JP3385995B2 - 過電流検出回路及びこれを内蔵した半導体集積回路 - Google Patents

過電流検出回路及びこれを内蔵した半導体集積回路

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    • H03K17/082Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は過電流検出回路及び
これを内蔵した半導体集積回路に関し、特にオープンド
レイン構成の出力トランジスタの過電流状態を検出する
回路及びこれを内蔵した半導体集積回路に関する。
【0002】
【従来の技術】ソレノイド等を駆動する半導体集積回路
では、一般にオープンドレイン構成の出力トランジスタ
を内蔵することが多い。このような半導体集積回路で
は、ソレノイド等の外部負荷が故障して短絡状態となっ
たり、外部負荷に接続された外部電源が異常変動したり
すると、出力トランジスタに大電流が流れ、これが破壊
されてしまうことがある。このような破壊を未然に防止
するためには、出力トランジスタに流れる電流量を常時
監視し、これが過電流となったことを検知すると直ちに
出力トランジスタを遮断する機構が必要となる。かかる
機構が過電流検出回路であり、以下、これを内蔵した従
来の半導体集積回路について説明する。
【0003】図7は、特開平2−87817号公報に開
示された半導体集積回路70を示す図である。
【0004】半導体集積回路70は、外部より入力端子
に供給される入力信号に応じて、出力端子73と外部電
源VB ′との間に接続された負荷RL ′に駆動電流を供
給するか否かを制御する装置である。負荷RL ′に駆動
電流を供給するか否かは、オープンドレイン構成の出力
トランジスタQ71が導通状態となるか非導通状態となる
かによって決まり、その制御は入力信号を受ける論理回
路により行われる。すなわち、入力信号に応答して論理
回路がハイレベルの信号を出力すれば、出力トランジス
タQ71が導通状態となって負荷RL ′に駆動電流を流
し、逆に入力信号に応答して論理回路がローレベルの信
号を出力すれば、出力トランジスタQ71は非導通状態と
なって負荷RL ′への駆動電流の供給を遮断する。
【0005】しかし、上述したとおり、負荷RL ′が故
障して短絡状態となったり、外部電源VB ′が異常な高
電圧になったりすると、出力トランジスタQ71の導通時
において予期せぬ大電流が流れ、出力トランジスタQ71
が破壊されてしまう恐れがある。これを防ぐため、半導
体集積回路70には、基準電圧発生回路71、抵抗R 75
及びR76、複数のダイオードD71〜Dn1、比較器72か
らなる過電流検出回路が設けられている。かかる過電流
検出回路は、出力端子73の電圧と過電流検出用のリフ
ァレンス電圧Vr ′とを比較することによって、出力ト
ランジスタQ71の過電流状態を検出する回路である。
【0006】過電流検出用のリファレンス電圧Vr
は、基準電圧発生回路71の出力電圧を抵抗R75及びR
76とn個のダイオードD71〜Dn1を直列に接続した分圧
回路により分圧することで得ている。このリファレンス
電圧Vr ′と出力トランジスタQ71の出力電圧とを比較
器72で比較し、過電流の発生を出力トランジスタQ71
の出力電圧の異常上昇によって検出すると、過電流検出
信号が過電流検出端子74より出力される。過電流検出
信号は、論理回路にフィードバックされ、出力トランジ
スタQ71がオフするよう制御される。この結果、出力ト
ランジスタQ71を過電流による破壊から保護することが
できる。
【0007】ここで、複数のダイオードD71〜Dn7は、
出力トランジスタQ71のオン抵抗の温度特性を補償する
ために設けられており、温度依存性の良好な過電流検出
を行うことができる。すなわち、基準電圧発生回路71
の出力電圧VBG′は、温度検出回路による温度検出にも
用いられていることから、基準電圧発生回路71の出力
電圧VBG′の温度依存性は小さくなければならず、基準
電圧発生回路71の出力電圧VBG′自体に出力トランジ
スタQ71の温度特性を補償するような温度特性を持たせ
