JP5266029B2 - 負荷駆動装置 - Google Patents

Description

本発明にかかる負荷駆動装置は、特に負荷への電力供給を制御する出力トランジスタを有する負荷駆動装置に関する。

機能回路や動力装置などの負荷に電源からの電力を供給する負荷駆動装置が多く用いられている。この負荷駆動装置は、電源と負荷の間に接続され、スイッチとなる出力トランジスタを有する。そして、出力トランジスタの導通状態に応じて負荷への電力の供給又は供給する電力の遮断を行う。負荷駆動装置は、ハイサイドスイッチと呼ばれることもある。このような負荷駆動装置の一例が特許文献１に開示されている。

特許文献１に開示されている負荷駆動装置１００の回路図を図１０に示す。図１０に示すように、負荷駆動装置１００は、ドライバ回路１０２、出力トランジスタとなるスイッチング用Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ（Ｔ１０１）、制御用Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ（Ｔ１０２）を有する。制御用Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ（Ｔ１０２）は、スイッチング用Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ（Ｔ１０１）のゲートとグランドとの間に設けられる。そして、制御用Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ（Ｔ１０２）は、ドライバ回路１０２より出力される駆動信号ｓ２によりオン、オフ動作する。制御用Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ（Ｔ１０２）がオフのときには、ドライバ回路１０２より出力される駆動信号ｓ１がハイレベル信号を出力することでスイッチング用Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ（Ｔ１０１）はオンとなり、負荷１０１に電力を供給する。一方、制御用Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ（Ｔ１０２）がオンのときには、スイッチング用Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ（Ｔ１０１）のゲートがグランドに接地されるので、スイッチング用Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ（Ｔ１０１）がオフとなるように制御され、負荷１０１への供給電力を遮断する。

また、制御用Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ（Ｔ１０２）は寄生ダイオードＤ１０２を備える。寄生ダイオードＤ１０２は、アノードがグランド側、カソードがスイッチング用Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ（Ｔ１０１）のゲート側に接続されるので、直流電源１０３を逆接続した場合でも、寄生ダイオードＤ１０２が存在することにより、スイッチング用Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ（Ｔ１０１）のゲートに電源１０３より電圧が印加されるため、スイッチング用Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ（Ｔ１０１）はオンとなる。そのため、スイッチング用Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ（Ｔ１０１）の寄生ダイオードＤ１０１に逆接続電流が流れることはなく、スイッチング用Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ（Ｔ１０１）の発熱を防止できる。つまり、負荷駆動装置１００では、電源１０３の逆接続時におけるスイッチング用Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ（Ｔ１０１）及びその他の回路部品の損傷を防止することができる。
特開２００７−１９８１２号公報

負荷駆動装置では、負荷駆動装置の接地端子と負荷の接地端子が離れた場所に配置される場合がある。このような場合、端子間の導電体における抵抗成分によって負荷駆動装置の接地電圧と負荷の接地電圧とに電圧差が生じる場合がある。また、負荷駆動装置はユニットに搭載され、負荷駆動装置に対する接地電圧の供給がユニットに設けられたコネクタを介して行われることがある。このような場合、コネクタの不良や配線の断線により、負荷駆動装置に接地電圧が供給されない場合がある。つまり、負荷駆動装置の接地端子がオープンな状態になる場合がある。

ここで、負荷駆動装置の接地端子がオープン状態となった場合の課題を説明する図を図１１に示す。図１１に示すように、この場合、負荷駆動装置１００における接地端子の電圧がユニット内のリーク電流やノイズによって接地電圧（例えば０Ｖ）よりも大きくなることがある。図１１に示す例では、制御用Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ（Ｔ１０２）のソースの電圧が上昇する。制御用Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ（Ｔ１０２）においてソースの電圧が上昇した場合、ダイオードＤ１０２を介してスイッチング用Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ（Ｔ１０１）のゲートに電荷が流れ込む。そのため、スイッチング用Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ（Ｔ１０１）がオフ状態である場合にこのリーク電流が発生すると、スイッチング用Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ（Ｔ１０１）のゲート電圧が上昇し、スイッチング用Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ（Ｔ１０１）がオン状態に遷移する。

つまり、特許文献１に記載の負荷駆動装置１００では、接地端子ＧＮＤがオープン状態となった場合にスイッチング用Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ（Ｔ１０１）をオフできない問題がある。さらに、ゲートの電圧が十分に上昇せずに、ドレイン・ソース間の抵抗値が高い状態でスイッチング用Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ（Ｔ１０１）がオンした場合、スイッチング用Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ（Ｔ１０１）は過熱状態になり破壊に至る問題がある。

本発明の一態様にかかる負荷駆動装置は、電源ラインと出力端子との間に接続された出力トランジスタと、前記出力端子と第１の接地ラインとの間に接続される負荷と、前記出力トランジスタのゲートと第２の接地ラインとの間に接続され、前記出力トランジスタのオン／オフを制御する制御回路と、前記第２の接地ラインの電位が所定値以上となったときに導通し、前記出力トランジスタのオフ状態を維持する補償トランジスタと、を有するものである。

本発明にかかる負荷駆動装置は、第２の接地ラインの電位が所定値以上となったときに導通し、出力トランジスタのオフ状態を維持する補償トランジスタを有する。つまり、負荷駆動装置の接地端子がオープン状態となり、接地端子の電圧が上昇した場合であっても、補償トランジスタにより出力トランジスタのオフ状態が維持される。そのため、出力トランジスタが本来オフ状態を維持している期間に接地端子の電圧が上昇した場合であっても、出力トランジスタのドレイン・ソース間に電流が流れることがない。

本発明にかかる負荷駆動装置によれば、接地端子がオープン状態であっても、出力トランジスタをオフ状態に維持し、出力トランジスタの過熱による破壊を防止することができる。

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に実施の形態１にかかる負荷駆動装置１の回路図を示す。図１に示すように、負荷駆動装置１は、電源１０、負荷１１、ドライバ回路１２、制御回路１３、補償回路１４、出力トランジスタＴ１、電源端子ＰＷＲ、接地端子ＧＮＤ１、接地端子ＧＮＤ２、出力端子ＯＵＴを有する。以下の説明では、電源端子ＰＷＲには、電源ラインが接続され、接地端子ＧＮＤ１には第１の接地ラインが接続され、接地端子ＧＮＤ２には第２の接地ラインが接続されるものとする。ドライバ回路１２、制御回路１３、補償回路１４、出力トランジスタＴ１、電源端子ＰＷＲ、接地端子ＧＮＤ２、及び出力端子ＯＵＴは、１つの半導体装置に設けられていてもよく、また、複数の半導体装置を利用するプリント回路基板等によって設けられていてもよい。

