JP2017175746A - 電流検出回路及びそれを備えたdcdcコンバータ - Google Patents

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Abstract

【課題】製造コストの増大を抑制することが可能な電流検出回路及びそれを備えたDCDCコンバータを提供すること。
【解決手段】一実施の形態によれば、電流検出回路10は、ソース及びゲートが、駆動回路12のハイサイド側に設けられたトランジスタTr1のソース及びゲートにそれぞれ接続されたトランジスタMN1と、トランジスタTr1のドレイン電圧とトランジスタMN1のドレイン電圧との電位差を増幅するオペアンプA1と、トランジスタMN1に流れる電流が流れる電流経路上に設けられ、ゲートにオペアンプA1の出力電圧が供給されるトランジスタMN2と、を備え、トランジスタMN1に流れる電流の値からトランジスタTr1に流れる電流の値が検出される。
【選択図】図1

Description

本発明は、電流検出回路及びそれを備えたDCDCコンバータに関し、例えば低コスト化が可能な電流検出回路及びそれを備えたDCDCコンバータに関する。
特許文献1には、駆動回路に流れる電流を検出する電流検出回路の構成が開示されている。
具体的には、電流検出回路は、駆動回路のハイサイド側に設けられたNチャネル型のドライブトランジスタに流れる電流を検出する回路であって、ドレイン及びゲートがそれぞれドライブトランジスタのドレイン及びゲートに接続されたセンストランジスタと、センストランジスタのソース電圧とドライブトランジスタのソース電圧との電位差を増幅するオペアンプと、センストランジスタに直列接続され、ゲートにオペアンプの出力電圧が供給されるトランジスタと、を少なくとも有する。
ここで、センストランジスタのゲート−ソース間電圧及びドレイン−ソース間電圧は、それぞれドライブトランジスタのゲート−ソース間電圧及びドレイン−ソース間電圧と同じ値を示す。そのため、センストランジスタには、ドライブトランジスタに流れる電流に比例する電流(例えば1000分の1の電流)が流れる。この電流検出回路は、センストランジスタに流れる電流を検出することによって、駆動回路に流れる電流(より詳しくはドライブトランジスタのドレイン及びソース間に流れる電流)を精度良く検出することができる。
米国特許第6377034号明細書
ここで、特許文献1に開示された電流検出回路の構成では、駆動回路に設けられたドライブトランジスタのスイッチング周波数が高い場合、オペアンプの入力端子に供給される電圧が接地電圧及び入力電圧間を高速に変化することになるため、オペアンプには非常に高速な動作が求められてしまう。そのため、特許文献1に開示された電流検出回路では、高速動作に対応可能な高価なオペアンプが必要になり、その結果、製造コストが増大してしまうという問題があった。その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
一実施の形態によれば、電流検出回路は、第1端子と制御端子とが、駆動回路のハイサイド側に設けられた第1ドライブトランジスタの端子のうち、前記駆動回路の外部に出力電圧が出力される外部出力端子側に設けられた第1端子と、制御端子と、にそれぞれ接続された、前記第1ドライブトランジスタと同一導電型の第1センストランジスタと、前記第1ドライブトランジスタの端子のうち、前記駆動回路の外部から入力電圧が供給される外部入力端子側に設けられた第2端子、の電圧と、前記第1センストランジスタの第2端子の電圧と、の電位差を増幅する第1オペアンプと、前記第1センストランジスタに流れる電流が流れる第1電流経路上に設けられ、制御端子に前記第1オペアンプの出力電圧が供給される第1電流制御トランジスタと、を備え、前記第1センストランジスタに流れる電流の値から前記第1ドライブトランジスタに流れる電流の値が検出される。
また、一実施の形態によれば、電流検出回路は、ソース及びゲートが、駆動回路のハイサイド側に設けられたNチャネル型の第1ドライブトランジスタのソース及びゲートにそれぞれ接続されたNチャネル型の第1センストランジスタと、前記第1ドライブトランジスタのドレイン電圧と、前記第1センストランジスタのドレイン電圧と、の電位差を増幅する第1オペアンプと、前記第1センストランジスタに流れる電流が流れる第1電流経路上に設けられ、ゲートに前記第1オペアンプの出力電圧が供給される第1電流制御トランジスタと、を備え、前記第1センストランジスタに流れる電流の値から前記第1ドライブトランジスタに流れる電流の値が検出される。
前記一実施の形態によれば、製造コストの増大を抑制することが可能な電流検出回路及びそれを備えたDCDCコンバータを提供することができる。
実施の形態1にかかる電流検出回路の構成例を示す図である。 図1に示す電流検出回路が搭載されたDCDCコンバータの構成例を示す図である。 図2に示すDCDCコンバータの動作を示すタイミングチャートである。 図1に示す電流検出回路の第1変形例を示す図である。 図1に示す電流検出回路の第2変形例を示す図である。 図1に示す電流検出回路の第3変形例を示す図である。 実施の形態2にかかる電流検出回路の構成例を示す図である。 図7に示す電流検出回路に設けられた合成部の具体的構成を示す図である。 図8に示す合成部の動作を示すタイミングチャートである。 図7に示す電流検出回路が搭載されたDCDCコンバータの構成例を示す図である。 図10に示すDCDCコンバータの動作を示すタイミングチャートである。 図7に示す電流検出回路の第1変形例を示す図である。 図7に示す電流検出回路の第2変形例を示す図である。 図7に示す電流検出回路の第3変形例を示す図である。 実施の形態3にかかるDCDCコンバータの構成例を示す図である。
以下、図面を参照しつつ、実施の形態について説明する。なお、図面は簡略的なものであるから、この図面の記載を根拠として実施の形態の技術的範囲を狭く解釈してはならない。また、同一の要素には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、応用例、詳細説明、補足説明等の関係にある。また、以下の実施の形態において、要素の数等(個数、数値、量、範囲等を含む)に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。
さらに、以下の実施の形態において、その構成要素(動作ステップ等も含む)は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数等(個数、数値、量、範囲等を含む)についても同様である。
<実施の形態1>
図1は、実施の形態1にかかる電流検出回路10を示すブロック図である。本実施の形態にかかる電流検出回路10は、駆動回路のハイサイド側に設けられたNチャネル型のドライブトランジスタのドレイン−ソース間に流れる電流を検出する回路である。以下、具体的に説明する。
図1に示すように、電流検出回路10は、トランジスタMN1〜MN3,MP1〜MP4と、オペアンプ(第1オペアンプ)A1と、抵抗素子R1と、レギュレータRG1と、を備える。なお、図1には、駆動回路12に設けられた構成要素の一部であるトランジスタTr1、トランジスタTr2及びインダクタL1も示されている。
駆動回路12は、入力電圧Vinを駆動して出力電圧Voutを出力する回路であって、例えばピーク電流モード制御方式が採用された降圧型のDCDCコンバータの出力段に設けられる。
駆動回路12において、トランジスタTr1は、駆動回路12のハイサイド側に設けられたドライブトランジスタ(第1ドライブトランジスタ)であって、高耐圧のNチャネルMOSトランジスタにより構成されている。トランジスタTr2は、駆動回路12のローサイド側に設けられたドライブトランジスタ(第2ドライブトランジスタ)であって、高耐圧のNチャネルMOSトランジスタにより構成されている。
より詳細には、トランジスタTr1では、ドレイン(第2端子)が入力端子INに接続され、ソース(第1端子)がインダクタL1の一端(ノードN1)に接続され、ゲート(制御端子)に制御部(不図示)からのパルス信号P1が供給される。トランジスタTr2では、ドレイン(第2端子)がノードN1に接続され、ソース(第1端子)が接地電圧端子GNDに接続され、ゲート(制御端子)に制御部(不図示)からのパルス信号P2が供給される。なお、入力端子INには、外部から入力電圧Vinが供給され、接地電圧端子GNDには、接地電圧GNDが供給されている。また、インダクタの他端(ノードN2)は、出力端子OUTに接続される。出力端子OUTから、外部(負荷)に向けて出力電圧Voutが出力される。