ることはできない。このため、温度依存性の良好な過電
流検出を行うために、ダイオードの直列接続体を用い
て、出力トランジスタQ71の温度特性と同じ温度特性を
持たせたリファレンス電圧Vr ′を、温度依存性のない
出力電圧V BG′より生成している。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかし、過電流検出用
のリファレンス電圧Vr ′をダイオードD71〜Dn7と抵
抗R75及びR76を直列に接続した分圧回路より生成して
いるため、その検出値の設定範囲は直列接続するダイオ
ードの電圧降下によって低く制限されてしまうという問
題点がある。例えば、ダイオードを5個用いた場合、過
電流検出用のリファレンス電圧Vr ′は、基準電圧発生
回路71の出力電圧VBG′よりもダイオードの順方向電
圧の5段分低い電圧以下に制限されてしまう。このた
め、検出範囲の設定における自由度が低く、場合によっ
ては、所望のリファレンス電圧を得るためにある程度温
度特性を犠牲にしたり、逆に所望の温度特性を得るため
にある程度リファレンス電圧を希望の値よりもずらす必
要が生じてしまう。
【0009】したがって、本発明の目的は、出力トラン
ジスタの温度特性を十分に補償しつつ、過電流検出値を
所望の値に設定できる過電流検出回路及びこれを内蔵し
た半導体集積回路を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明による過電流検出
回路は、出力トランジスタのオン抵抗による電圧降下と
リファレンス電圧とを比較することによって、前記出力
トランジスタの過電流状態を検出する過電流検出回路で
あって、前記出力トランジスタの有する第1の温度特性
を、第1の電源と、前記第1の電源電圧をもとに第1の
基準電圧を出力する基準電圧発生回路と、前記第1の基
準電圧に基づいて第2の温度特性を有する定電流を発生
する定電流源回路と、前記第2の温度特性を有する前記
定電流を入力電流とするカレントミラー回路と、前記カ
レントミラー回路の出力電流を電圧に変換し前記第2の
温度特性に比例した温度特性を有する電圧を出力する電
流−電圧変換回路とを備えたリファレンス電圧発生回路
によって出力されるリファレンス電圧の有する温度特性
で補償することを特徴とする。
【0011】また、本発明による過電流検出回路は、出
力端子と電源電位との間に接続された出力トランジスタ
に流れる過電流を検出する過電流検出回路であって、基
準電位に基づき所定の温度特性を有する第1の定電流を
生成する定電流源回路と、前記第1の定電流を入力しこ
れに基づき第2の定電流を生成するカレントミラー回路
と、前記第2の定電流に基づきリファレンス電圧を生成
する電流−電圧変換回路と、前記リファレンス電圧と前
記出力端子の電圧とを比較する比較器とを備え、前記所
定の温度特性は前記出力トランジスタの温度特性と実質
的に等しいことを特徴とする。
【0012】さらに、本発明による半導体集積回路は、
出力端子と電源電位との間に接続された出力トランジス
タと、入力信号に基づいて出力トランジスタの導通状態
を制御する論理回路と、前記出力トランジスタに流れる
電流を検出する過電流検出回路とを備える半導体集積回
路において、前記過電流検出回路は、基準電位に基づい
て前記出力トランジスタの温度特性と実質的に等しい温
度特性を有する第1の定電流を生成する定電流源回路
と、前記第1の定電流を入力しこれに基づき第2の定電
流を生成するカレントミラー回路と、前記第2の定電流
に基づきリファレンス電圧を生成する電流−電圧変換回
路と、前記リファレンス電圧と前記出力端子の電圧とを
比較しこれに基づき検出信号を発生する比較器とを含
み、前記論理回路は、前記検出信号の発生に応答して前
記入力信号にかかわらず前記出力トランジスタを非導通
状態とすることを特徴とする。
【0013】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態による過電流
検出回路及びこれを内蔵した半導体集積回路について図
面を参照して説明する。
【0014】(第1の実施の形態)図1は、本発明の第
