JP5290977B2 - 電流制限検出器による電流制限制御 - Google Patents

電流制限検出器による電流制限制御 Download PDF

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Description

本発明は、一般に、モバイルデバイスにおけるパワーマネージメントに関し、より具体的には、負荷スイッチなどのようなデバイスで応用できる電流制限コントローラに関する。
電流制限は、負荷に供給することができる電流に対して上限を設ける手法である。電流制限の一般的な目的は、例えば短絡による有害な作用から上流又は下流にある回路を保護することである。電源及びアダプタで使用される負荷スイッチ用途では、電流は、負荷スイッチ設定を下回って制限することができる。負荷スイッチ用途は、種々の周辺デバイスへのユニバーサルシリアルバス(USB)コネクタの電源ラインを駆動することを含む。負荷スイッチデバイスの実施例には、ポータブル電子製品における外部電力ポートを保護しバッテリー寿命を延ばすように設計された集積回路(IC)のような、アドバンスド・アナロジック・テクノロジーズ社(カリフォルニア州Sunnyvale所在)により製作された電流制限負荷スイッチデバイスが含まれる。これらの負荷スイッチデバイスは、例えば、電源が電圧変動範囲から外れるようになる可能性がある負荷電流の大きな変化に対して入力電源を保護する集積電流制限回路と共に動作する。
電流制限デバイスとしての負荷スイッチは、電流を負荷スイッチ設定まで引き出すことができる。電流が負荷スイッチ設定を超えた場合、負荷スイッチの電流制限回路は、該負荷スイッチに流れる電流を制限する。一般に、レジスタ(ICの外部又は内部)は、負荷スイッチ電流制限を設定するのに使用される。一般に、負荷スイッチの動作電圧範囲内で、設計者によって選択された抵抗値に基づいて単一の電流制限が設定される。広い動作電圧範囲(従って、負荷電流の広い範囲)に対して単一のレジスタを使用する1つの欠点は、正確さが失われることである。この損失は、検出可能な電流増分の細粒性のレベルが通常は抵抗値及び許容差によって決定されることに起因して生じる可能性がある。
例えば、システム設計において、ユーザは、抵抗値RSETを有するレジスタを選択する。ユーザは、抵抗値に関連付けられる電流制限を設定し、これによって2つのパラメータ間の1対1の対応関係を確立する。電流制限は、設計者によって任意に選択可能であり、電流制限コントローラによって制御される。
従って、電流制限コントローラの設計の改善を行う必要がある。このような設計の1つの望ましい態様は、回路に流れるピーク電流を、所定の電流制限を超過しないように制限できることにある。
本発明は、上記の観点に一部基づいており、この目的に従って本発明の種々の実施形態は、予め設定された電流制限を超えないように電流を制限するデバイス及び方法を含む。電流制限は、電流制限検出器によって検出されたユーザ設定の電流制限とすることができる。一般的に、電流制限を検出するためのデバイスの種々の実施は、対応するユーザ設定の電流制限に関連付けられた単一の抵抗デバイスを用いることができる。電流制限コントローラの1つの実施は、制御された方法で電流を低減し維持するために、連続してターンオン及びターンオフされるように構成された電流スイッチを含む。電流スイッチは、電流制限検出器に含まれる電流スイッチと実質的に同じにスケーリグすることができる。提案される新しい実施は、電流制限の検出並びに電流の制限において通常融通性があり且つ効率的な集積回路(IC)又は幾つかのディスクリート構成要素を使用する。例証として、幾つかの例示的な実施形態を以下で更に詳細に説明する。
1つの実施形態によれば、電流制限検出器によって電流制限を制御するためのデバイスは、電流制限コントローラ、電流制限検出器、及び電流制限部を含む。電流制限コントローラは、電流スイッチを含む。電流制限検出器は、ユーザ設定の電流制限を検出し且つユーザ設定の電流制限に関連付けられた信号を生成するように構成される。電流制限部は、増幅器、予め設定されたラージスケールのラージスケールトランジスタ、及び予め設定されたスモールスケールのスモールスケールトランジスタを含む。予め設定されたラージスケールとスモールスケール間の比率は、スモールスケール及びラージスケールトランジスタにそれぞれ流れるスモールスケール電流及びラージスケール電流間の比率を制御するために事前に設定される。スモールスケール及びラージスケールトランジスタは、電流制限検出器からの信号に応答する。増幅器は、電流スイッチからの制御信号に応じてラージスケール及びスモールスケール電流を調節するように構成される。
このようなデバイスは更に、増幅器の入力に結合され且つ入力間に配置されて差動電流を流すことができるように構成されたレジスタを含むことができる。差動電流は、スモール及びラージスケール電流に基づくことができる。レジスタに流れる差動電流は、差動入力電圧を生成することができる。レジスタは、電流感知レジスタを含むことができる。このデバイスは、スモールスケールトランジスタの出力に結合され且つスモールスケール電流を電圧に変換するよう動作する電流制限コンバータを含むことができる。
このようなデバイスでは、電流制限コントローラは、複数の電流スイッチを含むことができる。電流スイッチはスケーリングすることができ、予め設定されたラージスケールとは異なるスケールを有することができる。電流制限検出器は、1つ又はそれ以上のスケールド電流制限スイッチを含むことができ、スケールド電流制限スイッチのスケールの1つは、電流スイッチのスケールに対応することができる。