駆動回路12では、トランジスタTr1,Tr2のオンオフがデッドタイムを挟んで相補的に制御される。例えば、まず、トランジスタTr1がオンし、トランジスタTr2がオフすることにより、入力端子INからトランジスタTr1及びインダクタL1を介して出力端子OUTに向けて電流が流れる。このとき、インダクタL1には、電流エネルギーが蓄えられる。その後、トランジスタTr1がオフし、トランジスタTr2がオンすることにより、入力端子INからトランジスタTr1を介してインダクタL1に向けて流れていた電流が遮断される。インダクタL1は、直前に流れていた電流の電流値を維持しようとして、蓄えた電流エネルギーを出力端子OUTに向けて放出する。それにより、接地電圧端子GNDからトランジスタTr2を介して出力端子OUTに向けて電流が流れる。このような動作を繰り返すことで、駆動回路12は、入力電圧Vinをパルス信号のデューティ比に応じたレベル分だけ降圧した出力電圧Voutを出力する。
電流検出回路10において、トランジスタ(第1センストランジスタ)MN1は、トランジスタTr1と同じく高耐圧のNチャネルMOSトランジスタにより構成される。例えばトランジスタMN1のトランジスタサイズはトランジスタTr1のトランジスタサイズの1/1000倍である。
トランジスタMN1は、入力電圧Vinよりも高い電圧VinXが供給される高電圧端子INXと、トランジスタTr1のソース(ノードN1)と、の間の電流経路(第1電流経路)上に設けられ、ゲートにパルス信号P1が供給される。
オペアンプA1は、入力電圧Vinが低電位側電源電圧として供給され、入力電圧Vinより高い電圧(第1電圧)Vhighが高電位側電源電圧として供給されることにより動作し、トランジスタTr1のドレイン電圧(即ち、入力電圧Vin)とトランジスタMN1のドレイン電圧との電位差を増幅する。
ここで、オペアンプA1は、トランジスタTr1のソース電圧とトランジスタMN1のソース電圧との電位差を増幅するのではなく、トランジスタTr1のドレイン電圧とトランジスタMN1のドレイン電圧との電位差を増幅している。それにより、トランジスタTr1のオンオフが高速に切り替わっている場合でも、オペアンプA1の入力端子に供給される電圧は高速に変化しないため、オペアンプA1に高速な動作が求められることはない。それにより、電流検出回路10は、高速動作に対応可能な高価なオペアンプを用いなくて良いため、製造コストの増大を抑制することができる。
また、オペアンプA1に供給される高電位側電源電圧(電圧Vhigh)及び低電位側電源電圧(入力電圧Vin)の電位差がオペアンプA1を構成する各トランジスタの耐圧以下となるように調整される。具体的には、レギュレータRG1によって生成される電圧Vhighの値を制御することによって調整される。そのため、オペアンプA1は、高耐圧のトランジスタにより構成される場合に限られず、低耐圧のトランジスタにより構成されることも可能である。それにより、オペアンプA1の精度や動作速度を向上させることができる。
オペアンプA1の出力電圧は、トランジスタ(第1電流制御トランジスタ)MN2のゲートに供給される。トランジスタMN2は、低耐圧のNチャネルMOSトランジスタにより構成され、高電圧端子INXとノードN1との間の電流経路上においてトランジスタMN1に直列に設けられている。それにより、トランジスタTr1のドレイン電圧がトランジスタMN1のドレイン電圧にミラーされる。
ここで、トランジスタMN1のゲート−ソース間電圧及びドレイン−ソース間電圧がそれぞれトランジスタTr1のゲート−ソース間電圧及びドレイン−ソース間電圧と同じ値を示す。そのため、トランジスタMN1のドレイン−ソース間には、トランジスタTr1のドレイン−ソース間に流れる電流に比例した電流(本例では1/1000倍の電流)が精度良く流れる。
トランジスタMN3は、高耐圧のNチャネルMOSトランジスタにより構成され、トランジスタMN2に直列に設けられている。また、トランジスタMN3のゲートにはレギュレータRG1からの電圧Vhighが供給される。なお、トランジスタMN3は、トランジスタMN2に耐圧を超える電圧が印加されるのを防ぐために設けられている。したがって、トランジスタMN2が高耐圧のトランジスタにより構成されている場合には、トランジスタMN3は設けられていなくてもよい。
トランジスタMP2は、低耐圧のPチャネルMOSトランジスタにより構成され、トランジスタMN1〜MN3に直列に設けられている。トランジスタMP4は、低耐圧のPチャネルMOSトランジスタにより構成され、トランジスタMP2とは別の電流経路である高電圧端子INXと接地電圧端子GNDとの間の電流経路上に設けられている。また、トランジスタMP4のゲートは、トランジスタMP2のドレイン及びゲートに接続されている。したがって、トランジスタMP4のドレイン−ソース間には、トランジスタMP2のドレイン−ソース間に流れる電流に比例する電流が流れる。つまり、トランジスタMP2,MP4はカレントミラー回路を構成している。
トランジスタMP1は、高耐圧のPチャネルMOSトランジスタにより構成され、トランジスタMP2とともにトランジスタMN1〜MN3に直列に設けられている。トランジスタMP3は、高耐圧のPチャネルMOSトランジスタにより構成され、トランジスタMP4に直列に設けられている。また、トランジスタMP3のゲートは、トランジスタMP1のドレインおよびゲートに接続されている。したがって、トランジスタMP3のドレイン−ソース間には、トランジスタMP1のドレイン−ソース間に流れる電流に比例する電流が流れる。つまり、トランジスタMP1,MP3はカレントミラー回路を構成している。なお、トランジスタMP1,MP3は、それぞれトランジスタMP2,MP4に耐圧を超える電圧が印可されるのを防ぐために設けられている。したがって、トランジスタMP2,MP4が高耐圧のトランジスタにより構成されている場合には、トランジスタMP1,MP3は設けられていなくてもよい。
抵抗素子R1は、トランジスタMP3,MP4に直列に設けられている。ここで、抵抗素子R1には、トランジスタMN1に流れる電流に比例する電流が流れ、トランジスタMN1には、トランジスタTr1に流れる電流に比例する電流が流れる。したがって、抵抗素子R1には、トランジスタTr1に流れる電流に比例する電流が流れることになる。そのため、抵抗素子R1に流れる電流の値と抵抗素子R1の抵抗値とに基づいて生成される電圧(トランジスタMP3のドレインと抵抗素子R1との間のノードN4の電圧)から、トランジスタTr1に流れる電流の値を求めることができる。このノードN4の電圧は、検出結果Vcsとして電流検出回路10の外部に出力される。
このように、本実施の形態にかかる電流検出回路10では、オペアンプA1が、トランジスタTr1のソース電圧とトランジスタMN1のソース電圧との電位差を増幅するのではなく、トランジスタTr1のドレイン電圧とトランジスタMN1のドレイン電圧との電位差を増幅している。それにより、トランジスタTr1のオンオフが高速に切り替わっている場合でも、オペアンプA1の入力端子に供給される電圧は高速に変化しないため、オペアンプA1に高速な動作が求められることはない。それにより、本実施の形態にかかる電流検出回路10は、高速動作に対応可能な高価なオペアンプを用いなくて良いため、製造コストの増大を抑制することができる。
また、本実施の形態にかかる電流検出回路10では、オペアンプA1に供給される高電位側電源電圧(電圧Vhigh)及び低電位側電源電圧(入力電圧Vin)との電位差が、当該オペアンプA1を構成する各トランジスタの耐圧以下となるように調整される。そのため、オペアンプA1は、高耐圧のトランジスタにより構成される場合に限られず、低耐圧のトランジスタにより構成されることも可能である。それにより、オペアンプA1の精度や動作速度を向上させることができる。
(電流検出回路10の適用事例)
図2は電流検出回路10が搭載された降圧型のDCDCコンバータ1の構成例を示す図である。また、図3は、DCDCコンバータ1の動作を示すタイミングチャートである。なお、DCDCコンバータ1には、出力電圧の制御方式の一つであるピーク電流モード制御方式が採用されている。
図2に示すように、DCDCコンバータ1は、電流検出回路10と、駆動回路12と、制御部11と、を備える。駆動回路12は、トランジスタTr1,Tr2と、インダクタL1と、容量素子C1と、抵抗素子R11,R12と、を有する。制御部11は、エラーアンプEA1と、容量素子C2,C3と、抵抗素子R3と、コンパレータCMP1と、ラッチ回路LAT1と、バッファBF1と、インバータINV1と、を有する。
