ヘッドランプやブレーキランプ、ファン、ソレノイドなど、現代の自動車では半導体スイッチによって制御される数十もの電気負荷が搭載されています。こうした負荷のいずれかが気付かれないまま切り離されると、深刻な結果を招く可能性があります。オープン負荷検出は、このような故障が安全上の問題となる前に検知できる技術です。

インフィニオンの車載用スマート パワー スイッチ製品ファミリーでは、オープン負荷検出では手動の診断作業はありません。内蔵され、自律的に動作し、車載要件にも準拠しているため、最初からすぐに使用できます。

オープン負荷状態とは何ですか？

オープン負荷状態は、負荷が電源から切り離されたときに発生します。通常、車載システムではバッテリー電圧 (VBAT) です。回路が断線すると、電流は負荷に到達しなくなります。その結果、機能が完全に失われます。

オープン負荷が発生する主な理由は3つあります。

  • ワイヤー ハーネスの故障: 振動、熱サイクル、または機械的ストレスによる断線やグランド接続の喪失
  • コネクタの故障: ピンの外れや接点の腐食によって発生します。特に湿気や極端な温度にさらされる過酷な環境でよく見られます。
  • 負荷故障: 負荷自体が内部で破損します。典型例は、配線がすべて正常でも、電球フィラメントの焼損により回路が断線するケースです。

これらの故障モードはどれも、回路の観点では同一です。つまり、電流が流れず、出力もありません。

なぜオープン負荷状態を検出する必要があるのでしょうか？

ほとんどの場合、オープン負荷検出は優れたエンジニアリング手法であるだけでなく、法的要件、機能安全要件、診断要件のいずれにおいても必須です。

法的要件:

負荷故障のダッシュボード表示による通知は、ほとんどの国で義務付けられています。方向指示灯 (ウインカー) が故障した場合、運転者に警告しなければなりません。オープン負荷検出がないと、この警告は作動せず、重大な負荷断線故障が検出されないままとなるため、規制不適合となり、運用安全性も低下します。

機能安全要件:

ISO 26262に準拠したシステムでは、オープン負荷が検出されないと安全目標違反につながる可能性があります。故障を直ちに検出できれば、フォールバック モードへの切り替えや診断トラブルコード (DTC) の設定など、システムは適切に対応できます。

診断要件:

効果的な車載診断は、故障解析や整備にかかる時間を大幅に短縮します。技術者がシステム全体を手作業で調べる代わりに、故障している回路を正確に示すスマートスイッチを使用すれば、確認工数を削減できます。

オープン負荷検出の2つの主要なアプローチ

適切な検出方法は、ハイサイド スイッチの状態によって異なります。2つの明確なシナリオがあります。

ON状態での検出: チャネルがアクティブで、VDSは低い状態です。回路に電流が流れている場合、負荷電流を監視することが、負荷未接続を検出する最も直接的な方法です。

OFF状態での検出: チャネルが非アクティブで、VDSは高い状態です。この場合、出力電圧が主要な診断信号になります。出力の極性を確保するため、少なくともプルアップ抵抗を使用することを強く推奨します。これがないと、信頼性の高いOFF状態検出はできません。

スイッチがオンで電流を流す必要がある場合、実装方法は3つあります。

  • 外部電流センサー (例: シャント抵抗): ディスクリートMOSFETとゲートドライバを使用する高電流アプリケーションに適しています。電流アンプが信号を評価しますが、この方法は実装工数が増え、PCBスペースもより多く必要です。
  • 統合型電流検出: 専用の検出ピン (IS) を備えたスマート ハイサイド スイッチは、負荷電流をスケーリングした信号をマイクロコントローラーへ直接ミラー出力します。すべてが1つのパッケージに収まっているため外部アンプは不要で、実装の複雑さも大幅に低減します。
  • 統合型オープンロード コンパレータ: 最も自律性の高いオプション。内部コンパレータが検出信号を閾値と比較し、MCUにアナログ評価の負荷をかけることなく、自動的に故障フラグを立てます。診断ループ全体 (電流ミラー → ISピン → コンパレータ → 故障応答) はスイッチ内部で完結します。

