CN109120248A - 半导体器件和电子控制单元 - Google Patents

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Abstract

本公开的实施例涉及半导体器件和电子控制单元。热传感器检测输出晶体管的温度，并且冷传感器检测远离输出晶体管的位置的温度。当热传感器的温度上升超过参考温度时，温度检测电路断言超温检测信号，并且当热传感器和冷传感器之间的温差超过参考温差时，上述电路断言温差检测信号。限流电路生成针对冷传感器的温度以负温度特性连续可变的受限电流信号，并且当超温检测信号被断言时将输出晶体管的驱动电流控制为取决于受限电流信号的信号电平的电流值。

Description

半导体器件和电子控制单元
相关申请的交叉引用
于2017年6月26日提交的日本专利申请No.2017-124075的公开内容(包括说明书、附图和摘要)通过引用整体并入本文。
技术领域
本发明涉及一种半导体器件和电子控制单元，并且特别地涉及例如设置有温度保护功能的半导体器件。
背景技术
日本待审查专利申请公开No.2016-72935公开了一种当输出晶体管的温度与其周边温度之间的温差超过预定参考温度时，以及当输出晶体管的温度超过预定参考温度时，限制在输出晶体管中流动的电流的系统。
发明内容
例如，诸如车辆装置等电子控制单元(ECU：电子控制单元)通常安装有被称为智能功率器件(IPD)的半导体器件。IPD由驱动负载的输出晶体管和输出晶体管的各种保护功能整体形成。保护功能之一是例如日本待审查专利申请公开No.2012-72935中所指出的温度保护功能。
近年来，随着芯片尺寸缩小的进展，IPD需要驱动多种负载。因此，在驱动负载时的电功率密度增加，变成容易激活温度保护功能的状态。当温度保护功能起作用时，通常执行限制负载的驱动能力的控制。在这种情况下，驱动能力的受限制的量有时会根据周边温度迅速变化。结果，发生驾驶能力的过度限制，这可能导致无法完全驱动多种负载的情况。
稍后描述的实施例是在考虑到上述情况的情况下做出的，并且其他目的和新颖特征根据说明书和附图的描述将变得明显。
根据一个实施例的半导体器件包括输出晶体管、热传感器、冷传感器、温度检测电路和限流电路。输出晶体管向外部负载供应驱动电流。热传感器检测输出晶体管的温度，并且冷传感器检测远离输出晶体管的位置的温度。当热传感器的温度上升超过参考温度时，温度检测电路断言超温检测信号，并且当热传感器和冷传感器之间的温差超过参考温差时，它断言温差检测信号。限流电路生成针对冷传感器的温度以负温度特性连续可变的受限电流信号，并且当超温检测信号被断言时，将输出晶体管的驱动电流控制为取决于受限电流信号的信号电平的电流值。
根据这个实施例，可以改善温度的安全性与驱动能力的限制之间的平衡。
附图说明
图1是示出应用了根据本发明第一实施例的电子控制单元的车辆的构造示例的示意图。
图2是示出根据本发明第一实施例的电子控制单元的构造示例的示意图。
图3是示出根据本发明第一实施例的半导体器件的构造示例的示意图。
图4是示出图3中的限流电路的操作示例的图。
图5是示出图3中的限流电路及其周边的详细构造示例的电路图。
图6是示出图5中的限流电路中的受限电流信号与周边温度之间的关系的一个示例的图。
图7是示出图3的半导体器件中的超温检测时间处的示意性操作示例的波形图。
图8是示出在本发明第二实施例的半导体器件中的、图3中的限流电路的详细构造示例的电路图。
图9A是示出图8中的带隙基准电路的基本构造示例的电路图，并且图9B是示出图9A的操作示例的补充图。
图10是示出在本发明中作为比较示例的半导体器件的构造示例的示意图。
图11是示出图10中的温度检测电路的构造示例的电路图。
图12是示出图10中的温差检测限流电路的构造示例的电路图。
图13是示出图11中的热传感器和冷传感器的布置构造示例的图。
图14A是示出图10的半导体器件中的温差检测时间处的示意性操作示例的波形图，并且图14B是示出图10的半导体器件中的超温检测时间的示意性操作示例的波形图。
图15是示出图10的半导体器件中的温差检测操作和超温检测操作与周边温度之间的关系的一个示例的说明图。
图16是示出图10和图15的半导体器件中的受限电流值与周边温度之间的关系的一个示例的说明图。
图17是示出在驱动作为负载的灯时驱动电流的理想时间变化的一个示例的波形图。
图18A是示出在使用图10的半导体器件驱动灯的情况下、当周边温度低于边界温度时的热温的时间变化的一个示例的波形图，并且图18B是示出在图18A的情况下的驱动电流的时间变化的一个示例的波形图。
图19A是示出在根据图10的半导体器件驱动灯的情况下、当周边温度高于边界温度时的热温的时间变化的一个示例的波形图，并且图19B是示出在图19A的情况下的驱动电流的时间变化的一个示例的波形图。
具体实施方式
在以下实施例中，为了方便起见，在需要时通过分成多个部分或实施例来进行说明，但是这些部分或实施例并非互不相关，而是彼此相关，使得除非另有明确规定，否则一个覆盖另一个的部分或全部修改后的示例、细节、补充说明等。另外，在以下实施例中，当涉及要素的数目(包括单元的数目、数值、量、范围等)时，除非另有明确说明并且除非另外在原则上明确地限制为具体数目，否则其不限于特定数目，而是可以多于或者不多于具体数目。
