JPH104342A - スイッチ駆動回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 主スイッチをなすＮ−ＭＯＳトランジスタの
ゲート、ソース間に電圧クランプ回路を設けてブレーク
ダウンを防止する場合、スイッチングの高速化を図るた
めにゲート、ソース間の容量成分を大電流により急速に
充電すると、トランジスタがオンになった後も大電流が
電圧クランプ回路を流れ続けて電力消費が大きくなる。 【解決手段】 主スイッチ２のゲート、ソース間の容量
成分を充電するために大電流を供給する第１の電源３０
と、主スイッチ２がオンした後、オンを維持するための
小電流を供給する第２の電源４０とを用い、制御信号に
基づいて大電流及び小電流を同時に前記ゲートに供給
し、容量成分が充電された後は電圧クランプ回路６に電
流が流れるので、この電流を検出してその検出信号に基
づき補助スイッチ３をオフにして大電流の供給を止め、
低消費電力を図る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、トランジスタを用
いて出力電流をスイッチングするスイッチ回路に係り、
特にトランジスタのスイッチング動作を高速に行うため
のスイッチ駆動回路の技術分野に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般にプリンタの印字駆動部分に駆動電
流を供給するドライバとして例えばＨ型スイッチブリッ
ジ回路が用いられるが、そのブリッジ回路に用いられる
スイッチ回路については高速印字を図るため高速なスイ
ッチング動作が要求される。図７は、ブリッジ回路の高
電位側の従来のスイッチ駆動回路を示す図である。１は
Ｎ−ＭＯＳ（Ｎ型Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃ
ｏｎｄｕｃｔｏｒ）トランジスタよりなる主スイッチで
あり、ドレイン側が電位ＶＤのラインに接続されると共
にソース側が負荷に接続されている。なお以下の説明で
は電位Ｖのラインを電圧源Ｖと呼ぶことにする。

【０００３】主スイッチ１のゲートには例えばＭＯＳト
ランジスタよりなる補助スイッチ１１及び定電流源１２
を介して電圧源ＶＧに接続されている。また一般にＮ−
ＭＯＳトランジスタのゲート、ソース間のブレークダウ
ン電圧が小さいため、高電位側のスイッチとして使用す
る場合には、ゲート、ソース間に電圧をクランプする例
えばツェナーダイオード１３よりなる電圧クランプ回路
が接続され、ゲート、ソース間のブレークダウンを防止
している。

【０００４】そして、主スイッチ１をオン状態にするた
めには、ゲート、ソース間の容量成分を充電しなければ
ならないが、高速にオン状態とするためには前記容量成
分を急速に充電する必要がある。従ってトランジスタの
サイズが大型化すると大きな充電電流が必要になり、例
えば０．３Ａの負荷電流をスイッチングする場合ゲー
ト、ソース間に例えば１ｍＡの電流を流している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】主スイッチ１がオン状
態になった後は、定電流源１２から流す電流はゲート、
ソース間電圧を維持するための比較的小さな電流で十分
であるが、高速動作を得るために大電流を流すようにし
ており、この大電流がゲート、ソース間の容量成分の充
電後もツェナーダイオード１３を通じて流れるので、無
駄な電力を消費しているという問題がある。

【０００６】そこで図８に示すような回路が検討されて
いる。この回路は、制御信号のオン指令に基づいて第１
及び第２の補助スイッチ１４、１５をオン状態にして、
第１の定電流源１６から大電流（例えば数ｍＡ程度）を
主スイッチ１のゲート、ソース間に供給し、この大電流
によりゲート、ソース間の容量成分を充電した後第１の
補助スイッチ１４をオフ状態にして、第２の定電流源１
７からゲート、ソース間に小電流（例えば数μＡ程度）
を供給して主スイッチ１のオン状態を維持するものであ
る。この手法によれば電力の消費を低減できるが、主ス
イッチ１の特性のばらつきを考慮して図９に示すように
第１の補助スイッチ１４のゲートに与えるパルス幅をか
なり大きくとらなけらばならず、やはり無駄な電力が消
費されてしまう。

