JP2007244083A - 電流制御回路 - Google Patents

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敏彰 元結
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Abstract

【課題】リファレンス信号を常に最適に補正し、適切な電流を出力することができる電流制御回路を提供すること。
【解決手段】本発明に係る電流制御回路100は、出力電流を決定するためのリファレンスレベルを発生するリファレンスレベルDAC102と、リファレンスレベルに基づいてリファレンス信号を生成する重畳回路103と、複数の半導体素子のスイッチング動作により出力電流を負荷に対して供給するHブリッジ回路106と、Hブリッジ回路106に流れる電流に基づいてセンス信号を出力する電流センシング回路107と、センス信号とリファレンスレベルとの差に基づいてリファレンス信号を補正する常時補正回路110とを備えた電流補正回路であって、常時補正回路110は、リファレンスレベルとセンス信号とを比較する補正コンパレータ113を有し、補正コンパレータ113からの出力に応じてリファレンス信号を補正する。
【選択図】図1

Description

本発明は、電流制御回路に関し、特に電流センシング回路を有するHブリッジ型の電流制御回路に関する。
従来から、出力電流値と設定電流値とを比較することにより、精度よく電流を出力する電流制御回路が知られている(例えば、特許文献1〜3参照)。このような電流制御回路においては、広範囲な負荷条件、設定電流値に応じて精度よく出力電流を制御できるようにすることが求められている。
モータ駆動用の電流制御回路として、Hブリッジ回路を備えたPWM(Pulse Width modulation)制御の電流制御回路が知られている。図9に、従来のセンスMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)を備えたHブリッジ型の電流制御回路10の構成を示す。図9に示すように、電流制御回路10は、Hブリッジ回路11、三角波発振器12、リファレンスDAC13、PWMコンパレータ14、プリドライバ回路15、センスMOS16、モータ17を備えている。
センスMOS16は、モータ17の供給される出力電流値を検出して、センス信号を生成する。PWMコンパレータ14の+入力端子には、三角波発振器12において発生された三角波信号とリファレンスDAC13から出力される設定電流値であるリファレンスレベルとが足し合わされたリファレンス信号が入力される。また、PWMコンパレータ14の−入力端子には、センスMOS16によって生成されたセンス信号が入力される。
PWMコンパレータ14は、リファレンス信号とセンス信号とを比較し、PWM信号を生成する。プリドライバ回路15は、Hブリッジ回路11を構成する複数の半導体素子をPWM信号に応じてスイッチングして、所定の電流をモータ17に出力する。
図10に示すように、従来の電流制御回路10においては、PWMコンパレータ14の+入力端子に入力されるリファレンス信号は、リファレンスレベルと三角波信号とを足し合わせたものである。このため、リファレンス信号は、三角波分相当の幅を有する。また、センスMOS16によって検出された出力電流値(センス信号)は、リファレンスDAC13において設定されたリファレンスレベルからずれた位置で安定してしまう。このリファレンスレベルとセンス信号のズレは、出力電流の設定値に対するズレとなる。
このような問題を解決すべく、従来から、PWMコンパレータ14の+入力を一定量下げるようにリファレンス信号の補正を行っている。図11に示すように、ある負荷条件や設定電流値などの条件下におけるリファレンスレベルとセンス信号とのズレを抑制するため、リファレンスDAC13の出力側にpchMOSトランジスタを設けリファレンス信号を補正している。
特開平5−137255号公報 特開平5−307702号公報 特開平5−328070号公報
しかしながら、従来の方法では、ある条件(負荷条件、出力電流設定値など)下において、ある一定量の補正しか行うことができない。このため、負荷条件の変動、広範囲な電流設定に対応することができず、常に適切な補正をすることができなかった。従って、出力電流値の設定電流値に対するズレを適切に補正することができなかった。
本発明に係る電流制御回路は、出力電流を決定するためのリファレンスレベルを発生するリファレンスレベル生成回路と、前記リファレンスレベルに基づいてリファレンス信号を生成するリファレンス信号生成回路と、複数の半導体素子からなり、前記複数の半導体素子のスイッチング動作により前記出力電流を負荷に対して供給するブリッジ回路と、前記ブリッジ回路に流れる電流に基づいてセンス信号を出力する電流センシング回路と、前記センス信号と前記リファレンスレベルとの差に基づいて前記リファレンス信号を補正し、前記出力電流を補正する電流補正回路とを備えた電流制御回路であって、前記電流補正回路は、前記リファレンスレベルと前記センス信号とを比較する補正コンパレータを有し、前記補正コンパレータからの出力に応じて、前記リファレンス信号を補正し、前記出力電流を補正するものである。
これにより、センス信号とリファレンスレベルとを常時比較し、リファレンス信号を常に最適に補正することができるため、負荷条件等が変化した場合においても、適切な電流を出力することができる。
本発明によれば、リファレンス信号を常に最適に補正し、適切な電流を出力することができる電流制御回路を提供することができる。
実施の形態.