另外，在以下实施例中，除非另有明确说明并且除非另外原则上认为明显不可缺少，否则构成要素(包括要素步骤)不一定是必不可少的。类似地，在以下实施例中，当涉及构成要素的形状及其位置关系时，除非另有明确说明并且除非另外在原则上清楚地认为它不是这样，否则将包括基本上近似或类似于这些形状的那些形状。这同样适用于上述数目和范围。
根据诸如互补MOS(CMOS)晶体管等公知集成电路技术，形成实施例中的每个功能块的电路元件被形成在单晶硅的半导体衬底上，但是不限于此。在说明书中，n沟道型金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)称为nMOS晶体管，并且p沟道型金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)称为pMOS晶体管。
在下文中，将基于附图详细描述本发明的实施例。在用于描述实施例的所有附图中，相同的附图标记在原则上依附于相同的要素，并且省略重复的描述。
第一实施例
《电子控制单元的概要》
图1是示出应用了根据本发明的第一实施例的电子控制单元的车辆的构造结构的示意图。如图1所示，安装在车辆(通常为汽车)上的电子控制单元执行各种控制，诸如引擎控制、雨刷控制、气囊控制、转向控制、天窗控制、灯光控制、制动控制、镜子控制、车窗控制和车门控制。
图2是示出根据本发明第一实施例的电子控制单元的构造示例的示意图。图2所示的电子控制单元ECU例如作为图1所示的灯控制而工作。电子控制单元ECU通过在布线衬底上安装半导体器件DEV、微控制器MCU、电源装置PIC、电容器C1和C2以及齐纳二极管ZD来形成。
微控制器MCU包括例如中央处理单元(CPU)和存储器、诸如模数转换器(ADC)等各种模拟外围电路、以及诸如通信接口等各种数字外围电路，以实现取决于用户的预定功能。半导体器件DEV是IPD，用于根据来自微控制器MCU的指令(这里是外部输入信号IN)来驱动负载LD(这里是灯)。此外，半导体器件DEV向微控制器MCU适当地输出各种保护电路的状态和自我诊断结果DIAG。
电子控制单元ECU从外部电池BAT接收电源电压Vcc，例如，约12V，其中以0V接地电源电压GND作为基准。电容器C1保持电源电压Vcc，并且齐纳二极管ZD限制电源电压Vcc的电压电平。电源装置PIC从电源电压Vcc生成5V的内部电源电压Vdd，并且电容器C2保持内部电源电压Vdd。微控制器MCU以内部电源电压Vdd进行操作。
这里，半导体器件DEV实际上在一些情况下控制多个灯，并且根据情况，诸如头灯和雾灯等多种类型的灯可以被控制。随着控制目标的数目增加，根据负载驱动，半导体器件DEV的温度更容易升高。因此，要求半导体器件DEV确保安全性以防止温度升高，并且在能够确保安全的范围内实现最大负载驱动能力。
《半导体器件的结构和操作(比较示例)》
这里，在描述根据第一实施例的半导体器件之前，将描述作为前提被检查的半导体器件。图10是示出作为本发明的比较示例的半导体器件的构造示例的示意图。图10所示的半导体器件DEV'包括输出晶体管Qd、驱动器DRV、逻辑电路LGC'、温度检测电路DADT、温差检测限流电路DTIL和超温检测限流电路ATIL。
输出晶体管Qd是在电源电压Vcc与输出节点Nout之间具有功率路径(源极和漏极路径)的nMOS晶体管，并且通过向输出节点Nout供应功率信号Pout(例如，驱动电流)来驱动负载(未示出)。驱动器DRV通过向输出晶体管Qd施加预定的栅极电压Vg来导通或关断输出晶体管Qd。逻辑电路LGC'在没有各种类型的保护功能的任何意向的时段期间，根据外部输入信号IN的断言来控制输出晶体管Qd的导通。
温度检测电路DADT通过稍后描述的热传感器来监测输出晶体管Qd的温度(在说明书中称为热温)，并且通过稍后描述的冷传感器来监测周边温度(在说明书中称为冷温)。当热温超过预定参考温度时，温度检测电路DADT断言(assert)超温检测信号ATo，并且然后当热温降低预定的迟滞温度时，上述电路使超温检测信号ATo无效。当热温和冷温之间的温差超过预定的参考温差时，温度检测电路DADT断言温差检测信号DTo，并且然后当温差减小预定的迟滞温度时，上述电路使温差检测信号DTo无效。
逻辑电路LGC'分别锁存超温检测信号ATo和温差检测信号DTo的断言电平，并且分别断言超温锁存信号Sat和温差锁存信号Sdt。一旦发生超温检测信号ATo的断言，逻辑电路LGC'例如保持超温锁存信号Sat的断言电平，直到外部输入信号IN被无效，而不管其后的超温检测信号ATo的电平如何。这同样适用于温差检测信号DTo。
当超温锁存信号Sat和温差锁存信号Sdt中的一个被断言时，温差检测限流电路DTIL降低输出晶体管Qd的栅极电压Vg，从而限制输出晶体管Qd的驱动电流。当超温锁存信号Sat被断言时，超温检测限流电路ATIL降低输出晶体管Qd的栅极电压Vg，从而限制输出晶体管Qd的驱动电流。换言之，当超温锁存信号Sat被断言时，温差检测限流电路DTIL和超温检测限流电路ATIL都限制电流，并且驱动电流比当温差锁存信号Sdt被断言时更多地受到限制。
当外部输入信号IN处于断言电平时，逻辑电路LGC'向驱动器DRV输出超温检测信号ATo的反转信号，以控制输出晶体管Qd的导通和关断，使得热温可以被限制为预定参考温度。类似地，当外部输入信号IN处于断言电平时，逻辑电路LGC'向驱动器DRV输出温差检测信号DTo的反转信号，以控制输出晶体管Qd的导通和关断，使得温差可以被限制到预定的参考温差。如上所述，控制输出晶体管Qd导通的驱动电流取决于超温锁存信号Sat和温差锁存信号Sdt的状态来确定。
