JP2011061948A - 半導体装置および回路保護方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、異常な高温状態の継続を防ぎ、長期信頼性の保証を可能にする半導体装置および回路保護方法を提供する。
【解決手段】半導体装置は、電流供給部と、過電流検知回路と、過熱検知回路と、駆動制御回路とを具備する。電流供給部は、負荷回路に流れる電流を制御する。過電流検知回路は、電流に基づいて負荷回路に過電流が流れたことを検知して過電流信号を出力する。過熱検知回路は、過電流信号に応答して設定変更される検知温度を周囲温度が超えたことを検知して過熱検知信号を出力する。過熱検知回路は、検知温度にヒステリシスを有し、検知温度は、過熱状態になったことを検知する過熱検知温度と、過熱状態から脱したことを検知する過熱復帰温度とを含む。駆動制御回路は、過電流信号と過熱検知信号とに基づいて負荷回路に流れる電流の量を指示する電流制御信号を電流供給部に出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置に関し、特に過熱状態を検知して回路を保護する半導体装置、回路保護方法に関する。

従来、大電流や高電圧を扱うにはリレーが使われることが多かったが、近年、自動車電装用のエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）等では、リレーに代わってＩＰＤ（Ｉｎｔｅｌｉｇｅｎｔ Ｐｏｗｅｒ Ｄｉｖｉｃｅ）が使われるようになってきた。このＩＰＤは、パワーＭＯＳトランジスタの周辺に保護機能を有する回路が付加され、自己診断機能を内蔵する。ＩＰＤは、自己診断結果を制御用のマイクロプロセッサに伝えることが可能である。

ＩＰＤには、例えば、特許文献１（特開２０００−２９９６３１号公報）に開示されるように、温度検出回路の検出結果に基づいて電流検出回路の検出結果を補正する電源供給制御装置が知られている。この電源供給制御装置は、半導体スイッチと、温度検出回路と、電流検出回路と、制御回路とを備える。半導体スイッチは、制御信号入力端子へ供給される制御信号に応じてスイッチング制御され、電源から負荷への電力供給を制御する。温度検出回路は、半導体スイッチの温度を検出する。電流検出回路は、半導体スイッチに流れる電流を半導体スイッチのオン抵抗に発生する電圧に基づき検出する。制御回路は、温度検出回路の検出結果に基づいて電流検出回路の検出結果を補正して、補正後の検出電流に基づいて、制御信号の供給を制御する。

また、特許文献２（特開２００１−２５７５７３号公報）には、電子制御装置において駆動回路として用いられる電気負荷駆動用ＩＣに関する技術が開示されている。異常検出回路により異常が検出されると、制御信号を強制的に非通電側の論理レベルに固定させる通電遮断用信号が継続的に生成され、信号出力端子から電気負荷駆動用ＩＣの外部へ出力される。

特許文献３（特開２００３−２９７９２９号公報）には、複数の過熱検出回路を有する回路装置が開示されている。回路装置のドライバＩＣには、複数の過熱検出回路が互いに隣接して配置されている。それぞれの過熱検出回路は、温度検出部と、基準電圧発生回路と、コンパレータと、スイッチ回路とを備える。基準電圧発生回路は、複数の抵抗の抵抗分割により基準電圧を生成する。コンパレータは、温度検出部の出力電圧と基準電圧とを比較する。スイッチ回路は、複数の抵抗のうち少なくとも１つの抵抗と並列接続され、制御信号によってオン、オフする。負荷ショートにより温度上昇が急峻な場合に、過電流検出回路からの制御信号によってスイッチ回路はオフする。スイッチ回路がオフすると、基準電圧が上昇して過熱検出温度を低下させる。このように、回路装置は、過電流検出回路の制御信号によって複数の抵抗分割で生成する基準電圧を変化させ、過熱検出温度を低下させることにより、隣接する過熱検出回路の検出対象からの熱伝達による誤動作を防止する。

また、特許文献４（特開平１１−３４７６５号公報）には、過熱検出のしきい値を２種類設定する車両用回路保護装置が開示されている。車両用回路保護装置は、出力回路と、制御回路と、指示回路と、設定回路とを備える。出力回路は、車両に設けられた負荷駆動装置を駆動させる電力供給をする。制御回路は、出力回路の電力供給の量を制御する。指示回路は、温度を検出すると共に、検出温度が予め定めたしきい値を超えたときに制御回路が制御する電力供給量を変更させるための変更信号を出力する。設定回路は、出力回路の電力供給の量が所定値を超えたときにしきい値を異なる値のしきい値に設定する。このように、車両用回路保護装置は、過熱検出のしきい値を２種類設定する。

上記の回路は、急峻な過電流による異常過熱を検出して過電流による素子破壊を防止する。したがって、過電流状態時のしきい値は、検出温度（例えば１７５℃）となる通常のしきい値と復帰温度（例えば１５０℃）となる通常のしきい値の間に設定される。そのため、負荷短絡等により長時間の過電流状態におかれる場合に、通常の復帰温度（例えば１５０℃）以上もしくは定格動作温度範囲（例えば１５０℃）以上の高温状態に維持されてしまい樹脂及びボンディングワイヤなどの長期信頼性を保証できない。

パワーデバイスにおいてＡｕ−Ａｌボンディング劣化が重要な不良モードとなるのは、パワーデバイスが一般的な仕様で厳しい周囲環境と大電力下で動作し、高温となるためであるといわれている。自動車分野において、たとえばプラスチックパッケージで、ジャンクション温度１７０℃までの保証要求は珍しくはない。この場合にＡｕ−Ａｌボンディング劣化問題の解決が、信頼性を確保する鍵となるといわれている。

特開２０００−２９９６３１号公報 特開２００１−２５７５７３号公報 特開２００３−２９７９２９号公報 特開平１１−３４７６５号公報

本発明は、異常な高温状態の継続を防ぎ、長期信頼性の保証を可能にする半導体装置および回路保護方法を提供する。

以下に、［発明を実施するための形態］で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための形態］との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