本発明の実施の形態に係る電流制御回路100について図1を参照して説明する。図1は、本発明に係る電流制御回路100の構成を示す図である。図1に示すように、本実施の形態に係る電流制御回路100は、三角波発振器101、リファレンスDAC102、重畳回路103、PWMコンパレータ104、プリドライバ回路105、Hブリッジ回路106、電流センシング回路107、アンプ108、外付けセンス抵抗109、常時補正回路110、モータ111を有している。
三角波発振器101は、所定の周波数の三角波信号を生成する。リファレンスDAC102は、モータ111に出力する電流に応じたリファレンスレベルを設定する。例えば、外部からモータ111に出力される電流に応じたデジタルデータがリファレンスDAC102に入力される。そして、リファレンスDAC102は、このデジタルデータをD/A変換して、リファレンスレベルとして出力する。
重畳回路103は、三角波信号とリファレンスレベルとを足し合わせて、リファレンス信号を出力する。さらに、常時補正回路110から出力される補正信号が重畳回路103に入力される。リファレンス信号は、この補正信号によって補正される。すなわち、重畳回路103は、三角波信号とリファレンスレベルと補正信号とに基づいて、リファレンス信号を出力する。
PWMコンパレータ104の+入力端子には、リファレンス信号が入力される。一方、PWMコンパレータ104の−入力端子には、センス信号が入力される。センス信号は、負荷であるモータ111に供給される電流に応じたレベルとなっている。PWMコンパレータ104は、リファレンス信号とセンス信号とを比較して、パルス幅変調する。例えば、PWMコンパレータ104は、リファレンス信号がセンス信号よりも大きい場合にはH、小さい場合にはLとなるPWM信号を出力する。
プリドライバ回路105には、PWM信号が入力される。プリドライバ回路105は、PWM信号に基づいてHブリッジ回路106のトランジスタをスイッチングするスイッチング信号を出力する。
Hブリッジ回路106は、4つのトランジスタ106a、106b、106c、106dを備えている。トランジスタ106a及び106cはpch型MOSトランジスタであり、トランジスタ106b及び106dはnch型MOSトランジスタである。VMとGNDとの間には、トランジスタ106aとトランジスタ106bとが直列に接続されている。また、VMとGNDとの間には、トランジスタ106cとトランジスタ106dとが直列に接続されている。
さらに、トランジスタ106aとトランジスタ106dとの間には、モータ111が接続されている。また、トランジスタ106cとトランジスタ106bとの間には、モータ111が接続されている。トランジスタ106bとトランジスタ106cがオフの状態で、トランジスタ106aとトランジスタ106dとがオンとなると、図1直線矢印で示すようにモータ111に正転電流が流れる。プリドライバ回路105から出力されるスイッチング信号に応じて、各トランジスタのオン/オフが制御される。この各トランジスタがオンとなる時間は、PWM信号のパルス幅によって決定される。
なお、トランジスタ106aとトランジスタ106dがオフの状態で、トランジスタ106bとトランジスタ106cとがオンとなると、モータ111に反転電流が流れる。また、回生モードでは、図1中破線矢印で示すように、トランジスタ106aからモータ111、寄生ダイオード、トランジスタ106cへと電流が流れる。
電流センシング回路107は、モータ111に供給される電流を検出し、センス信号を出力する。電流センシング回路107は、トランジスタ106aと例えば約1:500のセンス比で形成されたセンスMOS112を備えている。センスMOS112からの出力は、アンプ108によって増幅される。センス信号は、外付けセンス抵抗109によって所定の電圧に設定される。このセンス信号は、上述のようにPWMコンパレータ104に入力される。
常時補正回路110には、センス信号が入力される。さらに、常時補正回路110には、リファレンスDAC102から出力されたリファレンスレベルが入力される。常時補正回路110は、リファレンスレベルとセンス信号を常時比較し、常時適切な補正がかかるようにする。ここで、図2及び3を参照して、常時補正回路110の構成について詳細に説明する。
図2は、図1の破線枠中の構成を詳細に示す図である。また、図3は、常時補正回路110の構成の一例を示す図である。図2に示すように、重畳回路103から出力されるリファレンス信号は、トランジスタを介してPWMコンパレータ104の+入力端子に入力される。そして、センス信号は、トランジスタを介してPWMコンパレータ104の−入力端子に入力される。
