circuit 2 from a surge current that occurs in the event of a ground fault.

保護ダイオードD1は、アノード端子が、スイッチング回路2の入力端子部T1に至る駆動用信号線L2に接続され、カソード端子が、スイッチング回路2の出力端子部T2に至る給電線L11に接続される。このとき、保護ダイオードD1は、駆動用信号線L2から給電線L11へ向かう方向を順方向として、スイッチング回路2の入力端子部T1と出力端子部T2との間に接続される。これにより、正常時に、入力端子部T1へ給電線L11の電圧(すなわち、≒電源電圧VD)が印加されることが阻止され、過電圧による内部回路の破損を防止することができる。The protective diode D1 has an anode terminal connected to the drive signal line L2 leading to the input terminal T1 of the switching circuit 2, and a cathode terminal connected to the power supply line L11 leading to the output terminal T2 of the switching circuit 2. At this time, the protective diode D1 is connected between the input terminal T1 and the output terminal T2 of the switching circuit 2, with the direction from the drive signal line L2 to the power supply line L11 being the forward direction. This prevents the voltage of the power supply line L11 (i.e., ≒ power supply voltage VD) from being applied to the input terminal T1 under normal conditions, preventing damage to the internal circuitry due to overvoltage.

また、地絡による高周波サージの発生時には、図2中に点線で示すように、負荷L(すなわち、抵抗R)を介さずに、より抵抗が低い地絡箇所(すなわち、抵抗Rs)を通り、接地端子Tgからスイッチング回路2の入力端子部T1側へ戻る地絡時電流経路が形成される。この地絡時電流経路は、駆動用信号線L2から保護ダイオードD1を経由して、スイッチング回路2の出力端子部T2側の給電線L11へ至る閉回路を形成する。 2, when a high-frequency surge occurs due to a ground fault, a current path is formed that passes through a ground fault location with lower resistance (i.e., resistor Rs) without passing through the load L (i.e., resistor R H ) and returns from the ground terminal Tg to the input terminal T1 side of the switching circuit 2. This current path forms a closed circuit that runs from the drive signal line L2, via the protective diode D1, to the power supply line L11 on the output terminal T2 side of the switching circuit 2.

このとき、給電異常検出部41は、地絡時電流経路において、保護ダイオードD1のアノード端子側に設けられる検出点P1の電位に基づいて、地絡異常を検出する。検出点P1は、保護ダイオードD1と駆動用信号線L2との間に設けられ、検出用信号線L3を介して、給電異常検出部41と接続されている。給電異常検出部41には、地絡異常の有無を判定する地絡検出回路42と、地絡異常時に駆動指示信号S1の出力を禁止する駆動禁止部43が設けられる。At this time, the power supply abnormality detection unit 41 detects a ground fault based on the potential of a detection point P1 provided on the anode terminal side of the protection diode D1 in the ground fault current path. The detection point P1 is provided between the protection diode D1 and the drive signal line L2, and is connected to the power supply abnormality detection unit 41 via the detection signal line L3. The power supply abnormality detection unit 41 is provided with a ground fault detection circuit 42 that determines whether or not a ground fault exists, and a drive prohibition unit 43 that prohibits the output of the drive instruction signal S1 when a ground fault exists.

図3に示すように、駆動制御部3から駆動用信号線L2へ出力される駆動指示信号S1に対して、地絡検出回路42には、所定のタイミングで、検出用信号線L3から検出点Pにおける電圧検出信号S2が入力される。ここで、図3中の時点T0において、駆動指示信号S1がハイレベルであるときに、給電経路L1に地絡異常が発生すると、地絡検出回路42に入力される電圧検出信号S2の電圧レベルが、保護ダイオードD1の順方向電圧Vf1まで低下する。 3, in response to a drive instruction signal S1 output from the drive control unit 3 to the drive signal line L2, a voltage detection signal S2 at a detection point P is input from the detection signal line L3 to the ground fault detection circuit 42 at a predetermined timing. Here, at time T0 in FIG. 3, when the drive instruction signal S1 is at a high level and a ground fault abnormality occurs in the power supply path L1, the voltage level of the voltage detection signal S2 input to the ground fault detection circuit 42 drops to the forward voltage Vf1 of the protection diode D1.

したがって、地絡検出回路42において、予め地絡検出のための検出閾値THを設定し、比較回路等を用いて、電圧検出信号S2が検出閾値THよりも低い電圧レベルとなったときに、地絡異常と判定するように構成することができる。地絡検出回路42における検出閾値THは、駆動指示信号S1のハイレベル電圧(例えば、5V程度)と、保護ダイオードD1の順方向電圧Vf1との間となるように設定される。 Therefore, the ground fault detection circuit 42 can be configured to set a detection threshold value TH for detecting a ground fault in advance, and to determine that a ground fault has occurred when the voltage detection signal S2 has a voltage level lower than the detection threshold value TH using a comparison circuit or the like. The detection threshold value TH in the ground fault detection circuit 42 is set to be between the high-level voltage (e.g., about 5 V) of the drive instruction signal S1 and the forward voltage Vf1 of the protection diode D1.

地絡検出回路42は、地絡異常と判定されたときに、例えば、外部の車両用制御装置(図略)へ地絡信号S0を出力し、センサSの異常を警告することができる。また、駆動禁止部43を作動させて、駆動制御部3へ駆動禁止信号S3を出力させることができる。駆動制御部3は、駆動指示信号S1の出力中(すなわち、ハイレベル)であるときに、駆動禁止信号S3が入力されると、駆動指示信号S1が出力停止(すなわち、ローレベル)となるように、あるいは、駆動指示信号S1を、駆動禁止信号S3が入力されていないときのみ出力するように構成される。When a ground fault is detected, the ground fault detection circuit 42 can output a ground fault signal S0 to an external vehicle control device (not shown) to warn of an abnormality in the sensor S. The drive inhibition unit 43 can also be activated to output a drive inhibition signal S3 to the drive control unit 3. The drive control unit 3 is configured to stop outputting the drive instruction signal S1 (i.e., low level) when the drive inhibition signal S3 is input while the drive instruction signal S1 is being output (i.e., high level), or to output the drive instruction signal S1 only when the drive inhibition signal S3 is not input.

