JP2017077138A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、チャージポンプ回路を備えた半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device provided with a charge pump circuit.
従来より、入力電圧よりも高い昇圧電圧を生成するための手段として、チャージポンプ回路が広く一般に用いられている。 Conventionally, a charge pump circuit has been widely used as a means for generating a boosted voltage higher than an input voltage.
なお、上記に関連する従来技術の一例としては、特許文献1を挙げることができる。 As an example of the related art related to the above, Patent Document 1 can be cited.
しかしながら、チャージポンプ回路は、その出力上昇時(起動時)において、フライングキャパシタの駆動周波数に応じた出力変動を生じる。そのため、昇圧電圧の供給を受ける後段回路の動作精度については、改善の余地があった。 However, the output of the charge pump circuit varies depending on the driving frequency of the flying capacitor when the output rises (starts up). Therefore, there is room for improvement in the operation accuracy of the subsequent circuit that receives the boosted voltage.
本明細書中に開示されている発明は、本願の発明者により見出された上記課題に鑑み、チャージポンプ回路における出力変動の影響を軽減することのできる半導体装置を提供することを目的とする。 An object of the invention disclosed in this specification is to provide a semiconductor device capable of reducing the influence of output fluctuations in a charge pump circuit in view of the above-mentioned problems found by the inventors of the present application. .
本明細書中に開示されている半導体装置は、電源電圧よりも高い昇圧電圧を生成するチャージポンプ回路と、前記昇圧電圧を平滑して平滑昇圧電圧を生成する平滑回路と、前記平滑昇圧電圧の供給を受けて動作する後段回路と、を有し、前記平滑回路は、前記昇圧電圧と同様の挙動で変動する充電電流を生成するカレントミラーと、前記充電電流に応じた充電電圧を前記平滑昇圧電圧として出力するキャパシタと、を含む構成(第1の構成)とされている。 A semiconductor device disclosed in the present specification includes a charge pump circuit that generates a boosted voltage higher than a power supply voltage, a smoothing circuit that smoothes the boosted voltage to generate a smoothed boosted voltage, and the smoothed boosted voltage And a post-stage circuit that operates in response to the supply, and the smoothing circuit generates a charging current that fluctuates in the same manner as the boosted voltage, and the smoothing booster boosts the charging voltage according to the charging current. And a capacitor that outputs as a voltage (first configuration).
なお、第1の構成から成る半導体装置において、前記カレントミラーは、ソースが前記昇圧電圧の入力端に接続されてドレインとゲートが基準電流の入力端に接続された第1PMOSFET[P-channel type metal-oxide-semiconductor field effect transistor]と、ソースが前記昇圧電圧の入力端に接続されてゲートが前記第1PMOSFETのゲートに接続されてドレインが前記キャパシタに接続された第2PMOSFETと、を含む構成(第2の構成)にするとよい。 In the semiconductor device having the first configuration, the current mirror includes a first PMOSFET [P-channel type metal whose source is connected to the input terminal of the boosted voltage and whose drain and gate are connected to the input terminal of the reference current. -oxide-semiconductor field effect transistor] and a second PMOSFET having a source connected to the input terminal of the boosted voltage, a gate connected to the gate of the first PMOSFET, and a drain connected to the capacitor (first 2).
また、第1または第2の構成から成る半導体装置において、前記後段回路は、監視対象電流が過電流状態であるか否かを監視して監視結果に応じた過電流保護信号を生成する過電流保護回路である構成(第3の構成)にするとよい。 In the semiconductor device having the first or second configuration, the subsequent circuit monitors whether the monitoring target current is in an overcurrent state and generates an overcurrent protection signal corresponding to the monitoring result. A configuration that is a protection circuit (third configuration) is preferable.
また、第3の構成から成る半導体装置において、前記過電流保護回路は、前記監視対象電流に応じたセンス電圧と所定の閾値電圧とを比較して前記過電流保護信号を生成する構成(第4の構成)にするとよい。 In the semiconductor device having the third configuration, the overcurrent protection circuit compares the sense voltage corresponding to the monitored current with a predetermined threshold voltage to generate the overcurrent protection signal (fourth). (Configuration).
また、第4の構成から成る半導体装置において、前記過電流保護回路は、所定の第1電流を生成する定電流生成部と、前記第1電流に応じた第2電流と第3電流を生成するカレントミラー部と、ドレインとゲートが前記第2電流の入力端に接続された第1NMOSFET[N-channel type MOSFET]と、一端が前記第1NMOSFETのソースに接続されて前記閾値電圧を生成する抵抗と、ドレインが前記第3電流の入力端と前記過電流保護信号の出力端に接続されてゲートが前記第1NMOSFETのゲートに接続されてソースが前記センス電圧の入力端に接続された第2NMOSFETとを含む構成(第5の構成)にするとよい。 In the semiconductor device having the fourth configuration, the overcurrent protection circuit generates a constant current generator that generates a predetermined first current, and generates a second current and a third current according to the first current. A current mirror section; a first NMOSFET [N-channel type MOSFET] whose drain and gate are connected to the input terminal of the second current; and a resistor whose one end is connected to the source of the first NMOSFET to generate the threshold voltage; A second NMOSFET having a drain connected to the input terminal of the third current and an output terminal of the overcurrent protection signal, a gate connected to the gate of the first NMOSFET, and a source connected to the input terminal of the sense voltage. It may be configured to include (fifth configuration).
また、第5の構成から成る半導体装置において、前記定電流生成部は、前記平滑昇圧電圧の供給を受けて定電圧を生成する定電圧生成部と、前記定電圧を前記第1電流に変換する電圧/電流変換部と、を含む構成(第6の構成)にするとよい。 Further, in the semiconductor device having the fifth configuration, the constant current generation unit receives a supply of the smoothed boosted voltage and generates a constant voltage, and converts the constant voltage into the first current. The voltage / current conversion unit may be included (sixth configuration).
また、第3〜第6いずれかの構成から成る半導体装置は、前記昇圧電圧の供給を受けてゲート電圧を生成するゲート制御回路と、前記ゲート電圧に応じて電源と負荷との間を導通/遮断するNチャネル型のハイサイドスイッチと、をさらに有する構成(第7の構成)にするとよい。 In addition, the semiconductor device having any one of the third to sixth configurations includes a gate control circuit that generates a gate voltage upon receiving the boosted voltage, and a continuity between a power source and a load according to the gate voltage. A configuration (seventh configuration) further including an N-channel high-side switch to be blocked is preferable.
また、第7の構成から成る半導体装置において、前記過電流保護回路は、前記ハイサイドスイッチに流れる出力電流またはこれに応じたミラー電流を前記監視対象電流として監視し、前記ゲート制御回路は、前記過電流保護信号が過電流検出時の論理レベルであるときに前記ハイサイドスイッチを強制的にオフさせるように前記ゲート信号を制御する構成(第8の構成)にするとよい。 In the semiconductor device having the seventh configuration, the overcurrent protection circuit monitors an output current flowing through the high-side switch or a mirror current corresponding to the output current as the monitoring target current, and the gate control circuit The gate signal may be controlled (eighth configuration) so that the high-side switch is forcibly turned off when the overcurrent protection signal is at a logic level at the time of overcurrent detection.
また、本明細書中に開示されている電子機器は、第8の構成から成る半導体装置を有する構成(第9の構成)とされている。 In addition, the electronic device disclosed in this specification is configured to have a semiconductor device having an eighth configuration (ninth configuration).
また、本明細書中に開示されている車両は、バッテリと、前記バッテリから電源電圧の供給を受けて動作する第9の構成から成る電子機器と、を有する構成(第10の構成)とされている。 Further, the vehicle disclosed in the present specification has a configuration (tenth configuration) including a battery and an electronic device having a ninth configuration that operates by receiving supply of a power supply voltage from the battery. ing.
本明細書中に開示されている半導体装置によれば、チャージポンプ回路における出力変動の影響を軽減することができるので、昇圧電圧の供給を受ける後段回路の動作精度を高めることが可能となる。 According to the semiconductor device disclosed in this specification, the influence of output fluctuations in the charge pump circuit can be reduced, so that it is possible to improve the operation accuracy of the subsequent circuit that receives the boosted voltage.
