JP7032605B2

JP7032605B2 - 半導体集積回路

Info

Publication number: JP7032605B2
Application number: JP2021503450A
Authority: JP
Inventors: 友里茂泉; 昌宏土肥; 毅雄山下; 泰志杉山
Original assignee: Hitachi Astemo Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2019-03-01
Filing date: 2020-01-21
Publication date: 2022-03-08
Anticipated expiration: 2040-01-21
Also published as: JPWO2020179250A1; WO2020179250A1

Description

本発明は半導体集積回路に関する

特定の用途向けに開発される半導体集積回路であるＡＳＩＣ（ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＳｐｅｃｉｆｉｃＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）は、対象の製品を絞ることで、必要な機能のみに最適化して搭載し、単価を下げる事が出来る。一方で、回路を個別に設計するための人件費や、高額な製造用のフォトマスクを試作品も含めて専用に作製することから、多くの開発費を必要とし、その結果、生産数量の大小が単価に大きな影響を与えるという課題もある。

この課題に対し、ＡＳＩＣに対し、最小限の工夫を加えることで機能に汎用性を持たせ、対象とする製品を広げて生産数を増やせば単価を下げることが出来る。例えば、電源ＡＳＩＣの場合は、搭載される製品が異なれば、出力電圧や精度をはじめとした特性への要求が製品毎に異なるが、それぞれの要求に対して全く個別の回路を搭載するのではなく、ピンや回路を可能な限り共有することで単価への影響を最小限とする事が出来る。例えば、特許文献１には、「簡便な方法でマイコンへの供給電源電圧を可変でき、同一の電源ＩＣを多様なマイコンに適応可能な低コストの電子制御装置を実現する。ディスクリート抵抗１０の値を判定するためスイッチ２１がオンし、電流源１１からの電流値とディスクリート抵抗１０の抵抗値に応じた電圧がＩｎ１端子に発生する。ＡＤ変換器１２によりＩｎ１端子電圧がＡＤ変換され選択的に接続されたディスクリート抵抗１０に応じたデジタルコードが検出される。レジスタ１３にはＡＤ変換結果が保存され、ＡＤ変換器１２によるディスクリート抵抗１０の抵抗値判定が完了する。ＡＤ変換器１２による抵抗値判定完了後に、各電源電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３が起動を開始する。コア電圧Ｖ３は、レジスタ１３で設定された基準電圧１４に応じた電圧で起動することで、所望の電源供給が完了する。」と記載されており、異なる電圧値の出力を単一のレギュレータで簡便に実現可能としている。

ＷＯ２０１８／２３５４０３

電源ＡＳＩＣを複数の製品に適用させようとしている場合、ある製品では、センサ電源をＡ／Ｄコンバータの基準電圧と一致させたり、電源電圧の立ち上がり、立下りのタイミングを他のレギュレータと一致させたりする目的で、他のレギュレータ電圧を基準に電圧を生成して、基準レギュレータの電圧変動に追従するトラッキングレギュレータが要求される場合がある。また、別のある製品では、高い精度が求められ、他のレギュレータの電圧変動に影響されることが望ましくないことから、基準の電圧をＡＳＩＣ内部の固定電圧とした一般的なリニアレギュレータ（以下、単にリニアレギュレータと呼ぶ）が必要となる場合がある。このように、異なる出力特性を持つレギュレータが必要となった場合に、それぞれを独立に設けると、一方の製品では、もう一方のためのレギュレータが不必要ということになり、無駄、コスト高となってしまうという課題があった。

本発明による半導体集積回路は、基準電圧に基づいて出力電圧を調整する第１の電圧レギュレータと、外部素子に電圧を供給する第２の電圧レギュレータと、外部への出力を持たない電圧源と、前記第１の電圧レギュレータへ入力する前記基準電圧を切り替える選択回路を備え、前記選択回路は、前記基準電圧を、前記電圧源の出力に基づく第１の電圧と、前記第２の電圧レギュレータの出力に基づく第２の電圧とで切り替える。

本発明によれば、出力電圧を調整する電圧レギュレータ回路部分を共通として、電圧レギュレータ回路に入力する基準電圧を、他のレギュレータ出力と、ＡＳＩＣ内部の固定電圧とで切り替えるための回路を追加することで、トラッキングレギュレータ出力と、リニアレギュレータ出力の特性を両方実現可能となる。これにより、レギュレータ１ＣＨ分とほぼ変わらない実装面積で複数の製品からの異なる要求を満たすことが可能となり、ＡＳＩＣの単価を低減することが出来る。

