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 PDF

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Abstract

【課題】インダクタ電流を高精度に検出することが可能な半導体装置を提供する。【解決手段】一つの半導体チップにおいて、ドライバ領域AR1には、駆動用トランジスタ(QH,QL)と、電流センサISEN(h/l)と、ドライバ領域AR1の温度を検出する温度センサTSENd(h/l)とが配置される。周辺回路領域AR2には、電流検出回路CSと、アナログディジタル変換器ADCcと、周辺回路領域AR2の温度を検出する温度センサTSENcとが配置される。補正回路部CALUは、温度センサTSENd(h/l)の検出結果と、温度センサTSENcの検出結果とに基づいて、アナログディジタル変換器ADCcからのディジタル検出電圧DVISを補正する。【選択図】図3

Description

本発明は、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に関し、例えば、負荷となるインダクタに流れるインダクタ電流をPWM(Pulse Width Modulation)で制御する技術に関する。
特許文献1には、ソレノイドバルブの電流を検出する検出抵抗と、その検出電圧を増幅する増幅部と、その出力をディジタル変換することで検出電流値を出力するADコンバータと、補正部とを有する電流検出回路が示される。補正部は、ADコンバータの基準電流(基準電圧)の温度特性に起因して生じる検出電流値の温度特性の情報を記憶する記憶部と、温度センサとを備え、温度センサの検知結果と記憶部の情報とに基づきADコンバータからの検出電流値を補正する。
特許文献2には、メイントランジスタ、センストランジスタおよび温度検出ダイオードを備えるセンス機能付きパワー半導体デバイスと、センストランジスタの電流を電圧変換する電流−電圧変換回路と、電流−電圧変換回路からのセンス電圧を調整する可変電圧源と、補正演算部とを備えた構成が示される。補正演算部は、温度検出ダイオードからの温度情報と、予めメモリに保存された設定値との演算結果によって可変電圧源を制御することで、温度による電流センス比の変動を補正する。
特許文献3には、ソレノイドに接続されるハイサイドMOSFETと、その電流をセンスMOSFETおよびセンス抵抗を介して検出する電流−電圧変換回路と、当該変換された電圧をディジタル変換するADコンバータと、参照電流生成回路と、補正値算出回路と、温度センサとを備えた電流制御用半導体素子が示される。補正値算出回路は、温度センサにより検出された温度が所定温度以上変化した場合に、センス抵抗の温度変化の影響等を補正するための補正値算出動作を起動する。補正値算出動作では、参照電流生成回路からの定電流を電流−電圧変換回路を介してADコンバータに測定させることで、ADコンバータからのディジタル値を補正するための補正値が算出される。
特開2017−129528号公報 特許第5590240号公報 特開2011−97434号公報
一般的に、パワーエレクトロニクス分野では、スイッチング素子をPWM制御することでインダクタに流れるインダクタ電流をフィードバック制御するようなシステムが広く用いられる。このようなシステムでは、特許文献1のシャント抵抗や特許文献2,3のセンス用トランジスタを代表とする電流センサを用いてインダクタ電流を検出する必要がある。この際に、システムにより高精度な制御を行わせるためには、インダクタ電流を高精度に検出することが望まれる。
一方、負荷駆動用のトランジスタを含むドライバ部と、電流センサと、電流センサの検出値を処理する処理部(ADコンバータ等)とを1個の半導体チップに搭載する場合、電流センサ周辺と、処理部周辺とでは温度差が生じ得る。その結果、特許文献1のように、温度センサを用いてADコンバータの特性を補正する方式や、特許文献2のように、温度検出ダイオードを用いて電流センス比の変動を補正する方式では、補正精度、ひいては、インダクタ電流の検出精度が不十分となる恐れがある。
後述する実施の形態は、このようなことに鑑みてなされたものであり、その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。
一実施の形態による半導体装置は、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。第1の領域には、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、インダクタ電流を検出する電流センサと、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る。第2の領域には、電流検出回路と、アナログディジタル変換器と、第2の温度センサとが配置される。電流検出回路は、電流センサの検出値が入力され、それに応じた検出電圧を出力する。アナログディジタル変換器は、検出電圧が入力され、印加された基準値を目盛りとして当該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2の温度センサは、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。補正回路部は、第1および第2の温度信号に基づいてディジタル検出電圧を補正する。
前記一実施の形態によれば、インダクタ電流を高精度に検出することが可能になる。
