(57)【要約】【課題】離散的範囲で高精度の電流検出が必要な場合に、アナログディジタル変換器のビット数を抑制することである。【解決手段】電流検出回路１０は、大電流範囲の電流検出用に小抵抗値を有する第１抵抗素子１２と、小電流範囲の電流検出のための小電流検出部２０と、大電流範囲と小電流範囲とで電流パスを切り替える切替部１４と、バッファアンプ部３０，３２と、アナログディジタル変換回路部４０、４２と、切替部１４に切替信号を出力する切替制御回路３４とを含んで構成される。小電流検出部２０は、小電流範囲の電流検出用に大抵抗値を有する第２抵抗素子２８と、バイパストランジスタ２６と、第２抵抗素子２８の両端子間電圧を閾値電圧である基準電圧２２となるように制御する作動増幅器２４を含んで構成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流パスに直列に接続配置される電流検出回路であって、
大電流検出用に予め定めた小抵抗値を有する第１抵抗素子と、
前記第１抵抗素子の両端子間電圧に基づいて、予め定めた大電流の検出下限値以上の範囲で、前記電流パスを流れる電流値を出力する大電流値出力部と、
前記第１抵抗素子に直列に接続配置される小電流検出部と、
前記第１抵抗素子と前記小電流検出部の接続点に設けられ、前記大電流値出力部が前記大電流の検出下限値未満の電流を検出したときに、前記電流パスに前記第１抵抗素子のみが直列接続される大電流検出状態から、前記電流パスに前記第１抵抗素子と前記小電流検出部とが直列接続される小電流検出状態に切り替える切替部と、
を備え、
前記小電流検出部は、
小電流検出用に予め定めた大抵抗値を有する第２抵抗素子と、
前記第２抵抗素子の両端子間電圧に基づいて、前記電流パスを流れる電流値を出力する小電流値出力部と、
前記第２抵抗素子に並列に接続される回路部であって、前記第２抵抗素子の抵抗値に小電流の検出上限値を乗じた値を閾値電圧として、前記第２抵抗素子の両端子間電圧が前記閾値電圧となるように帰還をかけることで、前記小電流検出部に前記小電流の検出上限値を超える余分電流が流れるときは、前記余分電流をバイパスして流すバイパス回路部と、
を含むことを特徴とする電流検出回路。
【請求項２】
請求項１に記載の電流検出回路において、
前記バイパス回路部は、
前記第２抵抗素子の正側端子に正側出力端子が接続され、前記第２抵抗素子の負側端子に負側出力端子が接続されるバイパストランジスタと、
一方相入力端子に、前記第２抵抗素子の前記正側端子の電圧から前記閾値電圧を減算した電圧が入力され、他方相入力端子に、前記第２抵抗素子の前記負側端子の電圧が入力され、出力端子が前記バイパストランジスタの制御端子に接続される作動増幅器と、
を有することを特徴とする電流検出回路。
【請求項３】
請求項１に記載の電流検出回路において、
前記大電流値出力部は、予め定められる大電流検出範囲に対応するビット数のディジタルデータを出力するアナログディジタル変換回路であり、
前記小電流値出力部は、前記大電流検出範囲から離間して予め定められる小電流検出範囲に対応するビット数のディジタルデータを出力するアナログディジタル変換回路であることを特徴とする電流検出回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流検出回路に係り、特に大電流領域から小電流領域にかけて、電流パスを流れる電流を検出する電流検出回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
