JP2019132618A - 半導体装置、負荷駆動システムおよびインダクタ電流の電流検出方法 - Google Patents
半導体装置、負荷駆動システムおよびインダクタ電流の電流検出方法 Download PDFInfo
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Abstract
Description
《負荷駆動システム(実施の形態1)の概略》
図1は、本発明の実施の形態1による負荷駆動システムの主要部の構成例を示す回路ブロック図である。図1に示す負荷駆動システムは、例えば、一つの半導体チップで構成される半導体装置DEVと、当該半導体装置DEVによって駆動され負荷となるインダクタLと、バッテリ電源電位VBATを生成するバッテリ電源と、チップ用の電源電位VCCを生成するチップ用電源とを備える。バッテリ電源電位VBATは、例えば、5V〜45V等であり、代表的には13V等である。チップ用の電源電位VCCは、例えば、数V程度であり、代表的には3.3V等である。
図18は、本発明の比較例として検討した負荷駆動システムにおいて、電流検出パスの構成例を示す回路ブロック図である。図18の例では、一つの半導体チップ内に1個の温度センサTSENcが設けられる。温度センサTSENcは、例えば、基準電圧Vrefを生成する基準値生成回路VRGの温度を検出するために設けられる。アナログディジタル変換器ADCcは、電流検出回路CS’からの検出電圧VISを、基準電圧Vrefを目盛りとしてディジタル変換することでディジタル検出電圧DVISを出力する。基準値生成回路VRGは、定電流源ISと、定電流源ISからの定電流を基準電圧Vrefに変換する基準抵抗Rrefとを備える。定電流源ISは、例えば、図示しない基準電流生成回路からの基準電流をカレントミラーする1個のトランジスタ等によって構成される。
図3は、本発明の一実施の形態による負荷駆動システムにおいて、電流検出パスの構成例を示す回路ブロック図である。図3には、図1に示した半導体装置(半導体チップ)DEV内の一部の構成が抽出して示される。図1の半導体装置DEVは、図3に示されるように、ドライバ領域AR1と、ドライバ領域AR1を除く領域となる周辺回路領域AR2とを備える。
図4は、本発明の実施の形態1による負荷駆動システムにおいて、電流検出パスの構成例を示す回路ブロック図である。図4では、図3と比較して、電流センサISENh,ISENlおよび補正回路部CALUの詳細構成例が示される。電流センサISENhは、ハイサイドトランジスタQHに対して所定のサイズ比(例えば、数百分の1から数千分の1等)を備え、ハイサイドトランジスタQHと共通にオン・オフが制御されるハイサイドセンス用トランジスタQSHで構成される。同様に、電流センサISENlは、ロウサイドトランジスタQLに対して所定のサイズ比を備え、ロウサイドトランジスタQLと共通にオン・オフが制御されるロウサイドセンス用トランジスタQSLで構成される。
図6は、図4における温度センサの構成例を示す回路図である。図6に示す温度センサTSENは、例えば、温度検出用のダイオードDsと、当該ダイオードDsに定電流を供給する定電流源IS2と、ダイオードDsの順方向電圧を検出および増幅し、温度信号TMを出力するアンプ回路AMPtとを備える。ダイオードDsの順方向電圧は、負の温度特性を有するため、この特性を利用することで温度を検出することができる。
図9(a)、図9(b)および図9(c)は、図4における補正回路部の動作原理の一例を説明する図である。図9(a)に示されるように、温度Tに依存する誤差成分ΔERは、係数k1を比例係数とし、係数k2をオフセット係数とする一次関数“k1×T+k2”に近似することができる。ここで、オフセット補正回路OFCALに関し、電流検出回路CSやアナログディジタル変換器ADCでは、その周辺温度(Tc)に応じて図9(a)に示されるような特性のオフセット電圧ΔOFが生じ得る。当該オフセット電圧ΔOFは、主に、図8の電流検出回路CS内のアンプ回路AMPh,AMPlや、アナログディジタル変換器ADCc内のアンプ回路(図示せず)等によって生じる。
図10は、図4の補正回路部が保持する各補正係数の決定方法の一例を示すフロー図である。図10において、所定のテスト装置は、アナログディジタル変換器ADCcに印加される基準値(基準値生成回路VRGからの基準電圧Vref)を温度を変えながら観測することで、アナログディジタル変換器ADCcの入出力ゲイン(図9(c)のゲインGA’)の温度依存性を観測する(ステップS101)。この際には、予め、半導体装置DEV内に、基準電圧Vrefを外部出力するようなテスト用回路が設けられる。次いで、テスト装置は、ステップS101の観測結果に基づき、ADCゲイン補正情報(すなわち、ゲイン補正回路[1]GACALの補正係数(ΔGAk1,ΔGAk2))を定め(ステップS102)、それを記憶回路MEMに格納する(ステップS103)。
