(57)【要約】【課題】起動時に過電流が生じても過電流保護回路が動作されるようにすると共に、正常動作時に生じた過電流を正確に検出できるようにする。【解決手段】パワーＭＯＳトランジスタ１１に主電流が流れる主電流素子１１ａと主電流に応じた検出電流Ｉｋが流れる検出素子１１ｂを形成し、検出素子１１ｂに流れる電流に基づいて過電流を検出する第１の検出回路１６と、主電流素子１１ａに流れる電流に基づいて過電流を検出する第２の検出回路１８とを設け、ゲートコントロール回路１３を第１の検出回路１６と第２の検出回路１８が共に過電流を検出したときに不動作させる。【選択図】    図１
2004274865.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主電流が流れる主電流素子と主電流に応じた検出電流が流れる検出素子とを有し、負荷に負荷電流を供給するゲート制御型のパワートランジスタと、
前記検出素子に主電流に比例して流れる電流に基づいて過電流を検出する第１の検出回路と、
前記主電流素子に流れる電流に基づいて過電流を検出する第２の検出回路と、
前記第１の検出回路と第２の検出回路が共に過電流を検出したときに、パワートランジスタを不動作させるゲートコントロール回路とよりなることを特徴とする過電流保護回路。
【請求項２】
主電流が流れる主電流素子と主電流に応じた検出電流が流れる検出素子を有し、負荷に負荷電流を供給するゲート制御型のパワートランジスタと、
前記検出素子に接続された検出抵抗に生じる検出電圧と基準電圧とを比較する第１の検出回路と、
前記主電流素子に接続された負荷への電圧と基準電圧とを比較する第２の検出回路と、
前記第１の検出回路と第２の検出回路からの出力信号および前記パワートランジスタのゲート電極に加えられるゲート電極信号が共に加えられたときに過電流保護信号を発生する保護信号発生回路とよりなり、
前記保護信号発生回路より発生される過電流保護信号でゲートコントロール回路を不動作させ、それによりパワートランジスタを不動作させ過電流より保護することを特徴とする過電流保護回路。
【請求項３】
前記第１および第２の検出回路はオペアンプであり、一方の入力端子に加えられる基準電圧の大きさを選定して過電流の検出値を定めることを特徴とする請求項２記載の過電流保護回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はパワートランジスタに過電流が流れ、パワートランジスタが破壊されるのを保護する過電流保護回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
テレビジョン受像機あるいはオーディオ機器等の電源に商業電源から必要とする直流電圧が容易に得られることからスイッチング電源回路が多く用いられている。斯かるスイッチング電源回路等に用いられるパワートランジスタに過電流が流れるとパワートランジスタは破壊されるので、過電流が流れたことを検出して保護する必要がある。
【０００３】
図３は従来の過電流保護回路の回路図である。パワーＭＯＳトランジスタ１のゲート電極にはゲートコントロール回路２を介してパルス信号が加えられる。ゲートコントロール回路２とアース間には保護用トラスンジスタ３のコレクタ・ソースが接続されている。
【０００４】
また保護用トランジスタ３のゲート電極はパワートランジスタ１のドレイン電極に接続されている。パワートランジスタ１のドレイン電極には負荷抵抗４が接続されている。
【０００５】
今パワートランジスタ１のドレイン・ソース間に流れると、ドレイン電極の電圧が上昇する。従ってパワートランジスタ１のドレイン電極端子の電圧ＶＤＳは
ＶＤＳ＝ＩＤＳ×Ｒ
ここで、ＩＤＳはパワートランジスタ１のドレイン・ソース電流
Ｒは負荷抵抗の抵抗値である。
【０００６】
負荷抵抗Ｒを１Ωとしおけば、パワートランジスタ３のドレイン・ソース電流ＩＤＳが１Ａになると、パワートランジスタ１のドレイン電極端子の端子電圧ＶＤＳは１Ｖとなる。１Ａ以上の電流であるドレイン・ソース電流ＩＤＳが流れると、ドレイン電極端子の端子電圧ＶＤＳが１Ｖ以上となる。端子電圧ＶＤＳが１Ｖ以上となると過電流であると設定し、保護用トランジスタ３をオフさせ、ゲートコントロール回路２を不動作させるため、パワートランジスタ１は不動作されて破壊から保護する。
