JPH09257840A - 過電流検知回路 - Google Patents

過電流検知回路

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JPH09257840A
JPH09257840A JP8066491A JP6649196A JPH09257840A JP H09257840 A JPH09257840 A JP H09257840A JP 8066491 A JP8066491 A JP 8066491A JP 6649196 A JP6649196 A JP 6649196A JP H09257840 A JPH09257840 A JP H09257840A
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circuit
mosfet
mirror
current
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JP8066491A
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Junsuke Ino
淳介 井野
Shigeyuki Kiyota
茂之 清田
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Nissan Motor Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】 コンパレータの反転・非反転の両入力、即ち
センス電圧Vs2の温特と基準電圧Vref2の温特が
等しくなるように定数設定することによって過電流検知
レベルの精度を向上させた過電流検知回路を提供する。 【解決手段】 電流が流れる負荷1と、負荷電流の一部
を流す抵抗4と、メインMOSFET2およびミラーM
OSFET3の両方のゲート端子に接続されたゲート制
御回路5と、基準電圧発生回路6と、基準電圧発生回路
とミラーMOSFETのソース電位とを入力とする比較
器7とからなる過電流検知回路において、ミラーMOS
FETのソース電位の温度係数と基準電圧発生回路の温
度係数が等しい。また、基準電圧発生回路の構成がバン
ドギャップリファレンス回路であり、または定電流回路
と所定の温特を有する抵抗とから成り、または電源電圧
と、異なる温特を有する二つの抵抗とから構成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、従来の負荷に流れ
る電流を検出する方式にあって、電流検出用ミラーMO
SFETを有するパワーMOSFETを用いた過電流検
知回路の内、特に温特による過電流検知レベルのバラツ
キを極めて小さくした過電流検知回路に関する。
【0002】
【従来の技術】まず、電流検出用ミラーMOSFETを
有するパワーMOSFETを用いた従来の過電流検知回
路としては図6に示すようなものがある。
【0003】図6において、101は負荷、102は負
荷を駆動するメインMOSFET、103はメインMO
SFET102にミラー接続されるミラーMOSFE
T、104はミラーMOSFETのソース端子に接続さ
れる電流検出用抵抗、105はメイン・ミラーMOSF
ET102,103のゲート制御回路、106は基準電
圧発生回路、107はミラーMOSFET103のソー
ス電位と基準電圧発生回路106の出力とを入力とする
比較器とから構成される。
【0004】本方式では、ゲートON時に電流検出用抵
抗側(ミラーMOSFET側)に、メインMOSFET
側とミラーMOSFET側のオン抵抗比により負荷電流
がある決まった割合で流れることにより生じる電圧と、
設定された基準電圧とをコンパレータで比較し、結果を
出力することで、電流を検出するものである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の過電流検知回路にあっては、上述のように、
メインMOSFETおよびミラーMOSFETに流れる
電流の割合が、メインMOSFETのオン抵抗(Ron
3)とミラーMOSFETのオン抵抗(Ron4)+電
流検出用抵抗値(Rs2)の逆数比で決まってしまう。
【0006】ここでMOSFETのオン抵抗(Ron
3、Ron4)の温度係数(Ω/℃)をa、電流検出用
抵抗Rs2の温度係数をbとすると、二つの関係から過
電流検知レベルのばらつきは以下の5通りに場合分けす
ることができる。
