JP2005348019A

JP2005348019A - コイル負荷駆動出力回路

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Publication number: JP2005348019A
Application number: JP2004164291A
Authority: JP
Inventors: Toshiro Okubo; 利郎大久保
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2004-06-02
Filing date: 2004-06-02
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2024-06-02
Also published as: TWI357718B; TW200614667A; CN1961481A; KR20070029178A; JP4014048B2; WO2005119912A1; US20080018365A1

Abstract

【課題】スイッチングによる輻射ノイズを低減することができるコイル負荷駆動出力回路の提供。
【解決手段】このコイル負荷駆動出力回路１は、電源側駆動トランジスタ制御電圧を出力する第１及び第２の制御トランジスタ１７、１８と、それらの電流を制限する第１及び第２の電流制限インピーダンス素子１９、２０と、接地側駆動トランジスタ制御電圧を出力する第３及び第４の制御トランジスタ２６、２７と、それらの電流を制限する第３及び第４の電流制限インピーダンス素子２８、２９と、それぞれが電源側又は接地側駆動トランジスタ制御電圧により制御され、コイル負荷２の駆動電圧を出力する電源側及び接地側駆動トランジスタ３０、３１と、それぞれが電源側又は接地側駆動トランジスタ制御電圧により制御され、オンしていると強制的に接地側又は電源側駆動トランジスタをオフする電源側及び接地側検出トランジスタ２４、１５と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータやアクチュエータなどのコイル負荷を駆動するためのコイル負荷駆動出力回路に関するものである。

通常、コイル負荷を駆動するのにパルス幅変調（ＰＷＭ）パルスを用いた装置では、そのスイッチングにより発生する輻射ノイズが多いため、他の信号へのクロストーク等の影響などが問題となる。特に、コイル負荷の駆動電圧を出力するコイル負荷駆動出力回路の駆動トランジスタは電流出力能力が大きいため、そのスイッチングによる輻射ノイズは大きい。

一方、一般の出力回路でのスイッチングによるノイズ低減対策としては例えば特許文献１、２に示されるような提案がなされている。すなわち、これらの出力回路は、電源側駆動トランジスタ又は接地側駆動トランジスタを徐々にオンさせることで、ノイズ低減を図っている。また、それにより同時に電源側駆動トランジスタと接地側駆動トランジスタにおける貫通電流の防止も図っている。

特開平６−１５２３７４号公報特開平１１−３１７６５３号公報

ところが、この出力回路が駆動する負荷がコイル負荷の場合、すなわち、出力回路がコイル負荷駆動出力回路である場合、コイル負荷の誘導性の性質により特別な現象が起きる。例えば、図４に示すように、コイル負荷２に出力端子ＯＵＴから電流Ｉ_１の供給をしている電源側駆動トランジスタ１１１がスイッチングによりオフになったとき、コイル負荷２の誘導性の性質により電流は流れ続けようとするため、回生電流Ｉ_２が接地側駆動トランジスタ１１２と並列に存在する寄生ダイオード１１３を通ってコイル負荷２に流れる。従って、このとき、出力端子ＯＵＴの電圧は電源電位Ｖ_ＣＣから接地電位以下に急激に降下して輻射ノイズを発生する。

この輻射ノイズは、通常、コンデンサなどのノイズ対策部品を必要とする箇所に実装することで対処が可能であるが、輻射ノイズ自体を低減させることは性能やコストの面から重要である。

本発明は、係る事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、スイッチングによる輻射ノイズを低減することができるコイル負荷駆動出力回路を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載のコイル負荷駆動出力回路は、電源電位と接地電位との間に直列に接続され、中点から電源側駆動トランジスタ制御電圧を出力する第１及び第２の制御トランジスタと、第１及び第２の制御トランジスタに流れる電流をそれぞれ制限する第１及び第２の電流制限インピーダンス素子と、電源電位と接地電位との間に直列に接続され、中点から接地側駆動トランジスタ制御電圧を出力する第３及び第４の制御トランジスタと、第３及び第４の制御トランジスタに流れる電流をそれぞれ制限する第３及び第４の電流制限インピーダンス素子と、電源電位と接地電位との間に直列に接続され、それぞれが電源側駆動トランジスタ制御電圧又は接地側駆動トランジスタ制御電圧により制御され、中点からコイル負荷を駆動するための駆動電圧を出力する電源側駆動トランジスタ及び接地側駆動トランジスタと、電源側駆動トランジスタ制御電圧により制御され、オンしていると強制的に接地側駆動トランジスタをオフする電源側検出トランジスタと、接地側駆動トランジスタ制御電圧により制御され、オンしていると強制的に電源側駆動トランジスタをオフする接地側検出トランジスタと、を備えてなることを特徴とする。