<半導体装置>
図1は、半導体装置の全体構成を示すブロック図である。本構成例の半導体装置100は、車載用ハイサイドスイッチICであり、装置外部との電気的な接続を確立する手段として、複数の外部端子(INピン、GNDピン、OUTピン、STピン、VBBピン)を備えている。INピンは、CMOSロジックICなどから制御信号の外部入力を受け付けるための入力端子である。GNDピンは、接地端子である。OUTピンは、負荷(エンジン制御用ECU[electronic control unit]、エアコン、ボディ機器など)が外部接続される出力端子である。STピンは、CMOSロジックICなどに自己診断信号を外部出力するための出力端子である。VBBピンは、バッテリから電源電圧Vbb(例えば4.5V〜18V)の供給を受け付けるための電源端子である。なお、VBBピンは、大電流を流すために複数並列(例えば4ピン並列)に設けてもよい。
<Semiconductor device>
FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of the semiconductor device. The
また、本構成例の半導体装置100は、内部電源回路1と、定電圧生成回路2と、発振回路3と、チャージポンプ回路4と、ロジック回路5と、ゲート制御回路6と、クランプ回路7と、入力回路8と、基準生成回路9と、温度保護回路10と、減電圧保護回路11と、オープン保護回路12と、過電流保護回路13と、Nチャネル型MOS電界効果トランジスタN1〜N3と、抵抗R1及びR2と、センス抵抗Rsと、ツェナダイオードZ1及びZ2と、を集積化して成る。
The
内部電源回路1は、VBBピンとGNDピンとの間に接続されており、電源電圧Vbbから所定の内部電源電圧VREGを生成して半導体装置100の各部に供給する。なお、内部電源回路1は、イネーブル信号ENの論理レベルに応じて動作可否が制御される。より具体的に述べると、内部電源回路1は、イネーブル信号ENがイネーブル時の論理レベル(例えばハイレベル)であるときに動作状態となり、イネーブル信号ENがディセーブル時の論理レベル(例えばローレベル)であるときに停止状態となる。
The internal power supply circuit 1 is connected between the VBB pin and the GND pin, generates a predetermined internal power supply voltage VREG from the power supply voltage Vbb, and supplies it to each part of the
定電圧生成回路2は、VBBピンとGNDピンとの間に接続されており、電源電圧Vbbに応じたハイ電圧VH(=電源電圧Vbb)と、ハイ電圧VHよりも定電圧REF(=例えば5V)だけ低いロー電圧VL(=Vbb−REF)とを生成して発振回路3及びチャージポンプ回路4に供給する。なお、定電圧生成回路2は、イネーブル信号EN及び異常保護信号S5aの論理レベルに応じて動作可否が制御される。より具体的に述べると、定電圧生成回路2は、イネーブル信号ENがイネーブル時の論理レベル(例えばハイレベル)であるとき、若しくは、異常保護信号S5aが異常未検出時の論理レベル(例えばハイレベル)であるときに動作状態となり、イネーブル信号ENがディセーブル時の論理レベル(例えばローレベル)であるとき、若しくは、異常保護信号S5aが異常検出時の論理レベル(例えばローレベル)であるときに停止状態となる。
The constant
発振回路3は、ハイ電圧VHとロー電圧VLの供給を受けて動作し、所定周波数のクロック信号CLKを生成してチャージポンプ回路4に出力する。なお、クロック信号CLKは、ハイ電圧VHとロー電圧VLとの間でパルス駆動される矩形波信号である。
The
チャージポンプ回路4は、ハイ電圧VHとロー電圧VLの供給を受けて動作し、クロック信号CLKを用いてフライングキャパシタを駆動することにより、電源電圧Vbbよりも高い昇圧電圧VCPを生成してゲート制御回路6及び過電流保護回路13に供給する。
The
ロジック回路5は、内部電源電圧VREGの供給を受けて動作し、ゲート制御信号S5bを生成してゲート制御回路6に出力する。ゲート制御信号S5は、トランジスタN1及びN2をオンさせるときにハイレベル(=VREG)となり、トランジスタN1及びN2をオフさせるときにローレベル(=GND)となる2値信号である。また、ロジック回路5は、温度保護信号S10、減電圧保護信号S11、オープン保護信号S12、及び、過電流保護信号S13をそれぞれ監視し、必要に応じた異常保護動作を行う機能を備えている。より具体的に述べると、ロジック回路5は、半導体装置100に何らかの異常が検出されたときに、異常保護信号S5aを異常検出時の論理レベルとして定電圧生成回路2を停止させるとともに、ゲート制御信号S5bをローレベルとしてトランジスタN1及びN2をいずれも強制的にオフさせる。また、ロジック回路5は、異常検出結果に応じてトランジスタN3のゲート信号S5cを生成する機能も備えている。
The
ゲート制御回路6は、昇圧電圧VCPの印加端とOUTピン(=出力電圧Voutの印加端)との間に接続されており、ゲート制御信号S5bの電流能力を高めたゲート電圧VGを生成してトランジスタN1及びN2のゲートに出力する。ゲート電圧VGは、ゲート制御信号S5bがハイレベルであるときにハイレベル(=VCP)となり、ゲート制御信号S5bがローレベルであるときにローレベル(=Vo)となる。なお、ゲート制御回路6は、過電流保護信号S13の論理レベルに応じて動作可否が制御される。より具体的に述べると、ゲート制御回路6は、過電流保護信号S13が異常未検出時の論理レベル(例えばローレベル)であるときに動作状態となり、過電流保護信号S13が異常検出時の論理レベル(例えばハイレベル)であるときに停止状態となる。
The
クランプ回路7は、VBBピンとトランジスタN1及びN2の両ゲートとの間に接続されている。OUTピンに誘導性負荷が接続されるアプリケーションでは、トランジスタN1をオンからオフへ切り替える際、誘導性負荷の逆起電力によりOUTピンが負電圧となる。そのため、エネルギー吸収用にクランプ回路7(いわゆるアクティブクランプ回路)が設けられている。なお、Vbb−(Vclp+Vgs)で表されるアクティブクランプ電圧は、例えば48Vに設定するとよい(ただし、Vbbは電源電圧、VclpはOUTピンの負側クランプ電圧、VgsはトランジスタN1のゲート・ソース間電圧)。
The
入力回路8は、INピンから制御信号の入力を受け付けてイネーブル信号ENを生成するシュミットトリガである。
The
基準生成回路9は、内部電源電圧VREGの供給を受けて動作し、所定の基準電圧Vrefや基準電流Irefを生成して半導体装置100の各部に供給する。なお、例えば、基準電圧Vrefや基準電流Irefは、内部電源回路1において内部電源電圧VREGの目標値を設定したり、各種保護回路9〜13において異常検出用の閾値を設定したりするために用いられる。
The
温度保護回路10は、内部電源電圧VREGの供給を受けて動作し、トランジスタN1の異常発熱を検出する温度検出素子(不図示)を含み、その検出結果(=異常発熱が生じているか否か)に応じた温度保護信号S10を生成してロジック回路5に出力する。温度保護信号S10は、例えば、異常未検出時にローレベル(=GND)となり、異常検出時にハイレベル(=VREG)となる2値信号である。
The
減電圧保護回路11は、内部電源電圧VREGの供給を受けて動作し、電源電圧Vbbないしは内部電源電圧VREGの監視結果(=減電圧異常が生じているか否か)に応じた減電圧保護信号S11を生成してロジック回路5に出力する。減電圧保護信号S11は、例えば、異常未検出時にローレベル(=GND)となり、異常検出時にハイレベル(=VREG)となる2値信号である。
The voltage
オープン保護回路12は、電源電圧Vbbと内部電源電圧VREGの供給を受けて動作し、出力電圧Voutの監視結果(=負荷のオープン異常が生じているか否か)に応じたオープン保護信号S12を生成してロジック回路5に出力する。なお、オープン保護信号S12は、例えば、異常未検出時にローレベル(=GND)となり、異常検出時にハイレベル(=VREG)となる2値信号である。
The
過電流保護回路13は、昇圧電圧VCPの印加端とOUTピン(=出力電圧Voutの印加端)との間に接続されており、センス電圧Vsの監視結果(=過電流が生じているか否か)に応じた過電流保護信号S13を生成してロジック回路5に出力する。過電流保護信号S13は、例えば、異常未検出時にローレベル(=GND)となり、異常検出時にハイレベル(=VREG)となる2値信号である。
The
トランジスタN1は、ドレインがVBBピンに接続されてソースがOUTピンに接続されたパワートランジスタであり、バッテリから負荷に向けた出力電流I1が流れる電流経路を導通/遮断するためのスイッチ素子(ハイサイドスイッチ)として機能する。なお、トランジスタN1は、ゲート電圧VGがハイレベルであるときにオンし、ゲート電圧VGがローレベルであるときにオフする。 The transistor N1 is a power transistor having a drain connected to the VBB pin and a source connected to the OUT pin, and is a switch element (high side) for conducting / cutting off a current path through which an output current I1 flows from the battery to the load. Function as a switch). The transistor N1 is turned on when the gate voltage VG is at a high level and turned off when the gate voltage VG is at a low level.
