JP2012078136A - 半導体装置及び半導体装置の昇圧回路の異常診断方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体装置に備えられた昇圧回路の異常を診断することができる、半導体装置及び半導体装置の昇圧回路の異常診断方法を提供する。
【解決手段】電池セルＶｃ５の正極側から供給される電源電圧ＶＣＣをバッファアンプ３０内のＭＯＳトランジスタを飽和領域で駆動させることができる駆動電圧ＶＣＣ１に昇圧して駆動電圧として供給する昇圧回路４２の入力側と出力側とを短絡させるショートＳＷ４３を備える。電池セルＶｃ５の電圧測定時に、出力電圧Ｖｏｕｔが異常な電圧値である場合に、ショートＳＷ４３をオフ状態にして昇圧回路４２により昇圧された駆動電圧ＶＣＣ１をバッファアンプ３０に供給して測定した出力電圧Ｖｏｕｔ（ｓｗｏｆｆ）と、ショートＳＷ４３をオン状態にして昇圧回路４２を介さずに電源電圧ＶＣＣをバッファアンプ３０に供給して測定した出力電圧出力電圧Ｖｏｕｔ（ｓｗｏｎ）とを比較することにより、昇圧回路４２の異常を診断する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置及び半導体装置の昇圧回路の診断方法、特に電池監視用半導体装置、及び電池監視用半導体装置の昇圧回路の異常診断方法に関するものである。

一般に、直列に接続された複数の電池の監視・制御を行うための半導体装置がある。このような電池監視用半導体装置として、例えば車両等に搭載される電池を監視・制御するための電池監視ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｌ Ｃｉｒｃｕｉｔ）が知られている。このような電池監視ＩＣとして、本出願人が先に出願した発明の特願２０１０−１０２３８５に記載の半導体装置がある。当該半導体装置の概略構成の一例を図６に示す。図６に示した半導体装置１００は、セル選択ＳＷ１１８、バッファアンプ１２０、アナログレベルシフタ１２２、及び昇圧回路１４２を備えて構成されている。

電池１１４は、直列に接続された５個の電池セルＶｃ１〜Ｖｃ５を含んでおり、電池セルＶｃ１の負極は、ＧＮＤ（グランド）に接続されている。また、電池セルＶｃ５の正極は、電池監視ＩＣ１００の電源電圧ＶＣＣに接続されている。電池１１４の両端電圧Ｖ０〜Ｖ５は、各々のＬＰＦ（ローパスフィルタ）１１６を介して、電池監視ＩＣ１００のセル選択ＳＷ１１８の入力に接続されている。セル選択ＳＷ１１８の出力はバッファアンプ１２０（バッファアンプ１３０、バッファアンプ１３２）に接続されている。バッファアンプ１２０の出力は、アナログレベルシフタ１２２に接続されている。アナログレベルシフタ１２２は、検出抵抗Ｒ１〜Ｒ４、アンプ１３６を備えて構成されている。また昇圧回路１４２は、電池１１４の電池セルＶｃ５の正極側から供給される電源電圧ＶＣＣを駆動電圧ＶＣＣ１に昇圧し、バッファアンプ１２０のバッファアンプ１３０及びバッファアンプ１３２の駆動電圧として供給する機能を有するものである。

従来の電池監視ＩＣ１００による電池１１４の電池電圧の測定について説明する。電池セルＶｃ１の電圧値を測定する場合、セル選択ＳＷ１１８のスイッチング素子ＳＷ１＿２、ＳＷ０がオン状態になり、その他のスイッチング素子がオフ状態になる。電池セルＶｃ１の電圧Ｖｃ１＝Ｖ１−Ｖ０はアナログレベルシフタ１２２によって電圧変換され、Ｖｏｕｔ＝Ｖｃ１になり、ＧＮＤ基準の電圧に変換される。

同様に、電池セルＶｃ２の電圧を測定する場合、セル選択ＳＷ１１８のスイッチング素子ＳＷ２＿２、ＳＷ１＿１がオン状態になり、その他のスイッチング素子がオフ状態になり、アナログレベルシフタ１２２よって電圧変換されて、Ｖｏｕｔ＝Ｖｃ２になる。電池セルＶｃ３の電圧を測定する場合は、セル選択ＳＷ１１８のスイッチング素子ＳＷ３＿２、ＳＷ２＿１がオン状態になり、その他のスイッチング素子がオフ状態になり、アナログレベルシフタ１２２よって電圧変換されて、Ｖｏｕｔ＝Ｖｃ３になる。電池セルＶｃ４の電圧を測定する場合は、セル選択ＳＷ１１８のスイッチング素子ＳＷ４＿２、ＳＷ３＿１がオン状態になり、その他のスイッチング素子がオフ状態になり、アナログレベルシフタ１２２よって電圧変換されて、Ｖｏｕｔ＝Ｖｃ４になる。電池セルＶｃ５の電圧を測定する場合、セル選択ＳＷ１１８のスイッチング素子ＳＷ５、ＳＷ４＿１がオン状態になり、その他のスイッチング素子がオフ状態になり、アナログレベルシフタ１２２よって電圧変換されて、Ｖｏｕｔ＝Ｖｃ５になる。

ここで、電池セルＶｃ５の電圧を測定する場合、昇圧回路４２により電源電圧ＶＣＣを昇圧せずにそのままバッファアンプ１２０のバッファアンプ１３０、バッファアンプ１３２に供給すると、バッファアンプ１３０では、Ｖｘ＝Ｖ５＝ＶＣＣであり、入力電圧と電源電圧（駆動電圧）とが同じになってしまい、バッファアンプ１３０内のトランジスタが非飽和領域で動作し、バッファアンプ１３０の出力Ｖｘ１のオフセット電圧Ｖｏｓが大きくなり、その結果、出力電圧Ｖｏｕｔによる電池電圧の測定精度が低下する場合がある。そのため、半導体装置１００では、昇圧回路１４２により、電源電圧ＶＣＣを、バッファアンプ１３０内のトランジスタを飽和領域で動作させることができる駆動電圧ＶＣＣ１に昇圧し、駆動電圧ＶＣＣ１をバッファアンプ１３０に供給している。これにより、バッファアンプ１３０のオフセット電圧Ｖｏｓを抑制し、出力電圧Ｖｏｕｔによる電池電圧の測定精度が向上させている。

