JP7026531B2 - 半導体装置、半導体システム、及び、制御システム - Google Patents
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Description
図1は、実施の形態1にかかる電子制御ユニット(ECU;Electronic Control Unit)が搭載された自動車の外観図である。
上述した自動車に搭載された電子制御ユニット1の詳細について説明する前に、まず、本発明者が事前検討した電子制御ユニット50について、図19~図21を用いて説明する。
図19は、実施の形態1に至る前の構想に係る電子制御ユニット50の構成例を示すブロック図である。なお、図19には、電子制御ユニット50によって電流の供給が制御される負荷Ld1も示されている。
図20に示すように、電子制御ユニット50では、駆動部51が、ドライブトランジスタMN51と、ドライブトランジスタMN52と、を有し、電流検出部52が、センストランジスタTr51と、センストランジスタTr52と、電流モニタ521と、を有する。
続いて、電子制御ユニット50の動作を、図21を用いて説明する。
図21は、電子制御ユニット50の動作を示すタイミングチャートである。
図2は、実施の形態1に係る電子制御ユニット(半導体装置)1の構成例を示すブロック図である。なお、図2には、電子制御ユニット1によって電流の供給が制御される負荷Ld1も示されている。
図3に示すように、電子制御ユニット1では、駆動部11が、ドライブトランジスタMN1と、ドライブトランジスタMN2と、を有し、電流検出部12が、センストランジスタTr1と、センストランジスタTr2と、電流モニタ121と、を有する。さらに、駆動補助部14に設けられたプリドライバ142は、定電流源Id11,Id12と、スイッチ素子SW11,SW12と、スイッチ素子SW13,SW14と、論理積回路(以下AND回路と称す)AD11,AD12と、インバータIV11と、を有する。なお、定電流源Id11,Id12と、スイッチ素子SW11,SW12とによって第1のスイッチ部が構成される。スイッチ素子SW13,SW14によって第2のスイッチ部が構成される。
図4は、電圧モニタ141の第1の具体的な構成例を電圧モニタ141aとして示す図である。図4に示すように、電圧モニタ141aは、コンパレータCMP1を備える。
図5は、電圧モニタ141の第2の具体的な構成例を電圧モニタ141bとして示す図である。図6は、電圧モニタ141bの動作を示すタイミングチャートである。
プリドライバ142において、定電流源Id11及びスイッチ素子SW11は、電源電圧VDDが供給される電源電圧端子(以下、電源電圧端子VDDと称す)と、ドライブトランジスタMN1のゲートと、の間に直列に設けられている。スイッチ素子SW11は、パルス信号HSに基づいてオンオフの切り替えを行う。定電流源Id12及びスイッチ素子SW12は、ドライブトランジスタMN1のゲート及びソース(外部出力端子OUT)間に直列に設けられている。スイッチ素子SW12は、パルス信号HSをインバータIV11によって反転させた信号に基づいてオンオフの切り替えを行う。
続いて、電子制御ユニット1の動作を、図7及び図8を用いて説明する。図7は、図3に示す電子制御ユニット1の構成要素のうち駆動部11及び駆動補助部14を示した図である。図8は、電子制御ユニット1の動作を示すタイミングチャートである。
図9は、電子制御ユニット1の第1変形例を電子制御ユニット1aとして示す図である。なお、図9には、電子制御ユニット1aの構成要素のうち駆動部11及び駆動補助部14のみが示されている。また、図9には、電子制御ユニット1aによって電流の供給が制御される負荷Ld1も示されている。
