JP5820291B2 - Overcurrent protection circuit - Google Patents
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Description
本発明は、スイッチング駆動回路のパワートランジスタなどを保護する過電流保護回路に関する。 The present invention relates to an overcurrent protection circuit that protects a power transistor and the like of a switching drive circuit.
近年、高速にスイッチングできるパワーMOSトランジスタが登場したことによって、モータ、ダイナミックスピーカ、ピエゾ振動子、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)などの負荷をPWM(Pulse Width Modulation)駆動などの方法でスイッチング駆動する動きが盛んである。 In recent years, with the emergence of power MOS transistors that can be switched at high speed, the movement of switching loads such as motors, dynamic speakers, piezo vibrators, and micro electro mechanical systems (MEMS) using PWM (Pulse Width Modulation) driving methods. Is thriving.
パワーMOSトランジスタによるスイッチング駆動は、従来のアナログ駆動に比べ、負荷をハイ/ローレベルの2値で駆動できるため、マイクロコンピュータなどで扱うデジタル信号との相性がよい。また、パワーMOSトランジスタのオン抵抗が非常に低いため、高効率で駆動できるメリットがある。 Switching driving with a power MOS transistor can drive a load with binary values of high / low levels compared with conventional analog driving, and therefore has good compatibility with a digital signal handled by a microcomputer or the like. Further, since the on-resistance of the power MOS transistor is very low, there is an advantage that it can be driven with high efficiency.
パワーMOSトランジスタを駆動するためには、パワーMOSトランジスタを使用したスイッチング駆動回路を構成し、このスイッチング駆動回路にPWM信号などを供給することによってスイッチング駆動する必要がある。 In order to drive the power MOS transistor, it is necessary to configure a switching drive circuit using the power MOS transistor and perform switching drive by supplying a PWM signal or the like to the switching drive circuit.
図7に、一般的なスイッチング駆動回路10の回路構成を示す(類似の構成として、例えば特許文献1,2,3参照)。スイッチング駆動回路10は、コントロールロジック回路11、ハイサイドレベルシフト回路12H、ローサイドレベルシフト回路12L、ハイサイドプリドライバ回路13H、ローサイドプリドライバ回路13L、ハイサイドPMOSパワートランジスタMP21からなるハイサイド出力回路14H、ローサイドNMOSパワートランジスタMN21からなるローサイド出力回路14L、ハイサイド出力電流モニタ回路15H、ローサイド出力電流モニタ回路15L、および過電流保護回路17で構成される。18はスイッチング駆動回路10の出力端子OUTとGND端子の間に接続された負荷である。
FIG. 7 shows a circuit configuration of a general switching drive circuit 10 (see, for example,
ハイサイドプリドライバ回路13Hとローサイドプリドライバ回路13Lは、それぞれPMOSトランジスタとNMOSトランジスタからなるCMOSインバータを4段カスケード接続した回路で構成されている。ハイサイド出力電流モニタ回路15Hは、高耐圧PMOSトランジスタMP22と抵抗R21で構成され、ローサイド出力電流モニタ回路15Lは、高耐圧NMOSトランジスタMN22と抵抗R22で構成されている。過電流保護回路17は、ハイサイド過電流保護回路17H、ローサイド過電流保護回路17L、オア回路OR21、D型フリップフロップDFF21によって構成されている。
The high-side pre-driver
次に、スイッチング駆動回路10の入出力端子について説明する。スイッチング駆動回路10には、4種類の電源端子およびグランド端子GNDが存在する。電源端子は、低耐圧のデジタル・アナログ回路に供給する電圧VDD(例えば3.7V)の端子、高耐圧のパワー回路に供給する電圧PVDD(例えば25V)の端子、ハイサイドパワーMOSトランジスタのゲート駆動電圧を供給する電圧VCLAMPH(例えば、PVDD基準で−10V)の端子、ローサイドパワーMOSトランジスタのゲート駆動電圧を供給する電圧VCLAMPL(例えば10V)の端子である。信号入力端子INは、PWM信号など、ハイレベル(例えば3.3V)/ローレベル(例えば0V)の2値入力信号VINを入力する端子である。リセット端子RSTは、スイッチング駆動回路10の起動時やスタンバイ時にローレベル、通常動作時にハイレベルを入力されることによって、起動時やスタンバイ時に、過電流保護信号VOCPをローレベルにする端子である。出力端子OUTは、負荷18に対して駆動信号VOUTを出力する端子である。過電流保護信号VOCPのハイレベルは例えば25V、ローレベルは例えば0Vである。
Next, input / output terminals of the switching drive circuit 10 will be described. The switching drive circuit 10 has four types of power supply terminals and ground terminals GND. The power supply terminal is a terminal of a voltage V DD (for example, 3.7V) supplied to a low withstand voltage digital / analog circuit, a terminal of a voltage PV DD (for example, 25V) to be supplied to a high voltage power circuit, and a high side power MOS transistor A terminal for a voltage V CLAMPH (for example, −10 V based on PV DD ) for supplying a gate drive voltage, and a terminal for a voltage V CLAMPL (for example, 10 V) for supplying a gate drive voltage for a low-side power MOS transistor. The signal input terminal IN is a terminal for inputting a high level (for example, 3.3 V) / low level (for example, 0 V) binary input signal VIN such as a PWM signal. The reset terminal RST is a terminal for setting the overcurrent protection signal V OCP to a low level during startup or standby by inputting a low level during startup or standby of the switching drive circuit 10 and a high level during normal operation. . The output terminal OUT is a terminal that outputs a drive signal VOUT to the