ただし、上述したように、地絡検出回路42による検出動作に遅延が生じて、駆動指示信号S1の停止が遅れると、スイッチング素子21の過熱等の不具合が生じるおそれがある。また、図3中の時点T0において、地絡発生と共に生じる高周波サージが大きくなると、スイッチング回路2の内部回路の破損につながるおそれがある。そのために、地絡時電流経路には、保護ダイオードD1と抵抗素子R1とが配置されており、図4、図5に示したように、スイッチング素子21の駆動を速やかに停止させると共に、地絡時に発生する高周波サージの入力を制限する。その後、駆動禁止部43からの駆動禁止信号S3の出力により、スイッチング回路2の動作を確実に停止することができる。However, as mentioned above, if a delay occurs in the detection operation by the ground fault detection circuit 42 and the halt of the drive instruction signal S1 is delayed, there is a risk of malfunction such as overheating of the switching element 21. In addition, if the high-frequency surge generated with the occurrence of a ground fault becomes large at time T0 in FIG. 3, it may lead to damage to the internal circuit of the switching circuit 2. For this reason, a protection diode D1 and a resistance element R1 are arranged in the current path in the event of a ground fault, and as shown in FIG. 4 and FIG. 5, the drive of the switching element 21 is quickly stopped and the input of the high-frequency surge generated in the event of a ground fault is limited. Thereafter, the operation of the switching circuit 2 can be reliably stopped by the output of the drive prohibition signal S3 from the drive prohibition unit 43.

次に、図6~図8に示す参考形態1により、地絡検出と地絡により回路が破壊に至るメカニズムについて、説明する。図6左図に示すように、参考形態1は、本形態の基本となる回路構成を示すもので、回路保護機構4が抵抗素子R1を備えていない以外は、上記図1の負荷駆動装置1と同様であり、保護ダイオードD1を用いた給電異常検出部41を備えている。図6右図は、スイッチング回路2と制御装置5を除いて簡略化した回路であり、電源電圧VDの印加により電源ハーネスHから負荷Lへ流れる電流Ivに対して、地絡時には、地絡箇所の抵抗Rsを通る地絡電流Ishortが、接地端子Tg側から、保護ダイオードD1の順方向に流れる。なお、図6中、Vf2は、保護用ダイオードD2の順方向電圧であり、RGRDは、逆接保護用抵抗R2の抵抗値を示す。 Next, the mechanism of earth fault detection and circuit destruction due to earth fault will be described with reference to the first embodiment shown in Figures 6 to 8. As shown in the left diagram of Figure 6, the first embodiment shows a basic circuit configuration of this embodiment, and is the same as the load driving device 1 of Figure 1 except that the circuit protection mechanism 4 does not include the resistive element R1, and includes a power supply abnormality detection unit 41 using a protective diode D1. The right diagram of Figure 6 shows a simplified circuit excluding the switching circuit 2 and the control device 5. In response to the application of the power supply voltage VD, a current Iv flows from the power harness H to the load L, and in the event of an earth fault, an earth fault current I short flows from the ground terminal Tg side through the resistor Rs at the earth fault location in the forward direction of the protective diode D1. In Figure 6, Vf2 is the forward voltage of the protective diode D2, and RGRD is the resistance value of the reverse connection protection resistor R2.

ここで、スイッチング回路2の入力側に着目したとき、その電圧(すなわち、A部電圧V)は、出力側の電圧(すなわち、B部電圧V)と、保護ダイオードD1の順方向電圧Vf1を用いて、下記の式(1)で表される。
=V+Vf1・・・式(1)
地絡時には、V≒0Vとなるため、地絡時のA部電圧Vは、下記の式(2)で表され、Vf1と、ほぼ同等となる。
≒Vf1・・・式(2)
Here, when focusing on the input side of the switching circuit 2, the voltage (i.e., the A section voltage V A ) is expressed by the following equation (1) using the output side voltage (i.e., the B section voltage V B ) and the forward voltage Vf1 of the protection diode D1.
V A = V B + V f1 ...Formula (1)
In the event of a ground fault, V B ≈0 V, so the voltage V A at part A in the event of a ground fault is expressed by the following equation (2) and is approximately equal to V f1 .
V A ≒ V f1 ...Formula (2)

図7に示すように、A部電圧Vは、正常時には、駆動指示信号S1の同等の信号レベルであり、地絡が発生すると、Vf1に低下することになる。つまり、この電圧低下を、給電異常検出部41にて認識することで、地絡異常として検出できる。そのために、給電異常検出部41は、A部電圧Vを、検出点P1の電圧検出信号S2として取り込み、地絡検出閾値TH(例えば、図3参照)と比較する。地絡検出閾値THは、ハイレベルと認識する信号レベルよりも低く、Vf1よりも高い信号レベルに相当する(すなわち、Hレベル>TH>Vf1>0)。 As shown in Fig. 7, the A section voltage VA is normally at a signal level equivalent to the drive instruction signal S1, and when a ground fault occurs, it drops to Vf1 . That is, this voltage drop can be recognized by the power supply abnormality detection unit 41 and detected as a ground fault abnormality. To this end, the power supply abnormality detection unit 41 captures the A section voltage VA as a voltage detection signal S2 at the detection point P1 and compares it with a ground fault detection threshold TH (see Fig. 3, for example). The ground fault detection threshold TH corresponds to a signal level lower than the signal level recognized as a high level and higher than Vf1 (i.e., H level>TH> Vf1 >0).

ただし、地絡時に発生する高周波サージが、図7中に破線で示す回路耐圧の範囲を超えると、回路破壊が起こるおそれがある。ここで、スイッチング回路2の耐圧の上限又は下限(すなわち、破壊限界)は、一般に、駆動指示信号S1のハイレベル信号又はローレベル信号を基準として設定されており、負側のサージに対する耐圧設定は、正側よりも小さい。そのために、給電経路L1の配線長の影響で負サージが大きくなると、回路耐圧の下限値を下回り、回路部品を損傷するおそれがある。However, if the high-frequency surge generated during a ground fault exceeds the range of the circuit withstand voltage indicated by the dashed line in Figure 7, there is a risk of circuit destruction. Here, the upper or lower limit of the withstand voltage of the switching circuit 2 (i.e., the destruction limit) is generally set based on the high or low level signal of the drive instruction signal S1, and the withstand voltage setting for negative side surges is lower than that for the positive side. Therefore, if the negative surge becomes large due to the wiring length of the power supply path L1, it may fall below the lower limit of the circuit withstand voltage, damaging the circuit components.

