CN108063425A - 半导体装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的半导体装置具备：外部端子；对所述外部端子呈现的端子电压进行开关驱动的开关输出级；根据输入脉冲信号生成所述开关输出级的驱动信号的输出控制部；对所述输入脉冲信号的脉冲数进行计数，生成屏蔽信号的计数器；根据所述屏蔽信号屏蔽所述输入脉冲信号的逻辑门；以及比较所述端子电压和预定的阈值电压，生成所述计数器的复位信号的比较器。

Description

半导体装置
技术领域
本说明书中公开的发明涉及一种设置于半导体装置的外部端子(即开关驱动端子)的接地保护。
背景技术
以往，在各个领域中使用对外部端子呈现的端子电压进行开关驱动的半导体装置(开关电源控制IC等)。
另外，作为上述相关联的现有技术的一例，可以举例日本特开平9-331669号公报。
然而，在以往的半导体装置中，若在开关驱动对象的外部端子产生接地故障(即向接地端或者以接地端为准的低电位端的短路)，则过大的电流从电源端经由该外部端子流向接地端，可能会引起电力损耗、异常发热、冒烟、起火、元件损坏等。
发明内容
本说明书中公开的发明是鉴于本申请的发明人发现的上述课题而提出的，目的在于提供一种能够进行适当的接地保护的半导体装置。
因此，本说明书中公开的半导体装置具有：外部端子；开关输出级，其对所述外部端子呈现的端子电压进行开关驱动；输出控制部，其根据输入脉冲信号生成所述开关输出级的驱动信号；计数器，其对所述输入脉冲信号的脉冲数进行计数，生成屏蔽信号；逻辑门，其根据所述屏蔽信号屏蔽所述输入脉冲信号；比较器，其比较所述端子电压和预定的阈值电压，生成所述计数器的复位信号。
另外，对于本发明的其他特征、要素、步骤、优点以及特性，通过下面最优的实施方式的详细的说明或与其相关的附图进一步明确。
附图说明
图1是表示半导体装置的整体结构的框图。
图2是表示计数器的一结构例的框图。
图3是表示正常时的工作状态的框图。
图4是表示正常时的工作状态的时序图。
图5是表示接地故障时的第1工作状态(强制停止前)的框图。
图6是表示接地故障时的第2工作状态(强制停止后)的框图。
图7是表示接地故障时的工作状态的时序图。
图8是表示适用于开关电源的适用例的框图。
具体实施方式
图1是表示半导体装置的整体结构的框图。本结构例的半导体装置1具有：开关输出级10、输出控制部20、计数器30、与门40以及比较器50。另外，半导体装置1作为用于确立与装置外部的电连接的单元具有外部端子T1(即开关驱动端子)和外部端子T2(即接地端子)。
开关输出级10是对外部端子T1中呈现的端子电压(OUT：输出)进行开关驱动的单元，在该图的例子中，采用包含上侧开关11和下侧开关12的半桥型。
上侧开关11连接于电源端(即电源电压VCC的施加端)和外部端子T1之间，根据门信号G1导通/断开。另外，在该图的例中，使用PMOSFET[P-channel type metal oxidesemiconductor field effect transistor：P沟道型金属氧化物半导体场效应晶体管]作为上侧开关11。因此，上侧开关11在门信号G1为高电平时断开，在门信号G1为低电平时导通。
下侧开关12连接于外部端子T1和接地端(即被施加有接地电压GND的外部端子T2)之间，根据门信号G2导通/断开。另外，在本图的例子中，使用NMOSFET[N-channel typeMOSFET：N沟道型MOSFET]作为下侧开关12。因此，下侧开关12在门信号G2为高电平时导通，门信号G2为低电平时断开。
输出控制部20根据输入脉冲信号(IN：输入)(更准确地说是屏蔽处理后的输入脉冲信号INx)生成门信号G1及G2(即相当于开关输出级10的驱动信号)。若更具体而言，则输出控制部20在输入脉冲信号INx为高电平时将门信号G1以及G2均设为低电平，在输入脉冲信号INx为低电平时将门信号G1以及G2均设为高电平。
因此，在输入脉冲信号INx为高电平时，由于上侧开关11导通且下侧开关12断开，因此端子电压(OUT：输出)为高电平(≒VCC)。另一方面，当输入脉冲信号INx为低电平时，由于上侧开关11断开且下侧开关12导通，因而端子电压(OUT：输出)为低电平(≒GND)。
