JP7350702B2 - 駆動制御回路 - Google Patents

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Description

本実施形態は、駆動制御回路に関する。
従来、出力トランジスタのオン/オフを制御する駆動制御回路において、予め記憶したしきい値を基準にして出力トランジスタを駆動する駆動素子の駆動能力を調整し、出力トランジスタのスイッチング速度の高速化とEMIノイズの抑制を両立させる技術が開示されている。予め記憶した出力トランジスタのしきい値を用いる構成の場合には、しきい値の記憶回路が必要となり、回路構成が複雑になる。簡易な構成で出力トランジスタのしきい値の検出と駆動素子の駆動能力の調整が可能な駆動制御回路が望まれる。
特開2011-82764号公報
一つの実施形態は、簡易な構成で出力トランジスタのしきい値の検出と駆動素子の駆動能力の調整が可能な駆動制御回路を提供することを目的とする。
一つの実施形態によれば、駆動制御回路は、出力トランジスタをオン状態とする駆動信号に応答して、前記出力トランジスタのゲートに駆動電流を供給する第1の駆動トランジスタと、一端に基準電位が印加される第1の容量と、前記駆動信号に応答して、前記第1の容量の他端に充電電流を供給する第2の駆動トランジスタと、前記出力トランジスタのゲート電圧と前記第1の容量の他端の電圧を比較して、その結果に基づいて第1の検出信号を出力する第1の比較回路と、前記第1の検出信号と前記駆動信号に応答して第1の制御信号を生成する第1の制御信号生成回路と、前記第1の制御信号に応答して、前記出力トランジスタのゲートに駆動電流を供給する第3の駆動トランジスタと、を具備する。
図1は、第1の実施形態の駆動制御回路の構成を示す図。 図2は、出力トランジスタのゲート容量の変化を説明する為の図。 図3は、各ノードの電圧関係を概略的に示す図。 図4は、出力トランジスタのゲート電圧と参照電圧の関係を説明する為の図。 図5は、第1の実施形態の効果を説明する為の図。 図6は、第2の実施形態の駆動制御回路の構成を示す図。 図7は、出力トランジスタのゲート電圧と参照電圧の関係を説明する為の図。
以下に添付図面を参照して、実施形態にかかる駆動制御回路を詳細に説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態の駆動制御回路の構成を示す図である。本実施形態は、駆動回路10を有する。駆動回路10は、スイッチング信号V、VS1を出力する。スイッチング信号V、VS1には、駆動トランジスタQ11とQ13、及び、Q12とQ14が同時にオンすることがない様に、所謂、デッドタイムが設けられる。
本実施形態は、バッファ11、12を有する。バッファ11は、スイッチング信号Vを波形整形して、駆動トランジスタQ11のゲートに供給する。バッファ12は、スイッチング信号VS1を波形整形して、駆動トランジスタQ13のゲートに供給する。
駆動トランジスタQ11のソースには電源電圧VDDが印加され、ドレインは、駆動トランジスタQ13のドレインに接続される。駆動トランジスタQ11とQ13のドレインの共通接続端N1は、出力トランジスタQ1のゲートに接続される。出力トランジスタQ1のドレインは、出力端13に接続される。駆動トランジスタQ13のソースは、接地される。駆動トランジスタQ11は、オン状態の時に出力トランジスタQ1のゲートに駆動電流を供給する。駆動トランジスタQ13は、オン状態の時に出力トランジスタQ1のゲート容量の電荷を放電する。
本実施形態は、参照電圧生成回路40を有する。参照電圧生成回路40は、駆動トランジスタQ12、Q14、及び容量Cを有する。容量Cの一端は接地され、基準電位となる接地電位が印加される。駆動トランジスタQ12のソースには電源電圧VDDが印加され、ドレインは駆動トランジスタQ14のドレインに接続される。駆動トランジスタQ12とQ14のドレインの共通接続端N2は、比較回路30の非反転入力端(+)に接続される。駆動トランジスタQ12、Q14のオン/オフはバッファ11、12の出力によって夫々制御される。駆動トランジスタQ12は、オン状態の時に充電電流を供給し、容量Cを充電する。駆動トランジスタQ14は、オン状態の時に容量Cの電荷を放電する。
