JP4582063B2

JP4582063B2 - サーマルリミッタ回路

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Publication number: JP4582063B2
Application number: JP2006188303A
Authority: JP
Inventors: 博賢川合; 信昭辻; 泰臣田中
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2006-07-07
Filing date: 2006-07-07
Publication date: 2010-11-17
Anticipated expiration: 2026-07-07
Also published as: JP2008017320A

Description

本発明は、サーマルリミッタ回路に関する。

回路に入力された信号の電位レベルが、予め決められた電位レベル（以下、リミット電圧という）を超えないように制御するリミッタ回路がしばしば用いられる。このリミッタ回路には、リミット電圧を任意に設定できるものがある（例えば、特許文献１に示す回路）。一方、回路を温度上昇から保護するために、サーミスタ等の温度検出素子を使用して、温度が所定値より上昇した場合には、回路に一定の制限（駆動電流の低減等）を加える回路が種々開発されている（例えば、特許文献２に示す回路）。ここで、上述した技術を用いて、温度変化に応じてリミット電圧を自動設定するように構成すれば、回路を熱暴走から保護することができるリミッタ回路（以下、サーマルリミッタ回路という）を構成することが考えられる。
特開２００６−５７４１号公報特開平４−１７０２０６号公報

図３に示す回路は、このようなサーマルリミッタ回路の一例である。図３において、サーマルリミッタ回路１００ａは、回路の温度を検出し、その結果に基づいてリミッタ回路のリミット電圧を自動設定する回路であり、バンド・ギャップ・リファレンス回路２００と、温度判定回路３００と、出力回路６００と、リミッタ回路５００とによって構成されている。

次に、バンド・ギャップ・リファレンス回路２００の構成について説明する。
図３において、抵抗１，３および４と、ＰＮ接合ダイオード（あるいはダイオード接続されたバイポーラ型トランジスタ）２および５と、差動増幅器６とは、バンド・ギャップ・リファレンス回路２００が構成されており、基準電圧Ｖ１２を出力する。差動増幅器６の出力端子には抵抗１が接続され、抵抗１と接地間にはＰＮ接合ダイオード２が順方向に接続されている。また、差動増幅器６の出力端子には、直列に抵抗３および４が接続され、さらに抵抗４と接地間にＰＮ接合ダイオード５が順方向に接続されている。

そして、抵抗１とＰＮ接合ダイオード２との接続点であるノードＮ１の電位ＤＩＮが差動増幅器６の正相入力端子に入力され、抵抗３と抵抗４との接続点であるノードＮ２の電位が、差動増幅器６の逆相入力端子に入力される。差動増幅器６の出力信号はバンド・ギャップ・リファレンス回路２００の入力側にフィードバックされる。このフィードバックループによって、差動増幅器６は、ノードＮ１およびＮ２の電位が等しくなるように動作し、安定した基準電圧Ｖ１２を出力する。

ここで、バンド・ギャップ・リファレンス回路２００においては、ＰＮ接合ダイオード５の電流密度がＰＮ接合ダイオード２の電流密度より小さくなるように、ＰＮ接合ダイオード５のＰＮ接合面の面積（ダイオード接続のトランジスタを用いる場合はエミッタ面積）をＰＮ接合ダイオード２に対して大きく設定している。
この結果、ＰＮ接合ダイオード２と５とのアノード・カソード間に電位差が生じるが、その差分ΔＶはダイオードのバンドギャップに対応した安定した定電圧となる。そして、差動増幅器６は上述したフィードバックループによって、ノードＮ１およびＮ２の電位が等しくなるように動作するから、抵抗４に流れる電流による電圧降下分が、上記電位差ΔＶに等しくなるように動作する。この場合、抵抗１，３および４の抵抗値を適宜設定することにより、ＰＮ接合ダイオード２および５の順方向降下電圧の温度依存をキャンセルすることができる。したがって、温度変動があっても安定した基準電位Ｖ１２を維持することができる。

続いて、温度判定回路３００について説明する。温度判定回路３００は、検出された温度が基準温度（以下、基準温度Ｔ１という）を超えたか否かを判定する回路であり、以下の構成を有している。なお、基準温度Ｔ１は、回路の許容温度に応じて設定される。
図３において、差動増幅器６の出力端子と接地間に、抵抗７および８が直列に接続されている。抵抗７と８との接続点であるノードＮ３の電位Ｖ１２’が差動増幅器９の正相入力端子に入力される。ノードＮ３の電位は、基準電圧Ｖ１２が抵抗７および８によって分圧された電位である。また、差動増幅器９の逆相入力端子はノードＮ１に接続されており、ノードＮ１の電位ＤＩＮが印加されている。差動増幅器９は２つの入力信号を比較するコンパレータとして機能する。