图11是示出图10所示的温度检测电路的构造示例的电路图。图13是示出图11中的热传感器和冷传感器的布置构造示例的图。图11所示的温度检测电路DADT包括二极管Dcd和Dht、恒流源IS1至IS3、比较器CMP1和CMP2、电阻元件R1至R4以及开关SW1和SW2。二极管Dcd通过从恒流源IS1供应恒定电流而用作冷传感器。二极管Dht通过从恒流源IS2供应恒定电流而用作热传感器。
如图13所示，形成半导体器件DEV'的半导体芯片CHP1包括例如输出晶体管Qd的形成区域AR_Qd和控制电路的形成区域AR_CTL，输出晶体管Qd的形成区域AR_Qd是整个芯片区域的偏离区域，控制电路的形成区域AR_CTL是半导体芯片CHP1的其他区域。热传感器(即，二极管Dht)布置在输出晶体管Qd的形成区域AR_Qd的中间部分。冷传感器(即，二极管Dcd)布置在控制电路的形成区域AR_CTL中距输出晶体管Qd的形成区域AR_Qd良好的距离处。
这里，随着在输出晶体管Qd中流动的电流增加，热传感器的温度升高更多。这里，输出晶体管Qd的生成热特别容易集中在作为热传感器的布置部分的中间部分上。另一方面，由于检测距输出晶体管Qd一定距离处的温度，所以输出晶体管Qd的生成热被传输到冷传感器花费一点时间。
输出晶体管Qd由并联耦合的多个单元MOS晶体管Qd'构成。在这个示例中，尽管示出了八个单元MOS晶体管Qd'，但是实际上设置有更多的单元MOS晶体管Qd'。单元MOS晶体管Qd'由以主表面作为源极并且以背表面作为漏极的竖直nMOS晶体管形成。
n+型漏极扩散层DR(n+)布置在背表面侧，并且n-型漂移层DRF(n-)布置在n+型漏极扩散层DR(n+)上。漏极扩散层DR(n+)耦合到电源电压Vcc。另一方面，作为沟道形成区域的p-型阱PWL(p-)布置在主表面侧上，并且n+型源极扩散层SO(n+)形成在p-型阱PWL(p-)中。此外，用于阱的供电的p+型扩散层DF(p+)形成在阱PWL(p-)中。扩散层DF(p+)和源极扩散层SO(n+)都耦合到输出节点Nout。
包括栅极绝缘膜GOX和栅极层GT的沟槽在主表面侧上形成在邻近源极扩散层SO(n+)和阱PWL(p-)的位置处。当预定正电压被施加到栅极层GT时，n沟道形成在阱PWL(p-)中，并且源极扩散层SO(n+)通过n沟道与漂移层DRF(n-)和漏极扩散层层DR(n+)导通。
热传感器(二极管Dht)由布置在主表面侧上的pn结二极管形成。具体地，用于绝缘的阱PWL(p-)布置在主表面侧上，并且n型阱NWL(n)布置在阱PWL(p-)中。p+型扩散层DF(p+)和n+型扩散层DF(n+)形成在阱NWL(n)内。扩散层DF(p+)耦合到阳极布线Lh1，并且扩散层DF(n+)耦合到阴极布线Lh2。
另一方面，pMOS晶体管MP和nMOS晶体管MN适当地布置在控制电路的形成区域AR_CTL中。pMOS晶体管MP在主表面侧上设置有两个扩散层DF(p+)作为源极和漏极，并且通过栅极绝缘膜GOX在其间设置有栅极层GT。nMOS晶体管MN在主表面侧上设置有p-型阱PWL(p-)，在阱中设置有两个扩散层DF(n+)作为源极和漏极，并且通过栅极绝缘膜GOX在其间设置有栅极层GT。此外，与热传感器具有相同结构的冷传感器(二极管Dcd)布置在控制电路的形成区域AR_CTL中。二极管Dcd的扩散层DF(p+)耦合到阳极布线Lc1，并且二极管Dcd的扩散层DF(n+)耦合到阴极布线Lc2。
尽管省略了图示，但是更具体地，在主表面侧上，源极电极布置在输出晶体管Qd的形成区域AR_Qd中，在其整个表面上扩展，并且输出节点Nout耦合到源极电极。此外，通过在源极电极的一部分中提供空间，阳极布线Lh1和阴极布线Lh2被绘制为朝向控制电路的形成区域AR_CTL。
回到图11，在比较器CMP1中，电压V_C被施加到正输入节点(+)，并且电压V_H被施加到负输入节点(-)，并且作为比较结果，温差检测信号DTo被输出。电压V_C是来自二极管Dcd的阳极的输出电压，其具有负温度特性。电阻元件R2和开关SW1串联耦合，并且串联电路和电阻元件R1并联耦合。并联电路设置在比较器CMP1的负输入节点(-)与二极管Dht的阳极之间。电压V_H由上述并联电路和二极管Dht的串联电路生成，其具有负温度特性。在温差检测信号DTo的断言时段期间，开关SW1被控制为接通。
在比较器CMP2中，电压V_R被施加到正输入节点(+)，并且电压V_S被施加到负输入节点(-)，并且作为比较结果，超温检测信号ATo被输出。电压V_S是来自二极管Dht的阳极的输出电压，其具有负温度特性。电阻元件R4和开关SW2串联耦合，并且该串联电路和电阻元件R3并联耦合。电压V_R由并联电路生成，实际上不具有温度依赖性。在超温检测信号ATo的无效时段期间，开关SW2被控制为接通。
在这种结构中，初始状态被调节为电压V_H≥电压V_C。在该状态下，比较器CMP1将温差检测信号DTo控制为“L”电平(无效电平)，开关SW1断开，并且图10中的输出晶体管Qd导通。根据负载LD的驱动，输出晶体管Qd的温度(具体地为热温)上升，热温与冷温之间的温差增大，并且电压V_H比电压V_C以更大的倾斜度下降。当温差增大到电压V_H<电压V_C时(简而言之，当温差超过参考温差时)，比较器CMP1将温差检测信号DTo控制为“H”电平(断言电平)。