一方、地絡発生時のA部電圧Vの最小値、すなわち、高周波サージに起因する負側のピーク値VA-peakは、電源ハーネスHの配線長X(以下、適宜、電源ハーネス長と称する)を用いて、下記の式(3)で表される。
A-peak={a/(bX+c)}+d×eX・・・式(3)
式(3)中、a、b、c、d、eは定数であり、回路構成によって定まる。式(3)は、電源ハーネス長Xが、電源ハーネスHの抵抗Rv、インダクタンスLvと比例関係にあるものとして(すなわち、X∝Rv∝Lv)、下記のB部電圧Vの算出式(31)に基づいて算出される。
=VB-DC+VB-AC・・・式(31)
式(31)中、VB-DCは、Vの直流成分であり、VB-ACは、Vの交流成分である。
この詳細については、後述する。
On the other hand, the minimum value of the A part voltage V A when a ground fault occurs, i.e., the negative peak value V A-peak caused by a high-frequency surge, is expressed by the following equation (3) using the wiring length X of the power harness H (hereinafter, appropriately referred to as the power harness length).
V A-peak = {a/(bX+c)}+d×eX...Formula (3)
In formula (3), a, b, c, d, and e are constants determined by the circuit configuration. Formula (3) is calculated based on the following formula (31) for calculating the B section voltage VB , assuming that the power harness length X is proportional to the resistance Rv and inductance Lv of the power harness H (i.e., X∝Rv∝Lv).
V B = V B-DC + V B-AC ...Formula (31)
In equation (31), V B-DC is the DC component of V B , and V B-AC is the AC component of V B.
Details of this will be provided later.

図8は、上記の式(3)に基づいて、電源ハーネス長X(単位:mm)とピーク値VA-peak(単位:V)の関係を示したものであり、電源ハーネス長Xが0mmから長くなるほど、ピーク値VA-peakが低下して、耐圧破壊領域に至るおそれが高くなる。この傾向は、電源ハーネス長Xが10000mm超となるまで続き(すなわち、領域X1)、その後、ほぼ一定範囲に収束する(すなわち、領域X2)。そのため、電源ハーネス長Xが比較的長くなる大型車や商用車において、地絡による回路破壊を確実に防止するための対策が必要となっている。 8 shows the relationship between the power harness length X (unit: mm) and the peak value V A-peak (unit: V) based on the above formula (3), and as the power harness length X becomes longer from 0 mm, the peak value V A-peak decreases and the risk of reaching the voltage breakdown region increases. This tendency continues until the power harness length X exceeds 10,000 mm (i.e., region X1), and then converges to a substantially constant range (i.e., region X2). For this reason, measures are needed to reliably prevent circuit breakdown due to ground faults in large vehicles and commercial vehicles in which the power harness length X is relatively long.

そこで、本形態では、回路保護機構4の給電異常検出部41に加えて、地絡時電流経路に抵抗素子R1を配置して、高周波サージがA部電圧Vに与える影響を低減する。図9は、抵抗素子R1(例えば、抵抗値R)を追加した本形態の構成を示す等価回路図であり、A部電圧V’は、下記の式(41)で表される。
V’=V+Vf1+R×Ishort・・・式(41)
ここで、上記の式(1)より、V=V+Vf1であるから、上記の式(41)は、下記の式(42)で表すことができる。
V’=V+R×Ishort・・・式(42)
したがって、A部電圧V’のピーク値V’A-peakは、上記の式(3)を考慮したとき、下記の式(4)で表される。
V’A-peak=VA-peak+R×Ishort
={a/(bX+c)}+d×eX+R×Ishort・・・式(4)
Therefore, in this embodiment, in addition to the power supply abnormality detection unit 41 of the circuit protection mechanism 4, a resistive element R1 is arranged in the current path in the event of a ground fault to reduce the effect of the high-frequency surge on the A part voltage V'A . Fig. 9 is an equivalent circuit diagram showing the configuration of this embodiment with the addition of a resistive element R1 (e.g., resistance value R), and the A part voltage V'A is expressed by the following equation (41).
V' A = V B + V f1 + R×I short ...Formula (41)
Here, from the above formula (1), V A =V B +V f1 , and therefore the above formula (41) can be expressed by the following formula (42).
V' A = V A + R×I short ...Formula (42)
Therefore, when the above formula (3) is taken into consideration, the peak value V'A-peak of the A-section voltage V'A is expressed by the following formula (4).
V' A-peak = V A-peak +R×I short
= {a/(bX+c)}+d×eX+R×I short ...Formula (4)

これにより、図10に示すように、ピーク値V’A-peakを含むA部電圧V’の全体を、R×Ishortに相当する電圧分上昇させ、回路耐圧の範囲内とすることが可能になる。つまり、抵抗素子R1の追加によって、A部電圧V’を、追加前のA部電圧Vに対して、正の方向にオフセットさせる効果を生み出し、ピーク値V’A-peakが回路耐圧の下限値を下回らない設定とすることが可能になる。 10, it is possible to raise the entire A section voltage V'A , including the peak value V'A-peak , by an amount equivalent to R× Ishort , and bring it within the range of the circuit withstand voltage. In other words, the addition of resistance element R1 has the effect of offsetting the A section voltage V'A in the positive direction with respect to the A section voltage V'A before the addition, making it possible to set the peak value V'A-peak so that it does not fall below the lower limit of the circuit withstand voltage.

図11は、上記の式(4)に基づいて、電源ハーネス長X(単位:mm)とピーク値VA-peak(単位:V)の関係を、上述の図8に示した関係と比較して示したものである。図11中に拡大して示すように、電源ハーネス長Xとピーク値VA-peakとの関係は、図8と同様の傾向を示すものの、全体に正の方向へ大きくオフセットしている。そのため、ピーク値VA-peakの大きさが、全体に大きく低減し、電源ハーネスHの長さによらず、破壊限界領域に達することを防止可能となる。 Fig. 11 shows the relationship between the power harness length X (unit: mm) and the peak value V A-peak (unit: V) based on the above formula (4), in comparison with the relationship shown in Fig. 8 above. As shown enlarged in Fig. 11, the relationship between the power harness length X and the peak value V A-peak shows a similar trend to Fig. 8, but is largely offset in the positive direction overall. Therefore, the magnitude of the peak value V A-peak is greatly reduced overall, making it possible to prevent the breakdown limit region from being reached, regardless of the length of the power harness H.