【０００７】本発明はこのような事情の下になされたも
のであり、その目的は、高速なスイッチング動作を行う
ことができ、しかも消費電力を低減することのできるス
イッチ駆動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、出力電流をオ
ン、オフするためのトランジスタよりなり、ゲ−ト、ソ
−ス間に電圧クランプ回路が接続された主スイッチを駆
動するための回路において、前記主スイッチのゲ−ト、
ソ−ス間の容量成分を充電するための第１の電源と、前
記主スイッチのゲ−ト、ソ−ス間に、主スイッチのオン
状態を維持するための電流を供給するための第２の電源
と、前記主スイッチのゲ−ト、ソ−ス間の容量成分の充
電状態を監視し、当該容量成分が充電されたときに検出
信号を出力する検出部と、制御信号であるオン指令信号
に基づきオン状態とされて前記第１の電源から主スイッ
チのゲ−トに電流を供給し、前記検出信号に基づきオフ
状態とされて当該電流の供給を停止する第１の補助スイ
ッチと、制御信号に基づいて第２の電源からゲ−トに流
れる電流を給断する第２の補助スイッチと、を備えたも
のである。

【０００９】ここで主スイッチのゲ−ト、ソ−ス間の容
量成分の充電状態の監視は、その一例として電圧クラン
プ回路を流れる電流を監視することにより行うことがで
きる。即ち前記容量成分が充電されると、第１及び第２
の電源からの電流のほとんどは電圧クランプ回路に流れ
るので、ある程度あるいは完全に充電されたときに電圧
クランプ回路に流れる電流の大きさに対応する設定値を
定めておくことにより検出信号が得られる。従ってこの
検出信号に基づいて第１の電源からの大きな電流を遮断
すれば消費電力が抑えられる。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１は本発明の実施の形態を示す
回路図である。２はＮ−ＭＯＳトランジスタよりなる主
スイッチであり、ドレイン側が電圧源ＶＤに接続される
と共にソース側が負荷に接続されている。この主スイッ
チ２は図２に示すスイッチ２、２’よりなるＨ型ブリッ
ジ回路の高電位側のスイッチ２をなすものである。

【００１１】主スイッチ２のゲートは、第１の補助スイ
ッチ３を介して第１の電源３０である電圧源ＶＧに接続
されており、また第２の補助スイッチ４及び定電流源４
１を介して電圧源ＶＧに接続されている。この例では定
電流源４１及び電圧源ＶＧにより第２の電源４０が構成
される。

【００１２】前記ＶＤは例えば４０Ｖとされ、前記ＶＧ
はＶＤと主スイッチ２のゲート、ソース間のオン電圧Ｖ
ＧＳとを加え合わせた値よりも大きい値例えば５５Ｖと
される。第１の電源３０は主スイッチ２のゲート、ソー
ス間を急速に充電するために例えばｍＡオーダの大電流
を流すためのものであり、第２の電源４０は主スイッチ
２のゲート、ソース間に、オン状態を維持するための例
えばμＡオーダの小電流を流すためのものである。

【００１３】第１及び第２の補助スイッチ３、４は各々
Ｐ−ＭＯＳトランジスタよりなり、ドレイン側が主スイ
ッチ２のゲートに接続されると共に、ゲート側が制御部
５０に接続されており、制御部５０からの制御信号であ
るオン指令によってオン状態とされるようになってい
る。ただし第１の補助スイッチ３のゲートと制御部５０
との間にはナンド回路５が介装されており、後述の電流
検出部からの信号に基づいて第１の補助スイッチ３のオ
フ状態のタイミングが制御される。