駆動回路12において、容量素子C1は、出力端子OUTと接地電圧端子GNDとの間に設けられている。抵抗素子R11,R12は、出力端子OUTと接地電圧端子GNDとの間に直列に設けられている。なお、抵抗素子R11,R12間のノードN3の電圧Vfbは、出力電圧Voutを抵抗素子R11,R12で分圧したものであって、制御部11にフィードバックされる。駆動回路12のその他の構成については、既に説明した通りである。また、駆動回路12の動作についても、既に説明した通りである。
電流検出回路10は、上述の通り、駆動回路12のハイサイド側に設けられたトランジスタTr1に流れる電流を検出し、検出結果Vcsを出力する。検出結果Vcsは、制御部11にフィードバックされる。
制御部11において、エラーアンプEA1は、基準電圧Vrefと、駆動回路12からフィードバックされた電圧Vfbと、の電位差を増幅し、電圧Vcを生成する。電圧Vcは、エラーアンプEA1の出力端子と接地電圧端子GNDとの間に設けられた容量素子C2や、エラーアンプEA1の出力端子と接地電圧端子GNDとの間に直列に設けられた容量素子C3及び抵抗素子R3等、によって積分される。
例えば、出力電圧Voutが低下して、電圧Vfbが基準電圧Vrefより低くなった場合には、エラーアンプEA1の出力電圧Vcは、電圧Vfb及び基準電圧Vrefの電位差に比例する速さで上昇する。他方、出力電圧Voutが上昇して、電圧Vfbが基準電圧Vrefより高くなった場合には、エラーアンプEA1の出力電圧Vcは、電圧Vfb及び基準電圧Vrefの電位差に比例する速さで低下する。図3の例では、出力電圧Voutと基準電圧Vrefとの電位差が小さいため、エラーアンプEA1の出力電圧Vcは一定の値を示している。
コンパレータCMP1は、エラーアンプEA1の出力電圧(コンパレータCMP1にとっての基準電圧)Vcと、電流検出回路10の検出結果Vcsと、を比較して比較結果VRを出力する。ラッチ回路LAT1では、セット端子Sにクロック信号CLKが供給され、リセット端子RにコンパレータCMP1の比較結果VRが供給され、出力端子Qから信号Vbuckが出力される。バッファBF1は、信号Vbuckをそのままパルス信号P1として出力する。インバータINV1は、信号Vbuckを反転させてパルス信号P2として出力する。
図3を参照すると、トランジスタTr1がオフしている場合、検出結果Vcsの電位が0Vを示すため、コンパレータCMP1はLレベルの比較結果VRを出力する。このとき、ラッチ回路LAT1は、クロック信号CLKの立ち上がりに同期して信号Vbuckを立ち上げる。それにより、トランジスタTr1がオンし、トランジスタTr2がオフする。トランジスタTr1がオンすると、トランジスタTr1のドレイン−ソース間に電流が流れるため、その電流の流れる時間の経過に比例して検出結果Vcsの電位が上昇する。そして、検出結果Vcsが電圧Vcに達すると、コンパレータCMP1は、比較結果VRをLレベルからHレベルに切り替えて出力する。このとき、ラッチ回路LAT1は、比較結果VRの立ち上がりに同期して信号Vbuckを立ち下げる。それにより、トランジスタTr1がオンし、トランジスタTr2がオンする。トランジスタTr1がオフすると、検出結果Vcsの電位が0Vを示すため、コンパレータCMP1の比較結果VRはすぐにHレベルからLレベルに切り替わる。このような動作が繰り返されることにより、DCDCコンバータ1は、入力電圧Vinを所望のレベルに降圧して出力電圧Voutとして出力する。
このDCDCコンバータ1は、例えば車両に搭載される。近年では、車両に搭載されるDCDCコンバータには高速なスイッチング動作が求められているため、高速なスイッチング動作の影響を受けない電流検出回路10の適用は特に有効である。さらに、電流検出回路10は低耐圧トランジスタで構成されたオペアンプA1を用いることで高精度な動作を実現することができるため、この場合、精度のばらつきが小さいことを前提にしてDCDCコンバータ1を設計することが可能である。それにより、DCDCコンバータ1は、ループの帯域を増加させることができる。
続いて、以下では電流検出回路10のいくつかの変形例について説明する。
(電流検出回路10の第1変形例)
図4は、電流検出回路10の第1変形例を電流検出回路10aとして示す図である。
図4に示す電流検出回路10aでは、図1に示す電流検出回路10と比較して、トランジスタMN1のドレインと接地電圧端子GNDとの間に、トランジスタMN1のソースからドレインに流れ込む電流を放出するための電流経路(第3電流経路)がさらに設けられている。
より具体的には、トランジスタMN1のドレインと接地電圧端子GNDとの間に、トランジスタMN1のドレインから接地電圧端子GNDに向けて定電流を流す定電流源(第1定電流源)CC1が設けられている。電流検出回路10aのその他の構成については、電流検出回路10の場合と同様であるため、その説明を省略する。
ここで、オペアンプA1のオフセット電圧の影響により、トランジスタMN1のドレイン電圧がソース電圧よりも低くなってしまう場合がある。仮にトランジスタMN1のソースからドレインに流れ込む電流を放出するための電流経路が設けられていなければ、トランジスタMN1のソースからドレインに電流が流れなくなってしまうため、オフセット電圧を考慮した電流検出ができなくなってしまう。
それに対し、電流検出回路10aは、トランジスタMN1のソースからドレインに流れ込む電流を放出するための電流経路を設けている。それにより、電流検出回路10aは、オフセット電圧の影響でトランジスタMN1のドレイン電圧がソース電圧よりも低い場合でも、トランジスタMN1のソースからドレインに電流を流すことができるため、オフセット電圧を考慮した電流検出を行うことができる。
(電流検出回路10の第2変形例)
図5は、電流検出回路10の第2変形例を電流検出回路10bとして示す図である。
図5に示す電流検出回路10bは、図1に示す電流検出回路10と比較して、抵抗素子(第1抵抗素子)R2及びスイッチ素子(第1スイッチ素子)SW1をさらに備える。
抵抗素子R2及びスイッチ素子SW1は、オペアンプA1の2つの入力端子間に直列に設けられている。スイッチ素子SW1のオンオフは、パルス信号P1の反転信号P1Bによって制御される。つまり、スイッチ素子SW1は、トランジスタTr1,MN1と相補的にオンオフが制御される。例えば、抵抗素子R2の抵抗値は、トランジスタMN1のオン時の抵抗値と同じ値を示す。電流検出回路10bのその他の構成については、電流検出回路10の場合と同様であるため、その説明を省略する。
ここで、トランジスタMN1がオフしても、スイッチ素子SW1がオンするため、オペアンプA1に対する抵抗素子による負荷が一定に保たれる。それにより、電流検出回路10bは、トランジスタMN1のオンオフ切り替え後のオペアンプA1のセトリング時間を抑制することができるため、高速動作を実現することができる。
なお、抵抗素子R2及びスイッチ素子SW1の代わりに、トランジスタMN1と相補的にオンオフが制御されるトランジスタが設けられてもよい。このトランジスタは、例えばトランジスタMN1と同じサイズの高耐圧のNチャネルMOSトランジスタにより構成される。
(電流検出回路10の第3変形例)
図6は、電流検出回路10の第3変形例を電流検出回路10cとして示す図である。
図6に示す電流検出回路10cは、図1に示す電流検出回路10と比較して、トランジスタMN1のドレインと接地電圧端子GNDとの間に定電流源CC1を含む電流経路をさらに備えるとともに、オペアンプA1の2つの入力端子間に直列に設けられた抵抗素子R2及びスイッチ素子SW1をさらに備える。つまり、電流検出回路10cは、電流検出回路10aにおいて追加された構成要素と、電流検出回路10bにおいて追加された構成要素と、を共に備える。
それにより、電流検出回路10cは、オフセット電圧の影響でトランジスタMN1のドレイン電圧がソース電圧よりも低い場合でも、トランジスタMN1のソースからドレインに電流を流すことができるため、オフセット電圧を考慮した電流検出を行うことができる。また、電流検出回路10cは、トランジスタMN1のオンオフ切り替え後のオペアンプA1のセトリング時間を抑制することができるため、高速動作を実現することができる。
<実施の形態2>
図7は、実施の形態2にかかる電流検出回路20の構成例を示す図である。本実施の形態にかかる電流検出回路20は、駆動回路のハイサイド側に設けられたトランジスタTr1に流れる電流を検出するとともに、駆動回路のローサイド側に設けられたトランジスタTr2に流れる電流を検出することで、インダクタL1に流れる電流を検出している。以下、具体的に説明する。
図7に示すように、電流検出回路20は、トランジスタMN1〜MN5,MP1〜MP8と、オペアンプA1,A2と、合成部MX1と、抵抗素子R2と、スイッチ素子SW1と、定電流源CC1と、レギュレータRG1と、を備える。なお、図7には、駆動回路22に設けられた構成要素の一部であるトランジスタTr1、トランジスタTr2及びインダクタL1も示されている。