図12に、スイッチング回路2の入力側に抵抗素子R1を配置し、その抵抗値R(単位:kΩ)を変化させた場合のシミュレーション結果を、一例として示す。スイッチング回路2のドライバ部22に設定されている破壊電圧(例えば、下限値:-0.3V)に対して、抵抗値Rは、下記の式(5)を解くことで決定することができる。
V’A-peak≧Vbreak・・・式(5)
式(4)中、Vbreakは、ドライバ破壊電圧であり、V’A-peakは、上記の式(4)で表される電源ハーネス長Xと抵抗値Rの関数である。
12 shows an example of a simulation result in which a resistive element R1 is placed on the input side of the switching circuit 2 and its resistance value R (unit: kΩ) is changed. For a breakdown voltage (e.g., lower limit: −0.3 V) set in the driver unit 22 of the switching circuit 2, the resistance value R can be determined by solving the following equation (5).
V' A-peak ≧V break ...Formula (5)
In equation (4), V break is the driver breakdown voltage, and V′ A-peak is a function of the power harness length X and resistance value R expressed by equation (4) above.

上述した図8の結果から、抵抗素子R1を有しない回路構成では、電源ハーネス長Xが30000mmであるときに、A部電圧Vのピーク値VA-peakが最小となる。そこで、図12には、上記の式(4)における電源ハーネス長Xを30000mmとして、抵抗値Rを変化させたときのA部電圧Vとの関係を示した。図示されるように、抵抗値Rが大きくなるほど、A部電圧Vが上昇しており、抵抗値Rが30kΩ以上となるように設定すれば、上記の式(5)が成立することがわかる。 From the results of Fig. 8 described above, in a circuit configuration that does not have resistive element R1, the peak value VA-peak of the A part voltage VA is minimum when the power harness length X is 30,000 mm. Fig. 12 shows the relationship between the A part voltage VA and the resistance value R when the power harness length X in the above formula (4) is set to 30,000 mm. As shown in the figure, the A part voltage VA increases as the resistance value R increases, and it can be seen that if the resistance value R is set to 30 kΩ or more, the above formula (5) is established.

なお、上記の式(3)は、以下のようにして算出される。上記図9の等価回路において、上記の式(31)に示したように、B部電圧Vは、DC成分(VB-DC)とAC成分(VB-AC)の和で表せる。このうち、DC成分(VB-DC)は、電源ハーネスHの抵抗Rvと、並列接続された負荷Lの抵抗R及び地絡箇所の抵抗Rs(すなわち、R//R)とで、分圧された値として、下記の式(32)で表される。
B-DC=V×{R・R/(R・R+R・R+R・R)}・・・式(32)
この式(32)を、定数A、B、Cを用いて変形すると、下記の式(33)にて表すことができる。
B-DC=A/(BR+C)・・・式(33)
A:V・R・RS
B:R+R
C:R・R
The above formula (3) is calculated as follows. In the equivalent circuit of Fig. 9, the B section voltage VB can be expressed as the sum of a DC component ( VB-DC ) and an AC component ( VB-AC ) as shown in the above formula (31). Of these, the DC component ( VB-DC ) is expressed by the following formula (32) as a voltage divided by the resistance Rv of the power harness H , the resistance RH of the parallel-connected load L, and the resistance Rs of the ground fault location (i.e., RH // Rs ).
V B-DC = V D ×{R H・R S / (R H・R S +R V・R S +R V・R H )}...Formula (32)
When this equation (32) is transformed using constants A, B, and C, it can be expressed as the following equation (33).
V B-DC = A/(BR V + C)...Formula (33)
A: V D・R H・R S
B: R H + R S
C: R H R S

一方、AC成分(VB-AC)は、電源ハーネスHのインダクタンスLvによる起電力に比例するため、下記の式(34)で表される。
B-AC∝Lv×(dIv/dt)・・・式(34)
ここで、電流Ivは、下記の式(35)で表されるため、上記の式(34)へ代入して、下記の式(36)のように変形することができる。
Iv=V×{(R+R)/(R・R+R・R+R・R)}・・・式(35)
B-AC∝Lv/R=D×(Lv/R)・・・式(36)
D:比例定数
On the other hand, the AC component (V B-AC ) is proportional to the electromotive force due to the inductance Lv of the power harness H, and is therefore expressed by the following equation (34).
V B-AC ∝Lv×(dIv/dt)...Formula (34)
Here, the current Iv is expressed by the following equation (35), which can be substituted into the above equation (34) to transform it into the following equation (36).
Iv=V D × {(R H +R S )/(R V・R H +R V・R S +R H・R S )}...Formula (35)
V B-AC ∝Lv/R V =D×(Lv/R V )...Formula (36)
D: Proportional constant

A部電圧Vを表す上記の式(1)と、B部電圧Vを表す上記の式(31)、式(33)及び式(36)をまとめると、下記の式(37)のように表される。
={A/(BR+C)}+Vf1+D×(Lv/R)・・・式(37)
このうち、右辺の第1項は、DC変動項であり、第2項は、定数項であり、第3項は、AC変動項である。上述したように、電源ハーネス長Xと抵抗RとインダクタンスLが比例関係にあることから、この式(37)を、Xを用いて変形することができる。すなわち、X∝R∝Lとすると、以下のようになり、上述した式(3)として表すことができる。
A-peak={a/(bX+c)}+d×eX・・・式(3)
The above formula (1) representing the A section voltage V A and the above formulas (31), (33), and (36) representing the B section voltage V B can be put together to obtain the following formula (37).
V A = {A/(BR V +C)}+V f1 +D×(Lv/R V )...Formula (37)
Of these, the first term on the right side is a DC fluctuation term, the second term is a constant term, and the third term is an AC fluctuation term. As described above, the power harness length X, the resistance R V, and the inductance L V are proportional to each other, so this equation (37) can be modified using X. In other words, if X ∝ R V ∝ L V , then we get the following, which can be expressed as the above-mentioned equation (3).
V A-peak = {a/(bX+c)}+d×eX...Formula (3)

このように、本形態の構成によれば、回路保護機構4が抵抗素子R1を備えることにより、地絡時にスイッチング回路2に入力する信号レベルを、回路の設定耐圧範囲に維持できる。これにより、高周波サージによる回路破壊を防止しながら、ドライバ部22へ入力される信号レベルを速やかに低下させて、スイッチング素子21をオフすることができる。したがって、保護ダイオードD1を用いた給電異常検出部41による地絡検出と、抵抗素子R1による地絡保護とを組み合わせて、スイッチング回路2の確実な保護が可能になる。 In this manner, according to the configuration of this embodiment, the circuit protection mechanism 4 includes the resistive element R1, so that the signal level input to the switching circuit 2 in the event of a ground fault can be maintained within the set voltage resistance range of the circuit. This makes it possible to quickly reduce the signal level input to the driver unit 22 and turn off the switching element 21 while preventing circuit destruction due to a high frequency surge. Therefore, by combining ground fault detection by the power supply abnormality detection unit 41 using the protective diode D1 and ground fault protection by the resistive element R1, it is possible to reliably protect the switching circuit 2.