本発明の観点では、半導体装置（１０）は、電流供給部（２１）と、過電流検知回路（２３）と、過熱検知回路（２７）と、駆動制御回路（３１）とを具備する。電流供給部（２１）は、負荷回路（１５）に流れる電流を制御する。過電流検知回路（２３）は、電流に基づいて負荷回路（１５）に過電流が流れたことを検知して過電流信号（ａ）を出力する。過熱検知回路（２７）は、過電流信号（ｂ）に応答して設定変更される検知温度を周囲温度が超えたことを検知して過熱検知信号（ｃ）を出力する。過熱検知回路（２７）は、検知温度にヒステリシスを有し、検知温度は、過熱状態になったことを検知する過熱検知温度と、過熱状態から脱したことを検知する過熱復帰温度とを含む。駆動制御回路（３１）は、過電流信号（ａ）と過熱検知信号（ｃ）とに基づいて負荷回路（１５）に流れる電流の量を指示する電流制御信号（ｓ）を電流供給部（２１）に出力する。

本発明の他の観点では、回路保護方法は、過電流検知ステップと、温度検知ステップと、検知温度変更ステップと、電流制御ステップとを具備する。過電流検知ステップは、負荷回路（１５）に流れる電流に基づいて負荷回路（１５）に過電流が流れたことを検知する。温度検知ステップは、基準となる検知温度を周囲温度が超えた過熱状態であるか否かを検知する。検知温度変更ステップは、過電流を検知した後の所定の期間、検知温度を第１検知温度から第２検知温度に変更する。第２検知温度は、第１検知温度より低い。この検知温度変更ステップは、検知温度を超えたことを検知したときに、第１検知温度を第１過熱復帰温度に設定し、第２検知温度を第２過熱復帰温度に設定する復帰温度設定ステップと、検知温度を下回ったときに第１検知温度を第１過熱復帰温度より高い第１過熱検知温度に設定し、第２検知温度を第２過熱復帰温度より高い第２過熱検知温度に設定する過熱温度設定ステップとを含む。電流制御ステップは、過電流を検知したことと過熱状態を検知したこととに基づいて、負荷回路（１５）に流れる電流の量を制御する。

本発明によれば、異常な高温状態の継続を防ぎ、長期信頼性の保証を可能にする半導体装置および回路保護方法を提供することができる。

本発明の第１の実施の形態に係るＥＣＵの構成を示す図である。 本発明の過電流検出回路の構成例を示す図である。 本発明の過熱検知回路の構成例を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係るＥＣＵの過熱検知動作を説明する図である。 本発明の第２の実施の形態に係るＥＣＵの構成を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係るＥＣＵの過熱検知動作を説明する図である。 本発明の他の過熱検知動作を説明する図である。 本発明の他の過熱検知回路の構成を示す図である。

図１に、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置のブロック図が示される。半導体装置として自動車電装用のエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）を例示する。エンジンコントロールユニット１０は、メモリ３５を備える制御回路１２と、負荷駆動回路１１とを具備し、負荷回路１５に流れる電流を制御して駆動する。

負荷駆動回路１１は、出力トランジスタ２１、過電流検知回路２３、検知期間設定回路２４、過熱検知回路２７、駆動制御回路３１、異常通知回路３３を備える。出力トランジスタ２１は、駆動制御回路３１から出力される制御信号ｓに応答して負荷回路１５に流れる電流を制御する。出力トランジスタ２１のドレイン電圧Ｖｄは、過電流検知回路２３に供給される。

過電流検知回路２３は、図２に示されるように、比較器５０、抵抗素子６１〜６２を備える。比較器５０は、基準電圧ＶＲＥＦ１と、出力トランジスタ２１のドレイン電圧Ｖｄとを比較し、過電流検知信号ａ（負荷駆動回路１１の信号ａ１に対応する）を出力する。基準電圧ＶＲＥＦ１は、安定した電源電圧ＶＣＣを抵抗素子６１〜６２によって分圧して生成される。抵抗素子６１、６２の抵抗値をそれぞれＲ１、Ｒ２とすると、基準電圧ＶＲＥＦ１は、
ＶＲＥＦ１＝ＶＣＣ×Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）
となる。

負荷回路１５が通常動作している間はドレイン電圧Ｖｄが負荷回路１５の動作に影響しないように、駆動制御回路３１は出力トランジスタ２１のゲートにバイアスを与える。負荷回路１５が短絡するなどにより異常な電流が流れると、ドレイン電圧Ｖｄは急激に高くなる。ドレイン電圧Ｖｄが基準電圧ＶＲＥＦ１より高くなると、比較器５０は過電流検知信号ａをアクティブ（Ｈｉレベル）にする。

負荷回路１５に供給する電流を遮断すると、出力トランジスタ２１のドレイン電圧が高くなるため、過電流検知回路２３は、過電流を検知したときと同じように過電流検知信号ａ１をアクティブにする。そのため、負荷回路１５に通常の電流を供給して駆動し、過電流を検知しなければならない期間に過電流を検知したことを示すように、検知期間設定回路２４は、過電流検知信号ａ１に処理を加える。ここでは、検知期間設定回路２４は、論理積回路（ＡＮＤ回路）を備える。駆動制御回路３１から出力されるリセット信号ｒ１がＨｉレベルの間、検知期間設定回路２４は、過電流検出回路２３から出力される信号を過電流信号ｂ１として出力する。したがって、出力トランジスタ２１が負荷回路１５に供給する電流を遮断するとき、リセット信号ｒ１をＬｏｗレベルにすることによって過電流の誤検出を防止することができる。また、負荷回路１５に過電流が流れて電流を遮断するときには、リセット信号ｒ１をＨｉレベルにしておくことにより、過電流の検知状態を維持することができる。過電流の検知は、過電流信号ｂ１によって駆動制御回路３１、異常通知回路３３に通知される。