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の負荷駆動システムにおける模式的なPWM動作例を示すタイミングチャートである。 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。 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4における温度センサの構成例を示す回路図である。 図4におけるハイサイドドライバの構成例を示す模式図である。 図4における電流検出回路の構成例を示す回路図である。 (a)、(b)および(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。 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。 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。 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における電子制御装置の構成例を示す概略図である。 図16におけるDC/DCコンバータの構成例を示す概略図である。 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。 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、図18とは異なる電流検出パスの構成例を示す回路ブロック図である。
以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらは互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。また、以下の実施の形態において、要素の数等(個数、数値、量、範囲等を含む)に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。
さらに、以下の実施の形態において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
(実施の形態1)
《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。
半導体装置DEVは、外部端子となる電源端子PNvb,PNvc,PNgおよび出力端子PNoと、ドライバ部DVUと、プリドライバ部PDVUと、電流検出回路CSと、温度センサTSENと、アナログディジタル変換器ADCcと、制御回路部CTLUとを備える。制御回路部CTLUは、アナログディジタル変換器ADCtと、補正回路部CALUと、PWM信号生成回路PWMGと、補償器PICと、誤差検出器SUBとを備える。電源端子PNvbにはバッテリ電源電位VBATが供給され、電源端子PNvcにはチップ用の電源電位VCCが供給され、電源端子PNgには、接地電源電位GNDが供給される。出力端子PNoには、負荷となるインダクタLが結合される。
ドライバ部DVUは、ハイサイドトランジスタQHおよび還流ダイオードDHを含むハイサイドドライバHSDと、ロウサイドトランジスタQLおよび還流ダイオードDLを含むロウサイドドライバLSDと、電流センサISENとを備える。ハイサイドトランジスタQHおよびロウサイドトランジスタQLは、この例では、nチャネル型のMOSFETである。
ハイサイドトランジスタQHおよび還流ダイオードDHは、ハイサイド電源電位VINと出力端子PNoとの間に並列に結合される。ハイサイド電源電位VINは、例えば、バッテリ電源電位VBATを電源レギュレータで安定化した電位であり、バッテリ電源電位VBATとほぼ同電位となる。ロウサイドトランジスタQLおよび還流ダイオードDLは、出力端子PNoと接地電源電位GNDとの間に並列に結合される。電流センサISENは、例えば、センス用トランジスタやセンス抵抗素子等であり、インダクタ電流ILを検出する。
ハイサイドトランジスタQHおよびロウサイドトランジスタQLは、オンに制御された際に、インダクタLに流れるインダクタ電流ILの電流経路を形成する駆動用トランジスタとして機能する。ハイサイドトランジスタQHは、PWM信号によって制御され、オンに制御された際に電流経路SPHを介してインダクタLに電力を蓄積する。一方、ロウサイドドライバLSDは、ハイサイドトランジスタQHとは相補的にオン・オフが制御され、オンに制御された際に電流経路RPHを介してインダクタ電流ILを還流させる。明細書では、電流経路SPHを流れるインダクタ電流ILを駆動電流と呼び、電流経路RPHを流れるインダクタ電流ILを還流電流と呼ぶ。ロウサイドトランジスタQLは、オンに制御された際に同期整流を行い、還流ダイオードDLに替わって還流電流を流す。
電流検出回路CSは、電流センサISENの検出値が入力され、当該検出値に応じた検出電圧VISを出力する。アナログディジタル変換器ADCcは、検出電圧VISが入力され、印加された基準値(例えば基準電圧Vref)を目盛りとして検出電圧VISを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。温度センサTSENは、詳細は後述するが、所定の領域の温度を検出し、当該温度を表す温度信号TMを出力する。アナログディジタル変換器ADCtは、当該温度信号TMをディジタル変換することでディジタル温度信号TMDを出力する。補正回路部CALUは、詳細は後述するが、ディジタル温度信号TMDに基づいてディジタル検出電圧DVISを補正することで、補正後ディジタル検出電圧DVISCを出力する。
誤差検出器SUBは、補正後ディジタル検出電圧DVISCと、予め定めた目標電流に対応する目標電圧TGTとの誤差を検出する。補償器PICは、例えば、補正後ディジタル検出電圧DVISC(すなわちインダクタ電流IL)の平均値と目標電圧TGT(すなわち目標電流)との誤差をゼロに近づけるように、P(比例)、積分(I)制御等を用いてPWMデューティ比を定める。PWM信号生成回路PWMGは、当該PWMデューティ比を反映して、ハイサイドトランジスタQHのオン・オフを制御するためのPWM信号となるハイサイドスイッチング信号HSと、その相補信号(詳細には、デッドタイム期間を含む)となるロウサイドスイッチング信号LSとを生成する。
プリドライバ部PDVUは、プリドライバPDVh,PDVlを備える。プリドライバPDVhは、出力端子PNoに生成される出力電位VOを基準とした電源電位VCC(すなわち、ハイサイド用駆動電位“VO+VCC”)で動作する。プリドライバPDVhは、ハイサイドスイッチング信号HSを受けて、ハイサイドトランジスタQHのゲート(制御入力ノード)に制御入力電位となるゲート電位VGHを印加する。言い換えれば、プリドライバPDVhは、ハイサイドトランジスタQHのゲート・ソース間にオン・オフ制御電圧となるゲート・ソース間電圧VGSH(=VGH−VO)を印加する。
