JP7415522B2

JP7415522B2 - 温度モニタ回路

Info

Publication number: JP7415522B2
Application number: JP2019225113A
Authority: JP
Inventors: 相鎬陳; 祐也前川; 裕也内藤
Original assignee: Sanken Electric Co Ltd
Current assignee: Sanken Electric Co Ltd
Priority date: 2019-12-13
Filing date: 2019-12-13
Publication date: 2024-01-17
Anticipated expiration: 2039-12-13
Also published as: CN112985628A; JP2021096074A; CN112985628B

Description

本発明は、トランジスタのベース－エミッタ間電圧Ｖ_ＢＥを用いた温度モニタ回路に関する。

温度モニタ回路は、温度変化に伴い、出力電圧を変化させる回路である。周囲の温度に応じて変動するトランジスタのベース－エミッタ間電圧Ｖ_ＢＥを用いた温度モニタ回路は、サーミスタを用いた温度モニタ回路に比べて安価であると共に、出力が線形であるという利点を有しているが、検出精度が若干劣っている。

そのため、温度特性の傾きが小さく検出温度誤差が大きくなってしまう場合には、アンプ回路によって出力を増幅させ、電圧温度係数を大きくして検出温度誤差の改善を行っている（例えば、特許文献１参照）。

ＷＯ２０１４／１２３０４６

しかしながら、温度モニタ回路には、実用温度帯（例えば、25～150℃）と出力レベル規制範囲（例えば、0～4.5Ｖ）とが実現条件として設定されている。従って、目標の検出温度誤差を実現するために、出力電圧を単純に増幅した場合、切片まで上がってしまい出力電圧レベル全体が上がってしまい、出力電圧レベル規制を振り切れてしまうという問題点があった。

図３に示す従来の温度モニタ回路１００は、温度検出回路１０と、アンプ回路２０とを備え、温度検出回路１０は、温度変化に伴って変化する出力電圧Ｖ_ｏｕｔ１を出力し、アンプ回路２０は、出力電圧Ｖ_ｏｕｔ１を増幅した出力電圧Ｖ_ｏｕｔ２を出力する。

温度検出回路１０は、定電流源１１～１４と、抵抗Ｒ１、Ｒ２と、トランジスタＱ１、Ｑ２とを備えている。定電流源１１は、一端が電源電圧Ｖｃｃに接続され、電源電圧Ｖｃｃから定電流を生成する。抵抗Ｒ１、Ｒ２は、定電流源１１の他端と接地（グラウンド）との間に直列に接続されている。

定電流源１２及び定電流源１３は、共に一端が電源電圧Ｖｃｃに接続され、電源電圧Ｖｃｃから同一の定電流をそれぞれ生成する。そして、定電流源１２は、他端がＮＰＮトランジスタで構成されたトランジスタＱ１のコレクタに接続され、生成した定電流をトランジスタＱ１のコレクタに供給する。また、定電流源１３は、他端がＮＰＮトランジスタで構成されたトランジスタＱ２のコレクタに接続され、生成した定電流をトランジスタＱ２のコレクタに供給する。

トランジスタＱ１のベースが抵抗Ｒ１とＲ２との接続点に、トランジスタＱ２のベースが定電流源１１の他端と抵抗Ｒ１との接続点にそれぞれ接続され、トランジスタＱ１及びトランジスタＱ２のエミッタが定電流源１４の一端に接続されている。そして、トランジスタＱ１及びトランジスタＱ２のエミッタと定電流源１４の一端との接続点の電圧が出力電圧Ｖ_ｏｕｔ１として出力される。

ここで、抵抗Ｒ１の両端間に発生するバンドギャップツェナー電圧をΔＶ_ＢＥ、トランジスタＱ１のベース－エミッタ間電圧をＶ_ＢＥとすると、出力電圧Ｖ_ｏｕｔ１は、
Ｖ_ｏｕｔ１＝ΔＶ_ＢＥ＊（Ｒ1／Ｒ2）－Ｖ_ＢＥ－－式１、
で表すことができる。

そして、トランジスタＱ１とトランジスタＱ２とが同じ温度特性を有し、エミッタ面積比が１０：１に設定されている場合、抵抗Ｒ１の両端間電圧をΔＶ_ＢＥは、
ΔＶ_ＢＥ＝（Ｋ＊Ｔ／ｑ）＊Ｉｎ10 －－式２
で表される。なお、Ｋはボルツマン定数、ｑは単位電荷、Ｔは絶対温度である。