駆動回路22は、入力電圧Vinを駆動して出力電圧Voutを出力する回路であって、例えば平均電流モード制御方式が採用された昇降圧型のDCDCコンバータの出力段に設けられる。駆動回路22におけるトランジスタTr1,Tr2及びインダクタL1の構成については、駆動回路12におけるトランジスタTr1,Tr2及びインダクタL1の構成と同様であるため、その説明を省略する。
電流検出回路20の回路構成のうち、駆動回路22のハイサイド側に設けられたトランジスタTr1に流れる電流を検出する回路の構成については、電流検出回路10cの構成と同様である。そのため、以下では、電流検出回路20の回路構成のうち、駆動回路22のローサイド側に設けられたトランジスタTr2に流れる電流を検出する回路の構成について説明する。
電流検出回路20において、トランジスタ(第2センストランジスタ)MN4は、トランジスタTr2と同じく高耐圧のNチャネルMOSトランジスタにより構成される。例えばトランジスタMN4のトランジスタサイズはトランジスタTr2のトランジスタサイズの1/1000倍である。
トランジスタMN4は、電源電圧VDDが供給される電源電圧端子(以下、電源電圧端子VDD)と、トランジスタTr2のドレイン(ノードN1)と、の間の電流経路(第2電流経路)上に設けられ、ゲートにパルス信号P2が供給される。
オペアンプ(第2オペアンプ)A2は、トランジスタTr2のソース電圧(即ち、接地電圧GND)とトランジスタMN4のソース電圧との電位差を増幅する。なお、オペアンプA2は、低耐圧のトランジスタにより構成されている。
ここで、オペアンプA2は、トランジスタTr2のドレイン電圧とトランジスタMN4のドレイン電圧との電位差を増幅するのではなく、トランジスタTr2のソース電圧とトランジスタMN4のソース電圧との電位差を増幅している。それにより、トランジスタTr2のオンオフが高速に切り替わっている場合でも、オペアンプA2の入力端子に供給される電圧が高速に変化しないため、オペアンプA2に高速な動作が求められることはない。それにより、電流検出回路20は、高速動作に対応可能な高価なオペアンプを用いなくて良いため、製造コストの増大を抑制することができる。
オペアンプA2の出力電圧は、トランジスタ(第2電流制御トランジスタ)MN5のゲートに供給される。トランジスタMN5は、低耐圧のNチャネルMOSトランジスタにより構成され、電源電圧端子VDDとノードN1との間の電流経路上においてトランジスタMN4に直列に設けられている。それにより、トランジスタTr2のソース電圧がトランジスタMN4のソース電圧にミラーされる。
ここで、トランジスタMN4のゲート−ソース間電圧及びドレイン−ソース間電圧がそれぞれトランジスタTr2のゲート−ソース間電圧及びドレイン−ソース間電圧と同じ値を示す。そのため、トランジスタMN4のドレイン−ソース間には、トランジスタTr2のドレイン−ソース間に流れる電流に比例した電流(本例では1/1000倍の電流)が精度良く流れる。
トランジスタMP5,MP6は、何れも低耐圧のPチャネルMOSトランジスタにより構成され、トランジスタMN5に直列に設けられている。トランジスタMP7,MP8は、何れも低耐圧のPチャネルMOSトランジスタにより構成され、トランジスタMP5,MP6とは別の電流経路である電源電圧端子VDDと合成部MX1との間の電流経路上に直列に設けられている。また、トランジスタMP5,MP7のそれぞれのゲートには、バイアス電圧Vbiasが供給される。さらに、トランジスタMP8のゲートは、トランジスタMP6のゲート及びトランジスタMP5のドレインに接続されている。したがって、トランジスタMP7,MP8には、トランジスタMP5,MP6に流れる電流に比例する電流が流れる。つまり、トランジスタMP5〜MP8はカレントミラー回路を構成している。
合成部MX1は、トランジスタMP3,MP4に流れる電流(ノードN4の電流)と、トランジスタMP7,MP8に流れる電流(ノードN5の電流)と、を合成した電流を電圧に変換して検出結果Vcsとして出力する。
(合成部MX1の具体的構成例)
図8は、合成部MX1の具体的構成を示す図である。
図8に示すように、合成部MX1は、スイッチ素子SW21〜SW25と、抵抗素子R21〜R23と、容量素子C21と、を備える。なお、抵抗素子R21〜R23の抵抗値は同じ値を示すものとする。
スイッチ素子SW21及び抵抗素子R21は、トランジスタMP7のドレイン(ノードN5)と接地電圧端子GNDとの間に直列に設けられている。スイッチ素子SW21のオンオフは、パルス信号P2の反転信号P2Bによって制御される。スイッチ素子SW22は、ノードN5と、合成部MX1の出力端子(ノードN6)と、の間に設けられている。スイッチ素子SW22のオンオフは、パルス信号P2によって制御される。スイッチ素子SW23は、ノードN4とノードN6との間に設けられている。スイッチ素子SW23のオンオフは、パルス信号P1によって制御される。抵抗素子R22及びスイッチ素子SW25は、ノードN6と接地電圧端子GNDとの間に直列に設けられている。スイッチ素子SW25のオンオフは、パルス信号PSLによって制御される。スイッチ素子SW24及び抵抗素子R23は、トランジスタMP3のドレイン(ノードN4)と接地電圧端子GNDとの間に直列に設けられている。スイッチ素子SW24のオンオフは、パルス信号P1の反転信号P1Bによって制御される。容量素子C21は、ノードN6と接地電圧端子GNDとの間に設けられている。
図9は、合成部MX1のスイッチング動作を示すタイミングチャートである。
図9に示すように、パルス信号P1は、パルス信号P2が立ち下がった後、所定期間(デッドタイムと称す)経過後に立ち上がる。同様に、パルス信号P2は、パルス信号P1が立ち下がった後、デッドタイム経過後に立ち上がる。それにより、トランジスタTr1,Tr2が瞬間的に同時にオンするのを防ぐことができる。
パルス信号P1,P2は、デッドタイムを挟んで相補的にHレベル及びLレベルが切り替わっている。パルス信号P1B,P2Bは、それぞれパルス信号P1,P2の反転信号である。パルス信号PSLは、デッドタイム期間中にLレベルを示し、それ以外ではHレベルを示す。
例えば、パルス信号P1がHレベルを示し、パルス信号P2がLレベルを示す場合、トランジスタTr1に電流が流れ、トランジスタTr2に電流が流れない。そのため、ノードN4から合成部MX1に電流が供給され、ノードN5から合成部MX1に電流が供給されない。ここで、合成部MX1では、スイッチ素子SW21,SW23,SW25がオンし、スイッチ素子SW22,SW24がオフしている。そのため、ノードN4から供給された電流は、スイッチ素子SW23、抵抗素子R22及びスイッチ素子SW25を介して、接地電圧端子GNDに流れる。そして、抵抗素子R22に流れるノードN4からの電流の値と抵抗素子R22の抵抗値とに基づいて生成されるノードN6の電圧が、検出結果Vcsとして出力される。
なお、スイッチ素子SW21がオンしているため、電流が流れていないノードN5には、抵抗素子R21が接続された状態となっている。そのため、次回スイッチ素子SW21がオフしてスイッチ素子SW22がオンした場合でも、ノードN5に対する抵抗素子による負荷を一定にすることができる。
また、例えば、パルス信号P2がHレベルを示し、パルス信号P1がLレベルを示す場合、トランジスタTr2に電流が流れ、トランジスタTr1に電流が流れない。そのため、ノードN5から合成部MX1に電流が供給され、ノードN4から合成部MX1に電流が供給されない。ここで、合成部MX1では、スイッチ素子SW22,SW24,SW25がオンし、スイッチ素子SW21,SW23がオフしている。そのため、ノードN5から供給された電流は、スイッチ素子SW22、抵抗素子R22及びスイッチ素子SW25を介して、接地電圧端子GNDに流れる。そして、抵抗素子R22に流れるノードN5からの電流の値と抵抗素子R22の抵抗値とに基づいて生成されるノードN6の電圧が、検出結果Vcsとして出力される。
なお、スイッチ素子SW24がオンしているため、電流が流れていないノードN4には、抵抗素子R23が接続された状態となっている。そのため、次回スイッチ素子SW24がオフしてスイッチ素子SW23がオンした場合でも、ノードN4に対する抵抗素子による負荷を一定にすることができる。