另外，在本图中虽未明示，但是在输出控制部20中可包含用于分别生成门信号G1及G2的驱动器(即电平转换器)、用于防止两开关同时导通的死区时间设定部等。
计数器30对输入脉冲信号(IN：输入)的脉冲数进行计数，根据其计数值CNT生成屏蔽信号MSK。另外，对于计数器30的结构以及动作在后面详细说明。
与门40生成输入脉冲信号(IN：输入)和屏蔽信号MSK的逻辑与运算信号，并将其作为屏蔽处理后的输入脉冲信号INx向输出控制部20输出。输入脉冲信号INx在输入脉冲信号(IN：输入)和屏蔽信号MSK两者为高电平时成为高电平，在输入脉冲信号(IN：输入)和屏蔽信号MSK中的至少一个为低电平时成为低电平。
即，在屏蔽信号MSK为高电平(即屏蔽解除时的逻辑电平)时，输入脉冲信号(IN：输入)成为通过输出的状态(INx＝IN)，在屏蔽信号MSK为低电平(即屏蔽时的逻辑电平)时，输入脉冲信号(IN：输入)成为被屏蔽的状态(INx＝L)。由此，与门40作为根据屏蔽信号MSK对输入脉冲信号(IN：输入)进行屏蔽的逻辑门而发挥作用。
比较器50对输入到同相输入端(+)的端子电压(OUT：输出)和输入到反相输入端(－)的预定的阈值电压VTH进行比较，生成计数器30的复位信号RST。另外，复位信号RST在端子电压(OUT：输出)高于阈值电压VTH时成为高电平，在端子电压(OUT：输出)低于阈值电压VTH时成为低电平。
＜计数器＞
图2是表示计数器30的一结构例的框图。本结构例的计数器30包括：第1计数器部31、第2计数器部32、D触发器33和变换器34。
第1计数器部31是将多级的D触发器(D－FF)级联连接而成的m位计数器。第1计数器部31接受输入脉冲信号(IN：输入)的输入，当相当于该脉冲数的计数值CNT达到第1设定值CNTx(例如4计数)时，将上升到高电平的第1脉冲信号S31(即更准确地说，每当计数值CNT达到第1设定值CNTx的整数倍时逻辑电平切换的二进制信号)输出。另外，当复位信号RST和第2脉冲信号S32中的至少一个上升为高电平时，第1计数器部31的工作状态(进而为第1脉冲信号S31的逻辑电平)被复位。另外，第1设定值CNTx是可以根据寄存器数据REG而任意设定的可变值。
第2计数器部32是将多级的D触发器(D－FF)级联连接而成的n位计数器，连接于第1计数器部31的后级。第2计数器部32接受第1脉冲信号S31的输入，当计数值CNT达到第2设定值CNTy(例如512计数)时，将上升为高电平的第2脉冲信号S32输出。另外，当第3脉冲信号S33上升为高电平时，第2计数器部32的工作状态(进而为第2脉冲信号S32的逻辑电平)被复位。另外，第2设定值CNTy与之前的第1设定值CNTx相同，优选是可以根据寄存器数据REG而任意设置的可变值。
关于第1计数器部31以及第2计数器部32各自的内部结构，由于引用一般公知的结构(即将前级D－FF的反相输出端(QB)连接于前级D－FF的数据输入端(D)以及后级D－FF的时钟输入端(CK)的结构)即可，因此省略详细的说明。
D触发器33接受作为时钟信号的第1脉冲信号S31的输入，当第1脉冲信号S31上升为高电平时，将输出端(Q)的第3脉冲信号S33固定为高电平(即数据输入端(D)的施加电压)。另外，D触发器33的工作状态(进而为第3脉冲信号S33的逻辑电平)在第2脉冲信号S32上升为高电平时复位。
变换器34生成第3脉冲信号S33的逻辑反相信号，且将其作为屏蔽信号MSK进行输出。
＜正常时＞
首先，参照图3以及图4详细说明正常时(即在外部端子T1未发生接地故障时)的半导体装置1的工作状态。另外，图3以及图4分别是表示正常时的半导体装置1的工作状态的框图以及时序图。另外，在图4中，从上起顺序为输入脉冲信号(IN：输入)、端子电压(OUT：输出)、复位信号RST、计数值CNT以及屏蔽信号MSK。
在外部端子T1未发生接地故障时，端子电压(OUT：输出)根据上侧开关11和下侧开关12的导通/断开而被开关驱动。更具体而言，当输入脉冲信号(IN：输入)(进而为输入脉冲信号INx)为高电平时，门信号G1以及G2均成为低电平，由于上侧开关11导通且下侧开关12断开，因此端子电压(OUT：输出)成为高电平(≒VCC)。另一方面，当输入脉冲信号(IN：输入)为低电平时，门信号G1以及G2均成为高电平，由于上侧开关11断开且下侧开关12导通，因而端子电压(OUT：输出)成为低电平(≒GND)。
