JP4877018B2

JP4877018B2 - 電流検出回路及びこの電流検出回路の初期化方法

Info

Publication number: JP4877018B2
Application number: JP2007094315A
Authority: JP
Inventors: 考一今井; 礼二奥野
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2027-03-30
Also published as: JP2008249645A

Description

本発明は、磁気抵抗素子を用いた電流検出回路及びこの電流検出回路の初期化方法に関するものである。

電流検出回路として磁気抵抗素子を用いたものが考案されている。この電流検出回路は、電流により発生する磁界に応じて磁気抵抗素子の抵抗値を変化させ、この抵抗値の変化を電圧値の変化に変換する。磁気抵抗素子としては、ＭＲ素子やＧＭＲ素子などが知られている。この種の磁気抵抗素子では、磁界に対する抵抗値特性がヒステリシス特性を示すので、ある磁界に対して異なる抵抗値（二つの抵抗値のうち何れか不定）を示すことがある。そのために、磁気抵抗素子の抵抗値が変動してしまい、電流検出回路のオフセット電圧が変動してしまう。

特許文献１には、磁気抵抗素子の抵抗値の変動を防止するための磁気抵抗素子の初期化方法が記載されている。この磁気抵抗素子の初期化方法では、一旦、磁気抵抗素子に制御磁界を加えて磁気抵抗素子を強制的に飽和させ、ある磁界に対して一つの抵抗値のみを示すように磁気抵抗素子を初期化している。その際、この磁気抵抗素子の初期化方法では、初期化を、基準クロックに同期したタイミングで繰り返し行っている。
特許第３３６８９６４号公報

しかしながら、電流検出回路において、特許文献１に記載の磁気抵抗素子の初期化方法を用いると、初期化中、磁気抵抗素子が飽和しているので、電流を正確に電圧に変換することができない。したがって、この種の電流検出回路を、例えば、スイッチング電源のような、フィードバック制御や保護制御のために常に電流検出を要する装置に用いることが困難であった。

そこで、本発明は、電流検出中でも外部不要磁界によって電流検出回路が発生するオフセット電圧の変動を抑制することが可能な電流検出回路及び電流検出回路の初期化方法を提供することを目的としている。

本発明の電流検出回路は、複数の磁気抵抗素子を有し、パルス電流に応じて発生する磁界を検出して、該磁界に応じた差動の検出信号を生成する磁気抵抗部と、複数の磁気抵抗素子に共通に初期化磁界を供給する初期化コイルを有し、差動の検出信号の立下りを検出した場合に複数の磁気抵抗素子の初期化を行う初期化部とを備え、初期化部は、差動の検出信号の値が閾値以上である場合に複数の磁気抵抗素子の初期化を行い、差動の検出信号の値が閾値未満である場合に複数の磁気抵抗素子の初期化を行なわない。

この電流検出回路によれば、初期化部が、検出信号の立下りに応じて、初期化コイルから初期化磁界を供給することによって磁気抵抗素子の初期化を行うことができるので、パルス電流に同期して、パルス電流が流れていないときに、磁気抵抗素子の初期化を行うことができる。したがって、この電流検出回路によれば、電流検出中でも必要な電流情報を失うことなく、オフセット電圧の変動を抑制することが可能となる。また、初期化部は、差動の検出信号の値が閾値以上である場合に複数の磁気抵抗素子の初期化を行い、差動の検出信号の値が閾値未満である場合に複数の磁気抵抗素子の初期化を行なわないので、検出信号にノイズが重畳されていても、初期化部がノイズを検出して誤った初期化を行うことを抑制することができる。

また、本発明の別の電流検出回路は、複数の磁気抵抗素子を有し、パルス電流に応じて発生する磁界を検出して、該磁界に応じた差動の検出信号を生成する磁気抵抗部と、複数の磁気抵抗素子に共通に初期化磁界を供給する初期化コイルを有し、差動の検出信号の立下りを検出した場合に複数の磁気抵抗素子の初期化を行う初期化部とを備え、初期化部は、カウンタを有し、差動の検出信号の立下りを検出した回数が閾値に達した場合に複数の磁気抵抗素子の初期化を行う。

