JP4894865B2 - 双方向スイッチの電流検出回路 - Google Patents
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Description
なお、以下各図において同一の符号は同一もしくは相当部分を示す。
一方、低損失に負荷電流Imを検出する装置として図4に示す装置がある。図4においては負荷電流Imを流す主スイッチとしてのNch・MOSFETQ1とゲート電位を同じくし、トランジスタのW長がFETQ1の1/nであるようなミラースイッチとしてのNch・MOSFETQ3を設けて電流ミラー回路を構成し、主FETQ1の両端に生じる電圧とミラーFETQ3の両端に生じる電圧とが等しくなるように高入力インピーダンスの素子(本例ではオベアンプOp1)を用いた負帰還回路によってオベアンプOp1の出力端子とミラーFETQ3のドレイン間に接続されたセンス抵抗Rsに正確にIm×(1/n)のミラー電流Isを流すようにしている。
ミラー電流Isは負荷電流Imに比較して充分に小さいため、ミラー電流Isを検出する際の損失は非常に小さい。出力インピーダンスの低い素子(本例ではオベアンプOp1)とセンス抵抗Rsによってミラー電流Isを正確に検出し、主FETQ1の電流Imを正確に検出することができる。
図5はバッテリEの過大な充放電電流を遮断する充放電保護スイッチ(双方向スイッチ)の主スイッチ部分の通常の構成例を示す。同図においては元々寄生ダイオードを内蔵している2つのNch・MOSFETからなる主スイッチM1、M2が本例では各主スイッチM1、M2のソース端子が両端側となるように互いに逆極性に直列接続されてバッテリEの陰極側の充放電経路に挿入されている。
ここで、例えば主スイッチM1をオン、M2をオフに駆動すればバッテリEの充電電流を、また主スイッチM1をオフ、M2をオンに駆動すればバッテリEの放電電流をそれぞれ遮断することができる。
このような双方向スイッチを流れる両方向電流を検出する方式の例として特許文献1の開示がある。この方式では充放電電流の大きさによりこの電流路に挿入されたセンス抵抗の値が切り換わるような回路構成として、センス抵抗の電力損失を低減しながらセンス抵抗の両端電圧を検出するオペアンプが、そのオフセットの影響が少ない正確な電流検出電圧を得るようにしている。
本発明はこれらの問題を解消し、低損失で正確にかつ簡単な回路で充放電電流を検出できる双方向スイッチの電流検出回路を提供することを課題とする。
前記主トランジスタの直列接続とミラートランジスタの直列接続との互いに対応する一端(一方のソースなど)が共に主直流電源(バッテリEなど)の一方の電極(陰極など)に接続されて、前記主トランジスタの直列接続が前記主直流電源の電流路に挿入され、
さらに前記2つの直列接続の他端(他方のソースなど)の電位をそれぞれ高入力インピーダンスで入力し、この2つの電位を等しくするように前記ミラートランジスタの直列接続の他端にセンス抵抗(Rs)を介し前記ミラー比率の電流を入出力する帰還増幅手段を備え、
前記センス抵抗の両端電圧から前記双方向スイッチの電流を(電圧差分器11等を介して)検出するようにする。
また請求項3の双方向スイッチの電流検出回路は、請求項1または2に記載の双方向スイッチの電流検出回路において、前記4つのトランジスタが同一チャネル型のMOSFETからなるようにする。
また請求項4の双方向スイッチの電流検出回路は、請求項3に記載の双方向スイッチの電流検出回路において、前記4つのトランジスタがNチャネルMOSFETからなり、前記2つの直列接続の互いに対応する一端が共に前記主直流電源の陰極に接続されてなるようにする。
また請求項5の双方向スイッチの電流検出回路は、請求項3に記載の双方向スイッチの電流検出回路において、前記4つのトランジスタがPチャネルMOSFETからなり、前記2つの直列接続の互いに対応する一端が共に前記主直流電源の陽極に接続されてなるようにする。
本発明の作用は以下の如くである。