上述の半導体装置１００では、電池セルＶｃ５の電圧測定時に、出力電圧Ｖｏｕｔが異常と考えられる電圧を測定した場合に、昇圧回路１４２の異常（故障）により、電源電圧ＶＣＣが駆動電圧ＶＣＣ１に適正に昇圧されずに、バッファアンプ１３０に供給されてしまったために出力電圧Ｖｏｕｔが異常になったのか、アナログレベルシフタ１２２等、他の部分の異常（故障）により出力電圧Ｖｏｕｔが異常になったのか、故障ヵ所を切り分けることができなかった。

本発明は、上述した問題を解決するために提案されたものであり、半導体装置に備えられた昇圧回路の異常を診断することができる、半導体装置及び半導体装置の昇圧回路の異常診断方法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、請求項１に記載の半導体装置は、各々がローパスフィルタを介して直列に接続された複数の電池の各々に接続され、前記直列に接続された複数の電池のいずれか１つを選択する複数のスイッチング素子と、前記直列に接続された複数の電池から供給される電源電圧により駆動するトランジスタを含んで構成され、かつ前記スイッチング素子により選択された電池の一端の電圧が入力されると共に、前記ローパスフィルタから前記スイッチング素子に流れる電流を制限する大きさの入力インピーダンスを有する第１バッファアンプと、前記電源電圧により駆動するトランジスタを含んで構成され、かつ前記スイッチング素子により選択された電池の他端の電圧が入力されると共に、前記ローパスフィルタから前記スイッチング素子に流れる電流を制限する大きさの入力インピーダンスを有する第２バッファアンプと、前記電源電圧により駆動し、かつ 前記第１バッファアンプから出力された電圧と前記第２バッファアンプから出力された電圧との差を出力するレベルシフタと、前記電源電圧を、前記第１バッファアンプに含まれるトランジスタ及び前記第２バッファアンプに含まれるトランジスタを飽和領域で動作させるための電圧値に昇圧する昇圧手段と、制御信号に基づいて、前記昇圧手段の入力側と出力側とを短絡させる短絡素子と、を備える。

請求項２に記載の半導体装置は、請求項１に記載の半導体装置において、前記短絡素子は、制御信号に基づいて、前記昇圧手段の異常診断を行う場合に前記昇圧手段の入力側と出力側とを短絡させる。

請求項３に記載の半導体装置は、請求項１または請求項２に記載の半導体装置において、前記スイッチング素子が前記直列に接続された複数の電池のうち、一端がグランドに接続された電池を選択した場合に、外部に出力する電圧を、前記レベルシフタから出力された電圧から前記スイッチング素子が選択した電池の他端の電圧に切り替える切替素子を備えた。

請求項４に記載の半導体装置は、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置において、前記第１バッファアンプを介さずに電流を流すために、前記第１バッファアンプの入力端子と出力端子とを接続するための第１接続素子と、前記第２バッファアンプを介さずに電流を流すために、前記第２バッファアンプの入力端子と出力端子とを接続するための第２接続素子と、を備えた。

請求項５に記載の半導体装置の昇圧手段の異常診断方法は、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体装置において、昇圧手段を介して供給された、第１バッファアンプに含まれるトランジスタ及び第２バッファアンプに含まれるトランジスタを飽和領域で動作させるための電圧値に昇圧された電源電圧に基づいて、前記第１バッファアンプ及び前記第２バッファアンプを駆動させて、電池の第１電圧値を測定するステップと、前記半導体装置において、短絡素子により前記昇圧手段の入力側と出力側とを短絡させて前記昇圧手段を介さずに供給された前記電源電圧に基づいて、前記第１バッファアンプ及び前記第２バッファアンプを駆動させて、前記電池の第２電圧値を測定するステップと、前記第１電圧値と前記第２電圧値とを比較するステップと、を備えた。

請求項６に記載の半導体装置の昇圧手段の異常診断方法は、請求項５に記載の半導体装置の昇圧手段の異常診断方法において、前記第１電圧値と前記第２電圧値とを比較した結果、前記第１電圧値と前記第２電圧値とが同一である場合は、前記昇圧回路が異常であると診断するステップを備えた。

請求項７に記載の半導体装置の昇圧手段の異常診断方法は、請求項５または請求項６に記載の半導体装置の昇圧手段の異常診断方法において、前記第１電圧値と前記第２電圧値とを比較した結果、前記第１電圧値と前記第２電圧値との差が予め定められた範囲内にある場合は、前記昇圧回路が正常であると診断するステップを備えた。

本発明によれば、半導体装置に備えられた昇圧回路の異常を診断することができる、という効果を奏する。

本実施の形態に係る半導体装置の概略構成の一例を示す回路図である。 セル選択スイッチの概略構成の具体的一例を示す回路図である。 バッファアンプの概略構成の具体的一例を示す回路図である。 本実施の形態の半導体装置における昇圧回路の異常診断を行う診断部の一例を説明するための概略構成図である。 本実施の形態の半導体装置における昇圧回路の異常診断処理の流れの一例のフローチャートである。 従来の半導体装置の概略構成の一例を示す回路図である。

以下、図面を参照して本実施の形態の電池監視用の半導体装置について詳細に説明する。

図１に、本実施の形態の半導体装置（電池監視ＩＣ）の概略構成の一例の回路図を示す。本実施の形態の電池監視ＩＣ１０は、セル選択ＳＷ１８、バッファアンプ２０、及びアナログレベルシフタ２２を備えて構成されている。バッファアンプ２０は、バッファアンプ３０バッファアンプ３２、昇圧回路４２、及び昇圧回路４２の異常を診断する際に用いられるショートＳＷ４３を含んで構成されており、アナログレベルシフタ２２は、検出抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４及びアンプ３６により差動増幅回路を構成している。