さらに、トランジスタＱ１のベース－エミッタ間電圧をＶ_ＢＥが
Ｖ_ＢＥ＝Ｖ_ｇ－0.002＊Ｔ－－式３
であり、バンドギャップ電圧Ｖ_ｇ＝1.11Ｖである場合、式１に式２、式３を代入すると、
Ｖ_ｏｕｔ１＝{（Ｋ／ｑ）＊Ｉｎ10＊（Ｒ1／Ｒ2）＋0.002}＊Ｔ－1.11 －－式４
となり、出力電圧Ｖ_ｏｕｔ１の電圧温度係数が{（Ｋ／ｑ）＊Ｉｎ10＊（Ｒ1／Ｒ2）＋0.002}であることが分かる。

アンプ回路２０は、演算増幅器ＡＭＰと、帰還抵抗Ｒ３、Ｒ４を備えている。演算増幅器ＡＭＰは、出力が帰還抵抗Ｒ３、Ｒ４により分圧されて反転入力端子に供給され、非反転増幅回路を構成している。従って、アンプ回路２０は、演算増幅器ＡＭＰの非反転入力端子入力された出力電圧Ｖ_ｏｕｔ１を、（１＋Ｒ３／Ｒ４）倍に増幅した出力電圧Ｖ_ｏｕｔ２を出力する。

図４には、電圧温度係が（10ｍＶ／℃）の出力電圧Ｖ_ｏｕｔ１と、検出温度誤差の改善を目的として電圧温度係を（24ｍＶ／℃）に増加させるため、出力電圧Ｖ_ｏｕｔ１をアンプ回路２０で2.4倍にした出力電圧Ｖ_ｏｕｔ２とが示されている。

出力電圧Ｖ_ｏｕｔ２は、出力電圧Ｖ_ｏｕｔ１の２．４倍であるため、
Ｖ_ｏｕｔ２＝2.4＊{（Ｋ／ｑ）＊Ｉｎ10＊（Ｒ1／Ｒ2）＋0.002}＊Ｔ－2.4＊1.11
となる。従って、図４に示すように、出力電圧Ｖ_ｏｕｔ２の出力特性が出力レベル規制範囲の上に振りきれてしまい、使用することができない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、実現条件内で適切な電圧温度係数を設定することができる温度モニタ回路を提供することを目的とする。

本発明の温度モニタ回路は、トランジスタのベース－エミッタ間電圧を用いて温度に応じた第１出力電圧を生成する温度検出回路を備えた温度モニタ回路であって、前記第１出力電圧を電圧ドロップ用トランジスタのベース－エミッタ間電圧を用いて電圧ドロップさせて電圧温度係数を増加させると共に、Ｔ＝０Ｋ時の切片を下げた第２出力電圧に変換する電圧ドロップ回路と、前記第２出力電圧を増幅させて前記電圧温度係数をさらに増加させた第３出力電圧に変換するアンプ回路と、を具備することを特徴とする。

本発明によれば、電圧温度係数と共に、実用温度帯の下限での切片を変更することができるため、実現条件内で適切な電圧温度係数を設定することができるという効果を奏する。

本発明に係る温度モニタ回路の実施の形態の構成を示す図である。図１に示す温度モニタ回路の出力電圧例を示す図である。従来の温度モニタ回路の構成を示す図である。図３に示す温度モニタ回路の出力電圧例を示す図である。

以下に、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。また、以下の説明において、従来技術と同一構成については、同一符号を付し、その説明は適宜省略する。

本実施の形態の温度モニタ回路１は、図１を参照すると、温度検出回路１０と、電圧ドロップ回路３０と、アンプ回路２０ａとを備え、温度検出回路１０は、温度変化に伴って変化する出力電圧Ｖ_ｏｕｔ１を出力し、電圧ドロップ回路３０は、出力電圧Ｖ_ｏｕｔ１の電圧温度係数を変更した出力電圧Ｖ_ｏｕｔ３を出力し、アンプ回路２０ａは、出力電圧Ｖ_ｏｕｔ３を増幅した出力電圧Ｖ_ｏｕｔ４を出力する。

電圧ドロップ回路３０は、定電流源１５、１６と、トランジスタＱ３、Ｑ４と、抵抗Ｒ５、Ｒ６とを備えている。トランジスタＱ３、Ｑ４は、電圧ドロップ回路３０のトランジスタＱ１、Ｑ２と同じ温度特性を有するＮＰＮトランジスタで構成されている。

定電流源１５は、一端が電源電圧Ｖｃｃに、他端がトランジスタＱ３のコレクタにそれぞれ接続され、生成した定電流をトランジスタＱ３のコレクタに供給する。トランジスタＱ３のベースは、温度検出回路１０の出力端子（出力電圧Ｖ_ｏｕｔ１）に接続され、トランジスタＱ３のエミッタは、抵抗Ｒ５を介して接地されている。

