JP2014128005A - 半導体装置および電子制御装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体装置は、出力トランジスタMN1と、電流検出部2とを具備している。出力トランジスタMN1は、電源VCCから負荷12への電力供給を制御する。電流検出部2は、当該出力トランジスタMN1に流れる電流を検出する。電流検出部2は、検出された電流としての電流検出値が当該出力トランジスタMN1のドレイン−ソース間電圧Vonに対して略線形で負の依存性を有する、という電流検出特性を備える。
【選択図】図1
Description
第1の実施の形態に係る半導体装置の構成について、添付図面を参照して説明する。図1は、本実施の形態に係る半導体装置の構成例を示すブロック図である。
α・Isense+Von=Vcc
n・Isense=Iout
Isense=−(1/α)・Von+(1/α)・Vcc …(1)
ここで、各記号は以下のとおりである。Ioutは出力トランジスタMN1のドレイン電流、VCCは電源電圧、Vonは出力トランジスタMN1のドレイン−ソース間電圧、Isenseは出力トランジスタMN1の出力電流Ioutに比例したセンス電流、αは比例係数である。出力電流Ioutとセンス電流Isenseとのセンス比はnである。ただし、式(1)では、出力電流Ioutの検出にセンス電流Isenseを用いることから、センス電流Isenseの式で表現している。Isenseに依存した電流とVonに依存した電流とVCCに依存した電流とにより、この式(1)を満足する電流検出値K1(=Ioutの制限値)を得ることができる。このとき、式(1)において、Isense=(右辺)に達した場合には過電流であると判断でき、Isense<(右辺)の場合には過電流でないと判断できる。なお、電流検出値K1の設定方法については後述される。
図3Aおよび図3Bは、特許文献1における電流制限方法を示すグラフである。いずれも、縦軸は出力トランジスタに流れる(ドレイン)電流IOUT(出力電流)、横軸は出力トランジスタのドレイン−ソース間電圧VDSを示す。各曲線として、出力トランジスタの電圧・電流特性H、正常時の負荷線P1、特許文献1の電流制限値K10、負荷短絡時の負荷線P2(抵抗性)、P3(誘導性)、本実施の形態の電流検出値K1がそれぞれ示されている。正常な動作では、負荷線P1と電圧・電流特性Hとの交点が動作点Q1となる。
これに対して、本実施の形態の半導体装置1では、電流検出値(電流制限値)K1は、例えば図3Aに示したように、正常に負荷駆動可能な最大の負荷線P0に沿って設定されている。そのため、負荷線P3が電流検出値K1と交差する動作点Q0にて過電流検出する。つまり、電流検出値K1によれば、過電流検出する動作点Q0の電流値を、階段状の電流制限値K10により過電流検出する動作点Q3の電流値よりも低くすることができる。本実施の形態の電流検出値K1は、最大の負荷線P0に沿って設定されるため、出力トランジスタにかかる電力を必要最小限に抑制できる。
以下、その本実施の形態の半導体装置1について詳細に説明する。
入力端子INがLレベルからHレベルになると、ゲートドライブ回路10は電源電圧VCCよりも高い電圧を出力し、出力トランジスタMN1とセンストランジスタMN2を導通させて、負荷12に対して電流を流す。出力トランジスタMN1には出力電流Ioutが流れ、センストランジスタMN2には電流Isenseが流れる。
その結果、A点の電圧レベルにより、負荷の異常の有無を判断することができる。そして、そのA点の過電流検出信号を例えば他の制御回路に出力し、当該他の制御回路がゲートドライブ回路10を用いて出力トランジスタMN1のゲートを制御することにより、負荷12への電力供給を制限又は遮断することができる。それにより、半導体装置を過電流から保護することができる。
第2の実施の形態に係る半導体装置1aの構成について、添付図面を参照して説明する。本実施の形態の半導体装置1aは、A点の出力信号のレベル(その過電流の有無)をフィードバックし、出力トランジスタMN1のゲートを制御して、過電流とならないように出力電流Ioutを制御する点で、第1の実施の形態の半導体装置1と相違している。以下では、第1の実施の形態と相違する点について主に説明する。
まず、負荷正常時について考える。負荷が正常な場合、第1の実施の形態と同様に、比較回路13の出力信号(A点の電圧)は、Hレベルである。このときインバータ回路はLレベルを出力し、NchトランジスタMN3のゲートにその電圧を供給する。その結果、NchトランジスタMN3は非導通状態となり、出力トランジスタMN1のゲート電荷の引き抜きは行われない(電流制限回路21は無効な状態となっている)。出力トランジスタMN1の出力電流Ioutは維持される。
