JP2016061565A - 半導体装置及び半導体装置の温度モニタ方法 - Google Patents

Abstract

【課題】駆動回路の動作による温度上昇を的確にモニタできる半導体装置及び温度モニタ方法を提供する。
【解決手段】負荷を駆動する駆動回路と、温度検出回路とを備えた半導体装置において、前記駆動回路の駆動信号がオンからオフに切り替わってから所定時間Δｔ後を温度モニタタイミングに設定し、温度モニタタイミングにおいて温度検出回路の検出信号を出力させる。これにより、負荷駆動によって上昇して最も高くなった温度をモニタすることができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、半導体装置及び半導体装置の温度モニタ方法に関し、詳しくは、負荷を駆動する駆動回路を備えた半導体装置において、負荷駆動による温度上昇を検出する技術に関する。

特許文献１には、半導体スイッチング素子と、温度測定用ダイオードとを備えた半導体装置において、前記温度測定用ダイオードの順方向電圧降下に基づいて基準温度を算出し、前記半導体スイッチング素子の電流センス用エミッタから流れるセンス電流に基づいて補正温度を算出し、前記基準温度に前記補正温度を加算して接合部温度を算出することが開示されている。

特開２００４−１１７１１１号公報

例えば複数の駆動回路を一体的に内蔵する半導体装置では、複数の駆動回路が同時に大電流を流すモードになった場合、駆動回路における発熱量の総量が多くなって過渡的に過熱状態となり、半導体装置の動作が不安定になったり、信頼性及び耐久性が劣化したりする懸念がある。

そのため、半導体装置の温度をモニタし、許容レベルを超える温度上昇を検出したときに、駆動回路の動作を停止させたり駆動電流を低下させたりして、温度低下を図ることが望まれる。
しかし、従来の半導体装置では、駆動回路の動作による温度上昇を的確にモニタできず、温度低下を図る手段を適切に作動させることが難しいという問題があった。

そこで、本発明は、駆動回路の動作（負荷駆動）による温度上昇を的確にモニタできる半導体装置及び温度モニタ方法を提供することを目的とする。

そのため、本願発明に係る半導体装置は、駆動回路の駆動信号に基づき温度モニタタイミングを定め、前記温度モニタタイミングにおいて温度検出回路の温度検出信号を出力するようにした。

また、本願発明に係る半導体装置の温度モニタ方法は、駆動回路の駆動信号に基づき温度モニタタイミングを設定するステップと、前記温度モニタタイミングにおいて温度検出回路の温度検出信号を出力するステップと、を含むようにした。

上記発明によると、駆動回路の動作（負荷駆動）による温度上昇を的確にモニタでき、例えば温度低下を図る手段を適切に動作させることが可能となる。

本発明の一実施形態に係る半導体装置のブロック図である。 本発明の一実施形態に係るドライバ回路を示す回路図である。 本発明の一実施形態に係るドライバ回路を示す回路図である。 本発明の一実施形態に係る温度モニタタイミングの特性を示すタイムチャートである。 本発明の一実施形態に係る温度モニタタイミングの特性を示すタイムチャートである。

以下に本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明に係る半導体装置の一例を示すブロック図である。

図１に示す半導体装置１００は、電源部１０、第１ドライバ（第１駆動回路）２０、第２ドライバ（第２駆動回路）３０、通信インタフェース４０、切替回路５０、ＡＤコンバータ（アナログ−デジタル変換回路）６０などを含み、これらを１つの半導体チップに集積したデバイス（駆動ＩＣ）である。
ドライバ２０，３０は、インダクタや抵抗などの外部負荷を駆動する回路である。

マイクロコンピュータ２００は、例えばＳＰＩ（Serial Peripheral Interface）通信によって、各ドライバ２０，３０それぞれによる負荷駆動のための制御信号（オン／オフ指令信号、負荷駆動信号）を半導体装置１００に送信し、各ドライバ２０，３０は、前記制御信号に基づき動作して外部の負荷を駆動する（負荷への電流供給を制御する）。
なお、負荷の駆動は、例えば、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御によって行われる。

