JP5139022B2 - 過電圧保護回路ならびにそれを用いた電源管理回路および電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、過電圧から回路を保護する過電圧保護回路に関する。

半導体集積回路に利用される回路素子は、耐圧を超える電圧が印加されると、正常な機能が実行できなくなる。外部電源を利用して動作する電子機器、特に乾電池を利用した緊急用の電源や、品質の悪いＵＳＢ（Universal Serial Bus）電源の利用が想定される機器においては、定格外の高電圧が印加される可能性があるため、過電圧から回路素子を保護するための過電圧保護回路が必要となる。

特開平９−２１９９３５号公報

本出願人は、入力段にツェナー電圧を利用した電圧保護機能を備える過電圧保護回路について検討を行った結果、以下の課題を認識するに至った。入力端子に外部からの電源電圧が印加され、基準電圧端子が接地される過電圧保護回路では、カソードが入力端子側、アノードが基準電圧端子側となるように、入力ダイオードが設けられる。入力端子に過電圧が印加されると、電源電圧はツェナー電圧でクランプされ、回路素子が保護される。

ところが、外部電源を極性を反対にして接続した場合、入力ダイオードには順方向に大電圧が印加されてしまうため、入力ダイオードの信頼性が損なわれるおそれがある。たとえば、自作されたパーソナルコンピュータのＵＳＢ電源や、乾電池を用いた緊急用電源が使用される場合、ソケットの向きを誤ったり、乾電池の向きを誤ると、入力ダイオードには順方向に大電圧が印加される可能性があり、こうしたケースに対しても回路設計の配慮が必要である。

本発明はかかる課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、逆極性の入力電圧に対する耐性を有する過電圧保護回路の提供にある。

本発明のある態様の過電圧保護回路は、外部からの電源電圧が入力される入力端子と、電源電圧を外部に出力する出力端子と、基準電圧が入力される基準電圧端子と、入力端子と出力端子の間に直列に設けられた逆流防止トランジスタおよびメイントランジスタと、逆流防止トランジスタとメイントランジスタの接続点と、基準電圧端子との間に、カソードがメイントランジスタ側となる向きで設けられた入力ダイオードと、電源電圧に応じてメイントランジスタの制御端子の電圧を制御する制御部と、を備える。逆流防止トランジスタを、そのボディダイオードのアノードが入力端子側となる向きで配置する。さらに逆流防止トランジスタを、入力端子が高電位、前記基準電圧端子が低電位となる正常状態においてオンし、入力端子が低電位、基準電圧端子が高電位となる逆極性状態においてオフするようにバイアスする。

この態様によると、入力端子側が低電位、基準電圧端子側が高電位となる向きで外部電圧が逆極性で印加されると、逆流防止トランジスタがオフし、さらにボディダイオードによって、基準電圧端子から入力端子に向かう電流が遮断されるため、入力ダイオードに大電流が流れるのを抑制できる。

逆流防止トランジスタは、その制御端子が基準電圧端子に、その一端が入力端子に、その他端がメイントランジスタの一端に、そのバックゲートが他端に接続されたＰチャンネルＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）であってもよい。
この場合、逆極性の、すなわち入力端子側が低電位、基準電圧端子側が高電位となる向きの外部電圧が印加された状態において、逆流防止トランジスタを自動的にオフでき、正しい極性で印加された場合には逆流防止トランジスタを自動的にオンできる。

逆流防止トランジスタは、その一端が入力端子に、その他端がメイントランジスタの一端に、そのバックゲートが一端に接続されたＮチャンネルＭＯＳＦＥＴであってもよい。ゲートには、外部電源が逆極性で接続されたときに逆流防止トランジスタがオフし、正しい極性で接続されたときにオンするように、バイアス電圧を印加する。

過電圧保護回路は、ひとつの半導体基板上に一体集積化されてもよい。「一体集積化」とは、回路の構成要素のすべてが半導体基板上に形成される場合や、回路の主要構成要素が一体集積化される場合が含まれ、回路定数の調節用に一部の抵抗やキャパシタなどが半導体基板の外部に設けられていてもよい。

本発明の別の態様は、電源管理回路である。この電源管理回路は、上述の過電圧保護回路と、過電圧保護回路の出力端子から出力される電源電圧を利用して、２次電池を充電する充電回路を備える。

