JP2006245154A

JP2006245154A - 半導体集積回路装置

Info

Publication number: JP2006245154A
Application number: JP2005056792A
Authority: JP
Inventors: Mikiya Doi; 幹也土井; Daiki Takeuchi; 大樹竹内
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2005-03-02
Filing date: 2005-03-02
Publication date: 2006-09-14
Also published as: US20090027820A1; US7782585B2; CN101133489A; WO2006093204A1

Abstract

【課題】本発明は、電源電圧変動（パルス重畳）に依ることなく、高精度の熱保護動作を行うことが可能な半導体集積回路装置を提供することを目的とする。
【解決手段】上記目的を達成すべく、本発明に係る半導体集積回路装置の熱保護回路１は、電源電圧Ｖｃｃから高周波数成分を除去するフィルタ手段を有して成る構成、具体的には、基準電圧Ｖｒｅｆを生成するバンドギャップ電源部ＢＧ及び抵抗Ｒ１、Ｒ２と、温度検出用のトランジスタＮ１と、電源電圧ＶｃｃからトランジスタＮ１のオン／オフ状態に応じた制御信号Ｓｃｔｒｌを生成する抵抗Ｒ３、Ｒ４と、制御信号Ｓｃｔｒｌに応じてオン／オフ制御されるトランジスタＰ１と、トランジスタＰ１のオン／オフ状態に応じて熱保護信号Ｓｔｓｄを生成するトランジスタＮ２及び抵抗Ｒ５、Ｒ６と、を有するほか、前記フィルタ手段として、トランジスタＰ１のエミッタ及びコレクタに各々接続された抵抗Ｒ７及び容量Ｃ１を有して成る構成とされている。
【選択図】図２

Description

本発明は、熱保護回路を備えた半導体集積回路装置に関するものであり、特に、その熱保護機能の精度向上に関するものである。

従来より、電源装置やモータ駆動装置など、パワートランジスタを駆動する半導体集積回路装置（以下、ＩＣ［Integrated Circuit］と呼ぶ）の多くは、ＩＣの異常温度上昇に起因するＩＣ（特に、そのパワートランジスタ）の破壊を防止するための熱保護回路（いわゆるサーマルシャットダウン回路）を搭載して成る（例えば、本願出願人による特許文献１、２を参照）。なお、上記の熱保護回路は、一般に、バイポーラトランジスタのＶｆ（ベース・エミッタ間の順方向降下電圧）が周囲温度に依存して変動するという特性を利用して、熱保護信号を生成する構成とされている。
特開２００４−２５３９３６号公報特公平６−１６５４０号公報

確かに、特許文献１、２に記載のＩＣであれば、誤動作や過負荷によるＩＣの異常発熱を検知・遮断して、ＩＣの破壊を未然に防止することが可能である。

しかしながら、上記従来のＩＣでは、その過熱保護動作にさほど高速性が要求されないこともあり、電源電圧変動（ノイズ重畳）に起因する熱保護回路の誤動作については、特段対策が講じられていなかった。

そのため、過熱監視対象がノイズ源でもある場合には、当該過熱監視対象の近傍に設けられる熱保護回路の電源電圧にノイズが重畳し、誤った熱保護信号を生成してしまう、という課題があった。

特に、近年では、スイッチング電源装置やモータ駆動装置において、ノイズ源となるパワートランジスタがＩＣに内蔵されることも多く、このようなＩＣでは、パワートランジスタのオン／オフに起因するパルスノイズが熱保護回路の電源電圧に重畳し易いため、上記の課題が顕著であり、熱保護回路を過熱監視対象でもあるパワートランジスタの近傍に置きにくい、という課題があった。

本発明は、上記の問題点に鑑み、電源電圧変動（パルス重畳）に依ることなく、高精度の熱保護動作を行うことが可能な半導体集積回路装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る半導体集積回路装置は、スイッチング制御されるパワートランジスタと、該パワートランジスタの異常発熱を検知して保護対象回路に異常である旨を報知する熱保護回路と、を内蔵して成る半導体集積回路装置であって、前記熱保護回路は、その電源電圧から所定のカットオフ周波数よりも高い周波数成分を除去するフィルタ手段を有して成る構成（第１の構成）としている。

