JP2007317684A - 過熱検出回路および該過熱検出回路を内蔵した半導体装置、ならびに該半導体装置を内蔵した電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】常時作動している電源回路や、制御回路を持たないシステムにおいても省電力化が可能な過熱検出回路，該過熱検出回路を内蔵した半導体装置，該半導体装置を内蔵した電子機器を提供すること。
【解決手段】第１の電圧電源Ｖｄｄと第２の電圧電源（接地電位）との間に設けられた、定電流源Ｉ１と温度検出用ダイオードＤ１とゲート−ソース間の電圧が０ボルトのＭＯＳトランジスタＭ１からなる直列接続回路と、前記定電流源と前記温度検出用ダイオードの接続点の電位と予め決められた基準電圧Ｖｒｅｆとを比較する比較回路（ＭＯＳトランジスタＭ２〜Ｍ８）とを具備し、該比較回路における比較結果により所定の温度に達したことを出力Ｖｏとして検出する。比較回路は、温度が上昇しＭＯＳトランジスタＭ１のドレイン電流の能力値が定電流源Ｉ１の出力電流以上となった場合に所定の温度に達した旨の信号を出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体チップの温度を検出して過熱保護を行うための過熱検出回路に係り、特に電池動作可能な携帯型の電子機器に用いられる半導体装置に好適な過熱検出回路および該過熱検出回路を内蔵した半導体装置、ならびに該半導体装置を内蔵した電子機器に関する。

定電圧回路、モータ駆動回路、照明コントロール回路などに用いられているパワートランジスタを内蔵した半導体装置では、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。この発熱によって半導体装置の温度が上昇して破壊することがある。従来の半導体装置においては、この発熱から半導体を保護するために過熱保護を行っている。

一般的な過熱保護の方式は、半導体のｐｎ接合の順方向電圧が−２ｍＶ〜−３ｍＶ／℃の負の温度特性を備えていることを利用し、ダイオードに一定電流を供給し、このダイオードの順方向電圧と所定の基準電圧をコンパレータで比較することによって保護すべき所定の温度になったことを検出する方法が取られている。しかし、この方法は温度検出用のダイオードに常時一定電流を供給する必要があるため消費電力が増加するという欠点を有している。

近年、携帯電話や、デジタルカメラなど電池動作による携帯機器が増えている。これらの機器は電池寿命を延ばして使い勝手を向上させること、また、環境上の配慮からも消費電流の削減が求められている。

従来の省電力の温度検出回路としては、図３に示す回路がある。これは特開２００３−２５８１１１号公報（特許文献１）の図１に開示されている温度検出回路である。

この温度検出回路は、図３に示すように、定電流源１、制御回路２、温度判定回路３、温度検出用のダイオードＤ１〜Ｄ５、ＰＭＯＳトランジスタＱ１で構成されている。

ダイオードＤ１〜Ｄ５は直列に接続されている。そのダイオードＤ１〜Ｄ５と定電流源１の間にＰＭＯＳトランジスタＱ１が接続されている。

制御回路２の出力信号は、ＰＭＯＳトランジスタＱ１のゲート、定電流源１、および温度判定回路３に接続されている。また、温度判定回路３の出力は制御回路２に接続されている。

以下、この回路の動作を説明する。
ＰＭＯＳトランジスタＱ１は、制御回路２の出力信号によりオン／オフ制御される。定電流源１は、ＰＭＯＳトランジスタＱ１がオンのとき、ダイオードＤ１〜Ｄ５に電流を供給する。そのときのダイオードＤ１〜Ｄ５の順方向電圧が、ＰＭＯＳトランジスタＱ１のソースからモニタ電圧として、アノード端子を介して温度判定回路３に入力される。

温度判定回路３は、アノード端子の電圧を調べ、判定温度であるかどうかを判定し、その結果を判定機能制御信号として制御回路２に出力する。温度が上昇して判定温度になった場合には、制御回路２の出力信号によりＰＭＯＳトランジスタＱ１はオフされ、それ以上に温度が上昇するのが防止される。

上記従来の温度検出回路は、常時供給していた温度検出用のダイオード電流を、制御回路２によって、温度検出が必要な場合にのみＰＭＯＳトランジスタＱ１をオンすることで定電流源１からダイオードＤ１〜Ｄ５に定電流を供給するようにしているので、消費電流を大幅に低減できるという利点を有している。

