JP2011130562A - ローサイド電流検出回路 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、入力電源を用いてインダクタ２２に流れる電流を検出するローサイド電流検出回路の提供を目的とする。
【解決手段】本願発明のローサイド電流検出回路は、インダクタ２２及びインダクタ２２のローサイドに直列に接続されＯＮとＯＦＦを繰り返すスイッチング素子２３で入力電源２１からの入力電圧Ｖ_ｉｎを昇圧する昇圧回路２８と、昇圧回路２８のローサイドに直列に接続され、スイッチング素子２３に流れる電流を検出する電流検出回路１１と、電流検出回路１１の検出する電流の平均値を算出する平均値算出回路１５と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、昇圧回路に流れる電流を昇圧回路のローサイドで検出するローサイド電流検出回路に関する。

インダクタ及びインダクタのローサイドに直列に接続されＯＮとＯＦＦを繰り返すスイッチング素子で入力電源からの入力電圧を昇圧する昇圧回路が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

図５に、特許文献１に記載の昇圧回路の概略構成を示す。特許文献１に記載の昇圧回路は、入力電源２１と、インダクタ２２と、スイッチング素子２３と、整流素子２４と、フィルタ２５と、負荷２６と、グランド２７と、を備える。スイッチング素子２３のＯＮとＯＦＦを繰り返すことで、入力電源２１に入力された入力電圧を昇圧する。電流検出回路１１１は、インダクタ２２に流れる電流を検出する。

インダクタ２２のハイサイドに電流検出回路１１１を接続すれば、インダクタ２２に流れる電流を直接的に検出できる。また、スイッチング素子２３のローサイドに電流検出回路１１１を接続すると、スイッチング素子２３のスイッチングノイズの影響で電流が見え難い。そのため、電流検出回路１１１は、インダクタ２２のハイサイドに接続されていた。

特開２００９−２７８８２号公報

しかし、インダクタ２２のハイサイドに電流検出回路１１１を接続すると、入力電源２１よりも高い電圧の電源を増幅回路１１２の電源とする必要がある。そのため、入力電源２１とは別に増幅回路１１２の電源を用意する必要があった。

そこで、本発明は、入力電源２１を用いてインダクタ２２に流れる電流を検出するローサイド電流検出回路の提供を目的とする。

上記目的を達成するために、本願発明のローサイド電流検出回路は、インダクタ及び前記インダクタのローサイドに直列に接続されＯＮとＯＦＦを繰り返すスイッチング素子で入力電源からの入力電圧を昇圧する昇圧回路と、前記昇圧回路のローサイドに直列に接続され、前記スイッチング素子に流れる電流を検出する電流検出回路と、前記電流検出回路の検出する電流の平均値を算出する平均値算出回路と、を備える。

本願発明のローサイド電流検出回路では、前記平均値算出回路は、前記電流検出回路の検出する電流のピーク値を検出して出力するピークホールド回路と、前記ピークホールド回路からのピーク値、前記スイッチング素子のＯＮ時間、前記入力電圧及び前記インダクタのインダクタ値を用いて、前記電流検出回路の検出する電流の平均値を算出する演算部と、を備えてもよい。

本願発明のローサイド電流検出回路では、前記演算部は、前記インダクタの直流重畳特性によって定まるインダクタ値を用いて、前記電流検出回路の検出する電流の平均値を算出してもよい。

本願発明のローサイド電流検出回路では、前記演算部は、前記入力電圧から、前記インダクタと前記スイッチング素子の間の配線抵抗、前記スイッチング素子のＯＮ抵抗及び前記スイッチング素子のローサイドの配線抵抗に起因する電圧を減算し、前記減算後の入力電圧を用いて、前記電流検出回路の検出する電流の平均値を算出してもよい。

本願発明のローサイド電流検出回路では、前記演算部は、１サンプリング前の入力電流を用いて、前記インダクタと前記スイッチング素子の間の配線抵抗、前記スイッチング素子のＯＮ抵抗及び前記スイッチング素子のローサイドの配線抵抗に起因する電圧を算出してもよい。

本願発明のローサイド電流検出回路では、前記演算部は、１から１００サンプリング前の入力電流の平均値を用いて、前記インダクタと前記スイッチング素子の間の配線抵抗、前記スイッチング素子のＯＮ抵抗及び前記スイッチング素子のローサイドの配線抵抗に起因する電圧を算出してもよい。