当温差检测信号DTo被断言时，开关SW1从断开变为接通，并且据此，电压V_H瞬间下降。该电压V_H的下降变为迟滞电压，并且与该电压相对应的温度变为迟滞温度。另一方面，根据温差检测信号DTo的断言，输出晶体管Qd被关断。结果，热温下降，热温和冷温之间的温差降低，并且电压V_H升高。当温差减小到电压V_H≥电压V_C(简言之，温差由于迟滞温度而变小)时，比较器CMP1将温差检测信号DTo控制为“L”电平(无效电平)。据此，操作返回到初始状态。
初始状态被调节为电压V_S≥电压V_R。在该状态下，比较器CMP2将超温检测信号ATo控制为“L”电平(无效电平)，开关SW2接通并且输出晶体管Qd导通。根据负载LD的驱动，热温升高，并且电压V_S下降。当热温上升到电压V_S<电压V_R时(简言之，当热温上升至高于参考温度时)，比较器CMP2将超温检测信号ATo控制为“H”电平(断言电平)。
当超温检测信号ATo被断言时，开关SW2从接通变为断开，并且据此，电压V_R瞬间升高。电压V_R的该升高变为迟滞电压，并且与该电压相对应的温度变为迟滞温度。另一方面，根据超温检测信号ATo的断言，输出晶体管Qd被关断。结果，热温下降并且电压V_S升高。当热温下降到电压V_S≥电压V_R时(简言之，当热温下降迟滞温度时)，比较器CMP2将超温检测信号ATo控制为“L”电平(无效电平)。据此，操作返回到初始状态。
如上所述，通过提供具有迟滞特性的输出晶体管Qd，输出晶体管Qd根据温差检测信号DTo或超温检测信号ATo的断言而停止供电操作，并且此后，当温度下降足够时，恢复供电操作。结果，输出晶体管Qd可以被完全保护。
图12是示出图10中的温差检测限流电路的电路图。图12所示的温差检测限流电路DTIL包括感测晶体管Qs、nMOS晶体管MN1和MN2以及感测电阻元件Rs。感测晶体管Qs的尺寸为输出晶体管Qd的尺寸的1/n(例如，千分之一)，并且与输出晶体管Qd利用相同的栅极电压Vg进行驱动。感测电阻元件Rs将流向感测晶体管Qs的电流转换为感测电压。结果，随着流向输出晶体管Qd的电流变大，感测电压变大。
nMOS晶体管MN2由感测电压控制。结果，随着流向输出晶体管Qd的电流变大，nMOS晶体管MN2的导通电阻变小。当温差锁存信号Sdt或超温锁存信号Sat处于断言电平时，nMOS晶体管MN1被控制导通。据此，当温差锁存信号Sdt或超温锁存信号Sat处于断言电平时，输出晶体管Qd的栅极电荷通过nMOS晶体管MN1和MN2放电，并且因此，输出晶体管Qd的驱动电流受到限制。尽管省略了图示，但是图10中的超温检测限流电路ATIL与温差检测限流电路DTIL具有相同的结构。
图14A是示出图10的半导体器件中的温差检测时间处的示意性操作示例的波形图，并且图14B是示出图10的半导体器件中的超温检测时间的示意性操作示例的波形图。如图14A所示，输出晶体管Qd的栅极电压Vg根据外部输入信号IN的“H”电平和温差检测信号DTo的“L”电平被控制为导通电平(定时t11)。据此，热温Th与冷温Tc之间的温差增大，并且当该温差超过参考温差Tdref时，温差检测信号DTo变为“H”电平并且栅极电压Vg被控制为关断电平(定时t12)。
结果，热温Th与冷温Tc之间的温差减小，并且当该温差减小迟滞温度ΔThys1时，温差检测信号DTo变为“L”电平并且栅极电压Vg被再次控制为导通电平(定时t13)。这里的栅极电压Vg的导通电平根据温差检测限流电路DTIL的操作被控制为低于在定时t11的情况下的电压值VL1。据此，输出晶体管Qd的驱动电流受到限制。
同样在图14B中，类似地，输出晶体管Qd的栅极电压Vg根据外部输入信号IN的“H”电平和超温检测信号ATo的“L”电平被控制为导通电平(定时t21)。据此，热温Th上升，并且当其达到参考温度Thref以上，超温检测信号ATo变为“H”电平并且栅极电压Vg被控制为关断电平(定时t22)。
结果，热温Th下降，并且当其下降迟滞温度ΔThys2时，超温检测信号ATo变为“L”电平并且栅极电压Vg再次被控制为导通电平(定时t23)。根据温差检测限流电路DTIL和超温检测限流电路ATIL的操作，这里的栅极电压Vg的导通电平被控制为电压值VL2，电压值VL2比在定时t21的情况下低并且低于图14A中的电压值VL1。据此，与图14A的情况相比，输出晶体管Qd的驱动电流进一步得到限制。
《温差检测操作/超温检测操作与周边温度之间的关系》
图15是示出图10的半导体器件中的温差检测操作和超温检测操作与周边温度之间的关系的一个示例的图。在图15的示例中，温差检测操作中的参考温差Tdref和迟滞温度ΔThys1分别为60℃和30℃，并且超温检测操作中的参考温度Thref和迟滞温度ΔThys2分别为180℃和15℃。
当周边温度(即，冷温Tc)为100℃时，温差检测信号DTo在160℃的热温Th处被断言，并且当热温Th下降到130℃时，上述信号被无效。当冷温Tc为150℃时，超温检测信号ATo在180℃的热温Th处被断言，并且当热温Th降低至165℃时，上述信号被无效。
在该温度设置中，当冷温Tc低于边界温度(其中边界温度为120℃)时，执行温差检测操作。在这种情况下，温差检测信号DTo在低于180℃的热温Th处被断言。当温差检测信号DTo被断言时，如图14A所示，控制操作被执行，使得温差不超过60℃(换言之，以保持热温Th小于180℃)。结果，实际上，不执行超温检测操作。
另一方面，当冷温Tc高于边界温度(120℃)时，执行超温检测操作。超温检测信号ATo在低于60℃的温差处被断言。当超温检测信号ATo被断言时，如图14B所示，执行控制操作，使得热温不超过180℃(换言之，以保持温差小于60℃)。结果，实际上，不执行温差检测操作。