【0007】以下に、その各々の場合について説明する
が、ここで電流検出抵抗Rs2とミラー電流I4の積で
決まる電流検出電圧をセンス電圧Vs2と呼ぶことにす
ると、Vs2の温特を考える場合には、上記から抵抗値
Rs2単体の温特以外にミラー電流I4の温特も併せて
考慮する必要がある。
【0008】(1)a>b>0の場合 パワーMOSFETのオン抵抗の温度係数に比べて、電
流検出用抵抗の温度係数の方が小さいため、温度が上昇
するとミラーMOSFETの抵抗比が小さくなり、電流
検出用抵抗のRs2に流れる電流(以下、ミラー電流と
略)が増加する。また、電流検出用抵抗の温度係数も正
であるため、センス電圧Vs2は強い正の温特を示すこ
とになる。
【0009】(2)a=bの場合 パワーMOSFETのオン抵抗の温度係数と電流検出用
抵抗の温度係数が等しいため、温度が変化してもメイン
MOSFETとミラーMOSFETに流れる電流比に変
化がなくなるため、センス電圧Vs2は温特を持たず、
したがって同一電流の場合は温度によらず一定値とな
る。
【0010】→(理想状態) (3)b>a>0,b>0>aの場合 電流検出用抵抗のオン抵抗の温度係数に比べて、パワー
MOSFETの温度係数の方が小さいため、温度の上昇
とともにミラー電流は減少するが、電流検出用抵抗の温
度係数は正であるため、センス電圧Vs2の温特は、
a,b,Ron3,Ron4,Rs2の値により変動す
る。
【0011】→(過電流検知の温特は正・負・ゼロ ど
の場合も有り得る。) (4)a>0>bの場合 パワーMOSFETのオン抵抗の温度係数に比べて、電
流検出用抵抗の温度係数の方が小さいため、温度の上昇
とともにミラー電流が増加する。しかしながら、電流検
出用抵抗の温度係数は負であるため、センス電圧Vs2
の温特は、a,b,Ron3,Ron4,Rsの値によ
り変動する。
【0012】→(過電流検知の温特は正・負・ゼロ ど
の場合も有り得る。) (5)0>a>bの場合 電流検出用抵抗のオン抵抗の温度係数に比べて、パワー
MOSFETの温度係数の方が小さいため、温度の上昇
とともにミラー電流が減少する。また、電流検出用抵抗
の温度係数も負であることから、センス電圧Vs2は強
い負の温特を示すことになる。
【0013】以上にまとめたように、MOSFETのオ
ン抵抗(Ron3及びRon4)と電流検出用抵抗Rs
2の温度係数が異なると、温度の変化と共に 1/Ron3:1/(Ron4+Rs2) の比率が変わることで電流検出用抵抗に流れる電流の割
合が変化するが、その一方でコンパレータの基準電圧で
あるVref2を電源電圧Vccの抵抗分圧構成と仮定
すると、抵抗分圧により生じる温特はないため、コンパ
レータの基準電圧の温特(ほぼフラット)とセンス電圧
Vs2の温特(傾き有)に大きな差が生じてしまうこと
で、過電流検知レベルが大きな温特ばらつきを持ってし
まうという問題点があった。
【0014】ここで、センス電圧Vs2の温度特性の一
例を図7に示す。図7はVs2が正の温特を持つ場合に
ついて示したものであり、Vs2が温度上昇と共に増加
する一方で、コンパレータの基準電圧の温特はフラット
なため、温度が高くなると、より低い電流でも検知して
しまう。即ち、過電流検知レベルが低くなってしまう様
子がわかる。逆に、Vs2が負の温特を持つ場合は、同
様の考察により過電流検知レベルは高くなる。
【0015】本発明は、このような従来の問題点に着目
してなされたものであり、コンパレータの反転・非反転
の両入力、即ちセンス電圧Vs2の温特と基準電圧Vr
ef2の温特が等しくなるように定数設定することによ
って、上記問題点を解決した過電流検知回路を提供する
ことを目的としている。
【0016】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記の問題点
に鑑みなされたものであり、電流が流れる負荷と、この
負荷を駆動し、負荷とGND間に接続されたメインMO
SFETと、メインMOSFETにミラー接続され負荷
電流の一部を流し、かつ、メインMOSFETと同等、
もしくはそれ以下のトランジスタサイズであるミラーM
OSFETと、ミラーMOSFETのソース端子とGN
D間に接続され、負荷電流の一部を流す抵抗と、メイン
MOSFETおよびミラーMOSFETの両方のゲート
端子に接続されたゲート制御回路と、基準電圧発生回路
と、基準電圧発生回路とミラーMOSFETのソース電
位とを入力とする比較器とからなる過電流検知回路にお