図２及び図３は半導体装置１００に含まれるドライバの一例を示す図であり、半導体装置１００は、例えば、第１ドライバ２０として図２のドライバ（駆動回路）を備え、第２ドライバ３０として図３のドライバ（駆動回路）を備える。

図２のドライバ（第１ドライバ２０）は、半導体スイッチング素子としてのＮチャンネル型のＭＯＳＦＥＴ８０を含んで構成され、ＭＯＳＦＥＴ８０のドレインＤは電源Ｖｃｃに接続され、ＭＯＳＦＥＴ８０のソースＳとグランドＧＮＤとの間に外部の負荷であるインダクタ８１が接続され、インダクタ８１と並列にダイオード８２を接続してある。
ダイオード８２は、インダクタ８１のスイッチングに伴って発生する逆起電力からＭＯＳＦＥＴ８０を保護するための素子である。

図３のドライバ（第２ドライバ３０）は、半導体スイッチング素子としてＮチャンネル型のＭＯＳＦＥＴ８５を含んで構成され、ＭＯＳＦＥＴ８５のドレインＤと電源Ｖｃｃとの間に外部の負荷である負荷抵抗８６が接続される。
マイクロコンピュータ２００が出力する負荷駆動のための制御信号（負荷駆動信号）は、前記ＭＯＳＦＥＴ８０，８５のゲート電圧を制御してＭＯＳＦＥＴ８０，８５のオン／オフを制御するための指令信号である。

また、電源部１０、第１ドライバ２０、第２ドライバ３０には、それぞれ温度検出回路７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃを設けてある。
温度検出回路７０Ａは電源部１０付近に配置されて電源部１０付近の温度を示す検出信号を出力し、温度検出回路７０Ｂは第１ドライバ２０付近に配置されて第１ドライバ２０付近の温度を示す検出信号を出力し、温度検出回路７０Ｃは第２ドライバ３０付近に配置されて第２ドライバ３０付近の温度を示す検出信号を出力する。

なお、第１ドライバ２０（第２ドライバ３０）は自身の発熱によって温度上昇すると共に、近傍に配置された第２ドライバ３０（第１ドライバ２０）の発熱の影響を受けて温度上昇するため、両ドライバ２０，３０が同時に負荷を駆動する場合に、各ドライバ付近の温度はより高くなる。

各温度検出回路７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃの検出信号（アナログ信号）は、切替回路５０を介してＡＤコンバータ６０に出力され、ＡＤコンバータ６０でデジタル化された検出信号（温度信号、温度情報）は、所定の温度モニタタイミングにおいて通信インタフェース４０を経由してマイクロコンピュータ２００に送信される。

マイクロコンピュータ２００は、半導体装置１００から送信される温度の検出信号に基づき、半導体装置１００の各部位が過熱状態（検出温度が閾値を超える状態）であるか否かを検出する。そして、マイクロコンピュータ２００は、半導体装置１００の過熱状態を検出すると、例えば負荷駆動の停止や負荷駆動電流の低下（駆動デューティ比の低下）などを負荷駆動の制御信号の設定によって実施し、半導体装置１００における過熱部位の温度低下を図る。

次に、ドライバ２０，３０に配置される温度検出回路７０Ｂ，７０Ｃの温度検出信号についての温度モニタタイミングを詳述する。
半導体装置１００の通信インタフェース４０には、マイクロコンピュータ２００から第１ドライバ２０の制御信号（インダクタ８１の駆動制御信号）及び第２ドライバ３０の制御信号（負荷抵抗８６の駆動制御信号）が入力され、通信インタフェース４０は、これらの制御信号に基づき温度検出回路７０Ｂ，７０Ｃそれぞれの温度モニタタイミングを設定する。

そして、通信インタフェース４０は、設定した温度モニタタイミングにおいて、温度検出回路７０Ｂ，７０Ｃの検出信号をＡＤコンバータ６０がデジタル化したデータを、マイクロコンピュータ２００に送信する。