なお、トランジスタN1のオン抵抗が低いほど、OUTピンの地絡時(=接地端ないしはこれに準ずる低電位端への短絡時)に過電流が流れやすくなり、異常発熱を生じやすくなる。従って、トランジスタN1のオン抵抗を下げるほど、温度保護回路10や過電流保護回路13の重要性が高くなる。
Note that the lower the on-resistance of the transistor N1, the more easily an overcurrent flows at the time of grounding of the OUT pin (= at the time of a short circuit to a ground potential or a low potential terminal corresponding thereto), and abnormal heat generation is likely to occur. Therefore, the lower the on-resistance of the transistor N1, the higher the importance of the
トランジスタN2は、トランジスタN1に対して並列接続されたミラートランジスタであり、出力電流I1に応じたミラー電流I2を生成する。トランジスタN1とトランジスタN2とのサイズ比は、m:1(ただしm>1、例えばm=1000)である。従って、ミラー電流I2は、出力電流I1を1/mに減じた大きさとなる。なお、トランジスタN2は、トランジスタN1と同じく、ゲート電圧VGがハイレベルであるときにオンし、ゲート電圧VGがローレベルであるときにオフする。 The transistor N2 is a mirror transistor connected in parallel to the transistor N1, and generates a mirror current I2 corresponding to the output current I1. The size ratio of the transistor N1 and the transistor N2 is m: 1 (where m> 1, for example, m = 1000). Therefore, the mirror current I2 has a magnitude obtained by reducing the output current I1 to 1 / m. Note that, like the transistor N1, the transistor N2 is turned on when the gate voltage VG is at a high level, and turned off when the gate voltage VG is at a low level.
トランジスタN3は、ドレインがSTピンに接続されてソースがGNDピンに接続されたオープンドレイン形式のトランジスタである。なお、トランジスタN3は、ゲート信号S5cがハイレベルであるときにオンし、ゲート信号S5cがローレベルであるときにオフする。すなわち、STピンから外部出力される自己診断信号は、ゲート信号S5cのハイレベルであるとき(=トランジスタN3がオンしているとき)にローレベルとなり、ゲート信号S5cがローレベルであるとき(=トランジスタN3がオフしているとき)にハイレベルとなる。 The transistor N3 is an open drain type transistor having a drain connected to the ST pin and a source connected to the GND pin. The transistor N3 is turned on when the gate signal S5c is at a high level and turned off when the gate signal S5c is at a low level. That is, the self-diagnosis signal output from the ST pin is low when the gate signal S5c is high (= when the transistor N3 is on), and when the gate signal S5c is low (= (When the transistor N3 is off).
抵抗R1は、INピンと入力回路8の入力端との間に接続されており、過大なサージ電流などを抑制するための電流制限抵抗として機能する。
The resistor R1 is connected between the IN pin and the input terminal of the
抵抗R2は、入力回路8の入力端とGNDピンとの間に接続されており、INピンがオープン状態であるときに入力回路8への入力論理レベルをローレベル(=ディセーブル時の論理レベル)に確定させるためのプルダウン抵抗として機能する。
The resistor R2 is connected between the input terminal of the
センス抵抗Rsは、トランジスタN2のソースとOUTピンとの間に接続されており、ミラー電流I2に応じたセンス電圧Vs(=I2×Rs)を生成する電流検出素子として機能する。 The sense resistor Rs is connected between the source of the transistor N2 and the OUT pin, and functions as a current detection element that generates a sense voltage Vs (= I2 × Rs) corresponding to the mirror current I2.
ツェナダイオードZ1は、トランジスタN1及びN2のゲートとOUTピンとの間で、カソードがトランジスタN1及びN2のゲート側となり、アノードがOUTピン側となる向きに接続されている。このように接続されたツェナダイオードZ1は、VBBピンにバッテリを接続してOUTピンに負荷を接続した正規接続状態において、トランジスタN1及びN2のゲート・ソース間電圧を所定の上限値以下に制限するクランプ素子(サージ電圧吸収素子)として機能する。 The Zener diode Z1 is connected between the gates of the transistors N1 and N2 and the OUT pin so that the cathode is on the gate side of the transistors N1 and N2 and the anode is on the OUT pin side. The Zener diode Z1 connected in this way limits the gate-source voltage of the transistors N1 and N2 to a predetermined upper limit value or less in a normal connection state in which a battery is connected to the VBB pin and a load is connected to the OUT pin. Functions as a clamp element (surge voltage absorption element).
ツェナダイオードZ2は、トランジスタN1及びN2のゲートとOUTピンとの間で、アノードがトランジスタN1及びN2のゲート側となり、カソードがOUTピン側となる向きに接続されている。このように接続されたツェナダイオードZ2は、VBBピンに負荷を接続してOUTピンにバッテリを接続した逆接続状態において、OUTピンからトランジスタN1及びN2のゲートに至る電流経路を遮断するための逆接続保護素子として機能する。 The zener diode Z2 is connected between the gates of the transistors N1 and N2 and the OUT pin so that the anode is on the gate side of the transistors N1 and N2 and the cathode is on the OUT pin side. The Zener diode Z2 connected in this way is a reverse circuit for blocking the current path from the OUT pin to the gates of the transistors N1 and N2 in a reverse connection state where a load is connected to the VBB pin and a battery is connected to the OUT pin. Functions as a connection protection element.
上記したように、半導体装置100は、CMOSロジック(ロジック回路5など)と、パワーMOSデバイス(トランジスタN1など)と、を1チップ上に組み込んだモノリシックパワーICとして構成されている。
As described above, the
<チャージポンプ回路(第1実施形態)>
図2は、チャージポンプ回路4の第1実施形態を示す回路図である。本実施形態のチャージポンプ回路4は、キャパシタC11〜C13と、ダイオードD11〜D14と、インバータINV11〜INV13と、を含むディクソン型(3段構成)である。
<Charge Pump Circuit (First Embodiment)>
FIG. 2 is a circuit diagram showing a first embodiment of the
ダイオードD11のアノードは、ハイ電圧VH(=電源電圧Vbb)の入力端に接続されている。ダイオードD11のカソードは、キャパシタC11の第1端とダイオードD12のアノードに接続されている。ダイオードD12のカソードは、キャパシタC12の第1端とダイオードD13のアノードに接続されている。ダイオードD13のカソードは、キャパシタC13の第1端とダイオードD14のアノードに接続されている。ダイオードD14のカソードは、昇圧電圧VCPの出力端に接続されている。なお、昇圧電圧VCPの出力端には、出力キャパシタや負荷(いずれも不図示)が接続されている。 The anode of the diode D11 is connected to the input terminal of the high voltage VH (= power supply voltage Vbb). The cathode of the diode D11 is connected to the first end of the capacitor C11 and the anode of the diode D12. The cathode of the diode D12 is connected to the first end of the capacitor C12 and the anode of the diode D13. The cathode of the diode D13 is connected to the first end of the capacitor C13 and the anode of the diode D14. The cathode of the diode D14 is connected to the output terminal of the boost voltage VCP. An output capacitor and a load (both not shown) are connected to the output terminal of the boosted voltage VCP.
インバータINV11の入力端は、クロック信号CLKの入力端に接続されている。インバータINV11の出力端は、キャパシタC11の第2端とインバータINV12の入力端に接続されている。インバータINV12の出力端は、キャパシタC12の第2端とインバータINV13の入力端に接続されている。インバータINV13の出力端は、キャパシタC13の第2端に接続されている。このように接続されたインバータINV11〜INV13は、いずれもハイ電圧VHとロー電圧VLの供給を受けて動作し、それぞれの入力信号を論理反転させてそれぞれの出力信号を生成する。 The input end of the inverter INV11 is connected to the input end of the clock signal CLK. The output terminal of the inverter INV11 is connected to the second terminal of the capacitor C11 and the input terminal of the inverter INV12. The output terminal of the inverter INV12 is connected to the second terminal of the capacitor C12 and the input terminal of the inverter INV13. The output terminal of the inverter INV13 is connected to the second terminal of the capacitor C13. The inverters INV11 to INV13 connected as described above operate by receiving the supply of the high voltage VH and the low voltage VL, and logically invert the respective input signals to generate the respective output signals.
