CN101133489A - 半导体集成电路设备 - Google Patents

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Abstract

本发明的半导体集成电路设备的过热保护电路(1)具有从电源电压(Vcc)中去除高频分量的滤波器装置。具体地讲，过热保护电路(1)具有：带隙电源部分(BG)和电阻器R1和R2，用于产生基准电压(Vref)；晶体管N1，用于温度检测；电阻器R3和R4，用于从电源电压(Vcc)中产生根据晶体管N1的导通/截止装置的控制信号(Sctrl)；晶体管P1，根据控制信号(Sctrl)而导通/截止；以及晶体管N2、电阻器R5和R6，用于产生根据晶体管P1的导通/截止状态的过热保护信号(Stsd)。此外，过热保护电路(1)具有分别与晶体管P1的发射极和集电极连接的电阻器R7和电容器C1，作为滤波器装置。这样，无论电源电压的变化(脉冲叠加)如何，均可以执行高精度过热保护操作。

Description

半导体集成电路设备
技术领域
本发明涉及具有过热保护电路的半导体集成电路设备。更具体地，本发明涉及对于半导体集成电路设备的过热保护能力的精确性的改进。
背景技术
常规上，诸如电源设备和电机驱动设备等很多对功率晶体管进行驱动的半导体集成电路设备(以下“IC(集成电路)”)结合有过热保护电路(所谓的热关闭电路)，用于防止由于IC温度的异常上升而导致的IC(具体的是其功率晶体管)损坏(见本发明的申请人曾经提交的专利文献1和2)。前述过热保护电路配置为通过利用双极性晶体管的Vf(基极-发射极正向电压降)一般根据周围温度而变化的特性，产生过热保护信号。
专利文献1：JP-A-2004-253936
专利文献2：JP-B-H06-16540
发明内容
本发明要解决的问题
的确，专利文献1和2中公开的IC可以通过检测由于故障或过载而导致的IC温度异常上升并断开对负载的供能，来防止IC的损坏。
但是，因为上述常规IC不需要执行非常快速的过热保护操作，所以没有采取任何特别措施来防止由于电源电压变化(噪声叠加)而引起的过热保护电路的故障。
因此，出现如下问题。当受到过热监视的对象也是噪声源时，不利地将噪声叠加到设置在受到过热监视的对象近旁的过热保护电路的电源电压上，从而导致错误地产生过热保护信号。
特别地，近年来，越来越多的开关电源设备和电极驱动设备将作为噪声源的功率晶体管结合到IC中。因为由功率晶体管的导通/截止引起的脉冲噪声容易叠加在过热保护电路的电源电压上，所以这种IC易于受到上述问题的影响。这样难以将过热保护电路放置在也作为过热监视对象的功率晶体管近旁。
考虑到上述常规技术中遇到的问题，本发明的目的是提供一种半导体集成电路设备，无论电源电压(脉冲叠加)变化如何，该半导体集成电路设备可以执行高精度的过热保护操作。
解决问题的手段
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，一种半导体集成电路装置，包括：功率晶体管，用于执行开关控制；以及过热保护电路，用于检测所述功率晶体管温度的异常上升，并向被保护的电路通知温度的异常上升，其中，所述过热保护电路包括滤波器部分，用于从所述过热保护电路的电源电压中去除比预定截止频率高的频率分量(第一配置)。
更具体地，在具有上述第一配置的半导体集成电路设备中，所述过热保护电路设置有：基准电压产生部分，用于产生预定基准电压；双极性晶体管，用于温度检测，设置在所述功率晶体管旁，并根据随周围温度而变化的基极-发射极正向电压降是高于还是低于所述基准电压而导通/截止；控制电压信号产生部分，用于从电源电压中产生控制电压信号，所述控制电压信号具有根据所述双极性晶体管的导通/截止状态的逻辑；开关部分，所述开关部分根据所述控制电压信号的逻辑而导通/截止；以及过热保护信号产生部分，用于产生过热保护信号，所述过热保护信号具有根据所述开关部分的导通/截止状态的逻辑，其中，作为所述滤波器部分，所述过热保护电路还包括：电阻器，插入在所述开关部分的一端与被施加有所述电源电压的点之间；和/或电容器，插入在所述开关部分的另一端与地电位之间。(第二配置)。
