JP6393674B2 - 半導体集積回路及び定電流駆動システム - Google Patents

Description

本発明は、半導体集積回路及び定電流駆動システムに関する。

下記特許文献１には、直流−直流変換装置が開示されている。この直流−直流変換装置では、制御回路ＩＣの出力電圧が、外付け抵抗を用いた抵抗分割により分圧されて制御回路ＩＣの入力端子に入力されている。この直流−直流変換装置によれば、外付け抵抗の抵抗値を変更すれば、簡単に出力電圧が調整可能である。

しかしながら、上記直流−直流変換装置では、出力電圧が調整可能であるが、定電流出力は得られない。例えば、車載用バッテリによりＬＥＤ（light emitting diode）を駆動するシステムでは、ＬＥＤの輝度調整がＬＥＤに流れる電流量の調整によって実現されている。このため、調整可能な定電流出力を実現することができる半導体集積回路及びこの半導体集積回路が実装された定電流駆動システムが望まれていた。

特開２００９−１１８８６９２号公報

本発明は、上記事実を考慮し、調整可能な定電流出力を実現することができる半導体集積回路及びこの半導体集積回路を実装した定電流駆動システムを提供する。

本発明の第１実施態様に係る半導体集積回路は、定電圧が出力される定電圧回路と、定電圧回路の出力と外付け抵抗との接続経路における中間部のノード電圧と同一電圧の入力電圧が第１ゲート電極に入力され、一方の第１主電極領域が固定電源に接続され、かつ、他方の第２主電極領域が負荷を介して固定電源と異なる電源を供給する外部電源に接続され、第１ゲート電極に入力される入力電圧に基づいて第１主電極領域と第２主電極領域との間に定電流を流す第１トランジスタを含む定電流回路と、を備えている。

第１実施態様に係る半導体集積回路によれば、定電圧回路の出力と外付け抵抗との中間部のノード電圧が外付け抵抗の抵抗値に基づいて調整される。外付け抵抗によりノード電圧が調整されると、定電流回路の第１トランジスタの第１ゲート電極にノード電圧と同一電圧の入力電圧が入力される。第１トランジスタでは、第１主電極領域と第２主電極領域との間に入力電圧に基づく定電流を流すことができる。このため、外部電源から負荷に流れる電流が第１トランジスタに流れる定電流とされるので、外付け抵抗により調整可能な定電流出力を実現することができる。

本発明の第２実施態様に係る半導体集積回路では、第１実施態様に係る半導体集積回路において、定電流回路は、定電圧回路と中間部との間に接続され、外付け抵抗とにより中間部に定電圧を分圧させたノード電圧を発生させる抵抗を備えている。

第２実施態様に係る半導体集積回路によれば、定電流回路は、第１トランジスタと、外付け抵抗により分割抵抗を構成する抵抗とを含んで構成される。中間部のノード電圧は外付け抵抗の抵抗値を調整することにより調整可能である。このため、定電流回路が２つの素子により構成されるので、定電流回路を簡単な構成とすることができる。

本発明の第３実施態様に係る半導体集積回路では、第１実施態様又は第２実施態様に係る半導体集積回路において、定電流回路は、第１トランジスタと負荷との間に接続され、定電圧が入力電圧として第２ゲート電極に入力され、一方の第３主電極領域が第２主電極領域に接続され、かつ、他方の第４主電極領域が負荷に接続され、第２ゲート電極に入力される入力電圧に基づいて第３主電極領域と第４主電極領域との間に定電流を流す第２トランジスタを備えている。

第３実施態様に係る半導体集積回路によれば、定電流回路は、第１トランジスタと負荷との間に、定電圧回路から出力される定電圧を入力電圧とする第２トランジスタが接続される。第２トランジスタは、第２ゲート電極に入力される入力電圧に基づいて第３主電極領域と第４主電極領域との間に定電流を流すことができる。この定電流が更に第１トランジスタにより定電流とされるので、定電流のばらつきを小さくすることができる。

本発明の第４実施態様に係る半導体集積回路では、第３実施態様に係る半導体集積回路において、定電流回路は、中間部のノード電圧に対して、第１トランジスタの第１ゲート電極に入力される入力電圧を同一電圧とするカレントミラー回路を備えている。

第４実施態様に係る半導体集積回路によれば、定電流回路は、第１トランジスタと、カレントミラー回路とを含んで構成される。中間部のノード電圧は外付け抵抗を調整することにより調整可能である。そして、中間部のノード電圧はカレントミラー回路を介して同一電圧の入力電圧として第１トランジスタの第１ゲート電極に入力される。このため、定電流回路を簡易に構築することができる。