なお、上記各発明は、可能な限り組み合わせることができる。

本発明によれば、入力電源を用いてインダクタに流れる電流を検出するローサイド電流検出回路を提供することができる。

実施形態１に係るローサイド電流検出回路の一例を示す。 スイッチング素子２３に流れる電流の一例を示す。 インダクタの直流重畳特性の一例を示す。 演算部１４の実行する電流検出方法の一例を示す。 特許文献１に記載の昇圧回路の概略構成を示す。

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

（実施形態１）
図１に、実施形態１に係るローサイド電流検出回路の一例を示す。実施形態に係るローサイド電流検出回路は、入力電源２１と、昇圧回路２８と、整流素子２４と、フィルタ２５と、負荷２６と、グランド２７と、電流検出回路１１と、増幅回路１２と、平均値算出回路１５と、を備える。

昇圧回路２８は、インダクタ２２及びインダクタ２２のローサイドに直列に接続されＯＮとＯＦＦを繰り返すスイッチング素子２３で入力電源２１からの入力電圧Ｖ_ｉｎを昇圧する。スイッチング素子２３は、例えばＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）である。整流素子２４は、例えばダイオードであり、負荷２６からの電流の逆流を防ぐ。フィルタ２５は、例えばローパスフィルタであり、スイッチング素子２３のスイッチング周波数成分を除去する。

図２に、スイッチング素子２３に流れる電流の一例を示す。スイッチング素子２３をＯＮにしたとき、スイッチング素子２３に電流Ｉ_Ｌが流れる。スイッチング素子２３をＯＮにすると、スイッチング素子２３に流れる電流は徐々に増加する。そして、スイッチング素子２３をＯＦＦにしたとき、スイッチング素子２３に流れる電流はＩ_Ｈとなっている。

電流Ｉ_Ｌは、次式で表される。

ここで、Ｖ_ｉｎは入力電源２１の入力電圧であり、Ｌはインダクタ２２のインダクタ値である。

電流検出回路１１は、昇圧回路２８のローサイドに直列に接続され、スイッチング素子２３に流れる電流Ｉを検出する。これにより、電流Ｉ_Ｈを検出する。電流Ｉの検出は、例えば、シャント抵抗を用いてもよいし、ホール素子を用いてもよい。

増幅回路１２は、電流検出回路１１からの出力電流Ｉを増幅して平均値算出回路１５に出力する。

入力電源２１の入力電圧Ｖ_ｉｎ及びインダクタ２２のインダクタ値Ｌは、スイッチング素子２３をスイッチングしても変動することのない既知の数値とすることができる。そのため、式（１）を用いて電流Ｉ_Ｌを求めることができる。

一方、入力電流Ｉ_ｉｎと、電流Ｉ_Ｌと、電流Ｉ_Ｈと、は次の関係を有する。

そこで、平均値算出回路１５は、電流検出回路１１の検出する電流Ｉの平均値を算出する。これにより、入力電流Ｉ_ｉｎを求めることができる。

例えば、平均値算出回路１５は、ピークホールド回路１３と、演算部１４と、を備える。ピークホールド回路１３は、電流検出回路１１の検出する電流Ｉのピーク値を検出して出力する。これにより、電流Ｉ_Ｈを得ることができる。

式（１）及び式（２）を用いると、入力電流Ｉ_ｉｎは次式で表される。

そこで、演算部１４は、ピークホールド回路１３からのピーク値である電流Ｉ_Ｈ、スイッチング素子２３のＯＮ時間ｔ_ＯＮ、入力電源２１の入力電圧Ｖ_ｉｎ及びインダクタ２２のインダクタ値Ｌを式（３）に代入し、電流検出回路１１の検出する電流Ｉの平均値を算出する。これにより、入力電流Ｉ_ｉｎを求めることができる。式（３）を用いることで、演算処理を少なくすることができる。その後、演算部１４でスイッチング素子２３の動作を制御する。

電流検出回路１１は昇圧回路２８のローサイドに当たるスイッチング素子２３とグランド２７の間に直列に接続されている。このため、増幅回路１２の電源に、入力電圧Ｖ_ｉｎの入力電源２１を用いることができる。したがって、入力電源２１を用いてインダクタ２２に流れる入力電流Ｉ_ｉｎを検出するローサイド電流検出回路を提供することができる。トランスなどの別電源が不要となるため、部品点数を削減することができる。

入力電源２１には、昇圧回路２８と共に、昇圧回路２８とは異なる他の回路がさらに接続されることがある。この場合、入力電流Ｉ_ｉｎを検出することで、入力電源２１の過負荷状態を検出し、入力電源２１が過負荷にならないように昇圧回路２８を制御し、他の回路の機能低下を防止することができる。