いて、ミラーMOSFETのソース電位の温度係数と基
準電圧発生回路の温度係数が等しい。また、基準電圧発
生回路の構成がバンドギャップリファレンス回路であ
り、または定電流回路と所定の温特を有する抵抗とから
成り、または電源電圧と、異なる温特を有する二つの抵
抗とから構成される。
【0017】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて詳細に説明する。図1は本発明の一実施の形
態を示したもので、所定の温特を持つ基準電圧を出力す
る回路を有する過電流検知回路の構成図(ローサイドス
イッチ適用例)である。まず本実施の形態の構成を説明
する。図1において1は負荷、2はメインMOSFE
T、3はミラーMOSFET、4は電流検出用抵抗Rs
1、5はメイン・ミラーMOSFETのゲート制御回
路、6は温特を有する基準電圧発生回路、7は比較器か
らなる。
【0018】負荷1は一方を電源(VBAT)に、他方
をミラーMOSFET3およびメインMOSFET2の
ドレイン端子に接続されている。メインMOSFET2
およびミラーMOSFET3のゲート端子は共通で、ゲ
ート制御回路5に接続され、制御回路出力によりトラン
ジスタがON/OFFする。メインMOSFET2のソ
ース端子はGNDに、ミラーMOSFET3のソース端
子は電流検出用抵抗Rs1 4を介してGNDに接続さ
れる。また、比較器(コンパレータ)7はミラーMOS
FET3のソース電位と温特を有する基準電圧発生回路
6の出力とを入力としている。
【0019】次に本実施の形態の作用について説明す
る。
【0020】ゲート制御回路5が信号を出力しゲートが
ONすると、メインMOSFET2およびミラーMOS
FET3ともにONとなり、負荷1に電流が流れる。負
荷1に流れる電流Iは、メインMOSFET2(その電
流をI1)およびミラーMOSFET3(その電流をI
2)に分流し、その割合は下記式(A) I1:I2=(1/Ron1):(1/(Ron2+Rs1)) …(A) で決まる。ここで、 Ron1:メインMOSFETのオン抵抗 Ron2:ミラーMOSFETのオン抵抗 Rs1 :電流検出用(センス)抵抗 である。
【0021】例えば、メインMOSFET2およびミラ
ーMOSFET3が単位セルの集合体という形で形成さ
れていれば、電流比はほぼそのセル比の逆数により決ま
る。ところで、ミラーMOSFET3に流れる電流I2
は、コンパレータ7の入力インピーダンスが非常に高い
ため、そのほとんどがセンス抵抗Rs1に流れ込む。こ
れによりセンス抵抗Rs1とミラー電流I2の積で表さ
れることになり、最終的には負荷電流Iに応じてミラー
電流I2が流れることで、負荷電流Iにほぼ比例してセ
ンス電圧Vs1が決まることになる。
【0022】過電流検知の判定は、このセンス電圧Vs
1と基準電圧Vref1とをコンパレータにて比較する
ことで行う。例えば、Vs1<Vref1の場合は 通
常電流として判定 Vs1≧Vref1の場合は 過電流として検知し、通
常と反転の出力を行うというように設定すれば良い。
【0023】ここでセンス電圧Vs1は、従来例の問題
点で述べたように一般に温特を持っているため、通常の
基準電圧発生回路のままではセンス電圧Vs1の温特が
過電流検知レベルの温特ばらつきとして現われてしま
う。
【0024】そこで本実施の形態では基準電圧発生回路
として、センス電圧Vs1と同じ温特を有する基準電圧
発生回路、すなわち、温特によりセンス電圧Vs1が大
きくなれば、Vs1の変化分と同じ割合だけ基準電圧V
ref1も高く、センス電圧Vs1が小さくなれば、V
s1の変化分と同じ割合だけ基準電圧Vref1も低く
調整できるような基準電圧発生回路を用いることによっ
て、過電流検知レベルの温特ばらつきを補償している。
【0025】そこで、温特を有する基準電圧発生回路の
具体例を以下で説明する。その第一の実施の形態を図2
に示す。まず構成を説明すると、図2において、Q4〜
Q6・R5〜R7は定電流回路部、R9はスタータ抵
抗、Q1〜Q3・R8・Ra・Rbは基準電圧/温特調
整回路部、その他VR出力、分圧抵抗(R1・R2)、
Vref1出力からなる。
【0026】次に作用を説明する。図2において、基準
電圧VRは、 VR=VBE(Q3)+VRb すなわち、Q3のVBEとRbの電圧降下の和として表さ
れる。
【0027】ここで、Rbの電圧降下VRbを求めると、 (kT/q)1n(Ic(Q1)/Is)=(kT/