電源１０は、電源端子ＰＷＲと、接地端子ＧＮＤ１及びＧＮＤ２との間に接続される。そして、正常接続時には、電源１０は、電源端子ＰＷＲに正極側電圧ＶＢを供給し、接地端子ＧＮＤ２に負極側電圧ＶＳＳを供給する。負荷１１は、出力端子ＯＵＴと接地端子ＧＮＤ１との間に接続される。負荷１１は、例えば機能回路や動力装置などであって、負荷駆動装置１において電力の供給先となるものである。

ドライバ回路１２は、負荷駆動装置１の制御装置である。ドライバ回路１２は、出力トランジスタＴ１のゲートに制御信号Ｓ１を供給し、制御回路１３に制御信号Ｓ２を供給する。本実施の形態においては、制御信号Ｓ１、Ｓ２は、互いに逆相となる信号であるものとする。ドライバ回路１２は、制御信号Ｓ１、Ｓ２によって出力トランジスタＴ１の導通状態を制御する。

制御回路１３は、出力トランジスタＴ１のゲートと接地端子ＧＮＤ２との間に接続され、ドライバ回路１２によって制御される。制御回路１３は、制御信号Ｓ２がハイレベルの状態で出力トランジスタＴ１のゲートから電荷の引き抜きを行う。また制御信号Ｓ２がロウレベルの状態ではオフ状態となり、出力トランジスタＴ１のゲートから電荷の引き抜きは行わない。

より具体的には、制御回路１３は、放電トランジスタＭＮ１を有する。本実施の形態では、放電トランジスタＭＮ１としてＮ型ＭＯＳトランジスタを用いる。放電トランジスタＭＮ１は、ドレインが出力トランジスタＴ１のゲートに接続され、ゲートに制御信号Ｓ２が入力され、ソースが接地端子ＧＮＤ２に接続され、バックゲートがソースに接続される。なお、放電トランジスタＭＮ１は、バックゲートとドレインとの間に寄生ダイオードＤ１を有する。寄生ダイオードＤ１は、ソースの電圧がドレインの電圧よりも高くなる状態でオンする。例えば、ソースの電圧がドレインの電圧より０．７Ｖ以上高くなるとオンする。

補償回路１４は、出力トランジスタＴ１のゲートと出力端子ＯＵＴとの間に接続され、接地端子ＧＮＤ２の電圧が所定の電圧よりも高くなる状態で出力トランジスタＴ１のゲートと出力端子ＯＵＴをショートする。つまり、出力トランジスタＴ１のゲートと出力端子ＯＵＴをショートすることで、補償回路１４は、出力トランジスタＴ１のオフ状態を維持する。より具体的には、補償回路１４は、補償トランジスタＭＮ２を有する。本実施の形態では、補償トランジスタＭＮ２としてＮ型ＭＯＳトランジスタを用いる。補償トランジスタＭＮ２は、ドレインが出力トランジスタＴ１のゲートに接続され、ソースが出力端子ＯＵＴに接続され、ゲートが接地端子ＧＮＤ２に接続され、バックゲートがソースと接続される。

出力トランジスタＴ１は、ドレインが電源端子ＰＷＲに接続され、ソースが出力端子ＯＵＴに接続され、ゲートに制御信号Ｓ１が供給される。出力トランジスタＴ１は、制御信号Ｓ１がハイレベルの状態でオン状態となり、制御信号Ｓ１がロウレベルの状態でオフ状態となる。

次に、図２に負荷駆動装置１の動作モード毎のトランジスタのオン／オフ状態を示す。そして、図２を参照して負荷駆動装置１の動作について説明する。まず、正常動作のうち出力トランジスタＴ１がオンする動作モード（以下オンモードと称す）について説明する。オンモードでは、制御信号Ｓ２がロウレベルであるため、放電トランジスタＭＮ１はオフする。また、接地端子ＧＮＤ２には、電源１０の負極側電圧ＶＳＳ（例えば、０Ｖ）が供給されるため補償トランジスタＭＮ２もオフする。一方、出力トランジスタＴ１のゲートには、ハイレベルの制御信号Ｓ１が入力されるため、出力トランジスタＴ１はオンする。従って、オンモードでは、出力端子ＯＵＴの電圧は電源１０の正極側電圧ＶＢとほぼ同じ値となる。

次に、正常動作のうち出力トランジスタＴ１がオフする動作モード（以下オフモードと称す）について説明する。オフモードでは、制御信号Ｓ２がハイレベルであるため、放電トランジスタＭＮ１はオンする。また、接地端子ＧＮＤ２には、電源１０の負極側電圧ＶＳＳ（例えば、０Ｖ）が供給されるため補償トランジスタＭＮ２はオフする。一方、出力トランジスタＴ１のゲートには、ロウレベルの制御信号Ｓ１が入力されるため、出力トランジスタＴ１はオフする。従って、オフモードでは、出力端子ＯＵＴの電圧は負荷１１の接地端子ＧＮＤ１の電圧（例えば０Ｖ）とほぼ同じ値となる。

続いて、配線の接続不良等の原因により接地端子ＧＮＤ２がオープン状態となる異常な動作モード（以下ＧＮＤ接続不良モードと称す）について説明する。ＧＮＤ接続不良モードでは、出力トランジスタＴ１がオフであるものとする。そのため、出力端子ＯＵＴは０Ｖとなる。そして、接地端子ＧＮＤ２の電圧が０Ｖよりも上昇し、補償トランジスタＭＮ３の閾値を超える電圧となると、補償トランジスタＭＮ２はオンして出力トランジスタＴ１のゲートと出力端子ＯＵＴとの間をショートする。また、放電トランジスタＭＮ１では、寄生ダイオードＤ１を介して出力トランジスタのゲートにリーク電流が流入する。しかし、補償トランジスタＭＮ２がオンしているため、このリーク電流は、補償トランジスタＭＮ２によって出力端子ＯＵＴに放出される。つまり、出力トランジスタＴ１のゲートにはリーク電流による電圧上昇は発生することがなく、出力トランジスタＴ１はオフ状態を維持する。