過熱検知回路２７は、図３に示されるように、比較器５１、抵抗素子６３〜６５、スイッチ回路５７〜５８、ダイオード５２〜５３、定電流源５５を備える。ダイオード５２は、所定の数のダイオードが直列に接続されており、図３では３段の直列接続されたダイオード群で示されている。定電流源５５、ダイオード５２〜５３は直列に接続され、定電流源５５とダイオード５２との接続ノードの電圧Ｖａが比較器５１の一方の入力に与えられる。ダイオード５２〜５３に定電流を流したときの順方向電圧は、ジャンクション温度により変動する。ジャンクション温度が高くなると順方向電圧は低下し、ジャンクション温度が低くなると順方向電圧は上昇する。すなわち、ダイオード５２〜５３は、温度センサとして機能し、その電圧Ｖａはジャンクション温度により変動する。過熱検知回路２７は、このダイオード５２〜５３の順方向電圧Ｖａの温度特性を利用して過熱状態を検知する。

ダイオード５３には、過電流信号ｂ（本実施の形態では、検知期間設定回路２４から出力される過電流信号ｂ１に相当する）によって制御されるスイッチ回路５７が並列に接続されている。過電流信号ｂがインアクティブ（Ｌｏｗ）でスイッチ回路５７が開放状態のとき、ダイオード５２〜５３に順方向電流が流れ、順方向電圧の和（図３の場合はダイオード４段分の電圧）が電圧Ｖａとなる。過電流信号ｂがアクティブ（Ｈｉ）になってスイッチ回路５７が閉成状態のとき、ダイオード５３はスイッチ回路５７でバイパスされる。そのため、電圧Ｖａはダイオード５２の順方向電圧となる。すなわち、電圧Ｖａは過電流信号ｂで制御され、過電流信号ｂに応じて過熱検知温度を変えることができる。

この温度センサの電圧Ｖａは、次のように求められる。ここで、周囲温度Ｔａ＝２５℃のときのダイオード順方向電圧をＶＦとし、温度センサダイオードの段数をＮとすると、周囲温度が２５℃のとき電圧Ｖａは、
Ｖａ＝ＶＦ×Ｎ
となる。ダイオードの順方向電圧は温度に対して負の相関を有し、その温度係数をθとすると、周囲温度Ｔａのときの温度センサの電圧Ｖａは、
Ｖａ＝（ＶＦ−θ×（Ｔａ−２５））×Ｎ
となる。例えば、図３に示されるように、温度サンサのダイオード段数Ｎが４段であり、１７５℃のときに比較器５１が過熱状態を検出するように設定されているとする。ダイオード段数Ｎを３段に切り替えたときに過熱状態を検出する温度Ｔａは、比較される温度センサの電圧Ｖａが同じであるから、
（ＶＦ−θ×（１７５−２５））×４＝（ＶＦ−θ×（Ｔａ−２５））×３
から求められる。周囲温度２５℃のときのダイオード順方向電圧ＶＦを０．７Ｖ、温度係数θ＝０．００２Ｖ／℃とすると、Ｔａ≒１０８℃が求められる。すなわち、温度センサのダイオード段数を３段にしたときの過熱検知温度は、１０８℃に下がる。

この温度センサの電圧Ｖａは、抵抗素子６３〜６５によって生成される基準電圧ＶＲＥＦ２と比較される。抵抗素子６３〜６５を適切に設定することによって、過熱検知温度が設定されることになる。抵抗素子６３〜６５は、直列に接続され、安定した電源電圧ＶＣＣを分圧して基準電圧ＶＲＥＦ２を生成する。ダイオード５２〜５３の順方向電圧と基準電圧ＶＲＥＦ２とを適切に設定することにより、所望の過熱検知温度を得ることができる。

また、抵抗素子６３には、比較器５１の出力により制御されるスイッチ回路５８が並列に接続されている。したがって、比較器５１の出力に応じて基準電圧ＶＲＥＦ２が変わることになる。

通常の動作が行われジャンクション温度が低いとき、電圧Ｖａは基準電圧ＶＲＥＦ２より高く、比較器５１の出力である過熱検知信号ｃはインアクティブ（Ｌｏｗ）である。このとき、スイッチ回路５８は開放状態である。抵抗素子６３〜６５の抵抗値をそれぞれＲ３〜Ｒ５とすると、このときの基準電圧ＶＲＥＦ２１は、
ＶＲＥＦ２１＝ＶＣＣ×Ｒ５／（Ｒ３＋Ｒ４＋Ｒ５）
となる。

ジャンクション温度が高いとき、電圧Ｖａは基準温度ＶＲＥＦ２より低くなる。したがって、過熱検知信号ｃはアクティブ（Ｈｉ）となって、スイッチ回路５８は閉成状態になる。スイッチ回路５８は抵抗素子６３をバイパスし、このときの基準電圧ＶＲＥＦ２２は、
ＶＲＥＦ２２＝ＶＣＣ×Ｒ５／（Ｒ４＋Ｒ５）
となる。ＶＲＥＦ２１＜ＶＲＥＦ２２であるから、過熱検知信号ｃがアクティブ（Ｈｉ）になるときよりも高い電圧、すなわちより低いジャンクション温度にならなければ過熱検知信号ｃはインアクティブ（Ｌｏｗ）にならない。このスイッチ回路５８によって過熱検知回路２７は、ヒステリシスを有することになる。このヒステリシスの幅は、抵抗素子６３〜６５によって調整することができる。例えば、過熱検知温度が１７５℃、復帰温度が１５０℃になるように抵抗素子６３〜６５の抵抗値Ｒ３〜Ｒ５を設定することができる。このとき、温度センサのダイオードの段数を４段から３段に切り替えて過熱検知温度を１０８℃に下げると、復帰温度も８３℃に下がる。

このようにして生成される過熱検知信号ｃは、駆動制御回路３１および異常通知回路３３に与えられる。駆動制御回路３１は、制御回路１２から出力される制御指示信号ｔに基づいて、出力トランジスタ２１を制御して負荷回路１５に電流を供給し、供給の停止を行う。負荷回路１５に電流を供給しているときに、駆動制御回路３１は、過電流信号ｂ１に基づいて負荷回路１５に供給される電流を制限し、過熱検知信号ｃに基づいて負荷回路１５に供給される電流を遮断する。供給電流の制限、遮断を行うことにより、不要に大電流を流すことや高温になることを防止することができる。