請求項２に記載のコイル負荷駆動出力回路は、請求項１のコイル負荷駆動出力回路において、電源側駆動トランジスタはＰ型ＭＯＳトランジスタ、接地側駆動トランジスタはＮ型ＭＯＳトランジスタであり、第２及び第３の電流制限インピーダンス素子は第１及び第４の電流制限インピーダンス素子の抵抗値よりも大きいことを特徴とする。

請求項３に記載のコイル負荷駆動出力回路は、請求項１のコイル負荷駆動出力回路において、電源側駆動トランジスタ及び接地側駆動トランジスタは共にＮ型ＭＯＳトランジスタであり、第１及び第３の電流制限インピーダンス素子は第２及び第４の電流制限インピーダンス素子の抵抗値よりも大きいことを特徴とする。

本発明のコイル負荷駆動出力回路は、各制御トランジスタに流れる電流をそれぞれ制限する電流制限インピーダンス素子を設けているので、電源側駆動トランジスタ及び接地側駆動トランジスタを徐々にオフ及びオンさせることができてスイッチングによる輻射ノイズを低減することができる。

以下、本願発明を実施するための最良の形態であるコイル負荷駆動出力回路を説明する。図１にコイル負荷駆動出力回路１を示す。１１はインバータであり、このインバータ１１は、図外モータ制御回路又はアクチュエータ制御回路から入力端子ＩＮに入力されるハイ又はローレベルの入力信号（ＰＷＭ信号）を反転出力する。１２、１３はＰ型ＭＯＳトランジスタ、Ｎ型ＭＯＳトランジスタであり、これらＰ型ＭＯＳトランジスタ１２及びＮ型ＭＯＳトランジスタ１３は、電源電位Ｖ_ＣＣと接地電位との間に直列に接続され、インバータ１１の出力信号を入力して中点、すなわち節点Ａから反転出力する。１４は電流制限インピーダンス素子であり、この電流制限インピーダンス素子１４はＰ型ＭＯＳトランジスタ１２に流れる電流を制限する。１５はＮ型ＭＯＳトランジスタである接地側検出トランジスタであり、この接地側検出トランジスタ１５は、節点Ａに接続され、後述の節点Ｄの電圧、すなわち接地側駆動トランジスタ制御電圧により制御される。１６はバッファであり、このバッファ１６は節点Ａの電圧波形を整形する。１７、１８はＰ型ＭＯＳトランジスタである第１の制御トランジスタ、Ｎ型ＭＯＳトランジスタである第２の制御トランジスタであり、これら第１の制御トランジスタ１７及び第２の制御トランジスタ１８は、電源電位Ｖ_ＣＣと接地電位との間に直列に接続され、バッファ１６の出力信号を入力して中点、すなわち節点Ｂから電源側駆動トランジスタ制御電圧を出力する。１９、２０は第１及び第２の電流制限インピーダンス素子であり、これら第１及び第２の電流制限インピーダンス素子１９、２０は第１及び第２の制御トランジスタ１７、１８に流れる電流をそれぞれ制限する。