電池１４は、直列に接続された５個の電池セルＶｃ１〜Ｖｃ５を含んでおり、電池セルＶｃ１の負極は、ＧＮＤに接続されている。また、電池セルＶｃ５の正極は、電池監視ＩＣ１０の電源に接続されている。電池セルＶｃ１〜Ｖｃ５各々の両端は、両端電圧Ｖ０〜Ｖ５が入力されるようにコンデンサＣｆ１〜Ｃｆ５、及び抵抗Ｒｆ０〜Ｒｆ５により構成されるＬＰＦ１６を介して、電池監視ＩＣ１０のセル選択ＳＷ１８のスイッチング素子ＳＷ０〜ＳＷ５に接続されている。

セル選択ＳＷ１８は、各電池セルＶｃ１〜Ｖｃ５を選択するためのスイッチング素子ＳＷ０〜ＳＷ５を含んで構成されている。本実施の形態では、スイッチング素子ＳＷ０〜ＳＷ５は、全て同様の構造をしており、高耐圧のＭＯＳトランジスタにより構成されている。本実施の形態のスイッチング素子ＳＷ０〜ＳＷ５の具体的一例の回路図を図２に示す。本実施の形態のスイッチング素子ＳＷ０〜ＳＷ５は、ＮＭＯＳトランジスタ７０、ＰＭＯＳトランジスタ７２、及び論理否定回路７４を含んで構成されている。論理否定回路７４に入力される制御信号がハイレベルの場合は、ＮＭＯＳトランジスタ７０及びＰＭＯＳトランジスタ７２がオン状態になり、ＬＰＦ１６からバッファアンプ２０に電圧が出力される。一方、論理否定回路７４に入力される制御信号がローレベルの場合は、ＮＭＯＳトランジスタ７０及びＰＭＯＳトランジスタ７２がオフ状態になり、ＬＰＦ１６からバッファアンプ２０に電圧が出力されない。なおスイッチング素子ＳＷ０〜ＳＷ５は、高耐圧トランジスタにより構成されるものであればこれに限定されず、その他の構成であってもよい。

セル選択ＳＷ１８の出力は、バッファアンプ２０の非反転端子に接続されている。本実施の形態では、セル選択ＳＷ１８のスイッチング素子ＳＷ０、ＳＷ１＿１、ＳＷ２＿１、ＳＷ３＿１、ＳＷ４＿１がバッファアンプ３２の非反転入力端子に接続されており、スイッチング素子ＳＷ１＿２、ＳＷ２＿２、ＳＷ３＿２、ＳＷ４＿２、ＳＷ５がバッファアンプ３０の非反転入力端子に接続されている。なお、バッファアンプ３０、３２の反転端子には、各々出力が接続（負帰還）されている。

本実施の形態では、バッファアンプ３０、３２は、同様の構造をしており、高耐圧のＭＯＳトランジスタにより構成されている。本実施の形態のバッファアンプ３０、３２の具体的一例の回路図を図３に示す。本実施の形態のバッファアンプ３０、３２は、ＰＭＯＳトランジスタ８０、８２、８４、８６、コンデンサ８８、及びＮＭＯＳトランジスタ９０、９２、９４を含んで構成されている。本実施の形態では、非反転端子から入力された電圧Ｖｘ、Ｖｙと電圧値が同じ電圧Ｖｘ１、Ｖｙ１（Ｖｘ＝Ｖｘ１、Ｖｙ＝Ｖｙ１）が出力端子から出力される。なおバッファアンプ３０、３２は、高耐圧トランジスタにより構成されるものであればこれに限定されず、その他の構成であってもよい。

バッファアンプ２０の出力は、アナログレベルシフタ２２に接続されている。本実施の形態では、バッファアンプ３０の出力（Ｖｘ１）は、検出抵抗Ｒ１を介してアンプ３６の非反転端子に接続されており、バッファアンプ３２の出力（Ｖｙ１）は、アンプ３６の反転端子に接続されている。

昇圧回路４２は、電池１４の電池セルＶｃ５の正極側から供給される電源電圧ＶＣＣを所定の駆動電圧ＶＣＣ１（ＶＣＣ＜ＶＣＣ１）に昇圧し、昇圧した電圧ＶＣＣ１をバッファアンプ２０のバッファアンプ３０、３２の駆動電圧として供給する機能を有するものである。また、ショートＳＷ４３は、昇圧回路４２の異常を診断する際に、電池監視ＩＣ１０外部から入力される制御信号等により、オンまたはオフされるものであり、これにより、バッファアンプ３０に供給される駆動電圧が、昇圧回路４２により昇圧された駆動電圧ＶＣＣ１、及び電源電圧ＶＣＣのいずれかに切り替えられる。

アナログレベルシフタ２２は、セル選択ＳＷ１８により選択された電池セルの両端電圧の電圧値の差をＶｏｕｔとして電池監視ＩＣ１０の外部に出力する機能を有するものである。本実施の形態のアナログレベルシフタ２２の具体的一例としては、バッファアンプ３０、３２と同様の構造（図３参照）を有したアンプ３６、及び抵抗値が同一の検出抵抗Ｒ１〜Ｒ４（Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４）を備えた構成が挙げられる。