より具体的に述べると、上記第１の構成から成る半導体集積回路装置において、前記熱保護回路は、所定の基準電圧を生成する基準電圧生成手段と；前記パワートランジスタに隣設され、周囲温度に依存して変動するベース・エミッタ間の順方向降下電圧と前記基準電圧との高低に応じて、そのオン／オフ状態が変動する温度検出用のバイポーラトランジスタと；前記電源電圧から前記バイポーラトランジスタのオン／オフ状態に応じた論理の制御電圧信号を生成する制御電圧信号生成手段と；前記制御電圧信号の論理に応じてオン／オフ制御されるスイッチ手段と；前記スイッチ手段のオン／オフ状態に応じた論理の熱保護信号を生成する熱保護信号生成手段と；を有するほか、前記フィルタ手段として、前記スイッチ手段の一端と前記電源電圧の印加端との間に挿入された抵抗、及び／または、前記スイッチ手段の他端と接地端との間に挿入された容量、を有して成る構成（第２の構成）としている。

なお、上記した第２の構成から成る半導体集積回路装置において、前記基準電圧生成手段は、周囲温度に依存しないバンドギャップ電圧を生成するバンドギャップ電源部と、前記バンドギャップ電圧から前記基準電圧を生成する抵抗分割部と、を有して成る構成（第３の構成）にするとよい。

また、上記した第３の構成から成る半導体集積回路装置において、前記基準電圧生成手段は、前記バンドギャップ電源部と前記抵抗分割部との間に、電流能力を高めるための電流バッファ部を有して成る構成（第４の構成）としてもよい。

また、上記第１〜第４のいずれかの構成から成る半導体集積回路装置において、前記パワートランジスタは、スイッチング電源回路またはモータ駆動回路を構成している。

上記の本発明に係る半導体集積回路装置であれば、熱保護回路をノイズ発生源である過熱監視対象の近傍に置いた場合でも、その電源電圧変動（パルス重畳）に依ることなく、高精度の熱保護動作を行うことが可能となる。

以下では、本発明に係る半導体集積回路装置として、スイッチング電源ＩＣを例示し、詳細な説明を行う。

図１は、本発明に係るスイッチング電源ＩＣの概略構成を示すブロック図である。本図に示すように、スイッチング電源ＩＣ１０は、熱保護回路１と、スイッチング電源回路２と、を内蔵して成る。

熱保護回路１は、外部端子Ｔ１を介して供給される電源電圧Ｖｃｃを駆動電圧とし、バイポーラトランジスタのＶｆ（ベース・エミッタ間の順方向降下電圧）が周囲温度に依存して変動するという特性を利用して、熱保護信号Ｓｔｓｄを生成する構成とされている。熱保護信号Ｓｔｓｄは、保護対象回路（図示しない内部回路やスイッチング電源回路２）に対して、チップ温度が異常である旨を報知するための信号であり、ＩＣの異常温度上昇時におけるシャットダウン制御に利用される。また、熱保護回路１は、過熱監視対象であるスイッチング電源回路２（特にそのパワートランジスタ）の近傍に設けられている。このような構成とすることにより、発熱源となるパワートランジスタの接合温度を直接的に検出し、高精度の熱保護動作を実現することが可能となる。なお、熱保護回路１の内部構成及び動作については、後ほど詳細な説明を行う。

スイッチング電源回路２は、外部端子Ｔ１を介して供給される電源電圧Ｖｃｃを所望の出力電圧Ｖｏに変換して、不図示の内部回路に供給する直流変換手段である。なお、本実施形態のスイッチング電源回路２は、１．８［Ｖ］の電源電圧Ｖｃｃから９［Ｖ］の出力電圧Ｖｏを生成する昇圧手段とされている。

ここで、スイッチング電源回路２を構成するパワートランジスタは、そのオン／オフに起因してスイッチングノイズ（パルスノイズ）を生じるノイズ源でもある。そのため、先述のように、スイッチング電源回路２の近傍に配設された熱保護回路１の電源電圧Ｖｃｃには、スイッチングノイズが重畳し易い状況となっている。

そこで、本実施形態の熱保護回路１は、このようなスイッチングノイズの回り込みに起因する電源電圧変動（パルス重畳）に依らない高精度の熱保護動作を行うべく、その電源電圧Ｖｃｃから所定のカットオフ周波数よりも高い周波数成分を除去するフィルタ手段を有して成る構成とされている。

