JP5124292B2 - 電力スイッチ回路 - Google Patents

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Description

本発明は電力スイッチ回路に関し、特に電力スイッチ回路において異常状態が発生した場合に出力トランジスタを保護する保護機能を有する電力スイッチ回路に関する。
大電力を扱うスイッチ回路としてとしてパワーMOSトランジスタを利用した電力スイッチ回路が多く用いられている。このような電力スイッチ回路では、半導体素子の過熱状態や過電流状態を検出して回路を保護する保護機能が搭載されることがある。保護機能は、例えば、パワーMOSトランジスタのゲート端子とパワーMOSトランジスタの駆動信号を入力する入力端子との間に設けられるゲート抵抗と、パワーMOSトランジスタのゲート端子とソース端子との間に設けられる保護回路用MOSスイッチと、により実現することができる。電力スイッチ回路では、パワーMOSトランジスタが過熱状態となった時に保護回路用MOSスイッチをオンさせることでゲート抵抗に電流を流し、パワーMOSトランジスタのゲート・ソース間電圧を小さくしてパワーMOSトランジスタをオフすることで、過熱による素子破壊を防止する。
上記保護機能を実現するためのゲート抵抗は一般的に固定された抵抗値を有する抵抗が用いられる。しかし、ゲート抵抗の抵抗値は、小さく設定すると過熱状態時に入力端子からパワーMOSトランジスタのゲートに向かって電流が流れて続けて素子が破壊されるおそれがある。一方、ゲート抵抗の抵抗値を大きく設定した場合、正常状態時に電圧降下によりパワーMOSトランジスタのスイッチングスピードが遅くなる問題がある。ゲート抵抗の抵抗値を固定した場合の問題を回避するための技術が特許文献1に開示されている。
特許文献1に記載の半導体装置(以下、電力スイッチ回路100と称す)のブロック図を図7に示す。図7に示すように、電力スイッチ回路100は、可変抵抗体111、異常検出回路112、パワースイッチ素子(パワーMOSトランジスタと称す)113、ゲート遮断MOS114を有する。また、電力スイッチ回路100は、出力端子OUTと電源102との間に負荷が接続される。特許文献1における可変抵抗体111は、ポリシリコンとN型拡散抵抗とによってMOS構造が形成される素子である。
電力スイッチ回路100の入力端子INには駆動回路(図示せず)が接続され、正常動作時はハイ信号を電力スイッチ回路100の入力端子INに供給する。このハイ信号は、コンタクトを介してアルミ配線に接続されたN型拡散抵抗を通りパワーMOSトランジスタ113のゲート端子に供給される。そして、可変抵抗体111は、正常動作時には、ポリシリコンの下部に形成されるN型拡散抵抗を介して入力端子INとパワーMOSトランジスタ113のゲートとを接続する。一方、可変抵抗体111は、異常状態時には、ポリシリコンの下部に形成されるN型拡散抵抗が遮断状態となるため、ポリシリコンの周囲領域に形成されるN型拡散抵抗を介して入力端子INとパワーMOSトランジスタ113のゲートとを接続する。つまり、可変抵抗体111は、正常動作時には低い抵抗で入力端子INとパワーMOSトランジスタ113のゲートとを接続し、異常状態時には高い抵抗で入力端子INとパワーMOSトランジスタ113のゲートとを接続する。
特許文献2には、特許文献1における可変抵抗体111をPチャネルMOSFETを用いて構成したものが開示されている。また、特許文献3には、特許文献1における可変抵抗体111をJ−FETを用いて構成したものが開示されている。
特開2005−93763号公報 特開平6−244414号公報 特開平5−198801号公報