このように、本実施の形態にかかる電流検出回路20では、電流検出回路10の場合と同様に、オペアンプA1がトランジスタTr1のドレイン電圧とトランジスタMN1のドレイン電圧との電位差を増幅している。それにより、トランジスタTr1のオンオフが高速に切り替わっている場合でも、オペアンプA1の入力端子に供給される電圧が高速に変化しないため、オペアンプA1に高速な動作が求められることはない。また、本実施の形態にかかる電流検出回路20では、オペアンプA2がトランジスタTr2のソース電圧とトランジスタMN4のソース電圧との電位差を増幅している。それにより、トランジスタTr2のオンオフが高速に切り替わっている場合でも、オペアンプA2の入力端子に供給される電圧が高速に変化しないため、オペアンプA2に高速な動作が求められることはない。それにより、電流検出回路20は、オペアンプA1,A2に高価なオペアンプを用いなくて良いため、製造コストの増大を抑制することができる。
また、本実施の形態にかかる電流検出回路20では、電流検出回路10の場合と同様に、オペアンプA1に供給される高電位側電源電圧(電圧Vhigh)と低電位側電源電圧(入力電圧Vin)との電位差が、当該オペアンプA1を構成する各トランジスタの耐圧以下となるように調整される。そのため、オペアンプA1は、高耐圧のトランジスタにより構成される場合に限られず、低耐圧のトランジスタにより構成されることも可能である。それにより、オペアンプA1の精度や動作速度を向上させることができる。なお、オペアンプA2は、低耐圧のトランジスタにより構成されているため、高精度かつ高速な動作が可能である。
本実施の形態では、電流検出回路20の回路構成のうちトランジスタTr1に流れる電流を検出する回路の構成が、電流検出回路10cの構成と同様である場合を例に説明したが、これに限られない。電流検出回路20の回路構成のうちトランジスタTr1に流れる電流を検出する回路の構成は、電流検出回路10、10a,10bの何れかの構成と同様であってもよい。
(電流検出回路20の適用事例)
図10は、電流検出回路20が搭載された昇降圧型のDCDCコンバータ2の構成例を示す図である。また、図11は、DCDCコンバータ2の動作を示すタイミングチャートである。なお、DCDCコンバータ2には、出力電圧の制御方式の一つである平均電流モード制御方式が採用されている。
図10に示すように、DCDCコンバータ2は、電流検出回路20と、駆動回路22と、制御部21と、を備える。駆動回路22は、トランジスタTr1〜Tr4と、インダクタL1と、容量素子C1と、抵抗素子R11,R12と、を有する。制御部21は、エラーアンプEA1,EA2と、容量素子C2〜C5と、抵抗素子R3,R5と、レベルダウン回路LD1と、コンパレータCMP21,CMP22と、バッファBF1,BF2と、インバータINV1,IVN2と、を有する。
駆動回路22において、トランジスタ(第3ドライブトランジスタ)Tr3は、インダクタL1の他端(ノードN2)と出力端子OUTとの間に設けられ、ゲートに制御部21からのパルス信号P3が供給される。トランジスタTr4(第4ドライブトランジスタ)は、インダクタL1の他端と接地電圧端子GNDとの間に設けられ、ゲートに制御部21からのパルス信号P4が供給される。駆動回路22のその他の構成については、駆動回路12の場合と同様であるため、その説明を省略する。
駆動回路22の降圧動作では、トランジスタTr3がオンに固定され、トランジスタTr4がオフに固定されたうえで、トランジスタTr1,Tr2のオンオフがデッドタイムを挟んで相補的に制御される。
駆動回路22の降圧動作では、まず、トランジスタTr1がオンし、トランジスタTr2がオフすることにより、入力端子INからトランジスタTr1及びインダクタL1を介して出力端子OUTに向けて電流が流れる。このとき、インダクタL1には、電流エネルギーが蓄えられる。その後、トランジスタTr1がオフし、トランジスタTr2がオンすることにより、入力端子INからトランジスタTr1を介してインダクタL1に向けて流れていた電流が遮断される。インダクタL1は、直前に流れていた電流の電流値を維持しようとして、蓄えた電流エネルギーを出力端子OUTに向けて放出する。それにより、接地電圧端子GNDからトランジスタTr2を介して出力端子OUTに向けて電流が流れる。このような動作を繰り返すことで、駆動回路22は、入力電圧Vinをパルス信号P1,P2のデューティ比に応じたレベル分だけ降圧した出力電圧Voutを出力する。
また、駆動回路22の昇圧動作では、トランジスタTr1がオンに固定され、トランジスタTr2がオフに固定されたうえで、トランジスタTr3,Tr4のオンオフがデッドタイムを挟んで相補的に制御される。
駆動回路22の昇圧動作では、まず、トランジスタTr4がオンし、トランジスタTr3がオフすることにより、入力端子INからインダクタL1及びトランジスタTr4を介して接地電圧端子GNDに向けて電流が流れる。このとき、インダクタL1には、電流エネルギーが蓄えられる。その後、トランジスタTr4がオフし、トランジスタTr3がオンすることにより、インダクタL1からトランジスタTr4を介して接地電圧端子GNDに向けて流れていた電流が遮断される。インダクタL1は、直前に流れていた電流の電流値を維持しようとして、蓄えた電流エネルギーを出力端子OUTに向けて放出する。このような動作を繰り返すことで、駆動回路22は、入力電圧Vinをパルス信号P3,P4のデューティ比に応じたレベル分だけ昇圧した出力電圧Voutを生成する。
さらに、駆動回路22の昇降圧動作では、上記した昇圧及び降圧の動作が組み合わせて行われる。
電流検出回路20は、上述の通り、駆動回路22のハイサイド側に設けられたトランジスタTr1に流れる電流を検出するとともに、駆動回路22のローサイド側に設けられたトランジスタTr2に流れる電流を検出することで、インダクタL1に流れる電流を検出し、検出結果Vcsを出力する。この検出結果Vcsは、制御部21にフィードバックされる。
制御部21において、エラーアンプEA1は、基準電圧Vrefと、駆動回路22からフィードバックされた電圧Vfbと、の電位差を増幅し、電圧Vcを生成する。電圧Vcは、エラーアンプEA1の出力端子と接地電圧端子GNDとの間に設けられた容量素子C2や、エラーアンプEA1の出力端子と接地電圧端子GNDとの間に直列に設けられた容量素子C3及び抵抗素子R3等、によって積分される。
例えば、出力電圧Voutが低下して、電圧Vfbが基準電圧Vrefより低くなった場合には、エラーアンプEA1の出力電圧Vcは、電圧Vfb及び基準電圧Vrefの電位差に比例する速さで上昇する。他方、出力電圧Voutが上昇して、電圧Vfbが基準電圧Vrefより高くなった場合には、エラーアンプEA1の出力電圧Vcは、電圧Vfb及び基準電圧Vrefの電位差に比例する速さで低下する。図11の例では、出力電圧Voutと基準電圧Vrefとの電位差が小さいため、エラーアンプEA1の出力電圧Vcは一定の値を示している。
エラーアンプEA2は、エラーアンプEA1の出力電圧(エラーアンプEA2にとっての基準電圧)Vcと、電流検出回路20の検出結果Vcsと、の電位差を増幅し、電圧VR1を生成する。電圧VR1は、エラーアンプEA2の出力端子と接地電圧端子GNDとの間に設けられた容量素子C4や、エラーアンプEA2の出力端子と接地電圧端子GNDとの間に直列に設けられた容量素子C5及び抵抗素子R5等、によって積分される。
例えば、インダクタL1に流れる電流が低下して、検出結果Vcsが電圧Vcより低くなった場合には、エラーアンプEA2の出力電圧VR1は、検出結果Vcs及び電圧Vcの電位差に比例する速さで上昇する。他方、インダクタL1に流れる電流が増加して、検出結果Vcsが電圧Vcより高くなった場合には、エラーアンプEA2の出力電圧VR1は、検出結果Vcs及び電圧Vcの電位差に比例する速さで低下する。図11の例では、検出結果Vcsの緩やかな上昇に伴って、エラーアンプEA2の出力電圧VR1は上昇速度を弱めながら緩やかに上昇している。
レベルダウン回路LD1は、電圧VR1を所定電圧だけ低下させて電圧VR2として出力する。
コンパレータCMP21は、電圧VR1と三角波Vrrとを比較して比較結果Vbuckを出力する。バッファBF1は、比較結果Vbuckをそのままパルス信号P1として出力する。インバータINV1は、比較結果Vbuckを反転させてパルス信号P2として出力する。
コンパレータCMP22は、電圧VR2と三角波Vrrとを比較して比較結果Vboostを出力する。インバータINV2は、比較結果Vboostを反転させてパルス信号P3として出力する。バッファBF2は、比較結果Vboostをそのままパルス信号P4として出力する。
ここで、図11を参照すると、トランジスタTr1がオンし、かつ、トランジスタTr2がオフしている場合、インダクタL1に流れる電流が増加するため、電流検出回路20の検出結果Vcsが上昇する。他方、トランジスタTr2がオンし、かつ、トランジスタTr1がオフしている場合、インダクタL1に流れる電流が減少するため、電流検出回路20の検出結果Vcsが低下する。この検出結果Vcsは、上昇及び低下を繰り返しながら全体としては緩やかに上昇している。それに伴い、エラーアンプEA2の出力電圧VR1及び電圧VR2は上昇速度を弱めながら緩やかに上昇している。
