JP5012414B2 - ドライブ回路 - Google Patents

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Description

本発明は、電流出力形式を有するドライブ回路に関する。
負荷例えばスイッチング電源の主トランジスタを駆動するドライブ回路は、主トランジスタによる低いデューティ比でのPWM駆動を可能にするため、主トランジスタを高速に駆動する必要がある。また、スイッチングノイズを軽減する観点からは、主トランジスタのスイッチング速度を抑制することも行われている。そのため、駆動対象であるトランジスタ素子の制御端子を駆動するときのスルーレートを制御可能なドライブ回路が望まれている。
特許文献1には、出力回路のスルーレートを最適に調整可能な半導体集積回路装置(IC)が記載されている。このICは、バッファと、制御信号に基づいてバッファのスルーレートを制御する制御部とから構成されている。このうち制御部は、1つのPチャネル型MOSFETと1つ以上のNチャネル型MOSFETとからなる制御インバータ、制御信号に基づいて前記1つ以上のNチャネル型MOSFETの接続を切り換える制御回路、1つ以上のPチャネル型MOSFETと1つのNチャネル型MOSFETからなる制御インバータ、および制御信号に基づいて前記1つ以上のPチャネル型MOSFETの接続を切り換える制御回路から構成されている。当該特許文献1の図2に示す回路では、スルーレート制御回路SCp3、SCn3により7段階にスルーレートを調整でき、スルーレート制御回路SCp2、SCn2により3段階にスルーレートの調整を行うことができる。
特開2001−16088号公報(図1、図2)
しかし、特許文献1記載の手段を採用した場合、スルーレートの調整可能レベルが増えるに従って調整用のトランジスタの数が極端に多くなる。特に複数チャネルの出力回路を備えるICでは、レイアウトサイズが大きくなってコストが高くなる上、制御信号のタイミングの生成が複雑化して最適設計が難しいという問題がある。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、回路サイズを極力小さく抑えつつスルーレートを容易に制御可能なドライブ回路を提供することにある。
請求項1に記載した手段によれば、出力トランジスタがオフのとき、そのゲート・ドレイン間容量には電源電圧に比例した電荷が蓄積されている。オン駆動指令信号が与えられると、駆動トランジスタおよび出力トランジスタに電源電圧に比例した電流が流れる。このため、出力トランジスタのゲート・ドレイン間容量に蓄積された電荷を電源電圧によらず一定時間で充放電することができ、出力電圧の立ち上がり時間または立ち下がり時間を一定に制御することができる。このように、電流出力回路の電流値に応じてスルーレートを容易に制御できる。また、スルーレートの設定段階数に応じた数のトランジスタを設ける必要がなく、回路サイズを極力小さく抑えることができる。
請求項2に記載した手段によれば、第1または第2の出力トランジスタがオフのとき、そのゲート・ドレイン間容量には電源電圧に比例した電荷が蓄積されている。オン駆動指令信号が与えられると、第1の駆動トランジスタおよび第1の出力トランジスタに電源電圧に比例した電流が流れるとともに、第2の駆動トランジスタおよび第2の出力トランジスタへの電流が遮断される。このため、第1の出力トランジスタのゲート・ドレイン間容量に蓄積された電荷を電源電圧によらず一定時間で充放電することができる。オフ駆動指令信号が与えられた場合も同様の動作となる。従って、出力電圧の立ち上がり時間および立ち下がり時間を一定に制御することができる。このように、第1、第2の電流出力回路の電流値に応じてスルーレートを容易に制御できる。また、スルーレートの設定段階数に応じた数のトランジスタを設ける必要がなく、回路サイズを極力小さく抑えることができる。
請求項3に記載した手段によれば、電流出力回路は、電源電圧V×(出力トランジスタのゲート・ドレイン間容量Cgd)/時間Tに等しい電流を出力するので、出力ノードにおける出力電圧の立ち上がり時間または立ち下がり時間をTに等しく制御できる。
請求項に記載した手段によれば、電流出力回路と駆動トランジスタとの間にカレントミラー回路を備えたので、出力トランジスタおよび駆動トランジスタが繋がる電源線とは異なる電源線(例えば定電圧を有する電源線)の下で電流出力回路を動作させることができる。