しかしながら、特許文献1〜3に開示される電力スイッチ回路100では、可変抵抗体111としてMOS構造を有する素子を利用するため、可変抵抗体111を構成する素子のゲート電圧依存性があるため、入力端子INの電圧により抵抗値が変動する。このような抵抗値の変動が生じた場合、パワーMOSトランジスタ113に発生するノイズを低減するために、入力端子に定電流による駆動信号を与え、パワーMOSトランジスタ113のゲート電圧の波形整形を精度良く行うことが困難となる。
本発明の一態様にかかる電力スイッチ回路は、第1の電源端子と出力端子との間に接続され、負荷を駆動する出力トランジスタと、前記出力トランジスタの異常状態を検出する異常検出回路と、ウェル領域上に形成される拡散層によって抵抗成分を発生し、入力端子と前記出力トランジスタの制御端子との間に設けられる抵抗素子と、前記異常検出回路による検出結果に基づき前記ウェル領域に前記出力端子の電圧と第2の電源端子の電圧とのいずれの電圧を供給するかを切り替えるウェル電位切替回路と、を有するものである。
本発明にかかる電力スイッチ回路によれば、正常動作時には抵抗素子のウェル領域に出力端子の電圧を印加して、ウェル領域と拡散層との電位差の変動を抑制して抵抗値の変動を抑制することができる。一方、異常状態時にはウェル領域に第2の電源端子の電圧(例えば、接地電圧)を印加して、ウェル領域と拡散層との電位差の大きくすることで高い抵抗値を実現することができる。
本発明にかかる電力スイッチ回路によれば、異常状態時に高抵抗を実現して的確な回路保護を実現しながら、正常状態時にはゲート抵抗の抵抗値の変動を抑制し、精度の高いゲート電圧の制御を行うことができる。
実施の形態1
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図1に本実施の形態にかかる電力スイッチ回路1のブロック図を示す。図1に示すように、電力スイッチ回路1は、出力トランジスタ11、抵抗素子12、保護回路13、ウェル電位切替回路14を有する。また、電力スイッチ回路1は、入力端子IN、出力端子OUT、第1の電源端子(例えば、電源端子Vcc)、第2の電源端子(例えば、接地端子GND)を有する。なお、出力端子OUTには負荷2が接続され、電源端子Vccには電源3から電源電圧が供給され、接地端子GNDには接地電圧が供給される。また、以下の説明では、一例として、電力スイッチ回路1の各素子がN型半導体基板上に回路が形成されているものとして説明する。
出力トランジスタ11は、パワーMOSトランジスタPMNとパワーMOSトランジスタPMNの寄生ダイオードDとを有する。本実施の形態では、パワーMOSトランジスタPMNとしてNチャネルMOSトランジスタを用いる。パワーMOSトランジスタPMNは、ソース端子が出力端子OUTに接続され、ドレイン端子が電源端子Vccに接続され、制御端子(例えばゲート端子)が抵抗素子12を介して入力端子INに接続される。入力端子INには、制御回路(不図示)が接続されており、制御回路は入力端子にパワーMOSトランジスタPMNの駆動信号を与える。寄生ダイオードDは、ソース端子にカソードが接続され、ドレイン端子にアノードが接続される。
抵抗素子12は、パワーMOSトランジスタPMNのゲート抵抗として機能する。本実施の形態では、抵抗素子12として拡散抵抗BRを用いる。拡散抵抗BRのウェル端子には、ウェル電位切替回路14から供給される電圧が入力される。拡散抵抗BRの詳細については後述する。
保護回路13は、出力トランジスタ11の保護を行う回路である。保護回路13は、異常検出回路15及びゲート遮断トランジスタMN1を有する。異常検出回路15は、接地端子GND、電源端子Vcc、出力端子OUTの各端子の電圧に基づき動作する。異常検出回路15は、例えば出力トランジスタ11において発生した異常(例えば、過熱状態や過電流状態)を検出する。そして、異常検出回路15は、異常を検出すると異常を検出したことを通知する検出結果信号(例えば、異常検出時にハイレベルとなり、異常未検出時にロウレベルとなる信号)を出力する。
