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JPH07248342A - 過電流検出回路 - Google Patents

過電流検出回路

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JPH07248342A
JPH07248342A JP6769794A JP6769794A JPH07248342A JP H07248342 A JPH07248342 A JP H07248342A JP 6769794 A JP6769794 A JP 6769794A JP 6769794 A JP6769794 A JP 6769794A JP H07248342 A JPH07248342 A JP H07248342A
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JP
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transistor
voltage
current
emitter
transistors
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JP6769794A
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Inventor
Kiyoshi Kase
清 加瀬
Original Assignee
Nippon Motorola Ltd
日本モトローラ株式会社
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02HEMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H3/00Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection integrated protection
    • H02H3/08Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection integrated protection responsive to excess current
    • H02H3/087Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection integrated protection responsive to excess current for dc applications
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/165Indicating that current or voltage is either above or below a predetermined value or within or outside a predetermined range of values
    • G01R19/16533Indicating that current or voltage is either above or below a predetermined value or within or outside a predetermined range of values characterised by the application
    • G01R19/16538Indicating that current or voltage is either above or below a predetermined value or within or outside a predetermined range of values characterised by the application in AC or DC supplies
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/40Testing power supplies

Abstract

(57)【要約】 【目的】 小さな消費電力でしかも高い精度で過電流を
検出すること。 【構成】 1個のNPNトランジスタ31よりなる第1
のトランジスタ部3と、トランジスタ31と同一特性の
4個のNPNトランジスタ41〜44よりなる第1のト
ランジスタ部4とを、電流検出抵抗2の両端に、エミッ
タを抵抗2側にして夫々接続する。各トランジスタ3
1、41〜44はベースが共通に接続され、ベース、エ
ミッタ間に電圧印加部5より電圧が印加されると共に、
コレクタがカレントミラー回路を構成するトランジスタ
61、62に夫々接続される。トランジスタ部3、4の
ベース、エミッタ間の電圧差であるバンドギャップ電圧
ΔVBEが決まれば両トランジスタ部3、4の電流密度比
が決まるので、これを利用して過電流を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【0001】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば定電圧電源、定
電流電源、電源保護回路、電流測定回路などに組み込ま
れ、消費電力が小さく、しかも高精度に過電流を検出で
きる過電流検出回路に関するものである。

【0002】

【従来の技術】一般にこの種の過電流検出回路は、過電
流が回路に流れたときに例えばバイパス側に電流の一部
を流し、これによりパワートランジスタなどの電流制御
素子を保護したりあるいは負荷への給電を停止してバッ
テリーを保護するために用いられる。

【0003】図4は従来の過電流検出回路を組み込んだ
定電流電源を示し、この定電流電源では、オペアンプO
PIによりNPNパワートランジスタ11を制御して負
荷への電流を一定にしている。そして過電流検出回路1
0は、負荷電流が流れる通電路に電流検出抵抗12を介
挿すると共に、バイパス回路に設けられたNPNパワー
トランジスタ13のベース、エミッタ間に電流検出抵抗
12を接続して構成される。なお図中14〜17は抵
抗、18はツエナーダイオードである。このような過電
流検出回路によれば、例えば負荷の状態により電流検出
抵抗12に過電流が流れると、パワートランジスタ13
がオンになって、電源側からの電流の一部が当該パワー
トランジスタ13を介してコレクタ電流として流れ、パ
ワートランジスタ11が保護される。

【0004】また図5は、図4の例に代わる過電流検出
回路の他の例を示し、この例では、電流検出抵抗12a
の両端に、電圧比較器をなすオペアンプOP2の両入力
端を夫々接続すると共にオペアンプOP2の負の入力端
側に基準電源部19を介挿しており、過電流が電流検出
抵抗12aに流れたときにオペアンプOP2が動作して
検出信号を出力するようになっている。

【0005】

【発明が解決しようとする課題】図4に示す過電流検出
回路では、バイポーラトランジスタ13をオンさせるの
に必要な電圧が0.7V程度であるから、電流検出抵抗
12における消費電力が大きいという欠点がある。更に
バイポーラトランジスタのベース、エミッタ間の電圧は
負の温度特性を持つため、正確に過電流を検出するため
には電流検出抵抗12も同様な負の温度特性を持つもの
であることが必要であり、電流検出抵抗として特別な抵
抗材料が必要となる。