図11の例では、三角波Vrrが電圧VR1の付近を上下しており、電圧VR2よりも常に高い値を示している。したがって、コンパレータCMP21の比較結果VbuckはHレベル及びLレベルの切り替わりを繰り返すのに対し、コンパレータCMP22の比較結果VboostはLレベルに固定されている。つまり、図11の例では、昇圧動作は行われておらず、降圧動作のみが行われている。
例えば、電圧VR1が三角波Vrrより高い場合には、コンパレータCMP21がHレベルの比較結果Vbuckを出力するため、トランジスタTr1はオンし、トランジスタTr2はオフする。それにより、インダクタL1に流れる電流が増加するため、その電流の流れる時間の経過に比例して検出結果Vcsの電位が上昇する。他方、電圧VR1が三角波Vrr以下の場合には、コンパレータCMP21がLレベルの比較結果Vbuckを出力するため、トランジスタTr1はオフし、トランジスタTr2はオンする。それにより、インダクタL1に流れる電流が減少するため、その電流の流れる時間の経過に比例して検出結果Vcsの電位が低下する。このような動作が繰り返されることにより、DCDCコンバータ2は、入力電圧Vinを所望のレベルに降圧(又は昇圧)して出力電圧Voutとして出力する。
このDCDCコンバータ2は、例えば車両に搭載される。近年では、車両に搭載されるDCDCコンバータには高速なスイッチング動作が求められているため、高速なスイッチング動作の影響を受けない電流検出回路20の適用は特に有効である。さらに、電流検出回路20は低耐圧トランジスタで構成されたオペアンプA1,A2を用いることで高精度な動作を実現することができるため、この場合、精度のばらつきが小さいことを前提にしてDCDCコンバータ2を設計することが可能である。それにより、DCDCコンバータ2は、ループの帯域を増加させることができる。
続いて、以下では電流検出回路20のいくつかの変形例について説明する。
(電流検出回路20の第1変形例)
図12は、電流検出回路20の第1変形例を電流検出回路20aとして示す図である。
図12に示す電流検出回路20aでは、図10に示す電流検出回路20と比較して、オペアンプA2の2つの入力端子のうち接地電圧端子GNDに接続される一方の入力端子に対して、接地電圧GNDより高い電圧を供給する電圧供給部がさらに設けられている。
電圧供給部は、トランジスタMN6及び定電流源(第2定電流源)CC2を有する。
トランジスタMN6は、例えばトランジスタMN4と同じサイズの高耐圧のNチャネルMOSトランジスタにより構成されている。トランジスタMN6は、オペアンプA2の一方の入力端子(非反転入力端子)と、接地電圧端子GNDと、の間に設けられ、ゲートに電源電圧VDDが供給されることで常にオンした状態となっている。つまり、トランジスタMN6は、抵抗素子(第2抵抗素子)として機能する。
定電流源CC2は、電源電圧端子VDDと、オペアンプA2の一方の入力端子と、の間に設けられ、オペアンプA2の一方の入力端子に定電流を供給する。それにより、オペアンプA2の一方の入力端子には、接地電圧GNDよりも所定電圧高い電圧が供給される。電流検出回路20aのその他の構成については、電流検出回路20の場合と同様であるため、その説明を省略する。
ここで、オペアンプA2のオフセット電圧の影響により、本来であればトランジスタMN4のソース電圧がドレイン電圧よりも低くなるはずの場合がある。しかしながら、仮に電圧供給部が設けられていなければ、オペアンプA2の他方の入力端子(反転入力端子)の電圧は、一方の入力端子(非反転入力端子)に供給される接地電圧GNDよりも低いマイナスの電圧になることができないため、トランジスタMN4のソース電圧が想定されるよりも低くならず、その結果、オフセット電圧の影響を考慮した電流検出ができなくなってしまう。
それに対し、電流検出回路20aは、電圧供給部を用いてオペアンプA2の一方の入力端子に接地電圧GNDよりも高い電圧を供給している。それにより、電流検出回路20aは、オフセット電圧の影響に応じて想定通りにトランジスタMN4のソース電圧をドレイン電圧よりも低くすることができるため、オフセット電圧を考慮した電流検出を行うことができる。
(電流検出回路20の第2変形例)
図13は、電流検出回路20の第2変形例を電流検出回路20bとして示す図である。
図13に示す電流検出回路20bは、図7に示す電流検出回路20と比較して、トランジスタ(スイッチトランジスタ)MN7をさらに備える。
トランジスタMN7は、例えばトランジスタMN4と同じサイズの高耐圧のNチャネルMOSトランジスタにより構成されている。トランジスタMN7は、オペアンプA2の2つの入力端子間に設けられている。トランジスタMN7のオンオフは、パルス信号P2の反転信号P2Bによって制御される。つまり、トランジスタMN7は、トランジスタTr2,MN4と相補的にオンオフが制御される。なお、トランジスタMN7のオン時の抵抗値は、トランジスタMN4のオン時の抵抗値と同じ値を示す。電流検出回路20bのその他の構成については、電流検出回路20の場合と同様であるため、その説明を省略する。
ここで、トランジスタMN4がオフしても、トランジスタMN7がオンするため、オペアンプA2に対する抵抗素子による負荷が一定に保たれる。それにより、電流検出回路20bは、トランジスタMN4のオンオフ切り替え後のオペアンプA2のセトリング時間を抑制することができるため、高速動作を実現することができる。
(電流検出回路20の第3変形例)
図14は、電流検出回路20の第3変形例を電流検出回路20cとして示す図である。
図14に示す電流検出回路20cは、図7に示す電流検出回路20と比較して、オペアンプA2の一方の入力端子に接地電圧GNDより高い電圧を供給する電圧供給部をさらに備えるとともに、オペアンプA2の2つの入力端子間に設けられたトランジスタMN7をさらに備える。つまり、電流検出回路20cは、電流検出回路20aにおいて追加された構成要素と、電流検出回路20bにおいて追加された構成要素と、を共に備える。
それにより、電流検出回路20cは、オフセット電圧の影響に応じて想定通りにトランジスタMN4のソース電圧をドレイン電圧よりも低くすることができるため、オフセット電圧を考慮した電流検出を行うことができる。また、電流検出回路20cは、トランジスタMN4のオンオフ切り替え後のオペアンプA2のセトリング時間を抑制することができるため、高速動作を実現することができる。
<実施の形態3>
本実施の形態では、電流検出回路20の他の適用事例について説明する。
図15は、電流検出回路20が搭載された昇降圧型のDCDCコンバータ3の構成例を示す図である。
図15に示すように、DCDCコンバータ3は、電流検出回路20と、駆動回路22と、制御部31と、を備える。電流検出回路20及び駆動回路22については既に説明した通りであるため、以下では、制御部31について説明する。
制御部31は、PID制御器111と、PI制御器112と、PWM生成部113と、フィルタ115と、昇圧降圧判定部(判定部)116と、減算器117,118と、記憶部119と、乗算器120と、選択回路121と、抵抗素子122と、減算器123と、加算器124と、除算器125と、バッファBF1,BF2と、インバータINV1,INV2と、を備える。
減算器117は、基準電圧Vrefと、駆動回路22からフィードバックされた電圧Vfbと、の差分を差分信号eとして出力する。
PID制御器111は、出力電圧Voutをフィードバック制御する回路であって、減算器117から出力された差分信号eのPID制御(比例制御、積分制御及び微分制御)を行って制御信号Sとして出力する。
なお、PID制御器111において、差分信号eに対する比例制御、積分制御及び微分制御は、それぞれ以下の式(1)、式(2)及び式(3)に基づいて行われる。ここで、KPは基準比例定数、KIは積分定数、KDは微分定数を示し、tは時刻を示す。
比例制御:KP×e(t) ・・・(1)
積分制御:KI×∫e(t)dt ・・・(2)
微分制御:KD×d/dt・e(t) ・・・(3)
そして、PID制御器111は、差分信号eを比例制御、積分制御及び微分制御した結果を加算したうえで、制御信号Sとして出力する。
フィルタ115は、電流検出回路20の検出結果Vcsのノイズ成分を除去する。
減算器118は、PID制御器111から出力された制御信号Sと、電流検出回路20の検出結果Vcsをフィルタ115によってフィルタリングしたものと、の差分を差分信号eiとして出力する。