以下、図２を参照しながら、熱保護回路１の回路構成及び動作について、具体的かつ詳細な説明を行う。

図２は、熱保護回路１（特にその発熱検出部周辺）の一実施形態を示す回路図である。本図に示す通り、熱保護回路１は、ｎｐｎ型バイポーラトランジスタＮ１、Ｎ２と、ｐｎｐ型バイポーラトランジスタＰ１と、バンドギャップ電源部ＢＧと、抵抗Ｒ１〜Ｒ７と、容量Ｃ１と、を有して成る。

バンドギャップ電源部ＢＧの出力端は、抵抗Ｒ１、Ｒ２を介して接地されている。抵抗Ｒ１、Ｒ２の接続ノードは、トランジスタＮ１のベースに接続されている。トランジスタＮ１のコレクタは、抵抗Ｒ４、Ｒ３を介して電源電圧Ｖｃｃの印加端に接続されている。トランジスタＮ１のエミッタは接地されている。抵抗Ｒ３、Ｒ４の接続ノードは、トランジスタＰ１のベースに接続されている。トランジスタＰ１のエミッタは、抵抗Ｒ７を介して電源電圧Ｖｃｃの印加端に接続されている。トランジスタＰ１のコレクタは、抵抗Ｒ５を介して接地されるとともに、容量Ｃ１を介しても接地されている。また、トランジスタＰ１のコレクタは、トランジスタＮ２のベースに接続されている。トランジスタＮ２のコレクタは、抵抗Ｒ６を介して電源電圧Ｖｃｃの印加端に接続される一方、熱保護回路１の出力端として、不図示の内部回路やスイッチング電源回路２の制御端に接続されている。

すなわち、本実施形態の熱保護回路１は、所定の基準電圧Ｖｒｅｆを生成する基準電圧生成手段（周囲温度に依存しないバンドギャップ電圧を生成するバンドギャップ電源部ＢＧ、及び、前記バンドギャップ電圧から基準電圧Ｖｒｅｆを生成する抵抗分割部Ｒ１、Ｒ２）と；スイッチング電源回路２のパワートランジスタ（不図示）に隣設され、周囲温度に依存して変動するベース・エミッタ間の順方向降下電圧Ｖｆと基準電圧Ｖｒｅｆとの高低に応じて、そのオン／オフ状態が変動する温度検出用バイポーラトランジスタＮ１と；電源電圧ＶｃｃからトランジスタＮ１のオン／オフ状態に応じた論理の制御電圧信号Ｓｃｔｒｌを生成する制御電圧信号生成手段（抵抗Ｒ３、Ｒ４）と；制御電圧信号Ｓｃｔｒｌの論理に応じてオン／オフ制御されるスイッチ手段（トランジスタＰ１）と；トランジスタＰ１のオン／オフ状態に応じた論理の熱保護信号Ｓｔｓｄを生成する熱保護信号生成手段（トランジスタＮ２及び抵抗Ｒ５、Ｒ６）と；を有するほか、電源電圧Ｖｃｃから高周波数成分を除去するフィルタ手段として、トランジスタＰ１のエミッタと電源電圧Ｖｃｃの印加端との間に挿入された抵抗Ｒ７、及び、トランジスタＰ１のコレクタと接地端との間に挿入された容量Ｃ１、を有して成る構成とされている。

次に、上記構成から成る熱保護回路１の動作について詳細に説明する。温度検出用のトランジスタＮ１は、エミッタが接地されているので、そのベース・エミッタ間電圧Ｖｂｅは、バンドギャップ電圧（約１．２５［Ｖ］）を抵抗分割して生成された基準電圧Ｖｒｅｆ（例えば０．４［Ｖ］）そのものとなり、その温度特性はフラットとなる。一方、トランジスタＮ１のベース・エミッタ間の順方向降下電圧Ｖｆは、約−２［ｍＶ／℃］の負の温度特性を有しており、周囲温度が高くなるほど、その値は低下していく。

従って、基準電圧ＶｒｅｆがトランジスタＮ１のベース・エミッタ間の順方向降下電圧Ｖｆを下回っている期間、すなわち、周囲温度が所定の閾値温度（例えば１７５［℃］）に達するまでの期間は、トランジスタＮ１がオフ状態に維持され、基準電圧ＶｒｅｆがトランジスタＮ１のベース・エミッタ間の順方向降下電圧Ｖｆを上回ったとき、すなわち、周囲温度が所定の閾値温度に達したとき、トランジスタＮ１はオン状態に遷移される。なお、上記の閾値温度は、抵抗Ｒ１、Ｒ２の抵抗比に応じて、適宜調整することができる。

