JP6601277B2 - Fault detection circuit for switching element - Google Patents
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Description
本発明は、スイッチング素子の故障を検出する故障検出回路に関する。 The present invention relates to a failure detection circuit that detects a failure of a switching element.
従来、例えばモータの駆動回路やDC−DCコンバータなどでは、スイッチング素子を用いたスイッチング回路が広く利用されている。そのようなスイッチング回路では、比較的高い電圧が印加される用途に用いられることがある。その場合、仮にスイッチング素子が故障してしまうと、天絡や地絡が生じて大きな電流が流れ、スイッチング素子や周辺の回路部品が損傷するおそれがある。そのため、例えば特許文献1のように、閾値を設定して過電流や過電圧の発生を検出することで、スイッチング素子の損傷を防止することが行われている。
2. Description of the Related Art Conventionally, switching circuits using switching elements are widely used in, for example, motor drive circuits and DC-DC converters. Such a switching circuit may be used for applications where a relatively high voltage is applied. In that case, if the switching element fails, a power fault or ground fault occurs, a large current flows, and the switching element and peripheral circuit components may be damaged. Therefore, for example, as disclosed in
スイッチング素子が故障すると上記したように大きな電流が流れてしまうことから、故障検出回路には、スイッチング素子の動作状態に関係なく、精度の良い故障検出を実現できることが望まれている。また、スイッチング回路ではコンデンサやコイルなどの周辺部品を小型化するためにスイッチング周波数を高くすることがある。そのため、故障検出回路には、迅速に故障を検出できることも望まれている。しかしながら、従来では、それらの要望に簡単な構成で応えることができる故障検出回路はなかった。 Since a large current flows as described above when a switching element fails, it is desired that the failure detection circuit can realize accurate failure detection regardless of the operating state of the switching element. In a switching circuit, the switching frequency may be increased in order to reduce the size of peripheral components such as capacitors and coils. Therefore, it is also desired that the failure detection circuit can quickly detect a failure. However, conventionally, there has been no failure detection circuit that can meet these demands with a simple configuration.
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、回路構成を簡略化しつつ、スイッチング素子の動作状態に関係なく、迅速に且つ精度良く故障を検出することができるスイッチング素子の故障検出回路を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to realize a failure of a switching element that can detect a failure quickly and accurately regardless of the operating state of the switching element while simplifying the circuit configuration. It is to provide a detection circuit.
請求項1に記載の故障検出回路(1)は、スイッチング回路に用いられるスイッチング素子(Q2、Q20、Q22、Q24、Q26、Q28、Q30)の故障を検出するものであって、レベル変換回路(11)および故障判定回路(12)を備えている。レベル変換回路は、検出対象となるスイッチング素子がスイッチングする際に電圧が変動する出力ノードの電圧振幅を、出力ノードにおける電圧振幅よりも小さい電圧振幅の信号に変換する。故障判定回路は、レベル変換回路によって変換された小さい電圧振幅の信号に基づいてスイッチング素子の故障を判定する。 The failure detection circuit (1) according to claim 1 detects a failure of a switching element (Q2, Q20, Q22, Q24, Q26, Q28, Q30) used in the switching circuit, and comprises a level conversion circuit ( 11) and a failure determination circuit (12). The level conversion circuit converts the voltage amplitude of the output node whose voltage fluctuates when the switching element to be detected switches, into a signal having a voltage amplitude smaller than the voltage amplitude at the output node. The failure determination circuit determines a failure of the switching element based on the signal having a small voltage amplitude converted by the level conversion circuit.
この場合、レベル変換回路では電圧振幅の大きさを変換しているだけなので、出力ノードの電圧の振幅と一致するタイミングの信号に基づいて故障の判定を行うことができる。したがって、スイッチング素子の故障を迅速に検出することができる。また、レベル変換回路は、所定の電流を出力する電流源と、出力ノードおよび電流源の間に電流源側をアノードとして接続されたレベル変換用のダイオードと、を備えた構成となっている。したがって、回路構成を簡略することができ、簡単な構成でスイッチング素子の故障を検出することができる。さらに、電圧振幅を小さくすることができることから、故障判定回路に例えばCMOSプロセスで製造した半導体回路を用いることができるようになり、迅速に故障を検出することができる。 In this case, since the level conversion circuit only converts the magnitude of the voltage amplitude, it is possible to determine a failure based on a signal having a timing that matches the amplitude of the voltage at the output node. Therefore, the failure of the switching element can be detected quickly. The level conversion circuit includes a current source that outputs a predetermined current, and a level conversion diode that is connected between the output node and the current source with the current source side as an anode. Therefore, the circuit configuration can be simplified, and the failure of the switching element can be detected with a simple configuration. Furthermore, since the voltage amplitude can be reduced, a semiconductor circuit manufactured by, for example, a CMOS process can be used for the failure determination circuit, and a failure can be detected quickly.
検出対象となるスイッチング素子の用途によっては、上記出力ノードに他の回路素子が接続されることがある。例えば、スイッチング素子がDC−DCコンバータなどのスイッチング回路に用いられる場合には、上記出力ノードにリークの大きいダイオードや容量の大きい平滑用のコンデンサなどが接続されることがある。この場合、スイッチング素子の動作が停止している期間において、スイッチング素子がショート故障していない場合であっても、電流源から出力される電流のほとんどが他の回路素子側に流れてしまい、出力ノードの電圧を持ち上げることができず、誤検出を引き起こすおそれがある。 Depending on the application of the switching element to be detected, another circuit element may be connected to the output node. For example, when the switching element is used in a switching circuit such as a DC-DC converter, a diode having a large leak or a smoothing capacitor having a large capacity may be connected to the output node. In this case, in the period when the operation of the switching element is stopped, even if the switching element is not short-circuited, most of the current output from the current source flows to the other circuit element side, and the output The voltage of the node cannot be raised, which may cause false detection.
そこで、電流源は、スイッチング回路が動作している期間には第1電流値の電流を出力し、スイッチング回路の動作が停止している期間には第1電流値よりも大きい第2電流値の電流を出力する。このようにすれば、出力ノードにリークの大きいダイオードなどが接続される用途であっても、スイッチング素子の動作が停止している期間においてスイッチング素子がショート故障していない場合には、出力ノードの電圧を持ち上げることができ、上述した誤検出の発生を防止することができる。したがって、本手段の構成によれば、スイッチング素子の動作状態に関係なく、迅速に且つ精度良くスイッチング素子の故障を検出することができる。 Therefore, the current source outputs a current having a first current value during a period when the switching circuit is operating, and has a second current value that is larger than the first current value during a period when the operation of the switching circuit is stopped. Output current. In this way, even when a diode with a large leak is connected to the output node, if the switching element is not short-circuited during the period when the operation of the switching element is stopped, the output node The voltage can be raised, and the occurrence of the erroneous detection described above can be prevented. Therefore, according to the configuration of this means, a failure of the switching element can be detected quickly and accurately regardless of the operating state of the switching element.
