JP2007251503A - 半導体装置および該半導体装置を組み込んだ電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体装置中のどこに異常があるかを特定することができる技術、具体的には特に複数の電源回路のうちどの電源回路に異常があるか特定することができ、パワートランジスタをオフさせる前に適切な処置を施すことが可能な電源回路内蔵した半導体装置およびそれを組み入れた電子機器を提供すること。
【解決手段】負荷２０に電流を供給するパワートランジスタＭ１と、該パワートランジスタＭ１の温度を検出する温度検出回路１２と、負荷電流を検出する電流検出回路１３を備えた電源回路を内蔵した半導体装置において、温度検出回路１２が、パワートランジスタＭ１の温度が第１温度まで上昇したことを検出し、且つ、電流検出回路１３が、負荷電流が第１負荷電流以上になったことを検出した場合に、半導体装置の外部端子Ｓ0を介して信号を出力するようにしたので、異常が発生しそうな電源回路を事前に制御回路に知らせることができるため、異常が発生する前に適切な対処が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、温度検出回路と電流検出回路を具備することによって過熱や過電流に対処することが可能な半導体装置に関し、特に電源回路が異常を起こす前に警告信号を外部回路に送出することのできる電源回路を内蔵した半導体装置および該半導体装置を組み込んだ携帯電話などの電子機器に関する。

負荷に電流を供給する電源回路を内蔵した半導体装置においては、出力電圧や負荷電流を制御するためにパワートランジスタが用いられている。このような半導体装置では、パワートランジスタに大電流が流れるのに伴い発熱を生じる。発熱を抑えるためには、従来電流制限回路が広く用いられている。

しかし、半導体装置の温度は消費される電力と周囲温度によって決まるので、たとえば周囲温度が低い場合や、パワートランジスタに印加されている電圧が低い場合は、電流制限回路以上の電流を流すことができる場合もある。逆に、電流制限回路が作動する前に半導体装置の温度が最大定格を超えてしまう場合もありうる。すなわち、電流制限回路だけでは半導体装置の保護は不十分である。

そのため、従来、パワートランジスタの近辺に温度感知素子を配置し、パワートランジスタ近辺の温度が所定の温度に達したことを検出して、パワートランジスタの電流を制限するなどの過熱保護回路が併用されている。

また、複数の電源回路を備え、それぞれが異なる負荷に電力を供給するようにした半導体装置においては、特定の電源回路において過電流や過熱が発生して、その電源回路だけ突然停止してしまい、システムとして問題を起こす場合があった。

そのような事態を防止するため、特開２００２−２３２２８０号公報（特許文献１）では、異常な発熱の原因となる電源回路を特定し、選択的に保護制御する技術が開示されている。

これは、電流検出回路を備えた電源回路を複数内蔵した半導体チップと、マイコンをハイブリッドＩＣに搭載し、この半導体チップに内蔵された１つの温度検出回路が、電源回路のパワートランジスタと熱的に密結合され、検出温度閾値を超えたとき、マイコンは検出電流閾値を超えている電源回路のパワートランジスタをオフするようにしている。

特開２００２−２３２２８０号公報

しかしながら、上述した特開２００２−２３２２８０号公報に開示されたものは、従来、各々の電源回路内だけで行っていた過電流保護と過熱保護を、マイコンの指示で行うようにしただけであり、過電流もしくは過熱保護によりパワートランジスタをオフさせたときに発生するシステムとしての不具合の対策まではなされていなかった。

本発明は、上述した実情を考慮してなされたものであって、半導体装置中のどこに異常があるかを特定することができる技術、具体的には特に複数の電源回路のうちどの電源回路に異常があるか特定することができ、パワートランジスタをオフさせる前に適切な処置を施すことが可能な電源回路内蔵した半導体装置およびそれを組み入れた電子機器を提供することを目的とする。

本発明は、上記の課題を解決するために、温度検出回路と電流検出回路を内蔵し、それぞれの検出値に基づいて異常個所を特定したり適切な処置を行うようにしたものである。以下、請求項毎の構成を述べる。

請求項１記載の発明は、内部の所定回路近傍の温度を検出する温度検出回路と、該所定回路に流れる電流を検出する電流検出回路とを備えた半導体装置において、前記温度検出回路が、前記所定回路近傍の温度が予め決められた第１温度まで上昇したことを検出し、且つ、前記電流検出回路が、前記所定回路に流れる電流が予め決められた第１負荷電流以上になったことを検出した場合に、前記半導体装置の外部端子を介して信号を出力するようにしたので、異常が発生しそうな回路箇所を事前に制御回路に知らせることができるため、異常が発生する前に適切な対処が可能となった。