本発明の第５実施態様に係る定電流駆動システムは、第１実施態様〜第４実施態様のいずれか１つに係る半導体集積回路が実装され、中間部に接続された外付け抵抗を有する回路基板と、第１トランジスタの第２主電極領域に接続された負荷と、を備えている。

第５実施態様に係る定電流駆動システムによれば、回路基板の外付け抵抗の抵抗値を調整することにより、負荷に流れる定電流を調整することができる。このため、定電流駆動システムの半導体集積回路では、再度の設計並びに製作が必要とされない。

本発明の第６実施態様に係る定電流駆動システムは、第５実施態様に係る定電流駆動システムにおいて、負荷に外部電源が接続されている。

第６実施態様に係る定電流駆動システムによれば、第５実施態様に係る定電流駆動システムによる作用と同様の作用を得ることができ、外部電源を含めて定電流駆動システムを簡易に構築することができる。

本発明によれば、調整可能な定電流出力を実現することができる半導体集積回路及びこの半導体集積回路を実装した定電流駆動システムを提供することができるという優れた効果を有する。

本発明の第１実施の形態に係る半導体集積回路及びそれを回路基板に実装した定電流駆動システムの回路ブロック図である。 図１に示される半導体集積回路において定電流回路の第１トランジスタの入出力特性を示すグラフである。 本発明の第２実施の形態に係る半導体集積回路及びそれを回路基板に実装した定電流駆動システムの回路ブロック図である。 図３に示される半導体集積回路において定電流回路の第１トランジスタの入出力特性を示すグラフである。

以下、図１〜図４を用いて、本発明の実施の形態に係る半導体集積回路及び定電流駆動システムを説明する。

［第１実施の形態］
まず、図１及び図２を用いて、本発明の第１実施の形態に係る半導体集積回路及び定電流駆動システムを説明する。

（半導体集積回路の回路構成）
図１に示されるように、本実施の形態に係る定電流駆動システム１０は、外部電源１２と、負荷１４と、半導体集積回路１６と、外付け抵抗１８と、回路基板２０とを備えている。半導体集積回路１６及び外付け抵抗１８は回路基板２０に実装されている。また、本実施の形態では、負荷１４は、回路基板２０に実装されずに回路基板２０の外付けとされているが、回路基板２０に実装されてもよい。

外部電源１２には車載用バッテリが使用されている。外部電源１２は負荷１４の一端に接続され、例えば外部電源１２から負荷１４へ１２Ｖ又は２４Ｖの電圧が供給される。負荷１４として、ここではＬＥＤが使用されている。また、負荷１４の他端は半導体集積回路１６に接続されている。外付け抵抗１８の一端は半導体集積回路１６に接続され、外付け抵抗１８の他端は固定電源２２に接続されている。固定電源２２は、外部電源１２から供給される電圧と異なる電圧を半導体集積回路１６に供給し、ここでは０Ｖ（接地）である。

半導体集積回路１６は、定電圧を生成してこの定電圧を出力する定電圧回路３０と、負荷１４を定電流により駆動し、かつ、外付け抵抗１８の抵抗値の調整により定電流を調整可能な定電流回路３２とを備えている。詳しく説明すると、定電流回路３２は、抵抗３４と、第１トランジスタ３６とを含んで構成されている。

抵抗３４の一端は定電圧回路３０の出力に接続され、抵抗３４の他端は中間部３８を介して外付け抵抗１８の一端に接続されている。抵抗３４は半導体集積回路１６に作り込まれて一定の抵抗値に設定されている。抵抗３４は外付け抵抗１８に直列に接続され、抵抗３４及び外付け抵抗１８は分割抵抗として構成されている。このため、定電圧回路３０から出力される定電圧は分割抵抗により分圧され、分圧された電圧は中間部１８のノード電圧とされる。ここで、中間部３８は、半導体集積回路１６において、定電圧回路３０の出力と外付け抵抗１８との接続経路における中間部である。

本実施の形態において第１トランジスタ３６はｎチャネル型絶縁ゲート電界効果トランジスタ（ＩＧＦＥＴ：Insulated Gate Field Effect Transistor）により構成されている。ここで、ＩＧＦＥＴには、金属−酸化物−半導体型電界効果トランジスタ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、金属−絶縁物−半導体型電界効果トランジスタ（Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor）等が含まれている。第１トランジスタ３６の第１ゲート電極は中間部３８に接続され、中間部１８のノード電圧が入力電圧として第１ゲート電極に印加される。第１トランジスタ３６の一方の第１主電極領域はソース領域であり、ソース領域は固定電源２２に接続されている。他方の第２主電極領域はドレイン領域であり、ドレイン領域は負荷１４の他端に接続されている。この第１トランジスタ３６は、第１ゲート電極に入力される入力電圧に基づいて、ソース領域とドレイン領域との間に定電流を流す構成とされている。