上記構成から成るチャージポンプ回路4は、クロック信号CLKに同期して、第1フェイズと第2フェイズを交互に繰り返すことにより、ハイ電圧VH(=電源電圧Vbb)よりも高い昇圧電圧VCPを出力する。以下では、各フェイズの動作状態について、個別具体的に説明する。
The
図3は、第1実施形態のチャージポンプ動作を示す回路図(第1フェイズ)である。なお、以下では、説明を簡単とするために、ダイオードD11〜D14での電圧降下を無視して考える。 FIG. 3 is a circuit diagram (first phase) illustrating the charge pump operation of the first embodiment. Hereinafter, in order to simplify the description, the voltage drop in the diodes D11 to D14 is ignored.
第1フェイズでは、クロック信号CLKがハイレベル(VH)とされる。従って、インバータINV11〜INV13の出力信号は、それぞれ、ローレベル(VL)、ハイレベル(VH)、ローレベル(VL)となる。 In the first phase, the clock signal CLK is set to the high level (VH). Therefore, the output signals of the inverters INV11 to INV13 are low level (VL), high level (VH), and low level (VL), respectively.
このとき、キャパシタC11には、ハイ電圧VHの入力端からダイオードD11を介して充電電流が流れる。従って、キャパシタC11は、その両端間電圧がほぼ定電圧REF(=VH−VL)となるまで充電される。 At this time, a charging current flows through the capacitor C11 from the input terminal of the high voltage VH via the diode D11. Therefore, the capacitor C11 is charged until the voltage between both ends thereof becomes substantially the constant voltage REF (= VH−VL).
キャパシタC12は、直前の第2フェイズにおいて、その両端間電圧が定電圧REFのほぼ2倍(=2REF)となるまで充電されている。従って、第1フェイズへの遷移により、キャパシタC12の第2端がハイ電圧VHに持ち上げられると、キャパシタC12の第1端は、キャパシタC12の電荷保存則に従い、第2端よりも両端間電圧分だけ高い電圧(=VH+2REF)に持ち上げられる。 The capacitor C12 is charged in the immediately preceding second phase until the voltage between both ends is approximately twice the constant voltage REF (= 2REF). Therefore, when the second end of the capacitor C12 is raised to the high voltage VH due to the transition to the first phase, the first end of the capacitor C12 follows the charge conservation law of the capacitor C12 and the voltage between both ends is more than the second end. To a higher voltage (= VH + 2REF).
このとき、キャパシタC13には、キャパシタC12からダイオードD13を介して充電電流が流れる。従って、キャパシタC13は、その両端間電圧が定電圧REFのほぼ3倍(=3REF)となるまで充電される。 At this time, a charging current flows from the capacitor C12 through the diode D13 to the capacitor C13. Therefore, the capacitor C13 is charged until the voltage between both ends thereof is approximately three times the constant voltage REF (= 3REF).
なお、第1フェイズにおいて、ダイオードD12及びD14は、いずれも逆バイアスとなるので、これらの素子を介する経路で電流が逆流することはない。 In the first phase, since the diodes D12 and D14 are both reverse-biased, current does not flow backward through the path through these elements.
図4は、第1実施形態のチャージポンプ動作を示す回路図(第2フェイズ)である。なお、先の図3と同様、以下では、説明を簡単とするために、ダイオードD11〜D14での電圧降下を無視して考える。 FIG. 4 is a circuit diagram (second phase) showing the charge pump operation of the first embodiment. Similar to FIG. 3, the voltage drop in the diodes D11 to D14 will be ignored below for the sake of simplicity.
第2フェイズでは、クロック信号CLKがローレベル(VL)とされる。従って、インバータINV11〜INV13の出力信号は、それぞれ、ハイレベル(VH)、ローレベル(VL)、ハイレベル(VH)となる。 In the second phase, the clock signal CLK is set to a low level (VL). Therefore, the output signals of the inverters INV11 to INV13 are high level (VH), low level (VL), and high level (VH), respectively.
キャパシタC11は、直前の第1フェイズにおいて、その両端間電圧がほぼ定電圧REFとなるまで充電されている。従って、第2フェイズへの遷移により、キャパシタC11の第2端がハイ電圧VHに持ち上げられると、キャパシタC11の第1端は、キャパシタC11の電荷保存則に従い、第2端よりも両端間電圧分だけ高い電圧(=VH+REF)に持ち上げられる。 The capacitor C11 is charged until the voltage between both ends thereof becomes substantially a constant voltage REF in the immediately preceding first phase. Therefore, when the second end of the capacitor C11 is raised to the high voltage VH due to the transition to the second phase, the first end of the capacitor C11 follows the charge conservation law of the capacitor C11 and the voltage between both ends is more than the second end. To a higher voltage (= VH + REF).
このとき、キャパシタC12には、キャパシタC11からダイオードD12を介して充電電流が流れる。従って、キャパシタC12は、その両端間電圧が定電圧REFのほぼ2倍(=2REF)となるまで充電される。 At this time, a charging current flows from the capacitor C11 to the capacitor C12 via the diode D12. Accordingly, the capacitor C12 is charged until the voltage between both ends thereof is approximately twice the constant voltage REF (= 2REF).
また、キャパシタC13は、直前の第1フェイズにおいて、その両端間電圧が定電圧REFのほぼ3倍(=3REF)となるまで充電されている。従って、第2フェイズへの遷移により、キャパシタC13の第2端がハイ電圧VHに持ち上げられると、キャパシタC13の第1端は、キャパシタC13の電荷保存則に従い、第2端よりも両端間電圧分だけ高い電圧(=VH+3REF)に持ち上げられる。 Further, the capacitor C13 is charged until the voltage between both ends thereof is almost three times the constant voltage REF (= 3REF) in the immediately preceding first phase. Therefore, when the second end of the capacitor C13 is raised to the high voltage VH due to the transition to the second phase, the first end of the capacitor C13 follows the charge conservation law of the capacitor C13, and the voltage between both ends is more than the second end. To a higher voltage (= VH + 3REF).
このとき、昇圧電圧VCPの出力端には、キャパシタC13からダイオードD14を介して出力電流が流れる。従って、チャージポンプ回路4の後段に接続された負荷には、ハイ電圧VHよりも高い昇圧電圧VCP(=VH+3REF)が供給される。
At this time, an output current flows from the capacitor C13 through the diode D14 to the output terminal of the boosted voltage VCP. Therefore, the boost voltage VCP (= VH + 3REF) higher than the high voltage VH is supplied to the load connected to the subsequent stage of the
なお、第2フェイズにおいて、ダイオードD11及びD13は、いずれも逆バイアスとなるので、これらの素子を介する経路で電流が逆流することはない。 In the second phase, since the diodes D11 and D13 are both reverse-biased, current does not flow backward through the path through these elements.