容量Cの値は、出力トランジスタQ1のゲート・ソース間容量CGSと駆動トランジスタQ11の駆動能力によって定まる時定数と、駆動トランジスタQ12の駆動能力に基づいて設定する。例えば、駆動トランジスタQ11によって出力トランジスタQ1のゲート・ソース間容量CGSが充電されて所定の電圧になるまでの時間と、容量Cが駆動トランジスタQ12によって充電されることでその所定の電圧になるまでの時間が同じになる様に設定される。従って、容量Cの一端の電位と出力トランジスタQ1のソースの電位は、必ずしも同じ電位にする必要はない。
例えば、容量Cの値を、出力トランジスタQ1のゲート・ソース間容量CGSの1/2に設定した場合には、駆動トランジスタQ12の駆動能力を駆動トランジスタQ11の駆動能力の1/2とする。これにより、駆動トランジスタQ12のサイズを縮小して消費電力を低減することが出来る。尚、ここで言う駆動能力は、駆動電流の供給能力を意味する。
本実施形態は、比較回路30を有する。比較回路30の反転入力端(-)には、共通接続端N1が接続される。比較回路30は、共通接続端N1の電圧、すなわち、出力トランジスタQ1のゲート電圧Vと、共通接続端N2の電圧、すなわち、参照電圧生成回路40の容量Cの他端側の参照電圧Vを比較し、その比較結果に応じて検出信号Vを出力する。
比較回路30は、例えば、ヒステリシス特性を有する。比較回路30にヒステリシス特性を持たせることで、例えば、ノイズ等による比較回路30の誤動作を回避することが出来る。
本実施形態は、制御信号生成回路20を有する。制御信号生成回路20には、検出信号Vとスイッチング信号Vが供給される。制御信号生成回路20は、検出信号Vとスイッチング信号Vに応答して制御信号Vを出力する。制御信号Vは、駆動トランジスタQ10のオン/オフを制御する。制御信号生成回路20は、検出信号Vとスイッチング信号Vに応答するラッチ回路で構成することが出来る。
駆動トランジスタQ10の駆動能力は、駆動トランジスタQ11の駆動能力よりも高く設定されている。例えば。駆動トランジスタQ10のサイズ(ゲート幅)を、駆動トランジスタQ11のサイズよりも大きくすることで、駆動トランジスタQ10の駆動能力を高めることが出来る。
本実施形態の回路動作を、図2から図4を用いて説明する。図2は、出力トランジスタQ1のゲート容量とゲート電圧の関係を示す。横軸は、出力トランジスタQ1のゲート電圧を示し、縦軸は、ゲート容量を示す。ゲート電圧がしきい値よりも低い状態では、出力トランジスタQ1のゲート容量はゲート・ソース間容量CGSである。ゲート電圧が高くなり、しきい値になると、ゲート容量は、ゲート・ドレイン間容量CGDとなる。ゲート電圧がしきい値を越えて高くなると、ゲート容量は、CGSとCGDの和、すなわち、CGS+CGDとなる。
ゲート電圧がしきい値に達すると、出力トランジスタQ1のゲート容量がゲート・ドレイン間容量CGDとなり、ゲート電圧がV1からV2の区間で一定となる“プラトー”が生じる。本実施形態では、このプラトーの区間の出力トランジスタQ1のゲート電圧を、出力トランジスタQ1のしきい値として検出する。
参照電圧生成回路40の容量Cは駆動トランジスタQ12の駆動電流によって充電され、参照電圧Vが一定の傾きで上昇する。一方、出力トランジスタQ1のゲート電圧Vは、しきい値で生じるプラトーにおいて一定となる。この為、参照電圧Vとゲート電圧Vを比較することで、ゲート電圧Vが出力トランジスタQ1のしきい値に達したことを容易に検出することが出来る。
図3は、各ノードの電圧関係を概略的に示す図である。上段の実線100は、スイッチング信号Vを示す。タイミングt00において、スイッチング信号Vは、Lレベルになる。
次段は、ゲート電圧Vと参照電圧Vを示す。一点鎖線101は、参照電圧Vを示し、実線102はゲート電圧Vを示す。スイッチング信号Vに応答して、駆動トランジスタQ11、Q12がオンとなり、タイミングt0において参照電圧Vと出力トランジスタQ1のゲート電圧Vが上昇し始める。タイミングt1において、参照電圧Vがゲート電圧Vより高くなり、出力トランジスタQ1のしきい値に達したことが検出される。タイミングt2において、ゲート電圧Vが参照電圧Vよりも高くなる。
次段の実線103は。比較回路30の検出信号Vを示す。比較回路30は、参照電圧Vがゲート電圧Vよりも高くなったタイミングt1において、Hレベルの検出信号Vを出力する。