以下、本発明の複数の実施形態について図面を参照して説明する。なお、各実施形態において実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
(第1実施形態)
以下、本発明の第1実施形態について図1〜図8を参照して説明する。
図1に示すように、故障検出回路1は、スイッチング回路2に用いられているスイッチング素子の故障を検出する。本実施形態では、故障検出回路1は、半導体装置100のパッケージ内に収容されている。
Hereinafter, a plurality of embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In each embodiment, substantially the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
As shown in FIG. 1, the
スイッチング回路2は、電界効果トランジスタ(以下、単にトランジスタと称する)Q1、Q2、ダイオードD1、D2、コイルL1およびコンデンサC1を備えている。トランジスタQ1は、ドレインが駆動電源VSに接続され、ソースがダイオードD1のカソードに接続されている。ダイオードD1のアノードは、回路の基準電位となるグランドGNDに接続されている。トランジスタQ2は、ソースがグランドGNDに接続され、ドレインがダイオードD2のアノードに接続されている。
The
コイルL1は、トランジスタQ1およびダイオードD1の相互接続点と、トランジスタQ2およびダイオードD2の相互接続点との間に接続されている。コンデンサC1は、ダイオードD2のカソードとグランドGNDとの間に接続されている。コンデンサC1の両端子間には、例えばLEDなどの負荷3が接続されている。このようなスイッチング回路2は、例えば昇降圧型のDC−DCコンバータに利用されている。
Coil L1 is connected between the interconnection point of transistor Q1 and diode D1 and the interconnection point of transistor Q2 and diode D2. The capacitor C1 is connected between the cathode of the diode D2 and the ground GND. A
スイッチング素子に相当するトランジスタQ1、Q2は、それらのゲートに駆動回路4から出力される駆動信号が与えられており、その駆動信号によりオン/オフが制御される。本実施形態では、これらスイッチング素子のうち、トランジスタQ2が、故障検出回路1による故障の検出対象になっている。なお、以下の説明では、トランジスタQ1またはQ2をオン駆動するための駆動信号が出力されることを「オン駆動信号が出力される」とも呼び、オフ駆動するための駆動信号が出力されることを「オフ駆動信号が出力される」とも呼ぶ。
Transistors Q1 and Q2 corresponding to the switching elements are supplied with a drive signal output from the drive circuit 4 at their gates, and on / off is controlled by the drive signal. In the present embodiment, among these switching elements, the transistor Q2 is a failure detection target by the
昇圧動作が行われる際には、トランジスタQ1が常時オンされるとともにトランジスタQ2のオンおよびオフが繰り返されることで、ダイオードD2を介して負荷3に電力が供給される。このようにトランジスタQ2がオンおよびオフを繰り返すスイッチング動作を行うときには、トランジスタQ2のドレイン側の電位が変動する。つまり、本実施形態の場合、トランジスタQ2およびダイオードD2の相互接続ノードが、スイッチング素子がスイッチングする際に電圧が変動する出力ノードに相当する。その出力ノードは、故障検出回路1に接続されている。なお、以下では、上記出力ノードを故障検出回路1への「入力」とも称して説明する。
When the boosting operation is performed, the transistor Q1 is always turned on and the transistor Q2 is repeatedly turned on and off, whereby electric power is supplied to the
故障検出回路1は、電流源10を有するレベル変換回路11およびトランジスタQ2の故障を判定する故障判定回路12を備えている。故障判定回路12は、コンパレータ13および判定部14を備えている。コンパレータ13は、本実施形態ではCMOS半導体プロセスで製造されたものであり、論理回路に相当する。レベル変換回路11は、検出対象となるトランジスタQ2の出力ノードの電圧振幅を、その出力ノードにおける電圧振幅よりも小さい電圧振幅の信号に変換する。
The
電流源10は、出力する電流の値を2段階に切り替える機能を有する。具体的には、電流源10は、故障判定回路12から与えられる切替信号Saに基づいて、第1電流値の電流を出力する状態(以下、小電流出力状態と称する)と、第1電流値より大きい第2電流値の電流を出力する状態(以下、大電流出力状態と称する)とのいずれかに切り替え可能となっている。
The
電流源10としては、例えば図2に示すような構成を採用することができる。図2に示す電流源10は、2つの定電流回路15、16を備えている。定電流回路15は、2つのバイポーラ型のトランジスタTr1、Tr2および定電流源17を備えている。トランジスタTr1、Tr2は、各エミッタが電源VCCに接続されるとともにベースが共通接続されており、カレントミラー回路を構成している。いわゆるダイオード接続されたトランジスタTr1のコレクタおよびグランドGNDの間には定電流源17が接続されている。このような構成により、トランジスタTr2のコレクタから定電流源17の出力電流に応じた定電流Iaが出力される。この定電流Iaの電流値が、第1電流値に相当する。
As the
定電流回路16は、2つのバイポーラ型のトランジスタTr3、Tr4および定電流源18を備えている。トランジスタTr3、Tr4は、各エミッタが電源VCCに接続されるとともにベースが共通接続されており、カレントミラー回路を構成している。いわゆるダイオード接続されたトランジスタTr3のコレクタおよびグランドGNDの間には定電流源18が接続されている。このような構成により、トランジスタTr4のコレクタから定電流源18の出力電流に応じた定電流Ibが出力される。定電流Ibの電流値に、前述した定電流Iaの電流値を加えた電流値が、第2電流値に相当する。定電流源18の動作状態は、切替信号Saにより切り替えられる。
The constant
このような構成において、トランジスタTr2およびTr4の各コレクタは共通接続されており、その共通接続されたコレクタが電流源10の出力端子に相当する。したがって、切替信号Saにより定電流源18が非動作状態になると、電流源10は、定電流回路15から出力される電流だけを出力する状態、つまり第1電流値の電流を出力する小電流出力状態となる。また、切替信号Saにより定電流源18が動作状態になると、電流源10は、2つの定電流回路15、16から出力される電流を合わせた電流を出力する状態、つまり第2電流値の電流を出力する大電流出力状態となる。
In such a configuration, the collectors of the
図1に示すように、電流源10とスイッチング回路2との間には、ダイオードD3が設けられている。ダイオードD3は、カソードがトランジスタQ2の出力ノードに接続され、アノードが電流源10の出力端子に接続されている。ダイオードD3は、レベル変換用のダイオードに相当する。
As shown in FIG. 1, a diode D <b> 3 is provided between the
電流源10と故障判定回路12との間には、ダイオードD4が設けられている。ダイオードD4は、アノードが電流源10の出力端子に接続され、カソードが故障判定回路12側に接続されている。ダイオードD4は、ダイオードD3と共通する温度特性を有しており、温度補償用のダイオードに相当する。また、ダイオードD4と故障判定回路12側との間には、グランドGNDに接続されているプルダウン用の抵抗R1が設けられている。抵抗R1は、抵抗素子に相当する。
A diode D4 is provided between the
ここで、ダイオードD3およびダイオードD4の相互接続点を点Aとし、ダイオードD4のカソード側、つまり故障判定回路12への入力側を点Bとし、ダイオードD3のカソード側、つまりトランジスタQ2の出力ノード側を点Cとする。前述したように、ダイオードD4は、ダイオードD3と共通する温度特性を有している。また、ダイオードD3は、点Aから点Cへと向かう方向が順方向となるように配置され、ダイオードD4は、点Aから点Bへと向かう方向が順方向となるように配置されている。つまり、ダイオードD3、D4は、点Aを中心として、点Cから点Bに至る経路において順方向が互いに逆になるように配置されている。
Here, the interconnection point of the diode D3 and the diode D4 is point A, the cathode side of the diode D4, that is, the input side to the
そのため、ダイオードD3の温度特性は、ダイオードD4の温度特性によって打ち消される。その結果、レベル変換回路11によって変換される電圧は、その温度特性が排除される。すなわち、本実施形態では、温度に依存せず一定な状態で、電圧振幅のレベルを変換することができる。
Therefore, the temperature characteristic of the diode D3 is canceled by the temperature characteristic of the diode D4. As a result, the temperature characteristic of the voltage converted by the
また、電流源10と故障判定回路12との間、より厳密には本実施形態ではダイオードD4とコンパレータ13との間には、ツェナーダイオードD5が設けられている。ツェナーダイオードD5は、点BおよびグランドGNDの間にグランドGND側をアノードとして接続されている。ツェナーダイオードD5は、電流源10の出力端子の電圧を制限する電圧制限用素子に相当し、電流源10のトランジスタTr2、Tr4などの飽和を防止している。
Further, a Zener diode D5 is provided between the
コンパレータ13は、レベル変換回路11で変換された電圧振幅を、本実施形態ではCMOS半導体回路で扱える範囲(以下、便宜的にCMOSレベルと称する)の電圧振幅に変換する。コンパレータ13は、非反転入力端子がレベル変換回路11の出力、つまり点Bに接続されており、反転入力端子が基準電圧源19に接続されている。
The