電流値を精度よく測定するには、アナログディジタル変換技術が用いられる。例えば、特許文献１には、分解能を可変とするアナログディジタル変換器が開示されている。ここでは、アナログ入力信号とリファレンス信号の電位を比較する比較器を数個並列に接続した並列型のＡＤＣを構成し、制御器は、動作させる比較器の個数を制限する制御信号によって、分解能を決定することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２６２４４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、電流測定が必要なシステムの中には、大電流範囲の電流値と小電流範囲の電流値とを正確に測定したいが、途中の中電流範囲の電流値の測定は不要であるものがある。例えば、太陽電池システムのような光電変換システムでは、日照が十分あって大電流が出力されるときに、発電を絞る必要があるか否かの判断のために、その発電状態を正確に知りたい。一方で、日照がほとんどなく小電流しか出力されないときに、効率を考えて発電を停止するか否かの判断のために、その発電状態と正確に知りたい。このように、大電流範囲の電流値と、小電流範囲の電流値は、光電変換システムの運転制御上、正確に知りたいが、その間の中電流範囲は通常の発電制御で足りるので、特に電流値情報を正確に知る必要がない。
【０００５】
他の例としては、２次電池充放電制御システムがある。充電制御の初期は、定電流モードで、大電流を用いて充電し、ある程度充電がなされると、定電圧モードで充電する。したがって、充電初期では大電流範囲の電流値が必要で、充電末期では、充電停止を判断するために小電流範囲の電流値が必要である。途中の定電圧充電モードでは電流値の正確な値は必要とされない。
【０００６】
このように、大電流範囲の電流値と、小電流範囲の電流値とに高精度が必要なときに、中電流範囲も含めて大電流範囲から小電流範囲の全体を高精度のアナログディジタル技術を用いるものとすると、非常に大きなビット数のアナログディジタル変換器が必要となる。例えば２００ｍＡから６０ｍＡまでの大電流範囲と、１ｍＡから０．１ｍＡまでの小電流範囲について高精度を要するとする場合、それぞれの範囲は、３ビットと４ビットで十分にもかかわらず、２００ｍＡから０．１ｍＡの範囲をカバーしようとすると、２０００倍に相当する１１ビットを要する。
【０００７】
本発明の目的は、離散的範囲で高精度の電流検出が必要な場合に、アナログディジタル変換器のビット数を抑制できる電流検出回路を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る電流検出回路は、電流パスに直列に接続配置される電流検出回路であって、大電流検出用に予め定めた小抵抗値を有する第１抵抗素子と、第１抵抗素子の両端子間電圧に基づいて、予め定めた大電流の検出下限値以上の範囲で、電流パスを流れる電流値を出力する大電流値出力部と、第１抵抗素子に直列に接続配置される小電流検出部と、第１抵抗素子と小電流検出部の接続点に設けられ、大電流値出力部が大電流の検出下限値未満の電流を検出したときに、電流パスに第１抵抗素子のみが直列接続される大電流検出状態から、電流パスに第１抵抗素子と小電流検出部とが直列接続される小電流検出状態に切り替える切替部と、を備え、小電流検出部は、小電流検出用に予め定めた大抵抗値を有する第２抵抗素子と、第２抵抗素子の両端子間電圧に基づいて、電流パスを流れる電流値を出力する小電流値出力部と、第２抵抗素子に並列に接続される回路部であって、第２抵抗素子の抵抗値に小電流の検出上限値を乗じた値を閾値電圧として、第２抵抗素子の両端子間電圧が閾値電圧となるように帰還をかけることで、小電流検出部に小電流の検出上限値を超える余分電流が流れるときは、余分電流をバイパスして流すバイパス回路部と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