なお、入力電源２１は、グランド２７に対してプラス電圧を供給するプラス電源であってもよいし、グランド２７に対してマイナス電圧を供給するマイナス電源であってもよい。いずれの場合も、グランド２７側をローサイドといい、入力電源２１側をハイサイドという。

（実施形態２）
実施形態２に係るローサイド電流検出回路は、図１に示すローサイド電流検出回路において、入力電流Ｉ_ｉｎの精度を高める構成を備える。

例えば、演算部１４は、式（３）に代えて、次式を用いて入力電流Ｉ_ｉｎを求める。

ここで、Ｌ_ｄは、インダクタ２２の直流重畳特性によって定まるインダクタ値である。図３に、インダクタの直流重畳特性の一例を示す。インダクタ２２のインダクタ値Ｌは、入力電流Ｉ_ｉｎに応じて異なる。そこで、演算部１４は、インダクタ２２の直流重畳特性によって定まるインダクタ値Ｌ_ｄを用いて、電流検出回路１１の検出する電流Ｉの平均値を算出する。これにより、より正確な入力電流Ｉ_ｉｎを求めることができる。

ここで、Ｒは、入力電源２１からグランド２７までの抵抗である。例えば、入力電源２１の入力電圧Ｖ_ｉｎから、インダクタ２２とスイッチング素子２３の間の配線抵抗、スイッチング素子２３のＯＮ抵抗及びスイッチング素子２３のローサイドの配線抵抗である。電流検出回路１１がローサイドに接続されているため、電流検出回路１１での電圧は、入力電源２１から電流検出回路１１までの抵抗の分だけ低下している。

そこで、演算部１４は、入力電源２１の入力電圧Ｖ_ｉｎから、インダクタ２２とスイッチング素子２３の間の配線抵抗、スイッチング素子２３のＯＮ抵抗及びスイッチング素子２３のローサイドの配線抵抗に起因する電圧（Ｉ_ｉｎ−ｍ・Ｒ）を減算する。これにより、電流検出回路１１での正確な電圧を用いることができる。そして、演算部１４は、減算後の入力電圧（Ｖ_ｉｎ−（Ｉ_ｉｎ−ｍ・Ｒ））を用いて、電流検出回路１１の検出する電流Ｉの平均値を算出する。これにより、より正確な入力電流Ｉ_ｉｎを求めることができる。

ここで、Ｉ_ｉｎ−ｍは、１サンプリング前の入力電流である。入力電流Ｉ_ｉｎは、インダクタ２２の直流重畳特性などに起因して時間的に変動する。そこで、演算部１４は、１サンプリング前の入力電流Ｉ_ｉｎ−ｍを用いて、インダクタ２２とスイッチング素子２３の間の配線抵抗、スイッチング素子２３のＯＮ抵抗及びスイッチング素子２３のローサイドの配線抵抗に起因する電圧（Ｉ_ｉｎ−ｍ・Ｒ）を算出する。これにより、最新の入力電流Ｉ_ｉｎ−ｍを用いて電流検出回路１１での電圧（Ｖ_ｉｎ−（Ｉ_ｉｎ−ｍ・Ｒ））を算出することができる。したがって、より正確な入力電流Ｉ_ｉｎを求めることができる。

図４に、演算部１４の実行する電流検出方法の一例を示す。電流検出方法は、手順Ｓ１０１、手順Ｓ１０２、手順Ｓ１０３及び手順Ｓ１０４を順に有する。

手順Ｓ１０１では、ピークホールド回路１３の出力信号から電流Ｉ_Ｈを検出する。

手順Ｓ１０２では、入力電流Ｉ_ｉｎ−ｍを用いてインダクタ値Ｌ_ｄを求める。ここで、入力電流Ｉ_ｉｎ−ｍは、１サンプリング前の手順Ｓ１０４で保存した入力電流Ｉ_ｉｎ−ｍである。

手順Ｓ１０３では、手順Ｓ１０１で検出した電流Ｉ_Ｈと、手順Ｓ１０２で求めたインダクタ値Ｌ_ｄと、１サンプリング前の手順Ｓ１０４で保存した入力電流Ｉ_ｉｎ−ｍと、演算部１４に予め保存しているＯＮ時間ｔ_ＯＮ、入力電圧Ｖ_ｉｎ及び入力電源２１からグランド２７までの抵抗Ｒを、式（４）に代入する。これにより、入力電流Ｉ_ｉｎを求めることができる。

手順Ｓ１０４では、手順Ｓ１０３で求めた入力電流Ｉ_ｉｎを入力電流Ｉ_ｉｎ−ｍとして保存する。これにより、次のサンプリングの手順Ｓ１０２において、１サンプリング前の入力電流Ｉ_ｉｎ−ｍを用いて電圧（Ｉ_ｉｎ−ｍ・Ｒ）を算出することができる。