定電流源１６は、一端が電源電圧Ｖｃｃに、他端がトランジスタＱ４のコレクタにそれぞれ接続され、生成した定電流をトランジスタＱ４のコレクタに供給する。トランジスタＱ４のベースは、トランジスタＱ３のエミッタに接続され、トランジスタＱ４のエミッタは、抵抗Ｒ６を介して接地されている。トランジスタＱ４のエミッタの電圧が電圧ドロップ回路３０から出力電圧Ｖ_ｏｕｔ３として出力される。

ここで、トランジスタＱ３、Ｑ４のベース－エミッタ間電圧Ｖ_ＢＥは、それぞれ
Ｖ_ＢＥ＝Ｖ_ｇ－0.002＊Ｔ
であるため、電圧ドロップ回路３０からの出力電圧Ｖ_ｏｕｔ３は、Ｖ_ｏｕｔ１から２＊Ｖ_ＢＥを減算した
Ｖ_ｏｕｔ３＝{（Ｋ／ｑ）＊Ｉｎ10＊（Ｒ1／Ｒ2）＋3＋0.002}＊Ｔ－3＊1.11 －－式５
となる。なお、Ｖ_ｇ＝1.11Ｖ。

式５によると、Ｖｏｕｔ３は、電圧温度係数が（４ｍＶ／℃）増加し、Ｔ＝０Ｋ（－２７３℃）時の切片が2.22Ｖ下がることが分かる。

アンプ回路２０ａは、演算増幅器ＡＭＰと、帰還抵抗Ｒ７、Ｒ８を備えている。演算増幅器ＡＭＰは、出力が帰還抵抗Ｒ７、Ｒ８により分圧されて反転入力端子に供給され、非反転増幅回路を構成している。従って、アンプ回路２０は、演算増幅器ＡＭＰの非反転入力端子入力された出力電圧Ｖ_ｏｕｔ３を、（１＋Ｒ７／Ｒ８）倍に増幅した出力電圧Ｖ_ｏｕｔ４を出力する。

図２には、電圧温度係が（10ｍＶ／℃）の出力電圧Ｖ_ｏｕｔ１と、出力電圧Ｖ_ｏｕｔ１をトランジスタＱ１、Ｑ２と同じ温度特性を有するトランジスタＱ３、Ｑ４によって電圧ドロップさせた出力電圧Ｖ_ｏｕｔ３と、出力電圧Ｖ_ｏｕｔ３をアンプ回路２０ａで1.7倍にした出力電圧Ｖ_ｏｕｔ４とが示されている。

Ｖｏｕｔ３は、電圧温度係数が（4ｍＶ／℃）増加して（14ｍＶ／℃）になり、Ｔ＝０Ｋ（－２７３℃）時の切片が2.22Ｖ下がっているため、実用温度帯の下限（例えば、25℃）で出力レベル規制範囲の下限から出力レベル規制範囲（例えば、4.5Ｖ）の１０％以内（例えば、0.2Ｖ）を通る。換言すると、電圧ドロップ回路３０は、実用温度帯の下限で出力レベル規制範囲の下限から出力レベル規制範囲の＋１０％以内を通る出力特性の出力電圧Ｖｏｕｔ２に出力電圧Ｖｏｕｔ１を変換する。

そして、出力電圧Ｖ_ｏｕｔ４は、出力電圧Ｖ_ｏｕｔ３の１．７倍であるため、
Ｖ_ｏｕｔ４＝1.7＊{（Ｋ／ｑ）＊Ｉｎ10＊（Ｒ1／Ｒ2）＋0.002}＊Ｔ－1.7＊3＊1.11
となり、Ｖ_ｏｕｔ４の電圧温度係を（23.8ｍＶ／℃）に増加される。そして、図２に示すように、Ｖ_ｏｕｔ４の電圧温度係を従来技術の出力電圧Ｖ_ｏｕｔ２と同レベルに増加させても、Ｖ_ｏｕｔ４の出力特性は、実用温度帯の上限（例えば、150℃）で出力レベル規制範囲の上限から出力レベル規制範囲（例えば、4.5Ｖ）の－１０％以内（例えば、4.4Ｖ）を通り、実現条件内に収まる。換言すると、アンプ回路２０ａは、実用温度帯の上限（例えば、150℃）で出力レベル規制範囲の上限から出力レベル規制範囲（例えば、4.5Ｖ）の－１０％以内（例えば、4.4Ｖ）を通る出力特性の出力電圧Ｖ_ｏｕｔ４に出力電圧Ｖ_ｏｕｔ３を変換する。