(実施形態2)
負荷駆動装置に係る実施形態2について、図13~図16を参照して説明する。
図13に示すように、本形態の負荷駆動装置1は、回路保護機構4において、入力端子部T1と保護ダイオードD1の間に接続される地絡保護素子40として、実施形態1における抵抗素子R1に代えて、コンデンサ素子C1を用いている。負荷駆動装置1の基本構成は、上記実施形態1と同様であり、以下、相違点を中心に説明する。
なお、実施形態2以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。
(Embodiment 2)
A second embodiment of the load driving device will be described with reference to FIGS.
13, the load driving device 1 of this embodiment uses a capacitor element C1 instead of the resistor element R1 in the first embodiment as the ground fault protection element 40 connected between the input terminal T1 and the protection diode D1 in the circuit protection mechanism 4. The basic configuration of the load driving device 1 is the same as that of the first embodiment, and the following description will focus on the differences.
In addition, among the symbols used in the second and subsequent embodiments, the same symbols as those used in the previous embodiments represent the same components, etc. as those in the previous embodiments, unless otherwise specified.

本形態においても、負荷駆動装置1は、給電経路L1を開閉するスイッチング回路2を、制御装置5の駆動制御部3からの駆動指示により駆動する際に、スイッチング回路2を保護する回路保護機構4を備える。回路保護機構4は、地絡時電流経路を形成する保護ダイオードD1と、保護ダイオードD1を用いた給電異常検出部41により、地絡検出を行い、地絡保護素子40としてのコンデンサ素子C1を用いて、地絡異常時にスイッチング回路2を保護する。コンデンサ素子C1は、例えば、所定のコンデンサ容量値Cとなるように集積化されたチップコンデンサとして構成することができる。In this embodiment, the load driving device 1 also includes a circuit protection mechanism 4 that protects the switching circuit 2 that opens and closes the power supply path L1 when the switching circuit 2 is driven by a drive command from the drive control unit 3 of the control device 5. The circuit protection mechanism 4 detects a ground fault using a protection diode D1 that forms a current path in the event of a ground fault and a power supply abnormality detection unit 41 that uses the protection diode D1, and protects the switching circuit 2 in the event of a ground fault abnormality using a capacitor element C1 as a ground fault protection element 40. The capacitor element C1 can be configured, for example, as a chip capacitor integrated to have a predetermined capacitor capacitance value C.

コンデンサ素子C1の両端子は、一方の端子側が、入力端子部T1と駆動制御部3との間の駆動用信号線L2に接続され、他方の端子側が、逆接保護用抵抗R2と接地端子Tgとの間の接地線L4に接続される。コンデンサ素子C1と駆動用信号線L2との接続点P2には、検出点P1を介して、保護ダイオードD1が接続される。すなわち、地絡保護素子40であるコンデンサ素子C1が、接地端子Tgから入力端子部T1を経て保護ダイオードD1へ至る地絡時電流経路に並列に接続されて、地絡時に発生するサージ電流を吸収することが可能になる。このような構成によっても、駆動指示信号S1の変動を抑制し、信号レベルの低下を制限して、地絡異常時にスイッチング回路2を速やかに保護することができる。One of the terminals of the capacitor element C1 is connected to the drive signal line L2 between the input terminal T1 and the drive control unit 3, and the other terminal is connected to the ground line L4 between the reverse connection protection resistor R2 and the ground terminal Tg. A protection diode D1 is connected to the connection point P2 between the capacitor element C1 and the drive signal line L2 via the detection point P1. That is, the capacitor element C1, which is the ground fault protection element 40, is connected in parallel to the ground fault current path from the ground terminal Tg through the input terminal T1 to the protection diode D1, making it possible to absorb the surge current generated in the event of a ground fault. Even with this configuration, it is possible to suppress the fluctuation of the drive instruction signal S1, limit the decrease in the signal level, and quickly protect the switching circuit 2 in the event of a ground fault abnormality.

このように、地絡保護素子40は、入力端子部T1と保護ダイオードD1との間に接続されて、入力端子部T1へ入力される駆動指示信号S1の下限レベルが、スイッチング回路2の許容限界を超えて低下しないように動作するものであればよい。コンデンサ素子C1を用いることにより、駆動指示信号S1の信号レベルが負側へ大きく変化することが抑制され、信号レベルの最小値へ向けて緩やかに低下する特性とすることができる。In this way, the ground fault protection element 40 is connected between the input terminal T1 and the protection diode D1, and operates so that the lower limit level of the drive instruction signal S1 input to the input terminal T1 does not fall below the allowable limit of the switching circuit 2. By using the capacitor element C1, the signal level of the drive instruction signal S1 is prevented from changing significantly to the negative side, and the signal level can be gradually decreased toward the minimum value.

図14に示す等価回路図は、上記図6に示した本形態の基本回路にコンデンサ素子C1(例えば、コンデンサ容量値C)を追加した構成であり、上記図6におけるA部電圧Vに対して、A部電圧V”は、下記の式(6)で表される。
V”=V×E×(1-exp(-F/C))+H・・・式(6)
式(6)中、E、F、Hは定数であり、回路構成に応じてよって定まる。
したがって、A部電圧Vの最小値であるピーク値VA-peakは、上記の式(3)を考慮すると、下記の式(7)で表される。
V” A-peak=VA-peak×E×(1-exp(-F/C))+H・・・式(7)
=[{a/(bX+c)}+d×eX]×E×(1-exp(-F/C))+H・・・式(7)
上記の式(6)の詳細は、後述する。
The equivalent circuit diagram shown in FIG. 14 has a configuration in which a capacitor element C1 (for example, a capacitor with a capacitance value C) is added to the basic circuit of this embodiment shown in FIG. 6 , and the A part voltage V″ A is expressed by the following equation (6) with respect to the A part voltage V A in FIG. 6 .
V" A = V A × E × (1-exp (-F/C)) + H...Formula (6)
In equation (6), E, F, and H are constants that are determined depending on the circuit configuration.
Therefore, taking into consideration the above formula (3), the peak value V A-peak , which is the minimum value of the A-section voltage V A, is expressed by the following formula (7).
V” A-peak = V A-peak ×E×(1-exp(-F/C))+H...Formula (7)
= [{a/(bX+c)}+d×eX]×E×(1-exp(-F/C))+H...Formula (7)
The above formula (6) will be described in detail later.

