JP4050325B2 - 電流及び電圧検出回路 - Google Patents

Description

本発明は電流と電圧の両方を検出する回路に関するものである。
電圧と電流を異なる回路で検出することが既知である。一方の回路は電圧を受信し、他方の回路は電流を受信する。両回路を具える集積回路は電圧と電源を別々に検出可能にするために２つの端子を必要とする。集積回路のコストは必要とされる端子の数に依存するので、既知の集積回路の欠点は２つの端子を使用する必要がある点にある。
本発明の目的は、集積回路の同一の端子で電流と電圧の両方の精密な検出を達成することにある。
請求項１に記載された本発明の第１の特徴は集積回路の１つの入力端子において電流と電圧レベルの両方を検出する回路を提供することにある。
請求項４に記載された本発明の第２の特徴は集積回路の１つの入力端子において電流と電圧レベルの両方を検出するこのような回路を具える電源回路を提供することにある。
電流ミラー及び電圧検出回路は両方とも同一の入力端子に結合される。電流ミラーは閾値電圧を有し、これは慣例の２トランジスタ電流ミラーの場合には入力トランジスタにより生ずる。この閾値電圧はバイポーラ入力トランジスタのベース−エミッタ電圧又は電界効果入力トランジスタのゲート−ソース閾値電圧である。閾値電圧は、直列に接続した２以上の入力トランジスタを用いることにより、又は入力トランジスタのエミッタ又はソースに基準電圧を供給することにより大きくすることができる。閾値電圧は接地端子に対し規定することができ（ｎｐｎ入力トランジスタの場合）、又は他の電源端子に対し規定することができる（ｐｎｐ入力トランジスタの場合）。
入力端子の電圧が電流ミラーの入力端の閾値電圧を超えない場合、電流ミラーは不活性である。この状態では、電流ミラーは極めて高い入力インピーダンスを有し、入力端子の電圧は自由に変化し得る。電圧検出回路が入力端子の電圧に対応する値を有する電圧レベル指示を供給する。
入力端子の電圧が閾値電圧を超えると、電流ミラーが活性になる。このとき、電流ミラーの入力端の電圧はほぼ一定になり、従って電圧検出回路は如何なる電圧変化も検出することはできない。活性電流ミラーは入力端子に供給される入力電流を鏡影し、入力電流と一定の関係を有する出力電流を供給する。
ＥＰ-Ａ-０５８５７８９に、帰還信号とチップ駆動用電源電圧の組合せを受信する１つの端子を有する３端子スイッチトモード電源集積回路が開示されている。チップ内において、帰還抽出回路によりシャントレギュレータを流れる過剰電流を検出することによって帰還信号を電源電圧から分離する。このＩＣは端子のタップ電圧をバンドギャップ基準電圧と比較する誤差増幅器を具える。この誤差増幅器の出力によりシャントトランジスタを駆動する。端子に入力する十分な供給電流がある限り、端子の電圧は安定化され、過剰電流は大地へ分路される。この過剰電流が鏡影され、抽出帰還電圧に変換される。従来の誤差増幅器は端子の電圧を検出し、この電圧を所望の値に安定化させてこの電圧をＩＣの電源電圧として使用し得るようにする。安定化電圧の値は電流ミラーの入力端の閾値より高く選択してこの安定化電圧において過剰電流を測定することができるようにする必要がある。このため、誤差増幅器は端子の電圧を電流ミラーが電流を流す電圧範囲内において検出している。従って、この電圧範囲内において、電流ミラーは高い入力インピーダンスを有しない。従って、従来の回路は、端子の電圧を電流ミラーが不活性である（従って電流ミラーが高入力インピーダンスを有する）所定の電圧範囲内で検出してこの電圧範囲内の検出電圧に依存する電圧レベル指示を供給するものではない。