図４は、図２に示したドライバ（第１ドライバ２０）における負荷電流、負荷駆動の制御信号、温度モニタタイミングの相関を例示する。
図４の時刻ｔ１において、負荷駆動の制御信号がオフからオンに切り替わってＭＯＳＦＥＴ８０がオフ状態からオン状態に切り替わり、負荷（インダクタ８１）に電源電圧が印加され（電源供給が開始され）、電流が流れ始める。

その後、時刻ｔ２において、負荷駆動の制御信号がオンからオフに切り替わってＭＯＳＦＥＴ８０がオン状態からオフ状態に切り替わり、負荷（インダクタ８１）への電源電圧の印加が遮断される（電源供給が遮断される）。
時刻ｔ１において負荷（インダクタ８１）への電源供給を開始した直後は、自己誘導起電力によって電流の増大が抑制される一方、時刻ｔ２において負荷（インダクタ８１）への電源供給を遮断した直後は、自己誘導起電力によって電流の減少が抑制されるため、図４に示すように、負荷電流は立ち上がり及び立ち下がりがなまされた特性になる。

また、図５は、図３に示したドライバ（第２ドライバ３０）における負荷電流、負荷駆動の制御信号、温度モニタタイミングの相関を例示する。
図５の時刻ｔ１において、負荷駆動の制御信号がオフからオンに切り替わってＭＯＳＦＥＴ８５がオフ状態からオン状態に切り替わり、負荷（負荷抵抗８６）に電源電圧が印加され（電源供給が開始され）、電流が流れ始める。

その後、時刻ｔ２において、負荷駆動の制御信号がオンからオフに切り替わってＭＯＳＦＥＴ８５がオン状態からオフ状態に切り替わり、負荷（負荷抵抗８６）への電源電圧の印加が遮断される（電源供給が遮断される）。
図３の負荷は、負荷抵抗８６であるため、自己誘導起電力による電流変化の抑制作用は発生せず、負荷電流は、図５に示したように矩形波状の変化を示す。

一方、温度モニタタイミングは、両ドライバ２０，３０において負荷駆動の制御信号に基づいて調整され、より詳細には、負荷駆動の制御信号がオンからオフに切り替わったタイミングに基づいて設定される。
図４及び図５に示す例では、負荷駆動の制御信号がオンからオフに切り替わったタイミングから所定時間Δｔが経過した時点である、オフ制御直後のタイミングが温度モニタタイミングに設定される。

つまり、通信インタフェース４０は、マイクロコンピュータ２００から送信される制御信号（駆動信号）に基づき、制御信号がオンからオフに切り替わる切替タイミングを検出し、切替タイミングからの経過時間を計測し、経過時間が所定時間Δｔに達したタイミングを温度モニタタイミングに定め、この温度モニタタイミングにおいて温度検出回路７０Ｂ，７０Ｃの出力をマイクロコンピュータ２００に送信する。

ドライバ付近の温度は、負荷の駆動状態（オン状態）において漸増し、オンからオフに切り替わった直後にピーク値（極大値）を示し、その後漸減する。
そこで、温度がピーク値を示すタイミングになるべく近く、かつ、切替えスイッチングノイズの影響を抑制できるような遅延時間Δｔを予め実験などによって求め、係る遅延時間Δｔを半導体装置１００の通信インタフェース４０における温度モニタタイミングとして設定する。

そして、通信インタフェース４０は、負荷駆動の制御信号がオンからオフに切り替わった時点（時刻ｔ２）から遅延時間Δｔが経過した時点（時刻ｔ３）を温度モニタタイミングとして、温度検出回路７０Ｂ，７０Ｃの検出結果（温度検出信号）をマイクロコンピュータ２００に送信する。
これにより、マイクロコンピュータ２００は、負荷の駆動によるドライバ２０，３０付近の温度上昇を的確にモニタでき、温度上昇を抑制させる制御を適切に実施することができる。

例えば、負荷駆動のタイミング（オン／オフ切替えタイミング）と無関係に一定時間毎に温度モニタを行う構成にすると、負荷のオンによる温度上昇（ピーク温度、温度の極大値）を安定して高精度にモニタすることができない。
これに対し、負荷駆動の制御信号がオンからオフに切り替わったタイミングに基づいて温度モニタタイミングを設定する構成であれば、温度がピーク値を示す付近で安定して温度をモニタできる。