また、駆動制御回路３１は、リセット信号ｒ１を検知期間設定回路２４に出力して過電流の検出期間を設定する。このリセット信号ｒ１は、制御回路１２から出力される制御指示信号ｔが電流供給の開始を示す所定の時間にＨｉレベルになり、過電流の検知を有効にする。リセット信号ｒ１は、制御指示信号ｔが電流供給の停止を指示している間Ｌｏｗレベルになり、過電流の検知を無効にする。

異常通知回路３３は、負荷回路１５に過電流が流れたという異常状態が発生したことを過電流信号ｂ１により認知する。また、異常通知回路３３は、過熱検知信号ｃにより過熱検知回路２７周辺の温度が高温になったという異常状態が発生したことを認知する。これらの異常状態を認知すると、異常通知回路３３は、異常警報信号ｅを出力して異常状態の発生を制御回路１２に通知する。

制御回路１２は、通知された異常状態を示す情報をメモリ３５に記憶し、外部からの要求に従ってこれらの異常状態の情報を含むダイアグコードｄをＤＩＡＧ端子３７から出力する。また、制御回路１２は、外部からの指示信号ｕに基づいて、駆動制御回路３１に出力トランジスタ２１の駆動の開始、停止を制御指示信号ｔによって指示する。

図４を参照して、エンジンコントロールユニット１０の動作を説明する。
エンジンコントロールユニット１０は、負荷回路１５を駆動する指示を受ける。制御回路１２は、指示信号ｕによって電流の供給開始を指示されると、制御指示信号ｔをアクティブ（Ｈｉ）にする（図４（ａ））。駆動制御回路３１は、出力トランジスタ２１のゲートに供給される電流制御信号ｓを充分な電圧まで上げ、出力トランジスタ２１をオン状態にする（図４（ｃ））。また、駆動制御回路３１は、検知期間設定回路２４に与えるリセット信号ｒ１をＨｉレベルにして、過電流検知を有効にする（図４（ｂ））。出力トランジスタ２１のオン抵抗は、負荷回路１５の動作に影響を与えないように充分小さく設定される。すなわち、このときの出力トランジスタ２１のゲート電圧は、比較的高く設定される。

出力トランジスタ２１がオン状態になると、負荷回路１５に電流が流れるとともに、直列に接続されている出力トランジスタ２１にもドレイン電流Ｉｄとして流れる（図４（ｄ））。このとき、通常動作時の電流が流れ、出力トランジスタ２１のドレイン電圧Ｖｄは検知レベルを下回る（図４（ｅ））。過電流検知回路２３は過電流を検知せず、過電流検知信号ａ１をインアクティブ（Ｌｏｗ）にする（図４（ｆ））。検知期間設定回路２４から出力される過電流信号ｂ１は通常動作状態を示し、インアクティブ（Ｌｏｗ）となっている（図４（ｇ））。したがって、過熱検知回路２７のスイッチ５７は開放され、過熱検知回路２７は、直列に接続されるダイオード５２及びダイオード５３の電圧降下を示す電圧Ｖａを基準電圧ＶＲＥＦ２（電圧ＶＲＥＦ２１）と比較する。

ここで、何らかの原因によって負荷回路１５が短絡状態となると、異常電流が流れる。その異常電流によって出力トランジスタ２１のドレイン電圧Ｖｄが、所定の検知レベル（図４（ｅ）波線）を超えると、過電流検知回路２３は、図４（ｆ）に示されるように、過電流検知信号ａ１をアクティブ（Ｈｉ）にする。過電流検知信号ａ１がアクティブになると、リセット信号ｒ１がＨｉレベルであるから検知期間設定回路２４は、過電流信号ｂ１をＨｉレベルにして過電流の検知を通知する（図４（ｇ））。過電流の検知を通知されると、駆動制御回路３１は、電流制御信号ｓを引き下げて負荷回路１５に流れる電流を制限する（図４（ｃ）、（ｄ））。一方、過熱検知回路２７は、過電流信号ｂ１がアクティブになると、スイッチ５７を閉成し、検知温度設定を切り替える。本実施の形態においては、例えば、過熱検知温度は１７５℃から１０８℃に、復帰温度は１５０℃から８３℃に切り替わる（図４（ｈ））。

温度が上昇して、温度センサのジャンクション温度が過熱検知温度（ここでは１０８℃）を超えると（図４（ｈ））、過熱検知回路２７は過熱検知信号ｃをアクティブ（Ｈｉ）にする（図４（ｉ））。過熱検知信号ｃがアクティブになると、駆動制御回路３１は、供給電流を遮断するように電流制御信号ｓを制御する（図４（ｃ））。したがって、出力トランジスタ２１を流れる電流は遮断される（図４（ｄ））。このとき、電圧Ｖｄは、図４（ｅ）に示されるように、検知レベルを超えている。したがって、過電流検知回路２３の出力（過電流検知信号ａ１）は、図４（ｆ）に示されるように、アクティブ（Ｈｉ）状態のままとなる。また、過熱検知信号ｃがアクティブになると、スイッチ５８は抵抗素子６３をバイパスする。これによって、比較器５１は、温度センサの周辺の温度が復帰温度（ここでは８３℃）を下回らなければ、過熱検知信号ｃをインアクティブ（Ｌｏｗ）にしない（図４（ｈ）（ｉ））。