第１の実施例におけるレギュレータＡをトラッキングレギュレータとして動作させた場合の例を示す回路構成図である。第１の実施例におけるレギュレータＡをリニアレギュレータとして動作させた場合の例を示す回路構成図である。第２の実施例における回路構成図である。第３の実施例における回路構成図である。第４の実施例における回路構成図である。

図１、図２を用いて、本発明の実施例１について説明する。

図１は本実施例における１つ目の回路構成図を示したものである。

電源ＩＣ１０１はレギュレータＡ１０２と、レギュレータＢ１０３と、内部電源１０４を備えている。

レギュレータＡ１０２は外部への出力１０５を持ち、出力１０５の電圧を分圧抵抗Ａ１０７で分圧して、エラーアンプ１０８の反転端子に入力している。エラーアンプ１０８の出力はＮＭＯＳＦＥＴ１０９のゲートに接続されており、エラーアンプ１０８の反転端子への入力電圧と、非反転端子へ入力される基準電圧１１１の電圧が等しくなるよう、エラーアンプ１０８がＮＭＯＳＦＥＴ１０９のソース－ドレイン間の電圧降下を調整し、電源ＩＣ１０１の電源入力端子１１０から入力される電源電圧から出力１０５を得ている。

レギュレータＢ１０３は、外部への出力１０６を持ち、内部電源１０４は外部への出力を持たない電圧源である。

レギュレータＢの出力電圧と、内部電源１０４の出力電圧は、それぞれ電源ＩＣ１０１内に備えられた分圧抵抗Ｂ１１２、分圧抵抗Ｃ１１３で分圧され、基準電圧選択回路１１４に入力される。基準電圧選択回路は基準電圧選択端子１１５の入力値がＨｉｇｈの場合はレギュレータＢの出力を分圧した電圧を、基準電圧選択端子１１５の入力がＬｏｗの場合は、内部電源１０４の出力を分圧した電圧を選択し、基準電圧１１１として、エラーアンプ１０８の非反転端子に入力する。

なお、基準電圧選択端子１１５を基板上でＧＮＤ、もしくは５Ｖや３Ｖ等のＨｉｇｈ入力となる電圧に固定することによって、レギュレータＡ１０２は、電源ＩＣ１０１の起動直後から選択された特性の電圧を出力することが出来る。更に、基準電圧端子１１５を電源ＩＣ１０１内で抵抗を介してＨｉｇｈレベルにプルアップすれば、基準電圧選択端子１１５を基板上でオープンとしてするだけで基準電圧選択回路１１４はＨｉｇｈ入力を検出する。

図１に於いてはレギュレータＡ１０２の出力１０５は、基準電圧選択端子１１５に電圧源が接続され、Ｈｉｇｈを入力しているので、レギュレータＢの出力１０６に従って出力１０５の電圧を調整するトラッキングレギュレータとして動作し、レギュレータＢの出力１０６の電圧が外部負荷の影響等で変動した場合は、出力１０５の電圧も追従して変動する。

また、分圧抵抗Ａ１０７、分圧抵抗Ｂ１１３の分圧比が等しければ、レギュレータＡ１０２とレギュレータＢ１０３の出力１０５、１０６は常に等しくなる。更に、分圧抵抗Ａ１０７、分圧抵抗Ｂ１１３の分圧比を調整することで、レギュレータＡ１０２とレギュレータＢ１０３の出力１０５、１０６の電圧の比を調整することが可能であり、この時、出力１０５の電圧は出力１０６の電圧の変動に追従して、出力１０６の電圧と一定の比を保ちながら変動する。

なお、本実施例では、分圧抵抗Ａ１０７、分圧抵抗Ｂ１１３の分圧比は同じものとする。

レギュレータＡ１０２の出力１０５はセンサ１１８へ電源として入力され、センサ１１８の出力はマイコン１１６のＡ／Ｄコンバータ１１７にアナログ入力値Ｖｉｎとして接続されている。レギュレータＢ１０３の出力１０６はマイコン１１６のＶＤＤ電源及びＡ／Ｄコンバータへ基準電圧Ｖｒｅｆとして入力されている。

例えば、センサ１１８が、抵抗体の温度特性によって、センサ１１８の電源電圧である出力１０５を分圧した電圧の変動を温度変化として出力するなど、出力１０５の電圧値に比例する出力特性を持っている場合、センサ１１８の出力値をＡ／Ｄコンバータ１１７で精度よく変換するためには、Ａ／Ｄコンバータの基準電圧ＶｒｅｆであるレギュレータＢ１０３の出力１０６と、レギュレータＡの出力１０５の電圧値は常に同じである必要がある。前述の通り、本実施例では出力１０６と出力１０５は常に等しい電圧を出力するため、センサ１１８からのアナログ出力を精度よくＡ／Ｄコンバータ１１７で変換することが出来る。