上記説明より、本実施の形態における負荷駆動装置１は、接地配線の接続不良によって接地端子ＧＮＤ２の電圧が上昇した場合であっても、放電トランジスタＭＮ１の寄生ダイオードＤ１を介して出力トランジスタＴ１のゲートに流れ込む電荷を、補償トランジスタＭＮ２がオンすることによって出力端子ＯＵＴに放出する。このような動作により、負荷駆動装置１は、接地端子ＧＮＤ２の電圧が上昇した場合であっても出力トランジスタＴ１のオフ状態を維持することができる。また、出力トランジスタＴ１がオフ状態を維持できることから、接地端子ＧＮＤ２の電圧上昇による出力トランジスタＴ１の発熱を防止し、出力トランジスタＴ１の破壊を防ぐことができる。つまり、負荷駆動装置１は、接地配線の断線等による不具合に対する信頼性を向上させることができる。

実施の形態２
図３に実施の形態２にかかる負荷駆動装置２の回路図を示す。図３に示すように、負荷駆動装置２は、電源１０、負荷１１、ドライバ回路１２、制御回路１３、バックゲート制御回路１５、補償回路１６、出力トランジスタＴ１、抵抗Ｒ１０、電源端子ＰＷＲ、接地端子ＧＮＤ１、接地端子ＧＮＤ２、出力端子ＯＵＴを有する。ドライバ回路１２、制御回路１３、バックゲート制御回路１５、補償回路１６、出力トランジスタＴ１、抵抗Ｒ１０、電源端子ＰＷＲ、接地端子ＧＮＤ２、及び出力端子ＯＵＴは、１つの半導体装置に設けられていてもよく、また、複数の半導体装置を利用するプリント回路基板等によって設けられていてもよい。なお、以下の説明では、実施の形態１と同様のものについては実施の形態１と同様の符号を付して説明を省略する。

制御回路１３は、実施の形態１における制御回路１３と同様のものであるが、放電トランジスタＭＮ１のソースの接続先が実施の形態１とは異なる。実施の形態２では、放電トランジスタＭＮ１のソースは、抵抗Ｒ１０を介して接地端子ＧＮＤ２に接続される。なお、以下の説明では、放電トランジスタＭＮ１のソース側のノードをノードＡと称す。

補償回路１６は、出力端子ＯＵＴとノードＡの間に接続され、接地端子ＧＮＤ２の電圧が所定の電圧よりも高くなる状態でノードＡと出力端子ＯＵＴをショートする。補償回路１６は、補償トランジスタＭＮ７を有する。実施の形態２では、補償トランジスタＭＮ７としてＮ型ＭＯＳトランジスタを用いる。補償トランジスタＭＮ７は、ソース/ドレインの一方が出力端子ＯＵＴに接続され、ソース/ドレインの他方がノードＡに接続され、ゲートが接地端子ＧＮＤ２に接続され、バックゲートがバックゲート制御回路１５に接続される。

バックゲート制御回路１５は、出力端子ＯＵＴと接地端子ＧＮＤ２との間に接続される。バックゲート制御回路１５は、接地端子ＧＮＤ２の電位が接地電位である場合に補償トランジスタＭＮ７のバックゲートに接地電位を与え、接地端子ＧＮＤ２の電位が所定値以上となった場合に補償トランジスタのバックゲートに出力端子ＯＵＴの電位を与える。バックゲート制御回路１５は、第１のスイッチ部１５ａと第２のスイッチ部１５ｂを有する。第１のスイッチ部１５ａは、接地端子ＧＮＤ２の電圧が所定値よりも高くなった場合に導通状態となり、補償トランジスタＭＮ７のバックゲートに出力端子ＯＵＴの電圧を供給する。また、第２のスイッチ部１５ｂは、出力端子ＯＵＴに電源１０の正極側電圧ＶＢが供給されている状態において補償トランジスタＭＮ７のバックゲートに電源１０の負極側電圧ＶＳＳを供給する。

より具体的には、第１のスイッチ部１５ａは、ＮＭＯＳトランジスタＭＮ３、ＭＮ４を有する。ＮＭＯＳトランジスタＭＮ３とＮＭＯＳトランジスタＭＮ４は、出力端子ＯＵＴと補償トランジスタＭＮ７のバックゲートとの間で直列に接続される。また、ＮＭＯＳトランジスタＭＮ３のゲートとＮＭＯＳトランジスタＭＮ４のゲートはともに接地端子ＧＮＤ２に接続される。ＮＭＯＳトランジスタＭＮ３のバックゲートとＮＭＯＳトランジスタＭＮ４のバックゲートはともにＮＭＯＳトランジスタＭＮ３とＮＭＯＳトランジスタＭＮ４との接続点に接続される。そして、第１のスイッチ部１５ａは、接地端子ＧＮＤ２の電圧がＮＭＯＳトランジスタＭＮ４のソースの電圧よりも０．７Ｖ（ＮＭＯＳトランジスタのソース・バックゲート間の寄生ダイオードの順バイアス電圧）＋閾値電圧ＶＴ（ＮＭＯＳトランジスタＭＮ３の閾値電圧）以上高くなった場合にオン状態となる。

第２のスイッチ部１５ｂは、ＮＭＯＳトランジスタＭＮ５、ＭＮ６を有する。ＮＭＯＳトランジスタＭＮ５とＮＭＯＳトランジスタＭＮ６は、補償トランジスタＭＮ７のバックゲートと接地端子ＧＮＤ２との間で直列に接続される。また、ＮＭＯＳトランジスタＭＮ５のゲートとＮＭＯＳトランジスタＭＮ６のゲートはともに出力端子ＯＵＴに接続される。ＮＭＯＳトランジスタＭＮ５のバックゲートとＮＭＯＳトランジスタＭＮ６のバックゲートはともにＮＭＯＳトランジスタＭＮ５とＮＭＯＳトランジスタＭＮ６との接続点に接続される。そして、第２のスイッチ部１５ｂは、ＮＭＯＳトランジスタＭＮ６のソースの電圧と出力端子ＯＵＴとの電圧差が０．７Ｖ（ＮＭＯＳトランジスタのソース・バックゲート間の寄生ダイオードの順バイアス電圧）＋閾値電圧ＶＴ（ＮＭＯＳトランジスタＭＮ５の閾値電圧）以上となった場合にオン状態となる。