特開２００３−２５８１１１号公報

上記特許文献１に記載された従来の温度検出回路は、インクジェット方式のプリンタヘッドを駆動するためのドライバＩＣ用に開発されたものである（例えば、特許文献１の段落〔０００１〕〜〔０００２〕，〔００１４〕〜〔００１７〕などを参照）。プリンタヘッドドライバＩＣは制御回路からの指令で、印字するときのみしか動作しないため、上記のように、動作を行う場合だけ制御回路からの指示で温度検出回路を作動させることができる。

しかしながら、常時作動している電源回路や、上記のような制御回路を持たない回路システムにおいては、温度検出が必要なときだけ温度検出用ダイオードに電流を供給して省電力を図るということはできないという問題がある。

本発明の目的は、上述した実情を考慮してなされたものであって、常時作動している電源回路や、制御回路を持たないシステムにおいても省電力化が可能な過熱検出回路および該過熱検出回路を内蔵した半導体装置、ならびに該半導体装置を内蔵した電子機器を提供することである。

本発明は、上記の目的を達成するために、次のような構成を採用した。以下、請求項毎の構成および該構成による効果を述べる。

ａ）請求項１記載の発明は、第１の電圧電源と第２の電圧電源との間に設けられた、定電流源と温度検出用ダイオードとゲート−ソース間の電圧が０ボルトのＭＯＳトランジスタからなる直列接続回路と、前記定電流源と前記温度検出用ダイオードの接続点の電位と予め決められた基準電圧とを比較する比較回路とを具備し、前記比較回路における比較結果により所定の温度に達したことを検出するようにしたことを特徴とする過熱検出回路であり、また請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、さらに、前記比較回路は、温度が上昇し、前記ＭＯＳトランジスタのドレイン電流の能力値（単独で考えた場合に流すことができるドレイン電流の最大値）が前記定電流源の出力電流以上となった場合に、比較の結果として所定の温度に達した旨の信号を出力するものである。これにより、制御回路が不要で、しかも消費電流を大幅に削減することが可能な過熱検出回路を実現できるようになった。

請求項３記載の発明は、前記ＭＯＳトランジスタに、低スレッショルド電圧のエンハンスメント型ＭＯＳトランジスタを用いたものであり、これにより、低温時の消費電流を大幅に削減することができるようになった。

請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の過熱検出回路を内蔵したことを特徴とする半導体装置であり、請求項５記載の発明は、請求項４記載の半導体装置を内蔵したことを特徴とする電子機器である。これにより、低温時の消費電流を大幅に削減することができる半導体装置や電子機器などを実現することが可能となる。

本発明によれば、０バイアスされたＭＯＳトランジスタのドレイン電流が温度特性を持つことを利用することによって、検出温度近くになってから温度検出用のダイオードに正規の電流を供給するようにしたので、ＭＯＳトランジスタを制御する制御回路が不要となった。

また、ＭＯＳトランジスタとして低スレッショルド電圧のエンハンスメント型ＭＯＳトランジスタを用いたので、半導体装置の動作中の大半を占める温度が低い場合には、温度検出用ダイオードには電流を供給しないか、しても僅かな電流だけで済むので、大幅な消費電力の削減が可能となった。

さらに、半導体装置や電子機器に内蔵させることにより、ＭＯＳトランジスタを制御する制御回路が不要で、消費電力を大幅に削減可能な半導体装置や電子機器などが可能となった。

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、本発明の実施例に係る過熱検出回路の構成図である。同図に示すように、本実施例に係る過熱検出回路１０は、温度検出用のダイオードＤ１、定電流源Ｉ１、低スレッショルド電圧のＮＭＯＳトランジスタＭ１、基準電圧Ｖｒｅｆ、コンパレータを構成しているＭＯＳトランジスタＭ２〜Ｍ８で構成されている。

より詳細に説明すると、定電流源Ｉ１の一端は電源Ｖｄｄ（第１の電圧電源）に接続され、他端は温度検出用のダイオードＤ１のアノードに接続されている。温度検出用のダイオードＤ１のカソードはＮＭＯＳトランジスタＭ１のドレインに接続されている。

低スレッショルド電圧のＮＭＯＳトランジスタＭ１のソースとゲートは接地電位（ＧＮＤ；第２の電圧電源）に接続されているので、該ＮＭＯＳトランジスタＭ１は０バイアス(ゲート−ソース間電圧Ｖｇｓが０Ｖ)で用いられている。