そのため、基準電圧源19が生成する電圧を閾値電圧Vthとすると、点Bの電位が閾値電圧Vthよりも高い場合にはコンパレータ13からCMOSレベルでHレベルの信号が出力され、点Bの電位が閾値電圧Vthよりも低い場合にはコンパレータ13からCMOSレベルでLレベルの信号が出力される。そのCMOSレベルの電圧振幅は、トランジスタQ2の出力ノードの電圧振幅よりも小さくなっている。
Therefore, assuming that the voltage generated by the
判定部14は、レベル変換回路11によって変換された小さい電圧振幅の信号に基づいてトランジスタQ2の故障を判定する。より具体的には、本実施形態の場合、判定部14は、CMOS半導体回路からなる小規模なロジック回路などにより構成されており、コンパレータ13により変換されたCMOSレベルの信号に基づいてトランジスタQ2の故障を判定する。通常、CMOS半導体回路は高速な動作が可能であることから、判定部14は、後述するようにトランジスタQ2の故障を迅速に判定することが可能となる。なお、判定部14の出力は、例えば半導体装置100の外部のマイクロコンピュータなどに出力されたり、半導体装置100内での制御に用いられたりする。
The
判定部14には、外部より動作開始を要求する動作要求信号Sbが与えられる。判定部14は、動作要求信号Sbに基づいて動作開始が要求されたと判断すると、動作を開始する。また、判定部14には、コンパレータ13の出力およびトランジスタQ2を駆動するための駆動信号が与えられる。判定部14は、コンパレータ13の出力および駆動信号に基づいてトランジスタQ2の故障を判定する。
The
具体的には、判定部14は、いずれも後述するショート検出処理およびオープン検出処理を実行し、これらの検出処理によりトランジスタQ2の故障を判定している。ショート検出処理は、トランジスタQ2のショート故障、つまりトランジスタQ2がオンになったままの状態を検出する処理である。また、オープン検出処理は、トランジスタQ2のオープン故障、つまりトランジスタQ2がオフになったままの状態を検出する処理である。
Specifically, the
トランジスタQ2が故障した場合に加えて、例えばダイオードD1、負荷3などの周辺の別部品が故障した際にも、グランドGNDとの間が短絡するいわゆる地絡が生じることがあり、また電源電圧との間が短絡するいわゆる天絡が生じることがある。本実施形態では、前者をショート検出処理、後者をオープン検出処理により検出することが可能である。
In addition to the failure of the transistor Q2, for example, when other peripheral components such as the diode D1 and the
次に、上記構成の作用について説明する。
<電圧振幅の変換態様>
まず、レベル変換回路11およびコンパレータ13における電圧振幅の変換態様について説明する。ここで、ダイオードD3およびダイオードD4の順方向電圧をVf、ツェナーダイオードD5のツェナー電圧をVz、トランジスタTr2、Tr4のコレクタ・エミッタ間飽和電圧をVsatとすると、「Vz<VCC−Vsat−Vf」、「Vz>Vth」の関係を満たしているものとする。
Next, the operation of the above configuration will be described.
<Voltage amplitude conversion mode>
First, a voltage amplitude conversion mode in the
オン駆動信号が出力されてトランジスタQ2がオンされると、または後述するショート故障が発生すると、点Bおよび点Cの電圧はほぼ同一となり、コンパレータ13の出力はLレベルとなる。一方、オフ駆動信号が出力されてトランジスタQ2がオフされると、または後述するようにオープン故障が発生すると、点Cおよび点Bの電圧が上昇していくが、点Bの電圧はツェナーダイオードD5によりクランプされ、そのツェナー電圧Vzで固定される。そして、点Bの電圧がVzとなることから、閾値電圧Vthよりも高くなり、コンパレータ13の出力はHレベルとなる。
When the on-drive signal is output and the transistor Q2 is turned on, or when a short fault described later occurs, the voltages at the points B and C become substantially the same, and the output of the
そのため、スイッチング回路2が駆動されると、図3に示すように、入力に相当する点CではVS以上までの範囲で電圧が振幅し得るが、点AではVf+Vzまでの範囲で電圧が振幅し、点BではVzまでの範囲で電圧が振幅する。また、点Bにおける電圧振幅は、コンパレータ13において閾値電圧Vthと比較され、Vthよりも高ければHレベルの信号が出力され、Vthよりも低ければLレベルの信号が出力される。
Therefore, when the
つまり、本実施形態の場合、トランジスタQ2の出力ノードの電圧振幅は、レベル変換回路11によってまず上記出力ノードの電圧振幅よりも小さい電圧振幅の信号に変換され、さらに、コンパレータ13によって上記出力ノードの電圧振幅よりも小さい電圧振幅のCMOSレベルの信号(以下、便宜的にコンパレータ13の出力とも称する)に変換されている。
In other words, in the present embodiment, the voltage amplitude of the output node of the transistor Q2 is first converted into a signal having a voltage amplitude smaller than the voltage amplitude of the output node by the
<故障検出回路1による動作の全体の流れ>
判定部14は、図4に示すような一連の動作を行う。すなわち、ステップS101では、起動要求が有るかどうかが判断されている。ここで、起動要求が有ると判断されると、つまりステップS101で「YES」になると、ステップS102に進み、起動時検出処理が行われる。起動時検出処理は、故障検出対象となるトランジスタQ2の動作が停止している期間に行われる処理であり、図5に示すような処理である。
<Overall Flow of Operation by
The
起動時検出処理が開始されると、まずステップS201にて、電流源10の出力状態が「大電流出力状態」に切り替えられる。続くステップS202にて、図6に示すショート検出処理が実行される。ショート検出処理が実行された結果、ショート故障が検出されないまま所定時間が経過すると、つまりステップS203で「YES」になると、ステップS204に進む。
When the startup detection process is started, first, in step S201, the output state of the
ステップS204では、電流源10の出力状態が「小電流出力状態」に切り替えられ、起動時検出処理が終了となる。また、図示は省略しているが、ショート検出処理が実行された結果、ショート故障が検出された場合には、直ちにステップS204に進み、電流源10の出力状態が「小電流出力状態」に切り替えられる。なお、判定部14は、切替信号Saのレベルを変化させることで、電流源10の出力状態の切り替えを行う。また、上記した所定時間は、本実施形態では、例えば10msとしている。
In step S204, the output state of the
起動時検出処理が終了すると、ステップS103に進み、通常時検出処理が行われる。通常時検出処理は、故障検出対象となるトランジスタQ2が動作している期間に行われる処理である。したがって、通常時検出処理が開始されるタイミングで、スイッチング回路2の動作も開始される。通常時検出処理では、ショート検出処理および図7に示すオープン検出処理が並列且つ繰り返し実行される。
When the startup detection process ends, the process proceeds to step S103, and the normal detection process is performed. The normal-time detection process is a process performed during a period in which the transistor Q2 that is a failure detection target is operating. Therefore, the operation of the
<ショート検出処理およびオープン検出処理の詳細>
ここでは、まず図6および図7のフローチャートを参照しながらショート検出処理およびオープン検出処理の流れについて説明し、その後、図8のタイミングチャートを参照しながら具体的な検出例について説明する。図8では、トランジスタQ2をオンするときの駆動信号の状態をON、トランジスタQ2をオフするときの駆動信号の状態をOFFとし、コンパレータ13などから出力されるHレベルの信号を単に”H”とし、コンパレータ13などから出力されるLレベルの信号を単に”L”と示している。
<Details of short detection processing and open detection processing>
Here, first, the flow of the short detection process and the open detection process will be described with reference to the flowcharts of FIGS. 6 and 7, and then a specific detection example will be described with reference to the timing chart of FIG. In FIG. 8, the state of the drive signal when turning on the transistor Q2 is ON, the state of the drive signal when turning off the transistor Q2 is OFF, and the H level signal output from the
「1」ショート検出処理の流れ
図6に示すショート検出処理が開始されると、まずステップS301にて、判定部14は、駆動信号の状態の変化つまりスイッチング素子の駆動パターンの1周期内でのコンパレータ出力を監視する。本実施形態では、駆動信号がONされてからOFFされた後、再度ONになるまでの期間、つまり、駆動信号の立ち上がりから次の立ち上がりまでの期間を、駆動パターンの1周期としている。なお、駆動信号の立ち下がりから次の立ち下がりまでの期間を駆動パターンの1周期とした場合であっても、実質的に共通する処理にて故障を検出することはできる。
Flow of “1” short detection process When the short detection process shown in FIG. 6 is started, first, in step S301, the
ステップS302では、判定部14は、駆動パターンの1周期内でHレベルを検出したか否かを判定する。判定部14は、Hレベルの信号を検出した場合、つまりステップS302で「YES」になると、ショート故障が生じていないと判定し、ステップS301に戻り処理を繰り返す。また、判定部14は、Hレベルの信号を検出しなかった場合、つまりステップS302で「NO」になると、ショート故障が生じたと判定し、ステップS303に進む。ステップS303では、判定部14は、ショート検出つまりショート故障を検出したことを示す信号を出力する。