以下、各回路ブロックの機能を説明する。コントロールロジック回路11は次の2つの機能を有した回路ブロックである。第1に、入力端子INから入力されたハイ/ローレベルの2値信号を、ハイサイドパワートランジスタMP21のゲート駆動タイミング信号VINHおよび、ローサイドパワートランジスタMN21のゲート駆動タイミング信号VINLに変換する機能を有する。第2に、過電流保護回路17からの過電流保護信号VOCPの有無を監視し、過電流保護信号VOCPを検出したら、ハイサイドパワートランジスタMP21、ローサイドパワートランジスタMN21を直ちにオフ状態にする機能を有する。
Hereinafter, the function of each circuit block will be described. The
ハイサイドレベルシフト回路12Hは、コントロールロジック回路11から出力された信号VINHのハイレベルをPVDD電位に、ローレベルをVCLAMPHの電位に変換した信号VINHLSを出力する機能を有する。ローサイドレベルシフト回路12Lは、コントロールロジッ回路11から出力された信号VINLのハイレベルをVCLAMPLの電位に、ローレベルをGND電位に変換した信号VINLLSを出力する機能を有する。
The high side
ハイサイドプリドライバ回路13Hは、ハイサイドレベルシフト回路12Hから出力された信号VINHLSを4段のインバータを経由してバッファリングし、ハイサイドパワートランジスタMP21のゲート駆動信号VGHとして出力する機能を有する。ローサイドプリドライバ回路13Lは、ローサイドレベルシフト回路12Lから出力された信号VINLLSを4段のインバータを経由してバッファリングし、ローサイドパワートランジスタMN21のゲート駆動信号VGLとして出力する機能を有する。
High side pre-driver
ハイサイドパワートランジスタMP21とローサイドパワートランジスタMN21は、相補的に制御されることによって、負荷18を駆動する機能を有する。
The high-side power transistor MP21 and the low-side power transistor MN21 have a function of driving the
ハイサイド出力電流モニタ回路15Hは、ハイサイドパワートランジスタMP21の出力電流(ソース・ドレイン間電流)をモニタし、この電流に比例するハイサイドモニタ電圧VSENSEHを出力する機能を有する。ローサイド出力電流モニタ回路15Lは、ローサイドパワートランジスタMN21の出力電流(ドレイン・ソース間電流)をモニタし、この電流に比例するローサイドモニタ電圧VSENSELを出力する機能を有する。
The high-side output
過電流保護回路17は、ハイサイドパワートランジスタMP21の出力電流IDSHとローサイドパワートランジスタMN21の出力電流IDSLのいずれか一方あるいは両方が過電流検出基準値を超えた場合に、過電流保護信号VOCPを出力する機能を有する。
The
次に、図7と図8を用いてスイッチング駆動回路10の駆動方法を具体的に説明する。まず、入力端子INにハイ/ローレベルの2値信号VINを入力する(図8(a))。すると信号VINは、コントロールロジック回路11に供給され、ハイサイドゲート駆動制御信号VINH(図8(b))、ローサイドゲート駆動制御信号VINL(図8(c))が出力する。ハイサイドゲート駆動制御信号VINHのローレベルはハイサイドパワートランジスタMP21のオンレベルに相当し、ローサイドゲート駆動制御信号VINLのハイレベルはローサイドパワートランジスタMN21のオンレベルに相当する。両信号VINH,VINLは、ハイサイドパワートランジスタMP21とローサイドパワートランジスタMN21がともにオフレベルとなるデッドタイムTDEDと呼ばれる期間を設けるように出力される。この理由は、ハイサイドパワートランジスタMP21とローサイドパワートランジスタMN21が同時にオンすると、貫通電流と呼ばれる大電流が電圧PVDDの端子からGND端子に向かって流れることにより、ハイサイドパワートランジスタMP21とローサイドパワートランジスタMN21を破壊する虞があるためである。
Next, the driving method of the switching drive circuit 10 will be specifically described with reference to FIGS. First, a high / low level binary signal VIN is input to the input terminal IN (FIG. 8A). Then, the signal VIN is supplied to the
その後、ハイサイドゲート駆動制御信号VINHは、ハイサイドレベルシフト回路12Hに入力され、ハイレベルはPVDD電位に、ローレベルはVCLAMPH電位にレベルシフトされた、ハイサイドレベルシフト信号VINHLSに変換される。一方、ローサイドゲート駆動制御信号VINLは、ローサイドレベルシフト回路12Lに入力され、ハイレベルはVCLAMPL電位に、ローレベルはGND電位にレベルシフトされた、ローサイドレベルシフト信号VINLLSに変換される。ハイサイドレベルシフト信号VINHLSはハイサイドプリドライバ回路13Hに入力され、バッファリングされてハイサイドパワートランジスタゲート駆動信号VGHとなる。ローサイドレベルシフト信号VINLLSはローサイドプリドライバ回路13Lに入力され、バッファリングされてローサイドパワートランジスタゲート駆動信号VGLとなる。
Thereafter, the high-side gate drive control signal V INH is input to the high side
ハイサイドパワートランジスタゲート駆動信号VGHはハイサイドパワートランジスタMP21のゲートに供給されて、そのオン/オフを制御する。ローサイドパワートランジスタゲート駆動信号VGLはローサイドパワートランジスタMN21のゲートに供給されて、そのオン/オフを制御する。ハイサイドパワートランジスタMP21とローサイドパワートランジスタMN21のオン/オフが制御されると、出力端子OUTに、負荷18を駆動する駆動信号VOUTが出力される。
The high-side power transistor gate drive signal V GH is supplied to the gate of the high-side power transistors MP21, controls the on / off. Low-side power transistor gate drive signal V GL is supplied to the gate of the low side power transistor MN21, and controls the ON / OFF. When on / off of the high-side power transistor MP21 and the low-side power transistor MN21 is controlled, a drive signal VOUT for driving the
