JP2006349521A - 過熱検出回路および半導体集積回路装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 外部から供給される電圧が所定の電圧範囲を超える場合でも、過熱検出温度の変動を極力抑制する。
【解決手段】 通常動作時において高精度の電圧ＶccがＩＣ１２に印加されている場合、ツェナーダイオードＺＤはオフとなり、基準電圧生成回路１３は電圧Ｖcc（５Ｖ）を分圧した高精度の基準電圧Ｖｒ(Vcc)を生成する。ＩＣ１２のバーンインにおいて電圧Ｖccよりも高い電圧ＶBI（８Ｖ）が印加されると、ツェナーダイオードＺＤがオンとなり、基準電圧生成回路１３はツェナー電圧Ｖｚに応じた基準電圧Ｖｒ(VBI)を生成する。この場合、基準電圧Ｖｒ(VBI)とＶｒ(Vcc)との差を極力小さく設定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、外部から供給される電圧を電源電圧として動作する過熱検出回路およびその過熱検出回路を備えた半導体集積回路装置に関する。

近年、パワーＩＣの需要が増大しており、その出力段の短絡を保護する一つの手段として過熱検出回路が用いられている。特許文献１の図２には、ダイオードの温度特性を利用した従来の過熱検出回路が示されている。図５は、この過熱検出回路をより一般化して示したものである。電源線１、２間に接続された抵抗Ｒ１、Ｒ２からなる分圧回路３は、電源電圧に基づいた基準電圧Ｖｒを出力する。温度検出回路４は、温度の上昇に伴って低下する検出電圧ＶＦを出力し、コンパレータ５は、基準電圧Ｖｒと検出電圧ＶＦとを比較して過熱検出信号Ｓovを出力する。パワーＩＣの出力段のトランジスタ（図示せず）は、過熱検出信号ＳovがＬレベルになるとオフする。
特開２００３−２９４５４２号公報（図２）

例えば、ＩＣのスクリーニング工程で行われるバーンインでは、ＩＣに通常動作時の電圧よりも高い電圧が印加され、さらに温度ストレスがかけられる。この場合、図５に示す従来の過熱検出回路では、電源電圧の上昇に伴って基準電圧Ｖｒが上昇し、過熱検出温度が低下してバーンインの途中でまたは初めから過熱検出状態となってしまう。過熱検出状態になると、出力段のトランジスタがオフするので十分なスクリーニング効果が得られない。

これに対しては、ＩＣ内にバンドギャップリファレンスなどの高精度な基準電圧発生回路を設ければよいが、製造時の試験にのみ使用する回路を設けることはチップサイズ、設計コスト、製造コスト等の面からみて不利であり採用し辛い。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、外部から供給される電圧が所定の電圧範囲を超える場合でも、過熱検出温度の変動を極力抑制できる過熱検出回路およびその過熱検出回路を備えた半導体集積回路装置を提供することにある。

請求項１に記載した手段によれば、過熱検出回路は外部から供給される電圧を電源電圧として動作するため、外部から高精度の電圧を供給することにより、その電圧に基づいて過熱検出温度に対応した高精度の基準電圧を生成することができる。基準電圧生成回路は、電源電圧が所定の電圧範囲内である場合（少なくとも通常動作時に外部から供給される電圧の電圧範囲内である場合）には電源電圧に応じた基準電圧を出力し、比較回路は、温度検出回路から出力される検出電圧と上記基準電圧生成回路から出力される基準電圧との比較に基づいて過熱検出信号を出力する。

これに対し、試験などにおいて外部から所定の電圧範囲を超える電圧を供給する場合、基準電圧生成回路は、その供給された電圧に基づいて所定の制限電圧を生成し、その制限電圧に応じた基準電圧を出力する。この制限電圧は一般的に低精度である。何故ならば、高精度の制限電圧を生成するには回路の複雑化（ＩＣであればチップ面積の増大）を招き、仮に高精度の制限電圧を利用可能であるならば、外部から供給される電圧によらず常にその制限電圧を用いればよいからである。

この場合、比較回路は、温度検出回路から出力される検出電圧と上記制限電圧に応じた基準電圧との比較に基づいて過熱検出信号を出力する。このため、過熱検出温度の精度は制限電圧の精度に応じて一般的に低下するが、外部から供給される電圧に従って基準電圧（つまり過熱検出温度）が変動することを極力防止でき、過熱検出温度の変動（ずれ）を抑制できる。