优选的是，在具有上述第二配置的半导体集成电路设备中，所述基准电压产生部分设置有：带隙电源部分，用于产生与周围温度无关的带隙电压；以及电阻划分部分，用于从所述带隙电压中产生所述基准电压(第三配置)。
优选的是，在具有上述第三配置的半导体集成电路设备中，所述基准电压产生部分设置有：电流缓冲部分，在所述带隙电源部分与所述电阻划分部分之间，用于改善电流能力(第四配置)。
在具有第一到第四配置之一的半导体集成电路设备中，所述功率晶体管形成开关电源电路或电机驱动电路。
本发明的有益效果
采用根据本发明的半导体集成电路设备，即使当将过热保护电路放置在作为噪声源的过热监视对象近旁，无论电源电压变化(脉冲叠加)如何，均可以执行高精度的过热保护操作。
附图说明
图1示出了根据本发明的开关电源IC的概略框图。
图2示出了过热保护电路1的实施例的电路图。
图3示出了减小开关噪声的有效性的示意图。
图4示出了过热保护电路1的另一实施例的电路图。
附图标记列表
1过热保护电路
2开关电源电路
10开关电源IC
T1电源端子
BG带隙电源部分
R1到R7电阻器
C1电容器
N1到N3NPN双极性晶体管
P1和P2PNP双极性晶体管
PFET1P沟道场效应晶体管
I1恒定电流源
IBUF电流缓冲部分
具体实施方式
下面，以开关电源IC为例，具体描述本发明的半导体集成电路设备。
图1示出了根据本发明的开关电源IC的概略框图。如图所示，开关电压IC 10包括过热保护电路1和开关电源电路2。
过热保护电路1在经由外部端子T1提供的电源电压Vcc上进行操作，并配置为通过利用双极性晶体管的Vf(基极-发射极正向电压降)随周围环境而变化的特性，产生过热保护信号Stsd。过热保护信号Stsd是用于向待保护电路(未示出的内部电路和开关电源电路2)通知异常芯片温度的信号，并用于在IC温度异常上升时进行关闭控制。此外，过热保护电路1设置在作为过热监视对象的开关电源电路2(具体地将，开关电源电路2的功率晶体管)的近旁。采用这种配置，可以直接检测产生热的功率晶体管的结温度，从而实现高精度的过热保护操作。后面将详细描述过热保护电路1的内部配置和操作。
开关电源电路2是直流转换器，用于将经由外部端子T1提供的电源电压Vcc转换为所需的输出电压Vo，然后将其馈送至未示出的内部电路。此外，本实施例的开关电源电路2提升电压，使得从1.8V的电源电压Vcc中产生9V的输出电压Vo。
这里，形成开关电源电路2的功率晶体管是由功率晶体管的导通/截止产生的开关噪声(脉冲噪声)的噪声源。如上所述，这使开关噪声容易叠加到设置在开关电源电路2近旁的过热保护电路1的电源电压Vcc上。
因此，本实施例的过热保护电路1包括滤波器装置，用于从电源电压Vcc中去除比预定截止频率高的频率分量，从而无论由于开关噪声的侵入而引起的电源电压变化(脉冲叠加)如何，均可以执行高精度的过热保护操作。
下面，参照图2，详细描述过热保护电路1的电路配置和操作。
图2示出了过热保护电路1的实施例的电路图(具体地讲，在过热保护电路1的热检测部分近旁)。如图所示，过热保护电路1包括NPN双极性晶体管N1和N2、PNP双极性晶体管P1、带隙电源部分BG、电阻器R1到R7和电容器C1。
带隙电源部分BG的输出节点经由电阻器R1和R2接地。将电阻器R1和R2连接在一起的节点与晶体管N1的基极连接。晶体管N1的集电极经由电阻器R4和R3与被施加有电源电压Vcc的点连接。晶体管N1的发射极接地。将电阻器R3和R4连接在一起的节点与晶体管P1的基极连接。晶体管P1的发射极经由电阻器R7与被施加有电源电压Vcc的点连接。晶体管P1的集电极经由电阻器R5接地，并经由电容器C1接地。晶体管P1的集电极与晶体管N2的基极连接。晶体管N2的集电极经由电阻器R6与被施加有电源电压Vcc的点连接。晶体管N2的集电极也用作过热保护电路1的输出节点，并与未示出的内部电路和开关电源电路2的控制节点连接。