【０００７】
ところで図４に示すように、パワートランジスタ１のドレイン・ソース電極間は電源投入前に無限大の抵抗値であるため、パワートランジスタ１のドレイン電極端子は１Ｖ以上となる。これは過電流が流れたのと同じ状態を呈し保護用トランジスタ３がオンされ、ゲートコントロール回路２をオフしてしまうために、起動できないこととなる。
【０００８】
そこで、図４に示す電源投入時Ｔ０からＴ１の期間、例えばコンデンサ５を接続する等し、その間保護用トランジスタ３がオンされないようにしている。しかし負荷が短絡されているとき等には前述の電源投入時Ｔ０からＴ１の期間にパワートランジスタ１に過電流が流れることがある。前述した通り、起動状態Ｔ０からＴ１の期間は保護用トランジスタ３が強制的にオフされているので、過電流に対する保護動作が働かずパワートランジスタ１を破壊してしまう。
【０００９】
図５は斯かる欠点を除去したものである。パワーＭＯＳトランジスタ７は同一半導体チップ上に主電流素子７ａと共に検出素子７ｂとが設けられている。主電流素子７ａと検出素子７ｂはユニットセルがＷ：１（例えば１００：１）となるように分割され並列接続されている。
【００１０】
図６の等価回路で示すように、主電流素子７ａと検出素子７ｂはゲート電極が接続され、パルス状のゲート信号が加えられる。またドレイン電極も共に接続され負荷８への電流が流れる。検出素子７ｂのソース電極には検出抵抗９が接続されているが、主電流素子７ａのソース電極はそのままアースし損失がないようにしている。検出素子７ｂのソース電極と検出抵抗９との接続点には過電流検出用トランジスタ１０が接続されている。
【００１１】
ゲート電極にパルス状のゲート信号が加わるごとにパワーＭＯＳトランジスタ７の主電流素子７ａと検出素子７ｂがオンし、主電流素子７ａのドレイン・ソースを介して負荷８に負荷電流Ｉｄを供給する。そしてパワーＭＯＳトランジスタ７の検出素子７ｂのドレイン・ソースにも負荷電流Ｉｄに比例した検出電流Ｉｋが流れる。
【００１２】
主電流素子７ａのドレイン・ソース間に過大な負荷電流Ｉｄが流れると、検出電流Ｉｋも増加し、検出素子７ｂに接続された検出抵抗９の検出電位も高まり、過電流設定値を超えると過電流検出用トランジスタ１０がオンされる。それによりゲートコントロール回路２が不動作されるので、パワーＭＯＳトランジスタ７も不動作され過電流から保護される。
【００１３】
前述の検出素子７ｂに接続された検出抵抗９の検出電位は正常の起動時には過電流設定値を超えることがないので、過電流検出用トランジスタ１０がオンされることない。そして負荷が短絡されている等して起動時に過電流が流れたときには検出抵抗９の検出電位が過電流設定値を超え、過電流検出用トランジスタ１０がオンし、ゲートコントロール回路２が不動作される。ゲートコントロール回路２が不動作されることによりパワートランジスタ７も不動作され過電流から保護される。
【００１４】
しかし主電流素子７ａのソース端子Ｓ１と検出素子７ｂの検出端子Ｓ２との間に電圧降下（検出電圧ＶＫ）が発生するので、主電流素子７ａのドレイン・ソース間に印加される電圧ＶＤＳ１と検出素子７ｂのドレイン・ソース間に印加される電圧ＶＤＳ２とが検出電圧ＶＫだけ異なる。即ち
ＶＤＳ２＝ＶＤＳ１−ＶＫ
となる。このため検出素子７ｂに実際に流れる電流は、主電流素子７ａと検出素子７ｂのユニットセルの分割比（１００：１）によらなくなり、パワートランジスタ７に流れる過電流を正確には検出されないこととなる。
【００１５】
【特許文献１】
特開２００１−２１１０５９号公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
図３に示すような、パワーＭＯＳトランジスタ１のゲート電極に接続されたゲートコントロール回路２とアース間には保護用トラスンジスタ３のコレクタ・ソースを接続する。そして保護用トランジスタ３のベース電極にパワーＭＯＳトランジスタ１のドレイン電圧を加えている。そして負荷の短絡等により過電流が生じ、ドレイン電圧が設定値を超えたとき保護用トランジスタ３をオンし、ゲートコントロール回路２を不動作させてワーＭＯＳトランジスタ１をオフさせ過電流から保護している。
【００１７】