また、本実施の形態では、フィードバックループを構成して電流制限することができる。それにより、出力電流Ioutの大きさを過電流にならないように制限しつつ、継続的に流すことができる。
第3の実施の形態に係る半導体装置1bの構成について、添付図面を参照して説明する。本実施の形態の半導体装置1bは、センス電流Isense(つまり、出力電流Iout)に依存した電流I2を作る回路の構成が第2の実施の形態の半導体装置1aの構成と相違している。以下では、第2の実施の形態と相違する点について主に説明する。
また、本実施の形態では、NchトランジスタMN8とNchトランジスタMN9とは、NchトランジスタMN9のソースにVsense電圧(E点の電圧)が入力された差動対を構成している。そのため、E点の電圧はNchトランジスタMN9のしきい値電圧以下でも電流検出が可能であり、E点の微小な電圧変化に対してNchトランジスタMN8のゲートを駆動可能である。そのため、第2の実施の形態に比べて、E点の電圧が微小にできるため、センス電流Isense(つまり、出力電流Iout)が小さくなった場合の検出精度が向上する。これにより、電流検出値も精度良く設定することができる。つまり、本実施の形態に係る半導体装置1bは、第2の実施の形態に係る半導体装置1aよりも、電流検出範囲を拡大することができる。
また、第2の実施の形態の構成(図13)によれば、一定値以上のセンス電圧Vsenseを生成するため、センス抵抗RSの抵抗値は、ある程度の大きさが必要である。これに対して、本実施の形態の構成(図14)によれば、センス抵抗RSの抵抗値を小さく(例えば1/5〜1/10)とすることができる。ここで、過電流検出精度は、A点の反転精度の影響を受ける。図13におけるA点の反転精度は、NchトランジスタMN8のしきい値ばらつきとセンス抵抗RSの抵抗値のばらつきの影響を受ける。これに対し、図14におけるA点の反転精度は、センス抵抗RSの抵抗値のばらつきの影響を受けるが、NchトランジスタMN8とNchトランジスタMN9が差動対を構成しているため、しきい値ばらつきはキャンセルされる。したがって、図14の構成によれば、図13の構成よりもA点の反転精度を向上することができ、過電流検出精度を向上することができる。
第4の実施の形態に係る半導体装置1cの構成について、添付図面を参照して説明する。本実施の形態の半導体装置1cは、センス電流Isense(つまり、出力電流Iout)に依存した電流I2を作る回路の構成が第3の実施の形態の半導体装置1bの構成と相違している。以下では、第3の実施の形態と相違する点について主に説明する。
また、本実施の形態では、カスコード接続された差動対(NchトランジスタMN8、NchトランジスタMN9、NchトランジスタMN10、NchトランジスタMN11)により、F点の電位をほぼ線形領域と飽和領域の境界の電圧に固定することができる。出力トランジスタMN1の電流によって、A点の電圧がHレベル又はLレベルに変化するが、そのとき、NchトランジスタMN10のドレイン−ソース間電圧(A点−F点)が大きく変化する。これにより、出力電流Ioutの変化を精度良く検出することができ、出力電流Ioutを精度よく電流検出値K1に制御することができる。
第5の実施の形態に係る半導体装置1dの構成について、添付図面を参照して説明する。本実施の形態の半導体装置1dは、比較回路13の出力と電流制限回路21の入力との間にラッチ回路15が付加されている点が第4の実施の形態の半導体装置1cの構成と相違している。以下では、第4の実施の形態と相違する点について主に説明する。
まず、負荷正常時について考える。負荷が正常な場合、比較回路13の出力信号(A点の電圧)は、Hレベルである。このHレベルの出力信号は、ラッチ回路15に入力され、ラッチ回路15の出力にHレベルが出力される。インバータ回路(NchトランジスタMN4とNchトランジスタMN5)により、HレベルはLレベルに反転され、NchトランジスタMN3のゲートにLレベルが供給される。その結果、NchトランジスタMN3は非導通状態となり、出力トランジスタMN1のゲート電荷の引き抜きは行われない。ラッチ回路15の出力はHレベルに固定され、出力トランジスタMN1の出力電流Ioutは維持される。
加えて、負荷異常時の過電流検出時に、その過電流を遮断するという方法により出力トランジスタMN1を保護することができる。電流制限回路21とラッチ回路15とは、出力トランジスタMN1の電流を遮断する電流遮断部と見ることができる。