プリドライバPDVlは、接地電源電位GNDを基準として電源電位VCCで動作する。プリドライバPDVlは、ロウサイドスイッチング信号LSを受けて、ロウサイドトランジスタQLのゲートにゲート電位VGLを印加する。言い換えれば、プリドライバPDVlは、ロウサイドトランジスタQLのゲート・ソース間にゲート・ソース間電圧(オン・オフ制御電圧)VGSL(=VGL)を印加する。
図2は、図1の負荷駆動システムにおける模式的なPWM動作例を示すタイミングチャートである。時刻t10において、ハイサイドスイッチング信号HSが‘L’レベル(オフレベル)から‘H’レベル(オンレベル)に遷移すると、ハイサイドトランジスタQHのゲート・ソース間電圧VGSHは、ゼロレベルから電源電位VCCレベルに立ち上がる。これに応じて、図1の電流経路SPHで駆動電流が流れ、出力電位VOは、略接地電源電位GNDレベルからハイサイド電源電位VINレベルに立ち上がる。
次いで、時刻t11において、ハイサイドスイッチング信号HSがオンレベルからオフレベルに遷移すると、ゲート・ソース間電圧VGSHは、電源電位VCCレベルからゼロレベルに立ち下がる。これに応じて、出力電位VOは、接地電源電位GNDレベルよりも低いレベルに向けて立ち下がる。出力電位VOが接地電源電位GNDレベルを基準に順方向電圧VF分だけ低下した値に達すると、ロウサイドの還流ダイオードDLは、オンとなり、電流経路SPHに替わって電流経路RPHで還流電流を流す。
続いて、時刻t12において、ロウサイドスイッチング信号LSがオフレベルからオンレベルに遷移すると、ロウサイドトランジスタQLのゲート・ソース間電圧VGSLは、ゼロレベルから電源電位VCCレベルに立ち上がる。これに応じて、ロウサイドトランジスタQLは、還流ダイオードDLに替わって還流電流を流す。また、これに伴い、出力電位VOは、接地電源電位GNDレベルとなる。
次いで、時刻t13において、ロウサイドスイッチング信号LSがオンレベルからオフレベルに遷移すると、ロウサイドトランジスタQLのゲート・ソース間電圧VGSLは、電源電位VCCレベルからゼロレベルに立ち下がる。これに応じて、出力電位VOが順方向電圧VF分だけ低下すると、ロウサイドの還流ダイオードDLは、ロウサイドトランジスタQLに替わって還流電流を流す。その後、時刻t14において、時刻t10の場合と同様の動作が行われる。
時刻t10〜時刻t14の期間は、PWM周期Tpwmとなる。電流検出回路CSの検出電圧VIS(すなわち、インダクタ電流IL)は、出力電位VOがハイサイド電源電位VINレベルとなる期間(時刻t10〜t11)では所定の傾きで上昇し、接地電源電位GNDレベルとなる期間(時刻t12〜t13)では所定の傾きで低下する。アナログディジタル変換器ADCcは、当該検出電圧VISをPWM周期Tpwmよりも十分に短いサンプリング周期で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。
《電流検出方式(比較例)の概略および問題点》
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。
ここで、定電流源ISや基準抵抗Rrefの電気的特性は、温度依存性を有する場合がある。この場合、基準電圧Vrefに温度依存性が生じるため、アナログディジタル変換器ADCcからのディジタル検出電圧DVISにも温度依存性が生じ得る。そこで、補正回路部CALUa’は、アナログディジタル変換器ADCtからのディジタル温度信号TMDc(温度センサTSENcからの温度信号TMc)に基づいてディジタル検出電圧DVISを補正することで、補正後ディジタル検出電圧DVISCa’を出力する。
図19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、図18とは異なる電流検出パスの構成例を示す回路ブロック図である。図19の例では、図18の場合と異なり、1個の温度センサTSENdが半導体チップ内のドライバ部DVUに設けられる。例えば、電流センサISENをセンス用トランジスタとした場合、駆動用トランジスタ(QH,QL)とセンス用トランジスタとの電流センス比に温度依存性が生じる場合がある。そこで、補正回路部CALUb’は、アナログディジタル変換器ADCtからのディジタル温度信号TMDd(温度センサTSENdからの温度信号TMd)に基づいてディジタル検出電圧DVISを補正することで、補正後ディジタル検出電圧DVISCb’を出力する。
ここで、図18の電流検出方式を用いた場合、図19に示したような電流センス比に伴う誤差が残存し、図19の電流検出方式を用いた場合、図18に示したようなアナログディジタル変換器ADCcに伴う誤差が残存する。そこで、例えば、一つの半導体チップ内に搭載した1個の温度センサからの温度信号に基づいて、図18に示したような補正と、図19の示したような補正の両方を行うことが考えられる。
しかし、図1に示したように、ドライバ部DVUと電流検出パス(CS’,ADCc等)とを一つの半導体チップに搭載する場合、ドライバ部DVU周辺と電流検出パス周辺とでは、温度差が生じ得る。具体的には、ドライバ部DVU周辺は、大きなインダクタ電流ILを流すことに伴い発熱源となるのに対して、電流検出パス周辺は、ドライバ部DVU周辺との間のチップ上の距離等(熱伝達率)に応じて、さほど高温状態とならない場合がある。したがって、このような方式では、当該温度差に起因して補正精度が不十分となり、インダクタ電流を高精度に検出できない恐れがある。
また、このような一つの半導体チップを用いずに、例えば、ドライバ部DVUおよび電流検出回路CS’と、アナログディジタル変換器ADCc等とをそれぞれ別の半導体チップに搭載し、各半導体チップにそれぞれ温度センサを搭載するような方式も考えられる。しかし、当該方式では、高速なPWM制御を実現することが困難となる恐れがある。すなわち、検出電圧VISを半導体チップ外にアナログ出力する必要があるため、その出力経路の寄生容量等によってセトリング特性が悪化し、応答速度の低下を招き得る。