In step S302, the
「2」オープン検出処理の流れ
図7に示すオープン検出処理が開始されると、まずステップS401にて、判定部14は、スイッチング素子の駆動パターンの1周期内でのコンパレータ出力を監視する。続くステップS402では、判定部14は、駆動パターンの1周期内でLレベルを検出したか否かを判定する。判定部14は、Lレベルの信号を検出した場合、つまりステップS402で「YES」になると、オープン故障が生じていないと判定し、ステップS401に戻り処理を繰り返す。
[2] Flow of Open Detection Process When the open detection process shown in FIG. 7 is started, first, in step S401, the
また、判定部14は、Lレベルの信号を検出しなかった場合、つまりステップS402で「NO」になると、オープン故障が生じたと判定し、ステップS403に進む。ステップS403では、判定部14は、オープン検出つまりショート故障を検出したことを示す信号を出力する。
If the
「3」具体的な検出例
まず、例えば図8に示す「正常時」のように、駆動パターンに追従してコンパレータ出力が変化している場合を想定する。この場合、ショート検出処理においては1周期内にHレベルが検出され、また、オープン検出処理においては1周期内にLレベルが検出されていることから、判定部14は、ショート検出およびオープン検出のいずれも出力しない。この場合、トランジスタQ2にはいずれの故障も生じていないと判定することができる。
“3” Specific Detection Example First, a case is assumed in which the comparator output changes following the drive pattern, for example, “normal” shown in FIG. In this case, since the H level is detected within one cycle in the short detection process and the L level is detected within one period in the open detection process, the
次に、図8に示す「ショート故障時」のように、駆動パターンがONされた後にショート故障が発生した場合を想定する。この場合、トランジスタQ2は、駆動パターンがOFFになったとしても、オンのまま、つまり導通したままになる。そのため、ショート故障が発生した場合には、コンパレータ13の出力は、Lレベルに固定された状態となる。すなわち、図8に示す「1周期Lレベルが継続」の期間のように、駆動パターンの1周期内においてコンパレータ出力がHレベルとなることが無い。そのため、判定部14は、ショート検出処理においてショート検出を出力する。この場合、トランジスタQ2にショート故障が発生したと判定することができる。
Next, let us assume a case where a short circuit failure occurs after the drive pattern is turned on, as in “at the time of a short circuit failure” shown in FIG. In this case, the transistor Q2 remains on, that is, remains conductive even when the drive pattern is turned off. Therefore, when a short circuit failure occurs, the output of the
続いて、図8に示す「オープン故障時」のように、駆動パターンがONされた際にオープン故障が発生した場合を想定する。この場合、トランジスタQ2は、駆動パターンがONになったとしても、オフのまま、つまり導通しないままになる。そのため、オープン故障が発生した場合には、コンパレータ13の出力は、Hレベルに固定された状態となる。すなわち、図8に示す「1周期Hレベルが継続」の期間のように、駆動パターンの1周期内においてコンパレータ出力がLレベルとなることが無い。そのため、判定部14は、オープン検出処理においてオープン検出を出力する。この場合、トランジスタQ2にオープン故障が発生したと判定することができる。
Next, a case is assumed where an open failure occurs when the drive pattern is turned on, as in “open failure” shown in FIG. In this case, even if the drive pattern is turned on, the transistor Q2 remains off, that is, does not conduct. Therefore, when an open failure occurs, the output of the
このように、故障検出回路1は、トランジスタQ2の出力ノードより小さい電圧振幅の信号の状態が、駆動信号の状態が変化することに追従して変化しているか否かに基づいて、トランジスタQ2の故障を検出している。
As described above, the
以上説明した本実施形態によれば、次のような効果が得られる。
故障検出回路1は、レベル変換回路11において検出対象となるトランジスタQ2の出力ノードの電圧振幅を、その出力ノードにおける電圧振幅よりも小さい電圧振幅の信号に変換し、変換された小さい電圧振幅の信号に基づいて故障判定回路12においてトランジスタQ2の故障を判定する。この場合、レベル変換回路11では電圧振幅の大きさを変換しているだけなので、出力ノードの電圧の振幅と一致するタイミングの信号に基づいて故障の判定を行うことができる。したがって、スイッチング素子の故障を迅速に検出することができる。
According to this embodiment described above, the following effects can be obtained.
The
このとき、レベル変換回路11は、電流源10と、カソード側がトランジスタQ2の出力ノードに接続され、アノード側が電流源10に接続された変換用ダイオードであるダイオードD3とを備えた構成となっている。したがって、回路構成を簡略化することができ、簡単な構成でスイッチング素子の故障を検出することができる。また、電圧振幅を小さくすることができることから、故障判定回路12に例えばCMOSプロセスで製造した半導体回路を用いることができるようになり、迅速に故障を検出することができる。
At this time, the
また、レベル変換回路11にはコンデンサを必要としないので、レベル変換時にはコンデンサの充放電が不要となり、迅速にレベル変換することができる。そして、迅速にレベル変換することができることから、トランジスタQ2が動作している最中であっても、また、そのスイッチング速度が高い場合でも、それに追従した信号を生成することができ、高速な検出が可能となる。
Further, since the
電流源10と故障判定回路12との間に電流源10の出力端子の電圧を制限する電圧制限用素子であるツェナーダイオードD5を設けたので、電流源10のトランジスタTr2、Tr4などの飽和が防止される。これにより、レベル変換回路11の出力電圧つまり電流源10の出力端子の電圧がクランプされ、トランジスタTr2、Tr4を常に非飽和領域で動作させることができ、電流値の応答性を上げることができる。したがって、高速にレベル変換を行うことができる。
Since a Zener diode D5, which is a voltage limiting element that limits the voltage at the output terminal of the
電流源10と故障判定回路12との間に、ダイオードD3と共通する温度特性を有する温度補償用のダイオードであるダイオードD4を、点Aを基準とした場合に順方向がダイオードD3と逆になるように配置している。これにより、ダイオードD3の温度特性は、ダイオードD4の温度特性によって打ち消される。したがって、レベル変換回路11によって変換された電圧振幅から温度特性が排除あるいは抑制される。すなわち、温度にかかわらず、一定な状態で電圧振幅のレベルを変換することができる。なお、ダイオードD4と故障判定回路12との間にプルダウン用の抵抗R1を設けているので、ダイオードD4を設けた場合であっても故障判定回路12に電圧振幅を入力することができる。
When the diode D4, which is a temperature compensating diode having temperature characteristics common to the diode D3, is between the
故障判定回路12の前段に、レベル変換回路11から出力される電圧と閾値電圧Vthとを比較し、その比較結果をトランジスタQ2の出力ノードの電圧振幅よりも小さいCMOSレベルの電圧振幅の信号に変換するコンパレータ13を設けている。故障検出回路1は、レベル変換回路11を設けることにより、出力ノードよりも電圧振幅が小さくなっている。このため、CMOSやBiCMOS等の微細な半導体プロセスで製造され、高速に動作する半導体論理素子を用いることができる。これにより、出力ノードの電圧振幅とコンパレータ13の出力との間の遅延を小さくすることができ、コンパレータ13の出力の変化と出力ノードの電圧振幅の変化とを同じタイミングとして扱うことができる。したがって、トランジスタQ2の動作中にも、また、スイッチング速度が高い場合にも、故障を検出することができる。
The voltage output from the
ショート検出処理およびオープン検出処理では、コンパレータ出力と駆動信号とを用いて、コンパレータ13の出力が駆動信号の状態の変化に追従して変化しているか否かに基づいて故障を判定する。これにより、トランジスタQ2の動作中に、トランジスタQ2が故障しているか否かを確実に判断できるようになる。このとき、コンパレータ出力が駆動信号の1周期以上固定されている場合にトランジスタQ2が故障したと判定する。これにより、最短で1周期で故障を検出することができる。つまり、迅速に故障を検出することができる。また、本実施形態の半導体装置100は、上記した故障検出回路1を備えているので、トランジスタQ2の故障を、簡単な構成で、迅速に検出することができる。
In the short detection process and the open detection process, a failure is determined based on whether the output of the
スイッチング回路2において、検出対象となるトランジスタQ2の出力ノードには、コイルL1を通じてダイオードD1が接続され、ダイオードD2を通じて平滑用のコンデンサC1が接続されている。この場合、ダイオードD1としては、コスト低減の目的などからリーク電流が大きいものが用いられることがある。また、コンデンサC1は、平滑が目的であるため、比較的容量の大きいものが用いられることが多い。そのため、トランジスタQ2が動作していない期間、電流源10から出力される電流は、コイルL1からダイオードD1を逆方向に介してグランドGNDへとリークする経路にも流れるとともに、ダイオードD2を通じてコンデンサC1を充電する経路にも流れる。