另外，若端子电压(OUT：输出)上升为高电平且高于阈值电压VTH，则复位信号RST成为高电平。相反，若端子电压(OUT：输出)下降为低电平且低于阈值电压VTH，则复位信号RST成为低电平。即，在外部端子T1未产生接地故障时，复位信号RST也成为被开关驱动的状态。
其中，每当复位信号RST上升为高电平时，计数器30的工作状态(进而为计数值CNT)被复位。更具体而言，计数器30在输入脉冲信号(IN：输入)的脉冲到达时(即向高电平上升时)将计数值CNT加一，当复位信号RST的脉冲到达时(即向高电平上升时)将计数值CNT复位为0。因此，在正常时，计数值CNT由于未达到第1设定值CNTx(例如4计数)，因而屏蔽信号MSK被维持在高电平。
在屏蔽信号MSK为高电平时，不屏蔽输入脉冲信号(IN：输入)，INx＝IN。因此，不会妨碍与输入脉冲信号(IN：输入)相对应的端子电压(OUT：输出)的开关驱动。
＜接地故障时＞
接着，参照图5～图6详细说明接地故障时的半导体装置1的工作状态。另外，图5以及图6分别是表示接地故障时的半导体装置1的第1工作状态(强制停止前)以及第2工作状态(强制停止后)的框图。另外，图7是表示接地故障时的半导体装置1的工作状态的时序图，从上起按顺序为输入脉冲信号(IN：输入)、端子电压(OUT：输出)、复位信号RST、计数值CNT以及屏蔽信号MSK。
因半导体装置1的基板安装错误或应用板的故障等，而在外部端子T1产生接地故障时，端子电压(OUT：输出)不取决于上侧开关11和下侧开关12的导通/断开而被固定在低于阈值电压VTH的接地电压GND。其结果，复位信号RST由于被维持在低电平，因而计数器30不会将其工作状态复位，而持续对输入脉冲信号(IN：输入)的脉冲数进行计数。
但是，在计数值CNT达到第1设定值CNTx(例如4计数)的计数期间(时刻t1以前)，如图5所示，屏蔽信号MSK由于被维持于高电平，因而输入脉冲信号(IN：输入)未被屏蔽，INx＝IN。因此，不会妨碍与输入脉冲信号(IN：输入)相对应的端子电压(OUT：输出)的开关驱动。
另外，在上述计数期间中，在外部端子T1和接地端之间流动有伴随着上侧开关11的导通/断开的断续的过电流。因此，若第1设定值CNTx过大，则可能损害接地保护功能。另一方面，若第1设定值CNTx过小，则有可能将端子电压(OUT：输出)的瞬间下降误检测为接地故障。因此，鉴于上述问题，希望将第1设定值CNTx设定为适当的值。
之后，若计数值CNT不被复位而达到第1设定值CNTx，则在该时间点屏蔽信号MSK下降为低电平(参照图7的时刻t1)。其结果，如图6所示，由于输入脉冲信号(IN：输入)为被与门40屏蔽的状态(INx＝L)，因此输出控制部20将门信号G1以及G2均固定在高电平，以使上侧开关11断开且下侧开关12导通。
由此，在预定期间未出现端子电压(OUT：输出)的高电平迁移时(即端子电压(OUT：输出)被维持在低于阈值电压VTH的状态时)，视为在外部端子T1产生接地故障，端子电压(OUT：输出)的开关驱动被强制性停止，因此能够事先防止伴随着接地故障而产生的电力损耗、异常发热、冒烟、起火、元件损坏等。
另外，计数器30在屏蔽信号MSK下降为低电平后也对输入脉冲信号(IN：输入)的脉冲数持续计数(参照图7的时刻t1～t2)。并且，若计数值CNT达到大于第1设定值CNTx的第2设定值CNTy(例如512计数)，则在该时间点，屏蔽信号MSK上升为高电平且计数值CNT被复位为0(参照图7的时刻t2)。其结果，由于与输入脉冲信号(IN：输入)相对应的端子电压(OUT：输出)的开关驱动被恢复，因此能够定期地重查外部端子T1的接地故障是否消除。
＜开关电源＞
图8是表示适用于开关电源的适用例的框图。本结构例的开关电源X具有前述的半导体装置1、外接于半导体装置的各种分立部件(电感器L1、电容器C1、电阻R1及R2)，对电源电压VCC进行降压且生成期望的输出电压VO。