供給電流が止まり、負荷回路１５の発熱が止まるなどにより温度センサ周辺の温度が下がると、温度センサのダイオードの順方向電圧は上昇する。周辺の温度が復帰温度（ここでは８３℃）を下回ると、過熱検知信号ｃは、インアクティブ（Ｌｏｗ）になる（図４（ｉ））。すなわち、電圧Ｖａが充分下がってから過熱検知信号ｃはインアクティブになる。スイッチ５８は開放され、抵抗素子６４は抵抗素子６３を介して電源電圧ＶＣＣに接続され、基準電圧ＶＲＥＦ２は低下する。過熱検知信号ｃがインアクティブになると、駆動制御回路３１は、出力トランジスタ２１のゲートに接続される電流制御信号ｓを立ち上げ、負荷回路１５に電流の供給を再開する（図４（ｃ））。このとき、負荷回路１５が短絡状態の原因が排除されていれば、負荷回路１５は通常の電流値で駆動されるが、図４に示されるように、短絡状態が継続している状態では、過電流を検知して供給電流が制限される。さらに発熱が継続すると過熱状態を検出して供給電流は遮断される。負荷回路１５を駆動する指示が継続する間、これを繰り返す。この過熱検知を繰り返す繰り返し周期をサーマルトグル（Ｔｈｅｒｍａｌ ｔｏｇｇｌｅ）周期と呼ぶ。

制御指示信号ｔがオフになれば（図４（ａ））、駆動制御回路３１は、負荷回路１５への電流供給を停止する。このとき、駆動制御回路３１は、リセット信号ｒ１をＬｏｗレベルにして検知期間設定回路２４に出力し、過電流検知が終了して過電流信号ｂ１はインアクティブになる（図４（ｇ））。過電流信号ｂ１がインアクティブになると、過熱検知回路２７は、スイッチ５７を閉成し、過熱検知温度および復帰温度を通常の設定温度（ここでは、１７５℃および１５０℃）に戻す（図４（ｈ））。

この過電流信号ｂ１および過熱検知信号ｃは、異常通知回路３３にも供給されている。異常通知回路３３は、過電流が流れたことや過熱状態を検知したことを制御回路１２に通知し、制御回路１２は、内蔵されるメモリ３５に記憶する。制御信号ｕによって情報出力の指示があると、制御回路１２は、これらの異常状態の情報をダイアグコードとしてＤＩＡＧ端子３７を介して出力する。

このように、簡単な回路構成によって、過電流を検出すると過熱検知温度を引き下げ、過熱状態が長く継続しないように電流を供給することが可能になる。したがって、定格動作温度範囲を長時間超えずに動作させることができ、長期信頼性の保証が可能となる。また、異常を示す情報をメモリに保持し、適宜出力することができるため、異常を生じた負荷装置１５のみ交換することができるようになる。また、制御回路１２は、異常発生の通知を受けると、外部からの指示なしに異常発生を外部に通知してもよい。

異常の発生が制御回路１２に通知され、供給電流が遮断されるため、ＥＣＵ自体が保護され故障した負荷装置１５のみの交換で修理可能となる。ＥＣＵが異常発生を認識すると、例えば、エンジンチェックランプが点灯してドライバに警告される。この時、異常発生部位はＥＣＵに記憶され、イグニッションをオフにしただけでは消えない仕組みになっている。この記憶内容を読み出す操作がダイアグコードの読み取りである。異常コードが出た場合は、その部分を優先的に点検・修理していくことで修復作業が効率的に行える。

図５に、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置のブロック図が示される。第２の実施の形態は、第１の実施の形態に比べ、出力トランジスタ２１がマルチソースの出力トランジスタ２２に替わり、過電流の検出方法が変わっている。半導体装置として自動車電装用のエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）を例示する。エンジンコントロールユニット１０は、メモリ３５を備える制御回路１２と、負荷駆動回路１１とを具備し、負荷回路１５に流れる電流を制御して駆動する。

負荷駆動回路１１は、出力トランジスタ２２、過電流検知回路２３、ラッチ回路２５、過熱検知回路２７、駆動制御回路３１、異常通知回路３３を備える。出力トランジスタ２２は、駆動制御回路３１から出力される制御信号ｓに応答して負荷回路１５に流れる電流を制御する。出力トランジスタ２２のドレイン電流Ｉｄは、複数のソースを介して流れる。ソースの１つは多くの負過電流を流し、他のソースは負過電流に比例する電流を抵抗素子２８に流し、抵抗素子２８に生ずる電圧Ｖｓを過電流検知回路２３に供給する。

過電流検知回路２３は、第１の実施の形態で説明された回路（図２参照）と同じであるため、詳細な説明を省略する。過電流検知回路２３は、抵抗素子２８に生ずる電圧Ｖｓにより間接的にドレイン電流Ｉｄを測定することになる。負荷回路１５が通常動作している間はドレイン電圧Ｖｄが負荷回路１５の動作に影響しないように、駆動制御回路３１は出力トランジスタ２２のゲートにバイアスを与える。負荷回路１５が短絡するなどにより異常な電流が流れると、電圧Ｖｓは急激に高くなる。電圧Ｖｓが基準電圧ＶＲＥＦ１より高くなると、比較器５０は過電流検知信号ａ（図５では信号ａ２として示される）をアクティブ（Ｈｉレベル）にする。

過電流検知回路２３は、過電流を検知したことを過電流検知信号ａ２によって駆動制御回路３１、異常通知回路３３に通知する。また、過電流検知信号ａ２はラッチ回路２５にも供給される。ラッチ回路２５は、過電流検知の状態を保持して過電流信号ｂ２を過熱検知回路２７に出力する。ラッチ回路２５は、駆動制御回路３１が出力するリセット信号ｒ２によって過電流検知状態を解除する。

過熱検知回路２７は、第１の実施の形態で説明された回路（図３参照）と同じであるため、詳細な説明を省略するが、ヒステリシスを持ち、過電流信号ｂ２に応じて過熱検知温度を変えることができる回路である。過熱検知回路２７によって生成される過熱検知信号ｃは、駆動制御回路３１および異常通知回路３３に与えられる。駆動制御回路３１は、制御回路１２から出力される制御指示信号ｔに基づいて、出力トランジスタ２２を制御して負荷回路１５に電流を供給し、供給の停止を行う。負荷回路１５に電流を供給しているときに、駆動制御回路３１は、過電流検知信号ａ２に基づいて負荷回路１５に供給される電流を制限し、過熱検知信号ｃに基づいて負荷回路１５に供給される電流を遮断する。供給電流の制限、遮断を行うことにより、不要に大電流を流すことや高温になることを防止することができる。