さらに、本実施の形態では、アンプ回路２０ａのゲイン（1.7倍）を従来のアンプ回路２０ａのゲインに比べて抑えても、電圧温度係数をほぼ同等の値に増加させることができる。従って、温度検出回路１０の出力特性のバラツキが拡大することを抑制することができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、トランジスタＱ１、Ｑ２のベース－エミッタ間電圧Ｖ_ＢＥを用いて温度に応じた第１出力電圧（Ｖ_ｏｕｔ１）を生成する温度検出回路１０を備えた温度モニタ回路１であって、第１出力電圧（Ｖ_ｏｕｔ１）をトランジスタＱ１、Ｑ２と同じ特性を有する電圧ドロップ用トランジスタ（Ｑ３、Ｑ４）のベース－エミッタ間電圧Ｖ_ＢＥを用いて電圧ドロップさせて電圧温度係数を増加させた第２出力電圧（Ｖ_ｏｕｔ３）に変換する電圧ドロップ回路３０と、第２出力電圧（Ｖ_ｏｕｔ３）を増幅させて電圧温度係数をさらに増加させた第３出力電圧（Ｖ_ｏｕｔ４）に変換するアンプ回路２０ａとを備えている。
この構成により、電圧温度係数と共に、実用温度帯の下限での切片を変更することができるため、実現条件内で適切な電圧温度係数を設定することができる。

さらに、本実施の形態において、電圧ドロップ回路は、２個のトランジスタ（Ｑ３、Ｑ４）を用いて２段階で電圧ドロップさせる。

さらに、本実施の形態において、第３出力電圧（Ｖ_ｏｕｔ４）の実現条件として実用温度帯と出力レベル規制範囲とが設定され、電圧ドロップ回路３０は、実用温度帯の下限で出力レベル規制範囲の下限から出力レベル規制範囲の＋１０％以内を通る出力特性の第２出力電圧（Ｖ_ｏｕｔ３）に第１出力電圧（Ｖ_ｏｕｔ１）を変換させ、アンプ回路２０ａは、実用温度帯の上限で出力レベル規制範囲の上限から出力レベル規制範囲の－１０％以内を通る出力特性の第３出力電圧（Ｖ_ｏｕｔ４）に前記第３出力電圧（Ｖ_ｏｕｔ３）を変換させる。
この構成により、実現条件内で電圧温度係数を大きな値に設定することができると共に、アンプ回路２０ａのゲインを押さえることでき、検出温度誤差を大きく改善することができる。

なお、上記のように本発明の各実施形態及び各実施例について詳細に説明したが、本発明の新規事項及び効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは、当業者には、容易に理解できるであろう。従って、このような変形例は、全て本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義又は同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また、給電装置及び送電コイルの構成、動作も本発明の各実施形態及び各実施例で説明したものに限定されず、種々の変形実施が可能である。

１、１００温度モニタ回路
１０温度検出回路
２０、２０ａアンプ回路
３０電圧ドロップ回路
１１～１６定電流源
Ｑ１～Ｑ４トランジスタ
Ｒ３、Ｒ４、Ｒ７、Ｒ８帰還抵抗

Claims

トランジスタのベース－エミッタ間電圧を用いて温度に応じた第１出力電圧を生成する温度検出回路を備えた温度モニタ回路であって、
前記第１出力電圧を電圧ドロップ用トランジスタのベース－エミッタ間電圧を用いて電圧ドロップさせて電圧温度係数を増加させると共に、Ｔ＝０Ｋ時の切片を下げた第２出力電圧に変換する電圧ドロップ回路と、
前記第２出力電圧を増幅させて前記電圧温度係数をさらに増加させた第３出力電圧に変換するアンプ回路と、を具備することを特徴とする温度モニタ回路。
前記電圧ドロップ回路は、２個の前記電圧ドロップ用トランジスタを用いて２段階で電圧ドロップさせることを特徴とする請求項１記載の温度モニタ回路。
前記第３出力電圧の実現条件として実用温度帯と出力レベル規制範囲とが設定され、
前記電圧ドロップ回路は、前記実用温度帯の下限で前記出力レベル規制範囲の下限から前記出力レベル規制範囲の＋１０％以内を通る出力特性の前記第２出力電圧に前記第１出力電圧を変換させ、
前記アンプ回路は、前記実用温度帯の上限で前記出力レベル規制範囲の上限から前記出力レベル規制範囲の－１０％以内を通る出力特性の前記第３出力電圧に前記第２出力電圧を変換させることを特徴とする請求項１又は２記載の温度モニタ回路。