JP4597044B2 - 逆流防止回路 - Google Patents

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Description

本発明は、出力(負荷)から入力(電源)へと流れる逆流電流を防止する逆流防止回路に関し、特に、電気機器内部の単一又は複数の電源から負荷への電力供給系統を制御するスイッチ回路における逆流防止回路に関する。
近年、内部回路の電源と負荷との間にスイッチを有する構成の電気機器、例えば携帯電話、パーソナルコンピュータ、家庭電化製品等では、小型化、高機能化、低消費電力化が進んでいる。このような進歩に合わせて、機器を構成する回路の電源部周辺に求められる機能として、内部回路の複雑化に伴う多様な電圧及び複数の電源容量の必要性を満たす目的での電源の多系統化があった。また、同時に、機器の省電力化、誤動作の防止、安全性の確保という観点から内部回路の各電源をスイッチによって制御することが求められていた。
しかし、このようなスイッチ回路は、機器が所定の目的を達するために必ずしも必要ではなく、発熱等の危険性や負荷からの逆流による電池等の電源を保護する機能の一つとして用いられている場合が多かった。このような観点から、スイッチ回路での消費電力は無駄な電力として扱われる場合が多く、スイッチ回路自体の省電力化も求められていた。
以上のことから、スイッチ回路に求められる仕様として、小型であること、幅広い入力電圧に対応すること、入出力電圧差が小さいこと、異常検出を行って電源と負荷との間の導通/遮断の制御を行うこと、電流の逆流を防止すること、スイッチ回路自体での消費電力が小さいこと等があった。
図6は、従来の逆流防止回路の例を示した図である(例えば、特許文献1参照。)。
図6では、ダイオード109がスイッチ103と直列に接続されており、入力側である電源107の電圧が出力側であるダイオード109のカソードの電圧よりも大きい場合は、ダイオード109には順方向のバイアスがかかるため、ダイオード109に電流が流れる。逆に、出力側であるダイオード109のカソードの電圧が入力側である電源107の電圧よりも大きい場合は、ダイオード109における逆バイアス時の電圧−電流特性によって逆電流の発生が抑制されている。
また、図7は、従来の逆流防止回路の他の例を示した図である(例えば、特許文献2参照。)。
図7では、バイアス電源112の電圧は電源107の電圧よりも小さく、雑音耐圧を増す目的で設けられており、入力側である電源107の電圧と出力側であるPMOSトランジスタからなるスイッチ113のドレイン電圧をコンパレータ111で電圧比較し、前記出力側の電圧が前記入力側の電圧からバイアス電源112の電圧だけ小さい電圧以上になると、スイッチ113のゲートをハイレベルの信号で固定してオフさせ、スイッチ113を遮断状態にして逆電流の発生を防止する。
特開2005−151677号公報 特開2002−152968号公報
しかし、図6の逆流防止回路では、ダイオード109が導通するために必要な順方向電圧による電力損失が発生するという問題があった。更に、ダイオード109自体の順方向での抵抗値がスイッチ103がオンしたときの抵抗であるオン抵抗に加わることから、電源107と負荷108との間の抵抗値が大きくなるという問題があった。
また、図7の逆流防止回路では、コンパレータ111が差動増幅器を基本構成にしているため、最低動作電圧が比較的大きく、内部に定電流源を有していることから常時電流が流れるという問題があった。更に、コンパレータ111に入力される電圧の範囲にも制限があった。図7の回路では、接地電圧から電源電圧までの入力電圧が想定されるため、入力電圧の範囲に関する制限を受けないRail−to−Rail方式の入力段を持つ差動増幅器を基本としたコンパレータを使用する必要があった。しかし、このような差動増幅器の入力段は、通常の差動増幅器の入力段と比較して2倍の素子数と電流を必要とすることから、逆流防止回路の回路規模及び消費電流が大きくなり、集積化を行うには不適切であった。
このように、従来の逆流防止回路では、ダイオードによる電圧降下、消費電力の増大及び回路規模の増大という問題があった。
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、入力端から出力端に流れる順方向の電流に対する電力損失を増大させることなく電流の逆流を防止することができると共に、省電力化を図ることができ、容易に集積化を行うことができる逆流防止回路を得ることを目的とする。