請求項２記載の発明では、負荷に電流を供給するパワートランジスタと、該パワートランジスタの温度を検出する温度検出回路と、負荷電流を検出する電流検出回路を備えた電源回路を内蔵した半導体装置において、前記温度検出回路が、前記パワートランジスタの温度が第１温度まで上昇たことを検出し、且つ、前記電流検出回路が、前記負荷電流が第１負荷電流以上になったことを検出した場合に、前記半導体装置の外部端子を介して信号を出力するようにしたので、異常が発生しそうな電源回路を事前に制御回路に知らせることができるため、異常が発生する前に適切な対処が可能となった。

請求項３記載の発明では、前記温度検出回路は、前記パワートランジスタの温度が前記第１温度より高い第２温度まで上昇した場合に、前記パワートランジスタをオフするようにしたことにより、パワートランジスタの破壊を防止することが可能である。

請求項４記載の発明では、前記電流検出回路は、前記負荷電流が前記第１負荷電流より大きい第２負荷電流を超えた場合に、前記電源回路の出力電圧を低下させるようにしたので、制御回路による対処が間に合わない場合や、想定外の事態が起っても電源回路および負荷の故障を防ぐことが可能である。また、請求項５は、前記温度検出回路を具体化したものであり、請求項６記載の発明は、前記電流検出回路を具体化したものである。

請求項７記載の発明では、電源回路を複数内蔵した半導体装置であっても、異常のある電源回路を特定できるため、制御回路による対処が可能となった。

請求項８記載の発明では、以上の半導体装置を携帯電話などの電子機器に組み込むことにより、電源回路の異常を事前に把握し適切な対処が可能で、且つパワートランジスタの破壊や電源の故障を防止できる電子機器の提供が可能となる。

本発明によれば、特に過熱保護回路と過電流保護回路が実際に作動する第２レベルより少し低い第１レベルにおいて信号を出力するようにし、両保護回路が共に第１レベルを超えた場合に外部端子を介して警告信号を出力するようにしたので、保護回路が作動して電源が遮断あるいは電圧低下する前に、警告信号を受けた制御回路によって異常が起きている電源回路の負荷電流を減らしたり、関連する回路との調整を取ったうえで、異常の起きた電源をオフしたりすることが可能となり、従来、突然電源がオフすることによって発生する問題に対して、事前に適切な処置を施すことが可能となった。

また、両保護回路のアンド論理を取ることで、電源回路を複数搭載した半導体装置においても異常が発生している電源回路の特定を誤りなく行うことができ、正確に適切な対応が可能となった。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
図１は、本発明の実施例を示す電源回路図である。電源回路１０は、基準電圧Ｖref、誤差増幅回路１１、温度検出回路１２、電流検出回路１３、アンド回路１４、パワートランジスタＭ１、ＰＭＯＳトランジスタＭ２、抵抗Ｒ１とＲ２で構成され、出力端子Ｖｏと外部端子Ｓｏを備えている。また、出力端子Ｖｏには負荷２０が接続されている。

パワートランジスタＭ１はＰＭＯＳトランジスタで構成されている。ドレインは電源Ｖddに接続され、ソースは出力端子Ｖｏに接続されると共に、直列接続された抵抗Ｒ１と
Ｒ２を介して接地電位ＧＮＤに接続されている。

誤差増幅回路１１の反転入力には基準電圧Ｖrefが接続され、非反転入力には出力電圧Ｖｏを抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２で分圧した電圧Ｖfbが接続されている。また出力はパワートランジスタＭ１のゲートに接続されている。

ＰＭＯＳトランジスタＭ２のドレインは電源Ｖddに、ソースはパワートランジスタＭ１のゲートに接続されている。また、ゲートには温度検出回路１２の出力Ｔ２と、電流検出回路１３の出力Ｉo2が接続されている。

温度検出回路１２のもう一つの出力Ｔ１はアンド回路１４の一方の入力に接続されている。

電流検出回路１３のもう一方の出力Ｉo1はアンド回路１４の他方の入力に接続され、入力ＩiはパワートランジスタＭ１のゲートに接続されている。

図２は温度検出回路１２の詳細回路図である。温度検出回路１２は、２つのコンパレータ１５と１６、温度検出用ダイオードＤ１、電流源Ｉ１、抵抗Ｒ３〜Ｒ５で構成されている。