このようにパワーＭＯＳトランジスタ１のドレイン電極を検出する過電流保護回路では起動時に誤動作しないようにするため、過電流保護が動作しないようにしている。従って起動時に過電流が流れたときには過電流保護回路が動作せず、パワーＭＯＳトランジスタが破壊してしまう。
【００１８】
また図５に示すような、パワーＭＯＳトランジスタ７を同一半導体チップ上に主電流素子７ａと検出素子７ｂとが設け、主電流素子７ａと検出素子７ｂが１００：１となるように分割され並列接続する。そして検出素子７ｂのソース電極に接続された検出抵抗９に生じる検出電圧が設定値を超えたとき、過電流検出用トランジスタ１０をオンし、過電流保護するものにおいては、パワーＭＯＳトランジスタ７の主電流素子７ａと検出素子７ｂ間の端子間に電位差が生じ、検出素子の検出端子では過電流を正確に検出できないこととなる。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明は起動時に過電流が生じても過電流保護回路が動作されるようにすると共に、過電流を正確に検出できるようにするもので、
主電流が流れる主電流素子と主電流に応じた検出電流が流れる検出素子を有し、負荷に負荷電流を供給するゲート制御型のパワートランジスタと、前記検出素子に流れる電流に基づいて過電流を検出する第１の検出回路と、前記主電流素子に流れる電流に基づいて過電流を検出する第２の検出回路と、前記第１の検出回路と第２の検出回路が共に過電流を検出したときに、パワートランジスタを不動作させるゲートコントロール回路とよりなる過電流保護回路を提供する。
【００２０】
また本発明は主電流が流れる主電流素子と主電流に応じた検出電流が流れる検出素子を有し、負荷に主電流素子に流れる電流を供給するゲート制御型のパワートランジスタと、前記検出素子に接続された検出抵抗の検出電圧と基準電圧とを比較する第１の検出回路と、前記主電流素子に接続された負荷への電圧と基準電圧とを比較する第２の検出回路と、前記第１の検出回路と第２の検出回路からの出力信号および前記パワートランジスタのゲート電極に加えられるゲート信号が共に加えられたときに過電流保護信号を発生する保護信号発生回路とよりなり、前記保護信号発生回路の過電流保護信号でゲートコントロール回路を不動作させ、それによりパワートランジスタを不動作させる過電流より保護する過電流保護回路を提供する。
【００２１】
さらに前記第１および第２の検出回路はオペアンプであり、一方の入力端子に加えられる基準電圧の大きさを選定して過電流の検出値を定める過電流保護回路を提供する。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図１および図２を参照して詳細に説明する。
【００２３】
図１において、パワーＭＯＳトランジスタ１１は同一半導体チップに主電流が流れる主電流素子１１ａと主電流に応じた検出電流が流れる検出素子１１ｂが設けられている。主電流素子１１ａと検出素子１１ｂはユニットセルがＷ：１（例えば１００：１）となるように分割され並列接続されている。
【００２４】
図２にパワーＭＯＳトランジスタ１１の等価回路を示す。主電流素子１１ａと検出素子１１ｂはドレイン電極が接続され共に負荷１２に接続されている。同様に主電流素子１１ａと検出素子１１ｂのゲート電極も接続され、共にゲートコントロール回路１３に接続されている。ゲートコントロール回路１３からはパルス状のゲート信号Ｇが発生され、主電流素子１１ａと検出素子１１ｂのゲート電極に加えられ、パワーＭＯＳトランジスタ１１をオン・オフさせ所定の負荷電圧が得られるようにしている。
【００２５】
パワーＭＯＳトランジスタ１１の検出素子１１ｂのソース電極には検出抵抗１４が接続されているが、主電流素子１１ａのソース電極はそのままアースし損失がないようにしている。
【００２６】
第１のオペアンプからなる第１の検出回路１６の＋端子は検出抵抗１４の検出端子Ｓ２に接続され、−端子には基準電圧原１７接続されている。そして＋端子に加えられる検出端子Ｓ２で検出される検出電圧Ｖｋが−端子に加えられる基準電圧源１７の基準電圧ｒｅｆ１より大きいとき第１の検出回路１６から出力信号を発生する。
【００２７】