ところで、入力電流Ｉ_ｉｎと出力電流Ｉ_ｏｕｔは次の関係を有する。

式（５）の関係に基づき、入力電流Ｉ_ｉｎを用いて出力電流Ｉ_ｏｕｔを求めることができる。

なお、Ｉ_ｉｎ−ｍは、予め定められたサンプリング前の入力電流の平均値であってもよい。予め定められたサンプリングは、１から１００サンプリングのいずれかのサンプリングが好ましい。２サンプリングであってもよいし、８サンプリングであってもよいし、１６サンプリングであってもよいし、１００サンプリングであってもよい。

入力電流Ｉ_ｉｎは、インダクタ２２の直流重畳特性などに起因して時間的に変動する値である。そこで、演算部１４は、式（４）のＩ_ｉｎ−ｍに、１から１００サンプリング前の入力電流Ｉ_ｉｎの平均値を用いる。すなわち、演算部１４は、１から１００サンプリング前の入力電流Ｉ_ｉｎの平均値を用いて、インダクタ２２とスイッチング素子２３の間の配線抵抗、スイッチング素子２３のＯＮ抵抗及びスイッチング素子２３のローサイドの配線抵抗に起因する電圧（Ｉ_ｉｎ−ｍ・Ｒ）を算出する。これにより、現実の入力電流Ｉ_ｉｎに近い入力電流Ｉ_ｉｎ−ｍを用いて電流検出回路１１での電圧を算出することができる。したがって、より正確な入力電流Ｉ_ｉｎを求めることができる。

また、電流検出回路１１と増幅回路１２の間に、ノイズカット用のフィルタを設けてもよい。これにより、より正確な入力電流Ｉ_ｉｎを求めることができる。

本発明は、各種電気部品のパワーセーブ機能に適用することができるため、電子部品・半導体産業及び一般機械産業に利用することができる。

１１：電流検出回路
１２：増幅回路
１３：ピークホールド回路
１４：演算部
１５：平均値算出回路
２１：入力電源
２２：インダクタ
２３：スイッチング素子
２４：整流素子
２５：フィルタ
２６：負荷
２７：グランド
２８：昇圧回路
１１１：電流検出回路
１１２：増幅回路
１１３：演算部

Claims (6)

1. インダクタ及び前記インダクタのローサイドに直列に接続されＯＮとＯＦＦを繰り返すスイッチング素子で入力電源からの入力電圧を昇圧する昇圧回路と、
   前記昇圧回路のローサイドに直列に接続され、前記スイッチング素子に流れる電流を検出する電流検出回路と、
   前記電流検出回路の検出する電流の平均値を算出する平均値算出回路と、
   を備えるローサイド電流検出回路。
2. 前記平均値算出回路は、
   前記電流検出回路の検出する電流のピーク値を検出して出力するピークホールド回路と、
   前記ピークホールド回路からのピーク値、前記スイッチング素子のＯＮ時間、前記入力電圧及び前記インダクタのインダクタ値を用いて、前記電流検出回路の検出する電流の平均値を算出する演算部と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載のローサイド電流検出回路。
3. 前記演算部は、
   前記インダクタの直流重畳特性によって定まるインダクタ値を用いて、前記電流検出回路の検出する電流の平均値を算出することを特徴とする請求項２に記載のローサイド電流検出回路。
4. 前記演算部は、
   前記入力電圧から、前記インダクタと前記スイッチング素子の間の配線抵抗、前記スイッチング素子のＯＮ抵抗及び前記スイッチング素子のローサイドの配線抵抗に起因する電圧を減算し、
   前記減算後の入力電圧を用いて、前記電流検出回路の検出する電流の平均値を算出することを特徴とする請求項２又は３に記載のローサイド電流検出回路。
5. 前記演算部は、
   １サンプリング前の入力電流を用いて、前記インダクタと前記スイッチング素子の間の配線抵抗、前記スイッチング素子のＯＮ抵抗及び前記スイッチング素子のローサイドの配線抵抗に起因する電圧を算出することを特徴とする請求項４に記載のローサイド電流検出回路。
6. 前記演算部は、
   １から１００サンプリング前の入力電流の平均値を用いて、前記インダクタと前記スイッチング素子の間の配線抵抗、前記スイッチング素子のＯＮ抵抗及び前記スイッチング素子のローサイドの配線抵抗に起因する電圧を算出することを特徴とする請求項４に記載のローサイド電流検出回路。

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