ゲート遮断トランジスタMN1は、ドレイン端子がパワーMOSトランジスタPMNのゲート端子に接続され、ソース端子が出力端子OUTに接続され、ゲート端子にゲート端子に異常検出回路15の検出結果が入力される。なお、本実施の形態では、ゲート遮断トランジスタMN1としてNチャネルMOSトランジスタを用いる。
ウェル電位切替回路14は、異常検出回路15による検出結果に基づき拡散抵抗BRのウェル端子に出力端子OUTの電圧と接地端子GNDの電圧とのいずれの電圧を供給するかを切り替える。より具体的には、ウェル電位切替回路14は、異常検出回路15が異常未検出の検出結果を出力している場合に拡散抵抗BRのウェル端子に出力端子OUTの電圧を供給し、異常検出回路15が異常検出の検出結果を出力している場合に拡散抵抗BRのウェル端子に接地端子GNDの電圧を供給する。ウェル電位切替回路14は、抵抗RとスイッチトランジスタMN2を有する。抵抗Rは、出力端子OUTと拡散抵抗BRのウェル端子との間に接続される。スイッチトランジスタMN2は、接地端子GNDにソース端子が接続され、ドレインが拡散抵抗BRのウェル端子に接続され、ゲート端子に異常検出回路15の検出結果が入力される。なお、本実施の形態では、スイッチトランジスタMN2としてNチャネルMOSトランジスタを用いる。
ここで、拡散抵抗BRの断面図を図2に示し、拡散抵抗BRについて説明する。拡散抵抗BRは、不純物濃度の低い第1導電型の半導体(例えばN−型半導体)で形成される半導体基板の上層に第2導電型の半導体(例えばP型半導体)で形成されるPウェル領域Pwellが形成される。そして、Pウェル領域の上層に不純物濃度の高い第1導電型の半導体(例えばN+型半導体)で形成される接続端子CT1、CT2が形成される。そして、接続端子CT1、CT2を接続するようにN−型半導体で抵抗成分を発生させる抵抗領域DRが形成される。また、Pウェル領域Pwellには、不純物濃度の高い第2導電型の半導体(例えばP+型半導体)によってPウェル領域Pwellに電圧を供給するウェル端子WTが形成される。そして、接続端子CT1は、入力端子INに接続され、接続端子CT2は、パワーMOSトランジスタPMNのゲート端子GATEに接続され、ウェル端子WTは、ウェル電位切替回路14の状態に応じて出力端子OUT又は接地端子GNDに接続される。
拡散抵抗BRは、抵抗領域DRとPウェル領域Pwellの電位差に応じて抵抗値に変動が生じる。そして、この電位差が所定の値以上になるとピンチオフして、抵抗値が急激に高くなる(例えば、抵抗値がほぼ無限大になる)。この拡散抵抗BRの抵抗値の電圧依存特性を示すグラフを図3に示す。
続いて、電力スイッチ回路1の動作について説明する。動作の説明をするに当たり図3の拡散抵抗BRの電圧依存特性のグラフを参照する。電力スイッチ回路1は、通常動作において入力端子INに入力する駆動信号の電圧レベルを上昇させることでパワーMOSトランジスタPMNをオン状態とする。このとき、異常検出回路15では、異常が検出されないため検出結果は異常未検出となり、ゲート遮断トランジスタMN1及びスイッチトランジスタMN2はオフ状態となる。そのため、パワーMOSトランジスタPMNのゲート端子には、入力端子INからの駆動信号が拡散抵抗BRを介して入力される。また、拡散抵抗BRのウェル端子WTには出力端子OUTの電圧が入力される。そして、出力端子OUTの電圧が駆動信号の電圧レベルに応じて徐々に上昇する。このとき、拡散抵抗BRの抵抗領域DRとPウェル領域Pwellの電位差は、入力端子INの電圧と出力端子OUTの電圧との差となる。つまり、この電位差は、パワーMOSトランジスタPMNの閾値電圧VTとなる。その後、出力端子OUTの電圧が電源3の出力する電源電圧(以下、電源電圧Vbatと称す)に達すると、拡散抵抗BRの抵抗領域DRとPウェル領域Pwellの電位差は、入力端子INの電圧と電源電圧Vbatとの差電圧となり、徐々に大きくなる。そして、駆動信号の電圧レベルが最大値(IN(max))に達するまでこの電位差が大きくなる。