従来技術と本発明との相違について更に詳しく説明するために、電源回路への実際の応用について以下に説明する。従来はＩＣの同一の端子を用いてＩＣの電源電圧と電源電圧調整用の帰還情報の両方を受信している。本発明は同一の端子を用いて入力電圧を電源変成器の巻線からインピーダンスを経て受信する。入力端子の入力電圧が電流ミラーの閾値電圧より低い限り、本発明の回路は入力電圧が所定の電圧レベルを超えるか否かを検出することができる。この検出は減磁保護信号の発生に使用することができる。電流ミラーの閾値以上では、電流ミラーが活性になり、入力電流の鏡影出力電流を供給する。入力電流は帰還情報を表す。
本発明のこれらの特徴及び他の特徴を図面を参照して以下に記載するとともに明かにする。
図面において、
図１は集積回路の１つの入力端子において電圧と電流の両方を検出するために電圧検出回路及び電流ミラーを具える本発明の集積回路を示し、
図２は１つの端子に電圧検出回路と電流検出回路が結合された本発明の集積回路を具えた電源回路を示し、
図３Ａ−３Ｄは電圧及び電流検出回路の動作説明用波形図を示す。
図１は集積回路の１つの入力端子Ｔにおいて電圧レベルViと電流Iiの両方を検出するために電圧検出回路２と電流ミラー３を具える本発明の集積回路１を示す。電圧検出回路２は入力端子Ｔに接続された入力端及び電圧レベル指示Vuを供給する出力端を有する。電流ミラー３は入力端子Ｔに接続された入力端、大地電位に接続された基準端子及び出力電流Iuを供給する出力端を有する。電流ミラーは入力トランジスタT1及び出力トランジスタT2を具え、入力トランジスタT1は入力端子Ｔに接続されたドレイン、基準端子に接続されたソース、及び入力トランジスタT1のドレイン及び出力トランジスタT2のゲートに接続されたゲートを有する。出力トランジスタT2は基準端子に接続されたソース及び電流ミラーの出力端に接続されたドレインを有する。
入力トランジスタT1は、そのソースに対するドレイン及びゲートの電圧が入力トランジスタT1の閾値電圧Vthより低い限り、高インピーダンスを有する。この場合には、電流ミラー３は不活性である。この電圧範囲内では、入力端子Ｔの電圧を電圧検出回路２により測定することができる。電圧レベル指示Vuは入力端子Ｔの電圧の測定値である。
電流ミラーの入力トランジスタT1は、入力端子Ｔの電圧が閾値電圧Vthに到達すると、導通し始める。電流ミラー３は活性になり、電圧検出回路２は高入力インピーダンスを有するため、出力電流Iuは入力端子Ｔに流入する入力電流Iiが鏡影されたものとなる。
ダイオードとして接続された導通入力トランジスタT1は入力端子Ｔの入力電圧Viを閾値電圧Vthに安定化する。電流ミラー３が不活性であり、従って電圧検出回路２が入力端子Ｔの電圧Viを電流ミラー３に影響されることなく検出することができる電圧範囲は入力トランジスタT1の適切な閾値電圧Vthを選択することにより調整することができる。これは、トランジスタT1及びT2が図1に示すように電界効果トランジスタである場合には容易である。トランジスタT1及びT2のソースを所望の基準電圧に接続することがもできる。
図示の電流ミラー３はｎチャネル電界効果トランジスタT1、T2を具え、大地に接続された基準端子を有するが、ｐチャネル電界効果トランジスタを用い、それらのソースを電源端子に接続することもできる。バイポーラトランジスタを用いることもできる。
図２は集積回路１を具えるスイッチトモード電源回路を示す。集積回路１は電圧検出回路２を具える。電圧検出回路２は集積回路１の入力端子Ｔに接続された第１入力端、基準電圧Vrefを受信する第２入力端及び駆動回路４の第１入力端に出力電圧Vuを供給する出力端を有する。集積回路１は、更に、入力端子Ｔに接続された入力端、大地に接続された基準端子及び駆動回路４の第２入力端に出力電流Iuを供給する出力端を有する電流ミラー３を具える。