この電流検出回路によれば、初期化部が、検出信号の立下りに応じて、初期化コイルから初期化磁界を供給することによって磁気抵抗素子の初期化を行うことができるので、パルス電流に同期して、パルス電流が流れていないときに、磁気抵抗素子の初期化を行うことができる。したがって、この電流検出回路によれば、電流検出中でも必要な電流情報を失うことなく、オフセット電圧の変動を抑制することが可能となる。ところで、実使用状態において、磁気抵抗素子の抵抗値が変動する程の大きな外部磁界が磁気抵抗素子に印加される頻度は少ないので、磁気抵抗素子の初期化を頻繁に行う必要はない。この電流検出回路によれば、初期化部は、差動の検出信号の立下りを検出した回数が閾値に達した場合に複数の磁気抵抗素子の初期化を行うことによって、初期化の回数を減らすことができるので、低消費電流化が可能となる。特に、初期化コイルには比較的大きな電流が必要となるが、この初期化コイルの消費電流の低減を図ることができる。

上記した電流検出回路は、初期化部が複数の磁気抵抗素子の初期化を行う期間、直前の検出信号の値を保持して出力する保持部を更に備えることが好ましい。

この構成によれば、初期化時にノイズが検出信号として出力されても、保持部が遮断して、誤った情報が外部へ漏れることを防止することができる。

また、上記した初期化部は、差動の検出信号の立上がりを検出するまで複数の磁気抵抗素子の初期化を継続することが好ましい。

この構成によれば、初期化部は、パルス電流が流れていない期間を最大限に利用して、磁気抵抗素子の初期化を十分に行うことができる。また、保持部は、パルス電流が流れていない期間、検出信号を遮断することができるので、誤った電流情報が外部へ漏れることを防止することができる。

本発明に関連する電流検出回路の初期化方法は、複数の磁気抵抗素子を有し、パルス電流に応じて発生する磁界を検出して、該磁界に応じた差動の検出信号を生成する磁気抵抗部と、複数の磁気抵抗素子に共通に初期化磁界を供給する初期化コイルを有し、差動の検出信号の立下りを検出した場合に複数の磁気抵抗素子の初期化を行う初期化部とを備える電流検出回路において、初期化部によって複数の磁気抵抗素子を初期化する。

この電流検出回路の初期化方法では、初期化部が、検出信号の立下りに応じて、初期化コイルから初期化磁界を供給することによって磁気抵抗素子の初期化を行うことができるので、パルス電流に同期して、パルス電流が流れていないときに、磁気抵抗素子の初期化を行うことができる。したがって、この電流検出回路の初期化方法によれば、電流検出中でも必要な電流情報を失うことなく、オフセット電圧の変動を抑制することが可能となる。

本発明によれば、電流検出中でもオフセット電圧の変動を抑制することが可能な電流検出回路及び電流検出回路の初期化方法を得ることができる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。
（ＧＭＲ素子）