この発明に係る逆流防止回路は、入力端INから出力端OUTへの電流の流れを第1のスイッチによって導通又は遮断するスイッチ回路における、前記出力端OUTから前記入力端INへ電流が流れる逆流を防止する逆流防止回路において、
前記出力端OUTの電圧を基準にして、前記入力端INの電圧である入力電圧を2値化して出力する論理回路と、
論理回路の出力信号に応じて前記第1のスイッチの制御電極を所定の電圧に接続して該第1のスイッチを遮断状態にする遮断回路と、
を備え、
前記論理回路は、入力端に前記入力電圧が入力され前記出力電圧を電源とするインバータからなり、前記入力電圧が前記出力端OUTの電圧である出力電圧よりも小さくなると、前記遮断回路に対して、前記第1のスイッチを遮断状態にするための信号を出力するものである。

また、前記インバータは、Nチャネル型のMOSトランジスタと抵抗との組み合わせで形成されるようにした。
また、前記インバータは、Pチャネル型のMOSトランジスタと抵抗との組み合わせで形成されるようにしてもよい。
また、前記インバータは、Pチャネル型及びNチャネル型の各MOSトランジスタの組み合わせで形成されるようにしてもよい。
また、前記インバータの出力端をプルダウンするプルダウン抵抗を備えるようにした。
具体的には、前記プルダウン抵抗は、ゲートが接地電圧に接続されて定電流源をなすデプレッション型MOSトランジスタである。
また、前記プルダウン抵抗は、前記インバータの出力端と接地電圧との間に接続されると共にゲートに前記入力電圧が入力されたデプレッション型MOSトランジスタであるようにしてもよい。
また、前記第1のスイッチは、Nチャネル型のMOSトランジスタであり、前記遮断回路は、該Nチャネル型のMOSトランジスタのゲートと接地電圧との間に接続され、前記論理回路の出力信号に応じてスイッチングを行う第2のスイッチからなるようにした。
この場合、前記第2のスイッチは、ゲートに前記論理回路の出力信号が入力されたMOSトランジスタである。
また、前記第1のスイッチのサブストレートゲートと前記出力端OUTとの間に接続された抵抗と、
前記第1のスイッチのサブストレートゲートと接地電圧との間に接続され、前記論理回路の出力信号に応じて前記第2のスイッチと同じスイッチング動作を行う第3のスイッチと、
を備えるようにした。
この場合、前記第3のスイッチとして、ゲートに前記論理回路の出力信号が入力されたMOSトランジスタを使用してもよい。
本発明の逆流防止回路によれば、前記入力端INに入力された入力電圧が前記出力端OUTの電圧である出力電圧よりも小さくなると、前記遮断回路に対して、前記第1のスイッチのスイッチング制御を行う制御信号に関係なく前記第1のスイッチを強制的に遮断状態にするための信号を出力するようにした。また、入力端INと出力端OUTとの間に介在する素子が第1のスイッチのみであるため、回路全体としてのオン抵抗は第1のスイッチのオン抵抗と等価になり、第1のスイッチの低オン抵抗化によって回路全体の低オン抵抗化を図ることができる。更に、第1のスイッチ以外の素子による入力端INから出力端OUTに流れる順方向の電流に対する電力損失を伴わないため、無駄な電力消費をなくすことができ省エネルギー化を図ることができる。また、電力消費に伴う熱の発生も抑えることができるため、容易に集積化を行うことができると共に、機器の安全性及び信頼性を向上させることができる。
また、前記論理回路に、インバータという素子数の少ない回路を使用したことから、回路規模が小さく小型集積化を容易に行うことができると同時に低消費電力化を図ることができる。
インバータをNチャネル型のMOSトランジスタとPチャネル型のMOSトランジスタの組み合わせで実現した場合、ほとんどの入力電圧に対して動作するMOSトランジスタはいずれか一方のみになるため、電源から接地端子にインバータ内部を通過して流れる電流である貫通電流をなくすことができる。
また、前記インバータは、前記出力電圧を電源にするようにしたことから、該インバータ用の電源を別途設ける必要をなくすことができる。
また、前記インバータの出力端をプルダウンするプルダウン抵抗を備えるようにしたことから、前記入力端IN及び/又は出力端OUTに加わるノイズによる前記第2のスイッチの誤動作を防止することができる。
次に、図面に示す実施の形態に基づいて、本発明を詳細に説明する。
第1の実施の形態.