（本実施の形態の作用及び効果）
本実施の形態に係る半導体集積回路１６は、図１に示されるように、定電圧回路３０の出力と外付け抵抗１８との中間部３８のノード電圧が外付け抵抗１８の抵抗値に基づいて調整される。外付け抵抗１８によりノード電圧が調整されると、定電流回路３２の第１トランジスタ３６の第１ゲート電極にノード電圧と同一電圧の入力電圧が入力される。

ここで、図２に第１トランジスタ３６の入出力特性が示されている。横軸は第１トランジスタ３６の第１ゲート電極に入力される入力電圧［Ｖ］である。縦軸は第１トランジスタ３６のソース領域とドレイン領域との間に流れる電流［ｍＡ］である。符号Ａは、外付け抵抗１８の抵抗値を４［ｋΩ］に調整した際の電圧−電流特性である。符号Ｂは、外付け抵抗１８の抵抗値を１０［ｋΩ］に調整した際の電圧−電流特性である。

図２に示されるように、第１トランジスタ３６では、外付け抵抗１８の抵抗値を変えると、第１ゲート電極に入力される入力電圧が変化し、この入力電圧に基づいて、ソース領域とドレイン領域との間に飽和領域において定電流を流すことができる。例えば、定電圧回路３０から出力される定電圧が５［Ｖ］、外付け抵抗１８の抵抗値が４［ｋΩ］のとき、第１トランジスタ３６には０．８［ｍＡ］の定電流が流れる。また、定電圧回路３０から出力される定電圧が同様に例えば５［Ｖ］に設定され、外付け抵抗１８の抵抗値が１０［ｋΩ］に設定されるとき、第１トランジスタ３６には１．８［ｍＡ］の定電流が流れる。さらに、本実施の形態に係る半導体集積回路１６において、定電圧回路３０から出力される定電圧が８［Ｖ］〜１５［Ｖ］の範囲では、第１トランジスタ３６に±２０［％］の精度により定電流を流すことができる。

このため、外部電源１２から負荷１４に流れる電流が第１トランジスタ３６に流れる定電流とされるので、外付け抵抗１８により調整可能な定電流出力を実現することができる。例えば、負荷１４としてＬＥＤが使用される場合には、外付け抵抗１８を取り替えて抵抗値を調整する（中間部３８のノード電圧を調整する）ことにより、ＬＥＤの輝度を簡易に調整することができる。

また、本実施の形態に係る半導体集積回路１６では、定電流回路３２は、第１トランジスタ３６と、外付け抵抗１８により分割抵抗を構成する抵抗３４とを含んで構成される。中間部３８のノード電圧は外付け抵抗１８の抵抗値を調整することにより調整可能である。このため、定電流回路３２が２つの素子により構成されるので、定電流回路３２を簡単な構成とすることができる。

さらに、本実施の形態に係る定電流駆動システム１０では、回路基板２０の外付け抵抗１８の抵抗値を調整することにより、負荷１４に流れる定電流を調整することができる。このため、定電流駆動システム１０の半導体集積回路１６では、再度の設計並びに製作が必要とされずに、外付け抵抗１８の取り替えだけで負荷１４に流れる定電流が調整可能とされる。そして、外部電源１２を含めて、定電流駆動システム１０を簡易に構築することができる。

［第２実施の形態］
図３及び図４を用いて、本発明の第２実施の形態に係る半導体集積回路１６及び定電流駆動システム１０を説明する。なお、本実施の形態において、第１実施の形態に係る半導体集積回路１６及び定電流駆動システム１０の構成要素と同一又は同等の機能を有する構成要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

（半導体集積回路の回路構成）
図３に示されるように、本実施の形態に係る定電流駆動システム１０は、第１実施の形態に係る定電流駆動システム１０と同様に、外部電源１２と、負荷１４と、半導体集積回路１６と、外付け抵抗１８と、回路基板２０とを備えている。本実施の形態に係る定電流駆動システム１０では、第１実施の形態に係る定電流駆動システム１０に対して、回路基板２０に実装された半導体集積回路１６の回路構成に違いがある。

詳しく説明すると、半導体集積回路１６は、定電圧回路３０と、定電流回路４０とを備えている。定電流回路４０は、第１トランジスタ３６と、この第１トランジスタ３６に加えて、第１トランジスタ３６と負荷１４との間に接続された第２トランジスタ４２と、カレントミラー回路４４とを備えている。

