JP2502244B2

JP2502244B2 - 電流制限回路

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Publication number: JP2502244B2
Application number: JP4211143A
Authority: JP
Inventors: スコット・バーク・ケスラー; マーク・ウエンデル・ゴーズ
Original assignee: Delco Electronics LLC
Current assignee: Delco Electronics LLC
Priority date: 1991-08-09
Filing date: 1992-08-07
Publication date: 1996-05-29
Anticipated expiration: 2011-05-29
Also published as: DE69208969D1; DE69208969T2; EP0527516A2; JPH05206749A; EP0527516B1; US5184036A; EP0527516A3

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば、インターフェ
ースドライブのような駆動トランジスタの出力電流を制
限するための回路に関するものである。

【０００２】

【従来技術及び発明が解決しようとする課題】パワート
ランジスタのように、他の種類のトランジスタとインタ
ーフェースするための集積回路は、種々の負荷要求を有
することがあり、出力回路が種々の負荷とインターフェ
ースできることが必要である。例として、このような状
況は、高電位側出力から得られる出力電流を１つまたは
複数の高電位側通路のトランジスタの利得で制限する場
合に生じる。指定された最小特定出力電流を保証するた
めには、最小利得の条件の下で作動するように回路を設
計しなくてはならない。しかしながら、高利得トランジ
スタを用いた場合、出力電流は過剰となる可能性があ
り、結果として電力消費が高いレベルとなり、更に集積
回路（ＩＣ）を損傷する可能性もある。ＩＣの損傷を防
止するためには、出力電流の最大量を制限する手段が必
要である。

【０００３】出力電流を制限する従来の方法は、出力電
流路と直列に配置した電流感知素子を用いていた。この
素子は、典型的に、両端に感知電圧が発生するようにし
た抵抗か、或はカレントミラー構成の一部であるダイオ
ードである。電流感知素子を通過した電流は、電圧降下
を起こし、それが回路で得られる出力電圧から減算する
ようにしている。供給電圧が低い回路では、不要な電圧
低下は望ましいものではない。更に、各出力電流路に電
流感知素子とそれに関連する回路が必要となるので、１
本以上出力電流路がある回路では、余分なシリコン領域
と余分なコストが必要となる。

【０００４】また、電流感知素子を実施するための回路
は、大きな温度係数を有する傾向があり、温度変化に伴
って制限した出力電流に変化が起こる原因となること
も、発見されている。この特性を除去するための温度補
償回路は、更に多くのシリコン領域とコストを必要とす
る。更に、電流感知素子が集積化した抵抗の場合、シリ
コン処理の変動が結果として抵抗値の変動となり、出力
電流制限レベル値の変動をもたらすことになる。

【０００５】本発明は、駆動トランジスタの出力電流を
制限するための改良した回路を提供しようとするもので
ある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の１つの態様によ
れば、請求項１に特定したような回路を提供する。本発
明は、出力電流路に電流感知素子を必要としないインタ
ーフェース駆動回路の出力電流を制限するための回路を
提供できるものである。２本の経路を同時に駆動するの
ではない限り、出力電流路の本数に係わらず、各集積回
路に本発明を基にした回路１つがあればよい。また、各
追加した出力電流路には集積化したダイオード１つのみ
が必要となる。温度補償を望む場合、温度補償回路を、
各集積回路に対して、本発明を基にした回路を用いて実
施することができる。上述の特徴が与えられれば、本発
明は、出力線におけるいかなる不要な電圧降下も除去す
ることができ、必要なシリコン領域、したがって製造コ
ストを徹底的に減少することができ、そして処理変動の
いくつかの危険性を除去することができる。

【０００７】本発明は、供給電圧線内に外部直列抵抗を
用いた集積回路に用いるようにすることができる。外部
抵抗の典型的な用途は、供給電圧レギュレータをクラン
プするための電圧降下としてであり、車両の用途では一
般的なものである。本発明は、外部抵抗を出力電流感知
素子として副次的に用いることができる。外部抵抗は既
に他の電圧クランプに必要なので、それらを感知素子と
して用いると、構成物の数を節約するのに効果的であ
る。

【０００８】好適実施例は、電力供給用外部手段と少な
くとも１つの出力トランジスタとの間に結合された外部
抵抗を備えている。更に、出力トランジスタのベース駆
動とクランプされた集積回路の電圧供給線との間に結合
されたトランジスタを含む、内部手段がある。この内部
手段は、外部抵抗にかかる電圧降下に応答して、出力ト
ランジスタへのベース駆動電流を制限し、これによって
外部抵抗を感知抵抗として用い、そして出力トランジス
タの出力電流を制限するようにしたものである。