制御信号は、複数の電流スイッチに流れる電流の和とすることができる。制御信号は、ユーザ設定の電流制限に関連付けることができる。ラージスケール及びスモールスケール電流の調節は、ラージスケール電流がユーザ設定の電流制限を超えた場合にラージスケール電流をユーザ設定の電流制限に低減すること、及びラージスケール電流がユーザ設定の電流制限を下回る場合にはラージスケール電流がユーザ設定の電流制限に実質的に達するまでラージスケール電流を増加させることを含むことができる。増幅器は、複数の入力を含むことができる。入力の1つは反転とすることができ、入力の別の入力は非反転とすることができる。ラージスケール及びスモールスケール電流を調節するために、増幅器は更に、入力に印加された差動入力電圧に応じた出力を生成するように構成することができる。増幅器は更に、入力に印加された差動入力電圧に応じた出力を生成するように構成することができる。
別の実施形態によれば、電流検出器によって電流制限を制御するための方法は、電流制限コントローラにおいて電流制限検出器から信号を受け取る段階と、電流を制御する段階とを含む。信号は、ユーザ設定の電流制限に関連付けられている。電流を制御する段階は、ユーザ設定の電流制限を実質的に下回って電流を維持するように行われる。このような制御は、それぞれラージスケールトランジスタ及びスモールスケールトランジスタに流れるラージスケール電流及びスモールスケール電流を調節し且つ組み合わせて電流を生成することによって実行することができる。この調節は、受け取られた信号に応答して電流制限コントローラにおいて1つ又はそれ以上の電流スイッチを動作することによって行われる。
このような方法において、スモールスケールとラージスケール電流間の比率は、スモールスケールトランジスタに関連付けられた予め設定されたスケールとラージスケールトランジスタに関連付けられた予め設定されたラージスケールとの間の比率に基づいて事前設定することができる。ラージスケール及びスモールスケール電流を調節する段階は、ラージスケール電流がユーザ設定の電流制限を超えた場合にラージスケール電流をユーザ設定の電流制限にまで低減する段階、及びラージスケール電流がユーザ設定の電流制限を下回る場合にラージスケール電流がユーザ設定の電流制限に実質的に達するまでラージスケール電流を増加させる段階を含むことができる。
このような方法において、ラージスケール及びスモールスケール電流を調節する段階は更に、増幅器の入力に印加される差動入力に応答することができる。1つ又はそれ以上の電流スイッチはスケーリグすることができる。電流制限検出器は、1つ又はそれ以上のスケールド電流制限スイッチを含むことができ、1つ又はそれ以上の電流制限スイッチのスケールは、1つ又はそれ以上の電流スイッチのそれぞれのスケールに対応することができる。
更に別の実施形態によれば、電流制限を制御するためのデバイスは、電流スイッチ、予め設定されたスモールスケールのスモールスケールトランジスタ、予め設定されたラージスケールのラージスケールトランジスタ、及び増幅器を含む。スモールスケールトランジスタは、スモールスケール電流を導通するように構成され、ターンオフ時にスモールスケール電流の導通を遮断するよう動作する。ラージスケールトランジスタは、ラージスケール電流を導通するように構成され、ターンオフ時にラージスケール電流の導通を遮断するよう動作する。予め設定されたラージスケール及びスモールスケール間の比率は、スモール及びラージスケール電流間の比率を制御するように事前設定される。スモールスケール及びラージスケールトランジスタ並びに電流スイッチは、電流制限検出器からの信号のシーケンスに応答することができる。信号は、ユーザ設定の電流制限に関連付けられている。増幅器は、電流スイッチからの制御信号に応じてラージスケール及びスモールスケール電流を調節するように構成される。
これらの実施形態では、種々の実施可能な属性を示すことができる。差動入力電圧は、ラージスケール及びスモールスケール電流間の差分に比例することができる。差動入力電圧は、ラージスケール及びスモールスケール電流間の差分に比例することができる。このような調節は更に、演算増幅器の利得に応じて漸次的に或いは迅速にすることができる。このデバイスは、ICにおいて、或いはIC内の機能ブロックとして具現化することができる。このようなICはまた、モバイルデバイスで使用可能に構成することができる。
本発明の、これらの及び他の実施形態、特徴、態様、及び利点は、本明細書の説明、添付の請求項、及び以下に記載される添付図面からよりよく理解されることになるであろう。
本明細書の一部に組み込まれてこれを構成する添付図面は、本発明の種々の態様を例示し、本明細書と共に本発明の原理を説明するのに役立つ。好都合には、同じ参照符号は、図面全体を通じて同じ又は同様の要素を示すのに使用される。
本発明の1つの実施形態による負荷スイッチアプリケーションを示すブロック図である。 本発明の1つの実施形態による別の負荷スイッチアプリケーションのブロック図である。 本発明の1つの実施形態による、電流制限コントローラの回路の詳細を含む負荷スイッチアプリケーションのブロック図である。 本発明の1つの実施形態による、負荷スイッチデバイスの回路の詳細を示す図である。
モバイルデバイスのようなデバイスは、短絡及び出力過負荷事象を受ける可能性がある。従って、電流制限検出可能回路を用いてこれらのデバイスを保護し、このような検出に応答してその供給電流を制限できて有利である。
これに伴って、本発明の種々の実施形態は、電流制限を検出し、検出された電流制限を超えないように出力電流を制御するためのデバイス及び方法を含む。このようなデバイスは、電流制限検出器と電流コントローラ回路の両方において電流スイッチを含むことができる。このような電流スイッチは、スケーリングすることができ、スケーリングは、電流制限検出器及び電流制限コントローラ回路においてほぼ同じとすることができる。
図1Aは、本発明の1つの実施形態による負荷スイッチデバイス106を備えたアプリケーション100の実施を示すブロック図である。図示のように、アプリケーション100は、ユニバーサルシリアルバス(USB)104を介して負荷スイッチデバイス106に動作可能に結合された電源102を含む。負荷スイッチデバイス106は、システム負荷112に動作可能に結合される。
電源102は、USBポート104に電気エネルギーを供給するように構成されたデバイス又はシステムである。電源102の実施例には、バッテリー、直流(DC)電源、化学燃料セル、太陽エネルギー、及び他のタイプのエネルギー蓄積システムが含まれる。