つまり、電力スイッチ回路1は、正常動作では、出力端子OUTの電圧が電源電圧Vbatに達するまでの間、拡散抵抗BRの抵抗領域DRとPウェル領域Pwellの電位差が一定となる。そのため、この期間において、拡散抵抗BRの抵抗値が一定に保たれる。また、出力端子OUTの電圧が電源電圧Vbatに達した後は、拡散抵抗BRの抵抗値が変動するが、この期間ではパワーMOSトランジスタPMNが十分なオン状態となっているため、拡散抵抗BRの抵抗値の変動はパワーMOSトランジスタPMNの出力特性に影響を与えない。
次に、異常動作が発生した場合の電力スイッチ回路1の動作について説明する。以下の説明では、駆動信号がハイレベル(パワーMOSトランジスタPMNをオン状態とする電圧)のときにパワーMOSトランジスタPMNにおいて異常状態が発生した例を説明する。
パワーMOSトランジスタPMNにおいて異常状態が発生した場合、異常検出回路15が異常を検知し、検出結果は異常検出状態となる。そのため、ゲート遮断トランジスタMN1及びスイッチトランジスタMN2はオン状態となる。これにより、ゲート遮断トランジスタMN1は、パワーMOSトランジスタPMNのゲート端子から出力端子に電荷を引き抜き、パワーMOSトランジスタPMNのゲート・ソース間電圧を閾値電圧以下とし、パワーMOSトランジスタPMNはオフ状態となる。また、拡散抵抗BRのウェル端子WTには、スイッチトランジスタMN2を介して接地端子の電圧(例えば接地電圧)が供給される。そのため、拡散抵抗BRの抵抗領域DRとPウェル領域Pwellの電位差は、入力端子INの電圧(例えば、IN(max))と接地端子GNDから与えられる接地電圧との差(電圧IN(max))となる。拡散抵抗BRは、抵抗領域DRとPウェル領域Pwellの電位差がIN(max)となった場合、ピンチオフして抵抗値がほぼ無限大まで大きくなる。そのため、パワーMOSトランジスタPMNのゲート端子と入力端子INとの接続は切断された状態となる。これにより、パワーMOSトランジスタPMNのゲート端子の電圧は、異常状態が発生している期間にオフ状態を維持する。一方、異常検出回路15が異常状態から解放を検出した場合、電力スイッチ回路1は、通常動作に移行する。
上記説明より、本実施の形態における電力スイッチ回路1は、正常動作と異常状態とで切り替えるウェル電位切替回路14によって拡散抵抗BRのPウェル領域Pwellに供給する電圧を切り替える。これにより、電力スイッチ回路1は、正常動作においてゲート抵抗を低抵抗に保ち、異常状態においてゲート抵抗を高抵抗とすることができる。
さらに、電力スイッチ回路1は、正常動作において、拡散抵抗BRのPウェル領域Pwellの電位を入力端子INに入力される駆動信号の電圧レベルに応じて電圧が変動する出力端子OUTの電圧とすることで、拡散抵抗BRの抵抗領域DRとPウェル領域Pwellの電位差の変動を抑制する。これによって、通常動作における拡散抵抗BRの抵抗値の変動を抑制することができる。特に、駆動信号と出力端子OUTの電圧の線形性が重要な出力端子OUTの電圧が電源電圧Vbatに達するまでの期間は、拡散抵抗BRの抵抗値は一定に保たれる。つまり、この期間において、電力スイッチ回路1は、パワーMOSトランジスタPMNのゲート端子の電圧を高精度に制御することができる。特に、パワーMOSトランジスタPMNのゲート端子の電圧を入力端子INに入力する電流によって制御する場合、拡散抵抗BRの抵抗値を一定に保つことでゲート端子の電圧の線形性が向上する。