【０００９】

【実施例】本発明の一実施例を、例示のためのみに、添
付図面を参照して以下に説明する。図１の回路は、集積
回路用の典型的な電圧クランプを示すものである。ボッ
クス１５内の構成物は、集積回路の構成物であり、抵抗
１２は、集積回路への電流を制限する外部抵抗であり、
Ｖbは、車両電圧供給部のような外部電圧源を表す。図
示した回路は、外部抵抗１２を用いることによって、本
発明の実施例を実施することができる回路の理想的な例
である。

【００１０】この回路において、内部電圧供給線１４と
グラウンド２６との間の電圧差は、ツエナーダイオード
１６、１８及び２０のツエナー電圧にトランジスタ２２
のエミッタ電圧（Ｖ_be22）を加えたものに等しい。抵抗
２４は、ツエナーダイオードとグラウンドとの間の電流
路を完成する。

【００１１】図２において、ボックス３１内の回路は、
電圧Ｖbを有する外部電源から、抵抗２８及び３０を介
して、電力を受け取る集積回路を表している。線３２及
び５２は、内部供給線を表し、図１のクランプされた電
源のような別個の電圧クランプに各々接続してある。

【００１２】ボックス３４は、全体的に集積回路３１に
含まれる別の回路を表しており、線３２に対する電圧ク
ランプを含むこともできる。ボックス５１は、線５２に
対する電圧クランプを表す。トランジスタ４８及び５０
は出力駆動トランジスタであって、内部供給線５２に接
続してある。ベースドライバ５８及び６０は、所望の回
路の実施に応じて、選択的にトランジスタ４８及び５０
のベースを介して電流を引き出すことによって、選択的
にトランジスタ４８及び５０を駆動するものである。当
業者であれば、ここで更に詳しく説明しなくとも、適切
なベースドライバ回路（５８、６０）を容易に実施する
ことができよう。

【００１３】出力駆動トランジスタ４８、５０を選択的
に駆動するので、線５４及び５６は、パワートランジス
タまたはスイッチングトランジスタのようないかなる適
切な負荷にも、出力電流を与えるものである。線５４ま
たは５６を介して引き出した電流が増加するにつれ、抵
抗３０を通る電流は増加し、抵抗３０の電圧降下は増加
する。

【００１４】ボックス３５内の回路は、全体的に本発明
の実施例に関するものである。図示の制御トランジスタ
３８は、ＮＰＮトランジスタであり、そのコレクタを内
部供給線３２に接続してあり、ダイオード４４及び４６
を介して、出力ドライブトランジスタ４８及び５０のベ
ースにエミッタ結合してある。抵抗３６をトランジスタ
３８のコレクタとベースとの間に結合してあり、更に、
抵抗４０をトランジスタ３８のベースとエミッタとの間
に結合してある。

【００１５】図示の例では、２つの出力駆動トランジス
タを用いている。本実施例は、２つの駆動トランジスタ
を同時に動作させるのではない限り、１つまたは多くの
出力駆動トランジスタを用いるような場合も、包含する
ことができる。１つの出力駆動トランジスタのみを用い
る場合、ダイオード（４４または４６）を除去してもよ
い。また、２つ以上の出力駆動トランジスタを用いる場
合、ダイオード４４及び４６と同様な分離用ダイオード
を、トランジスタ３８のエミッタと夫々の追加した出力
駆動トランジスタのベースとの間に結合する。

【００１６】動作において、出力電流の制限は、線３２
及び５２における２つの供給電圧間の電圧差（それぞれ
ＶＳ１及びＶＳ２と呼ぶ）を感知することによって、行
なわれる。この電圧差は抵抗３０を介して引き出した電
圧の変動、したがって抵抗３０間の電圧の変動によって
起こるものである。ここに示したような実施では、供給
線５２から引き出した電流は、出力電流と、出力駆動ト
ランジスタ４８及び５０に対するベース駆動電流との合
計となる。ベース駆動電流は既知なので、Ｖbに関連す
るＶＳ２におけるいずれかの付加的な電圧降下として、
出力電流を測定することができる。線３２は電流制限回
路への電流、並びに集積回路３１のための他の全ての動
作電流を供給するものである。線３２からの引き出され
る電流が既知で、比較的予測可能なので、ＶＳ１におけ
るＶ_bに対する電圧降下も既知でしかも予測可能であ
る。