上記構成によれば、大電流の検出下限値以上の範囲は、小抵抗値の第１抵抗素子の両端子間電圧を測定し、大電流検出下限値未満の小電流は大抵抗値の第２抵抗素子の両端子電圧を測定し、大電流の検出下限値未満で小電流の検出上限値を超える余分電流はバイパス回路部をバイパスさせて測定しない。これによって、離散的な電流範囲で高精度の電流検出を行い、その間の電流範囲は余分電流として測定を行わないようにできるので、アナログディジタル変換器のビット数を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る実施の形態の電流検出回路の構成を説明する図である。
【図２】図１において、小電流検出の部分の詳細説明図である。
【図３】本発明に係る実施の形態の電流検出回路において、測定する電流値の離散的状態を説明する図である。
【図４】本発明に係る実施の形態の電流検出回路において、測定する電流値についてのアナログディジタル変換器のビット数の様子を説明する図である。
【図５】本発明に係る実施の形態の電流検出回路において、電流範囲と測定におけるロス電圧の様子を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態を詳細に説明する。以下では、大電流範囲として、２００ｍＡから６０ｍＡ、小電流範囲として１ｍＡから０．１ｍＡを述べるが、これは説明のための例示であって、大電流範囲と小電流範囲とが連続的でなく離散的であればよく、これ以外の電流範囲であってもよい。また、以下で述べる電圧値、電流値、閾値電圧、抵抗値等は、説明のための例示であって、電流検出回路の仕様に応じ、適宜変更が可能である。
【００１２】
なお、以下でトランジスタは、ｐチャンネル型のＭＯＳトランジスタとして説明するが、ＭＯＳトランジスタに代えて、ＭＩＳトランジスタ等他の空間電界トランジスタを用いるものとしてもよい。また、回路構成を適切に変更することで、ｐチャンネル型のＭＯＳトランジスタをｎチャンネル型のＭＯＳトランジスタとすることができ、あるいは、ｐｎｐトランジスタまたはｎｐｎトランジスタのバイポーラトランジスタを用いるものとすることもできる。
【００１３】
以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。
【００１４】
図１は、電流検出回路１０の構成を説明する図である。この電流検出回路１０は、太陽電池システムの動作制御装置に用いられる。例えば、日照が強すぎるときは発電電力の出力を絞り、日照が少なく発電電力が少ないときは、システムの消費電力を抑制するために発電停止処理を行う。日照が強すぎることの判断のために、大電流レベルの検出を行い、日照が少なすぎることの判断のために、小電流レベルの検出を行う。ここでは、大電流レベルの検出を２００ｍＡから６０ｍＡの範囲で行い、小電流レベルの検出を１ｍＡから０．１ｍＡの範囲で行うものとして、以下の説明を続ける。
【００１５】
電流検出回路１０は、電流パスの高電圧側端子ＶUと低電圧側端子ＶLと、大電流範囲の電流検出値を示す３ビットディジタル出力端子ＤL3，ＤL2，ＤL1、小電流範囲の電流検出値を示す４ビットディジタル出力端子ＤS4，ＤS3，ＤS2、ＤS1と、回路動作のための電源端子ＶDD，ＶSSとを有する集積回路である。
【００１６】
電流検出回路１０は、大電流範囲の電流検出用に小抵抗値を有する第１抵抗素子１２と、小電流範囲の電流検出のための小電流検出部２０と、大電流範囲と小電流範囲とで小電流検出部２０を用いるか否かを切り替える切替部１４と、大電流範囲用のバッファアンプ部３０と、大電流範囲用のアナログディジタル変換回路部４０と、小電流範囲用のバッファアンプ部３２と、小電流範囲用のアナログディジタル変換回路部４２と、切替部１４に切替信号を出力する切替制御回路３４とを含んで構成される。
