CN112311337A

CN112311337A - 半导体装置

Info

Publication number: CN112311337A
Application number: CN202010721779.1A
Authority: CN
Inventors: 川添卓
Original assignee: Lapis Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Lapis Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2019-07-30
Filing date: 2020-07-24
Publication date: 2021-02-02
Also published as: JP2024099057A; US20210036667A1; US11394355B2

Abstract

本发明涉及半导体装置。提供了在不增加电路规模的情况下具备便宜且检测精度高的短路检测电路的半导体装置。提供了半导体装置100，其特征在于，具有：第一缓冲器，输入规定的信号并输出第一输出信号；第二缓冲器，输入所述规定的信号的反相信号并输出第二输出信号；以及短路检测电路，根据所述第一输出信号与所述第二输出信号的电位差来输出短路判定信号，所述短路判定信号判定所述第一缓冲器的输出侧的第一端子或所述第二缓冲器的输出侧的第二端子的接地短路的有无、或所述第一端子与所述第二端子的短路的有无。

Description

半导体装置

技术领域

本发明涉及具备输出声音信号的功能的半导体装置，特别地涉及在声音输出端子的短路时保护半导体装置的保护电路。

背景技术

一般，在半导体装置中已知连接到扬声器并输出声音信号的半导体装置。在这样的半导体装置中，使用与AB级放大器等相比效率较好且发热也较少的D级放大器的半导体装置在消费产品或车载产品等领域中广泛地利用。

当与在微计算机等中使用的通用的I/O缓冲器等相比较时，用于驱动这样的输出声音信号的半导体装置中使用的低阻抗的扬声器的缓冲器具有数倍～数十倍的电流驱动能力，因此，当发生接地短路或端子间短路时，会发生大电流，而发生半导体装置的故障。因此，使用在发生接地短路或端子间短路的情况下保护半导体装置的保护电路。在例如专利文献1的图5中，提出了如下那样的保护电路，即：比较来自两个输出端子的输出信号，通过以同相位工作的状态持续规定时间以上来判定在端子间产生了短路，并通过关断输出电路来防止扬声器等负载或放大器的破坏。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2007-235526号公报。

发明内容

发明要解决的课题

在图7中，公开了作为比较例的半导体装置300的结构。半导体装置300由PWM（PulseWidth Modulation，脉宽调制）调制电路310、第一扬声器缓冲器320-1、第二扬声器缓冲器320-2、判定电路330、以及感测电流发生器340构成。感测由于过电流所造成的电压降的半导体装置300是如下那样的结构，即：例如，在电压与端子T1和端子T2的电压电平相比降低的情况下，由NOR电路构成的判定电路330检测到异常。端子T1的电压电平由如图8所示的具备D级放大器的结构的第一扬声器缓冲器320-1的作为第一输出晶体管的PMOS晶体管PTr1和作为第二输出晶体管的NMOS晶体管NTr1的导通电阻、作为内部的电源布线电阻的R2和R3、以及外附扬声器的负载电阻R1来决定。关于端子T2的电压电平，也是同样的。

由扬声器输出电力的规格来决定从感测电流发生器340输出的感测电流的设定值。一般的扬声器输出电力的规格为电源电压5V、1W输出、负载电阻RL=8Ω左右，但是，在该情况下，当考虑扬声器或电源的偏差、晶体管的Vt偏斜（阈值电压的偏差）等时，最大输出电流变为800mA（5.6V，RL=6Ω）左右。这以上的电流值由于端子间短路或接地短路而发生，因此，设计为基于最大输出电流来确定判定端子T1和端子T2的电压电平降低的情况的阈值。

然而，端子T1、T2间的短路和接地短路发生时的端子T1和端子T2的电压电平由于扬声器的布线电阻R2和R3、以及扬声器的负载电阻R1而较大变动，但是，判定电路330的阈值的调整是困难的，因此，存在产生端子间短路或接地短路的误检测的情况。

例如，在作为电源电压5V、1W下的声音输出时的工作而端子T1输出“H”的情况下，其输出电压为4V左右，但是，这是正常工作，因此，判定电路330一定不检测到异常而继续工作。再有，端子T1和端子T2时常输出“H”和“L”，因此，判定电路330在通常工作中也判定ERR，但是，通过采样，在一定期间内检测到ERR为“H”的时候。

在这样的状况下，在顾客的使用环境中扬声器的负载电阻R1较大的情况下或负载电阻RL较小的情况下，施加到端子T1的电压时常小于4V，因此，存在判定电路330误检测的可能性。此外，在GND侧的布线电阻极端大的情况下，还存在时常变为检测电路的阈值以上的电压值而不能检测端子间短路或接地短路的可能性。因此，变为只能在进行输出电阻ROUT或负载电阻RL的规格限制之上使用的限定的电路。