以上、実施の形態1の方式を用いることで、代表的には、インダクタ電流を高精度に検出することが可能になる。その結果、インダクタ電流を高精度に制御することが可能になる。
《電流検出方式(実施の形態2)の構成》
図11は、本発明の実施の形態2による負荷駆動システムにおいて、電流検出パスの構成例を示す回路ブロック図である。図11は、図4と比較して次の点が異なっている。1つ目の相違点として、ドライバ部DVU内の電流センサISENは、インダクタLに直列に結合されるセンス抵抗素子Rsで構成される。これに応じて、ドライバ部DVU内には、当該センス抵抗素子Rsの温度を検出し、当該温度を表す温度信号TMdを出力する1個の温度センサTSENdが設けられる。
以上、実施の形態2の方式を用いることで、実施の形態1で述べた各種効果と同様の効果が得られる。
《電流検出方式(実施の形態3)の構成》
図13は、本発明の実施の形態3による負荷駆動システムにおいて、電流検出パスの構成例を示す回路ブロック図である。図14は、図13の電流検出パスを備えた半導体装置において、各回路の配置構成例を示す模式図である。図14に示す半導体装置(半導体チップ)DEVcは、図5に示したチャネル部CHUを、Y方向に沿って複数(CHU[1]〜CHU[n])配置したような構成となっている。これに伴い、複数のインダクタL[1]〜L[n]にそれぞれ結合される複数の出力端子PNo[1]〜PNo[n]が設けられる。
図15は、本発明の実施の形態3による負荷駆動システムを適用した自動車の構成例を示す概略図である。図15に示す自動車は、タイヤTR、ディファレンシャルギアDG、トランスミッションTMS、クラッチCL、エンジンEG、ソレノイドバルブSB、電子制御装置ECU等を備える。ソレノイドバルブSBは、インダクタLを含み、インダクタLに流れるインダクタ電流に応じてクラッチCLの油圧を制御する。
以上、実施の形態3の方式を用いることで、実施の形態1で述べた各種効果と同様の効果が得られる。また、制御対象が増加した場合に、面積オーバヘッドの増大を抑制しながら、所望の効果を得ることができる。さらに、実施の形態3の方式を、特に、ソレノイドバルブの電流制御に適用することで、自動車の高性能化が図れる。
AR1 ドライバ領域
AR2 周辺回路領域
CALU 補正回路部
CHU チャネル部
CS 電流検出回路
CTLU 制御回路部
DCC DC/DCコンバータ
DEV 半導体装置
DVIS ディジタル検出電圧
DVISC 補正後ディジタル検出電圧
DVU ドライバ部
ECU 電子制御装置
GACAL ゲイン補正回路[1]
GND 接地電源電位
GSCAL ゲイン補正回路[2]
IL インダクタ電流
ISEN 電流センサ
L インダクタ
MEM 記憶回路
MUX 選択回路
OFCAL オフセット補正回路
PDVU プリドライバ部
PIC 補償器
PNo 出力端子
PWMG PWM信号生成回路
QH ハイサイドトランジスタ
QL ロウサイドトランジスタ
QSH ハイサイドセンス用トランジスタ
QSL ロウサイドセンス用トランジスタ
Rs センス抵抗素子
SB ソレノイドバルブ
SUB 誤差検出器
TGT 目標電圧
TM 温度信号
TSEN 温度センサ
VBAT バッテリ電源電位
VIS 検出電圧
VIN ハイサイド電源電位
VRG 基準値生成回路
Vref 基準電圧
Claims (20)
- 一つの半導体チップで構成され、第1の領域、第2の領域および補正回路部を備える半導体装置であって、
前記第1の領域には、
インダクタに結合される出力端子と電源電位との間に結合され、オンに制御された際に、前記インダクタに流れるインダクタ電流の電流経路を形成する駆動用トランジスタと、
前記インダクタ電流を検出する電流センサと、
前記第1の領域の温度を検出し、当該温度を表す第1の温度信号を出力する第1の温度センサと、
が配置され、
前記第2の領域には、
前記電流センサの検出値が入力され、前記検出値に応じた検出電圧を出力する電流検出回路と、
前記検出電圧が入力され、印加された基準値を目盛りとして前記検出電圧をディジタル変換することでディジタル検出電圧を出力する第1のアナログディジタル変換器と、
前記第2の領域の温度を検出し、当該温度を表す第2の温度信号を出力する第2の温度センサと、