請求項２に記載した手段によれば、基準電圧生成回路は、外部から供給される電圧が通常動作時に外部から供給される電圧の電圧範囲を超えると、直ちに自ら生成する制限電圧に応じた基準電圧を出力する。このため、過熱検出温度の変動を極力抑制できる。

請求項３に記載した手段によれば、基準電圧生成回路は、外部から供給される電圧が、通常動作時に外部から供給される電圧の電圧範囲に対し所定のマージンを加えた電圧範囲を超えると、自ら生成する制限電圧に応じた基準電圧を出力する。制限電圧の精度は一般的に低いので、例えば制限電圧の変動やばらつきに相当するマージンを加えることにより、外部から供給される電圧が通常動作時の電圧範囲内にある場合に制限電圧が用いられることを防止できる。

請求項４に記載した手段によれば、電源電圧を所定比に従って分圧することにより基準電圧を生成するので、電源電圧が所定の電圧範囲内である場合には電源電圧と同等の精度を持つ基準電圧が得られる。また、分圧回路に制限電圧を与える電圧制限回路は、電源電圧が電圧範囲を超えた場合に有効化されるので、通常動作時における動作電流を抑えることができる。

請求項５、６に記載した手段によれば、電圧制限回路をツェナーダイオード或いはクランプ回路から構成したので、簡易な構成でありながら電源電圧変動による基準電圧の変動を防止できる。

請求項７に記載した手段によれば、スクリーニング工程（例えばバーンイン）において、半導体集積回路装置に対し通常動作時に供給する電圧よりも高い電圧を供給した場合でも、過熱検出回路による過熱検出電圧の変動が抑えられ、過熱検出機能の誤作動を防止することができる。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について図１ないし図３を参照しながら説明する。
図１は過熱検出回路の構成を示しており、従来構成を示す図５と同一部分には同一符号を付している。この過熱検出回路１１は、例えば車両に設けられたソレノイドやモータなどを駆動するパワー用のＩＣ１２（半導体集積回路装置）に搭載されており、図示しない出力段のトランジスタに過大な電流が流れることによる過熱状態を検出する機能を有している。このため、過熱検出回路１１は、出力段のトランジスタと密に熱結合された状態に形成されている。

ＩＣ１２の端子１２ａ、１２ｂは電源端子であり、通常動作時においては外部から変動の少ない高精度の電圧Ｖcc（本実施形態では５Ｖ）が供給されるようになっている。また、ＩＣ１２の出荷前に行われるバーンインでは、上記通常動作時の電圧Ｖccよりも高い電圧ＶBI（本実施形態では８Ｖ）が供給されてスクリーニングが行われる。これらの端子１２ａ、１２ｂは、それぞれＩＣ１２内部の電源線１、２に繋がっている。

過熱検出回路１１は、温度検出回路４、基準電圧生成回路１３およびコンパレータ５から構成されている。このうち基準電圧生成回路１３は、電源線１、２間に直列接続された抵抗Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ２からなる分圧回路１４と、抵抗Ｒ１１とＲ１２との接続点(ノードＮａ)と電源線２との間に図示極性で接続されたツェナーダイオードＺＤ（電圧制限回路に相当）とから構成されている。抵抗Ｒ１２とＲ２との接続点（ノードＮｂ）からは基準電圧Ｖｒが出力されるようになっている。

温度検出回路４は、電源線１、２間に直列接続された定電流回路１５とダイオードＤ１とから構成されており、その出力ノード（ノードＮｃ）となるダイオードＤ１のアノードからは順方向電圧ＶＦ（検出電圧に相当）が出力されるようになっている。

コンパレータ５（比較回路に相当）は、電源線１、２間の電圧を電源電圧として動作し、その反転入力端子は基準電圧生成回路１３の出力ノードＮｂに接続されており、非反転入力端子は温度検出回路４の出力ノードＮｃに接続されている。コンパレータ５の出力端子は、上記出力段のトランジスタに流れる電流を遮断する電流遮断回路（図示せず）に接続されており、さらにＩＣ１２の端子１２ｃにも接続されている。

次に、本実施形態の作用について図２および図３も参照しながら説明する。
以下の説明において、Ｖｒ(Vcc)は端子１２ａ、１２ｂ間に電圧Ｖcc（５Ｖ）を印加したときに生成される基準電圧であり、Ｖｒ(VBI)は端子１２ａ、１２ｂ間に電圧ＶBI（８Ｖ）を印加したときに生成される基準電圧である。