電流源Ｉ１とダイオードＤ１は直列接続されており、さらに、電源Ｖddと接地電位ＧＮＤ間に接続されている。また、抵抗Ｒ１〜Ｒ３は直列接続され、基準電圧Ｖrefが印加されている。

コンパレータ１５の反転入力とコンパレータ１６の非反転入力にはダイオードＤ１アノード電位Ｖｔが印加され、コンパレータ１５の非反転入力には抵抗Ｒ３とＲ４の交点の電圧Ｖt1が印加され、コンパレータ１６の反転入力には抵抗Ｒ４とＲ５の交点の電圧Ｖt2が印加されている。

コンパレータ１５の出力が温度検出回路１２の出力Ｔ１で、コンパレータ１６の出力が温度検出回路１２の出力Ｔ２になっている。

図３は電流検出回路１３の詳細回路図である。電流検出回路１３は演算増幅回路１７とコンパレータ１８、ＰＭＯＳトランジスタＭ３、抵抗Ｒ６〜Ｒ９で構成されている。

ＰＭＯＳトランジスタＭ３と抵抗Ｒ６は直列接続されており、さらに、電源Ｖddと接地電位ＧＮＤ間に接続されている。また、抵抗Ｒ７〜Ｒ９は直列接続され、基準電圧Ｖrefが印加されている。

ＰＭＯＳトランジスタＭ３のゲートはパワートランジスタＭ１のゲートに接続されているので、ＰＭＯＳトランジスタのドレイン電流はパワートランジスタＭ１のドレイン電流すなわち負荷電流に比例した電流となっている。

演算増幅回路１７の反転入力とコンパレータ１８の非反転入力には、ＰＭＯＳトランジスタＭ３と抵抗Ｒ６の交点の電圧Ｖｉが印加され、演算増幅回路１７の非反転入力には抵抗Ｒ７とＲ８の交点の電圧Ｖi2が印加され、コンパレータ１８の反転入力には抵抗Ｒ８とＲ９の交点の電圧Ｖi1が印加されている。

演算増幅回路１７の出力が電流検出回路１３の出力Ｉo2で、コンパレータ１８の出力が電流検出回路１３の出力Ｉo1になっている。

図４は、温度検出回路１２の動作を説明するための図である。また図５は、電流検出回路１３の動作を説明するための図である。

以下、図４と図５を参照しながら、図１〜図３の回路の動作を説明する。

温度が低い場合は、図２の温度検出用ダイオードＤ１の電圧降下が大きいので電圧Ｖｔは、基準電圧Ｖrefを分圧した電圧Ｖt1より高い。この状態ではコンパレータ１５の出力はローレベル、コンパレータ１６の出力はハイレベルとなるので、温度検出回路１２の出力Ｔ１はローレベル、出力Ｔ２はハイレベルとなる。

この結果、電流検出回路１３の出力を無視すると、ＰＭＯＳトランジスタＭ２はオフ、アンド回路１４の出力すなわち外部端子Ｓｏはローレベルとなっている。

温度が上昇するに従いダイオードＤ１の順方向電圧は減少する。温度が上昇して図４の温度Ｔ１を超えると、電圧Ｖｔは電圧Ｖt1より低くなるので、コンパレータ１５の出力はハイレベルになる。しかし、コンパレータ１６の出力はハイレベルのままである。すなわち、温度検出回路１２の出力Ｔ１はハイレベル、出力Ｔ２はハイレベルとなる。

この結果、ＰＭＯＳトランジスタＭ２はオフのままであるが、アンド回路１４の一方の入力がハイレベルとなるので、アンド回路１４の出力すなわち端子Ｓｏは電流検出回路１３の出力Ｉo1のレベルで決定されるようになる。

温度がさらに上昇して図４の温度Ｔ２を超えると、電圧Ｖｔは電圧Ｖt2より低くなる。この状態では、コンパレータ１５の出力はハイレベルであり、コンパレータ１６の出力はローレベルに変化する。すなわち、温度検出回路１２の出力Ｔ１はハイレベル、出力Ｔ２はローレベルとなる。

この結果、ＰＭＯＳトランジスタＭ２はオンとなり、パワートランジスタＭ１のゲート電位を引き上げるので、パワートランジスタＭ１がオフとなり負荷電流の供給を停止する。なお、アンド回路１４の一方の入力はハイレベルのままであり、前記と同様、アンド回路の出力すなわち外部端子Ｓｏは電流検出回路１３の出力Ｉo1のレベルで決定される状態である。