負荷スイッチデバイス106は、電流制限検出器108及び電流制限コントローラ110を含む。電流制限検出器108は、抵抗デバイスを使用して電流制限を検出するよう動作する。抵抗デバイスは、電気抵抗を提供できる(すなわち、電流に対抗できる)レジスタ又はいずれかのデバイスとすることができる。電流制限検出器108は、1つ又はそれ以上の比較器、レジスタ、及び電流に対する制限を検出するよう動作可能に接続されて機能する電流スイッチ(トランジスタなど)を含むことができる。電流制限検出器108は、図3を参照しながら詳細に説明する。
電流制限コントローラ110は、電流制限検出器108から検出された電流制限を受け取り、負荷スイッチデバイス106を流れる電流を制限するよう動作する。電流制限コントローラ110は、電流制限コンバータ、演算増幅器、レジスタ(電流感知レジスタなど)、及び動作可能に接続されたトランジスタを含むことができる。
システム負荷112は、負荷スイッチデバイス106の出力に接続されたいずれかのデバイスとすることができる。システム負荷112の実施例には、PCMCIAカード、コンパクトフラッシュ(登録商標)カード、及びカメラフラッシュLEDが含まれる。
図1Bは、本発明の1つの実施形態による別の負荷スイッチアプリケーション116のブロック図である。アプリケーション116は、電源102、負荷スイッチデバイス106、システム負荷112、及び電荷蓄積デバイス114を含む。電源102は、負荷スイッチデバイス106に動作可能に結合され、該負荷スイッチデバイスは、システム負荷112及び電荷蓄積デバイス114の両方に動作可能に結合されている。アプリケーション100におけるのと同様に、負荷スイッチデバイス106は、電流制限検出器108及び電流制限コントローラ110を含む。
電荷蓄積デバイス114は、バーストパワーを供給するように構成されたエネルギー貯蔵部として機能する。電荷蓄積デバイス114の実施例は、ブーストコンバータ及びスーパーキャパシタなどのエネルギー蓄積デバイスを含む。一般に、ブーストコンバータは、スイッチングモード電源として見なされることが多い電圧ステップアップコンバータである。エネルギー蓄積デバイスは、ブーストコンバータとは異なり、電荷蓄積に基づいており、電源として使用することができる。スーパーキャパシタは、充電及び再充電を繰り返し行い、放電オペレーション間の急速な再充電によって瞬間的に高い放電電流を提供するよう設計されたタイプの高エネルギー蓄積デバイスである。電荷蓄積デバイス114はまた、ブーストコンバータ、スーパーキャパシタ、及びエネルギー蓄積デバイスの他のいずれかのタイプの組合せを含むことができる。幾つかの実施形態では、電荷蓄積デバイス114は、負荷スイッチデバイス106の外部に配置することができる。例えば、電荷蓄積デバイス114は、負荷スイッチデバイス106に着脱可能に結合することができる。このような実施形態では、電荷蓄積デバイス114は、負荷スイッチデバイス106と協働し、負荷スイッチデバイス106にバーストパワーを供給するように構成される。
図2は、本発明の1つの実施形態による電流制限コントローラの回路の詳細を含む、負荷スイッチアプリケーション200のブロック図である。負荷スイッチアプリケーション200は、電源102、電流制限検出器108、電流スイッチT10−T14、システム負荷112、及び電荷蓄積デバイス114を含む。電源102は、T12並びにシステム負荷112及び電荷蓄積デバイス114に動作可能に結合されている。電流制限検出器108は、T10、T12−T14の各々のゲートに動作可能に結合されている。T10、T12−T14のソースは、システム負荷112及び電荷蓄積デバイス114に動作可能に結合されている。T11の入力は、電流制限検出器108に動作可能に結合されており、T11の出力は、システム負荷112に動作可能に結合されている。電流スイッチT10−T14は、例えばトランジスタとすることができる。
電流制限検出器108は、検出された電流制限を表す信号を出力するように構成される。この信号は、電流スイッチT10、T12−T14のどれがターンオンされるか、及びどれがターンオフされるかを制御するように構成される。信号は、例えば、各々がT10、T12、TI3、及びT14をそれぞれターンオン及びターンオフするよう動作する、4つの電流スイッチ制御信号を含むことができる。T12のみがターンオンされた場合、出力電流IOUTは、T12に流れる電流I12に制限することができる。T12及びTI3の両方がターンオンされた場合には、IOUTは、電流112及びII3の和に制限することができる、以下同様である。電流スイッチ制御信号は、1つ又はそれ以上のステップにおいて実質的に検出された電流制限で又はこれ未満にIOUTを低減するように構成することができる。このために、1つの実施形態では、電流制限検出器108は、遅延素子を含むことができ、電流スイッチ制御信号の数は、遅延素子の数に関連付けることができる。遅延素子は、図3を参照しながら更に詳細に説明する。
電流スイッチT11は、電流スイッチT10に対するカレントミラーとすることができる。例えば、この実施形態では、電流スイッチT10は、ラージスケール電流I10を導通するように構成されるラージスケールトランジスタとすることができ、電流スイッチT11は、スモールスケール電流I11を導通するように構成されるスモールスケールトランジスタとすることができる。T10は、1Xにスケーリングでき、T11は、0.002Xにスケーリングすることができる。電流I10及びI11は、T10とT11のサイズ比によって決定された、これらの間の実質的に固定された比を有する。サイズ比は、500(1/0.002=500)とすることができる。従って、T10は、T11に対するカレントミラーであり、スモールスケール電流I11を500倍に拡大する。
サイズマッチングは、トランジスタスケーリング(すなわち、デバイス寸法の縮小)及び同様のことにおいてトランジスタ基準にマッチすることが重要とすることができる。特定のスケール(すなわちサイズ)のトランジスタは通常、集積回路(IC)ダイ上の同じ領域内にレイアウトされる。