このような構成によれば、差動増幅器９の逆相入力端子に入力されるノードＮ１の電位ＤＩＮが、正相入力端子に入力されるノードＮ３の電位Ｖ１２’よりも低電位である場合には、差動増幅器９の出力信号はハイレベル（以下信号“Ｈ”と表す）となり、ノードＮ１の電位ＤＩＮの方が高電位である場合には、ローレベル（以下信号“Ｌ”と表す）となる。

ところで、図４は、基準電圧Ｖ１２およびノードＮ１の電位ＤＩＮの温度特性の一例を示したグラフである。図４より、基準電圧Ｖ１２は、バンド・ギャップ・リファレンス２００によって、温度依存性のない一定電位の基準電圧Ｖ１２に維持されている。一方、ノードＮ１の電位ＤＩＮは、定常動作を行っている間は、ＰＮ接合ダイオード２の温度上昇に正比例して傾きΔＶで低下する。例えばシリコンダイオードではΔＶ≒−２ｍＶ／℃という傾きを有する。この図から分かるように、温度変化に対して一定の割合で変化するノードＮ１の電位ＤＩＮに着目すれば、回路の温度を知ることができる。

ここで、所定の基準温度Ｔ１に対応するときの電位ＤＩＮの大きさと、Ｖ１２’の値を等しく設定しておけば、回路の温度が基準温度Ｔ１を超えたときに差動増幅器９の出力信号を“Ｈ”、回路の温度が基準温度Ｔ１以下のときに差動増幅器９の出力信号を“Ｌ”とすることができる。Ｖ１２’の値は、抵抗７，８の値を適宜設定することにより決めることができるから、回路の温度がＴ１を超えたか否かを判定することができる。

次に、リミット電圧を決定する出力回路６００について説明する。
出力回路６００は、スイッチング素子１０および１１によって構成されており、温度判定回路３００の出力信号に基づいてオン／オフを切り換える。スイッチング素子１０の一端にはＰＬＭＴ１端子を介して制御電圧Ｖｐ１が印加されている。一方、スイッチング素子１１の一端にはＰＬＭＴ２端子を介して制御電圧Ｖｐ２（ただし、Ｖｐ２＜Ｖｐ１である）が印加されている。そして、スイッチング素子１０および１１の他端はＰＴＬＭＴ端子に接続されており、ＰＴＬＭＴ端子にはリミッタ回路５００が接続されている。
スイッチング素子１０は温度判定回路３００の出力信号が“Ｌ”のときにはオン状態となり、“Ｈ”のときにはオフ状態となる。また、スイッチング素子１１は温度判定回路３００の出力信号が“Ｌ”のときにはオフ状態となり、“Ｈ”のときにはオン状態となる。
したがって、回路の温度Ｔが基準温度Ｔ１よりも低い場合には、ＰＬＭＴ１端子に印加されている制御電圧Ｖｐ１がＰＴＬＭＴ端子から出力され、回路の温度Ｔが基準温度Ｔ１を超えた場合には、ＰＬＭＴ２端子に印加されている制御電圧Ｖｐ２がＰＴＬＭＴ端子から出力される。

スイッチング素子１０，１１の具体的な実現方法の一例としては、ＭＯＳトランジスタやバイポーラ型トランジスタを用いることができ、スイッチング素子１０としてＰＭＯＳトランジスタを用い、スイッチング素子１１としてＮＭＯＳトランジスタを用いることができる。スイッチング素子１０に用いられるＰＭＯＳトランジスタのゲートを温度判定回路３００の出力端子に接続されれば、ゲート電位が十分に低い場合（つまり、温度判定回路３００の出力信号が“Ｌ”）にオン状態となり、ゲート電位が十分に高い電位（温度判定回路３００の出力信号が“Ｈ”）にまで上昇すればオフ状態となる。また、スイッチング素子１１に用いられるＮＭＯＳトランジスタのゲートを温度判定回路３００の出力端子に接続されれば、ゲート電位が十分に低い場合（温度判定回路３００の出力信号が“Ｈ”）にオフ状態となり、ゲート電位が十分に高い電位（温度判定回路３００の出力信号が“Ｈ”）にまで上昇すればオフ状態となる。このようにして、オン、オフとなる条件の異なる２つのトランジスタによって、どちらか一方のみのスイッチング素子をオン状態とすることができる。