また、図1に示した補償器PICは、例えば、補正後ディジタル検出電圧DVISCの平均値と目標電圧TGTとの誤差をゼロに近づけるようにPWMデューティ比を定める。このため、前述したように補正精度が不十分となる場合、補正後ディジタル検出電圧DVISCの平均値に含まれる誤差が大きくなり、インダクタ電流ILが目標電圧TGT(すなわちインダクタ電流ILの目標電流)からズレた値に制御され得る。その結果、インダクタ電流ILを目標電流に対して高精度に制御することが困難となる恐れがある。そこで、後述する実施の形態の方式を用いることが有益となる。
《電流検出方式(一実施の形態)の概略》
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。
ドライバ領域AR1には、駆動用トランジスタ(ハイサイドトランジスタQHおよびロウサイドトランジスタQL)、電流センサISENh,ISENlおよび温度センサTSENdh,TSENdlを含むドライバ部DVUが配置される。電流センサISENhは、ハイサイドトランジスタQHに流れる駆動電流(インダクタ電流IL)を検出し、電流センサISENlは、ロウサイドトランジスタQLに流れる還流電流(インダクタ電流IL)を検出する。温度センサTSENdh,TSENdlは、ドライバ領域AR1の温度を検出する。具体的には、温度センサTSENdhは、電流センサISENhの温度を検出し、当該温度を表す温度信号TMdhを出力する。温度センサTSENdlは、電流センサISENlの温度を検出し、当該温度を表す温度信号TMdlを出力する。
周辺回路領域AR2には、電流検出回路CS、基準値生成回路VRG、アナログディジタル変換器ADCc,ADCt、選択回路MUXa、温度センサTSENcおよび補正回路部CALUが配置される。電流検出回路CSは、ハイサイド電流検出回路CSHおよびロウサイド電流検出回路CSLを備える。ハイサイド電流検出回路CSHは、電流センサISENhの検出値が入力され、当該検出値に応じた検出電圧を出力し、ロウサイド電流検出回路CSLは、電流センサISENlの検出値が入力され、当該検出値に応じた検出電圧を出力する。電流検出回路CSは、当該ハイサイド電流検出回路CSHおよびロウサイド電流検出回路CSLからの各検出電圧の加算値を検出電圧VISとして出力する。
アナログディジタル変換器ADCcは、図18で説明したような基準値生成回路VRGからの基準値(例えば基準電圧Vref)を目盛りとして検出電圧VISを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。温度センサTSENcは、周辺回路領域AR2の温度を検出し、当該温度を表す温度信号TMcを出力する。具体的には、温度センサTSENcは、主に、電流検出回路CS、基準値生成回路VRGおよびアナログディジタル変換器ADCcの温度を検出する。このため、温度センサTSENcの検出対象となる周辺回路領域AR2には、少なくとも、電流検出回路CS、基準値生成回路VRGおよびアナログディジタル変換器ADCcが含まれていればよい。
選択回路MUXaは、温度センサTSENdh,TSENdlからの温度信号TMdh,TMdlか、温度センサTSENcからの温度信号TMcかを選択する。アナログディジタル変換器ADCtは、選択回路MUXaからの温度信号をディジタル変換することで、温度信号TMdh,TMdlに対応するディジタル温度信号TMDdh,TMDdlと、温度信号TMcに対応するディジタル温度信号TMDcとを出力する。このような選択回路MUXaを設けることで、複数の温度信号を1個のアナログディジタル変換器ADCtでディジタル変換することができ、回路面積の低減等が図れる。
補正回路部CALUは、アナログディジタル変換器ADCtからの複数のディジタル温度信号TMDdh,TMDdl,TMDcに基づいてディジタル検出電圧DVISを補正することで、補正後ディジタル検出電圧DVISCを出力する。具体的には、補正回路部CALUは、オフセット補正回路OFCALと、ゲイン補正回路[1]GACALと、ゲイン補正回路[2]GSCALと、記憶回路MEMとを備える。記憶回路MEMは、不揮発性メモリ等である。
詳細は後述するが、記憶回路MEMは、予め、オフセット補正情報と、ADCゲイン補正情報と、センスゲイン補正情報とを保持する。オフセット補正情報は、主に、電流検出回路CSおよび/またはアナログディジタル変換器ADCcで生じるオフセット電圧の温度依存性を表す。ADCゲイン補正情報は、主に、アナログディジタル変換器ADCcの入出力ゲインの温度依存性を表す。センスゲイン補正情報は、主に、電流センサISENh,ISENlの検出値の温度依存性を表す。
オフセット補正回路OFCALは、電流検出回路CSやアナログディジタル変換器ADCcの温度を表すディジタル温度信号TMDcと、記憶回路MEM内のオフセット補正情報とに基づいてディジタル検出電圧DVISを補正する。ゲイン補正回路[1]GACALは、アナログディジタル変換器ADCc(および基準値生成回路VRG)の温度を表すディジタル温度信号TMDcと、記憶回路MEM内のADCゲイン補正情報とに基づいてディジタル検出電圧DVISを補正する。一方、ゲイン補正回路[2]GSCALは、電流センサISENh,ISENlの温度を表すディジタル温度信号TMDdh,TMDdlと、記憶回路MEM内のセンスゲイン補正情報とに基づいてディジタル検出電圧DVISを補正する。
ここで、選択回路MUXaは、例えば、ディジタル温度信号TMDdh,TMDdl,TMDcのそれぞれが定期的に更新されるように選択動作を行う。例えば、選択回路MUXaは、3回の制御周期で3個の温度信号TMdh,TMdl,TMcをそれぞれ選択し、これに応じて、オフセット補正回路OFCAL、ゲイン補正回路[1]GACALおよびゲイン補正回路[2]GSCALは、自身で必要とされるディジタル温度信号をラッチする。このような処理を繰り返すことで、補正回路部CALUによってラッチされる各ディジタル温度信号は、3回の制御周期毎に更新される。この際には、例えば、制御周期の長さを調整したり、または、ダミーの制御周期を設けること等で、更新間隔を適切に設定することが可能である。