【００１４】主スイッチ２のゲート、ソース間には、こ
のゲート、ソース間を所定の電圧にクランプしてブレー
クダウンが起こらないようにするための電圧クランプ回
路６が設けられている。また電圧クランプ回路６を含
む、主スイッチ２の外のゲート、ソース間の電流路６０
に組み合わせて電流検出部である電流検出回路７が設け
られている。この電流検出回路７は、前記クランプ回路
６に流れる電流の電流値が予め設定した電流値よりも低
いときには「Ｈ」レベルの信号を出力し、予め設定した
電流値以上であるときには電流検出信号に相当する
「Ｌ」レベルの信号を出力するように構成されている。

【００１５】ここで電流検出信号の出力のタイミングに
なる電流の設定値については、主スイッチ２のゲート、
ソース間の容量成分が、主スイッチ２がスイッチングす
るに十分な程度充電されたときに電圧クランプ回路６に
流れる電流の大きさに対応するものである。

【００１６】前記ナンド回路５は、一方の入力端がイン
バータ５１を介して制御部５０に接続されると共に他方
の入力端が前記電流検出回路７の出力端に接続され、ナ
ンド回路５の出力端が第１の補助スイッチ３のゲートに
接続されている。

【００１７】次に上述実施の形態の動作について説明す
る。今制御部５０から図３（イ）に示すように時刻ｔ０
に制御信号である「Ｌ」レベルのオン指令が出力された
とすると、このオン指令は第２の補助スイッチ４のゲー
トに入力されて当該第２の補助スイッチ４をオン状態に
する。一方オン指令はインバータ５１で反転されて図３
（ロ）に示すように「Ｈ」レベルの信号とされてナンド
回路５の一方の入力端に入力される。このとき電圧クラ
ンプ回路６には電流が流れていないので電流検出回路７
の出力信号は図３（ハ）に示すように「Ｈ」レベルであ
る。

【００１８】従ってナンド回路５の出力信号は図３
（ニ）に示すように「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに変
わり、第１の補助スイッチ３がオン状態になる。これに
より第１の電源３０から、第１の補助スイッチ３を通し
て大電流が、また第２の電源４０から第２の補助スイッ
チ４を通して小電流が図３（ホ）に示すように主スイッ
チ２のゲート、ソース間に流れ込み、当該ゲート、ソー
ス間の容量成分が急速に充電され、図３（ヘ）に示すよ
うにゲート、ソース間の電圧が立上がる。

【００１９】この結果主スイッチ２がオン状態となり、
電源３０、４０からの電流が電圧クランプ回路６に流
れ、この電流が予め定めた電流値よりも多くなると時刻
ｔ１にて電流検出回路７の出力信号レベルが「Ｌ」にな
りつまり電流検出信号が出力され、ナンド回路５の出力
信号が「Ｈ」に変わる。なお電圧クランプ回路６として
ツェナーダイオードを用いて試験を行ったところ、前記
容量成分の充電が終了する前にツェナーダイオードに電
流が流れており、そのため電流検出信号の出力のタイミ
ングはゲート、ソース間の電圧が立上がりきる若干前に
なっている。そして第１の補助スイッチ３がオフ状態と
なり第１の電源３０からの大電流の供給が停止するが、
この時点では主スイッチ２は既にオン状態になっている
ので第２の電源４０からの小電流のみによってオン状態
が維持される。また第２の電源４０から電圧クランプ回
路６に電流が流れているので電流検出回路７の出力信号
のレベルは「Ｌ」のままである。

【００２０】次いで時刻ｔ２にて制御信号がオフ指令に
変わると、第２の補助スイッチ４がオフ状態となって主
スイッチ２がオフ状態となる。このため主スイッチ２の
ゲート、ソース間電圧が立下がると共に電圧クランプ回
路６に電流が流れなくなり、電流検出回路７からの電流
検出信号が消失する。つまり出力レベルが「Ｈ」に変わ
る。