次に、過電流保護回路17の駆動方法について、図9〜図16を用いて説明する。図9に過電流保護回路17の回路構成を示す。過電流保護回路17は、ハイサイド過電流保護回路17H、ローサイド過電流保護回路17L、オア回路OR21、D型フリップフロップDFF21で構成される。
Next, a method for driving the
ハイサイド過電流保護回路17Hは、ハイサイド過電流検出回路171とハイサイドブランキング回路172で構成される。ローサイド過電流保護回路17Lは、ローサイド過電流検出回路173とローサイドブランキング回路174で構成される。
The high side
ハイサイド過電流検出回路171は、ハイサイドモニタ電圧VSENSEHが一定値以下になった時に、ハイサイド過電流検出信号VOCDCTHを出力する機能を有する。ハイサイドブランキング回路172は、スイッチング駆動回路10に寄生的に存在するインダクタンス成分やキャパシタンス成分に起因して発生する負荷駆動信号VOUTの波形のリンギングによる、ハイサイドパワートランジスタMP21の出力電流の過電流誤検出を防ぐために、ハイサイド過電流検出信号VOCDCTHが一定時間(ハイサイドブランキング時間)連続した場合に限り、ハイサイド過電流保護信号VOCPHを出力する機能を有する。
The high-side
ローサイド過電流検出回路173は、ローサイドモニタ電圧VSENSELか一定値以上になった時に、ローサイド過電流検出信号VOCDCTLを出力する機能を有する。ローサイドブランキング回路174は、スイッチング駆動回路10に寄生的に存在するインダクタンス成分やキャパシタンス成分に起因して発生する負荷駆動信号VOUTの波形のリンギングによる、ローサイドパワートランジスタMN21の出力電流の過電流誤検出を防ぐために、ローサイド過電流検出信号VOCDCTLが一定時間(ローサイドブランキング時間)連続した場合に限り、ローサイド過電流保護信号VOCPLを出力する機能を有する。
The low-side
以下、ハイサイド過電流保護回路17Hの動作について、図7、図9、図10を用いて説明する。ハイサイドパワートランジスタM21の出力電流IDSHの電流値に比例して、ハイサイドモニタ電圧VSENSEHが出力され、ハイサイド過電流検出回路171に入力される。ハイサイド過電流検出回路171は、ハイサイドモニタ電圧VSENSEHがハイサイド過電流検出基準電圧VDCTH以下になると、ハイサイド過電流検出信号OCDCTHを出力し、ハイサイドブランキング回路172に入力する。ハイサイドブランキング回路172は、ハイサイド過電流検出信号VOCDCTHがハイレベルを維持する時間をモニタし、この時間が一定時間(ハイサイドブランキング時間)以上になった場合に、ハイサイド過電流保護信号VOCPHを出力する。このハイサイド過電流保護信号VOCPHは、オア回路OR21を経由して、D型フリップフロップDFF21のクロック入力端子に入力し、これによりD型フリップフロップDFF21のQ出力はハイレベルに反転してハイサイド過電流保護信号VOCPを出力する。このハイサイド過電流保護信号VOCPはコントロールロジック回路11に入力され、コントロールロジック回路11はハイサイドパワートランジスタMP21とローサイドパワートランジスタMN21を直ちにオフ状態にする。
Hereinafter, the operation of the high-side
また、ローサイド過電流保護回路17Lの動作について、図7、図9、図11を用いて説明する。ローサイドパワートランジスタMN21の出力電流IDSLの電流値に比例して、ローサイドモニタ電圧VSENSELが出力され、ローサイド過電流検出回路173に入力される。ローサイド過電流検出回路173は、ローサイドモニタ電圧VSENSELが過電流検出基準電圧VDCTL以上になると、ローサイド過電流検出信号VOCDCTLを出力し、ローサイドブランキング回路174に入力する。ローサイドブランキング回路174は、ローサイド過電流検出信号VOCDCTLがハイレベルを維持する時間をモニタし、この時間が一定時間(ローサイドブランキング時間)以上になった場合に、ローサイド過電流保護信号VOCPLを出力する。このローサイド過電流保護信号VOCPLは、オア回路OR21を経由して、D型フリップフロップDFF21のクロック入力端子に入力し、これによりD型フリップフロップDFF21のQ出力はハイレベルに反転して過電流保護信号VOCPを出力する。この過電流保護信号VOCPはコントロールロジック回路11に入力され、コントロールロジック回路11はハイサイドパワートランジスタMP21とローサイドパワートランジスタMN21を直ちにオフ状態にする。
The operation of the low-side
次に、ブランキング時間を設けなかった場合の過電流の誤検出について、図12を用いて説明する。同図は、ハイサイド過電流保護回路17Hを例にして説明しているが、ローサイド過電流保護回路17Lについても同様である。
Next, erroneous detection of overcurrent when no blanking time is provided will be described with reference to FIG. Although the figure illustrates the high side
出力端子OUTから出力される負荷駆動信号VOUTは、寄生インダクタンスおよび寄生キャパシタンスの影響を受けてスイッチング直後にリンギングを生じる(図12(b))。信号VOUTのリンギングの影響によって、ハイサイドモニタ電圧VSENSEHの電圧波形にもリンギングを生じる(図12(c))。リンギングの影響でハイサイドモニタ電圧VSENSEHがハイサイド過電流検出基準信号VDCTH以下になると、ハイサイド過電流検出信号VOCDCTHが出力される(図13(d))。ハイサイドブランキング時間を設けなかった場合、ハイサイド過電流検出信号VOCDCTHは直ちにD型フリップフロップDFF21にラッチされ、過電流保護信号VOCPが出力される。 The load drive signal V OUT output from the output terminal OUT is affected by parasitic inductance and parasitic capacitance, and causes ringing immediately after switching (FIG. 12B). Due to the influence of the ringing of the signal VOUT , ringing also occurs in the voltage waveform of the high side monitor voltage V SENSEH (FIG. 12C). When the high side monitor voltage V SENSEH becomes equal to or lower than the high side overcurrent detection reference signal V DCTH due to the influence of ringing, the high side overcurrent detection signal V OCCDTH is output (FIG. 13 (d)). When the high side blanking time is not provided, the high side overcurrent detection signal V OCDCTH is immediately latched in the D-type flip-flop DFF21, and the overcurrent protection signal V OCP is output.