このように、本実施形態のチャージポンプ回路4では、クロック信号CLKに同期して第1フェイズと第2フェイズを交互に繰り返すことにより昇圧電圧VCPが生成される。
Thus, in the
ただし、本実施形態のチャージポンプ回路4では、クロック信号CLKの1周期毎にしか、昇圧電圧VCPの出力端に出力電流を流すことができないので、効率が悪い。特に、減電時(=電源電圧Vbbの低下時)には、昇圧電圧VCPが持ち上がりにくいので、例えば、車載機器の要求仕様(クランキングによる電源低下への対応)を満たすことができなくなるおそれがある。そのため、本実施形態のチャージポンプ回路4では、昇圧電圧VCPを稼ぐために昇圧段数を増やす必要があり、回路規模の増大を招くおそれもある。
However, the
<チャージポンプ回路(第2実施形態)>
図5は、チャージポンプ回路4の第2実施形態を示す回路図である。本実施形態のチャージポンプ回路4は、キャパシタC21及びC22と、Nチャネル型MOS電界効果トランジスタN21及びN22と、Pチャネル型MOS電界効果トランジスタP21及びP22と、インバータINV21及びINV22と、を含む。
<Charge Pump Circuit (Second Embodiment)>
FIG. 5 is a circuit diagram showing a second embodiment of the
インバータINV21の入力端は、クロック信号CLKの入力端に接続されている。インバータINV21の出力端は、キャパシタC21の第1端とインバータINV22の入力端に接続されている。インバータINV22の出力端は、キャパシタC22の第1端に接続されている。このように接続されたインバータINV21及びINV22は、いずれもハイ電圧VHとロー電圧VLの供給を受けて動作し、それぞれの入力信号を論理反転させてそれぞれの出力信号を生成する。従って、キャパシタC21及びC22は、クロック信号CLKに同期してそれぞれの第1端が互いに逆相でパルス駆動される。 The input end of the inverter INV21 is connected to the input end of the clock signal CLK. The output terminal of the inverter INV21 is connected to the first terminal of the capacitor C21 and the input terminal of the inverter INV22. The output terminal of the inverter INV22 is connected to the first terminal of the capacitor C22. The inverters INV21 and INV22 connected in this manner operate by receiving the supply of the high voltage VH and the low voltage VL, and logically invert the respective input signals to generate the respective output signals. Therefore, the capacitors C21 and C22 are pulse-driven at their first ends in reverse phase with each other in synchronization with the clock signal CLK.
トランジスタN21のソースは、ハイ電圧VH(=電源電圧Vbb)の入力端に接続されている。トランジスタN21のドレインは、キャパシタC33の第2端に接続されている。トランジスタN21のゲートは、キャパシタC21の第2端に接続されている。トランジスタN22のソースは、ハイ電圧VHの入力端に接続されている。トランジスタN22のドレインは、キャパシタC21の第2端に接続されている。トランジスタN22のゲートは、キャパシタC22の第2端に接続されている。 The source of the transistor N21 is connected to the input terminal of the high voltage VH (= power supply voltage Vbb). The drain of the transistor N21 is connected to the second end of the capacitor C33. The gate of the transistor N21 is connected to the second end of the capacitor C21. The source of the transistor N22 is connected to the input terminal of the high voltage VH. The drain of the transistor N22 is connected to the second end of the capacitor C21. The gate of the transistor N22 is connected to the second end of the capacitor C22.
トランジスタP21のドレインは、トランジスタN21のドレインに接続されている。トランジスタP21のソースは、昇圧電圧VCPの出力端に接続されている。トランジスタP21のゲートは、キャパシタC21の第2端に接続されている。トランジスタP22のドレインは、トランジスタN22のドレインに接続されている。トランジスタP22のソースは、昇圧電圧VCPの出力端に接続されている。トランジスタP22のゲートは、キャパシタC22の第2端に接続されている。 The drain of the transistor P21 is connected to the drain of the transistor N21. The source of the transistor P21 is connected to the output terminal of the boosted voltage VCP. The gate of the transistor P21 is connected to the second end of the capacitor C21. The drain of the transistor P22 is connected to the drain of the transistor N22. The source of the transistor P22 is connected to the output terminal of the boost voltage VCP. The gate of the transistor P22 is connected to the second end of the capacitor C22.
上記構成から成るチャージポンプ回路4は、クロック信号CLKに同期して、第1フェイズと第2フェイズを交互に繰り返すことにより、ハイ電圧VH(=電源電圧Vbb)よりも高い昇圧電圧VCPを出力する。以下では、各フェイズの動作状態について、個別具体的に説明する。
The
図6は、第2実施形態のチャージポンプ動作を示す回路図(第1フェイズ)である。なお、以下では、説明を簡単とするために、トランジスタN21及びN22、並びに、トランジスタP21及びP22での電圧降下を無視して考える。 FIG. 6 is a circuit diagram (first phase) illustrating the charge pump operation of the second embodiment. In the following, in order to simplify the explanation, voltage drops in the transistors N21 and N22 and the transistors P21 and P22 are ignored.
第1フェイズでは、クロック信号CLKがハイレベル(VH)とされる。従って、インバータINV21の出力信号はローレベル(VL)となり、インバータINV22の出力信号はハイレベル(VH)となる。 In the first phase, the clock signal CLK is set to the high level (VH). Accordingly, the output signal of the inverter INV21 is low level (VL), and the output signal of the inverter INV22 is high level (VH).
キャパシタC22は、直前の第2フェイズにおいて、その両端間電圧がほぼ定電圧REFとなるまで充電されている。従って、第1フェイズへの遷移により、キャパシタC22の第1端がハイ電圧VHに持ち上げられると、キャパシタC22の第2端は、キャパシタC22の電荷保存則に従い、第1端よりも両端間電圧分だけ高い電圧(=VH+REF)に持ち上げられる。 The capacitor C22 is charged until the voltage between both ends thereof becomes substantially a constant voltage REF in the immediately preceding second phase. Therefore, when the first end of the capacitor C22 is raised to the high voltage VH due to the transition to the first phase, the second end of the capacitor C22 follows the charge conservation law of the capacitor C22 and the voltage between both ends is greater than the first end. To a higher voltage (= VH + REF).
その結果、トランジスタN22のゲート・ソース間電圧が高くなり、トランジスタP22のゲート・ソース間電圧が低くなる。従って、トランジスタN22がオンしてトランジスタP22がオフする。また、これに伴い、トランジスタN21及びP21それぞれのゲートにハイ電圧VHが印加されるので、トランジスタN21のゲート・ソース間電圧が低くなり、トランジスタP21のゲート・ソース間電圧が高くなる。従って、トランジスタN21がオフしてトランジスタP21がオンする。 As a result, the gate-source voltage of the transistor N22 increases and the gate-source voltage of the transistor P22 decreases. Therefore, the transistor N22 is turned on and the transistor P22 is turned off. Accordingly, since the high voltage VH is applied to the gates of the transistors N21 and P21, the gate-source voltage of the transistor N21 decreases, and the gate-source voltage of the transistor P21 increases. Accordingly, the transistor N21 is turned off and the transistor P21 is turned on.
このとき、キャパシタC21には、ハイ電圧VHの入力端からトランジスタN22を介して充電電流が流れる。従って、キャパシタC21は、その両端間電圧がほぼ定電圧REF(=VH−VL)となるまで充電される。また、昇圧電圧VCPの出力端には、キャパシタC22からトランジスタP21を介して出力電流が流れる。従って、チャージポンプ回路4の後段に接続された負荷には、ハイ電圧VHよりも高い昇圧電圧VCP(=VH+REF)が供給される。
At this time, a charging current flows to the capacitor C21 from the input terminal of the high voltage VH via the transistor N22. Therefore, the capacitor C21 is charged until the voltage between both ends thereof becomes substantially the constant voltage REF (= VH−VL). An output current flows from the capacitor C22 through the transistor P21 to the output terminal of the boosted voltage VCP. Therefore, the boost voltage VCP (= VH + REF) higher than the high voltage VH is supplied to the load connected to the subsequent stage of the
図7は、第2実施形態のチャージポンプ動作を示す回路図(第2フェイズ)である。なお、先の図6と同様、以下では、説明を簡単とするために、トランジスタN21及びN22、並びに、トランジスタP21及びP22での電圧降下を無視して考える。 FIG. 7 is a circuit diagram (second phase) showing the charge pump operation of the second embodiment. In the following, as in FIG. 6, the voltage drops in the transistors N21 and N22 and the transistors P21 and P22 are ignored for the sake of simplicity.
第2フェイズでは、クロック信号CLKがローレベル(VL)とされる。従って、インバータINV21の出力信号はハイレベル(VH)となり、インバータINV22の出力信号はローレベル(VL)となる。 In the second phase, the clock signal CLK is set to a low level (VL). Therefore, the output signal of the inverter INV21 is high level (VH), and the output signal of the inverter INV22 is low level (VL).
キャパシタC21は、直前の第2フェイズにおいて、その両端間電圧がほぼ定電圧REFとなるまで充電されている。従って、第1フェイズへの遷移により、キャパシタC21の第1端がハイ電圧VHに持ち上げられると、キャパシタC21の第2端は、キャパシタC21の電荷保存則に従い、第1端よりも両端間電圧分だけ高い電圧(=VH+REF)に持ち上げられる。 The capacitor C21 is charged until the voltage between both ends thereof becomes substantially a constant voltage REF in the immediately preceding second phase. Accordingly, when the first end of the capacitor C21 is raised to the high voltage VH due to the transition to the first phase, the second end of the capacitor C21 has a voltage component between both ends of the capacitor C21 in accordance with the charge conservation law of the capacitor C21. To a higher voltage (= VH + REF).