以上のように、ドライバ領域AR1および周辺回路領域AR2にそれぞれ温度センサTSENdh,TSENdlおよび温度センサTSENcを設け、その各温度検出結果に基づいてディジタル検出電圧DVISを補正することで、インダクタ電流ILを高精度に検出することが可能になる。すなわち、図18および図19で述べたようなドライバ領域AR1と周辺回路領域AR2との温度差を反映して補正を行えるため、補正精度を高めることができる。その結果、インダクタ電流ILを目標電流に対して高精度に制御することが可能になる。なお、ここでは、ドライバ領域AR1内に2個の温度センサTSENdh,TSENdlを設けたが、ドライバ領域AR1内の温度分布によって、共通化された1個の温度センサを設けることも可能である。
《電流検出方式(実施の形態1)の構成》
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。
補正回路部CALU内の記憶回路MEMは、補正係数ΔOFk1,ΔOFk2を含むオフセット補正情報と、補正係数ΔGAk1,ΔGAk2を含むADCゲイン補正情報と、補正係数ΔGSk1,ΔGSk2を含むセンスゲイン補正情報とを保持する。オフセット補正回路OFCALは、オフセット補正情報内の補正係数を用いて“ΔOFk1×TMDc+ΔOFk2”を演算し、加算器ADDを用いて、ディジタル検出電圧DVISから当該演算結果を減算する。
ゲイン補正回路[1]GACALは、ADCゲイン補正情報内の補正係数を用いて“ΔGAk1×TMDc+ΔGAk2”を演算し、除算器DIV1を用いて、ディジタル検出電圧DVISから当該演算結果を除算する。ゲイン補正回路[2]GSCALは、センスゲイン補正情報内の補正係数を用いて“ΔGSk1×TMDd+ΔGSk2”を演算し、除算器DIV2を用いて、ディジタル検出電圧DVISから当該演算結果を除算する。
なお、より詳細には、センスゲイン補正情報(ΔGSk1,ΔGSk2)には、ハイサイドセンス用トランジスタQSHに対応する補正係数と、ロウサイドセンス用トランジスタQSLに対応する補正係数とが含まれる。ゲイン補正回路[2]GSCALは、ハイサイドトランジスタQHが駆動電流を流している期間(図2の時刻t10〜t11)では、ハイサイドセンス用トランジスタQSHに対応する補正係数と、ディジタル温度信号TMDdhとを用いて補正を行う。一方、ゲイン補正回路[2]GSCALは、ロウサイドトランジスタQLが還流電流を流している期間(図2の時刻t12〜t13)では、ロウサイドセンス用トランジスタQSLに対応する補正係数と、ディジタル温度信号TMDdlとを用いて補正を行う。
図5は、図4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5に示す半導体装置(半導体チップ)DEVaでは、X方向に沿って順に、ドライバ部DVU、プリドライバ部PDVU、電流検出回路CS、アナログディジタル変換器ADCc(および基準値生成回路VRG)、制御回路部CTLUが配置される。出力端子PNoは、ドライバ部DVUに近接して配置される。ドライバ部DVU、プリドライバ部PDVU、電流検出回路CS、基準値生成回路VRGおよびアナログディジタル変換器ADCcは、1個の出力端子PNoに対する電流(電力)の供給と検出を担うチャネル部CHUを構成する。
ここで、ドライバ部DVU(ドライバ領域AR1)において、温度センサTSENdhは、ハイサイドドライバHSDに近接して配置され、温度センサTSENdlは、ロウサイドドライバLSDに近接して配置される。ハイサイドドライバHSDには、ハイサイドトランジスタQHと、ハイサイドセンス用トランジスタQSHとが含まれる。ロウサイドドライバLSDには、ロウサイドトランジスタQLと、ロウサイドセンス用トランジスタQSLとが含まれる。また、周辺回路領域AR2において、温度センサTSENcは、電流検出回路CS、基準値生成回路VRGおよびアナログディジタル変換器ADCcに近接して配置される。
《各部の詳細構成》
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7は、図4におけるハイサイドドライバの構成例を示す模式図である。図7に示すハイサイドドライバHSDは、同一構造となり、並んで配置された複数(例えば数百〜数千個)の単位トランジスタUTを備える。ハイサイドセンス用トランジスタQSHは、その内の数個(例えば1個)の単位トランジスタUTによって構成される。残りの単位トランジスタは、各ノード(ゲート、ソース、ドレイン)が並列に結合されることでハイサイドトランジスタQHを構成する。
ハイサイドセンス用トランジスタQSHのゲートおよびソースは、ハイサイドトランジスタQHのゲートおよびソースに結合される。この例では、ハイサイドトランジスタQHの平均的な特性を反映させるため、中心部付近に配置された単位トランジスタUTがハイサイドセンス用トランジスタQSHに定められる。なお、ロウサイドドライバLSDの構成に関しても、当該ハイサイドドライバHSDの場合と同様である。
図8は、図4における電流検出回路の構成例を示す回路図である。図8において、ハイサイド電流検出回路CSHは、電源レギュレータVREGと、アンプ回路AMPhと、高耐圧仕様のトランジスタMNH1,MPH1,MPH2と、低耐圧仕様のトランジスタMN1,MP1,MP2とを備える。トランジスタMNH1,MN1は、nチャネル型のMOSFETであり、トランジスタMPH1,MPH2,MP1,MP2は、pチャネル型のMOSFETである。
電源レギュレータVREGは、バッテリ電源電位VBATを受けて、ハイサイド電源電位VINと、それに電源電位VCCを加算した電位“VIN+VCC”とを生成する。トランジスタMN1は、ハイサイドセンス用トランジスタQSHに直列に結合される。アンプ回路AMPhは、ハイサイドトランジスタQHのドレイン電位と、ハイサイドセンス用トランジスタQSHのドレイン電位とが同電位となるように、トランジスタMN1のゲート電位を帰還制御する。これにより、ハイサイドトランジスタQHにインダクタ電流(駆動電流)ILhが流れた場合、ハイサイドセンス用トランジスタQSHには、サイズ比に基づき当該駆動電流に比例するハイサイドセンス電流ILShが流れる。