PI制御器112は、インダクタL1に流れる平均的な電流をフィードバック制御する回路であって、減算器118から出力された差分信号eiのPI制御(比例制御及び積分制御)を行って制御信号Dとして出力する。
ここで、降圧時、即ち、入力電圧Vin≧出力電圧Voutの時、インダクタL1に流れる平均電流は、入力電圧Vinに比例する。したがって、何も対策しなければ、インダクタL1に流れる電流をフィードバック制御するための電流ループの帯域も入力電圧に比例してしまい、電流ループの広帯域化が困難になってしまう。
そこで、発明者は、降圧時に制御信号Dが入力電圧Vinに反比例することに着目し、降圧時、基準比例定数KPに対して制御信号Dを乗じるとともに誤差成分Errを除した比例定数を用いて差分信号eiを比例制御する構成を採用した。それにより、DCDCコンバータ3では、降圧時、電流ループの帯域の入力電圧依存性が相殺されるため、入力電圧Vinのレベルに依らず安定した出力電圧Voutの生成が可能となる。なお、昇圧時には、電流ループの帯域は入力電圧依存性を持たない。
具体的には、昇圧降圧判定部116は、PI制御器112から出力される制御信号Dに基づいて、駆動回路22が昇圧中か降圧中かを判定する。除算器125は、制御信号Dを誤差成分Errで除した結果D/Errを出力する。なお、誤差成分Errは、減算器123により算出された差分信号eと出力電圧Voutの目標電圧Vsetとの差分(Vset−e)と、検出結果Vcsから求められるインダクタL1に流れる電流Ioutとドライブラインの寄生抵抗Rpとにより生成された電圧(Iout×Rp)とを、加算器124を用いて加算した結果である。
乗算器120は、除算器125の出力D/Errと、記憶部119に格納された基準比例定数KPと、を乗算した結果KP×D/Errを出力する。選択回路121は、昇圧降圧判定部116の判定結果に基づいて、基準比例定数KP及び乗算結果KP×D/Errの何れかを選択して出力する。例えば、昇圧降圧判定部116により昇圧中(又は昇降圧中)と判定された場合、選択回路121は、基準比例定数KPを選択して出力する。他方、昇圧降圧判定部116により降圧中と判定された場合、選択回路121は、乗算結果KP×D/Errを選択して出力する。
選択回路121の出力結果は、PI制御器112の比例制御で比例定数として用いられる。即ち、PI制御器112は、昇圧時には、基準比例定数KPを比例定数として用いて差分信号eiを比例制御し、降圧時には、乗算結果KP×D/Errを比例定数として用いて差分信号eiを比例制御する。
なお、PI制御器112において、差分信号eiに対する比例制御及び積分制御は、それぞれ以下の式(4)及び式(5)に基づいて行われる。
比例制御(昇圧時):KP×ei(t)
(降圧時):KP×D/Err×ei(t) ・・・(4)
積分制御:KI×∫ei(t)dt ・・・(5)
そして、PI制御器112は、差分信号eiを比例制御及び積分制御した結果を加算したうえで、制御信号Dとして出力する。
PWM生成部113は、制御信号Dに応じたデューティ比のパルス信号Vbuck,Vboostを生成する。バッファBF1は、パルス信号Vbuckをそのままパルス信号P1として出力する。インバータINV1は、パルス信号Vbuckを反転させてパルス信号P2として出力する。インバータINV2は、パルス信号Vboostを反転させてパルス信号P3として出力する。
このように、本実施の形態に係るDCDCコンバータ3は、降圧時、入力電圧Vinに反比例する制御信号D及び誤差成分Errを乗じた比例定数を用いて差分信号ei(電流ループ)を比例制御する。それにより、DCDCコンバータ3は、降圧時、電流ループの帯域の入力電圧依存性を相殺することができるため、入力電力の全範囲に亘って電流ループを広帯域化することができる。また、電流ループの広帯域化に伴って、出力電圧Voutをフィードバック制御するための電圧ループの広帯域化も可能となる。その結果、DCDCコンバータ3は、入力電圧Vinのレベルに依らず安定した出力電圧Voutを生成することができる。換言すると、Line Transient特性及びLoad Transient特性を向上させることができる。
本実施の形態では、DCDCコンバータ3が昇降圧型である場合を例に説明したが、これに限られず、少なくとも降圧する機能を有していれば良い。
また、PID制御器111は、比例制御及び積分制御のみを行うPI制御器に置き換えられてもよい。
また、PI制御器112は、比例制御及び積分制御に加えて微分制御を行うPID制御器に置き換えられてもよい。
さらに、PI制御器112では、降圧時、D/Errを乗じた比例定数を用いて比例制御が行われるだけでなく、D/Errを乗じた積分定数を用いて積分制御が行われてもよい。さらに、PI制御器112がPID制御器に置き換えられた場合には、降圧時、D/Errを乗じた微分定数を用いて微分制御が行われてもよい。
以上のように、上記実施の形態1〜3にかかる電流検出回路10,20では、オペアンプA1が、トランジスタTr1のソース電圧とトランジスタMN1のソース電圧との電位差を増幅するのではなく、トランジスタTr1のドレイン電圧とトランジスタMN1のドレイン電圧との電位差を増幅している。それにより、トランジスタTr1のオンオフが高速に切り替わっている場合でも、オペアンプA1の入力端子に供給される電圧が高速に変化しないため、オペアンプA1に高速な動作が求められることはない。それにより、上記実施の形態1〜3にかかる電流検出回路10,20は、オペアンプA1に高価なオペアンプを用いなくて良いため、製造コストの増大を抑制することができる。
また、上記実施の形態1〜3にかかる電流検出回路10,20では、オペアンプA1に供給される高電位側電源電圧(電圧Vhigh)及び低電位側電源電圧(入力電圧Vin)との電位差が、当該オペアンプA1を構成する各トランジスタの耐圧以下となるように調整される。そのため、オペアンプA1は、高耐圧のトランジスタにより構成される場合に限られず、低耐圧のトランジスタにより構成されることも可能である。それにより、オペアンプA1の精度や動作速度を向上させることができる。
さらに、上記実施の形態2,3にかかる電流検出回路20では、オペアンプA2がトランジスタTr2のソース電圧とトランジスタMN4のソース電圧との電位差を増幅している。それにより、トランジスタTr2のオンオフが高速に切り替わっている場合でも、オペアンプA2の入力端子に供給される電圧が高速に変化しないため、オペアンプA2に高速な動作が求められることはない。それにより、上記実施の形態2,3にかかる電流検出回路20は、オペアンプA2に高価なオペアンプを用いなくて良いため、製造コストの増大を抑制することができる。
上記実施の形態1〜3では、電流検出回路がDCDCコンバータに搭載される場合を例に説明したが、これに限られず、例えば車両のソレノイドドライバやモータ制御装置に搭載されてもよい。
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は既に述べた実施の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変更が可能であることはいうまでもない。
例えば、上記の実施の形態に係る半導体装置では、半導体基板、半導体層、拡散層(拡散領域)などの導電型(p型もしくはn型)を反転させた構成としてもよい。そのため、n型、及びp型の一方の導電型を第1の導電型とし、他方の導電型を第2の導電型とした場合、第1の導電型をp型、第2の導電型をn型とすることもできるし、反対に第1の導電型をn型、第2の導電型をp型とすることもできる。
1〜3 DCDCコンバータ
10 電流検出回路
10a〜10c 電流検出回路
11 制御部
12 駆動回路
20 電流検出回路
20a〜20c 電流検出回路
21 制御部
22 駆動回路
31 制御部
111 PID制御器
112 PI制御器
113 PWM生成部
115 フィルタ
116 昇圧降圧判定部
117,118 減算器
119 記憶部
120 乗算器
121 選択回路
123 減算器
124 加算器
125 除算器
A1,A2 オペアンプ
BF1,BF2 バッファ
C1〜C5 容量素子
C21 容量素子
CC1,CC2 定電流源
CMP1 コンパレータ
CMP21,CMP22 コンパレータ
EA1,EA2 エラーアンプ
INV1,INV2 インバータ
L1 インダクタ
LAT1 ラッチ回路
LD1 レベルダウン回路
MN1〜MN7 トランジスタ
MP1〜MP8 トランジスタ
MX1 合成部
R1〜R3,R5 抵抗素子
R11,R12 抵抗素子
R21〜R23 抵抗素子
RG1 レギュレータ
Rp 寄生抵抗
SW1 スイッチ素子
SW21〜SW25 スイッチ素子
Tr1〜Tr4 トランジスタ

Claims (18)