過電流保護信号VOCPが信号VOUTのリンギングの影響を受けないようにするためには、リンギングが十分に減衰するまでの間、ハイサイド過電流検出信号VOCDCTHをD型フリップフロップDFF21へ到達させないようにする必要がある。そのため、ハイサイド過電流検出信号VOCDCTH信号がハイレベルを維持する時間をブランキング回路172でモニタし、この時間がハイサイドブランキング時間未満であった場合には、過電流保護信号VOCPHを出力しないようにする。このような機構を設けることによって、信号VOUTのリンギングによる過電流誤検出を防ぐことができる。
In order to prevent the overcurrent protection signal V OCP from being affected by the ringing of the signal VOUT , the high-side overcurrent detection signal V OCDCTH reaches the D-type flip-flop DFF21 until the ringing sufficiently attenuates. It is necessary not to let it. Therefore, the time during which the high-side overcurrent detection signal V OCDCTH signal is maintained at the high level is monitored by the blanking
以下、ハイサイド過電流保護回路17Hの動作について、図7、図13、図14を用いて説明する。図13に、ハイサイド過電流保護回路17Hの回路構成を示す。ハイサイド過電流保護回路17Hは、電流源I21、PMOSトランジスタMP23〜MP25、NMOSトランジスタMN23〜MN25、コンパレータ1711,1721、レベルシフト回路1712、ハイサイド過電流検出基準電圧VDCTHの電圧源、ハイサイドブランキング時間基準電圧VBLNKHの電圧源、ハイサイドブランキング時間制御コンデンサC21、インバータINV21、INV22で構成される。このうち、ハイサイド過電流検出基準電圧VDCTH、コンパレータ1711、レベルシフト回路1712で、過電流検出回路171が構成される。また、トランジスタMP24,MP25,MN25、ブランキング時間制御コンデンサC21、ハイサイドブランキング時間基準電圧VBLNKH、インバータINV22、コンパレータ1721で、ハイサイドブランキング回路172が構成される。
Hereinafter, the operation of the high-side
図13に示したハイサイド過電流保護回路17Hにおいて、図7のOUT端子とGND端子が短絡(地絡)したときは、ハイサイドパワートランジスタMP21に電流が流れると、ハイサイドモニタ電圧VSENSEHが降下する。このハイサイドモニタ電圧VSENSEHは、ハイサイド過電流検出基準電圧VDCTHとコンパレータ1711で比較され、ハイサイド過電流検出基準電圧VDCTH以下になると、レベルシフト回路1712を経由して、ハイサイド過電流検出信号VOCDCTHを出力する。ハイサイド過電流検出信号VOCDCTHは、インバータINV21で論理反転された後、トランジスタMP25をオン状態、MN25をオフ状態にする。すると、トランジスタMP25から、ハイサイドブランキング時間制御電流IBLNKHがハイサイドブランキング時間制御コンデンサC21に流入する。これによりハイサイドブランキング時間制御コンデンサC21が充電され、その電位VCHGHが上昇し、ハイサイドブランキング時間基準電圧VBLNKH以上になったとき、コンパレータ1721、インバータINV22を経由して、ハイサイド過電流保護信号VOCPHが出力される。これにより、図9で説明したように、ハイサイドパワートランジスタMP21とローサイドパワートランジスタMN21が直ちにオフ状態になる。
In the high-side
以下、ローサイド過電流保護回路17Lの動作について、図7、図15、図16を用いて説明する。図15に、ローサイド過電流保護回路17Lの回路構成を示す。ローサイド過電流保護回路17Lは、電流源I22、PMOSトランジスタMP26〜MP28、NMOSトランジスタMN26、コンパレータ1731,1741、ローサイド過電流検出基準電圧VDCTLの電圧源、ローサイドブランキング時間基準電圧VBLNKLの電圧源、ローサイドブランキング時間制御コンデンサC22、インバータINV23、INV24で構成される。このうち、ローサイド過電流検出基準電圧VDCTL、コンパレータ1731で、ローサイド過電流検出回路173が構成される。また、トランジスタMP27,MP28,MN26、ブランキング時間制御コンデンサC22、ローサイドブランキング時間基準電圧VBLNKL、インバータINV24、コンパレータ1741で、ローサイドブランキング回路174が構成される。
Hereinafter, the operation of the low-side
図15に示したローサイド過電流保護回路17Lにおいて、図7のOUT端子とPVDD端子が短絡(天絡)したときは、ローサイドパワートランジスタMN21に電流が流れると、ローサイドモニタ電圧VSENSELが上昇する。ローサイドモニタ電圧VSENSELは、ローサイド過電流検出基準電圧VDCTLとコンパレータ1731で比較され、ローサイド過電流検出基準電圧VDCTL以上になると、ローサイド過電流検出信号VOCDCTLを出力する。ローサイド過電流検出信号VOCDCTLは、インバータINV23で論理反転された後、トランジスタMP28をオン状態、MN26をオフ状態にする。すると、トランジスタMP28から、ローサイドブランキング時間制御電流IBLNKLがブランキング時間制御コンデンサC22に流入する。これによりブランキング時間制御コンデンサC22が充電され、その電位VCHGLが上昇し、ローサイドブランキング時間基準電圧VBLNKL以上になったとき、コンパレータ1741、インバータINV24を経由して、ローサイド過電流保護信号VOCPLが出力される。これにより、図9で説明したように、ハイサイドパワートランジスタMP21とローサイドパワートランジスタMN21が直ちにオフ状態になる。
In the low-side
上記のような過電流保護回路17において、ハイサイドパワートランジスタMP21の出力電流およびローサイドパワートランジスタMN21の出力電流の過電流によって発生するパワートランジスタMP21,MN21の発熱による熱破壊を防ぐためには、過電流検出後に、できるだけ速やかにそれらパワートランジスタMP21,MN21をオフ状態にすることが好ましい。すなわち、熱破壊の観点からは、ハイサイドブランキング時間およびローサイドブランキング時間はできるだけ短く設定する必要がある。
In the
しかし、ブランキング時間が短いほど、出力端子OUTに発生するリンギングによって、過電流を誤検出する可能性が高まる。つまり、ブランキング時間とパワートランジスタの熱破壊に対する耐性の関係と、ブランキング時間とリンギングによる過電流誤検出の耐性の間には正反対の関係がある。そのため、リンギングに対する過電流保護回路17の耐性と大電流に対する保護能力を両立することが難しいという問題点があった。
However, the shorter the blanking time, the higher the possibility of erroneously detecting an overcurrent due to ringing generated at the output terminal OUT. In other words, there is an opposite relationship between the relationship between the blanking time and the resistance to thermal breakdown of the power transistor and the resistance between the blanking time and the overcurrent erroneous detection due to ringing. Therefore, there is a problem that it is difficult to achieve both the resistance of the
以下、ブランキング時間中にパワートランジスタが熱破壊する現象について、図17を用いて説明する。同図ではハイサイドパワートランジスタMP21に過電流が流れた場合について説明する。なお、ローサイドパワートランジスタMN21に過電流が流れた場合についても同様である。 Hereinafter, a phenomenon in which the power transistor is thermally destroyed during the blanking time will be described with reference to FIG. The case where an overcurrent flows through the high-side power transistor MP21 will be described with reference to FIG. The same applies when an overcurrent flows through the low-side power transistor MN21.