まず、磁気抵抗素子としてＧＭＲ素子を説明する。図3は、ＧＭＲ素子を示す斜視図であり、図４は、ＧＭＲ素子の磁界に対する抵抗値特性を示す図である。

図３に示すように、ＧＭＲ素子は、受ける磁界の大きさ及び方向に応じて、抵抗値が変化する特性を有している。また、ＧＭＲ素子は、軸線Ｘ方向（長手方向）の磁界に対して曲線Ｘ１，Ｘ２のようにヒステリシス特性を有している。そのために、ＧＭＲ素子は、軸線Ｘ方向の磁界によって、軸線Ｙ方向の磁界に対する抵抗値特性が異なってしまう。例えば、ＧＭＲ素子は、軸線Ｘ方向の磁界に対して曲線Ｘ１の特性を示すときには、軸線Ｙ方向の磁界に対して曲線Ｙ１の抵抗値特性を示し、軸線Ｘ方向の磁界に対して曲線Ｘ２の特性を示すときには、軸線Ｙ方向の磁界に対して曲線Ｙ２の抵抗値特性を示す。そのために、ある磁界Ｈ１に対して異なる抵抗値Ｒ１又はＲ２を示すことがある。その結果、ＧＭＲ素子の磁気抵抗素子の抵抗値が変動してしまい、後述する電流検出回路のオフセット電圧が変動してしまう。

そこで、本発明では、一旦、軸線Ｘ方向に制御磁界を加えて強制的に軸線Ｘ方向に磁気飽和させ、例えば、軸線Ｘ方向に対する特性が常に曲線Ｘ１（又は曲線Ｘ２）を示して、軸線Ｙ方向に対する抵抗値特性が常に曲線Ｙ１（又は曲線Ｙ２）を示すようにしようとするものである。
（電流検出回路）

次に、本発明の実施形態に係る電流検出回路について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る電流検出回路を示す回路図である。図１に示す電流検出回路１は、ＧＭＲブリッジ部（磁気抵抗部）１０と、増幅部２０と、保持部３０と、初期化部４０とを備えている。

ＧＭＲブリッジ部１０は、ホイートストンブリッジを構成する４つのＧＭＲ素子１１〜１４を有している。具体的には、ＧＭＲ素子１１は高電源ラインＶｄｄと第１の出力端子１５との間に接続されており、ＧＭＲ素子１２は第１の出力端子１５とグランド電源ラインＧとの間に接続されている。同様に、ＧＭＲ素子１３は高電源ラインＶｄｄと第２の出力端子１６との間に接続されており、ＧＭＲ素子１２は第２の出力端子１６とグランド電源ラインＧとの間に接続されている。

ＧＭＲブリッジ部１０は、例えば、回路基板における配線パターン上に搭載される。このとき、ＧＭＲ素子１１〜１４は、同一方向の磁界に対して、ＧＭＲ素子１１の抵抗値の増減とＧＭＲ素子１４の抵抗値の増減とが略同一であり、ＧＭＲ素子１２の抵抗値の増減とＧＭＲ素子１３の抵抗値の増減とが略同一となるように配置される。且つ、ＧＭＲ素子１１〜１４は、同一方向の磁界に対して、ＧＭＲ素子１１，１４の抵抗値の増減とＧＭＲ素子１３，１４の抵抗値の増減とが反対となるように配置されている。

詳説すれば、ＧＭＲ素子１１〜１４は、磁界が印加されていない状態において、同一の抵抗値Ｒを有しており、これらのブリッジの均衡が保たれる。このとき、第１の出力端子１５と第２の出力端子１６との電位差がゼロとなり、ＧＭＲブリッジ部１０の差動出力電圧（差動の検出信号）はゼロとなる。次に、ＧＭＲ素子１１〜１４に同一方向の磁界が印加されると、例えば、ＧＭＲ素子１１，１４の抵抗値がΔＲだけ減少し、ＧＭＲ素子１２，１３の抵抗値がΔＲだけ増加する。よって、第１の出力端子１５の電圧が増加すると共に第２の出力端子１６の電圧が減少して、ＧＭＲブリッジ部１０は差動出力電圧ΔＶｏを出力することとなる。