が配置され、
前記補正回路部は、前記第1の温度信号と前記第2の温度信号とに基づいて前記ディジタル検出電圧を補正する、
半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
前記補正回路部は、
前記電流センサの検出値の温度依存性を表す第1の情報と、前記第1のアナログディジタル変換器の入出力ゲインの温度依存性を表す第2の情報とを予め保持する記憶回路と、
前記第1の温度信号と前記第1の情報とに基づいて前記ディジタル検出電圧を補正する第1の補正回路と、
前記第2の温度信号と前記第2の情報とに基づいて前記ディジタル検出電圧を補正する第2の補正回路と、
を有する、
半導体装置。 - 請求項2記載の半導体装置において、
前記電流センサは、前記インダクタに直列に結合されるセンス抵抗素子で構成される、
半導体装置。 - 請求項2記載の半導体装置において、
前記電流センサは、前記駆動用トランジスタに対して所定のサイズ比を備え、前記駆動用トランジスタと共通にオン・オフが制御されるセンス用トランジスタで構成される、
半導体装置。 - 請求項4記載の半導体装置において、
前記第1の領域には、
前記駆動用トランジスタの一つとなり、前記出力端子と高電位側電源電位との間に結合されるハイサイドトランジスタと、
前記駆動用トランジスタの他の一つとなり、前記出力端子と低電位側電源電位との間に結合されるロウサイドトランジスタと、
前記センス用トランジスタの一つとなり、前記ハイサイドトランジスタに対応して設けられるハイサイドセンス用トランジスタと、
前記センス用トランジスタの他の一つとなり、前記ロウサイドトランジスタに対応して設けられるロウサイドセンス用トランジスタと、
2個の第1の温度センサと、
が配置され、
前記2個の第1の温度センサの一方は、前記ハイサイドセンス用トランジスタの温度を検出し、他方は、前記ロウサイドセンス用トランジスタの温度を検出する、
半導体装置。 - 請求項2記載の半導体装置において、
前記記憶回路は、さらに、前記電流検出回路または前記第1のアナログディジタル変換器のオフセット電圧の温度依存性を表す第3の情報を予め保持し、
前記補正回路部は、さらに、前記第2の温度信号と前記第3の情報とに基づいて前記ディジタル検出電圧を補正する第3の補正回路を有する、
半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、さらに、
前記第1の温度信号か前記第2の温度信号かを選択する選択回路と、
前記選択回路からの温度信号をディジタル変換する第2のアナログディジタル変換器と、
を有する、
半導体装置。 - 請求項2記載の半導体装置において、
前記駆動用トランジスタ、前記電流センサおよび前記第1の温度センサが配置される前記第1の領域をn個(nは2以上の整数)備え、
前記第2の領域には、前記電流検出回路および前記第1のアナログディジタル変換器がn個配置され、前記第2の温度センサが少なくとも1個配置され、
前記補正回路部は、n個設けられる、
半導体装置。 - 請求項8記載の半導体装置において、
n個目の前記補正回路部内の前記記憶回路は、1個目の前記補正回路部内の前記記憶回路に保持される前記第1の情報および前記第2の情報を基準とした差分の情報を保持する、
半導体装置。 - 出力端子に結合され、負荷となるインダクタと、
一つの半導体チップで構成され、第1の領域、第2の領域および補正回路部を備える半導体装置と、
を有する負荷駆動システムであって、
前記第1の領域には、
前記出力端子と電源電位との間に結合され、オンに制御された際に、前記インダクタに流れるインダクタ電流の電流経路を形成する駆動用トランジスタと、
前記インダクタ電流を検出する電流センサと、
前記第1の領域の温度を検出し、当該温度を表す第1の温度信号を出力する第1の温度センサと、
が配置され、
前記第2の領域には、
前記電流センサの検出値が入力され、前記検出値に応じた検出電圧を出力する電流検出回路と、
前記検出電圧が入力され、印加された基準値を目盛りとして前記検出電圧をディジタル変換することでディジタル検出電圧を出力する第1のアナログディジタル変換器と、
前記第2の領域の温度を検出し、当該温度を表す第2の温度信号を出力する第2の温度センサと、
が配置され、
前記補正回路部は、前記第1の温度信号と前記第2の温度信号とに基づいて前記ディジタル検出電圧を補正する、
負荷駆動システム。 - 請求項10記載の負荷駆動システムにおいて、
前記補正回路部は、
前記電流センサの検出値の温度依存性を表す第1の情報と、前記第1のアナログディジタル変換器の入出力ゲインの温度依存性を表す第2の情報とを予め保持する記憶回路と、