かくして、本発明では、電源端子Vccと負荷2との間に接続された出力トランジスタ11と、この出力トランジスタ11を保護し、異常検出回路15およびゲート遮断トランジスタMN1でなる保護回路13と、出力トランジスタ11の駆動信号電圧を伝達する抵抗素子12であって一導電型領域(Pウェル領域Pwell)内に選択的に形成された他導電型領域(抵抗領域DR)を抵抗成分とする抵抗素子12と、Pウェル領域Pwellに、保護回路が動作していないときは駆動信号電圧に応じて変化する電位を供給し、保護回路が動作しているときは抵抗領域DRをピンチオフ状態とする電位を供給するウェル電位切替回路14とを備えることにより、抵抗素子12はほぼ一定の低抵抗を示すことから出力トランジスタ11のスイッチングオン時の波形整形が容易となる、一方、過電流や過電圧のような異常状態が発生して保護回路13が動作したときは、抵抗領域DRはピンチオフ状態となって出力トランジスタ11の遮断状態への移行が非常に容易となる。
実施の形態2
実施の形態2にかかる電力スイッチ回路1aのブロック図を図4に示す。図4に示すように、電力スイッチ回路1aは、抵抗素子12に替えて抵抗素子12aを備える。抵抗素子12aは、抵抗素子としてデプレッション型MOSトランジスタDMを用いる。デプレッション型MOSトランジスタは、ソース/ドレインの一方が入力端子INに接続され、ソース/ドレインの他方がパワーMOSトランジスタPMNのゲート端子に接続される。また、デプレッション型MOSトランジスタDMは、ゲート端子がバックゲート端子(ウェル端子WT)に接続される。
ここで、デプレッション型MOSトランジスタDMの断面図を図5に示す。図5に示すように、デプレッション型MOSトランジスタDMは、N−型半導体で形成される半導体基板の上層にP型半導体で形成されるPウェル領域Pwellが形成される。そして、Pウェル領域の上層にN+型半導体で形成されるソース又はドレインとなる接続端子CT1、CT2が形成される。そして、接続端子CT1、CT2を接続するようにN−型半導体で抵抗成分を発生させるチャネル領域CRが形成される。さらに、チャネル領域CRの上層にはゲート酸化膜OGを介してゲート電極Gが形成される。また、Pウェル領域Pwellには、P+型半導体によってPウェル領域Pwellに電圧を供給するウェル端子WTが形成される。そして、接続端子CT1は入力端子INに接続され、接続端子CT2はパワーMOSトランジスタPMNのゲート端子GATEに接続され、ゲート電極Gはウェル端子WTに接続され、ウェル端子WTはウェル電位切替回路14の状態に応じて出力端子OUT又は接地端子GNDに接続される。
次に、デプレッション型MOSトランジスタDMの抵抗値の電圧依存特性を示すグラフを図6に示す。なお、図6では、参考として拡散抵抗BRの抵抗値の電圧依存特性を破線にて示した。図6に示すように、デプレッション型MOSトランジスタDMであっても、拡散抵抗BRと同様に、チャネル領域CRとPウェル領域Pwellとの電位差に基づき抵抗値が変動し、電位差が所定の値以上となった場合にはピンチオフする。しかし、デプレッション型MOSトランジスタDMは、ゲート端子側からも空乏層が広がるため、ピンチオフしやすくなる。そのため、デプレッション型MOSトランジスタDMは、拡散抵抗BRよりも抵抗の変化率が大きくなる。
従って、デプレッション型MOSトランジスタDMを用いた場合、拡散抵抗BRを用いる場合に比べてチャネル領域CRを構成する拡散層の不純物濃度を濃くすることができる。この結果、デプレッション型MOSトランジスタDMのサイズは、拡散抵抗BRよりも小さくすることが可能となる効果がある。
上記説明より、電力スイッチ回路1aは、抵抗素子を実施の形態1よりも小さくしながら、実施の形態1と同様に高精度なパワーMOSトランジスタPMNのゲート端子の制御を実現することができる。また、電力スイッチ回路1aは、実施の形態1と同様に、異常状態における回路の保護を的確に行うことができる。
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、上記実施の形態では、ハイサイドスイッチを構成する電力スイッチ回路について説明したが、電力スイッチ回路を負荷の接地端子側に設けられるローサイドスイッチとして構成する場合にも適用することができる。