負荷電流が少ない場合は、前記したようにＰＭＯＳトランジスタＭ２のドレイン電流は負荷電流に比例しているので抵抗Ｒ６での電圧降下が小さく、基準電圧Ｖrefを分圧した電圧Ｖi1より小さい。この状態では、コンパレータ１８の出力はローレベル、演算増幅回路１７の出力はハイレベルとなっているので、電流検出回路１３の出力Ｉo1はローレベル、出力Ｉo2はハイレベルとなる。

この結果、温度検出回路１２の出力を無視すると、ＰＭＯＳトランジスタＭ２はオフ、アンド回路１４の出力すなわち端子Ｓｏはローレベルとなっている。負荷電流が増加して図５の負荷電流Ｉ１を超えると、抵抗Ｒ６の電圧降下Ｖｉが電圧Ｖi1以上となる。すると、コンパレータ１８の出力はハイレベルに変化する。なお、演算増幅回路１７の出力はハイレベルのままである。すなわち、電流検出回路１３の出力Ｉo1はハイレベル、出力Ｉo2もハイレベルとなる。

この結果、ＰＭＯＳトランジスタＭ２はオフのままであるが、アンド回路１４の他方の入力Io1がハイレベルとなるので、アンド回路１４の出力すなわち外部端子Ｓｏは温度検出回路１２の出力Ｔ1のレベルで決定されるようになる。

負荷電流がさらに増加して図５の負荷電流Ｉ２を超えると、抵抗Ｒ６の電圧降下Ｖｉが電圧Ｖi2を超える。すると、コンパレータ１８の出力Ｉo1はハイレベルのままであるが、演算増幅回路１７の出力Ｉo2は低下を始めるので、ＰＭＯＳトランジスタＭ２のゲート電圧が低下し、ＰＭＯＳトランジスタＭ２のインピーダンスが下がり、パワートランジスタＭ１のゲート電圧を引き上げるので、図５に示すように出力電圧Ｖｏが低下を始め過電流保護が機能する。

上記のように、温度検出回路１２と電流検出回路１３は独立して電源回路１０の保護を行うが、どちらもまだ保護機能を開始する前に、アンド回路１４の入力をハイレベルにしている。すなわち、温度が上昇して電圧Ｖｔが電圧Ｖt1以下となり、且つ負荷電流が増えて電圧Ｖｉが電圧Ｖi1を超えた場合は、まだ保護機能が作動していないが、アンド回路１４の出力がハイレベルとなる。

この信号は外部端子Ｓｏを介して半導体装置の外部に設けられたＣＰＵなどの制御回路に入力される。制御回路では外部端子Ｓｏがハイレベルになると、電源回路１０の保護回路が作動する前に、電源回路１０から供給している負荷を減らしたり、保護機能が働いて電源回路１０の出力電圧が低下したり、オフしたりした場合でも他の回路に影響を与えないように適切な処置を施したりすることができる。

上記の電源回路１０を複数内蔵した半導体装置では、各々の電源回路から出力される外部端子Ｓｏの信号レベルを確認することによって、どの電源回路１０の保護可能が働きそうか制御回路側で把握できるため、適切な処置が可能である。

また、半導体チップは小さいため、温度検出回路１２は、対象とするパワートランジスタ以外のパワートランジスタの温度にも影響を受ける。そのため、対象とするパワートランジスタの負荷電流が所定の電流値より大きい場合のみ警告信号を外部端子Ｓｏより出力するようにしたので、確実に保護可能が働きそうな電源回路を特定することができるようになった。

なお、上記半導体装置を携帯電話などの電子機器に組み込むことによって、適切に電源回路の保護が可能な電子機器を実現することができる。

また、上記実施例では、電源回路を内蔵した半導体装置について説明したが、より一般的には、大電流が流れて高温になる可能性の大きい箇所の温度を検出する温度検出回路と該箇所に流れる電流を検出する電流検出回路を半導体装置内にそれぞれ1個以上内蔵し、該１以上の箇所で検出した温度と電流値に基づいて上記実施例の如き制御を行うことによって、回路の１以上の箇所における異常状態を事前に知らせて対処させたり、大電流を阻止したりして回路が破壊するのを防止することも可能である。