就是说，本实施例的过热保护电路1包括：基准电压产生装置(产生与周围温度无关的带隙电压的带隙电源部分BG、以及从带隙电压中产生基准电压Vref的电阻划分部分R1和R2)，用于产生预定基准电压Vref；双极性晶体管N1，用于温度检测，设置在开关电源电路2的功率晶体管(未示出)的近旁，并根据随周围温度而变化的基极-发射极正向电压降Vf是高于还是低于基准电压Vref而导通/截止；控制电压信号产生装置(电阻器R3和R4)，用于从电源电压Vcc中产生控制电压信号Sctrl，控制电压信号Sctrl具有根据晶体管N1的导通/截止状态的逻辑；开关装置(晶体管P1)，根据控制电压信号Sctrl的逻辑而导通/截止；以及过热保护信号产生装置(晶体管N2和电阻器R5和R6)，用于产生过热保护信号Stsd，过热保护信号Stsd具有根据晶体管P1的导通/截止状态的逻辑。此外，过热保护电路1包括插入在晶体管P1的发射极与被施加有电源电压Vcc的点之间的电阻器R7，和插入在晶体管P1的集电极与地之间的电容器C1，作为从电源电压Vcc中去除高频分量的滤波器装置。
下面详细描述如上述配置的过热保护电路1的操作。因为用于温度检测的晶体管N1的发射极接地，所以晶体管N1的基极-发射极电压Vbe等于通过由电阻器划分带隙电压(大约1.25V)而产生的基准电压Vref(例如，0.4V)，并具有平坦的温度特性。另一方面，晶体管N1的基极-发射极正向电压降Vf具有大约为-2mV/℃的负温度特性，其温度随着周围温度上升而下降。
因此，在基准电压Vref低于晶体管N1的基极-发射极正向电压降Vf的时间段中，即，直到周围温度达到了给定阈值温度(例如，175℃)，晶体管N1保持截止；当基准电压Vref超过晶体管N1的基极-发射极正向电压降Vf时，即，当周围温度达到了给定阈值温度时，晶体管N1导通。根据电阻器R1和R2之间的电阻比，可以适当调整上述阈值温度。
当晶体管N1截止时，施加至晶体管P1的基极的控制电压信号Sctrl呈高电平(近似等于电源电压Vcc)，从而晶体管P1保持截止。此时，晶体管N2的基极呈低电平(近似等于地电势)，晶体管N2也保持截止。由此，晶体管N2的集电极处的过热保护信号Stsd的逻辑呈高电平(近似等于电源电压Vcc)。即，通过发送该高电平过热保护信号Stsd，过热保护电路1向待保护电路通知芯片温度正常。当接收到来自过热保护电路1的过热保护信号Stsd时，待保护电路得知过热保护信号Stsd的逻辑处于高电平，温度没有异常上升。这样允许待保护电路执行正常操作。
另一方面，当晶体管N1截止时，施加至晶体管P1的基极的控制电压信号Sctrl已下降到低电平(近似等于地电势)，从而晶体管P1导通。此时，因为晶体管N2的基极已上升到高电平(近似等于电源电压Vcc)，晶体管N2也导通。由此，过热保护信号Stsd的逻辑呈低电平(近似等于地电势)。即，通过发送该低电平过热保护信号Stsd，过热保护电路1向待保护电路通知芯片温度异常。当接收到来自过热保护电路1的过热保护信号Stsd时，待保护电路得知过热保护信号Stsd的逻辑处于低电平，温度异常上升。这样允许待保护电路停止操作。
本实施例的过热保护电路1包括由电阻器R7和电容器C1构成的RC滤波器电路，作为从电源电压Vcc中去除高频分量(开关噪声)的滤波器装置。
在本实施例的过热保护电路1中，考虑到叠加在电源电压Vcc上的开关脉冲的频率分量在100MHz的量级上(对于脉冲宽度，在10ns的量级上)这一事实，使用10kΩ的电阻器R7和5pF的电容器C1来将RC滤波器电路的截止频率fc(＝1/(2πCR))设置到3.2MHz。通过采用这种截止频率，可以将开关脉冲减少至3.2％(＝3.2/100×100)。