実施の形態1にかかる電力スイッチ回路のブロック図である。 実施の形態1にかかる拡散抵抗の断面図である。 実施の形態1にかかる拡散抵抗の抵抗値の電圧依存特性を示すグラフである。 実施の形態2にかかる電力スイッチ回路のブロック図である。 実施の形態2にかかるデプレッション型MOSトランジスタの断面図である。 実施の形態2にかかるデプレッション型MOSトランジスタの抵抗値の電圧依存特性を示すグラフである。 従来の電力スイッチ回路のブロック図である。
符号の説明
1、1a 電力スイッチ回路
2 負荷
3 電源
11 出力トランジスタ
12、12a 抵抗素子
13 保護回路
14 ウェル電位切替回路
15 異常検出回路
MN1 ゲート遮断トランジスタ
MN2 スイッチトランジスタ
PMN パワーMOSトランジスタ
D 寄生ダイオード
BR 拡散抵抗
DM デプレッション型MOSトランジスタ
GND 接地端子
Vcc 電源端子
IN 入力端子
OUT 出力端子
CR チャネル領域
DR 抵抗領域
CT1、CT2 接続端子
WT ウェル端子
Pwell Pウェル領域
GATE ゲート端子
G ゲート電極
OG ゲート酸化膜
R 抵抗

Claims (9)

  1. 第1の電源端子と出力端子との間に接続され、負荷を駆動する出力トランジスタと、
    前記出力トランジスタの異常状態を検出する異常検出回路と、
    ウェル領域上に形成される拡散層によって抵抗成分を発生し、入力端子と前記出力トランジスタの制御端子との間に設けられる抵抗素子と、
    前記異常検出回路による検出結果に基づき前記ウェル領域に前記出力端子の電圧と第2の電源端子の電圧とのいずれの電圧を供給するかを切り替えるウェル電位切替回路と、
    を有する電力スイッチ回路。
  2. 前記ウェル電位切替回路は、前記異常検出回路が異常未検出の検出結果を出力している場合に前記ウェル領域に前記出力端子の電圧を供給し、前記異常検出回路が異常検出の検出結果を出力している場合に前記ウェル領域に第2の電源端子の電圧を供給する請求項1に記載の電力スイッチ回路。
  3. 前記抵抗素子は、拡散抵抗である請求項1又は2に記載の電力スイッチ回路。
  4. 前記抵抗素子は、前記拡散層をチャネル領域とするデプレッション型MOSトランジスタである請求項1又は2に記載の電力スイッチ回路。
  5. 前記ウェル電位切替回路は、前記出力端子と前記ウェル領域との間に設けられる抵抗と、前記第2の電源端子と前記ウェル領域との間に設けられ、前記異常検出回路が異常を検出した状態において前記第2の電源端子の電圧を前記ウェル領域に供給するスイッチトランジスタと、を有する請求項1乃至4のいずれか1項に記載の電力スイッチ回路。
  6. 前記異常検出回路は、前記出力トランジスタの過熱状態又は過電流状態を検出する請求項1乃至5のいずれか1項に記載の電力スイッチ回路。
  7. 電源端子と負荷との間に接続された出力トランジスタと、
    前記出力トランジスタを保護する保護回路と、
    前記出力トランジスタの駆動信号電圧を伝達する抵抗素子であって一導電型領域内に選択的に形成された他導電型領域を抵抗成分とする抵抗素子と、
    前記一導電型領域に、前記保護回路が動作していないときは前記駆動信号電圧に応じて変化する電位を供給し、前記保護回路が動作しているときは前記他導電型領域をピンチオフ状態とする電位を供給するウェル電位切替回路と、
    を備える電力スイッチ回路。
  8. 前記抵抗素子は、前記他導電型領域を抵抗とする拡散抵抗である請求項7記載の電力スイッチ回路。
  9. 前記抵抗素子は、前記他導電型領域をチャネル領域とするデプレッション型MOSトランジスタであり、前記デプレッション型MOSトランジスタのゲートは前記一導電型領域に接続されている請求項7記載の電力スイッチ回路。
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