請求項に記載した手段によれば、第2の開閉回路が閉状態のときに、第1の電源線と第1の出力トランジスタのゲートとの間に接続された第1の遮断用トランジスタがオンとなり、第1の開閉回路が閉状態のときに、第2の出力トランジスタのゲートと第2の電源線との間に接続された第2の遮断用トランジスタがオンとなる。これにより、第1および第2の出力トランジスタを介して流れる貫通電流の発生を防止することができる。
請求項に記載した手段によれば、開閉回路が開状態から閉状態に変化すると、サポート回路を介して出力トランジスタのゲート・ソース間容量への充電経路が形成されるので、オン駆動指令から出力トランジスタがオンするまでの時間を短縮することができる。
(第1の実施形態)
以下、本発明の第1の実施形態について図1ないし図3を参照しながら説明する。
図1は、ICとして形成された降圧型スイッチング電源の主回路およびドライブ回路の構成図である。車両のECU(Electronic Control Unit)で用いられるIC1の電源端子1a、1bには、バッテリ2から電圧VBが与えられるようになっている。ECU内に形成された降圧型スイッチング電源3は、電源電圧VBを降圧して定電圧Vcc(例えば5V)を生成し、それをECU内の各機能回路である負荷6に供給するようになっている。スイッチング電源3の出力段7aは、Pチャネル型MOSFET8およびダイオード9から構成されている。平滑フィルタ7bは、リアクトル10およびコンデンサ11から構成されている。これらMOSFET8、ダイオード9、リアクトル10およびコンデンサ11は、IC1内に形成してもよい。
出力段7aのMOSFET8は、ドライブ回路12により駆動される。このドライブ回路12において、電源線4、5(第1、第2の電源線に相当)間には、出力ノードNout(出力端子1c)を挟んでPチャネル型MOSFET13(第1の出力トランジスタに相当)とNチャネル型MOSFET14(第2の出力トランジスタに相当)とが直列に接続されている。MOSFET15、16(第1、第2の駆動トランジスタに相当)は、それぞれMOSFET13、14とともにカレントミラー回路17、18を構成しており、電源線4とMOSFET13、15のゲートとの間、MOSFET14、16のゲートと電源線5との間には、それぞれPチャネル型MOSFET19、Nチャネル型MOSFET20(第1、第2の遮断用トランジスタに相当)が接続されている。
電源線4、5間には、電流出力回路21とスイッチ回路22とNチャネル型MOSFET23とが直列に接続されており、MOSFET15と電源線5との間にはNチャネル型MOSFET24が接続されている。これらMOSFET23、24と上述したMOSFET20は、カレントミラー回路25を構成している。同様に、電源線4、5間には、Pチャネル型MOSFET26とスイッチ回路27と電流出力回路28とが直列に接続されており、電源線4とMOSFET16との間にはPチャネル型MOSFET29が接続されている。これらMOSFET26、29と上述したMOSFET19は、カレントミラー回路30を構成している。スイッチ回路22、27(第1、第2の開閉回路に相当)は、それぞれ駆動指令信号Sd1、その駆動指令信号Sd1を反転した駆動指令信号Sd2がHレベルの期間オンする。
第1、第2の電流出力回路21、28は、それぞれ電流値制御回路31、32から与えられる電流指令信号に従った大きさの電流IH、ILを出力する。電流値制御回路31、32は、図2に示すように電源線4、5間の電圧VBを検出する電圧検出回路33と、比例定数βを出力する定数設定部34と、電圧検出回路33から出力される検出電圧VBと定数設定部34から出力される定数βとを乗算して電流指令信号を出力する乗算回路35とから構成されている。
次に、本実施形態の作用について図3も参照しながら説明する。
IC1内に形成された図示しない電源制御回路は、降圧型スイッチング電源3の出力電圧Vccと目標電圧5Vとの差(電圧偏差)に基づいて、PWM波形を有する相補的な駆動指令信号Sd1、Sd2を出力する。駆動指令信号Sd1がLレベル、駆動指令信号Sd2がHレベルの期間は、MOSFET14、16、19、26、29がオンしており、MOSFET13、15、20、23、24がオフしている。このとき、出力ノードNoutの電圧Voutはほぼ0Vになっており、MOSFET13のゲート・ドレイン間容量Cgd(図1において破線で示す)にはQgd=Cgd×VBなる電荷が蓄積されている。