次に、図４に負荷駆動装置２の動作モード毎のトランジスタのオン／オフ状態を示す。そして、図４を参照して負荷駆動装置２の動作について説明する。まず、正常動作のうち出力トランジスタＴ１がオンするオンモードについて説明する。オンモードでは、制御信号Ｓ２がロウレベルであるため、放電トランジスタＭＮ１はオフする。また、接地端子ＧＮＤ２には、電源１０の負極側電圧ＶＳＳ（例えば、０Ｖ）が供給されるため補償トランジスタＭＮ７もオフする。一方、出力トランジスタＴ１のゲートには、ハイレベルの制御信号Ｓ１が入力されるため、出力トランジスタＴ１はオンする。従って、オンモードでは、出力端子ＯＵＴの電圧は電源１０の正極側電圧ＶＢとほぼ同じ値となる。また、オンモードでは第２のスイッチ部１５ｂのＮＭＯＳトランジスタＭＮ５、ＭＮ６がオンして、第１のスイッチ部１５ａのＮＭＯＳトランジスタＭＮ３、ＭＮ４がオフするため、補償トランジスタＭＮ７のバックゲートには接地端子ＧＮＤ２の電圧が印加されることとなる。このとき、補償トランジスタＭＮ７は出力端子ＯＵＴに接続される端子がドレインとなり、ノードＡに接続される端子がソースとなる。

次に、正常動作のうち出力トランジスタＴ１がオフするオフモードについて説明する。オフモードでは、制御信号Ｓ２がハイレベルであるため、放電トランジスタＭＮ１はオンする。また、接地端子ＧＮＤ２には、電源１０の負極側電圧ＶＳＳ（例えば、０Ｖ）が供給されるため補償トランジスタＭＮ７はオフする。一方、出力トランジスタＴ１のゲートには、ロウレベルの制御信号Ｓ１が入力されるため、出力トランジスタＴ１はオフする。従って、オフモードでは、出力端子ＯＵＴの電圧は負荷１１の接地端子ＧＮＤ１の電圧（例えば０Ｖ）とほぼ同じ値となる。また、オフモードでは第１のスイッチ部１５ａのＮＭＯＳトランジスタＭＮ３、ＭＮ４がオフして、第２のスイッチ部１５ｂのＮＭＯＳトランジスタＭＮ５、ＭＮ６もオフする。そのため、バックゲート制御回路１５が補償トランジスタＭＮ７のバックゲートに与える電圧は、接地端子ＧＮＤ２と出力端子ＯＵＴ間の電圧差である０Ｖとなる。

続いて、配線の接続不良等の原因により接地端子ＧＮＤ２がオープン状態となるＧＮＤ接続不良モードについて説明する。ＧＮＤ接続不良モードでは、出力トランジスタＴ１がオフであるものとする。そのため、出力端子ＯＵＴは０Ｖとなる。そして、接地端子ＧＮＤ２の電圧が０Ｖよりも上昇し、補償トランジスタＭＮ７の閾値を超える電圧となると、補償トランジスタＭＮ７はオンしてノードＡと出力端子ＯＵＴとの間をショートする。これにより、ノードＡには、出力端子ＯＵＴの電圧（例えば０Ｖ）が供給される。そのため、放電トランジスタＭＮ１のソース・ドレイン間電圧は実質的になくなる。従って、放電トランジスタＭＮ１を介して出力トランジスタＴ１のゲートにリーク電流が流入することはない。つまり、出力トランジスタＴ１のゲートにはリーク電流による電圧上昇は発生することがなく、出力トランジスタＴ１はオフ状態を維持する。また、ＧＮＤ接続不良モードでは第１のスイッチ部１５ａのＮＭＯＳトランジスタＭＮ３、ＭＮ４がオンして、第２のスイッチ部１５ｂのＮＭＯＳトランジスタＭＮ５、ＭＮ６がオフする。そのため、バックゲート制御回路１５が補償トランジスタＭＮ７のバックゲートに与える電圧は、出力端子ＯＵＴの電圧となる。つまり、ＧＮＤ接続不良モードでは、補償トランジスタＭＮ７のバックゲート電圧は０Ｖとなり、補償トランジスタＭＮ７は出力端子ＯＵＴに接続される端子がソースとなり、ノードＡに接続される端子がドレインとなる。

上記説明より、実施の形態２における負荷駆動装置２は、接地配線の接続不良によって接地端子ＧＮＤ２の電圧が上昇した場合であっても、補償トランジスタＭＮ７がオンすることによってノードＡに出力端子ＯＵＴの電圧を供給し、放電トランジスタＭＮ１の両端に発生する電圧差を実質的になくし、放電トランジスタＭＮ１をオフさせる。放電トランジスタＭＮ１がオフすることで、放電トランジスタＭＮ１を介して出力トランジスタＴ１のゲートに流れ込むリーク電流は防止される。このような動作により、負荷駆動装置２は、接地端子ＧＮＤ２の電圧が上昇した場合であっても出力トランジスタＴ１のオフ状態を維持することができる。また、出力トランジスタＴ１がオフ状態を維持できることから、接地端子ＧＮＤ２の電圧上昇による出力トランジスタＴ１の発熱を防止し、出力トランジスタＴ１の破壊を防ぐことができる。つまり、負荷駆動装置２においても、接地配線の断線等による不具合に対する信頼性を向上させることができる。