まず、入力端子INがハイレベルの状態で、出力端子OUTがグランド端子GNDと短絡した場合(地絡)を考える。出力端子OUTとグランド端子GNDが短絡すると、ハイサイドパワートランジスタMP21の出力電流IDSHが増大する。すると、ハイサイドパワートランジスタMP21の温度が上昇する。一方で、ハイサイドパワートランジスタMP21の出力電流IDSHの値に比例してハイサイドモニタ電圧VSENSEHが下降する。ハイサイドモニタ電圧VSENSEHの値がハイサイド過電流検出基準電圧VDCTH以下になると、ハイサイド過電流検出信号VOCDCTHが出力される。前述したとおり、ハイサイド過電流検出信号VOCDCTHがハイレベルになっても、ハイサイドブランキング時間が終了するまで過電流保護信号は出力されない。一方で、ハイサイドパワートランジスタMP21の温度は上昇し続ける。ハイサイドブランキング時間が終了する前に、ハイサイドパワートランジスタMP21の温度が熱破壊温度TDESに到達すると、過電流保護信号が出力されることなく、ハイサイドパワートランジスタMP21は破壊に至る。 First, consider a case (ground fault) where the input terminal IN is at a high level and the output terminal OUT is short-circuited to the ground terminal GND. When the output terminal OUT and the ground terminal GND are short-circuited, the output current I DSH of the high-side power transistor MP21 is increased. Then, the temperature of the high side power transistor MP21 rises. On the other hand, the high-side monitor voltage V SENSEH is lowered in proportion to the value of the output current I DSH of the high-side power transistor MP21. When the value of the high side monitor voltage V SENSEH becomes equal to or lower than the high side overcurrent detection reference voltage V DCTH , the high side overcurrent detection signal V OCDCTH is output. As described above, even if the high-side overcurrent detection signal V OCDCTH goes high, the overcurrent protection signal is not output until the high-side blanking time ends. On the other hand, the temperature of the high side power transistor MP21 continues to rise. Before high side gutters ranking period ends, the temperature of the high-side power transistor MP21 reaches a thermal breakdown temperature T DES, without overcurrent protection signal is output, the high-side power transistor MP21 leads to destruction.
さらに、ブランキング時間未満のパルスが連続した場合にも、パワートランジスタは破壊することがある。この現象について図18を用いて説明する。ここでも、ハイサイドパワートランジスタMP21に過電流が流れる場合について説明するが、ローサイドパワートランジスタMN21に過電流が流れる場合についても同様である。 Furthermore, the power transistor may be destroyed even when pulses shorter than the blanking time are continued. This phenomenon will be described with reference to FIG. Here, the case where an overcurrent flows through the high-side power transistor MP21 will be described, but the same applies to the case where an overcurrent flows through the low-side power transistor MN21.
図18(a)に示すように、入力端子INにブランキング時間未満のハイレベルパルス幅が連続した信号VINが入力された場合を考える。このとき、出力端子OUTはグランド端子GNDと短絡(地絡)している。入力信号VINが入力されると、出力信号VOUTは図18(b)のように、入力信号VINがハイレベルになると一旦電圧PVDDまで上昇するが、出力端子OUTが地絡しているため、その後グランド電位に向かって下降する。なお、この下降速度は、短絡経路に含まれるインダクタンス成分に依存する。また、ハイサイドパワートランジスタ出力電流IDSHは図18(c)のように、入力信号VINがハイレベルの間だけ電流値が上昇する。すると、図18(d)のように、ハイサイドモニタ電圧VSENSEHの電位は入力信号VINがハイレベルの間だけ下降する。そして、ハイサイドモニタ電圧VSENSEHの電位がハイレベル過電流検出基準電圧VDCTH以下になるとハイサイド過電流検出信号VOCDCTHが出力される(図18(e))。しかし、ハイサイド過電流検出信号VOCDCTHのパルス幅がハイサイドブランキング時間未満であるため、ハイサイド過電流保護信号VOCPH(図18(f))、過電流保護信号VOCP(図18(g))は出力されない。一方で、ハイサイドパワートランジスタMP21の温度は、入力信号VINがハイレベルの間に上昇し、ローレベルの間に下降する。しかし、入力信号VINのパルスの周期が短いほど、ハイサイドパワートランジスタMP21の温度の下降幅が小さくなる。そのため、ハイサイドパワートランジスタMP21の温度上昇が温度下降を上回る場合に、ハイサイドパワートランジスタMP21の温度は上昇し続け、熱破壊温度TDESに到達すると、ハイサイドパワートランジスタMP21は破壊に至る。 As shown in FIG. 18A, a case is considered in which a signal VIN having a continuous high level pulse width less than the blanking time is input to the input terminal IN. At this time, the output terminal OUT is short-circuited (ground fault) with the ground terminal GND. When the input signal V IN is input, the output signal V OUT once rises to the voltage PV DD when the input signal V IN becomes high level as shown in FIG. 18B, but the output terminal OUT is grounded. Therefore, it then decreases toward the ground potential. This descending speed depends on the inductance component included in the short circuit path. Further, as shown in FIG. 18C, the current value of the high-side power transistor output current IDSH increases only while the input signal VIN is at a high level. Then, as shown in FIG. 18D , the potential of the high side monitor voltage V SENSEH drops only while the input signal VIN is at the high level. When the potential of the high side monitor voltage V SENSEH becomes equal to or lower than the high level overcurrent detection reference voltage V DCTH , the high side overcurrent detection signal V OCDCTH is output (FIG. 18 (e)). However, since the pulse width of the high-side overcurrent detection signal V OCDCTH is less than the high-side blanking time, the high-side overcurrent protection signal V OCPH (FIG. 18 (f)), the overcurrent protection signal V OCP (FIG. 18 (g )) Is not output. On the other hand, the temperature of the high-side power transistor MP21 rises while the input signal VIN is at a high level and falls while it is at a low level. However, the shorter the pulse period of the input signal VIN, the smaller the temperature drop of the high side power transistor MP21. Therefore, when the temperature rise of the high-side power transistor MP21 is above the temperature decrease, the temperature of the high-side power transistor MP21 continues to rise and reaches a thermal breakdown temperature T DES, the high-side power transistor MP21 leads to destruction.
本発明は、リンギングに対する過電流保護回路の耐性を確保しつつ、パワートランジスタに流れる大電流に対する保護能力を十分に確保することを目的とする。 An object of the present invention is to sufficiently secure a protection capability against a large current flowing in a power transistor while ensuring the tolerance of an overcurrent protection circuit against ringing.