另外，随着适用于开关电源X，除了前述的结构要素之外，在半导体装置1中还设置有输出反馈部60和外部端子T3(即反馈端子)。
对半导体装置1的外部连接进行叙述。电感器L1的第1端连接于外部端子T1。电感器L1的第2端以及电容器C1的第1端均连接于输出电压VO的输出端。电容器C1的第2端以及外部端子T2均连接于接地端。电阻R1的第1端连接于输出电压VO的输出端。电阻R1的第2端以及电阻R2的第1端均连接于外部端子T3。电阻R2的第2端连接于接地端。
在如上述连接的各种的分立部件中，电感器L1和电容器C1发挥平滑部的功能，即对外部端子T1呈现的矩形波状的开关电压VSW(即相当于先前的端子电压(OUT：输出))进行平滑，生成输出电压VO。
另外，电阻R1以及R2作为分压部而发挥功能，即对输出电压VO进行分压，生成反馈电压VFB(＝VO×{R2/(R1+R2)})。但是，若输出电压VO在输出反馈部60的输入动态范围中，则可以省略电阻R1以及R2，将输出电压VO直接输入到输出反馈部60。
输出反馈部60生成输入脉冲信号(IN：输入)，以使被输入到外部端子T3的反馈电压VFB与预定的目标值一致。另外，对于输入脉冲信号(IN：输入)的生成方法由于可以使用PWM[pulse width modulation：脉冲宽度调制]控制或PFM[pulse frequency modulation：脉冲频率调节]控制等公知的现有技术因而省略详细的说明。
如此，作为开关电源X的控制主体(所谓的开关电源控制IC)，若适用前述的半导体装置1，则能够提高开关电源X的安全性和可靠性。
＜总结＞
以下对本说明书中公开的各种实施方式进行总结性叙述。
(第1结构)本说明书中公开的半导体装置包括：外部端子；开关输出级，其对所述外部端子呈现的端子电压进行开关驱动；输出控制部，其根据输入脉冲信号生成所述开关输出级的驱动信号；计数器，其对所述输入脉冲信号的脉冲数进行计数，生成屏蔽信号；逻辑门，其根据所述屏蔽信号对所述输入脉冲信号进行屏蔽；比较器，其比较所述端子电压和预定的阈值电压，生成所述计数器的复位信号。
另外，(第2结构)在由上述第1结构构成的半导体装置中，所述计数器在所述输入脉冲信号的脉冲到达时使计数值增加，另一方面，当所述复位信号的脉冲到达时将所述计数值复位到0，在所述计数值未被复位而达到第1设定值的时间点，将所述屏蔽信号切换到屏蔽时的第1逻辑电平。
另外，(第3结构)在由上述第2结构构成的半导体装置中，所述计数器在将所述屏蔽信号设为所述第1逻辑电平后还对所述输入脉冲信号的脉冲数继续计数，在所述计数值达到大于所述第1设定值的第2设定值的时间点，将所述屏蔽信号切换到屏蔽解除时的第2逻辑电平并且将所述计数值复位为0。
另外，(第4结构)在由上述第3结构构成的半导体装置中，所述第1设定值以及所述第2设定值中的至少一个是可任意设定的可变值。
另外，(第5结构)在由上述第3或者第4结构构成半导体装置中，所述计数器包括：第1计数器部，其在所述计数值达到所述第1设定值时输出逻辑电平切换的第1脉冲信号；第2计数器部，其连接于所述第1计数器部的后级，在所述计数值达到所述第2设定值时输出逻辑电平切换的第2脉冲信号；以及D触发器，其接受所述第1脉冲信号的输入，在所述第1脉冲信号的逻辑电平切换时将第3脉冲信号固定为预定的逻辑电平，所述第1计数器部由所述复位信号和所述第2脉冲信号复位，所述第2计数器部由所述第3脉冲信号复位，所述D触发器由所述第2脉冲信号复位，所述第3脉冲信号或者其逻辑反相信号作为所述屏蔽信号被输出。
另外，(第6结构)在由上述第1～第5任一结构构成的半导体装置中，所述开关输出级包括：连接于电源端和所述外部端子之间的上侧开关、连接于所述外部端子和接地端之间的下侧开关。
另外，(第7结构)在由上述第6结构构成的半导体装置中，所述输出控制部在所述输入脉冲信号被屏蔽期间，生成所述驱动信号，以使所述上侧开关断开且所述下侧开关导通。
另外，(第8结构)在由上述第6或者第7结构构成的半导体装置中，所述上侧开关为PMOSFET，所述下侧开关为NMOSFET。
另外，(第9结构)由上述第1～第8任一结构构成的半导体装置还具有输出反馈部，该输出反馈部生成所述输入脉冲信号，以使输出电压或者与输出电压相对应的反馈电压于预定的目标值一致。