トランジスタMP1,MP2は、カレントミラー回路(例えば電流比は1対1)を構成し、ハイサイドセンス電流ILShをトランジスタMP1を介してトランジスタMP2に転写する。トランジスタMNH1およびトランジスタMPH1は、トランジスタMN1とトランジスタMP1の間に直列に結合され、トランジスタMN1とトランジスタMP1のソース・ドレイン間耐圧を保護する役目を担う。トランジスタMNH1のゲートには、電源レギュレータVREGからの電位“VIN+VCC”が印加される。トランジスタMPH1は、トランジスタMPH2とカレントミラー回路を構成する。トランジスタMPH2は、トランジスタMP2と直列に結合され、トランジスタMP2のソース・ドレイン間耐圧を保護する役目を担う。このような構成により、ハイサイド電流検出回路CSHは、トランジスタMP2,MPH2を介してハイサイドセンス電流ILShを出力する。
ロウサイド電流検出回路CSLは、アンプ回路AMPlと、低耐圧仕様のトランジスタMN2,MP3〜MP6とを備える。トランジスタMN2は、nチャネル型のMOSFETであり、トランジスタMP3〜MP6は、pチャネル型のMOSFETである。トランジスタMN2は、ロウサイドセンス用トランジスタQSLに直列に結合される。アンプ回路AMPlは、ロウサイドトランジスタQLのソース電位と、ロウサイドセンス用トランジスタQSLのソース電位とが同電位となるように、トランジスタMN2のゲート電位を帰還制御する。これにより、ロウサイドトランジスタQLにインダクタ電流(還流電流)ILlが流れた場合、ロウサイドセンス用トランジスタQSLには、サイズ比に基づき当該還流電流に比例するロウサイドセンス電流ILSlが流れる。
トランジスタMP3,MP5は、トランジスタMP4,MP6と2段積みのカレントミラー回路(例えば電流比は1対1)を構成する。トランジスタMP5,MP6のゲートには、所定のバイアス電圧VBSが印加され、トランジスタMP3,MP4のゲートには、トランジスタMP5のドレイン電位が印加される。トランジスタMP3,MP5は、ロウサイドセンス電流ILSlをトランジスタMP4,MP6に転写する。このような構成により、ロウサイド電流検出回路CSLは、トランジスタMP4,MP6を介してロウサイドセンス電流ILSlを出力する。ハイサイド電流検出回路CSHからのハイサイドセンス電流ILShと、ロウサイド電流検出回路CSLからのロウサイドセンス電流ILSlは、スイッチング動作に伴い互いに重複しない期間で生成され、電圧変換用の抵抗素子Rcを介して検出電圧VISに変換される。
《補正回路部の動作原理》
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。
このようなオフセット電圧ΔOFが存在すると、ディジタル検出電圧DVISは、真の検出電圧に対してオフセット電圧ΔOFが加算された値となる。そこで、オフセット補正回路OFCALは、ディジタル検出電圧DVISから当該オフセット電圧ΔOF(=ΔOFk1×Tc+ΔOFk2)を減算することで、真の検出電圧に補正する。
次いで、ゲイン補正回路[2]GSCALに関し、駆動用トランジスタ(QH,QL)とセンス用トランジスタ(QSH,QSL)の電流センス比は、その周辺温度(Td)に応じた温度依存性を有する場合がある。この場合、図9(b)に示されるように、インダクタ電流ILに対する検出電圧VISのゲインが温度(Td)に応じて変動するため、実測ゲインGS’は、真のゲインGSに対してゲイン誤差成分ΔGSが乗算された値となる。ゲイン誤差成分ΔGSは、温度(Td)に対して図9(a)に示されるような特性を持つ。そこで、ゲイン補正回路[2]GSCALは、ディジタル検出電圧DVISから当該ゲイン誤差成分ΔGS(=ΔGSk1×Td+ΔGSk2)を除算することで、真のゲインGSに補正する。
続いて、ゲイン補正回路[1]GACALに関し、アナログディジタル変換器ADCcの基準電圧Vrefは、その周辺温度(Tc)に応じた温度依存性を有する場合がある。この場合、図9(c)に示されるように、アナログ入力Ain(すなわち検出電圧VIS)に対するディジタル出力Dout(すなわちディジタル検出電圧DVIS)のゲインが温度(Tc)に応じて変動するため、実測ゲインGA’は、真のゲインGAに対してゲイン誤差成分ΔGAが乗算された値となる。ゲイン誤差成分ΔGAは、温度(Tc)に対して図9(a)に示されるような特性を持つ。そこで、ゲイン補正回路[1]GACALは、ディジタル検出電圧DVISから当該ゲイン誤差成分ΔGA(=ΔGAk1×Tc+ΔGAk2)を除算することで、真のゲインGAに補正する。
なお、図9(c)に示すグラフで、符号Drefは、アナログディジタル変換器ADCcに基準電圧Vrefを入力した時の理想のディジタル出力値である。符号Vref’は、実際の半導体装置のアナログディジタル変換器ADCcが理想のディジタル出力値(Dref)を出力するための基準電圧の実測値である。図9(c)は、基準電圧の実測値(Vref’)が基準電圧Vrefに対して誤差を有することを示す。
《補正係数の決定方法》
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)。
続いて、テスト装置は、ゲイン補正回路[1]GACALを有効化した状態で、温度および出力端子PNoに印加するテスト用負荷電流をそれぞれ変えながら、ディジタル検出電圧DVISCを観測する(ステップS104)。そして、テスト装置は、ステップS104の観測結果に基づき、オフセット補正情報(すなわち、オフセット補正回路OFCALの補正係数(ΔOFk1,ΔOFk2))と、センスゲイン補正情報(すなわち、ゲイン補正回路[2]GSCALの補正係数(ΔGSk1,ΔGSk2))とを定める(ステップS105)。テスト装置は、当該定めた各補正係数(ΔOFk1,ΔOFk2,ΔGSk1,ΔGSk2)を記憶回路MEMに格納する(ステップS106)。