さらに、センス信号は、常時補正回路110のA入力端子に入力される。また、リファレンスDAC102から出力されるリファレンスレベルが、常時補正回路110のB入力端子に入力される。常時補正回路110は、センス信号とリファレンスレベルとを比較して、C出力端子から補正信号を出力する。
図3に示すように、常時補正回路110は、補正コンパレータ113、ラッチ回路114、アップダウンカウンタ115、及び補正DAC116を有している。補正コンパレータ113の出力側にラッチ回路114が接続される。また、ラッチ回路114の出力側には、アップダウンカウンタ115が接続される。さらに、アップダウンカウンタ115の出力側には補正DAC116が接続される。補正コンパレータ113の+入力端子がB入力端子であり、−入力端子がA入力端子である。
補正コンパレータ113は、センス信号とリファレンスレベルとを常時比較する。補正コンパレータ113は、比較結果に応じた信号をラッチ回路114に出力する。具体的には、リファレンスレベルがセンス信号よりも大きい場合、補正コンパレータ113からの出力はHとなる。また、リファレンスレベルがセンス信号よりも小さい場合、補正コンパレータ113からの出力はLとなる。
補正コンパレータ113の出力側にはPWM周期(三角波の周期)単位で反転する(PWM周期と同期して動作する)ラッチ回路114が挿入してある。ラッチ回路114の出力がHのときに、補正コンパレータ113の出力が一度でもHからLに立ち下がると、次のラッチ回路114の出力はLとなる。一方、ラッチ回路114の出力Lのときに、補正コンパレータ113の出力が一度でもLからHに立ち上がると、次のラッチ回路114の出力はHとなる。このように、ラッチ回路114は、補正コンパレータ113からの出力波形を整形する。
ラッチ回路114からの出力は、アップダウンカウンタ115に入力される。アップダウンカウンタ115は、このラッチ回路114からの出力がHのときはアップカウンタとなり、Lのときはダウンカウンタとなる。すなわち、アップダウンカウンタ115は、ラッチ回路114からの出力がHのときはカウントアップし、Lのときはカウントダウンする。アップダウンカウンタ115は、PWM周波数のクロックでカウントする。アップダウンカウンタ115は数bitのカウント値を出力する。
補正DAC116は、アップダウンカウンタ115のカウント値に応じた電圧レベルを発生する。補正DAC116からの出力は、C出力端子から重畳回路103に入力される。そして、重畳回路103は、補正DAC116からの出力をリファレンスレベル及び三角波信号に足し合わせ、PWMコンパレータ104の+入力端子に出力する。
図4は、常時補正回路110での信号を示すタイミングチャートである。図4(1)のPWM周期では、リファレンスレベルがセンス信号よりも大きくなっている。従って、補正コンパレータ113の出力はHとなる。そして、次のPWM周期(2)におけるラッチ回路114の出力はHとなる。従って、(2)のPWM周期では、アップダウンカウンタ115はカウントアップする。補正DAC116は、このカウント値をD/A変換して出力する。
(2)のPWM周期では、上述したように、ラッチ回路114の出力はHになっている。このとき、リファレンスレベルがセンス信号よりも一度小さくなる。従って、補正コンパレータ113の出力は、(2)のPWM周期内で一度HからLに切り替わる。このため、次のPWM周期(3)におけるラッチ回路114の出力はLとなる。従って、(3)のPWM周期では、アップダウンカウンタ115は、カウントダウンする。補正DAC116は、このカウント値をD/A変換して出力する。
(3)のPWM周期では、上述したように、ラッチ回路114からの出力はLとなっている。このとき、リファレンスレベルがセンス信号よりも一度大きくなる。従って、補正コンパレータ113の出力は、(3)のPWM周期内で一度LからHに切り替わる。そして、次のPWM周期(4)におけるラッチ回路114の出力はHとなる。従って、(4)のPWM周期では、アップダウンカウンタ115は、カウントアップする。補正DAC116は、このカウント値をD/A変換して出力する。
ラッチ回路114からの出力がHの場合に、補正コンパレータ113の出力がHからLに切り替わらないとき、その次のPWM周期でのラッチ回路114からの出力は、Hのままである。また、ラッチ回路114からの出力がLの場合に、補正コンパレータ113の出力がLからHに切り替わらないとき、その次のPWM周期でのラッチ回路114からの出力は、Lのままである。(5)のPWM周期では、ラッチ回路114からの出力はLであり、補正コンパレータ113からの出力は、LからHには切り替わらない。このため、(6)のPWM周期では、ラッチ回路114からの出力はLのままである。