また、上記のような温度モニタタイミングでの温度検出データの出力処理を半導体装置１００が実施することで、マイクロコンピュータ２００での処理負担を軽減できる。
また、マイクロコンピュータ２００の制御仕様の設計評価時に、上記の温度モニタタイミングでの温度を評価することで、種々の動作パターン（特に、両ドライバ２０，３０が同時に負荷を駆動する動作パターン）で信頼性に影響を及ぼさない温度領域内で動作するか否かを確認することができ、信頼性の高い制御仕様（負荷駆動パターン）の設定が行える。

以上、好ましい実施形態を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば種々の変形態様を採り得ることは自明である。
上記実施形態では、ドライバ（駆動回路）の半導体スイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴを用いるが、バイポーラトランジスタを半導体スイッチング素子として用いるドライバ（駆動回路）としても、同様の作用効果が得られることは明らかであり、本願発明は、公知の種々のドライバ（駆動回路）に適用できる。

また、温度モニタタイミングは、スイッチングノイズの影響が十分に小さい場合、負荷駆動の制御信号がオンからオフに切り替わったタイミングに略一致させることができる。
また、負荷駆動の制御信号がオンからオフに切り替わったタイミングから温度モニタタイミングまでの遅延時間Δｔは、固定値とすることができる他、例えば、負荷のＰＷＭ制御におけるデューティ比（負荷のオン時間）、及び／又は、負荷の種類（負荷抵抗であるかインダクタであるか）に応じて可変とすることができる。

負荷駆動のオフ後における温度上昇の継続時間は、デューティ比が大きいほど（オン期間が長いほど）長くなる場合があるので、デューティ比に応じて遅延時間Δｔを可変とする場合は、デューティ比が大きいほど（オン期間が長いほど）遅延時間Δｔを長くする（温度モニタタイミングを遅らせる）ことができる。

また、負荷がインダクタの場合は、負荷駆動をオフした後の電流低下が自己誘導起電力によって妨げられるため、負荷が抵抗である場合に比べて温度がピーク値となるタイミングが遅れる場合があるので、負荷がインダクタである場合には抵抗である場合よりも遅延時間Δｔを長くする（温度モニタタイミングを遅らせる）ことができる。
また、半導体装置１００は、１個のドライバを備える構成、或いは、複数のドライバを備える構成とすることができる。

１０…電源部、２０…第１ドライバ（第１駆動回路）、３０…第２ドライバ（第２駆動回路）、４０…通信インタフェース、５０…切替回路、６０…ＡＤコンバータ、２００…マイクロコンピュータ

Claims (5)

1. 負荷を駆動する駆動回路と温度検出回路とを備えた半導体装置であって、
   前記駆動回路の駆動信号に基づき温度モニタタイミングを定め、前記温度モニタタイミングにおいて前記温度検出回路の温度検出信号を出力する、半導体装置。
2. 前記温度モニタタイミングは、前記駆動信号がオンからオフに切り替わった後である、請求項１記載の半導体装置。
3. 前記温度モニタタイミングは、前記駆動信号がオンからオフに切り替わってから所定時間後である、請求項１記載の半導体装置。
4. 負荷を駆動する駆動回路と温度検出回路とを備えた半導体装置における温度モニタ方法であって、
   前記駆動回路の駆動信号に基づき温度モニタタイミングを設定するステップと、
   前記温度モニタタイミングにおいて前記温度検出回路の温度検出信号を出力するステップと、
   を含む、半導体装置の温度モニタ方法。
5. 前記温度モニタタイミングを設定するステップは、
   前記駆動回路の駆動信号がオンからオフに切り替わる切替タイミングを検出するステップと、
   前記切替タイミングからの経過時間を計測するステップと、
   前記経過時間が所定時間に達したタイミングを前記温度モニタタイミングに定めるステップと、
   を含む、請求項４記載の半導体装置の温度モニタ方法。