実施の形態３
上記負荷駆動装置１、２では、接地端子ＧＮＤ２の電圧の上昇による出力トランジスタＴ１のオフ状態に関する不具合を解決できる。しかしながら、電源１０が逆接続された場合における負荷駆動装置の保護を実現することはできない。そこで、実施の形態３では、接地端子ＧＮＤ２の電圧の上昇による出力トランジスタＴ１のオフ状態に関する不具合を解決に加え、電源１０の逆接続時の保護も実現する。

図５に実施の形態３にかかる負荷駆動装置３の回路図を示す。図５に示すように、負荷駆動装置３は、電源１０、負荷１１、ドライバ回路１２、制御回路１３ａ、補償回路１４、出力トランジスタＴ１、保護ダイオード（例えば、クランプダイオード）Ｄ１０、抵抗Ｒ１０、電源端子ＰＷＲ、接地端子ＧＮＤ１、接地端子ＧＮＤ２、出力端子ＯＵＴを有する。ドライバ回路１２、制御回路１３ａ、補償回路１４、出力トランジスタＴ１、クランプダイオードＤ１０、抵抗Ｒ１０、電源端子ＰＷＲ、接地端子ＧＮＤ２、及び出力端子ＯＵＴは、１つの半導体装置に設けられていてもよく、また、複数の半導体装置を利用するプリント回路基板等によって設けられていてもよい。なお、以下の説明では、実施の形態１と同様のものについては実施の形態１と同様の符号を付して説明を省略する。

抵抗Ｒ１０とクランプダイオードＤ１０は、接地端子ＧＮＤ２と電源端子ＰＷＲとの間に直列に接続される。そして、クランプダイオードＤ１０は、アノードが抵抗Ｒ１０に接続され、カソードが電源端子ＰＷＲに接続される。なお、以下の説明では抵抗Ｒ１０とクランプダイオードＤ１０の接続点をノードＢと称す。

制御回路１３ａは、実施の形態１における制御回路１３に対して、逆接続保護回路１７及びバックゲート制御回路１８を追加したものである。また、制御回路１３ａでは、放電トランジスタＭＮ１のソースの接続先が実施の形態１とは異なる。実施の形態３では、放電トランジスタＭＮ１のソースは、出力端子ＯＵＴに接続される。

逆接続保護回路１７は、出力トランジスタＴ１のゲートと接地端子ＧＮＤ２との間に接続される。逆接続保護回路１７は、逆接続保護トランジスタＭＮ８を有する。逆接続保護トランジスタＭＮ８は、ソース／ドレインの一方が出力トランジスタＴ１のゲートに接続され、ソース／ドレインの他方が接地端子ＧＮＤ２に接続され、ゲートがソース／ドレインの他方と接続される。つまり、電源１０の正常時には逆接続保護トランジスタＭＮ８は、ダイオード接続されたＭＯＳトランジスタの構成を有する。また、逆接続保護トランジスタＭＮ８のバックゲートは、バックゲート制御回路１８に接続される。電源１０の逆接続時には逆接続保護トランジスタＭＮ８は、ドレインが接地端子ＧＮＤ２、ソースが出力トランジスタＴ１のゲートに接続される。また、保護トランジスタＭＮ３のバックゲートはバックゲート制御回路１８に接続される。

バックゲート制御回路１８は、接地端子ＧＮＤ２と出力端子ＯＵＴとの間に接続される。なお、本実施の形態ではバックゲート制御回路１８は、抵抗Ｒ１０を介して接地端子ＧＮＤ２に接続される。そして、ノードＢの電圧と出力端子ＯＵＴの電圧との差に基づき逆接続保護トランジスタＭＮ８のバックゲートに与えるバックゲート電圧を制御する。第１のスイッチ部１８ａは、ノードＢの電圧が所定値よりも高くなった場合に導通状態となり、逆接続保護トランジスタＭＮ８のバックゲートに出力端子ＯＵＴの電圧を供給する。また、第２のスイッチ部１８ｂは、出力端子ＯＵＴに電源１０の正極側電圧ＶＢが供給されている状態において逆接続保護トランジスタＭＮ８のバックゲートにノードＢの電圧を供給する。

より具体的には、第１のスイッチ部１８ａは、ＮＭＯＳトランジスタＭＮ９、ＭＮ１０を有する。ＮＭＯＳトランジスタＭＮ９とＮＭＯＳトランジスタＭＮ１０は、出力端子ＯＵＴと逆接続保護トランジスタＭＮ８のバックゲートとの間で直列に接続される。また、ＮＭＯＳトランジスタＭＮ９のゲートとＮＭＯＳトランジスタＭＮ１０のゲートはともにノードＢに接続される。ＮＭＯＳトランジスタＭＮ９のバックゲートとＮＭＯＳトランジスタＭＮ１０のバックゲートはともにＮＭＯＳトランジスタＭＮ９とＮＭＯＳトランジスタＭＮ１０との接続点に接続される。そして、第１のスイッチ部１８ａは、ノードＢの電圧がＮＭＯＳトランジスタＭＮ１０のソースの電圧よりも０．７Ｖ（ＮＭＯＳトランジスタのソース・バックゲート間の寄生ダイオードの順バイアス電圧）＋閾値電圧ＶＴ（ＮＭＯＳトランジスタＭＮ９の閾値電圧）以上高くなった場合にオン状態となる。

第２のスイッチ部１８ｂは、ＮＭＯＳトランジスタＭＮ１１、ＭＮ１２を有する。ＮＭＯＳトランジスタＭＮ１１とＮＭＯＳトランジスタＭＮ１２は、逆接続保護トランジスタＭＮ８のバックゲートとノードＢとの間で直列に接続される。また、ＮＭＯＳトランジスタＭＮ１１のゲートとＮＭＯＳトランジスタＭＮ１２のゲートはともに出力端子ＯＵＴに接続される。ＮＭＯＳトランジスタＭＮ１１のバックゲートとＮＭＯＳトランジスタＭＮ１２のバックゲートはともにＮＭＯＳトランジスタＭＮ１１とＮＭＯＳトランジスタＭＮ１２との接続点に接続される。そして、第２のスイッチ部１８ｂは、ＮＭＯＳトランジスタＭＮ１２のソースの電圧と出力端子ＯＵＴとの電圧差が０．７Ｖ（ＮＭＯＳトランジスタのソース・バックゲート間の寄生ダイオードの順バイアス電圧）＋閾値電圧ＶＴ（ＮＭＯＳトランジスタＭＮ１１の閾値電圧）以上となった場合にオン状態となる。