図15に、本形態におけるA部電圧V”の地絡発生時の波形を、上記実施形態1及び上記参考形態1における波形と比較して示す。図15の最上段は、保護ダイオードD1及び地絡保護素子40(すなわち、抵抗素子R1又はコンデンサ素子C1)を有しない比較形態である。その場合には、A部電圧は、B部電圧と同等波形となり、スイッチング回路2にB部電圧が印加されて上限側の破壊限界を超えるおそれがある。また、地絡時の高周波サージにより、下限側の破壊限界を超えるおそれがある。これに対し、保護ダイオードD1が追加された参考形態1は、A部に印加される電圧が制限され、実施形態1は、さらに抵抗素子R1が追加されて、高周波サージを消費し、A部電圧は破壊限界を超えない範囲に維持される。 FIG. 15 shows the waveform of the A part voltage V″ A in this embodiment when a ground fault occurs, in comparison with the waveforms in the above-mentioned Embodiment 1 and Reference Form 1. The top row of FIG. 15 shows a comparative embodiment that does not have the protection diode D1 and the ground fault protection element 40 (i.e., the resistance element R1 or the capacitor element C1). In that case, the A part voltage has an equivalent waveform to the B part voltage, and the B part voltage is applied to the switching circuit 2, which may exceed the upper breakdown limit. In addition, a high-frequency surge in the event of a ground fault may cause the lower breakdown limit to be exceeded. In contrast, in Reference Form 1 in which the protection diode D1 is added, the voltage applied to A is limited, and in Embodiment 1, the resistance element R1 is further added to consume the high-frequency surge, and the A part voltage is maintained within a range that does not exceed the breakdown limit.

また、図15の最下段に示すように、本形態におけるA部電圧は、コンデンサ素子Cが並列に接続されていることで、地絡電流経路を流れるサージが吸収され、スイッチング回路2の入力側における電圧変動が抑制される。これにより、A部電圧は、スイッチング素子21がオンとなる信号レベル(ハイレベル電圧)から、スイッチング素子21がオフとなる信号レベル(ローレベル電圧)へ、緩やかに低下する。これにより、A部電圧は破壊限界を超えない範囲に維持される。 Also, as shown in the bottom row of Figure 15, in this embodiment, the A part voltage is absorbed by the parallel connection of capacitor element C, which absorbs the surge flowing through the ground fault current path, suppressing voltage fluctuations on the input side of switching circuit 2. As a result, the A part voltage gradually drops from the signal level (high level voltage) at which switching element 21 is turned on to the signal level (low level voltage) at which switching element 21 is turned off. This keeps the A part voltage within a range that does not exceed the breakdown limit.

図16は、上記の式(7)に基づいて、電源ハーネス長X(単位:mm)とピーク値VA-peak(単位:V)の関係を、上述の図8に示した関係と比較して示したものである。この場合も、コンデンサ素子C1の追加によって、ピーク値VA-peakが全体に正の方向へ大きくオフセットしている。そのために、ピーク値VA-peakの低下が抑制され、電源ハーネスHの長さによらず、破壊限界領域に達することを抑制可能となる。 16 shows the relationship between the power harness length X (unit: mm) and the peak value V A-peak (unit: V) based on the above formula (7), in comparison with the relationship shown in the above-mentioned FIG 8. In this case too, the peak value V A-peak is largely offset overall in the positive direction by the addition of capacitor element C1. This prevents the peak value V A-peak from decreasing, making it possible to prevent the breakdown limit region from being reached, regardless of the length of the power harness H.

図17に、スイッチング回路2の入力側と接地端子Tgの間に、コンデンサ素子C1を並列接続し、コンデンサ容量値C(単位:μF)を変化させた場合のシミュレーション結果を、一例として示す。スイッチング回路2のドライバ部22の破壊電圧(例えば、下限値:-0.3V)に対して、コンデンサ容量値Cは、上記実施形態1と同様に、下記の式(5)を解くことで決定することができる。
V’A-peak≧Vbreak・・・式(5)
17 shows an example of a simulation result in which a capacitor element C1 is connected in parallel between the input side of the switching circuit 2 and the ground terminal Tg, and the capacitor capacitance value C (unit: μF) is changed. For a breakdown voltage (e.g., lower limit: −0.3 V) of the driver unit 22 of the switching circuit 2, the capacitor capacitance value C can be determined by solving the following equation (5), as in the first embodiment.
V' A-peak ≧V break ...Formula (5)

上記実施形態1と同様に、図17には、電源ハーネス長Xを30000mmとして、コンデンサ容量値Cを変化させたときのA部電圧Vとの関係を示した。図示されるように、コンデンサ容量値Cが大きくなるほど、A部電圧Vが上昇しており、コンデンサ容量値Cが13μF以上となるように設定すれば、上記の式(5)が成立することがわかる。 As in the first embodiment, Fig. 17 shows the relationship between the A part voltage V A and the capacitor capacitance value C when the power harness length X is set to 30,000 mm. As shown in the figure, the A part voltage V A increases as the capacitor capacitance value C increases, and it can be seen that if the capacitor capacitance value C is set to 13 µF or more, the above formula (5) is established.

なお、上記の式(6)は、以下のようにして算出される。コンデンサ素子C1を追加したときのA部電圧V”は、下記の式(61)、(62)で表される。
V”=-RGRD×Ig-Vf2・・・式(61)
V”=-(1/C)∫(Icdt)・・・式(62)
また、地絡電流Ishortは、下記の式(63)で表される。
short=I+I=V/Rs・・・式(63)
式(61)~(63)中、Iは、逆接保護用抵抗R2を流れる電流、Iは、コンデンサ素子C1を流れる電流である。
The above formula (6) is calculated as follows. The A section voltage V″ A when the capacitor element C1 is added is expressed by the following formulas (61) and (62).
V” A =-R GRD ×Ig-V f2 ...Formula (61)
V” A =-(1/C)∫(Icdt)...Formula (62)
Moreover, the ground fault current I short is expressed by the following equation (63).
I short = I G + I C = V B /Rs...Formula (63)
In equations (61) to (63), I G is the current flowing through the reverse connection protection resistor R2, and I C is the current flowing through the capacitor element C1.