チャネルがオフのときは、出力電圧監視に切り替わります。実装方法は2つあります。

分圧回路 + マイクロコントローラーADC: 診断テスト期間中、プルアップ トランジスタと電流制限抵抗が出力をVBATに向けて引き上げます。抵抗分圧回路で出力電圧をADCの入力範囲にスケーリングします。負荷が接続されていない場合、出力はハイレベルに浮くため、MCUは高電圧を読み取り、オープン負荷として故障フラグを立てます。負荷がある場合、出力はGND付近に保たれます。保護抵抗がADC入力を過渡電圧から保護します。

統合型VDSコンパレータ: インフィニオンのPROFET™ +2 12 VおよびSPOC™ 製品ファミリーのほとんどのデバイスは、VDSコンパレータを直接内蔵しています。VOUTが定義された閾値 (通常、PROFET™ +2ではVS～ 1.8 V) を超えると、自動的に故障フラグが立ちます。

スイッチがオンで電流を流す必要がある場合、実装方法は3つあります。

  • 外部電流センサー (例: シャント抵抗): ディスクリートMOSFETとゲートドライバを使用する高電流アプリケーションに適しています。電流アンプが信号を評価しますが、この方法は実装工数が増え、PCBスペースもより多く必要です。
  • 統合型電流検出: 専用の検出ピン (IS) を備えたスマート ハイサイド スイッチは、負荷電流をスケーリングした信号をマイクロコントローラーへ直接ミラー出力します。すべてが1つのパッケージに収まっているため外部アンプは不要で、実装の複雑さも大幅に低減します。
  • 統合型オープンロード コンパレータ: 最も自律性の高いオプション。内部コンパレータが検出信号を閾値と比較し、MCUにアナログ評価の負荷をかけることなく、自動的に故障フラグを立てます。診断ループ全体 (電流ミラー → ISピン → コンパレータ → 故障応答) はスイッチ内部で完結します。

チャネルがオフのときは、出力電圧監視に切り替わります。実装方法は2つあります。

分圧回路 + マイクロコントローラーADC: 診断テスト期間中、プルアップ トランジスタと電流制限抵抗が出力をVBATに向けて引き上げます。抵抗分圧回路で出力電圧をADCの入力範囲にスケーリングします。負荷が接続されていない場合、出力はハイレベルに浮くため、MCUは高電圧を読み取り、オープン負荷として故障フラグを立てます。負荷がある場合、出力はGND付近に保たれます。保護抵抗がADC入力を過渡電圧から保護します。

統合型VDSコンパレータ: インフィニオンのPROFET™ +2 12 VおよびSPOC™ 製品ファミリーのほとんどのデバイスは、VDSコンパレータを直接内蔵しています。VOUTが定義された閾値 (通常、PROFET™ +2ではVS～ 1.8 V) を超えると、自動的に故障フラグが立ちます。

プルダウン抵抗: 重要なポイント

プルアップ抵抗だけでもオープン負荷を検出できますが、バッテリーへの短絡と区別することはできません。。どちらの条件でも、VOUT ≈ VSとなります。これらを区別するには、プルダウン抵抗も使用する必要があります。診断は次の2ステップで行われます。

· プルアップ有効 → VOUT high = オープン負荷を検出

· プルアップ無効 → VOUTが依然 High = バッテリーへの短絡を確認

インフィニオンの新しいSPOC™ Smart Guardはさらに一歩進んで、プルアップ抵抗とプルダウン抵抗の両方をオンチップで統合し、外付け部品を不要にしてPCB設計を大幅に簡素化します。

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オープン負荷検出についてさらに詳しく知りたいですか？インフィニオンのオンライン研修コース"How to detect open loads with high-side switches"では、この記事で扱った概念を順を追って解説します。オープン負荷状態の基礎から、抵抗値の具体的な算出方法まで、インタラクティブな図解や実例を交えて説明します。設計を始める前に実践的な自信を身に付けるための、最も効率的な方法です。

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オープン負荷検出でインフィニオンが選ばれる理由

インフィニオンのPROFET™ およびSPOC™ のスマート ハイサイド スイッチ ファミリーは、車載診断の要求に特化して設計されています。

  • ON状態監視用に、スケーリングされたセンス出力を備えた統合電流センス機能
  • 自動OFF状態のオープン負荷検出用内蔵VDSコンパレータ (PROFET™ +2およびほとんどのSPOC™ デバイス)
  • SPIまたは専用診断ピンによる故障報告
  • SPOC™ Smart Guard 12 V: 内蔵プルアップ抵抗およびプルダウン抵抗 — 最もコンパクトなオープン負荷検出ソリューション

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