In the
このとき、電流源10から出力される電流が小さいと、トランジスタQ2がショート故障しておらず正常な状態であっても、上記電流のほとんどがダイオードD1やコンデンサC1側に流れてしまい、出力ノード、つまり点Cの電圧が持ち上がらない。そうすると、判定部14は、トランジスタQ2が正常であるにもかかわらず、ショート故障している、と誤った判定をするおそれがある。
At this time, if the current output from the
そこで、本実施形態では、電流源10は、トランジスタQ2の動作が停止している期間には大電流出力状態となるようにした。このようにすれば、ダイオードD1としてリークの大きいものが用いられる場合、あるいはコンデンサC1として大容量のものが用いられる場合であっても、トランジスタQ2の動作が停止している期間、トランジスタQ2がショート故障していなければ、出力ノードの電圧を適切に持ち上げることができ、上述した誤った判定、つまり誤検出の発生を防止することができる。したがって、本実施形態によれば、トランジスタQ2の動作状態に関係なく、迅速に且つ精度良くトランジスタQ2の故障を検出することができる。
Therefore, in the present embodiment, the
なお、トランジスタQ2が動作している期間、つまりスイッチング回路2が昇圧動作を実行している期間には、トランジスタQ1が常時オンしており、駆動電源VSからトランジスタQ1およびコイルL1を経由して出力ノード側に電流が供給されている。したがって、トランジスタQ2が動作している期間にあっては、電流源10から出力される電流が小さくとも、トランジスタQ2がオフする期間に出力ノードの電圧を適切に持ち上げることができる。そこで、電流源10は、トランジスタQ2が動作している期間には小電流出力状態となるようにした。このようにすれば、通常動作時における消費電流を低く抑えることができる。
During the period in which the transistor Q2 is operating, that is, the period in which the
(第2実施形態)
以下、本発明の第2実施形態について、図9〜図11を参照して説明する。
第2実施形態では、ショート検出処理およびオープン検出処理における処理内容が、第1実施形態と異なっている。なお、故障検出回路1の構成は第1実施形態と共通するので、図1も参照しながら説明する。
(Second Embodiment)
Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
In the second embodiment, the processing contents in the short detection process and the open detection process are different from those in the first embodiment. The configuration of the
本実施形態の場合、駆動信号が変化した時点におけるコンパレータ13の出力、つまりトランジスタQ2の出力ノードより小さい電圧振幅の信号の状態が、上記駆動信号の状態が変化する前に対応する状態とは異なる場合に、トランジスタQ2が故障したと判定する。
In the case of the present embodiment, the output of the
スイッチング回路2において、例えばPWM(Pulse Width Modulation)やPFM(Pulse Frequency Modulation)の制御方式が採用される場合における制御信号のON時間やOFF時間が、コンパレータ13の応答時間よりも長くなっているとする。なお、ON時間は図11においてONになっている時間であり、OFF時間は図11においてOFFになっている時間である。換言すると、制御信号がONとなってからOFFとされるまでの制御信号のパルス幅は、コンパレータ13の応答時間よりも長くなっている。本実施形態では、このような点を考慮し、次のようにしてトランジスタQ2の故障を検出するようにしている。
In the
「1」ショート検出処理の流れ
図9に示すショート検出処理が開始されると、まずステップS311にて、判定部14は、駆動信号がONに変化したタイミング、つまり駆動パターンの立ち上がりタイミングでのコンパレータ出力を監視する。続くステップS312では、判定部14は、駆動パターンの立ち上がりタイミングでコンパレータ出力がHレベルであるか否かを判定する。
Flow of “1” short detection processing When the short detection processing shown in FIG. 9 is started, first, in step S311, the
実際の回路部品では、トランジスタQ2がオンするのに要する時間やコンパレータ13の応答時間などが存在しているため、図11に示す「ショート故障時」のように、駆動パターンの状態が変化したタイミング、つまりONまたはOFFになったタイミングから、その状態の変化がコンパレータ13の出力に反映されるまでの間には、若干ではあるが遅延が存在している。そのため、正常にスイッチングしている場合には、駆動パターンが立ち上がったそのタイミングにおいては、コンパレータ13は、駆動パターンがOFFの状態に対応する状態、つまり本実施形態であればHレベルを出力する状態になっているはずである。
In an actual circuit component, there is a time required for the transistor Q2 to be turned on, a response time of the
ここで、図11に示す「ショート故障時」のように駆動パターンがOFFになったときにショート故障が発生した場合を想定する。この場合、コンパレータ13の出力は、Lレベルに固定されることになる。そのため、次の駆動パターンの立ち上がり時においては、コンパレータ13の出力はLレベルになったままである。つまり、ショート故障が発生した場合、コンパレータ13の出力は、駆動パターンがOFFの状態に対応する状態になっていないことになる。
Here, a case is assumed in which a short circuit failure occurs when the drive pattern is turned off, such as “at the time of a short circuit failure” shown in FIG. In this case, the output of the
そのため、判定部14は、駆動パターンの立ち上がりタイミングでのコンパレータ出力がHレベルである場合、つまりステップS312で「YES」になると、ショート故障が発生していないと判定し、ステップS311に戻り処理を繰り返す。また、判定部14は、駆動パターンの立ち上がりタイミングでのコンパレータ出力がHレベルではない場合、つまりステップS312で「NO」になると、ショート故障が発生したと判定し、ステップS303に進みショート検出を出力する。
Therefore, when the comparator output at the rising timing of the drive pattern is at the H level, that is, when “YES” in step S312, the
「2」オープン検出処理の流れ
図10に示すオープン検出処理が開始されると、まずステップS411にて、判定部14は、駆動信号がOFFに変化したタイミング、つまり駆動パターンの立ち下がりタイミングでのコンパレータ出力を監視する。続くステップS412では、判定部14は、駆動パターンの立ち上がりタイミングでコンパレータ出力がLレベルであるか否かを判定する。
“2” Flow of Open Detection Processing When the open detection processing shown in FIG. 10 is started, first, in step S411, the
ここで、図11に示す「オープン故障時」のように駆動パターンがONになったときにオープン故障が発生した場合を想定する。この場合、コンパレータ13の出力は、Hレベルに固定されることになる。そのため、次の駆動パターンの立ち下がり時においては、コンパレータ13の出力はHレベルになったままである。つまり、オープン故障が発生した場合、コンパレータ13の出力は、駆動パターンがONの状態に対応する状態になっていないことになる。
Here, a case is assumed in which an open failure occurs when the drive pattern is turned on, such as “at the time of an open failure” shown in FIG. In this case, the output of the
そのため、判定部14は、駆動パターンの立ち下がりタイミングでのコンパレータ出力がLレベルである場合、つまりステップS412で「YES」になると、オープン故障が発生していないと判定し、ステップS411に戻り処理を繰り返す。また、判定部14は、駆動パターンの立ち下がりタイミングでのコンパレータ出力がLレベルではない場合、つまりステップS412で「NO」になると、オープン故障が発生したと判定し、ステップS403に進みオープン検出を出力する。
Therefore, the
以上説明した本実施形態では、故障検出回路1は、駆動信号が変化した時点におけるコンパレータ13の出力が、その駆動信号の状態が変化する前に対応する状態とは異なる場合に、トランジスタQ2が故障したと判定する。このような構成であっても、第1実施形態と同様に、回路構成を簡略化しつつも、トランジスタQ2の動作状態に関係なく、迅速に且つ精度良くトランジスタQ2の故障を検出することができる。
In the present embodiment described above, the
また、本実施形態の場合、駆動信号の立ち上がりまたは立ち下がりタイミングで故障の判定を行っているので、故障の発生から検知までに要する時間を短縮することができる。また、万一トランジスタQ2が故障した場合に大きな電流が流れる時間を短縮することができ、回路部品が損傷するおそれを低減することができる。 In the case of the present embodiment, since the failure is determined at the rising or falling timing of the drive signal, the time required from the occurrence of the failure to the detection can be shortened. In addition, in the unlikely event that the transistor Q2 fails, the time during which a large current flows can be shortened, and the risk of damage to circuit components can be reduced.