図２は本実施例における２つ目の回路構成図を示したものである。図１の回路構成図と同じ点についての説明は省略する。図１との相違点は、基準電圧選択端子１１５がＧＮＤに接続されている点、マイコン１１６のＡ／Ｄコンバータ１１７の基準電圧Ｖｒｅｆへの入力が、レギュレータＢ１０３の出力１０６ではなく、レギュレータＡ１０２の出力１０５である点、レギュレータＡ１０２の出力１０５がセンサ１１８へ接続されていない点が異なる。

図２では基準電圧端子１１５にＬｏｗが入力されていることになるため、基準電圧選択回路１１４は内部電源１０４を元にした電圧を選択してレギュレータＡ１０２の基準電圧１１１として出力する。

内部電源１０４は外部に出力を持たないため、負荷条件によって出力が変動するおそれのあるレギュレータＢ１０３の出力１０６とは異なり、外乱の影響を受けにくい。更に、内部電源１０４の構成をバンドギャップリファレンスと呼ばれる回路にすれば、温度環境に対しても非常に安定した電圧源とする事が出来る。図２に於いては、このような安定した電圧源を基準とするリニアレギュレータとして動作することにより、レギュレータＡ１０２は、図１の回路構成図の様にトラッキングレギュレータとして動作させた場合よりも絶対値として高精度な電圧出力を得る事が出来る。

尚、この時のレギュレータＡ１０２の出力電圧値は、内部電源１０４の出力電圧と、分圧抵抗Ａ１０７、分圧抵抗Ｃ１１３の分圧比で決定され、所望の値に調整することが可能である。

図２におけるセンサ１１８は、ホールセンサや光センサの様に、起電力によってセンサ出力を発生させるものを想定している。この場合、センサ１１８の出力はセンサの電源電圧に依存しないため、絶対値として検出することになる。したがって、マイコン１１６がセンサ１１８の出力を精度よくＡ／Ｄ変換するためには、Ａ／Ｄコンバータ１１７の基準電圧Ｖｒｅｆへの入力電圧は安定した絶対値の出力が必要であり、レギュレータＡ１０２をリニアレギュレータとして動作させることで、出力１０５を基準電圧Ｖｒｅｆへの入力が得られる。

以上、図１、図２を用いて示したように、本実施例における半導体集積回路101は、基準電圧に基づいて出力電圧を調整する第１の電圧レギュレータ102と、外部素子に電圧を供給する第２の電圧レギュレータ103と、外部への出力を持たない電圧源104と、第１の電圧レギュレータ102へ入力する基準電圧を切り替える選択回路114を備え、選択回路114は、第１の電圧レギュレータ102の基準電圧を電圧源104の出力に基づく第１の電圧と第２の電圧レギュレータ103の出力に基づく第２の電圧とで切り替えるようにすることで、レギュレータＡ１０２（第１のレギュレータ）の出力の特性をトラッキングレギュレータとリニアレギュレータとで切り替える事が出来る。そのため、電源ＩＣ１０１を複数の製品に搭載する際に、それぞれの製品で異なる特性のレギュレータ出力を求められる場合に於いても、レギュレータＡ１０２の出力特性を切り替えることで可能になる。なお、本実施例では、基準電圧選択端子１１５への入力がＨｉｇｈの場合にはトラッキングレギュレータとして、Ｌｏｗの場合にはリニアレギュレータとしてレギュレータＡ１０２が機能するように選択回路１１４が動作する例を示したが、逆であってもよい。

図１、図２ではセンサ１１８の出力をマイコン１１６でＡ／Ｄ変換する例を取り上げたが、その他にも、トラッキングレギュレータが必要とされる場合として、出力先素子のラッチアップ防止のために、２電源（もしくはそれ以上）の電圧立下りと立ち上がりのタイミングを前後させてはいけない場合が挙げられる。また、トラッキングレギュレータのデメリットとしては、基準電圧を作るための別のレギュレータが必要な点や、基準電圧の元になるレギュレータ（本実施例ではレギュレータＢ１０３）が故障した場合に出力不能となる点がある。そのため、リニアレギュレータが必要とされる場合として、前述のような高精度な電圧値を求められる場合に加え、冗長系の電源等、他のレギュレータと同時に故障して欲しくない場合がある。更に、リニアレギュレータの基準電圧に利用する電圧（本実施例では内部電源１０４）は、電源ＩＣ１０１内の各所に分配されている内部基準電圧を利用する事が出来る。そのため、精度や冗長性は求められないが、単純にトラッキングレギュレータとして動作させる場合とは別の電圧レベルが求められる場合にも、リニアレギュレータとしての動作と切り替えた方が、他のレギュレータの出力を利用するよりも、簡便な回路、配線の構成とする事が出来る。