【0006】また図5に示す構成では、低い電圧降下で
電流検出を行うにはオフセット電圧の非常に小さな電圧
比較器OP2と基準電源19とが必要になる。例えば電
流検出抵抗12aの両端電圧が100mVで過電流検出
をするように設定し、電圧比較器OP2としてオフセッ
ト電圧が10mVのものを用いたとすると、このオフセ
ット電圧のみを考慮した場合でも実際に検出できる電流
が設定電流に対して10%の誤差を含んでしまい、基準
電源のオフセット電圧を含めるとその誤差は更に大きく
なり、高い精度で過電流を検出できないという問題があ
る。そしてまた基準電源19と抵抗12aとの温度係数
を揃えなければならずやはり抵抗12aの選択の自由度
が小さいという問題がある。

【0007】本発明は、このような事情のもとになされ
たものであり、その目的は、消費電力が小さく、しかも
高い精度で過電流を検出することのできる過電流検出回
路を提供することにある。

【0008】

【課題を解決するための手段】本発明は、2つのトラン
ジスタのベース、エミッタ間の電圧を夫々VBE1 、V
BE2 とすると、これらの電圧差(バンドギャップ電圧)
ΔVBEを各トランジスタのコレクタ電流に基づいて検出
できること、及びΔVBEの中には、両トランジスタに電
圧を印加する電源の温度特性の影響は入ってこないこ
と、しかもΔVBEは絶対温度に比例することに着目し、
ΔVBEを利用して過電流を検出しようとするものであ
る。本発明の構成を図1を参照しながら述べると、本発
明は、負荷電流の通電路1に過電流が流れたことを検出
する過電流検出回路において、前記通電路1に設けられ
た電流検出抵抗2と、この電流検出抵抗2の負荷側にエ
ミッタが接続されたバイポーラトランジスタTrよりな
る第1のトランジスタ部3と、前記電流検出抵抗2の給
電部側にエミッタが接続され、ベースが第1のトランジ
スタ部3のベースに共通に接続されたバイポーラトラン
ジスタTrよりなる第2のトランジスタ部4と、これら
第1のトランジスタ部3及び第2のトランジスタ部4の
各々のベース、エミッタ間に電圧を印加する電圧印加部
5と、前記第1のトランジスタ部3のコレクタ電流と第
2のトランジスタ部4のコレクタ電流とに基づいて、過
電流を電流検出抵抗2の両端電圧として検出する検出部
6と、を備えてなることを特徴とする。

【0009】本発明では第1のトランジスタ部3と第2
のトランジスタ部4とを同一構成としてもよいが、両ト
ランジスタ部3、4のエミッタ実効面積を互に異なるよ
うに構成してもよく、例えば両トランジスタ部3、4の
トランジスタTrとして同一特性のものを用いかつ両者
のトランジスタの数を変えるようにしてもよい(図
1)。ただしエミッタの実効面積とは、ベースに接する
エミッタの接触面において、電流が流れる領域の面積で
ある。なお本発明は、トランジスタ部3、4に用いられ
るトランジスタとしてバイポーラトランジスタの代わり
に電界効果トランジスタを用いてもよい。

【0010】

【作用】図1に示すバンドキャップ電圧ΔVBEは(1)
式で与えられる。

【0011】ΔVBE=(KT/q)ln(N)…(1) ただし説明を簡略化するために両トランジスタ部3、4
の電流利得は等しいものとしている。

【0012】Kはボルツマン係数、Tは動作絶対温度、
qは電子の電荷量、Nはトランジスタ部3のトランジス
タ部4に対するエミッタ電流密度比である。ここでT=
300°Kのときの代表的なNにおけるΔVBEの値を示
すと次のようになる。