【００１７】出力電流の制限は、電圧ＶＳ２が電圧ＶＳ
１以下の所定のレベルに達した時に、出力駆動トランジ
スタへのベース駆動を減少することによって、制御す
る。説明を簡素化するために、ダイオード４４及び４６
間の電圧は、出力駆動トランジスタ４８及び５０のＶ_be
電圧に等しいものと仮定して、所定の電圧差をＶ_limと
呼ぶことにし、これをトランジスタ３８のベース−エミ
ッタ電圧（Ｖ_be）と抵抗３６（Ｒ1）による電圧降下と
の合計によって、定義する。ノード４３の電圧Ｖ₄ ₃がほ
ぼＶＳ２に等しく成った時、所定の電圧差に対する近似
が起こる。すると、ＶＳ１とＶＳ２との間の差がトラン
ジスタ３８のコレクタ−エミッタ電圧と等しくなる。上
述のように、この電圧は、トランジスタ３８のＶ_beと抵
抗３６間の電圧との合計である。

【００１８】ＶＳ２における電圧がＶ₄₃に近付く時、ト
ランジスタは通電を開始する。別の説明をすれば、ＶＳ
１とＶＳ２との間の電圧差がＶ_limに等しい時、トラン
ジスタ３８は電流を引き出し始める。トランジスタ３８
を流れる電流は、利用中の出力駆動トランジスタ（４８
または５０）のベースにおける電流に加えられる。出力
駆動トランジスタ（４８または５０）のベースにトラン
ジスタ３８を通過した電流を加えることによって、その
出力駆動トランジスタへの効果的なベース駆動電流を減
少させ、線５４または５６上の出力電流を制限すること
になる。

【００１９】抵抗３６（Ｒ₁）及び４０（Ｒ₂）は、トラ
ンジスタ３８と共に、標準Ｖbe乗算器回路を構成する。
電流源４２が発生するＩrefを無視すると、トランジス
タ３８によってセットされるＶ_lim値は、次の式で示す
ことができる。Ｖ_lim ＝Ｖ_be（１＋Ｒ₁／Ｒ₂）（１）式（１）は、抵抗３６及び４０の比率を変化させること
によって、トランジスタ３８のＶ_beより大きいいかなる
値にも、Ｖ_limを等しくなるように変化させることがで
きる。トランジスタ３８によるこのＶ_limの固定の柔軟
性は、線５４または５６の出力電流を制限すべき、所望
のＶＳ１とＶＳ２の差分電圧を、設計者が設定できるよ
うにするものである。

【００２０】好適な実施は、温度補償電流源４２を用い
ることである。トランジスタ３８の電圧Ｖbeが大きな負
温度係数を有するので、このような電流源４２は好まし
いものである。集積回路の温度が上昇するにつれ、電圧
差ＶＳ１−ＶＳ２も変化し、これによって、出力電流制
限レベルを変化させようとする。電流源４２は、それが
外部抵抗３０及び２８の温度係数と合致するようにＶ
_limの温度係数を制御することによって、出力電流制限
レベルが変化してしまうのを防止する。

【００２１】出力電流制限を広い温度範囲にわたって維
持する、所望の一定電圧差ＶＳ１−ＶＳ２は、正の温度
係数を有する付加的な電圧降下を抵抗３６に跨がって加
えることによって、得ることができる。この付加的な電
圧降下を、電流源４２を用いて発生させる。電流源４２
は、正の温度係数を有する電圧Ｉ_refを供給するもので
ある。Ｉ_refを用いて、線３２から抵抗３６を介して電
流を引き出すようにしている。集積回路の温度が上昇す
るにつれて、トランジスタ３８のＶ_beが低下するが、Ｉ
_refによる抵抗３６の電圧降下は増加する。以下に説明
するように適当な比率に設定すれば、Ｉ_refとＶ_beの温
度係数は、外部抵抗２８及び３０の温度係数と釣り合う
ので、温度による変化は互いに打ち消しあい、結果的に
出力電流制限レベルは一定となる。回路に好適な温度補
償電流源４２を加えた場合、Ｖlimの式は次のように表
すことができる。Ｖ_lim ＝Ｖ_be（１＋Ｒ₁／Ｒ₂）＋Ｉ_refＲ₁ （２）電流源４２の好適な実施を図３に示す。これは標準「デ
ルタＶ_be」電流発生器である。発生される電圧を、トラ
ンジスタ８４、８６、８８及び９０、並びに抵抗９２で
制御するようにする。図示の実施では、トランジスタ８
４及び９０は各々、同一のトランジスタ８６及び８８の
３倍のエミッタ領域を有する。トランジスタ８４及び９
０のエミッタ領域がより広いことの結果として、それら
のトランジスタのＶ_be電圧降下は、トランジスタ８６及
び８８のＶ_be電圧降下より、小さくなる。ノード８５を
基準として用いると、トランジスタ９０のＶ_be電圧を加
えたトランジスタ８４のＶ_be電圧と、抵抗９２（Ｒ3）
にかかる電圧降下との和は、トランジスタのＶbe電圧降
下と、トランジスタ８８のＶ_be電圧降下との和に等しく
なる。