本実施の形態の電池監視ＩＣ１０の動作について説明する。

まず、本実施の形態の電池監視ＩＣ１０による電池セルＶｃ１〜Ｖｃ５の電池電圧の測定について説明する。電池セルＶｃ１の電圧値（Ｖ１−Ｖ０＝Ｖｃ１）を測定する場合、セル選択ＳＷ１８のスイッチング素子ＳＷ１＿２、ＳＷ０がオン状態になり、その他のスイッチング素子がオフ状態になる。バッファアンプ３０、３２の入力インピーダンスが高いため、電流による抵抗Ｒｆ４、Ｒｆ５、セル選択ＳＷ１８（スイッチング素子ＳＷ１＿２、ＳＷ０）による電圧降下がないため、電圧Ｖｘ＝Ｖ１、電圧Ｖｙ＝Ｖ０になる。従って、アナログレベルシフタ２２の出力Ｖｏｕｔは、Ｖ１−Ｖ０＝Ｖｃ１となり、グランド基準の電圧に変換されて外部に出力される。

なお同様に、電池セルＶｃ２の電圧を測定する場合、セル選択ＳＷ１８のスイッチング素子ＳＷ２＿２、ＳＷ１＿１がオン状態になり、その他のスイッチング素子がオフ状態になり、アナログレベルシフタ２２からＶｏｕｔ＝Ｖｃ２が出力される。電池セルＶｃ３の電圧を測定する場合は、セル選択ＳＷ１８のスイッチング素子ＳＷ３＿２、ＳＷ２＿１がオン状態になり、その他のスイッチング素子がオフ状態になり、アナログレベルシフタ２２からＶｏｕｔ＝Ｖｃ３が出力される。電池セルＶｃ４の電圧を測定する場合は、セル選択ＳＷ１８のスイッチング素子ＳＷ４＿２、ＳＷ３＿１がオン状態になり、その他のスイッチング素子がオフ状態になり、アナログレベルシフタ２２からＶｏｕｔ＝Ｖｃ４が出力される。電池セルＶｃ５の電圧を測定する場合、セル選択ＳＷ１８のスイッチング素子ＳＷ５、ＳＷ４＿１がオン状態になり、その他のスイッチング素子がオフ状態になり、アナログレベルシフタ２２からＶｏｕｔ＝Ｖｃ５が出力される。

本実施の形態の電池監視ＩＣ１０では、電池セルＶｃ５の電池電圧を測定する場合、昇圧回路４２により電源電圧ＶＣＣを昇圧せずにそのままバッファアンプ２０のバッファアンプ３０及びバッファアンプ３２に供給すると電池セルＶｃ５の正極側に接続されているバッファアンプ３０の入力電圧ＶｘがＶｘ＝Ｖ５＝ＶＣＣとなる。このようにバッファアンプ３０の入力電圧の電圧値とバッファアンプ３０の駆動電圧の電圧値とが同じく電源電圧ＶＣＣになるため、バッファアンプ３０内のＭＯＳトランジスタが非飽和領域で動作し、バッファアンプ３０の出力のオフセット電圧Ｖｏｓが大きくなる。オフセット電圧Ｖｏｓの影響により、出力電圧Ｖｏｕｔによる電池電圧の測定精度が低下する場合がある。

そこで本実施の形態では、電源電圧ＶＣＣを昇圧回路４２により、バッファアンプ３０内のＭＯＳトランジスタを飽和領域で動作させられる駆動電圧ＶＣＣ１に昇圧し、昇圧した駆動電圧ＶＣＣ１をバッファアンプ３０、３２の駆動電圧として供給する。これにより、バッファアンプ３０を構成するＭＯＳトランジスタが飽和領域で動作するため、オフセット電圧Ｖｏｓを抑制し、バッファアンプ３０の出力電圧Ｖｘ１にオフセット電圧Ｖｏｓの影響がなくなり、アナログレベルシフタ２２から出力される出力電圧Ｖｏｕｔによる電池電圧の測定精度が向上する。

なお、昇圧回路４２による電源電圧ＶＣＣの昇圧は、バッファアンプ３０、３２を構成するＭＯＳトランジスタを飽和領域で動作させることができる駆動電圧ＶＣＣ１に昇圧すればよく、具体的な一例として、電源電圧ＶＣＣ＝６０Ｖであり、当該電圧値がＭＯＳトランジスタの飽和領域外である場合に飽和領域で動作させられる駆動電圧ＶＣＣ１＝６５Ｖ以上に昇圧すればよい。なお、具体的な電圧値は、ＭＯＳトランジスタの仕様に応じて定めればよい。

また、本実施の形態の電池監視ＩＣ１０は、スイッチング素子ＳＷＫを備えて構成されている。スイッチング素子ＳＷＫは、電池監視ＩＣ５０から出力する出力電圧Ｖｏｕｔをアナログレベルシフタ２２から出力された電圧にするか電圧Ｖｘにするかを切り替える機能を有するものである。なお、スイッチング素子ＳＷＫは必須の構成ではないが、スイッチング素子ＳＷＫを備えることにより、以下に説明するように電池電圧の測定精度を向上させられる場合があるため、スイッチング素子ＳＷＫを備えることが好ましい。

電池１４の電池セルＶｃ１の電池電圧を測定する場合、電池セルＶｃ１の負極側に接続されているバッファアンプ３２の入力電圧Ｖｙは、電池セルＶｃ１の負極側がＧＮＤに接続されているため、入力電圧Ｖｙ＝ＧＮＤとなる。このようにバッファアンプ３２の入力電圧の電圧値（ＧＮＤ）とバッファアンプ３２のＧＮＤとが同じであるため、バッファアンプ３２内のＭＯＳトランジスタが非飽和領域で動作し、バッファアンプ３２の出力のオフセット電圧Ｖｏｓが大きくなる。そのため、当該オフセット電圧Ｖｏｓの影響により、出力電圧Ｖｏｕｔによる電池電圧の測定精度が低下する場合がある。そのため、電池セルＶｃ１の電池電圧を測定する場合は、セル選択ＳＷ１８のスイッチング素子ＳＷ０、ＳＷ１−２をオン状態にすると共に、スイッチング素子ＳＷＫにより、電池監視ＩＣ５０外部に出力する出力電圧Ｖｏｕｔを、バッファアンプ３２を介してアナログレベルシフタ２２から出力された電圧から、電圧Ｖｘに切り替える。これにより、非飽和領域で動作してしまうバッファアンプ３２を用いずに、直接電池セルＶｃ１の正極側を出力電圧Ｖｏｕｔが出力される出力端子に接続するため、出力電圧Ｖｏｕｔによる電池電圧の測定精度が向上する。