另外，(第10结构)本说明书中公开的开关电源具有：由上述第9结构构成的半导体装置；对所述半导体装置的外部端子呈现的端子电压进行平滑，生成输出电压的平滑部；以及对所述输出电压进行分压，生成反馈电压的分压部。
若根据本说明书中公开的发明，则能够提供一种可进行适当的接地保护的半导体装置。
＜其他变形例＞
另外，本说明书中公开的各种技术特征除了上述实施方式之外，在不脱离其技术创作主旨的范围中，可添加各种变更。例如，任意进行双极晶体管和MOS场效应晶体管的相互置换、各种信号的逻辑电平反转。即，上述实施方式中的所有内容都是进行例示，不是限制本发明，本发明的技术范围并不是上述实施方式中说明的，而是通过专利请求的范围而示出的，因此应理解为包含与权利请求范围具有均等含义以及所属范围内的全部变更。
＜产业上的可利用性＞
本说明书中公开的发明例如可用于开关电源控制IC。

Claims (10)

1.一种半导体装置，其特征在于，具备：
外部端子；
开关输出级，其对所述外部端子呈现的端子电压进行开关驱动；
输出控制部，其根据输入脉冲信号生成所述开关输出级的驱动信号；
计数器，其对所述输入脉冲信号的脉冲数进行计数，生成屏蔽信号；
逻辑门，其根据所述屏蔽信号屏蔽所述输入脉冲信号；以及
比较器，其比较所述端子电压和预定的阈值电压，生成所述计数器的复位信号。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，
所述计数器在所述输入脉冲信号的脉冲到达时使计数值增加，另一方面在所述复位信号的脉冲到达时将所述计数值复位为0，在所述计数值未被复位而达到第1设定值的时间点，将所述屏蔽信号切换为屏蔽时的第1逻辑电平。
3.根据权利要求2所述的半导体装置，其特征在于，
所述计数器在将所述屏蔽信号设为所述第1逻辑电平后还对所述输入脉冲信号的脉冲数继续进行计数，当所述计数值达到大于所述第1设定值的第2设定值的时间点，将所述屏蔽信号切换为解除屏蔽时的第2逻辑电平，并将所述计数值复位为0。
4.根据权利要求3所述的半导体装置，其特征在于，
所述第1设定值以及所述第2设定值中的至少一个是能够任意设定的可变值。
5.根据权利要求3或4所述的半导体装置，其特征在于，
所述计数器包括：
第1计数器部，其接受所述输入脉冲信号的输入，当所述计数值达到所述第1设定值时输出逻辑电平切换的第1脉冲信号；
第2计数器部，其连接于所述第1计数器部的后级，当所述计数值达到所述第2设定值时输出逻辑电平切换的第2脉冲信号；以及
D触发器，其接受所述第1脉冲信号的输入，在所述第1脉冲信号的逻辑电平切换时将第3脉冲信号固定为预定的逻辑电平，
所述第1计数器部由所述复位信号和所述第2脉冲信号复位，
所述第2计数器部由所述第3脉冲信号复位，
所述D触发器由所述第2脉冲信号复位，
所述第3脉冲信号或者其逻辑反相信号作为所述屏蔽信号被输出。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的半导体装置，其特征在于，
所述开关输出级包括：
连接于电源端和所述外部端子之间的上侧开关；以及
连接于所述外部端子和接地端之间的下侧开关。
7.根据权利要求6所述的半导体装置，其特征在于，
在所述输入脉冲信号被屏蔽期间，所述输出控制部生成所述驱动信号以使所述上侧开关断开且所述下侧开关导通。
8.根据权利要求6所述的半导体装置，其特征在于，
所述上侧开关为PMOSFET，所述下侧开关为NMOSFET。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的半导体装置，其特征在于，
所述半导体装置还具备输出反馈部，
所述输出反馈部生成所述输入脉冲信号，以使输出电压或者与输出电压相对应的反馈电压与预定的目标值一致。
10.一种开关电源，其特征在于，具备：
权利要求9的半导体装置；
平滑部，其对所述半导体装置的外部端子呈现的端子电压进行平滑，生成输出电压；以及
分压部，其对所述输出电压进行分压，生成反馈电压。
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