前記第1の温度信号と前記第1の情報とに基づいて前記ディジタル検出電圧を補正する第1の補正回路と、
前記第2の温度信号と前記第2の情報とに基づいて前記ディジタル検出電圧を補正する第2の補正回路と、
を有する、
負荷駆動システム。 - 請求項11記載の負荷駆動システムにおいて、
前記電流センサは、前記インダクタに直列に結合されるセンス抵抗素子、または、前記駆動用トランジスタに対して所定のサイズ比を備え、前記駆動用トランジスタと共通にオン・オフが制御されるセンス用トランジスタで構成される、
負荷駆動システム。 - 請求項11記載の負荷駆動システムにおいて、
前記記憶回路は、さらに、前記電流検出回路または前記第1のアナログディジタル変換器のオフセット電圧の温度依存性を表す第3の情報を予め保持し、
前記補正回路部は、さらに、前記第2の温度信号と前記第3の情報とに基づいて前記ディジタル検出電圧を補正する第3の補正回路を有する、
負荷駆動システム。 - 請求項11記載の負荷駆動システムにおいて、
前記駆動用トランジスタ、前記電流センサおよび前記第1の温度センサが配置される前記第1の領域をn個(nは2以上の整数)備え、
前記第2の領域には、前記電流検出回路および前記第1のアナログディジタル変換器がn個配置され、前記第2の温度センサが少なくとも1個配置され、
前記補正回路部は、n個設けられる、
負荷駆動システム。 - 請求項14記載の負荷駆動システムにおいて、
n個目の前記補正回路部内の前記記憶回路は、1個目の前記補正回路部内の前記記憶回路に保持される前記第1の情報および前記第2の情報を基準とした差分の情報を保持する、
負荷駆動システム。 - 請求項10記載の負荷駆動システムにおいて、
前記インダクタは、ソレノイドバルブに含まれる、
負荷駆動システム。 - 出力端子に結合される負荷となり、インダクタ電流が流れるインダクタと、
一つの半導体チップで構成され、第1の領域および第2の領域を備える半導体装置と、
を有する負荷駆動システムを用いた前記インダクタ電流の電流検出方法であって、
前記第1の領域には、
前記出力端子と電源電位との間に結合され、オンに制御された際に、前記インダクタ電流の電流経路を形成する駆動用トランジスタと、
前記インダクタ電流を検出する電流センサと、
が配置され、
前記第2の領域には、
前記電流センサの検出値が入力され、前記検出値に応じた検出電圧を出力する電流検出回路と、
前記検出電圧が入力され、印加された基準値を目盛りとして前記検出電圧をディジタル変換することでディジタル検出電圧を出力する第1のアナログディジタル変換器と、
が配置され、
前記半導体装置は、
前記第1の領域の温度および前記第2の領域の温度をそれぞれ検出する第1のステップと、
前記第1の領域の温度と前記第2の領域の温度とに基づいて前記ディジタル検出電圧を補正する第2のステップと、
を実行する、
インダクタ電流の電流検出方法。 - 請求項17記載のインダクタ電流の電流検出方法において、
前記半導体装置は、
前記電流センサの検出値の温度依存性を表す第1の情報と、前記第1のアナログディジタル変換器の入出力ゲインの温度依存性を表す第2の情報とを予め保持し、
前記第2のステップにおいて、
前記第1の領域の温度と前記第1の情報とに基づいて前記ディジタル検出電圧を補正する第3のステップと、
前記第2の領域の温度と前記第2の情報とに基づいて前記ディジタル検出電圧を補正する第4のステップと
を実行する、
インダクタ電流の電流検出方法。 - 請求項18記載のインダクタ電流の電流検出方法において、
前記半導体装置は、
さらに、前記電流検出回路または前記第1のアナログディジタル変換器のオフセット電圧の温度依存性を表す第3の情報を予め保持し、
前記第2のステップにおいて、さらに、前記第2の領域の温度と前記第3の情報とに基づいて前記ディジタル検出電圧を補正する第5のステップを実行する、
インダクタ電流の電流検出方法。 - 請求項19記載のインダクタ電流の電流検出方法において、
前記第2の情報は、前記第1のアナログディジタル変換器に印加された前記基準値を温度を変えながら観測する第1のテストを行うことで定められ、
前記第1の情報および前記第3の情報は、前記第4のステップを有効にした状態で、温度および前記出力端子に印加するテスト用負荷電流をそれぞれ変えながら、前記第4のステップによって補正された前記ディジタル検出電圧を観測する第2のテストを行うことで定められる、
インダクタ電流の電流検出方法。
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