またさらに、本実施の形態の1電池監視ＩＣ１０は、バッファアンプ３０、３２の出力端子と入力端子とを接続するためのショートＳＷ６２、６４を備えて構成されている。ショートＳＷ６２、６４はそれぞれバッファアンプ３０、３２をショートさせ、バッファアンプ３０、３２をオフ状態にする機能を有するものである。なお、ショートＳＷ６２、６４は必須の構成ではないが、ショートＳＷ６２、６４を備えることにより、以下に説明するように、バッファアンプ３０、３２が異常となり、電池電圧の測定精度が低下する場合があるため、ショートＳＷ６２、６４を備えることが好ましい。

セル選択ＳＷ１８の出力がバッファアンプ３０、３２を介してアナログレベルシフタ２２に接続されているため、バッファアンプ３０、３２が正常に動作していない（異常である）場合は、出力電圧Ｖｏｕｔが適正な電圧値とならず、電池電圧の測定精度が低下する場合がある。このような場合、ショートＳＷ６２、６４のスイッチング素子ＳＷＰ、ＳＷＮをオフ状態にし、バッファアンプ３０、３２を介した通常の電池セルＶｃ１〜Ｖｃ５の電池電圧の測定を行う。また、ショートＳＷ６２、６４のスイッチング素子ＳＷＰ、ＳＷＮをオン状態にし、バッファアンプ３０、３２を介さずに電池セルＶｃ１〜Ｖｃ５の電池電圧の測定を行う。両測定結果を比較し、測定値が一致した場合（予め定めた許容誤差範囲内である場合を含む）は、バッファアンプ３０、３２は、異常であるとみなせる。一方、一致しない場合は、正常に動作しているとみなせる。このように、バッファアンプ３０、３２の動作の自己判断が可能となるため、電池電圧の測定精度が低下するのを防止することができる。

本実施の形態の電池監視ＩＣ１０では、上述のようにして電池監視ＩＣ１０から出力された出力電圧Ｖｏｕｔの電圧値を測定することにより、電池セルＶｃ１〜Ｖｃ５の電池電圧の測定が行われる。例えば、車等に搭載される電池（電気自動車やハイブリッド電気自動車用の蓄電池等）の測定に用いられる。

次に、本実施の形態の電池監視ＩＣ１０に備えられた昇圧回路４２の異常の診断について説明する。なお、本実施の形態の電池監視ＩＣ１０では、電池１４の電池セルＶｃ５の電圧測定時に、出力電圧Ｖｏｕｔが異常と考えられる値を示した場合に、昇圧回路４２の異常の診断を行う。昇圧回路４２の異常の診断は、電池セルＶｃ５の電圧測定において、ショートＳＷ４３をオン状態にして昇圧回路４２を介さずに（昇圧回路４２がオフ状態）、電源電圧ＶＣＣをそのままバッファアンプ３０の駆動電圧として供給した場合に電池監視ＩＣ１０から出力される出力電圧Ｖｏｕｔ（以下、Ｖｏｕｔ（ｓｗｏｎ）という）と、ショートＳＷ４３をオフ状態にして昇圧回路４２を介して（昇圧回路４２がオン状態）、電源電圧ＶＣＣが昇圧された駆動電圧ＶＣＣ１をバッファアンプ３０の駆動電圧として供給した場合に電池監視ＩＣ１０から出力される出力電圧Ｖｏｕｔ（以下、Ｖｏｕｔ（ｓｗｏｆｆ）という）とを比較することにより行う。

ここで、昇圧回路４２の異常と、出力電圧Ｖｏｕｔ（ｓｗｏｎ）及び出力電圧Ｖｏｕｔ（ｓｗｏｆｆ）との関係について説明する。

まず、昇圧回路４２が正常に動作する場合について説明する。電源電圧ＶＣＣが昇圧回路４２により昇圧された駆動電圧ＶＣＣ１がバッファアンプ３０に供給されるため、オフセット電圧Ｖｏｓが抑制され、バッファアンプ３０の出力電圧Ｖｘ１が適正な電圧値になり、出力電圧Ｖｏｕｔ（ｓｗｏｆｆ）ではオフセット電圧Ｖｏｓの影響が抑制される。ここで、ショートＳＷ４３をオン状態にし、昇圧回路４２を介さずに電源電圧ＶＣＣをそのままバッファアンプ３０に供給すると、入力電圧Ｖｘ＝Ｖ５＝ＶＣＣになり、入力電圧と、駆動電圧とが同一となるため、オフセット電圧Ｖｏｓが大きくなる。そのため、出力電圧Ｖｘ１は、当該オフセット電圧Ｖｏｓが加味された電圧値となり、出力電圧Ｖｏｕｔ（ｓｗｏｎ）も、オフセット電圧Ｖｏｓが加味された電圧値となる。従って、出力電圧Ｖｏｕｔ（ｓｗｏｆｆ）≠出力電圧Ｖｏｕｔ（ｓｗｏｎ）となる。

次に、昇圧回路４２に異常が発生しており、正常に動作しない場合について説明する。なお、昇圧回路４２の異常な状態には複数種類あるため、以下、異常状態の種類毎に説明する。