本発明のさらに別の態様は、電子機器である。この電子機器は、２次電池と、外部電源からの電源電圧にもとづいて２次電池を充電する上述の電源管理回路と、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組合せや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、逆極性の入力電圧に対する耐性を有する過電圧保護回路を提供できる。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

本明細書において、「部材Ａが部材Ｂに接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合や、部材Ａと部材Ｂが、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

図１は、実施の形態に係る過電圧保護回路１００およびそれを用いた電子機器１０００全体の構成を示す回路図である。
電子機器１０００は、たとえば携帯電話端末や、ＰＤＡ、ノート型ＰＣなどの電池駆動型の情報端末機器である。電子機器１０００は、過電圧保護回路１００、充電回路１１２および電池１１４を備える。電子機器１０００はその他に、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＤＳＰ(Digital Signal Processor)、液晶パネルをはじめとするデジタル回路、アナログ回路を備える。

電池１１４は、リチウムイオンやＮｉＣｄ（ニッケルカドミウム）電池などの２次電池であり、その電池電圧Ｖｂａｔが、電子機器１０００のその他の回路ブロックへと供給される。

外部電源１１０は、電子機器１０００に接続され、商用交流電圧を直流電圧に変換するＡＣアダプタや、車載バッテリ等の電圧を降圧するＤＣ／ＤＣコンバータ、ＵＳＢ電源や乾電池を利用した緊急用電源である。外部電源１１０は電池１１４に対して直流の電源電圧Ｖｄｃを供給する。

過電圧保護回路１００は、入力端子１０２、出力端子１０４、基準電圧端子１０６を備え、ひとつの半導体基板上に一体集積化されている。入力端子１０２および基準電圧端子１０６の間には、外部電源１１０から電源電圧として直流電圧Ｖｄｃが印加される。直流電圧Ｖｄｃは正常な状態において、入力端子１０２側が高電位、基準電圧端子１０６側が低電位となる向きで与えられる。過電圧保護回路１００は、基準電圧端子１０６の電圧レベルを基準電圧（接地電圧）として動作する。

過電圧保護回路１００は、入力端子１０２に受けた直流電圧Ｖｄｃが、所定のしきい値電圧Ｖｔｈよりも低いとき、その直流電圧Ｖｄｃを出力端子１０４から充電回路１１２に出力する。逆に直流電圧Ｖｄｃがしきい値電圧Ｖｔｈよりも高い場合、つまり過電圧状態において、充電回路１１２への直流電圧Ｖｄｃの供給を停止し、あるいは直流電圧Ｖｄｃを降圧して出力する。本実施の形態の過電圧保護回路１００は、Ｖｄｃ＞Ｖｔｈのとき充電回路１１２への電圧供給を遮断する。

充電回路１１２は、過電圧保護回路１００から出力される直流電圧Ｖｄｃを受け、電池１１４を充電する。もっとも過電圧保護回路１００の出力端子１０４に接続される回路は充電回路１１２に限定されず、外部からの直流電圧を利用して動作するさまざまな回路に適用可能である。

以下、過電圧保護回路１００の具体的な構成を説明する。過電圧保護回路１００は、メイントランジスタ１０、逆流防止トランジスタ１２、チャージポンプ回路１４、入力ダイオード１６、制御部１８を備える。

逆流防止トランジスタ１２およびメイントランジスタ１０は、入力端子１０２と出力端子１０４の間に直列に設けられる。

本実施の形態においてメイントランジスタ１０はＮチャンネルＭＯＳＦＥＴである。メイントランジスタ１０は、直流電圧Ｖｄｃの遮断、導通を切りかえるためのスイッチであり、Ｖｄｃ＜Ｖｔｈのときオン、Ｖｄｃ＞Ｖｔｈのときオフとなる。