上記目的を達成するために、請求項1にかかる発明は、パワートランジスタに流れる出力電流が第1の基準値を超えたとき過電流検出信号を発生する過電流検出回路と、前記過電流検出信号がブランキング時間を超えて継続したとき過電流保護信号を発生するブランキング回路とを含む過電流保護回路において、前記過電流検出回路が前記過電流検出信号を発生しているとき、前記パワートランジスタに流れる前記出力電流が大きくなると前記ブランキング回路のブランキング時間を減少するブランキング時間制御回路を設け、前記ブランキング時間制御回路は、前記パワートランジスタに流れる出力電流の大きさに比例したブランキング時間制御電流を発生し、前記ブランキング回路は、前記過電流検出回路が前記過電流検出信号を発生しているとき、前記ブランキング時間制御回路から出力する前記ブランキング時間制御電流により充電されるブランキング時間制御コンデンサを備え、該ブランキング時間制御コンデンサの充電電圧が第2の基準値を超えると過電流保護信号を出力する、ことを特徴とする。
In order to achieve the above object, an invention according to claim 1 is directed to an overcurrent detection circuit that generates an overcurrent detection signal when an output current flowing through a power transistor exceeds a first reference value, and the overcurrent detection signal. In an overcurrent protection circuit including a blanking circuit that generates an overcurrent protection signal when the overcurrent detection circuit generates the overcurrent detection signal. A blanking time control circuit for reducing the blanking time of the blanking circuit when the output current flowing through the power transistor increases, and the blanking time control circuit is proportional to the magnitude of the output current flowing through the power transistor. A time control current is generated, and the blanking circuit generates an overcurrent detection signal by the overcurrent detection circuit. A blanking time control capacitor that is charged by the blanking time control current output from the blanking time control circuit when the charging voltage of the blanking time control capacitor exceeds a second reference value. A protection signal is output .
本発明によれば、過電流保護回路は、パワートランジスタの出力電流が大きくなるほど、ブランキング時間が短くなるように制御されるため、出力端子の電圧波形に含まれるリンギングによる微弱な出力電流ではブランキング時間を長時間確保できる一方で、出力端子を短絡したときのような、大きな出力電流ではブランキング時間を短時間にすることができる。そのため、リンギングに対する過電流保護回路の耐性を確保しつつ、パワートランジスタに流れる大電流に対する保護能力を十分に確保することができる。
According to the present invention, the overcurrent protection circuit is controlled so that the blanking time is shortened as the output current of the power transistor increases. Therefore, the overcurrent protection circuit is blocked by a weak output current due to ringing included in the voltage waveform of the output terminal. While the ranking time can be secured for a long time, the blanking time can be shortened for a large output current, such as when the output terminal is short-circuited. Therefore, it is possible to sufficiently secure the protection capability against a large current flowing in the power transistor while ensuring the tolerance of the overcurrent protection circuit against ringing.
また、ブランキング時間制御回路は、パワートランジスタに流れる出力電流の大きさに比例したブランキング時間制御電流を発生するので、ブランキング時間をブランキング時間制御電流に逆比例させて変化させることができる。そのため、リンギングに対する過電流保護回路の耐性を確保しつつ、パワートランジスタに流れる大電流に対する保護能力を十分に確保することが可能となる。
Further , the blanking time control circuit generates a blanking time control current proportional to the magnitude of the output current flowing through the power transistor, so that the blanking time can be changed in inverse proportion to the blanking time control current. . Therefore, it is possible to sufficiently secure the protection capability against a large current flowing through the power transistor while ensuring the tolerance of the overcurrent protection circuit against ringing.
図1に本発明の過電流保護回路16の実施例を示す。図7のスイッチング駆動回路10の過電圧保護回路17と置き換える本実施例の過電流保護回路16は、ハイサイド過電流保護回路16H、ローサイド過電流保護回路16L、オア回路OR1、D型フリップフロップDFF1で構成される。このうち、ハイサイド過電流保護回路16Hは、ハイサイド過電流検出回路161、ハイサイドブランキング時間制御回路162、ハイサイドブランキング回路163で構成される。また、ローサイド過電流保護回路16Lは、ローサイド過電流検出回路164、ローサイドブランキング時間制御回路165、ローサイドブランキング回路166で構成される。
FIG. 1 shows an embodiment of the overcurrent protection circuit 16 of the present invention. The overcurrent protection circuit 16 of this embodiment that replaces the
図2に、ハイサイド過電流保護回路16Hの具体的な回路構成を示す。ハイサイド過電流保護回路16Hは、電流源I1、PMOSトランジスタMP1〜MP5、NMOSトランジスタMN1〜MN3,MN6、高耐圧NMOSトランジスタMN4,MN5、PNPトランジスタQP1,QP2、NPNトランジスタQN1,QN2、ハイサイドブランキング時間制御抵抗R1、ハイサイドブランキング時間制御コンデンサC1、コンパレータ1611,1631、レベルシフト回路1612、インバータINV1,INV2、ハイサイド過電流検出基準電圧VDCTHの電圧源、ハイサイドブランキング時間基準電圧VBLNKHの電圧源で構成される。このうち、ハイサイド過電流検出基準電圧VDCTH、コンパレータ1611、レベルシフト回路1612で、ハイサイド過電流検出回路161が構成される。また、ハイサイドブランキング時間制御抵抗R1、トランジスタQP1,QP2,QN1,QN2,MN3〜MN5,MP2〜MP4で、ハイサイドブランキング時間制御回路162が構成される。さらに、トランジスタMP5,MN6,ハイサイドブランキング時間制御コンデンサC1、ハイサイドブランキング時間基準電圧VBLNKH、インバータINV2、コンパレータ1631で、ハイサイドブランキング回路163が構成される。
FIG. 2 shows a specific circuit configuration of the high-side
図2に示したハイサイド過電流保護回路16Hにおいて、ハイサイド過電流検出回路161が過電流を検出し、ハイサイド過電流検出信号VOCDCTHを出力した場合を考える。ハイサイド過電流検出信号VOCDCTHが出力されると、インバータINV1を経由して、トランジスタMP5がオン状態、MN6がオフ状態となり、ハイサイドブランキング時間制御コンデンサC1へハイサイドブランキング時間制御電流IBLNKHが流入する。このハイサイドブランキング時間制御電流IBLNKHは、電流源I1からカレントミラーされた電流IBLNKH1と、ハイサイドブランキング時間制御回路162から出力された電流IBLNKH2の和であるため、式(1)の関係が成り立つ。
このうち、電流IBLNKH1は一定値であるが、電流IBLNKH2は、ハイサイドモニタ電圧VSENSEHの値によって変化する。以下、電流IBLNKH2とハイサイドモニタ電圧VSENSEHの関係を導出する。
In the high-side
Among these, the current I BLNKH1 is a constant value, but the current I BLNKH2 varies depending on the value of the high side monitor voltage V SENSEH . Hereinafter, the relationship between the current I BLNKH2 and the high side monitor voltage V SENSEH is derived.