昇圧回路４２が全く動作していないという異常状態がある。すなわち、電源電圧ＶＣＣ＝駆動電圧ＶＣＣ１となる場合である。このような場合では、ショートＳＷ４３をオン状態にして昇圧回路４２を介さない場合、及びショートＳＷ４３をオフ状態にして昇圧回路４２を介する場合のいずれも、バッファアンプ３０に駆動電圧として電源電圧ＶＣＣがそのまま供給される。従って、出力電圧Ｖｏｕｔ（ｓｗｏｎ）＝出力電圧Ｖｏｕｔ（ｓｗｏｆｆ）となり、このような場合は、異常状態と診断できる。

また、昇圧回路４２が本来設定されていた設定値（駆動電圧ＶＣＣ１）よりも高い電圧値に電源電圧ＶＣＣを昇圧してしまうという異常状態がある。この場合、昇圧した電圧値は、バッファアンプ３０内のＭＯＳトランジスタを飽和領域で駆動させることができる駆動電圧ＶＣＣ１よりも高い値であるため、このような電圧値の駆動電圧をバッファアンプ３０に供給した場合においても昇圧回路４２が正常に動作する場合と同様に、バッファアンプ３０内のＭＯＳトランジスタを飽和領域で駆動させることができる。従って、オフセット電圧Ｖｏｓの発生が抑制され、昇圧回路４２が正常に動作する場合と同様に、出力電圧Ｖｏｕｔ（ｓｗｏｆｆ）≠出力電圧Ｖｏｕｔ（ｓｗｏｎ）となる。なお、本実施の形態では、このような異常の状態は診断しないように構成しているが、このような異常状態は、出力電圧Ｖｏｕｔの測定精度が低下することはないため、電池セルの電圧の測定には影響を与えない。

また、昇圧回路４２が本来設定されていた設定値（駆動電圧ＶＣＣ１）よりも低い電圧値に電源電圧ＶＣＣを昇圧するが、昇圧した電圧値がバッファアンプ３０内のＭＯＳトランジスタを飽和領域で動作できる電圧値であるという異常状態がある。この場合、上述の昇圧回路４２が駆動電圧ＶＣＣ１よりも高い電圧値に電源電圧ＶＣＣを昇圧してしまうという異常状態と同様に、バッファアンプ３０内のＭＯＳトランジスタを飽和領域で駆動させることができる。従って、オフセット電圧Ｖｏｓの発生が抑制され、出力電圧Ｖｏｕｔ（ｓｗｏｆｆ）≠出力電圧Ｖｏｕｔ（ｓｗｏｎ）となる。なお、本実施の形態では、このような異常の状態は診断しないように構成しているが、このような異常状態は、出力電圧Ｖｏｕｔの測定精度が低下することはないため、電池セルの電圧の測定には影響を与えない。

また、昇圧回路４２が電源電圧ＶＣＣを昇圧するものの、バッファアンプ３０内のＭＯＳトランジスタを飽和領域で動作させることができない程度の電圧値に昇圧してしまうという異常状態がある。この場合、昇圧した電圧値は、バッファアンプ３０内のＭＯＳトランジスタを飽和領域で駆動させることができないため、バッファアンプ３０では、オフセット電圧が発生する。しかしながら、バッファアンプ３０内のＭＯＳトランジスタが電源電圧ＶＣＣよりも電圧値の高い電圧により駆動するため、発生するオフセット電圧Ｖｏｓ（以下、オフセット電圧Ｖｏｓ（ｓｗｏｆｆ）という。）は、ショートＳＷ４３をオン状態にし、昇圧回路４２を介さずに電源電圧ＶＣＣをそのままバッファアンプ３０に供給した場合に発生するオフセット電圧Ｖｏｓ（以下、オフセット電圧Ｖｏｓ（ｓｗｏｎ）という。）よりも小さくなる（オフセット電圧Ｖｏｓ（ｓｗｏｎ）＜オフセット電圧Ｖｏｓ（ｓｗｏｆｆ））。従って、出力電圧Ｖｏｕｔに加味されるオフセット電圧Ｖｏｓの電圧値が異なるため、昇圧回路４２が正常に動作した場合と同様に出力電圧Ｖｏｕｔ（ｓｗｏｆｆ）≠出力電圧Ｖｏｕｔ（ｓｗｏｎ）となる。なお、このような場合、予めこのようにオフセット電圧Ｖｏｓ（ｓｗｏｎ）＜オフセット電圧Ｖｏｓ（ｓｗｏｆｆ）となった場合の出力電圧Ｖｏｕｔ（ｓｗｏｆｆ）と、正常に動作した場合の出力電圧Ｖｏｕｔ（ｓｗｏｆｆ）と、に基づいて、例えば、出力電圧Ｖｏｕｔ（ｓｗｏｆｆ）と出力電圧Ｖｏｕｔ（ｓｗｏｎ）との差が、正常に動作したと診断できる所定の範囲を求めておき、出力電圧Ｖｏｕｔ（ｓｗｏｆｆ）−出力電圧Ｖｏｕｔ（ｓｗｏｎ）が当該所定の範囲にあるか否かにより、昇圧回路４２が異常状態にあるか否かを診断するようにすればよい。

また、昇圧回路４２が電源電圧ＶＣＣを逆昇圧する、すなわち、電源電圧ＶＣＣ＞駆動電圧ＶＣＣ１となるという異常状態がある。この場合、バッファアンプ３０では、入力電圧Ｖｘ＞駆動電圧ＶＣＣ１となってしまう。駆動電圧を越える入力電圧Ｖｘは扱えなかったり、ダメージを受けたりするアンプが一般にあるが、バッファアンプ３０が、駆動電圧を超える入力電圧Ｖｘが入力されても正常に動作するものである場合について考えると、出力電圧Ｖｘ１は、駆動電圧ＶＣＣ１を越えることがないため、駆動電圧ＶＣＣが供給された場合（ショートＳＷ４３がオン状態の場合）よりも電圧値が小さくなる。従って、出力電圧Ｖｏｕｔ（ｓｗｏｎ）＞出力電圧Ｖｏｕｔ（ｓｗｏｆｆ）になる。このような場合においても、昇圧回路４２が正常に動作した場合と同様に出力電圧Ｖｏｕｔ（ｓｗｏｆｆ）≠出力電圧Ｖｏｕｔ（ｓｗｏｎ）となるが、上述の昇圧回路４２が、バッファアンプ３０内のＭＯＳトランジスタを飽和領域で動作させることができない程度の電圧値に電源電圧ＶＣＣを昇圧してしまうという異常状態において述べたように、昇圧回路４２が正常に動作したと診断できる、出力電圧Ｖｏｕｔ（ｓｗｏｆｆ）−出力電圧Ｖｏｕｔ（ｓｗｏｎ）の所定の範囲を求めておき、当該所定の範囲にあるか否かにより、昇圧回路４２が異常状態にあるか否かを診断するようにすればよい。