【００２２】上述から、抵抗Ｒ3を通った温度に依存す
る電流Ｉrefを次のように定義できることを、示すこと
ができる。Ｉ_ref ＝（Ｖ_tｌｎ（９））／Ｒ₃ （３）ここで、Ｖ_tは、ｋＴ／ｑによって定義した熱電圧であ
り、ｋはボルツマン係数、Ｔは華氏による温度、そして
ｑは電荷である。Ｖ_tが、温度と共に、抵抗９２（Ｒ₃）
の値より速く増加するように、回路を実施すると、Ｉ
_refは正の温度係数を有することになる。

【００２３】抵抗７０、７２及び７４が同一値を有し、
トランジスタ７６、７８及び８０も同一であるので、図
示した回路は電流Ｉ_refをトランジスタ９４を介して、
忠実に反映する。一方、トランジスタ９６がノード４１
（図２）から電流Ｉ_refを引き出すように、トランジス
タ９４及び９６を電流ミラー回路に設定してある。

【００２４】線３２は、別の回路３４（図２）及び出力
電流制限回路に電圧を供給するので、抵抗２８間の電圧
降下を計算する時、及びＶ_limに適切な値を計算する
時、この別の回路が引き出す電流を、考慮にいれなけれ
ばならない。

【００２５】適当なＶlimを設定するには、出力が所望
の電流制限レベルである時に線５２に生じる電圧ＶＳ２
を判定し、そしてこの電圧を、同じ条件の間に線３２に
生ずる既知のＶＳ１電圧から減算することによって行
う。この数学的表現は、次のようになる。Ｖ_lim ＝Ｒ₃₀Ｉ_max（１＋１／β₄₈) − Ｉ₂₈Ｒ₂₈ （４）ここで、Ｖ_limは電圧制限におけるトランジスタ３８の
Ｖ_ce電圧、Ｒ₃₀は抵抗３０の値、Ｉ_maxは出力電流を制
限したい出力電流レベル、β₄₈はトランジスタ４８、ト
ランジスタ５０またはその他の出力トランジスタのβ
値、Ｉ₂₈は抵抗２８を介して引き出した電流、そしてＲ
₂₈は抵抗２８の値である。上記式も、出力トランジスタ
４８及び５０のＶ_beが分離ダイオード４４及び４６の順
方向ダイオード電圧と等しいことを、仮定している。

【００２６】出力電流制限の温度独立性を達成するため
には、ボックス３５内の回路、別の回路３４及び電流源
４２の温度係数を合計してゼロにならなくてはならな
い。抵抗２８及び３０が無視し得る温度依存性を有する
という条件では、次の式が成り立つ。 (ｄＶ_be/ｄＴ)(１＋Ｒ₁／Ｒ₂）＋ｉｎ（９）（ｄＶ_t／ｄＴ）（Ｒ₁／Ｒ₃）＝ｄＶＳ１／ｄＴ外部抵抗２８及び３０の温度依存性が無視できない場
合、回路３４及び３５並びに電流源４２の温度係数を合
計して、外部抵抗２８及び３０の温度係数にならなくて
はならない。当業者であれば、実験的測定によって、Ｖ
_be、Ｖ_t、ＶＳ１、抵抗２８及び抵抗３０の温度係数を
容易に決定できるであろう。

【００２７】一旦上記式の温度係数が決定したら、上記
式をＲ₂に対して解く。次に、Ｒ₂に対する解を、式
（２）に代入する。次に、上記式（２）及び（４）を用
いて、Ｒ₁の適当な値を決定する。一旦Ｒ1を解くと、Ｒ
2の決定は容易に行なうことができる。結果的に得られ
たＲ₁及びＲ₂の値は、システムに対する実質的にゼロの
温度係数の要求、及び出力トランジスタ４８及び５０の
適当な電流制限を満足するものである。

【００２８】上述の回路では、出力トランジスタ４８及
び５０を通る電流が制限され、集積回路及びこの集積回
路を実施している電子システムの他の構成物を、過剰電
流による損傷から保護するようにしている。