双方向主スイッチを構成する2つの主トランジスタにそれぞれ、主トランジスタの電流に対し所定のミラー比をもつ小電流(ミラー電流)を流すように構成したミラートランジスタを組合わせてなる双方向ミラースイッチと、正負2電源から給電されて双方向主スイッチと双方向ミラースイッチとの両端電圧を等しくするように双方向ミラースイッチにセンス抵抗を介してミラー電流を入出力し帰還増幅回路を構成するオペアンプとを設け、センス抵抗の両端電圧からミラー電流、従って双方向主スイッチの電流を、簡単な回路で、低損失、高精度に測定する。
電流検出回路を簡単にしながら、高精度、低損失に双方向主スイッチ電流(バッテリ充放電電流)を検出することができる。
なお、主スイッチM1、M2は厳密にはそれぞれNch・MOSFETQ1、Q2とその寄生ダイオードD1、D2からなり、同じくミラースイッチM3、M4はそれぞれNch・MOSFETQ3、Q4とその寄生ダイオードD3、D4からなる。
本例では主スイッチM1とミラースイッチM3とのソース端子(c点)がバッテリEの陰極に接続されてグランド電位に維持され、主スイッチM2のソース端子(a点)が負側の外部端子VB−に接続されている。なお、バッテりEの陽極端子は正側の外部端子VB+に接続されており、外部端子VB+とVB−の間にはバッテりEの充電時には図外の充電装置が(その正極側が外部端子VB+側となるように)接続され、バッテりEの放電時には図外の負荷が接続されることになる。
図1の回路ではバッテリEの充電時には外部端子(VB+)→バッテリE→主スイッチM1→同M2→外部端子(VB−)の経路で充電電流が流れ、グランド電位(c点)に対しa点の電位は負となり、バッテリEの放電時には外部端子(VB−)→主スイッチM2→同M1→バッテリE→(VB+)の経路で放電電流が流れ、グランド電位(c点)に対しa点の電位は正となる。
帰還増幅動作を行うオペアンプOp1は、充電時も放電時も点a、b間の電位を等しくするよう動作する必要があり、従ってオペアンプOp1は、バッテリEの充電時にはセンス抵抗Rsを介してミラースイッチM3、M4から電流を吸い込み、バッテリEの放電時にはセンス抵抗Rsを介してミラースイッチM3、M4へ電流を流し込む必要がある。つまり、オペアンプOp1の出力電圧はバッテリEの充電時にはグランド電位(c点)に対し負電圧となり、バッテリEの放電時には同じく正電圧となる必要がある。
図1においては、センス抵抗Rsの両端電圧の差分を電圧差分器11によって求めることにより、センス抵抗Rsの電流、従って主スイッチM1、M2を通過する電流を計測することができる。この際、上記差分電圧の極性をみることで主スイッチの電流方向も検出でき、充電状態か放電状態かも判定可能である。
そして、計測された電流(電圧差分器11の出力で、本例では電流計測値11aとして別にも出力されている)をコンパレータ12によって所定値と比較し、計測された電流が所定の電流値を越えた場合はコンパレータ12の出力によってゲート制御回路13を介して双方向主スイッチ(及びミラースイッチ)のゲートG1、G2を制御し、双方向スイッチを切るように制御することができる。
本発明においては従来、考慮されていなかった主スイッチの寄生ダイオードに流れる過電流も検出して遮断することができる。図2(a)、(b)はこのような通電モードの説明図である。なお、図2では簡単のため図1の双方向主スイッチM1、M2側のみを示している。
即ち、図2(a)は過放電禁止、充電可能モード、つまりゲートG1がオフ側に、ゲートG2がオン側にそれぞれ駆動されている状態にあり、放電電流は阻止されているが充電側の電流は主スイッチM1の寄生ダイオードD1→主スイッチM2の経路で流れることが可能である。
この寄生ダイオードD1を流れる電流は、同時に双方向主スイッチと並列の双方向ミラースイッチ側の寄生ダイオードD3→ミラースイッチM4(図1参照)の経路でセンス抵抗Rsに流れる電流によって検出可能であり、この寄生ダイオードD1の過電流はさらにゲートG2をオフに駆動することで遮断することができる。
この寄生ダイオードD2を流れる電流も、同時に双方向主スイッチと並列の双方向ミラースイッチ側の寄生ダイオードD4→ミラースイッチM3(図1参照)の経路へセンス抵抗Rsから流れる電流によって検出可能であり、この寄生ダイオードD2の過電流はさらにゲートG1をオフに駆動することで遮断することができる。