このような昇圧回路４２の異常の診断を行う場合は、例えば、電池監視ＩＣ１０の外部に設けられた診断部７０等（図４参照）からショートＳＷ４３のオン及びオフを制御する制御信号が入力されると共に、診断部７０により、出力電圧Ｖｏｕｔ（ｓｗｏｆｆ）及び出力電圧Ｖｏｕｔ（ｓｗｏｎ）の比較等が行われる。

本実施の形態の電池監視ＩＣ１０における昇圧回路４２の異常診断処理の流れの一例を図５に示す。

ステップ１００では、電池１４の電池セルＶｃ５の電圧値を測定するために、セル選択ＳＷ１８のスイッチング素子ＳＷ５、４＿１をオン状態に、その他のスイッチング素子をオフ状態にする。

次のステップ１０２では、ショートＳＷ４３をオフ状態（昇圧回路４２をオン状態）にする。これにより、昇圧回路４２により電源電圧ＶＣＣが駆動電圧ＶＣＣ１に昇圧され、バッファアンプ３０の駆動電圧として供給される。次のステップ１０４では、出力電圧Ｖｏｕｔ（ｓｗｏｆｆ）を測定する。

次のステップ１０６では、ショートＳＷ４３のスイッチング素子ＳＷＣをオン状態（昇圧回路４２をオフ状態）にする。これにより、昇圧回路４２を介さずに、電源電圧ＶＣＣがそのままバッファアンプ３０の駆動電圧として供給される。次のステップ１０８では、出力電圧Ｖｏｕｔ（ｓｗｏｎ）を測定する。

次のステップ１１０では、出力電圧Ｖｏｕｔ（ｓｗｏｆｆ）と出力電圧Ｖｏｕｔ（ｓｗｏｎ）とを比較し、次のステップ１１２では、出力電圧Ｖｏｕｔ（ｓｗｏｆｆ）と出力電圧Ｖｏｕｔ（ｓｗｏｎ）とが一致するか否か判断する。一致する場合は、肯定されてステップ１１８に進む。このような場合は、上述した昇圧回路４２が全く動作していないという異常状態が発生している場合であるため、ステップ１１８で昇圧回路４２が異常と診断し、診断処理を終了する。

一方、ステップ１１２で出力電圧Ｖｏｕｔ（ｓｗｏｆｆ）と出力電圧Ｖｏｕｔ（ｓｗｏｎ）とが一致しないと判断された場合は、ステップ１１４へ進む。ステップ１１４では、出力電圧Ｖｏｕｔ（ｓｗｏｆｆ）と出力電圧Ｖｏｕｔ（ｓｗｏｎ）との差が上述した、正常に動作したと診断できる所定の範囲内にあるか否かを判断する。出力電圧Ｖｏｕｔ（ｓｗｏｆｆ）と出力電圧Ｖｏｕｔ（ｓｗｏｎ）との差が、当該所定の範囲内にある場合は、肯定されてステップ１１６へ進み、昇圧回路４２が正常と診断し、診断処理を終了する。一方、出力電圧Ｖｏｕｔ（ｓｗｏｆｆ）と出力電圧Ｖｏｕｔ（ｓｗｏｎ）との差が、当該所定の範囲内にない場合は、否定されてステップ１１８へ進む。このような場合は、上述した昇圧回路４２が昇圧したＶＣＣ１がバッファアンプ３０内のＭＯＳトランジスタを飽和領域で動作させることができない程度の電圧値であるという異常状態、または昇圧回路４２が電源電圧ＶＣＣを逆昇圧するという異常状態であるため、ステップ１１８で昇圧回路４２が異常と診断し、診断処理を終了する。

このようにして昇圧回路４２の異常状態を診断した結果、昇圧回路４２が正常に動作していると診断した場合に、なお、出力電圧Ｖｏｕｔが異常と考えられる電圧値である場合は、昇圧回路４２以外の部分に異常が生じていると判断することができる。またさらに、上述したように、ショートＳＷ６２、６４を用いて、バッファアンプ３０、３２が正常に動作しているか診断し、両者共に正常に動作している場合は、アナログレベルシフタ２２に異常が生じていると診断することができる。

以上説明したように、本実施の形態の電池監視ＩＣ１０では、電池セルＶｃ５の正極側から供給される電源電圧ＶＣＣを、バッファアンプ３０内のＭＯＳトランジスタを飽和領域で駆動させることができる駆動電圧ＶＣＣ１に昇圧してバッファアンプ３０の駆動電圧として供給する昇圧回路４２の入力側と出力側とを短絡させるスイッチング素子ＳＷＣを含むショートＳＷ４３を備えるため、電池セルＶｃ５の電圧測定時に、出力電圧Ｖｏｕｔが異常と考えられる電圧を測定した場合に、ショートＳＷ４３をオフ状態にして昇圧回路４２により昇圧された駆動電圧ＶＣＣ１をバッファアンプ３０に供給して測定した出力電圧Ｖｏｕｔ（ｓｗｏｆｆ）と、ショートＳＷ４３をオン状態にして昇圧回路４２を介さずに電源電圧ＶＣＣをそのままバッファアンプ３０に供給して測定した出力電圧出力電圧Ｖｏｕｔ（ｓｗｏｎ）とを比較することにより、昇圧回路４２の異常を診断することができる。出力電圧Ｖｏｕｔ（ｓｗｏｆｆ）と出力電圧Ｖｏｕｔ（ｓｗｏｎ）とが一致する場合は、昇圧回路４２が異常であると診断する。また、出力電圧Ｖｏｕｔ（ｓｗｏｆｆ）−出力電圧Ｖｏｕｔ（ｓｗｏｎ）が所定の範囲内である場合は、昇圧回路４２が正常であると診断すると共に、所定の範囲内でない場合は、昇圧回路４２が異常であると診断する。