また第２のオペアンプからなる第２の検出回路１８の＋端子はパワーＭＯＳトランジスタ１１の主電流素子１１ａのドレイン電極端子Ｄに接続され、−端子には基準電圧原１９接続されている。第１の検出回路１６と同様に＋端子に加えられるパワーＭＯＳトランジスタ１１のドレイン電圧Ｖｄが−端子に加えられる基準電圧源１９の基準電圧ｒｅｆ２より大きいとき第２の検出回路１８から出力信号を発生する。
【００２８】
従って第１の基準電圧源１７の基準電圧ｒｅｆ１および第２の基準電圧源１９の基準電圧ｒｅｆ２は過電流を検出することが出来るような電圧の大きさに選定している。
【００２９】
保護信号発生回路２０の入力端子には第１の検出回路１６および第２の検出回路１８の出力信号とゲートコントロール回路１３に加えられるゲート信号が加えられ、入力端子に加えられるこれら信号が全てハイレベルとなると過電流保護信号が発生する。
【００３０】
本発明の過電流保護回路は上述のような構成をなしており、電源スイッチ（図示せず）を投入するとＶＤＤが加えられ、パワーＭＯＳトランジスタ１１は動作状態にされる。またゲートコントロール回路１３からパルス状のゲート信号が発生し、パワーＭＯＳトランジスタ１１の主電流素子１１ａおよび検出素子１１ｂのゲート電極に加えられる。パワーＭＯＳトランジスタ１１の主電流素子１１ａおよび検出素子１１ｂはゲート電極にゲート信号が加えられる毎にオンされ、ゲート信号のデューティを選定することにより負荷１２に必要な大きさの負荷電圧を供給する。
【００３１】
図２に示すように、主電流素子１１ａおよび検出素子１１ｂには例えば１００：１のユニット比にされていると、主電流素子１１ａのドレイン・ソース間の抵抗は１Ωで、検出素子１１ｂのドレイン・ソース間の抵抗は１００Ωとなる。
従って主電流素子１１ａのドレイン・ソース間に流れる負荷電流Ｉｄと検出素子１１ｂのドレイン・ソース間に流れる検出電流の比は１００：１となる。
【００３２】
起動状態ではドレイン電極端子Ｄのドレイン電圧Ｖｄは高いので、第２の検出回路１８の＋入力端子に加わるドレイン電圧Ｖｄは基準電圧源１９の基準電圧ｒｅｆ２より大きくなるので出力信号を発生し、保護信号発生回路２０に出力信号が加えられる。
【００３３】
しかし正常な起動時はパワーＭＯＳトランジスタ１１の検出素子１１ｂのドレイン・ソース間に流れる検出電流Ｉｄは少なく、検出抵抗１４の検出端子Ｓ２に検出される検出電圧Ｖｋは小さい。起動時に検出素子１１ｂに流れる検出電流によって検出端子Ｓ２に生じる第１の検出回路１６の＋入力端子に加わる検出電圧Ｖｋは基準電圧源１７の基準電圧ｒｅｆ１より小さくなるようにしているので、第１の検出回路１６から出力信号が発生しない。
【００３４】
従って保護信号発生回路２０から過電流保護信号が発生することがないので、ゲートコントロール回路１３は正常動作を続け、パワーＭＯＳトランジスタ１１にゲート信号を加える。パワーＭＯＳトランジスタ１１はゲート信号が加わる毎にオンに負荷電圧を高めていく。
【００３５】
もし起動時に負荷１２がショートしている等してパワーＭＯＳトランジスタ１１の主電流素子１１ａに過電流Ｉｄが流れる。すると検出素子１１ｂにもユニット比に比例した検出電流Ｉｋが流れる。過負荷電流Ｉｄが１Ａ以上流れたときに過電流保護を動作させるようにするには、検出電流Ｉｋは０．０１Ａ以上であるので、検出抵抗１４の抵抗値を１Ωとすると、検出電圧Ｖｋが０．０１Ｖ以上になる。
【００３６】
従って基準電圧源１７の基準電圧を０．０１Ｖ以下にしておけば、検出電流が０．０１Ａ以上となると第１の検出回路１６から出力信号が生じる。前述したように、起動時は第２の検出回路１８からも出力信号が発生しているため、保護信号発生回路２０にゲートコントロール回路１３に加えられるパルス信号が加えられたときに保護制御信号を発生するので、ゲートコントロール回路１３は不動作される。それゆえにゲートコントロール回路１３からはゲート信号が発生されず、パワーＭＯＳトランジスタ１１をオフさせるので、パワーＭＯＳトランジスタ１１は過電流から保護される。
【００３７】
正常な動作状態ではゲートコントロール回路１３からのゲート信号にてパワーＭＯＳトランジスタ１１はオン・オフ動作を繰返し、負荷１２に必要とする負荷電圧を供給する。
【００３８】
正常な動作状態ではパワーＭＯＳトランジスタ１１のドレイン電圧Ｖｄは低く、第２の検出回路１８に接続された基準電圧源１９の基準電圧ｒｅｆ２より小さいので、第２の検出回路１８からは出力信号を発生しない。
【００３９】