图16是示出图10和图15的半导体器件中的受限电流值与周边温度之间的关系的一个示例的说明图。如图16所示，当温差检测信号DTo在低于边界温度(120℃)的范围内在冷温Tc处被断言时，输出晶体管Qd的驱动电流被限制为电流值IL1。另一方面，当超温检测信号ATo在高于边界温度(120℃)的范围内利用冷温Tc被断言时，输出晶体管Qd的驱动电流被限制为小于电流值IL1的电流值IL2。电流值IL1和IL2是分别对应于图14A和14B中的电压值VL1和VL2的电流值。
《半导体器件的问题(比较示例)》
图17是示出在驱动作为负载的灯时驱动电流的理想时间变化的一个示例的波形图。如图17所示，当驱动作为负载LD的灯时，由于在初始驱动时灯内的灯丝的电阻非常小，所以非常大的驱动电流在灯中流动。之后，当灯丝的温度根据驱动电流而升高时，灯丝的电阻值增加，并且在灯中流动的驱动电流减小。
图18A是示出在使用图10中的半导体器件驱动灯的情况下、当周边温度低于边界温度时的热温的时间变化的一个示例的波形图，并且图18B是示出在图18A的情况下的驱动电流的时间变化的一个示例的波形图。
图19A是示出在根据图10中的半导体器件驱动灯的情况下、当周边温度高于边界温度时的热温的时间变化的一个示例的波形图，并且图19B是示出在图19A的情况下的驱动电流的时间变化的一个示例的波形图。
如上所述，在初始驱动时，灯丝的温度迅速升高。因此，温差检测信号DTo或超温检测信号ATo有很高的可能性根据冷温Tc而被断言。在图18A的示例中，由于冷温Tc低于边界温度(120℃)，所以温差检测信号DTo被断言。据此，驱动电流被限制为图16的电流值IL1。电流值IL1足够大以驱动灯；结果，灯在图18B中处于稳定的照明状态。
另一方面，在图19A的示例中，由于冷温Tc高于边界温度(120℃)，所以超温检测信号ATo被断言。据此，驱动电流被限制为图16的电流值IL2。电流值IL2不足以驱动灯；结果，灯在图19B中处于不照明状态。
据此，在使用图10的构造示例时，取决于冷温Tc低于(例如，119℃)还是高于(例如，121℃)边界温度(120℃)，驱动能力(这里为驱动电流)的限制量快速变化。结果，即使冷温Tc的小的变化也会引起负载的驱动状态(灯的照明状态)的很大差异。然后，例如，认为电流值IL2被放大。如果是这样，例如当在如图14B所示的迟滞控制中特别地冷温Tc较高时，根据过冲，输出晶体管Qd的温度可能会过度升高。结果，恐怕会降低输出晶体管Qd的安全性。
《半导体器件的结构和操作(第一实施例)》
图3是示出根据本发明第一实施例的半导体器件的构造示例的示意图。图4是示出图3中的限流电路的操作示例的图。图3所示的半导体器件DEV包括输出晶体管Qd、驱动器DRV、逻辑电路LGC、温度检测电路DADT和限流电路ILMT。输出晶体管Qd、驱动器DRV和温度检测电路DADT的结构和操作与图10的情况下的结构和操作相同。
如图4所示，限流电路ILMT生成针对冷温Tc以负温度特性连续改变的受限电流信号(图5中描述的V_X)，这不同于图16的情况下的两个离散值。具体地，限流电路ILMT生成在冷温Tc高于边界温度(120℃)的温度范围内以负温度特性连续改变、并且针对在冷温Tc低于边界温度的温度范围内的冷温Tc具有恒定信号电平的受限电流信号(V_X)。
当超温检测信号ATo被断言时(具体地，当超温锁存信号Sat被断言时)，限流电路ILMT将输出晶体管Qd的驱动电流限制为取决于受限电流信号(V_X)的信号电平的电流值。类似地，当温差检测信号DTo被断言时(具体地，当温差锁存信号Sdt被断言时)，限流电路ILMT将输出晶体管Qd的驱动电流限制为取决于受限电流信号(V_X)的信号电平的电流值。在图4中，例如，当冷温为140℃时，驱动电流被限制为电流值IL3，并且当冷温为100℃时，驱动电流被限制为电流值IL1。
在电流限制中，限流电路ILMT生成例如用于控制输出晶体管Qd导通和关断的通断控制信号Sconf。逻辑电路LGC通过驱动器DRV使用驱动器控制信号Sdv来控制输出晶体管Qd导通和关断。驱动器控制信号Sdv基于温差检测信号DTo和超温检测信号ATo来生成，类似于图10的情况，并且另外，基于通断控制信号Sonf来生成。具体地，基于温差检测信号DTo和超温检测信号ATo控制输出晶体管Qd导通的时段中的驱动电流基于通断控制信号Sonf的占空比而受到限制。
《限流电路及其附近的细节》
图5是示出限流电路及其附近的详细构造示例的电路图。在图5中，限流电路ILMT包括电压生成电路VGEN10和VGEN11、比较器CMP10和CMP11、选择电路SEL10、电流感测电路ISEN、“与非”门ND10和“或”门OR10。此外，逻辑电路LGC包括锁存电路LT1和LT2以及“与”门AD10。
在限流电路ILMT中，电压生成电路VGEN10包括电阻元件Rref，来自恒流源IS10的恒定电流被供应到电阻元件Rref，并且电压生成电路VGEN10生成与边界温度(120℃)相对应的恒定电压V_R。电压生成电路VGEN11包括二极管Dcd，来自恒流源IS1的恒定电流被供应到二极管Dcd，并且电压生成电路VGEN11生成针对冷温Tc以负温度特性连续变化的电压V_C。