このように、本実施の形態の電池監視ＩＣ１０では、昇圧回路４２の異常を診断することができる。従って、出力電圧Ｖｏｕｔが異常と考えられる電圧を測定した場合に、故障箇所を切り分けることができる。

なお、本実施の形態のショートＳＷ４３、ショートＳＷ６２、６４、スイッチング素子ＳＷＫは、物理的なバイパス経路を制御するスイッチング素子であってもよいし、機能的にＥＮＡＢＬＥとＤＩＳＥＮＡＢＬＥ（オンとオフ）とを切り替える論理制御スイッチング素子であってもよく、特に限定されない。

また、本実施の形態では、電池１４が５個の電池セル（電池セルＶｃ１〜Ｖｃ５）を備える場合について説明したがこれに限らず、複数の電池セルが直列に接続されていれば、その個数は特に限定されない。

また、本実施の形態では、ＬＰＦ１６の構成をコンデンサＣｆ１〜Ｃｆ５を電池セルＶｃ１〜Ｖｃ５間に接続するπ型で構成した場合について説明したが、これに限らず、例えば、コンデンサＣｆ１〜Ｃｆ５を電池セルＶｃ１〜Ｖｃ５の正極側とＧＮＤとの間に接続する対地型で構成してもよい。

１０、４０、５０、６０ 電池監視ＩＣ
１４ 電池
１６ ＬＰＦ
１８ セル選択ＳＷ
２０ バッファアンプ
２２ アナログレベルシフタ
３０、３２ バッファアンプ
３６ アンプ
４２ 昇圧回路
４３ ショートＳＷ
７０ 診断部
６２、６４ ショートＳＷ
Ｖｃ１、Ｖｃ２、Ｖｃ３、Ｖｃ４、Ｖｃ５ 電池セル
ＳＷＫ スイッチング素子

Claims (7)

1. 各々がローパスフィルタを介して直列に接続された複数の電池の各々に接続され、前記直列に接続された複数の電池のいずれか１つを選択する複数のスイッチング素子と、
   前記直列に接続された複数の電池から供給される電源電圧により駆動するトランジスタを含んで構成され、かつ前記スイッチング素子により選択された電池の一端の電圧が入力されると共に、前記ローパスフィルタから前記スイッチング素子に流れる電流を制限する大きさの入力インピーダンスを有する第１バッファアンプと、
   前記電源電圧により駆動するトランジスタを含んで構成され、かつ前記スイッチング素子により選択された電池の他端の電圧が入力されると共に、前記ローパスフィルタから前記スイッチング素子に流れる電流を制限する大きさの入力インピーダンスを有する第２バッファアンプと、
   前記電源電圧により駆動し、かつ 前記第１バッファアンプから出力された電圧と前記第２バッファアンプから出力された電圧との差を出力するレベルシフタと、
   前記電源電圧を、前記第１バッファアンプに含まれるトランジスタ及び前記第２バッファアンプに含まれるトランジスタを飽和領域で動作させるための電圧値に昇圧する昇圧手段と、
   制御信号に基づいて、前記昇圧手段の入力側と出力側とを短絡させる短絡素子と、
   を備えた半導体装置。
2. 前記短絡素子は、制御信号に基づいて、前記昇圧手段の異常診断を行う場合に前記昇圧手段の入力側と出力側とを短絡させる、請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記スイッチング素子が前記直列に接続された複数の電池のうち、一端がグランドに接続された電池を選択した場合に、外部に出力する電圧を、前記レベルシフタから出力された電圧から前記スイッチング素子が選択した電池の他端の電圧に切り替える切替素子を備えた、請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記第１バッファアンプを介さずに電流を流すために、前記第１バッファアンプの入力端子と出力端子とを接続するための第１接続素子と、前記第２バッファアンプを介さずに電流を流すために、前記第２バッファアンプの入力端子と出力端子とを接続するための第２接続素子と、を備えた、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体装置において、昇圧手段を介して供給された、第１バッファアンプに含まれるトランジスタ及び第２バッファアンプに含まれるトランジスタを飽和領域で動作させるための電圧値に昇圧された電源電圧に基づいて、前記第１バッファアンプ及び前記第２バッファアンプを駆動させて、電池の第１電圧値を測定するステップと、
   前記半導体装置において、短絡素子により前記昇圧手段の入力側と出力側とを短絡させて前記昇圧手段を介さずに供給された前記電源電圧に基づいて、前記第１バッファアンプ及び前記第２バッファアンプを駆動させて、前記電池の第２電圧値を測定するステップと、
   前記第１電圧値と前記第２電圧値とを比較するステップと、
   を備えた半導体装置の昇圧手段の異常診断方法。
6. 前記第１電圧値と前記第２電圧値とを比較した結果、前記第１電圧値と前記第２電圧値とが同一である場合は、前記昇圧回路が異常であると診断するステップを備えた、請求項５に記載の半導体装置の昇圧手段の異常診断方法。
7. 前記第１電圧値と前記第２電圧値とを比較した結果、前記第１電圧値と前記第２電圧値との差が予め定められた範囲内にある場合は、前記昇圧回路が正常であると診断するステップを備えた、請求項５または請求項６に記載の半導体装置の昇圧手段の異常診断方法。

Images