【００２１】上述の実施の形態によれば、主スイッチ２
のゲート、ソース間に第１の電源３０から大電流を供給
して急速にゲート、ソース間の容量成分の充電を行い、
主スイッチ２がオン状態になった後は前記大電流の供給
を止め、第２の電源からオン状態を維持するに十分な小
電流を供給しているので小さな消費電力で高速なスイッ
チング動作が得られる。しかも大電流の制御を閉ループ
により行っているため、ＭＯＳトランジスタの特性によ
り大電流の停止のタイミングが予定より早過ぎるといっ
たおそれもなく、確実なスイッチング動作が得られる
し、またＭＯＳトランジスタの特性に応じて無駄のない
タイミングでスイッチングするので、消費電力の無駄を
極力抑えることができる。

【００２２】ここで図１に示す実施の形態を具体化した
回路例を図４に示す。この例では電圧クランプ回路６は
ツェナーダイオード６１により構成されている。ツェナ
ーダイオード６１の低位側にはＮ−ＭＯＳトランジスタ
７１のドレイン及びゲートが接続されると共に、このト
ランジスタ７１のゲートにはＮ−ＭＯＳトランジスタ７
２のゲートが接続され、これらトランジスタ７１、７２
はソース側が主スイッチ２のソース側に共通に接続され
てミラー回路を形成している。また前記トランジスタ７
２のドレイン側にはＰ−ＭＯＳトランジスタ７３のドレ
イン側が接続されている。定電流源４１をなすＰ−ＭＯ
Ｓトランジスタ４２と前記トランジスタ７３とのゲート
は、これらゲートへの電流を供給するための電流設定源
７０に共通に接続され、両トランジスタ４２、７３によ
りミラー回路が構成される。

【００２３】この回路では、既述の図３に示す時刻ｔ０
に、補助スイッチ３、４を介して主スイッチ２のゲート
に電流が流れ込み、前記容量成分が充電されると、充電
を終える少し前の時点にツェナーダイオード６１に電流
が流れ、これによりトランジスタ７１、７２がオン状態
となる。これによりトランジスタ７２にミラー電流が流
れ、トランジスタ７３から電流を引き込むと、トランジ
スタ７２のドレインの電圧Ｖ７２が低下し、ナンド回路
５の他方の入力信号が「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに
変わって第１の補助スイッチ３がオフ状態となる。

【００２４】トランジスタ７１、７２、７３は電流検出
回路７を構成するものであり、トランジスタ７２のドレ
インは電流検出回路７の出力端に相当する。Ｖ７２の電
圧が「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに変わるタイミング
つまり電流検出回路７の電流設定値は、トランジスタ７
１、７２よりなるミラー回路のミラー比を調整すること
により決めることができ、例えばトランジスタ７１側の
電流とトランジスタ７２側の電流とのミラー比を１：１
／２とすれば第１、第２の電源３０、４０からの電流の
半分がツェナーダイオード６１を流れたときにＶ７２が
「Ｌ」レベルとなる。

【００２５】図５は、従来回路と本発明とについて、電
圧クランプ回路を流れる電流を比較した波形図であり、
図５（イ）、（ロ）は夫々図７に示す従来回路、及び図
４に示す本発明の回路を用いた結果である。横軸の０．
０〜２．０μｓまでは、制御信号のオン指令が出力され
ている期間に対応している。またいずれの場合もＶＤを
４０Ｖとしている。図５（イ）ではオン指令が出力され
ている間ｍＡオーダの大電流が流れ続けているが、図５
（ロ）では、はじめの極く短い間だけ大電流が流れ、そ
の後はμＡオーダの小電流が流れており、本発明を用い
た場合の消費電力が従来例に比べて格段に小さいことが
分かる。

【００２６】以上において本発明は図６に示すように主
スイッチ２がＰ−ＭＯＳトランジスタの場合でも適用す
ることができ、この場合にも主スイッチ２のゲート、ソ
ース間に接続される電圧クランプ回路６を流れる電流を
電流検出回路７で検出する。主スイッチ２のゲート、ソ
ース間の容量成分が充電された後は、電圧源ＶＤから電
圧クランプ回路６を通じて電圧源ＶＧ側に電流が流れる
ので、ＶＧＳを主スイッチ２のオン電圧とすると、ＶＧ
は（ＶＤ−ＶＧＳ）よりも小さい電位とされる。