図1は、本発明の第1の実施の形態における逆流防止回路の回路例を示した図である。
図1のスイッチ回路は、入力端INに接続された直流電源10と出力端OUTに接続された負荷11を接続する回路であり、NMOSトランジスタからなるスイッチ2と、スイッチ2にゲート電圧を供給してオンさせるゲート駆動回路3と、負荷11から直流電源10への電流の逆流を防止する逆流防止回路4とで構成されている。逆流防止回路4は、NMOSトランジスタ7及びインバータ8で構成されている。なお、スイッチ2は第1のスイッチを、NMOSトランジスタ7は遮断回路を、インバータ8は論理回路をそれぞれなす。また、NMOSトランジスタ7は第2のスイッチをなす。
逆流防止回路4は、出力端OUTの電圧が入力端INの電圧よりも大きくなり、スイッチ2を介して出力端OUTから入力端INに電流が逆流することを防止する。
入力端INと出力端OUTとの間にはスイッチ2が接続され、スイッチ2のゲートにはゲート駆動回路3からゲート電圧が供給されている。スイッチ2のサブストレートゲートは出力端OUTに接続され、スイッチ2のゲートと接地電圧との間にNMOSトランジスタ7が接続されている。インバータ8の入力端は入力端INに接続され、インバータ8の出力端はNMOSトランジスタ7のゲートに接続されており、インバータ8は、出力端OUTの電圧を電源にして作動する。NMOSトランジスタ7のサブストレートゲートは接地電圧に接続されている。
インバータ8の内部回路としては、NMOSトランジスタと抵抗、PMOSトランジスタと抵抗、又はNMOSトランジスタとPMOSトランジスタ等の組み合わせを用いることができるが、消費電力を低減させるためにはNMOSトランジスタとPMOSトランジスタの組み合わせを使用する方がよい。
ゲート駆動回路3は、例えば、図2で示すようなチャージポンプ回路で構成された昇圧回路をなしている。
図2において、ゲート駆動回路3は、所定の直流電圧を供給する電圧源20、所定の矩形波を生成して出力する発振回路21,ダイオード22〜24,インバータ25,26及びコンデンサ27〜29で構成されている。
電圧源20において、正側電源端子はダイオード22のアノードとコンデンサ27の一端に接続され、コンデンサ27の他端とインバータ25の入力端は発振回路21の出力端に接続されている。ダイオード22のカソードは、ダイオード23のアノードとコンデンサ28の一端にそれぞれ接続され、インバータ25の出力端は、コンデンサ28の他端及びインバータ26の入力端にそれぞれ接続されている。同様に、ダイオード23のカソードは、ダイオード24のアノードとコンデンサ29の一端にそれぞれ接続され、インバータ26の出力端は、コンデンサ29の他端に接続されている。ダイオード24のカソードが、ゲート駆動回路3の出力端をなし、スイッチ2のゲートに接続されている。
このような構成において、インバータ8は、出力端OUTの電圧が入力端INの電圧よりも大きくなると、NMOSトランジスタ7のゲートにハイレベルの信号を出力しNMOSトランジスタ7をオンさせる。NMOSトランジスタ7は、オンするとスイッチ2のゲートを接地電圧に接続し、ゲート駆動回路3の動作に関係なくスイッチ2をオフさせて遮断状態にする。このようにして、逆流防止回路4は、出力端OUTから入力端INへの電流の逆流を防止する。また、NMOSトランジスタ7を流れる電流も、スイッチ2が動作していない状態では非常に微小である。スイッチ2が動作している状態でも、わずかにゲート駆動回路3から流れ出る電流のみである。スイッチ2に対するゲート駆動回路3は、図2に示すようなチャージポンプ回路等で構成されるが、通常スイッチ2のゲートには電流が流れないため、ゲート駆動回路3の出力電流は概ね小さくて良い。
このように、本第1の実施の形態における逆流防止回路は、出力端OUTの電圧が入力端INの電圧よりも大きくなると、インバータ8からNMOSトランジスタ7のゲートにハイレベルの信号を出力しNMOSトランジスタ7をオンさせてスイッチ2のゲートを接地電圧に接続して、ゲート駆動回路3の動作に関係なくスイッチ2をオフさせて遮断状態にするようにした。このことから、入力端から出力端に流れる順方向の電流に対する電力損失を増大させることなく、省電力化を図ることができ、1つのインバータと1つのMOSトランジスタで構成することができるため、回路規模が小さく容易に集積化を行うことができる逆流防止回路を得ることができる。
第2の実施の形態.