(第3実施形態)
以下、本発明の第3実施形態について、図12〜図14を参照して説明する。
第3実施形態では、ショート検出処理およびオープン検出処理における処理内容が、第1実施形態と異なっている。なお、故障検出回路1の構成は第1実施形態とほぼ共通するので、図1も参照しながら説明する。
(Third embodiment)
Hereinafter, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
In the third embodiment, the processing contents in the short detection process and the open detection process are different from those in the first embodiment. The configuration of the
本実施形態では、駆動信号に対するトランジスタQ2の動作遅延時間およびコンパレータ13における遅延時間の最大値を考慮しつつ、故障を検出している。より具体的には、本実施形態の場合、駆動信号の状態が変化した時点から所定時間後におけるコンパレータ13の出力、つまりトランジスタQ2の出力ノードより小さい電圧振幅の信号の状態が、上記駆動信号の変化に追従して変化しているか否かに基づいて故障の判定を行っている。
In the present embodiment, the failure is detected in consideration of the operation delay time of the transistor Q2 with respect to the drive signal and the maximum delay time in the
「1」ショート検出処理の流れ
図12に示すショート検出処理が開始されると、まずステップS321にて、判定部14は、駆動パターンがOFFになってからのコンパレータ13の出力を監視している。続くステップS322では、判定部14は、駆動パターンがOFFになってから所定時間後、つまり駆動パターンの立ち上がりタイミングから所定時間後のコンパレータ出力がHレベルであるか否かを判定する。つまり、判定部14は、駆動パターンが変化した後であって、その変化が反映された時点におけるコンパレータ出力がHレベルであるか否かを判定している。なお、所定時間は、トランジスタQ2の動作遅延時間およびコンパレータ13における遅延時間の最大値を考慮して設定されている。
Flow of “1” short detection process When the short detection process shown in FIG. 12 is started, the
ここで、図14に示す「ショート故障時」のように駆動パターンがOFFになったときにショート故障が発生した場合を想定する。本実施形態の構成であれば、故障が発生していない場合には、駆動パターンがOFFになってから所定時間後におけるコンパレータ13の出力は、Hレベルになっているはずである。
Here, a case is assumed where a short circuit failure occurs when the drive pattern is turned off, such as “at the time of a short circuit failure” shown in FIG. In the configuration of the present embodiment, when no failure has occurred, the output of the
そのため、判定部14は、駆動パターンがOFFになってから所定時間後におけるコンパレータ出力がHレベルである場合、つまりステップS322で「YES」になると、ショート故障が発生していないと判定し、ステップS321に戻り処理を繰り返す。また、判定部14は、所定時間後におけるコンパレータ出力がHレベルではない場合、つまりステップS322で「NO」になると、ショート故障が発生したと判定し、ステップS303に進みショート検出を出力する。
Therefore, the
「2」オープン検出処理の流れ
図13に示すオープン検出処理が開始されると、まずステップS421にて、判定部14は、駆動信号がONになってからのコンパレータ出力を監視する。続くステップS422では、判定部14は、駆動信号がONになってからの所定時間後におけるコンパレータ出力がLレベルであるか否かを判定する。
“2” Flow of Open Detection Process When the open detection process shown in FIG. 13 is started, the
ここで、図14に示す「オープン故障時」のように駆動パターンがONになったときにオープン故障が発生した場合を想定する。この場合、故障が発生していなければ、駆動パターンがONになってから所定時間後におけるコンパレータ13の出力は、Lレベルになっているはずである。
Here, a case is assumed in which an open failure occurs when the drive pattern is turned on, such as “at the time of an open failure” shown in FIG. In this case, if no failure has occurred, the output of the
そのため、判定部14は、駆動パターンがONになってから所定時間後のコンパレータ出力がLレベルである場合、つまりステップS422で「YES」になると、オープン故障が発生していないと判定し、ステップS421に戻り処理を繰り返す。また、判定部14は、所定時間後のコンパレータ出力がLレベルではない場合、つまりステップS422で「NO」になると、オープン故障が発生したと判定し、ステップS403に進みオープン検出を出力する。
Therefore, the
以上説明した本実施形態では、故障検出回路1は、駆動信号の状態が変化した時点から所定時間後におけるコンパレータ13の出力が、その駆動信号の変化に追従して変化していない場合に、スイッチング素子が故障したと判定する。このような構成であっても、第1実施形態と同様に、回路構成を簡略化しつつも、トランジスタQ2の動作状態に関係なく、迅速に且つ精度良く故障を検出することができる。
In the present embodiment described above, the
また、本実施形態の場合、駆動信号の状態が変化した時点から所定時間後に故障の判定を行っているので、故障の発生から検知までに要する時間を短縮することができる。また、万一トランジスタQ2が故障した場合に大きな電流が流れる時間を短縮することができ、回路部品が損傷するおそれを低減することができる。 In the case of the present embodiment, since the failure determination is performed after a predetermined time from the time when the state of the drive signal changes, the time required from the occurrence of the failure to the detection can be shortened. In addition, in the unlikely event that the transistor Q2 fails, the time during which a large current flows can be shortened, and the risk of damage to circuit components can be reduced.
(第4実施形態)
以下、第4実施形態について、図15〜図26を参照して説明する。
第4実施形態では、故障検出回路1の他の電気的構成の例を示している。なお、本実施形態の故障検出回路1においても、上記各実施形態で示した各検出処理を行うことが可能であり、上記各実施形態と同様に、トランジスタQ2の故障を検出することができる。
(Fourth embodiment)
Hereinafter, the fourth embodiment will be described with reference to FIGS. 15 to 26.
In the fourth embodiment, an example of another electrical configuration of the
図15は、より構成を簡略化した故障検出回路1を示している。この場合、ダイオードD4および抵抗R1が省かれている。そのため、点Aおよび点Bの各電圧振幅は、実質的に同一のものとなっている。このような構成であっても、故障判定回路12への入力は、レベル変換回路11によって、トランジスタQ2の出力ノードの電圧振幅よりも小さい電圧振幅の信号として入力される。このような回路構成であっても、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
FIG. 15 shows the
ただし、図15に示した構成の場合、温度補償用のダイオードD4を省いていることから、ダイオードD3の温度特性が故障の検出に影響を与えるおそれがある。例えば、点Bの電圧が温度により変化した場合には、閾値電圧Vthが固定されている場合には、その閾値電圧Vthが適切な範囲から外れてしまうおそれがある。 However, in the case of the configuration shown in FIG. 15, since the temperature compensation diode D4 is omitted, the temperature characteristics of the diode D3 may affect the detection of the failure. For example, when the voltage at the point B changes with temperature, if the threshold voltage Vth is fixed, the threshold voltage Vth may fall out of an appropriate range.
そこで、ダイオードD3の温度特性に応じて閾値電圧Vthを変更可能にすることで、誤検出などのおそれを低減できると考えられる。
図16(A)は、閾値変更回路20を設けた故障検出回路1を示している。この場合、コンパレータ13の反転入力端子に入力される閾値電圧Vthを、閾値変更回路20により変更している。具体的には、閾値変更回路20は、電流源10と同期して作動するトランジスタTr5の出力とグランドGNDとの間に、ダイオードD6および抵抗R2が直列に接続されている。トランジスタTr5の出力、つまり図16の場合にはダイオードD6のアノード側がコンパレータ13の反転入力端子に接続されている。
Therefore, it is considered that the possibility of false detection can be reduced by making the threshold voltage Vth changeable according to the temperature characteristics of the diode D3.