トランジスタＮ１がオフ状態の場合、トランジスタＰ１のベースに印加される制御電圧信号Ｓｃｔｒｌは、ハイレベル（ほぼ電源電圧Ｖｃｃ）となり、トランジスタＰ１は、オフ状態に維持される。また、このとき、トランジスタＮ２のベースは、ローレベル（ほぼ接地電位）となるため、トランジスタＮ２もオフ状態に維持される。従って、トランジスタＮ２のコレクタから引き出される熱保護信号Ｓｔｓｄの論理は、ハイレベル（ほぼ電源電圧Ｖｃｃ）となる。すなわち、熱保護回路１は、当該論理の熱保護信号Ｓｔｓｄを送出することで、保護対象回路にチップ温度が正常である旨を報知する。熱保護回路１から熱保護信号Ｓｔｓｄの入力を受けた保護対象回路は、その論理がハイレベルであることを検知して、異常発熱は生じていないことを認識し、通常動作を行うことが可能となる。

一方、トランジスタＮ１がオフ状態に遷移されると、トランジスタＰ１のベースに印加される制御電圧信号Ｓｃｔｒｌは、ローレベル（ほぼ接地電位）に引き下げられ、トランジスタＰ１は、オン状態に遷移される。また、このとき、トランジスタＮ２のベースは、ハイレベル（ほぼ電源電圧Ｖｃｃ）まで引き上げられるため、トランジスタＮ２もオン状態に遷移される。従って、熱保護信号Ｓｔｓｄの論理は、ローレベル（ほぼ接地電位）となる。すなわち、熱保護回路１は、当該論理の熱保護信号Ｓｔｓｄを送出することで、保護対象回路にチップ温度が異常である旨を報知する。熱保護回路１から熱保護信号Ｓｔｓｄの入力を受けた保護対象回路は、その論理がローレベルであることを検知して、異常発熱が生じたことを認識し、その動作を停止することが可能となる。

また、本実施形態の熱保護回路１は、電源電圧Ｖｃｃから高周波数成分（スイッチングノイズ）を除去するフィルタ手段として、抵抗Ｒ７及び容量Ｃ１から成るＲＣフィルタ回路を有して成る。

なお、本実施形態の熱保護回路１では、電源電圧Ｖｃｃに重畳するスイッチングパルスの周波数成分が１００［ＭＨｚ］程度（パルス幅としては１０［ｎｓ］程度）であることに鑑み、ＲＣフィルタ回路のカットオフ周波数ｆｃ｛＝１／（２πＣＲ）｝を３．２［ＭＨｚ］に設定すべく、抵抗Ｒ７を１０［ｋΩ］、容量Ｃ１を５［ｐＦ］としている。このようなカットオフ周波数を採用することで、スイッチングパルスを３．２％（＝３．２／１００×１００）まで軽減することが可能となる。

従って、本実施形態の熱保護回路１では、その電源電圧ＶｃｃにトランジスタＰ１のベース・エミッタ間の順方向降下電圧Ｖｆ以上のノイズ（スイッチング電源回路２で生じたスイッチングノイズなど）が回り込んだ場合であっても、トランジスタＰ１のベース電圧は元より、そのエミッタ電圧も、さほど大きく振れることがなくなる（図３を参照）。このようなフィルタリング動作により、上記のスイッチングノイズに応じてトランジスタＰ１が誤って一瞬オンし、異常発熱の発生とは無関係に熱保護信号Ｓｔｓｄの論理がローレベルに遷移する、といった誤動作を未然に回避することが可能となる。従って、本発明に依れば、熱保護回路１を過熱監視対象であるパワートランジスタのできるだけ近傍に配設すること、延いては、パワートランジスタの接合温度を直接的に検出し、高精度の熱保護動作を実現することが可能となる。

なお、従来より、カレントミラー回路のペア特性を調整する手段として、トランジスタのエミッタに抵抗を挿入する技術は周知であるが、本実施形態における抵抗Ｒ７は、あくまで、電源電圧Ｖｃｃに重畳したノイズの除去を目的とするフィルタ手段であり、回路特性を調整する手段ではない。

また、上記の実施形態のほか、電源電圧Ｖｃｃに重畳したノイズの除去手段としては、電源電圧の入力経路にレギュレータを設けることも可能である。ただし、本実施形態の熱保護回路１のように、１．２５［Ｖ］＋１Ｖｓａｔ（０．１［Ｖ］程度）から動作可能な低入力電圧型の熱保護回路に対して、電源電圧Ｖｃｃが３［Ｖ］以上ある場合なら格別、そうでない場合（例えば電源電圧Ｖｃｃが１．８〜２．５［Ｖ］程度である場合）には、上記レギュレータを設けるための電圧余裕が乏しいため、本実施形態の構成を採用することが望ましい（或いは必要である）と考えられる。