この状態から駆動指令信号Sd1がHレベル、駆動指令信号Sd2がLレベルに変化すると、MOSFET20がオンとなる。MOSFET20のサイズ(W/L比)を大きく設計することにより、MOSFET14、16のゲート・ソース間容量Cgs(図1において破線で示す)の電荷を急速に引き抜いてMOSFET14、16をオフさせる。このときの電荷引き抜き電流は、後述するMOSFET13のゲート・ドレイン間容量Cgdの電荷引き抜き電流よりも大きいため、MOSFET13、14を通過する貫通電流を抑制できる。
これとともに、電流出力回路21から出力された電流IHは、カレントミラー回路25を介してMOSFET15に流れ、カレントミラー回路17でミラー比m倍に増幅された電流m×IHがMOSFET13に流れる。このとき、電源線4からMOSFET13、MOSFET13のゲート・ドレイン間容量CgdおよびMOSFET24を介して電源線5に至る経路で電荷引き抜き電流IHが流れ、MOSFET13のゲート・ドレイン間容量Cgdの放電が行われる。
この場合、電流値制御回路31は、電源電圧VBを検出してβ×VBなる電流IHを出力するように電流出力回路21に指令する。これにより、MOSFET13のゲート・ドレイン間容量Cgdの蓄積電荷Qgd(=Cgd×VB)は、次の(1)式で示すように電源電圧VBに依存しない一定時間Tで放電され、出力ノードNoutの電圧Voutは立ち上がり時間Tで変化する。
T=Qgd/IH=(Cgd×VB)/(β×VB)=Cgd/β …(1)
従って、出力電圧Voutの立ち上がり時間を一定値Tに制御する場合には、電流値制御回路31の定数設定部34の定数βを次の(2)式で示す値に設定すればよい。
β=Cgd/T …(2)
以上の動作は、駆動指令信号Sd1がLレベル、駆動指令信号Sd2がHレベルに変化するときでも同様となる。このときには、電源線4からMOSFET29、MOSFET14のゲート・ドレイン間容量CgdおよびMOSFET14を介して電源線5に至る経路で電荷引き抜き電流ILが流れ、MOSFET14のゲート・ドレイン間容量Cgdの放電が行われる。
図3は、電流値制御回路31、32における各定数設定部34の定数βを相等しく設定した場合の波形を示している。上段が駆動指令信号Sd1、中段が電源電圧VBが高い場合の出力電圧Vout、下段が電源電圧VBが低い場合の出力電圧Voutの各波形を示している。電源電圧VBによらず、立ち上がり時間Tr1、Tr2および立ち下がり時間Tf1、Tf2が全て等しくなる。なお、立ち上がり時間Tr1、Tr2および立ち下がり時間Tf1、Tf2は、βが大きいほど短くなる。
以上説明したように、本実施形態のドライブ回路12は、電源線4、5間に出力ノードNoutを挟んでMOSFET13、14が直列に接続された電流出力形式を備えており、電流出力回路21、28によりMOSFET13、14にそれぞれ独立して電源電圧VBに比例した電流を流すように構成されている。これにより、MOSFET13、14のゲート・ドレイン間容量Cgdに蓄積された電荷Qgdを電源電圧VBによらずほぼ一定時間Tで充放電することができ、出力電圧Voutの立ち上がり時間Trまたは立ち下がり時間Tfをほぼ一定に制御することができる。
電流値制御回路31、32は、それぞれ電源電圧VBの検出値に定数βを乗算して電流出力回路21、28に対する電流指令信号を生成するので、出力電圧Voutの立ち上がり時間Trおよび立ち下がり時間Tfを定数βに応じた所望の値に制御することができる。また、電流値制御回路31、32には互いに異なる定数βを設定できるので、立ち上がり時間Trと立ち下がり時間Tfを独立して制御できる。
定数βを大きく設定することにより、電源電圧VBによらず出力電圧Voutの立ち上がり時間Trおよび立ち下がり時間Tfを短く制御できる。これにより、降圧型スイッチング電源3の負荷6が軽く、駆動指令信号Sd2のデューティ比が小さい場合でも、そのデューティ比に応じた期間だけ確実にMOSFET8をオンさせることができ、安定した定電圧制御が可能となる。
本実施形態のドライブ回路12は、電流出力回路21、28の出力電流IH、ILに応じてスルーレートを容易に制御できるので、スルーレートの設定段階数に応じた数のトランジスタを設ける必要がなく、回路サイズを極力小さく抑えることができる。ドライブ回路12のチャネル数が多いほど回路サイズの低減効果が顕著に現れる。
(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態について図4および図5を参照しながら説明する。