補償回路１４は、実施の形態１における補償回路１４と同様のものであるが、補償トランジスタＭＮ２のゲートの接続先が実施の形態１とは異なる。実施の形態３では、補償トランジスタＭＮ２のゲートは、ノードＢに接続される。

次に、図６に負荷駆動装置３の動作モード毎のトランジスタのオン／オフ状態を示す。そして、図６を参照して負荷駆動装置３の動作について説明する。まず、正常動作のうち出力トランジスタＴ１がオンするオンモードについて説明する。オンモードでは、制御信号Ｓ２がロウレベルであるため、放電トランジスタＭＮ１はオフする。また、接地端子ＧＮＤ２には、電源１０の負極側電圧ＶＳＳ（例えば、０Ｖ）が供給されるためノードＢの電圧も約０Ｖとなり補償トランジスタＭＮ２はオフする。一方、出力トランジスタＴ１のゲートには、ハイレベルの制御信号Ｓ１が入力されるため、出力トランジスタＴ１はオンする。従って、オンモードでは、出力端子ＯＵＴの電圧は電源１０の正極側電圧ＶＢとほぼ同じ値となる。また、オンモードでは第２のスイッチ部１８ｂのＮＭＯＳトランジスタＭＮ１１、ＭＮ１２がオンして、第１のスイッチ部１８ａのＮＭＯＳトランジスタＭＮ９、ＭＮ１０がオフするため、逆接続保護トランジスタＭＮ８のバックゲートにはノードＢの電圧が印加されることとなる。このとき抵抗Ｒ１０にはほとんど電流が流れないため、ノードＢの電圧は約０Ｖとなる。そのため、逆接続保護トランジスタＭＮ８のＭＯＳトランジスタはオフ状態となる。

次に、正常動作のうち出力トランジスタＴ１がオフするオフモードについて説明する。オフモードでは、制御信号Ｓ２がハイレベルであるため、放電トランジスタＭＮ１はオンする。また、接地端子ＧＮＤ２には、電源１０の負極側電圧ＶＳＳ（例えば、０Ｖ）が供給されるためノードＢの電圧も約０Ｖとなり補償トランジスタＭＮ２はオフする。一方、出力トランジスタＴ１のゲートには、ロウレベルの制御信号Ｓ１が入力されるため、出力トランジスタＴ１はオフする。従って、オフモードでは、出力端子ＯＵＴの電圧は負荷１１の接地端子ＧＮＤ１の電圧（例えば０Ｖ）とほぼ同じ値となる。また、オフモードでは第１のスイッチ部１８ａのＮＭＯＳトランジスタＭＮ９、ＭＮ１０がオフして、第２のスイッチ部１８ｂのＮＭＯＳトランジスタＭＮ１１、ＭＮ１２もオフする。そのため、バックゲート制御回路１８が逆接続保護トランジスタＭＮ８のバックゲートに与える電圧は、出力端子ＯＵＴとノードＢ間の電圧差である０Ｖとなる。そのため、逆接続保護トランジスタＭＮ８のＭＯＳトランジスタはオフ状態となる。

続いて、配線の接続不良等の原因により接地端子ＧＮＤ２がオープン状態となるＧＮＤ接続不良モードについて説明する。ＧＮＤ接続不良モードでは、出力トランジスタＴ１がオフであるものとする。そのため、出力端子ＯＵＴは０Ｖとなる。そして、接地端子ＧＮＤ２の電圧が０Ｖよりも上昇し、ノードＢの電圧が補償トランジスタＭＮ２の閾値を超える電圧となると、補償トランジスタＭＮ２はオンして出力トランジスタＴ１のゲートと出力端子ＯＵＴとの間をショートする。これにより、出力トランジスタＴ１のゲート・ソース間の電圧差はほぼ０Ｖとなる。そのため、出力トランジスタＴ１はオフ状態を維持する。また、放電トランジスタＭＮ１の両端の電圧差もなくなるため、放電トランジスタＭＮ１もオフする。ＧＮＤ接続不良モードでは第１のスイッチ部１８ａのＮＭＯＳトランジスタＭＮ９、ＭＮ１０がオンして、第２のスイッチ部１８ｂのＮＭＯＳトランジスタＭＮ１１、ＭＮ１２がオフする。そのため、バックゲート制御回路１８が逆接続保護トランジスタＭＮ８のバックゲートに与える電圧は、出力端子ＯＵＴの電圧となる。つまり、ＧＮＤ接続不良モードでは、逆接続保護トランジスタＭＮ８のバックゲート電圧は０Ｖとなる。そのため、逆接続保護トランジスタＭＮ８は、バックゲート電圧が低い状態である。さらに、逆接続保護トランジスタＭＮ８の接地電位ＧＮＤ２には出力トランジスタＴ１のゲート電圧よりも高電位が印加されるため、逆接続保護トランジスタＭＮ８は導通状態になる。逆接続保護トランジスタＭＮ８を介して引き抜かれた電流は、接地端子ＧＮＤから出力トランジスタＴ１のゲートに流れる。この引き抜かれた電流は、補償トランジスタＭＮ２を介して出力端子ＯＵＴに流れる。これにより、出力トランジスタＴ１のオフ状態が維持される。