【0013】 N ΔVBE(mV) 2 18.022 3 25.564 4 36.044 5 41.845 6 46.585 7 50.594 8 54.065 従って図1に示す構成において、ΔVBEはNに対応した
大きさになる。電流検出抵抗2として、通常の負荷電流
が流れているときには略OVとなるような大きさのもの
を選定しておくことにより、通常の負荷電流が流れてい
るときには、トランジスタ部3、4の電流密度は略1:
1になる。そして負荷電流が過大になっていくとΔVBE
が上昇し、トランジスタ部3、4の電流密度比はそのと
きのΔVBEに応じた大きさになる。例えばΔVBEが3
6.044mVになるとトランジスタ部3、4の電流密
度比は4:1になる。この場合トランジスタ部3、4の
エミッタ面積比を例えば1:4にしておくと、例えば第
1のトランジスタ部3を1個のトランジスタTrで構成
し、第2のトランジスタ部4を前記トランジスタTrと
同一特性の4個のTrで構成したとすると、両トランジ
スタTrには同じ大きさの電流が流れる。即ち通常の負
荷電流が電流検出抵抗2に流れているときには両トラン
ジスタ部3、4の各トランジスタTrのベース、エミッ
タ間電圧は、略同一であるから、各トランジスタTrに
は略同じ大きさの電流が流れ、結局I1:I2 =1:4
となるが、過電流が流れてΔVBEが36.04mVにな
ると、I1 :I2 =1:1(トランジスタ部3、4の電
流密度比が4:1)になる。

【0014】この様子を図2に示すと、図2のグラフの
縦軸、横軸は夫々トランジスタTrのコレクタ電流及び
ベース、エミッタ間電圧であり、通常の負荷電流の場合
には、各トランジスタTrのベース、エミッタ間電圧は
BEa であって、コレクタ電流がiaであるが、過電流
が電流検出抵抗2に流れると第2のトランジスタ部のト
ランジスタTrのベース、エミッタ間電圧がVBEa から
ΔVBEだけ少ないVBEb となって、コレクタ電流がia
からibに減少する。例えば上述の場合にはibがia
の1/4となり、I1 =I2 となる。従って検出部6
を、I1 =I2 を検出するように構成すれば、過電流を
検出できる。ただし本発明はI1 =I2 のときに過電流
を検出する構成に限らず、例えばI1 とI2 との比が所
定の値になったときに検出部6が所定の動作例えば負荷
電流を遮断するように構成してもよい。

【0015】更にΔVBEは、(1)式からわかるように
絶対温度に比例し正の温度係数を持つので電流検出抵抗
の材料の選択の自由度が大きく、後述のようにΔVBE
温度係数に近似した例えば銅などを抵抗として用いるこ
とにより温度にかかわらず正確な過電流検出ができる。
なお、トランジスタ部3、4に用いるトランジスタとし
ては、バイポーラトランジスタに限らず、電界効果型ト
ランジスタ例えばMOSトランジスタを用い、第1のト
ランジスタ部3のゲート、ソース間の電圧と、第2のト
ランジスタ部4のゲート、ソース間の電圧との差ΔVGS
を利用して上述と同様に過電流を検出してもよい。

【0016】

【実施例】図3は本発明の実施例を示す回路図である。
この実施例では、トランジスタ部3、4及び電圧印加部
5並びに検出部6は1個のICの中に組み込まれてお
り、端子(パッド)21、22を介して、例えば後述の
ようにしてプリント基板に形成された銅箔よりなる電流
検出抵抗2に接続される。図3中7は負荷であり、主電
源8例えばリチウムイオン二次電池に電流制御用のパワ
ートランジスタ11を介して電力が供給されるようにな
っている。

【0017】第1のトランジスタ部3は1個のNPNト
ランジスタ31よりなり、このトランジスタ31のコレ
クタはPNPトランジスタ61のコレクタに接続される
と共に、トランジスタ31のエミッタは端子21を介し
て電流検出抵抗2の負荷9側に接続される。第2のトラ
ンジスタ部4は、前記トランジスタ31と同じ特性の4
個のNPNトランジスタ41〜44よりなり、このトラ
ンジスタ41〜44のコレクタはPNPトランジスタ6
2のコレクタに共通に接続されると共に、トランジスタ
41〜44のエミッタは端子22を介して電流検出抵抗
2の電源側に接続されている。前記PNPトランジスタ
61、62は、互いにベースが接続されると共に、各エ
ミッタは制御用電源9の正側に接続され、一方のトラン
ジスタ61のベースが当該トランジスタ61のコレクタ
に接続されることによりカレントミラー回路を構成して
いる。