このように、ＧＭＲブリッジ部１０は、電流に応じて発生する磁界を検出して、この磁界に応じた抵抗値の変化を差動電圧値ΔＶｏの変化に変換する。

増幅部２０は、ＧＭＲブリッジ部１０からの差動出力電圧を増幅し、保持部３０へ出力する。増幅部２０は、例えば、誤差増幅アンプ２１を含む。誤差増幅アンプ２１のプラス入力端子は抵抗素子２２を介してＧＭＲブリッジ部１０の第１の出力端子１５に接続されており、プラス入力端子とグランド電源ラインＧとの間には抵抗素子２３が接続されている。また、誤差増幅アンプ２１のマイナス入力端子は抵抗素子２４を介してＧＭＲブリッジ部１０の第２の出力端子１６に接続されており、マイナス入力端子と出力端子との間には抵抗素子２５が接続されている。誤差増幅アンプ２１の出力端子は、保持部３０に接続されている。

保持部３０は、ＧＭＲ素子１１〜１４の初期化が行われている期間、直前の増幅部２０の出力電圧を保持して出力する。保持部３０は、この動作を初期化部４０からのタイミング信号に応じて行う。例えば、保持部３０としては、サンプリング／ホールド回路が用いられる。

初期化部４０は、ＧＭＲブリッジ部１０からの差動出力電圧の立下りを検出し、立下りを検出した場合にＧＭＲ素子１１〜１４の初期化を行う。初期化部４０は、立下検出部４１と、タイミング生成部４２と、電流供給部４３と、初期化コイル４４とを有している。

立下検出部４１は、ＧＭＲブリッジ部１０からの差動出力電圧ΔＶｏの値が閾値以上であるか否かを検出する。また、立下検出部４１は、この差動出力電圧ΔＶｏの値が閾値以上である場合に、この差動出力電圧ΔＶｏの立下りを検出し、検出するごとにパルス状のトリガ信号Ｖｆをタイミング生成部４２へ出力する。例えば、立下検出部４１は、複数のコンパレータによって実現可能である。

タイミング生成部４２は、立下検出部４１からトリガ信号Ｖｆを受けると、パルス状のタイミング信号Ｖｔを生成し、電流供給部４３及び保持部３０へ出力する。例えば、タイミング生成部４２としては、ワンショットマルチバイブレータや遅延回路などが用いられる。

電流供給部４３は、タイミング生成部４２からのタイミング信号に応じて、初期化コイル４４に電流を供給する。

初期化コイル４４は、電流供給部４３から電流が供給されると、ＧＭＲ素子１１〜１４の軸線Ｘ方向に対して毎回同一方向に磁界を印加し、ＧＭＲ素子１１〜１４を一旦飽和させ、その後、磁界の発生を停止する。

次に、図１及び図２を参照しながら、電流検出回路１の動作を説明する。図２は、図１に示す電流検出回路の各部信号波形を示すタイミングチャートである。図２では、スイッチング電源における１次側のパルス電流（スイッチング電流）を検出する電流検出回路１の動作波形が示されている。

まず、ＧＭＲブリッジ部１０によって、パルス電流に応じた磁界が検出されると、例えば、ＧＭＲ素子１１，１４の抵抗値が減少すると共に、ＧＭＲ素子１２，１３の抵抗値が増加し、第１及び第２の出力端子１５，１６間にパスル状の差動出力電圧ΔＶｏが発生する（図２（ａ））。すると、初期化部４０における立下検出部４１によって、差動出力電圧ΔＶｏが閾値Ｖｔｈと比較され、閾値Ｖｔｈ以上である場合には、差動出力電圧ΔＶｏの立下りが検出されて、立下りが検出されるごとにトリガ信号Ｖｆが出力される（図２（ｂ））。トリガ信号Ｖｆがタイミング生成部４２に入力されると、タイミング生成部４２では、タイミング信号Ｖｔが生成される（図２（ｃ））。

すると、電流供給部４３によって、初期化コイル４４に電流が供給され、初期化コイル４４によって磁界が生じる。この磁界はＧＭＲ素子１１〜１４の軸線Ｘ方向に対して毎回同一方向に印加され、ＧＭＲ素子１１〜１４が一旦飽和する。ここで、タイミング生成部４２によって生成されるタイミング信号Ｖｔのパルス幅Ｔｔは、パルス電流が流れていないオフ期間Ｔｏｆｆより短いので、電流供給部４３から初期化コイル４４への電流供給時間も短く、再びパルス電流が流れるオン期間Ｔｏｎまでには、初期化コイル４４によるＧＭＲ素子１１〜１４への磁界の印加は停止される。