ダイオードＤ１の順方向電圧ＶＦは周知のように負の温度係数を有しており、温度検出回路４は、温度が上昇すると低下する特性を持つ順方向電圧ＶＦを出力する。定電流回路１５を用いてダイオードＤ１に一定電流を流しているため、ダイオードＤ１の温度特性は電源電圧の変動によらず一定となる。

電圧Ｖccは、通常動作時にＩＣ１２の外部から供給される高精度の電源電圧である。一方、ツェナーダイオードＺＤのツェナー電圧Ｖｚは、電圧Ｖccと比較して温度変動或いは製造上のばらつきが大きい。そこで、基準電圧生成回路１３は、通常動作時にあっては電圧Ｖccを分圧して高精度の基準電圧Ｖｒ(Vcc)を生成する。すなわち、通常動作時においてツェナーダイオードＺＤはオフしている。

図示しない出力段のトランジスタが過熱し、そのトランジスタと熱結合されたダイオードＤ１の温度が基準電圧Ｖｒ(Vcc)に対応した過熱検出温度を超えると、ダイオードＤ１の順方向電圧ＶＦが基準電圧Ｖｒ(Vcc)よりも低くなり、コンパレータ５の出力である過熱検出信号ＳovがＨレベルからＬレベルに反転する。これにより、出力段のトランジスタが遮断状態となり熱破壊から保護される。

ところで、ＩＣ１２を製造する場合、製造工程を経た後にバーンインが行われる。このバーンインでは、端子１２ａ、１２ｂ間に対し、通常動作時に印加される電圧Ｖcc（５Ｖ）よりも高い電圧ＶBI（８Ｖ）が印加される。図２は、バーンインにおけるダイオードＤ１の順方向電圧ＶＦと基準電圧Ｖｒ(VBI)を実線で示しており、参考として通常動作時の基準電圧Ｖｒ(Vcc)を一点鎖線で示している。また、図３は、電源電圧をＶccからＶBIに上昇させ、その後温度を上昇させた場合の電源電圧、ダイオードＤ１の順方向電圧ＶＦ、基準電圧Ｖｒおよび過熱検出信号Ｓovを示している。図３（ａ）は本実施形態の場合を示し、図３（ｂ）は図５に示す従来構成の場合を示している。

本実施形態において、電圧ＶBIが印加されると、ツェナーダイオードＺＤがオンとなり有効化され、ノードＮａの電圧はツェナー電圧Ｖｚ（制限電圧に相当）に等しくなる。実際にツェナーダイオードＺＤがオンとなるときの電源電圧は、次の（１）式に示す電圧Ｖとなる。
Ｖ＝Ｖｚ・（Ｒ１１＋Ｒ１２＋Ｒ２）／（Ｒ１２＋Ｒ２） …（１）

上述したようにツェナー電圧Ｖｚは電圧Ｖccよりも精度が劣るが、分圧回路１４のノードＮａにツェナー電圧Ｖｚが与えられることにより、基準電圧Ｖｒ(VBI)は、電圧ＶBIを分圧した電圧ではなく、ツェナー電圧Ｖｚを抵抗Ｒ１２とＲ２とで分圧した電圧に制限される。この制限された基準電圧Ｖｒ(VBI)は、バーンインに用いられる加熱温度Ｔ２（バーンイン温度Ｔ２と称す）におけるダイオードＤ１の順方向電圧ＶＦよりも低く設定されており、バーンインにおいて出力段のトランジスタが過熱状態とならない限りにおいて過熱検出信号ＳovがＬレベルになることを防止している。

これに対し、図５に示す従来構成の場合には、基準電圧Ｖｒ(VBI)は電圧ＶBIを分圧した電圧となる。このため、図３（ｂ）に示すように、従来構成の基準電圧Ｖｒ(VBI)はバーンイン温度Ｔ２におけるダイオードＤ１の順方向電圧ＶＦよりも高くなり、過熱検出信号ＳovがＬレベルに反転する。バーンインにおいて過熱検出信号ＳovがＬレベルになると、出力段のトランジスタが遮断状態となり、バーンインによるスクリーニング効果が得られなくなる。

従って、通常動作時の電源電圧Ｖccの変動範囲（本発明でいう所定の電圧範囲に相当）をＶcc(min)からＶcc(max)、バーンイン温度Ｔ２におけるダイオードＤ１の順方向電圧をＶＦ(T2)とすれば、本実施形態のツェナー電圧Ｖｚは以下の（２）式と（３）を同時に満たすように定められる。
Ｖｚ＞Ｖcc(max)・（Ｒ１２＋Ｒ２）／（Ｒ１１＋Ｒ１２＋Ｒ２） …（２）
Ｖｚ＜ＶＦ(T2)・（Ｒ１２＋Ｒ２）／Ｒ２ …（３）
（２）式は、上述したように通常動作時においてツェナーダイオードＺＤをオフとし、外部から供給される高精度の電圧Ｖccを用いて基準電圧Ｖｒ(Vcc)を生成するための条件である。（３）式は、出力段のトランジスタが過熱状態でない場合に、バーンインにおいて過熱検出信号ＳovがＬレベルになることを防止するための条件である。