抵抗R1に流れる電流をIR1とし、QN1,QN2が同一のNPNトランジスタで、MP3,MP4が同一のPMOSトランジスタであるとすると、
となる。また、電流IR1は、ハイサイドモニタ電圧VSENSEHを用いて式(3)のように記述することができる。ここで、VBEQP1はトランジスタQP1のベース・エミッタ間電圧、VBEQP2はPNPトランジスタQP2のベース・エミッタ間電圧である。
このとき、QP1、QP2が同一のPNPトランジスタとすれば、電流IR1は式(4)の関係が成り立つ。
よって、式(1)、式(2)、式(4)より、ハイサイドブランキング時間制御電流IBLNKHは次の式で表すことができる。
図3(a)に、PVDD基準ハイサイドモニタ電圧「PVDD−VSENSEH」とハイサイドブランキング時間制御電流IBLNKHの関係を示した。
The current flowing through the resistor R1 and I R1, QN1, QN2 are the same of the NPN transistor, when the MP3, MP4 are the same PMOS transistor,
It becomes. In addition, the current I R1 can be described as in Expression (3) using the high-side monitor voltage V SENSEH . Here, V BEQP1 the base-emitter voltage of the transistor QP1, V BEQP2 is the base-emitter voltage of the PNP transistor QP2.
At this time, if the QP1 and QP2 are the same PNP transistor, the current I R1 satisfies the relationship of the expression (4).
Therefore, from the equations (1), (2), and (4), the high-side blanking time control current I BLNKH can be expressed by the following equation.
FIG. 3A shows the relationship between the PV DD reference high-side monitor voltage “PV DD −V SENSEH ” and the high-side blanking time control current I BLNKH .
このハイサイドブランキング時間制御電流IBLNKHがハイサイドブランキング時間制御コンデンサC1に流入するので、ハイサイドブランキング時間tBLNKHは、式(6)の関係で表せる。
よって、式(5)、式(6)より、ハイサイドブランキング時間tBLNKHとハイサイドモニタ電圧VSENSEHの間には式(7)の関係が成り立つ。
図3(b)に、PVDD基準ハイサイドモニタ電圧「PVDD−VSENSEH」とハイサイドブランキング時間tBLNKHの関係を示した。
Since the high side blanking time control current I BLNKH flows into the high side blanking time control capacitor C1, the high side blanking time t BLNKH can be expressed by the relationship of Expression (6).
Therefore, from the equations (5) and (6), the relationship of the equation (7) is established between the high side blanking time t BLNKH and the high side monitor voltage V SENSEH .
FIG. 3B shows the relationship between the PV DD reference high-side monitor voltage “PV DD −V SENSEH ” and the high-side blanking time t BLNKH .
次に、図4にローサイド過電流保護回路16Lの具体的な回路構成を示す。ローサイド過電流保護回路16Lは、電流源I2、PMOSトランジスタMP6〜MP11、NMOSトランジスタMN7、NPNトランジスタQN3,QN4、ローサイドブランキング時間制御抵抗R2、ローサイドブランキング時間制御コンデンサC2、コンパレータ1641,1661、インバータINV3,INV4、ローサイド過電流検出基準電圧VDCTLの電圧源、ローサイドブランキング時間基準電圧VBLNKLの電圧源で構成される。このうち、ローサイド過電流検出基準電圧VDCTL、コンパレータ1641で、ローサイド過電流検出回路164が構成される。また、ローサイドブランキング時間制御抵抗R2、トランジスタQN3、QN4,MP7〜MP10で、ローサイドブランキング時間制御回路165が構成される。さらにトランジスタMP11,MN7、ローサイドブランキング時間制御コンデンサC2、ローサイドブランキング時間基準電圧VBLNKL、コンパレータ1661、インバータINV4で、ローサイドブランキング回路166が構成される。
Next, FIG. 4 shows a specific circuit configuration of the low-side
図4に示したローサイド過電流保護回路16Lにおいて、ローサイド過電流検出回路164が過電流を検出し、ローサイド過電流検出信号VDCTLを出力した場合を考える。ローサイド過電流検出信号VOCDCTLが出力されると、インバータINV3を経由して、トランジスタMP11がオン状態、MN7がオフ状態となり、ローサイドブランキング時間制御コンデンサC2にローサイドブランキング時間制御電流IBLNKLが流入する。この電流IBLNKLは、電流源I2からカレントミラーされた電流IBLNKL1と、ローサイドブランキング時間制御回路165から出力された電流IBLNKL2の和であるため、式(8)の関係が成り立つ。
このうち、電流IBLNKL1は一定値であるが、電流IBLNKL2は、ローサイドモニタ電圧VSENSELの値によって変化する。以下、電流IBLNKL2とローサイドモニタ電圧VSENSELの関係を導出する。
Consider a case where in the low-side
Among these, the current IBLNKL1 is a constant value, but the current IBLNKL2 varies depending on the value of the low-side monitor voltage V SENSEL . Hereinafter, the relationship between the current I BLNKL2 and the low-side monitor voltage V SENSEL is derived.
抵抗R2に流れる電流をIR2とし、MP8,MP10が同一のPMOSトランジスタであるとすると、
となる。また、電流IR2は、ローサイドモニタ電圧VSENSELを用いて式(10)のように記述することができる。ここで、VBEQN3はトランジスタQN3のベース・エミッタ間電圧、VBEQN4はトランジスタQN4のベース・エミッタ間電圧である。
このとき、QN3、QN4が同一のNPNトランジスタとすれば、電流IR2は式(11)の関係が成り立つ。
よって、式(8)、式(9)、式(11)より、ローサイドブランキング時間制御電流IBLNKLは次の式で表すことができる。
図5(a)に、ローサイドモニタ電圧VSENSELとローサイドブランキング時間制御電流IBLNKLの関係を示した。
When the current flowing through the resistor R2 and I R2, and MP8, MP10 are the same PMOS transistor,
It becomes. Further, the current I R2 can be described as in Expression (10) using the low-side monitor voltage V SENSEL . Here, V BEQN3 the base-emitter voltage of the transistor QN3, V BEQN4 is the base-emitter voltage of the transistor QN4.
