电流检测电路、开关电路的制作方法

1.本发明涉及电流检测电路、开关电路。


背景技术：

2.目前已知有连接在电源与负载之间的高侧开关电路。图5是表示现有的高侧开关电路的一例的图。图5所示的高侧开关电路1具有晶体管m1、m2、逻辑电路2、电流检测放大器3。
3.晶体管m1、m2是pmos晶体管，串联连接在vdd端子与out端子之间。当通过逻辑电路2使晶体管m1、m2导通时，高侧开关电路1从out端子输出从vdd端子供给的电流。从out端子输出的电流作为高侧开关电路1的输出电流供给至后级的负载。
4.晶体管m1、m2的背栅与晶体管m1和晶体管m2的连接点连接，各个寄生二极管d1、d2的阴极彼此相对。因此，高侧开关电路1在由于电源短路等而out端子的电位变得比vdd端子的电位高的情况下，通过晶体管m1的寄生二极管d1来防止电流的逆流。
5.逻辑电路2基于从ce端子输入的信号来控制晶体管m1、m2的导通和截止。电流检测放大器3检测晶体管m1的源极-漏极间的电流。并且，电流检测放大器3将检测出的电流作为用于检测从out端子输出的输出电流的检测用电流，从i_out端子输出。
6.在高侧开关电路1中，通过这样检测输出电流来检测out端子与out端子后级的负载的连接。
7.在所述现有的高侧开关电路中，由于晶体管的导通电阻有偏差，存在电压依赖性、温度依赖性等，因此难以高精度地检测检测用电流。因此，在现有的高侧开关电路中，难以高精度地检测输出电流。
8.专利文献1：日本特开2002-91584号公报
9.专利文献2：日本特开2006-50724号公报


技术实现要素：

10.公开的技术是鉴于所述情况而完成的，以提高电流检测的精度为目的。
11.公开的技术为电流检测电路，具备：
12.第一开关元件m21和第二开关元件m31，其输入侧与电源端子vdd连接；
13.第三开关元件m11，其与所述第一开关元件串联连接，其输出侧与输出端子vout连接；以及
14.电流放大器111，其检测所述第一开关元件m21的输出电压与所述第二开关元件m31的输出电压的差值，输出用于检测从所述输出端子输出的输出电流的相对电流，
15.所述第一开关元件m21的控制部和所述第二开关元件m31的控制部连接，
16.所述第一开关元件m21和所述第二开关元件m31的电阻比为1：n。
17.另外，公开的技术还涉及电流检测电路，具备：
18.第一开关元件m21和第二开关元件m31，其输入侧与电源端子vdd连接；
19.第三开关元件m11，其与所述第一开关元件m21串联连接，其输出侧与输出端子vout连接；
20.第四开关元件m61，其与所述第二开关元件m31串联连接；以及
21.电流放大器111，其检测所述第三开关元件m11的输出电压与所述第四开关元件m61的输出电压的差值，流过用于检测从所述输出端子输出的输出电流的相对电流，
22.所述第一开关元件m21的控制部和所述第二开关元件m31的控制部连接，
23.所述第三开关元件m11的控制部与所述第四开关元件m61的控制部连接，
24.所述第一开关元件m21与所述第二开关元件m31的电阻比为1：n，
25.所述第三开关元件m11与所述第四开关元件m61的电阻比为1：m。
26.能够提高电流检测的精度。
附图说明
27.图1是说明第一实施方式的开关电路的利用场景的图。
28.图2是表示第一实施方式的开关电路的图。
29.图3是表示开关电路动作时的输出电流和相对电流的变化的图。
30.图4是表示第二实施方式的开关电路的图。
31.图5是表示现有的高侧开关电路的一例的图。
32.附图标记说明
33.100、100a：开关电路、110、110a：电流检测电路、120：偏置电路、130：逻辑电路、140：限流电路、150：比较器、m11、m21、m31、m41、m51、m61：晶体管。
具体实施方式
34.(第一实施方式)
35.以下，参照附图对第一实施方式进行说明。图1是说明第一实施方式的开关电路的利用场景的图。
36.本实施方式的开关电路100是内置于在电源20与负载30之间连接的电子设备10中的高侧开关电路。
37.电子设备10例如是汽车导航系统等车载用的电子设备。电源20例如是dc电源、电池等，负载30例如是与电子设备10连接的gps(global positioning system：全球定位系统)天线、收音机、电视机、车载用的摄像头等。