なおこの場合、寄生ダイオードの電流特性をミラー経路と主経路とでミラー比率に等しくするために、このミラー経路と主経路にそれぞれ対応するソース領域とドレイン領域の面積および基板コンタクト領域の面積を正確にミラー比率にする。
即ち、トランジスタQ1とQ3(およびQ2とQ4)の電流特性を互いに比例させるのであればW長をミラー比率に合致させることが重要であるが、寄生ダイオードD1とD3(およびD2とD4)の電流特性を互いに比例させるためには、PN接合の対向面積をミラー比率に合致させることが重要になる。
双方向スイッチは図1に示されたようなドレインを共通にして、ソースが外部端子につながるタイプだけでなく、ソースを共通にしてドレインを外部端子につなげるタイプも可能である。またバッテリEの陰極側にNch双方向スイッチを挿入するタイプだけでなくバッテリEの陽極側にPch双方向スイッチを挿入することも可能である。
なお、双方向スイッチの一端をバッテリEの陽極側に接続した場合、オペアンプOp1の電源VDD、−VDDはバッテリEの陽極の電位に対しそれぞれ正、負の電位を持つものとする必要がある。
M1、M2 主スイッチ
M3、M4 ミラースイッチ
Q1、Q2 主MOSFET
Q3、Q4 ミラーMOSFET
D1、D2 主MOSFETの寄生ダイオード
D3、D4 ミラーMOSFETの寄生ダイオード
Rs センス抵抗
Op1 オペアンプ
VDD、−VDD オペアンプの電源
11 電圧差分器
11a 電流計測値
12 コンパレータ
13 ゲート制御回路
G1 主スイッチM1とミラースイッチM3のゲート
G2 主スイッチM2とミラースイッチM4のゲート
VB+、VB− 外部端子
Claims (6)
- 対向する極性で直列接続され双方向スイッチを構成する2つの主トランジスタ、この各主トランジスタとそれぞれ制御電極が結合され、前記直列接続に対応するように対向する極性で直列接続され、それぞれ対応する前記主トランジスタと対応する主電極同士の電位を等しくした条件下で対応する主トランジスタを流れる電流より小さい所定のミラー比率の電流を流すように形成された2つのミラートランジスタを備え、
前記主トランジスタの直列接続とミラートランジスタの直列接続との互いに対応する一端が共に主直流電源の一方の電極に接続されて、前記主トランジスタの直列接続が前記主直流電源の電流路に挿入され、
さらに前記2つの直列接続の他端の電位をそれぞれ高入力インピーダンスで入力し、この2つの電位を等しくするように前記ミラートランジスタの直列接続の他端にセンス抵抗を介し前記ミラー比率の電流を入出力する帰還増幅手段を備え、
前記センス抵抗の両端電圧から前記双方向スイッチの電流を検出することを特徴とする双方向スイッチの電流検出回路。 - 請求項1に記載の双方向スイッチの電流検出回路において、
前記帰還増幅手段は、自身の正負の入力端子がそれぞれ前記2つの直列接続の他端に接続され、自身の出力端子が前記センス抵抗の非ミラートランジスタ側に接続され、前記主直流電源の前記した一方の電極の電位に対しそれぞれ正負の電位をもつ2つの電源から給電されるオペアンプからなることを特徴とする双方向スイッチの電流検出回路。 - 請求項1または2に記載の双方向スイッチの電流検出回路において、 前記4つのトランジスタが同一チャネル型のMOSFETからなることを特徴とする双方向スイッチの電流検出回路。
- 請求項3に記載の双方向スイッチの電流検出回路において、
前記4つのトランジスタがNチャネルMOSFETからなり、前記2つの直列接続の互いに対応する一端が共に前記主直流電源の陰極に接続されてなることを特徴とする双方向スイッチの電流検出回路。 - 請求項3に記載の双方向スイッチの電流検出回路において、
前記4つのトランジスタがPチャネルMOSFETからなり、前記2つの直列接続の互いに対応する一端が共に前記主直流電源の陽極に接続されてなることを特徴とする双方向スイッチの電流検出回路。 - 少なくとも前記4つのトランジスタおよび帰還増幅手段が、半導体集積回路からなることを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の双方向スイッチの電流検出回路。
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