本発明の実施例を示す電源回路図である。 温度検出回路１２の詳細回路図である。 電流検出回路１３の詳細回路図である。 温度検出回路１２の動作を説明するための図である。 電流検出回路１３の動作を説明するための図である。

符号の説明

１０：電源回路
１１：誤差増幅回路
１２：温度検出回路
１３：電流検出回路
１４：アンド回路
１５,１６,１８：コンパレータ
１７：演算増幅回路
２０：負荷
Ｖref：基準電圧
Ｍ１：パワートランジスタ
Ｍ２,Ｍ３：ＰＭＯＳトランジスタ
Ｄ１：ダイオード
Ｉ１：電流源
Ｒ１〜Ｒ９：抵抗

Claims (8)

1. 所定回路近傍の温度を検出する温度検出回路と、該所定回路に流れる電流を検出する電流検出回路とを備えた半導体装置において、
   前記温度検出回路が、前記所定回路近傍の温度が予め決められた第１温度まで上昇したことを検出し、且つ、前記電流検出回路が、前記所定回路に流れる電流が予め決められた第１負荷電流以上になったことを検出した場合に、前記半導体装置の外部端子を介して信号を出力するようにしたことを特徴とする半導体装置。
2. 負荷に電流を供給するパワートランジスタと、該パワートランジスタの温度を検出する温度検出回路と、負荷電流を検出する電流検出回路を備えた電源回路を内蔵した半導体装置において、
   前記温度検出回路が、前記パワートランジスタの温度が予め決められた第１温度まで上昇したことを検出し、且つ、前記電流検出回路が、前記負荷電流が予め決められた第１負荷電流以上になったことを検出した場合に、前記半導体装置の外部端子を介して信号を出力するようにした電源回路を内蔵したことを特徴とする半導体装置。
3. 請求項２記載の半導体装置において、
   前記温度検出回路は、前記パワートランジスタの温度が前記第１温度より高い第２温度まで上昇した場合に、前記パワートランジスタをオフするようにした電源回路を内蔵したことを特徴とする半導体装置。
4. 請求項２または３記載の半導体装置において、
   前記電流検出回路は、前記負荷電流が前記第１負荷電流より大きい第２負荷電流を超えた場合に、前記電源回路の出力電圧を低下させるようにした電源回路を内蔵したことを特徴とする半導体装置。
5. 請求項４に記載の半導体装置であって、
   前記温度検出回路は、
   第１電源と第２電源の間に直列に接続された電流源と温度検出用ダイオードと、
   基準電圧源と第２電源の間に直列に接続された第１抵抗，第２抵抗および第３抵抗と、
   前記電流源と前記温度検出用ダイオードの接続点の電位を反転入力とし、前記第１抵抗と前記第２抵抗の接続点の電位を非反転入力とし、検出温度が前記第１温度以上の場合に信号を出力する第１コンパレータと、
   前記電流源と前記温度検出用ダイオードの接続点の電位を非反転入力とし、前記第２抵抗と前記第３抵抗の接続点の電位を反転入力とし、検出温度が前記第２温度以上の場合に信号を出力する第２コンパレータ
   からなることを特徴とする半導体装置。
6. 請求項４に記載の半導体装置であって、
   前記電流検出回路は、
   第１電源と第２電源の間に直列に接続された第１トランジスタと第４抵抗と、
   基準電圧源と第２電源の間に直列に接続された第５抵抗，第６抵抗および第７抵抗と、
   前記第１トランジスタと前記第４抵抗の接続点の電位を非反転入力とし、前記第６抵抗と前記第７抵抗の接続点の電位を反転入力とし、検出電流が第１負荷電流以上の場合に信号を出力する第３コンパレータと、
   前記第１トランジスタと前記第４抵抗の接続点の電位を反転入力とし、前記第５抵抗と前記第６抵抗の接続点の電位を非反転入力とし、検出電流が第２負荷電流以上の場合に信号を出力する第３コンパレータと、
   前記電流源と前記温度検出用ダイオードの接続点の電位を非反転入力とし、前記第２抵抗と前記第３抵抗の接続点の電位を反転入力とし、検出温度が前記第２温度以上の場合に信号を出力する演算増幅回路
   からなることを特徴とする半導体装置。
7. 請求項２から６のいずれかに記載の半導体装置において、
   前記電源回路を１個以上内蔵したことを特徴とする半導体装置。
8. 請求項１から７のいずれかに記載の半導体装置を組み込んだことを特徴とする電子機器。

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