【００２９】上述の電流発生器は、本発明と共に用いる
ことができる電流発生器の一例に過ぎない。正の温度係
数を有するものであれば、どのような電流発生器でも、
電流Ｉ_refを発生するために用いることができる。より
直線的な温度係数を有する回路が好ましい。

【図面の簡単な説明】

【図１】集積回路用の基本的電圧供給クランプ回路を示
す図。

【図２】本発明の回路の実施例の図。

【図３】温度補償電流供給回路の回路図。

【符号の説明】

１２，２４，２８，３０．．．抵抗１４．．．内部電圧供給線１６、１８、２０．．．ツエナーダイオード２６．．．グラウンド３２、５２，５４，５６．．．線３８．．．制御トランジスタ４４、４６．．．ダイオード４８、５０．．．出力駆動トランジスタ５８、６０．．．ベースドライバ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】２つの外部抵抗を介した電力源と、共通グ
ランド電位とに接続可能な回路であって、前記電力源に結合された時、第１の電圧レベル（ＶＳ
１）を用いる第１の電圧供給線（３２）であって、前記
第１の電圧レベル（ＶＳ１）は前記外部抵抗の一方を通
過して流れる抵抗電流に応答して変化するものである第
１の電圧供給線（３２）と、前記電力源に結合された時、第２の電圧レベル（ＶＳ
２）を用いる第２の電圧供給線（５２）であって、前記
第２の電圧レベル（ＶＳ２）は前記外部抵抗の他方を通
過して流れる抵抗電流に応答して変化するものである第
２の電圧供給線（５２）と、前記第２の電圧供給線（５２）に接続され、そこから電
力を受け取る駆動トランジスタ（４８、５０）であっ
て、該トランジスタ（４８、５０）のベースに供給され
るベース駆動電流によって制御可能な出力電流を含む、
駆動トランジスタ（４８、５０）と、前記駆動トランジスタ（４８、５０）のベースに接続さ
れ、該ベースに定電流を流すためのベースドライバ（５
８、６０）と、前記第１の電圧供給線（３２）とグランドとの間に結合
され、かつ出力が前記ベースドライバ（５８、６０）及
び前記駆動トランジスタのベースとの間に接続されて前
記駆動トランジスタのベースを介して印加される前記第
２の電圧レベルに対応する電圧と前記第１の電圧レベル
との間の差に応答して前記ベースドライバに電流を供給
する制御回路（３５）であって、前記第１及び第２の電
圧レベル（ＶＳ１、ＶＳ２）の間の差が所定値
（Ｖ_lim）と等しい時、前記ベースドライバに電流を供
給する結果として前記ベース駆動電流を減少し、前記抵
抗電流の変動および結果的に前記第２の電圧レベル（Ｖ
Ｓ２）に生じる変動に応答して、前記ベース駆動電流を
制限するようにした制御回路と、を含む電流制限回路。
【請求項２】請求項１に記載の電流制限回路において、
前記制御回路（３５）は、前記第１の電圧供給線（３
２）に結合されているコレクタと、前記駆動トランジス
タ（４８、５０）のベースに結合されているエミッタ
と、電流源（４２）に結合されている制御トランジスタ
のベースとを含む制御トランジスタ（３８）を備えてお
り、前記制御トランジスタ（３８）は、前記第１及び第
２の電圧レベル（ＶＳ１、ＶＳ２）の差が所定値（Ｖ
_lim）と等しい時、前記ベース駆動電流を減少するよう
に動作可能であることを特徴とする、電流制限回路。
【請求項３】請求項２に記載の電流制限回路であって、
更に、前記制御トランジスタ（３８）のベースとコレク
タとの間に接続された第２のバイアス抵抗（４０）とを
備えていることを特徴とする、電流制御回路。
【請求項４】請求項２または３に記載の電流制限回路で
あって、前記制御トランジスタ（３８）は、負の温度係
数を有し、そして電流源（４２）は正の温度係数を有す
ることを特徴とする、電流制限回路。
【請求項５】請求項１、２、３、４、のいずれかに記載
された電流制限回路であって、更に、複数の駆動トラン
ジスタ（４８、５０）と、及び各々前記制御回路（３
５）をそれぞれの駆動トランジスタに結合する複数の絶
縁ダイオード（４４、４６）とを含むことを特徴とす
る、電流制限回路。
【請求項６】請求項１、２、３、４、５のいずれかに記
載の電流制限回路であって、前記制御回路を、集積回路
の形態で実施するようにしたことを特徴とする、電流制
御回路。