为了解决这样的问题，考虑不是进行利用NOR电路的判定，而是通过比较器来比较阈值电压和端子T1的电压。可是，由于具备比较器，电路规模变大，进而产生成本增加的缺点。此外，在专利文献1中提出的技术中，通过NOR电路比较来自两个输出端子的输出来判定仅输出端子间的短路，因此，能判定的故障原因是限定的，再有，与上述同样地，电路规模变大。

本发明鉴于上述点而完成，目的在于提供在不增加电路规模的情况下具备便宜且检测精度高的短路检测电路的半导体装置。

用于解决课题的方案

本发明的第一方式的半导体装置具有：第一缓冲器，输入规定的信号并输出第一输出信号；第二缓冲器，输入所述规定的信号的反相信号并输出第二输出信号；以及短路检测电路，根据所述第一输出信号与所述第二输出信号的电位差来输出短路判定信号，所述短路判定信号判定所述第一缓冲器的输出侧的第一端子或所述第二缓冲器的输出侧的第二端子的接地短路的有无、或所述第一端子与所述第二端子的短路的有无。

本发明的第二方式的半导体装置是第一方式的半导体装置，所述短路检测电路具备：电位差检测部，检测所述第一输出信号与所述第二输出信号的电位差；以及信号输出部，根据由所述电位差检测部进行的检测来输出所述短路判定信号。

本发明的第三方式的半导体装置是第二方式的半导体装置，所述电位差检测部具备第一晶体管，所述第一晶体管根据所述第一输出信号与所述第二输出信号的电位差来切换导通和关断。

本发明的第四方式的半导体装置是第三方式的半导体装置，所述电位差检测部还具备第二晶体管，所述第二晶体管与所述第一晶体管串联连接，并根据所述第一输出信号与所述第二输出信号的电位差来切换导通和关断。

本发明的第五方式的半导体装置是第一方式～第四方式中任一项的半导体装置，所述规定的信号是声音信号。

发明效果

根据本发明，能够提供在不增加电路规模的情况下具备便宜且检测精度高的短路检测电路的半导体装置。

附图说明

图1是示出本发明的第一实施方式的半导体装置的结构的框图。

图2是扬声器缓冲器的电路图。

图3是第一实施方式的判定电路和恒流电路的电路图。

图4是示出第一实施方式的半导体装置的工作的时间图。

图5是示出本发明的第二实施方式的半导体装置的结构的框图。

图6是第二实施方式的判定电路和恒流电路的电路图。

图7是示出比较例的半导体装置的结构的框图。

图8是扬声器缓冲器的电路图。

具体实施方式

以下，一边参照附图一边说明本发明的实施方式的一例。再有，对在各附图中相同或等效的结构要素和部分标注相同的参照符号。此外，附图的尺寸比率为了便于说明而被放大，存在与实际的比率不同的情况。

［第一实施方式］

以下，使用图1至图4来说明本发明的第一实施方式的半导体装置。

如图1所示，本实施方式的半导体装置100构成为包括PWM调制电路110、输入来自PWM调制电路110的输出信号SP的第一扬声器缓冲器120-1、从PWM调制电路110输入输出信号SP的反相信号SN的第二扬声器缓冲器120-2、判定第一扬声器缓冲器120-1的输出侧的端子T1与第二扬声器缓冲器120-2的输出侧的端子T2之间的短路或端子T1、T2的接地短路并从端子T3输出短路判定信号的判定电路130、以及向判定电路130供给电流的恒流电路140。来自PWM调制电路110的输出信号SP和输出信号SP的反相信号SN是例如声音信号。

在图2中记载了扬声器缓冲器120的电路图。扬声器缓冲器120接受来自PWM调制电路110的信号，作为输出晶体管的PTr1和NTr1通过逻辑电路的组合互补地工作，由此，输出缓冲器输出信号。此外，电阻R2和电阻R3分别示出了VDD-GND间的电源布线电阻。此外，图1中的第一扬声器缓冲器120-1和第二扬声器缓冲器120-2分别具有与图2的扬声器缓冲器120同样的电路结构。

在图3中公开了判定电路130和恒流电路140的电路图。判定电路130由作为短路检测电路的PMOS晶体管P1和NMOS晶体管N2、以及作为电平位移器的PMOS晶体管P2、P3和NMOS晶体管N3、N4构成。PMOS晶体管P1是电位差检测部的一例。此外，恒流电路140由恒流源C1和NMOS晶体管N1构成。判定电路130的短路检测电路由分别将源极连接到端子T1并将栅极连接到端子T2的PMOS晶体管P1、以及向该PMOS晶体管P1供给一定电流的NMOS晶体管N2构成。短路检测电路的输出节点1连接到电平位移器的NMOS晶体管N4的栅极，NMOS晶体管N4的漏极与从恒流电路140以构成电流镜电路的方式连接的PMOS晶体管P3的漏极相连接。从判定电路130的端子OUT输出短路判定信号。短路判定信号是判定端子T1或端子T1的接地短路的有无、或端子T1与端子T2的短路的有无的信号。