図10に示すように、外部出力端子OUTの電圧Voがバッテリ電圧Vbatに達している場合、ドライブトランジスタMN1のゲート電圧Vgは、電圧Voよりもゲート-ソース間電圧Vgsだけ高い電圧レベルを示す。そのため、例えば、電圧モニタ141は、ゲート電圧Vgが、電圧Voよりもゲート-ソース間電圧Vgsだけ高い電圧レベルを示した場合、Hレベルのモニタ結果VoCLPを出力し、それ以外の場合、Lレベルのモニタ結果VoCLPを出力するように構成される。
図11は、電子制御ユニット1の第2変形例を電子制御ユニット1bとして示すブロック図である。なお、図11には、電子制御ユニット1bによって電流の供給が制御される複数の負荷Ld1も示されている。
図12は、実施の形態2にかかる電子制御ユニット1cの構成例を示すブロック図である。また、図13は、電子制御ユニット1cの動作を示すタイミングチャートである。
図14は、実施の形態3にかかる電子制御ユニット1dの具体的な構成例を示す図である。なお、図14には、電子制御ユニット1dの構成要素のうち駆動部11及び駆動補助部14のみが示されている。また、図14には、電子制御ユニット1dによって電流の供給が制御される負荷Ld1も示されている。
図15に示すように、パルス信号HSがLレベルの場合、スイッチ素子SW11がオフするため、ドライブトランジスタMN1のゲート電圧VgはLレベルに維持される。このとき、ドライブトランジスタMN1はオフしているため、外部出力端子OUTの電圧VoはLレベルを示す(時刻t31)。その後、パルス信号HSがLレベルからHレベルに切り替わると(時刻t32)、スイッチ素子SW11がオフからオンに切り替わるため、ドライブトランジスタMN1のゲート電圧は上昇する。それにより、ドライブトランジスタMN1がオンするため、外部出力端子OUTの電圧Voはバッテリ電圧Vbatまで上昇する(時刻t33)。その後、パルス信号HSがHレベルからLレベルに切り替わると(時刻t34)、スイッチ素子SW11がオンからオフに切り替わるため、ドライブトランジスタMN1のゲートへの電荷の供給は停止する。また、このとき、ドライブトランジスタMN1のゲート電圧VgがHレベルを示すため、トランジスタTR13に流れる電流Idisは、トランジスタTR14に流れる電流Idacよりも大きくなっている。そのため、電圧VcmpはLレベルを示している。それにより、NOR回路NR1の出力信号がHレベルになるため、トランジスタTR11がオンする。その結果、ドライブトランジスタMN1のゲート電圧Vgは急速に下降する(時刻t34~t35)。その後、電流Idisが電流Idacより小さくなると、電圧VcmpがLレベルからHレベルに切り替わるため、NOR回路NR1の出力信号はHレベルからLレベルに切り替わる(時刻t35)。それにより、トランジスタTR11がオフするため、ドライブトランジスタMN1のゲート電圧Vgの急速な下降は停止する(時刻t35)。
図16は、実施の形態4にかかる電子制御ユニット1eの具体的な構成例を示す図である。なお、図16には、電子制御ユニット1eの構成要素のうち駆動部11及び駆動補助部14のみが示されている。また、図16には、電子制御ユニット1eによって電流の供給が制御される負荷Ld1も示されている。
図17に示すタイミングチャートでは、図8に示すタイミングチャートと比較して、ドライブトランジスタMN2に流れる電流と、ドライブトランジスタMN1に流れる電流と、の関係が逆になっている。また、出力電圧VoのHレベルとLレベルとの関係が逆になっている。そのため、電圧モニタ141は、出力電圧Voが低下して基準電圧GNDに達した場合、Hレベルのモニタ結果VoCLPを出力し、出力電圧Voが基準電圧GNDを上回る場合、Lレベルのモニタ結果VoCLPを出力する。電子制御ユニット1eのその他の動作については、基本的には電子制御ユニット1の場合と同様であるため、その説明を省略する。