1つの実施形態では、電流制限検出器108はまた、電流制限検出器における電流経路をターンオン及びターンオフするように構成される電流スイッチを含む。電流制限検出器108及び電流制限コントローラ110の設計は、相互に関係付けることができる。例えば、電流制限検出器108からの各電流スイッチ制御信号出力は、電流制限検出器108における電流経路と電流112−114、I10の1つとの間の関係を表すことができる。特定の電流スイッチ制御信号は、例えば、電流制限検出器108内の対応する電流スイッチがターンオンされた場合にT10をターンオンすることができる。
1つの実施形態では、電流制限検出器108は、4つの電流経路を含むことができ、各々はそれぞれの電流経路に流れる電流I1−I4をターンオン及びターンオフするように構成された電流スイッチT1−T4を含む。これらの電流I1−I4は、その対応する電流スイッチに比例してスケーリングでき、例えば、それぞれ1X、1X、2X、及び4Xが1μA、1μA、2μA、及び4μAである。1つの実施形態では、電流スイッチT10、T14、TI3、及びT12は、同様に1X、1X、2X、及び4Xにスケーリグすることができる。このような実施形態では、I10はI1に対応し(両方とも1Xにスケーリングされる)、I14はI2に対応し(同様に両方が1Xにスケーリングされる)、I13はI3に対応し(両方が2Xにスケーリングされる)、及びI14はI2に対応することができる(両方が4Xにスケーリングされる)。
幾つかの負荷スイッチアプリケーション200では、電流制限検出器108は、異なる実施とすることができ、例えば、電流スイッチT10、T12−T14に対応する電流経路を含まなくてもよい。これにも関わらず、このような実施形態は、スケールドトランジスタT10、T12−T14を含むことができ、各々は、電流制限検出器108から出力される電流スイッチ制御信号に応答する。電流スイッチ制御信号と、これに応答してターンオン及びターンオフされることになるそれぞれの電流スイッチT10、T12−T14との間の対応関係は、このような実施形態ではユーザ設定とすることができる。
図3は、本発明の1つの実施形態による負荷スイッチデバイス300の回路の詳細を示している。負荷スイッチデバイス300は、電流制限検出器302、電流制限部304、電流制限コントローラ306、システム負荷112、及び電荷蓄積デバイス114を含む。
電流制限コンバータ310は、電圧を電流に変換できる。電流制限コンバータ310は、図3に示された回路又はいずれかの負荷スイッチデバイスを充電するために使用できる。
電流制限コントローラ306は、電流制限検出器302、電流制限部304、並びにシステム負荷112及び電荷蓄積デバイス114に動作可能に結合されている。電流制限コントローラ306は、電流制限検出器302から検出された電流制限を受け取ると、検出された電流制限を超えないようにシステム負荷112及び電荷蓄積デバイス114に出力される電流IOUTを制御するよう動作する。このような制限は、制御された方法、例えば図2に関して詳述されたように増分ステップで実行することができる。このような方法は、例えば、以下で更に説明されるように電流制限検出器302に含まれる遅延素子の数に応じて、漸次的に或いは迅速にすることができる。電流制限コントローラ306は、スケールドトランジスタT12、TI3、及びT14を含むことができる(図2)。この実施形態では、T12は4Xにスケーリングされ、TI3は2Xにスケーリングされ、T14は1Xにスケーリングされている。スケールドトランジスタ間のサイズ比は、電流スイッチT1−T4のそれぞれの比に対応することができる。例えば、T12は、T1に対するT4のスケーリング(4μA対1μA)に対応して4Xにスケーリグすることができる。
電流制限部304は、電流制限コンバータ310、演算増幅器314、トランジスタT10及びT11、及び電流感知レジスタRSを含む。トランジスタT10及びT11はスケーリングされている。この実施形態では、T10は1Xにスケーリングされ、T11は0.002Xにスケーリングされている。
動作中、T11に流れる電流I11が、電流制限コンバータ310の電流制限値ILIMよりも大きい場合、演算増幅器314は、I11がILIMに実質的に等しくなるまで電流を低減しようとする。I11がILIMを下回る場合、演算増幅器314は、I11をILIM以下に実質的に維持する。ILIMの値は、例えば500xI11とすることができる。
図示の実施形態では、RSは、演算増幅器314の反転入力及び非反転入力間に接続されている。説明されているように、演算増幅器314は、非反転入力でI11を受け取り、反転入力でI10(例えば、図2のIOUT)を受け取る。演算増幅器314への差動入力電圧は、従って、RSX(I11−I10)である。演算増幅器314は、差動入力電圧に応じて電流を出力するよう動作する。このような出力電流は、T10及びT11のそれぞれのゲートに戻される。
電流制限コントローラ306と共に電流制限制御部分304は、本来、通過素子の機能を果たす。一般的に、通過素子は、制御された可変抵抗デバイスである。通過素子は、増幅誤差信号によって駆動され、出力電流IOUTが低下したときにその抵抗を大きくし、出力電流が上昇したときにその抵抗を小さくすることができる。図3から理解できるように、誤差信号は、電流I11とI10の差とすることができる。このような誤差信号の増幅は、演算増幅器314の利得だけを介して、或いはT10とT11のサイズ比と組み合わせて実行することができる。出力電流が上昇するか又は低下するかは、電流制限コンバータ310に流れる電流制限値ILIMとスモールスケール電流I11との間の関係に依存する。
要約すると、スモールスケール電流I11が電流制限値ILIMよりも大きい場合、演算増幅器314は、I11がILIMに実質的に等しくなるまで電流を低減しようとする。低減は、スモールスケールトランジスタT11をターンオフすることによって達成することができる。I11がILIMを下回る場合、演算増幅器314は、I11をILIM以下に実質的に維持する。このような維持は、トランジスタT10とT11の両方をターンオンすることによって達成され、結果としてより高い電流を生じることができる。