ステップS104,S105において、具体的には、テスト装置は、テスト用負荷電流をゼロに定めた状態で、温度を変えながらディジタル検出電圧DVISを観測する。その結果、主に、電流検出回路CSおよびアナログディジタル変換器ADCcで生じるオフセット電圧の温度依存性が観測される。テスト装置は、当該観測結果に基づいてオフセット補正情報を定める。
さらに、テスト装置は、テスト用負荷電流の変化に対するディジタル検出電圧DVISの傾きを、温度を変えながら計測する。その結果、主に、駆動用トランジスタ(QH,QL)とセンス用トランジスタ(QSH,QSL)の電流センス比(ひいては、図9(b)のゲインGS’)の温度依存性が観測される。すなわち、ステップS103等に伴いアナログディジタル変換器ADCcに伴うゲイン誤差成分(ΔGA)は既に補正されているため、ここでは、センス用トランジスタ(QSH,QSL)に伴うゲイン誤差成分(ΔGS)が観測されることになる。テスト装置は、当該観測結果に基づいてセンスゲイン補正情報を定める。
《実施の形態1の主要な効果》
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。
(実施の形態2)
《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。
2つ目の相違点として、電流検出回路CSは、センス抵抗素子Rsの両端電圧を増幅するアンプ回路AMPcsを備える。3つ目の相違点として、選択回路MUXbは、温度センサTSENdからの温度信号TMdか、温度センサTSENcからの温度信号TMcかを選択し、これに応じて、ゲイン補正回路[2]GSCALは、温度信号TMdに対応するディジタル温度信号TMDdをラッチする。
センス抵抗素子Rsの抵抗値は、温度依存性を有する場合がある。この場合、実施の形態1の場合と同様に、図9(b)に示したゲイン誤差成分(ΔGS)が生じる。そこで、ゲイン補正回路[2]GSCALは、温度信号TMdと、記憶回路MEM内に予め保持したセンスゲイン補正情報とに基づいて、当該ゲイン誤差成分(ΔGS)を取り除く。
図12は、図11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12に示す半導体装置(半導体チップ)DEVbでは、図5の構成例と比較して、ドライバ領域AR1において、センス用トランジスタ(QSH,QSL)が設けられない点と、出力端子PNoの近辺に、センス抵抗素子Rsおよび温度センサTSENdが設けられる点とが異なっている。
《実施の形態2の主要な効果》
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。
(実施の形態3)
《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。
また、複数のチャネル部CHU[1]〜CHU[n]内のドライバ部DVU[1]〜DVU[n](ドライバ領域AR1[1]〜AR1[n])は、それぞれ、温度センサTSENd[1]〜TSENd[n]を備える。すなわち、ここでは、図5の場合と異なり、ドライバ領域AR1[1]〜AR1[n]のそれぞれは、共通化された1個の温度センサを備える。
制御回路部CTLU(周辺回路領域AR2)には、複数のチャネル部CHU[1]〜CHU[n]に対応して複数の補正回路部CALU[1]〜CALU[n]が配置される。さらに、制御回路部CTLU(周辺回路領域AR2)には、複数のチャネル部CHU[1]〜CHU[n]で共通化された1個の温度センサTSENcおよびアナログディジタル変換器ADCtが配置される。図13に示されるように、複数のチャネル部CHU[1]〜CHU[n]が備える選択回路MUXb[1]〜MUXb[n]には、当該1個の温度センサTSENcからの温度信号TMcが共通に入力される。なお、ここでは、温度センサTSENcを1個設けたが、周辺回路領域AR2内の温度分布によっては複数設けてもよい。
このように、半導体装置(半導体チップ)DEVc内に複数のチャネル部CHU[1]〜CHU[n]を搭載する場合、各ドライバ領域AR1[1]〜AR1[n]の温度は、対応するインダクタL[1]〜L[n]の駆動状態に応じて個々に変わり得る。このため、温度センサTSENd[1]〜TSENd[n]は、ドライバ領域AR1[1]〜AR1[n]毎に設けられる。一方、ドライバ領域AR1[1]〜AR1[n]を除く領域(周辺回路領域AR2)では、温度がほぼ一様となる場合がある。このため、温度センサTSENcは、少なくとも1個設けられる。このようにして、必要最小限の温度センサを設けることで、面積オーバヘッドの増大を抑制することが可能になる。
また、図13に示されるように、チャネル部CHU[1]を除いたチャネル部(CHU[2](図示せず)〜CHU[n])に対応する補正回路部(例えば、CALU[n])は、加算器ADD2を備える。例えば、補正回路部CALU[n]内の記憶回路MEM[n]は、補正回路部CALU[1]内の記憶回路MEM[1]に保持される各補正情報(オフセット補正情報、ADCゲイン補正情報、センスゲイン補正情報)を基準とした差分の補正情報を保持する。補正回路部CALU[n]は、加算器ADD2を用いて、記憶回路MEM[1]からの各補正情報に、記憶回路MEM[n]の各補正情報をそれぞれ加算することで正しい補正情報を復元する。
各補正情報を保持するためには、ある程度の記憶容量が必要とされる。通常、チャネル部の数(n)が増大すると、記憶回路MEMの回路面積もn倍で増大するため、面積オーバヘッドの増大が問題となり得る。一方、各補正情報における複数のチャネル部CHU[1]〜CHU[n]間での差異は、通常、小さくなる。そこで、図13に示されるように、一つの記憶回路MEM[1]を除く各記憶回路(MEM[2]〜MEM[n])が差分情報を保持することで、面積オーバヘッドの増大を抑制することが可能になる。例えば、記憶回路MEM[1]の補正係数が“99”であり、記憶回路MEM[n]の正しい補正係数が“100”の場合、記憶回路MEM[n]は差分値“1”を保持すればよく、この差分値を表せる程度の記憶容量を備えればよい。