前記第1の実施の形態では、出力端OUTの電圧が低下した場合、インバータ8の電源電圧が低下することから、インバータ8の出力信号がローレベルになるための入力電圧範囲が狭まる。従って、入力端INの電圧が出力端OUTの電圧よりもわずかに下がっただけで、インバータ8の出力端から出力端OUTの電圧と同程度の電圧が出力され、NMOSトランジスタ7をオンさせる可能性があった。そこで、インバータ8の出力端と接地電圧との間に、プルダウン抵抗の働きをする定電流源を形成したデプレッション型のNMOSトランジスタを設けるようにしてもよく、このようにしたものを本発明の第2の実施の形態とする。
図3は、本発明の第2の実施の形態における逆流防止回路の回路例を示した図である。なお、図3では、図1と同じもの又は同様のものは同じ符号で示し、ここではその説明を省略すると共に図1との相違点のみ説明する。
図3における図1との相違点は、インバータ8の出力端と接地電圧との間に、プルダウン抵抗の働きをする定電流源を形成したデプレッション型NMOSトランジスタ31を設けたことにあり、これに伴って図1の逆流防止回路4を逆流防止回路4aにした。
図3のスイッチ回路は、スイッチ2と、ゲート駆動回路3と、負荷11から直流電源10への電流の逆流を防止する逆流防止回路4aとで構成されている。逆流防止回路4aは、NMOSトランジスタ7、インバータ8及びデプレッション型NMOSトランジスタ31で構成されている。インバータ8の出力端と接地電圧との間にデプレッション型NMOSトランジスタ31が接続され、デプレッション型NMOSトランジスタ31のゲート及びサブストレートゲートはそれぞれ接地電圧に接続されている。
このような構成において、デプレッション型NMOSトランジスタ31は、出力端OUTが低電圧である条件下での逆流防止回路の耐ノイズ性を改善させるために付加されており、定電流源を形成してプルダウン抵抗の働きをなしている。このため、デプレッション型NMOSトランジスタ31は、出力端OUTの電圧が低下した場合、インバータ8の電源電圧が低下してインバータ8の出力信号がローレベルになるための入力電圧範囲が狭まり、入力端INの電圧が出力端OUTの電圧よりもわずかに下がっただけで、インバータ8の出力端から出力端OUTの電圧と同程度の電圧が出力されてNMOSトランジスタ7をオンさせることを防止することができる。
図4は、本発明の第2の実施の形態における逆流防止回路の他の回路例を示した図である。なお、図4では、図3と同じもの又は同様のものは同じ符号で示し、ここではその説明を省略すると共に図3との相違点のみ説明する。
図4における図3との相違点は、デプレッション型NMOSトランジスタ31のゲートを入力端INに接続したことにある。このようにすることによっても、図3の場合と同様の効果を得ることができる。
このように、本第2の実施の形態の逆流防止回路では、前記第1の実施の形態のインバータ8の出力端に、プルダウン抵抗の働きをなすデプレッション型NMOSトランジスタ31を接続するようにした。このことから、前記第1の実施の形態と同様の効果を得ることができると共に、出力端OUTの電圧が低下した場合、インバータ8の電源電圧が低下してインバータ8の出力信号がローレベルになるための入力電圧範囲が狭まり、入力端INの電圧が出力端OUTの電圧よりもわずかに下がっただけで、インバータ8の出力端から出力端OUTの電圧と同程度の電圧が出力されてNMOSトランジスタ7をオンさせることを防止することができる。
第3の実施の形態.