図３は第２の実施例における回路構成図である。本実施例は基準電圧入力端子３０１と外部レギュレータ３０２の構成が第１の実施例とは異なる。なお、第１の実施例と共通する構成については、説明を省略する。

本実施例では、外部レギュレータ３０２の出力電圧が基準電圧入力端子３０１に入力され、分圧抵抗Ｂ１１２で分圧されて基準電圧選択回路１１４へ入力されている。

このように、基準電圧入力端３０１を設けることにより、レギュレータＡ１０１をトラッキングレギュレータとして動作させる際に、電源ＩＣ１０１の内部に無いレギュレータから基準電圧１１１を得る事が出来るようになり、電源ＩＣ１０１を多様な製品へ適用する際の自由度が向上する。

図４は第３の実施例に於ける回路構成図である。本実施例は通信回路４０１と、通信信号入出力端子４０２と基準電圧選択信号４０３の構成が第１の実施例とは異なる。なお、第１または第２の実施例と共通する構成については、説明を省略する。

マイコン１１６は信号入力端子４０２を介して電源ＩＣ１０１の通信回路４０１に基準電圧１１１の電圧を指定する指令を送信する。通信回路４０１はマイコンからの指令を受信して、基準電圧選択信号４０３を基準電圧選択回路１１４に入力する。例えば、レギュレータＢ１０３を基にした電圧を基準電圧１１１としたい場合は、基準電圧選択信号としてＨｉｇｈを入力し、内部電源１０４を基準電圧１１１としたい場合は、基準電圧選択信号としてＬｏｗを入力する。

基準電圧選択回路１１４は基準電圧選択信号４０３の値に従って、基準電圧１１１を選択し、レギュレータＡ１０２に入力する。

これにより、レギュレータＡ１０２の出力は、マイコン１１６からの指令により切り替えることが可能となる。

本実施例は、例えば、レギュレータＡ１０２がトラッキングレギュレータとして動作していて、且つ、レギュレータＢ１０３の異常をマイコン１１６が検出した場合にレギュレータＡ１０２をリニアレギュレータとしての動作に切り替えることでレギュレータＢ１０３と同じ異常状態となるのを回避したい場合に有効である。また、他の例として、レギュレータＡ１０２を実施例１の図１と同様に電源電圧に比例する出力を持つセンサ１１８の電源とするため、トラッキングレギュレータとして使用している場合に、マイコン１１６がレギュレータＡ１０２をトラッキングレギュレータとしての出力電圧とは異なる出力電圧となるように、リニアレギュレータとして動作するよう切り替えることで、センサ１１８の出力を故意に変化させ、その変化量からＡ／Ｄコンバータ１１７の動作や精度を診断することも出来る。

図５は第３の実施例における回路構成図である。なお、前述した実施例と同様の構成については説明を省略する。本実施例は、異常検出回路５０１と、異常信号５０２と、異常信号出力端子５０３と、スイッチＡ５０４、スイッチＢ５０５、スイッチＣ５０６と、マイコン１１６のエラー入力端子５０７の構成が第１の実施例とは異なる。

異常検出回路５０１は、レギュレータＢ１０３の出力電圧をモニタしており、出力電圧がある正常範囲内にある場合は、異常信号５０２をＬｏｗとして、正常範囲を外れた場合には異常信号５０２をＨｉｇｈとして出力する。異常信号５０２は基準電圧選択回路１１４に入力される。更に、異常信号５０２は異常信号出力端子５０３から電源ＩＣ１０１の外部へ出力され、スイッチＡ５０４、スイッチＢ５０５、スイッチＣ５０６とマイコン１１６の異常信号入力端子５０７に入力される。

基準電圧選択回路１１４は異常信号５０２がＬｏｗの場合には、レギュレータＢ１０３の出力電圧を基にした電圧を選択して基準電圧１１１として出力する。異常信号５０２がＨｉｇｈになると、基準電圧選択回路１１４はその信号を受けて内部電源１０４を基にした電圧を基準電圧１１１として出力する。なお、リニアレギュレータとして動作させた時のレギュレータＡ１０２の出力電圧は、トラッキングレギュレータとして動作させた時の出力電圧と同じとなるよう、分圧抵抗Ａ１０７、分圧抵抗Ｂ１１３、分圧抵抗Ｃ１１３を調整しているものとする。