一方パワーＭＯＳトランジスタ１１の検出素子１１ｂのドレイン・ソース間にも主電流Ｉｄに比例して検出電流Ｉｋが流れる。検出電流Ｉｋが流れることにより、検出端子Ｓ２に検出電圧Ｖｋが生じる。検出端子Ｓ２に検出された検出電圧Ｖｋは第１の検出回路１６の＋入力端子に加わる。
【００４０】
検出電圧Ｖｋは正常状態では基準電圧源１７の基準電圧ｒｅｆ１より小さいため、第１の検出回路１６から出力信号は発生しない。しかし正常状態の上限である過電流認識状態では基準電圧源１７の基準電圧ｒｅｆ１より大きくなるようにしているため、第１の検出回路１６から出力信号が発生する。
【００４１】
この過電流認識状態ではまだ第２の検出回路１８からは出力信号が発生しないので、保護信号発生回路２０からは過電流保護信号が発生せず、過電流保護動作をすることがない。
【００４２】
何等かの原因でパワーＭＯＳトランジスタ１１に過電流（例えば１Ａ以上）が流れると、パワーＭＯＳトランジスタ１１のドレイン電圧Ｖｄ（１Ｖ以上）は高まり、第２の検出回路１８に接続された基準電圧源１９の基準電圧ｒｅｆ２より大きくなるので、第２の検出回路１８からは出力信号を発生する。
【００４３】
またこの過電流状態では前述したように、検出端子Ｓ２に生じる検出電圧Ｖｋが基準電圧源１７の基準電圧ｒｅｆ１より大きくなるようにしているので、第１の検出回路１６からも出力信号が発生している。
【００４４】
従って第２の検出回路１８から出力信号が発生すると、保護信号発生回路２０の入力端子に加えられる第１の検出回路１６および第２の検出回路１８からの出力信号が加わるので、保護信号発生回路２０にパルス信号が加えられたときに過電流保護信号を発生する。
【００４５】
保護信号発生回路２０からの過電流保護信号がゲートコントロール回路１３に加えられると、ゲートコントロール回路１３は不動作される。それゆえにゲートコントロール回路１３からはゲート信号が発生されず、パワーＭＯＳトランジスタ１１をオフさせるので、パワーＭＯＳトランジスタ１１は過電流から保護される。
【００４６】
【発明の効果】
本発明の過電流保護回路はパワーＭＯＳトランジスタに主電流が流れる主電流素子と主電流に応じた検出電流が流れる検出素子を形成し、検出素子に流れる電流に基づいて過電流を検出する第１の検出回路と、主電流素子に流れる電流に基づいて過電流を検出する第２の検出回路とを設け、ゲートコントロール回路を第１の検出回路と第２の検出回路が共に過電流を検出したときに不動作させる。
【００４７】
従って、従来のようにパワーＭＯＳトランジスタのドレイン電圧で過電流を検出していたものでは起動時に誤動作するため過電流検出機能を不動作させる必要があったが、そのような必要がないので、起動時に過電流が発生しても過電流を検出しパワーＭＯＳトランジスタが破壊するのを防止できる。
【００４８】
また正常な動作時にパワーＭＯＳトランジスタに過電流が流れたときには、過電流が流れたことをパワーＭＯＳトランジスタのドレイン電圧で検出し、過電流保護動作を開始するので、従来パワーＭＯＳトランジスタの検出素子に流れる検出電流により過電流検出していたときの過電流開始動作遅れを無くすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の過電流保護回路のブロック図である。
【図２】本発明の過電流保護回路に用いたパワーＭＯＳトランジスタの等価回路図である。
【図３】従来の過電流保護回路のブロック図である。
【図４】従来の過電流保護回路の動作を説明する波形図である。
【図５】従来の過電流保護回路のブロック図である。
【図６】従来の過電流保護回路に用いたパワーＭＯＳトランジスタの等価回路図である。
【符号の説明】
１１    パワーＭＯＳトランジスタ
１１ａ  主電流素子
１１ｂ  検出素子
１３    ゲートコントロール回路
１４    検出抵抗
１６    第１の検出回路
１８    第２の検出回路
２０    保護信号発生回路
【図１】
2004274865.tif 000003
【図２】
2004274865.tif 000004
【図３】
2004274865.tif 000005
【図４】
2004274865.tif 000006
【図５】
2004274865.tif 000007
【図６】
2004274865.tif 000008