次に、リミッタ回路５００について説明する。
リミッタ回路５００は、ＰＴＬＭＴ端子から出力されるリミット電圧に基づいて、信号の電位レベルを制御する回路である。リミッタ回路５００については、種々の構成のものを適用可能であり、汎用的な回路であるため、その詳細な説明は省略する。
リミッタ回路５００におけるリミット電圧の上限側はＶｏで_、下限側は−Ｖｏである。ＰＴＬＭＴ端子から出力されるのは、上限側のリミット電圧Ｖｏのみであるから、下限側のリミット電圧−Ｖｏについては、リミッタ回路５００の内部によって上限側のリミット電圧Ｖｏを基にして生成される。
図５は、リミッタ回路５００のリミッタ特性の一例を示した図である。同図（ａ）は、リミッタ回路５００へ入力される信号（電位ｅ_in）の波形を示し、同図（ｂ）はリミッタ回路５００が機能してリミット電圧を超えないように制御された信号の波形（電位ｅ_out）を示している。なお、横軸は時間軸である。図５（ａ）に示すように、入力信号の電位ｅ_inはｔ１≦ｔ≦ｔ２においてリミット電圧Ｖｏを超え、またｔ３≦ｔ≦ｔ４においてリミット電圧−Ｖｏを超えているため、図５（ｂ）に示すように、ｔ１≦ｔ≦ｔ２においては信号（電位ｅ_out）がリミット電圧Ｖｏを超えないように制御され、ｔ３≦ｔ≦ｔ４においてリミット電圧−Ｖｏを下回らないように制御されている。

次に、リミット電圧Ｖｏの温度特性について説明する。
図６は、リミッタ回路５００の回路の温度Ｔと、ＰＴＬＭＴ端子から出力されるリミット電圧Ｖｏとの関係を示している。
回路の温度Ｔが基準温度Ｔ１未満である場合には、ＰＬＭＴ１端子に印加されている制御電圧Ｖｐ１がＰＴＬＭＴ端子から出力される。よって、リミット電圧Ｖｏ＝Ｖｐ１となる。一方、回路の温度Ｔが基準温度Ｔ１を超える場合には、ＰＬＭＴ２端子に印加されている制御電圧Ｖｐ２がＰＴＬＭＴ端子から出力される。よって、リミット電圧Ｖｏ＝Ｖｐ２となる。
つまり、回路の温度Ｔが基準温度Ｔ１に達すれば、ＰＴＬＭＴ端子からはリミット電圧Ｖｐ１から、より低電位であるリミット電圧Ｖｐ２に切り換えて出力される。このようにしてリミット電圧Ｖｏの値が小さくなれば、リミッタ回路５００の出力信号（電位ｅ_out）もより低い値の範囲に抑えられるため、回路を流れる電流が低減されて発熱が抑えられる。

図６に示したように、回路の温度に応じて適宜スイッチング素子の動作を切り換えることでリミット電圧を制御し、回路の温度が上昇しすぎないようにしていた。ところが、このようなリミッタ回路においては、リミッタ電圧が急激に変化するため、切り替え直後においてはリミッタ回路の信号波形に歪みが生じてしまうという問題があった。

本発明は上述の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、リミッタ回路の信号波形を劣化させることなく、温度に応じた信号制御を行う技術を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、温度に応じた信号を温度検出信号として出力する温度検出手段と、所定の値の第１の電圧値を出力する第１のモードと、前記温度検出信号と基準信号との差がないときは前記第１の電圧値を出力するとともに、前記温度検出信号と基準信号とに差が生じた場合は、前記第１の電圧値から前記差に対応して連続的に変化する信号を出力する第２のモードとを有するリミット電圧出力手段と、前記温度検出信号と前記基準信号とを比較し、この比較結果に基づいて前記リミット電圧出力手段のモードを切り替えるモード切換手段と、前記リミット電圧出力手段が出力する信号に応じてリミット電圧を設定し、出力すべき信号が前記リミット電圧を超えないように制限するリミッタ手段とを具備し、前記リミット電圧出力手段は、正相入力端子に前記第１の電圧値が印加されている差動増幅器を有し、前記差動増幅器は、前記モード切換手段によって第１のモードに切り替えられたときは前記第１の電圧値を出力するボルテージホロアとして動作し、前記モード切換手段によって第２のモードに切り替えられたときは、正相入力端子には前記第１の電圧値に加え前記温度検出信号が入力され、逆相入力端子には前記基準信号が入力されることを特徴とするサーマルリミッタ回路を提供する。