比较器CMP10将来自电压生成电路VGEN10的电压V_R与来自电压生成电路VGEN11的电压V_C进行比较。换言之，比较器CMP10确定冷温Tc是高于还是低于边界温度(120℃)。在这个示例中，电压生成电路VGEN11与图11中的温度检测电路DADT内的冷传感器共享。据此，电路尺寸减小，并且进一步，由比较器CMP10进行的冷温与边界温度之间的比较可以以高准确度执行。根据情况，可以在电压生成电路VGEN11和温度检测电路DADT中设置相应的单独的二极管Dcd，以便优化相应的恒定电流值。在这种情况下，例如，可以在图13所示的二极管Dcd的形成区域中邻近地形成两个二极管Dcd。
选择电路SEL10包括反相器IV10和IV11以及开关SW10和SW11，并且输出来自电压生成电路VGEN10的电压V_R或来自电压生成电路VGEN11的电压V_C作为受限电流信号V_X，这取决于比较器CMP10的比较结果。在这个示例中，当电压V_C≥电压V_R时(当冷温Tc是边界温度或更低时)，开关SW11接通并且电压V_R被输出作为受限电流信号V_X。另一方面，当电压V_C<电压V_R时(当冷温Tc高于边界温度时)，开关SW10被控制为接通并且电压V_C被输出作为受限电流信号V_X。
电流感测电路ISEN包括感测晶体管Qsen和感测电阻元件Rsen，检测在输出晶体管Qd中流动的驱动电流，并且生成与该驱动电流的大小成比例的感测电压Vsen。感测晶体管Qsen的尺寸为输出晶体管Qd的尺寸的1/n(例如，千分之一)，并且与输出晶体管Qd利用相同的栅极电压Vg进行驱动。例如，感测晶体管Qsen通过使用图13中的多个单元MOS晶体管Qd'的一部分来形成。
当负载LD被视为电阻元件时，感测晶体管Qsen的源极电压根据输出晶体管Qd的源极电压以及感测电阻元件Rsen而波动。据此，输出晶体管Qd和感测晶体管Qsen实际上形成电流镜电路。感测电阻元件Rsen将在感测晶体管Qs中流动的电流转换为感测电压Vsen。
比较器CMP11将来自电流感测电路ISEN的感测电压Vsen与受限电流信号V_X进行比较，以根据比较结果来控制输出晶体管Qd导通和关断。具体地，当感测电压Vsen<受限电流信号V_X时(当驱动电流小于受限电流值时)，比较器CMP11通过输出“L”电平来控制输出晶体管Qd导通。另一方面，当感测电压Vsen≥受限电流信号V_X时(当驱动电流是受限电流值或更大时)，比较器CMP11通过输出“H”电平来控制输出晶体管Qd关断。
具体地，比较器CMP11的输出信号通过“与非”门ND10变为通断控制信号Sonf，并且在逻辑电路LGC内通过“与”门AD10变为驱动器控制信号Sdv。更具体地，如图10所示，逻辑电路LGC分别使用锁存电路LT1和LT2锁存温差检测信号DTo和超温检测信号ATo的断言电平，并且将温差锁存信号Sdt和超温锁存信号Sat控制为相应的断言电平(“H”电平)。当温差锁存信号Sdt或超温锁存信号Sat处于断言电平时，“或”门OR10输出“H”电平。在这种情况下，“与非”门ND10反转比较器CMP11的输出信号并且输出其作为通断控制信号Sonf。
换言之，当温差锁存信号Sdt或超温锁存信号Sat处于断言电平并且驱动电流小于受限电流值时，通断控制信号Sonf变为“H”电平，并且当驱动电流为受限电流值或更大时，通断控制信号Sonf变为“L”电平。另一方面，当温差锁存信号Sdt和超温锁存信号Sat均处于无效电平时，通断控制信号Sonf被固定在“H”电平。
“与”门AD10根据通断控制信号Sonf、温差检测信号的反转信号(/DTo)和超温检测信号的反转信号(/ATo)的“与”运算结果来输出驱动器控制信号Sdv。结果，驱动控制信号Sdv在断言温差检测信号DTo和超温检测信号ATo中的至少一个的时段期间变为“L”电平并且输出晶体管Qd被控制为关断。另一方面，在使温差检测信号DTo和超温检测信号ATo无效的时段期间，驱动器控制信号Sdv变为等于通断控制信号Sonf，并且输出晶体管Qd根据通断控制信号Sonf的“H”电平和“L”电平而被控制为导通和关断。当温差锁存信号Sdt和超温锁存信号Sat均处于无效电平时，输出晶体管Qd被固定为导通而没有电流限制，因为通断控制信号Sonf被固定为“H”电平。
图6是示出图5的限流电路中的受限电流信号与周边温度之间的关系的一个示例的图。如图6所示，在周边温度(冷温Tc)低于边界温度(120℃)时，受限电流信号V_X的电压电平基于电压V_R变为恒定值。当温差检测信号DTo被断言时，该恒定值控制驱动电流。另一方面，当冷温Tc高于边界温度(120℃)时，基于电压V_C，受限电流信号V_X的电压电平变为以负温度特性连续可变的值。当超温检测信号ATo被断言时，该值控制驱动电流。
图7是示出检测图3的半导体器件中的超温的示意性操作示例的波形图。图7中的波形几乎与图14B所示的波形相同。但是，在图14B中，在定时t23，通过将栅极电压Vg控制为电压值VL2来执行电流限制；在图7中，通过基于通断控制信号Sonf切换控制栅极电压Vg来执行电流限制。在这种情况下，取决于冷温Tc，通断控制信号Sonf中的导通时段与关断时段的比例波动；因此，如图6所示，所得到的的栅极电压Vg的平均值VLA与受限电流信号V_X的特性线相一致。温差检测的操作也与超温检测时的操作相同。
《第一实施例的主要效果》
如上所述，使用第一实施例的系统，可以改善温度的安全性与驱动能力的限制之间的平衡。更具体地说，超温检测时的驱动电流不限于恒定的低电流值IL2，而与周边温度无关，如图16的情况那样，而是取决于周边温度的上升朝向电流值IL2被连续地限制，如图4的情况一样。结果，如图18和19所示，可以避免冷温Tc的小变化会导致负载驱动状态(灯的照明状态)的差异很大的情况。