更に具体的には、スモールスケール電流I11が電流制限値ILIMよりも大きい場合、平衡電流(すなわち、I11−I10)がRSを介して流れる。演算増幅器への差動入力電圧は、(I11−I10)×RSとなり、これにより演算増幅器314をトリガして、I11がILIMに実質的に等しくなるまで電流を低減する。従って、演算増幅器314からの出力電流は、トランジスタT11がターンオフされるようにし、T11からの電流出力を低下させる。この低下は、演算増幅器314の利得に少なくとも部分的に応じて漸次的に或いは迅速に行うことができる。幾つかの実施形態では、より速いターンオフが有利になる場合がある。
T11がILIMを下回る場合、演算増幅器314からの出力電流は、T10及びT11をターンオンさせ、これによって低抵抗を示し、ひいてはI11を増加させることができる。これは、I11をILIM以下に実質的に維持するようにすることができる。ILIMの値は、例えば500×I11とすることができる。正味の作用は、負荷スイッチデバイス300が、電流をILIMまで減少するよう調節した後、ILIM以下に実質的に維持することである。
従って、出力電流は、検出された電流制限を超えないように電流制限コントローラ306によって制御される。電流制限は、電流制限検出器302によって検出され、ユーザ設定の電流制限とすることができる。ユーザ設定の電流制限は、例えば、通過素子304、306全体で消費される電力の予め設定された電力制限値に基づいて選択することができる。全体として、負荷スイッチデバイス300の各素子は、電力、ひいては通過素子304、306に流れる電流(すなわち電流I10、I11)を制御するよう協働し、その結果、システム負荷112、電荷蓄積デバイス114、又はその両方に流れる出力電流IOUTを調節する。
レジスタRSは、電流を電圧に変換するように構成された電流感知レジスタとすることができる。一般に、電流感知レジスタは、電力消費を最小にするように低抵抗に合わせて設計されている。較正抵抗は、制御回路によって(例えば、演算増幅器314によって)検出及び監視できる電圧降下の形態で流れる電流を感知する。
電流制限検出器302は、図1A−B、2の電流制限検出器108とほぼ同じとすることができる。電流制限検出器302は、種々の方法で実施することができる。1つの実施の回路の詳細302が図3に示されている。このような実施は、2つの比較器COMP1、COMP2、電流制限検出及び制御構成要素312、4つの電流経路I1−I4、3つの電流スイッチT2−T4、3つのレジスタR1−R3、電源電圧端子S、低基準電圧端子L、高基準電圧端子H、及び抵抗デバイスRSETを含む。このような実施302は、動作電圧範囲全体を拡大することによって、特定の動作電圧範囲での電流制限検出器の精度を向上するように設計することができる。
1つの実施形態では、表1に示されるように、動作電圧範囲は0.75Vから1.5Vである。表1は、抵抗デバイスの抵抗値RSETと、対応するユーザ設定電流制限との間の関係を示している。93.75kΩから1.5MΩまで、抵抗値の大きさを4オーダー(2=16)だけ大きくすることにより、電流制限は同様に、75mAから1.2Aまで4つの大きさで増加する。
Figure 0005290977
この範囲は、複数のセグメントに分割される。各セグメントでは、ユーザ設定の抵抗値RSETは、ユーザ設定の電流制限に関連付けられる。各々が同じ動作電圧範囲を有する複数のセグメントが存在するが、選ばれた抵抗値と設定された電流制限との間には1対1の関係が維持される。
第1のセグメントにおいて、システム設計者は、75mAと150mAとの間の電流制限に関連付けられる93.75kΩの抵抗値を選択している。第2のセグメントでは、187.5kΩの抵抗値が、150mAと300mAとの間の電流制限に関連付けられるように選択されている。抵抗値及び関連の電流制限はユーザ設定のものであり、セグメント間にオーバーラップがない限り、すなわちRSETと電流制限との間に1対1の関係が維持される限り、どのような方式に従って選択してもよい。これは、セグメント間の適正な遷移を可能にする。表1では、各セグメントに対して、抵抗値並びに電流制限が二倍にされている。他の実施形態では、セグメント間と同様に、抵抗値、電流制限、又はこれらの両方は、対数的又は指数的に関係付けることができる。例えば、第1及び第2のセグメントは、In(93750)及びIn(187500)ΩのRSETをそれぞれ含むことができる。関連の電流制限は、対数パターン又は他のいずれかのパターンに従って、或いはランダムに選択することができる。動作電圧範囲、従って動作電流範囲を拡大することによって、分解能及び精度を向上させることができる。
動作中、通常は電源投入時に、表1による電流制限検出器方式を含む負荷スイッチデバイスが、電流制限を検出する。例えば、抵抗値が1.5MΩであると仮定する。始動時では、電流制限検出器に流れる電流ISET、は、電圧VSET=RSET×ISETが上限動作電圧よりも大きく、すなわち1.5Vよりも大きくなる可能性がある。この場合、電流制限検出器は、電流ISETを低下させることによって応答することができる。電流制限検出器に流れるこのような低電流はそれでも尚、1.5Vよりも大きい抵抗デバイスの両端の電圧VSETを生成することができる。この場合、電流ISETは更に低下させることができる。生成電圧が1.5Vを下回ると、電流制限検出器が動作電圧範囲内で動作しているので、電流はこれ以上低下しない。このような場合、電流ISETは、対応する電流制限が何であるかを示しており、すなわちISETと電流制限との間の関係に基づいて、ISETの決定により電流制限も確立される。電流制限は、例えば、負荷スイッチデバイス内のメモリに格納しておくことができる。従って、検出された電流制限は、電流制限検出器に結合された電流制限コントローラに伝達することができる。その後、電流制限コントローラは、電流制限を下回って電流を制限し、当該レベル以下に維持することができる。