メイントランジスタ１０のオン、オフを制御するためにチャージポンプ回路１４、制御部１８が設けられる。制御部１８は、入力端子１０２と基準電圧端子１０６の間の電位差、つまり直流電圧Ｖｄｃを受け、これをしきい値電圧Ｖｔｈと比較する。制御部１８は比較結果に応じた制御信号Ｓｃｎｔを、チャージポンプ回路１４に出力する。制御信号Ｓｃｎｔは、Ｖｄｃ＜Ｖｔｈのときハイレベル、Ｖｄｃ＞Ｖｔｈのときローレベルとなる。逆流防止トランジスタ１２とメイントランジスタ１０の接続点Ｎ１の電圧は、直流電圧Ｖｄｃと実質的に等しい。そこでたとえば制御部１８は、しきい値電圧Ｖｔｈを生成する基準電圧源１８ｂと、接続点Ｎ１の電圧を分圧する抵抗Ｒ１１、Ｒ１２と、分圧された直流電圧Ｖｄｃをしきい値電圧Ｖｔｈと比較するコンパレータ１８ａで構成できる。

チャージポンプ回路１４は、制御信号Ｓｃｎｔのレベルに応じて、メイントランジスタ１０のオンオフを切りかえる。具体的には、制御信号Ｓｃｎｔがハイレベルのときメイントランジスタ１０をオン、制御信号Ｓｃｎｔがローレベルのときメイントランジスタ１０をオフする。

メイントランジスタ１０はＮチャンネルＭＯＳＦＥＴであるため、オン状態で出力端子（ソース端子）１０４に直流電圧Ｖｄｃを出力するためには、メイントランジスタ１０のゲート電圧Ｖｇ１をＶｄｃ＋Ｖｔより高く設定する必要がある。ここでＶｔはメイントランジスタ１０のゲートソース間しきい値電圧である。

過電圧保護回路１００には電源として直流電圧Ｖｄｃのみ供給されるから、Ｖｄｃ＋Ｖｔ以上のゲート電圧Ｖｇ１を生成するために、チャージポンプ回路１４は制御信号Ｓｃｎｔを昇圧してレベルシフトする。

入力ダイオード１６は、逆流防止トランジスタ１２とメイントランジスタ１０の接続点Ｎ１と、基準電圧端子１０６との間に、アノードが基準電圧端子１０６側となる向きで設けられる。入力ダイオード１６は、寄生ダイオードを利用して構成してもよいし、専用の素子として半導体基板上に形成してもよい。

逆流防止トランジスタ１２は、そのボディダイオードＤ１のアノードが入力端子１０２側となる向きで配置される。さらに、逆流防止トランジスタ１２の制御端子（ゲート）は、入力端子１０２が高電位、基準電圧端子１０６が低電位となる正常な極性状態において逆流防止トランジスタがオンするようにバイアスされる。反対に、逆流防止トランジスタ１２の制御端子（ゲート）は、入力端子１０２が低電位、基準電圧端子１０６が高電位となる逆極性状態において逆流防止トランジスタがオフするようにバイアスされる。

好ましい態様において、逆流防止トランジスタ１２は、メイントランジスタ１０のドレインと入力端子１０２の間に設けられたＰチャンネルＭＯＳＦＥＴである。逆流防止トランジスタ１２の制御端子（ゲート）は接地され、その一端（ドレイン）が入力端子１０２に、その他端（ソース）がメイントランジスタ１０の一端（ドレイン）に、そのバックゲートが他端（ソース）に接続される。

ここで逆流防止トランジスタ１２のボディダイオードＤ１と入力ダイオード１６に着目すると、２つのダイオードは、入力端子１０２と基準電圧端子１０６を結ぶ経路上に、互いのカソードが対向するように配置される。

以上のように構成された過電圧保護回路１００の動作を、外部電源１１０の印加状態ごとに説明する。

（１） 直流電圧Ｖｄｃが正常な極性、正常な値で印加される場合
この場合、Ｖｄｃ＜Ｖｔｈであるため制御信号Ｓｃｎｔはハイレベルとなり、メイントランジスタ１０はオンされる。また、直流電圧Ｖｄｃの極性は正常であるから、逆流防止トランジスタ１２のゲートソース間電圧Ｖｇｓは直流電圧Ｖｄｃそのものとなり、逆流防止トランジスタ１２はオンとなる。したがって、逆流防止トランジスタ１２、メイントランジスタ１０はともにオンとなるから、入力端子１０２に印加された直流電圧Ｖｄｃは出力端子１０４を介して充電回路１１２へと出力される。