《負荷駆動システムの適用例》
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。
図16は、図15における電子制御装置の構成例を示す概略図である。図16に示す電子制御装置ECUは、例えば、DC/DCコンバータDCCや半導体装置DEVc等が実装された配線基板等によって構成される。DC/DCコンバータDCCは、外部コネクタCNvbからのバッテリ電源電位VBAT(例えば13V等)を受けて、電源電位VCC(例えば3.3V等)を生成する。
半導体装置DEVcは、図13および図14に示したような構成を備え、バッテリ電源電位VBATおよび電源電位VCCを受けて動作する。半導体装置DEVcは、補正回路部CALU[1]からの補正後ディジタル検出電圧(すなわちソレノイドバルブSB[1]の電流)が目標電圧(目標電流)に一致するように外部コネクタCNo[1]を介してソレノイドバルブSB[1]の電流を制御する。同様に、半導体装置DEVcは、補正回路部CALU[n]からの補正後ディジタル検出電圧(すなわちソレノイドバルブSB[n]の電流)が目標電圧(目標電流)に一致するように外部コネクタCNo[n]を介してソレノイドバルブSB[n]の電流を制御する。
図17は、図16におけるDC/DCコンバータの構成例を示す概略図である。図17に示すDC/DCコンバータDCCは、半導体装置DEVaとLC回路部LCUとを備える。LC回路部LCUは、インダクタLおよび平滑化コンデンサCを備え、電源電位VCCを出力する。半導体装置DEVaは、概略的には、図1、図4および図5に示したような構成を備え、バッテリ電源電位VBATを受けて動作する。ただし、半導体装置DEVaは、図1の場合とは異なり、最終的に、インダクタ電流ILではなく電源電位VCCを制御する。
半導体装置DEVaは、この例では、図1等に示した電源電位VCCに相当する内部電源電位VCC2を生成するための内部電源レギュレータ(シリーズレギュレータ)LDOを備える。また、半導体装置DEVa内の制御回路部CTLUには、アナログディジタル変換器ADCcからのディジタル検出電圧DVISに加えて電源電位VCCがフィードバックされる。制御回路部CTLUは、電圧制御ループと、その内側に設けられる電流制御ループとを備え、電圧制御ループで電源電位VCCと予め定めた目標電圧との誤差を検出し、その検出結果と、補正回路部CALUからの補正後ディジタル検出電圧とを電流制御ループに入力することでPWM信号を生成する。
ここで、図15において、例えば、オートマチック(AT)車等では、スムーズな変速が行うため、クラッチCLの油圧を高精度に制御することが望まれる。そのためには、図16において、ソレノイドバルブSB[1]〜SB[n]の電流を高精度に制御することが求められ、ひいては、電流検出精度の高精度化が求められる。実施の形態3の負荷駆動システムを用いると、このような要求を満たすことができ、自動車の高性能化が図れる。
また、図17に示したように、実施の形態1の負荷駆動システムをDC/DCコンバータに適用することで、高精度なフィードバック電流を用いてフィードバック制御を行うことが可能になる。その結果、例えば、制御帯域の拡大等が図れる。また、当該フィードバック電流を過電流検知等に用いることで、きめ細かな保護を行うこと等が可能になる。なお、ここでは、ソレノイドバルブやDC/DCコンバータへの適用例を示したが、勿論、これに限定されず、例えばモータシステム等を代表に、インダクタを負荷とする各種システムに対して広く適用可能である。
《実施の形態3の主要な効果》
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。
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、前述した実施の形態は、本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
ADC アナログディジタル変換器
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)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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。
  9. 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。
  10. 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。
  11. 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。
  12. 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。
  13. 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。
  14. 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。
  15. 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。
  16. 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。
  17. 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。
  18. 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。
  19. 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。
  20. 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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