電流制限は、通常、負荷スイッチデバイスが組み込まれるシステム、或いは負荷スイッチデバイスが動作可能に結合されるシステム又はデバイスの導入或いはセットアップ後に一度検出される。その後、電流制限は通常、例えば負荷スイッチ作動が、電源投入時、起動時、及び同様の場合のような再起動されるときなど、電力がリサイクルされるまで再度検出されることはない。その後、電流制限検出器は通常、休止状態になり、すなわちこの電流検出機能を実施しない。
負荷スイッチデバイスに流れる総検出電流ISETは、1つ又はそれ以上のステップで変えることができる。表1に示された実施形態は、流れている総電流を段階的に低減することによって、電流制限を段階的に検出できるようにする。このような段階的な検出は、負荷スイッチデバイスに複数の電流経路を含めることによって得ることができ、ここでISETは、電流経路の各々に流れる電流の合計を含む。また、各電流経路は、それぞれのトランジスタがターンオン又はターンオフされたときに、その経路上の電流の流れをスタート又はストップさせることができる電流スイッチ(例えば、トランジスタT1、T2、T3、T4)を含むことができる。表1に概説された実施形態は、4つの電流経路を含む。トランジスタ(T1、T2、T3、及びT4)をターンオンする信号は、それぞれS1、S2、S3、及びS4として示されている。負荷スイッチデバイスの状態は、トランジスタを制御する信号のステータス、すなわちセット{S1、S2、S3、S4}である。イネーブル信号(EN)は、状態すなわち個々の信号のどれが作動されているかを設定する。信号S1によってトランジスタT1が制御される電流経路に流れる電流I1は1μAである。トランジスタT2、T3、及びT4それぞれに対する電流経路を流れる電流I2、I3、及びI4は、それぞれ1μA、2μA、及び4μAである。図3に示される実施形態302は、S1信号に応答して電流経路上に流れる電流I1をターンオン及びターンオフするように構成された電流スイッチT1を含まない点に留意されたい。
表1を参照すると、例えば、第1イネーブル信号(EN1)は、S1+S2+S3+S4として設定することができる。ターンオン時には、トランジスタT1−T4により関連電流I1−I4が流れることが可能となり、ターンオフ時には、トランジスタT1−T4は、関連電流経路を流れる電流を遮断する。従って、EN1は、4つのトランジスタ全てをターンオンさせることができる。この場合、8μAの総電流は、信号S1−S4によるターンオン時にトランジスタT1−T4に流れる電流I1、I2、I3、及びI4の和からなる。上述のように、電流制限はユーザ設定である。設計者が、抵抗値RSETを93.75kΩに選択した場合、電流制限は、表1に従って75mAに設定される。設計者が、抵抗値を187.5kΩに選択した場合、電流制限は150mAに設定される。設計者は、例えば、電流制限検出器が組み込まれる負荷スイッチデバイスに対して1つ又はそれ以上の適用に基づいて電流制限を設定することができる。
段階的な電流制限検出は、第1ステップにおいて、S1−S4の全てを作動させ、総検出電流ISETを最初に8μAにすることによって取得することができる。次に、第2ステップでは、S4を作動解除し、総電流を4μA(すなわち、I1+I2+I3=1μA+1μA+2μA)に制限することができる。第3ステップでは、S3もまた作動解除され、総電流をI1+I2、すなわち2μAに制限することができる。更なる段階的低減は、S2を作動解除した後にS1を作動解除し、電流をI1(すなわち1μA)に低減した後に0μAに、又は実質的に0μA(例えば、バイアス電流のみ)に、或いはバイアス電流無しで0μAに低減することによって取得することができる。他の段階的低減も実施可能である。段階的低減の他の種々のシーケンスひいては電流制限の段階的検出が実施可能である。このような段階的検出は、種々のレベルのステップ細粒性又は電流増分を更に含むことができる。
別のイネーブル信号(EN8)をS1として設定することができる。EN8を使用して、唯一の電流経路すなわちI1をターンオン及びターンオフすることができる。従って、段階的電流制限検出は、2つのステップに制限することができる。更に他のイネーブル信号は、S1+S2+S3として設定されたEN2、及びS1+S2として設定されたEN4を含むことができる。イネーブル信号に含まれる信号の数(Sj,j=1、2、3、及び4)が減少するにつれて、電流を段階的に低下させる可能性の数が減少する。しかしながら、S1のみを含むEN8を使用した場合でも、最初にS1を作動して電流を1μAに制限させた後、S1を作動解除して電流を0μA(以下に更に説明されるように、バイアス電流を含まない)に制限することによって、電流を段階的に制限することができる。
電流制限検出及び制御構成要素312は、遅延素子FF1−FF3(図3に示されていない)を含むことができる。遅延素子FF1−FF3の出力は、電流制限コントローラ306に供給することができる。
遅延素子FF1−FF3は、互いに直列に動作可能に結合され、状態のシーケンスを連続して維持するよう動作することができる。特定の遅延素子(例えば、FF1)の出力は、これに直列に続く遅延素子(例えば、FF2)の状態を変化させるように構成することができる。各状態は、電流制限コントローラ306に含まれた1つ又はそれ以上のトランジスタのどれがターンオンされ、どれがターンオフされるかを設定することができる。遅延素子は、フリップフロップレジスタ(FF)とすることができる。FFの実施例はD−FF及びJK−FFを含む。