电流值IL2是在180℃的冷温Tc处所要求的极限值，但是随着冷温Tc变低，极限值实际上可以放宽。这是因为，例如在如图7所示的迟滞控制中，随着冷温Tc变低，输出晶体管Qd的温度变化几乎不会发生过冲，并且因此，即使驱动电流的极限值放宽，安全性也可以得到保证。如图4所示，通过根据周边温度的下降连续地放宽驱动电流的限制，可以在能够确保安全的范围内最大地获得负载驱动能力。例如，可以通过逐步放宽驱动电流的限制来获得负载驱动能力。结果，IPD能够充分驱动多种负载。
这里，限流电路ILMT不一定限于如图5所示的电路系统，也可以使用另一电路系统。例如，使用图12所示的电路，可以采用利用图6的反极性电压来控制nMOS晶体管MN1的栅极电压的系统(具体地，在温度高于边界温度的情况下具有正温度特性的电压)。但是，从功耗、电流限制的高准确度和容易设计的观点来看，图5所示的电路系统是优选的。
第二实施例
《限流电路及其附近的细节》
图8是示出在本发明第二实施例的半导体器件中的图3的限流电路的详细构造示例的电路图。图8所示的限流电路ILMT2与图5的构造示例的不同之处在于电压生成电路VGEN20和VGEN21的结构。电压生成电路VGEN20包括带隙基准电路BGRr并且电压生成电路VGEN21包括带隙基准电路BGRc。带隙基准电路BGRr和BGRc被布置为例如邻近于图13所示的二极管Dcd(冷传感器)。
图9A是示出图8中的带隙基准电路的基本构造示例的电路图，并且图9B是示出图9A的操作示例的补充图。图9A所示的带隙基准电路BGR包括电阻元件R21、串联耦合到电阻元件R21的二极管D21、电阻元件R22、串联耦合到电阻元件R22的二极管D22和带隙电阻元件Rbgr、以及放大器电路AMP。电阻元件R21的电阻值等于电阻元件R22的电阻值，并且二极管D22的元件尺寸为二极管D21的m倍。
放大器电路AMP形成为负反馈结构，以控制正输入节点(+)和负输入节点(-)具有相同的电压。据此，在二极管D21中流动的电流等于在二极管D22中流动的电流。结果，在带隙电阻元件Rbgr的两端产生二极管D21与二极管D22之间的正向电压的差值ΔVbgr(＝VT×ln(m))(VT是热电压)。由于在电阻元件R22中流动的电流是“ΔVbgr/Rbgr”，所以输出电压Vbgr变为“ΔVbgr+VF22+(Vbgr/Rbgr)×R22＝VF22+ΔVbgr×(1+R22/Rbgr)”，其中二极管D22的正向电压被定义为VF22。
“VF22”具有负温度特性，并且“ΔVbgr×(1+R22/Rbgr)”具有正温度特性。因此，如图9B所示，通过调节“R22/Rbgr”，可以任意设定输出电压Vbgr中的温度特性的灵敏度。在图8中，无论温度如何，带隙基准电路BGRr的输出电压Vbgr(即，电压V_R)例如是恒定值，或者具有负温度特性。另一方面，与带隙基准电路BGRr相比，带隙基准电路BGRc的输出电压Vbgr(即，电压V_C)具有灵敏度更高的负温度特性。
《第二实施例的主要效果》
如上所述，通过使用第二实施例的系统，可以获得与第一实施例相同的效果。此外，与第一实施例的系统相比，存在改善电流限制的高准确度的情况。具体地，图5的二极管Dcd通常取决于温度生成0.4V至0.7V的电压。另一方面，带隙基准电路BGRc可以比二极管Dcd更好地处理制造偏差，并且生成比二极管Dcd更低的电压V_C。当电压V_C可以减小时，感测电压Vsen可以减小(感测电阻元件Rsen的电阻可以减小)。结果，可以通过电流镜电路(Qsen和Qd)来增强电流检测准确度，并且可以实现电流限制的更高准确度。此外，由于带隙基准电路BGRc与制造偏差相容，所以可以减小电流限制的变化。据此，可以实现电流限制的高准确度。
如上所述，通过实现电流限制的高准确度，可以提高温度安全性与驱动能力限制之间的平衡。带隙基准电路不限于图9A的电路，而可以是各种通常公知的电路。这里，使用具有带隙基准电路BGRr的电压生成电路VGEN20；然而，代替这一点，与图5的情况类似，可以使用具有电阻元件Rref的电压生成电路VGEN10。这里，严格来说，电阻元件Rref具有某种温度特性，并且因为制造偏差可以被放大，所以从这个观点出发，优选地使用电压生成电路VGEN20。
如上所述，虽然已经基于实施例对由发明人等人所做的发明进行了具体描述，但是本发明不限于这些实施例，而是可以在不脱离本发明精神的情况下进行各种修改。例如，上述实施例被具体描述以便容易描述本发明，并且不限于包括所有上述部件的形式。一个实施例中的一个部件可以用另一实施例中的部件替换，并且进一步地，一个实施例中的部件可以被添加到另一实施例中的部件。每个实施例中的部件之一可以被添加到其他部件，从其他部件中删除，或者替换为其他部件。
例如，实施例中的半导体器件不仅可以广泛地应用于图2的电子控制单元ECU，而且还可以作为用于向各种负载供电的装置。

Claims (15)

1.一种半导体器件，包括
输出晶体管，其向外部负载供应驱动电流；
热传感器，其检测所述输出晶体管的温度；
冷传感器，其检测远离所述输出晶体管的位置的温度；
温度检测电路，所述温度检测电路当所述热传感器的温度上升超过预定参考温度时断言超温检测信号，并且当所述热传感器和所述冷传感器之间的温差超过预定参考温差时断言温差检测信号；以及