次いで、異常動作のうち電源１０が逆接続された逆接続モードについて説明する。逆接続モードでは、接地端子ＧＮＤ１、ＧＮＤ２に電源１０の正極側電圧ＶＢが印加される。一方、電源端子ＰＷＲには、電源１０の負極側電圧ＶＳＳ（例えば０Ｖ）が印加される。出力端子ＯＵＴの電圧は、出力トランジスタＴ１のバックゲートと出力トランジスタＴ１の電源端子ＰＷＲ側の領域の間に形成される出力トランジスタＴ１の寄生ダイオードを経由して電源端子ＰＷＲの電圧が与えられる。このため、出力端子ＯＵＴは、例えば出力トランジスタＴ１の寄生ダイオードの順方向バイアス電圧であるほぼ０．７Ｖとなる。また、逆接続モードでは、クランプダイオードＤ１０が順バイアスされるため、ノードＢの電圧が約０．７Ｖとなる。さらに、電源１０の正極側電圧ＶＢが、接地端子ＧＮＤ２から逆接続保護トランジスタＭＮ８のドレインに供給される。そのため、逆接続保護トランジスタＭＮ８のＭＯＳトランジスタは導通状態となる。この状態においては、高電圧（例えば、電源１０の正極側電圧ＶＢに近い電圧）が逆接続保護トランジスタＭＮ８を介して出力トランジスタＴ１のゲートに供給される。これにより、出力トランジスタＴ１はオン状態となる。これにより、出力端子ＯＵＴの電圧はほぼ０Ｖになる。このとき、補償トランジスタＭＮ２のゲートにはノードＢの０．７Ｖが印加されるが、補償トランジスタＭＮ２のゲート−ソース間電圧は、補償トランジスタＭＮ２の閾値より低いため、補償トランジスタＭＮ２はオフ状態となる。逆接続モードでは、バックゲート制御回路１８の両端の電圧差が最大で０．７Ｖとなるため、バックゲート制御回路１８を構成するＮＭＯＳトランジスタＭＮ９〜１２はオフする。そのため、バックゲート制御回路１８が出力するバックゲート電圧は、ＮＭＯＳトランジスタＭＮ９〜１２の寄生トランジスタによって生成される０．７Ｖ以下の値となる。このため、逆接続保護トランジスタＭＮ８のバックゲート電圧は最大で０．７Ｖを維持し、逆接続保護トランジスタＭＮ８はオン状態を維持する。これにより、出力トランジスタＴ１はオン状態を維持する。

上記説明より、実施の形態３における負荷駆動装置３は、ＧＮＤ接続不良モードでは、補償トランジスタＭＮ２により出力トランジスタＴ１のオフ状態を維持することができ、逆接続モードでは、逆接続保護トランジスタＭＮ８により出力トランジスタＴ１のゲートに高い電圧を与えることで出力トランジスタＴ１をオンさせることができる。つまり、負荷駆動装置３によれば、ＧＮＤ接続不良モードに対する保護と逆接続モードに対する保護とを両立させることができる。

実施の形態４
実施の形態４にかかる負荷駆動装置４の回路図を図７に示す。図７に示すように、負荷駆動装置４は、実施の形態３における逆接続保護回路１７の変形例を示す逆接続保護回路１７ａを有する。なお、逆接続保護回路１７ａを有する制御回路を図７では、制御回路１３ｂとした。負荷駆動装置４において負荷駆動装置３と同様のものについては、負荷駆動装置３と同じ符号を付して説明を省略する。

逆接続保護回路１７ａは、逆接続保護回路１７に対してデプレッション型ＮＭＯＳトランジスタＭＮ１３が追加されている。デプレッション型ＮＭＯＳトランジスタＭＮ１３は、逆接続保護トランジスタＭＮ８と接地端子ＧＮＤ２との間に接続される。また、デプレッション型ＮＭＯＳトランジスタＭＮ１３は、ゲートが逆接続保護トランジスタＭＮ８のゲートと接続され、バックゲートが逆接続保護トランジスタＭＮ８のバックゲートと接続される。

デプレッション型ＮＭＯＳトランジスタＭＮ１３は、電源１０の逆接続時において定電流源として動作する。デプレッション型ＮＭＯＳトランジスタＭＮ１３がない場合、逆接続保護トランジスタＭＮ８を介して接地端子ＧＮＤ２から出力トランジスタＴ１のゲートに瞬間的に大きな電流が流れる。そのため、実施の形態３における逆接続保護トランジスタＭＮ８は、この大きな電流を流すことができるように大きなトランジスタサイズを要する。しかし、負荷駆動装置４では、デプレッション型ＮＭＯＳトランジスタＭＮ１３を定電流源として動作させることで、逆接続保護トランジスタＭＮ８に流れる電流量を制御することができる。これにより、負荷駆動装置４は、実施の形態３における負荷駆動装置３よりも逆接続保護トランジスタＭＮ８を小さく設計することが可能になる。つまり、負荷駆動装置４は、逆接続保護トランジスタＭＮ８の回路面積を縮小することで、負荷駆動装置が形成されるチップの面積を小さくすることが可能になる。

実施の形態５
実施の形態５にかかる負荷駆動装置５の回路図を図８に示す。図８に示すように、負荷駆動装置５は、負荷駆動装置３の補償回路１４に替えて実施の形態３で示した補償回路１６を用いる。負荷駆動装置５において負荷駆動装置３と同様のものについては、負荷駆動装置３と同じ符号を付して説明を省略する。

負荷駆動装置５における補償回路１６では、補償トランジスタＭＮ７のゲートがノードＢに接続され、ソース／ドレインの一方が出力端子ＯＵＴに接続され、ソース／ドレインの他方が抵抗Ｒ１１を介して接地端子ＧＮＤ２に接続され、バックゲートにはバックゲート制御回路１８からバックゲート電圧が供給される。つまり、負荷駆動装置５では、バックゲート制御回路１８は、逆接続保護トランジスタＭＮ８及び補償トランジスタＭＮ７のバックゲート電圧を供給する。

なお、以下の説明では、抵抗Ｒ１１と補償トランジスタＭＮ７のソース／ドレインの他方とを接続するノードをノードＣと称す。また、負荷駆動装置５では、逆接続保護トランジスタＭＮ８のゲート端子がノードＣに接続される。