次段の実線104は、制御信号生成回路20が出力する制御信号Vを示す。制御信号Vは、Hレベルの検出信号Vに応答してLレベルに遷移し、駆動トランジスタQ10をオンさせる。これにより、出力トランジスタQ1のゲートへの駆動電流の供給能力が高められる。制御信号生成回路20は、スイッチング信号VがHレベルとなるタイミングt3までLレベルを維持する。
下段の実線105は、出力電圧Voutを示す。出力トランジスタQ1のゲート電圧Vがしきい値に達すると、出力トランジスタQ1のゲートは駆動トランジスタQ11の駆動電流と駆動トランジスタQ10の駆動電流が加算された電流で充電され、出力端13の出力電圧Voutは、Lレベルに瞬時に遷移する。出力トランジスタQ1は、スイッチング信号VがHレベルになるタイミングt3でオフになり、出力電圧VoutはHレベルになる。
本実施形態によれば、ゲート電圧Vと参照電圧Vの比較によって出力トランジスタQ1のゲート電圧Vがしきい値に達したことを容易に検出することができる。ゲート電圧Vがしきい値に達するまでは、駆動能力の小さい駆動トランジスタQ11のみを動作させることで出力トランジスタQ1のゲートへの突入電流を抑制する。これにより、EMIノイズが軽減される。また、ゲート電圧Vがしきい値に達したことを検出した後は、駆動能力の高い駆動トランジスタQ10をオンさせ、駆動トランジスタQ11と共に駆動させることで駆動能力を高める。これにより、出力トランジスタQ1のスイッチング速度を速めることが出来る。
図4は、ゲート電圧Vと参照電圧Vの関係を拡大して示す。一点鎖線101は参照電圧Vを示し、実線102はゲート電圧Vを示す。スイッチング信号Vに応答して駆動トランジスタQ12がオンすることで、タイミングt0において参照電圧生成回路40の容量Cの充電が開始し、参照電圧Vが上昇し始める。一方、出力トランジスタQ1のゲート電圧Vも、タイミングt0で駆動トランジスタQ11がオンすることで上昇するが、プラトーが生じるタイミングt1で一定となる。
タイミングt1は、比較回路30によって検出される。比較回路30の検出信号Vに応答する制御信号Vによって駆動能力の高い駆動トランジスタQ10をオンさせることで、出力トランジスタQ1のゲート電圧Vが急峻に立上り、タイミングt2において参照電圧Vよりも高くなる。
図5は、本実施形態の効果を説明する為の図である。横軸は時間、縦軸は出力トランジスタQ1のゲートへの突入電流を概略的に示す。同図の実線110は、駆動能力の高い駆動トランジスタのみを用いて出力トランジスタQ1を駆動した場合を示す。
駆動能力の高い駆動トランジスタで駆動した場合には、突入電流は、スイッチング信号Vに応答してオンとなるタイミングt0からt12までの短い時間で電流値I10まで達する。駆動能力が高い為、突入電流のピーク値は、大きな電流値I10になる。実線111は、本実施形態の場合を示す。ゲート電圧Vがしきい値になるタイミングt1までは、駆動能力の小さい駆動トランジスタQ11で駆動する。この為、突入電流はI20に抑制される。突入電流が抑制されることで、出力トランジスタQ1のゲート電圧Vは緩やかに上昇する。これにより、ゲート電圧Vの変化率dV/dtが小さくなり、EMIノイズが抑制される。
しきい値に達したタイミングt1の後は、駆動能力の高い駆動トランジスタQ10をオンさせ、駆動トランジスタQ11と共に動作させて駆動能力を高める。これにより、出力トランジスタQ1のスイッチング速度を速める。タイミングt1において、出力トランジスタQ1のゲート電圧Vは既に上昇している為突入電流は抑制され、タイミングt13においても、I21に抑制される。
本実施形態によれば、出力トランジスタQ1のゲート電圧Vがしきい値に達したことを、参照電圧生成回路40の参照電圧Vと比較することで容易に検出することが出来る。出力トランジスタQ1のしきい値を検出するタイミングt1は、参照電圧生成回路40の構成によって調整することが出来る。例えば、容量Cと駆動トランジスタQ14のドレインとの間にインダクタ(図示せず)を直列に接続することで、容量Cへの充電を遅延させることが出来る。これにより、参照電圧Vの立上りを遅延させ、ゲート電圧Vがしきい値に達したことを検出するタイミングt1を遅延させることが出来る。
例えば、出力トランジスタQ1がGaN(窒化ガリウム)で構成されるGaNトランジスタの場合、GaNトランジスタを別チップで構成して所定の配線で駆動トランジスタQ11、Q13と接続する場合がある。係る構成の場合には、配線に寄生インダクタ成分が有る為、容量Cにインダクタを接続することで、配線の寄生インダクタ成分による遅延を相殺させることが出来る。