第6の実施の形態に係る半導体装置1eの構成について、添付図面を参照して説明する。本実施の形態の半導体装置1eは、ローサイドスイッチとして用いられている点で、第1の実施の形態の半導体装置1と相違している。以下では、第1の実施の形態と相違する点について主に説明する。
第7の実施の形態に係る半導体装置1fの構成について、添付図面を参照して説明する。本実施の形態の半導体装置1fは、センス抵抗RSの接続方法の点で、第6の実施の形態の半導体装置1eと相違している。以下では、第6の実施の形態と相違する点について主に説明する。
なお、PGNDに代えて、SGNDを用いても良い。
また、第7の実施の形態と比較して、出力トランジスタMN1とセンストランジスタMN2のゲート−ソース間電圧が等しくなることにより、出力電流Ioutのセンス精度が向上する。
第8の実施の形態に係る電子制御システムについて、添付図面を参照して説明する。本実施の形態では、上記各実施の形態の半導体装置1、1a〜1fを電子制御システムに適用した場合について説明する。
2、2a、2b、2c、2d、2e、2f :電流検出部
10:ゲートドライブ回路
11:電源
12:負荷
13:比較回路
14:バイアス回路
15:ラッチ回路
16:カレントミラー回路
21:電流制限回路
101:電源IC
102:マイクロコンピュータ
103:電力用半導体装置
103a:チップ
103b:チップ
105:ツェナーダイオード
106、107:容量
108:電子制御ユニット
201:入力I/F
202:ロジック回路
203:診断回路
204:過温検出器
Claims (11)
- 電源から負荷への電力供給を制御する出力トランジスタと、
前記出力トランジスタに流れる電流を検出する電流検出部と
を具備し、
前記電流検出部は、電流検出値が前記出力トランジスタのドレイン−ソース間電圧に対して略線形で負の依存性を有する電流検出特性を備える
半導体装置。 - 請求項1に記載の半導体装置において、
前記電流検出特性は、前記電流検出値が電源電圧依存性を有する
半導体装置。 - 請求項1に記載の半導体装置において、
前記電流検出部は、
前記電源の電源電圧に依存した電流と、前記出力トランジスタのドレイン−ソース間電圧に依存した電流および前記出力トランジスタの電流に依存した電流とを比較して、前記電流を検出する比較回路を備える
半導体装置。 - 請求項1に記載の半導体装置において、
前記電流検出部は、
前記出力トランジスタに基準電流以上の過電流が流れたとき、当該過電流の電流検出値に基づいて、前記出力トランジスタの電流を制限する電流制限部を備える
半導体装置。 - 請求項1に記載の半導体装置において、
前記電流検出部は、
前記出力トランジスタに基準電流以上の過電流が流れたとき、当該過電流の電流検出値に基づいて、前記出力トランジスタの電流を遮断する電流遮断部を備える
半導体装置。 - 請求項1に記載の半導体装置において、
前記電流検出特性は、正常に負荷駆動可能な負荷線のうちの最大の負荷線に概ね沿っている
半導体装置。 - 請求項6に記載の半導体装置において、
前記電流検出特性は、前記負荷線が少なくとも前記出力トランジスタの線形領域まで延びる
半導体装置。 - 請求項1に記載の半導体装置において、
前記出力トランジスタと前記電流検出部とは、1チップで形成される
半導体装置。 - 請求項1に記載の半導体装置において、
前記出力トランジスタのソース側およびドレイン側のいずれか一方に前記負荷が接続される
半導体装置。 - 負荷と、
制御回路と、
電源用の端子と前記負荷と前記制御回路とに接続され、又は、前記電源に接続される前記負荷と前記制御回路とに接続され、前記制御回路の制御に基づいて、前記電源から前記負荷への電力の供給を制御する請求項1に記載の半導体装置と
を具備する
電子制御装置。 - 半導体装置の動作方法であって、
電源から負荷への電力供給を制御する出力トランジスタのドレイン−ソース間電圧に依存した電流および前記出力トランジスタの電流に依存した電流と、前記電源の電源電圧に依存した電流とを比較して、前記出力トランジスタに流れる電流を検出するステップと、
前記出力トランジスタに基準電流以上の過電流が流れたとき、当該過電流としての電流検出値に基づいて、前記出力トランジスタの電流を制限又は遮断するステップと
を具備し、
前記電流検出値は、前記出力トランジスタのドレイン−ソース間電圧に対して略線形で負の依存性を持つ
半導体装置の動作方法。
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