このサーマルリミッタ回路の好ましい態様において、バンド・ギャップ・リファレンス回路を有するとともに、前記バンド・ギャップ・リファレンス回路に含まれるダイオードを前記温度検出手段とし、その端子電圧を前記温度検出信号として用いてもよい。

本発明のサーマルリミッタ回路によれば、リミッタ回路の出力信号を劣化させることなく、温度に応じた信号制限を行うことができる。

以下、本発明に関する実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るサーマルリミッタ回路１００の回路図である。サーマルリミッタ回路１００は、バンド・ギャップ・リファレンス回路２００と、温度判定回路３００と、差動アンプ４００とによって構成される。なお、図３に示す回路と共通する部分については共通の符号を用い、その説明を省略する。

本実施形態が上述した従来回路と異なる点は、出力回路６００を差動アンプ４００に置き換えている点である。差動アンプ４００は以下の構成を有している。
図において１４は差動増幅器（演算増幅器）であり、差動増幅器１４の正相入力端子とＰＬＭＴ端子との間には抵抗１６が介挿され、逆相入力端子と出力端子間には抵抗１８が介挿されている。差動増幅器１４の出力端子はノードＮ４となり、ＰＴＬＭＴ端子に接続されている。
また、差動増幅器１４の正相入力端子は、スイッチング素子１２および抵抗１５を順次介してノードＮ１に接続されており、差動増幅器１４の逆相入力端子はスイッチング素子１３および抵抗１７を順次介して、差動増幅器９の正相入力端子に接続されている。

スイッチング素子１２および１３は、温度判定回路３００から供給される出力信号に基づいてオン／オフを切り換える。本実施形態においては、差動増幅器９の出力信号が“Ｈ”のときにスイッチング素子１２と１３とが共にオン状態となり、差動増幅器９の出力信号が“Ｌ”のときに共にオフ状態となる。スイッチング素子１２および１３が共にオフ状態のときは、差動アンプ４００はボルテージホロアとして機能し、スイッチング素子１２および１３が共にオン状態のときは、差動アンプ４００は差動増幅回路として機能する。
また、差動アンプ４００は、それぞれの入力端にボルテージホロアを構成する差動アンプ１９および２０を有しており、スイッチング素子１２と１３とが共にオン状態となるときに、抵抗１５および抵抗１７を流れる電流によって、ノードＮ３の電位Ｖ１２’が変化することを防ぐために設けられている。

次に、本実施形態の動作について説明する。まず、温度Ｔが基準温度Ｔ１未満の場合を説明する。この場合は、ノードＮ１の電位（ＤＩＮ）がノードＮ３の電位（Ｖ１２’）よりも高くなり、差動増幅器９の出力信号が“Ｌ”となる。この結果、スイッチング素子１２および１３が共にオフ状態となり、差動増幅器１４はボルテージホロアとして動作する。したがって、その出力端であるノードＮ４からはＰＬＭＴ端子に印加されている電圧Ｖｐが出力される。これにより、リミッタ回路５００のリミット電圧は上限がＶｐ、下限が−Ｖｐとなる。
次に、回路の温度が基準温度Ｔ１以上になれば、ノードＮ１の電位（ＤＩＮ）がノードＮ３の電位（Ｖ１２’）よりも低くなり、差動増幅器９の出力信号が“Ｈ”となる。この結果、スイッチング素子１２および１３が共にオン状態となり、差動増幅器１４は差動増幅回路として動作する。
この結果、ＰＴＬＭＴ端子からは、一定電位であるノードＮ３の電位Ｖ１２’と、温度上昇と共に低下するノードＮ１の電位ＤＩＮとの電位差に応じた信号が出力される。
ここで、差動アンプ４００の抵抗１５の抵抗値と抵抗１７の抵抗値をＲ１とし、さらに抵抗１６の抵抗値と抵抗１８の抵抗値をＲ２とすると、ＰＴＬＭＴ端子から出力されるリミット電圧Ｖｏは、次式（１）によって算出される。
Ｖｏ＝−Ｒ２／Ｒ１＊（Ｖ１２’−ＤＩＮ）＋Ｖｐ・・・（１）
式（１）より、差動アンプ４００の入力信号の電位差に抵抗比Ｒ２／Ｒ１を乗じて、制御電圧Ｖｐを加算した値が、リミット電圧Ｖｏの値となる。また、式（１）よりリミット電圧Ｖｏの低下の割合（傾き）は、抵抗比Ｒ２／Ｒ１の値によって決まり、抵抗Ｒ１，Ｒ２の値を適宜選択することにより任意に設定することができる。
以上のように、回路の温度Ｔが基準温度Ｔ１未満のときは、リミット電圧の値はＶｐであり、温度Ｔが上昇して基準温度Ｔ１に達した後は、温度上昇に対して一定の割合で低下する電圧となる。図２は、本実施形態における温度Ｔとリミット電圧Ｖｏとの関係を示している。この図２からも分かるように、本実施形態においては、ＰＴＬＭＴ端子から出力されるリミット電圧Ｖｏの電位が急激に変化することがないため、リミッタ回路５００の出力信号の波形は劣化しない。