【００１７】
第１抵抗素子１２は、電流検出を行う対象の電流パスのＶUとＶLの間に直列に接続配置される抵抗素子である。ここでは、電流パスの電流が２００ｍＡから６０ｍＡの大電流範囲を測定するために、小抵抗値Ｒaの抵抗素子が用いられる。具体的には、バッファアンプ部３０とアナログディジタル変換回路部４０を含む全体の電流検出分解能を３ｍＶとして、６０ｍＡを検出できるように、Ｒa＝５０ｍΩの抵抗素子が用いられる。
【００１８】
バッファアンプ部３０とアナログディジタル変換回路部４０は、第１抵抗素子１２の両端子間電圧に基づいて、大電流の検出下限値である６０ｍＡ以上の範囲で、電流パスを流れる電流値を出力する大電流値出力部である。
【００１９】
バッファアンプ部３０は、第１抵抗素子１２に電流が流れるときの両端子間の電圧を適当に増幅する機能を有する増幅回路である。ここでは、３ｍＶを約０．１Ｖ程度に増幅する。
【００２０】
アナログディジタル変換回路部４０は、バッファアンプ部３０で増幅されたアナログ電圧値をディジタル値に変換するアナログディジタル変換回路で、ＡＤＣと呼ばれる回路である。ここでは、第１抵抗素子１２を流れる電流値が２００ｍＡから６０ｍＡとして、これを３ビットのディジタル値に変換し、その変換結果を３ビットディジタル出力端子ＤL3，ＤL2，ＤL1に出力する機能を有する。アナログディジタル変換回路部４０は、可変基準電圧が一方相端子に入力され、他方相端子にバッファアンプ部３０の出力が入力される差動増幅器を用いることができる。
【００２１】
切替制御回路３４は、第１抵抗素子１２を流れる電流を監視し、大電流の検出下限値未満の電流となったときに、切替信号を切替部１４に出力する機能を有する。上記の例では、大電流の検出下限値は６０ｍＡであるので、６０ｍＡ未満の電流となったときに、切替信号が出力される。切替制御回路３４は、大電流の検出下限値に対応する基準電圧が一方相端子に入力され、他方相端子に第１抵抗素子１２の両端子間電圧に対応する電圧が入力される差動増幅器を用いることができる。
【００２２】
切替部１４は、第１抵抗素子１２と小電流検出部２０の接続点に設けられるスイッチ回路である。切替部１４は、切替制御回路３４からの切替信号に応じて、第１抵抗素子１２が大電流の検出下限値である６０ｍＡ未満の電流を検出したときに、電流パスに第１抵抗素子１２のみが直列接続される大電流検出状態から、電流パスに第１抵抗素子１２と小電流検出部２０とが直列接続される小電流検出状態に切り替える機能を有する。
【００２３】
小電流検出部２０は、電流パスを流れる電流が６０ｍＡ未満のときに用いられる回路であるが、電流パスを流れる電流が１ｍＡから０．１ｍＡの間についてその電流値を検出し、６０ｍＡから１ｍＡの間の電流についてはその電流を検出しない機能を有する。具体的には、１ｍＡから０．１ｍＡの間の電流を検出するために用いられる第２抵抗素子２８と、６０ｍＡから１ｍＡの間の電流を余分電流として第２抵抗素子２８に流さずにバイパスさせるバイパス回路部とを含んで構成される。
【００２４】
第２抵抗素子２８は、電流検出を行う対象の電流パスのＶUとＶLの間に直列に接続配置される抵抗素子である。ここでは、電流パスの電流が１ｍＡから０．１ｍＡの小電流範囲を測定するために、大抵抗値Ｒbの抵抗素子が用いられる。具体的には、バッファアンプ部３２とアナログディジタル変換回路部４２を含む全体の電流検出分解能を３ｍＶとして、０．１ｍＡを検出できるように、Ｒb＝３０Ωの抵抗素子が用いられる。
【００２５】