1の実施の形態による過電流検出回路を示す回路図、図
2は、これを内蔵した半導体集積回路9の全体概要図で
ある。
【0015】図2に示すように、半導体集積回路9は、
入力端子10及び出力端子3を備え、出力端子3と接地
電位との間には出力トランジスタQ1 が接続されてい
る。すなわち、出力トランジスタQ1 はオープンドレイ
ン構成であり、そのドレインである出力端子3と外部電
源VB との間には駆動すべき外部負荷RL が接続され
る。特に限定されないが、外部負荷RL は例えばソレノ
イドである。
【0016】入力端子10に供給された入力信号は、ま
ず入力バッファ11に入り、続いて論理回路12にて所
定の処理がされる。図2に示すように論理回路12は、
cc 1 電位と接地電位との間の電圧により駆動されてい
るため、その出力振幅はVcc 1 レベルである。Vcc1
ベルの振幅を持つ論理回路12の出力信号は、レベルシ
フト回路13に印加され、ここでVcc2 レベルの振幅を
持つ信号に変換される。このように変換された信号は出
力トランジスタQ1 のゲート電極に印加され、出力トラ
ンジスタQ1 の導通・非導通を制御する。
【0017】ここで、特に限定されないが、Vcc1 は5
Vであり、Vcc2 は12Vである。また、特に限定され
ないが、外部電源VB もVcc2 と同じ12Vである。こ
のように、外部負荷RL に接続された外部電源VB の電
圧が高い場合、レベルシフト回路13を用いて出力トラ
ンジスタQ1 を駆動する信号の振幅を大きくすることに
よって、出力トランジスタQ1 のオン抵抗を十分に低減
している。したがって、外部電源VB の電圧がそれほど
高くない場合や、出力トランジスタQ1 のオン抵抗が十
分に小さい場合にはレベルシフト回路13は不要であ
り、この場合は論理回路12の出力信号を出力トランジ
スタQ1 のゲート電極に直接印加すれべよい。
【0018】図2に示すように、半導体集積回路9に
は、出力トランジスタQ1 に流れる電流が許容範囲内で
あるか否かを検出する過電流検出回路がさらに設けられ
ている。過電流検出回路の詳細は図1に示すとおりであ
り、基準電圧発生回路1と、比較器2と、定電流源回路
6と、カレントミラー回路7と、電流−電圧変換回路8
とからなる。
【0019】基準電圧発生回路1は、基準電圧VBGを発
生する回路であり、図2に示すように基準電圧VBGは過
電流検出回路のみならず温度検出回路にも用いられるこ
とから、温度依存性を持たない安定した電圧である。但
し、温度検出回路は、基準電圧VBGの他の使用の一例で
あり、これを備えることは本実施例において必須でな
い。また、基準電圧VBGは過電流検出回路にのみ使用さ
れるものであってもよい。
【0020】定電流源回路6は、基準電圧VBGに基づい
て定電流I1 を生成する回路であり、図1に示すよう
に、トランジスタQ2 、Q4 と、抵抗R1 、R3 、R4
と、演算増幅器5と、温度補償用のn個のダイオードD
1 〜Dn から構成される。n個のダイオードD1 〜Dn
は、出力トランジスタQ1 の温度特性と定電流I1 の温
度特性を一致させるための温度補償素子である。
【0021】カレントミラー回路7は、定電流源回路6
より生成された定電流I1 を受け、これに基づく定電流
2 を電流−電圧変換回路8に供給する回路である。し
たがって、トランジスタQ2 とQ3 のディメンジョンが
等しければ、I1 =I2 となる。但し、本発明において
トランジスタQ2 とQ3 のディメンジョンを等しくする
必要は必ずしもない。
【0022】電流−電圧変換回路8は、カレントミラー
回路7により供給される定電流I2を抵抗R2 によって
リファレンス電圧Vr に変換する回路である。
【0023】図1及び図2に示すように、電流−電圧変
換回路8により生成されたリファレンス電圧Vr は比較
器2の反転入力端子(−)に、出力端子3に現れる電圧
は比較器2の非反転入力端子(+)にそれぞれ入力さ
れ、比較器2はこれら電圧に基づいて検出信号4を生成
する。すなわち、比較器2は、出力端子3に現れる電圧
がリファレンス電圧Vr よりも低いと検出信号4をロー
レベルとし、出力端子3に現れる電圧がリファレンス電