図4はドライブ回路の構成図であり、図1に示すドライブ回路12と同一構成部分には同一符号を付している。このドライブ回路36は、電源電圧VBによらず出力電圧Voutを一定のスルーレートで変化させるものである。定電圧VDDを供給する電源線37、5間には、定電流IHを出力する第1の電流出力回路38とスイッチ回路22とMOSFET23とが直列に接続されている。また、電源線37、5間には、定電流ILを出力する第2の電流出力回路39とスイッチ回路27とNチャネル型MOSFET40とが直列に接続されている。MOSFET26と電源線5との間にはNチャネル型MOSFET41が接続されており、これらMOSFET40、41は、カレントミラー回路42を構成している。
図5は、電流値IHとILとを相等しく設定した場合の図3相当図である。駆動指令信号Sd1がLレベル、駆動指令信号Sd2がHレベルの期間は、MOSFET14、16、19、26、29、40、41がオンしており、MOSFET13、15、20、23、24がオフしている。この状態から駆動指令信号Sd1がHレベル、駆動指令信号Sd2がLレベルに変化すると、MOSFET14、16がオフするとともに、MOSFET13のゲート・ドレイン間容量Cgdの蓄積電荷Qgdが定電流IHで引き抜かれる。このときのスルーレート(絶対値)は、以下の(3)式、(4)式のようになる。
スルーレート=dvr1/dtr1=dvr2/dtr2=IH/Cgd …(3)
スルーレート=dvf1/dtf1=dvf2/dtf2=IL/Cgd …(4)
本実施形態のドライブ回路36によれば、電源電圧VBによらず出力電圧Voutを一定のスルーレートで変化させることができる。この場合、立ち上がりと立ち下がりのスルーレートをそれぞれ電流IH、ILに応じて独立して制御できる。また、電流出力回路38、39は、定電圧VDDを供給する電源線37、5間に接続されているので、電源電圧VBの変動にかかわらず高精度の定電流IH、ILを出力でき、スルーレートを高精度に一定化できる。
(第3の実施形態)
次に、本発明の第3の実施形態について図6を参照しながら説明する。
図6はドライブ回路の構成図であり、図1に示すドライブ回路12と同一構成部分には同一符号を付している。ドライブ回路43は、ドライブ回路12に対しサポート回路44、45を追加したものである。サポート回路44は、MOSFET13、15とともにカレントミラー回路17を構成するPチャネル型MOSFET46と、MOSFET23、24、20とともにカレントミラー回路25を構成するNチャネル型MOSFET47、48と、MOSFET13のゲートとMOSFET48との間に接続されたPチャネル型MOSFET49とから構成されている。MOSFET46、47の各ドレインおよびMOSFET49のゲートは互いに接続されている。サポート回路45も、同様にしてMOSFET50〜53から構成されている。
駆動指令信号Sd1がHレベル、駆動指令信号Sd2がLレベルに変化すると、MOSFET23、24、20とともにMOSFET47、48、49がオンとなり、電源線4からMOSFET49、48を介する経路でMOSFET13のゲート・ソース間容量Cgsに急速に電荷が蓄積される。その結果、電流IH、ILが小さい低スルーレートの状態であっても、駆動指令信号Sd1の立ち上がりからMOSFET13が実際にオンするまでの動作開始時間(遅れ時間)を短縮することができる。
MOSFET13がオンするのと同時にMOSFET46がオンする。MOSFET47のサイズはMOSFET46のサイズに比べて小さく設計することにより、MOSFET46がオンするとMOSFET46、47のドレイン電圧が急上昇し、MOSFET49がオフする。その後は、第1の実施形態で説明したようにMOSFET13のゲート・ドレイン間容量Cgdの充放電が行われる。駆動指令信号Sd1がLレベル、駆動指令信号Sd2がHレベルに変化したときのサポート回路45の動作も同様である。
以上説明したように、本実施形態によれば駆動指令信号Sd1、Sd2の立ち上がりからMOSFET13、14が実際にオンするまでの遅れ時間が短縮されるので、駆動指令信号Sd1、Sd2に従った正確な電圧Voutを出力することができる。なお、MOSFET47のサイズは小さいため、MOSFET46、47を介して流れる貫通電流は小さい。
(その他の実施形態)
なお、本発明は上記し且つ図面に示す各実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のように変形または拡張が可能である。