なお、上記の実施形態では、スイッチング電源ＩＣに本発明を適用した場合を例に挙げて説明を行ったが、本発明の適用対象はこれに限定されるものではなく、モータ駆動装置など、他の半導体集積回路装置にも広く適用することが可能である。

また、本発明の構成は、上記実施形態のほか、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。

例えば、図４に示すように、バイポーラトランジスタＰ１に代えて、Ｐチャネル電界効果トランジスタＰＦＥＴ１を用いても構わない。

また、同じく、図４に示すように、バンドギャップ電源部ＢＧの電流出力能力が乏しい場合には、バンドギャップ電源部ＢＧと抵抗分割部Ｒ１、Ｒ２との間に、バンドギャップ電圧を一旦トランジスタＰ２で１Ｖｆだけ上げた後、再びトランジスタＮ３で１Ｖｆ下げることにより、その電流出力能力を高める電流バッファ部ＩＢＵＦを設けても構わない。

本発明は、半導体集積回路装置の熱保護精度を高める上で有用な技術であり、例えば、ノイズ源となるパワートランジスタをＩＣに内蔵して成り、他の半導体集積回路装置と比べて、熱が発生しやすく、かつ、高信頼性が要求されるスイッチング電源装置やモータ駆動装置について、好適に利用することができる。

は、本発明に係るスイッチング電源ＩＣの概略を示すブロック図である。は、熱保護回路１の一実施形態を示す回路図である。は、スイッチングノイズの低減効果を説明するための図である。は、熱保護回路１の別実施形態を示す回路図である。

符号の説明

１熱保護回路
２スイッチング電源回路
１０スイッチング電源ＩＣ
Ｔ１電源端子
ＢＧバンドギャップ電源部
Ｒ１〜Ｒ７抵抗
Ｃ１容量
Ｎ１〜Ｎ３ｎｐｎ型バイポーラトランジスタ
Ｐ１〜Ｐ２ｐｎｐ型バイポーラトランジスタ
ＰＦＥＴ１Ｐチャネル電界効果トランジスタ
Ｉ１定電流源
ＩＢＵＦ電流バッファ部

Claims

スイッチング制御されるパワートランジスタと、前記パワートランジスタの異常発熱を検知して保護対象回路に異常である旨を報知する熱保護回路と、を内蔵して成る半導体集積回路装置であって、前記熱保護回路は、その電源電圧から所定のカットオフ周波数よりも高い周波数成分を除去するフィルタ手段を有して成ることを特徴とする半導体集積回路装置。
前記熱保護回路は、所定の基準電圧を生成する基準電圧生成手段と；前記パワートランジスタに隣設され、周囲温度に依存して変動するベース・エミッタ間の順方向降下電圧と前記基準電圧との高低に応じて、そのオン／オフ状態が変動する温度検出用のバイポーラトランジスタと；前記電源電圧から前記バイポーラトランジスタのオン／オフ状態に応じた論理の制御電圧信号を生成する制御電圧信号生成手段と；前記制御電圧信号の論理に応じてオン／オフ制御されるスイッチ手段と；前記スイッチ手段のオン／オフ状態に応じた論理の熱保護信号を生成する熱保護信号生成手段と；を有するほか、前記フィルタ手段として、前記スイッチ手段の一端と前記電源電圧の印加端との間に挿入された抵抗、及び／または、前記スイッチ手段の他端と接地端との間に挿入された容量、を有して成ることを特徴とする請求項１に記載の半導体集積回路装置。
前記基準電圧生成手段は、周囲温度に依存しないバンドギャップ電圧を生成するバンドギャップ電源部と、前記バンドギャップ電圧から前記基準電圧を生成する抵抗分割部と、を有して成ることを特徴とする請求項２に記載の半導体集積回路装置。
前記基準電圧生成手段は、前記バンドギャップ電源部と前記抵抗分割部との間に、電流能力を高めるための電流バッファ部を有して成ることを特徴とする請求項３に記載の半導体集積回路装置。
前記パワートランジスタは、スイッチング電源回路またはモータ駆動回路を構成することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の半導体集積回路装置。