バッファアンプ部３２とアナログディジタル変換回路部４２は、第２抵抗素子２８の両端子間電圧に基づいて、小電流の検出範囲である１ｍＡから０．１ｍＡの範囲で、電流パスを流れる電流値を出力する小電流値出力部である。バッファアンプ部３２は、第２抵抗素子２８に電流が流れるときの両端子間の電圧を適当に増幅する機能を有する増幅回路である。ここでは、第２抵抗素子３ｍＶを約０．１Ｖ程度に増幅する。
【００２６】
アナログディジタル変換回路部４２は、バッファアンプ部３２で増幅されたアナログ電圧値をディジタル値に変換するアナログディジタル変換回路で、ＡＤＣと呼ばれる回路である。ここでは、第２抵抗素子２８を流れる電流値が１ｍＡから０．１ｍＡとして、これを４ビットのディジタル値に変換し、その変換結果を３ビットディジタル出力端子ＤS4，ＤS3，ＤS2，ＤS1に出力する機能を有する。アナログディジタル変換回路部４２は、可変基準電圧が一方相端子に入力され、他方相端子にバッファアンプ部３２の出力が入力される差動増幅器を用いることができる。
【００２７】
図２は、小電流検出部２０の詳細図である。ここでは、第２抵抗素子２８とバイパス回路部の構成が示されている。バイパス回路部は、第２抵抗素子２８に並列に接続配置される回路で、電流パスを流れる電流Ｉaが６０ｍＡから１ｍＡのときは、第２抵抗素子２８にその電流を流さないようにする回路で、具体的には、バイパストランジスタ２６と、作動増幅器２４を含んで構成される。
【００２８】
バイパストランジスタ２６は、第２抵抗素子２８の正側端子に正側出力端子が接続され、第２抵抗素子２８の負側端子に負側出力端子が接続され、制御端子が作動増幅器２４の出力端子に接続されるトランジスタである。図２ではバイパストランジスタ２６としてＰチャネルＭＯＳトランジスタが示され、そのドレイン端子とソース端子がそれぞれ第２抵抗素子２８の正側端子と負側端子に接続され、ゲート端子が作動増幅器２４の出力端子に接続される様子が図示されている。
【００２９】
作動増幅器２４は、第２抵抗素子の両端子間電圧が予め定められた閾値電圧となるように、バイパストランジスタ２６の両端子間電圧を帰還しながらバイパストランジスタ２６のゲート端子に制御電圧を供給する機能を有する。具体的には、一方相入力端子に、第２抵抗素子２８の正側端子の電圧から閾値電圧Ｖaを減算した電圧が入力され、他方相入力端子に、第２抵抗素子の前記負側端子の電圧が入力され、出力端子がバイパストランジスタ２６の制御端子に接続される。ここで、閾値電圧Ｖaは、基準電圧２２によって与えられる。
【００３０】
基準電圧２２は、第２抵抗素子２８が検出する小電流範囲の検出上限値に基づいて設定される。ここでは、小電流範囲の検出下限値が０．１ｍＡで、その１０倍の１ｍＡが検出上限値とされるので、閾値電圧Ｖaである基準電圧２２は、１ｍＡに対応する第２抵抗素子２８の両端子間電圧である１ｍＡ×３０Ω＝３０ｍＶに設定される。
【００３１】
このように設定することで、作動増幅器２４の機能によって、第２抵抗素子２８の両端子間電圧は常に３０ｍＶとされ、第２抵抗素子２８を流れる電流Ｉbは、１ｍＡから０．１ｍＡに制限される。小電流検出部２０が用いられるときに電流パスを流れる電流Ｉaは６０ｍＡ未満であるので、１ｍＡを超える電流は、余分電流Ｉpとして、バイパストランジスタ２６に流れる。つまり、Ｉa＝Ｉp＋Ｉbの関係を維持しながら、Ｉb×３０ｍΩが３０ｍＶ以下となる範囲のＩbが第２抵抗素子２８に流れ、Ｉp＝Ｉa−Ｉbの余分電流がバイパストランジスタ２６を流れる。
【００３２】
なお、切替制御回路３４が出力する切替信号として、６０ｍＡを大電流範囲から小電流範囲に切り替えるものとするのは、小電流検出部２０に流れる電流に基づく。すなわち、切替部１４の抵抗成分を約０．５Ωとし、バイパストランジスタ２６のオン抵抗を約０．５Ωとすると、合計で約１Ωであり、閾値電圧３０ｍＶに相当する電流が６０ｍＡとなる。これが小電流検出部２０に流せる最大電流である。このことから、Ｉaが６０ｍＡ未満となったときに、切替信号を出して、電流パスを流れる電流について小電流検出部２０を通るようにする。Ｉaが６０ｍＡ以上の電流は小電流検出部２０に流せないので、第１抵抗素子１２から直接ＶL端子に流すようにする。