再有，恒流电路140未必需要是为了短路检测电路而准备并被调整的电路，也能够将半导体装置内的其他电路例如恒定电压调节器（LDO）等中发生的电流以构成电流镜电路的方式连接到短路检测电路和电平位移器中的每一个。通过兼用用作其他的恒流源的电路，能够抑制电路规模的增大。

图4是说明第一实施方式中的半导体装置100的工作的时间图。在（i）通常时，作为图3所示的电路的通常工作时，考虑端子T1和端子T2通过8Ω扬声器连接的情况。当假定扬声器的布线电阻为0.1Ω、缓冲器的ON（导通）电阻为0.5Ω时，在VDD=5V时，端子T1的电压约为4.67V，端子T2的电压约为0.33V，PMOS晶体管P1变为ON状态。由于PMOS晶体管P1为ON状态，所以下级的NMOS晶体管N4的栅极电位变为与端子T1的电位相同的电位。因此，在通常时，端子OUT输出“L”作为短路判定信号。

此外，在（ii）端子间短路时，考虑端子T1与端子T2短路的情况。在端子T1与端子T2短路的情况下，只要考虑端子T1和端子T2通过0Ω连接即可，因此，PMOS晶体管P1的栅极-源极间的电位差为0V。因此，在端子间短路时，PMOS晶体管P1变为OFF（关断）状态，向下级的NMOS晶体管N4的栅极施加0V。因此，端子OUT输出“H”作为短路判定信号。由于端子OUT输出“H”作为短路判定信号，从而检测到是扬声器短路状态。

此外，在（iii）T1接地短路时，考虑端子T1与GND短路的情况。在端子T1与GND端子短路的情况下，PMOS晶体管P1的源极端子总是为0V，因此，不管端子T2的电压如何，总是向NMOS晶体管N4的栅极施加0V。因此，端子OUT输出“H”作为短路判定信号。由于端子OUT输出“H”作为短路判定信号，从而检测到是扬声器短路状态。

然而，在（iv）T2接地短路时，不能检测端子T2与GND短路的情况。其理由是因为，判定电路130通过PMOS晶体管P1的栅极-源极间的电位差所造成的ON/OF来检测端子T1、T2的短路，因此，在端子T2的接地短路时，在端子T1-端子T2间产生电位差，端子OUT输出“L”作为短路判定信号。为了避免不能检测端子T2与GND短路的情况的事态，在判定电路130中准备另一个短路检测电路，设置调换连结到PMOS晶体管P1的栅极、源极的端子T1和端子T2的短路检测电路即可。通过另外设置短路检测电路，从而能够检测端子T2的接地短路。即，在判定电路130中准备两个短路检测电路，确认来自双方短路检测电路的输出，由此，能够防止端子T1与端子T2之间的短路、以及每一个的接地短路。

如以上说明的那样，根据第一实施方式，通过设置在判定电路130的PMOS晶体管P1，能够检测端子T1与端子T2的端子间短路、以及端子T1的接地短路。在比较例等中说明的检测方法中，存在由于扬声器的布线电阻或扬声器缓冲器的ON电阻而使短路时的扬声器的输出电压不能超过NOR电路的阈值电压而变动从而不能检测的担忧。对此，如果是本发明的第一实施方式，由于通过PMOS晶体管P1直接检测端子T1和端子T2的电压差，所以一定能够检测短路状态。再有，PMOS晶体管P1与端子T1和端子T2连接，因此，可以通过与其他的晶体管不同的大小来形成。为了提高耐压，能够使PMOS晶体管P1比其他的晶体管大。此外，在省电力扬声器等中，检测的信号较小，因此，能够通过比其他的晶体管小的构造来形成PMOS晶体管P1。此外，第一实施方式的判定电路130不使用比较器或基准电压而利用简易的电路结构来达成检测端子T1和端子T2的端子间短路、以及端子T1的接地短路，因此，也能够使施加到芯片尺寸的影响变小，进而能够提供便宜的半导体装置。

［第二实施方式］

以下，使用图5和图6来说明本发明的第二实施方式的半导体装置。

如图5所示，本发明的第二实施方式的半导体装置200构成为包括PWM调制电路110、输入来自PWM调制电路110的输出信号SP的第一扬声器缓冲器120-1、从PWM调制电路110输入输出信号SP的反相信号SN的第二扬声器缓冲器120-2、以及判定端子T1、T2间的短路或端子T1、T2的接地短路的判定电路230、以及向判定电路230供给电流的恒流电路140。再有，标注了与第一实施方式同样的号码的结构与第一实施方式同样，因此，省去其详细说明。