38.本实施方式的开关电路100将从电源20供给的电流供给至负载30。另外，本实施方式的开关电路100检测从电源20向负载30供给的电流值，基于检测出的电流值，检测电子设备10与负载30的连接或者切断。进而，开关电路100防止电流从负载30向电源20逆流。
39.图2是表示第一实施方式的开关电路的图。本实施方式的开关电路100具有电流检测电路110、偏置电路120、逻辑电路130、限流电路140、比较器(比较电路)150、晶体管m11(第三开关元件、晶体管m51、vdd端子(电源端子)、ce端子、gnd端子、vout端子(输出端子)、vs端子、err端子。
40.在开关电路100中，vdd端子与电源20连接。vout端子与包含开关电路100的电子设备10后级的负载30连接。ce端子与开关电路100的上位电路等连接，被输入各种控制信号。
gnd端子接地。
41.vs端子经由电阻rs接地。电阻rs是用于检测从开关电路100输出的输出电流iout的相对电流iout’的电阻，电阻值可以是可变的。换言之，电阻rs是电流电压转换元件。
42.相对电流iout’是用于检测输出电流iout的电流。相对电流iout’与电流iout的关系在后面叙述。
43.err端子与作为开关电路100的上位电路的cpu(central processing unit，中央处理单元)等连接。另外，err端子根据电流检测电路110的检测结果，将表示输出电流iout成为阈值这一情况的错误信号输出到上位电路。
44.电流检测电路110具有电流放大器111、晶体管m21(第一开关元件)、晶体管m31(第二开关元件)。电流放大器111包括晶体管m41和放大器112。本实施方式的开关电路100所具有的各晶体管是mos晶体管(开关元件)。
45.在电流检测电路110中，晶体管m21和晶体管m31的输入侧与vdd端子连接，作为晶体管m21的控制部的栅极和作为晶体管m31的控制部的栅极连接，晶体管m21和晶体管m31同步地导通/截止。
46.另外，本实施方式的晶体管m31是与晶体管m21相同结构的晶体管，将晶体管m21缩小为1/n。
47.晶体管m21的输出侧与晶体管m11的输入侧连接。在以下的说明中，将晶体管m21的输出侧与晶体管m11的输入侧的连接点称为连接点pa，将连接点pa的电压称为电压va。
48.另外，晶体管m21、m11的背栅与晶体管m21和晶体管m11之间的连接点pa连接，存在与晶体管m21并联地相对于vdd端子反向连接的寄生二极管。另外，存在与晶体管m11并联地相对于vdd端子正向连接的寄生二极管。晶体管m21的寄生二极管和晶体管m11的寄生二极管的阴极彼此相对。因此，在开关电路100中，在由于电源短路等而vout端子的电位变得比vdd端子的电位高的情况下，通过晶体管m21的寄生二极管来防止电流的逆流。
49.晶体管m21的输入侧与vdd端子、晶体管m31的输入侧以及偏置电路120连接。另外，晶体管m11的输出侧与vout端子连接。
50.晶体管m31的输出侧与晶体管m41的输入侧连接。在以下的说明中，将晶体管m31的输出侧与晶体管m41的输入侧的连接点称为连接点pb，将连接点pb的电压称为电压vb。
51.另外，晶体管m31、m41的背栅与连接点pb连接，存在与晶体管m31并联地相对于vdd端子反向连接的寄生二极管。另外，存在与晶体管m41并联地相对于vdd端子正向连接的寄生二极管。晶体管m31的寄生二极管和晶体管m41的寄生二极管的阴极彼此相对。因此，在开关电路100中，在由于电源短路等而vs端子的电位变得比vdd端子的电位高的情况下，通过晶体管m31的寄生二极管能够防止电流从vs端子向vdd端子逆流。
52.即，本实施方式的晶体管m21的寄生二极管和晶体管m31的寄生二极管是逆流防止元件。
53.在电流放大器111中，放大器112的同相输入端子与连接点pa连接，反相输入端子与连接点pb连接，输出端子与晶体管m41的栅极连接。电流放大器111检测晶体管m21的输出电压与晶体管m31的输出电压的差值，并流过相对电流iout’。换言之，电流放大器111输出与晶体管m21的导通电阻和晶体管m31的导通电阻的差值对应的相对电流iout’。
54.晶体管m41的输出侧与比较器150的同相输入端子和vs端子连接。比较器150的反
相输入端子与基准电压vref连接。比较器150的输出端子与晶体管m51连接。晶体管m51连接在接地和err端子之间。