また、駆動制御回路３１は、リセット信号ｒ２を出力して過電流検出状態を保持するラッチ回路２５をリセットする。このリセット信号ｒ２は、制御回路１２から出力される制御指示信号ｔが電流供給の開始を示す所定の時間にアクティブになってラッチ回路２５をリセットすることが好ましい。リセット信号ｒ２は、制御指示信号ｔが電流供給の停止を指示している間アクティブになっていてもよい。

異常通知回路３３は、負荷回路１５に過電流が流れたという異常状態が発生したことを過電流検知信号ａ２により認知する。或いは、過電流信号ｂ２により過電流による異常状態を認知してもよい。また、異常通知回路３３は、過熱検知信号ｃにより過熱検知回路２７周辺の温度が高温になったという異常状態が発生したことを認知する。異常通知回路３３は、異常警報信号ｅを出力して、これらの異常状態の発生を制御回路１２に通知する。

制御回路１２は、通知された異常状態を示す情報をメモリ３５に記憶し、外部からの要求に従ってこれらの異常状態の情報を含むダイアグコードｄをＤＩＡＧ端子３７から出力する。また、制御回路１２は、外部からの指示信号ｕに基づいて、駆動制御回路３１に出力トランジスタ２２の駆動の開始、停止を制御指示信号ｔによって指示する。

図６を参照して、エンジンコントロールユニット１０の動作を説明する。
エンジンコントロールユニット１０は、負荷回路１５を駆動する指示を受ける。制御回路１２は、指示信号ｕによって電流の供給開始を指示されると、制御指示信号ｔをアクティブ（Ｈｉ）にする（図６（ａ））。駆動制御回路３１は、出力トランジスタ２２のゲートに供給される電流制御信号ｓを充分な電圧まで上げ、出力トランジスタ２２をオン状態にする（図６（ｃ））。出力トランジスタ２２のオン抵抗は、負荷回路１５の動作に影響を与えないように充分小さく設定される。したがって、このときの出力トランジスタ２２のゲート電圧は、高く設定される。

出力トランジスタ２２がオン状態になると、負荷回路１５に電流が流れるとともに、直列に接続されている出力トランジスタ２２にもドレイン電流Ｉｄとして流れる（図６（ｄ））。このとき、通常動作時の電流が流れ、過電流検知回路２３は過電流を検知せず、過電流検知信号ａ２はインアクティブ（Ｌｏｗ）を示す（図６（ｆ））。ラッチ回路２５は通常動作状態を示し、過電流ラッチ信号ｂ２は、インアクティブ（Ｌｏｗ）となっている（図６（ｇ））。したがって、過熱検知回路２７のスイッチ５７は開放され、過熱検知回路２７は、直列に接続されるダイオード５２及びダイオード５３の電圧降下による電圧Ｖａを基準電圧ＶＲＥＦ２（電圧ＶＲＥＦ２１）と比較する。

ここで、何らかの原因によって負荷回路１５が短絡状態となると、異常電流が流れ、出力トランジスタ２２のドレイン電圧Ｖｄが上昇する。その異常電流によって抵抗２８の電圧Ｖｓが、所定の検知レベル（図６（ｄ）点線）を超えると、過電流検知回路２３は、図６（ｆ）に示されるように、過電流検知信号ａ２をアクティブ（Ｈｉ）にする。過電流検知信号ａ２がアクティブになると、駆動制御回路３１は、電流制御信号ｓを引き下げて負荷回路１５に流れる電流を制限する（図６（ｃ）、（ｄ））。一方、ラッチ回路２５は、過電流検知信号ａ２をラッチし、図６（ｇ）に示されるように、過電流信号ｂ２を立ち上げる（Ｈｉ）。過熱検知回路２７は、過電流ラッチ信号ｂ２がアクティブになると、スイッチ５７を閉成し、検知温度設定を切り替える。本実施の形態においては、例えば、過熱検知温度は１７５℃から１０８℃に、復帰温度は１５０℃から８３℃に切り替わる（図６（ｈ））。

温度が上昇して、温度センサのジャンクション温度が過熱検知温度（ここでは１０８℃）を超えると（図６（ｈ））、過熱検知回路２７は過熱検知信号ｃをアクティブ（Ｈｉ）にする（図６（ｉ））。過熱検知信号ｃがアクティブになると、駆動制御回路３１は、供給電流を遮断するように電流制御信号ｓを制御する（図６（ｃ））。したがって、出力トランジスタ２２を流れる電流は遮断される（図６（ｄ））。また、過熱検知信号ｃがアクティブになると（図６（ｉ））、スイッチ５８は抵抗素子６３をバイパスする。これによって、比較器５１は、温度センサの周辺の温度が復帰温度（ここでは８３℃）を下回らなければ、過熱検知信号ｃをインアクティブ（Ｌｏｗ）にしない。

供給電流が止まり、負荷回路１５の発熱が止まるなどにより温度センサ周辺の温度が下がると、温度センサのダイオードの順方向電圧は上昇する。周辺の温度が復帰温度（ここでは８３℃）を下回ると、過熱検知信号ｃは、インアクティブ（Ｌｏｗ）になる（図６（ｈ）（ｉ））。すなわち、電圧Ｖａが充分下がってから過熱検知信号ｃはインアクティブになる。スイッチ５８は開放され、抵抗素子６４は抵抗素子６３を介して電源電圧ＶＣＣに接続され、基準電圧ＶＲＥＦ２は低下する。過熱検知信号ｃがインアクティブになると、駆動制御回路３１は、電流制御信号ｓを立ち上げ（図６（ｃ））、負荷回路１５に電流の供給を再開する（図６（ｄ））。このとき、負荷回路１５が短絡状態の原因が排除されていれば、負荷回路１５は通常の電流値で駆動されるが、短絡状態が継続していれば、図６に示されるように、過電流を検知して供給電流が制限される。或いは、過電流信号ｂ２がアクティブ（Ｈｉ）である間は、供給電流は制限されたままとなる。