カレントミラー回路４４は、入力側電流経路を構成するｎｐｎバイポーラトランジスタ４６及びｐチャネル型ＩＧＦＥＴ４８と、出力側電流経路を構成するｎチャネル型ＩＧＦＥＴ５２及びｐチャネル型ＩＧＦＥＴ５０とを含んで構成されている。入力側電流経路のバイポーラトランジスタ４６は、定電圧回路３０の出力にベース領域を接続し、ベース領域（又は定電圧回路３０）と外付け抵抗１８との接続経路における中間部３８にエミッタ領域を接続し、ｐチャネル型ＩＧＦＥＴ４８のドレイン領域及びゲート電極にコレクタ領域を接続して構成されている。ｐチャネル型ＩＧＦＥＴ４８のソース領域は定電圧回路３０の出力に接続されている。一方、出力側電流経路のｎチャネル型ＩＧＦＥＴ５２は、固定電源２２にソース領域を接続し、ｐチャネル型ＩＧＦＥＴ５０のドレイン領域にドレイン領域を接続して構成されている。ゲート電極は、ｎチャネル型ＩＧＦＥＴ５２のドレイン領域に接続されると共に、第１トランジスタ３６の第１ゲート電極に接続されている。ｐチャネル型ＩＧＦＥＴ５０は、定電圧回路３０の出力にソース領域を接続し、ｐチャネル型ＩＧＦＥＴ４８のゲート電極にゲート電極を接続して構成されている。

第２トランジスタ４２は、第１トランジスタ３６と同様に、ｎチャネル型ＩＧＦＥＴにより構成されている。第２トランジスタ４２の第２ゲート電極は定電圧回路３０の出力に接続され、第２ゲート電極に定電圧の入力電圧が入力される。第２トランジスタ４２の一方の第３主電極領域はソース領域であり、このソース領域は第１トランジスタ３６のドレイン領域に接続されている。第２トランジスタ４２の他方の第４主電極領域はドレイン領域であり、このドレイン領域は負荷１４を介して外部電源１２に接続されている。本実施の形態に係る半導体集積回路１６では、第１トランジスタ３６及び第２トランジスタ４２が、負荷１４と固定電源２２との間に直列に接続された２段構成とされている。

（本実施の形態の作用及び効果）
本実施の形態に係る半導体集積回路１６は、図３に示されるように、定電圧回路３０の出力と外付け抵抗１８との中間部３８のノード電圧が外付け抵抗１８の抵抗値に基づいて調整される。外付け抵抗１８によりノード電圧が調整されると、定電流回路４０の第１トランジスタ３６の第１ゲート電極にノード電圧と同一電圧の入力電圧が入力される。

詳しく説明すると、定電流回路４０はカレントミラー回路４４を備えるので、定電圧回路３０から出力される定電圧が、まずカレントミラー回路４４のバイポーラトランジスタ４６のベース領域に入力される。バイポーラトランジスタ４６では、ベース領域からエミッタ領域へベース−エミッタ間電流が流れる。これにより、エミッタ領域と外付け抵抗１８との中間部３８には、定電圧回路３０の出力電圧から、ベース領域とエミッタ領域とのｐｎ接合ダイオードの閾値電圧分を差し引いた電圧がノード電圧として発生する。このノード電圧に応じて、定電圧回路３０から固定電源２２へ、ｐチャネル型ＩＧＦＥＴ４８及びバイポーラトランジスタ４６を通して入力電流が流れる。そして、カレントミラー回路４４では、定電圧回路３０から固定電源２２へ、入力電流と同一の出力電流がｐチャネル型ＩＧＦＥＴ５０及びｎチャネル型ＩＧＦＥＴ５２を通して流れる。この出力電流により、第１トランジスタ３６の第１ゲート電極には、中間部３８のノード電圧と同一電圧が入力電圧として入力され、この入力電圧に基づいて第１トランジスタ３６に定電流を流すことができる。

また、本実施の形態に係る半導体集積回路１６の定電流回路４０は、第１トランジスタ３６と負荷１４との間に、定電圧回路３０から出力される定電圧を入力電圧とする第２トランジスタ４２を備える。第２トランジスタ４２は、入力電圧に基づいてソース領域とドレイン領域との間に定電流を流すことができる。この定電流は更に第１トランジスタ３６により定電流とされるので、定電流のばらつきを小さくすることができる。