図18は、実施の形態5にかかる電子制御ユニット1fの具体的な構成例を示す図である。なお、図18には、電子制御ユニット1fの構成要素のうち駆動部11及び駆動補助部14のみが示されている。また、図18には、電子制御ユニット1fによって電流の供給が制御される負荷Ld1も示されている。
電圧モニタ141からLレベルのモニタ結果VoCLPが出力されるため、定電流源Id11f,Id12fは、何れも第1の定電流を選択して出力する。それに対し、外部出力端子OUTの電圧Voがバッテリ電圧Vbatに達している場合、電圧モニタ141からHレベルのモニタ結果VoCLPが出力されるため、定電流源Id11f、Id12fは、何れも第1の定電流よりも大きな値を示す第2の定電流を選択して出力する。
1a~1f 電子制御ユニット
11 駆動部
12 電流検出部
13 制御部
14 駆動補助部
15 サンプルホールド回路
141 電圧モニタ
142 プリドライバ
101 エンジン
102 クラッチ
103 トランスミッション
104 ディファレンシャルギア
105 タイヤ
106 ソレノイドバルブ
121 電流モニタ
141 電圧モニタ
141a,141b 電圧モニタ
142 プリドライバ
142f プリドライバ
143 プリドライバ
1411 クランプ回路
1412 レベルシフタ
AD11、ADD12 論理積回路
AD21、ADD22 論理積回路
CMP1 コンパレータ
Id11、Id12 定電流源
Id11f、Id12f 定電流源
Id21、Id22 定電流源
IV11、IV21 インバータ
Ld1 負荷
MN1 ドライブトランジスタ
MN2 ドライブトランジスタ
NR1 NOR回路
SW11,SW12 スイッチ素子
SW13,SW14 スイッチ素子
SW21,SW22 スイッチ素子
SW23,SW24 スイッチ素子
Tr1 センストランジスタ
Tr2 センストランジスタ
TR11~TR14 トランジスタ
Claims (15)
- 外部に設けられた負荷に流れる電流の供給を制御する第1ドライブトランジスタと、
前記第1ドライブトランジスタに流れる電流に比例する電流が流れる第1センストランジスタを有し、当該第1センストランジスタに流れる電流を検出する電流検出部と、
前記電流検出部によって検出された電流の値に応じたデューティ比の第1パルス信号を生成する制御部と、
前記第1ドライブトランジスタと前記負荷との間の外部出力端子の電圧がバッテリ電圧である所定電圧に達しているか否かをモニタする電圧モニタと、
前記外部出力端子の電圧が前記所定電圧に達していない場合、前記第1ドライブトランジスタの制御端子に対する電荷の充放電を、前記第1パルス信号に基づいて第1充放電速度で行うとともに、前記外部出力端子の電圧が前記所定電圧に達している場合、前記第1ドライブトランジスタの制御端子に対する電荷の充放電を、前記第1パルス信号に基づいて第1充放電速度よりも速い第2充放電速度で行うプリドライバと、
を備え、
前記第1ドライブトランジスタは、前記バッテリ電圧が供給される電圧供給端子と、前記外部出力端子と、の間に設けられたハイサイドドライバであって、
前記電圧モニタは、前記外部出力端子の電圧が前記所定電圧以上に達しているか否かをモニタするように構成されている、
半導体装置。 - 前記プリドライバは、
前記第1ドライブトランジスタの制御端子に対する電荷の充放電を第1パルス信号に基づいて制御する第1スイッチ部と、
前記外部出力端子の電圧が前記所定電圧に達している場合、第1スイッチ部とともに前記第1ドライブトランジスタの制御端子に対する電荷の充放電を第1パルス信号に基づいて制御する第2スイッチ部と、を有する、
請求項1に記載の半導体装置。 - 前記第2スイッチ部は、前記第1ドライブトランジスタの制御端子に対する電荷の充放電を前記第1スイッチ部の場合よりも速い充放電速度で行うように構成されている、
請求項2に記載の半導体装置。 - 前記第1スイッチ部は、