上記各実施形態のドライブ回路12、36、43は、電源線4、5間に出力段のMOSFET13、14が出力ノードNoutを挟んで直列に接続されたプッシュプル回路を備えているが、出力段がMOSFET13のみの構成またはMOSFET14のみの構成であってもよい。
第1の実施形態に対しても、第2の実施形態と同様に定電圧VDDの下で電流出力回路21、28を動作させる構成を備えてもよい。
第2の実施形態に対しても、第3の実施形態と同様にサポート回路44、45を追加してもよい。
第2の実施形態において、電流出力回路38、39に替えて抵抗(電流出力回路に相当)を接続して回路サイズを低減してもよい。
第1の実施形態において、電源電圧VBが正常な電圧範囲内である場合にはIH、ILを固定して出力電圧Voutを一定のスルーレートで変化させ、電源電圧VBがロードダンプなどにより異常に高くなった場合にはIH、ILを増加させて出力電圧Voutの立ち上がり時間および立ち下がり時間を短くするように制御してもよい。
ドライブ回路12、36、43は、降圧型スイッチング電源3の出力段7aを構成するMOSFET8に限らず種々の負荷を駆動可能である。
本発明に係る第1の実施形態を示すドライブ回路の構成図 電流値制御回路の構成図 駆動指令信号Sd1と出力電圧Voutの波形図 2の実施形態を示す図1相当図 図3相当図 本発明に係る第3の実施形態を示す図1相当図
符号の説明
図面中、4、5は電源線(第1、第2の電源線)、12、36、43はドライブ回路、13、14はMOSFET(第1、第2の出力トランジスタ)、15、16はMOSFET(第1、第2の駆動トランジスタ)、17、18、25、30、42はカレントミラー回路、19、20はMOSFET(第1、第2の遮断用トランジスタ)、21、38は第1の電流出力回路、28、39は第2の電流出力回路、22、27はスイッチ回路(第1、第2の開閉回路)、33は電圧検出回路、44、45はサポート回路、Noutは出力ノードである。

Claims (6)

  1. 電源線と出力ノードとの間に介在する出力トランジスタと、
    前記出力トランジスタとともにカレントミラー回路を構成する駆動トランジスタと、
    前記駆動トランジスタに対し前記電源線の電源電圧に比例した電流を供給する電流出力回路と、
    駆動指令信号に従って前記電流出力回路から前記駆動トランジスタに至る電流経路を開閉する開閉回路とを備えていることを特徴とするドライブ回路。
  2. 第1の電源線と第2の電源線との間に出力ノードを挟んで直列に接続された第1、第2の出力トランジスタと、
    前記第1、第2の出力トランジスタとともにそれぞれカレントミラー回路を構成する第1、第2の駆動トランジスタと、
    前記第1、第2の駆動トランジスタに対しそれぞれ前記電源線の電源電圧に比例した電流を独立して供給する第1、第2の電流出力回路と、
    駆動指令信号に従って前記第1の電流出力回路から前記第1の駆動トランジスタに至る電流経路を開閉する第1の開閉回路と、
    前記駆動指令信号の反転信号に従って前記第2の電流出力回路から前記第2の駆動トランジスタに至る電流経路を開閉する第2の開閉回路とを備えていることを特徴とするドライブ回路。
  3. 前記電流出力回路は、前記電源線の電源電圧Vを検出する電圧検出回路を備え、前記出力トランジスタのゲート・ドレイン間容量をCgd、前記出力ノードにおける出力電圧の立ち上がり時間または立ち下がり時間をTとすると、V×Cgd/Tに等しい電流を出力することを特徴とする請求項1または2記載のドライブ回路。
  4. 前記電流出力回路と前記駆動トランジスタとの間にカレントミラー回路を備えたことを特徴とする請求項1ないし3の何れかに記載のドライブ回路。
  5. 前記第1の電源線と前記第1の出力トランジスタのゲートとの間に接続され、前記第2の開閉回路が閉状態のときにオンする第1の遮断用トランジスタと、
    前記第2の出力トランジスタのゲートと前記第2の電源線との間に接続され、前記第1の開閉回路が閉状態のときにオンする第2の遮断用トランジスタとを備えていることを特徴とする請求項2記載のドライブ回路。
  6. 前記開閉回路が開状態から閉状態に変化した時点から前記出力トランジスタがオンするまでの期間、前記出力トランジスタのゲート・ソース間容量への充電経路を形成するサポート回路を備えたことを特徴とする請求項1ないし5の何れかに記載のドライブ回路。
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