制御指示信号ｔがオフになれば（図６（ａ））、駆動制御回路３１は、負荷回路１５への電流供給を停止する。このとき、駆動制御回路３１は、リセット信号ｒ２をラッチ回路２５に出力してリセットする（図６（ｂ））。或いは、制御指示信号ｔが次の供給開始を指示するときにラッチ回路２５をリセットする。供給開始の指示によりリセットする場合、制御指示信号ｔがアクティブ（Ｈｉ）になると、駆動制御回路３１は電流制御信号ｓを立ち上げるとともに、リセット信号ｒをラッチ回路２５に出力して過電流ラッチ信号ｂをリセットすることになる。過電流信号ｂ２がリセットされると（図６（ｇ））、過熱検知温度および復帰温度も通常の設定温度（ここでは、１７５℃および１５０℃）にリセットされる（図６（ｈ））。

この過電流検知信号ａおよび過熱検知信号ｃは、異常通知回路３３にも供給されている。異常通知回路３３は、過電流が流れたことや過熱状態を検知したことを制御回路１２に通知し、制御回路１２は、内蔵されるメモリ３５に記憶する。制御信号ｕによって情報出力の指示があると、制御回路１２は、これらの異常状態の情報をダイアグコードとしてＤＩＡＧ端子３７を介して出力する。

このように、簡単な回路構成によって、過電流を検出すると過熱検知温度を引き下げ、過熱状態が長く継続しないように電流を供給することが可能になる。したがって、定格動作温度範囲を長時間超えずに動作させることができ、長期信頼性の保証が可能となる。また、異常を示す情報をメモリに保持し、適宜出力することができるため、異常を生じた負荷装置１５のみ交換することができるようになる。また、制御回路１２は、異常発生の通知を受けると、外部からの指示なしに異常発生を外部に通知してもよい。

異常の発生が制御回路１２に通知され、供給電流が遮断されるため、ＥＣＵ自体が保護され故障した負荷装置１５のみの交換で修理可能となる。ＥＣＵが異常発生を認識すると、例えば、エンジンチェックランプが点灯してドライバに警告される。この時、異常発生部位はＥＣＵに記憶され、イグニッションをオフにしただけでは消えない仕組みになっている。この記憶内容を読み出す操作がダイアグコードの読み取りである。異常コードが出た場合は、その部分を優先的に点検・修理していくことで修復作業が効率的に行える。

上記では、ラッチ回路２５は、過電流検出回路２３から出力される過電流検知信号ａ２によってセットされ、駆動制御回路３１から出力されるリセット信号ｒ２によってリセットされる回路を例示している。この過電流信号ｂ２を保持する回路は、これに限らず、トリガとなる過電流検知信号ａが入力されると、サーマルトグル周期より長い時間幅のパルスを出力するリトリガブル・ワンショット・マルチバイブレータ等を含む回路であってもよい。その場合、過電流ラッチ信号ｂ２は、図７（ｇ）に示されるように、過電流検知信号ａ２の立ち上がりエッジから所定の時間ｐが経過するまでに次の立ち上がりエッジがある場合には連続してアクティブ（Ｈｉ）になり、所定の時間が経過するまでに立ち上がりエッジが無い場合にインアクティブ（Ｌｏｗ）になる。この所定の時間を適切に設定するとよい。他の回路の動作は、ラッチ回路２５の場合と同じであるため、説明は省略される。

また、過熱検知回路２７は、図３に示されるように、温度センサとしてダイオードの順方向電圧を利用して比較器５１によって過熱状態を判定する回路を例示したが、図８に示されるように、インバータ回路を利用することも可能である。

この場合、過熱検知回路２７は、インバータ回路７１〜７２、定電流源７４、ダイオード７５、スイッチ７６を備える。定電流回路７４から出力される定電流によってダイオード７５の順方向電圧Ｖａは、周囲温度に応じて変化する。この順方向電圧Ｖａは、インバータ回路７１〜７２によって電圧レベルを判定される。インバータ回路７１は、立ち上がり閾値が通常の過熱検知温度（例えば１７５℃）に、立ち下がり閾値が通常の復帰温度（例えば１５０℃）に設定されたヒステリシスを有する。インバータ回路７２は、立ち上がり閾値が過電流検出時の過熱検知温度（例えば１０８℃）に、立ち下がり閾値が過電流検出時の復帰温度（例えば８３℃）に設定されたヒステリシスを有する。インバータ回路７１の出力と、インバータ回路７２の出力とは、スイッチ７６により選択され、過熱検知信号ｃとして出力される。スイッチ７６は、過電流信号ｂに応答してインバータ回路７１の出力か、インバータ回路７２の出力を選択する。

したがって、インバータ回路を備える過熱検知回路２７は、先に述べた過熱検知回路２７と同様に、ヒステリシスを有する過熱検知動作の過熱検知温度および復帰温度を過電流の検知により切り替えて動作することができる。

上記の説明においては、検知温度を切り換える手段として、温度センサのダイオード段数の切り替えと基準電圧の切り換えとを行う方法を例示したが、温度センサのダイオードに流すバイアス電流を切り換えてもよい。

上述のように、本発明によれば、簡単な回路構成によって、過電流を検出すると過熱検知温度を引き下げ、過熱状態が長く継続しないように電流を供給することが可能になる。したがって、過熱状態での樹脂およびボンディングワイヤの長期信頼性の保証を可能とする。また、異常を示す情報をメモリに保持し、適宜出力することができるため、異常を生じた負荷装置のみを交換する修理が可能になる。

１０ エンジンコントロールユニット
１１ 負荷駆動回路
１２ 制御回路
１５ 負荷回路
２１、２２ 出力トランジスタ
２３ 過電流検知回路
２４ 検知期間設定回路
２５ ラッチ回路
２７ 過熱検知回路
２８ 抵抗素子
３１ 駆動制御回路
３３ 異常通知回路
３５ メモリ
３７ ＤＩＡＧ端子
５０〜５１ 比較器
５２〜５３ ダイオード
５５ 定電流源
５７〜５８ スイッチ
６１〜６５ 抵抗素子
７１〜７２ インバータ回路
７４ 定電流源
７５ ダイオード
７６ スイッチ