FIG. 16A shows the
ダイオードD6は、レベル変換用のダイオードD3と共通する温度特性を有するものであり、温度の変化に応じて順方向電圧がダイオードD3と共通する態様で変化する。つまり、閾値電圧Vthは、温度の変化に応じて自動で変化するとともに、その変化は、ダイオードD3の温度特性に対応したものとなっている。このような閾値変更回路20を設けることにより、温度が変化した場合には閾値電圧Vthを自動で変更することができるので、故障の検出を精度よく行うことができる。
The diode D6 has a temperature characteristic common to the level conversion diode D3, and the forward voltage changes in a manner common to the diode D3 in accordance with a change in temperature. That is, the threshold voltage Vth automatically changes according to a change in temperature, and the change corresponds to the temperature characteristic of the diode D3. By providing such a
また、図16(A)に示す回路構成の場合、ダイオードD3の温度特性を補償するように閾値電圧Vthを変更することができるので、より検出の精度を高めることができる。図16(B)は、図16(A)に示した閾値変更回路20の変形例であり、トランジスタTr5の代わりに、専用の電流源21を設けた構成を示している。
In the case of the circuit configuration shown in FIG. 16A, the threshold voltage Vth can be changed so as to compensate for the temperature characteristics of the diode D3, so that the detection accuracy can be further improved. FIG. 16B is a modification of the threshold
また、閾値変更回路20を設けることで、例えばDC−DCコンバータの起動直後など、トランジスタQ2の電圧振幅が定常状態に比べて小さい場合などに閾値電圧Vthを下げることによって故障の誤検出を防ぐことができる。また、時分割で閾値電圧Vthを切り替えることによって地絡を検出する際の閾値電圧Vthと天絡の検出やオープン検出する際の閾値電圧Vthとを別々に設定することが可能になるなど、より精度が高い検出を行うことができる。なお、これらの効果は、後述する図17および図18に示す故障検出回路1の場合にも同様に得ることができる。
Further, by providing the threshold
図17は、閾値変更回路20をD/Aコンバータ22で構成した故障検出回路1を示している。この場合、D/Aコンバータ22が出力する電圧が、閾値電圧Vthとしてコンパレータ13に入力される。このとき、D/Aコンバータ22は、起動時に図示しないメモリから設定値を読み出して閾値電圧Vthを出力する構成であってもよいし、図示しない外部のマイクロコンピュータなどから設定値を設定する構成であってもよい。このようにD/Aコンバータ22により閾値変更回路20を構成することによって、閾値電圧Vthを変更することができる。
FIG. 17 shows a
図18は、閾値変更回路20をD/Aコンバータ22で構成するとともに、閾値電圧Vthに温度特性を持たせた故障検出回路1を示している。この場合、D/Aコンバータ22は、演算回路23によって設定値が設定される。演算回路23は、温度検出部24で検出した温度に基づいて、D/Aコンバータ22に設定する設定値を演算する。なお、演算回路23は、起動時などにはメモリ25から読み出した設定値をD/Aコンバータ22に設定し、通常動作を開始すると演算結果に応じて設定値を変更するような構成であってもよい。このような閾値変更回路20によっても、閾値電圧Vthを変更することができる。なお、温度検出部24としては、周知の温度センサなどを用いればよい。
FIG. 18 shows the
図19は、図1などに示したクランプ用のツェナーダイオードD5の代わりに、電圧制限用素子として定電圧の電源VCC2に接続されたダイオードD7を設けた故障検出回路1を示している。ここで、ダイオードD3、D4およびD7の順方向電圧をVf、トランジスタTr2、Tr4のコレクタ・エミッタ間飽和電圧をVsatとすると、「VCC2+Vf<VCC−Vsat−Vf」、「VCC2+Vf>Vth」の関係を満たしているものとする。
FIG. 19 shows a
このような構成によっても、電流源10の出力端子の電圧、つまり点Bの電圧を制限することができる。したがって、電流源10のトランジスタTr2、Tr4などの飽和を防止でき、故障を迅速に検出することができる。この場合、電圧制限用素子は、1つあるいは図20に示すように複数のダイオードD8、D9およびD10の順方向電圧を利用した構成としてもよい。ここで、ダイオードD3、D4、D8、D9およびD10の順方向電圧をVf、トランジスタTr2、Tr4のコレクタ・エミッタ間飽和電圧をVsatとすると、「3×Vf<VCC−Vsat−Vf」、「3×Vf>Vth」の関係を満たしているものとする。なお、利用するダイオードの数は、図20に示した3個に限定されるものではなく、それぞれの順方向電圧に基づいて適宜その数を変更することができる。
Even with such a configuration, the voltage at the output terminal of the
図21は、図1などに示したコンパレータ13の代わりに、論理回路としてCMOSプロセスで製造されているシュミットトリガバッファ26を用いた故障検出回路1を示している。例えば閾値電圧Vthに対してそれほど精度を必要としない場合には、予め閾値が固定されているシュミットトリガバッファ26を用いることで、回路を簡略化しつつ、レベル変換回路11の出力電圧をCMOSレベルに変換することができる。したがって、このような構成によっても、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。また、シュミットトリガバッファ26はヒステリシスを有しているため、故障検出回路1に耐ノイズ性を保たせることもできる。
FIG. 21 shows a
なお、図示は省略するが、シュミットトリガバッファ26の代わりにシュミットトリガインバータを用いたり、ヒステリシスを有しない通常のバッファやインバータを用いたりしても同様の効果を得ることができる。シュミットトリガインバータやインバータを用いる場合には、ショート検出処理およびオープンにおいて判定時の論理レベルを適宜設定すればよい。
Although illustration is omitted, the same effect can be obtained by using a Schmitt trigger inverter instead of the
図22は、定電流回路15の他の構成例を示している。なお、定電流回路16についても、これら他の構成例と同様の構成を採用することができる。例えば図22(A)に示すように、図2に示したバイポーラのトランジスタTr1、Tr2の代わりに、電界効果トランジスタQ10とQ11を用いたカレントミラー回路で定電流回路15を構成することができる。あるいは、図22(B)に示すように、定電流源17を省き、デプレッション型電界効果トランジスタQ13を用いて定電流回路15を構成することができる。また、図22(C)に示すように、定電流ダイオード27を用いて定電流回路15を構成することができる。なお、これらは定電流回路15の一例であり、レベル変換用のダイオードD3側に対して定電流を供給できる構成であれば他の回路構成を採用してもよい。
FIG. 22 shows another configuration example of the constant
図23は、電流源10の他の構成例を示している。図23(A)は、図2に示した構成に対し、定電流回路16を省くとともに、定電流源17に代えて可変電流源28を用いた構成である。この場合、可変電流源28は、切替信号Saに基づいて、第1電流値の電流を出力する状態と、第2電流値の電流を出力する状態とのいずれかに切り替え可能となっている。このような構成の電流源10によっても、第1電流値の電流を出力する「小電流出力状態」と、第1電流値よりも大きい第2電流値の電流を出力する「大電流出力状態」との切り替えを行うことができる。
FIG. 23 shows another configuration example of the
可変電流源28としては、切替信号Saに基づいて、出力電流を少なくとも2段階に切り替えることができるものであれば、どのような構成であっても構わない。例えば、可変電流源28として、図23(B)に示すように6つの抵抗R11〜R16、4つのトランジスタTr11〜Tr14およびスイッチ29を備えた構成を採用することができる。
The variable
この場合、トランジスタTr14のベースおよび抵抗R16の相互接続点は、定電流回路15を構成するトランジスタTr1のコレクタに接続される。また、スイッチ29は、MOSトランジスタなどから構成されており、そのオン/オフは切替信号Saに基づいて制御される。このような構成によれば、可変電流源28の出力電流は、トランジスタTr13のエミッタおよびグランドGND間の抵抗値により定まるようになっており、その抵抗値はスイッチ29のオン/オフにより切り替えられる。したがって、図23(B)に示す構成によれば、切替信号Saに基づいて出力電流を2段階に切り替えることができる。
In this case, the interconnection point of the base of the transistor Tr14 and the resistor R16 is connected to the collector of the transistor Tr1 constituting the constant
図24は、図2に示した構成に対し、定電流回路16を省くとともに、4つのトランジスタTr21〜Tr24およびスイッチ30を追加した構成である。トランジスタTr21〜Tr24は、スイッチ30がオンのとき、トランジスタTr1、Tr2とともにカレントミラー回路を構成するように接続されている。スイッチ30は、MOSトランジスタなどから構成されており、そのオン/オフは切替信号Saに基づいて制御される。
FIG. 24 is a configuration in which the constant
この場合、定電流回路15の出力電流の値が、スイッチ30がオフのときに第1電流値になるとともに、スイッチ30がオンのときに第1電流値より大きい第2電流値になるように、定電流源17の電流値、トランジスタTr1、Tr2およびTr21〜Tr24のサイズなどが設定される。このような構成によっても、切替信号Saに基づいて出力電流を2段階に切り替えることができる。なお、この場合、カレントミラー回路を構成するためのトランジスタとして4つのトランジスタTr21〜Tr24を追加したが、追加するトランジスタの数は適宜変更してもよい。