その結果、トランジスタN21のゲート・ソース間電圧が高くなり、トランジスタP21のゲート・ソース間電圧が低くなる。従って、トランジスタN21がオンしてトランジスタP21がオフする。また、これに伴い、トランジスタN22及びP22それぞれのゲートにハイ電圧VHが印加されるので、トランジスタN22のゲート・ソース間電圧が低くなり、トランジスタP22のゲート・ソース間電圧が高くなる。従って、トランジスタN22がオフしてトランジスタP22がオンする。 As a result, the gate-source voltage of the transistor N21 increases, and the gate-source voltage of the transistor P21 decreases. Accordingly, the transistor N21 is turned on and the transistor P21 is turned off. Accordingly, since the high voltage VH is applied to the gates of the transistors N22 and P22, the gate-source voltage of the transistor N22 decreases, and the gate-source voltage of the transistor P22 increases. Accordingly, the transistor N22 is turned off and the transistor P22 is turned on.
このとき、キャパシタC22には、ハイ電圧VHの入力端からトランジスタN21を介して充電電流が流れる。従って、キャパシタC22は、その両端間電圧がほぼ定電圧REF(=VH−VL)となるまで充電される。また、昇圧電圧VCPの出力端には、キャパシタC21からトランジスタP22を介して出力電流が流れる。従って、チャージポンプ回路4の後段に接続された負荷には、ハイ電圧VHよりも高い昇圧電圧VCP(=VH+REF)が供給される。
At this time, a charging current flows to the capacitor C22 from the input terminal of the high voltage VH via the transistor N21. Accordingly, the capacitor C22 is charged until the voltage between both ends thereof becomes substantially the constant voltage REF (= VH−VL). An output current flows from the capacitor C21 through the transistor P22 to the output terminal of the boosted voltage VCP. Therefore, the boost voltage VCP (= VH + REF) higher than the high voltage VH is supplied to the load connected to the subsequent stage of the
このように、本実施形態のチャージポンプ回路4では、先の第1実施形態(図2)と同じく、クロック信号CLKに同期して第1フェイズと第2フェイズを交互に繰り返すことにより昇圧電圧VCPが生成される。
As described above, in the
ここで、本実施形態のチャージポンプ回路4であれば、クロック信号CLKの1/2周期毎に1回ずつ、昇圧電圧VCPの出力端に出力電流を流すことができるので、先の第1実施形態(図2)よりも効率を高めることが可能となる。特に、減電時(=電源電圧Vbbの低下時)でも、昇圧電圧VCPを素早く持ち上げることができるので、例えば、車載機器の要求仕様(クランキングによる電源低下への対応)を十分に満たすことが可能となる。また、昇圧電圧VCPを稼ぐために昇圧段数を増やさずに済むので、回路規模の縮小を図ることも可能となる。
Here, with the
<チャージポンプ回路の後段構成>
図8は、半導体装置100におけるチャージポンプ回路4の後段構成例を示す回路図である。先にも述べたように、チャージポンプ回路4の後段には、ゲート制御回路6や過電流保護回路13が接続されている。ところで、チャージポンプ回路4は、その出力上昇時(起動時)において、フライングキャパシタの駆動周波数に応じた出力変動を生じる。そこで、本構成例の半導体装置100では、高い動作精度が要求される過電流保護回路13よりも前段に、平滑回路15が設けられている。
<Second stage configuration of charge pump circuit>
FIG. 8 is a circuit diagram showing a configuration example of the subsequent stage of the
<平滑回路>
引き続き、図8を参照しながら、平滑回路15の構成及び動作について詳細な説明を行う。本構成例の平滑回路15は、昇圧電圧VCPを平滑して平滑昇圧電圧VCPを生成する回路ブロック(ローパスフィルタ回路)であり、カレントミラー151と、キャパシタ152と、を含む。
<Smoothing circuit>
Next, the configuration and operation of the smoothing
カレントミラー151は、昇圧電圧VCPの供給を受けて動作し、昇圧電圧VCPと同様の挙動で変動する充電電流Icを生成する回路部であり、PMOSFET151a及び151bを含む。PMOSFET151a及び151bの両ソースは、いずれも昇圧電圧VCPの入力端に接続されている。PMOSFET151a及び151bの両ゲートは、いずれもPMOSFET151aのドレインに接続されている。PMOSFET151aのドレインは、基準電流Irefの入力端に接続されている。PMOSFET151bのドレインは、キャパシタ152の第1端と平滑昇圧電圧VCP2の出力端に接続されている。キャパシタ152の第2端は、OUTピンに接続されている。
The
チャージポンプ回路4の出力上昇時(起動時)において、昇圧電圧VCPの出力変動が生じると、これと同様の挙動で充電電流Icにも変動が生じる。一方、キャパシタ152の第1端に現れる充電電圧Vcは、充電電流Icを用いたキャパシタ152の充放電に伴い、昇圧電圧VCPに対してローパスフィルタ処理を施した平滑化電圧となる。
When the output of the boosted voltage VCP changes when the output of the
従って、上記の充電電圧Vcを平滑昇圧電圧VCP2として過電流保護回路13に供給することにより、昇圧電圧VCPの出力変動が生じた場合であっても、過電流保護回路13の電源変動を抑制し、その動作精度を高いレベルに維持することが可能となる。
Therefore, by supplying the charging voltage Vc as the smoothed boosted voltage VCP2 to the
また、本構成例の平滑回路15において、カレントミラー151からキャパシタ152に流し込まれる充電電流Icは、基本的に基準電流Irefを等倍でミラーしたものである。従って、基準電流Irefの電流値を十分に小さく設定しておくことにより、平滑回路15の消費電流を抑制することが可能となる。特に、チャージポンプ回路4の電流出力能力を鑑みると、平滑回路15の消費電流を小さく抑えておくことは非常に重要である。
Further, in the smoothing
なお、平滑回路15として単純なRCフィルタを採用した場合には、そのカットオフ周波数fcが1/2πRCとなる。従って、MHzオーダーの駆動周波数に対応するためには、非常に大きな面積の抵抗が必要となる。そのため、回路面積を鑑みても、単純なRCフィルタではなく、カレントミラー151とキャパシタ152とを組み合わせた本構成例の方が有利であると言える。
When a simple RC filter is used as the smoothing
<過電流保護回路>
引き続き、図8を参照しながら、過電流保護回路13の構成及び動作について詳細に説明する。本構成例の過電流保護回路13は、ミラー電流I2(延いては監視対象電流である出力電流I1)が過電流状態であるか否かを監視し、その監視結果に応じた過電流保護信号S13を生成する回路ブロックである。なお、本構成例の過電流保護回路13は、定電流生成部131と、カレントミラー部132と、NMOSFET133及び134と、抵抗135及び136と、キャパシタ137と、を含む。
<Overcurrent protection circuit>
Next, the configuration and operation of the
定電流生成部131は、所定の第1電流IAを生成する回路部であり、デプレッション型のNMOSFET131aと、エンハンスメント型のNMOSFET131bと、オペアンプ131cと、NMOSFET131dと、抵抗131e(抵抗値:R131e)とを含む。
The constant
NMOSFET131aのドレインは、平滑昇圧電圧VCP2の入力端に接続されている。NMOSFET131aのゲートとソース、及び、NMOSFET131bのゲートとドレインは、いずれも定電圧VAの出力端に接続されている。NMOSFET131bのソースは、OUTピンに接続されている。
The drain of the
上記のように接続されたNMOSFET131a及び131bは、平滑昇圧電圧VCPの供給を受けて所定の定電圧VAを生成する定電圧生成部(いわゆるED型基準電圧源)として機能する。この定電圧生成部では、デプレッション型のNMOSFET131aが一種の定電流源として機能するので、NMOSFET131bに一定のバイアス電流が供給される。その結果、NMOSFET131bのドレインには、そのゲート・ソース間電圧に相当する一定の定電圧VAが現れる。
The
なお、上記の定電圧生成部で消費されるバイアス電流は、NMOSFET131a及び131bのW/L比を適宜設計することにより、平滑昇圧電圧VCP2に依存することなく、非常に小さい電流値(0.1μA程度)に設定することができる。
Note that the bias current consumed by the constant voltage generator is designed to have a very small current value (0.1 μA) without depending on the smooth boost voltage VCP2 by appropriately designing the W / L ratio of the
また、上記の定電圧生成部については、必要な電圧精度が得られるのであれば、ED型基準電圧源に限らず、いかなる回路構成を採用しても構わない。 The constant voltage generator is not limited to the ED type reference voltage source, and any circuit configuration may be adopted as long as necessary voltage accuracy can be obtained.