【0018】前記トランジスタ62のコレクタには、パ
ワートランジスタ11を制御するためのPNPトランジ
スタ63のベースが接続されており、当該トランジスタ
63のエミッタ及びコレクタは夫々前記制御用電源9の
正側及びパワートランジスタ11のベースに接続されて
いる。この実施例ではトランジスタ61、62よりなる
カレントミラー回路、トランジスタ63及び制御用電源
9により検出部6が構成されている。

【0019】前記トランジスタ61及びトランジスタ3
1の直列回路に対して、定電流源51、及びNPNトラ
ンジスタ52の直列回路が並列に接続されている。この
トランジスタ52のエミッタは第1のトランジスタ部3
のトランジスタ31のエミッタに接続されると共にトラ
ンジスタ52のコレクタはベースに接続されている。そ
してトランジスタ52のベースは、第1のトランジスタ
部3のトランジスタ31及び第2のトランジスタ部4の
トランジスタ41〜44の各ベースに接続されており、
従ってこのトランジスタ52と他のトランジスタ31、
41〜44とはカレントミラー回路を構成している。前
記定電流源51及びトランジスタ52は、トランジスタ
部3、4のベース、エミッタ間に例えば0.6V程度の
電圧を印加するための電圧印加部5をなすものである。

【0020】次に上述実施例の作用について述べる。例
えば過電流の設定値が10Aとすると、通電路1に流れ
る負荷電流が10A以下の場合には、第1のトランジス
タ部3に流れる電流I1 と第2のトランジスタ部4に流
れる電流I2 との比は、そのときのΔVBEに対応した値
となる。例えば負荷電流が1A程度と小さい場合、電流
検出抵抗2の抵抗値が非常に小さいのでその両端電圧は
ほとんど零に近く、トランジスタ31とトランジスタ4
1〜44との各ベース、エミッタ電圧は略等しい。従っ
て各トランジスタ31、41〜44に流れるコレクタ電
流は略等しいのでI2 はI1 の略4倍の大きさになる。
そしてトランジスタ61、62はカレントミラー回路を
構成していてこれらは互に同じ電流が流れようとするた
め、結局トランジスタ63より第2のトランジスタ部4
に電流が流出する。このときパワートランジスタ11は
オンになっている。

【0021】一方負荷電流が大きくなると電流検出抵抗
2の給電部側の電位が上昇し、トランジスタ41〜44
のベース、エミッタ間の電圧が小さくなる(ΔVBEが大
きくなる)。そして負荷電流が設定値である10A以上
になると、ΔVBEは10(A)×3.6044(mΩ)
=36.044(mV)になり、「本発明の作用」の項
で述べたようにトランジスタ部3、4の電流密度比が
4:1になる。そしてこの実施例ではトランジスタ部
3、4のエミッタの実効面積比は1:4であるから、結
局I1 とI2 が同じ値になり、トランジスタ63から第
2のトランジスタ部4に流れていた電流が零となり、パ
ワートランジスタ11がオフになって負荷電流が遮断さ
れる。

【0022】ここでMIL−T−55561に準じた電
解銅箔では銅の純度が95%以上の場合固有抵抗が0.
15940Ω・g/m2 である。このことは、35μm
の銅箔によるプリント基板では、3.6mΩを得るには
3mm×20.8mmのパターンを形成すればよいこと
になる。また純度97%の銅の20℃における温度係数
は0.00381であり、純度95%の銅も97%の銅
と同等と考えることができる。そしてΔVBEの温度係数
の理論値は1/293であるから0.003413であ
り、電流検出抵抗の抵抗をR、両端電圧をV、流れる電
流をIとすると、 I=V(1+0.003413t)
/R(1+0.00381t)となり、dI/dt=
0.000397(−0.0397%/度)となる。

【0023】このようにバンドギャップ電圧は正の温度
係数を持つので電流検出抵抗の材料の選択の自由度が大
きく、例えば銅箔を用いることができる。銅箔を用いた
場合には上述のようにバンドギャップ電圧に対して温度
係数が非常に近似しているので温度変化に対しても高精
度に過電流を検出することができるし、またプリント基
板に電流検出抵抗を形成でき、トランジスタ部3、4な
どを含むICをプリント基板に差し込んで銅箔に接続す
ればよいので製作が容易である。