本実施形態によれば、参照電圧生成回路40の容量Cの参照電圧Vと出力トランジスタQ1のゲート電圧Vを比較し、ゲート電圧Vが平坦となるプラトーの区間のゲート電圧Vをしきい値電圧として検出する。従って、比較回路30が検出信号Vを出力する時の参照電圧Vの値が想定するしきい値の範囲から逸脱した場合に、異常を知らせる構成を設けても良い。例えば、比較回路30のHレベルの検出信号Vに応答して参照電圧生成回路40の駆動トランジスタQ12、Q14をオフさせることで、出力トランジスタQ1のしきい値に対応した参照電圧Vを容量Cに保持させることが出来る。保持した電圧を、しきい値として想定している電圧と比較することで、異常な状態か否かを判定することが出来る。
(第2の実施形態)
図6は、第2の実施形態の駆動制御回路の構成を示す図である。既述した実施形態に対応する構成には、同一符号を付し、重複した記載は必要な場合にのみ行う。以降、同様である。
本実施形態は、参照電圧生成回路41を有する。参照電圧生成回路41は、駆動トランジスタQ15、Q16、及び容量CR1を有する。駆動トランジスタQ15のゲートには、バッファ11の出力信号が供給され、駆動トランジスタQ16のゲートには、バッファ12の出力信号が供給される。駆動トランジスタQ15のソースには電源電圧VDDが印加され、ドレインは駆動トランジスタQ16のドレインに接続される。駆動トランジスタQ16のソースは、接地される。容量CR1の一端は接地され、基準電位となる接地電位が印加される。容量CR1の他端は、駆動トランジスタQ15とQ16のドレインの共通接続端N3に接続される。駆動トランジスタQ15はオン状態の時に充電電流を供給して容量CR1を充電する。駆動トランジスタQ16は、オン状態の時に容量CR1の電荷を放電する。駆動トランジスタQ15、Q16のオン/オフはバッファ11、12の出力によって夫々制御される。
本実施形態は、比較回路31を有する。比較回路31は、ゲート電圧Vと共通接続端N3の参照電圧VR1を比較し、その比較結果に応じて検出信号VC1を出力する。比較回路31は、非反転入力端(+)に印加される参照電圧VR1がゲート電圧Vよりも高くなると、検出信号VC1をHレベルにする。
本実施形態は、制御信号生成回路21を有する。制御信号生成回路21は、比較回路31の検出信号VC1とスイッチング信号Vに応答して制御信号VD1を出力する。制御信号VD1は、駆動トランジスタQ101のオン/オフを制御する。駆動トランジスタQ101の駆動能力は、駆動トランジスタQ11よりも高い値に設定されている。
図7を用いて、本実施形態の動作を説明する。図7は、ゲート電圧Vと参照電圧V、VR1を示す。一点鎖線101は、参照電圧V、実線102はゲート電圧V、二点鎖線120は、参照電圧VR1を示す。第1の実施形態の動作において説明した様に、出力トランジスタQ1のゲート電圧Vは、しきい値においてプラトーとなる。この為、タイミングt1において、参照電圧Vがゲート電圧Vよりも高くなる。この電圧関係を比較回路30が検出し、駆動能力の高い駆動トランジスタQ10をオンさせる制御が行われる。
同様に、二点鎖線120で示す参照電圧VR1も、タイミングt20においてゲート電圧Vより高くなる。この電圧関係は、比較回路31により検出され、比較回路31はタイミングt20においてHレベルの検出信号VC1を生成して制御信号生成回路21に供給する。制御信号生成回路21は、検出信号VC1に応答してLレベルの制御信号VD1を駆動トランジスタQ101に供給して、駆動トランジスタQ101をオンさせる。駆動トランジスタQ101がオンすることで、ゲート電圧Vを示す実線102は変化するが、簡略化の為、図示を省略している。
本実施形態においては、参照電圧VR1がゲート電圧Vよりも高くなるタイミングt20において、駆動能力の高い駆動トランジスタQ101がオンとなる。すなわち、参照電圧Vとゲート電圧Vとの比較動作に応じて駆動能力の高い駆動トランジスタQ10をオンさせる調整に加え、参照電圧VR1とゲート電圧Vとの比較動作に応じて駆動能力の高い駆動トランジスタQ101をオンさせて駆動能力の調整を行う。この為、きめの細かい駆動能力の調整が可能となる。