【００３３】
その様子を図３に示す。図３の横軸は、電流パスを流れる電流Ｉaで、縦軸は第２抵抗素子２８を流れる電流Ｉbである。Ｉaが０．１ｍＡから１ｍＡの範囲は拡大図として示される。このように、第２抵抗素子２８には１ｍＡ以下の電流が流れ、Ｉaが１ｍＡを超えると、その超過分が余分電流Ｉpとなってバイパストランジスタ２６を流れる。したがって、Ｉaが１ｍＡを超える範囲では、Ｉbは１ｍＡのままである。
【００３４】
図４は、そのことをアナログディジタル変換回路４０，４２の出力と関連付けて示す図である。横軸は、電流パスを流れる電流Ｉaである。ここに示されるように、Ｉaが１ｍＡ以下のときは、その電流値が第２抵抗素子２８によって検出され、その検出値は４ビットアナログディジタル変換回路４２によってディジタル値として出力される。そして、Ｉaが６０ｍＡ以上のときは、その電流値が第１抵抗素子１２によって検出され、その検出値は３ビットアナログディジタル変換回路４０によってディジタル値として出力される。
１ｍＡから６０ｍＡの間の電流値は検出も出力もされない。
【００３５】
図５は、図１の構成において、電流検出を行うことで生じる損失をロス電圧とし、電流パスを流れる電流Ｉaとロス電圧の関係を示す図である。特性線５０，５２は、第２抵抗素子２８における損失と、作動増幅器等の損失を含めたロス電圧を示すものである。ここでは、Ｉaが１ｍＡのときに閾値電圧３０ｍＶに対応するロス電圧となっている。このロス電圧は、第２抵抗素子２８における損失に相当するが、Ｉaが１ｍＡを超しても第２抵抗素子２８によるロス電圧は増加しない。Ｉaが１ｍＡを超すときのロス電圧は、主として作動増幅器の損失である。仮に第１抵抗素子１２が３０ｍΩであるとすると、ロス電圧は、特性線５２で示されたものとなり、Ｉaが２００ｍＡのときは、３０ｍΩによる損失だけで６Ｖとなって、ロス電圧が非常に大きくなることが分かる。
【００３６】
特性線５４は、第１抵抗素子１２によるロス電圧を示すもので、第１抵抗素子１２は５０ｍΩであるので、Ｉaが２００ｍＡのときでも、ロス電圧は１０ｍＶにすぎない。そして、Ｉaが１ｍＡから６０ｍＡの間のロス電圧は特性線５６に示されるように、３０ｍＶのままである。Ｉaが６０ｍＡ以上のときの特性線５８は、このＩa＝６０ｍＡ、ロス電圧＝３０ｍＶの点を通り、特性線５２を平行移動したものにほぼ同じとなる。したがって、Ｉaが２００ｍＡのときに、ロス電圧は約１００ｍＶに抑制される。このように、ロス電圧を小さく抑制しながら、小電流範囲と大電流範囲の電流を高精度で検出できる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明に係る電流検出回路は、太陽電池発電制御システムのように、大電流範囲と小電流範囲と離散的な範囲について電流検出が必要なシステムに利用できる。
【符号の説明】
【００３８】
１０  電流検出回路、１２  第１抵抗素子、１４  切替部、２０  小電流検出部、２２  基準電圧、２４  作動増幅器、２６  バイパストランジスタ、２８  第２抵抗素子、３０，３２  バッファアンプ部、３４  切替制御回路、４０，４２  アナログディジタル変換回路、５０，５２，５４，５６，５８  特性線。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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