55.偏置电路120与vdd端子、ce端子、逻辑电路130连接。偏置电路120基于从ce端子输入的控制信号，根据从vdd端子供给的电源电压生成向逻辑电路130供给的偏置并向逻辑电路130供给偏置。此外，偏置电路120将从ce端子输入的控制信号输出到逻辑电路130。另外，虽然在图2中没有示出，但偏置电路120对于开关电路100中的逻辑电路130以外的电路也供给偏置。
56.逻辑电路130与偏置电路120、晶体管m11的栅极、晶体管m21的栅极、晶体管m31的栅极、限流电路140连接。
57.逻辑电路130根据从偏置电路120输入的信号，向晶体管m11、m21、m31各自的栅极输出高电平(以下称为h电平)或低电平(以下称为l电平)的信号，控制晶体管m11、m21、m31的导通/截止。因此，晶体管m11、m21、m31各自的栅极可以说是控制来自vdd端子的输出电流iout的输出的控制部。
58.限流电路140根据从逻辑电路130输出的信号来限制电流值，使得电流iout的值不超过根据负载30决定的上限值。
59.接着，对本实施方式的相对电流iout’与输出电流iout的关系进行说明。在本实施方式中，晶体管m31是将晶体管m21缩小为1/n而得的晶体管。另外，在电流放大器111中，通过反馈动作，电压va＝电压vb。
60.因此，相对电流iout’与输出电流iout的关系如下所示。此外，r21是晶体管m21的导通电阻，r31是晶体管m31的导通电阻。
61.iout
×
r21＝iout
’×
r31
62.iout’＝(r21/r31)
×
iout
ꢀꢀꢀ
式(1)
63.其中，晶体管m31是将晶体管m21缩小为1/n而得的晶体管，所以式(1)成为以下的式(2)。
64.r21＝r31
×n65.iout’＝(1/n)
×
iout
ꢀꢀꢀꢀ
式(2)
66.因此，在本实施方式中，能够根据晶体管m21与晶体管m31的相对比来检测输出电流iout的值，作为相对电流iout’，能够忽略各晶体管的偏差、电压依赖性、温度特性。
67.因此，根据本实施方式，能够防止来自负载30侧电流的逆流，并且能够提高使用了相对电流iout’的输出电流iout的检测精度。
68.接着，对本实施方式的开关电路100的动作进行说明。在本实施方式的开关电路100中，当通过逻辑电路130使晶体管m11、晶体管m21、晶体管m31成为导通的状态时，vdd端子与vout端子导通。然后，在开关电路100中，从vout端子输出与电源电压vin对应的输出电流iout。
69.另外，在开关电路100中，从vs端子输出与电源电压vin对应的相对电流iout’。
70.在此，在本实施方式的开关电路100中，基于相对电流iout’的值，在输出电流iout的值成为阈值以下的情况下，对其进行检测，并将错误信号向上位电路输出。输出电流iout的值成为阈值以下的情况例如是vout端子和负载30的连接被切断的情况等。换言之，输出电流iout的值成为阈值以下的情况是指电源20与负载30的连接被切断的情况等。
71.在本实施方式中，若输出电流iout的值变小，则相对电流iout’的值也变小。在本实施方式中，通过比较器150将对vs端子的电压和基准电压vref进行比较的结果输出到晶体管m51的栅极。
72.vs端子的电压由相对电流iout’和电阻rs决定。比较器150在vs端子的电压比基准电压vref高的情况下，将h电平的信号输出到晶体管m51的栅极。在该情况下，晶体管m51为截止的状态，因此不会从err端子输出信号。
73.另外，比较器150在相对电流iout’的值变小，vs端子的电压低于基准电压vref时，将l电平的信号输出到晶体管m51的栅极。在该情况下，晶体管m51成为导通的状态，从err端子对上位电路输出错误信号。
74.在本实施方式中，能够提高输出电流iout的检测精度，因此还能够提高输出电流iout是否为阈值以下的判定精度。因此，在本实施方式中，能够提高检测电源20与负载30的连接是否被切断的精度。
75.另外，将vs端子的电压与基准电压vref进行比较并从err端子输出错误信号时的逻辑不限定于所述的实施例，能够适当设定。
76.图3是表示开关电路动作时的输出电流iout和相对电流iout’的变化的图。
77.图3的(a)所示的图表31和图3的(b)所示的图表32各自的纵轴为电源电压vin，横轴为输出电流iout。
78.图表31所示的直线311表示连接点pa、pb的电压va、vb，直线312表示vout端子的输出电压vout。图表32所示的直线321表示vs端子的电压vs。