ＭＯＳトランジスタＭ２〜Ｍ８はコンパレータを構成している。ＮＭＯＳトランジスタＭ４のゲートが反転入力、ＮＭＯＳトランジスタＭ５のゲートが非反転入力になっている。コンパレータの出力ＶｏはＰＭＯＳトランジスタＭ７のドレインから出力されている。

温度検出用のダイオードＤ１のアノードは、コンパレータの反転入力に接続されている。また、コンパレータの非反転入力には基準電圧Ｖｒｅｆが接続されている。

図２は、ＮＭＯＳトランジスタのドレイン電流Ｉｄとゲート−ソース間電圧Ｖｇｓの関係を、温度Ｔａをパラメータにして表したグラフである。縦軸はドレイン電流Ｉｄで対数目盛となっている。横軸はゲート−ソース間電圧Ｖｇｓである。

図２(ａ)は一般的なエンハンスメント型ＮＭＯＳトランジスタの特性を示し、同図(ｂ)は本実施例で用いる低スレッショルド電圧のＮＭＯＳトランジスタＭ１の特性を示している。

図２(ａ)に示す一般的なエンハンスメント型ＮＭＯＳトランジスタの場合は、ゲート−ソース間電圧Ｖｇｓが大きくなるほどドレイン電流Ｉｄが増大する。また、ドレイン電流Ｉｄが一定の場合におけるゲート−ソース間電圧Ｖｇｓの温度特性は、−数ｍＶ／℃と負の温度特性を持っている。これは、温度が高いほどスレッショルド電圧が低くなることを示している。

そこで、一般的なエンハンスメント型ＮＭＯＳトランジスタの場合は、０バイアス(ゲート−ソース間電圧Ｖｇｓが０Ｖ)時で且つ高温時においても、ドレイン電流Ｉｄが流れないようにスレッショルド電圧を高めに設定している。

これに対して、図２(ｂ)に示す本実施例で用いる低スレッショルド電圧のＮＭＯＳトランジスタＭ１では、スレッショルド電圧を低めに設定し、常温(例えば、２５℃)時で、且つ０バイアスの状態ではドレイン電流Ｉｄがほぼ０Ａ状態になり、過熱検出を行い得る高温(例えば、１２５℃)では、図１に記載した定電流源Ｉ１の出力電流以上のドレイン電流Ｉｄを流す能力（ＮＭＯＳトランジスタＭ１単独で考えた場合に流すことができるドレイン電流Ｉｄの最大値；能力値（図２（ｂ）参照）））を有しているものとする。

次に、図１に示した過熱検出回路１０の回路動作の説明を行う。
本実施例では、上記した低スレッショルド電圧のＮＭＯＳトランジスタＭ１を０バイアス(ゲート−ソース間電圧Ｖｇｓが０Ｖ)に接続して、温度検出用ダイオードＤ１のカソードと接地電位（ＧＮＤ；第２の電圧電源）間に挿入しているので、半導体装置の温度が常温（例えば、２５℃）付近ではＮＭＯＳトランジスタＭ１はほぼオフ状態となっている（図２（ｂ）参照）。

このため、定電流源Ｉ１からダイオードＤ１に電流を供給できないため、ダイオードＤ１のアノード電圧は電源Ｖｄｄ（第１の電圧電源）近くまで上昇し、基準電圧Ｖｒｅｆより高くなる。この結果、コンパレータの出力Ｖｏはローレベルとなる。ここで重要なことは、ダイオードＤ１には定電流源Ｉ１からの電流は供給されないので、消費電流を抑えることができ大幅な消費電力の削減が可能となるということである。

そして、半導体装置の温度がある程度上昇すると、ＮＭＯＳトランジスタＭ１のドレイン電流Ｉｄが徐々に流れ出すが、ドレイン電流Ｉｄの値が定電流源Ｉ１の出力電流値に達するまでは、ダイオードＤ１のアノード電圧は基準電圧Ｖｒｅｆより高いままであるため、コンパレータの出力Ｖｏはローレベルのままであり、依然としてダイオードＤ１には定電流源Ｉ１からの電流は供給されないので、消費電流を抑えることができる。

半導体装置の温度がさらに上昇して、検出温度近くまで達すると、その温度によって決まるＮＭＯＳトランジスタＭ１のドレイン電流Ｉｄの能力値（ＮＭＯＳトランジスタＭ１単独で考えた場合に流すことができるドレイン電流Ｉｄの最大値（図２（ｂ）参照））は定電流源Ｉ１の出力電流値を越える。