在图6中公开了判定电路230和恒流电路140。判定电路230与第一实施方式中的判定电路130的不同之处在于，在短路检测电路中使用的PMOS晶体管为二级结构。

第二实施方式中的判定电路230由作为短路检测电路的PMOS晶体管P1、P4和NMOS晶体管N2、以及作为电平位移器的PMOS晶体管P2、P3和NMOS晶体管N3、N4构成。基本的工作与第一实施方式同样，但是，检测端子间短路的电阻值不同。与第一实施方式同样，使扬声器的布线电阻为0.1Ω，使扬声器缓冲器的ON电阻为0.5Ω。此外，使PMOS晶体管P1的阈值电压Vtp为1V。计算在第一实施方式中PMOS晶体管P1进行ON的电阻值即判定为端子间短路的电阻值R1。

端子T1［V］-端子T2［V］=Vtp［V］・・・（1）

当使扬声器缓冲器的PMOS晶体管PTr1的电阻值为RPTr1、使NMOS晶体管NTr1的电阻值为RNTr1时，在电源电压为5V的情况下，以下的数式（2）的关系成立。

（R1+RNTr1+R3）/（R2+RPTr1+RNTr1+R3）×5-（RNTr1+R3）/（R2+RPTr1+RNTr1+R3）×5=Vtp=1・・・（2）

因此，当求解数式（2）时，判定为短路的电阻值R1为0.3Ω。

如果判定为端子间短路的电阻值R1为0.3Ω，则相对于扬声器阻抗的8Ω能够确保较大的盈余，因此，没有误检测的担忧。另一方面，在电源电压为5V且通过上述例的电阻值而短路的情况下，在半导体装置中流动的电流为约3.3A。为了提高短路的灵敏度也就是提高检测电阻值以便防止半导体装置的故障，如第二实施方式所示，追加PMOS晶体管P4即可。当使PMOS晶体管P4的阈值电压Vtp与PMOS晶体管P1同样为1V时，在电源电压为5V的情况下，以下的数式（3）的关系成立。

（R1+RNTr1+R3）/（R2+RPTr1+RNTr1+R3）×5-（RNTr1+R3）/（R2+RPTr1+RNTr1+R3）×5=Vtp×2=2・・・（3）

因此，当求解数式（3）时，判定为短路的电阻值R1为0.8Ω。在电源电压为5V且通过上述例的电阻值而短路的情况下，在半导体装置200中流动的电流为2.5A。像这样，通过向判定电路230追加PMOS晶体管P4，在半导体装置200中能够降低短路检测的电流值，提高短路检测的灵敏度。但是，能纵向堆叠的PMOS晶体管的级数即能在端子T1和端子T2之间串联连结的PMOS晶体管的数量是有限的。这是因为，当使纵向堆叠的PMOS晶体管的和为n时，即使PMOS晶体管P1变为ON状态，但是输入到下级的NMOS晶体管N4的栅极的电压为（T1-n×Vtp）［V］，NMOS晶体管N4不会变为ON状态。

如以上说明的那样，根据第二实施方式，能够通过增加判定电路230中的短路检测电路的PMOS晶体管的级数来提高检测短路的电阻值。根据第二实施方式，能够通过提高检测短路的电阻值来调整短路检测的灵敏度。

附图标记的说明

100，200半导体装置

110 PWM调制电路

120-1第一扬声器缓冲器

120-2第二扬声器缓冲器

130，230判定电路

140恒流电路。

Claims

1.一种半导体装置，其特征在于，具有：

第一缓冲器，输入规定的信号并输出第一输出信号；

第二缓冲器，输入所述规定的信号的反相信号并输出第二输出信号；以及

短路检测电路，根据所述第一输出信号与所述第二输出信号的电位差来输出短路判定信号，所述短路判定信号判定所述第一缓冲器的输出侧的第一端子或所述第二缓冲器的输出侧的第二端子的接地短路的有无、或所述第一端子与所述第二端子的短路的有无。

2.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，所述短路检测电路具备：

电位差检测部，检测所述第一输出信号与所述第二输出信号的电位差；以及

信号输出部，根据由所述电位差检测部进行的检测来输出所述短路判定信号。

3.根据权利要求2所述的半导体装置，其中，所述电位差检测部具备第一晶体管，所述第一晶体管根据所述第一输出信号与所述第二输出信号的电位差来切换导通和关断。

4.根据权利要求3所述的半导体装置，其中，所述电位差检测部还具备第二晶体管，所述第二晶体管与所述第一晶体管串联连接，并根据所述第一输出信号与所述第二输出信号的电位差来切换导通和关断。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的半导体装置，其中，所述规定的信号是声音信号。