上記の式(61)~(63)より、地絡電流Ishortは、Vf2を無視すると、下記の式(64)で表される。
short=-{(V”+Vf2)/RGRD}-C(dV”/dt)
=-(V”/RGRD)-C(dV”/dt)・・・式(64)
上記の式(64)は一階の微分方程式であるため、これを解くと、下記の式(65)となる。
V”=RGRD×Ishort×[1-exp{-t/(RGRD・C)}]・・・式(65)
この式(65)を、上記の式(63)を用いて変形すると、下記の式(66)となる。
V”=(RGRD/Rs)×V×[1-exp{-t/(RGRD・C)}]・・・式(66)
From the above equations (61) to (63), the ground fault current I short is expressed by the following equation (64) when Vf2 is ignored.
I short =-{(V” A +V f2 )/R GRD }-C(dV” A /dt)
=-(V" A /R GRD )-C(dV" A /dt)...Formula (64)
Since the above equation (64) is a first-order differential equation, solving this equation gives the following equation (65).
V" A = R GRD × Ishort × [1-exp{-t/(R GRD・C)}]...Formula (65)
When this equation (65) is transformed using the above equation (63), the following equation (66) is obtained.
V” A = (R GRD /Rs) × V B × [1-exp{-t/(R GRD・C)}]...Formula (66)

さらに、上記の式(66)と、上記の式(1)とから、下記の式(67)が導出される。
V”=(RGRD/Rs)×(V+Vf1)×[1-exp{-t/(RGRD・C)}]
=V×(RGRD/Rs)+[1-exp{-t/(RGRD・C)}]-Vf1×(RGRD/Rs)×[1-exp{-t/(RGRD・C)}]・・・式(67)
この式(67)において、
E=(RGRD/Rs)
F={-t/(RGRD・C)}]
H=Vf1×(RGRD/Rs)×[1-exp{-t/(RGRD・C)}]
とすると、以下のようになり、上述した式(6)として表すことができる。
V”=V×E×(1-exp(-F/C))+H・・・式(6)
Furthermore, the following equation (67) is derived from the above equation (66) and the above equation (1).
V” A = (R GRD /Rs) × (V A +V f1 ) × [1-exp{-t/(R GRD・C)}]
=V A × (R GRD /Rs) + [1-exp{-t/(R GRD・C)}]-V f1 × (R GRD /Rs)×[1-exp{-t/(R GRD・C)}]...Formula (67)
In this formula (67),
E = (R GRD /Rs)
F={-t/(R GRD・C)}]
H=V f1 × (R GRD /Rs) × [1-exp{-t/(R GRD・C)}]
Then, the following is obtained, which can be expressed as the above-mentioned equation (6).
V" A = V A × E × (1-exp (-F/C)) + H...Formula (6)

本形態の構成によっても、回路保護機構4がコンデンサ素子C1を備えることにより、上記実施形態1と同様の効果が得られる。すなわち、地絡時にスイッチング回路2に入力する信号レベルを、高周波サージによる回路破壊を防止しながら、速やかに低下させて、スイッチング素子21をオフすることができ、スイッチング回路2の確実な保護が可能になる。With the configuration of this embodiment, the circuit protection mechanism 4 includes the capacitor element C1, and thus the same effect as in the first embodiment can be obtained. That is, the signal level input to the switching circuit 2 during a ground fault can be quickly reduced to turn off the switching element 21 while preventing circuit destruction due to a high-frequency surge, thereby ensuring protection of the switching circuit 2.

本開示は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。例えば、負荷駆動装置1が適用される車載用のセンサSは、車両用の排ガス処理装置に搭載されて排ガス中に含まれる各種成分を検出するものであればよく、NOxセンサ等のガスセンサの他、粒子状物質を検出するPMセンサ等が挙げられる。車両用のセンサに設けられるヒータ部に限らない負荷装置に適用することもできる。また、電圧駆動型のスイッチング素子として、MOSFETを例示したが、MOSFET以外の半導体パワー素子、例えば、IGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)等を用いることもできる。The present disclosure is not limited to the above-mentioned embodiments, and can be applied to various embodiments within the scope of the present disclosure. For example, the on-board sensor S to which the load driving device 1 is applied may be mounted in an exhaust gas treatment device for a vehicle to detect various components contained in the exhaust gas, and may be a gas sensor such as a NOx sensor, or a PM sensor for detecting particulate matter. It may also be applied to a load device that is not limited to a heater portion provided in a sensor for a vehicle. In addition, although a MOSFET is exemplified as a voltage-driven switching element, a semiconductor power element other than a MOSFET, such as an IGBT (insulated gate bipolar transistor), may also be used.

本開示は、実施形態に準拠して記述されたが、本開示は当該実施形態や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。Although the present disclosure has been described with reference to an embodiment, it is understood that the present disclosure is not limited to the embodiment or structure. The present disclosure also encompasses various modifications and modifications within the scope of equivalents. In addition, various combinations and forms, as well as other combinations and forms including only one element, more than one element, or less than one element, are also within the scope and spirit of the present disclosure.

Claims (10)