（２） 直流電圧Ｖｄｃが正常な極性、過電圧で印加される場合
この場合、Ｖｄｃ＞Ｖｔｈであるため、制御信号Ｓｃｎｔはローレベルとなり、メイントランジスタ１０はオフされる。また、直流電圧Ｖｄｃの極性は正常であるから、逆流防止トランジスタ１２のゲートソース間電圧Ｖｇｓは直流電圧Ｖｄｃそのものとなり、逆流防止トランジスタ１２はオンとなる。メイントランジスタ１０がオフであるため、入力端子１０２と出力端子１０４間の経路は遮断され、充電回路１１２には過電圧が供給されない。

また、入力ダイオード１６のツェナー電圧Ｖｚ（逆方向電圧）を超える直流電圧Ｖｄｃが入力されると、直流電圧Ｖｄｃがツェナー電圧Ｖｚにクランプされ、回路が保護される。

（３） 直流電圧Ｖｄｃが逆極性で印加される場合
（３−ａ）逆流防止トランジスタ１２を設けない場合
本実施の形態に係る過電圧保護回路１００の動作をより明確とするため、逆流防止トランジスタ１２を設けない場合、つまり入力端子１０２と入力ダイオード１６のカソードおよびメイントランジスタ１０の一端が接続される回路の動作を説明する。

この場合、逆極性の直流電圧Ｖｄｃが基準電圧端子１０６に印加される。そうすると、入力ダイオード１６に対して、順方向に直流電圧Ｖｄｃが印加されることになり、入力ダイオード１６に大電流が流れてしまう。入力ダイオード１６に大電流が流れると入力ダイオード１６そのものの信頼性に悪影響を及ぼすのみでなく、外部電源１１０の信頼性にも悪影響を及ぼしてしまう。

（３−ｂ）逆流防止トランジスタ１２を設けた場合
次に、逆流防止トランジスタ１２を設けた場合の動作を説明する。直流電圧Ｖｄｃが逆極性で印加されると、逆流防止トランジスタ１２は、そのゲートソース間電圧Ｖｇｓがしきい値電圧Ｖｔより低くなるためオフとなる。

このとき、基準電圧端子１０６から入力端子１０２に至る経路には、入力ダイオード１６が順方向に、ボディダイオードＤ１が逆方向に設けられている。したがって、入力ダイオード１６には、直流電圧ＶｄｃからボディダイオードＤ１のツェナー電圧Ｖｚを減じた電圧（Ｖｄｃ−Ｖｚ）が印加される。

このように、図１の過電圧保護回路１００によれば、（３−ａ）で説明した逆流防止トランジスタ１２を設けない場合に比べて、入力ダイオード１６に印加される電圧を低減し、入力ダイオード１６の信頼性を向上することができる。

上記実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

実施の形態でＭＯＳＦＥＴとバイポーラトランジスタは、必要に応じて適宜置き換えることが可能である。また、ＭＯＳＦＥＴのＮチャンネルとＰチャンネル、あるいはバイポーラトランジスタのＮＰＮ型とＰＮＰ型も、適宜置換してもよい。

たとえば、逆流防止トランジスタ１２をＮチャンネルＭＯＳＦＥＴで構成してもよい。図２は、図１の変形例に係る過電圧保護回路１００の構成の一部を示す回路図である。図２は、逆流防止トランジスタ１２およびその周辺回路のみを示しており、その他の構成は図１と同様である。

図２の変形例において、逆流防止トランジスタ１２の一端（ソース）は入力端子１０２に、その他端（ドレイン）がメイントランジスタの一端（ドレイン）に、そのバックゲートが一端（ドレイン）に接続される。正常な直流電圧Ｖｄｃが供給されるとき、逆流防止トランジスタ１２の制御端子（ゲート）にはチャージポンプ回路２０によって、Ｖｇ２＞Ｖｄｃ＋Ｖｔなるゲート電圧Ｖｇ２が印加される。また、直流電圧Ｖｄｃが逆極性のとき、チャージポンプ回路２０は正常に動作せず、ゲート電圧Ｖｇ２は０Ｖとなって逆流防止トランジスタ１２はオフとなる。図２の変形例によっても、直流電圧Ｖｄｃが逆極性で印加された場合に、入力ダイオード１６と逆流防止トランジスタ１２のボディダイオードＤ２のカソードが対向するため、入力ダイオード１６を保護することができる。