電流ミラー３は入力トランジスタT1及び出力トランジスタT2を具え、入力トランジスタT1は入力端子Ｔに接続されたコレクタ、基準端子に接続されたエミッタ、及び入力トランジスタT1のコレクタ及び出力トランジスタT2のベースに接続されたベースを有する。出力トランジスタT2は基準端子に接続されたエミッタ及び駆動回路の第２入力端子に接続されたコレクタを有する。駆動回路４は制御パルスDrを変成器Trの一次巻線Wpと直列に接続された可制御スイッチングデバイスＳに供給する出力端を有する。一次巻線Wpと可制御スイッチングデバイスＳの直列接続はＤＣ入力電圧Vdcを受信する。このＤＣ入力電圧Vdcは整流幹線電圧とすることができる。制御パルスDrは可制御スイッチングデバイスＳを周期的に低インピーダンス及び高インピーダンスにする。低インピーダンス期間中に一次巻線Wpを流れる電流が増大し、高インピーダンス期間中に一次巻線Wpのエネルギーが変成器Trの二次巻線Wsに転送され、負荷Ｚに電力を供給する。整流ダイオードD2と平滑キャパシタＣの直列接続を二次巻線Wsの両端間に接続して平滑キャパシタＣに並列に接続された負荷Ｚに整流電圧Voを供給する。
変成器Trは他の巻線Wfを有し、この巻線は抵抗Ｒを経て集積回路１の入力端子Ｔに接続され、帰還電圧Vfを供給する。ダイオードD1を端子Ｔと基準端子との間に接続して集積回路１内の回路に大きすぎる負電圧が印可するのを阻止する。このダイオードD1は本発明に関係なく、集積回路１内に位置させる必要はない。
駆動回路４は制御回路４１を具え、この制御回路は出力電流Iuを受信して可制御スイッチングデバイスＳを交互にスイッチオン及びオフする駆動信号を可制御スイッチングデバイスＳに供給する。制御回路４１は駆動信号のデューティーサイクル又は周波数を出力電流Iuに応答して制御して帰還電圧Vfを安定化させる。駆動回路４は、更に、減磁保護回路４０を具え、この減磁保護回路は出力電圧Vuを受信して減磁保護信号を制御回路４１に供給し、エネルギーが二次巻線Wsに転送される限り、可制御スイッチングデバイスＳのスイッチオンを阻止する。減磁保護自体はモトローラ・セミコンダクタ・テクニカル・データ“High Flexibility Green SMPS Controller”MC44603から既知である。
このスイッチトモード電源回路の動作を図３Ａ−３Ｄを参照して以下に説明する。
図３Ａは他の巻線Wfにより供給される帰還電圧Vfを示す。
図３Ｂは入力端子Ｔの入力電圧を示す。
図３Ｃは電圧検出回路２の出力電圧Vuを示す。
図３Ｄは電流ミラー３の出力電流Iuを示す。
t0おいて、可制御スイッチングデバイスＳが導通であり、帰還電圧Vf及び入力電圧Viは負である。入力電圧Viは、本例ではダイオードD1である電圧制限回路により値Vnegに制限される。瞬時t1において、可制御スイッチングデバイスＳが非導通に制御されるため、帰還電圧Vf及び入力電圧Viが増大し、正になる。入力電圧Viは電流ミラー３の導通入力トランジスタT1のためにその閾値電圧Vthに等しくなり、帰還電圧Vfが閾値電圧Vthを超える限りこの値に維持される。
出力電圧Vuは、入力電圧Viが基準電圧Vrefより高い期間t3-t4中高レベルを有する。本発明の一実施例では、この出力電圧Vuを公知の減磁保護を得るために使用し、二次巻線Wsにエネルギーが転送される限り可制御スイッチングデバイスＳの駆動を阻止する。
出力電流Iuは、期間電圧Vfが閾値電圧Vthより上にある期間中に他の巻線Wfと直列の抵抗Ｒを流れる電流を表す。本発明の一実施例では、この出力電流Iuを、帰還電圧Vf及びこれと結合された整流電圧Voを安定化させるのに使用する。抵抗Ｒは適当なインピーダンスと置き換えることができる。
トランジスタT1及びT2がｐチャネルＦＥＴである場合には、基準電圧Vrefの値は電流ミラー３が活性のときに入力端子Ｔに発生する閾値電圧Vthより低く選択する必要がある。
トランジスタT1及びT2のエミッタが接続される基準端子は負又は正の基準電圧に接続することもできる。このようにして、電流ミラー３が不活性となる電圧範囲を決定する所望の閾値電圧Vthを選択することができる。