【００２７】なお主スイッチのゲート、ソース間の容量
成分を検出する手法としては、電圧クランプ回路に流れ
る電流を検出することが精度上好ましいが、例えば主ス
イッチ２を複数の小さなＭＯＳトランジスタで構成し、
そのうちの一つのトランジスタに電流が流れたことを検
出しても、同様に閉ループで大電流を停止させることが
できる。

【００２８】

【発明の効果】以上のように本発明によれば高速なスイ
ッチング動作が得られ、しかも消費電力を小さく抑える
ことができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態を等価的に示す回路図であ
る。

【図２】本発明の実施の形態であるスイッチ駆動回路が
適用されるブリッジ回路を示す回路図である。

【図３】本発明の実施の形態の作用を説明するための電
圧、電流の波形図である。

【図４】本発明の実施の形態を具体化した回路を示す回
路図である。

【図５】本発明の実施の形態と従来のスイッチ駆動回路
とについて、電圧クランプ回路を流れる電流を示す波形
図である。

【図６】本発明の他の実施の形態を等価的に示す回路図
である。

【図７】従来のスイッチ駆動回路の一例を示す回路図で
ある。

【図８】従来のスイッチ駆動回路の他の例を示す回路図
である。

【図９】図８に示す補助スイッチのオン、オフの様子を
示すタイムチャートである。

【符号の説明】

２ 主スイッチ ３ 第１の補助スイッチ ３０ 第１の電源 ４ 第２の補助スイッチ ４０ 第２の電源 ４１ 定電流源 ５ ナンド回路 ５０ 制御部 ６ 電圧クランプ回路 ６１ ツェナーダイオード ７ 電流検出回路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 出力電流をオン、オフするためのトラン
   ジスタよりなり、ゲ−ト、ソ−ス間に電圧クランプ回路
   が接続された主スイッチと、 この主スイッチのゲ−ト、ソ−ス間の容量成分を充電す
   るための第１の電源と、 前記主スイッチのゲ−ト、ソ−ス間に、主スイッチのオ
   ン状態を維持するための電流を供給するための第２の電
   源と、 前記主スイッチのゲ−ト、ソ−ス間の容量成分の充電状
   態を監視し、当該容量成分が充電されたときに検出信号
   を出力する検出部と、 制御信号であるオン指令信号に基づきオン状態とされて
   前記第１の電源から主スイッチのゲ−トに電流を供給
   し、前記検出信号に基づきオフ状態とされて当該電流の
   供給を停止する第１の補助スイッチと、 制御信号に基づいて第２の電源からゲ−トに流れる電流
   を給断する第２の補助スイッチと、を備えたことを特徴
   とするスイッチ駆動回路。
2. 【請求項２】 出力電流をオン、オフするためのトラン
   ジスタよりなり、ゲ−ト、ソ−ス間に電圧クランプ回路
   が接続された主スイッチと、 この主スイッチのゲ−ト、ソ−ス間の容量成分を充電す
   るための第１の電源と、 前記主スイッチのゲ−ト、ソ−ス間に、主スイッチのオ
   ン状態を維持するための電流を供給するための第２の電
   源と、 前記電圧クランプ回路に流れる電流を監視し、予め設定
   された電流値以上の電流が流れたときに電流検出信号を
   出力する電流検出部と、 制御信号であるオン指令信号に基づきオン状態とされて
   前記第１の電源から主スイッチのゲ−トに電流を供給
   し、前記電流検出信号に基づきオフ状態とされて当該電
   流の供給を停止する第２の補助スイッチと、 制御信号に基づいて第２の電源からゲ−トに流れる電流
   を給断する第１の補助スイッチと、を備えたことを特徴
   とするスイッチ駆動回路。