一方、差動出力電圧ΔＶｏが閾値Ｖｔｈ未満である場合には、立下検出部４１ではトリガ信号Ｖｆが出力されず（図２（ｂ）における時刻ｔａ）、ＧＭＲ素子１１〜１４の初期化を行うことを抑制することができる。

保持部３０では、タイミング生成部４２からタイミング信号Ｖｔが出力されている期間Ｔｔ、直前のローレベルの差動出力電圧ΔＶｏを保持して出力する（図２（ｄ））。

このように、本実施形態の電流検出回路１及びこの電流検出回路１の初期化方法によれば、初期化部４０が、ＧＭＲブリッジ部１０の差動出力電圧ΔＶｏの立下りを検出した場合に、初期化コイル４４から初期化磁界を供給することによってＧＭＲ素子１１〜１４の初期化を行うことがきるので、パルス電流に同期して、パルス電流が流れていないオフ期間Ｔｏｆｆに、ＧＭＲ素子１１〜１４の初期化を行うことができる。したがって、本実施形態の電流検出回路１によれば、電流検出中でも必要な電流情報（オン期間Ｔｏｎのパルス電流）を失うことなく、オフセット電圧の変動を抑制することが可能となる。

また、本実施形態の電流検出回路１によれば、ＧＭＲ素子１１〜１４の初期化中、保持部３０が差動出力電圧ΔＶｏを初期化直前のローレベルに保持して出力するので、初期化時にノイズが差動出力電圧ΔＶｏとして出力されても、保持部３０が遮断して、外部へ漏れることを防止することができる。

また、本実施形態の電流検出回路１によれば、差動出力電圧ΔＶｏが閾値Ｖｔｈ未満である場合には、初期化部４０における立下検出部４１が、初期化のためのトリガ信号Ｖｆを出力しないので、差動出力電圧ΔＶｏにノイズが重畳されていても、初期化部４０がノイズを検出して誤った初期化を行うことを抑制することができる。

ここで、従来、スイッチング電源の電流検出回路としては、カレントトランスが一般的であった。カレントトランスは、トランスの一種であるので、信号伝送の効率を上げるためには透磁率の高い磁性材料を用いたコアが必要であり、その結果大型なものとなっていた。一方、ＧＭＲ素子は、磁界に対する素子感度が高いので、空気中でも電流から発生する磁束を検出することができ、カレントトランスのような磁性材料を用いて信号を増幅する必要が無く、小型化に適している。本実施形態の電流検出回路１では、ＧＭＲ素子を用いているので、小型化が可能である。

なお、本発明は上記した本実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。

本実施形態では、初期化部は、電流が流れないオフ期間Ｔｏｆｆにおける短期間ＴｆだけＧＭＲ素子の初期化を行ったが、電流が流れないオフ期間Ｔｏｆｆ全てを利用してＧＭＲ素子の初期化を行ってもよい。この場合、立下検出部が、例えば、差動出力電圧ΔＶｏの立下りによってセット、立上りによってリセットするＳＲラッチ回路を備えればよい。この構成によれば、初期化部は、パルス電流が流れていない期間Ｔｏｆｆを最大限に利用して、ＧＭＲ素子の初期化を十分に行うことができる。また、保持部は、パルス電流が流れていない期間Ｔｏｆｆ、差動出力電圧ΔＶｏを遮断することができるので、誤った電流情報が外部へ漏れることを防止することができる。