また、メイントランジスタ１０をＰチャンネルＭＯＳＦＥＴで構成してもよいし、あるいはＮＰＮ型、ＰＮＰ型のバイポーラトランジスタで構成してもよい。

実施の形態では、過電圧状態においてメイントランジスタ１０を完全にオフする場合を説明したが、オン抵抗を高く設定し、降圧した直流電圧Ｖｄｃを出力してもよい。

実施の形態では、過電圧保護回路１００と充電回路１１２を別々のＩＣとして構成する場合を説明したが、これらを一体として、電源管理ＩＣ１１６として構成してもよい。あるいは反対に過電圧保護回路１００をディスクリート素子を用いて構成してもよい。

また、本実施の形態において、ハイレベル、ローレベルの論理値の設定は一例であって、インバータなどによって適宜反転させることにより自由に変更することが可能である。

以上、実施の形態にもとづき、本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎないことはいうまでもなく、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を離脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が可能であることはいうまでもない。

実施の形態に係る過電圧保護回路およびそれを用いた電子機器全体の構成を示す回路図である。 図１の変形例に係る過電圧保護回路の構成の一部を示す回路図である。

符号の説明

１００…過電圧保護回路、１０２…入力端子、１０４…出力端子、１０６…基準電圧端子、１０…メイントランジスタ、１２…逆流防止トランジスタ、Ｄ１…ボディダイオード、Ｄ２…ボディダイオード、１４…チャージポンプ回路、１６…入力ダイオード、１８…制御部、２０…チャージポンプ回路、１１０…外部電源、１１２…充電回路、１１４…電池、１１６…電源管理ＩＣ。

Claims (6)

1. 外部からの電源電圧が入力される入力端子と、
   前記電源電圧を外部に出力する出力端子と、
   基準電圧が入力される基準電圧端子と、
   前記入力端子と前記出力端子の間に直列に設けられた逆流防止トランジスタおよびメイントランジスタと、
   前記逆流防止トランジスタと前記メイントランジスタの接続点と、前記基準電圧端子との間に、アノードが前記基準電圧端子側となる向きで設けられた入力ダイオードと、
   前記電源電圧に応じて前記メイントランジスタの制御端子の電圧を制御する制御部と、
   を備え、
   前記逆流防止トランジスタを、そのボディダイオードのアノードが前記入力端子側となる向きで配置するとともに、前記入力端子が高電位、前記基準電圧端子が低電位となる正常状態においてオンし、前記入力端子が低電位、前記基準電圧端子が高電位となる逆極性状態においてオフするようにバイアスし、
   前記制御部は、
   前記逆流防止トランジスタと前記メイントランジスタの接続点の電圧を所定のしきい値電圧と比較し、比較結果を示す制御信号を生成するコンパレータと、
   前記制御信号を受け、前記接続点の電圧の方が低いとき、前記メイントランジスタのゲートに前記メイントランジスタがオンしうる電圧レベルを出力し、前記接続点の電圧の方が高いとき、前記メイントランジスタのゲートに前記メイントランジスタがオフする電圧レベルを出力するチャージポンプ回路と、
   を含むことを特徴とする過電圧保護回路。
2. 前記逆流防止トランジスタは、その制御端子が前記基準電圧端子に、その一端が前記入力端子に、その他端がメイントランジスタの一端に、そのバックゲートが前記他端に接続されたＰチャンネルＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）であることを特徴とする請求項１に記載の過電圧保護回路。
3. 前記逆流防止トランジスタは、その一端が前記入力端子に、その他端がメイントランジスタの一端に、そのバックゲートが前記一端に接続されたＮチャンネルＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする請求項１に記載の過電圧保護回路。
4. ひとつの半導体基板上に一体集積化されたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の過電圧保護回路。
5. 請求項１から３のいずれかに記載の過電圧保護回路と、
   前記過電圧保護回路の前記出力端子から出力される電源電圧を利用して、２次電池を充電する充電回路と、
   を備え、一体集積化されることを特徴とする電源管理回路。
6. ２次電池と、
   外部電源からの電源電圧にもとづいて前記２次電池を充電する請求項５に記載の電源管理回路と、
   を備えることを特徴とする電子機器。

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