ここで、図４に第１トランジスタ３６の入出力特性が示されている。横軸は第１トランジスタ３６の第１ゲート電極に入力される入力電圧［Ｖ］である。縦軸は第１トランジスタ３６のソース領域とドレイン領域との間に流れる電流［ｍＡ］である。符号Ｃは、外付け抵抗１８の抵抗値を４７［ｋΩ］に調整した際の電圧−電流特性である。

図４に示されるように、第１トランジスタ３６では、外付け抵抗１８の抵抗値を変えると、第１ゲート電極に入力される入力電圧が変化し、この入力電圧に基づいて、ソース領域とドレイン領域との間に飽和領域において定電流を流すことができる。例えば、定電圧回路３０から出力される定電圧が５［Ｖ］、外付け抵抗１８の抵抗値が４７［ｋΩ］のとき、第１トランジスタ３６に１６［ｍＡ］の定電流が流れる。また、本実施の形態に係る半導体集積回路１６において、定電圧回路３０から出力される定電圧が８［Ｖ］〜１５［Ｖ］の範囲では、第１トランジスタ３６に±０．１［％］の精度により定電流を流すことができる。

このため、外部電源１２から負荷１４に流れる電流が第１トランジスタ３６に流れる定電流とされるので、外付け抵抗１８により調整可能な定電流出力を実現することができ、加えて定電流出力のばらつきを小さくすることができる。

そして、第１実施の形態に係る定電流駆動システム１０と同様に、本実施の形態に係る定電流駆動システム１０では、回路基板２０の外付け抵抗１８の抵抗値を調整することにより、負荷１４に流れる定電流を調整することができる。このため、定電流駆動システム１０の半導体集積回路１６は、再度の設計並びに製作が必要とされない。また、外部電源１２を含めて定電流駆動システム１０を簡易に構築することができる。

［上記実施の形態の補足説明］
本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において例えば以下の通り変形可能である。例えば、本発明は、第１実施の形態に係る半導体集積回路において、定電流回路を第１トランジスタと第２トランジスタとの２段構成としてもよい。また、本発明は、第２実施の形態に係る定電流駆動システムにおいて、回路基板に負荷が実装されてもよい。

１０ 定電流駆動システム
１２ 外部電源
１４ 負荷
１６ 半導体集積回路
１８ 外付け抵抗
２０ 回路基板
３０ 定電圧回路
３２、４０ 定電流回路
３４ 抵抗
３６ 第１トランジスタ
３８ 中間部
４２ 第２トランジスタ
４４ カレントミラー回路

Claims (3)

1. 定電圧を出力する定電圧回路と、
   当該定電圧回路の出力と外付け抵抗との接続経路における中間部のノード電圧が前記外付け抵抗の抵抗値に基づいて調整されると第１入力電圧が変化し、この第１入力電圧が第１ゲート電極に入力され、一方の第１主電極領域が固定電源に接続され、前記第１ゲート電極に入力される前記第１入力電圧に基づいて前記第１主電極領域と他方の第２主電極領域との間に定電流を流す第１トランジスタと、前記定電圧が第２入力電圧として第２ゲート電極に入力され、一方の第３主電極領域が前記第２主電極領域に接続され、かつ、他方の第４主電極領域が負荷を介して前記固定電源と異なる電源を供給する外部電源に接続され、前記第２ゲート電極に入力される前記第２入力電圧に基づいて前記第３主電極領域と前記第４主電極領域との間に定電流を流す第２トランジスタと、を有する定電流回路と、
   を備えた半導体集積回路。
2. 前記定電流回路は、前記中間部のノード電圧が前記外付け抵抗の抵抗値に基づいて調整されると、前記第１ゲート電極に入力される前記第１入力電圧が変化するカレントミラー回路を備えている請求項１に記載の半導体集積回路。
3. 前記カレントミラー回路は、
   第３トランジスタ及びバイポーラトランジスタを有する入力側電流経路と、
   第４トランジスタ及び第５トランジスタを有する出力側電流経路と、
   を備え、
   前記第３トランジスタは、一方の第５主電極領域を前記定電圧に接続し、他方の第６主電極領域を前記バイポーラトランジスタのコレクタ領域に接続し、第３ゲート電極を前記第４トランジスタの第４ゲート電極に接続し、
   前記バイポーラトランジスタは、ベース領域を前記定電圧に接続し、エミッタ領域を前記中間部に接続し、
   前記第４トランジスタは、一方の第７主電極領域を前記定電圧に接続し、他方の第８主電極領域を前記第５トランジスタの一方の第９主電極領域及び第５ゲート電極と前記第１ゲート電極に接続し、
   前記第５トランジスタは、他方の第１０主電極領域を前記固定電源に接続している
   請求項２に記載の半導体集積回路。
   

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