圧Vr よりも高くなると検出信号4をハイレベルとす
る。
【0024】かかる検出信号4は、図2に示すように、
論理回路12に供給される。
【0025】次に、本発明の第1の実施の形態による過
電流検出回路の動作を詳細に説明する。まず、基準電圧
発生回路1の出力電圧VBGを抵抗R3 、R4 で分圧し基
準電位を得る。該基準電位を演算増幅器5に入力し、該
演算増幅器5の出力をトランジスタQ4 のゲート端子に
入力し、且つトランジスタQ4 のソース端子の信号を演
算増幅器5にフィードバックさせることによって、ソー
ス電位が一定に保たれるようにする。該ソース電位と接
地電位間にはダイオードD1 〜Dn と抵抗R1が接続さ
れ定電流I1 を流す。この定電流I1 は(1)式で与え
らる。
【0026】 I1 =((R4 /(R3 +R4 ))VBG−nVF )/R1 [A]…(1) ここで、nはダイオードの個数、VF はダイオードの順
方向電圧である。トランジスタQ2 及びQ3 はカレント
ミラー回路7を構成するので、これらのトランジスタの
面積比に応じたミラー電流I2 がトランジスタQ3 に流
れる。トランジスタQ2 に対するトランジスタQ3 の面
積比をmとすると、ミラー電流I2 は抵抗R2 によりリ
ファレンス電圧Vr に変換される。リファレンス電圧V
r は(2)式で与えられる。
【0027】 Vr =(mR2 /R1 )((R4 /(R3 +R4 ))VBG−nVF ) [V]… (2) 但し、トランジスタQ2 及びQ3 はカレントミラー回路
とし動作するために次式を満足しなければいけない。
【0028】 (R3 /(R3 +R4 ))VBG<VBG−VT [V]…(3) リファレンス電圧Vr の温度係数は(2)式より、 (∂Vr /∂T)=−(nmR2 /R1 )(∂VF /∂T) [V/℃]…( 4) となる。図3はダイオードの順方向電圧VF の温度特性
図であり、リファレンス電圧Vr は図3に示されるよう
なダイオードの温度特性を有する。
【0029】また、出力トランジスタQ1 の電圧降下V
DSは、検出電流値Is とするとVDS=Is ×Ronで表さ
れ、その温度係数は(5)式となる。
【0030】 (∂VDS/∂T)=Is (∂Ron/∂T) [V/℃]…(5) 図4はNチャネル型MOSFETについて測定したオン
抵抗Ronの温度特性図であり、出力トランジスタQ1
電圧降下VDSは図4に示されるオン抵抗の温度特性を有
する。温度補償を行うためには、出力トランジスタQ1
の電圧降下VDSの温度係数とリファレンス電圧の温度係
数が等しくなければならない。したがって、ダイオード
の段数は(4)及び(5)式より次式で求められるNに
一番近い整数を選べばよい。
【0031】 N=−(R1s /mR2 )(∂Ron/∂T)/(∂VF /∂T) …(6) リファレンス電圧は(3)式で満足する範囲でパラメー
タを調整すればよい。
【0032】このように、リファレンス電圧Vr は、定
電流を得る定電流源回路6で生成したダイオードの温度
特性を有する定電流I1 のミラー電流I2 と抵抗R2
よって発生するため、リファレンス電圧Vr の設定範囲
はダイオードの電圧降下の影響を受けることなく、自由
に設定可能となる。したがって、ダイオードの段数に関
係なくカレントミラー比と抵抗比を調整することによ
り、検出電流範囲を広げることが可能となる。
【0033】そして、このように生成されたリファレン
ス電圧Vr 及び出力端子3に現れる電圧に基づき、比較
器2が出力トランジスタQ1 に過電流が流れていること
を検知すると、上述のように比較器2は検出信号4をハ
イレベルとし、これに応答して論理回路12は、入力信
号にかかわらずその出力を強制的にローレベルとする。
これによって、出力トランジスタQ1 は非導通状態とな
り、外部負荷RL への電流供給が遮断されるので、出力
トランジスタQ1 は過電流による破壊から守られる。
【0034】以上のとおり、本実施の形態によれば、リ
ファレンス電圧Vr の設定において温度補償素子である
ダイオードの電圧降下の影響を受けないので、出力トラ
ンジスタQ1 の温度特性を十分に補償しつつ、過電流検