スイッチ2のサブストレートゲートが接地電圧であると、入力端INに正規の電圧が加わった状態でスイッチ2が導通した場合、スイッチ2のソースとサブストレートゲートとの間に逆バイアスがかかるため、基板バイアス効果によってスイッチ2のしきい値電圧が上昇し、結果的にスイッチ2のオン抵抗が増加してしまう。このようなことを防止するために、前記第1及び第2の各実施の形態では、スイッチ2のサブストレートゲートは出力端OUTと同じ電圧に保たれ、基板バイアス効果の影響を受けないようにしていた。しかし、このようにした場合、逆流状態に陥ると入力端INよりもサブストレートゲートの電圧が大きくなるため、スイッチ2の寄生トランジスタが順バイアス状態になって、電流のリークを引き起こす場合が考えられる。そこで、スイッチ2のサブストレートゲートに対しても逆流状態時における接地回路が必要となり、このようにしたものを本発明の第3の実施の形態とする。
図5は、本発明の第3の実施の形態における逆流防止回路の回路例を示した図である。なお、図5では、図3と同じもの又は同様のものは同じ符号で示し、ここではその説明を省略すると共に図3との相違点のみ説明する。
図5における図3との相違点は、逆流状態のときに接地回路をなすNMOSトランジスタ35及び抵抗36を追加したことにある。これに伴って図2の逆流防止回路4aを逆流防止回路4bにした。
図5のスイッチ回路は、スイッチ2と、ゲート駆動回路3と、負荷11から直流電源10への電流の逆流を防止する逆流防止回路4bとで構成されている。逆流防止回路4bは、NMOSトランジスタ7,35、インバータ8、デプレッション型NMOSトランジスタ31及び抵抗36で構成されている。なお、NMOSトランジスタ35は第3のスイッチをなす。スイッチ2のサブストレートゲートは抵抗36を介して出力端OUTに接続され、スイッチ2のサブストレートゲートと接地電圧との間にNMOSトランジスタ35が接続されている。NMOSトランジスタ35のゲートはインバータ8の出力端に接続され、NMOSトランジスタ35のサブストレートゲートは接地電圧に接続されている。
このような構成において、出力端OUTから入力端INに電流が逆流する逆流状態になると、インバータ8の出力端はハイレベルの電圧になり、NMOSトランジスタ7がオンすると同時にNMOSトランジスタ35もオンしてスイッチ2のサブストレートゲートを接地電圧にする。この際、抵抗36は、NMOSトランジスタ35がオンした際に、該NMOSトランジスタ35に流れる電流の制限を行う。このため、スイッチ2は完全にオフして遮断状態になり、電流の逆流を防止する。なお、図5では、図3の回路を使用した場合を例にして示したが、図1、図3及び図4の場合も同様であるのでその説明を省略する。また、抵抗36は、逆流状態に陥った際、出力端OUTからNMOSトランジスタ35を介して接地電圧に流れる電流を許容できるだけの大きさがあればよい。
このように、本第3の実施の形態の逆流防止回路では、前記第2の実施の形態のスイッチ2のサブストレートゲートと接地電圧との間にNMOSトランジスタ35を接続すると共に、スイッチ2のサブストレートゲートを抵抗36を介して出力端OUTに接続するようにした。このことから、前記第2の実施の形態と同様の効果を得ることができると共に、逆流が発生した際にスイッチ2のリーク電流をなくすことができ、スイッチ2を完全にオフさせて遮断状態にすることができ、電流の逆流をより完全に遮断することができる。
なお、前記第3の実施の形態では、図3の回路を使用した場合を例にして示したが、図1及び図4の回路を使用した場合も同様であるのでその説明を省略する。また、第1から第3の各実施の形態において、特に明記していないMOSトランジスタはエンハンスメント型のMOSトランジスタである。また、第1から第3の各実施の形態におけるインバータを構成するMOSトランジスタや、第2及び第3の各実施の形態における耐ノイズ性向上のためのデプレッション型のMOSトランジスタは、最小の面積で形成するようにしても問題はない。