  1. 第1端子と制御端子とが、駆動回路のハイサイド側に設けられた第1ドライブトランジスタの端子のうち、前記駆動回路の外部に出力電圧を出力する外部出力端子側に設けられた第1端子と、制御端子と、にそれぞれ接続された、前記第1ドライブトランジスタと同一導電型の第1センストランジスタと、
    前記第1ドライブトランジスタの端子のうち、前記駆動回路の外部から入力電圧が供給される外部入力端子側に設けられた第2端子、の電圧と、前記第1センストランジスタの第2端子の電圧と、の電位差を増幅する第1オペアンプと、
    前記第1センストランジスタに流れる電流が流れる第1電流経路上に設けられ、制御端子に前記第1オペアンプの出力電圧が供給される第1電流制御トランジスタと、を備え、
    前記第1センストランジスタに流れる電流の値から前記第1ドライブトランジスタに流れる電流の値が検出される、電流検出回路。
  2. 前記第1オペアンプは、前記駆動回路の入力電圧が低電位側電源電圧として供給され、前記入力電圧より高い第1電圧が高電位側電源電圧として供給されることにより動作する、請求項1に記載の電流検出回路。
  3. 前記第1電圧と前記入力電圧との差電圧は、前記第1オペアンプを構成するトランジスタの耐圧以下である、請求項2に記載の電流検出回路。
  4. 前記第1電圧を生成するレギュレータをさらに備えた、
    請求項3に記載の電流検出回路。
  5. 前記第1センストランジスタの第1端子から第2端子に流れ込む電流を放出する第3電流経路が前記第1電流経路とは別にさらに設けられている、請求項1に記載の電流検出回路。
  6. 前記第1センストランジスタの第2端子と接地電圧端子との間に設けられた第1定電流源をさらに備えた、
    請求項1に記載の電流検出回路。
  7. 前記第1オペアンプの一方の入力端子と他方の入力端子との間に設けられた第1抵抗素子と、
    前記第1抵抗素子に直列接続され、前記第1センストランジスタと相補的にオンオフが制御される第1スイッチ素子と、
    をさらに備えた、請求項1に記載の電流検出回路。
  8. 前記第1抵抗素子の抵抗値は、前記第1センストランジスタのオン時の抵抗値と略同一である、請求項7に記載の電流検出回路。
  9. 前記駆動回路は、
    ローサイド側に設けられ、パルス信号により前記第1ドライブトランジスタとデッドタイムを挟んで相補的にオンオフが制御される第2ドライブトランジスタと、
    前記第1及び前記第2ドライブトランジスタと前記外部出力端子との間に設けられたインダクタと、をさらに有し、
    前記駆動回路と、
    前記第1ドライブトランジスタに流れる電流の値を検出する請求項1に記載の電流検出回路と、
    前記電流検出回路の検出結果と基準電圧とを比較する第1コンパレータと、
    前記第1コンパレータの比較結果に応じたデューティ比の前記パルス信号を生成するパルス信号生成部と、
    を備えた、DCDCコンバータ。
  10. 前記駆動回路は、
    ローサイド側に設けられ、前記第1ドライブトランジスタとデッドタイムを挟んで相補的にオンオフが制御される第2ドライブトランジスタと、
    前記第1及び前記第2ドライブトランジスタと前記外部出力端子との間に設けられたインダクタと、をさらに有し、
    前記電流検出回路は、
    第2端子と制御端子とが、前記第2ドライブトランジスタの端子のうち、前記外部出力端子側に設けられた第2端子と、制御端子と、にそれぞれ接続された、前記第2ドライブトランジスタと同一導電型の第2センストランジスタと、
    前記第2ドライブトランジスタの端子のうち、接地電圧端子側に設けられた第1端子、の電圧と、前記第2センストランジスタの第1端子の電圧と、の電位差を増幅する第2オペアンプと、
    前記第2センストランジスタに流れる電流が流れる第2電流経路上に設けられ、制御端子に前記第2オペアンプの出力電圧が供給される第2電流制御トランジスタと、をさらに備え、
    前記第1及び前記第2センストランジスタのそれぞれに流れる電流の値から前記インダクタに流れる電流が検出される、請求項1に記載の電流検出回路。
  11. 前記第2オペアンプの2つの入力端子のうち前記第2ドライブトランジスタの第1端子とともに前記接地電圧端子に接続される一方の入力端子に対して、前記接地電圧端子に供給される接地電圧よりも所定電圧高い電圧を供給する電圧供給部をさらに備えた、
    請求項10に記載の電流検出回路。
  12. 前記第2オペアンプの2つの入力端子のうち前記第2ドライブトランジスタの第1端子とともに前記接地電圧端子に接続される一方の入力端子と、前記接地電圧端子と、の間に設けられた第2抵抗素子と、
    前記第2抵抗素子と前記第2オペアンプの一方の入力端子との間に電流を供給する第2定電流源と、
    をさらに備えた、請求項10に記載の電流検出回路。
  13. 前記第2抵抗素子は、前記第2センストランジスタと同一導電型及び同一サイズのオン状態のトランジスタである、請求項12に記載の電流検出回路。
  14. 前記第2オペアンプの一方の入力端子と他方の入力端子との間に設けられ、前記第2センストランジスタと相補的にオンオフが制御されるスイッチトランジスタをさらに備えた、
    請求項10に記載の電流検出回路。
  15. 前記駆動回路は、
    前記インダクタと、
    降圧時に第1パルス信号に基づいてオンオフが制御されることにより、前記外部入力端子から前記インダクタを介して前記外部出力端子に向けて流れる電流を制御する前記第1ドライブトランジスタと、
    降圧時に前記第1ドライブトランジスタとデッドタイムを挟んで相補的にオンオフが制御されることにより、接地電圧端子から前記インダクタを介して前記外部出力端子に向けて流れる電流を制御する前記第2ドライブトランジスタと、
    昇圧時に第2パルス信号に基づいてオンオフが制御されることにより、前記外部入力端子から前記インダクタを介して前記接地電圧端子に向けて流れる電流を制御する第3ドライブトランジスタと、
    昇圧時に前記第3ドライブトランジスタとデッドタイムを挟んで相補的にオンオフが制御されることにより、前記外部入力端子から前記インダクタを介して前記外部出力端子に向けて流れる電流を制御する第4ドライブトランジスタと、
    を有し、
    前記駆動回路と、
    前記インダクタに流れる電流の値を検出する請求項10に記載の電流検出回路と、
    前記電流検出回路の検出結果と基準電圧との差分を増幅するエラーアンプと、
    前記エラーアンプの出力結果に応じたデューティ比の前記第1及び前記第2パルス信号を生成するパルス信号生成部と、
    を備えた、DCDCコンバータ。
  16. ソース及びゲートが、駆動回路のハイサイド側に設けられたNチャネル型の第1ドライブトランジスタのソース及びゲートにそれぞれ接続されたNチャネル型の第1センストランジスタと、
    前記第1ドライブトランジスタのドレイン電圧と、前記第1センストランジスタのドレイン電圧と、の電位差を増幅する第1オペアンプと、
    前記第1センストランジスタに流れる電流が流れる第1電流経路上に設けられ、ゲートに前記第1オペアンプの出力電圧が供給される第1電流制御トランジスタと、を備え、
    前記第1センストランジスタに流れる電流の値から前記第1ドライブトランジスタに流れる電流の値が検出される、電流検出回路。
  17. 前記第1オペアンプは、前記駆動回路の入力電圧が低電位側電源電圧として供給され、前記入力電圧より高い第1電圧が高電位側電源電圧として供給されることにより動作する、請求項16に記載の電流検出回路。
  18. 前記駆動回路は、
    ローサイド側に設けられ、前記第1ドライブトランジスタとデッドタイムを挟んで相補的にオンオフが制御される第2ドライブトランジスタと、
    前記第1及び前記第2ドライブトランジスタと外部出力端子との間に設けられたインダクタと、をさらに有し、
    前記電流検出回路は、
    ドレイン及びゲートが、前記第2ドライブトランジスタのドレイン及びゲートにそれぞれ接続されたNチャネル型の第2センストランジスタと、
    前記第2ドライブトランジスタのソース電圧と、前記第2センストランジスタのソース電圧と、の電位差を増幅する第2オペアンプと、
    前記第2センストランジスタに流れる電流が流れる第2電流経路上に設けられ、ゲートに前記第2オペアンプの出力電圧が供給される第2電流制御トランジスタと、をさらに備え、
    前記第1及び前記第2センストランジスタのそれぞれに流れる電流の値から前記インダクタに流れる電流が検出される、請求項16に記載の電流検出回路。
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