なお、本発明は種々の形態によって実施可能である。例えば、上述した実施形態を次のように変形してもよい。
上述した実施形態においては、基準電圧Ｖ１２をバンド・ギャップ・リファレンス回路２００内のＰＮ接合ダイオード２のアノード電位（電位ＤＩＮ）を温度検出信号として用いたが、温度検出信号を生成する構成はこれに限らない。ＰＮ接合ダイオード５のアノード電位を用いてもよく、また、サーミスタや、その他の素子を用いて、温度が反映された信号が出力されるように構成すればよい。
上述した実施形態においては、温度Ｔが基準温度Ｔ１を超えた場合に、リミット電圧Ｖｏの値が線形に低下するようにしたが、リミット電圧Ｖｏの変化の仕方はこれに限ることなく、任意の曲線に従って変化するように構成してもよい。要するに、リミット電圧Ｖｏの変化が不連続にならないような直線または曲線であればよい。

本発明の実施形態に係るリミッタ回路を示す回路図である。同リミッタ回路によるリミット電圧の温度特性の一例を示す図である。従来のリミッタ回路を示す回路図である。バンド・ギャップ・リファレンス回路の電位を示す図である。リミッタ回路５００の特性の一例を示す図である。従来のリミッタ回路のリミット電圧の温度特性の一例を示す図である。

符号の説明

１，３，４，７，８，１５，１６，１７，１８…抵抗、２…ＰＮ接合ダイオード（温度検出手段）、５…ＰＮ接合ダイオード、６，９，１４…差動増幅器、１０，１１，１２，１３…スイッチング素子、１００，１００ａ…サーマルリミッタ回路、２００…バンド・ギャップ・リファレンス回路、３００…温度判定回路、５００…リミッタ回路、１９，２０，４００…差動アンプ、６００…出力回路。

Claims

温度に応じた信号を温度検出信号として出力する温度検出手段と、
所定の値の第１の電圧値を出力する第１のモードと、前記温度検出信号と基準信号との差がないときは前記第１の電圧値を出力するとともに、前記温度検出信号と基準信号とに差が生じた場合は、前記第１の電圧値から前記差に対応して連続的に変化する信号を出力する第２のモードとを有するリミット電圧出力手段と、
前記温度検出信号と前記基準信号とを比較し、この比較結果に基づいて前記リミット電圧出力手段のモードを切り替えるモード切換手段と、
前記リミット電圧出力手段が出力する信号に応じてリミット電圧を設定し、出力すべき信号が前記リミット電圧を超えないように制限するリミッタ手段と
を具備し、
前記リミット電圧出力手段は、正相入力端子に前記第１の電圧値が印加されている差動増幅器を有し、
前記差動増幅器は、前記モード切換手段によって第１のモードに切り替えられたときは前記第１の電圧値を出力するボルテージホロアとして動作し、前記モード切換手段によって第２のモードに切り替えられたときは、正相入力端子には前記第１の電圧値に加え前記温度検出信号が入力され、逆相入力端子には前記基準信号が入力される
ことを特徴とするサーマルリミッタ回路。
バンド・ギャップ・リファレンス回路を有するとともに、前記バンド・ギャップ・リファレンス回路に含まれるダイオードを前記温度検出手段とし、その端子電圧を前記温度検出信号として用いることを特徴とする請求項１記載のサーマルリミッタ回路。