更に、２１、２２はＰ型ＭＯＳトランジスタ、Ｎ型ＭＯＳトランジスタであり、これらＰ型ＭＯＳトランジスタ２１及びＮ型ＭＯＳトランジスタ２２は、電源電位Ｖ_ＣＣと接地電位との間に直列に接続され、インバータ１１の出力信号を入力して中点、すなわち節点Ｃから反転出力する。２３は電流制限インピーダンス素子であり、この電流制限インピーダンス素子２３はＮ型ＭＯＳトランジスタ２２に流れる電流を制限する。２４はＰ型ＭＯＳトランジスタである電源側検出トランジスタであり、この電源側検出トランジスタ２４は、節点Ｃに接続され、節点Ｂの電圧、すなわち電源側駆動トランジスタ制御電圧により制御される。２５はバッファであり、このバッファ２５は節点Ｃの電圧波形を整形する。２６、２７はＰ型ＭＯＳトランジスタである第３の制御トランジスタ、Ｎ型ＭＯＳトランジスタである第４の制御トランジスタであり、これら第３の制御トランジスタ２６及び第４の制御トランジスタ２７は、電源電位Ｖ_ＣＣと接地電位との間に直列に接続され、バッファ２５の出力信号を入力して中点、すなわち節点Ｄから接地側駆動トランジスタ制御電圧を出力する。２８、２９は第３及び第４の電流制限インピーダンス素子であり、これら第３及び第４の電流制限インピーダンス素子２８、２９は、第３及び第４の制御トランジスタ２６、２７に流れる電流をそれぞれ制限する。

更に、３０、３１はＰ型ＭＯＳトランジスタである電源側駆動トランジスタ、Ｎ型ＭＯＳトランジスタである接地側駆動トランジスタであり、これら電源側駆動トランジスタ３０及び接地側駆動トランジスタ３１は、電源電位Ｖ_ＣＣと接地電位との間に直列に接続され、それぞれが電源側駆動トランジスタ制御電圧又は接地側駆動トランジスタ制御電圧により制御され、中点から出力端子ＯＵＴを介してコイル負荷２を駆動するための駆動電圧を出力する。なお、図１においては、理解を容易にするために、電源側駆動トランジスタ３０のドレイン・ゲート間の寄生容量３２と、接地側駆動トランジスタ３１のドレイン・ゲート間の寄生容量３３と、を示している。また、コイル負荷２の図示しない片側にはコイル負荷駆動出力回路１と同様の回路が設けられる。

ここで、電流制限インピーダンス素子１４、１９、２０、２３、２８、２９は抵抗である。電流制限インピーダンス素子１４は、接地側検出トランジスタ１５がオンしていると、Ｐ型ＭＯＳトランジスタ１２がオンしていても節点Ａの電圧をローレベルに保つことができる程度の抵抗値である。電流制限インピーダンス素子２３は、電源側検出トランジスタ２４がオンしていると、Ｎ型ＭＯＳトランジスタ２２がオンしていても節点Ｃの電圧をハイレベルに保つことができる程度の抵抗値である。第１の電流制限インピーダンス素子１９と第４の電流制限インピーダンス素子２９の抵抗値は同一又は略同一であり（例えば１Ｋ乃至２ＫΩ）、第２の電流制限インピーダンス素子２０と第３の電流制限インピーダンス素子２８の抵抗値（例えば１０Ｋ乃至３０ＫΩ）よりも小さい。

このコイル負荷駆動出力回路１の動作を図２の波形図に基づいて説明する。先ず、出力端子ＯＵＴからコイル負荷２の方向に電流が流れている場合を説明する。なお、同図において、ＯＵＴの波形はこの場合の出力端子ＯＵＴの電圧波形を示し、ＯＵＴ’は後述のコイル負荷２から出力端子ＯＵＴの方向に電流が流れている場合の出力端子ＯＵＴの電圧波形を示す。入力端子ＩＮからの入力信号がハイレベルからローレベルに変化すると、節点Ａはローレベルとなり、節点Ｂの電圧は、第１の制御トランジスタ１７がオンするので、インピーダンス素子１９の抵抗値と寄生容量３２の容量値で決まる時定数で上昇する。節点Ｂの電圧変化に従って電源側駆動トランジスタ３０のオン抵抗は徐々に高くなり、コイル負荷２は誘導性の性質により電流を流し続けようとするため、出力端子ＯＵＴの電圧は徐々に降下する。従って、出力端子ＯＵＴの電圧は急激には降下しないので、輻射ノイズが低減される。

なお、このとき、電源側検出トランジスタ２４はオンしているので、節点Ｃはハイレベルに、節点Ｄはローレベルに保たれ、従って、接地側駆動トランジスタ３１は入力端子ＩＮからの入力信号に係わらず強制的にオフされている。そして、節点Ｂの電圧が更に上昇して電源側駆動トランジスタ３０のゲート・ソース間電圧がしきい値（スレショールド）よりも小さくなると、電源側駆動トランジスタ３０はいわゆるサブスレショールド領域となりオン抵抗は急激に高くなってオフし始める。そうすると、同時に電源側検出トランジスタ２４もオフし始めるので節点Ｃはローレベルとなる。節点Ｄの電圧は、第３の制御トランジスタ２６がオンするので、インピーダンス素子２８の抵抗値と寄生容量３３の容量値で決まる時定数で上昇する。