q)1n(Ic(Q2)/nIs)+Ic(Q2)・R
a 但し、k:ボルツマン定数 T:絶対温度 q:電子の単位電荷 Ic(Qn):トランジスタQnに流れるコレクタ電流 n:トランジスタ(Q1:Q2)のエミッタサイズ比 Is:コレクタ飽和電流 となる。これを変形すると、下記式(B) Ic(Q2)Ra =(kT/q)1n(nIc(Q1)/Ic(Q2)) …(B) となる。ここで、Q1とQ3のVBEは等しく、さらにR
2=R3とすると、 Ic(Q1)=Ic(Q2) となるため、(B)式より、 Ic(Q1)=Ic(Q2)=(kT/q)1n(n)
/Ra となる。したがってVRbは VRb=(Rb/Ra)(kT/q)1n(n) VR=VBE(Q3)+(Rb/Ra)(kT/q)1n(n) …(Z) 本回路は、一般にバンドギャップリファレンス回路と呼
ばれ、本来は (Rb/Ra)(k/q)1n(n)=|VBE(Q3)の温特| …(C) とすることで、温特を持たない基準電圧(一般にほぼ
1.25V)を発生する回路であるが、本方式では
(C)式における(Rb/Ra)やnの値を適当な値に
調整することで、所望の温特を実現している。
【0028】一般にトランジスタのVBEの温特はほぼ−
2mV/℃程度であるから、 (Rb/Ra)(k/q)1n(n) …(D) を2mVとすれば出力電圧VRの温特はなくなり、
(D)式を2mVより大きくなるような抵抗比、n値に
設定すれば正の温特を、2mVより小さくなるような抵
抗比、n値を設定すれば負の温特を持つ回路が実現でき
ることになる。
【0029】温特を持つ基準電圧発生回路を本方式で実
現した場合、出力電圧VRは(Z)式により、その温特
は(C)式の左右項の差分によりそれぞれ連動して決ま
ってしまうため、本回路を、Vs1の絶対値および温特
の両方を一致させることが必要な過電流検知回路の基準
電圧として用いる場合、その出力を一度抵抗(R1・R
2)で分圧する必要が出てくる。
【0030】ここでさらに、温特を有する基準電圧発生
回路の第二の実施の形態を図3に示す。
【0031】まず構成を説明すると、図3において、B
IAS端子は定電圧入力部、R11〜R13、C1、Q
9〜Q15はオペアンプ回路部、VIGN端子は電源電
圧入力部、R10、Ra、Rb、Q7、Q8は基準電圧
/温特調整回路部、その他VR出力、分圧抵抗(R1・
R2)、Vref1出力からなる。
【0032】次に作用を説明する。図3において、基準
電圧VRは、 VR=VBE(Q7)+VRb すなわち、Q7のVBEとRbの電圧降下の和として表さ
れる。これは、オペアンプのイマジナリショート作用に
より、Q7のベース/コレクタ、Q8のベースとQ8の
コレクタが同電位となるためである。その他の動作は第
一の実施の形態と同様である。
【0033】以下に、基準電圧として温特を有する基準
電圧発生回路の第一および第二の実施の形態を用いた場
合の具体的な出力電圧および温特の併せ込み方法につい
て説明する。
【0034】まず事前にVsの温特を計算(または測
定)し、下記の二点を評価する。
【0035】(1)ある温度におけるVs1の値(以下
の説明では計算の都合上、Ta=27℃におけるVs1
の値とした) (2)Vs1の温度特性図を(一次)近似して得られる
Vs1の温度係数 ここで、 α …Ta=27℃におけるVs値 β …温特を一次近似して得られるVsの温度係数 γ …基準電圧発生出力の抵抗分圧比(<1) κ …(D)式に示した正の温度係数 VBE…トランジスタQ3のベース−エミッタ間電圧 d …トランジスタQ3のベース−エミッタ間電圧の温
度係数の絶対値 と仮定した時、 α=γ(VBE+300κ) …(E) → (Z)式に対応 β=γ(κ−d) …(F) → (D)式に対応 を満足するように、定数γ・κを決定すればよい。
【0036】上式を解くと、以下のようになる。
【0037】κ=(βVBE+αd)/(α−300β) γ=(α−300β)/(VBE+300d) したがって最終的には、 γ=R2/(R1+R2) よりγから抵抗値R1,R2を、 κ=(D)式 よりκから抵抗値Ra、Rb、エミッタサイズ比nを決
めることになる。
【0038】温特を有する基準電圧発生回路の第三の実
施の形態を図4に示す。
【0039】まず構成を説明すると、図4において、定
電流回路、抵抗R14、Vref1出力からなる。
【0040】次に作用を説明する。図4において基準電
圧Vref1は、抵抗R14に定電流Iαが流れること
により発生する。Vref1の温特はR14の温特を利