以上から、本発明はスイッチトモード電源回路の集積回路コントローラＩＣに有利に使用することができ、減磁保護のために電圧情報を検出するとともに可制御スイッチングデバイスを制御して出力電圧を安定化するために電流情報を検出するのにコントローラＩＣの単一の端子を必要とするのみである。
本発明による電圧検出回路２及び電流ミラー３は、電圧及び電流の測定に１つの同一の端子を使用するのが重要である他の用途にも使用することができること明らかである。
本発明を好適実施例について説明したが、上述した原理の範囲内において多くの変形例が当業者に明らかであり、本発明は上述した好適実施例に限定されず、このような変形例も含むものである。
請求の範囲内の参照番号は構成要件を実施例のものに限定するものではない。

Claims (6)

1. 集積回路の１つの入力端子において入力電流及び入力電圧を検出する回路であって、該集積回路は、前記入力端子に結合された入力端及び電圧レベル指示を供給する出力端を有する電圧検出回路と、前記入力端子に結合され入力電流を受信する入力端及び出力電流を供給する出力端を有する電流ミラーとを具え、前記入力端子の入力電圧が閾値電圧を超えるとき電流ミラーが活性になり、前記入力端子の入力電圧が閾値電圧を超えないとき電圧レベル指示が前記入力端子の電圧に対応する値を有することを特徴とする電流及び電圧検出回路。
2. 前記電圧検出回路は、前記入力端子に結合された入力端を有し、前記入力端子の電圧を基準値と比較して前記入力端子の電圧が基準値以下かこれを超えるかを示す電圧レベル指示を供給する電圧比較器を具え、前記基準値は閾値電圧により決まる範囲内に選択して、前記入力端子の電圧が閾値電圧を超えないときに前記入力端子の電圧の比較が行われることを特徴とする請求項１記載の電流及び電圧検出回路。
3. 前記電流ミラーは入力トランジスタ及び出力トランジスタを具え、入力トランジスタは相互接続されたベース及びコレクタ、及び基準端子に結合されたエミッタを有し、そのベース−エミッタ接合が閾値電圧を与え、出力トランジスタは入力トランジスタのベースに結合されたベース、基準端子に結合されたエミッタ及び鏡影出力電流を供給するコレクタを有することを特徴とする請求項１記載の電流及び電圧検出回路。
4. 一次巻線及び他の巻線を有する変成器を具え、その一次巻線と可制御スイッチングデバイスの直列接続がＤＣ入力電圧を受信するよう結合され、且つ
   前記他の巻線にインピーダンスを経て結合された入力端子を有し、前記可制御スイッチングデバイスに駆動パルスを供給する出力端を有する集積コントローラ回路を具え、該集積コントローラ回路は、前記入力端子に結合された入力端及び電圧レベル指示を供給する出力端を有する電圧検出回路と、前記入力端子に結合され入力電流を受信する入力端及び出力電流を供給する出力端を有する電流ミラーとを具え、前記入力端子の入力電圧が閾値電圧を超えるとき電流ミラーが活性になり、前記入力端子の入力電圧が閾値電圧を超えないとき電圧レベル指示が前記入力端子の電圧に対応する値を有することを特徴とする電源回路。
5. 前記集積コントローラ回路は、更に、出力電流を受信するよう結合され、前記他の巻線により供給される帰還電圧を安定化するように駆動パルスを制御する制御回路を具えることを特徴とする請求項４記載の電源回路。
6. 前記集積コントローラ回路、更に、電圧レベル指示を受信するよう結合され、エネルギーが前記変成器の一次巻線から二次巻線へ転送される限り、減磁保護信号を前記制御回路に供給して前記可制御スイッチングデバイスのスイッチオンを阻止する減磁保護回路を具えることを特徴とする請求項５記載の電源回路。

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