このように、アップダウンカウンタ115からのカウンタ値に応じて、補正DAC116からの出力が変化する。補正DAC116からの出力は、重畳回路103に入力される。これによって、リファレンス信号が補正される。具体的には、補正DAC116からの出力値が大きくなると、重畳回路103から出力されるリファレンス信号のレベルが高くなる。このため、PWMコンパレータ104から出力されるPWM信号のパルス幅が広くなる。すなわち、PWM信号のDuty比が高くなる。よって、モータ111に供給される出力電流が上昇する。
反対に、補正DAC116からの出力値が小さくなると、重畳回路103から出力されるリファレンス信号のレベルが低くなる。このため、PWMコンパレータ104から出力されるPWM信号のパルス幅が狭くなる。すなわち、PWM信号のDuty比が低くなる。よって、モータ111に供給される出力電流が低下する。
図4の(7)〜(9)のPWM周期に示すように、リファレンスレベルとセンス信号がほぼ同じレベルであれば、補正コンパレータ113はH、Lを繰り返す。そして、アップダウンカウンタ115はカウントアップ、カウントダウンを繰り返す。このため、補正DAC116の出力は1LSBの上昇、下降を繰り返す。これにより、PWMコンパレータ104の+入力端子に入力されるリファレンス信号はほぼ一定のレベルをキープし、リファレンスレベルとセンス信号ほぼ同じレベルでキープされ、モータ111に供給される出力電流は設定電流値でキープされる。
このように、図5に示すように、リファレンスレベルがセンス信号よりも大きい場合には、+補正を行う。すなわち、PWMコンパレータ104の+入力端子に入力されるリファレンス信号を所定のレベルだけ上げる。一方、リファレンスレベルがセンス信号よりも小さい場合には、−補正を行う。すなわち、PWMコンパレータ104の+入力端子に入力されるリファレンス信号を所定のレベルだけ下げる。常時補正回路110は、上記の動作を常時行う。
シミュレーション結果1.
次に、上記の構成を有する電流制御回路100の第1のシミュレーション結果を図6に示す。ここでは、VM=5V、負荷R=20Ω、L=3mHの条件でシミュレーションを行った。また、設定電流値は、0.5secごとに50mA、100mA、150mA、200mAに順次変化するように設定した。図6中破線は従来の電流補正回路での出力電流値を示しており、実線は本発明に係る電流補正回路での出力電流値を示している。
図6に示すように、従来の補正では、50mA、100mAでは、適切な補正が成されており、出力電流値は設定電流値と略等しくなっている。しかし、150mA、200mAでは、補正が不十分であり、出力電流値は設定電流値よりも低くなっている。すなわち従来の補正方法は大電流設定に追随できない。しかしながら、本発明の常時補正では、50mAから200mAの全範囲において適切な補正が成されており、出力電流値は設定電流値と略等しくなっている。
なお、本シミュレーション結果においては、常時補正をかけるため、リファレンスレベルが変化した過渡時にも補正がかかり、リファレンスレベル変化時に出力電流にリンギングが発生している。しかし、補正を開始するタイミングを調整する(リファレンスレベル変更してからある時間後に補正開始する)ことで問題なくなる。
シミュレーション結果2.
次に、上記の構成を有する電流制御回路100の第2のシミュレーション結果を図7及び8に示す。ここでは、VM=5V、負荷R=10Ω、L=1mHの条件でシミュレーションを行った。また、設定電流値は、0.2secごとに50mAずつ順次上昇するように設定した。(なお、図7及び8においては、出力電流値はマイナス表示している。)
図7及び8は、本発明の常時補正回路110の入出力信号(A:センス信号、B:リファレンスレベル、C:補正DAC116出力値)を示している。図7に示すように、第1のシミュレーション結果同様、広範囲の設定において出力電流値は設定どおりになる。
図8は、図7における電流設定値200mAから250mAに変更したときの拡大図である。上述の通り、リファレンスレベルBとセンス信号Aがほぼ同じレベルであれば、補正コンパレータ113はH、Lを繰り返し出力する。そして、アップダウンカウンタ115は、カウントアップ、カウントダウンを繰り返す。補正DAC116出力Cは1LSBの上昇、下降を繰り返す。
このため、PWMコンパレータ104の+入力端子に入力されるリファレンス信号はほぼ一定のレベルをキープする。PWMコンパレータ104は一定DutyのPWM信号でHブリッジ回路106の各トランジスタを駆動する。これにより、負荷に対する出力電流は設定電流値でキープされる。つまり、リファレンスレベルとセンス信号ほぼ同じレベルでキープされる。