Claims (17)

1. 負荷回路に流れる電流を制御する電流供給部と、
   前記電流に基づいて前記負荷回路に過電流が流れたことを検知して過電流信号を出力する過電流検知回路と、
   前記過電流信号に応答して設定変更される検知温度を周囲温度が超えたことを検知して過熱検知信号を出力する過熱検知回路と、前記過熱検知回路は、前記検知温度にヒステリシスを有し、前記検知温度は、過熱状態になったことを検知する過熱検知温度と、前記過熱状態から脱したことを検知する過熱復帰温度とを含み、
   前記過電流信号と前記過熱検知信号とに基づいて前記負荷回路に流れる電流の量を指示する電流制御信号を前記電流供給部に出力する駆動制御回路と
   を具備する半導体装置。
2. 前記過電流信号と前記過熱検知信号とに基づいて前記負荷回路の異常を示す異常情報を通知する異常通知回路と、
   前記異常通知回路から通知された前記異常情報を記憶するメモリを有し、外部からの要求信号に応答して前記異常情報を出力する制御回路と
   をさらに具備する
   請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記過電流検知回路は、前記負荷回路に過電流が流れたことを示す過電流情報を所定の時間保持する信号保持回路を備え、
   前記制御回路は、前記負荷回路に前記電流を供給するように前記駆動制御回路に指示し、
   前記駆動制御回路は、前記制御回路の指示に応答して前記電流供給部及び前記信号保持回路に前記電流の供給を指示し、
   前記信号保持回路は、前記駆動制御回路の指示に応答して前記過電流情報の保持を解除する
   請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記信号保持回路は、前記負荷回路に過電流が流れたことに応答してセットされ、前記制御回路の指示に応答してリセットされるフリップフロップを含む
   請求項３に記載の半導体装置。
5. 前記過電流検知回路は、前記負荷回路に過電流が流れたことを示す過電流情報を所定の時間保持する信号保持回路を備え、
   前記信号保持回路は、前記過電流検知回路が前記過電流を検知してから所定の時間経過後に前記過電流情報の保持を解除する
   請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
6. 前記信号保持回路は、前記負荷回路に過電流が流れたことをトリガに前記過電流情報を保持するリトリガブル・ワンショット・マルチバイブレータを含む
   請求項５に記載の半導体装置。
7. 前記過電流検知回路は、前記負荷回路に過電流が流れたことを検知して前記過電流信号を出力する期間を設定する検知期間設定回路を備え、
   前記検知期間設定回路は、前記駆動制御回路の指示に基づいて前記期間を設定する
   請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
8. 前記検知期間設定回路は、前記負荷回路に過電流が流れたことを検知した信号と、前記駆動制御回路から出力されるリセット信号との論理積をとる論理積回路を備える
   請求項７に記載の半導体装置。
9. 前記過熱検知回路は、温度センサ回路と複数の抵抗素子と比較回路とを備え、
   前記比較回路は、前記複数の抵抗素子によって生成された基準電圧と、前記温度センサ回路から出力されるセンス電圧とを比較して前記過熱検知信号を出力し、
   前記過熱検知信号に基づいて前記複数の抵抗素子の組み合わせを変更することにより前記基準電圧を変更し、前記検知温度のヒステリシスを形成する
   請求項１から請求項８のいずれかに記載の半導体装置。
10. 前記温度センサ回路は、複数のダイオードを備え、
    前記検知温度は、前記ダイオードの順方向電流の温度特性を利用して設定される
    請求項９に記載の半導体装置。
11. 前記検知温度は、直列に接続される前記複数のダイオードの接続段数を切り替えて設定される
    請求項１０に記載の半導体装置。
12. 前記検知温度は、前記ダイオードに流れる電流を変更して設定される
    請求項１０または請求項１１に記載の半導体装置。
13. 前記過熱検知回路は、
    複数のシュミットトリガ型インバータ回路と、
    前記インバータ回路の出力を選択して出力する選択回路と
    を備え、
    前記検知温度は、前記インバータ回路の閾値電圧を調整して設定され、
    前記選択回路は、前記過電流ラッチ信号に応答して前記インバータ回路を選択し、前記検知温度を切り替える
    請求項１から請求項８のいずれかに記載の半導体装置。
14. 請求項１から請求項１３のいずれかに記載の半導体装置を具備するエンジンコントロールユニット。
15. 負荷回路に流れる電流に基づいて前記負荷回路に過電流が流れたことを検知する過電流検知ステップと、
    基準となる検知温度を周囲温度が超えた過熱状態であるか否かを検知する温度検知ステップと、
    前記過電流を検知した後の所定の期間、前記検知温度を第１検知温度から前記第１検知温度より低い第２検知温度に変更する検知温度変更ステップと、前記検知温度変更ステップは、前記検知温度を超えたことを検知したときに、前記第１検知温度を第１過熱復帰温度に設定し、前記第２検知温度を第２過熱復帰温度に設定する復帰温度設定ステップと、前記検知温度を下回ったときに前記第１検知温度を前記第１過熱復帰温度より高い第１過熱検知温度に設定し、前記第２検知温度を前記第２過熱復帰温度より高い第２過熱検知温度に設定する過熱温度設定ステップとを含み、
    前記過電流を検知したことと前記過熱状態を検知したこととに基づいて、前記負荷回路に流れる電流の量を制御する電流制御ステップと
    を具備する回路保護方法。
16. 前記過電流を検知したことと前記過熱状態を検知したこととに基づいて、前記負荷回路の異常を示す異常情報を通知する異常通知ステップと、
    通知された前記異常情報をメモリに記憶するステップと、
    外部からの要求に応答して前記メモリに記憶している前記異常情報を出力する異常情報出力ステップと
    をさらに具備する
    請求項１５に記載の回路保護方法。
17. 前記過熱検知ステップは、前記過電流を検知したことを保持する保持ステップを備え、
    前記過電流を検知したことを保持している期間の前記検知温度を変更する
    請求項１５または請求項１６に記載の回路保護方法。

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