ここで、インピーダンス素子２８はインピーダンス素子１９の抵抗値よりも大きいので、節点Ｄの電圧は節点Ｂの電圧よりも緩やかに上昇する。これにより、サブスレショールド領域であっても少量の電流が流れる電源側駆動トランジスタ３０が完全にオフしてから接地側駆動トランジスタ３１に電流が流れることになり、これら２個のトランジスタ３０、３１における貫通電流を抑制する。この貫通電流抑制のためには、節点Ｂの電圧は比較的早く電源電位Ｖ_ＣＣまで上昇させる必要があるので、インピーダンス素子１９は前述のようにインピーダンス素子２８の抵抗値よりも小さくしてあるのである。

入力端子ＩＮからの入力信号がローレベルからハイレベルに変化すると、節点Ｃはハイレベルとなり、節点Ｄの電圧は、第４の制御トランジスタ２７がオンするので、インピーダンス素子２９の抵抗値と寄生容量３３の容量値で決まる時定数で降下する。節点Ｄの電圧変化に従って接地側駆動トランジスタ３１のオン抵抗は徐々に高くなり、コイル負荷２は誘導性の性質により電流を流し続けようとするため、出力端子ＯＵＴの電圧は僅かに降下するが、接地側駆動トランジスタ３１と並列に存在する寄生ダイオード（図示せず）によりクランプされる。なお、このとき、接地側検出トランジスタ１５はオンしているので、節点Ａはローレベルに、節点Ｂはハイレベルに保たれ、従って、電源側駆動トランジスタ３０は入力端子ＩＮからの入力信号に係わらず強制的にオフされている。そして、節点Ｄの電圧が更に下降して接地側駆動トランジスタ３１のゲート・ソース間電圧がしきい値（スレショールド）よりも小さくなると、接地側駆動トランジスタ３１はサブスレショールド領域となりオン抵抗は急激に高くなってオフし始める。そうすると、同時に接地側検出トランジスタ１５もオフし始めるので節点Ａはハイレベルとなる。節点Ｂの電圧は、第２の制御トランジスタ１８がオンするので、インピーダンス素子２０の抵抗値と寄生容量３２の容量値で決まる時定数で緩やかに降下する。この節点Ｂの電圧に従い出力端子ＯＵＴの電圧は徐々に上昇する。従って、輻射ノイズは低減される。

次に、コイル負荷２から出力端子ＯＵＴの方向に電流が流れている場合を説明する。出力端子ＯＵＴ（図２の波形ＯＵＴ’）以外の各部は前述と同様の動作を示す。入力端子ＩＮからの入力信号がハイレベルからローレベル又はローレベルからハイレベルに変化すると、出力端子ＯＵＴの電圧は、節点Ｄの電圧に従って徐々に降下又は上昇する。つまり、出力端子ＯＵＴの電圧は、接地側駆動トランジスタ３１がオンし始めてから降下し始め、接地側駆動トランジスタ３１がオフし始めてから上昇し始める。この場合も同様に輻射ノイズは低減される。

次に、本発明の別の実施形態であるコイル負荷駆動出力回路を説明する。このコイル負荷駆動出力回路５１は、図３に示すように、コイル負荷駆動出力回路１におけるＰ型ＭＯＳトランジスタである電源側駆動トランジスタ３０をＮ型ＭＯＳトランジスタである電源側駆動トランジスタ５６に置き換えたものである。これに伴い、Ｐ型ＭＯＳトランジスタである電源側検出トランジスタ２４をＮ型ＭＯＳトランジスタである電源側検出トランジスタ５５に、バッファ１６を反転バッファ５２に、第１の電流制限インピーダンス素子１９を抵抗値が比較的大きい（例えば１０Ｋ乃至３０ＫΩの）第１の電流制限インピーダンス素子５３に、第２の電流制限インピーダンス素子２０を抵抗値が比較的小さい（例えば１Ｋ乃至２ＫΩの）第２の電流制限インピーダンス素子５４に、それぞれ置き換えられている。このコイル負荷駆動出力回路５１は、前述の図２において節点Ｂの電圧波形が上下逆になるが、コイル負荷駆動出力回路１と同様な動作を行い、輻射ノイズが低減される。