In this case, the value of the output current of the constant
図25は、ラッチ回路31が追加された構成を示している。ラッチ回路31は、コンパレータ13の出力を保持し、その保持した信号を電流源10の出力状態を切り替えるための切替信号Saとして出力する。このような構成によれば、ロジック回路などを含んで構成された判定部14を介することなく、電流源10の出力状態が切り替えられる。そのため、例えば起動時検出処理において、トランジスタQ2のショート故障が検出された場合などに、素早く電流源10を「小電流出力状態」に切り替えることが可能となる。つまり、このような構成によれば、電流源10から大きな電流を出力する必要が無い期間には、直ちに「小電流出力状態」に切り替えられるので、電流源10による消費電流を一層低く抑えることができる。
FIG. 25 shows a configuration in which a
図26は、故障検出回路1の検出対象となるスイッチング素子を備えたスイッチング回路2の例を示している。なお、図26では、検出対象となるスイッチング素子を破線にて囲んでいる。故障検出回路1は、図1に示したような昇降圧型のDC−DCコンバータの他に、例えば図26(A)に示すON/OFFドライバ、いわゆるハーフブリッジドライバに用いられるスイッチング回路2のトランジスタQ20や、図26(B)に示すフルブリッジドライバに用いられるスイッチング回路2の例えば下アームのトランジスタQ22、Q24、あるいは図26(C)に示す例えば三相モータのドライバ回路に用いられるスイッチング回路2の下アームのトランジスタQ26、Q28、Q30などの故障を検出することに適用することができる。
FIG. 26 shows an example of the
(その他の実施形態)
なお、本発明は上記し且つ図面に記載した各実施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任意に変形、組み合わせ、あるいは拡張することができる。
各実施形態では、出力状態を切り替えることができる電流源10を用いることで、出力ノードに供給する電流の大小を切り替える構成を示したが、出力ノードに供給する電流の大小の切り替えは、次のように行うことも可能である。すなわち、図27に示すように、電流源10に代えて、常に第1電流値の電流を出力する電流源32を用いる。そして、起動時検出処理におけるショート検出処理が実行される期間の少なくとも一部の期間において、駆動回路4がトランジスタQ1をオンするような制御とする。
(Other embodiments)
In addition, this invention is not limited to each embodiment described above and described in drawing, In the range which does not deviate from the summary, it can change, combine or expand arbitrarily.
In each embodiment, the configuration in which the magnitude of the current supplied to the output node is switched by using the
このような構成でも、トランジスタQ2の動作が停止しているときのショート検出処理では、第1電流値よりも大きい電流値、つまり第2電流値の電流を出力ノードに供給することができる。そして、電流源32は、一定の電流を出力することができる構成であればよいため、電流値の切り替えを行う構成である電流源10に比べ、小さな回路面積で構成することが可能である。したがって、このような構成を採用すれば、故障検出回路1、ひいては半導体装置100の回路面積を小さく抑えつつ、上記各実施形態と同様の効果を得ることができる。
Even in such a configuration, in the short detection process when the operation of the transistor Q2 is stopped, a current value larger than the first current value, that is, a current of the second current value can be supplied to the output node. Since the
各実施形態では半導体装置100内に故障判定回路12を設けた構成を示したが、故障判定回路12として外部のマイクロコンピュータを用い、レベル変換回路11あるいはコンパレータ13の出力を外部のマイクロコンピュータに出力する構成としてもよい。その場合、レベル変換回路11を単独で、あるいはコンパレータ13などの論理回路と組み合わせて例えば図28に示すような信号変換装置として扱ってもよい。この場合、信号変換装置は、電圧が変動する入力が行われ、その入力された電圧振幅よりも小さい電圧振幅の信号に変換するレベル変換回路11を備えたものが最小構成単位となる。そして、例えばCMOSレベルの出力を利用したい場合などには、レベル変換回路11で変換された小さい電圧振幅の信号を出力する論理回路を備えてもよい。また、この信号変換装置を半導体装置に組み込んでもよい。
In each embodiment, the configuration in which the
1…故障検出回路、10…電流源、11…レベル変換回路、12…故障判定回路、D3…ダイオード、Q2、Q20、Q22、Q24、Q26、Q28、Q30…トランジスタ。
DESCRIPTION OF
Claims (12)
検出対象となる前記スイッチング素子がスイッチングする際に電圧が変動する出力ノードの電圧振幅を、前記出力ノードにおける電圧振幅よりも小さい電圧振幅の信号に変換するレベル変換回路(11)と、
前記レベル変換回路によって変換された小さい電圧振幅の信号に基づいて前記スイッチング素子の故障を判定する故障判定回路(12)と、
を備え、
前記レベル変換回路は、所定の電流を出力する電流源(10)と、前記出力ノードおよび前記電流源の間に前記電流源側をアノードとして接続されたレベル変換用のダイオード(D3)と、を備え、
前記電流源は、前記スイッチング回路が動作している期間には第1電流値の電流を出力し、前記スイッチング回路の動作が停止している期間には前記第1電流値よりも大きい第2電流値の電流を出力するスイッチング素子の故障検出回路。 A failure detection circuit (1) for detecting a failure of a switching element (Q2, Q20, Q22, Q24, Q26, Q28, Q30) used in the switching circuit,
A level conversion circuit (11) for converting the voltage amplitude of the output node whose voltage fluctuates when the switching element to be detected is switched into a signal having a voltage amplitude smaller than the voltage amplitude at the output node;
A failure determination circuit (12) for determining a failure of the switching element based on a signal having a small voltage amplitude converted by the level conversion circuit;
With
The level conversion circuit includes a current source (10) that outputs a predetermined current, and a level conversion diode (D3) that is connected between the output node and the current source with the current source side as an anode. Prepared,
The current source outputs a current having a first current value during a period in which the switching circuit is operating, and a second current greater than the first current value in a period during which the operation of the switching circuit is stopped. Fault detection circuit for switching element that outputs current of value.
前記電流源および前記故障判定回路の間に前記電流源側をアノードとして接続され、前記レベル変換用のダイオードと共通する温度特性を有する温度補償用のダイオード(D4)と、
前記温度補償用のダイオードのカソードをプルダウンする抵抗素子(R1)と、
を備える請求項1または2に記載のスイッチング素子の故障検出回路。 The level conversion circuit includes:
A temperature compensation diode (D4) connected between the current source and the failure determination circuit with the current source side as an anode and having a temperature characteristic common to the level conversion diode;
A resistance element (R1) for pulling down the cathode of the temperature compensating diode;
The failure detection circuit of the switching element of Claim 1 or 2 provided with these.
前記閾値変更回路(20)は、前記温度検出部により検出される温度に基づいて閾値電圧を変更することを特徴とする請求項5に記載のスイッチング素子の故障検出回路。 A temperature detector (24) for detecting the temperature;
6. The switching element failure detection circuit according to claim 5, wherein the threshold value changing circuit (20) changes a threshold voltage based on a temperature detected by the temperature detecting unit.
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