用し、それに流す電流値を変えることで調整することに
なる。ここで、R14の抵抗値の温度係数をx(%/
℃)、Ta=27℃におけるR14の値をR140とす
ると、 (E)式におけるαを α=Iα×R140 (F)式におけるβを β=Iα×R140×(x/100) となるように設定すればよい。
【0041】最後に温特を有する基準電圧発生回路の第
四の実施の形態を図5に示す。
【0042】まず構成を説明すると、図5において、電
源電圧Vcc、抵抗R15、R16、Vref1出力か
らなる。
【0043】次に作用を説明する。図5において基準電
圧Vref1は、電源電圧Vccを抵抗R15、R16
で分圧することにより発生する。Vref1の温特はR
15、R16の絶対値および二つの異なる温特を利用し
て調整することになる。ここで、R15の抵抗値の温度
係数をy(%/℃)、Ta=27℃におけるR15の値
をR150、R16の抵抗値の温度係数をz(%/
℃)、Ta=27℃におけるR16の値をR160とす
ると、(E)式におけるαを α=R160/(R150+R160)・Vcc (F)式におけるβを Vcc/(1+R15/R16) =Vcc/(1+{R150(1+y/100(T−2
7)}/R160(1+z/100(T−27)}) にて決まる温特となるように設定すればよい。
【0044】
【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、その構成をセンス電圧Vs1の温特をコンパレータ
の基準電圧Vref1の温特により相殺させる構成とし
たため、従来例の問題点となっていた過電流検知レベル
の温特によるばらつきを極めて小さくすることにより、
過電流検知レベルの精度を向上させることができるとい
う効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態を示す温特を持つ基準電
圧発生回路を有する過電流検知回路の電気結線図であ
る。
【図2】本発明に用いられる温特を有する基準電圧発生
回路の第一の実施の形態を示す回路図である。
【図3】本発明に用いられる温特を有する基準電圧発生
回路の第二の実施の形態を示す回路図である。
【図4】本発明に用いられる温特を有する基準電圧発生
回路の第三の実施の形態を示す図である。
【図5】本発明に用いられる温特を有する基準電圧発生
回路の第四の実施の形態を示す図である。
【図6】従来例の過電流検出回路の電気結線図である。
【図7】従来例の問題点(過電流検知レベルの温度ばら
つき)を説明するための説明図である。
【符号の説明】
1 負荷 2 メインMOSFET 3 ミラーMOSFET 4 電流検出用抵抗Rs1 5 ゲート制御回路 6 Vs1と同じ温特を有する基準電圧発生回路 7 比較器(コンパレータ)

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電流が流れる負荷と、 該負荷を駆動し、該負荷とGND間に接続されたメイン
    MOSFETと、 該メインMOSFETにミラー接続され負荷電流の一部
    を流し、かつ、 該メインMOSFETと同等、もしくはそれ以下のトラ
    ンジスタサイズであるミラーMOSFETと、 該ミラーMOSFETのソース端子とGND間に接続さ
    れ、該負荷電流の一部を流す抵抗と、 該メインMOSFETおよび該ミラーMOSFETの両
    方のゲート端子に接続されたゲート制御回路と、 基準電圧発生回路と、 該基準電圧発生回路と該ミラーMOSFETのソース電
    位とを入力とする比較器と、からなる過電流検知回路に
    おいて、 該ミラーMOSFETのソース電位の温度係数と該基準
    電圧発生回路の温度係数が等しいことを特徴とする過電
    流検知回路。
  2. 【請求項2】 該基準電圧発生回路の構成がバンドギャ
    ップリファレンス回路であることを特徴とする請求項1
    に記載の過電流検知回路。
  3. 【請求項3】 該基準電圧発生回路の構成が定電流回路
    と所定の温特を有する抵抗とから成ることを特徴とする
    請求項1に記載の過電流検知回路。
  4. 【請求項4】 該基準電圧発生回路の構成が電源電圧
    と、異なる温特を有する二つの抵抗とから成ることを特
    徴とする請求項1に記載の過電流検知回路。
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