なお、コイル負荷駆動出力回路１又は５１は、接地側検出トランジスタ１５及び電源側検出トランジスタ２４又は５５などを設けることにより、電源側駆動トランジスタ３０又は５６がオンしていれば接地側駆動トランジスタ３１は強制的にオフされ、接地側駆動トランジスタ３１がオンしていれば電源側駆動トランジスタ３０は強制的にオフされるようにして、電源側駆動トランジスタ３０又は５６と接地側駆動トランジスタ３１における貫通電流を自動的に抑制しているが、第１乃至第４の制御トランジスタ１７、１８、２６、２７のゲートを個別に制御して貫通電流を抑制することも可能である。

以上、本発明の実施形態であるコイル負荷駆動出力回路について説明したが、本発明は、実施形態に記載したものに限られることなく、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内でのさまざまな設計変更が可能である。例えば、電流制限インピーダンス素子１４、１９(又は５３)、２０（又は５４）、２３、２８、２９は抵抗であるが、これを定電流源とすることも可能である。また、寄生容量３２、３３の他に積極的に容量を付加することも可能である。

本発明の実施形態に係るコイル負荷駆動出力回路の回路図。同上の各部に生じる波形を示した波形図。本発明の別の実施形態に係るコイル負荷駆動出力回路の回路図。スイッチング時の現象を説明する回路図。

符号の説明

１、５１コイル負荷駆動出力回路
２コイル負荷
１５接地側検出トランジスタ
１７第１の制御トランジスタ
１８第２の制御トランジスタ
１９、５３第１の電流制限インピーダンス素子
２０、５４第２の電流制限インピーダンス素子
２４、５５電源側検出トランジスタ
２６第３の制御トランジスタ
２７第４の制御トランジスタ
２８第３の電流制限インピーダンス素子
２９第４の電流制限インピーダンス素子
３０、５６電源側駆動トランジスタ
３１接地側駆動トランジスタ

Claims

電源電位と接地電位との間に直列に接続され、中点から電源側駆動トランジスタ制御電圧を出力する第１及び第２の制御トランジスタと、
第１及び第２の制御トランジスタに流れる電流をそれぞれ制限する第１及び第２の電流制限インピーダンス素子と、
電源電位と接地電位との間に直列に接続され、中点から接地側駆動トランジスタ制御電圧を出力する第３及び第４の制御トランジスタと、
第３及び第４の制御トランジスタに流れる電流をそれぞれ制限する第３及び第４の電流制限インピーダンス素子と、
電源電位と接地電位との間に直列に接続され、それぞれが電源側駆動トランジスタ制御電圧又は接地側駆動トランジスタ制御電圧により制御され、中点からコイル負荷を駆動するための駆動電圧を出力する電源側駆動トランジスタ及び接地側駆動トランジスタと、
電源側駆動トランジスタ制御電圧により制御され、オンしていると強制的に接地側駆動トランジスタをオフする電源側検出トランジスタと、
接地側駆動トランジスタ制御電圧により制御され、オンしていると強制的に電源側駆動トランジスタをオフする接地側検出トランジスタと、
を備えてなることを特徴とするコイル負荷駆動出力回路。
請求項１のコイル負荷駆動出力回路において、
電源側駆動トランジスタはＰ型ＭＯＳトランジスタ、接地側駆動トランジスタはＮ型ＭＯＳトランジスタであり、
第２及び第３の電流制限インピーダンス素子は第１及び第４の電流制限インピーダンス素子の抵抗値よりも大きいことを特徴とするコイル負荷駆動出力回路。
請求項１のコイル負荷駆動出力回路において、
電源側駆動トランジスタ及び接地側駆動トランジスタは共にＮ型ＭＯＳトランジスタであり、
第１及び第３の電流制限インピーダンス素子は第２及び第４の電流制限インピーダンス素子の抵抗値よりも大きいことを特徴とするコイル負荷駆動出力回路。