At this time, if QN3 and QN4 are the same NPN transistor, the current I R2 satisfies the relationship of Expression (11).
Therefore, from the equations (8), (9), and (11), the low side blanking time control current IBLNKL can be expressed by the following equation.
FIG. 5A shows a relationship between the low-side monitor voltage V SENSEL and the low-side blanking time control current IBLNKL .
このローサイドブランキング時間制御電流IBLNKLがブランキング時間制御コンデンサC2に流入するので、ローサイドブランキング時間tBLNKLは、式(13)の関係で表せる。
よって、式(12)、式(13)より、ローサイドブランキング時間tBLNKLとローサイドモニタ電圧VSENSELの間には式(14)の関係が成り立つ。
図5(b)に、ローサイドモニタ電圧VSENSELとローサイドブランキング時間tBLNKLの関係を示した。
図6に本発明の過電流保護回路16において、ハイサイドパワートランジスMP1に過電流が流れた場合の動作波形を示す。
Since the low side blanking time control current IBLNKL flows into the blanking time control capacitor C2, the low side blanking time tBLNKL can be expressed by the relationship of Expression (13).
Therefore, from the equations (12) and (13), the relationship of the equation (14) is established between the low side blanking time t BLNKL and the low side monitor voltage V SENSEL .
FIG. 5B shows a relationship between the low side monitor voltage V SENSEL and the low side blanking time t BLNKL .
FIG. 6 shows an operation waveform when an overcurrent flows through the high-side power transistor MP1 in the overcurrent protection circuit 16 of the present invention.
以上のように、本実施例では、パワートランジスタの出力電流の電流値が小さいほどブランキング時間制御コンデンサへの充電速度が遅くなるように構成されているため、このときのブランキング時間はより長時間になる。一方で、パワートランジスタの出力電流の電流値が大きいほどブランキング時間制御コンデンサへの充電速度が速くなるように構成されているため、このときのブランキング時間はより短時間になる。その結果、出力電圧VOUTの波形に含まれるリンギングによる微弱な出力電流ではブランキング時間を長時間確保できる一方で、出力端子を短絡したときのような、大きな出力電流に対してはブランキング時間を短時間にすることができる。そのため、リンギングに対する過電流保護回路の耐性を確保しつつ、パワートランジスタに流れる大電流に対する保護能力を十分に確保することができる。 As described above, the present embodiment is configured such that the charging speed to the blanking time control capacitor is slower as the current value of the output current of the power transistor is smaller, so the blanking time at this time is longer. It will be time. On the other hand, since the charging speed to the blanking time control capacitor increases as the current value of the output current of the power transistor increases, the blanking time at this time becomes shorter. As a result, the blanking time can be secured for a long time with the weak output current due to ringing included in the waveform of the output voltage VOUT , while the blanking time for a large output current such as when the output terminal is short-circuited. Can be shortened. Therefore, it is possible to sufficiently secure the protection capability against a large current flowing in the power transistor while ensuring the tolerance of the overcurrent protection circuit against ringing.
10:スイッチング駆動回路
11:コントロールロジック回路
12H:ハイサイドレベルシフト回路、12L:ローサイドレベルシフト回路
13H:ハイサイドプリドライバ回路、13L:ローサイドプリドライバ回路
14H:ハイサイド出力回路、14L:ローサイド出力回路
15H:ハイサイド出力電流モニタ回路、15L:ローサイド出力電流モニタ回路
16:過電流保護回路、16H:ハイサイド過電流保護回路、16L:ローサイド過電流保護回路、161:ハイサイド過電流検出回路、1611:コンパレータ、1612:レベルシフト回路、162:ハイサイドブランキング時間制御回路、163:ハイサイドブランキング回路、1631:コンパレータ、164:ローサイド過電流検出回路、1641:コンパレータ、165:ローサイドブランキング時間制御回路、166:ローサイドブランキング回路、1661:コンパレータ
17:過電流保護回路、17H:ハイサイド過電流保護回路、17L:ローサイド過電流保護回路、171:ハイサイド過電流検出回路、1711:コンパレータ、1712:レベルシフト回路、172:ハイサイドブランキング回路、1721:コンパレータ、173:ローサイド過電流検出回路、1721:コンパレータ、174:ローサイドブランキング回路、1741:コンパレータ
18:負荷
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10: Switching drive circuit 11:
Claims (1)
前記過電流検出回路が前記過電流検出信号を発生しているとき、前記パワートランジスタに流れる前記出力電流が大きくなると前記ブランキング回路のブランキング時間を減少するブランキング時間制御回路を設け、
前記ブランキング時間制御回路は、前記パワートランジスタに流れる出力電流の大きさに比例したブランキング時間制御電流を発生し、
前記ブランキング回路は、前記過電流検出回路が前記過電流検出信号を発生しているとき、前記ブランキング時間制御回路から出力する前記ブランキング時間制御電流により充電されるブランキング時間制御コンデンサを備え、該ブランキング時間制御コンデンサの充電電圧が第2の基準値を超えると過電流保護信号を出力する、
ことを特徴とする過電流保護回路。
An overcurrent detection circuit that generates an overcurrent detection signal when the output current flowing through the power transistor exceeds the first reference value, and an overcurrent protection signal when the overcurrent detection signal continues beyond the blanking time In an overcurrent protection circuit including a blanking circuit that
A blanking time control circuit for reducing a blanking time of the blanking circuit when the output current flowing through the power transistor increases when the overcurrent detection circuit generates the overcurrent detection signal ;
The blanking time control circuit generates a blanking time control current proportional to the magnitude of the output current flowing through the power transistor,
The blanking circuit includes a blanking time control capacitor that is charged by the blanking time control current output from the blanking time control circuit when the overcurrent detection circuit generates the overcurrent detection signal. When the charging voltage of the blanking time control capacitor exceeds the second reference value, an overcurrent protection signal is output.
An overcurrent protection circuit characterized by that.
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