79.从图表31的直线311、312可知，电压va、vb和输出电压vout分别在输出电流iout变得越大时会越受到晶体管m21的导通电阻和晶体管m11的导通电阻的影响而下降。
80.另外，从图表32的直线321可知，输出电流iout越大则电压vs变得越大。这是因为，输出电流iout越大则相对电流iout’也变得越大。
81.如上所述，根据本实施方式能够提高使用了相对电流iout’的输出电流iout的检测精度。
82.另外，在本实施方式中，能够缩小晶体管m31和晶体管m41的尺寸，能够缩小开关电路100的芯片面积。
83.另外，在本实施方式中，能够根据电阻rs变更成为检测vdd端子与负载的连接的切断时的阈值的电流值。因此，在本实施方式中，不使用a/d转换器等而仅通过开关电路100就能够变更输出电流iout的阈值。
84.另外，在本实施方式中，在判定vdd端子与负载的连接的切断时，通过外置的电阻rs将相对电流iout’转换为电压，使用比较器150进行判定，因此能够提高判定的精度。
85.(第二实施方式)
86.以下，参照附图对第二实施方式进行说明。在第二实施方式中，使用2个晶体管生成相对电流iout’这一点与第一实施方式不同。因此，在以下的第二实施方式的说明中，对与第一实施方式的不同点进行说明，对具有与第一实施方式相同的功能结构的部分赋予在第一实施方式的说明中使用的附图标记，并省略其说明。
87.图4是表示第二实施方式的开关电路的图。本实施方式的开关电路100a具有电流检测电路110a、偏置电路120、逻辑电路130、限流电路140、比较器150、晶体管m51、vdd端子、
ce端子、gnd端子、vout端子、vs端子、err端子。
88.本实施方式的电流检测电路110a包括电流放大器111、晶体管m11、m21、m31、m61。本实施方式的晶体管m61(第四开关元件)是与晶体管m11相同的结构，是缩小为1/m的晶体管。另外，存在与晶体管m61并联地相对于vdd端子正向连接的寄生二极管。
89.即，本实施方式的电流检测电路110a包括晶体管m11和将晶体管m11缩小为1/m而得的晶体管m61。作为晶体管m61的控制部的栅极与作为晶体管m11的控制部的栅极连接，晶体管m11和晶体管m61同步地导通/截止。逻辑电路130向晶体管m11、m21、m31、m61各自的栅极输出h电平或l电平的信号，控制晶体管m11、m21、m31、m61的导通/截止。
90.另外，晶体管m61的输入侧与晶体管m31的输出侧连接，晶体管m61的输出侧与晶体管m41的输入侧连接。在以下的本实施方式的说明中，将晶体管m61的输出侧与晶体管m41的输入侧的连接点称为连接点pb’，将连接点pb’的电压称为电压vb’。另外，r61是晶体管m61的导通电阻。
91.在图4所示的电流检测电路110a中，与第一实施方式相比，电压va’、vb’成为比晶体管m11和晶体管m61的导通电阻大的值。
92.在图2所示的电流检测电路110中，电压va、vb是
93.vdd-va＝vdd-vb
94.va＝vb，
95.为r21
×
iout＝r31
×
iout’。
96.另一方面，在图4所示的电流检测电路110a中，电压va’、vb’是
97.vdd-va’＝vdd-vb’，
98.va’＝vb’，
99.为(r21 r11)
×
iout＝(r31 r61)
×
iout’。
100.根据以上内容，即使iout’相同，在图4所示的电流检测电路110a中，电压va’、vb’也变得比图2所示的电流检测电路110的电压va、vb大，因此相对精度提高。即，能够减小电流检测电路的偏移等的影响。
101.例如，在晶体管m21和晶体管m11具有相同尺寸的情况下，晶体管m31和m61也会成为相同的尺寸。因此，在本实施方式中，在相对电流iout’流动的路径中，导通电阻成为第一实施方式的约2倍的值，电压va’、vb’也成为约2倍的值。另外，晶体管m21和晶体管m11可以不是相同的尺寸。
102.另外，在本实施方式中，晶体管m61是将晶体管m11缩小为1/m而得的晶体管，晶体管m31是将晶体管m21缩小为1/n而得的晶体管，但并不限定于此。晶体管m61和晶体管m31也可以是分别将晶体管m11和晶体管m21缩小为1/n而得的晶体管。
103.这样，在本实施方式中，通过增大电压va’、vb’的值，能够防止来自负载30侧的电流的逆流，并且能够提高输出电流iout的检测精度。