バーンインにおいて、単に過熱検出機能を無効化するのであれば、上記（２）式と（３）式を満たす範囲内のツェナー電圧Ｖｚを設定すればよい。しかし、バーンインにおいても通常動作時に極力近い過熱検出温度により過熱検出（出力段の過熱保護動作）を行うのであれば、電源電圧がＶcc(max)を超えると同時にツェナーダイオードＺＤがオンして、基準電圧Ｖｒの上昇を抑えることが好ましい。この場合には、上記（２）式に替えて次の（４）式と上述した（３）式とを同時に満たすようにツェナー電圧Ｖｚを定めればよい。
Ｖｚ＝Ｖcc(max)・（Ｒ１２＋Ｒ２）／（Ｒ１１＋Ｒ１２＋Ｒ２） …（４）

さらに、ツェナー電圧Ｖｚは比較的大きな変動やばらつきを有するので、実用上は電源電圧がＶcc(max)にマージンを加えた上限電圧を超えた場合にツェナーダイオードＺＤがオンすることが好ましい。ツェナー電圧Ｖｚの変動とばらつきの範囲をＶｚ(min)からＶｚ(max)とすれば、上記の関係は次の（５）式で表すことができる。
Ｖｚ(min)＝Ｖcc(max)・（Ｒ１２＋Ｒ２）／（Ｒ１１＋Ｒ１２＋Ｒ２） …（５）

以上説明したように、本実施形態で用いる基準電圧生成回路１３は、分圧回路１４とツェナーダイオードＺＤから構成されている。通常動作時に用いる高精度の電圧Ｖcc（電圧範囲：Ｖcc(min)〜Ｖcc(max)）がＩＣ１２に印加されている場合、ツェナーダイオードＺＤはオフ状態を保つので、分圧回路１４により電圧Ｖccに応じた高精度の基準電圧Ｖｒ(Vcc)を生成でき高精度の過熱検出が可能となる。

一方、ＩＣ１２のバーンインにおいて電圧Ｖccよりも高い電圧ＶBIが印加されると、基準電圧生成回路１３は、ツェナーダイオードＺＤがオンしてそのツェナー電圧Ｖｚに応じた基準電圧Ｖｒ(VBI)を生成するので、電圧ＶBIに伴って基準電圧Ｖｒが上昇すること（換言すれば過熱検出温度が低下すること）を極力防止できる。これにより、過熱状態が生じていないにもかかわらず、バーンインにおいて過熱検出信号ＳovがＬレベルになる（つまり過熱検出する）ことを回避でき、ＩＣ１２を適切にスクリーニングすることができる。

ツェナー電圧Ｖｚの変動やばらつきまで考慮した場合、（５）式に示すようにその最小値Ｖｚ(min)の下で、電源電圧がＶcc(max)まで上昇したときにツェナーダイオードＺＤがオンするように抵抗値Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ２を設定するとよい。これは、すなわち通常動作時に印加される電圧Ｖccに対しツェナー電圧Ｖｚの変動やばらつきに応じたマージンを見込んだ電圧範囲を設定し、電源電圧がその電圧範囲を超えたときにツェナーダイオードＺＤをオンさせることと等価である。

これにより、高精度の電圧Ｖccが印加される通常動作時において、ツェナー電圧Ｖｚに基づく低精度の基準電圧Ｖｒが生成されることを確実に防止できる。また、バーンイン時に生成される基準電圧Ｖｒ(VBI)を通常動作時の基準電圧Ｖｒ(Vcc)に近づけることができるので、バーンインにおいても通常動作時に近い過熱検出温度により過熱検出動作をすることができる。

（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態の過熱検出回路を示しており、図１と同一部分には同一符号を付している。この図４に示す過熱検出回路１６は、図１に示す過熱検出回路１１に対し以下の２点において構成が異なっている。