【0024】以上のように上述実施例によれば、簡単な
回路でしかも低い電圧降下でも正確な過電流検出が可能
であり、またオフセット電圧の小さな電圧比較器や基準
電源が不要である。

【0025】そして第1のトランジスタ部3と第2のト
ランジスタ部4とのエミッタの実効面積比は1:4に限
られるものではないが「本発明の作用」の項で述べたよ
うに両トランジスタ部3、4に同一電流を流したときの
ΔVBEの値は、Nの値が4を越えたところからNの増加
に対して緩和気味になってくるため、N=4以上である
ことが望ましい。この場合Nの値の変化に対してΔVBE
の変化が鈍いので、両トランジスタ部3、4のエミッタ
の実効面積比の設計誤差に対しても検出精度の低下が抑
えられるという利点がある。

【0026】以上において、トランジスタ部3、4に用
いるトランジスタとしてはNPNトランジスタに限らず
PNPトランジスタを用いてもよいし、あるいは電界効
果トランジスタを用い、ゲートと陰極との間の電圧につ
いてのトランジスタ部3、4間の電圧差を利用して過電
流を検出するようにしてもよい。

【0027】

【発明の効果】本発明によれば小さな消費電力でしかも
高精度に過電流を検出できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図1】本発明の構成を示す回路図である。

【図2】本発明の作用を説明するためのトランジスタの
ベース、エミッタ間電圧とコレクタ電流との関係を示す
特性図である。

【図3】本発明の実施例を示す回路図である。

【図4】従来の過電流検出回路の一例を示す回路図であ
る。

【図5】従来の過電流検出回路の他の例を示す回路図で
ある。

【符号の説明】

1 通電路 2 電流検出抵抗 3 第1のトランジスタ部 4 第2のトランジスタ部 5 電圧印加部 6 検出部 Tr、31、41〜44 トランジスタ

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 負荷電流の通電路に過電流が流れたこと
    を検出する過電流検出回路において、 前記通電路に設けられた電流検出抵抗と、 この電流検出抵抗の負荷側にエミッタが接続されたバイ
    ポーラトランジスタよりなる第1のトランジスタ部と、 前記電流検出抵抗の給電部側にエミッタが接続され、ベ
    ースが第1のトランジスタ部のベースに共通に接続され
    たバイポーラトランジスタよりなる第2のトランジスタ
    部と、 これら第1のトランジスタ部及び第2のトランジスタ部
    の各々のベース、エミッタ間に電圧を印加する電圧印加
    部と、 前記第1のトランジスタ部のコレクタ電流と第2のトラ
    ンジスタ部のコレクタ電流とに基づいて、過電流を電流
    検出抵抗の両端電圧として検出する検出部と、 を備えてなることを特徴とする過電流検出回路。
  2. 【請求項2】 第1のトランジスタ部と第2のトランジ
    スタ部とはエミッタの実効面積が互に異なることを特徴
    とする請求項1記載の過電流検出回路。
  3. 【請求項3】 第1のトランジスタ部と第2のトランジ
    スタ部とは、トランジスタの数が異なり、かつ各トラン
    ジスタは同じ特性のものであることを特徴とする請求項
    1記載の過電流検出回路。
  4. 【請求項4】 負荷電流の通電路に過電流が流れたこと
    を検出する過電流検出回路において、 前記通電路に設けられた電流検出抵抗と、 この電流検出抵抗の負荷側に陰極が接続された電界効果
    型トランジスタよりなる第1のトランジスタ部と、 前記電流検出抵抗の給電部側に陰極が接続され、ゲート
    が第1のトランジスタ部のゲートに共通に接続された電
    界効果型トランジスタよりなる第2のトランジスタ部
    と、 これら第1のトランジスタ部及び第2のトランジスタ部
    の各々のゲート、陰極間に電圧を印加する電圧印加部
    と、 前記第1のトランジスタ部のコレクタ電流と第2のトラ
    ンジスタ部のコレクタ電流とに基づいて過電流を電流検
    出抵抗の両端電圧として検出する検出部と、 を備えてなることを特徴とする過電流検出回路。
JP6769794A 1994-03-11 1994-03-11 過電流検出回路 Pending JPH07248342A (ja)

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