オペアンプ131cの非反転入力端(+)は、定電圧生成部の出力端(=定電圧VAの出力端)に接続されている。オペアンプ131cの反転入力端(−)は、NMOSFET131dのソースに接続されている。オペアンプ131cの出力端は、NMOSFET131dのゲートに接続されている。抵抗131eの第1端は、トランジスタ131dのソースに接続されている。抵抗131eの第2端は、OUTピンに接続されている。
The non-inverting input terminal (+) of the
上記のように接続されたオペアンプ131cは、その非反転入力端(+)と反転入力端(−)がイマジナリショートするように、トランジスタ131dのゲート制御を行う。その結果、抵抗131eの第1端には定電圧VAが印加されるので、定電圧VAに応じた第1電流IA(=VA×R131e)が生成される。このように、オペアンプ131c、NMOSFET131d、及び、抵抗131eは、定電圧VAを第1電流IAに変換する電圧/電流変換部として機能する。
The
カレントミラー部132は、PMOSFET132a〜132cを含み、第1電流IAに応じた第2電流IBと第3電流ICを生成する。PMOSFET132a〜132cのソースは、いずれも平滑昇圧電圧VCP2の入力端に接続されている。PMOSFET132a〜132cのゲートは、いずれもPMOSFET132aのドレインに接続されている。PMOSFET132aのドレインは、第1電流IAの入力端に相当し、NMOSFET131dのドレインに接続されている。PMOSFET132bのドレインは、第2電流IBの出力端に相当する。PMOSFET132cのドレインは、第3電流ICの出力端に相当する。
The
NMOSFET133及び134のゲートは、いずれもNMOSFET133のドレインに接続されている。NMOSFET133のドレインは、PMOSFET132bのドレインに接続されている。NMOSFET133のソースは、抵抗135(抵抗値R135)の第1端に接続されている。抵抗135の第2端は、OUTピンに接続されている。NMOSFET134のドレインは、PMOSFET132cのドレインと過電流保護信号S13の出力端にそれぞれ接続されている。NMOSFET134のソースは、センス電圧Vsの印加端に接続されている。なお、過電流保護信号S13の出力端は、抵抗136とキャパシタ137から成る直列回路を介してVBBピンにプルアップされている。
The gates of the
上記のように接続されたNMOSFET133及び134は、ミラー電流I2に応じたセンス電圧Vsと所定の閾値電圧Vocp(=IB×R135)とを比較して過電流保護信号S13を生成する電圧比較部として機能する。
The
センス電圧Vsが閾値電圧Vocpよりも低いときには、NMOSFET134の導通度がNMOSFET133の導通度よりも高くなり、過電流保護信号S13がローレベル(=異常未検出時の論理レベル)となる。一方、センス電圧Vsが閾値電圧Vocpよりも高いときには、NMOSFET134の導通度がNMOSFET133の導通度よりも低くなり、過電流保護信号S13がハイレベル(=異常検出時の論理レベル)となる。
When the sense voltage Vs is lower than the threshold voltage Vocp, the conductivity of the
上記したように、定電流生成部131やカレントミラー部132は、昇圧電圧VCPの供給を受けるのではなく、平滑昇圧電圧VCP2の供給を受けて動作する。このような構成とすることにより、昇圧電圧VCPの出力変動が生じた場合であっても、過電流保護回路13の動作精度を高いレベルに維持することが可能となる。
As described above, the constant
<ゲート制御回路>
引き続き、図8を参照しながら、ゲート制御回路6の構成及び動作について詳述する。本構成例のゲート制御回路6は、ドライバ61と、NMOSFET62と、を含む。
<Gate control circuit>
Next, the configuration and operation of the
ドライバ61は、昇圧電圧VCPの印加端とOUTピンとの間に接続されており、ゲート制御信号S5bの電流能力を高めたゲート電圧VGを生成してトランジスタN1及びN2のゲートに出力する。ゲート電圧VGは、ゲート制御信号S5bがハイレベルであるときにハイレベル(=VCP)となり、ゲート制御信号S5bがローレベルであるときにローレベル(=Vo)となる。
The
NMOSFET62のドレインは、ゲート電圧VGの出力端(=トランジスタN1及びN2のゲート)に接続されている。NMOSFET62のソースは、OUTピンに接続されている。NMOSFET62のゲートは、過電流保護信号S13の入力端に相当する。
The drain of the
本構成例のゲート制御回路6において、過電流保護信号S13がローレベル(=異常未検出時の論理レベル)であるときには、NMOSFET62がオフするので、トランジスタN1に対してゲート電圧VGが通常通りに印加される。一方、過電流保護信号S13がハイレベル(=異常検出時の論理レベル)であるときには、NMOSFET62がオンするので、トランジスタN1のゲート・ソース間がショートされる。
In the
このように、本構成例のゲート制御回路6は、過電流保護信号S13がハイレベル(=異常検出時の論理レベル)であるときに、トランジスタN1を強制的にオフさせるようにゲート信号VGを制御する機能を備えている。
As described above, the
<車両への適用>
図9は、車両の一構成例を示す外観図である。本構成例の車両Xは、バッテリ(本図では不図示)と、バッテリから電源電圧Vbbの供給を受けて動作する種々の電子機器X11〜X18と、を搭載している。なお、本図における電子機器X11〜X18の搭載位置については、図示の便宜上、実際とは異なる場合がある。
<Application to vehicles>
FIG. 9 is an external view showing a configuration example of a vehicle. The vehicle X of this configuration example includes a battery (not shown in the figure) and various electronic devices X11 to X18 that operate by receiving supply of the power supply voltage Vbb from the battery. In addition, about the mounting position of the electronic devices X11-X18 in this figure, it may differ from the actual for convenience of illustration.
電子機器X11は、エンジンに関連する制御(インジェクション制御、電子スロットル制御、アイドリング制御、酸素センサヒータ制御、及び、オートクルーズ制御など)を行うエンジンコントロールユニットである。 The electronic device X11 is an engine control unit that performs control related to the engine (injection control, electronic throttle control, idling control, oxygen sensor heater control, auto cruise control, and the like).
電子機器X12は、HID[high intensity discharged lamp]やDRL[daytime running lamp]などの点消灯制御を行うランプコントロールユニットである。 The electronic device X12 is a lamp control unit that performs on / off control such as HID [high intensity discharged lamp] and DRL [daytime running lamp].
電子機器X13は、トランスミッションに関連する制御を行うトランスミッションコントロールユニットである。 The electronic device X13 is a transmission control unit that performs control related to the transmission.
電子機器X14は、車両Xの運動に関連する制御(ABS[anti-lock brake system]制御、EPS[electric power steering]制御、電子サスペンション制御など)を行うボディコントロールユニットである。 The electronic device X14 is a body control unit that performs control (ABS [anti-lock brake system] control, EPS [electric power steering] control, electronic suspension control, etc.) related to the motion of the vehicle X.
電子機器X15は、ドアロックや防犯アラームなどの駆動制御を行うセキュリティコントロールユニットである。 The electronic device X15 is a security control unit that performs drive control such as a door lock and a security alarm.
電子機器X16は、ワイパー、電動ドアミラー、パワーウィンドウ、ダンパー(ショックアブソーバー)、電動サンルーフ、及び、電動シートなど、標準装備品やメーカーオプション品として、工場出荷段階で車両Xに組み込まれている電子機器である。 The electronic device X16 is an electronic device that is incorporated into the vehicle X at the factory shipment stage as a standard equipment item or manufacturer's option product, such as a wiper, an electric door mirror, a power window, a damper (shock absorber), an electric sunroof, and an electric seat. It is.
電子機器X17は、車載A/V[audio/visual]機器、カーナビゲーションシステム、及び、ETC[electronic toll collection system]など、ユーザオプション品として任意で車両Xに装着される電子機器である。 The electronic device X17 is an electronic device that is optionally mounted on the vehicle X as a user option product such as an in-vehicle A / V [audio / visual] device, a car navigation system, and an ETC [electronic toll collection system].