スイッチＡ５０４、スイッチＢ５０５、スイッチＣ５０６は、それぞれ、異常信号５０２がＬｏｗの場合には、短絡、開放、短絡の状態となっており、レギュレータＢ１０３の出力１０６をマイコン１１６のＶＤＤ電源とＡ／Ｄコンバータ１１７の基準電圧Ｖｒｅｆに入力し、レギュレータＡ１０２の出力１０５をセンサ１１８に入力する。異常信号５０２がＨｉｇｈになると、スイッチＡ５０４、スイッチＢ５０５、スイッチＣ５０６はそれぞれ開放、短絡、開放の状態に切り替わり、レギュレータＢ１０３の出力１０６をマイコン１１６への入力から切り離し、レギュレータＡ１０２の出力をセンサ１１８の入力から切り離してマイコン１１６のＶＤＤ電源に入力する。これにより、レギュレータＢ１０３の異常時にマイコン１１６の電源入力をレギュレータＡ１０２の出力１０５に切り替えることによって、マイコン１１６の誤動作や破壊を防ぐ事が出来る。

マイコン１１６は異常信号入力端子５０７から異常信号Ｈｉｇｈが入力されると、安全にシステムを停止させるための処理を開始する。

以上の様に、本実施例によれば、レギュレータＢ１０３の異常発生時に、バックアップ電源としてレギュレータＡ１０２を用いる事が出来、異常な電源電圧の入力によるマイコン１１６の誤動作や破壊を防ぎ、更にマイコン１１６が制御するシステムの安全な停止のための処理を行う事が出来る。こういった仕組みは、例えば、自動車のブレーキやステアリング、自動運転等、高い安全性が求められる分野における電子制御装置において、電源機能の故障時の安全を担保するために特に有効である。

１０１電源ＩＣ
１０２レギュレータＡ
１０３レギュレータＢ
１０４内部電源
１０５レギュレータＡ出力
１０６レギュレータＢ出力
１０７分圧抵抗Ａ
１０８エラーアンプ
１０９ＮＭＯＳＦＥＴ
１１０電源入力端子
１１１基準電圧
１１２分圧抵抗Ｂ
１１３分圧抵抗Ｃ
１１４基準電圧選択回路
１１５基準電圧選択端子
１１６マイコン
１１７Ａ／Ｄコンバータ
１１８センサ
３０１基準電圧入力端子
３０２外部レギュレータ
４０１通信回路
４０２通信信号入出力端子
４０３基準電圧選択信号
５０１異常検出回路
５０２異常信号
５０３異常信号出力端子
５０４スイッチＡ
５０５スイッチＢ
５０６スイッチＣ
５０７異常信号入力端子

Claims

基準電圧に基づいて出力電圧を調整する第１の電圧レギュレータと、外部素子に電圧を供給する第２の電圧レギュレータと、外部への出力を持たない電圧源と、前記第１の電圧レギュレータへ入力する前記基準電圧を切り替える選択回路を備え、
前記選択回路は、前記基準電圧を、前記電圧源の出力に基づく第１の電圧と、前記第２の電圧レギュレータの出力に基づく第２の電圧とで切り替える半導体集積回路。
基準電圧に基づいて出力電圧を調整する第１の電圧レギュレータと、外部からの電圧を入力値とする基準電圧入力端子と、外部への出力を持たない電圧源と、前記第１の電圧レギュレータへ入力する前記基準電圧を切り替える選択回路を備え、
前記選択回路は、前記基準電圧を、前記電圧源の出力に基づく第１の電圧と、前記基準電圧入力端子からの入力電圧に基づく第２の電圧とで切り替える半導体集積回路。
基準電圧選択端子を備え、
前記選択回路は、前記基準電圧選択端子に前記半導体集積回路の外部から入力される信号に基づいて前記基準電圧を選択する請求項１または２に記載の半導体集積回路。
外部との通信部を備え、
前記通信部を介して入力される信号に基づいて前記選択回路が前記基準電圧を選択する請求項１または２に記載の半導体集積回路。
前記第２の電圧レギュレータの異常を検出する異常検出部を備え、
前記異常検出部が前記第２の電圧レギュレータの異常を検出した場合、前記選択回路は前記第１の電圧レギュレータの基準電圧を前記第１の電圧に切り替える請求項１に記載の半導体集積回路。
請求項１または５に記載の半導体集積回路と、前記半導体集積回路から電圧が供給されるマイコンと、を備える電子制御装置。