電源電圧が供給される電源電圧端子と、前記第1ドライブトランジスタの制御端子と、の間に設けられた第1定電流源と、
前記第1定電流源に直列に設けられ、前記第1パルス信号に基づいてオンオフが制御される第1スイッチ素子と、
前記第1ドライブトランジスタの制御端子と、前記外部出力端子と、の間に設けられた第2定電流源と、
前記第2定電流源に直列に設けられ、前記第1パルス信号に基づいて前記第1スイッチ素子と相補的にオンオフが制御される第2スイッチ素子と、を備えた、
請求項2に記載の半導体装置。 - 前記第2スイッチ部は、
前記電源電圧端子と前記第1ドライブトランジスタの制御端子との間に設けられ、前記外部出力端子の電圧が前記所定電圧に達している場合、前記第1パルス信号に基づいてオンオフが制御される第3スイッチ素子と、
前記第1ドライブトランジスタの制御端子と前記外部出力端子との間に設けられ、前記外部出力端子の電圧が前記所定電圧に達している場合、前記第1パルス信号に基づいて前記第3スイッチ素子と相補的にオンオフが制御される第4スイッチ素子と、を備えた、
請求項4に記載の半導体装置。 - 前記プリドライバは、
電源電圧が供給される電源電圧端子と、前記第1ドライブトランジスタの制御端子と、の間に設けられ、前記電圧モニタによるモニタ結果に応じた値の電流が流れる第1定電流源と、
前記第1定電流源に直列に設けられ、前記第1パルス信号に基づいてオンオフが制御される第1スイッチ素子と、
前記第1ドライブトランジスタの制御端子と、前記外部出力端子と、の間に設けられ、前記電圧モニタによるモニタ結果に応じた値の電流が流れる第2定電流源と、
前記第2定電流源に直列に設けられ、前記第1パルス信号に基づいて前記第1スイッチ素子と相補的にオンオフが制御される第2スイッチ素子と、を備えた、
請求項1に記載の半導体装置。 - 前記第1定電流源及び前記第2定電流源は、何れも、前記外部出力端子の電圧が前記所定電圧に達している場合、前記外部出力端子の電圧が前記所定電圧に達していない場合よりも大きな値の電流を流すように構成されている、
請求項6に記載の半導体装置。 - 前記電圧モニタは、前記第1ドライブトランジスタの制御端子の電圧をモニタした結果から、前記外部出力端子の電圧が前記所定電圧以上に達しているか否かを判断するように構成されている、
請求項1に記載の半導体装置。 - 前記電圧モニタは、
前記外部出力端子の電圧と前記所定電圧とを比較して比較結果をモニタ結果として出力するコンパレータを有する、
請求項1に記載の半導体装置。 - 前記電圧モニタは、
クランプ電圧以下の前記外部出力端子の電圧を前記クランプ電圧にクランプするクランプ回路と、
前記クランプ回路の出力電圧をレベルシフトさせてモニタ結果として出力するレベルシフタと、
を有する、請求項1に記載の半導体装置。 - 前記第1ドライブトランジスタのオンオフの切り替わりに応じたタイミングで前記電流検出部の検出電流をサンプリングして所定期間ホールドするサンプルホールド回路をさらに備えた
請求項1に記載の半導体装置。 - 前記負荷は、ソレノイドバルブである、
請求項1に記載の半導体装置。 - 前記負荷は、インダクタを含む、
請求項1に記載の半導体装置。 - 請求項1に記載の半導体装置と、
前記半導体装置によって駆動される前記負荷と、
を備えた、半導体システム。 - 請求項1に記載の半導体装置と、
前記半導体装置によって駆動される前記負荷であるソレノイドバルブと、
エンジンと、
前記ソレノイドバルブの電磁力によって前記エンジンの駆動力の伝達を制御するクラッチと、
前記クラッチを介して前記エンジンから伝達された駆動力を、走行状態に応じた回転数及びトルクに変化させてタイヤを回転させるトランスミッションと、
を備えた制御システム。
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