電子機器X18は、車載ブロア、オイルポンプ、ウォーターポンプ、バッテリ冷却ファンなど、高耐圧系モータを備えた電子機器である。 The electronic device X18 is an electronic device that includes a high-voltage motor such as an in-vehicle blower, an oil pump, a water pump, and a battery cooling fan.
なお、先に説明した半導体装置100は、電子機器X11〜X18のいずれにも組み込むことが可能である。
Note that the
<その他の変形例>
なお、上記の実施形態では、車載用ハイサイドスイッチICを例に挙げて説明を行ったが、本明細書中に開示されている発明の適用対象は、これに限定されるものではなく、その他の用途に供される車載用IPD[intelligent power device](車載用ローサイドスイッチICや車載用電源ICなど)を始めとして、チャージポンプ回路を有する半導体装置全般に広く適用することが可能である。
<Other variations>
In the above embodiment, the on-vehicle high-side switch IC has been described as an example. However, the application target of the invention disclosed in this specification is not limited to this, and other It can be widely applied to all semiconductor devices having a charge pump circuit, including an in-vehicle IPD [intelligent power device] (in-vehicle low-side switch IC, in-vehicle power supply IC, etc.) used for the above-described applications.
すなわち、本明細書中に開示されている発明は、上記実施形態のほか、その技術的創作の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。すなわち、上記実施形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきであり、本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。 That is, the invention disclosed in the present specification can be variously modified within the scope of the technical creation in addition to the above embodiment. That is, the above-described embodiment is an example in all respects and should not be considered as limiting, and the technical scope of the present invention is not the description of the above-described embodiment, but the claims. It should be understood that all modifications that come within the meaning and range of equivalents of the claims are included.
本明細書中に開示されている発明は、車載用IPDなどに利用することが可能である。 The invention disclosed in this specification can be used for in-vehicle IPD and the like.
1 内部電源回路
2 定電圧生成回路
3 発振回路
4 チャージポンプ回路
5 ロジック回路
6 ゲート制御回路
61 ドライバ
62 NMOSFET
7 クランプ回路
8 入力回路
9 基準生成回路
10 温度保護回路
11 減電圧保護回路
12 オープン保護回路
13 過電流保護回路
131 定電流生成部
131a NMOSFET(デプレッション型)
131b NMOSFET(エンハンスメント型)
131c オペアンプ
131d NMOSFET
131e 抵抗
132 カレントミラー部
132a〜132c PMOSFET
133、134 NMOSFET
135、136 抵抗
137 キャパシタ
15 平滑回路
151 カレントミラー
151a、151b PMOSFET
152 キャパシタ
100 半導体装置
N1 Nチャネル型MOS電界効果トランジスタ(パワートランジスタ)
N2 Nチャネル型MOS電界効果トランジスタ(電流検出トランジスタ)
N3 Nチャネル型MOS電界効果トランジスタ(信号出力トランジスタ)
R1、R2 抵抗
Rs センス抵抗
Z1、Z2 ツェナダイオード
C11〜C13 キャパシタ
D11〜D14 ダイオード
INV11〜INV13 インバータ
C21、C22 キャパシタ
N21、N22 Nチャネル型MOS電界効果トランジスタ
P21、P22 Pチャネル型MOS電界効果トランジスタ
INV21、INV22 インバータ
X 車両
X11〜X18 電子機器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Internal
7
131b NMOSFET (enhancement type)
131c
133, 134 NMOSFET
135, 136
N2 N-channel MOS field effect transistor (current detection transistor)
N3 N-channel MOS field effect transistor (signal output transistor)
R1, R2 resistance Rs sense resistance Z1, Z2 Zener diode C11-C13 capacitor D11-D14 diode INV11-INV13 inverter C21, C22 capacitor N21, N22 N-channel MOS field effect transistor P21, P22 P-channel MOS field effect transistor INV21, INV22 Inverter X Vehicle X11-X18 Electronic equipment
Claims (10)
前記昇圧電圧を平滑して平滑昇圧電圧を生成する平滑回路と、
前記平滑昇圧電圧の供給を受けて動作する後段回路と、
を有し、
前記平滑回路は、
前記昇圧電圧と同様の挙動で変動する充電電流を生成するカレントミラーと、
前記充電電流に応じた充電電圧を前記平滑昇圧電圧として出力するキャパシタと、
を含むことを特徴とする半導体装置。 A charge pump circuit that generates a boosted voltage higher than the power supply voltage;
A smoothing circuit that smoothes the boosted voltage to generate a smoothed boosted voltage;
A post-stage circuit that operates in response to the supply of the smoothed boost voltage;
Have
The smoothing circuit is
A current mirror that generates a charging current that varies in the same manner as the boosted voltage;
A capacitor that outputs a charging voltage corresponding to the charging current as the smoothed boost voltage;
A semiconductor device comprising:
ソースが前記昇圧電圧の入力端に接続されてドレインとゲートが基準電流の入力端に接続された第1PMOSFETと、
ソースが前記昇圧電圧の入力端に接続されてゲートが前記第1PMOSFETのゲートに接続されてドレインが前記キャパシタに接続された第2PMOSFETと、
を含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 The current mirror is
A first PMOSFET having a source connected to the boost voltage input and a drain and gate connected to a reference current input;
A second PMOSFET having a source connected to the input terminal of the boosted voltage, a gate connected to the gate of the first PMOSFET, and a drain connected to the capacitor;
The semiconductor device according to claim 1, comprising:
所定の第1電流を生成する定電流生成部と、
前記第1電流に応じた第2電流と第3電流を生成するカレントミラー部と、
ドレインとゲートが前記第2電流の入力端に接続された第1NMOSFETと、
ドレインが前記第3電流の入力端と前記過電流保護信号の出力端に接続されてゲートが前記第1NMOSFETのゲートに接続されてソースが前記センス電圧の入力端に接続された第2NMOSFETと、
一端が前記第1NMOSFETのソースに接続されて前記閾値電圧を生成する抵抗と、
を含むことを特徴とする請求項4に記載の半導体装置。 The overcurrent protection circuit is
A constant current generator for generating a predetermined first current;
A current mirror for generating a second current and a third current according to the first current;
A first NMOSFET having a drain and a gate connected to the input terminal of the second current;
A second NMOSFET having a drain connected to the input terminal of the third current and an output terminal of the overcurrent protection signal, a gate connected to the gate of the first NMOSFET, and a source connected to the input terminal of the sense voltage;
A resistor having one end connected to the source of the first NMOSFET to generate the threshold voltage;
The semiconductor device according to claim 4, comprising:
前記平滑昇圧電圧の供給を受けて定電圧を生成する定電圧生成部と、
前記定電圧を前記第1電流に変換する電圧/電流変換部と、
を含むことを特徴とする請求項5に記載の半導体装置。 The constant current generator is
A constant voltage generation unit that receives the supply of the smoothed boost voltage and generates a constant voltage;
A voltage / current converter for converting the constant voltage into the first current;
The semiconductor device according to claim 5, comprising:
前記ゲート電圧に応じて電源と負荷との間を導通/遮断するNチャネル型のハイサイドスイッチと、
をさらに有することを特徴とする請求項3〜請求項6のいずれかに記載の半導体装置。 A gate control circuit for receiving the boosted voltage and generating a gate voltage;
An N-channel type high-side switch that conducts / cuts off between a power source and a load according to the gate voltage;
The semiconductor device according to claim 3, further comprising:
前記ゲート制御回路は、前記過電流保護信号が過電流検出時の論理レベルであるときに前記ハイサイドスイッチを強制的にオフさせるように前記ゲート信号を制御する、
ことを特徴とする請求項7に記載の半導体装置。 The overcurrent protection circuit monitors an output current flowing through the high-side switch or a mirror current corresponding thereto as the monitoring target current,
The gate control circuit controls the gate signal to forcibly turn off the high-side switch when the overcurrent protection signal is at a logic level at the time of overcurrent detection;
The semiconductor device according to claim 7.
前記バッテリから電源電圧の供給を受けて動作する請求項9に記載の電子機器と、
を有することを特徴とする車両。 Battery,
The electronic apparatus according to claim 9, wherein the electronic apparatus operates by receiving supply of a power supply voltage from the battery;
The vehicle characterized by having.
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JP2020195189A (en) * | 2019-05-27 | 2020-12-03 | 株式会社東芝 | Current detection circuit |
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-
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