電流制限検出器302は、遅延素子を含むことにより、含まれるFFの数に基づく長さのシーケンスを記憶できるようになる。図示の実施形態では、電流制限検出器302は、例えばCOMP1に動作可能に結合された3つのFF(すなわち、FF1、FF2、及びFF3)を含み、従って電流制限検出器は、長さ3のシーケンス(COMP1の動作に対して)を記憶するように構成されている。代替の実施形態では、より多くの又はより少ない遅延素子を含むことができる。遅延素子の数が増えるほど、記憶できるシーケンスの長さも増え、その結果、取得可能な電流分解能も増大する。例えば、表1に設定されたイネーブル信号EN1を含む実施形態では、状態シーケンスは、8μA(I1−I4の全て)が流れる第1状態から、4μA(I4以外のI1−I3)が流れる第2状態に、及び第2状態から2μA(I3及びI4以外のI1及びI2)が流れる第3状態へのISETの段階的低減を可能にしている。
1.5V基準電圧、すなわちCOMP1に関連付けられた高閾値電圧(又は状態トリップポイント)、COMP2に関連付けられた低基準電圧0.75V、或いはこれらの両方などの値は、レジスタ許容差(例えば、レジスタR1−R3の1つ又はそれ以上の)に起因して変わる可能性がある。レジスタ許容差の実施例は、5%、10%、及びそれ以上が含まれる。これらの値は、レール電圧(すなわち、電源102などの電源によって提供される電圧)の変動により更に変わる可能性がある。図3の実施形態では、レール電圧は2.0Vである。
本明細書で開示される実施形態の種々の構成が可能である。例えば、トランジスタ(例えば、T2−T4、T10−T14)は、接合FET(JFET)、金属酸化膜半導体FET(MOSFET)、或いはこれらのいずれかの組合せなどの電界効果トランジスタ(FET)を含むことができる。トランジスタはまた、バイポーラ接合トランジスタ(BJT)を含むことができ、この場合、ゲートに対する上記の参照(FETに対する用語)は、エミッタ(BJTに対する用語)に対応する。電流制限部304は、電流感知レジスタ(例えば、RS)以外のレジスタを含むことができるが、幾つかの構成では、これは、最適な性能とはいえない結果をもたらす可能性がある。例えば、電力消費は、最適に最小化されたものではない可能性があり、より多い数の構成要素を使用しなければならない可能性があり、又は同様のことである。幾つかの実施形態では、電荷蓄積デバイス114は、負荷スイッチデバイス300の外部に配置され、負荷スイッチデバイス300と協働するように構成することができる。
負荷スイッチデバイス300又はその一部は、幾つかの方法で実装することができる。負荷スイッチデバイス300は、ディスクリート構成要素を使用して実施することができ、或いは、ICに又はIC内の機能ブロックとして具現化できるのが好ましい。このようなICは更に、モバイルデバイスで使用するよう構成することができる。モバイルデバイスの実施例には、ラップトップ、携帯電話、パーソナルデジタルアシスタント(PDA)、ゲームボーイ、他のバッテリー駆動の玩具、及び同様のものが含まれる。
要約すると、本発明は、本発明の幾つかの好ましい形態に関して詳細に説明してきたが、他の形態も実施可能である。従って、添付の請求項の技術的思想及び範囲は、本明細書に包含される好ましい形態の説明に限定されるものではない。
100 負荷スイッチデバイスを備えたアプリケーション
102 電源
104 USBポート
106 負荷スイッチデバイス
108 電流制限検出器
110 電流制限コントローラ
112 システム負荷
114 電荷蓄積デバイス

Claims (24)

  1. 電流制限検出器によって電流制限を制御するためのデバイスであって、
    制御信号に基づいて第1の電流を駆動するように構成された複数のスケールドトランジスタを含む電流制限コントローラと、
    ユーザ設定の電流制限を検出し且つ前記ユーザ設定の電流制限に応答して前記スケールドトランジスタを作動させるように構成された電流制限検出器と、
    前記制御信号を生成するように構成された増幅器、予め設定されたラージスケールのラージスケールトランジスタ、及び予め設定されたスモールスケールのスモールスケールトランジスタを含む電流制限部と、
    を備え、
    前記予め設定されたラージスケールとスモールスケール間の比率は、前記スモールスケール及びラージスケールトランジスタにそれぞれ流れるスモールスケール電流及びラージスケール電流間の比率を制御するために事前設定されており、前記スモールスケール及びラージスケール電流は、前記制御信号によって調節され、前記増幅器は前記スモールスケール電流と前記ユーザ設定の電流制限とを比較することにより前記制御信号を生成し、前記電流制限部は前記複数のスケールドトランジスタに流れる電流和を含む出力電流を生成する
    ことを特徴とするデバイス。
  2. 前記出力電流が、前記ユーザ設定の電流制限に基づくことを特徴とする請求項1に記載のデバイス。
  3. 前記ラージスケール及びスモールスケール電流の調節は、前記スモールスケール電流が前記ユーザ設定の電流制限を超えた場合に前記ラージスケール電流を低減することを含む、
    請求項1に記載のデバイス。
  4. 前記ラージスケール及びスモールスケール電流の調節は、前記スモールスケール電流が前記ユーザ設定の電流制限を下回る場合に前記ラージスケール電流を増加させることを含む、
    請求項1に記載のデバイス。
  5. 前記増幅器が複数の入力端子を含む演算増幅器であり、前記ラージスケール及びスモールスケール電流を調節するために前記増幅器は更に、その入力端子に印加された差動入力電圧に応じて前記制御信号を生成するように構成されており、前記差動入力電圧は、前記スモールスケール電流と前記ユーザ設定の電流制限の差分に比例する、
    ことを特徴とする請求項1に記載のデバイス。
  6. 前記増幅器の入力端子に結合され且つ前記増幅器の入力間に配置されて差動電流を流すことができるように構成されたレジスタを更に備え、
    前記差動電流が前記スモールスケール電流と前記ユーザ設定の電流制限に基づいており、前記差動電流は、前記差動入力電圧を生成する前記レジスタに流れる、
    ことを特徴とする請求項5に記載のデバイス。
  7. 前記レジスタが電流感知レジスタを含む、
    請求項6に記載のデバイス。
  8. 前記増幅器が複数の入力端子を含み、前記ラージスケール及びスモールスケール電流を調節するために前記増幅器が更に、その入力端子に印加された差動入力電圧に応じて前記制御信号を生成するように構成されており、前記差動入力電圧が、前記スモールスケール電流と前記ユーザ設定の電流制限の差分に比例する、