本発明の第1の実施の形態における逆流防止回路の回路例を示した図である。 ゲート駆動回路3の回路例を示した図である。 本発明の第2の実施の形態における逆流防止回路の回路例を示した図である。 本発明の第2の実施の形態における逆流防止回路の他の回路例を示した図である。 本発明の第3の実施の形態における逆流防止回路の回路例を示した図である。 従来の逆流防止回路の例を示した図である。 従来の逆流防止回路の他の例を示した図である。
符号の説明
2 スイッチ
3 ゲート駆動回路
4,4a,4b 逆流防止回路
7,35 NMOSトランジスタ
8 インバータ
10 直流電源
11 負荷
31 デプレッション型NMOSトランジスタ
36 抵抗

Claims (11)

  1. 入力端INから出力端OUTへの電流の流れを第1のスイッチによって導通又は遮断するスイッチ回路における、前記出力端OUTから前記入力端INへ電流が流れる逆流を防止する逆流防止回路において、
    前記出力端OUTの電圧を基準にして、前記入力端INの電圧である入力電圧を2値化して出力する論理回路と、
    論理回路の出力信号に応じて前記第1のスイッチの制御電極を所定の電圧に接続して該第1のスイッチを遮断状態にする遮断回路と、
    を備え、
    前記論理回路は、入力端に前記入力電圧が入力され前記出力電圧を電源とするインバータからなり、前記入力電圧が前記出力端OUTの電圧である出力電圧よりも小さくなると、前記遮断回路に対して、前記第1のスイッチを遮断状態にするための信号を出力することを特徴とする逆流防止回路。
  2. 前記インバータは、Nチャネル型のMOSトランジスタと抵抗との組み合わせで形成されることを特徴とする請求項1記載の逆流防止回路。
  3. 前記インバータは、チャネル型のMOSトランジスタと抵抗との組み合わせで形成されることを特徴とする請求項記載の逆流防止回路。
  4. 前記インバータは、Pチャネル型及びNチャネル型MOSトランジスタの組み合わせで形成されることを特徴とする請求項記載の逆流防止回路。
  5. 前記インバータの出力端をプルダウンするプルダウン抵抗を備えることを特徴とする請求項1、、3又は4記載の逆流防止回路。
  6. 前記プルダウン抵抗は、ゲートが接地電圧に接続されて定電流源をなすデプレッション型MOSトランジスタであることを特徴とする請求項5記載の逆流防止回路。
  7. 前記プルダウン抵抗は、前記インバータの出力端と接地電圧との間に接続されると共にゲートに前記入力電圧が入力されたデプレッション型MOSトランジスタであることを特徴とする請求項記載の逆流防止回路。
  8. 前記第1のスイッチは、Nチャネル型のMOSトランジスタであり、前記遮断回路は、該Nチャネル型のMOSトランジスタのゲートと接地電圧との間に接続され、前記論理回路の出力信号に応じてスイッチングを行う第2のスイッチからなることを特徴とする請求項1、2、3、4、5、又は7記載の逆流防止回路。
  9. 前記第のスイッチは、ゲートに前記論理回路の出力信号が入力されたMOSトランジスタであことを特徴とする請求項8記載の逆流防止回路。
  10. 前記第のスイッチのサブストレートゲートと前記出力端OUTとの間に接続された抵抗と、
    前記第1のスイッチのサブストレートゲートと接地電圧との間に接続され、前記論理回路の出力信号に応じて前記第2のスイッチと同じスイッチング動作を行う第3のスイッチと、
    を備えることを特徴とする請求項8又は9記載の逆流防止回路。
  11. 前記第のスイッチは、ゲートに前記論理回路の出力信号が入力されたMOSトランジスタであることを特徴とする請求項10記載の逆流防止回路。
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