限流电路，所述限流电路生成针对所述冷传感器的温度以负温度特性连续可变的受限电流信号，并且当所述超温检测信号被断言时将所述输出晶体管的驱动电流限制为取决于所述受限电流信号的信号电平的电流值。
2.根据权利要求1所述的器件，
其中在断言所述超温检测信号之后，当所述热传感器的温度被减小第一迟滞温度时，所述温度检测电路使所述超温检测信号无效，并且在断言所述温差检测信号之后，当所述温差被减小第二迟滞温度时，所述温度检测电路使所述温差检测信号无效，
所述器件还包括：
逻辑电路，所述逻辑电路使用所述超温检测信号来控制所述输出晶体管的导通和关断，以将所述热传感器的温度控制为所述参考温度，并且使用所述温差检测信号来控制所述输出晶体管的导通和关断，以将所述温差控制为所述参考温差，
其中当所述冷传感器的温度高于边界温度时，所述超温检测信号被断言，
其中当所述冷传感器的温度低于所述边界温度时，所述温差检测信号被断言，并且
其中所述受限电流信号针对所述冷传感器的在所述冷传感器的温度高于所述边界温度的温度范围内的温度、以所述负温度特性连续地变化。
3.根据权利要求2所述的器件，
其中所述受限电流信号针对所述冷传感器的在所述冷传感器的温度低于所述边界温度的温度范围内的温度变为恒定信号电平，以及
其中当所述温差检测信号被断言时，所述限流电路将所述输出晶体管的驱动电流限制为取决于所述受限电流信号的信号电平的电流值。
4.根据权利要求1所述的器件，
其中所述冷传感器是被供应恒定电流的二极管，
其中所述限流电路根据所述冷传感器的输出电压生成所述受限电流信号。
5.根据权利要求1所述的器件，
其中所述限流电路通过带隙基准电路生成所述受限电流信号。
6.根据权利要求1所述的器件，
其中所述限流电路包括：
电流感测电路，其检测在所述输出晶体管中流动的驱动电流，并且生成与所述驱动电流的大小成比例的电压信号，以及
第一比较器，其将来自所述电流感测电路的电压信号与所述受限电流信号进行比较，以根据比较结果来控制所述输出晶体管的导通和关断。
7.根据权利要求3所述的器件，
其中所述限流电路包括：
第一电压生成电路，其生成与所述边界温度相对应的恒定电压信号，
第二电压生成电路，其生成针对所述冷传感器的温度具有负温度特性的电压信号；
第二比较器，其将来自所述第一电压生成电路的电压信号与来自所述第二电压生成电路的电压信号进行比较，以及
选择电路，其根据所述第二比较器的比较结果来输出来自所述第一电压生成电路的电压信号或来自所述第二电压生成电路的电压信号，作为所述受限电流信号。
8.根据权利要求7所述的器件，
其中所述限流电路包括：
电流感测电路，其检测在所述输出晶体管中流动的驱动电流，并且生成与所述驱动电流的大小成比例的电压信号，以及
第一比较器，其将来自所述电流感测电路的电压信号与来自所述选择电路的受限电流信号进行比较，并且根据比较结果来控制所述输出晶体管的导通和关断。
9.根据权利要求7所述的器件，
其中所述第一电压生成电路包括被供应恒定电流的电阻元件。
10.一种电子控制单元，包括：
微控制器，其取决于用户来实现预定功能；
半导体器件，其根据来自所述微控制器的指令来驱动外部负载；以及
布线衬底，所述布线衬底上安装有所述微控制器和所述半导体器件，
其中所述半导体器件包括：
输出晶体管，其向所述负载供应驱动电流，
热传感器，其检测所述输出晶体管的温度，
冷传感器，其检测远离所述输出晶体管的位置的温度，
温度检测电路，所述温度检测电路当所述热传感器的温度上升超过预定参考温度时断言超温检测信号，并且当所述热传感器和所述冷传感器之间的温差超过预定参考温差时断言温差检测信号，以及
限流电路，所述限流电路生成针对所述冷传感器的温度以负温度特性连续可变的受限电流信号，并且当所述温度检测信号被断言时将所述输出晶体管的驱动电流控制为取决于所述受限电流信号的信号电平的电流值。
11.根据权利要求10所述的单元，
其中在断言所述超温检测信号之后，当所述热传感器的温度被减小第一迟滞温度时，所述温度检测电路使所述超温检测信号无效，并且在断言所述温差检测信号之后，当所述温差被减小第二迟滞温度时，所述温度检测电路使所述温差检测信号无效，
所述单元还包括：
逻辑电路，所述逻辑电路使用所述超温检测信号来控制所述输出晶体管的导通和关断，以将所述热传感器的温度控制为所述参考温度，并且使用所述温差检测信号来控制所述输出晶体管的导通和关断，以将所述温差控制为所述参考温差，
其中当所述冷传感器的温度高于边界温度时，所述超温检测信号被断言，
其中当所述冷传感器的温度低于所述边界温度时，所述温差检测信号被断言，并且
其中所述受限电流信号针对所述冷传感器的在所述冷传感器的温度高于所述边界温度的温度范围内的温度、以所述负温度特性连续地变化。
12.根据权利要求11所述的单元，
其中所述受限电流信号针对所述冷传感器的在所述冷传感器的温度低于所述边界温度的温度范围内的温度变为恒定信号电平，以及
其中当所述温差检测信号被断言时，所述限流电路将所述输出晶体管的驱动电流限制为取决于所述受限电流信号的信号电平的电流值。
13.根据权利要求10所述的单元，
其中所述冷传感器是被供应恒定电流的二极管，
其中所述限流电路根据所述冷传感器的输出电压生成所述受限电流信号。
14.根据权利要求10所述的单元，
其中所述限流电路通过带隙基准电路生成所述受限电流信号。
15.根据权利要求10所述的单元，
其中所述负载是用于车辆的灯。
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