    ことを特徴とする請求項1に記載のデバイス。
  9. 前記ラージスケール及びスモールスケール電流の調節が、前記増幅器の利得に依存するペースで行われる、
    ことを特徴とする請求項1に記載のデバイス。
  10. 前記スモールスケールトランジスタの出力端子に結合される電流制限コンバータを更に備える、
    ことを特徴とする請求項1に記載のデバイス。
  11. 集積回路(IC)又はIC内の機能ブロックに具現化された請求項1に記載のデバイス。
  12. 前記ICがモバイルデバイスで使用可能に構成されている、
    ことを特徴とする請求項11に記載のデバイス。
  13. 前記スケールドトランジスタが前記予め設定されたラージスケールとは異なるスケールを有する、
    ことを特徴とする請求項1に記載のデバイス。
  14. 前記電流制限検出器が1つ又はそれ以上の電流スイッチを含み、前記電流スイッチの1つは、前記スケールドトランジスタの作動を制御する、
    ことを特徴とする請求項1に記載のデバイス。
  15. 電流制限検出器によって電流制限を制御するための方法であって、
    複数のスケールドトランジスタを有する電流制限コントローラにおいて、検出信号を受け取る段階と、
    前記検出信号に応答して1つまたは複数の前記スケールドトランジスタを作動させる段階と、
    制御信号に基づく第1の電流をそれぞれの作動された前記スケールドトランジスタを介して負荷へ送信する段階と、
    前記制御信号に基づくラージスケール電流を事前設定されたラージスケールのラージスケールトランジスタを介して送信する段階と、
    スモールスケール電流を事前設定されたスモールスケールのスモールスケールトランジスタを介して送信する段階であって、前記事前設定されたラージスケール及びスモールスケールの間の比率は前記ラージスケール電流とスモールスケール電流との間の比率を制御するように事前設定されている、段階と、
    前記スモールスケール電流と電流制限とを前記制御信号を生成するために比較する段階と、
    ラージスケールトランジスタ及びスモールスケールトランジスタにそれぞれ流れる前記ラージスケール電流及び前記スモールスケール電流を調節し且つ組み合わせて電流を生成することによって、前記電流制限を下回ってまたはそれに近い値で前記スモールスケール電流を維持するように前記ラージスケール及びスモールスケール電流と前記第1の電流を調節するために前記制御信号を使用する段階と、
    を含む、
    ことを特徴とする方法。
  16. 前記ラージスケール及びスモールスケール電流及びそれぞれの第1の電流を調節するために前記制御信号を使用する段階が、前記スモールスケール電流が前記ユーザ設定の電流制限を超えた場合に前記ラージスケール電流と前記スモールスケール電流と前記それぞれの第1の電流を低減するように前記制御信号を変更する段階を含む、
    ことを特徴とする請求項15に記載の方法。
  17. 前記ラージスケール及びスモールスケール電流及びそれぞれの第1の電流を調節するために前記制御信号を使用する段階が、前記スモールスケール電流が前記ユーザ設定の電流制限を下回る場合に前記ラージスケール電流と前記スモールスケール電流と前記それぞれの第1の電流を増加させるように前記制御信号を変更する段階を含む、
    ことを特徴とする請求項15に記載の方法。
  18. 前記ラージスケール及びスモールスケール電流及びそれぞれの第1の電流を調節するために前記制御信号を使用する段階が更に、増幅器の入力端子に印加される差動入力電圧に応答し、前記差動入力電圧は、前記スモールスケール電流と前記ユーザ設定の電流制限間の差分に比例する、
    ことを特徴とする請求項15に記載の方法。
  19. 前記比較する段階は増幅器により実施され、前記ラージスケール及びスモールスケール電流及び各第1の電流を調節するために前記制御信号を使用する段階が、前記増幅器の利得に依存するペースで行われる、ことを特徴とする請求項15に記載の方法。
  20. 前記複数のスケールドトランジスタの少なくとも1つが前記予め設定されたラージスケールとは異なるスケールを有する、
    ことを特徴とする請求項15に記載の方法。
  21. 前記電流制限検出器が1つ又はそれ以上のスケールド電流スイッチを含み、前記電流スイッチの1つは複数のスケールドトランジスタのそれぞれの作動を制御することを特徴とする請求項15に記載の方法。
  22. 電流制限を制御するためのデバイスであって、
    制御信号に基づいて電流を生成するように動作する複数のスケールドトランジスタであって、前記生成される電流は前記複数のスケールドトランジスタに流れる電流和である、前記複数のスケールドトランジスタと、
    前記制御信号に基づいてスモールスケール電流を導通するように構成され前記スモールスケール電流の増幅を変更するよう動作する、予め設定されたスモールスケールのスモールスケールトランジスタと、
    前記制御信号に基づいてラージスケール電流を導通するように構成され前記ラージスケール電流の増幅を変更するよう動作する、予め設定されたラージスケールのラージスケールトランジスタと、
    を備え、
    前記予め設定されたラージスケール及びスモールスケール間の比率が、前記ラージ及びスモールスケール電流間の比率を制御するように事前設定されており、前記デバイスには更に、
    前記スモールスケール電流とユーザ設定の電流制限との差分に基づいて前記制御信号を生成するように構成された増幅器が設けられている、
    ことを特徴とするデバイス。
  23. 更に、電流制限検出器によって電流制限を検出する段階を含む請求項15に記載の方法。
  24. 更に、前記検出された電流制限に基づいて検出信号を生成する段階を含む請求項23に記載の方法。
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