出値を所望の値に設定可能となる。
【0035】尚、図1においては、カレントミラー回路
7の動作電圧として基準電圧VBGを用いたが、本発明は
これに限定されることはなく、図4に示すように、V
cc2 を用いてもよい。この場合、リファレンス電圧Vr
の設定範囲を最大Vcc2 近傍まで高めることができる。
但し、本発明はこれらに限定されるものではなく、他の
電圧、例えばVcc1 やその他の電圧をカレントミラー回
路7の動作電圧として使用することも可能であることは
言うまでもない。
【0036】(第2の実施の形態)図6は、本発明の第
2の実施の形態による過電流検出回路を示す回路図であ
る。
【0037】図6に示す第2の実施の形態における過電
流検出回路は、基準電圧発生回路1と、トランジスタQ
1 と、バイポーラトランジスタQ5 及びQ6 と、抵抗R
1 及びR2 と、比較器と温度補償用のn個のダイオード
1 〜Dn から構成される。カレントミラーを構成する
トランジスタQ5 のコレクタ電位は、ベース−エミッタ
間電圧と等しくなる。また、この電位は物理パラメータ
だけで決まる定数となるので、コレクタ電位は一定とな
り、そのため、本実施例においては演算増幅器は不要で
ある。したがって、ダイオードと抵抗を流れる電流I1
は定電流となり、前記ダイオードの温度特性に比例した
温度特性を有する定電流がミラーされる。ミラーされた
電流I2 はダイオードの温度特性に比例した温度特性を
有するので、リファレンス電圧Vr も温度特性を有する
こととなる。したがって、ダイオードの段数に関係なく
カレントミラー比と抵抗比を調整することにより、検出
電流範囲を広げることが可能となる。
【0038】尚、本実施の形態においても、カレントミ
ラー回路7の動作電圧として他の電圧を用いてもよい。
【0039】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
リファレンス電圧の設定において温度補償素子であるダ
イオードの電圧降下の影響を受けないので、出力トラン
ジスタの温度特性を十分に補償しつつ、過電流検出値を
所望の値に設定することができる。すなわち、リファレ
ンス電圧は、ダイオードの段数、カレントミラー比及び
抵抗比を調整することにより容易に変更が可能となり、
検出電流範囲の設計自由度を大きくするという効果があ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態による過電流検出回
路を示す回路図である。
【図2】過電流検出回路を有する半導体集積回路を示す
図である。
【図3】図1のダイオードの順方向電圧VF の温度特性
図である。
【図4】図1の出力トランジスタQ1 のオン抵抗Ron
温度特性図である。
【図5】本発明の第1の実施の形態の変形による過電流
検出回路を示す回路図である。
【図6】本発明の第2の実施の形態による過電流検出回
路を示す回路図である。
【図7】従来の過電流回路の一例を示す図である。
【符号の説明】
1、71 基準電圧発生回路 2、72 比較器 3、73 出力端子 4、74 過電流検出端子 5 演算増幅器 6 定電流源回路 7 カレントミラー回路 8 電流−電圧変換回路 9、70 過電流検出回路を含む半導体集積回路 10 入力端子 11 入力バッファ 12 論理回路 13 レベルシフト回路 D1 〜Dn 、D71〜D7n ダイオード素子 I1 、I2 定電流 Q1 、Q71 出力トランジスタ Q2 〜Q4 MOSトランジスタ Q5 、Q6 バイポーラトランジスタ RL 、RL ′ 外部負荷 R1 〜R4 、R75、R76 抵抗素子 VBG、VBG′ 基準電圧発生回路の出力電圧 Vr 、Vr ′ リファレンス電圧

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 出力トランジスタのオン抵抗による電圧
    降下とリファレンス電圧とを比較することによって前記
    出力トランジスタの過電流状態を検出する過電流検出回
    路であって、 前記リファレンス電圧は、第1の電源と、前記第1の電
    源電圧をもとに第1の基準電圧を出力する基準電圧発生