因此，在本实施例的过热保护电路1中，即使当高于晶体管P1的基极-发射极正向电压降Vf的噪声(例如在开关电源电路2中产生的开关噪声)侵入过热保护电路1的电源电压Vcc中，这不会引起晶体管P1的发射极电压的显著改变，更不必说其基极电压(见图3)。这种滤波操作可以防止故障；例如，有助于防止过热保护信号Stsd在当开关噪声使晶体管P1偶然瞬间导通时而不管是否有异常热产生就将其逻辑改变至低电平。因此，根据本发明，可以将过热保护电路1放置与作为过热监视对象的功率晶体管尽量邻近的位置。这样可以直接检测功率晶体管的结温度，从而实现高精度过热保护操作。
此外，常规上公知一种在晶体管的发射极处插入电阻器的技术，作为调整电流镜电路的配对特性的手段。但是，本实施例的电容器R7是用于去除叠加在电源电压Vcc上的噪声的装置，而不是用于调整电路特性的装置。
只要将3V或更高的电源电压Vcc馈送至可以在开始于1.25V+1Vsat(在0.1V的量级上)和低收入电压和更高电压的过热保护电路，类似本实施例的过热保护电路1，则除了以上具体描述的实施例，可以沿输入电源电压的路径设置稳压器，作为去除叠加在电源电压Vcc上的噪声的装置。否则(例如，当电源电压Vcc在1.8到2.5V的量级上)，因为没有足够电压来设置稳压器，所以优选地(或有必要)考虑采用本实施例的配置。
上述实施例针对将本发明应用于开关电源IC的情况。但是，这并不意味着以任何方式来限制本发明的应用；本发明可以广泛应用于诸如电极驱动设备之类的任意其他类型的半导体集成电路设备中。
应该理解，可以采用除以上作为实施例而具体描述的方式之外的任意其他方式来实施本发明，并可以在本发明范围内进行多种修改。
例如，如图4所示，可以使用P沟道场效应晶体管PFET1来替代双极性晶体管P1。
如图4所示，在带隙电源部分BG具有有限电流输出能力的情况下，可以在带隙电源部分BG与电阻划分部分R和R2之间设置电流缓冲部分IBUF，以通过由晶体管P2以电压降Vf提升带隙电压、然后由晶体管N3以电压降Vf降低得到的电压，来改善电流输出能力。
工业应用性
本发明在改进半导体集成电路设备的过热保护精度方面十分有用。例如，本发明可以适当地用于开关电源设备和电机驱动设备，这些设备将作为噪声源的功率晶体管结合到IC中，从而比其他任意类型的半导体集成电路设备更易受到热产生的影响，并要求较高可靠性。

Claims (5)

1.一种半导体集成电路装置，包括：
功率晶体管，用于执行开关控制；以及
过热保护电路，用于检测所述功率晶体管温度的异常上升，并向被保护的电路通知温度的异常上升，
其中，所述过热保护电路包括滤波器部分，用于从所述过热保护电路的电源电压中去除比预定截止频率高的频率分量。
2.根据权利要求1所述的半导体集成电路装置，
其中，所述过热保护电路包括：
基准电压产生部分，用于产生预定基准电压；
双极性晶体管，用于温度检测，设置在所述功率晶体管旁，并根据随周围温度而变化的基极-发射极正向电压降是高于还是低于所述基准电压而导通/截止；
控制电压信号产生部分，用于从电源电压中产生控制电压信号，所述控制电压信号具有根据所述双极性晶体管的导通/截止状态的逻辑；
开关部分，所述开关部分根据所述控制电压信号的逻辑而导通/截止；以及
过热保护信号产生部分，用于产生过热保护信号，所述过热保护信号具有根据所述开关部分的导通/截止状态的逻辑，
其中，作为所述滤波器部分，所述过热保护电路还包括：
电阻器，插入在所述开关部分的一端与被施加有所述电源电压的点之间；以及/或者
电容器，插入在所述开关部分的另一端与地电位之间。
3.根据权利要求2所述的半导体集成电路装置，
其中，所述基准电压产生部分包括：
带隙电源部分，用于产生与周围温度无关的带隙电压；以及
电阻划分部分，用于从所述带隙电压中产生所述基准电压。
4.根据权利要求3所述的半导体集成电路装置，
其中，所述基准电压产生部分包括：电流缓冲部分，在所述带隙电源部分与所述电阻划分部分之间，用于改善电流能力。
5.根据权利要求1到4之一所述的半导体集成电路装置，其中，所述功率晶体管形成开关电源电路或电机驱动电路。
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