また、本実施形態では、初期化部は、差動出力電圧ΔＶｏの立下りを検出するごとにＧＭＲ素子の初期化を行ったが、初期化の回数を減らしてもよい。例えば、立下検出部が、カウンタを有し、差動出力電圧ΔＶｏの立下りを検出した回数がある値に達した場合にＧＭＲ素子の初期化を行えばよい。この構成によれば、初期化の回数を減らすことができるので、低消費電流化が可能となる。特に、初期化コイルには比較的大きな電流が必要となるが、この初期化コイルの消費電流の低減を図ることができる。実使用状態において、磁気抵抗素子の抵抗値が変動する程の大きな外部磁界が磁気抵抗素子に印加される頻度は少ないので、磁気抵抗素子の初期化を頻繁に行う必要はない。

また、本実施形態では、磁気抵抗部にホイートストンブリッジ型のＧＭＲブリッジ部１０が用いられたが、磁気抵抗部の構成は本実施形態に限られるものではない。例えば、磁気抵抗部は、図５に示すように、ＧＭＲ素子５１，５２と、これらのＧＭＲ素子５１，５２にそれぞれ定電流を供給する電流源５３，５４とで構成されてもよい。

また、本実施形態では、磁気抵抗素子としてＧＭＲ素子を例示したが、ＧＭＲ素子に限らず、ＭＲ素子など様々な磁気抵抗素子を用いることができる。
用いることができる。

本発明の実施形態に係る電流検出回路を示す回路図である。図１に示す電流検出回路の各部信号波形を示すタイミングチャートである。ＧＭＲ素子を示す斜視図である。ＧＭＲ素子の磁界に対する抵抗値特性を示す図である。本発明の変形例に係る磁気抵抗部を示す回路図である。

符号の説明

１１〜１４…ＧＭＲ素子（磁気抵抗素子）、１…電流検出回路、１０…ＧＭＲブリッジ部（磁気抵抗部）、２０…増幅部、２１…誤差増幅アンプ、３０…保持部、４０…初期化部、４１…立下検出部、４２…タイミング生成部、４３…電流供給部、４４…初期化コイル。

Claims

複数の磁気抵抗素子を有し、パルス電流に応じて発生する磁界を検出して、該磁界に応じた差動の検出信号を生成する磁気抵抗部と、
前記複数の磁気抵抗素子に共通に初期化磁界を供給する初期化コイルを有し、前記差動の検出信号の立下りを検出した場合に前記複数の磁気抵抗素子の初期化を行う初期化部と、
を備え、
前記初期化部は、前記差動の検出信号の値が閾値以上である場合に前記複数の磁気抵抗素子の初期化を行い、前記差動の検出信号の値が閾値未満である場合に前記複数の磁気抵抗素子の初期化を行なわない、
電流検出回路。
前記初期化部が前記複数の磁気抵抗素子の初期化を行う期間、直前の検出信号の値を保持して出力する保持部を更に備える、請求項１に記載の電流検出回路。
前記初期化部は、前記差動の検出信号の立上がりを検出するまで前記複数の磁気抵抗素子の初期化を継続する、請求項１に記載の電流検出回路。
複数の磁気抵抗素子を有し、パルス電流に応じて発生する磁界を検出して、該磁界に応じた差動の検出信号を生成する磁気抵抗部と、
前記複数の磁気抵抗素子に共通に初期化磁界を供給する初期化コイルを有し、前記差動の検出信号の立下りを検出した場合に前記複数の磁気抵抗素子の初期化を行う初期化部と、
を備え、
前記初期化部は、カウンタを有し、前記差動の検出信号の立下りを検出した回数が閾値に達した場合に前記複数の磁気抵抗素子の初期化を行う、
電流検出回路。
前記初期化部が前記複数の磁気抵抗素子の初期化を行う期間、直前の検出信号の値を保持して出力する保持部を更に備える、請求項４に記載の電流検出回路。
前記初期化部は、前記差動の検出信号の立上がりを検出するまで前記複数の磁気抵抗素子の初期化を継続する、請求項４に記載の電流検出回路。