ＮＭＯＳトランジスタＭ１のドレイン電流Ｉｄの能力値が定電流源Ｉ１の出力電流値を越えると、定電流源Ｉ１は正常動作を行うことができるので、ダイオードＤ１には温度検出用の正規の電流が供給される。また、定電流源Ｉ１の出力インピーダンスは極めて大きくなるので、ダイオードＤ１のアノード電位は基準電圧Ｖｒｅｆ近くまで低下する。

さらに温度が上昇すると、ダイオードＤ１の順方向電圧がさらに低下し、検知温度を超えるとダイオードＤ１のアノードの電位が基準電圧Ｖｒｅｆ以下になり、コンパレータの出力Ｖoがローレベルからハイレベルに反転し、過熱検出信号として出力される。

なお、温度が上昇し、その温度におけるＮＭＯＳトランジスタＭ１のドレイン電流Ｉｄの能力値が定電流源Ｉ１の出力電流値を上回ったとしても、ダイオードＤ１に供給される電流は定電流源Ｉ１の出力電流以上流れることはない。

以上のように、本発明においては、低スレッショルド電圧のエンハンスメント型ＮＭＯＳトランジスタＭ１を０バイアス接続にして用い、このトランジスタの温度特性を利用して検出温度近くになってから、温度検出用のダイオードＤ１に正規の電流を供給するようにしたので、ＮＭＯＳトランジスタＭ１を制御する制御回路が不要である。

しかも、上述した図２（ｂ）の如き特性を有する低スレッショルド電圧のＮＭＯＳトランジスタＭ１が直列に接続されているため、半導体装置の動作時間の大半を占める温度が低い場合には、ダイオードＤ１には電流を供給しないか、供給しても僅かな電流だけで済むので、大幅な消費電力の削減が可能となる。

また、上述した過熱検出回路を半導体装置に組み込むあるいはさらに該半導体装置を電子機器、特に携帯電話、ビデオカメラ、モバイルコンピュータなどの小型の電子機器に組み込むことによって、上述したＮＭＯＳトランジスタを制御する制御回路が不要で、かつ大幅な消費電力の削減が可能な半導体装置や電子機器が実現できる。

本発明の実施例における過熱検出回路の構成図である。 ＮＭＯＳトランジスタのドレイン電流Ｉｄとゲート−ソース間電圧Ｖｇｓの関係を、温度Ｔａをパラメータにして表したグラフである。 従来の過熱検出回路を説明するための図である。

符号の説明

１：定電流源
２：制御回路
３：温度判定回路
１０：過熱検出回路
Ｄ１〜Ｄ５：温度検出用ダイオード
Ｖｒｅｆ：基準電圧
Ｉ１：定電流源
Ｍ１：低スレッショルド電圧ＮＭＯＳトランジスタ
Ｍ２，Ｍ３，Ｍ７：ＰＭＯＳトランジスタ
Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６，Ｍ８：ＮＭＯＳトランジスタ
Ｑ１：ＰＭＯＳトランジスタ
Ｖｄｄ：第１の電圧電源
ＧＮＤ：第２の電圧電源（接地電位）

Claims (5)

1. 第１の電圧電源と第２の電圧電源との間に設けられた、定電流源と温度検出用ダイオードとゲート−ソース間の電圧が０ボルトのＭＯＳトランジスタからなる直列接続回路と、前記定電流源と前記温度検出用ダイオードの接続点の電位と予め決められた基準電圧とを比較する比較回路とを具備し、
   前記比較回路における比較結果により所定の温度に達したことを検出することを特徴とする過熱検出回路。
2. 請求項１記載の過熱検出回路において、
   前記比較回路は、温度が上昇し、前記ＭＯＳトランジスタのドレイン電流の能力値（単独で考えた場合に流すことができるドレイン電流の最大値）が前記定電流源の出力電流以上となった場合に、比較の結果として所定の温度に達した旨の信号を出力するものであることを特徴とする過熱検出回路。
3. 請求項１または２記載の過熱検出回路において、
   前記ＭＯＳトランジスタは、低スレッショルド電圧のエンハンスメント型ＭＯＳトランジスタであることを特徴とする過熱検出回路。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の過熱検出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記載の半導体装置を内蔵したことを特徴とする電子機器。

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