    回路と、少なくとも一つのダイオードと前記第1の基準
    電圧及び前記ダイオードの温度特性に基づき第2の温度
    特性を有する定電流を発生する定電流源回路と、前記定
    電流を入力電流とするカレントミラー回路と、前記カレ
    ントミラー回路の出力電流を電圧に変換する電流−電圧
    変換回路とを備えたリファレンス電圧発生回路によって
    前記第2の温度特性を有して出力され、 前記出力トランジスタの有する第1の温度特性を前記リ
    ファレンス電圧の有する前記第1の温度特性と実質的に
    等しい前記第2の温度特性で補償しつつ前記過電流検出
    回路の検出範囲を前記電流−電圧変換回路によって調整
    されることを特徴とする過電流検出回路。
  2. 【請求項2】 前記出力トランジスタの出力端は、第2
    の電源電圧と接続されている負荷をもつ出力端子と接続
    されていることを特徴とする請求項1記載の過電流検出
    回路。
  3. 【請求項3】 前記定電流源回路は、前記基準電圧発生
    回路の出力する第1の基準電圧を第2の基準電圧に変換
    する手段と、前記第2の基準電圧を入力電圧とし、出力
    トランジスタのゲートに供給し、前記トランジスタのソ
    ース電位をフィードバックする演算増幅器と、前記トラ
    ンジスタのソース電位と接地電位間に前記少なくとも一
    つのダイオードと抵抗とを直列に設けることにより定電
    流を発生させる手段とを有することを特徴とする請求項
    1または2記載の過電流検出回路。
  4. 【請求項4】 前記カレントミラー回路を構成する複数
    のトランジスタのソース端子は、第3の電源電圧と接続
    されていることを特徴とする請求項1又は2記載の過電
    流検出回路。
  5. 【請求項5】 前記カレントミラー回路は、PNPトラ
    ンジスタで構成されていること特徴とする請求項1記載
    の過電流検出回路。
  6. 【請求項6】 出力端子と電源電位との間に接続された
    出力トランジスタに流れる過電流を検出する過電流検出
    回路であって、基準電圧と接地電位間に 設けられた少な
    くとも一つのダイオードを有し前記ダイオードに基づく
    所定の温度特性を有する第1の定電流を生成する定電流
    源回路と、前記第1の定電流を入力しこれに基づき第2
    の定電流を生成するカレントミラー回路と、前記第2の
    定電流をリファレンス電圧に変換する電流−電圧変換回
    路と、前記リファレンス電圧と前記出力端子の電圧とを
    比較する比較器とを備え、前記所定の温度特性は前記出
    力トランジスタの温度特性を実質的に等しく、且つ、前
    記リファレンス電圧は前記電流−電圧変換回路によって
    調整されることを特徴とする過電流検出回路。
  7. 【請求項7】 出力端子と電源電位との間に接続された
    出力トランジスタと、入力信号に基づいて出力トランジ
    スタの導通状態を制御する論理回路と、前記出力トラン
    ジスタに流れる過電流を検出する過電流検出回路とを備
    える半導体集積回路において、前記過電流検出回路は、
    基準電圧と接地電位間に設けられた少なくとも一つのダ
    イオードを有し前記ダイオードに基づき前記出力トラン
    ジスタの温度特性と実質的に等しい温度特性を有する第
    1の定電流を生成する定電流源回路と、前記第1の定電
    流を入力しこれに基づき第2の定電流を生成するカレン
    トミラー回路と、前記第2の定電流を所望の設定値にな
    るようにリファレンス電圧に変換する電流−電圧変換回
    路と、前記リファレンス電圧と前記出力端子の電圧とを
    比較しこれに基づき検出信号を発生する比較器とを含
    み、前記論理回路は、前記検出信号の発生に応答して前
    記入力信号にかかわらず前記出力トランジスタを非導通
    状態とすることを特徴とする半導体集積回路。
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