電源(B)から負荷(L)への給電経路(L1)を開閉するスイッチング回路(2)と、上記スイッチング回路の駆動を制御する駆動制御部(3)と、給電異常時に上記スイッチング回路を保護する回路保護機構(4)と、を備える負荷駆動装置(1)であって、
上記スイッチング回路は、
電圧駆動型のスイッチング素子(21)と、
上記駆動制御部からの駆動指示信号(S1)が入力される入力端子部(T1)と、
上記給電経路となる給電線(L11)を介して上記負荷が接続される出力端子部(T2)と、を有し、
上記回路保護機構は、
上記入力端子部側にアノード端子が接続され、上記出力端子部側にカソード端子が接続される保護ダイオード(D1)と、
上記入力端子部と上記保護ダイオードとの間に設けられる検出点(P1)の電圧検出信号(S2)に基づいて、上記給電経路の地絡異常を検出する給電異常検出部(41)と、
上記入力端子部と上記保護ダイオードとの間に接続され、地絡異常時に、上記スイッチング回路へ入力される上記駆動指示信号の下限レベルを制限する地絡保護素子(40)と、を有している、負荷駆動装置。
A load driving device (1) including a switching circuit (2) that opens and closes a power supply path (L1) from a power source (B) to a load (L), a drive control unit (3) that controls the driving of the switching circuit, and a circuit protection mechanism (4) that protects the switching circuit in the event of a power supply abnormality,
The switching circuit is
A voltage-driven switching element (21);
an input terminal unit (T1) to which a drive instruction signal (S1) from the drive control unit is input;
an output terminal unit (T2) to which the load is connected via a power supply line (L11) that serves as the power supply path;
The circuit protection mechanism is as follows:
a protection diode (D1) having an anode terminal connected to the input terminal section and a cathode terminal connected to the output terminal section;
a power supply abnormality detection unit (41) for detecting a ground fault abnormality in the power supply path based on a voltage detection signal (S2) at a detection point (P1) provided between the input terminal unit and the protection diode;
a ground fault protection element (40) connected between the input terminal portion and the protection diode, for limiting a lower limit level of the drive instruction signal input to the switching circuit in the event of a ground fault abnormality.
上記スイッチング回路は、上記給電経路となる電源ハーネス(H)を介して上記電源に接続される電源端子部(TB)と、上記出力端子部との間に上記スイッチング素子が直列に接続されており、上記入力端子部と上記スイッチング素子のゲート端子との間に、上記スイッチング素子を駆動するゲートドライバ部(22)が接続されている、請求項1に記載の負荷駆動装置。 The load driving device according to claim 1, wherein the switching circuit is connected in series between a power supply terminal section (TB) connected to the power supply via a power supply harness (H) serving as the power supply path and the output terminal section, and a gate driver section (22) for driving the switching element is connected between the input terminal section and the gate terminal of the switching element. 上記駆動制御部は、上記入力端子部と駆動用信号線(L2)を介して接続され、二値電圧信号である上記駆動指示信号を、上記スイッチング回路へ出力する、請求項1又は2に記載の負荷駆動装置。 The load driving device according to claim 1 or 2, wherein the drive control unit is connected to the input terminal unit via a drive signal line (L2) and outputs the drive instruction signal, which is a binary voltage signal, to the switching circuit. 上記地絡保護素子は、地絡異常時に上記入力端子部に入力する電圧信号の最小値が、上記スイッチング回路の設定耐圧を下回らないように動作する、請求項3に記載の負荷駆動装置。 The load driving device according to claim 3, wherein the ground fault protection element operates so that the minimum value of the voltage signal input to the input terminal section during a ground fault abnormality does not fall below the set withstand voltage of the switching circuit. 上記地絡保護素子は、上記入力端子部と上記保護ダイオードとの間に直列接続される抵抗素子(R1)である、請求項1~3のいずれか1項に記載の負荷駆動装置。 The load driver according to any one of claims 1 to 3, wherein the ground fault protection element is a resistive element (R1) connected in series between the input terminal and the protection diode. 上記抵抗素子の抵抗値は、30kΩ以上に設定される、請求項5に記載の負荷駆動装置。 The load driver according to claim 5, wherein the resistance value of the resistor element is set to 30 kΩ or more. 電源(B)から負荷(L)への給電経路(L1)を開閉するスイッチング回路(2)と、上記スイッチング回路の駆動を制御する駆動制御部(3)と、給電異常時に上記スイッチング回路を保護する回路保護機構(4)と、を備える負荷駆動装置(1)であって、
上記スイッチング回路は、
電圧駆動型のスイッチング素子(21)と、
上記駆動制御部からの駆動指示信号(S1)が入力される入力端子部(T1)と、
上記給電経路となる給電線(L11)を介して上記負荷が接続される出力端子部(T2)と、を有し、
上記回路保護機構は、
上記入力端子部側にアノード端子が接続され、上記出力端子部側にカソード端子が接続される保護ダイオード(D1)と、
上記入力端子部と上記保護ダイオードとの間に設けられる検出点(P1)の電圧検出信号(S2)に基づいて、上記給電経路の地絡異常を検出する給電異常検出部(41)と、
地絡異常時に、上記スイッチング回路へ入力される上記駆動指示信号の下限レベルを制限する地絡保護素子(40)と、を有しており、
上記地絡保護素子は、上記入力端子部と上記保護ダイオードとの間に、両端子の一方が接続され、両端子の他方が接地されるコンデンサ素子(C1)である負荷駆動装置。
A load driving device (1) including a switching circuit (2) that opens and closes a power supply path (L1) from a power source (B) to a load (L), a drive control unit (3) that controls the driving of the switching circuit, and a circuit protection mechanism (4) that protects the switching circuit in the event of a power supply abnormality,
The switching circuit is
A voltage-driven switching element (21);
an input terminal unit (T1) to which a drive instruction signal (S1) from the drive control unit is input;
an output terminal unit (T2) to which the load is connected via a power supply line (L11) that serves as the power supply path;
The circuit protection mechanism is as follows:
a protection diode (D1) having an anode terminal connected to the input terminal section and a cathode terminal connected to the output terminal section;
a power supply abnormality detection unit (41) for detecting a ground fault abnormality in the power supply path based on a voltage detection signal (S2) at a detection point (P1) provided between the input terminal unit and the protection diode;
a ground fault protection element (40) that limits a lower limit level of the drive instruction signal input to the switching circuit when a ground fault occurs;
The load driving device , wherein the earth fault protection element is a capacitor element (C1) having one terminal connected between the input terminal portion and the protection diode and the other terminal grounded.
上記コンデンサ素子のコンデンサ容量値は、13μF以上に設定される、請求項7に記載の負荷駆動装置。 The load driver of claim 7, wherein the capacitance value of the capacitor element is set to 13 μF or more. 上記給電異常検出部は、上記電圧検出信号を地絡検出閾値(TH)と比較して地絡異常の有無を判定する地絡検出回路(42)と、地絡異常時に、上記駆動制御部へ上記駆動指示信号の出力を禁止する駆動禁止信号(S3)を出力する駆動禁止部(43)と、を有する。請求項1~8のいずれか1項に記載の負荷駆動装置。 The power supply abnormality detection unit includes a ground fault detection circuit (42) that compares the voltage detection signal with a ground fault detection threshold (TH) to determine the presence or absence of a ground fault abnormality, and a drive prohibition unit (43) that outputs a drive prohibition signal (S3) that prohibits the output of the drive instruction signal to the drive control unit when a ground fault abnormality occurs. The load drive device according to any one of claims 1 to 8. 上記負荷は、車載用のセンサ(S)に設けられるヒータ部である請求項1~9のいずれか1項に記載の負荷駆動装置。 10. The load driving device according to claim 1 , wherein the load is a heater section provided in an on-vehicle sensor (S).
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