次に、負荷駆動装置５の動作について説明する。ここで、正常時の動作は負荷駆動装置３と実質的に変わらないため説明を省略する。負荷駆動装置５ではＧＮＤ接続不良モードにおいてＮＭＯＳトランジスタＭＮ９、ＭＮ１０がオンするため、バックゲート制御回路１８が逆接続保護トランジスタＭＮ８及び補償トランジスタＭＮ７のバックゲートに出力端子ＯＵＴの電圧（例えば０Ｖ）を供給する。また、ＧＮＤ接続不良モードでは、ノードＢの電圧が上昇するため、補償トランジスタＭＮ７がオンして接地端子ＧＮＤ２から電流を引き抜く。このとき、抵抗Ｒ１１は、補償トランジスタＭＮ７に流れる電流を制限する。また、逆接続保護トランジスタＭＮ８のバックゲート電圧が０Ｖであるため、逆接続保護トランジスタＭＮ８のＭＯＳトランジスタは導通状態となる。しかし、補償トランジスタＭＮ７がオンして接地端子ＧＮＤ２から出力端子ＯＵＴへ電流を引き抜くため、出力トランジスタＴ１のゲートにリーク電流が流れることはない。つまり、負荷駆動装置５においても出力トランジスタＴ１のゲートにリーク電流が流れることはないため、出力トランジスタＴ１はオフ状態を維持する。

次に、逆接続モードの場合における負荷駆動装置５の動作について説明する。負荷駆動装置５では、負荷駆動装置３とは異なり、逆接続モードにおいて、ノードＢの電圧がクランプダイオードＤ１０によってノードＢの電圧が引き下げられる。また、逆接続モードでは、バックゲート制御回路１８が出力するバックゲート電圧が０．７Ｖ以下である。そのため、補償トランジスタＭＮ７はオフ状態となる。一方、逆接続保護トランジスタＭＮ８は導通したＭＯＳトランジスタとして機能する。従って、負荷駆動装置５における逆接続モードでは、逆接続保護トランジスタＭＮ８によって、出力トランジスタＴ１のゲートに電荷を供給し、出力トランジスタＴ１をオン状態とする。

負荷駆動装置５は、負荷駆動装置３の変形例を示すものである。このように、上記実施の形態における構成は、複数の実施の形態における構成を適宜組み合わせることで、ＧＮＤ接続不良モードに対する保護と逆接続モードに対する保護とを両立させることができる。

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。

実施の形態１にかかる負荷駆動装置の回路図である。 実施の形態１にかかる負荷駆動装置の動作を示す表である。 実施の形態２にかかる負荷駆動装置の回路図である。 実施の形態２にかかる負荷駆動装置の動作を示す表である。 実施の形態３にかかる負荷駆動装置の回路図である。 実施の形態３にかかる負荷駆動装置の動作を示す表である。 実施の形態４にかかる負荷駆動装置の回路図である。 実施の形態５にかかる負荷駆動装置の回路図である。 実施の形態５にかかる負荷駆動装置の動作を示す表である。 従来の負荷駆動装置の回路図である。 従来の負荷駆動装置における課題を説明するための図である。

符号の説明

１〜５ 負荷駆動装置
１０ 電源
１１ 負荷
１２ ドライバ回路
１３、１３ａ、１３ｂ 制御回路
１４、１６ 補償回路
１５、１８ バックゲート制御回路
１５ａ、１５ｂ、１８ａ、１８ｂ スイッチ回路
１７、１７ａ 逆接続保護回路
Ｔ１ 出力トランジスタ
ＭＮ１ 放電トランジスタ
ＭＮ２、ＭＮ７ 補償トランジスタ
ＭＮ８ 逆接続保護トランジスタ
ＭＮ３〜ＭＮ６、ＭＮ９〜ＭＮ１２ ＮＭＯＳトランジスタ
ＭＮ１３ デプレッション型ＮＭＯＳトランジスタ
Ｒ１０、Ｒ１１ 抵抗
Ｄ１０ クランプダイオード
ＰＷＲ 電源端子
ＧＮＤ１、ＧＮＤ２ 接地端子

Claims (6)

1. 電源ラインと出力端子との間に接続された出力トランジスタと、
   前記出力端子と第１の接地ラインとの間に接続される負荷と、
   前記出力トランジスタのゲートと第２の接地ラインとの間に接続され、前記出力トランジスタのオン／オフを制御する制御回路と、
   前記第２の接地ラインの電位が所定値以上となったときに導通し、前記出力トランジスタのオフ状態を維持する補償トランジスタと、
   を有し、
   前記制御回路は、
   前記出力トランジスタのゲートと前記出力端子との間に接続される放電トランジスタと、
   ダイオード接続されたトランジスタであって、前記出力トランジスタのゲートにカソード側端子が接続され、前記第２の接地ラインにアノード側端子が接続される逆接続保護トランジスタと、
   前記第２の接地ラインに一端が接続される抵抗と、
   前記抵抗の他端にカソードが接続され、前記電源ラインにアノードが接続される保護ダイオードと、
   前記抵抗の他端と前記出力端子との間に接続され、前記抵抗の他端の電圧と前記出力端子の電圧との差に基づき前記逆接続保護トランジスタのバックゲートに与えるバックゲート電圧を制御するバックゲート制御回路と、を含む負荷駆動装置。
2. 前記補償トランジスタは、前記出力トランジスタがオフ状態である場合に導通状態となる請求項１に記載の負荷駆動装置。
3. 前記第１、第２の接地ラインは、同一の電源から電圧が供給され、それぞれ離れた位置に配置される請求項１又は２に記載の負荷駆動装置。
4. 前記制御回路は、前記出力トランジスタのゲートと前記第２の接地ラインとの間に、前記逆接続保護トランジスタと直列接続されたデプレッション型トランジスタを有し、
   前記デプレッション型トランジスタは、ゲートが前記逆接続保護トランジスタのゲートと共通接続され、バックゲートが前記逆接続保護トランジスタのバックゲートと共通接される請求項１乃至３のいずれか１項に記載の負荷駆動装置。
5. 前記補償トランジスタは、ソース又はドレインの一方が前記出力端子と接続され、ソース又はドレインの他方が前記第２の接地ラインと接続され、ゲートが前記抵抗の他端に接続され、バックゲートに前記バックゲート制御回路から出力される前記バックゲート電圧が供給される請求項１乃至４のいずれか１項に記載の負荷駆動装置。
6. 前記補償トランジスタは、前記出力トランジスタのゲートと前記出力端子との間に接続され、ゲートが前記抵抗を介して前記第２の接地ラインに接続される請求項１乃至４のいずれか１項に記載の負荷駆動装置。

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