参照電圧生成回路41は、駆動トランジスタQ15、Q16と容量CR1により、簡易に構成することが出来る。また、参照電圧VR1の変化の傾きは、容量CR1の値と、駆動トランジスタQ15の駆動電流の値によって調整することが出来る。従って、参照電圧生成回路40の参照電圧Vの変化の傾きと参照電圧生成回路41の参照電圧VR1の変化の傾きを、容量C、CR1の値と駆動トランジスタQ12、Q15の駆動能力の調整によって容易に調整することが出来る。参照電圧V、VR1の変化の傾きを調整することで、しきい値を検出するタイミングt1、t20、すなわち、駆動能力の高い駆動トランジスタQ10、Q101をオンさせるタイミングの調整が可能である。
容量C、CR1への充電電流を遅延させて、出力トランジスタQ1のしきい値を検出するタイミングを遅延させることが出来る。例えば、容量C、CR1と共通接続端N2、N3との間にインダクタ(図示せず)を接続することで、容量C、CR1への充電を遅延させることが出来る。これにより、参照電圧V、VR1の立上りを遅延させ、ゲート電圧Vと交差するタイミングt1、t20を遅延させることが出来る。
既述した実施形態の制御信号生成回路20、21は、比較回路30、31のHレベルの検出信号V、VC1に応答した後、スイッチング信号VがHレベルになるタイミングt3までLレベルの制御信号V、VD1を出力する構成を有するが、比較回路30、31の検出信号V、VC1がHレベル、Lレベルに変化する度に出力レベルが変化する制御信号V、VD1を出力する構成であっても良い。比較回路30、31の検出信号がLレベルの場合は、駆動能力の小さい駆動トランジスタQ11のみを動作させて突入電流を抑制し、検出信号V、VC1がHレベルとなる度に駆動能力の高い駆動トランジスタQ10、Q101をオンさせて駆動能力を高めて出力トランジスタQ1のスイッチング速度を速めることが出来る。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
10 駆動回路、20、21 制御信号生成回路、30、31 比較回路、40、41 参照電圧生成回路、Q1 出力トランジスタ、Q10~Q16、Q101 駆動トランジスタ、C、CR1 容量。

Claims (5)

  1. 出力トランジスタをオン状態とする駆動信号に応答して、前記出力トランジスタのゲートに駆動電流を供給する第1の駆動トランジスタと、
    一端に基準電位が印加される第1の容量と、
    前記駆動信号に応答して、前記第1の容量の他端に充電電流を供給する第2の駆動トランジスタと、
    前記出力トランジスタのゲート電圧と前記第1の容量の他端の電圧を比較して、その結果に基づいて第1の検出信号を出力する第1の比較回路と、
    前記第1の検出信号と前記駆動信号に応答して第1の制御信号を生成する第1の制御信号生成回路と、
    前記第1の制御信号に応答して、前記出力トランジスタのゲートに駆動電流を供給する第3の駆動トランジスタと、
    を具備することを特徴とする駆動制御回路。
  2. 前記第3の駆動トランジスタの駆動能力は、前記第1の駆動トランジスタの駆動能力よりも高いことを特徴とする請求項1に記載の駆動制御回路。
  3. 前記第1の容量の値は、
    前記出力トランジスタのゲート・ソース間容量と前記第1の駆動トランジスタの駆動能力によって定まる時定数と、前記第2の駆動トランジスタの駆動能力に基づいて設定することを特徴とする請求項2に記載の駆動制御回路。
  4. 一端に前記基準電位が印加される第2の容量と、
    前記駆動信号に応答して、前記第2の容量の他端に充電電流を供給する第4の駆動トランジスタと、
    前記出力トランジスタのゲート電圧と前記第2の容量の他端の電圧を比較して、その比較結果に応じて第2の検出信号を出力する第2の比較回路と、
    前記第2の検出信号と前記駆動信号に応答して第2の制御信号を生成する第2の制御信号生成回路と、
    前記第2の制御信号に応答して、前記出力トランジスタのゲートに駆動電流を供給する第5の駆動トランジスタと、
    を具備することを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の駆動制御回路。
  5. 前記出力トランジスタは、GaNトランジスタであることを特徴する請求項1から4のいずれか一項に記載の駆動制御回路。
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