出力電流波形、センス信号波形が三角状にリプルを持つのは、Hブリッジ回路106がPWM駆動されており、負荷がインダクタンス負荷(モータ)であるからである。ここで、図8のようにリファレンスレベルBを上げ、設定電流値を200mAから250mAに上げる。このとき、リファレンスレベルB>センス信号Aであるので、常時補正回路110において、補正コンパレータ113はアップダウンカウンタ115をアップカウンタとする。そして、補正DAC116からの出力(C)はカウンタ値に応じて上昇し、PWMコンパレータ104の+入力は上昇する。
このため、PWM信号のDutyがアップする。このPWM信号で、Hブリッジ回路106を駆動するため、出力電流が上昇する。そして、出力電流が上昇し、リファレンスレベルBとセンス信号Aがほぼ同じレベルとなれば、再びそこで安定する。つまり、常時補正回路110がリファレンスレベルB=センス信号Aに保つように動作する。このように、リファレンスレベルとセンス信号を常に比較し、それに応じたPWMコンパレータ104の+入力の補正を常に行う。
以上説明したように、本発明によれば、負荷条件、電流設定範囲にかかわらず、常に最適な電流補正を行い、出力電流値を設定電流値とすることができる。
本発明に係る電流制御回路の構成を示す図である。 本発明に係る電流制御回路の一部の構成を示す図である。 本発明に係る電流補正回路の構成を示す図である。 本発明に係る電流補正回路の原理を説明するタイミングチャートである。 本発明に係る電流制御回路の特性を示す図である。 本発明に係る電流補正回路を用いた場合のシミュレーションを示す図である。 本発明に係る電流補正回路を用いた場合のシミュレーションを示す図である。 本発明に係る電流補正回路を用いた場合のシミュレーションを示す図である。 従来の電流制御回路の構成を示す図である。 従来の電流補正回路の構成を示す図である。 従来の電流制御回路の特性を示す図である。
符号の説明
100 電流制御回路
101 三角波発振器
102 リファレンスDAC
103 重畳回路
104 PWMコンパレータ
105 プリドライバ回路
106 Hブリッジ回路
107 電流センシング回路
108 アンプ
109 外付けセンス抵抗
110 常時補正回路
111 モータ
112 センスMOS
113 補正コンパレータ
114 ラッチ回路
115 アップダウンカウンタ
116 補正DAC

Claims (7)

  1. 出力電流を決定するためのリファレンスレベルを発生するリファレンスレベル生成回路と、
    前記リファレンスレベルに基づいてリファレンス信号を生成するリファレンス信号生成回路と、
    複数の半導体素子からなり、前記複数の半導体素子のスイッチング動作により前記出力電流を負荷に対して供給するブリッジ回路と、
    前記ブリッジ回路に流れる電流に基づいてセンス信号を出力する電流センシング回路と、
    前記センス信号と前記リファレンスレベルとの差に基づいて前記リファレンス信号を補正し、前記出力電流を補正する電流補正回路とを備えた電流制御回路であって、
    前記電流補正回路は、
    前記リファレンスレベルと前記センス信号とを比較する補正コンパレータを有し、前記補正コンパレータからの出力に応じて、前記リファレンス信号を補正し、前記出力電流を補正する電流制御回路。
  2. 前記電流補正回路は、
    前記補正コンパレータからの出力に応じてアップ/ダウンをカウントするアップダウンカウンタと、
    前記アップダウンカウンタの出力値に応じて前記リファレンス信号を補正する補正信号生成回路とを備える請求項1に記載の電流制御装置。
  3. 前記電流補正回路は、前記補正コンパレータからの出力をPWM周期に同期して波形整形し、前記アップダウンカウンタに出力するラッチ回路をさらに備える請求項2に記載の電流制御装置。
  4. 三角波信号を生成する三角波発振器と、
    前記電流補正回路により補正された前記リファレンス信号と前記センス信号とを比較するPWMコンパレータと、
    前記PWMコンパレータからの出力に応じた電流を前記負荷に出力するプリドライバをさらに備え、
    前記リファレンス信号生成回路は、前記三角波信号と前記リファレンスレベルとを足し合わせてリファレンス信号を生成する請求項1、2又は3に記載の電流制御回路。
  5. 前記電流センシング回路は、センスMOSFETである請求項1〜4のいずれか1項に記載の電流制御回路。
  6. 前記ブリッジ回路は、前記複数の半導体素子のスイッチング動作により、前記出力電流をモータに対して供給し、前記モータを駆動する請求項1〜5のいずれか1項に記載の電流制御装置。
  7. 前記ブリッジ回路は、Hブリッジ回路である請求項1〜6のいずれか1項に記載の電流制御回路。
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