第１に、基準電圧生成回路１７は、ツェナーダイオードＺＤに替えてクランプ回路１８を備えている。クランプ回路１８（電圧制限回路に相当）は、トランジスタＱ１１、Ｑ１２および抵抗Ｒ１３から構成されている。抵抗Ｒ１３に対するエミッタフォロアの接続形態を持つトランジスタＱ１１のベースには、ＩＣ１２の内部で簡易的に作られる低精度の参照電圧Ｖrefが与えられている。また、トランジスタＱ１２は、トランジスタＱ１１のベース電位を電圧ＶBEだけレベルシフトしてノードＮａに与えるようになっている。第２に、温度検出回路１９は、ダイオードＤ１に替えてＮＴＣサーミスタ２０を備えている。サーミスタ２０の抵抗値は、温度の上昇とともに低下する。

クランプ回路１８は、ノードＮａの電圧が参照電圧Ｖrefよりも低い場合にオフとなり、ノードＮａの電圧が参照電圧Ｖref以上になるとオンしてノードＮａの電圧を参照電圧Ｖrefにクランプする。また、温度検出回路１９は、温度の上昇とともに低下する検出電圧Ｖｃを出力する。従って、参照電圧Ｖrefをツェナー電圧Ｖｚに対応させ、検出電圧Ｖｃを順方向電圧ＶＦに対応させれば、上述した（１）式ないし（５）式はそのまま成立し、第１の実施形態と同様の作用、効果が得られる。

（その他の実施形態）
なお、本発明は上記し且つ図面に示す各実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のように変形または拡張が可能である。
温度検出回路４、１９は、温度に応じた電圧を出力する回路であればよい。線形特性のみならず非線形特性を有していてもよい。
電圧制限回路は、ツェナーダイオードＺＤやクランプ回路１８に限らず他の構成を持つクランプ回路であってもよい。この場合、クランプ電圧の温度特性およびばらつきの小さいものが好ましい。
第２の実施形態において、参照電圧ＶrefはＩＣ１２の外部から与えられる電圧であってもよい。

本発明の第１の実施形態を示す過熱検出回路の構成図 バーンインにおける順方向電圧ＶＦと基準電圧Ｖｒ(VBI)および通常動作時の基準電圧Ｖｒ(Vcc)を示す図 （ａ）本実施形態および（ｂ）従来構成について、電源電圧および温度を上昇させた場合の電源電圧、順方向電圧ＶＦ、基準電圧Ｖｒおよび過熱検出信号Ｓovを示す図 本発明の第２の実施形態を示す図１相当図 従来技術を示す図１相当図

符号の説明

４、１９は温度検出回路、５はコンパレータ（比較回路）、１１、１６は過熱検出回路、１２はＩＣ（半導体集積回路装置）、１３、１７は基準電圧生成回路、１４は分圧回路、１８はクランプ回路（電圧制限回路）、ＺＤはツェナーダイオード（電圧制限回路）である。

Claims (7)

1. 外部から供給される電圧を電源電圧として動作する過熱検出回路において、
   温度に応じて定まる電圧を検出電圧として出力する温度検出回路と、
   前記電源電圧が所定の電圧範囲内である場合には前記電源電圧に応じた基準電圧を出力し、前記電源電圧が前記電圧範囲を超えた場合には前記電源電圧に基づいて所定の制限電圧を生成し、その制限電圧に応じた基準電圧を出力する基準電圧生成回路と、
   前記温度検出回路から出力される検出電圧と前記基準電圧生成回路から出力される基準電圧との比較に基づいて過熱検出信号を出力する比較回路とを備えて構成されていることを特徴とする過熱検出回路。
2. 前記電圧範囲は、通常動作時に外部から供給される電圧の電圧範囲に等しいことを特徴とする請求項１記載の過熱検出回路。
3. 前記電圧範囲は、通常動作時に外部から供給される電圧の電圧範囲に対し所定のマージンを加えた電圧範囲であることを特徴とする請求項１記載の過熱検出回路。
4. 前記基準電圧生成回路は、前記電源電圧を所定比に従って分圧することにより前記基準電圧を生成する分圧回路と、前記電源電圧が前記電圧範囲を超えた場合に有効化されて前記分圧回路に対し前記制限電圧を与える電圧制限回路とから構成されていることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の過熱検出回路。
5. 前記電圧制限回路はツェナーダイオードから構成されていることを特徴とする請求項４記載の過熱検出回路。
6. 前記電圧制限回路はクランプ回路から構成されていることを特徴とする請求項４記載の過熱検出回路。
7. 請求項１ないし６の何れかに記載の過熱検出回路を備え、
   スクリーニング工程において、通常動作時に供給される電圧の電圧範囲を超える電圧が供給されることを特徴とする半導体集積回路装置。
   
   

Images